Устройства и системы автоматизации судовых электрических станций

В настоящее время имеется достаточный набор надежных типовых систем и устройств, позволяющих осуществить полную автоматизацию электростанции. 

Автоматический регулятор напряжения генератора современного судна

К ним относятся:

• система ДАУ СДГ-Т (типовая) для дистанционного автоматического управления судовыми дизель-генераторами переменного и постоянного тока мощностью 100—1000 кВт;
• системы автоматического регулирования частоты вращения и напряжения, обеспечивающие требуемое качество вырабатываемой электроэнергии;
• устройства АС-1, УСГ-1, УСГ-2, УСГ-1Г1, УСГ-ПП, УСГ-4Р, УСГ-ЗА, обеспечивающие автоматическую синхронизацию генераторов;
• устройства УВР-1А, УВР-1Г1, включающие резервный генераторный агрегат соответственно по активному или полному току;
• устройства УРГ-1ДА, УРГ-1ДГ1, УРГ-1Р, обеспечивающие отключение части потребителей электроэнергии при перегрузке генераторных агрегатов активным или полным током;
• устройства УРЧН, УРМ для автоматического распределения  нагрузок между параллельно работающими генераторами;
• устройства УКИ-1, ПКИ, «Электрон-1», обеспечивающие автоматический непрерывно действующий контроль сопротивления изоляции электрических цепей как при наличии, так и при отсутствии напряжения в них.

Рассмотрим некоторые из основных систем и устройств, получивших наиболее массовое распространение на транспортных судах. К ним относятся системы автоматического регулирования частоты и напряжения, устройства автоматической синхронизации и распределения нагрузки между параллельно работающими агрегатами.

Нормальная работа судовых потребителей электроэнергии возможна только в том случае, если электростанция обеспечивает получение высококачественной электроэнергии, т. е. если напряжение генераторов постоянного тока или напряжение и частота генераторов переменного тока поддерживаются с требуемой точностью.

В отличие от работы береговых электростанций к судовым генераторам обычно подключают потребители электроэнергии соизмеримой мощности. Это может привести к значительным изменениям частоты и напряжения в судовой цепи.

Снижение (увеличение) частоты тока в цепи приводит к уменьшению (увеличению) частоты вращения, а следовательно, и мощности электродвигателей судовых механизмов и соответственно их производительности.

Частота тока f генераторного агрегата прямо пропорциональна частоте вращения его вала n и определяется выражением: f = p x n / 60, где р — число пар полюсов генератора, которое для данной электрической машины является величиной постоянной.

Следовательно, поддержание частоты неизменной сводится, по существу, к стабилизации частоты вращения вала первичного двигателя генераторного агрегата. Первичный двигатель загружается только активной нагрузкой. При изменении активной нагрузки генератора изменяется частота. 

Стабилизацию частоты вращения вала генераторных агрегатов осуществляют с помощью автоматических регуляторов, воздействующих на механизмы, изменяющие подачу топлива (пара) в первичные двигатели. Регуляторы частоты вращения и частоты тока отличаются друг от друга только тем, что первые реагируют непосредственно на изменение частоты вращения вала первичного двигателя (имеют датчик n), а вторые — на изменение частоты тока (имеют датчик f).

В настоящее время первичные двигатели, как правило, снабжены центробежными регуляторами частоты вращения прямого чаще непрямого действия. Основным элементом этих регуляторов является механический центробежный измеритель частоты вращения.

В регуляторах прямого действия центробежный измеритель частоты вращения непосредственно воздействует на регулирующий орган, изменяющий подачу топлива, либо пара в первичный двигатель, а в регуляторах непрямого действия — через усилитель-сервомотор. Центробежные регуляторы работают по принципу отклонения регулируемой величины, т. е. реагируют на отклонение частоты вращения независимо от причин появления этого отклонения. Они обеспечивают поддержание частоты вращения двигателя в установившихся режимах с точностью ±2,5%, а в переходных режимах ±5—6% номинальной. Время переходного процесса длится около 5 с.

Рис. 1. Внешние характеристики: а — генераторов постоянного тока; б — синхронного генератора

Дальнейшего повышения точности регулирования частоты вращения вала двигателей можно добиться в классе комбинированных систем, реагирующих на отклонение частоты вращения и на изменение нагрузки. Однако в центробежных регуляторах трудно учитывать сигнал по нагрузке, поэтому в последние годы используются электромеханические регуляторы частоты вращения.

Управляющая часть этих регуляторов (их иногда называют двухимпульсными) состоит из электрических датчиков и усилителей, а в качестве исполнительного элемента используется электрогидравлический сервопривод.

Представление об изменении напряжения генераторов постоянного и переменного тока дают внешние характеристики (рис. 1).

Основной причиной уменьшения напряжения генераторов является изменение тока нагрузки. С увеличением тока нагрузки генераторов постоянного тока увеличиваются размагничивающее действие реакции якоря и внутреннее падение напряжения.

Из рис. 1, а (кривая 3) следует, что наиболее жесткую характеристику имеют генераторы постоянного тока смешанного возбуждения (1 и 2 — генераторы параллельного и независимого возбуждения).

В синхронных генераторах внутреннее падение напряжения на активном сопротивлении статора слабо влияет на изменение напряжения. Решающими факторами, определяющими величину изменения напряжения синхронного генератора, являются реакция статора и внутреннее индуктивное падение напряжения. Наиболее сильно размагничивающее действие реакции статора проявится при индуктивной нагрузке генератора (рис. 1, б), когда реакция статора направлена по продольной оси полюса против основного магнитного потока. По этой причине в синхронных генераторах при отсутствии регулятора напряжения величина изменения напряжения может достигать более 40—50% номинального значения. Особо тяжелые условия работы генераторных агрегатов создаются при прямом пуске асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, когда возникают большие броски тока при низком коэффициенте мощности. Кроме указанных факторов (ток нагрузки и cos ф), на напряжение синхронного генератора оказывают влияние изменение частоты и температурного режима. Поэтому синхронные генераторы снабжаются регуляторами напряжения, воздействующими на их возбуждение с целью стабилизации напряжения при действии указанных внешних возмущений.

Все системы автоматического регулирования (САР) напряжения синхронных генераторов по принципу регулирования разделяются на следующие три группы: с регулированием по отклонению напряжения генератора; с регулированием по возмущению; с комбинированным регулированием — по отклонению напряжения и по возмущению.

Любая современная САР напряжения судовых генераторов выполняется по одной из трех структурных схем (рис. 2).

Рис. 2. Структурные схемы систем автоматического регулирования напряжения генераторов

В первой схеме (рис. 2, а) автоматическое регулирование напряжения генератора достигается воздействием регулятора Р на регулируемый резистор R в цепи обмотки возбуждения возбудителя ОВВ. По этой схеме выполнены электромеханические регуляторы напряжения типа РУН, работающие по отклонению напряжения.

В системах выполненных по второй схеме (рис. 2, б), стабилизация напряжения генератора на заданном уровне осуществляется путем изменения дополнительной энергии, поступающей через регулятор от шин генератора в обмотку возбуждения возбудителя. По этой схеме выполнены регуляторы напряжения типа УВК-М, которые построены по комбинированному принципу регулирования и имеют высокую чувствительность и быстродействие.

В системах, выполненных по третьей схеме (рис. 2, в), процесс автоматического регулирования напряжения осуществляется за счет энергии, которая подается через регулятор от шин генератора непосредственно в его обмотку возбуждения. Системы регулирования, выполненные по третьей схеме, являются системами самовозбуждения и автоматического регулирования напряжения.

Рис. 3. Принципиальные схемы систем прямого токового (а) и прямого фазового (б) компаундирования: I_к — ток компаундирования; I_н — ток, пропорциональный напряжению генератора; Z_к — резистор (сопротивление, элемент компаундирования); I_в — ток возбуждения генератора

Системы, выполненные по второй и третьей структурным схемам, чаще всего работают по возмущению или по комбинированному принципу. Контур регулирования по возмущению в этих системах выполняется с помощью трансформатора компаундирования и силового выпрямителя.

Различают прямое (непосредственно в обмотку возбуждения генератора) и косвенное (через возбудитель) компаундирование синхронных генераторов. Кроме того, компаундирование может быть токовым или амплитудно-фазовым, которое часто называют фазовым. С точки зрения схемного решения при токовом компаундировании (рис. 3, а) происходит арифметическое суммирование сигналов, пропорциональных току и напряжению генератора, на стороне постоянного тока (после силового выпрямителя), поэтому ток возбуждения генератора не зависит от коэффициента мощности. При фазовом компаундировании (рис. 3, б) геометрическое суммирование сигналов, пропорциональных току и напряжению, происходит на стороне переменного тока, т. е. до силового выпрямителя. Чтобы суммирование было геометрическим, т. е. с учетом фазы тока по отношению к напряжению, в современных САР напряжения в канал напряжения включают компаундирующий элемент: катушку (индуктивность), конденсатор (емкость) или магнитный шунт в трехобмоточных трансформаторах. Фазовое компаундирование позволяет осуществлять регулирование напряжения генератора по двум основным возмущениям: по величине тока нагрузки генератора и по коэффициенту мощности. Поэтому фазовое компаундирование имеет несомненное преимущество перед токовым.

При выборе САР напряжения следует учитывать: надежность; быстродействие и форсировочную способность; простоту и удобство обслуживания; время, необходимое для приведения системы в рабочее состояние; стоимость; массу и габариты.

Регуляторы частоты и напряжения могут иметь статическую (2, 3) и астатическую (1) характеристики регулирования (рис. 4). При статическом регулировании величина частоты или напряжения в установившемся режиме несколько уменьшается с увеличением тока нагрузки.

Изменение частоты или напряжения при этом определяется наклоном статической характеристики или коэффициента статизма: k_с = (x_o + x_н) / х_о x 100, где х_о — частота или напряжение Х.Х. генератора; х_н — номинальное значение частоты или напряжения генератора.

Рис. 4. Характеристики регулирования

Различают положительный коэффициент статизма, когда при увеличении нагрузки генератора частота или напряжение уменьшаются, и отрицательный, когда они увеличиваются.

При астатическом регулировании частота или напряжение генератора (см. рис. 4, линия 1) в установившемся режиме поддерживаются постоянными, независимо от величины тока нагрузки.

При раздельной работе генераторных агрегатов можно использовать как статическое, так и астатическое регулирование. Если генераторные агрегаты работают в параллель, то целесообразно использовать статическое регулирование, так как при астатическом имеет место неопределенность в распределении нагрузки между параллельно работающими генераторными агрегатами.

Согласно Правилам Регистра частота генераторных агрегатов в статических и динамических режимах должна поддерживаться соответственно с точностью ±5 и ±10% номинального значения. Время переходного процесса не должно превышать 5 с.

Напряжение генераторов переменного тока должно поддерживаться в статических режимах с точностью ±2,5% номинального значения при изменениях нагрузки от холостого хода до номинальной. В динамических режимах при набросе 100% нагрузки и сбросе 50% наибольшее изменение напряжения не должно превышать 20% номинального значения, а время переходного процесса — 1,5 с.

Кроме автоматического регулирования частоты и напряжения весьма важное значение на судах имеет автоматизация синхронизации и распределения нагрузок между параллельно работающими генераторами.

Согласно Правилам Регистра распределение реактивной и активной нагрузок между параллельно работающими генераторными агрегатами должно выполняться с точностью 10% номинальной мощности наибольшего генератора.