Если контроль и регулирование напряжения в системе возлагается на автоматические регуляторы напряжения генераторов (систему АРН), то поддержание заданной частоты полностью зависит от свойств первичных двигателей и качества работы их регуляторов.
В большинстве случаев частота электроэнергетической системы поддерживается постоянной, так как отклонение ее от номинального значения изменяет режим работы большинства судовых электропотребителей. Снижение частоты ведет к уменьшению угловой скорости электродвигателей, а следовательно, к снижению производительности электрифицированных механизмов, к увеличению времени выполнения производственных операций и нарушению технологического процесса. Увеличение частоты приводит к повышению угловой скорости двигателей, к увеличению потребляемой ими мощности и потерь холостого хода, что может вызвать перегрев двигателей и перегрузку питающих генераторов и их первичных двигателей.
Таким образом, поддержание постоянства частоты в электроэнергетической системе является одним из основных условий нормальной работы потребителей электроэнергии и всей системы в целом.
Изменение одного из приложенных к валу генераторного агрегата моментов вызывает в конечном счете отклонение от установившегося значения частоты вырабатываемого генератором тока. Восстановление прежней частоты, очевидно, можно обеспечить приведением момента первичного двигателя Ма. дв в соответствие с электромагнитным моментом Ма генератора, чего достигают изменением подачи рабочего тела в первичный двигатель.
В соответствии с изложенным стабилизация частоты осуществляется регулятором угловой скорости первичных двигателей или регулятором частоты. В первом чувствительный элемент реа-.гирует непосредственно на изменение угловой скорости первичного двигателя, а во втором — на электрические факторы, зависящие от частоты.
До настоящего времени наиболее широкое распространение Для регулирования скорости первичных двигателей судовых синхронных генераторов имеют центробежные регуляторы прямого (до 1000 л. с.) и непрямого (свыше 1000 л. с.) действия.
В регуляторах прямого действия центробежный элемент непосредственно воздействует на исполнительный орган устройства топливо- или паропитания первичного двигателя (рейку, заслонку и др.). В регуляторах непрямого действия между указанными элементами системы автоматического регулирования имеется масляная система и серводвигатели, усиливающие вырабатываемый измерительным элементом сигнал.
Центробежные регуляторы поддерживают частоту генератора с точностью 2,5% в установившемся и 5—6% в переходных режимах при набросе или сбросе 100%-ной нагрузки, а также длительность процесса регулирования до 5 с. Из-за несовпадения регулировочных характеристик регуляторов они не могут обеспечить точного распределения активной нагрузки между параллельно работающими генераторами, что ведет к перегрузке одних генераторов и недогрузке других.
Пропорциональная зависимость между угловой скоростью и частотой вырабатываемого синхронным генератором тока обусловила использование регуляторов скорости приводных двигателей для регулирования частоты и активной мощности синхронных генераторов. Однако с развитием автоматизации электроэнергетических систем ограниченная чувствительность и точность, недостаточное быстродействие и другие указанные выше недостатки центробежных регуляторов скорости делают нерациональным использование их в системах автоматического регулирования частоты и активной мощности синхронных генераторов без соответствующих усовершенствований. Изготовить регулятор с лучшими качественными характеристиками можно за счет увеличения его габаритов, усложнения конструкции и повышения стоимости.
За последние годы разработаны и начали применяться электромеханические и электрические двухимпульсные регуляторы, реагирующие на отклонение нагрузки, а также угловой скорости или частоты.
Двухимпульсный электромеханический регулятор частоты вращения состоит из механического центробежного датчика скорости ЦДС и электрического датчика активной мощности (измерителя нагрузки ИН) с электромагнитными и гидравлическими усилителями. Электрический датчик мощности реагирует на изменение активной нагрузки и с помощью электромагнита передвигает в нужном направлении золотник гидроусилителя, который параллельно с центробежным регулятором через гидроусилитель воздействует на исполнительный орган (рейку топливного насоса у дизелей). Перемещение рейки вызывает поворот сельсина, который при этом вырабатывает сигнал, обратный сигналу датчика активной мощности (измерителя нагрузки). Когда алгебраическая сумма сигналов будет равна нулю, электромагнит потеряет питание и его якорь приведет золотник гидроусилителя в исходное положение. Процесс регулирования прекратится, когда рейка займет положение, соответствующее новой нагрузке, а сигналы датчика мощности и сельсина будут сбалансированы.
Рис. 1. Двухимпульсный электромеханический регулятор частоты вращения.
С целью повышения надежности работы и обеспечения большей точности распределения активных нагрузок между параллельно работающими генераторами иногда исключают механический подвижный элемент системы (центробежный датчик скорости) и применяют двухимпульсный электрический регулятор частоты и активной мощности. Он состоит из электрических датчиков (измерителей) угловой скорости (частоты) и активной мощности (нагрузки), магнитного и гидравлического усилителей и электромагнита. Электрический регулятор частоты работает аналогично рассмотренному выше электромеханическому регулятору.
Рис. 2. Двухимпульсный электрический регулятор частоты и активной мощности.
В последнее время широкое распространение получило выполненное на магнитных усилителях устройство регулирования частоты и активной нагрузки типа УРЧН, которое согласно техническим условиям обеспечивает в статических режимах постоянство частоты с точностью ±0,5% и распределение активной нагрузки между параллельно работающими судовыми генераторными агрегатами с точностью ±7% номинального значения.
Устройство типа УРЧН включает в себя следующие элементы: датчик активного тока, датчик частоты, магнитный усилитель, серводвигатель постоянного или переменного тока. Элементы устройства включаются на шины синхронного генератора трехфазного тока через типовые трансформаторы тока и напряжения.
На вновь строящихся судах устройство типа УРЧН заменяют устройством распределения активной нагрузки на полупроводниковых элементах типа УРМ, которое в отличие от предыдущей системы позволяет получить большую точность распределения активной нагрузки, повысить быстродействие, а также сократить габариты и массу установки.
Схема включения устройства типа УРМ для двухгенераторной судовой электростанции представлена на рис. 3. Устройство состоит из двух самостоятельных блоков: датчика активной мощности и полупроводникового усилителя УРМ-У. Блоки подключаются к генератору через типовые трансформаторы тока и напряжения. Первый генераторный агрегат принят за базовый и не регулируется.
Датчики активной мощности через блок-контакты генераторных автоматов AM включены по дифференциальной схеме на усилитель второго генераторного агрегата УРМ-У2. При разности активных мощностей, развиваемых генераторами, на вход усилителя УРМ-У2 поступает сигнал, который после усиления подается на серводвигатель СД2 второго агрегата и вызывает соответствующее изменение подачи топлива (или пара) в первичный двигатель. В результате изменения подачи топлива (пара) и, следовательно, вращающего момента первичного двигателя выравнивается распределение активных нагрузок с точностью до 5%.
При использовании устройства УРМ частота регулируется центробежным регулятором скорости первичного двигателя или с помощью прибора регулирования частоты Г1РЧ, который согласно техническим условиям обеспечивает точность поддержания частоты в статических режимах в пределах 50±0,1 Гц.
Рис. 3. Схема включения УРМ.
Подаваемые на серводвигатель сигналы УРМ или ПРЧ повторяются с большой частотой, создавая таким образом напряженный повторно-кратковременный режим его работы. Это резко сокращает срок службы серводвигателя и значительно уменьшает надежность работы системы автоматического регулирования частоты и распределения активной нагрузки.