Электрические системы на современных судах в общем случае объединяют несколько разнотипных генераторов и большое количество различных по мощности и назначению потребителей электроэнергии.
Многие из судовых потребителей нуждаются в бесперебойном питании и снабжении электроэнергией высокого качества, которое в установках постоянного тока определяется постоянством напряжения, а в установках переменного тока — постоянством напряжения и частоты.
По сравнению с береговыми установками мощность судовой электростанции невелика и отдельные потребители электроэнергии соизмеримы по мощности с генераторами судовой электростанции. Кроме того, судовые электроэнергетические системы отличаются резким изменением нагрузки в различных режимах эксплуатации судна, частыми включениями и отключениями потребителей, что ведет к колебаниям напряжения и частоты судовой электрической сети. Однако для обеспечения нормальной работы потребителей электроэнергии напряжение не должно изменяться свыше допустимых пределов во всех режимах работы электроэнергетической системы.
В установках постоянного тока простейшим и наиболее распространенным способом поддержания постоянства напряжения в сети является компаундирование генераторов, т. е. использование последовательной обмотки возбуждения, включаемой согласно с обмоткой параллельного или независимого возбуждения. При увеличении тока нагрузки генератора намагничивающая сила этой обмотки возрастает и таким образом компенсирует размагничивающее действие реакции якоря и падение напряжения в сопротивлениях якорной цепи.
Кроме регулирования напряжения последовательная обмотка в генераторах се смешанным возбуждением обеспечивает также форсировку возбуждения, т. е. быстрое восстановление напряжения генератора после короткого замыкания или наброса значительной по величине нагрузки.
При необходимости более точного поддержания постоянства напряжения в сети постоянного тока применяют автоматические системы регулирования, действующие по отклонению напряжения и использующие для питания цепей возбуждения генератора электромашинные усилители ЭМУ, магнитные усилители МУ и полупроводниковые устройства.
Основными причинами изменения напряжения синхронных генераторов являются размагничивающее действие реакции статора и индуктивное падение напряжения, которые возникают при изменениях нагрузки (особенно при пуске асинхронных двигателей большой мощности, соизмеримой с мощностью генераторов), а также при всяком изменении значения коэффициента мощности (cos<p) и частоты вращения первичных двигателей. При отсутствии автоматических регуляторов напряжения это изменение может вызвать опрокидывание или отключение от сети асинхронных двигателей, которые являются наиболее распространенными и довольно чувствительными к изменению напряжения судовыми потребителями электроэнергии.
Поэтому Правилами Регистра СССР предусматривается обязательное применение системы автоматического регулирования напряжения (АРН) судовых генераторов.
Кроме того, автоматические регуляторы напряжения (как и в установках постоянного тока) осуществляют форсировку возбуждения синхронных генераторов при аварийных снижениях напряжения в судовой электроэнергетической системе. Это повышает устойчивость параллельной работы генераторных агрегатов, ускоряет восстановление поминального значения напряжения и увеличивает предел мощности, передаваемой генераторами в судовую сеть.
Основой разработки и выбора системы АРН являются требования в отношении качества регулирования, эксплуатационных и других показателей работы, основными из которых являются:
1) время первого достижения номинального напряжения при набросе нагрузки;
2) характер изменения напряжения до достижения установившегося значения;
3) длительность переходного процесса;
4) статическая ошибка, определяемая разностью напряжений холостого хода и при номинальной нагрузке в установившемся режиме;
5) срок службы и надежность действия системы;
6) простота и удобство обслуживания;
7) масса и габариты.
По принципу работы различают три вида систем АРН: с регулированием по отклонению напряжения генератора; с регулированием по возмущению (по нагрузке) и с комбинированным регулированием— по отклонению напряжения и возмущению.
Регулирование по отклонению напряжения осуществляется системой АРН с применением угольных регуляторов напряжения (РУН), которые имеют значительное распространение на эксплуатируемых судах и совершенно не устанавливаются на вновь строящихся.
Это объясняется их недостатками, которые заключаются в следующем:
а) угольные сопротивления разрушаются при вибрации и сотрясениях судна, в результате чего регуляторы не могут обеспечивать надежной работы установки;
б) РУН характеризуются недостаточным быстродействием и большой зоной нечувствительности;
в) регуляторы не могут обеспечить необходимой форсировки возбуждения, так как сопротивление угольных столбиков даже при полном сжатии имеет значительную величину.
Системы АРН с регулированием по возмущению называются системами компаундирования. Принцип компаундирования заключается в том, что увеличение тока нагрузки генератора преобразуется в сигнал усиления его возбуждения. В отличие от машин постоянного тока компаундирование для синхронных генераторов может быть токовым и амплитудно-фазовым (или фазовым).
Токовое компаундирование позволяет осуществить регулирование по модулю тока.
При включении дополнительной нагрузки на генератор напряжение в сети понизится, а ток в линейных проводах А, В и С увеличится, что вызовет соответственное увеличение тока во вторичной обмотке трансформатора тока ТТ и, наконец, в независимой обмотке возбуждения возбудителя ОВВ. Это приведет к усилению магнитного потока полюсов возбудителя В, а следовательно, и к увеличению напряжения на его зажимах. Увеличенное напряжение в цепи обмотки возбуждения генератора ОВГ создаст дополнительный ток в обмотке и магнитный поток генератора Г, что восстановит прежнее напряжение в сети при новой увеличенной нагрузке.
Стремление получить систему, обеспечивающую более высокую точность регулирования, явилось причиной создания системы фазового компаундирования с коррекцией напряжения. Корректор обеспечивает регулирование по отклонению напряжения и учитывает , влияние на величину напряжения изменения частоты вращения первичного двигателя, температуры обмоток и других второстепенных факторов.
Система, в которой регулирующее воздействие на синхронный генератор осуществляется через возбудитель, называется системой косвенного компаундирования. В самовозбуждающихся синхронных генераторах возбудитель отсутствует и регулирующее воздействие производится непосредственно на обмотку возбуждения генератора. Такие системы называются системами прямого компаундирования.
Из рассмотренных систем АРН наиболее эффективными являются системы с комбинированным регулированием. Они обеспечивают амплитудно-фазовое компаундирование и коррекцию напряжения. Такое регулирование осуществляется с помощью регулятора типа УБК (универсальное быстродействующее компаундирование), статической системы самовозбуждения и др.
Системы компаундирования с регулятором типа УБК характеризуются малой статической погрешностью, значительной фор-сировкой тока возбуждения при коротких замыканиях, чувствительностью и способностью обеспечивать устойчивую параллельную работу генераторов. Однако эти» системы, как правило, являются системами косвенного компаундирования и наличие в них возбудителя снижает быстродействие и надежность, а также увеличивает массу и габариты всей установки в целом. Поэтому в настоящее время они применяются в основном только для генераторов большой мощности.
В судовых установках с генераторами серий МСС, МСК и ГМС в последние годы почти исключительно применяются статические системы самовозбуждения с прямым компаундированием. Представленная на рис. 2 схема обеспечивает самовозбуждение и регулирование напряжения генераторов серии МСК по возмущению и отклонению напряжения. Управляемое фазовое компаундирование (регулирование по возмущению) осуществляется с помощью универсального трансформатора с подмагничиванием УТП, а коррекция напряжения — с помощью трехфазного измерительного трансформатора ТИ и трансформатора тока.
Рис. 1. Принципиальная схема системы токового компаундирования.
Рис. 2. Статическая система самовозбуждения и автоматического регулирования напряжения синхронных генераторов.
Трансформатор имеет три первичные обмотки: две токовые, включенные на геометрическую разность токов фаз (начала обмоток отмечены звездочками), и обмотку напряжения wH, включенную на напряжение между этими фазами. В цепь обмотки напряжения включен дроссель насыщения, позволяющий обеспечить фазовое компаундирование, и батарея конденсаторов, улучшающая условия самовозбуждения генератора.
практически не изменяются. Одновременно с этим изменение напряжения генератора вызывает резкое изменение тока выхода и тока. в в обмотке. Благодаря этому с изменением напряжения генератора изменяется подмагничивание и ток выхода. Это вызывает соответствующее изменение тока возбуждения и более точное выравнивание напряжения сети, на которую работает генератор.
Самовозбуждение синхронного генератора происходит за счет остаточного магнетизма железа ротора. Установочным реостатом изменяется уставка напряжения генератора в пределах ±10%, а установочным реостатом УР2 изменяется статизм регулирования напряжения.
Статические системы самовозбуждения с прямым компаундированием имеют хорошие показатели работы и высокую форсировочную способность, позволяют уменьшить массу и габариты генератора за счет отсутствия возбудителя, а также повысить надежность работы всей установки.