Основными средствами нагрузки судовых генераторных агрегатов на швартовных испытаниях являются нагрузочные устройства, механизмы судна, судовые потребители или заводская береговая энергосистема.
Под испытаниями генераторов с использованием нагрузочных устройств понимается автономная работа генератора на специальное нагрузочное устройство, поглощающее вырабатываемую генератором электрическую энергию и позволяющее получить все необходимые режимы испытаний.
Мощность нагрузочного устройства выбирают такой, чтобы обеспечить режимы номинальной нагрузки и перегрузки испытываемого агрегата. Режимы сбросов и набросов нагрузки (динамические режимы) обеспечиваются путем деления элементов нагрузочного устройства на части, соответствующие необходимым ступеням нагрузки. Обычно нагрузочное устройство обеспечивает четыре ступени нагрузки, каждая из которых равна 25% номинальной нагрузки генератора.
Нагрузочное устройство состоит из активных (и реактивных для испытания генераторов переменного тока) частей; в его состав также входят коммутационная аппаратура и пульт управления. До настоящего времени метод испытаний с использованием нагрузочных устройств, несмотря на ряд серьезных недостатков (большая стоимость, громоздкость, сложность конструкции и т. п.), является основным.
Нагрузочные устройства могут быть классифицированы по следующим признакам:
а) конструктивному исполнению активной части — нагрузочные устройства с жидкостной или металлической активной частью;
б) конструктивному исполнению реактивной части — нагрузочные устройства с дросселями регулируемыми и нерегулируемыми;
в) способу управления — нагрузочные устройства ручного и дистанционного управления;
г) способу охлаждения — нагрузочные устройства с естественным воздушным охлаждением активной и реактивной частей, с принудительным воздушным охлаждением активной и реактивной частей, с водяным охлаждением активной части и естественным воздушным охлаждением реактивной части, с водяным охлаждением обеих частей;
д) способу соединения активной и реактивной частей — нагрузочные устройства с последовательным и параллельным соединениями;
е) способу выполнения активной и реактивной частей — нагрузочные устройства с раздельным исполнением активной и реактивной частей и нагрузочные устройства с объединением активной и реактивной частей в одном конструктивном элементе.
Рассмотрим основные принципы построения нагрузочных устройств.
Нагрузочные устройства с жидкостной активной частью представляют собой наполненный электролитом бак с помещенными внутри металлическими электродами. Электролитом может быть пресная вода или раствор углекислой соды ЫагСОз слабой концентрации (5—10%) или поваренной соли NaCl. Пресную воду в качестве электролита применяют при испытаниях генераторов большой мощности, когда поглощаемая мощность идет на испарение воды и когда требуется большой расход электролита. При использовании в качестве электролита раствора солей его температура не должна превышать 60 °С, так как при более высокой температуре наблюдается интенсивное отложение солей на стенках бака и электродах.
Регулирование сопротивления активной части жидкостного типа можно осуществлять изменением либо уровня электролита, либо глубины погружения электродов. Второй способ предпочтительнее из-за простоты обеспечения точности регулирования и более простой схемы дистанционного управления. Исполнительным органом последней обычно служит электродвигатель, связанный через специальный редуктор с электродами.
В металлической активной части нагрузочного устройства электрическая энергия, вырабатываемая генератором, поглощается металлическими элементами (чугун, сталь, константан, нихром).
В таких устройствах в качестве элементов применяют металлическую проволоку или используют серийно выпускаемые трубчатые нагревательные элементы. Материал, диаметр и длина проволоки (ленты) или количество нагревательных элементов определяют расчетом в зависимости от мощности испытываемых генераторов и условий охлаждения.
Несмотря на то, что нагрузочные устройства с открытыми сопротивлениями (проволока, лента) имеют сравнительно небольшие габариты и массу, особенно в случае водяного охлаждения, их практическое использование при испытаниях судовых генераторных агрегатов большой мощности ограничено главным образом из-за того, что открытые токопроводящие поверхности способствуют протеканию значительных токов утечки через охлаждающую воду (в случае присутствия в ней солей), оказывающих влияние на точность режима нагрузки. Кроме того, материал нагревательных элементов в результате коррозии разрушается и изменяет свое сопротивление, что также приводит к нестабильности режима.
От этого недостатка свободны устройства, активная часть которых выполнена на трубчатых нагревательных элементах. Как показали расчеты, подобные нагрузочные устройства имеют при мощностях 150—200 кВт сравнительно небольшие массу и габариты, просты по конструкции и стоимость их изготовления невысока. При мощностях более 200 кВт конструкция их усложняется в связи с необходимостью установки большого числа нагревательных элементов и трудностью создания надежных уплотнений в местах крепления элементов в баках с водой. В этом случае в качестве элементов активной нагрузки могут быть использованы специальные высокоомные трубы. Для этих устройств не требуется бак для охлаждающей воды и при малых сопротивлениях они имеют небольшие массу и габариты.
Реактивная составляющая тока создается ступенями реактивной нагрузки. Создавать реактивную нагрузку для генераторов необходимо для того, чтобы получать нагрузки с номинальным коэффициентом мощности в любых режимах испытаний. Основной частью ступени реактивной нагрузки являются три однофазных Дросселя с подмагничиванием.
Дроссель рассчитывают на реактивную мощность ступени, его можно подключать как параллельно, так и последовательно с активной частью нагрузочного устройства. Охлаждение дросселей, как правило, естественное воздушное, иногда применяют принудительное воздушное. Дистанционное управление осуществляется теми же коммутационными аппаратами, что и для активной части нагрузочного устройства.
Рис. 1. Зависимость диаметра стальной проволоки от тока нагрузки.
Рис. 2. Дроссель с подмагничи-ванием.
Нагрузочные устройства с дросселями, имеющие высокоомные обмотки, отличаются тем, что в них отсутствуют явно выраженные активная и реактивная части. Реактивную часть нагрузочного устройства выполняют на базе нерегулируемого дросселя, активную часть — с применением для обмоток высокоомного провода (нихром, константан). Если в нагрузочных устройствах дроссель насыщения ранее рассмотренных типов обеспечивал только реактивную нагрузку испытываемого генератора, то в данном нагрузочном устройстве он выполняет функции активной и реактивной частей.
Объединение активной и реактивной частей и применение высокоомного провода позволяют применять водяное охлаждение дросселей, что уменьшает массу нагрузочного устройства.
Типовой ряд нагрузочных устройств обеспечивает проведение испытаний генераторов постоянного и переменного тока частотой 50 Гц, мощностью от 200 до 3000 кВт и преобразователей с выходной частотой 50, 400 и 500 Гц, мощностью от 8 до 500 кВт. Устройства обеспечивают длительную нагрузку 50, 100, 110%, а также набросы 0—50%, 0—100% и сбросы 50%—0, 100%—0 номинальной мощности генераторов и преобразователей. Блок-хема типового нагрузочного устройства приведена на рис. 5.9. Каждое нагрузочное устройство набирают из типовых ступеней активной АС и реактивной Р (для источников переменного тока) мощности и щитов коммутации и управления ЩУ. Управление устройством осуществляется с пульта дистанционного управления ПДУ.
Ступени мощностью 3, 6, 15 и 150 кВт можно переключать на меньшие мощности.
В качестве нагрузочных элементов типовых ступеней применены: для ступеней 3 кВт — сопротивления типа ПЭ; для ступеней ЭС — электростанция; АС — ступени активной нагрузки; Р — ступени реактивной нагрузки; ЩУ— щит управления; БКА — блок коммутационной аппаратуры; БУ — блок управления; ПДУ — пульт дистанционного управления. Ш1— ШЗ — штепсельные разъемы.
Рис. 3. Блок-схема типового нагрузочного устройства.
В нагрузочных устройствах с водяным охлаждением предусмотрена защита от снижения расхода воды ниже допустимого.
Электрические схемы соединения нагрузочных элементов в ступенях выполняют в четырех вариантах:
— вариант I предусматривает возможность включения ступени на однофазное напряжение и постоянный ток 115 и 230 В и на трехфазное напряжение 230 и 400 В;
— вариант II предусматривает возможность включения ступени на однофазное напряжение 133 В и на трехфазное напряжение 230 В;
— вариант III предусматривает возможность включения ступени на 230 и 400 В трехфазного напряжения;
— вариант IV рассчитан только на трехфазное напряжение 400 В.
Шкала мощностей типовых реактивных ступеней определяется реактивной мощностью, необходимой для получения cos ф=0,8 при 50, 100 и 110%-ной нагрузке машин: 8—40 кВт, 30—150 кВт, 100—500 кВт, 150—750 кВт и 500—2000 кВт. Каждая ступень состоит из трех однофазных дросселей насыщения с подмагничива-нием постоянным током. При включении по трехфазной схеме дроссели соединяют в звезду, а при однофазной— параллельно. Переключение напряжения с 115 на 230 В осуществляется переключением обмоток переменного тока с параллельного на последовательное соединение. При переходе на напряжение 133 В обмотки переменного тока включают так же, как и на 115 В, но ток подмагничивания при этом должен быть изменен.
В ступенях реактивной нагрузки установлены промежуточные магнитные усилители с выпрямителями, предназначенные для управления током подмагничивания дросселей.
Типовые щиты управления служат для коммутации ступеней активной и реактивной нагрузки. В щитах смонтированы блоки коммутационной аппаратуры, отличающиеся по числу, типу и коммутационной способности примененных аппаратов, а также блок управления, служащий для управления коммутационной аппаратурой. Блок управления для всех щитов один. Для генераторов переменного тока принято семь типоразмеров щитов управления., для генераторов постоянного тока — один.
Пульт дистанционного управления предназначен для управления нагрузочным устройством и представляет собой переносное устройство, устанавливаемое во время испытаний у распределительного щита испытываемого генератора. На пульте имеются кнопки управления для включения необходимых режимов работы, сигнальные лампы и регулировочные реостаты для установки необходимой в каждом режиме реактивной мощности дросселей. Пульт дистанционного управления — один для всех типоразмеров нагрузочного устройства.
Для удобства эксплуатации подключение цепей управления к блоку управления БУ и пульту дистанционного управления ПДУ осуществляется с помощью штепсельных разъемов Ш1—ШЗ. Принципиальная электрическая схема управления нагрузочными устройствами изображена на рис. 5. 10. Схема состоит из ступеней активной нагрузки А С, реактивной нагрузки ДР1, ДР2, ДРЗ, коммутационной аппаратуры К1, К2, КЗ и аппаратуры управления. Активная часть разделена на две ступени по 50 % и одну ступень 10% номинальной активной мощности нагрузочного устройства. Питание обмоток управления дросселей постоянным током осуществляется через промежуточный магнитный усилитель МУ, выпрямитель ВМ1 и регулировочные сопротивления Rl, R2, R3. Тип и число коммутационных аппаратов Kl, К2, КЗ зависят от типоразмера щита.
Рис. 4. Принципиальная схема управления нагрузочным устройством.
Питание обмоток управления магнитного усилителя и реле Р1, Р2, РИ, РД и цепей сигнализации осуществляется от сети 380 В, 50 Гц через пакетный выключатель ВК1, трансформатор TP и выпрямитель ВМ2 с выходом 24 В. Выключатель ВК2 служит для включения пульта дистанционного управления.
При нажатии кнопки Кн1 получает питание реле времени РВ, включающее с выдержкой времени реле РИ, которое подает напряжение на включающую катушку автомата К1. При нажатии кнопки Кн2 дополнительно получает питание реле Р1, которое, шунтируя сопротивление R2, увеличивает ток в обмотке управления МУ и включает контактор К2 второй ступени нагрузки. Момент включения аппарата К1 определяется выдержкой времени реле РВ, несколько большей продолжительности переходного процесса в обмотках подмагничивания силовых дросселей ДР1, ДР2, ДРЗ.
При нажатии кнопки КнЗ включаются реле Р2 и контактор КЗ, что соответствует режиму 110%-ной нагрузки номинальной мощности генератора. Кнопки можно включать в любом порядке, но режим 110% устанавливается только после включения 100%-ной нагрузки. Это достигается последовательным включением замыкающего контакта реле Р1 с кнопкой КнЗ.
Для испытаний генераторов мощностью более 2000 кВт или при проверке параллельной работы генераторов с токами, превышающими коммутационную способность щитов, предусматривают возможность одновременной работы двух типовых щитов с подключенными к ним нагрузочными ступенями. При совместной работе обмотки контакторов и автоматов обоих щитов подключают к одному из блоков управления. Обмотки управления магнитных усилителей при этом соединяют последовательно, а в цепь сигнализации вводят блок-контакты коммутационной аппаратуры обоих Щитов.
Испытания генераторных агрегатов в швартовный период могут быть проведены при определенных условиях либо с помощью штатных электрических механизмов, либо с использованием в качестве нагрузки береговой сети. К достоинствам метода испытания с помощью штатных потребителей следует отнести полное совпадение переходных процессов с процессами, имеющими место в период эксплуатации генератора, простоту получения режимов сбросов и набросов нагрузки при помощи одновременного воздействия на коммутационную аппаратуру нескольких механизмов. Недостатки этого способа: увеличение общей продолжительности швартовных испытаний заказа; трудность получения номинального и перегрузочных режимов нагрузки при наличии двух генераторов (большинство судовых механизмов в период швартовных испытаний может работать только в режиме холостого хода).
Один из перспективных методов нагрузки генераторов при их испытаниях в швартовный период — использование береговой сети.
Рис. 5. Структурная схема системы, обеспечивающей параллельную работу судовых генераторов с заводской сетью. СГ — синхронный генератор; ОВГ — обмотка возбуждения генератора; APH — автоматический регулятор напряжения; PC — регулятор скорости; СД — серводвигатель; ПД — первичный двигатель; РПТ — регулятор полного тока; РАМ — регулятор активной мощности; «г— напряжение генератора; ис — напряжение сети.
Недостаток этого метода состоит в сложности проверки генератора на динамических режимах.
На рис. 5. приведена одна из возможных структурных схем системы, обеспечивающая параллельную работу судовых синхронных генераторов с заводской сетью во всех статических режимах испытания. Введение в регулятор возбуждения генератора обратной связи по отклонению полного тока должно обеспечить постоянство тока нагрузки генератора. Регулятор активной мощности, воздействуя на сервопривод первичного двигателя, будет поддерживать постоянство активной мощности.