Основные элементы и схемы главного тока ГЭУ постоянного тока


Категория Судовые электростанции

Гребные электрические установки постоянного тока характеризуются возможностью широкого и плавного регулирования угловой скорости гребного электродвигателя, т. е. угловой скорости гребного винта. Вследствие этого ГЭУ постоянного тока широко используются на судах, от которых требуются высокие маневренные качества. Такими судами являются ледоколы, рейдовые буксиры, п’аромы, пожарные и спасательные суда.

В качестве гребных двигателей и генераторов в ГЭУ постоянного тока применяются электрические машины постоянного тока независимого возбуждения, а в качестве приводных двигателей — в основном дизели.

Преимущественное использование дизелей объясняется тем, что генераторы постоянного тока имеют ограниченную мощность и угловую скорость из-за наличия коллектора. По этой причине, а также из соображений повышения степени загрузки приводных двигателей при уменьшении нагрузки на винте общая мощность ГЭУ постоянного тока обычно обеспечивается несколькими генераторными агрегатами, мощность каждого из которых относительно невелика. В таких условиях использование дизелей в качестве приводных двигателей генераторов значительно более экономично, чем использование турбин, так как с уменьшением мощности агрегата относительная масса дизеля (масса на единицу мощности) уменьшается, в то время как относительная масса турбин растет. Вследствие этого свыше 90% ГЭУ постоянного тока являются дизель-электрическими гребными установками.

Дизели, вращающие генераторы ГЭУ, должны иметь регулятор угловой скорости; обеспечивающий поддержание номинальной угловой скорости дизеля в пределах ±7% при сбросе и набросе номинальной нагрузки.

По условиям работы ГЭУ возможны такие режимы, когда дизель может разгоняться генератором, перешедшим в двигательный режим. В связи с этим дизели снабжаются предельными регуляторами скорости, обеспечивающими остановку дизеля при увеличении его скорости на 15% сверх номинальной. Дизели ГЭУ должны допускать перегрузку сверх номинальной на 10% в течение 1 ч без снижения угловой скорости.

Случаи использования турбин в качестве приводных двигателей генераторов в ГЭУ постоянного тока объясняются спецификой получения рабочего агента на судне. Такая специфика, например, имеет место на судах с атомными силовыми установками, на которых основным источником энергии является атомный реактор, преобразующий атомную энергию в тепловую энергию пара.

Выбор величины напряжения в ГЭУ осуществляется с таким расчетом, чтобы удовлетворялись требования Правил Регистра СССР, в соответствии с которыми номинальное напряжение на зажимах каждого генератора, на якоре гребного электродвигателя пли измеренное между двумя любыми точками цепи первичной коммутации главного тока гребной установки постоянного тока не должно превышать 1200 В, а напряжение в цепях управления, сигнализации и защиты, т. е. в цепях вторичной коммутации, не Должно превышать 220 В. Эти требования должны выполняться как при выборе каждой электрической машины — генератора или гребного электродвигателя, так и при соединении их в электрическую схему.

Так как ДЭГУ имеет обычно более одного генераторного агрегата, то возникает необходимость совместной работы генераторов на шины электродвижения. Схемы соединения генераторов и гребных электродвигателей называются схемами главного тока. Некоторые возможные схемы главного тока ГЭУ постоянного тока при двух генераторных агрегатах приведены на рис. 1.

Принципиально возможно как последовательное, так и параллельное соединение генераторов. Однако последовательное соединение предпочтительней с точки зрения степени загрузки в различных режимах и удобства эксплуатации ГЭУ постоянного тока, поэтому оно применяется значительно чаще. Рассмотрим основные преимущества последовательного соединения генераторов на примере двух генераторных агрегатов, хотя выводы могут относиться к ГЭУ с любым числом генераторов.

Рис. 1. Схемы главного тока ГЭУ постоянного тока.

При последовательном соединении каждый генератор рассчитывается на номинальный ток, равный номинальному току гребного электродвигателя, и на номинальное напряжение, равцое номинальному напряжению гребного двигателя, поделенному на число генераторов, к которым подключен двигатель. При выходе из строя одного генератора или при выводе его из эксплуатации оставшийся генератор можно загружать полностью, т. е. он может работать со своим номинальным током и номинальным напряжением. Следовательно, генераторный агрегат сможет работать при номинальной загрузке, а значит, при номинальном к. п. д.

При параллельном соединении, например, двух генераторов каждый из них рассчитывается на номинальное напряжение, равное номинальному напряжению гребного электродвигателя, и на ток, равный половине номинального тока двигателя. При выводе из эксплуатации одного генератора напряжение на электродвигателе и его угловая скорость не изменятся.

Очевидно, что при п> 1, т. е. при отключении части генераторов, имеем Рпр<Рпс Таким образом, при последовательном соединении генераторов в случае отключения части агрегатов суммарная мощность ГЭУ будет больше, чем при параллельном соединении.

При последовательном соединении генераторов снижаются требования к регуляторам угловой скорости приводных двигателей. Действительно, еслй один из последовательно соединенных генераторов снизит угловую скорость, то уменьшится его напряжение и суммарное напряжение всей установки, подводимое к гребному электродвигателю. В результате угловая скорость гребного электродвигателя снизится и нагрузка на каждый генераторный агрегат уменьшится.

При параллельном соединении уменьшение угловой скорости одного генератора по сравнению с другим может вызвать переход этого генератора в двигательный режим с отбором мощности от второго генератора. В результате второй генератор и его приводной двигатель окажутся перегруженными, что может вывести из эксплуатации всю ГЭУ.

При последовательном соединении упрощается и облегчается выполнение схем управления и защиты ГЭУ. Это объясняется тем, что каждый отдельный контур тока требует отдельную измерительную и защитную аппаратуру, а при последовательном соединении генераторов число контуров меньше, чем при параллельном.

Наконец, при последовательном соединении генераторов уменьшается напряжение между отдельными точками главной цепи и корпусом судна.

Помимо последовательного и параллельного соединения генераторов и гребных электродвигателей возможно попеременно-по-; следовательное соединение генераторов и двигателей. Такое соединение возможно при наличии нескольких гребных электродвигателей, т. е. нескольких (двух или трех) гребных валов, или в установке при одном гребном вале, но с двухъякорным электродвигателем.

Использование двухъякорных гребных электродвигателей широко практикуется в ГЭУ постоянного тока. Двухъякорный гребной электродвигатель представляет собой два механически связанных гребных электродвигателя, смонтированных в общем корпусе на одном валу. Каждый якорь имеет свою систему возбуждения. Хотя к. п. д. такой машины на 1—2% меньше, чем к. п. д. обычной машины одинаковой мощности, а габариты и масса — на 25—35% больше, тем не менее ГЭУ с двухъякорными двигателями обладают существенными преимуществами. Электродвигатель в двухъякор-ном , исполнении имеет меньший диаметр, что облегчает размещение его в корме судна и снижает момент инерции вращающихся частей. Последнее обстоятельство весьма благоприятно сказывается на протекании переходных процессов в ГЭУ при пусках, торможении и реверсах гребного электродвигателя. Использование двухъякорного электродвигателя при одном гребном вале повышает живучесть установки. Наконец, с уменьшением диаметра коллектора двигателя улучшается его коммутация, так как окружная скорость на коллекторе уменьшается.

Рис. 2. Взаимодействия магнитных полей в генераторном (а) и двигательном (б) режимах работы генератора ГЭУ.

Заканчивая рассмотрение вопроса о схемах главного тока, необходимо отметить существенный недостаток последовательного соединения генераторов. При этом способе соединения генераторные агрегаты должны оборудоваться защитой от принудительного реверса приводных двигателей, который возможен по следующей причине.

При нарушении подачи топлива к одному из дизелей исчезнет его вращающий момент, и приводимый этим дизелем генератор остановится. Якорь генератора, последовательно соединенный с якорями других работающих генераторов, будет обтекаться током главной цепи, и при наличии возбуждения генератор остано-4 вившегося агрегата перейдет в двигательный режим. Так как напряжение тока в якоре генератора и полярность его полюсов остаются неизменными, то переход генератора в двигательный режим будет сопровождаться изменением направления вращения вала агрегата.

Поскольку в качестве приводных двигателей в ГЭУ постоянного тока применяются нереверсивные дизели, то принудительный реверс дизеля приведет к аварии.

Общее число генераторных агрегатов ГЭУ постоянного тока может достигать двенадцати и более, а гребных электродвигателей — шести и более. Соединение всех генераторов и двигателей в схему главного тока осуществляется с учетом описанных выше особенностей совместной работы электрических машин.

Для выбора конкретного режима работы схемы главного тока в ГЭУ используются переключатели типа кулачковых контроллеров. Каждому положению рукоятки такого контроллера соответствует определенная схема главного тока.

Количество схем главного тока в конкретной ГЭУ определяется числом возможных и целесообразных по условиям эксплуатации сочетаний генераторов и гребных электродвигателей. В качестве примера на рис. 64, а приведена схема главного тока, состоящая из двух генераторов и одного гребного электродвигателя, в которой переключение производится избирательным переключателем с шестью контактами. Из таблицы замыканий контактов переключателя видно, что возможны три режима работы схемы главного тока:
1) гребной электродвигатель питается от генератора Г1;
2) гребной электродвигатель питается от генератора Г2;
3) генераторы Г1 и Г2 включаются на гребной электродвигатель.

Для уменьшения габаритов переключателей переключения в схемах главного тока осуществляются при отсутствии тока.

этой целью используется электромагнитная блокировка, не позволяющая производить переключения в схеме главного тока До тех пор, пока не будет снято возбуждение с генераторов и гребных электродвигателей. Поэтому кроме главных контактов, с помощью которых осуществляются переключения в цепи главного тока, избирательные переключатели снабжаются вспомогательными контактами, с помощью которых производятся соответствующие переключения цепей возбуждения генераторов и гребных электродвигателей, цепей управления, блокировки и сигнализации. В ГЭУ с большим числом генераторов и гребных электродвигателей применяются индивидуальные переключатели для каждого генератора, так как выбор схем с одним переключателем становится сложным, а его габариты — большими.

Рис. 3. Схема главного тока ГЭУ (а) и таблица замыкания избирательного переключателя (б).

Рассмотренный способ регулирования угловой скорости двигателя постоянного тока изменением подводимого напряжения, осуществляемым путем изменения тока возбуждения генератора, называется регулированием скорости по системе генератор — двигатель или, сокращенно, по системе Г — Д. Этот способ широко применяется в судовой электротехнике не только для регулирования скорости гребных двигателей, но и для регулирования скорости других электроприводов с электродвигателями постоянного тока при получении энергии от судовой сети переменного тока.

Отличие данной системы от рассмотренной выше заключается в том, что в качестве приводного двигателя системы Г — Д используется не тепловой двигатель, а электрический двигатель переменного тока, включаемый в судовую электрическую сеть.

Регулирование угловой скорости гребного электродвигателя по системе Г — Д характеризуется большой плавностью в диапазоне от саном до 0,1 ином, где «ном — номинальная угловая скорость двигателя. Это дает возможность получить практически любую устойчивую угловую скорость гребного винта в пределах от его номинальной угловой скорости до 10% номинальной, т. е. диапазон регулирования составляет 10:1. Такой диапазон регулирования угловой скорости гребного винта тепловой двигатель обеспечить не может.

Получение устойчивой угловой скорости ниже чем 0,1 «ином при регулировании напряжения генератора по схеме, приведенной на рис. 65, невозможно, так как наличие остаточного намагничивания у генератора создает нерегулируемую зону.

Однако, используя специальные схемы Г — Д с обратными связями по току, напряжению и скорости, можно значительно расширить диапазон регулирования угловой скорости двигателя, сделав его практически неограниченным.

Регулирование угловой скорости гребного вала изменением величины магнитного потока гребного электродвигателя осуществляется путем изменения тока в обмотке возбуждения двигателя ОВД (см. рис. 65). С этой целью обмотка ОВД подключается на специальный потенциометрический реостат ПРД. Ограниченность применения этого способа объясняется его особенностями, которые заключаются в следующем.

С целью максимального использования габаритов машин последние проектируются так, чтобы в номинальном режиме, т. е. при номинальной угловой скорости, точка, соответствующая номинальному потоку ФНОм и номинальному току возбуждения г’в. ном, находилась на колене кривой намагничивания ближе к участку насыщения. Отсюда видно, что увеличение тока возбуждения практически не изменяет величины магнитного потока выше его номинального значения и, согласно выражению (41), не уменьшает угловой скорости двигателя. Следовательно, регулирование угловой скорости двигателя изменением магнитного потока возможно лишь путем уменьшения тока возбуждения и потока. В соответствии с выражением (41) уменьшение магнитного потока влечет за собой увеличение угловой скорости двигателя. Таким образом, рассмотренный способ при условии максимального использования габаритов электродвигателя дает только однозон-ное регулирование — выше основной (номинальной) скорости, т. е. регулирование «вверх».

Максимальная угловая скорость двигателя, которую можно получить ослаблением магнитного потока, ограничивается условиями коммутации и механической прочностью машины.

Двигатели независимого возбуждения обычной конструкции допускают превышение угловой скорости над номинальной на 10—20%.

При регулировании угловой скорости гребного электродвигателя изменением магнитного потока необходимо иметь в виду, что при этом наряду с угловой скоростью изменяется вращающий момент электродвигателя, пропорциональный магнитному потоку. Следовательно, при ослаблении потока с целью увеличения угловой скорости уменьшается вращающий момент двигателя. В то же время момент сопротивления на гребном валу с увеличением угловой скорости увеличивается, так как он примерно пропорционален квадрату угловой скорости.

Третий способ регулирования угловой скорости гребных элек-родвигателей постоянного тока — изменением величины сопротивления цепи якоря двигателя — может быть осуществлен введением добавочного сопротивления в якорную цепь двигателя. Изменение угловой скорости в таком случае будет осуществляться путем большего или меньшего отбора энергии, подводимой от генераторов, и рассеяния этой энергии в специальных сопротивлениях. Вследствие относительно больших мощностей гребных электродвигателей и относительно больших токов их якорей регулирование угловой скорости введением сопротивления в цепь якоря весьма неэкономично, а сами сопротивления должны быть очень громоздкими. Из-за указанных особенностей такое регулирование угловой скорости двигателей в ГЭУ постоянного тока не применяется.

Рис. 4. Кривая намагничивания машины постоянного тока.


Читать далее:

Категория Судовые электростанции