1-48 / 1 сарн автомат.регулирования напряжения судовых синхронных генераторов

1. САРН судовых синхронных генераторов

При работе судовых электроэнергетических систем происходят изменения нагрузки работающих генераторов, вызванные изменением как количества подключенных приемников электрической энергии, так и режимов их работы. Следствием этих изменений являются отклонения параметров электрической энергии от установившихся, как правило, номинальных значений. При экстремальных режимах работы СЭЭС (короткие замыкания, неудачные включения генератора на параллельную работу, пуск и отключение мощного электродвигателя) эти отклонения параметров могут быть значительными, даже превышающими допускаемое значение, что может вызвать нарушение нормальной работы СЭЭС.

Из теории электрических машин известно, что напряжение выводах генераторов постоянного тока U = E-R_al_a

Из указанного выражения следует, что даже при неизменной ЭДС напряжение на выводах генератора при увеличении силы тока будет снижаться. В свою очередь ЭДС генератора E=Ce*Фn так­же будет уменьшаться из-за снижения под нагрузкой частоты вра­щения приводного двигателя и ослабления возбуждения, вызван­ного искажением магнитного поля под действием реакции якоря н снижения силы тока в параллельной обмотке возбуждения.

Таким образом система автоматического регулирования напряже­ния должна обеспечивать поддержание напряжения судовых гене­раторов в пределах, устанавливаемых органами технического над­зора и классификации.

По принципу регулирования в зависимости от характера величи­ны, по которой осуществляется регулирование, различают системы с регулированием по отклонению регулируемой величины, по воз­мущению и с комбинированным регулированием по отклонению и возмущению.

По принципу действия системы автоматического урегулирования бывают электромеханические, электромашинные, электромагнитные и электронные.

САРН по его отклонению: Сущность работы систем автоматического регулирования напряжения заключается в сравнении регулируемого напряжения с за­данным значением. Если регулируемое напряжение будет выше за­данного значения напряжения, система снижает значение, а если ниже, то повышает значение регулируемого напряжения.

Как правило, регулируемое напряжение сравнивается с заданным не непосредственно, а после преобразования, которое может быть обеспечено различными методами.

В электромеханических САРН аналогом регулируемого напряжения является вращающий момент; получаемый под воздействием силы притяжения электромагнита, питающегося от сети с регулируемым напряжением. В САРН переменного тока регулируемое напряжение прежде всего выпрямляется с уменьшением своего значения и т.д.

Примером САРН с электромеханическим регулятором может служить система, основанная на использовании угольного регулятора напряжения типа РУН (рис. 2). Воспринимающее устройство регулятора — катушка электромагнита - подключено на вывода генератора G1. В случае генераторов переменного тока катушка электромагнита подключена через выпрямитель UZ1, а у генераторов постоянного тока - непосредственно. В цепь катушки электромагнита, кроме того, включается реостат R1, используемый для изменения значения напряжения, которое поддерживается САРН.

Сила притяжения электромагнита создает вращающий момент. Противодействующий момент создается упругими силами пружин и резистором R из угольных шайб.

Таким образом, в этом регуляторе сравнивается вращающий мо­мент (хотя в общем случае и нелинейно связанный со значением ре­гулируемого напряжения) с противодействующим моментом, кото­рый является эталоном.

При повышении напряжения генератора увеличивается вращаю­щий момент в регуляторе. Якорь регулятора под действием разнос­ти вращающего и противодействующего моментов начнет поворачи­ваться, ослабляя сжатие угольных шайб.

Сопротивление резистора из угольных шайб при этом увеличит­ся, ток возбуждения возбудителя G2 генератора G1 снизится и уменьшится напряжение генератора. При повышении напряжения генератора процессы будут обратными.

После окончания переходных процессов напряжение генератора примет первоначальное значение при других положениях якоря ре­гулятора и значении сопротивления угольного столба.

Система САРН с регулятором этого типа является астатической непрерывного действия. Она используется на судах прежних лет постройки с генераторами постоянного тока и синхронными генера­торами, имеющими электромашинную систему возбуждения.

Всем электромеханическим регуляторам свойственны общие недостатки, вызванные их инерционностью и электрическим контактом, а именно недостаточное быстродействие и надежность.

Рас­смотрим САРН генераторов по­стоянного тока с использованием электронного регулятора (рис. 4). Регулятор UZ состоит из двух основных узлов: изме­рительного - порогового устрой­ства на стабилитроне VDJ, диоде VD2, резисторах Rl, R2, R3 с фильтром низких частот на конденсаторе С7; релейного усилителя на транзисторах VT1, VT2 и VT3, диоде VD3; резисторов R4— R8 и конденсаторов С2 и СЗ.

На выход усилителя включена обмотка возбуждения LW, параллельно которой включен диод VD4, который служит для пре­дотвращения возможного пробоя изоляции обмотки и для поддер­жания в ней тока при закрытом транзисторе VT3.

В измерительном устройстве регулятора происходит сравнение напряжения на стабилитроне, определяемого напряжением на выво­дах генератора и регулируемого с помощью резистора R2, с напря­жением стабилизации. При напряжении на стабилитроне VD1, меньшем напряжения стабилизации, ток в цепи стабилитрона прак­тически отсутствует и напряжение база — эмиттер транзистора VT1 равно нулю. Транзистор VTJ при этих условиях будет закрыт, а транзистор VT2 открыт, так как напряжение на его базе в этом слу­чае больше нуля. Открытый транзистор VT2 закорачивает конден­сатор СЗ и подсоединяет резистор R7 к минусовому выводу генерато­ра, снимая тем самым напряжение на базе транзистора VT3. Сниже­ние этого напряжения откроет транзистор VT3 и подаст питание на обмотку LW возбуждения генератора G, что приведет к возрастанию напряжения на его выводах.

Рост напряжения генератора приведет к увеличению напряжения на стабилитроне. Когда это напряжение достигнет напряжении стабилизации, появится ток в цели стабилитрона VD1, диода VD2 и резистора R4. Напряжение, появившееся на резисторе R4. откроет транзистор VT1, что приведет к закрытию транзистора VT2. Напряжение на конденсаторе СЗ будет возрастать, а это приведет к увеличению напряжения на базе транзистора VT3. Наибольшее напряжение на базе VT3 будет примерно равно напряжению генератора, а напряжение на эмиттере будет меньше из-за диода VD3 включенного в его цепь.

Когда напряжение на базе сравняется с напряжением на эмиттере, транзистор VT3 закроется. При закрытом транзисторе ток в обмотке мотке LW возбуждения, поддерживаемый ЭДС самоиндукции, будет уменьшаться, а это приведет к снижению напряжения на вы­водах генератора и т. д.

Значение напряжения, которое поддерживается электронным ре­гулятором, устанавливается с помощью резистора R2.

САРН по внешнему воздействию: Для генераторов, приводимых во вращение отдельным двигате­лем (например, для дизель-генераторов), частота вращения, как пра­вило, поддерживается неизменной, поэтому основным внешним воз­действием для них является ток, его значение — для генераторов постоянного тока, его значение и фаза — для синхронных генера­торов.

В САРН судовых синхрон­ных генераторов нашла доста­точно широкое применение система токового компаундирования, которая может быть выполнена как система амплитудного компаун­дирования (рис. 6, а) или как система амплитудно-фазового компаун­дирования (рис. 6, б).

Как видно из рис. 6, а, при амплитудном компаундировании сложение составляющих тока возбуждения if пропорциональных напряжению и току, происходит на стороне выпрямленного тока. Следовательно, в этом случае учитываются только значения напря­жения и силы тока генератора и не принимается во внимание сдвиг фаз между ними, поэтому данная система компаундирования, наст­роенная, например, на чисто активную нагрузку, не может обеспе­чить стабилизацию напряжения при появлении реактивной состав­ляющей. Это обстоятельство является существенным недостатком системы амплитудного компаундирования и предопределило огра­ниченное ее использование.

Из рис. 6, б видно, что для амплитудно-фазового компаундиро­вания используются индуктивный компаундирующий L и емкост­ный шунтирующий С элементы при параллельном включении состав­ляющих if по току и напряжению. Компаундирующий элемент обеспечивает сдвиг фаз между составляющей ifu тока возбуждения и на­пряжением на угол, близкий 90°, поэтому в общем случае может быть либо индуктивным, либо емкостным. Шунтирующий элемент предназначен только для облегчения начального самовозбуждения синхронного генератора, поэтому в ряде случаев он может не применяться. Действие шунтирующего элемента основано на том, что он совместно с компаундирующим элементом образует при частоте вращения синхронного генератора, близкой к номинальной, резонан­сную цепочку, уменьшая сопротивление цепи возбуждения. Поэ­тому индуктивному КЭ соответствует емкостный ШЭ и наоборот.

Комбинированные САРН: Рассмотренные ранее САРН с АФ К отличаются достаточной про­стотой, надежностью и компактностью, но, к сожалению, им свойст­венна статическая ошибка регулирования около 3—5 % номиналь­ного напряжения.

Поэтому в тех случаях, когда требуется большая точность регу­лирования, используют комбинированные САРН. Обычно эти си­стемы выполняются на основе САРН с регулированием по внешне­му воздействию, с дополнительным устройством — корректором на­пряжения, обеспечивающим в определенных пределах регулиро­вание по отклонению.

Корректор напряжения сравнивает значение напряжения гене­ратора с эталонным и воздействует на регулирующий элемент, дополнительно введенный в систему АФК для регулирования напря­жения.

В качестве примера комбинированных систем рассмотрим САРН синхронного генератора серии ГСС (рис. 12).

Система состоит из блока возбуждения, блока управления БУ и корректора напряжения КН. Блок возбуждения включает в себя трансформатор возбуждения T1, выпрямитель возбуждения UZ1, выпрямитель UZ2 питания КН и блок конденсаторов С/, С2, СЗ.

Трансформатор Т1 имеет семь обмоток. Первичная обмотка L1.1 - обмотка напряжения. Она служит для создания составляющей то­ка возбуждения генератора, которая обеспечивает номинальное напряжение на выводах генератора в режиме холостого хода. Эта обмотка отделена от других обмоток магнитным шунтом, обеспечи­вающим необходимый сдвиг фаз для работы системы АФК. Первичная обмотка L 1.2 - токовая. Она изменяет ток возбуждения генератора при изменении его нагрузки, т. е. осуществляет процесс АФ'К

Вторичная обмотка L2.1 предназначена дня питания через выпрямитель обмотки возбуждения генератора.

Вторичная обмотка L 2.2 с конденсаторами С1 — СЗ создает резонансный контур с первичной обмоткой для улучшения процесса самовозбуждения, в том числе и при запуске дизель-генератора. Вторичная обмотка L2.3 служит для питания корректора через выпрямитель.

Обмотка управления L3.1 предназначена для подмагничивания трансформатора возбуждения постоянным током с целью регулиро­вания тока возбуждения, а следовательно, и напряжения на выводах генератора.

Короткозамкнутая обмотка L 3.2 предусмотрена для подавле­ния третьей гармонической составляющей магнитного потока. Она намотана на обмотку управления.

Блок управления БУ служит для управления выходными пара­метрами синхронного генератора. Он состоит из устройства парал­лельной работы, резистора ручного регулирования напряжения R1, резистора уставки напряжения R2 при автоматическом регулировании, переключателя SI на ручное или автоматическое регулирова­ние переключателя S2 на автономную или параллельную работу

В свою очередь УПР предназначено для обеспечения параллель­ной работы генератора с сетью или с другими генераторами. Оно со­стоит из измерительного трансформатора тока ТА, трансформатора параллельной работы Т2, резисторов R3 и R4 переключателя S2, переключение которого позволяет осуществлять параллельную ра­боту либо со статизмом без уравнительных соединений, либо без статнзма с уравнительными соединениями.

Первичная обмотка трансформатора Т2 включается последова­тельно в цепь измерительного трансформатора КМ, а вторичная об­мотка с отводом от середины совместно с резисторами R3 и R4 об­разуют мост, питающийся от ТА

При установке переключателя S2 на параллельную работу шун­тируется резистор R4. При этом нарушается баланс моста и резуль­тирующее напряжение во вторичной обмотке трансформатора Т2 не будет равно нулю. Напряжение на входе корректора КН будет равно геометрической сумме напряжений генератора и первичной об­мотки трансформатора Т2. Увеличение входного напряжения на КН приведет к уменьшению тока возбуждения генератора, его ЭДС. Этим самым обеспечивается статизм внешней характеристики гене­ратора, что при параллельной работе приводит к уменьшению тока статора и обеспечению пропорционального распределения реактив­ной нагрузки.