/
Автор: Никифоровский Н.Н. Норневский Б.И.
Теги: электротехника электричество электростанции судовые установки судовождение морской транспорт
Год: 1974
Текст
WK
Жру*
Н. Н. Никифоровский,
Б. И. Норневский
УЧ 2b
СУДОВЫЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
СТАНЦИИ
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ,
ДОПОЛНЕННОЕ И ПЕРЕРАБОТАННОЕ
Утверждено Управлением учебных
заведений Министерства морского
флота в качестве учебного пособия
для электромеханической специ-
альности высших инженерных мор-
ских училищ
МОСКВА «ТРАНСПОРТ» 1974
УДК 621.311.3 : 629.123/075.8/
Судовые электрические станции. Никифоровский Н. Н.
Нор невски й Б. И. Изд-во «Транспорт», 1974 г., стр. 1—432.
Учебное пособие содержит основные сведения по электрообору-
дованию и режимам работы судовых электрических станций.
В нем рассмотрены переходные процессы нормального и аварий-
ного режимов работы судовых электрических систем, вопросы рас-
чета мощности и комплектации станций, выбор элементов оборудо-
вания распределительных устройств, средства защиты судовых
электрических систем. Даны основные сведения по схемам станции,
особенностям распределительных устройств на судах современных
типов и вопросам электробезопасности. Большое внимание в книге
уделено автоматическому поддержанию уровня и частоты измене-
ния напряжения генераторов судовой станции, различным способам
включения генераторов на параллельную работу, работе основных
устройств автоматизации судовых электрических систем.
Учебное пособие предназначено для курсантов электромеха-
нических факультетов высших инженерных морских училищ. Книга
может быть полезна студентам других высших учебных заведений,
где изучаются аналогичные дисциплины, а также инженерно-тех-
ническим работникам морского флота, связанным с эксплуатацией
судовых электрических систем.
Рис. 235, табл. 12, прилож. 13, библ. 44.
31806—312
312— 74
049(01)—74
© Издательство «Транспорт», 1974 г.
Предисловие
Книга является дополненным и переработанным изданием учебного
пособия «Судовые электрические станции», изданного авторами в 1964 г.
Она отвечает программе курса «Судовые электрические станции и их
эксплуатация», читаемого на электромеханических факультетах высших-
инженерных морских училищ Министерства морского флота СССР.
Данному курсу предшествует изучение дисциплин: «Теоретические
основы электротехники», «Электроизмерительные приборы и судовые
электрические измерения», «Судовые электрические машины». Ряд по-
ложений по последней дисциплине получил значительное развитие
в главах 3, 4, 7 и 8. Авторы стремились к изложению материала в
форме, удобной для понимания. Объем книги позволил включить лишь
основные сведения по каждому из рассматриваемых вопросов.
При написании ряда глав книпи авторы пользовались известными
работами О. Б. Брона, Г. В. Бутщвича, В. А. Веникова, Л. П. Вере-
тенникова, П. С. Жданова, А .А. Залесского, Л. Г. Мамикоянца,
И.М. Марковича, И: А. Сыромятникова, С. А. Ульянова, А. М. Федо-
сеева и др. В книге отражены и некоторые работы научно-исследо-
вательских институтов министер ств морского флота и судостроитель-
ной промышленности, Ленингра (ского электротехнического института
имени В. И. Ульянова (Ленин А) и Ленинградского высшего инже-
нерного морского училища имени адмирала С. О. Макарова и ряд
работ, выполненных авторами книги.
В книге главы 2,4, 7, 10 и § 1.8—1.9 главы 1 написаны Б. И. Нор-
невским, главы 3, 5, 6, 8, 9, 11 и § 1.1—1.7 главы 1 — Н. Н. Никифо-
ровским.
Авторы будут благодарны за критические замечания и пожелания
и просят направлять их по адресу: Ленинград, В-26, Косая линия,
д. 15, ЛВИМУ имени адмирала С. О. Макарова, авторам.
Введение
Ведущая роль в техническом прогрессе принадлежит электрифика-
ции. Это — основа, на которой развиваются автоматика, радиотех-
ника, электроника, кибернетика, все наиболее совершенные средства,
определяющие технический уровень производства.
Ведущую роль электрификации в развитии всех отраслей народного
хозяйства подчеркивает и Программа Коммунистической партии
Советского Союза, принятая на XXII съезде КПСС. В Программе ука-
зывается, что «Электрификация, являющаяся стержнем строитель-
ства экономики коммунистического общества, играет ведущую роль
в развитии всех отраслей народного хозяйства, в осуществлении всего
современного технического прогресса»1.
Бурно развивается и качественно преобразуется электроэнерге-
тика Советского Союза, вместе с ней растет и непрерывно совершен-
ствуется электроэнергетика на судах морского флота СССР.
Выдающиеся изобретения конца XIX в. открыли широкую дорогу
применению электрической энергии на судах морского флота. Сначала
электрическое освещение, затем электрические вентиляторы (1886 г.),
электрический рулевой привод (1892 г.), электрифицированные шпи-
ли и грузоподъемные механизмы (1897—1903 гг. )прочно завоевали себе
место на судах, вытесняя паровой привод.
В настоящее время невозможно представить себе судно без его
широкой электрификации. В числе потребителей электрической энер-
гии на судне — средства, обеспечивающие навигацию и управление
судном, многочисленные приводы механизмов, обслуживающие сило-
вую установку судна, приводы палубных механизмов (лебедки, шпи-
ли, брашпили и др.), многочисленные устройства, обслуживающие нуж-
ды пассажиров и экипажа (освещение, камбуз, отопление, вентиля-
торы, насосы и др.).
Количество потребителей электроэнергии судовой станции Непре-
рывно увеличивается, мощности потребителей растут, соответственно
растут и мощности судовых электрических станций.
Если в 1940 г. средняя величина суммарной мощности генераторов
1 Программа Коммунистической партии Советского Союза. М., Госполит-
издат, 1962. 144 с.
4
на судовых станциях составляла 180 кет, то к 1970 г. она поднялась
до 625 кет на станцию. Суммарная мощность судовых станций состав-
ляет теперь 4 млн. кет, а выработка электроэнергии на них превышает
1,5 млрд, квт-ч в год. Все чаще мощности судовых электрических стан-
ций превышают тысячу киловатт на судно. Рост мощностей станций
будет наблюдаться и в последующие годы.
Развитие нашего флота всегда опиралось на передовую отечествен-
ную науку и промышленность. Высокий уровень развития судовой
электротехники во многом обязан трудам и работам коллективов НИИ,
вузов, КБ, пароходств и заводов. Отечественная промышленность из-
готовляет современные судовые машины, аппараты и приборы с харак-
теристиками, удовлетворяющими требованиям Правил Регистра СССР.
Резко возрос выпуск разнообразных средств автоматизации.
На судах прочные позиции завоевал переменный ток, что повы-
сило надежность электрообрудования судов и облегчило его эксплуата-
цию.
Электрификация и на ее основе автоматизация современных судов
проводятся в больших масштабах. К настоящему времени в составе
отечественного флота имеется несколько типов судов с высоким уров-
нем автоматизации. Это теплоходы типов «Новгород», «Нововолынск»,
«Владимир Ильич», «Новомиргород» и теплоходы «Светлогорск»,
«Котовский» и др. Современные суда с развитой автоматизацией
имеют центральный пост управления и контроля, в котором сосредо-
точены: органы управления главными механизмами, дизель-генера-
торами, турбогенераторами; средства |ндикации контролируемых
параметров механизмов, устройств и сис/ем; устройства сигнализации
о режимах работы, о срабатывании зал Ат. Кроме того, на автомати-
зированных судах предусмотрено диета |ционное автоматизированное
управление главным двигателем с ходе ^вого мостика, нет постоянной
вахты в машинном отделении, но есть еще вахта в помещении цент-
рального поста управления. I
На судовых электрических станциях современных судов автомати-
зация обеспечивает: стабилизацию напряжения и частоты, синхрони-
зацию и включение генераторов на шины станции, распределение реак-
тивной и активной нагрузок между генераторами, разгрузку генера-
торов при перегрузке, действующие защиты при ненормальных и ава-
рийных режимах и другие автоматические устройства, а также дистан-
ционное автоматизированное управление и контроль.
Все чаще применяют системы управления, позволяющие автомати-
чески запускать и останавливать генераторы в зависимости от нагруз-
ки на станцию и затем перераспределять нагрузку после автомати-
ческого включения генератора на шины станции (теплоходы типа
«Новомиргород», теплоход «Котовский» и др.).
Основные направления развития и совершенствования судовой элек-
троэнергетики следующие.
1. Расширение применения комплексной автоматизации судовых
электрических станций и систем, применение такой степени их авто-
матизации, при которой не только отдельные операции, но и различ-
ные (оптимальные) режимы работы обеспечиваются автоматически.
5
Перспективно развитие автоматизации на базе применения электрон-
ных управляющих машин, работающих на основе совершенных алго-
ритмов управления.
2. Повышение надежности, гибкости и экономичности электрических
установок и станций путем расширения электрификации судов на пе-
ременном токе, переход к повышенным частотам, выбор при проекти-
ровании рациональной схемы и оптимальной комплектации станции,
выбор оправданной мощности ее генераторов и трансформаторов и не-
обходимого резерва агрегатов и линий. Для повышения экономичности
предстоит: расширить использование главного двигателя как единого
источника энергии, т. е. применять валогенераторы и в связи с этим
совершенствовать устройства преобразования и стабилизации частоты
и напряжения при переменной частоте вращения генератора; расши-
рить применение на крупных судах утилизационных турбогенераторов.
3. Повышение качества вырабатываемой электрической энергии,
т. е. стабилизирование параметров режима (напряжения, частоты, мощ-
ности), для чего предстоит: улучшить системы автоматической стабили-
зации напряжения и частоты и системы автоматического распределения
активной мощности между параллельно работающими генераторами,-
повысить напряжение генераторов и приемников; усовершенствовать
все виды противоаварийных защит (противоаварийной автоматики);
расширить применение логических схем.
4. Совершенствование конструкции машин, аппаратов и приборов
путем применения новых материалов (сверхпроводники новых ви-
дов, изоляция), износоустойчивых металло-керамических размыкаю-
щихся контактов, более совершенных дугогасительных устройств
в коммутационных аппаратах. Перспективно развитие бесконтактных
аппаратов.
5. Совершенствование ремонта и эксплуатации электрооборудова-
ния путем своевременной смазки, очистки, покраски, просушки, за-
мены износившихся деталей, своевременной регулировки и настройки
машин и аппаратов, ухода за аккумуляторами.
Перспективно применение схем, особенно схем автоматики с само-
контролем, различных автоматических устройств поиска неисправно-
стей. Очень важно развивать и совершенствовать средства технической
диагностики состояния судовых электроэнергетических систем и их
отдельных элементов.
Пополнение отечественного флота специалистами высокой квали-
фикации создает условия для непрерывного повышения культуры
эксплуатации электрооборудования судна.
Открытие новых источников энергии и преобразование тепловой,
ядерной, солнечной и химической энергии в электрическую входят
в число важнейших задач ближайшего двадцатилетия. Решение этих
задач революционизирует энергетические установки судна и вместе
с тем открывает широкие перспективы дальнейшей всесторонней элек-
трификации судов.
ГЛАВА 1
Основные характеристики судовых
электрических станций
§ 1.1. ТИПЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ
Электрические станции представляют собой фабрики, преобразую-
щие различные виды энергии в электрическую.
По виду преобразуемой энергии электрические станции подразделя-
ют на тепловые и атомные. В настоящее время на судах получили рас-
пространение тепловые электрические станции, однако в будущем най-
дут распространение и атомные электростанции, начало которым поло-
жено станциями атомоходов «Ленин», «Арктика» и др.
На тепловых судовых электрических станциях преобразуют хими-
ческую энергию топлива (нефть, уголь й др.) в электрическую. В ка-
честве первичных двигателей на гвардиях распространены дизели
и паровые турбины. На атомных электростанциях преобразуют энер-
гию атомного ядра в электрическую?^ В качестве первичных двига-
телей на станциях следует ожидать распространения паровых турбин.
Отсутствие бункеров с топливом, необходимым для тепловых стан-
ций, и ничтожный вес ядерного топлива создают особые преимущества
для судовых установбк, использующих энергию атомного ядра.
По роду тока электрические станции подразделяют на станции по-
стоянного и станции переменного тока. Теплоходы и турбоходы сов-
ременной постройки, как правило, электрифицируют на переменном
токе.
По назначению электрические станции на судах можно подразде-
лить на электрические станции судовых электроэнергетических сис-
тем (СЭС), станции гребных электрических установок (ГЭУ) и аварий-
ные электрические станции (АЭС).
Электрические станции СЭ.С обеспечивают энергией электри-
ческие приводы механизмов главной энергетический установки судна,
палубных механизмов, многочисленных насосов и вентиляторов обслу-
живающих экипаж судна; снабжают питанием средства судовожде-
ния, освещение и оборудование камбуза.
В качестве первичных двигателей на станциях СЭС распространены
дизели и паровые турбины.
Дизели в настоящее время являются наиболее экономичными дви-
гателями. Кроме того, они всегда готовы к пуску и приему нагрузки.
Моторесурс (срок службы до капитального ремонта) наиболее распро-
страненных судовых дизелей с частотой вращения 500—750 об!мин
7
поднят до 30 000—40 000 ч (до первой переборки 3000—4000 ч). По
данным исследования ЦНИИМФа, среднегодовое время работы ди-
зель-генераторов на судах составляет 2000—4500 ч в год, следо-
вательно, календарный срок службы до капитального ремонта дизе-
лей составляет 8,5—11 лет. Таким образом, современные судовые ди-
зели имеют хорошие технико-экономические характеристики.
Дизели в качестве первичных двигателей генераторов СЭС полу-
чили подавляющее распространение на теплоходах морского флота.
Их устанавливают также со стояночными генераторами на паротурбо-
ходах. Свыше 80% судов отечественного флота оборудовано дизель-
ными силовыми установками. На 95—97% судов отечественной построй-
ки- 1971—1975 гг. также устанавливаются дизели.
На судах с главными машинами в виде паровых турбин в качестве
первичных двигателей генераторов СЭС применяют преимущественно
паровые турбины.
Паровые турбины быстроходны (10 000 об!мйн и более), надежны,
имеют большой срок службы и большие межремонтные сроки. Парал-
лельная работа турбогенераторов весьма устойчива, так как крутящий
момент у паровых турбин постоянен.
Недостаток паровых турбин — в относительно невысоком к. п. д.,
наличии редуктора для понижения частоты вращения спаренного с
генератором вала и в необходимости прогрева турбины перед пуском.
Судов с патротурбинными силовыми установками относительно
мало. Так, использование турбин ожидается только на 3—5% оте-
чественных судов побтройки 1971 — 1975 гг.
Некоторое распространение на судах как отечественной (танкеры
типа «Великий Октябрь», сухогрузные суда типа «Капитан Кушна-
ренко» и др.), так и зарубежной постройки (танкеры типа «Ленинакан»,
«Леонардо да Винчи» и другие) имеют утилизационные турбогенера-
торы (УТГ), работающие на паре утилизационных котлов, использую-
щих тепловую энергию отработавших газов судовых дизельных уста-
новок (рис. 1.1, а). Мощность, развиваемая УТГ, отнесенная к мощ-
ности главного двигателя, может составлять 0,02—0,04 кет! л. с.
Это позволит на судах с мощными двигателями устанавливать УТГ
мощностью 200—500 кет и более, что нередко достаточно для полного
обеспечения судна электрической энергией в ходовом режиме.
В связи с тем что эффективность использования тепловых потерь
повышается с увеличением мощности двигателя, УТГ экономичны на
крупных судах с мощностью дизеля примерно 9000 э. л. с. и более.
Ценная особенность УТГ в том, что он, используя тепловую инер-
цию контура преобразования энергии выхлопных газов, может рабо-
тать с неизменной мощностью 4—7 мин после полной внезапной оста-
новки двигателя судна, а это позволяет запустить судовой дизель-ге-
нератор, перевести на него нагрузку и обеспечить, таким образом, не-
прерывное электроснабжение судовых потребителей. Следует ожидать
расширения применения УТГ.
Паровые машины на современных судах в качестве первичных дви-
гателей генераторов не устанавливаются, так как они громоздки,
тяжелы.и имеют очень низкий к. п. д.
8
В качестве первичных двигателей генераторов Во время хода судна
иногда используются главные двигатели. Генераторы, мощность к ко-
торым подводится от главного двигателя или гребного вала, называ-
ются валогенераторами.
Использование главного двигателя для вращения генератора СЭС
имеет тенденцию к расширению, так как отбор мощности от двигателя
уменьшает трудозатраты на эксплуатацию установки и управление ею в
условиях хода судна; снижает эксплуатационные расходы в связи с.
Рис. 1.1. Схемы использования главного двигателя как единого источника
энергии:
а — схема утилизации тепловой энергии выхлопных газов на танкере «Сплит»;
б — принципиальная схема валогенератора с асинхронной муфтой; в — схема ком-
бинированной установки: 1 — главный двигатель; 2 — котел утилизационный, 3 —
турбина; 4 — генератор синхронный; 5 — датчик тока; 6 — датчик частоты; 7 —
муфта электромагнитная асинхронная; 8 регулятор возбуждения муфты; 9 — за-
дающее устройство; 10 — стабилизирующая передача
тем, что главные двигатели нередко работают на более дешевом тяжелом
топливе и к. п. д. их выше, чем к. п. д. относительно небольших первич-
ных двигателей.
К существенной особенности валогенераторов следует отнести за-
висимость частоты изменения генерируемого ими напряжения от обо-
ротов главного двигателя. Для стабилизации частоты, что необходимо
для нормальной работы судовых потребителей, чаще всего используют-
ся двухмашинные (генератор — двигатель) передачи от вала к син-
хронному генератору, гидродинамические или электромагнитные упру-
гие муфты (рис. 1.1, б), статические преобразователи частоты.
Для уменьшения изменения частоты при набросе и сбросе нагрузки
и одновременном изменении частоты вращения главного вала двигате-
ля валогенераторы снабжаются эффективными системами автомати-
ческого управления [41, № 6, 1971].
Для обеспечения нужд судна в режимах стоянки, а также при не-
большой частоте вращения или обратном направлении вращения греб-
ного вала (задний ход) на судах валогенераторы устанавливают с ав-
тономными источниками электроэнергии (дизели или турбогенера-
торы, аккумуляторные батареи и др.).
Судовая электроэнергетическая система ,с валогенераторами долж-
на иметь такой автономный резерв, который при внезапной остановке
главного двигателя в режиме хода, что возможно в аварийной ситуации,
не лишал бы судно средств управления и маневра.
9
Рис. 1.2. Принципиальная
схема судовой электро-
энергетической системы
Для некоторых типов судов перспективно применение УТГ совмест-
но с валогенераторами (рис. 1.1, в) [43, № 3, 1968].
Электрические станции ГЭУ обеспечивают питание двигателей греб-
ных валов электроходов. Иногда на электроходах предусматривают от-
бор мощности судна для питания СЭС (рис. 1.2). Первичные двигатели
станций ГЭУ — дизели и паровые турбины.
Аварийные электрические станции (АЭС) обеспечивают питание
жизненно важной части приемников на судне в случае выхода из строя
станции СЭС. Их устанавливают на каждом судне, кроме небольших
грузовых судов валовой вместимостью
300 рег. т и менее [30, 2.14, 1.1]. В качестве
аварийных источников электрической энер-
гии могут применяться дизель-генераторы
или аккумуляторные батареи (30,2.14,1.2].
Согласно требованиям Регистра СССР
на пассажирских судах и на промысловых
базах аварийные дизель-генераторы при
исчезновении напряжения в СЭС должны
запускаться автоматически. На судах дру-
гих типов [30, 2.14, 1.4] также реко-
мендуется автоматический запуск агре-
гатов.
Мощность аварийного источника элек-
троэнергии должна быть достаточной для
запуска и питания всего электрооборудо-
вания, работа которого необходима во вре-
мя аварии [30, 2.14, 3.1].
По способу управления электрические
станции на судах и судовые механические
установки подразделяют на три группы,
отличающиеся степенью автоматизации:
станции с постоянной вахтой в машин-
ных помещениях, нуждающиеся в непре-
рывном обслуживании, наблюдении и ручном управлении с глав-
ного распределительного щита (ГРЩ);
станции без постоянной вахты в машинном отделении, но с постоян-
ной вахтой одного оператора в помещении центрального поста управ-
ления и контроля (ЦПУ); нуждающиеся в периодическом обслужива-
нии; контролируемые в ЦПУ, где сосредоточены органы автоматизиро-
ванного или дистанционного управления главными механизмами, ди-
зель-генераторами, турбогенераторами, включая их автоматическую
синхронизацию и распределение нагрузок. В ЦПУ сосредоточены сред-
ства индикации контролируемых параметров механизмов, устройств
и систем (включая контролируемые параметры генераторов и их пер-
вичных двигателей), а также устройства сигнализации о режимах
работы, о срабатывании защит. Рассматриваемый объем автоматизации
механического и электромеханического оборудования судна соответ-
ствует знаку автоматизации А2, добавляемому к символу судна [30,
ч. I, 2.2.7.1; ч. VII, 6.1, 6.2];
10
станции и механические установки, эксплуатирующиеся без по-
стоянной вахты, в машинном помещении и в центральном посту управ-
ления и контроля (знак автоматизации А1).
Отечественный флот уже имеет суда, автоматизированные на знак
А1 («Котовский», «Новомиргород» и др.). Значительное число судов
имеет знак автоматизации А2 («Новгород», «Владимир Ильич» и др.).
§ 1.2. ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Электроэнергетической системой называют единый комплекс из
электрических станций, подстанций и приемников электрической
энергии, связанных между собой линиями передачи. Этот единый ком-
плекс объединен общим процессом выработки, распределения и потреб-
ления электрической энергии.
Несколько уже понятие об электрической системе, под которой по-
нимают только электрическую часть электроэнергетической системы,
состоящую из генераторов, распределительных устройств, подстанций,
приемников и связывающих их линии передач.
На рис. 1.2 приведена одна из возможных схем судовой электро-
энергетической системы. В этой схеме электрическая станция С1 при
напряжении 6 кв обеспечивает электродвижение судна и питает судовую
электрическую систему. Электрическая станция С2 питает ту же сис-
тему в режимах стоянки судна, когда станция С1 не работает. Отбор
мощности от станции Ci для питания электрической системы судна при
напряжении 380 в обеспечивается через понижающую подстанцию П1.
Трансформаторы подстанции П2 понижают напряжение с 380 до 220 в
для питания светильников, нагревательных приборов в каютаХ и кам-
бузе судна.
Преобразовательная установка ПЗ обеспечивает судно постоянным
током, например для питания ряда палубных механизмов.
Распределительные пункты Р1 и Р2 (распределительные щиты)
располагают ближе к потребителям энергии. Снабжение многочислен-
ных потребителей через распределительные щиты существенно умень-
шает число линий, отходящих от главного распределительного щита
(ГРЩ), упрощает и удешевляет установку.
К СЭС предъявляется ряд требований (гл. 9), среди которых глав-
ное — бесперебойное электроснабжение потребителей на судне и обес-
печение живучести судна в любом режиме его работы.
§ 1.3. ГРАФИКИ НАГРУЗОК
Электрическая нагрузка на каждое звено системы (потребители,
линии передач, подстанции и станции), как правило, непрерывно ме-
няется. Представление о характере изменения нагрузки любого звена
дают графики нагрузки, т. е. диаграммы, характеризующие изменения
нагрузки по времени. Графики активных и реактивных нагрузок
характеризуют изменение соответственно активных и реактивных на-
грузок по времени.
Графики, характеризующие изменение нагрузки, могут быть суточ-
ными, рейсовыми и годовыми.
11
Если графики дают представление об изменении нагрузки на вводах
потребителя, то их называют графиками нагрузок потребителей.
Для различных потребителей эти графики, естественно, различны.
Вместе с тем, на основании опыта эксплуатации, принято подразде-
лять всех потребителей на однородные группы (грузовые лебедки,
рулевое устройство, насосы, вентиляторы, освещение и др.) , для каж-
дой из которых характерен свой суточный или рейсовый график. Пред-
ставляют практический интерес графики, характеризующие нагрузку
источников электрической энергии (генераторов станций), подстанций
и т. д.
Наряду с суточными и рейсовыми графиками нагрузки практиче-
ский интерес представляют и годовые графики, из которых наиболее
важен годовой график нагрузок по продолжительности, характери-
зующей продолжительность работы установки в течение года с различ-
ными нагрузками, которые на графике располагают в порядке их по-
степенного убывания (см. рис. 1.7).
Годовой график нагрузок по продолжительности позволяет найти
величины (коэффициенты), характеризующие работу установки (сред-
негодовая нагрузка, продолжительность использования максимальной
нагрузки и др.).
§ 1.4 ПРИЕМНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ энергии на судах и характер
их нагрузки
На современных судах морского флота приемники электрической
энергии многочисленны и разнообразны. Так, на теплоходах значитель-
ное число приемников обеспечивает нормальную работу главных дви-
гателей судна; сюда относятся охлаждающие насосы забортной и прес-
ной воды, масляные насосы, сепараторы топлива и масла, топливные
насосы, компрессоры и др. (рис. 1.3).
Брашпиль, шпиль, рулевое устройство, грузовые устройства вхо-
дят в число так называемых палубных механизмов судна. Каждый
из этих приемников работает в специфическом режиме.
Разнообразные приемники обслуживают бытовые нужды экипажа
судна, улучшают условия обитаемости: различного рода светильники,
электродвигатели систем гидрофоров, каютные вентиляторы, рефри-
жераторы провизионных камер, камбузы (плиты, печи, мясорубки,
картофелечистки и др.), грелки отопления, установки для кондицио-
нирования воздуха и др.
Некоторую нагрузку на электростанцию судна создают и такие
потребители энергии, как электронавигационные приборы, радиостан-
ция судна, сигнальные и отличительные огни и т. д.
Нагрузка на электрическую станцию судна определяется номиналь-
ной мощностью приемников электрической энергии на судне, но вместе
с тем она существенно зависит от числа фактически работающих прием-
ников, режима их работы и степени загрузки.
Режим работы большей части потребителей определяется режимом
работы судна. Для грузовых судов характерны: ходовой режим, манев-
ренный режим, стоянка с грузовыми операциями, стоянка без грузо-
12
вых операций, и обязательно нужно считаться с аварийным режимом
(пожар, пробоина в корпусе и др.).
Очевидно, что в ходовом режиме судна работают все потребители,
обеспечивающие главную энергетическую установку судна, и включены
в работу потребители, удовлетворяющие бытовые нужды экипажа,
Рис. 1.3. Вспомогательные устройства, обслуживающие главную энергетическую
и дизель-электрическую установки теплохода типа «Игаркалес»:
/ —масляные насосы дизель-генераторов (ДГ); 2 и 7 — насосы охлаждения пресной и за-
бортной водой иа стоянке; 3 и 4— сепараторы масла и топлива главного двигателя и ДГ
(стрелками показан режим сепарации масла из картеров двигателей); 5 и 9— насосы охлаж-
дения пресной и забортной водой в ходовом и маневренном режимах; 6 — насос резервный;
8 — насос резервный; 10 — масляный насос главного двигателя; П— масляный насос турбин
наддува; 12 — компрессор рефрижераторной установки; 13 — насос охлаждения топливных
форсунок; 14 — конденсатор вспомогательного котла; 15 — воздушный компрессор; 16 — воз-
духодувка вспомогательного котла; 17 и 18—топливные и питательные насосы котла; 19—
валоповоротное устройство; 20 — топливоперекачнвающне насосы; 21 — насос прокачки фор-
сунок. Номерами 3', 4', 10', И', 13', 15', 17', 18', 20' обозначены соответствующие резервные
механизмы
а также мастерская, радиостанция, электронавигационные приборы и
т. д. Ходовой режим — основной режим судна.
В маневренном режиме работают все потребители ходового режи-
ма и, кроме того, могут потреблять энергию палубные механизмы —
брашпиль и шпиль, а также компрессор пускового воздуха.
В режиме стоянки судна без погрузочных операций включены при-
емники, удовлетворяющие нужды экипажа, обеспечивающие работу
первичных двигателей генераторов; могут включаться валоповоротное
устройство и малый пожарный насос; работает мастерская. На судах
с паровыми установками возможна работа потребителей, поддерживаю-
щих котлы под парами.
13
Режим стоянки с грузовыми операциями отличается от режима сто-
янки без грузовых операций дополнительной работой грузовых
средств (лебедки, краны).
В аварийном режиме должна поддерживаться нормальная работа
главной энергетической установки судна, а также интенсивная работа
пожарных, осушительных и балластных насосов. Вместе с тем потре-
бители, обслуживающие нужды экипажа, при необходимости могуг
быть отключены. При пожаре почти полностью выключаются все вен-
тиляторы.
Таким образом, в каждом из режимов работы судна работают впол-
не определенные группы потребителей. Однако нагрузка на электро-
станцию судна определяется не только числом групп потребителей, но
и характером нагрузки, создаваемой каждой из групп, или, что то же
самое, графиком нагрузки каждой из групп потребителей.
Чтобы представить себе максимальную нагрузку Рк, мако, созда-
ваемую одной из групп потребителей в рассматриваемом режиме ра-
боты судна, следует иметь в виду, что
Р„. макс = ^о^зВпр>
где ko — коэффициент одновременности, равный отношению числа
действительно работающих потребителей к общему числу
потребителей данной группы, установленных на судне;
k3 — коэффициент загрузки, равный отношению действительной
мощности приемника к его номинальной (установленной)
мощности;
Рпр — суммарное значение присоединенной мощности, т. е. мощ-
ности, потребляемой всеми приемниками данной группы
при номинальной загрузке.
Рассмотрим для примера рулевое устройство. В настоящее время на боль-
шинстве судов с электрогидравлической рулевой установкой ставят по два руле-
вых электродвигателя, из которых один резервный. Следовательно, в ходовом
режиме для рулевого устройства kB 0,5. При выборе k3 следует учитывать,
что рулевой электродвигатель выбирается по моменту, близкому к максималь-
ному моменту на баллере руля, при полной перекладке пера руля на максималь-
ной скорости переднего хода судна. Вместе с тем полная перекладка руля в хо-
довом режиме крайне редка и продолжается всего 20—28 сек. Загрузка двигате-
ля рулевого устройства для удержания судна на курсе в нормальном ходовом
режиме невелика, она составляет примерно 20—40% его номинальной мощности
и зависит от направления и силы ветра, состояния моря, скорости хода, осадки
судна и др. Таким образом, в ходовом режиме средний коэффициент загрузки
двигателя k3 0,2 4- 0,4 Если в условиях полного хода перекладка руля
понадобится, то дополнительная «непредусмотренная» мощность со стороны
станции судна может быть получена за счет 20—30 сек перегрузки генератора.
При выполнении маневров в целях большей надежности обычно работают
два двигателя рулевого устройства. Следовательно, в этом режиме Ло — 1.
Непостоянен график нагрузки грузовой лебедки (рис. 1.4). Кратковремен-
ные пики нагрузки чередуются с более длительными и значительно меньшими
нагрузками. Налицо и интервалы времени работы без нагрузки. Очевидно, что
при таких особенностях графика нельзя считать, что k3 = 1; обычно принимают
для грузовых лебедок k3 = 0,7 4- 0.8.
Изучение записи нагрузки электропривода якорного шпиля убеждает в том,
что в режиме снятия судна с якоря коэффициент k3 0,6 4- 0,8.
Механизмы, обеспечивающие работу главной энергетической установки,
работают одновременное обслуживаемой ими установкой. Коэффициент загрузки
14
их k3 = 1, но если установленная мощность двигателя к механизму больше фак-
тически необходимой, что часто бывает, то коэффициент k3 < 1; он подсчитывает-
ся как отношение необходимой мощности к установленной. Коэффициент одно-
временности работы механизмов выбирают с учетом числа работающих в данном
режиме котлов, главных машин, резервных установок и т. д.
Мощность, расходуемая на освещение грузового судна, в разных режи-
мах практически одинакова, так как большая часть ее расходуется на осве-
щение машинно-котельных отделений, румпельного отделения, а также внут-
ренних помещений (коридоры и др.). Увеличение осветительной нагрузки на
40—50% наблюдается в режиме грузовых операций в ночное время.
Рис. 1.4. График нагрузки грузовой 2-тонной лебедки (скорость ленты самопишу-
щего прибора 1800 мм!ч-, цена деления 1,85 кет)
В текущей работе судовой мастерской загрузка одновременно всех стан-
ков возможна лишь в режиме стоянки судна при выполнении значительных
ремонтных работ (k3 = 0,5 4- 0,8). В других режимах работы судна загрузка
мастерской, и то, только днем, очень мала (k3 = 0,2 4- 0,3).
Существенно переменна на протяжении суток загрузка судовой станции
камбузными плитами и двигателями: для дневного времени k3 = 0,7 — 0,9,
для ночного k3 = 0,1 4- 0,3.
Выбор ko и k3 для каждой из групп потребителей судна всегда
производят с учетом типа и назначения судна, района его плавания
(например, тропический район), широко используя при этом опыт
эксплуатации электрических установок уже построенных судов,
близких к проектируемому.
Выбрав ko и k3 для каждой из групп приемников и зная Рпр, опре-
деляют суммарную нагрузку на генераторы судовой электрической
станции, пользуясь, например, нагрузочными таблицами.
§ 1.5. РАСЧЕТ МОЩНОСТИ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ
ЭМПИРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ НАГРУЗОЧНЫХ ТАБЛИЦ
Мощность"судовой электрической станции можно рассчитывать
несколькими методами, в том числе эмпирическим методом нагрузочных
таблиц.
Метод таблиц широко распространен, так как он сравнительно
прост, нагляден и универсален. Рассмотрим его на примере применения
нагрузочной таблицы для расчета мощности станции переменного тока
(табл. 1.1).
15
Таблица 1.1
Электрические нагрузки на генераторы станции переменного тока
(заключительная часть общей таблицы нагрузок)
Наименование потребителей (приемников) электроэнергии Количество п Необходимая мощность Рн, кет Установленная мощ- ность Руст, кет Номи- наль- ные данные Единичная потребляемая мощность РПр, кет Общая потребляемая мощность Рпр, кет. Стоянка без грузовых операций
к. п. д., Пн. % cos фн о со as cos <р Р, кет Q, квар
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Масляный сепаратор . 1 4 4 84 0,87 4,8 4,8 1 1 0,87 4.8 2,8
Электрокомпрессор 2 21 21 88 0,86 24 48 0,5 1 0,86 24 14
Форсуночный насос вспомогательного котла . 2 3 3 82 0,88 3,7 7,4 0,5 1 0,88 3,7 2
Питательный насос вспомогательного котла . 2 6 6 86 0,88 7 14 0,5 0,7 0,86 4,9 2,9
Циркуляционный насос опреснительной уста- новки 1 7,5 8 87 0,9 9,2 9,2 1 0,9 0,88 8,3 4,5
Санитарный насос . . 4 4 4 85 0,85 4,7 18,8 0,5 1 0,85 9,4 5,9
Пожарный насос . . . 2 55 55 88 0,83 62 124 —— — — — —.
То же 1 28 28 89 0,89 31 31 1 1 0,89 31 16
Общая. потребляемая всеми приемниками, мощ- ность, кет. 180 98
То же. с учетом коэф- фициента одновременно- сти. кет ..... 0,5 90 49
То же, с учетом 5 % потерь в сети, кет . . 95 52
Средневзвешенный ко- эффициент мощности . . — — — — — — — —. —. 0,88 — —
Число и единичная мощность работающих генераторов, кет . . . — — — — — — — — — 1X100 — —
В соответствии с требованиями метода в графу 1 заносят всех по-
требителей электрической энергии, предварительно разбив их на одно-
родные группы, что сокращает размеры таблицы и делает ее более на-
глядной. В состав каждой группы входят потребители одного назначе-
ния и одинаковой мощности, например приводы: грузовых лебедок
равной грузоподъемности, вентиляторов машинного отделения, насо-
сов забортной охлаждающей воды и т. д. Однородную группу образуют
грелки электрического отопления, освещение, электрические плиты
камбуза и др.
В графе 2 таблицы указывается число приемников п, объединенных
в однородную группу, включая резерв.
16
Далее в таблице указываются: необходимая мощность каждого при-
емника (графа 3), установленная мощность каждого приемника Р т
(графа 4), номинальные значения коэффициента полезного действия
т]н и коэффициента мощности cos <рн приемников рассматриваемой груп-
пы (графы 5 и 6 соответственно).
В графу 7 таблицы вносится единичная присоединенная мощность
Р„р, т. е. мощность, потребляемая каждым приемником.
Для некоторых групп приемников (освещение, камбуз, отопление
и т. п.) в графе 3 сразу указывается общая (суммарная) мощность.
Для таких приемников, как грелки отопления, освещение, транс-
форматоры
р' — р
пр г уст»
тогда как для электродвигателей любого назначения
п' _ Руст
Пн •
В графу 8 вносится общая установленная мощность п приемников;
ее получают расчетом
Р пр = ПР пр-
Далее таблица нагрузок развертывается по режимам работы, ха-
рактерным для проектируемого судна, так как работа большей части
потребителей определяется режимом судна.
Для каждой из групп приемников определяют коэффициенты одно-
временности k0 и загрузки ka и заносят их в соответствующие графы
таблицы.
Определив ko и /г3, рассчитывают нагрузку, создаваемую каждой
нз групп, Рк_ макс = Р и помимо этой — активной составляющей на-
грузки, находят расчетом реактивную составляющую нагрузки Q.
Для расчета Q находят в справочных данных costp приемников
каждой из групп потребителей с учетом k3 (графа 10) и определяют
Q = Ptg<p.
Определив Р и Q для каждой из групп приемников, находят сум-
мированием по режимам ХР и XQ и вписывают их в строчку таблиц
«Общая, потребляемая всеми приемниками, мощность».
В связи с различным характером графиков нагрузки разных групп
потребителей было бы неправильно считать, что нагрузка на генера-
торы станции равна 2 Р. Фактическая нагрузка на генераторы меньше,
и она будет тем меньше, чем вероятнее неодновременная работа раз-
личных групп потребителей и несовпадение максимумов нагрузок
у приемников в каждой из групп (например, грузовых лебедок).
В таблице нагрузок неодновременность работы различных групп
потребителей, сдвиги максимумов нагрузок между группами и вну-
три групп приемников учитываются энергетическим коэффициентом
одновременности Ко. Опыт показывает, что значение До следует брать
в пределах 0,6—0,9. Верхний предел оправдан для ходового и аварий-
ного режимов, когда удельное значение приемников с постоянным гра-
фиком нагрузки очень велико (механизмы, обслуживающие главную
энергетическую установку судна, и др.); меньшие же значения Ко оп-
17
равданы для маневренного режима, когда значительна роль приемни-
ков большой мощности с кратковременным (эпизодическим) резко
переменным графиком нагрузки и для режима стоянки с грузовыми опе-
рациями, когда значительна доля приемников с периодическим гра-
фиком нагрузки.
Следует подчеркнуть, что /Со должен быть выбран так, чтобы произ-
ведение Кп£Р было больше суммы мощностей приемников с постоянным
графиком нагрузки.
Передача энергии потребителю, естественно, связана с потерями
в сети. Их обычно оценивают в 5% (чаще всего фактические потери
меньше 5%) от передаваемой мощности.
Таким образом, активная нагрузка на генераторы судовой станции
в каждом из режимов работы судна должна определяться как
1,05 К0ЯР, а реактивная — l,05/Co2;Q.
Кроме активной и реактивной составляющих мощности, находят
полную мощность S и средневзвешенный коэффициент мощности
cos Фср. вз, причем cos Фср. вз =
При незначительном числе приемников, работающих эпизодически,
потребляемую ими мощность в таблице нагрузок обычно отмечают скоб-
ками и в'суммарпой нагрузке на генераторы эти приемники не учиты-
вают. Однако всегда проверяют, могут ли выбранные генераторы обес-
печить работу приемников, включаемых эпизодически, за счет имею-
щегося запаса мощности и перегрузочной способности генераторов и их
первичных двигателей. Из кратковременно работающих приемников
в каждом режиме работы судна чаще всего учитывают лишь приемник
наибольшей мощности.
При проектировании целесообразно рассматривать возможность
подключения эпизодически работающих приемников за счет времен-
ного автоматического отключения второстепенных потребителей (кам-
буз, бытовая вентиляция и т. п.). Такой принудительный порядок
электроснабжения особенно необходим в СЭС с автоматическим управ-
лением числа включенных генераторов.
Иногда в таблицах подразделяют каждый режим на день и ночь;
такое уточнение нагрузки на генераторы целесообразно только в тех
редких случаях, когда мощность приемников с переменным коэффици-
ентом нагрузки на протяжении суток (освещение, камбуз, мастер-
ские и др.) относительно велика.
В последние годы находят распространение таблицы нагрузок рас-
смотренной формы, но в которых нагрузка на станцию определяется
отдельно для потребителей, работающих с постоянным (или почти по-
стоянным) графиком нагрузки (энергетический коэффициент одновре-
менности /Со = 0,8 1), затем для потребителей, работающих перио-
дически (Ко = 0,3 4- 0,5). Суммы, полученные отдельно, складыва-
ются, и к итогу добавляется мощность наибольшего из приемников, ра-
ботающих эпизодически, и мощность потерь в сети (5%). Полученный
результат определяет нагрузку на генераторы станции.
Таблица нагрузок для расчета мощности судовой электрической
станции постоянного тока повторяет таблицу для расчета мощности
18
станции переменного тока с небольшим упрощением ее: из таблицы
исключаются графы расчета реактивной нагрузки на источник, т. е.
графы 6, И и 13 (см. табл. 1.1).
Метод применения нагрузочных таблиц позволяет определить не
только мощность судовой электрической станции, но и мощность: ава-
рийной электростанции, судовой трансформаторной подстанции, пре-
образователей тока на преобразовательной установке судна.
В заключение рассмотрения табличного способа расчета мощности
судовой электрической станции заметим, что рассматриваемый метод
наряду с несоменными достоинствами имеет и недостатки, главный
из которых — неопределенность коэффициентов загрузки, и особенно
энергетических коэффициентов одновременности. Научных обоснований
для выбора этих важных коэффициентов в настоящее время не имеет-
ся, что ведет к ошибкам в определении мощности станции. Не следует
думать, что табличный метод всегда приводит только к ошибкам, однако
они все же имеют место, и это делает актуальным поиск новых методов в
решении задачи определения мощности судовой электрической станции.
§ 1.6. ВЕРОЯТНОСТНО-СТАТИСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА МОЩНОСТИ
СУДОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ
На современных судах приемники электрической энергии многочис-
ленны и разнообразий, разнообразен и режим (график) работы каж-
дого из приемников.
Среди потребителей электрической энергии на судне часть потре-
бителей работает постоянно с примерно постоянной нагрузкой (насосы
охлаждения главных двигателей, масляные насосы, вентиляторы ма-
шинного отделения и др.).
Другая часть потребителей также работает постоянно, однако с
переменной нагрузкой (двигатели электрогидравлических рулевых
устройств, освещение, электроотопление и др.).
Значительную группу составляют потребители,- работающие пери-
одически или повторно-кратковременно (гидрофоры, рефрижераторы
провизионных камер, автоматические компрессоры пускового возду-
ха, сепараторы топлива и масла и др.).
Отдельную группу составляют потребители, работающие эпизоди-
чески (кратковременно). Среди них—потребители большой мощности
(пожарные и балластные насосы, компрессоры пускового воздуха и
ДР-)-
По данным исследования режимов работы приемников электроэнер-
гии на теплоходе «Новгород», выполненного ЦНИИМФом, в ходовом
режиме судна более 40 приемников (без учета нагрузок осветительной
сети и камбуза) общей мощностью около 300 кет работают каждый в
сутки менее 12 ч, из них 20 работают менее 3 ч в сутки. Взаимное распо-
ложение графиков этих приемников преимущественно случайное, а
величина нагрузки самая разнообразная.
Суммарная мощность приемников, работающих на ходу судна по-
стоянно с примерно постоянной нагрузкой, на теплоходе «Новгород» —
253. кет.
19
Таким образом, установленная мощность приемников, работающих
постоянно, заметно меньше мощности приемников, работающих 12 ч и
менее.
Аналогичные особенности нагрузки свойственны и судам других
современных серий, широко и разнообразно электрифицированным.
Преимущественно случайное взаимное расположение графиков раз-
нообразных по величине и характеру изменения нагрузок многочислен-
ных потребителей электрической энергии на современном судне приво-
дит к тому, что колебания нагрузки на генераторы, моменты появле-
ния максимумов нагрузки, продолжительность максимумов и их вели-
чина являются случайными. Общая нагрузка на генераторы станции
является случайной функцией времени, а процесс формирования на-
грузки на станцию следует рассматривать как случайный процесс.
Случайному характеру изменения электрической нагрузки на гене-
раторы станции наиболее отвечает вероятностный подход к ее опреде-
лению, позволяющий случайную функцию — нагрузку на станцию
характеризовать стабильными параметрами: математическим ожидани-
ем, среднеквадратическим отклонением (дисперсией) и законом распре-
деления. Зная параметры распределения, искомую нагрузку находят
с заданной достоверностью.
Параметры распределения можно определять при помощи фор-
мул — аналитическим методом или методом статистического моделиро-
вания с применением вычислительных машин.
Метод аналитического определения параметров распределения
нагрузки
Подробное исследование основных свойств суммарной электриче-
ской нагрузки на станцию как случайной функции времени убеждает
в том, что функция (нагрузка) обладает свойствами стационарности,
эргодичности и, следовательно, имеет постоянные, независимые от кон-
кретной реализации, параметры распределения: математическое ожи-
дание (среднее значение случайной величины) и дисперсию (среднее
квадратическое отклонение) — характеристику рассеивания, разбро-
санности значения случайной величины около ее математического ожи-
дания.
Из теорем теории вероятностей о числовых характеристиках функ-
ции следуют простые зависимости, удобные для расчета параметров
распределения нагрузки на станцию [43, №8, 1971].
Математическое ожидание суммарной нагрузки на станцию в рас-
сматриваемом режиме судна определяется из выражения
п
АПЛ=2Лост + 2 АПЛ],
1= 1
где S РПОСт — постоянная составляющая нагрузки (сумма нагрузок
' потребителей, включенных постоянно с примерно
постоянной нагрузкой);
п
SM [PJ — сумма математических ожиданий нагрузки М [PJ
1=1 отдельных потребителей.
20
Дисперсия суммарной нагрузки определяется как сумма диспер-
сий D [PJ нагрузок отдельных потребителей:
п
D[P]=y\ D[Pt].
i=l
Среднее квадратическое отклонение суммарной нагрузки на станцию
определяется из выражения
а = УЩр\.
Среднее квадратическое отклонение имеет размерность случайной
величины, и поэтому оно более наглядно, чем дисперсия, которая имеет
размерность квадрата случайной величины, характеризует рассеи-
вание.
Для каждой из групп судовых потребителей электроэнергии, харак-
теризуемых типовым графиком, параметры распределения нагрузки вы-
числяются по своим формулам.
Если потребитель работает периодически или эпизодически с дис-
кретной постоянной нагрузкой и потребляемая им мощность Pt кет или
О, а число часов его работы в сутки то
М{РД = ^
mi- pf(25476 Z0 и-
Так, например, для сепаратора дизельного топлива на теплоходе «Новго-
род» Pj = 3,6 кет; = 7,2 ч; М [Pi] = 1,08 кет; D [PJ = 2,16 кет2; аг =
= 1,46 кет.
Для всех I приемников теплоход «Новгород» с рассматриваемым графиком
l I
ЁЛ4 [Рг] = 52,8 кет; iD [PJ = 666 кет2.
i=i i=\
Для каждого из потребителей, работающих по дискретному ступен-
чатому графику с уровнями нагрузки на сеть Рх, Р2, ..., Ph и 0, с вре-
менем работы в сутки на каждой ступени соответственно t2, ..., Д
k
и (24 — htf) ч,-
Z=1
MlPy + P^... + P^^-М
Л ^1 + fii ^2 + • • 4~Рд
24
£>[Р1+Рг + -4-Рд]=Г>
г k
1»= 1
4 (24~^1 + (24-^*2 + .+ Pj(24-h)Q
576
Например, полюсопереключаемый двигатель осушительного насоса на теп-
лоходе «Новгород» забирает из сети мощность Рг = 16 кет за время 1г = 1,2 ч
имощностьР2 = 8 кет за время t2 = 2,4 ч в сутки. Тогда М [Р± + Р2] = 1,6квт,
D [Pj -|- Р2] = 16,7 квп?.
k k
Для камбуза теплохода М [SPj] = 7,55 кет, D [SPJ = 68,5 кет2, где
t= 1 «= 1
k — число ступеней нагрузки камбуза.
21
Для потребителей с нагрузкой, равновероятно и непрерывно меня-
ющейся в границах от Р1МИН до /\макс [32],
ЛТгО -D fi мин+Pi макс, пгп . г> i _ (Piмакс — Р/мин)2
iyl I' i мин> г i макс J r i макс! jg
Так, для рулевого устройства теплохода «Новгород» Pi миа = 3 кет,
Pi макс = Ю,5 кет, и тогда М [Р{ мин^г макс) = 6,8 кет, D [Pj минР/макс) =
= 4,7 кет2.
Для освещения теплохода математическое ожидание — 27,5 кет и дис-
персия — 19 кет2.
На теплоходе «Новгород» в ходовом режиме нагрузка, создаваемая постоян-
но включенными потребителями с постоянным графиком работы, S РПост —
- 253 кет.
Завершая рассмотрение аналитического метода на примере расчета
параметров распределения нагрузок на станцию теплохода «Новгород»,
в ходсвом режиме получаем:
математическое ожидание нагрузки на станцию
п
М[Р]=^Рпос.+ ^M[Pi],
i=.l
М [Р] = 253 + 52,8 + 1,6 + 7,55 + 6,8 + 27,5 ж 350 кет,
среднее квадратическое отклонение суммарной нагрузки на
станцию
о=/ЩрГ = /775 х 28 кет.
Анализ закона распределения случайной величины — суммарной
электрической нагрузки на судовую станцию в ходовом режиме —
убеждает в том, что закон близок к нормальному (гауссовскому). В свя-
зи с этим, зная параметры распределения нагрузки (математическое
ожидание и среднее квадратическое отклонение), можно воспользо-
ваться известными зависимостями теории вероятностей для случайной
величины, подчиненной нормальному закону, и найти с достаточной
для практики вероятностью верхнюю границу колебания нагрузки на
станцию [9].
Так, вероятность того, что нагрузка Р <Z М [Р] -И го, где z =
= 1, 2, 3 ..., определяется интегралом
М [Р] + га _ (Р —Л/ [Р])2
р(Р< М [Р] + ZCT) = J— С е 202 dP.
а [/2л J
— оо
Этот интеграл не выражается в известных элементарных функциях,
и для его вычисления обычно пользуются функцией Лапласа [9]
z (Р-М [Р])2
Ф0(г)=—Се 202 dP
2 л J
о
и затем определяют
р (Р < М [Р] + го ) = 0,5 + Фо (г),
причем Фо (1) = 0,341; Фо (2) = 0,477; Фи (3) - 0,499.
22
Можйо утверждать, чТо применительно к Теплоходу «Новгород» с вероят-
ностью р — 0,84 (г = 1) нагрузка на станцию Р будет в границах 378 кет
(М [Р] + о = 378 кет), или с вероятностью р = 0,977 (г = 2) нагрузка
Р < 406 кет (М [Р] + 2а = 406 кет). Это значит, что в рассматриваемом при-
мере практически все возможные значения нагрузки на станцию будут в гра-
ницах 406 кет.
Из эксплуатационных испытаний следует, что 320 < Р,< 380 кет.
Таким образом, определив расчетом математическое ожидание и
среднее квадратическое отклонение нагрузки, можно утверждать, что
в ходовом режиме, равно как и в любом другом режиме с нормальным
законом распределения, нагрузка на судовую станцию практически
не превзойдет М [Р] + 2а, т. е.
Р < М [Р] + 2а. (1.1)
Из изложенного выше следует, что расчет мощности станции мето-
дом аналитического определения параметров распределения нагрузки
нагляден, по характеру операций относительно прост, опирается на
серьезную теоретическую основу и отвечает природе нагрузок на
станцию.
Для выполнения расчетов нужно знать характер графика и время
нагрузки для каждого потребителя, а также мощность потребителя
с учетом коэффициента загрузки каждого приемника.
Неопределенность коэффициентов загрузки и неопределенность вре-
мени работы (вероятности работы) многих приемников создают некото-
рые трудности при расчете мощности станции рассматриваемым мето-
дом. Однако чем больше приемников энергии на судне, тем меньше
влияния на конечный результат имеет погрешность определения коэф-
фициента загрузки и времени работы каждого приемника.
Следует иметь в виду, что нормальный закон распределения на-
грузки на генераторы, положенный в основу рассматриваемого мето-
да, будет выполняться тем строже, чем больше приемников на судне
и чем меньше влияние каждого из них на суммарную нагрузку.
Метод статистического моделирования с применением
вычислительных машин
Из выражения (1.1) следует, что для определения верхней границы
нагрузки на судовую электрическую станцию нужно знать параметры
распределения нагрузки: математическое ожидание и среднее квадра-
тическое отклонение. Параметры можно определять аналитически, как
это было уже рассмотрено, и при помощи статистического моделиро-
вания суммарной нагрузки на цифровой вычислительной машине. Этот
метод называют также методом статистических испытаний, или мето-
дом Монте-Карло.
Известно, что среднее арифметическое (статистически среднее) уста-
новленных'при опыте значений случайной величины М* [Р] при увели-
чении числа опытов (числа реализаций) приближается к математиче-
скому ожиданию М [Р] — в этом содержание одной из форм закона
больших чисел.
23
Цифровые вычислительные машины позволяют за очень короткое
время получить такое множество отдельных результатов суммирования
(множество реализаций)^ при котором статистические средние величи-
ны вполне можно принять за основные характеристики случайного
процесса: М [Р], D [Р], о. Погрешность при такой замене рассчиты-
вается: она тем меньше, чем больше число опытов и чем меньше
среднее квадратическое отклонение (чем меньше дисперсия).
Чтобы понять содержание метода статистических испытаний, обра-
тимся к графику нагрузки потребителя, представленному на рис. 1.5, а.
График, в котором три уровня нагрузки, позволяет найти вероятности
работы потребителя рг, р2, р3 (рг ф- р2 + Рз — 1) соответственно с на-
Рис. 1.5. Характеристики нагрузки:
а—-график нагрузки с тремя уровнями мощности; б — функции распределения графика на-
грузки; в — нормальная интегральная функция распределения; г — функции распределения
нагрузки с равной вероятностью изменения от Рмин до Рмакс
грузками Рг, Р2, Ps и, найдя их, построить функцию (закон) распреде-
ления нагрузки р = f (Р), представленную на рис. 1.5, б. График ха-
рактеризует широкий круг потребителей на судах. Так, при одном из
уровней нагрузки, равном нулю (например, Pi = 0) при 0,
график характеризует работу полюсопереключаемого двигателя к осу-
шительному насосу с двумя уровнями нагрузки и с временем работы
(р2 + Рз) -24 ч в сутки, если 7баз = 24 ч. При Рх = 0, =^= 0 и Р2
= Р3 график характеризует работу судового потребителя с повторно-
кратковременным или кратковременным режимом работы и т.д.
Наряду с рассмотренным распространенным законом распределения
возможны и другие законы. Так, ряд линий, отходящих от шин ГРЩ
станции, питает достаточно многочисленную группу потребителей не-
большой единичной мощности с нерегулярными случайно расположен-
ными графиками нагрузки. Для каждой из таких линий, объединяющей
группу приемников, закон распределения нагрузок близок к нормаль-
ному (рис. 1.5, в).
Групповая работа некоторого числа потребителей в определенное
время суток обусловлена сходными действиями обслуживающего пер-
сонала, как это наблюдается, например, при эксплуатации многочис-
24
ленных электрифицированных механизмов и устройств камбуза. Такую
и аналогичную группы нагрузок с функциональными (жесткими) или
корреляционными (ограниченно свободными) связями между графика-
ми рассматривают как единое целое, имеющее свой общий закон распре-
деления, определяемый на основе изучения общего группового графи-
ка суммарной нагрузки.
Метод статистических испытаний (метод Монте-Карло) основан на
розыгрыше единичного жребия для каждого из потребителей. Органи-
зация жребия состоит в том, что случайная величина х, распределенная
с равномерной плотностью в интервале от 0 до 1, (0 х 1) сравни-
вается с вероятностью события (вероятностью уровня нагрузки) и в ре-
зультате устанавливает, работает ли данный потребитель, и если рабо-
тает, то с какой нагрузкой Рх. Так, для функции распределения,
представленной на рис. 1.5, б, если х < ръ то потребитель работает
с нагрузкой Рх = Рх, если /ъ < х -С /А + р%, то Рх = Р2, если х >
> Pi + Рг, то Рх = Рз- Для функции распределения нагрузки, с рав-
ной вероятностью изменяющейся от Рмин до Дмакс (рис. 1.5, г), что ха-
рактеризует, например, нагрузку на двигатель рулевой электрогид-
равлической машины, Рх = РЫ1П1 + (Вмакс — Вмин) • х и т. д.
Результаты единичного жребия, полученные для каждого потреби-
теля с переменным режимом работы в виде конкретного значения мощ-
ности (Рх), суммируются и прибавляются при моделировании к постоян-
ной составляющей электрической нагрузки на станцию. Постоянная
составляющая нагрузки вычисляется обычным суммированием мощ-
ностей всех потребителей с постоянным графиком нагрузки.
В результате суммирования переменной и постоянной составля-
ющих нагрузки получается одно значение (одна реализация) случайной
величины электрической нагрузки на станцию как случайной функции.
Для того чтобы получаемое при моделировании среднее арифмети-
ческое (статистическое среднее) значение суммы случайных величин
отличалось от математического ожидания не более чем на А кет, нуж-
но иметь число реализаций и, получаемое из выражения [8],
Д2
где D [Р] — дисперсия суммарной нагрузки, кет2.
А — ошибка в определении математического ожидания, кет.
Так, для расчета нагрузки на станцию теплохода «Новгород» мето-
дом статистического моделирования, чтобы ошибка в определении М [PI
не превосходила 1 % (А 3,5 кет), необходимы 252 реализации.
Для современных ЦВМ сотни реализаций по рассматриваемой про-
грамме занимают минуты машинного времени, поэтому вполне возмож-
но выбрать п = 10 000 или более и приблизить, практически без по-
грешности, статистическое среднее к математическому ожиданию,
а статистическую дисперсию — к математической дисперсии. Таковы
превосходные возможности, открываемые современными вычислитель-
ными машинами для расчета мощности станции.
Известно, что для решения любой задачи на ЦВМ необходима про-
грамма, т. е. необходимо свести процесс решения задачи к элементар-
25
ным операциям и задать машине определенную последовательность их
выполнения. Из приведенного рассмотрения следует, что программа
статистического моделирования суммарной электрической нагрузки
должна включать в себя: розыгрыш единичного жребия для каждого
потребителя с переменным режимом работы, сложение результатов
реализаций с постоянной составляющей, подсчет результатов суммиро-
вания через заданный интервал, подсчет статистического среднего зна-
чения, принимаемого за математическое ожидание, и подсчет статисти-
ческой дисперсии, принимаемой за математическую дисперсию.
Перевод программы на машинный язык, например на алгоритми-
ческий язык «Алгол-60» [4], рассматривается в курсе «Вычислитель-
ные машины».
Расчет мощности станции методом статистического моделирования
возможен не только на ЦВМ, но и на вычислительных машинах непре-
рывного действия.
Что касается характеристики метода статистического моделирова-
ния, то он так же, как и аналитический метод, относительно прост, опи-
рается на серьезную теоретическую основу и отвечает природе нагру-
зок на станцию.
Для выполнения расчетов нужно знать характер графика, каждой
нагрузки (закон распределения нагрузки) и ее величину с учетом коэф-
фициента загрузки каждого приемника; в этом некоторая трудность
при расчете мощности станции; нужна, разумеется, программа моде-
лирования.
Заметим также, что распространение метода за границы ходового
режима на любой другой режим работы проектируемого судна возмож-
но лишь при подтверждении нормального (гауссовского) закона рас-
пределения нагрузок в исследуемом режиме, что можно выполнить, ис-
пользуя, например, вероятностный график Хазена [391, для которого
метод статистического моделирования представляет необходимые
данные.
Метод формул корреляционного анализа
Расчет мощности судовой электрической станции методом примене-
ния формул корреляционного анализа разработан ЦНИИМФом и Ле-
нинградским кораблестроительным институтом. Достоинство ме-
тода — в простоте применения его рекомендаций, большая часть кото-
рых основана на обобщении материалов эксплуатации электрических
станций на построенных судах.
Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы.
В ходовом режиме работы судна суточные графики нагрузки станции
весьма стабильны независимо от типа и назначения судна. Суточные
отклонения нагрузки от средней величины невелики (до 15%) и
имеют случайный характер.
Корреляционный анализ обширного статистического материала,
собранного в результате исследования работы станций на современных
сухогрузных и наливных теплоходах с тихоходными дизелями, уста-
новил тесную связь мощности станции с мощностью главных двигате-
26
лей судна. В результате анализа предложена формула регрессии мощ-
ности нагрузки на станцию Р по N — мощности главных двигателей,
прогнозирующая нагрузку с минимальной средней квадратической
ошибкой. Так, например, ожидаемые минимальная Рхл. мин и макси-
мальная Рхл. макс нагрузки летом в кет для грузовых теплоходов:
Рхл. мин = 65 + 0,01752V +>рб,
РХл. макс = 120 + 0,0232V.
Здесь 2V — мощность главных двигателей теплохода, э.л.с.;
РрЪ — дополнительная нагрузка летом в тропиках (для судов
с неограниченным районом плавания), кет;
Р рб = Ррк “Ь РРви Н- РРКОНП’
где Рр1. — суммарная номинальная мощность электрических плит
камбуза (дополнительная нагрузка в любое время года);
Рр вл — суммарная присоединенная мощность бытовых венти-
ляторов, взятая с коэффициентом квл 0,4-н0,8 (при ра-
боте системы кондиционирования воздуха Ррвз1 = 0);
Ррконд —то же системы кондиционирования воздуха, взятая
с коэффициентом /гхл = 0,7.
Так, применительно к теплоходу «Новгород» (2V = 9600 э.л.с.,
Ррк = 45 кет, Р№онд = 42 кет) расчетом получим: Рхз1, МИп = 320 кет,
Рхл. макс = 341 Квт.
В режиме стоянки судна без грузовых операций график нагрузки стан-
ции довольно стабилен, а величина нагрузки, по данным проведенных
испытаний, прямо связана с водоизмещением (дедвейтом) судна D
(для судов с D < 30 000 т).
Предложенные формулы прогноза нагрузки летом имеют вид:
Реп. мин = 43 -Т 0,003D -Т РРь,
Рс-Г. макс = 104 + 0.0066D.
Для теплохода «Новгород» (D = 12 500 т) в режиме стоянки летом
в тропиках по расчету имеем РСТ. Мин = 168 квт; РСТ_ макс = 186 квт.
В режиме стоянки судна с грузовыми операциями график нагрузки
станции имеет резко выраженный пикообразный характер. Нагрузка
на станцию колеблется в значительных пределах, изменяясь от на-
грузки, обычной для станции в режиме стоянки судна без погрузки, до
некоторой периодически повторяющейся максимальной величины, за-
висящей от грузоподъемности лебедок (кранов), рода груза, интенсив-
ности операций и количества лебедок (кранов), находящихся
в работе.
Экспериментальное исследование режимов работы судовых грузо-
вых лебедок и изучение закономерностей взаимного наложения графи-
ков нагрузки отдельных лебедок, выполненное на основе применения
теории вероятностей и математической статистики 144, № 3, 1964], при-
27
Водит к выводу, что для обеспечения работы судовых лебедок необхо-
дима мощность
Л, л = kc V (0,15GH VH) = 0,53 + -1^-) 2 (°- 15GH ^н)>
i \ « / 1
где /?с — коэффициент спроса;
п — количество лебедок (кранов);
Gn — номинальная грузоподъемность лебедки (крана), т\
VH — номинальная скорость подъема лебедкой (краном) полного
груза, м!мин.
Рис. 1.6. График нагрузки электростанции теплохода «Керчь» при маневрах
на рейде порта (цена деления 28,2 (56,4) кет):
1 — уборка шлангов; 2 — перешвартовка; 3 — отшвартовка (работает шпиль); 4 — пере-
швартовка и постановка на оба якоря; 5 — стоянка без грузовых операций
Для обеспечения режима стоянки судна с грузовыми операциями
следует к мощности станции, необходимой в режиме стоянки без по-
грузки, добавить мощность, обеспечивающую работу лебедок.
Для теплохода «Новгород» п = 5, GH = 5 т, VH = 29,4 м/мин,
и тогда Рг, л = 82 кет.
В маневренном режиме (вход в порт и выход судна из порта, пере-
швартовка и т. д.) график нагрузки имеет нерегулярный характер
(рис. 1.6), поскольку он зависит от особенностей выполняемого манев-
ра, а маневры могут быть различными. Однако оказывается, что мак-
симальная величина нагрузки на станцию стабильна для каждого суд-
на и, по данным ЦНИИМФа, необходимая мощность в маневренном ре-
жиме обеспечивается, чаще всего с большим запасом, работой ходовых
и резервного генераторов. Причем резервный генератор обычно при-
28
пято подключать на время маневров для того, чтобы обеспечить макси-
мальную безопасность. Так что нет большой необходимости рассчиты-
вать мощность для этого режима, тем более, что маневренный период
не превышает 1 % годичного времени, и поэтому ориентировать по
нему число и мощность генераторов не следует.
В тех случаях, когда расчет мощности необходимо выполнить и для
этого режима, например, необходимо найти мощность для маневрен-
ного режима летом, то можно воспользоваться формулой
Ли.л = + 0,8 (Рбр + Рк.п),
гДе Р*. л — мощность, обеспечивающая ходовой режим;
Рбр; Р« п — мощности брашпиля и компрессора пускового воздуха.
В аварийном режиме судовая электрическая станция обеспечивает
ход судна и интенсивную работу водоотливных средств и средств туше-
ния пожара. Дополнительная потребность в электроэнергии в этом ре-
жиме может быть покрыта за счет имеющейся резервной мощности ге-
нераторов, а также путем временного отключения потребителей, в нор-
мальных условиях обеспечивающих нужды экипажа, и других вто-
ростепенных установок.
Особенно полезен рассматриваемый метод на начальных стадиях
проектирования электрической системы судна, пока не определены со-
став потребителей и их мощность.
Метод открывает возможность прогнозировать мощность станций
на судах перспективной постройки. Вместе с тем следует заметить, что
метод во многом привязан к составу потребителей исследованных су-
дов. Рекомендации по учету дополнительных потребителей лишены
пока серьезной научной основы.
Экспериментальный материал, собранный ЦНИИ, и выводы, вы-
текающие из обработки материала, интересны, полезны и должны быть
учитываемы при проектировании судовой станции, каким бы методом
расчета ни пользовались.
В заключение рассмотрения нескольких методов расчета мощности
станции следует подчеркнуть, что каждый из методов имеет свои до-
стоинства и недостатки. Вероятностно-статистические методы отвечают
случайной природе нагрузок на станцию — в этом их принципиальное
преимущество перед эмпирическим методом нагрузочных таблиц.
§ 1.7. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ЧИСЛА И МОЩНОСТИ ГЕНЕРАТОРОВ
Правильный выбор числа и мощности генераторов СЭС имеет важное
значение, так как предопределяет экономичность работы станции, ско-
рость расхода общего моторесурса агрегатов СЭС, объем и вес установ-
ки, схему и конструкцию ГРЩ, схему распределения электроэнергии,
объем и характер средств автоматизации, объем профилактических и ре-
монтных работ, трудозатраты на их выполнение и техническое обслужи-
вание (ремонт судна на ходу силами экипажа или на стоянке силами бе-
реговых ремонтных бригад и др.).
При выборе числа и мощности генераторов СЭС руководствуются
следующими технико-экономическими соображениями.
29
1. Мощность выбираемых Генераторов и их число должны обеспе-
чивать наименьшую среднегодовую себестоимость электроэнергии, вы-
рабатываемой станцией [16].
Эксплуатационные расходы К на выработку электроэнергии за один
час при нагрузке Р кет складываются из расходов а, не зависящих от
нагрузки на генераторы (затраты на амортизацию основных фондов —
первичных двигателей, генераторов и др.), и расходов Ь, зависящих от
нагрузки на генераторы (затраты на топливо, смазочные материалы
и пр.), причем Ьж kP, где k — коэффициент, определяемый из нагрузоч-
ной характеристики агрегата.
Таким образом,
К = а + kP.
Тогда себестоимость киловатт-часа s выработанной судовыми агре-
гатами электроэнергии определится как
у=-~+*- (1-2)
Из (1.2) следует, что чем больше Р, т. е. чем больше нагрузка на ге-
нераторы, тем меньше s. Следовательно, генераторы нужно выбирать
так, чтобы в каждом из режимов судна работающие генераторы загру-
жались возможно полнее. Особенно внимательно следует отнестись
к загрузке генераторов в ходовом режиме и режиме стоянки без грузо-
вых операций средствами судна, на которые приходится соответствен-
но около 50 и 40% эксплуатационного времени для сухогрузных и 80
и 15% для наливных судов.
В широко автоматизированных установках обеспечить достаточно
полную загрузку генераторов и, следовательно, их экономичную ра-
боту, а вместе с тем избежать неоправданно частых автоматических из-
менений числа работающих генераторов и, следовательно, неоправдан-
ного расхода моторесурса можно только за счет разумного сочетания
числа и мощности работающих генераторов с числом и мощностью под-
ключенных приемников. Для этой цели должно быть предусмотрено
автоматическое включение и отключение не только генераторов, но
и приемников. Целесообразна постановка отключенных потребителей
в очередь с приоритетом на повторное включение, исходя из технологи-
ческой значимости приемника.
2. При выборе мощности генераторов следует исходить из расчетной
мощности нагрузки на станцию Р, полученной при помощи нагрузоч-
ных таблиц или аналитически, и выбрать по справочным данным пг
генераторов равной мощности РТ’ ном так, чтобы учитывались требова-
ния п. 1 и удовлетворялось наравенство
Р < 0,8пгРг. ном,
где 0,8 — коэффициент, предусматривающий запас мощности в связи
с возможной неравномерностью распределения нагрузок между па-
раллельно работающими генераторами и запас на расширение элект-
рификации судна в процессе его эксплуатации.
3. При выборе числа генераторов следует предусматривать такой
резервный агрегат, мощность которого позволила бы заменить при вы-
30
ходе из строя любой из генераторов станции, обеспечивая наиболее на-
пряженные— ходовой или аварийный режимы. Суммарной мощности
оставшихся источников должно. хватать для запуска самого мощного
электрического двигателя с наибольшим пусковым током.
Наблюдающееся в последнее время стремление устанавливать на
теплоходах три агрегата одинаковой мощности, из которых любой один
может обеспечивать ходовой режим (суда типа «Новгород» и др.), тех-
нически весьма перспективно, так как позволяет, согласно требованиям
Правил Регистра СССР, второй агрегат держать в резерве, а третий аг-
регат ремонтировать или осматривать на ходу судна, что полностью со-
гласуется с современными требованиями по максимальному продле-
нию эксплуатационного периода работы судна. Кроме того, комплекта*
ция станции, обеспечивающая ходовой режим одним из трех генерато*
ров, сокращает среднегодовое время работы каждого агрегата и, сле-
довательно, годовой расход суммарного моторесурса станции, что уве-
личивает календарные сроки проведения профилактических осмотров
и ремонтов, уменьшает годовые трудозатраты на эти работы.
При большей мощности устанавливаемых агрегатов увеличиваются
первоначальные затраты на электростанцию, однако, по данным
ЦНИИМФа, первоначальные затраты для разных вариантов комплек-
тации не превышают 11—13% совокупных затрат на СЭС и поэтому не
могут иметь решающего значения при выборе варианта комплектации.
На грузовых теплоходах современных типов чаще всего устанавли-
вается три генераторных агрегата, из которых один или два резервные.
На судах с паротурбинными установками преобладают станции
с двумя турбоагрегатами одинаковой мощности, один из которых ре-
зервный, и одним стояночным дизель-генератором.
По данным ЛЦПКБ, комплектация СЭС четырьмя-пятью агрегата-
ми оправдана только для судов со специфическим режимом работы
(рефрижераторы, ледоколы, крупные пассажирские суда и др.), так
как при большом числе агрегатов увеличивается объем профилакти-
ческих и ремонтных работ, выполняемых силами экипажа судна, ус-
ложняются схема и конструкция ГРЩ.
4. При выборе числа и мощности генераторов надо стремиться к
установке агрегатов, равных по мощности и одинаковых по конструк-
ции, что облегчает эксплуатацию станции, позволяет выравнять расход
моторесурсов каждым агрегатом, унифицирует потребность в запасных
частях и повышает устойчивость параллельной работы генераторов.
5. Для уменьшения себестоимости вырабатываемой электроэнергии
и существенного улучшения работы дизелей, для которых длительная
работа с малыми нагрузками вредна, следует устанавливать стояноч-
ные дизель-генераторы.
На теплоходах современных серий дедвейтом до 12 500 m, по данным
ЛВИМУ, средняя нагрузка на станцию при стоянках в портах СССР
без грузовых операций не превосходит 100—150 кет. Если на судне
мощность каждого из устанавливаемых рабочих генераторов 250—
500 кет или более, то достаточно загрузить генераторы на стоянке не-
возможно. В связи с этим на судах иногда устанавливают стояночные
генераторы небольшой мощности, однако достаточной для пуска мощ-
31
ных потребителей, необходимых при перешвартовке судна, для приема
снабжения с берега и др.
Электроснабжение судов с берега в режиме стоянки, широко прак-
тикуемое в последнее время в портах СССР, во многих случаях позво-
ляет отказаться от установки стояночного генератора.
6. Для сопоставления различных вариантов комплектации стан-
ции удобно воспользоваться графиком годовых эксплуатационных рас-
ходов (рис. 1.7). Площадь, ограниченная функцией К = f (О в постоян-
ном масштабе, характеризует
среднегодовую себестоимость
электроэнергии на проекти-
руемом судне.
На графике мощность Р в
каждом из режимов судна оп-
ределяется при расчете на-
грузки на станцию. Время
каждого режима выбирается
из статистических данных для
судов аналогичного назначе-
ния. Экономическая характе-
ристика (К — sP а + kP)
рассчитывается для каждого
Рис. 1.7. Пример построения графика го-
довых эксплуатационных расходов:
/ — годовой график нагрузки по продолжитель-
ности; 2 — экономическая характеристика при
двух рабочих генераторах; 3 — график годовых
эксплуатационных расходов; /м; G; /г; /б.г — со-
ответственно время маневренного, ходового ре-
жимов н время стоянки с грузовыми и без гру-
зовых операций
из рассматриваемых вариан-
тов, следовательно, характе-
ристик должно быть столько,
сколько рассматривается ва-
риантов комплектации. Наи-
более экономичному опти-
мальному варианту соответст-
вует график годовых расходов
с минимальной площадью. Подчеркнем, что выбирая варианты комп-
лектации электростанции, следует рассмотреть и сопоставить не толь-
ко варианты установки на судне разного количества генераторов, но
и варианты установки различных источников электроэнергии, в част-
ности необходимо рассмотреть экономическую эффективность уста-
новки валогенераторов и утилизационных турбогенераторов для элек-
троснабжения потребителей в ходовом режиме.
В заключение обратим внимание на то, что генераторы переменного
тока выбирают по активной мощности Р; однако если средневзвешен-
ный коэффициент мощности нагрузки оказывается ниже номинального
коэффициента мощности выбираемого генератора, то выбор генерато-
ров производят по полной мощности нагрузки S
§ 1.8. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ
НА СУДАХ
к генераторным агрегатам, устанавливаемым на судах морского
флота, Правилами Регистра СССР предъявляется ряд требований. Элек-
трические генераторы должны применяться с влагостойкой и масло-
32
стойкой изоляцией в исполнениях с разомкнутым циклом вентиляции.
В ряде случаев применяются машины с замкнутым циклом вентиляции
с воздухоохладителями. Генераторы, устанавливаемые в машинных от-
делениях, рассчитаны, при неограниченных районах плавания судна, на
температуру окружающей среды от +45 до —10° С и на температуру за-
бортной воды +30° С.
Генераторы переменного тока. Каждый генератор должен иметь от-
дельную, независимую систему для автоматического регулирования
напряжения. Агрегаты переменного тока должны иметь системы регу-
лирования напряжения, подобранные к регулировочным характеристи-
кам приводных двигателей таким образом, чтобы при изменениях на-
грузки от холостого хода до номинальной, при номинальном коэффи-
циенте мощности, поддерживалось номинальное напряжение с точ-
ностью до ±2,5% (аварийные генераторы до ±3,5%).
Для основных генераторов допускается поддержание постоянства
напряжения в пределах ±3,5% номинального при коэффициенте мощ-
ности от 0,6 до 0,9, исключая номинальный. Рекомендуется однако,
чтобы регулирование напряжения генератора и в этом случае под-
держивалось в пределах ± 2,5% номинального. Указанное требование
относится к случаю работы агрегата при номинальной скорости вра-
щения и номинальной нагрузке.
Генераторы переменного тока должны обладать достаточным резер-
вом возбуждения для поддержания в течение 2 мин номинального на-
пряжения с точностью 10% при перегрузке генератора током, равным
150% номинального, и коэффициенте мощности, равном 0,6.
Внезапное изменение симметричной нагрузки генератора, работаю-
щего при номинальной частоте вращения и номинальном напряжении
при имеющихся токе и коэффициенте мощности, не должно вызывать
снижения номинального напряжения ниже 85% и повышения выше
120%. После этого напряжение генератора должно не более 1,5 сек вос-
станавливаться в пределах ± 3% номинального напряжения. Для
аварийных агрегатов эти значения могут быть увеличены по времени
до 5 сек и по напряжению до ± 4% номинального.
На судах старой постройки применяются генераторы переменного
тока с машинными возбудителями и автоматическими регуляторами на-
пряжения.
Последние годы на судах применяются синхронные генераторы с са-
мовозбуждением и прямым компаундированием, значительно более на-
дежные, удобные в эксплуатации, имеющие высокое быстродействие
в переходных режимах, связанных с внезапным изменением нагрузки
и короткими замыканиями.
Для судовых электроэнергетических установок отечественная про-
мышленность выпускает синхронные генераторы серий МС с машинны-
ми возбудителями, а также генераторы с самовозбуждением и прямым
компаундированием серий МСК и МСС. Генераторы МСКи МСС имеют
меньшие веса и габариты на единицу мощности при одинаковых ско-
ростях вращения по сравнению с генераторами МС; большее быстро-
действие благодаря применению систем самовозбуждения и прямого
компаундирования, высокую надежность и простоту обслуживания.
2 Зак. 347 33
Охлаждение этих машин выполнено по замкнутому циклу с воздухо-
охладителем. Основные технические данные судовых синхронных ге-
нераторов приведены в приложении (табл. 8,9).
Г н'р ггоры постоянного тока. На судах применяются генераторы
постоянного тока со смешанным, компаундным возбуждением в целях
обеспечения постоянства напряжения. Генераторы с параллельным
и независимым возбуждением применяются только с автоматическими
регуляторами напряжения и при зарядке аккумуляторных батарей.
В настоящее время на судах находят применение генераторы се-
рии П мощностью до 190 кет при 1450—2850 об1мин. Машины первого—
третьего габаритов этой серии имеют изоляцию класса А, для их обмо-
ток применены эмалированные провода. Машины выше третьего
габарита имеют теплостойкую стеклослюдяную изоляцию классов
В и ВС.
Номинальное напряжение генераторов 115 и 230 в. Для зарядки
аккумуляторных батарей и для других целей в серии П предус-
мотрено исполнение генераторов с регулированием в пределах 110—160
и 223—320в. Номинальные напряжения таких генераторов 135и270в.
В пределах от номинального до максимального напряжения мощ-
ность генераторов сохраняется постоянной.
§ 1.9. ПАРАМЕТРЫ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Род тока
В начале развития судовой электроэнергетики на судах применялся
постоянный ток. Однако опыт эксплуатации отечественных и зарубеж-
ных электроэнергетических систем показал преимущества применения
для них переменного тока. Особенно существенными преимущества ста-
ли при тех больших мощностях электроэнергетических систем, кото-
рые достигнуты в последние годы. К числу основных преимуществ судо-
вых электроэнергетических установок переменного тока следует отнести
значительно большую надежность электрических машин переменного
тока, синхронных генераторов и асинхронных электродвигателей (осо-
бенно короткозамкнутых). Надежность электрических машин позволяет
применять в судовых установках переменного тока большие напряже-
ния по сравнению с установками постоянного тока, в которых величина
напряжения практически ограничена 220 в. Повышение напряжения
судовых сетей приводит к снижению веса кабелей и проводов, состав-
ляющих значительную долю веса электрооборудования современных
больших судов. Машины переменного тока, кроме того, требуют зна-
чительно меньшего ухода, легче по весу, имеют меньшие габариты по
сравнению с машинами постоянного тока. Стоимость их также ниже
стоимости машин постоянного тока.
Недостаток асинхронных ’'электродвигателей’— худшие регулиро-
вочные свойства по сравнению с машинами постоянного тока. Однако
большинство судовых электроприводов работают при постоянной ско-
рости вращения. В тех случаях, когда требуется регулирование ско-
рости вращения, могут быть применены двух-, трехскоростные коротко-
34
замкнутые асинхронные электродвигатели либо, наконец, двигатели
постоянного тока с питанием от сети переменного тока через управляе-
мые вентили.
Как известно, релейно-контакторная аппаратура управления элект-
роприводами на переменном токе по ряду своих показателей уступает
релейно-контакторной аппаратуре управления постоянного тока. Реле
и контакторы постоянного тока имеют больший срок службы и более
устойчивые характеристики. Однако эти недостатки аппаратов пере-
менного тока относительно мало сказываются на оценке электрообору-
дования переменного тока. Причиной этому служит то обстоятельство,
что подавляющее большинство судовых электроприводов переменного
тока имеет простейшую пусковую аппаратуру, предназначенную для
прямого пуска в ход нерегулируемого короткозамкнутого электродви-
гателя, — магнитный пускатель и кнопочный пост управления. По-
этому количество аппаратов переменного тока оказывается значительно
меньшим, чем в установках постоянного тока. В весовом отношении ап-
паратура контакторного управления переменного тока имеет преиму-
щества по сравнению с аппаратурой постоянного тока. Остальное обо-
рудование — пакетные выключатели, рубильники, предохранители
и др., при применении их в цепях переменного тока, также имеют не-
сколько меньший вес на единицу пропускаемой мощности, чем в цепях
постоянного тока.
Конструкции автоматических воздушных выключателей, применяе-
мых на судах для защиты судовых электроэнергетических установок
переменного и постоянного тока и их элементов, не различаются су-
щественно между собой. Более легкие условия гашения электрической
дуги позволяют применять автоматические воздушные выключатели
в цепях переменного тока при больших напряжениях, чем при по-
стоянном токе.
С точки зрения надежности кабельные сети постоянного и перемен-
ного тока приблизительно равноценны. В весовом отношении, при оди-
наковом напряжении для случая одиночной прокладки кабелей и про-
водов (при коэффициенте мощности в установке переменного тока cos <р—
= 0,8), при применении кабелей малых сечений преимущества оказы-
ваются на стороне переменного тока, а при средних и больших сече-
ниях —- на стороне постоянного тока. При увеличении напряжения пе-
ременного тока преимущества оказываются на стороне переменного
тока на всем диапазоне сечения кабелей.
Величины напряжения
В настоящее время в судовых электроэнергетических установках
постоянного тока по Правилам Регистра СССР применяются напряже-
ния 220, 24 и 12 в и соответственно на зажимах источников тока 230,
28 и 14 в.
В установках переменного тока применяются напряжения 380, 220,
42, 24 и 12 в и соответственно на зажимах источников тока 400, 230,
48, 28 и 14 в. Правилами Регистра Союза ССР рекомендуется применять
напряжения той или иной величины в зависимости от типа установок.
2* 35
Для электрических судовых устройств, не имеющих непосредствен
ной связи с судовой сетью, возможно применение и других нестандарт-
ных напряжений.
При выборе величины напряжения для судовых электроэнергети-
ческих установок приходится учитывать два прямо противоположных
фактора: вес электрического оборудования и его габариты, с одной сто-
роны, и надежность действия и безопасность обслуживания — с дру-
гой. Сточки зрения уменьшения габаритов и весов кабелей, проводов,
аппаратов защиты, коммутационных аппаратов, контакторов, распре-
делительных устройств целесообразно в судовых установках приме-
нять более высокие напряжения для силовых и осветительных сетей.
С точки зрения повышения надежности действия и безопасности обслу-
живания электрического оборудования судов целесообразно приме-
нять более низкие напряжения. Влияние величины напряжения на ве-
са и габариты электрического оборудования сказывается различно в за-
висимости от характера оборудования.
Веса и габариты электрических машин для переменного тока от
величины напряжения практически не зависят (в пределах величин
напряжения, применяемых на судах).
Веса и габариты электрических аппаратов. Уменьшение величины
номинального тока при повышении напряжения приводит к уменьше-
нию сечения токоведущих элементов аппаратов. Это обстоятельство
оказывает весьма существенное влияние на веса таких аппаратов, как
контакторы, предохранители, рубильники, автоматические выключа-
тели. Их веса и габариты на единицу пропускаемой мощности изменяют-
ся приблизительно обратно пропорционально напряжению сети. Ес-
тественно, что в аппаратах, у которых при повышении номинального на-
пряжения приходится для облегчения гашения дуги снижать величину
номинального тока, так же как и в аппаратах, у которых дугогаситель-
ное устройство различно при различных напряжениях и расстояние
между токоведущими элементами выбрано с учетом величины номиналь-
ных напряжений, имеют меньшее влияние величины напряжения.
Соотношения весов кабелей, приходящихся на один киловатт пе-
редаваемой мощности для одного и того же сечения кабеля, обратно \
пропорциональны напряжению (при выборе сечения кабеля по допус-
каемой плотности тока), так как кабели, независимо от величины на-
пряжения, рассчитываются на один и тот же ток нагрузки в пределах
применяемых на судах напряжений.
Все сказанное свидетельствует о целесообразности повышения на-
пряжения судовой сети с точки зрения весовых показателей. Учитывая,
однако, требования надежности действия установок и безопасность
обслуживания на судах малого водоизмещения с малыми длинами ка-
белей и малыми мощностями электроэнергетических установок, сле-
дует применять меньшие величины напряжения. На судах же большого
водоизмещения с мощными электроэнергетическими установками
и большим протяжением кабельных сетей по весовым и габаритным
соображениям следует применять большие напряжения.
Для сетей освещения величина напряжения играет существенную
роль. При применении переменного тока появляется возможность сеть
36
освещения питать от тех же генераторов, что и силовую, но через осве-
тительные трансформаторы, величину вторичного напряжения кото-
рых в таком случае оказывается возможным выбирать.
С точки зрения источников света для целей освещения целесообраз-
но применять низкое напряжение. Лампы накаливания низкого напря-
жения имеют большую световую отдачу и большую механическую
прочность. Однако при применении низкого напряжения увеличивается
сечение кабелей и величина относительного падения напряжения в них.
Большие сечения кабелей и значительные напряжения усложняют
проектирование и монтаж установки. В конечном счете большие паде-
ния напряжения приводят к неизбежному снижению световой отдачи
ламп накаливания, удаленных от точки питания световых источников.
Увеличение же напряжения на зажимах ламп выше номинальной вели-
чины приводит к их быстрому износу; в связи с этим низкое напряжение
в судовых установках для целей освещения (исключая малые суда)
применяются редко.
Как уже было сказано выше, в настоящее время на судах для сило-
вых электроэнергетических систем принято напряжение переменного
тока не более 380 в
Непрерывный рост установленной мощности судовых электроэнер-
гетических систем весьма остро выдвигает задачу перехода на более вы-
сокое напряжение. Надо ожидать, что в ближайшее время в мощных
судовых электроэнергетических системах наряду с существующи-
ми напряжениями появятся более высокие, вплоть до нескольких
киловольт.
Частота переменного тока
Основной частотой переменного тока на судах отечественного фло-
та, как и в промышленных установках, принята частота 50 гц. Приме-
нение одной частоты в промышленных и судовых установках упрощает
задачу электрификации судов, так как позволяет применять на них
стандартное электрическое оборудование. Однако за последние годы
в СССР и за рубежом на судах начали применять повышенную частоту—
400—500 гц. Увеличение частоты переменного тока позволяет сущест-
венно снизить веса и габариты электрических генераторов, электричес-
ких двигателей, трансформаторов, магнитных усилителей, конденса-
торов.
Генераторные агрегаты. Снижение весов и габаритов генераторов
повышенной частоты получается лишь тогда, когда с повышением час-
тоты увеличивается скорость их вращения. При сохранении скорости
вращения веса и габариты машин не изменяются и даже несколько уве-
личиваются с увеличением частоты.
Как видно из табл. 1.2, снижение веса у быстроходных генераторов
на 400 пер/сек по сравнению с аналогичными генераторами с меньшей
частотой вращения на 60 пер1сек в 3,4—3,7 раза. Увеличение частоты
и скорости вращения генераторов приводит к возможности уменьшить
или вовсе отказаться от применения редукторов между быстроходными
паровыми и газовыми турбинами и синхронными генераторами.
37
Таблица 1.2
Весовые и габаритные показатели синхронных генераторов
фирмы «Вестингауз» на 60 и 400 пер!сек
Наименование Мощность, квт. Частота враще- ния, об/мин Г абариты, мм Вес Мощность, квт Частота врще- ния, об/мин Габариты, мм Вес
длина высота общий, кг удельный, кг/квт длина высота общий, кг удельный, кг/ квт
Турбогенератор . . 600 1200 1480 940 3315 5,5 600 12 000 680 440 945 1,6
Дизель-генератор . 250 1600 820 710 1850 7,4 250 6 000 470 410 510 2
Электродвигатели. Повышение частоты и, соответственно, частоты
вращения короткозамкнутых асинхронных электродвигателей также
приводит к снижению их весов и габаритов. Для иллюстрации этого на
^аргс(.,10()0б,
вООбрЕ/мцА
•ffiOO ов/мцА
? с 39Ь „
|[23/]
Рис. 1.8. Габаритные размеры
короткозамкнутых асинхрон-
ных электродвигателей мощ-
ностью 2,2; 11 и 22 квт на
60 пер! сек, 3600 об/мин и
400 пер/сек, 800 об/мин
рис. 1.8 приведены габаритные размеры
трех электродвигателей, а в табл. 1.3
даны весовые показатели короткозамк-
нутых асинхронных электродвигателей
на 60 и 400 пер!сек, 3600 и 8000 об/мин.
В табл. 1.4 приведены весовые показате-
ли насосных агрегатов на 50 и 400 пер/сек
и, соответственно, различных скоростей
вращения.
Таким образом, для снижения веса
электрических машин необходимо повы-
Т аблица 1.3
Весовые показатели короткозамкнутых
асинхронных электродвигателей
Мощность, квт Вес, кг
60 пер/сек, 3600 об/мин 4 00 пер/сек, 8000 об/мин
7,5 79,5 18,3
15 145 29
шение частоты судовой сети. Естественно, что существенного сниже-
ния весов и габаритов установки в целом можно добиться в том слу-
чае, если одновременно с увеличением скорости электродвигателей
увеличивается скорость судовых механизмов — насосов, вентиляторов
и др. В противном случае введение редукторов между быстроходными
электродвигателями и тихоходными механизмами снижает преимущест-
ва применения в судовых электроэнергетических установках повышен-
ной частоты. Однако даже применение быстроходных электродвигате-
лей с редукторами и тихоходных механизмов в ряде случаев может дать
38
Весовые показатели насосных агрегатов
Характеристики насоса с приводом от электродвигателя 400 гц гм 'Eipjadje эад CT> 07 CT> ю to co Ю— OtQtOOcDOO OCOCMCDCOlOlOr-O
гм ‘вэоэен эад io io Ю CM CM CM ЮООЮЮСОСОООО со СМ СМ СО со см СМ СМ тГ1
тем ‘BiraJ-BJ -H8(tfO(IrM9If€ qlOOHhlOW Ю Ю —' ю CMOiOCMtOOiOlO СО —> О ОД "Г СО со ОД с
тем ‘Хиве ен qLOOHhiow 4,32 4 36 1.04 СО LO 00 СО со Xf ю —« о ЮООГ-СОСОСОГ-ОО
W ‘БИНЕШЧЭ -в os viooisg CO CO CO — Th 000000'—'ЮОЭОЮЮ —1—< г-< ^-4
•Htiwloo ‘ВИИЭЙ1 -Eds BXOlOBfj ООО од ОД ОД in Ю Ю ооооооооо ооооооооо ООЬЬЬОДОДСООДОД Ю Ь N N LO LT ю Ю ю
ларактерастики наиииа и привидим от электродвигателя 50 гц гм ‘елелайле oag Q0 О to Ю 00 oc CM CM — Ю О Ш 1 ю о о о — 07 — 1 СО — to см Ю см —' —- см
гм ‘вэоэви oag 62,5 92 120 О to to 1 to о о см СО —' со 1 — СМ со to см
тем ‘BiraieJ -Hstfodiyiaife Ч1ЭОН1ПОДО 5,8 6,7 2 9R со см ю со 00 — см 1 со 1 см
тем ‘Kirva bh qiooHhioyj 4,5 6,7 2 28 07 см СО Г-^СМСО^СОЮоОО см —
Iff ‘БИНЕЕ1ЧЭ -BOS ВЛОО1Ч0 6 ( 3,5 3 5 О0 ю to ю ю — lo со -е- м- м — —< —1
wnwlgo 'EMHahi •вон Bioioefo ООО Г- О о О О ОС со с\ 2900 1425 2900 2900 2200 2870 2900 2900 2900
ШЭ ’ Q09 W ‘йОИЕЦ со о ю СО L0 С\ О СО О О to io ю ю ОД со ю —' — —' —*
»,/е!Г ‘ 4xooH4ifaiHVog£Hodij 16,5 20 0 СО О ОСОСООООООО Ю Tf1 Ю О Ю)
Насос Масляный Пожарный Санитарный . . Пожарный Маслоперекачивающий . . Санитарный Масляный Маслоперекачивающий . , Водоотливной переносный . . Водоотливной погружной . . . То же . »
39
преимущество в отношении весов и габаритов. Последнее иллюстрирует-
ся рис. 1.9, на котором приведены габариты двух электродвигателей
одинаковой мощности — один на 3000 об/мин, второй на
8000/3000 об/мин с редуктором.
Трансформаторы. Наконец, на рис. 1.10 приведены графики, харак-
теризующие весовые показатели силовых трансформаторов на 50
и 400 пер/сек. Как видно из этих графиков, весовые преимущества
трансформаторов при повышенной ча-
стоте весьма существенны.
Электрические кабели. Повышение
частоты отрицательно сказывается на
весовых и габаритных показателях
электрических кабелей, так как уве-
личение частоты вызывает увеличение
потерь и сопротивлений кабелей. По-
следнее особенно существенно для ка-
Рис. 1.10. Весовые пока-
затели трансформаторов
на 50 и 400 пер/сек
‘/ООпер/сек
317
Рис. 1.9. Габариты короткозамкнутых асин-
хронных электродвигателей одинаковой
мощности на 50 и 400 пер/сек с редуктором
белей больших сечений. В связи с этим при применении повышенной
частоты часто оказывается целесообразным вместо выбора кабеля боль-
шого сечения переходить на несколько соединенных параллельно ка-
белей меньшего сечения.
Из сказанного следует, что повышенная частота дает весовые и га-
баритные преимущества в тех случаях, когда возможно применение
быстроходных агрегатов и когда вес кабелей не является основным.
В судовых установках электрооборудование повышенной частоты
находит применение на судах малого водоизмещения и на судах с но-
выми принципами движения: суда на подводных крыльях, суда на воз-
душной подушке, экранопланах, на которых снижение веса электро-
оборудования является крайне необходимым.
ГЛАВА 2
Автоматическое поддержание
постоянства напряжения и частоты
судовых генераторов
§ 2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ
Генераторы постоянного тока и синхронные генераторы без стаби-
лизирующих устройств — компаундных обмоток, автоматических регу-
ляторов напряжения (АРН) и компаундирующих устройств могут при-
меняться при наличии ручных регуляторов возбуждения лишь в уста-
новках с постоянной или медленно изменяющейся нагрузкой, когда
возможна ручная подрегулировка напряжения. В судовых условиях
такая нагрузка встречается редко. Чаще нагрузка судовых генераторов
не остается постоянной, а изменяется на значительную величину в те-
чение коротких промежутков времени.
При таких графиках нагрузки применение ручного регулирования
возбуждения генераторов в целях стабилизации напряжения оказы-
вается невозможным, так как это привело бы к значительным измене-
ниям напряжения на зажимах генераторов и на шинах судовой элек-
трической станции.
В последние годы на судах стали находить применение валогенера-
торы, сочлененные с главными двигателями. В ряде случаев это оказы-
вается весьма целесообразным, так как позволяет на ходу судна отка-
заться от работы турбо- или дизель-генераторов и тем самым сохранить
их моторесурс, упростить и удешевить эксплуатацию судна. При изме-
нении скорости хода судна, естественно, изменяется частота вращения
главных машин и сочлененных с ними валогенераторов. При изменении
частоты вращения генераторов изменяется и их напряжение. В уста-
новках подобного типа ручное регулирование возбуждения генераторов
также не может быть применено.
Задача обеспечения СЭС стабилизированным напряжением источ-
ников электрической энергии приводит к необходимости использовать
в судовых установках системы автоматического регулирования напря-
жения генераторов как постоянного, так и переменного тока, чтобы
напряжение при различных нагрузках поддерживать в заданных пре-
делах.
Систему автоматического регулирования напряжения для судовых
генераторов выбирают в зависимости от тех требований, которые
предъявляются к электроэнергетической установке с учетом условий
эксплуатации.
Эти требования могут быть выполнены, если система регули-
41
рования, помимо устойчивости, удовлетворяет также определен-
ным качественным показателям. Основными из них являются:
статическая ошибка, определяемая разностью напряжений при хо-
лостом ходе и номинальной нагрузке генератора в установившемся ре-
жиме; •
быстродействие системы, характеризуемое скоростью нарастания
напряжения возбуждения генератора и определяющее величину макси-
мального отклонения напряжения и время первого восстановления но-
минального значения его при набросах нагрузки;
время затухания переходного процесса;
характер протекания переходного процесса (колебательный апе-
риодический);
способность пропорционального распределения нагрузок между па-
раллельно работающими генераторами, зависящая от зоны нечувстви-
тельности регулятора, статизма и степени согласования характеристик
первичных двигателей. ,
Кроме качественных показателей, при выборе системы регулирова-
ния учитывают: надежность действия системы; срок службы отдельных
узлов и деталей; простоту и удобство обслуживания; время, необхо-
димое для приведения системы в рабочее состояние; вес и габариты;
стоимость.
Таким образом, системы автоматического регулирования напряже-
ния генераторов должны удовлетворять многим, иногда противоречи-
вым, требованиям.
При разработке и расчете систем в каждом случае следует исходить
из конкретных условий работы генератора, а также режимов его на-
грузки и отдавать предпочтение какой-либо определенной части требо-
ваний к системам, другую же часть требований рассматривать как вто-
ростепенную.
Известен ряд систем автоматического регулирования напряжения
генераторов. К числу их относятся системы:
с вибрационными регуляторами;
с электромашинными усилителями с поперечным и с продольным
полем;
с магнитными усилителями;
с полупроводниковыми приборами;
с электронным регулятором;
компаундирования;
компаундирования с корректором напряжения.
Указанные системы по принципу регулирования можно разделить
на три группы:
1) системы с регулированием по отклонению напряжения генера-
тора;
2) системы с регулированием по возмущению;
3) системы с комбинированным регулированием — по отклонению
напряжения и по возмущению.
Регулирование напряжения синхронных генераторов (СГ) по от-
клонению в настоящее время вытесняется регулированием по возму-
щению, которое выполняет основную функцию в системе регулирова-
42
ния; воздействию по отклонению, если оно применяется, отводится вспо-
могательная роль. Использование регулирования по возмущению
улучшает динамические характеристики, уменьшает габариты и повы-
шает надежность системы.
В качестве систем с регулированием по возмущению получили рас-
пространение системы компаундирования током нагрузки.
В системах регулирования валогенераторов компаундирование про-
водится еще по частоте вращения, так как изменение ее является также
возмущающим фактором, действующим на систему.
В системе регулирования напряжения СГ компаундирование может
быть токовым и фазовым. Фазовое компаундирование позволяет осу-
ществлять регулирование по двум основным возмущающим воздейст-
виям: по модулю тока и по его фазовому углу относительно напряже-
ния, что показывает несомненное преимущество фазового компаунди-
рования перед токовым.
Однако на систему, кроме основных возмущений, влияет ряд вто-
ростепенных факторов, например: изменение температуры окружаю-
щей среды; изменение с течением времени параметров отдельных эле-
ментов системы.
К этому необходимо добавить также такие важные факторы, как
нелинейность статических характеристик отдельных элементов си-
стем, неидентичность характеристик однотипных машин и других эле-
ментов в системе, возможная неточность настройки системы и др.
Естественно, что связь по основному возмущению не будет реаги-
ровать на эти факторы и в системе возникнут значительные отклонения
напряжения. Так, система с фазовым компаундированием СГ, которая
будет рассмотрена ниже, при благоприятных условиях дает погреш-
ность в пределах +34-5%, что при современных требованиях часто
недопустимо.
Для повышения точности регулирования система должна содержать,
помимо связи по основному возмущению, связь, способную устранить
влияние всех второстепенных воздействий. Для этого можно исполь-
зовать обратную связь по отклонению напряжения генератора в виде
корректора напряжения.
Таким образом, наиболее полно поставленные требования удовлет-
воряются комбинированной системой регулирования, носящей назва-
ние системы компаундирования с корректором напряжения.
В установках постоянного тока в целях стабилизации напряжения
широкое применение нашло компаундирование машин. Этот способ ста-
билизации напряжения машин постоянного тока является наиболее
простым и вместе с тем, в большинстве случаев практики, удовлетво-
ряет требованиям в отношении качества. Однако в тех случаях, когда
к регулированию напряжения в установках постоянного тока предъяв-
ляются повышенные требования или когда частота вращения генерато-
тора изменяется в значительных пределах, оказывается необходимым
применение автоматических регуляторов напряжения.
Рассмотрим некоторые из систем автоматической стабилизации на-
пряжения СГ.
43
§ 2.2. СИСТЕМЫ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ И ПРЯМОГО КОМПАУНДИРОВА-
НИЯ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
Рис. 2.1. Принципиальная схема са-
мовозбуждения и токового компаун-
дирования СГ
Самовозбуждение и компаундирование СГ принципиально не отли-
чаются от самовозбуждения и компаундирования генераторов постоян-
ного тока. При питании цепей возбуждения СГ задача усложняется
необходимостью преобразования переменного тока статора в постоян-
ный ток, необходимый для цепи ротора. Поэтому развитие систем са-
мовозбуждения и прямого компаундирования СГ оказалось возможным
лишь после создания простых, надежных, обладающих высоким коэф-
фициентам полезного действия по-
лупроводниковых выпрямителей.
У машин постоянного тока за-
дача компаундирования упрощает-
ся тем, что при неизменной частоте
вращения каждому току нагрузки
соответствует одно по величине па-
дение напряжения из-за реакции
якоря и сопротивления цепи якоря.
У СГ при неизменной частоте вра-
щения каждому току нагрузки мо-
гут соответствовать различные ве-
личины падения напряжения, так
как последние зависят не только
от величины тока нагрузки, но и от
величины коэффициента мощности
ее. У синхронных генераторов последовательно с обмоткой ротора
включаются полупроводниковые выпрямители, иногда трансформато-
ры, дроссели и др. Благодаря этому у СГ сопротивление цепи ротора
оказывается больше сопротивления обмотки возбуждения. Поэтому
процесс начального возбуждения СГ требует соблюдения ряда усло-
вий либо применения специальных устройств, обеспечивающих воз-
можность самовозбуждения (реле, возбудители для начального воз-
буждения и др.).
В настоящее время в СССР и за рубежом создано большое количест-
во разнообразных схем, успешно решающих задачу самовозбуждения
и прямого компаундирования СГ. Описанные ниже некоторые систе-
мы самовозбуждения и прямого компаундирования могут быть
разбиты на две основные группы: системы токового компаунди-
рования, реагирующие лишь на величину тока нагрузки и неучиД
тывающие ее коэффициента мощности, и системы фазового компаун-
дирования, реагирующие как на величину тока нагрузки, так и на угол
сдвига его относительно напряжения.
В системах токового компаундирования сложен ire двух составляю-
щих тока возбуждения генератора — от напряжения и от тока нагруз-
ки — осуществляется на стороне постоянного тока. Примером такой
системы может служить схема рис. 2.1. Как видно из этого рисунка,
обмотка возбуждения СГ получает питание от двух параллельно сое-
диненных полупроводниковых выпрямителей Вп1 и Вп2. Выпрямитель
44
Bnl, соединенный по трехфазной схеме, получает питание от вторичной
обмотки трансформатора напряжения Тр1, первичная обмотка которо-
го включена параллельно зажимам синхронного генератора’и обеспе-
чивает необходимый ток возбуждения при работе генератора вхолостую
с номинальным возбуждением. Выпрямитель Вп2, также соединенный
по трехфазной схеме, получает питание от вторичной обмотки трансфор-
матора тока Трп2 и компаундирует генератор своим током. Напряжение
на кольцах и ток ротора, таким образом, в схеме рис. 2.1 зависятют то-
ка нагрузки генератора, но не зависят от коэффициента мощности на^.
грузки.
Известно, что регулировочные характеристики синхронных машин
при разных значениях коэффициента мощности нагрузки представляют-
Рис. 2.2. Характеристики С Г при токовом компаундировании:
а регулировочные; б — внешние
ся кривыми (рис. 2.2, а). Так как схемы токового компаундирования
могут обеспечить только одну характеристику, рассчитанную обычно на
номинальный коэффициент мощности нагрузки, то напряжение гене-1
ратора не зависит от тока нагрузки лишь при одном коэффициенте мощ^
ности (cos <рном), на который данная система возбуждения рассчитана.
При коэффициенте мощности, меньшем чем расчетный, напряжение ге-
нератора уменьшается; при большем — увеличивается вместе с увели-
чением тока нагрузки (рис. 2.2, б). Начальное возбуждение в схеме
(см. рис. 2.1) обеспечивается включением на обмотку ротора источника
постоянного тока Б низкого напряжения. Диод Д предусмотрен в схе-
ме для автоматического запирания цепи, когда напряжение на кольцах
окажется выше напряжения источника тока Б. Подобная схема само-
возбуждения и компаундирования СГ, естественно, является пригодной
лишь в тех случаях, когда генератор питает нагрузку с постоянным или
малоизменяющимся коэффициентом мощности. Для улучшения рабо-<
ты системы возбуждения вводят вместе с токовым компаундированием
дополнительное устройство — корректор напряжения, в задачу котц-
рого входит изменение тока возбуждения генератора так, чтобы напря-
жение генератора, независимо от величины тока и коэффициента мощ-
ности нагрузки, оставалось номинальный!
На рис. 2.3 приведена такая схема. Принципиальное отличие ее от
описанной выше заключается в наличии корректора напряжения ДН,
в состав которого входит магнитный усилитель МУ, управляющий то-
ком вторичной обмотки трансформатора напряжения Тр/, питающего
45
цепь ротора через выпрямитель Вп1. Обмотка управления магнитного
усилителя получает питание от корректора напряжения, ток выхода
которого зависит нелинейно от напряжения генератора. При незначи-
тельных отклонениях напряжения от номинальной величины в сторону
снижения ток обмотки управления резко возрастает, в результате чего
увеличивается и ток ротора СГ, компенсируя падение напряжения по-
следнего. Измерительный элемент содержит в себе корректор по часто-
те, который при отклонениях в ту или иную сторону частоты генерато-
ра,'а вместе с ней и напряжение, восстанавливает последнее до уровня,
близкого к номинальному напряжению машины, воздействуя на ток
Рис. 2.3. Принципиальная схема самовозбуждения и токового ком-
паундирования СГ с корректором напряжения
обмотки управления магнитного усилителя. Наличие в схеме корректо-
ра напряжения обеспечивает высокую точность поддержания напря-
жения. Система самовозбуждения и компаундирования совместно с кор-
ректором напряжения обеспечивают постоянство напряжения с точ-
ностью около ±1 % при изменениях нагрузки от нуля до номинальной
величины при номинальном коэффициенте мощности.,
Как говорилось выше, начальное самовозбуждение СГ затруднено.
В описываемой схеме начальное возбуждение машины обеспечивается
с помощью аккумуляторной батареи, напряжение которой при пуске
машины выключателем В подается на кольца ротора и на обмотку уп-
равления магнитного усилителя. Благодаря этому увеличивается оста-
точная э. д с. машины, а также и напряжение, подводимое к кольцам
ротора со стороны трансформатора напряжения Тр1 и выпрямительного
устройства Вп1 В динамических режимах система возбуждения обеспе-
чивает быстрое восстановление напряжения на зажимах генератора при
внезапных изменениях нагрузки. При набросе на генератор нагрузки,
равной 50% номинальной, и при номинальном коэффициенте мощности
максимальный провал напряжения составляет около 7%, время же до
первого восстановления напряжения — около 0,15 сек.
46
В отличие от токового компаундирования, когда ток ротора изме-
няется в зависимости от тока нагрузки и не зависит от коэффициента
мощности нагрузки, фазовое компаундирование учитывает как величи-
ну тока нагрузки, так и фазу — коэффициент мощности нагрузки. Та-
кое компаундирование может обеспечить более высокую точность под-
держания постоянства напряжения, не требуя применения корректора
(погрешность в этом случае может составить + 2—4%) или может
облегчить условия работы и уменьшить размеры корректора
напряжения в том случае, когда он применяется в целях получения
большей точности. Для обеспечения фазового компаундирования сум-
мирование составляющих, пропорциональных напряжению и току на-
Рис. 2.4. Принципиальные схемы включения трансформаторов
при амплитудно-фазовом компаундировании:
а — параллельное включение; б — последовательное включение
грузки, осуществляется путем геометрического сложения величин на
стороне переменного тока. При этом необходимо иметь в виду, что при
одних и тех же токах нагрузки ток возбуждения генератора при не-
изменном напряжении на его зажимах должен быть тем больше, чем
ниже коэффициент мощности нагрузки (см. регулировочные характе-
ристики для разных коэффициентов мощности нагрузки на рис. 2.2).
Это обстоятельство приводит к необходимости осуществлять геометри-
ческое суммирование величин, пропорциональных току и напряже-
нию в системах самовозбуждения и фазового компаундирования, так,
чтобы в режиме активной нагрузки угол между соответствующими век-
торами был близок к 90° и чтобы при индуктивной нагрузке векторы рас-
полагались по одной прямой. В схемах фазового компаундирования
применяются как параллельное, так и последовательное соединения
вторичных обмоток трансформаторов тока и напряжения, каждое из
которых имеет свои особенности. Рассмотрим эти особенности сумми-
рования составляющих при параллельном (рис. 2.4, а) и при последо-
вательном (рис. 2.4, б) включении вторичных обмоток трансформато-
ров тока и напряжения.
Суммирование при параллельном соединении вторичных обмоток.
На рис. 2.4, а изображена принципиальная схема системы, причем для
упрощения рассматривается однофазный генератор. Дополнительно
в схему введен пассивный линейный двухполюсник (компаундирующее
47
сопротивление zK). Пренебрегая активным сопротивлением обмоток,
рассеянием и активными потерями в магнитопроводах трансформато-
ров, переходим к расчетной схеме замещения (рис. 2.5, а). В расчетной
схеме обозначены: 7?в — сопротивление цепи возбуждения генератора,
измеренное со стороны входа выпрямителя, т. е. включающее в себя
сопротивление выпрямителя. предполагаются неизмененными во
всех режимах работы системы под нагрузкой; — сопротивление
намагничивающего контура в эквивалентной схеме замещения транс-
форматора тока; хи^ — тоже, но для трансформатора напряжения; гк
и хк — активное и реактивное сопротивления компаундирующего эле-
мента; Kj и Ки — коэффициенты трансформации по току и напряжению;
U и I — напряжение генератора и его ток нагрузки.
Рис. 2.5. Схема замещения трансформаторов при ампли-
тудно-фазовом компаундировании:
а параллельное соединение; б — последовательное соединение
Заменяя эквивалентными синусоидами несинусоидальные периоди-
чески изменяющиеся величины и используя символический метод, оп-
ределяем ток Ir, а тем самым и пропорциональный ему ток возбуждения
генератора. Получаемое решение, естественно, явится приближен-
ным, однако оно позволяет правильно оценить качественную работу
рассматриваемой системы.
По принципу наложения имеем:
Полагая внутреннее сопротивление источника тока равным беско-
нечности, находим
U jx, Ku U
__________и____________________
ZkRb+/%Rb+/^zk п +г _;5«В
Хк \2 /
Гк + RB + — ) + Г»
'в / \
~ е>'а‘,
2 ’
rK RB
Х,И
где
а1 — аи — р; р - arctg
XKX/M~rKRB
48
eta,
где
cc2 = осе/ — <р + фк— p czr— (р + фк; фк = arctg;
гк
причем ф = аи — а/ — угол фазного сдвига между напряжением и то-
ком нагрузки генератора.
Полагая сс^ = 0 и вводя соответствующие обозначения, окончатель-
но получаем
= IRue^+JRle4a^-^.
Из этого выражения следует, что ток возбуждения определяется
геометрической суммой двух составляющих: одной — зависящей от то-
ка нагрузки, другой — зависящей от напряжения. Характер суммиро-
вания при этом зависит от величины гк. При отсутствии компаунди-
рующего сопротивлений (-?K = 0) ток возбуждения генератора будет
определяться только составляющей от напряжения и нормальная рабо-
та системы окажется невозможной. Это обстоятельство и дало основание
именовать элемент гк компаундирующим сопротивлением. В случае
использования компаундирующего элемента дросселя с малым актив-
ным сопротивлением (zK^x^ составляющие в режиме активной на-
грузки (ф = 0) образуют прямой угол: — сс2 = —фк = — 90°. При
индуктивной нагрузке (ф = 90°) разность фаз составляющих токов
равна нулю; оба вектора расположены по одной прямой: ссг — ос2 — 0.
Изложенное иллюстрируется векторной диаграммой на рис. 2.6.
Такой характер изменения тока возбуждения соответствует задаче
прямого амплитудно-фазового компаундирования
Нормальная работа системы возможна также и при использовании
конденсатора вместо дросселя; однако в этом случае необходимо пере-
ключить любую обмотку одного из трансформаторов. Нетрудно убе-
диться, что при значении угла фазного сдвига компаундирующего эле-
мента, существенно отличающегося от ±90°, задача регулирования не
может быть решена. Так например, при фк — 0 (активное сопротив-
ление) ток возбуждения генератора~в режиме активной нагрузки ока-
зывается больше, чем в режиме индуктивной нагрузки; в случае фк =
= 45° токи возбуждения при фк = 0 и фк = 90° равны. Здесь необ-
ходимо заметить, что в условиях реальной установки всегда есть неко-
торое активное сопротивление в цепи компаундирующего элемен-
та. Как показывают исследования, при применении,дросселя это
приводит к тому, что суммирование составляющих в режиме активной
нагрузки генератора будет производиться подострым углом. При вклю-
49
ЧеНйй жё конденсатора этот уГоЛ оказывается тупым. В обоих случаях
величина угла между составляющими близка к 90°. Из-за этого обстоя-
тельства при использовании конденсаторов наблюдается «провал»
внешней характеристики в области малых активных нагрузок. На
рис. 2.7 для пояснения приведена векторная диаграмма, из которой
следует, что ток возбуждения генератора при увеличении активной на-
грузки от режима холостого хода до номинальной вначале уменьшается.
В системах с дросселями характер суммирования составляющих
с этой точки зрения оказывается более благоприятным.
Суммирование при последовательном соединении вторичных обмо-
ток. Принципиальная и расчетные схемы изображены на рис. 2.4, б
и 2.5, б, допущения те же, что и при суммировании с параллельным
соединением вторичных обмоток.
Рис. 2.6. Векторная диаграмма токов при
индуктивной нагрузке
Рис. 2.7. Векторная диаграмма то-
ков при активной нагрузке
По расчетной схеме определяем ток:
, л/ U , К‘1
R Ru R‘
где — аи — [3; а2 = ау — (5 — ср + 90° = ах — <р + 90°;
Р = arctg .
Кв
В случае <р = 0 составляющие образуют угол 90е. При <р = 90° оба
вектора совпадают по фазе. Следовательно, изменение тока возбужде-
ния обеспечивает нормальную работу системы. Из полученного выра-
жения следует, что решающее значение для выполнения правильного
суммирования имеет величина х/ . При = оо составляющая тока
возбуждения от напряжения генератора будет равна нулю. Таким об-
разом, надо либо выполнять трансформатор тока с зазором (л7|Л =# °°)>
либо шунтировать его вторичную обмотку компаундирующим сопро-
тивлением. Как и в предыдущем случае, в качестве компаундирующего
сопротивления можно использовать дроссель или конденсатор (при
переключении обмотки). Шунтирование обмотки активным сопротивле-
нием или двухполюсником с малым значением угла фазного сдвига <рк не
обеспечивает нормальной работы системы.
50
Суммирование трехсбмоточным трансформатором принципиально
не отличается от суммирования при параллельном соединении обмоток,
так же как и суммирование трехстержневым трансформатором не от-
личается от суммирования при последовательном соединении обмоток.
Следовательно, для нормальной работы системы в обоих случаях не-
обходимо включать реактивные сопротивления: в первом — последо-
вательно с обмоткой напряжения, во втором — параллельно токовой
обмотке. Возможно также и специальное конструктивное исполнение
трансформаторов.
Следует заметить, что рассмотренные выше методы суммирования
относятся к системам с однофазным генератором. В трехфазных систе-
Рис. 2.8. Векторная диаграмма си-
стемы при различных cos <р на-
грузки
Рис. 2.9. Векторная диаграмма при раз-
ных токах нагрузки
мах нормальная работа схемы прямого амплитудно-фазового компаун-
дирования может быть обеспечена не только введением реактивных
компаундирующих сопротивлений, но также и путем соответствующе-
го включения обмоток. В этих случаях возможно использование ком-
паундирующих сопротивлений с малым значением угла фазного сдвига.
В заключение рассмотрим векторные диаграммы при трехобмоточ-
ном трансформаторе и конденсаторах.
На рис. 2.8 изображена векторная диаграмма, соответствующая ра-
боте системы при неизменных значениях U и I, но при переменном угле
фазного сдвига На рис. 2.9 приведена диаграмма системы, работающей
при неизменных значениях напряжения и угла фазного сдвига <j>, но при
различных величинах тока нагрузки /. На диаграммах приняты обо-
значения: /2 — ток фазы рабочей обмотки трансформатора, замкнутой
на выпрямитель; /2ХХ— ток рабочей обмотки в режиме холостого хода
системы, пропорциональный напряжению генератора; /2К — компаун-
дирующая составляющая тока рабочей обмотки, пропорциональная
току нагрузки генератора; б — угол, зависящий от соотношения между
параметрами системы компаундирования,
^2 ~ ^2Х.Х I2К-
По векторным диаграммам легко построить регулировочные харак-
теристики системы I2 — f (J) Для различных значений коэффициента
51
Рис. 2.10 Регулиро-
вочные характеристи-
ки СГ при разных
коэффициентах мощ-
HOcii-тгЗгруЗкк
мощности, что в относительных величинах и выполнено на рис. 2.10.
Нетрудно установить, что вид полученных кривых соответствует ха-
рактеру регулировочных характеристик нормальных СГ промышленной
частоты. Следовательно, при согласовании регулировочных характе-
ристик системы и генератора, что выполняется надлежащим расчетом,
возможно обеспечить постоянство напряжения на нагрузке со значи-
тельной точностью. Следует отметить, что расчет систем прямого ком-
паундирования осложняется необходимостью обеспечения начального
самовозбуждения СГ. Принципиально процесс самовозбуждения СГ
не отличается от процесса самовозбуждения машин постоянного тока
и может быть осуществлен при выполнении следующих очевидных ус-
ловий: генератор обладает остаточным намагни-
чиванием; правильно выполнено подключение
обмотки возбуждения к выходным зажимам вы-
прямителя системы; сопротивление цепи возбуж-
дения генератора меньше некоторой критиче-
ской величины.
Осуществление требуемых для самовозбужде-
ния условий в установках с СГ достаточно за-
труднено прежде всего вследствие нелинейности
вольтамперной характеристики цепи возбужде-
ния, включающей выпрямитель, сопротивление
элементов которого зависит от величины тока.
Как известно, сопротивление полупроводнико-
вых выпрямителей возрастает при уменьшении
тока нагрузки. Особенно резко это проявляет-
ся в случае использования селеновых вентилей. У машин с низковольт-
ной обмоткой возбуждения увеличивается также сопротивление цепи
ротора притоках возбужденияЛенератора/в< ,/в. х х_ где 1В,х.х— ток
возбуждения в режиме холостого хода. Объясняется это тем, что паде-
ние напряжения в щеточном контакте составляет значительную долю
общего падения напряжения в цепи возбуждения. В практике нашли
применение следующие основные методы обеспечения начального само-
возбуждения СГ в системах прямого компаундирования: искусственное
повышение остаточного потока генератора, достигаемое применением
магнитной стали для части магнитопровода машины (прокладок у
сердечников полюсов, втулки ротора и т. п.); кратковременное подклю-
чение в цепи обмотки возбуждения аккумуляторной батареи или гене-
ратора малой мощности; кратковременное короткое замыкание главной
цепи генератора; шунтирование части компаундирующих сопротивле-
ний; включение в систему компаундирования резонансных контуров,
снижающих сопротивление цепи возбуждения при частоте несколько
ниже номинальной; использование в качестве компаундирующих со-
противлений конденсаторов, при которых генератор в начале процесса
самовозбуждения подмагничивается.
Система ЛЭТИ самовозбуждения и амплитудно-фазового компаун-
дирования синхронных генераторов с трехобмоточным трансформато-
ром. Так же, как и предыдущая система, система самовозбуждения
и компаундирования, предложенная ЛЭТИ (рис. 2.11), имеет эквива-
52
лентную схему с параллельным соединением вторичных обмоток транс-
форматоров напряжения и тока. В качестве компаундирующих сопро-
тивлений здесь могут быть использованы конденсаторы или дроссели.
Начальное самовозбуждение генератора облегчается наличием
в цепи обмотки напряжения W1 конденсаторов С, благодаря которым
без каких-либо конструктивных изменений самого генератора машина
надежно самовозбуждается при остаточном напряжении около 1—2%.
Система самовозбуждения и компаундирования ЛЭТИ обеспечивает
поддержание постоянства напряжения с отклонением от номинального
значения на±(ЗЧ-5)% при изменениях тока нагрузки от 0 до
Рис. 2.11. Система ЛЭТИ самовозбуждения и ампли-
тудно-фазового компаундирования СГ с трехобмо-
точным трансформатором и корректором напряже-
ния:
Тр — трехобмоточный трансформатор; С — емкость; Вп —
выпрямитель; Др1 — насыщенный дроссель; Др2 — дроссель
отбора тока: В — потенциометр
Рис. 2.12. Внешние ха-
рактеристики СГ с само-
возбуждением и ампли-
тудно-фазовым компа-
ундированием
1.25/ном И изменениях cos <р в пределах от 1 до 0,2 без применения кор-
ректора напряжения. На рис. 2.12 приведены внешние характеристики
генератора МС с рассматриваемой системой самовозбуждения и ком-
паундирования при работе его без корректора напряжения. В тех слу-
чаях, когда к точности поддержания постоянства напряжения генера-
тора предъявляются повышенные требования, в системе ЛЭТИ преду-
смотрено применение корректора напряжения дроссельного типа.
Принцип действия этого корректора напряжения основан на следую-
щем: параллельно выпрямителю, питающему цепь возбуждения СГ,
подключен регулируемый дроссель, шунтирующий выпрямитель. В за-
висимости от сопротивления этого дросселя в него ответвляется боль-
шая или меньшая часть тока выходной обмотки трехобмоточного транс-
форматора; этим и достигается регулирование напряжения генератора.
Цепь управления регулируемого дросселя получает питание через по-
лупроводниковый выпрямитель от нелинейного сопротивления, имею-
щего круто падающую характеристику. В качестве такого элемента мо-
жет быть применен насыщенный дроссель, полупроводниковое нели-
нейное сопротивление, кремниевые приборы и др. При отклонении на-
пряжения генератора от номинальной величины, например при сниже-
53
Рис. 2.13. Схема амплитудно-фа-
зового компаундирования с четы-
рехобмоточным трансформатором
нии напряжения, ток в цепи дросселя Др1 (см. рис. 2.11) резко падает.
Уменьшение этого тока, а следовательно, и тока управления дросселя
Др2 приводит к увеличению сопротивления рабочих обмоток послед-
него, уменьшению тока в них и, соответственно, к увеличению тока
в обмотке возбуждения СГ. Напряжение последнего при этом восста-
навливается почти до первоначальной величины. Поддержание пос-
тоянства напряжения на зажимах генератора при применении кор-
ректора напряжения может быть получено со значительно более высо-
кой степенью точности. В осуществленных схемах ЛЭТИ с корректором
напряжения отклонения последнего
от номинальной величины на всем
указанном выше изменении диапазона
тока нагрузки и коэффициента мощ-
ности нагрузки не превосходили ве-
личины порядка ±(0,54-1%).
Повышение точности работы си-
стемы приобретается, однако, ценой
снижения некоторых других качеств
ее. Для возможности регулирования
тока возбуждения путем шунтирова-
ния цепи возбуждения необходимо
увеличить мощность трехобмоточного
трансформатора и конденсаторов на
величину мощности, шунтируемой уп-
равляемым дросселем. В системе воз-
буждения появляются дополнитель-
ные элементы, принадлежащие кор-
ректору напряжения, что усложняет
схему и снижает надежность ее дейст-
вия. Вес и габариты корректора имеют
значительную величину. Чем выше точность, которую необходимо по-
лучить, тем больше увеличение элементов системы возбуждения. Дру-
гим фактором, приводящим к увеличению элементов системы возбуж-
дения, является перегрузочная способность ее. Чем выше возможная
кратковременная перегрузка генератора по току, при которой необ-
ходимо сохранение постоянства напряжения, тем ниже должна быть
взята индукция стали трехобмоточного трансформатора и тем, следо-
вательно, выше оказываются габариты и вес последнего. Сказанное,
естественно, относится не только к системе ЛЭТИ, но и к другим систе-
мам самовозбуждения и прямого компаундирования.
Система самовозбуждения и прямого фазового компаундирования
фирмы «Сименс». Как видно из рис. 2.13, система самовозбуждения
и прямого компаундирования содержит четырехобмоточный компаун-
дирующий трансформатор Тр1, индуктивность L, емкость С и выпрями-
тельное устройство Вп. По принципу действия эта система не отличает-
ся от рассмотренной выше системы ЛЭТИ. Сдвиг составляющей н. с.
трансформатора, пропорциональной напряжению по фазе относитель-
но напряжения, осуществляется индуктивным сопротивлением jq., ко-
торое служит одновременно и разделительным сопротивлением в систе-
54
Мб возбуждения. Резонансный контур, состоящий из подобранных
соответствующим образом х^ихс, обеспечивает надежное начальное
возбуждение генераторов при частотах, меньших номинальной, во
время разгона генераторного агрегата. Система проста, надежна и при-
Рис. 2.14. Изменение напряжения на
зажимах СГ с самовозбуждением и
компаундированием при внезапном
изменении нагрузки:
а — система самовозбуждения и прямого
фазового компаундирования; б — система
с машинным возбуждением
меняется без корректора напря-
жения. Напряжение генератора,
по данным фирмы, поддержи-
вается с отклонениями, не пре-
восходящими ±4% на всем
диапазоне изменения нагруз-
ки— от нуля до номинальной,
и в пределах изменения коэф-
фициента мощности от 1 до 0,7.
На рис. 2.14 приведены резуль-
таты обработки осциллограмм
наброса и сброса 110%-ной номи-
нальной нагрузки на СГ, выпу-
скаемые фирмой «Сименс», имею-
щие две разных системы возбуж-
дения. Как видно из приведен-
ных осциллограмм, в первом
случае провал напряжения со-
ставил 20% и напряжение вос-
становилось через 0,08 сек-, во
втором случае провал напряжения составил 27%, напряжение восстано-
вилось через 0,65 сек. Из этого сравнения видно, что системы самовоз-
буждения и прямого фазового компаундирования, благодаря меньшим
Рис. 2.15. Схема амплитудно-фазового компаундирования фир-
мы АЕГ
по величине и длительности отклонениям напряжения при внезапных
изменениях нагрузки, допускают применение на судах электродвигате-
лей с прямым включением в сеть значительно большей мощности по
сравнению с применявшейся до последнего времени системой возбуж-
дения с машинными возбудителями.
Системы самовозбуждения й прямого фазового компаундирования
фирмы АЕГ. В этой системе (рис. 2.15) сложение составляющих тока
55
ротора, пропорциональных напряжению и току нагрузки генератора,
происходит путем сложения тока вторичной обмотки трансформаторов
тока Тр1 и тока дросселя Др, сдвинутого по фазе'относительно напря-
жения на угол, близкий к 90°. Трансформаторы тока Тр1—управляе-
мые. Обмотка управления их получает питание от корректора напря-
жения. Корректор напряжения простейшего типа состоит из понизи-
тельного автотрансформатора ТрЗ и насыщенного дросселя Др1 с кру-
той нелинейной характеристикой. В режиме, когда напряжение на за-
жимах генератора номинальное, через насыщенный дроссель проходит
ток, соответствующий этому
режиму. При отклонении на-
пряжения генератора от но-
минального значения в ту или
иную сторону происходит зна-
Рис. 2.17. Схема амплитудно-фазового
компаундирования фирмы «Дессау»
Рис. 2.16. Переходный
процесс при внезапном
набросе нагрузки на ге-
нератор фирмы АЕГ
чительно большее отклонение тока в цепи дросселя Др1 и, соответст-
венно, выпрямленного тока в цепи обмотки управления трансформато-
ров тока Тр1. Так, например, при снижении напряжения ток в цепи не-
линейного сопротивления уменьшается. При этом увеличивается на-
пряжение вторичных обмоток трансформаторов тока, ток ротора
и напряжение генератора повышаются до значения, близкого к пер-
воначальному номинальному значению. Отклонения напряжения от
номинальной величины у генераторов с описанной системой возбуж-
дения не превосходят 1—2% при широком диапазоне изменения тока
и коэффициента мощности нагрузки.
Начальное самовозбуждение генераторов, по данным фирмы, проис-
ходит надежно, без применения каких-либо дополнительных средств.
На рис. 2.16 приведены результаты обработки осциллограммы из-
менения напряжения СГ фирмы АЕГ при набросе на него нагрузки I =
- /ном пРи cos <р — 0,8 и при cos <р 0.
Система амплитудно-фазового компаундирования фирмы «Дессау»
(рис. 2.17) отличается от предыдущей схемы отсутствием корректора
напряжения. Для настройки системы в ней применены регулируемый
дроссель Др, секционированный трансформатор тока Тр и потенцио-
метр R. Принцип действия системы тот же, что и системы фирмы АЕГ.
56
В числе преимуществ систем самовозбуждения и прямого компаун-
дирования СГ, по сравнению с другими системами возбуждения, наи-
более существенными являются: высокая надежность действия, про-
стота эксплуатации, высокое быстродействие и, как следствие, мень-
шие величины отклонений напряжения от номинальной величины при
внезапных изменениях нагрузки и меньшие периоды времени восста-
Рис. 2.18. Схема системы самовозбуждения и амплитудно-фазового компаунди-
рования для генераторов МСК
новления напряжения, а также уменьшение длины генераторных агре-
гатов за счет машинных возбудителей.
Системы компаундирования Баранчинского электромеханического
завода имени М. И. Калинина. На рис. 2.18 представлена комбиниро-
ванная система автоматического регулирования напряжения, которая
действует как по возмущению, так и по отклонению регулируемой вели-
чины.
Основными элементами системы являются: силовой трансформатор
компаундирования Тр1; дроссель отбора Др; блоки выпрямителей Вп1
и Вп2; корректор напряжения КН; блок управления с устройством
параллельной работы УПР; генератор начального возбуждения (на
рисунке не показан). Трансформатор компаундирования Тр1 с магнит-
ным шунтом имеет четыре трехфазные обмотки: токовую W3, напряже-
ния W1, рабочую IF2 и обмотку питания корректора W4. Дроссель от-
бора собран из трех скрепленных между собой сердечников Ш-образ-
57
ной формы, на средние стержни которых уложены катушки трехфаз-
ной обмотки и одна катушка обмотки управления ОУ.
Для обеспечения самовозбуждения СГ применяется генератор на-
чального возбуждения (ГНВ), представляющий собой тахогенератор
переменного тока с постоянными магнитами, который конструктивно
встроен в корпус СГ и подключен к обмотке возбуждения ОВГ через
селеновые выпрямители. Мощность ГНВ не превышает 80 вт. Напря-
жение СГ поддерживается с определенной точностью на заданном уров-
не совместным действием компаундирующего устройства и корректо-
ра напряжения, включенного на обмотку управления ОУ дросселя от-
бора. При отсутствии подмагничивания дросселя напряжение генера-
тора при 100%-ной нагрузке составляет 107—
110% номинального значения.
[ - Корректор напряжения КН типа RH2 пред-
ставляет собой схему, собранную из полупро-
водниковых элементов и работающую в импульс-
ном режиме. Он состоит из измерительного эле-
мента и усилителя.
Задачей измерительного элемента является
Рис. 2.19. Характера сравнение напряжения на зажимах генератора
стика стабилитрона с заданным напряжением. Полученное прираще-
ние напряжения служит входным сигналом по-
лупроводникового усилителя, выход которого включен на обмотку
управления дросселя отбора. В комплект измерительного элемента
входят: измерительный трансформатор ТрЗ, выпрямитель ВпЗ, ста-
билитрон Д2, конденсатор С1, сопротивления Rl, R2, R8, R9, крем-
ниевый триод Т1 (п-р-п переход).
На первичную обмотку трансформатора ТрЗ через сопротивление
уставки уровня напряжения R подается напряжение генератора. Вто-
ричная обмотка трансформатора ТрЗ через выпрямительный мост на-
гружена на сопротивления Rl, R2. Для сглаживания пульсации выс-
ших гармоник выпрямленного напряжения предусмотрен фильтр, со-
стоящий из конденсатора С1 и сопротивления R8. Напряжение с выхо-
да фильтра подается через стабилитрон Д2 на вход германиевого трио-
да Т/. Характеристики стабилитрона Д2 подобраны так, что он запи-
рает цепь до тех пор, пока напряжение Ur на конденсаторе С1 не превы-
шает напряжения пробоя стабилитрона, при котором обратное напря-
жение 1/о0р= Uro (рис. 2.19).
Если напряжение 17г становится больше Uvo, то в цепи базы триода
Т1 появляется ток и открывает триод. При этом процесс «открыт—за-
крыт» триода происходит в соответствии с двухполупериодной пульса-
цией измеряемого напряжения. Если напряжение на стабилитроне Д2
значительно превышает напряжение пробоя, то соответственно увели-
чиваются импульсы тока базы триода Т1, а следовательно, и величина
импульсов тока в цепи его коллектора. Таким образом, отклонение на-
пряжения на входе измерительного элемента корректора напряжения
от заданной величины преобразуется в импульсы тока, возрастающие
с ростом отклонения напряжения.
58
Усилитель корректора Напряженья Состоит из триодов Т2, ТЗ и Т4
(триоды Tl, Т2 имеют п-р-п переход, триоды Т2, Т4, р-п-р пере-
ход), выпрямителей ДЗ и Д4, конденсатора СЗ и сопротивлений.
Импульсы выходного тока измерительного элемента подаются на
конденсатор СЗ, который заряжается при подаче импульса и затем раз-
ряжается на параллельно включенное сопротивление R10. К зажимам
эмиттер—база триода Т2 приложена разность напряжений — снимае-
мого с делителя напряжения на сопротивлении R12 и напряжения на
сопротивлении R10. Если напряжение на сопротивлении R10 будет
увеличиваться вследствие увеличения тока выхода измерительного эле-
мента, то напряжение на базе триода Т2 будет уменьшаться и ток в цепи
его коллектора снижаться.
При отсутствии или снижении сигнала измерительного элемента на-
пряжение на сопротивлении R10 станет меньше, чем на делителе R12,
это приведет к возрастанию напряжения на базе триода ТЗ и соответст-
венно к увеличению тока в цепи коллектора. Так как цепь коллектора
триода Т2 является цепью базы триода ТЗ, то при открытом триоде Т2
будет полностью открыт также и триод ТЗ, т. е. падение напряжения на
нем значительно уменьшается и весь ток его коллектора идет через
сопротивление R11.
Цепь эмиттер — база триода Т4 включена на постоянное напряже-
ние источника питания усилителя, а коллекторная цепь —- на обмотку
управления ОУ дросселя Др.
Если триод ТЗ открыт до насыщения, то по его коллекторной цепи
протекает большой ток, а напряжение на зажимах эмиттер — коллек-
тор очень мало (порядка 0,2 в). При этом благодаря относительно боль-
шому падению напряжения в выпрямителе Д4 потенциал базы триода
Т4 будет положителен по отношению к потенциалу его эмиттера и триод
Т4 будет закрыт. При закрытом триоде ТЗ потенциал базы триода Т4
меняется на противоположный, последний открывается, и по обмотке
управления дросселя отбора пойдет ток, который изменит режим его
работы. При увеличении тока управления сопротивление рабочих
обмоток дросселя уменьшается, а следовательно, по ним проходит
большая часть тока выходной обмотки трехобмоточного трансфор-
матора.
Таким образом, увеличение напряжения на входе измерительного
органа, начиная с некоторой величины, равной величине напряжения
пробоя стабилитрона (эквивалентного в данном случае номинальному
напряжению генератора), вызывает появление в обмотке управления
ОУ импульсов напряжения тем большей длительности, чем больше на-
пряжение на входе измерительного органа отклоняется от напряжения
пробоя стабилитрона.
Величина напряжения выхода корректора изменяется от нуля до
полного значения напряжения источника питания при изменении на-
пряжения на входе измерительной части корректора на 1—1,5%.
Для защиты выходного триода Т4 (см. рис. 2.18) от возможных пе-
ренапряжений в обмотке управления установлены вентили В5 и В6.
Вентиль В5 закорачивает обмотку при перенапряжениях в ней, а вен-
тиль В6 шунтирует триод.
59
В комплект источника питания корректора КН входят блок выпря-
мителей Вп2 и обмотка W4, расположенная на сердечнике трансформа-
тора Тр1.
Для обеспечения устойчивой работы системы регулирования пре-
дусмотрена гибкая обратная связь, состоящая из сопротивления R5
и конденсатора С2. Кроме-того, чтобы предотвратить влияние нагрева
обмоток измерительного трансформатора ТрЗ, сопротивления и стаби-
литрона Д2 на точность регулирования напряжения СГ, в измеритель-
ную цепь корректора КН введе-
Рис. 2.20. Схема системы самовозбужде-
ния и амплитудно-фазового компаунди-
рования для генераторов МСК
но термосопротивление R7 с под-
строечным сопротивлением R6.
Система фазового компаунди-
рования с корректором поддер-
живает напряжение с ошибкой,
не превышающей ±1 % при из-
менении нагрузки от 0 до 100%,
коэффициента мощности от 0 до
1 и частоты в пределах ±2,5%
от номинальной.
На рис. 2.20 приведен другой
вариант системы возбуждения
завода имени М. И. Калинина.
В этой системе используется
компаундирующий трансформа-
тор Тр с подмагничиванием и
магнитным шунтом. Обмотка
подмагничивания W4 трансформатора получает питание от корректора
напряжения КН типа КН2, принцип работы которого рассмотрен выше.
Для обеспечения начального возбуждения в системе предусмотрен
генератор Г1 с постоянными магнитами, встроенный в подшипниковый
щит машины. Одно из плеч силового выпрямителя Вп используется
для выпрямления тока генератора.
Статическая ошибка регулирования напряжения СГ не превышает
±1,5% во всех режимах нагрузки по величине и по коэффициенту мощ-
ности.
Системы автоматического регулирования напряжения СГ с управ-
ляемыми диодами. Кремниевые управляемые диоды, как уже отмеча-
лось, обладают рядом особенностей, оказывающихся весьма ценными
при применении этих диодов в схемах самовозбуждения и автомати-
ческого регулирования напряжения^ судовых СГ. Дополнительно от-
метим, что управляемые диоды могут быть так конструктивно выполне-
ны, что их механическая прочность, ударо- и вибростойкость будут удов-
летворять самым высоким требованиям. Отсутствие подвижных элемен-
тов обеспечивает бесшумность работы, высокую надежность, простоту
и удобство эксплуатации. Герметизация диодов позволяет применять
их в судовых условиях.
Кремниевые управляемые диоды могут работать в относительно ши-
роком диапазоне изменения температуры. Они обладают высоким быст-
родействием и постоянной готовностью к действию. Мощность управле-
60
Рис. 2.21. Схема системы автоматиче-
ского регулирования напряжения СГ
с применением управляемых диодов
Ния ими мала. Недостаток управляемых кремниевых диодов — их ми-
лая перегрузочная способность по токуй напряжению в обратном, за-
пирающем направлении. Для устранения этого недостатка следует вы-
бирать диоды с запасом по току и напряжению и применять защитные-
устройства, ограничивающие величину тока и напряжения.
Разработанные системы регулирования напряжения СГ с управля-
мыми диодами можно разделить на две группы. К первой группе отно-
сятся системы, действующие на принципе регулирования по отклоне-
нию, а ко второй группе — комбинированные системы, в которых
управляемые диоды заменяют
электромагнитные элементы в
цепи корректора напряжения.
Рассмотрим некоторые систе-
мы. На рис. 2.21 приведена
принципиальная схема, в кото-
рой обмотка возбуждения синх-
ронного генератора СГ включена
на обмотку его статора через по-
низительный силовой трансфор-
матор напряжения Тр1 и управ-
ляемый мост Вп1. Цепь управ-
ления тиристоров получает пи-
тание от фазосдвигающего уст-
ройства ФУ. При отклонении напряжения генератора в ту или иную
сторону от номинальной величины, что фиксируется корректором на-
пряжения КН, изменяется фаза сигналов, поступающих на управляю-
щие электроды кремниевых тиристоров, благодаря чему изменяется ток
возбуждения генератора. Трансформатор напряжения Тр2 питает кор-
ректор напряжения и фазосдвигающее устройство; трансформатор то-
ка ТрЗ включен на корректор напряжения.
По сравнению с системой прямого токового или фазового компаун-
дирования СГ эта схема не требует дополнительных корректиру-
ющих устройств, благодаря чему она имеет весовые и габаритные преи-
мущества. Естественно, мощность силового трансформатора Тр1 долж-
на обеспечивать форсировочные режимы СГ.
При глухом коротком замыкании СГ, так же как и при малой элект-
рической удаленности точки короткого замыкания от его зажимов, ма-
шина теряет возбуждение (в схеме отсутствует компаундирующее
устройство); это является серьезным недостатком схемы.
На рис. 2.22 приведена принципиальная схема, в которой обмот-
ка возбуждения СГ получает питание от обмотки статора через два си-
ловых трансформатора: трансформатор напряжения Тр1 с полууправ-
ляемым выпрямительным блоком Вп1 и трансформатор тока Тр2 с не-
управляемым выпрямительным блоком Вп2. При такой схеме питания
Цепи возбуждения СГ режим холостого хода обеспечивается током воз-
буждения, получаемым от трансформатора напряжения Тр1 через
полууправляемый выпрямительный блок Вп1.
При нагрузке и при коротких замыканиях к этому току добавляется
ток, поступающий через неуправляемый выпрямительный блок Вп2 от
61
Трансформатора тока Тр2. Генератор Получает возбуждение, степень
форсировки которого определяется форсировочной способностью тран-
сформатора тока. Как и в предыдущей схеме (рис. 2.21), стабилизация
напряжения СГ при различных режимах работы обеспечивается регули-
рованием тока полууправляемого блока Вп1 посредством корректора
напряжения КН и фазосдвигающего устройства ФУ, получающих пи-
тание через трансформатор ТрЗ.
На рис. 2.23 приведена принципиальная схема амплитудно-фазового
компаундирования СГ с применением управляемых кремниевых дио-
дов Д в качестве регулирующего элемента корректора напряжения КН,
Рис. 2.22. Схема системы токового компа-
ундирования СГ с применением управляе-
мых диодов
Рис. 2.23. Схема системы ампли-
тудно-фазового компаундирования
с применением управляемых дио-
дов в цепи корректора напряже-
ния
шунтирующих цепь возбуждения генератора. В этой схеме дроссель
отбора заменен управляемым вентильным блоком, имеющим меньшие
вес и габариты и большее быстродействие. В состав системы амплитуд-
но-фазового компаундирования входят трансформатор Тр, дроссель
Др и выпрямитель Вп.
Бесконтактные. СГ, работающие в условиях, когда наличие сколь-
зящих электрических контактов нежелательно или недопустимо, мо-
гут выполняться без контактных колец в цепи ротора. Это достигает-
ся различными способами. В некоторых конструкциях в качестве воз-
будителя генератора предусматривается синхронная машина, встроен-
ная в основную машину. Статор возбудителя Г2 (рис. 2.24) имеет не-
подвижную обмотку возбуждения постоянного тока. Обмотка ротора
возбудителя через полупроводниковые вентили Вп2, смонтированные
на роторе и вращающиеся вместе с ним, питает обмотку ротора основ-
ной машины Г1. Естественно, что при такой конструкции отпадает
надобность в контактных кольцах. Принципиальная схема СГ с ма-
шинным возбудителем без контактных колец и с устройством амплитуд-
но-фазового компаундирования приведена на рис. 2.24.
Достоинством таких машин является их высокая надежность вслед-
ствие отсутствия колец, а недостатками — большая электромагнитная
постоянная времени системы возбуждения из-за наличия промежуточ-
ного инерционного звена (возбудителя) и усложнение конструкции.
62
Рис. 2.24. Схема СГ с машинным возбудите-
лем без контактных колец с амплитудно-фазо-
вым компаундированием:
Г/ — синхронный генератор; Г2 — возбудитель; Тр —
суммирующий трансформатор; Др — дроссель; Вп1
Анализ работы систем прямого фазового компаундирования в ста-
тических режимах. Методика определения основных параметров. Ана-
лиз работы систем прямого фазового компаундирования в статических
режимах и вывод соотношений, определяющих их основные параметры,
представляется целесообразным выполнить так, чтобы соответству-
ющие выражения были в известной степени общими, универсальными,
легко распространимыми на различные частные случаи. В соответствии
с этим проведем анализ работы систем применительно к системе, со-
держащей трехобметочный трансформатор с воздушным зазором и кон-
денсаторы в качестве ком-
паундирующих элементов
(один из вариантов систем
завода имени М. И. Кали-
нина), принципиальная
схема которой аналогична
системе ЛЭТИ.
Если в полученных вы-
ражениях принять сопро-
тивление намагничивающе-
го контура равным беско-
нечности (что близко к от-
сутствию воздушного зазо-
ра), то будет осуществлен
переход к системе ЛЭТИ
имени В. И. Ульянова
(Ленина).
Замена конденсаторов дросселями с переключением зажимов любой
из первичных обмоток при нормальном исполнении трансформатора
(без зазора) дает переход к системе; выражения, соответствующие этому
случаю, легко могут быть получены из общих соотношений.
Основные уравнения. Для составления системы исход-
ных уравнений рассмотрим схему, приведенную на рис. 2.25. На схеме
обозначены: W1 —обмотка напряжения с числом витков W2 —то-
ковая обмотка с числом витков w3, W3 — рабочая обмотка с чис-
лом витков w3. Звездочками помечены однополярные зажимы об-
моток.
Предполагая систему симметричной, анализ ее работы в целом мож-
но произвести, исследуя любую фазу. Расчетная схема приведена на
рис. 2.26.
Так как величина пульсации напряжения при использовании трех-
фазной мостовой схемы выпрямления невелика (4,2%), то при некото-
ром допущении можно не считаться с проявлением влияния индуктив-
ности в цепи нагрузки и принять, что выпрямитель замкнут на одно
активное сопротивление.
В расчетной схеме Кв является эквивалентным сопротивлением на-
грузки одной фазы рабочей обмотки и определяется сопротивлением
цепи обмотки возбуждения генератора и групп вентилей в проводящем
направлении. Через ТИ12, М32 и АД3 обозначены коэффициенты взаи-
моиндукции соответствующих обмоток.
63
Пренебрегая потоками рассеяния и активными потерями в магнито-
проводе трансформатора, можно видоизменить расчетную схему, введя
для учета намагничивающего тока в цепь первичной обмотки W1 идеаль-
ную индуктивность с сопротивлением Хц, а в цепь обмотки W3 — ин-
дуктивность с сопротивлением к1л, х
Рис. 2.25. Схема системы ампли-
тудно-фазового компаундирования
ЛЭТИ без корректора напряже-
ния:
Тр — суммирующий трансформа-
тор; С — емкость; Вп — выпря-
мительный блок
где = (рис. 2.27).
Зависимость сопротивления венти-
лей от тока приводит к тому, что в об-
щем случае физические величины, ха-
рактеризующие работу системы (то-
ка, напряжения), могут изменяться
во времени по законам, отличным от
гармонических функций.
Для упрощения решения задачи
заменим, как и ранее, несинусоидаль-
ные периодически изменяющиеся ве-
личины эквивалентными синусоидами,
а реальные параметры — эквивалент-
ными. Это позволит составить исход-
ную систему уравнений в символиче-
ской форме и достаточно просто по-
лучить зависимости между отдельны-
ми параметрами, определяющими ра-
боту системы.
Как показывает опыт, вариация эквивалентных параметров оказы-
вается не столь значительной и погрешность при их определении не
превосходит 7—10%.
Рис. 2.26. Эквивалентная схе-
ма фазы исследуемой системы
Рис. 2.27. Эквивалентная схе-
ма фазы системы с вынесенным
намагничивающим контуром
В соответствии с изложенным можно составить следующую систему
исходных уравнений:
№1/\-|-U>2^2— з — 0; Дг ~ (Rb 4" г2)/2>
17г = (п —]Хс) 1с—К\,2Ёъ
йг=й+к3.2Ё2+г31-,
64
-- —K1.2E2, ic 7i +7U;
/'+/" = /; К1.27?в/'+/Xi,i-x/' = O.
где E2 — э. д. с. фазы рабочей обмотки трансформатора;
i'll r2< rs — активные сопротивления обмоток трансформатора (на
фазу);
UT — действующее значение фазного напряжения генера-
тора;
U —действующее значение фазного напряжения прием-
ника;
I — действующее значение тока фазы приемника (при
соединении в звезду);
— коэффициенты трансформации (принимаются постоян-
ными)
Из двух последних уравнений устанавливаем связь между токами
Г и 7:
[7 -
Л3,2 -Шг
ЛЗ’1~ W,
хс + /7ч,2(Яв + '2)а
хс
-в1,
где а
хс+ iEi,2a(BB + r2)
= Ве~^.
Очевидно, что при а = 0 (трансформатор без зазора) 7 = 7', так
как Mod [В] = 1. В случае а#=0 Mod [Bl < 1.
Связь между действующими значениями токов определяется соот-
ношением
/ ^ + РЧ.2(Яв + Ча12
7.
(2.1)
Подставляя полученное выражение для тока Г в первое уравнение
и решая систему уравнений относительно тока 72, после алгебраических
преобразований получаем
___2 и + |ТС3 2 (ту /хс) в 2 г3] 7
r-iXc-iaK\ ,2~(ВВ + + Л\)2 (^1,2-«К1)2 + К312) (₽в + г2)
(2.2)
3 Зак. 347 65
Введем обозначения:
гх—/хс = 21 = г1е-^«; qv arctg-^-:
^,2 (^1,2-^1,2 + Кз,2) (/?В +Г2)-Ж’1,2 (ЯВ +r2)J
-1-7—7 -7 р—/е'
1^1 ^сист ^СИСТ»
Где ^сист
1,2
[г "12
(^в+^г)+ХС >
хс J
*с + ^,2 ^Н*в+'2)
rl +^"1,2(^1,2—^1,2+ ^3,2) (^В"ЬГ2)
а =---; 6' — arctg
Тогда выражение для тока /2 можно представить в виде, удобном для
построения векторных диаграмм:
А =
А1,2 Аз,2 Zi В у_________г3 у_____________ J (0(7 +б ' —180°)
^сист 7СИСТ 1,2 7СИСТ 2х х
Т/2 (aU-4’-4’, + e'~v)-j- /" е/(«(/-Ч>+е'- 1800)
где =
^сист
/2к = ^3,2 4^-;
^СИСТ
/2к = К1>2-^/
^СИСТ
— ток рабочей обмотки трансформатора,
ветствующий холостому ходу системы;
—компаундирующие составляющие тока
чей обмотки трансформатора.
(2-3)
соот-
рабо-
Распространим выведенные соотношения (2.2) и (2.3) на все упомя-
нутые выше системы.
Система ЛЭТИ с трехобмоточным трансформатором. Так как
трансформатор выполняется без зазора, с шихтованным магнитопро-
водом, то, не допуская значительной погрешности, можно положить
а = 0 (%ц = оо). При этом В = 1, у = 0°.
Тогда
____— Ki.zU+fes,2 ^1 i—Ki,2r з
ri + Ai,2 (Ai,2 + A3.2) (Ab + r2)— ixc
pl(av+ Ы —180°)
2X-X c
+ /2ке/(ас7-ч,“ч,,+е') + /;ке
i (au ~ч>+6' —180°)
(2.4)
где
/2x.x = -^^; /2к = /<8,2^-/;
ZCHCT ZCIICT 2СИСТ
гсист = У [rx + Kl,2 (Kl,2 + Кз,2) (^B + r2)]2 ;
xc
6' = arctg------------------------------; гсигт e~i6' - ZCIfCT;
Г1 + А1,2(А1,2 + Аз,2)(Ав+Г2)
Zi = Vr2i+x^ ; cp^arctg------:
Z1
необходимо отметить, что > 6'.
60
На рис. 2.28 приведена векторная диаграмма, построенная по урав-
нению 2.4 для случаев активной и чисто индуктивной нагрузок.
Построение вектора, соответствующего напряжению на клеммах
генератора, выполнено по уравнению
£/г = Д + К3,2(г2 + Кв)72 + г37. (2.5)
Система завода имени М. И. Калинина. Рассматриваемая система
содержит трансформатор с воздушным зазором, т. е. -^-=а=0 из выра-
жения (2.2) (общий случай) следует, что величина гСИСт зависит, в част-
ности, от значений а и Кв-
Как уже отмечалось выше, при малых значениях тока рабочей об-
мотки трансформатора (/2 < /2Х.Х) сопротивление цепи возбуждения
из-за наличия нелинейных элементов
может в несколько раз превышать ве-
личину, соответствующую нормально-
му режиму работы системы (холостой
ход, любая нагрузка). Это обстоятель-
ство весьма неблагоприятно сказы-
вается на протекании процесса само-
возбуждения генератора, так как с
возрастанием Кв увеличивается гсист.
Если при этом значение гСИСт пре-
высит некоторую критическую вели-
чину, то, как известно, самовозбуж-
дение окажется невозможным. Для
обеспечения процесса самовозбужде-
ния целесообразно использовать за-
висимость гСИСт от коэффициента а,
го такой величины, чтобы с возрастанием сопротивления цепи воз-
буждения гсист либо совершенно не изменялось, либо увеличивалось
лишь в незначительной степени. Принципиально исключить зависи-
мость гСИСт = f (Кв) невозможно ни при каком значении а из-за наличия
активных сопротивлений обмоток; однако можно показать, что эта за-
висимость максимально ослабляется, если выбрать коэффициент а из
условия максимального значения гСИСт:
^ZCHCT
да
1 4>'^L-^f=var
&
'90-V,
Л'з.гМ^Г'
. ' °" МА f 1
У -о I2>< I
! 1-л<р=о
-------=0
------if> = 90
90° i
12(<р-90’)
Рис. 2.28. Векторная диаграмма
системы ЛЭТИ
подобрав значение последне-
[Г1 + Аь2 (^1,2—«опт Кьг + Кз.г) (Rq +г2)] I — ^1,2 (^В + ^г)!
2СИСТ
Хс + %пт Kt 2 4т (*В + >-2)]^, 2 + г2)
----------------------------------------------- =0.
2сист
Из последнего выражения определяется оптимальная величина
“ ^опт-
(К1.2+ Кз,2)
“опт — . „ , , .
3*
67
Учитывая, что обычно /у < Хс, получаем
Кз.2 \ |
К1.2
^опт
При найденном значении аопт минимальная величина гсист будет
определяться соотношением
^сист min | Н-^опт. 2 (Rb 8 Г2) “И Хс
= aomKi,2-^-(RK +г2) хс.
хс
*в
п для
^в.х.х
различных значений коэффициента а. Из графиков видно, что при а =
На рис. 2.29 приведены графики зависимости гСИСт от
= «опт возрастание Rb в несколько раз
zaj.cm
I......
О 1 23450789 10
Рис. 2.29. Зависимость г0ИСт
=/ —--------] при а — var
\*\Е. Х.Х /
приводит к минимальному увеличению
сопротивления гсист. При любом другом
значении а возрастают как величина
г'сист (при одном и том же Rb), так и при-
ращение гсист с увеличением Rb.
Необходимо заметить, что оптималь-
ное значение коэффициента а лишь не-
многим больше единицы, так как К8,2
К1>2. Таким образом, общее выраже-
ние для тока /2 будет определять систе-
му завода имени М. И. Калинина при
подстановке а = аопт.
Векторная диаграмма принципиаль-
но не отличается от диаграммы для си-
стемы ЛЭТИ, приведенной на рис. 2.28.
Следует лишь учитывать, что 6' 90° и
<Pi < б'-
Система фирмы GE без корректора напряжения. Уравнение тока
/2 для системы фирмы GE может быть получено из общего соотноше-
ния (2.2), если в последнем положить а = 0 и заменить —jxc на /хд,
так как трансформатор выполняется без зазора, а в качестве компаун-
дирующего элемента используются дроссели с сопротивлениями гд
И Хд.
Необходимо также заменить знаки перед числами, содержащими
К32 на обратные, так как обмотки напряжения и токовая включены
согласно.
Окончательно выражение для /2 приобретает вид
______—Ki,2 й—к.3,2 i—__________________
Г1+гд + Ki,2 (Ki.2—Кз.ъ) (RB +г2) + (хд
д' — 180°) («и — б'+<₽1-Ф- !80°) _|_
+ /;ке/(аи~ф_6'_180°), (2.6)
68
где
^2х.Х
ЛЪ2^;
2сист
/ 2к
КЗ,2
2СИСТ
М;
12к = К^^-Г,
2СИСТ
гСист = V Р1+ гд + Kli2 (Кг,2~К3,2) (Rb + г2)]2 + х2д ;
Хд
ZC1,CT = Песете'6'; 6' = arctg
Л1+ ГД +^1,2 (^1,2 ^з.г) (^в + г2)
г1-=]/(Г1 + гд)2 + хд; Ф1 -arctg——;
Г1 + ГД
ZT — ztei^.
Очевидно, что qr > 6'.
Векторная диаграмма, соответ-
ствующая режимам активной и
чисто индуктивной нагрузок, по-
казана на рис. 2.30. Там же при-
ведено построение векторов напря-
жения на клеммах генератора, вы-
полненное по уравнению
Йг = U—К3,2 Г2 (Rb i -r2) r3I.
(2.7)
Аналогично тому, как это было
сделано при рассмотрении системы
завода имени М. И. Калинина,
можно показать, что для резонан-
Рис. 2.30.
стемы GE
тивлений
Векторная диаграмма си-
с учетом активных сопро-
обмоток трансформатора
сных схем с дросселями в качестве
компаундирующих трансформато-
ров (система фирмы «Сименс») без
секционированной первичной об-
мотки существует оптимальное значение коэффициента а, близкое к
единице (аопт ~ 1). при котором максимально ослабляется зависи-
мость гсист от сопротивления вентилей в цепи возбуждения.
На основании проведенного анализа можно отметить следующее.
1. Полученное выражение для тока /2 (2.2) можно рассматривать
как общее для систем прямого фазового компаундирования с исполь-
зованием ненасыщенного трехобмоточного трансформатора, охваты-
вающее большинство подобных установок. Уравнения, соответству-
ющие различным модификациям систем, могут быть легко получены из
этого выражения. Следовательно, оно позволяет подойти с единой точ-
ки зрения к решению задачи по выбору параметров систем.
2. Величина тока /2 во всех случаях определяется геометрической
суммой двух составляющих — пропорциональной напряжению на на-
грузке (/2х х) и пропорциональной току нагрузки (/2К - /9К 7"2К).
При постоянстве напряжения на приемнике модуль /2К пропорцио-
нален величине тока нагрузки, а аргумент определяется коэффициентом
мощности.
69
В режиме активной нагрузки угол между векторами /2ХХ и 7'2к бли-
зок к прямому. При использовании в качестве компаундирующего эле-
мента конденсатора этот угол больше 90°, а при использовании дрос-
селей — меньше 90°. С уменьшением коэффициента мощности (ср > 0)
фаза 72к изменяется, и при cos ф = 0 оба вектора во всех случаях рас-
полагаются пэд углом, близким к 0°.
3. Если в качестве компаундирующих элементов применяются кон-
денсаторы, то наблюдается характерное уменьшение тока /2 при малых
активных нагрузках. В случае применения дросселей ток /2 не умень-
шается.
4. Напряжение на клеммах генератора отличается от напряжения
на приемнике и по действующему значению, и по фазе. При использо-
вании конденсаторов в режиме активной нагрузки (/г > U с коэффи-
циентом мощности (ф > 0) разница уменьшается, а при ф = 90° можно
считать, что Ur U. Если применяются дроссели, то характер изме-
нения в основном сохраняется. Однако, так как величины К 3,2 и г3
обычно малы, различие между напряжениями на зажимах генератора
и приемника незначительно.
5. Как следует из п.п. 2 и 3, напряжение генератора при постоянст-
ве напряжения на приемнике в режиме активной нагрузки системы
должно возрастать с увеличением тока нагрузки.
Однако в системах с конденсаторами ток /2 и пропорциональный ему
ток возбуждения генератора при малых активных нагрузках умень-
шается. Это противоречит задаче регулирования СГ.
В системах с дросселями характер суммирования составляющих
тока /2 оказывается с этой точки зрения более благоприятным.
!$j 6. Уменьшить величину статической ошибки при малых активных
нагрузках в системах с конденсаторами можно за счет увеличения угла
6' (система ЛЭТИ) — соответствующим расчетом или использованием
специальных схем включения обмотки напряжения (схема «зигзаг»),
С увеличением угла 6 в системе ЛЭТИ одновременно возрастает
угол фь это приводит к сближению вектора /2К с нормалью к вектору
/2ХХ, что улучшает условия их суммирования.
При расчете системы возможно увеличение тока против значения,
определяемого режимом холостого хода. В этом случае провал во внеш-
ней характеристике сохранится, однако статическая ошибка может
быть снижена.
В приведенных ранее соотношениях учитывались активные сопро-
тивления обмоток трансформатора; сделано это было для более полного
выявления характерных особенностей рассматриваемых систем. Одна-
ко в дальнейшем^сопротивлениями обмоток будем пренебрегать, так как
определение их возможно лишь после детального конструирования
трансформатора.
Для упрощения также примем, что напряжения на нагрузке и клем-
мах генератора равны, т. е. пренебрежем падением напряжения в то-
ковой обмотке трансформатора. Как показывают многочисленные
эксперименты, указанные два допущения не вносят значительной по-
грешности в расчет.
Если положить гх = г2 = г3 = 0и считать, что Кг = U, то уравне-
ние для тока /2 в общем случае приобретает вид
У Ki.zUr—К3.2 ixc в i
2 ^2 О— a)RB — jxc
I Р< (аь+6'-180°) , . . (аи+б'-ф-ЭО’-т)
— 12ХХС 1 у2кс »
А\,2
где /2Х.Х =- ------/2к - Кз,2 ~~ ВГ,
М 2СИСТ 2сист
xr а К? 9 Rn
В =--- с -----------------; U = arctg------
( *С +(/(’1,27?Ва)2 ХС
(2.8)
^Г> 2K ’ ^3,2
XC
гсист = К Ki. 2 (1 - а) Кв]2 + Х*с ;
ХС ' А*
6' = arctg---------------; Zr.,CT = гси„те~'° .
ь^,2(1-а)/?в сист
Эти соотношения будут положены в основу определения главных
параметров системы.
Уравнения, относящиеся к различным модификациям систем, могут
быть легко получены из общего соотношения (2.8):
а) система ЛЭТИ: следует принять а = 0, так как трансформатор
выполняется без зазора, при этом В — 1;
б) система завода имени М. И. Калинина: а = аопт = 1; в этом слу-
чае В <Z 1;
в) система фирмы GE без корректора напряжения: а = О, В = 1,
так как трансформатор не имеет зазора, одновременно следует заменить
—jxc на jxl, а знак перед членом, содержащим Кд,2) — на обратный;
последнее обстоятельство определяется согласным включением обмоток;
г) система фирмы «Сименс» без секционирования обмотки: В = 1
(трансформатор без зазора), но а = 1, как в системе имени М. И. Кали-
нина, остальные изменения такие же, как в п. «в»;
д) системы фирмы AEG: а = О, В = 1; кроме этого, следует чи-
тать Ki,2 = 1» так как трансформатор напряжения отсутствует, харак-
тер суммирования составляющих тока сохраняется, однако векторные
диаграммы приобретают более простой вид (рис. 2.31).
Соотношения, связывающие основные па-
раметры системы. В уравнении (2.8) неизвестными являются:
коэффициенты трансформации
сопротивление конденсаторов хс.
Все остальные величины можно считать известными: С/гн, /н. /в.х.х
берутся из каталожных данных генераторов; /в.копределяется по век-
торной диаграмме генератора или экспериментально:
f _____ ^В.Х.Х . I ____ ^в.к
1 2Х-Х «. > У2к ’
71
где Е; — коэффициент постоянной составляющей тока на входе выпря-
мителя; Дв определяется в процессе расчета выпрямителя по соответ-
ствующим данным; подробно определение /?в будет разобрано ниже.
Согласно выражению (2.8) система должна обеспечивать:
в режиме холостого хода
Рис. 2.31. Упрощенные векторные диаграммы для системы фирмы AEG
__________^1.2______ J J
А,2(1-а)Лв]а+^ ГН’
в режиме номинальной нагрузки
KSt2xcB
1 1^?,2(1-«)^в]2+^
(2.Ю)
Рис. 2.32, Эк-
вивалентная
схема фазы ис-
следуемой си-
стемы в режиме
холостого хода
Для определения неизвестных /(12, К3>2 и Хс не-
обходимо ввести в систему третье независимое урав-
нение, связывающее эти величины. Введем в рассмот-
рение угол 6, равный углу фазового сдвига между
напряжением генератора в режиме холостого хода и
током через конденсатор. Таким образом,
матора.
Из схемы следует:
|6| = (£/г; /сх.х).
Выразим tg 6 = т через параметры системы, для
чего исследуем схему, показанную на рис. 2.32.
В этой схеме Ki,2 Дв—приведенное к обмотке напря-
жения сопротивление фазы рабочей обмотки трансфор-
А
^вх
где ZBX — эквивалентное входное сопротивление системы в режиме хо-
лостого хода.
Обозначим ZBX = zBXe“'v. Тогда
tg6 = m=r ’ ------------------
,2 ХС ^В
(2.11)
72
Нетрудно убедиться в том, что в выражении (2.11) при а 0 б'=0=
б.
Решаем совместно уравнения (2.9)—(2.11) относительно неизвест-
ных /(1,2, /(з,2 и Хс-
Из выражений (2.9) и (2.11) после ряда алгебраических преобразо-
ваний определяем
хс
/(1,2 =--------=-----Р,
’ 2а(1—а)7?в '
(2-12)
где
р=—/л + К т2 + 4а(1—а) —
(2.13)
безразмерный расчетный параметр.
Подставляя выражение (2.12) в уравнение (2.9) исходной системы
и решая его относительно Хс, находим
х =_________2^гнРа
ХС ^.хЯви-яИ^ + р*)
(2-14)
Для определения /(1>2 подставляем найденное выражение в уравне-
ние (2.12) и после преобразований получаем
yz- _ I / ХС Р __________________^гн Р_________ ?2 |
1,2 V 2аЯв(1-а) /2Х.хЯв(1-а)1/4а2 + р2 ’ 1 '
Поделив уравнение (2.10) на уравнение (2.9), после подстановки
/(1,2 и Хс определяем коэффициент трансформации Д32:
_ Дк ^С1,2^ГН
Аз>2- т ~г 7
Л>х.х хс УН
Р
2(1-а)
Представим полученные выражения в новом виде:
(2.17)
где
£7гн 2ра (7ГН
z2x.x (1-а) (4а2+р2) = /2Х х/?в
(2-18)
73
относительные значения соответствующих величин, не имеющие размер-
ности и не зависящие от каталожных данных генератора.
Общие выражения (2.17) основных параметров системы могут быть
легко распространены на все рассматриваемые частные случаи.
Система ЛЭТИ. Положив в формулах а = 0, после раскрытия не-
определенностей получаем:
^з,2 отн - = sine =cosec 6;
^i,2oth = -^7==- = cos6; (2 19)
J/l +m2
tn sin 26
Coth-T+^•
Выражения относительных коэффициентов для системы ЛЭТИ без
изменений могут быть распространены и на систему фирмы GE без кор-
ректора напряжения.
Система завода имени М. И. Калинина. В общих выражениях (2.17)
следует принять а = 1. Тогда
^3,2отн ~ А1.2отн = ХСотн “ ~ 7”.
Sin 6 т tg б
Система фирмы «Сименс» без секционирования первичной обмотки
1ГХ. В соответствии с настройкой системы следует считать а = 1, одна-
ко трансформатор выполняется без зазора и поэтому В = 1.
Выполнив соответствующие преобразования, получим
^3,2 отн — 1< К1,2 отн = Х[_ отн — ~
tg б
Выведенные соотношения, определяющие относительные коэффи-
циенты, могут быть использованы и при расчете систем компаундиро-
вания, в которых предусмотрены раздельные трансформаторы напря-
жения и тока при любом соединении их вторичных обмоток (параллель-
ном или последовательном). В частности, для системы AEG и других,
в которых трансформатор напряжения отсутствует, следует принять
Kt,2 = 1- При этом условии определяется значение /С12отн и затем че-
рез 6 — остальные величины.
Заметим, что системы с трехобмоточными трансформаторами, а так-
же содержащие трансформаторы тока и напряжения характеризуются
бесчисленным множеством возможных сочетаний параметров 2,
Кз,2. хс, удовлетворяющих решению задачи. Если же в системе отсутст-
вует трансформатор напряжения или трансформатор тока, то значения
параметров будут единственными.
Все соотношения, определяющие коэффициенты трансформации
К1>2 и Кз, г» а также сопротивления компаундирующих элементов за-
висят от некоторого расчетного параметра р (или 6); при этом было
установлено, что в общем случае значение может быть произвольным.
Если предъявить к системе требование самовозбуждения, то область
возможных величин 6 оказывается существенно ограниченной.
74
§ 2.3. ПОДДЕРЖАНИЕ ПОСТОЯНСТВА ЧАСТОТЫ
С вопросом стабилизации частоты в судовых установках приходит-
ся встречаться при выполнении требований обеспечения постоянства
частоты у отдельных приемников и получения стабильной частоты всей
электрической станции. В первом случае необходимо осуществлять
стабилизацию частоты того'’или иного преобразователя, питающего
приемник; во втором — стабилизацию частоты первичного двигателя
генераторного агрегата судовой электрической станции.
Стабилизатор частоты машинного преобразователя. На рис. 2.33
приведена схема стабилизатора частоты СГ двухмашинного агрегата
с приводным электрическим двигателем постоянного тока. Контроль
Рис. 2.33. Принципиальная схема ре-
гулятора частоты преобразователя
Рис. 2.34. Резонансные ха-
рактеристики регулятора
частоты осуществляется с помощью двух резонансных контуров (xL1;
xci, xLz; хсъ), получающих питание от статора СГ. Резонансные конту-
ры настроены на разные частоты: первый контур — на меньшую, вто-
рой — на большую. В резонансные контуры через полупроводниковые
выпрямители включены встречно друг другу обмотки управления (0У1
и О У2) магнитного усилителя МУ с внутренней обратной связью. Маг-
нитный усилитель получает питание также от статора СГ и служит
для управления током одной из обмоток возбуждения 0В2 приводного
электродвигателя М преобразователя. Так как обмотки управления
одинаковы и включены навстречу друг другу, то при некоторой часто-
те /н разность их намагничивающих сил (рис. 2.34) равна нулю (/ovi —
— /оу 2 = 0). При увеличении частоты генераторов выше /н в резо-
нансном контуре 1 ток уменьшится, а в контуре 2 увеличится. Соот-
ветственно этому появится разность н. с. fOyi — /оуг > 0, которая,
воздействуя через магнитный усилитель на обмотку ОВ2, увеличит
магнитный поток электродвигателя, благодаря чему скорость агрегата
снизится до величины, близкой к первоначальной. При уменьшении
частоты ниже /н произойдет обратное явление. Ток в резонансном кон-
туре 1 уменьшится, а в резонансном контуре 2 возрастет. Разность н. с.
/оу1 — /оу2 < 0 станет меньше нуля, в результате чего уменьшится
и ток в обмотке возбуждения двигателя ОВ2. Двигатель увеличит
свою скорость до величины, близкой к первоначальной.
Двухимпульсный электромеханический регулятор частоты враще-
ния приводного двигателя состоит из механического центробежного дат-
чика частоты вращения и электрического датчика импульса мощности
75
с электромагнитами и гидроусилителем. На рис. 2.35, а показана
функциональная, а на рис. 2.35, б электрическая схема регулятора.
Электрический датчик мощности реагирует на изменение активной на-
грузки и с помощью электромагнитов приводит в действие гидроусили-
тель ГУ1, воздействуя параллельно с центробежным регулятором на
исполнительный орган — рейку топливного насоса. Для получения
астатической характеристики необходимо, чтобы золотник гидравли-
ческого усилителя, на который действуют электромагниты, возвратился
в исходное положение после того, как рейка топливного насоса передви-
нется в положение, соответствующее новой нагрузке генератора. Это
а)
Рис. 2.35. Схема регулятора скорости первичного двигателя;
а — функциональная; б — электрическая
означает, что при отклонении нагрузки в системе возникает сигнал,
приводящий к отклонению золотника, и затем, после перемещения рей-
ки в положение, соответствующее данной нагрузке, действие сигнала
прекращается. В рассматриваемой системе перемещение рейки топлив-
ного насоса приводит к повороту сельсина ТрВ, и когда алгебраическая
сумма сигналов от трансформатора тока ТрЗ и от сельсина будет равна
нулю, электромагнит отпустит якорь и золотник гидроусилителя воз-
вратится в исходное положение. Э. д. с. сельсина, в зависимости от угла
рассогласования, изменяется по закону е = Em sin 0.
При малых углах поворота характеристику сельсина можно при-
нять прямолинейной, поэтому между перемещением рейки и э. д. с.
сельсина сохраняется пропорциональность.
Основной частью схемы регулятора (см. рис. 2.35, б) является фазо-
чувствительный мост, обеспечивающий подачу сигнала к электромаг-
нитам ЭМ1 и ЭМ2 только при изменении активной нагрузки генерато-
ра. В самом деле, при принятой схеме, в случае наброса на генератор
реактивной нагрузки, выходной ток трансформаторов ТрЗ и соответст-
венно создаваемое им на сопротивлении R падение напряжения U'Tp\
сдвинуты относительно напряжения U'tp одной из выходных обмоток
трансформатора Тр на угол +90° и относительно напряжения Ufp
другой обмотки на угол —90°. При этом абсолютные значения результа-
те
рующих векторов U Tpi и UTp2 равны между собой и к первичным об-
моткам трансформаторов Тр1 и Тр2 подводятся равные по величине
напряжения, которые затем, трансформируясь и выпрямляясь, соз-
дают одинаковые по величине, но противоположные по знаку напря-
жения L7i и U2 на зажимах сопротивления R1 и R2. При этом напря-
жение между точками 1 и 2, а следовательно, и на зажимах обмоток
электромагнитов ЭМ1 и ЭМ2 равно нулю.
Иная картина получается при набросе на генератор активной на-
грузки. В этом случае имеет место алгебраическое суммирование век-
торов напряжения UT’P и JJtp выходных обмоток трансформатора Тр
с вектором падения напряжения Uri на зажимах сопротивления R,
благодаря чему напряжения Utpi и UtP2 на входных обмотках транс-
форматоров Тр1 и Тр2 оказываются разными (см. рис. 2.35), а между
точками 1 и 2 появляется напряжение 2 — Ui — U2, пропорцио-
нальное их разности. Приведенная система работает следующим обра-
зом: при холостом ходе генератора напряжения на выходных обмот-
ках трансформаторов Тр1 , Тр2 равны и напряжение между точками
1 и 2 равно нулю. Электромагниты ЭМ лишены питания. При набро-
се на генератор активной нагрузки баланс напряжения на входных об-
мотках трансформаторов Тр1, Тр2 нарушается, при этом появляется
напряжение такого знака,, при котором срабатывает электромагнит
ЭМ1, воздействующий через гидроусилители на увеличение подачи топ-
лива. Рейка топливного насоса начинает перемещаться, вместе с ней
поворачивается ротор сельсина, вводящий в цепь, питающую первич-
ные обмотки трансформаторов Тр1, Тр2, напряжение, обратное по зна-
ку напряжению на зажимах сопротивления R. Процесс продолжается
до тех пор, пока рейка топливного насоса не займет положение, соот-
ветствующее новой нагрузке. При этом напряжение сельсина уравно-
весит напряжение на зажимах сопротивления R и электромагнит ЭМ1
отключится. При сбросе активной нагрузки напряжение на сопротив-
лении R уменьшится и напряжение сельсина, противоположное ему
по фазе, окажется больше. При этом изменится соотношение напряже-
ний на входных обмотках трансформаторов Тр1, Тр2 и знак напряже-
ния между точками 1 и 2. Сработает электромагнит ЭЛ12, воздействую-
щий на систему подачи топлива в сторону его уменьшения. Рейка топ-
ливного насоса будет перемещаться в обратную сторону, а вместе с нею
будет поворачиваться и ротор сельсина, уменьшая напряжение на вы-
ходе. Процесс будет продолжаться, пока золотник топливного насоса
не займет положение, соответствующее новой нагрузке, при которой на-
пряжения на зажимах сельсина и сопротивления R окажутся сбалан-
сированными и электромагнит ЭМ2 отключится.
Регуляторы частоты вращения описанного типа обладают большим
быстродействием и обеспечивают меньшие отклонения скорости от но-
минальной величины при внезапных изменениях нагрузки, быстрое ее
восстановление и позволяют улучшить распределение активной на-
грузки между генераторами при их параллельной работе. Большая
сложность регуляторов является их недостатком.