Принцип действия и устройство судовых синхронных генераторов и двигателей, типы их, область применения.

Ответ

Генерирование и распределение электрической энергии на современных судах, как правило, осуществляется на переменном токе. Даже в тех случаях, когда значительную часть судовой элек­трической нагрузки составляют потребители постоянного тока, их питание обеспечивается преобразователями переменного тока в постоянный. Поэтому, основным типом современных судовых источников электрической энергии являются источники перемен­ного тока.

На судах отечественного морского флота используется не­сколько серий судовых синхронных генераторов с мощностями в диапазоне от десятков киловатт до единиц мегаватт: МСК, МСС, ГСС, ГМС, ТМВ и др., которые выполняются на напряжение 230 или 400 В с частотой 50 Гц. Номинальные частоты вращения гене­раторов могут быть 500, 750, 1000, 1500 и 3000 об/мин. Общий вид судового синхронного генератора показан на рис. 3.

Рисунок 3 — Общий вид судового синхронного генератора

На судах широкое применение получили трехфазные синхронные генераторы (СГ), чаще всего с самовозбуждением или независимым возбуждением (при небольшой мощности синхронного генератора). Во втором случае в качестве возбудителя чаще всего применяются генераторы постоянного тока, соединенные по валу с генерирующим агрегатом, с помощью эластичной муфты. Наибольшее применение получили СГ следующих серий: МС, МСК, МСС, ГМС, ОС, СБГ.

Судовые синхронные генераторы принципиально не отличаются от генераторов, устанавливаемых на береговых электростанциях (рис. 4,а). Приводной двигатель ПД вращает ротор генератора, на котором расположена обмотка возбуждения ОВ. Во вращающуюся обмотку возбуждения через подвижные кон­такты, образованные щетками и контактными кольцами, по­ступает постоянный ток — ток возбуждения . Этот ток, про­ходя по обмотке возбуждения, создает основной магнитный поток машины , вращающийся вместе с обмоткой возбуждения. На статоре расположена трех­фазная обмотка, к которой подключается нагрузка генератора. В результате взаимодействия магнитного поля с проводниками статорной обмотки в ее фазах индуктируются три симметричные ЭДС , , , сдвинутые по фазе друг относительно друга на угол 2π/3. Эти ЭДС обеспечивают на зажимах генератора (и на­грузки) трехфазное напряжение (линейные напряжения , , ), которое в свою очередь обусловливает трехфазный ток (линейные токи , , ).

Рисунок 4 — Принципиальные схемы возбуждения синхронных генераторов

Статорная обмотка судовых генераторов соединяется звездой или треугольником. Нейтральная точка звезды изолируется, так как нейтрального провода в СЭЭС нет. Изоляция нейтральной точки в судовых генераторах обусловлена главным образом требо­ваниями техники безопасности.

Судовые синхронные генераторы бывают брызгозащищенного или водозащищенного типа. Конструкция подшипников должна обеспечивать надежную длительную работу при предельно допу­стимых кренах, дифферентах и вибрациях. Напряженный темпе­ратурный режим в судовых машинных отделениях требует принудительного охлаждения генераторов. Обычно применяется воз­душное охлаждение с помощью крыльчатки, укрепленной на валу самого генератора (самовентиляция). В большинстве случаев охлаждение современных синхронных генераторов происходит по замкнутому циклу: нагретый в машине воздух поступает в водяной воздухоохладитель, где охлаждается и затем вновь подается в гене­ратор. Воздухоохладитель обычно располагается над генератором и крепится на наружной стороне его корпуса (рис. 3). Такая система вентиляции сложнее и дороже, чем вентиляция по разомк­нутому циклу, но она обеспечивает более комфортные условия работы в машинном отделении (не происходит выброса горячего воздуха в помещение), предотвращает загрязнение внутренних поверхностей генератора парами нефтепродуктов и пылью, что повышает его надежность и долговечность, и практически не зависит от температуры воздуха в машинном отделении.

В некоторых типах генераторов, в частности в генераторах серии ТК2, применяется жидкостное охлаждение обмоток, являющееся более сложным, но и более эффективным, чем воздушное, и способствующим улучшению массогабаритных показателей гене­раторов.

Обычно у судовых генераторов, так же, как и у общепромыш­ленных, трехфазная обмотка переменного тока располагается на статоре, а обмотка постоянного тока (обмотка возбуждения) — на роторе. Однако есть типы судовых генераторов малой мощ­ности (например, серии ЕСС), у которых принято обратное расположение обмоток (такие генераторы называются обращен­ными).

Важнейшим фактором, влияющим на все характеристики гене­ратора, в том числе и на его конструкцию, является способ возбуждения генератора — способ получения, регулирования и пере­дачи в обмотку возбуждения тока возбуждения.

До середины 60-х годов основным вариантом системы возбужде­ния судовых генераторов была схема независимого возбуждения, при которой в качестве источника постоянного напряжения исполь­зовался электромашинный генератор постоянного тока (возбуди­тель В). Возбудитель устанавливался на общем валу с синхронным генератором и приводился во вращение от общего приводного двигателя. Якорная обмотка возбудителя питала обмотку возбуж­дения генератора (рис. 4, а). Мощность возбудителя состав­ляла 1,5—4 % мощности синхронного генератора. Этот способ возбуждения имеет существенные недостатки. Главный из них — низкая надежность возбудителя (коллекторная машина). Как показывает практика эксплуатации СЭЭС, большая часть аварий генераторных агрегатов происходит из-за повреждений возбуди­теля. Кроме того, несмотря на незначительность мощности возбу­дителя, по сравнению с мощностью синхронного генератора, массо-габаритные характеристики заметно ухудшаются из-за возбуди­теля. Особенно возрастает длина агрегата.

В настоящее время судовые генераторы с возбудителем постоян­ного тока уже не выпускаются, но на судах постройки 50—60-х годов такие генераторы (главным образом, серии МС) продолжают работать.

Более совершенной является система самовозбуждения, отли­чающаяся тем, что для возбуждения генератора используется небольшая часть (~2—5 %) электрической энергии, вырабаты­ваемой этим же генератором. Поскольку для возбуждения требу­ется постоянный ток, а генератор дает переменный, то возникает необходимость в промежуточном преобразовательном звене — выпрямителе (4,б). Один из основных элементов си­стемы — выпрямитель — выполняется на полупроводниковых вен­тилях (диодах, тиристорах) и обладает достаточно высокой надеж­ностью, малой массой и габаритами, что и определяет широкое применение этого способа возбуждения на судах.

Обычно элементы системы самовозбуждения (автоматического регулирования напряжения) располагаются над статором генера­тора рядом с воздухоохладителем (рис. 3).

Для обеспечения начального возбуждения используется допол­нительный источник постоянного напряжения (например, аккуму­ляторная батарея), который на время запуска (порядка секунд) подключается к обмотке возбуждения. После того, как на зажимах генератора появляется напряжение, этот источник уже не нужен и его отключают.

Начальное возбуждение практически может быть обеспечено и без дополнительного источника постоянного напряжения за счет остаточной ЭДС, индуктируемой в статорной обмотке остаточным магнитным потоком ротора. В подавляющем большинстве судовых синхронных генераторов с самовозбуждением процесс начального возбуждения при пуске генератора обеспечивается именно за счет остаточной ЭДС.

Перспективной системой возбуждения синхронных генераторов, которую уже начали использовать на судах, является бесщеточная система независимого возбуждения. Генераторы с такой системой возбуждения получили название бесщеточных синхронных гене­раторов (БСГ).

В настоящее время предложено много вариантов схем возбуж­дения БСГ. Принципиальная схема одного из вариантов представ­лена на рис. 4,в. Для возбуждения используется электромашин­ный возбудитель — синхронный генератор, имеющий две трех­фазные обмотки переменного тока: одна расположена на статоре, другая — на роторе. Статорная обмотка возбудителя получает питание от синхронного генератора. Переменное напряжение, снимаемое с роторной обмотки, подается на выпрямитель, который нагружен на обмотку возбуждения синхронного гене­ратора.

Основное достоинство такой системы возбуждения – отсут­ствие щеточного аппарата (контактных колец и щеток), что повы­шает удобство эксплуатации и надежность подачи питания в об­мотку возбуждения.