Министерство образования и науки Украины
ОДЕССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ
А.А. Толстов
УСТРОЙСТВО И ЭКСПЛУАТАЦИЯ
СУДОВЫХ СИНХРОННЫХ
ГЕНЕРАТОРОВ
Учебное пособие
Одесса – 2006
ББК 31.261-1
Т 52
УДК 621.313.332
Толстов А.А. Устройство и эксплуатация судовых синхронных генераторов [Текст]: учебное пособие для курсантов и студентов морских вузов. – Одесса: ОНМА, 2006. – 150 с.
Рецензенты: — Яровенко В.А., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой электрооборудования судов Одесского национального морского университета;
Слободниченко Б.И., к.т.н., доцент кафедры электротехники Академии холода.
Обсуждено и одобрено ученым советом ОНМА в качестве учебного пособия для курсантов (студентов) высших морских учебных заведений направления 0922 «Электромеханика» по дисциплине «СЭЭС» 27 января 2007 г., протокол № 3
© А.А. Толстов, 2006
СОДЕРЖАНИЕ
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ.. 4
ПРЕДИСЛОВИЕ.. 5
Глава 1. Системы возбуждения бесщёточных синхронных генераторов. 6
Глава 2. Автоматические регуляторы напряжения и АРН типа FUJI EL. 17
Глава 3. Бесщеточный синхронный генератор «Siemens» с системой возбуждения типа THYRIPART 28
Глава 4. Система возбуждения типа ТR бесщеточного синхронного генератора 41
Глава 5. Система возбуждения MITSUBISHI с АРН типа VRG-BS7M... 55
Глава 6. Система возбуждения и регулирования напряжения синхронных генераторов типа BASLER EECTRIC 61
Глава 7. Система возбуждения и автоматического регулирования напряжения типа TAIYO 72
Глава 8. Система возбуждения и автоматического регулирования напряжения WGSY судовых синхронных генераторов типа GD и GBdm... 80
Глава 9. Цифровой тиристорный регулятор напряжения судовых генераторов ЦТРН 90
Глава 10. Регулятор напряжения типа ТРН.. 100
Глава 11. Система возбуждения ELIN.. 111
Глава 12. Система возбуждения и автоматического регулирования напряжения STRÖMBERG 117
Глава 13. Система возбуждения и автоматического регулирования напряжения типа STAMFORD 133
Глава 14. Система возбуждения и АРН типа NISHISHIBA.. 142
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.. 148
Список использованной литературы.. 149
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
АРН — автоматический регулятор напряжения;
АСУ — автоматическая система управления;
АСВ — автоматический выключатель генератора;
БСГ — бесщеточный синхронный генератор;
ГА — генераторный агрегат;
ГНВ — генератор начального возбуждения;
ГООС — гибкая отрицательная обратная связь;
ГРЩ — главный распределительный щит;
ДГ — дизель-генератор;
EVA — внешняя уставка напряжения (External Voltage Adjuster);
Ех — возбудитель (Exciter);
КН — корректор напряжения;
ОВ — обмотка возбуждения;
ОВГ — обмотка возбуждения генератора;
ОВВ — обмотка возбуждения возбудителя;
ООС — отрицательная обратная связь;
РН — регулятор напряжения;
CАРН — система автоматического регулирования напряжения;
СГ — синхронный генератор;
СИФУ — система импульсно-фазового управления;
СЭЭС — судовые электроэнергетические системы;
СФК — система фазового компаундирования;
ТРН — тиристорный регулятор напряжения;
ТР — терморезистор;
ТФК — трансформатор фазового компаундирования;
ЦПР — цепь параллельной работы.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Предлагаемое читателю издание представляет собой учебное пособие по дисциплине «Судовые электроэнергетические системы». Назначение ее заключается в том, чтобы дать курсантам, слушателям курсов повышения квалификации судовых специалистов необходимые знания в части автоматических регуляторов напряжения и их элементов.
После издания книг Ю.И. Максимова «Эксплуатация судовых синхронных генераторов» в 1969 и в 1983 г.г. автоматические регуляторы напряжения претерпели большие изменения — от инерционных магнитных схем до быстродействующих тиристорных, транзисторных и цифровых. Автором описаны современные регуляторы напряжения, причем, они представлены как в части устройств – описания, так и в части эксплуатации — устранения неисправностей.
Книга предназначена для курсантов ФЭМ и РЭ, ФА и может быть полезной судовым электроинженерам.
Автор выражает глубокую благодарность курсантам ФА, ФЭМ и РЭ за предоставление судовых инструкций на английском языке по разрабатываемой теме.
Большую помощь в работе над книгой оказали: д.т.н., профессор Власенко А.А., к.т.н., заведующий кафедрой Судовых электрических машин и автоматизированных приводов, профессор Васильев В.Н. и к.т.н., заведующий кафедрой Электрооборудования и автоматики судов доцент Луковцев В.С. Автор выражает им глубокую благодарность.
Рукопись одобрена и рекомендована к печати учёным советом ФЭМ и РЭ в качестве учебного пособия для курсантов 3-6 курсов.
Критические замечания и пожелания и прошу направлять по адресу: Одесса, ул. Дидрихсона 8, «ИздатИнформ».
Глава 1.
Системы возбуждения бесщёточных синхронных генераторов
Системы возбуждения, используемые в настоящее время на судах действующего флота, являются замкнутыми комбинированного типа прямого действия с амплитудно-фазовым компаундированием. В качестве объекта управления в основном применяется надежный бесщеточный синхронный генератор с предвозбудителем или без него.
1.1 Бесщёточный синхронный генератор
Одним из основных недостатков при обслуживании судовых синхронных генераторов является наличие щёточно-кольцевого аппарата. Этот узел наиболее изнашивается в процессе работы. Большое количество пыли от угольных щёток загрязняет обмотки, создавая проводниковые мосты между токоведущими частями синхронного генератора и корпусом: ухудшается изоляция генератора, уменьшая срок их службы, требуется внеочередной ремонт с полной разборкой.
Всё это отсутствует у бесщёточных синхронных генераторов. Возбуждение СГ осуществляется небольшим по размерам возбудителем переменного тока, состоящим из трёхфазной обмотки, расположенной на роторе генератора и электромагнитных полюсов, находящихся на статоре рядом со статорной обмоткой основной машины. Обмотка возбуждения возбудителя питается постоянным током от автоматического регулятора напряжения. Трёхфазный переменный ток, генерируемый в роторной обмотке, выпрямляется трёхфазным выпрямителем, расположенным на роторной обмотке возбудителя и поступает на роторную обмотку возбуждения генератора. Выпрямительное устройство бесщёточного генератора состоит из кремниевых диодов, соединённых по трёхфазной мостовой схеме, регулируемого балластного резистора и сглаживающего конденсатора.
Бесщёточный синхронный генератор (рис. 1.1) состоит из следующих компонентов, где:
G — статорная обмотка, выходная;
FG — роторная обмотка возбуждения генератора;
Si — блок вращающихся кремниевых выпрямителей;
E — роторная обмотка возбудителя, выходная;
FE — статорная обмотка возбуждения;
EVA — внешний реостат задающего напряжения;
AVR — автоматический регулятор напряжения (АРН).
Статорная обмотка синхронного генератора уложена в пазы железа статора и представляет собой три обмотки, соединенные звездой.
Конструктивно БСГ объединён с возбудителем переменного тока и вращающимся выпрямительным устройством в один агрегат. Отличительной особенностью БСГ является отсутствие контактных колец и щёток.
Возбудитель представляет собой обращённый трёхфазный синхронный генератор, у которого обмотка возбуждения является неподвижной и питается непосредственно от автоматического регулятора напряжения. В некоторых рассматриваемых далее системах возбуждения и регулирования напряжения генераторов (например,“TAIYO”, “MITSUBISHI”) обмотка возбуждения возбудителя состоит из двух частей: основной и управляемой от AРН, что обеспечивает более надёжное начальное возбуждение. Трёхфазная роторная обмотка возбудителя, соединённая звездой подключена к роторной обмотке генератора через трёхфазный блок вращающихся кремниевых выпрямителей, который находится между этими двумя обмотками, ближе к возбудителю, на специально
Рис. 1.1. Бесщёточный синхронный генератор
смонтированном изоляционном кольце. Кольцо и вентили вращаются вместе с роторами генератора и возбудителя и размещёны на общем валу.
Трёхфазный переменный ток, генерируемый при вращении в роторной обмотке возбудителя, выпрямляется трёхфазным кремниевым выпрямителем, расположенным на роторной обмотке возбудителя, и постоянное напряжение поступает на роторную обмотку генератора. Расположение вращающихся выпрямителей на роторной обмотке возбудителя удобно как для воздушного охлаждения, так и проведения обслуживания и ремонтных работ при проверке и замене вентилей.
В дополнение к кремниевому выпрямителю параллельно выходному напряжению подключается сглаживающий конденсатор и разрядный резистор для предотвращения обмотки возбуждения и конденсатора от пробоя.
Благодаря такой конструкции, исчезает необходимость в контактных кольцах и щётках для подвода тока к обмотке возбуждения генератора. Таким образом, возбудитель совместно с AРН позволяет поддерживать напряжение генератора с заданным отклонением при малых и больших нагрузках и обеспечивает защиту от короткого замыкания. Отсутствие щёточной аппаратуры значительно повышает надёжность БСГ, сокращает трудозатраты на обслуживание ввиду отсутствия угольной пыли на обмотках. Они также могут применяться и на высоких частотах вращения первичных двигателей, чем обеспечивается более надёжное возбуждение.
У БСГ, также как и у обычных синхронных генераторов, имеется демпферная обмотка. Она находится на явных полюсах ротора и имеет вид широких медных шин, соединенных в беличью клетку. Назначением демпферной обмотки является предотвращение колебаний напряжения ввиду резкого изменения нагрузки при параллельной работе генераторов, а также ограничение повышения третьей гармоники напряжения с увеличением нагрузки.
В результате совместных усилий обмоток статора генератора и возбудителя создаётся результирующая магнитодвижущая сила а, следовательно, и поток возбуждения, обеспечивая реакцию ротора и падение напряжения в обмотке статора генератора во всех режимах работы – от холостого хода до номинальной нагрузки.
Возбудитель переменного тока представляет собой обращённый синхронный генератор роторного типа. Ротор установлен на том же валу, что и ротор генератора и представляет собой трехфазную обмотку переменного тока. Нагрузкой возбудителя является обмотка возбуждения статора, поэтому необходим возбудитель переменного тока высокой частоты: чем выше частота, тем больше возбуждение. Однако высокая частота стремится увеличить потери в железе. Так как увеличение числа полюсов пропорционально увеличению частоты, то частота особенно ограничивается при использовании на низкой частоте вращения с точки зрения экономичности конструкции. В основном, для возбудителя переменного тока принята частота 60 Гц.
Кремниевый выпрямитель возбудителя переменного тока. Учитывая электрические и механические свойства, кремниевый выпрямитель для бесщёточного синхронного генератора должен быть высоконадежным, небольших габаритов и массы.
Он состоит из кремниевой части, которая закреплена вертикально на тонкой пластине основания, для надежного контакта пластины, основания и элемента, и питающего провода. Этот силовой тип контакта кремниевого элемента выпрямителя использует свою огромную силу, когда она приложена вертикально вместе с давлением по направлению к пластине основания и проявляет великолепные характеристики, учитывая такие механические недостатки как внешнее давление, центробежная сила, вибрация системы в действии. Все главные части кремниевого элемента типа P-N перехода помещены в кожух, в котором находится инертный газ, на работу которого не влияют окружающие атмосферные условия.
В дополнение к кремниевому выпрямителю параллельно подключены конденсатор и резистор для предотвращения от чрезмерного напряжения обмоток, предохраняя их от пробоя. При сборке вышеупомянутых компонентов FUJI El. произвел тщательную проверку их механической силы и местоположения, минимизируя пространство для установки, добиваясь однородной и эффективной вентиляции.
По габаритам БСГ сохранил те же размеры что и обычные СГ.
В настоящее время бесщеточные синхронные генераторы успешно используются на судах в качестве основных и аварийных источников электроэнергии.
Рис. 1.2. Изоляция вала БСГ от наводящих токов
|
Для предотвращения возникновения токов на валу генератора, появляющихся благодаря разбалансу магнитного сопротивления магнитных цепей, используются изоляторы на боковых крышках, как показано на рис. 1.2. Напряжение на валу для генераторов повышенных напряжений и частот обычно составляет 1 В и менее, и реже несколько вольт. Значение сопротивления изолятора должно быть 1-3 кΩ. Если масляная пленка с принудительной смазкой местами исчезает, это может привести к поломке подшипника или аварии генератора в целом.
В основном БСГ не требует особых трудозатрат на обслуживание. Достаточно почаще менять фильтры на воздухозаборах.
Таким образом, БСГ обеспечивает максимум надежности при минимуме трудозатрат на обслуживание.
Элементы системы возбуждения
Одним из основных элементов системы возбуждения синхрон ных генераторов является трёхфазный трёхобмоточный трансформатор TWT (рис. 1.3). Этот трансформатор разработан для:
§ получения тока возбуждения, необходимого генератору для выработки номинального напряжения на холостом ходу и под нагрузкой;
§ поддержания постоянного значения номинального напряжения путём компенсации падений напряжения, возникающих в генераторе в соответствии с векторной диаграммой;
§ подпитки обмотки возбуждения генератора суммарным током, выпрямленным главным выпрямителем.
Конструктивно трёхфазный трансформатор представляет собой систему из трёх обмоток со стальным Ш-образным сердечником, имеющим обмотки напряжения и тока. Уменьшенный размер сердечника используется для получения более упрощённой конструкции. Обмотки размещены таким образом, что воздушное пространство между проводами настолько мало, насколько возможно и таким образом в большой степени улучшает эффективность отвода температуры. Кроме того, поверхность изоляции сконструирована так, что площадь незащищённой поверхности на открытом пространстве увеличена и как результат – уменьшение колебаний температуры на поверхности изоляции. В результате местный перегрев внутри обмоток устраняется, что увеличивает надёжность.
Главный выпрямитель MR разработан для выпрямления выходного тока трёхфазного трансформатора, питания обмотки возбуждения генератора и использует кремниевый элемент выпрямления. Он защищён от обратного напряжения путём применения конденсатора C, описанного ниже так же, как и сам эффект хранения заряда этим конденсатором.
Реактор переменного тока L подсоединяется на фазные клеммы параллельно статорной обмотке генератора и предназначен для сдвига вектора тока холостого хода относительно напряжения генератора на угол, равный примерно 90° в сторону отставания.
| Рис. 1.3. Принципиальная схема системы возбуждения и регулирования |
Конструкция реактора такова, что величина зазора может быть легко выставлена для получения необходимого значения. Замыкающая секция построена так, что в соответствии с результатами испытаний при работе с высокой температурой, величина зазора, изменённая ухудшением изоляции, может быть успешно компенсирована. Обмотка катушки должна непосредственно проходить вокруг железного сердечника, таким образом, высокая температура в достаточной степени передаётся железному сердечнику. В проекте то же самое рассмотрено относительно изоляции. Результат состоит в том, что реактор имеет компактный размер и обеспечен достаточной индуктивностью, требуемой регулятором.
Вся конструкция в целом пригодна к работе в виде, разработанном для предотвращения появления прогибов и деформаций.
Результаты испытания на вибрацию доказывают, что устройство практически несмещаемо.
Блок конденсаторов С. Этот тщательно подобранный блок конденсаторов позволяет возникать резонансу в цепи реактора переменного тока и конденсатора. Поэтому на ток возбуждения в генераторе практически не влияют изменения значений сопротивления при повышении температуры в цепи возбуждения.
Соответственно, напряжение генератора устойчиво и не колеблется при изменениях температуры. Это позволяет чрезвычайно легко поддерживать напряжения на постоянном уровне, когда генератор запущен и нет необходимости предвозбуждать генератор, у которого небольшой остаточный магнетизм. В результате получаем возможность поддерживать постоянное значение вырабатываемого напряжения. В целом для выпрямительных цепей, имеющих большие значения индуктивности на входе и выходе, вырабатываемая выходная кривая (синусоида) напряжения искажена, что препятствует управлению напряжением через тиристор. Однако при установке конденсатора в цепь выпрямителя, форма кривой напряжения формируется таким образом, что обеспечивается устойчивый контроль изменения переменного напряжения. Конденсатор имеет малые габариты и размеры так, что внутренние потери сведены к минимуму — отклонение температуры на 10 °С ниже, чем у других конденсаторов. Что касается конструкции, особое внимание уделено варианту комплектации, в котором монтажная площадка и клеммная колодка расположены таким образом, что конденсатор может удовлетворительно работать при качке и вибрации судна.
Внешний реостат уставки напряжения EVA используется в качестве задатчика эталонного напряжения, с которым сравнивается текущее напряжение генератора. В целом, заданное напряжение устанавливается в диапазоне ±5 % от номинального значения и регулируется внешним резистором, имеющим следующие данные: сопротивление R=1,5 kΩ, мощность 2 KW.
Питающий трансформатор PT предназначен для питания цепей AРН. Он удовлетворяет предъявленным требованиям к питанию цепей управления и стандартизирован.
Компенсатор уравнительного тока используется при работе генератора в параллели. Он состоит из: компенсационного токового трансформатора ССТ и разностного токового трансформатора DCT, резистора CCR и нормально замкнутого контакта автоматического выключателя ACB. Данный контакт размыкается при включении на параллельную работу второго генератора. Таким образом, наличие обмотки DCT AРН2, у подключённого в параллель генератора, обеспечивает равномерное распределение реактивной нагрузки между генераторами.
Шунтовой резистор RS является регулируемым реостатом для использования в шунтирующей цепи тиристора, установленного в выходной цепи трёхфазного трансформатора.
Контрольные вопросы
1. Из каких элементов состоит система возбуждения СГ?
2. Как обеспечивается первоначальное возбуждение СГ?
3. Устройство и назначение реактора и блока конденсаторов.
4. Устройство и назначение трехобмоточного трансформатора.
5. Какая электрическая цепь обеспечивает распределение реактивной нагрузки между параллельно работающими генераторами?
Глава 2.
Автоматические регуляторы напряжения и АРН типа fuji el.
Для повышения точности регулирования напряжения в системах фазового компаундирования применяются автоматические регуляторы напряжения. При изменении нагрузки генератора необходимая коррекция компенсирует влияние магнитного насыщения генератора, гистерезис и температурные изменения сопротивления обмоток. Как показывают испытания генераторов (рис. 2.1), в системе возбуждения с АРН после наброса нагрузки наблюдается улучшение переходного процесса, т.е. уменьшается время восстановления напряжения.
Рис. 2.1. Осциллограмма наброса нагрузки на синхронный генератор с системой возбуждения и корректором напряжения, cosφ = 0,8