Особенности работы электрооборудования при уменьшении частоты

В целом влияние РПЧ на ЭО может проявляться за счет ухудшения охлаждения электрических машин с самовентиляцией, а также, и это главное, вследствие изменения магнитного потока, связанного с изменением характеристики (где U — напряжение сети, f — ее частота).

Однако сразу следует сказать, что указанное влияние РПЧ будет существенным только при глубоком уменьшении частоты (до 10% и больше). В данном же случае, когда речь идет о понижении частоты не более чем на 4%, влияние этого режима на основные рабочие параметры ЭО будет незначительным, хотя и заметным.

Синхронные генераторы.Характеристика определяется системой автоматического регулирования напряжения (САРН) синхронных генераторов. В настоящее время на морских судах используются САРН, обеспечивающие в основном три типа характеристики :

1. , при которой напряжение изменяется примерно пропорционально частоте. Такой характеристикой обладают системы прямого амплитудно-фазового компаундирования без корректора напряжения, которые установлены на судах старой постройки.

2. , при которой напряжение при изменении частоты в определенных пределах относительно стандартного значения остается постоянным (генераторы с бесщеточными системами возбуждения, работающие "по отклонению" напряжения).

3. Характеристика смешанного типа, при которой, например, до частоты обеспечивается , а при .

В этом случае обеспечивается защита цепи возбуждения от перегрузки при длительной работе генератора при пониженной частоте вращения с включенным возбуждением (например, при использовании валогенератора).

Вновых электронных САРН можно получать любые промежуточные характеристики . Так, имеет определенные преимущества характеристика вида:

При ее использовании уменьшение частоты на 4%, т.е. , дает снижение напряжения только на 2%, т.е. . При этой характеристике в РПЧ в более благоприятных условиях оказываются потребители, зависящие главным образом от изменений напряжения (подробнее об этом сказано далее).

Для самих генераторов небольшое понижение частоты и напряжения не создает каких-либо серьезных проблем. Некоторое ухудшение охлаждения генераторов с самовентиляцией будет скомпенсировано уменьшением тепловыделений при снижении нагрузки, не говоря уже о том, что длительная нагрузка генераторов на любом типе судна не превышает 80—90% номинальной.

Оценивая влияние изменения частоты и напряжения на параметры ЭО, все судовые электропотребители можно условно разделить на 3 основные группы:

1. Потребители, зависящие прежде всего от частоты, — асинхронные электродвигатели (АД), трансформаторы, контакторы и т.п., а также люминесцентные светильники.

2. Потребители, зависящие только от напряжения, — лампы накаливания, электронагревательные приборы.

3. Потребители, режим работы которых зависит и от частоты и от напряжения, — выпрямители, зарядные устройства, устройства питания систем автоматизации т.п.

Асинхронные электродвигатели. Известно, что нагрузка судовой электростанции определяется в основном ЭП с АД (более 80% в ходовом режиме). Статические частотные характеристики нагрузки ЭП зависят от характера изменения момента сопротивления механизма при изменении частоты вращения. По этому принципу судовые ЭП делятся на две группы:

1. С постоянным моментом сопротивления нагрузки, у которых при изменении частоты вращения (частоты сети) мощность, потребляемая

ЭП, , т.е. пропорциональна частоте. В эту группу входят так называемые объемные насосы (винтовые, шестеренные, поршневые), компрессоры, сепараторы, механизмы подъема груза и т.п.

2. С моментом сопротивления нагрузки, пропорциональным квадрату частоты вращения, у которых при изменении частоты мощность, потребляемая ЭП т.е. пропорциональна кубу частоты. В эту группу входят центробежные насосы и вентиляторы.

Уменьшение частоты тока при номинальном напряжении сети вызывает увеличение магнитного потока АД, что необходимо для сохранения прежней ЭДС обмотки статора, уравновешивающей напряжение сети. Одновременно увеличивается ток намагничивания АД (ток холостого хода). Потребляемый из сети ток (ток статора АД), равный геометрической сумме приведенного тока ротора и тока холостого хода, изменяется в зависимости от загрузки АД и относительной величины тока холостого хода. Для большинства судовых АД эти значения таковы, что понижение частоты на 4—5% при неизмененном напряжении сопровождается заметным уменьшением потребляемого тока ЭП центробежных насосов. Для объемных насосов уменьшение тока менее заметное или даже вообще отсутствует.

С другой стороны, снижение напряжения сети при неизменной частоте оказывает на АД действие, противоположное описанному, так как при этом магнитный поток и намагничивающий ток уменьшаются.

В связи с этим можно сделать вполне правомерный вывод о том, что РПЧ будет оптимальным при одновременном уменьшении частоты сети и ее напряжения. При этом нагрузка АД уменьшается при любой зависимости момента сопротивления от частоты вращения, снижаются потери в стали и нагрев АД, практически отсутствует влияние на коэффициент мощности.

Все сказанное о режимах работы АД при использовании РПЧ полностью подтвердилось в ходе экспериментов на ролкере "Магнитогорск" (БМП). Рабочие токи ЭП объемных насосов при частоте 48 Гц и остались практически прежними, а их температура возросла в среднем на 4 °С; для центробежных насосов токи уменьшились на 5—8%, а температура АД снизилась на 2—7 °С.

При одновременном уменьшении частоты и напряжения (пропорционально частоте) токи ЭП объемных насосов снизились на 3—6%, центробежных — на 8%, что в целом соответствует экономии электроэнергии около 3% на 1% уменьшения частоты, т.е. примерно 12% при частоте 48 Гц.

Пусковой и максимальный моменты АД при снижении частоты увеличиваются, что ведет к некоторому уменьшению времени пуска и увеличению устойчивости работы ЭП. Например, в эксперименте на т/х "Магнитогорск" время пуска ЭП компрессор пускового воздуха и балластного насоса при частоте 48 Гц и неизменном напряжении сети уменьшилось на 2—4%. Изменились также параметры рабочего цикла автоматического компрессора. Среднее время цикла увеличилось с 90,3 мин при 50 Гц до 94,7 мин при 48 Гц за счет увеличения времени включенного состояния.

Трансформаторы. При уменьшении частоты ток холостого хода трансформаторов возрастает обратно пропорционально кубу частоты. Поскольку этот ток относительно невелик, а судовые трансформаторы, как правило, недогружены, подобное возрастание тока опасности не представляет.

Электромагнитные контакторы (а также электромагниты тормозов, клапанов и др., дроссели и т.п.). Ток их обмотки определяется известным соотношением

где — соответственно активное сопротивление обмотки и ее индуктивность. При притянутом якоре и ток обратно пропорционален частоте. При отпущенном якоре изменение тока зависит от соотношения .

Устойчивость работы электромагнитных контакторов определяется силой электромагнита, которая при включенном состоянии контактора и уменьшении частоты изменяется больше, чем в момент включения, когда зазор между якорем и ярмом велик. Поэтому допустимые изменения частоты в сети определяются сохранением включенного состояния контактора, а не его способностью включаться при частоте, отличной от номинальной. Сила притяжения якоря во включенном положении обратно пропорциональна квадрату частоты тока, т.е. при уменьшении частоты и она возрастает. При величина силы притяжения практически не изменяется.

Лампы электроосвещения.Световой поток ламп накаливания не зависит от частоты, а у люминесцентных обратно пропорционален частоте (что обусловлено индуктивным балластом в цепи лампы) и прямо пропорционален напряжению.

В соответствии с этим при понижении частоты на 4% и освещенность от ламп накаливания не меняется, а от люминесцентных увеличивается примерно на 2%. При понижении напряжения на 4% освещенность от ламп накаливания уменьшается примерно на 15%, а от люминесцентных — на 4%. При одновременном понижении частоты и напряжения на 4% освещенность от люминесцентных ламп падает всего на 2%.

Из приведенных сведений очевидно, что если освещение обеспечивается преимущественно лампами накаливания, то РПЧ предпочтительнее проводить при номинальном напряжении. Если же используются в основном светильники с люминесцентными лампами (на всех судах постройки 1970-х годов и более поздних), то допустимо в РПЧ наряду с частотой понижать также и напряжение.

Электронагревательные устройства. Эффективность их работы (например, время нагрева какой-то массы воды до определенной температуры) не зависит от частоты тока сети, но зависит от напряжения. Если уменьшение частоты сопровождается одновременным уменьшением напряжения, то время нагрева при прочих равных условиях будет удлиняться.

Устройства питания. Эти устройства могут быть автономно установленными и находящимися в составе электрорадионавигационных устройств и средств автоматизации. Они представляют собой статические преобразователи, состоящие из трансформаторов, выпрямителей, фильтров, стабилизаторов выходного напряжения, и некритичны к изменениям частоты и напряжения сети в пределах, допускаемых Правилами Регистра.

В табл. 8 представлены основные результаты эксперимента по использованию РПЧ на т/х "Магниторгорск" в ходовом режиме при уменьшении частоты и номинальном напряжении, а также при пропорциональном уменьшении частоты и напряжения. Из таблицы следует, что при снижении частоты до 48 Гц (4%) потребление мощности при уменьшилось на 50 кВт (7,9%), а при одновременном пропорциональном уменьшении напряжения — даже на 80 кВт (12,7%). Коэффициент мощности в первом случае несколько снизился, а во втором остался неизменным.

Таблица 8

Параметры электростанции

Напряжение судовой сети, В/%

395/100

395/100

387/98

379/96

375/95

Частота тока, Гц/%

50/100

49/98

48/96

47,5/95

50/100

49/98

48/96

47,5/95

Мощность электростанции, кВ т/%

630/100

600/95,2

580/92,1

570/90,5

630/100

580/92,1

550/87,3

540/85.7

Коэффициент мощности

0,77

0,74

0,73

0,72

0,77

0,77

0,77

0,77

Отношение

7.9

8,06

8,2З

8,32

7.9

7.9

7.9

7,9