Россия выстроит собственную навигационную систему 8 страница

Основными источниками электрической энергии на современных судах являются ге­нераторные агрегаты, включающие в себя две машины: приводной двигатель и электро­машинный генератор. Двигатель и генератор устанавливаются на общем основании (фундаментной плите, раме). Валы двигателя и генератора соединяются между собой спе­циальной муфтой или через редуктор.

Генераторный агрегат одно из наиболее тяжёлых и габаритных судовых устройств. Поэтому конструкция и способ их размещения и установки влияют на размеры и плани­ровку машинного отделения судна. Размещение и установка генераторного агрегата произ­водится по правилам обеспечения необходимой жёсткости и прочности переборок судна в местах крепления генераторного агрегата, уменьшение шумности и вибрации при их работе, достаточного удобства эксплуатации и возможности ремонта, уменьшения давлений на подшипники при кренах и дифферентах судна и т.д.

В генераторном агрегате (рис.9.7) происходит двойное преобразование энергии: в приводном двигателе ПД энергия Wт сжигаемого топлива или пара преобразуется в механическуюWмех и далее в генераторе Г в электрическую Wэл.

Рис.9.7. Преобразование энергии в преобразовательном агрегате

Двойное преобразование энергии сопровождается значительными её потерями. Максимальный КПД судового генераторного агрегата не превышает 30%. Большая часть энергии теряется в приводном двигателе. Генератор, входящий в генератор­ный агрегат, может быть как постоянного, так и переменного тока. В качестве при­водных двигателей на судах находят применение дизели, паровые турбины, газовые турбины, паровые машины.

Дизель - генераторы нашли преимущественное применение в СЭЭС благодаря тому, что дизели обладают сравнительно высоким КПД (~ 30%), постоянно готовы к быстрому запуску (в течение 30 сек.), автономны в работе, просты в эксплуатации. Вместе с тем дизели имеют малый срок службы (моторесурс быстроходных дизелей порядка 10000 час), неравномерный крутящий момент, низкую перегрузочную способность(10-15%) и высокий уровень шума. Низкая перегрузочная способность отрицательно сказывается на динамических характеристиках в переходных режимах при внезапных кратковременных нагрузках. Неравномерность (пульсации) крутящего момента дизеля снижает стабильность напряжения и частоты генераторов и возбуждает колебательные процессы (качания) при параллельной работе дизель - генераторов, сопровождающихся вредными обменными колебаниями мощности ме­жду агрегатами.

Парогенераторы были первым типом генераторных агрегатов, применяемых на судах. Ввиду целого ряда серьёзных недостатков паровых машин: низкий КПД, большие массы, габариты и др. на современных судах парогенераторы, как правило, не применяются.

Паротурбогенераторы находят применение преимущественно в мощных СЭЭС, в частности, на судах с атомной главной энергетической установкой, так как с уве­личением мощности турбины её технико-экономические показатели оказываются выше. Паровые турбины имеют повышенный срок службы (моторусурс порядка 20000 час), равномерный крутящий момент, высокую перегрузочную способность (20%). К числу недостатков турбин как приводных двигателей генераторов относятся большая частота вращения (возникает необходимость в дополнительном редукторе между турбиной и генератором), более низкий (по сравнению с дизелями) КПД, большое время запуска (до20мин. и выше) и необходимость в квалифици­ро­ванном обслуживании.

Газотурбогенераторы получают всё более широкое распространение на судах. Газовые турбины сочетают в себе достоинства дизелей и паровых турбин: компактны, обладают относительно высоким КПД (до 30%) и большим сроком службы, характеризуются равномерностью вращающего момента и большой перегрузочной способностью, автономны в работе, имеют малое время запуска.

К недостаткам газовых турбин относятся повышенная шумность, сравнительно высокий расход топлива, большая частота вращения. По своему назначению генера­торные агрегаты делятся на следующие:

- главные, входящие в состав гребных электрических установок;

- вспомогательные, осуществляющие питание судовых потребителей электроэнергии в нормальных режимах работы СЭЭС;

- аварийные, обеспечивающие питание жизненно важных потребителей в аварийных ситуациях.

10. Судовые источники питания

10.1. Синхронные генераторы.

В качестве генераторных агрегатов в составе отечественных судовых турбогенераторных и дизель-генераторных установок в настоящее время используются судовые синхронные генераторы следующих марок (По данным ведущих российских производителей турбогенераторных установок ОАО «Калужский турбинный завод» и ОАО «Силовые машины».):

- МСК, ГМ, ГС, МСС, ГМС (АО “Электросила”, г. СанктПетербург)

- ТК (АО “Привод”, г. Лысьва)

- ТПС (ООО "ПО ЛЭЗ”, г. СанктПетербург)

- СГ2 (АО “СЭЗ”, г. Сафоново, Смоленской обл)

- DSG62L24W, DSG74LI4W и другие (TO “AvK” Германия)

- 1FC2, 1FC3 (“Siemens” Германия)

Турбогенераторы приводятся от турбин конденсационного типа. Параметры наиболее распространённых турбогенераторных установок, используемых на речных и морских судах неограниченного района плавания, приведены в таблице 10.1.

Таблица 10.1. Параметры судовых турбогенераторных установок.

Судовые синхронные генераторы имеют следующие технические особенности:

- Большинство судовых турбогенераторов изготавливаются на напряжение 400в, частотой 50Гц. Номинальные частоты вращения роторов – 1500 и 3000 об/мин. В последнее время для нужд морских стационарных и самоходных буровых платформ разработаны судовые турбогенераторные установки на напряжения 10500 и 6300 В.

- Судовые дизельгенераторы изготавливаются в подавляющем большинстве на напряжение 400в, с номинальными частотами вращения роторов – 500, 750 и 1000 об/мин.

- Роторы генераторов изготавливаются явнополюсными на частоту вращения 500, 750, 1000 и 1500 об/мин и неявнополюсными на 3000 об/мин.

- Начальное возбуждение турбогенераторов обеспечивается без постороннего источника питания, надёжное начальное возбуждение – при минимальной частоте вращения, составляющей 0,9-0,95 от номинальной.

- Отклонения напряжения на зажимах турбогенератора в диапазоне мощностей 0-100% от номинальной не превышает пределов, установленных правилами МРС РФ.

- Демпферная обмотка, установленная в полюсах ротора допускает длительную работу под несимметричной нагрузкой), при условии, что токи отдельных фаз не превышают номинальных.

- Судовые генераторы выдерживают без механических и тепловых повреждений трёхфазное короткое замыкание в течение 5-10с (в зависимости от типа ГА), при условии, что ударный ток к.з. не превосходит 14-17 кратного значения от номинального, а установившийся ток к.з. 3-4 кратного значения.

- Судовые генераторы могут длительное время работать в параллельном соединении между собой и генераторами других марок. Параллельная работа генераторов возможна с уравнительными соединениями и без них.

- Изоляция обмоток генераторов выполняется влаго-, водо- и маслостойкой. В статоре применяется изоляция классов H и B, в роторе H, B и F, в силовых элементах системы возбуждения H и F.

- Конструкция генераторов обеспечивает заданную возможность электрической перегрузки. Машины допускают превышение статорного тока на 150% от номинала в течение 30 с, или на 110% в течение 1 часа, с цикличностью 6 часов, без всякого вреда обмотке.

- Генераторы в основном имеют степень защиты IP 53 или IP 55 по ГОСТ 14254-96. Последний может иметь водяное охлаждение или воздушный теплообменник с наружной вентиляцией.

Генераторы постоянного тока в настоящее время на вновь строящихся судах практически не применяются.

Генерирование и распределение электрической энергии на современных судах, осу­ществляется на переменном токе. Даже в тех случаях, когда значительную часть судовой электрической нагрузки составляют потребители постоянного тока, их питают 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, ГМВ и другие, которые выполня­ются на напряжение 230 или 400В с частотой 50 Гц. Номинальное частоты враще­ние генераторов могут быть 500, 750, 1000, 1500, 3000 об/мин.

Судовые силовые генераторы принципиально не отличаются от генераторов, устанавли­ваемых на береговых электрических станциях. Приводной двигатель ПД вращает ро­тор генератора, на котором расположена обмотка возбуждения ОВ. Во вращающеюся 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 Ф, вращающийся вместе с обмоткою возбуждения. На статоре расположена трехфазная обмотка, к которой подключается нагрузка, генератора. В результате взаимодействия магнитного поля с проводниками статорной обмотки, в её фазах индуцируются три симметричных ЭДС Еа, Ев, Ес, сдвинутые по фазе друг относительно друга на угол 2/3 . Эти ЭДС обеспечивают на зажи­мах генератора и нагрузки трехфазное напряжение (линейное напряжение Uав, Uвс, Uса) которое в свою очередь обуславливает трехфазный ток ( линейные токи IA, IB, IC).

До середины 60 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 (рис.10.1 а).

Рис.10.1. Схемы возбуждения синхронного генератора

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 тре­бо­ванием техники безопасности.

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

Возбудитель на общем валу с син­хронным генератором приводился во вращения от общего приводного двигателя. Якорная обмотка возбудителя питает обмотку возбуждения генератора. Мощ­ность возбудителя составляет (1,5 -4)% мощности СГ. Этот способ возбуждения имеет сущест­венный, недостаток. Главный недостаток - низкая надежность воз­будителя (коллекторная машина).

Как показывает практика эксплуатации СЭЭС, большая часть аварий генераторных агрегатов происходит из-за повреждения возбудителя. Несмотря на незначительность мощности возбудителя, по сравне­нию с мощностью СГ, массогабаритные характеристики заметно ухудшаются из-за возбу­дителя. Особенно возрастает длина агрегата. В настоящие время гене­ратор с возбудителем постоянного тока уже не выпускается.

Более современной является система самовозбуждения, (рис10.1.,б) отличаю­щиеся тем, что для возбуждения используется небольшая часть (2 – 5)% электрической энергии, вырабатываемой этим же генератором. Так как для возбуждения требуется постоянный ток, а генератор даёт переменный, то возникает необходимость в промежуточном преобразовательном звене - выпрямителе.

Для обеспечения начального возбуждения используется дополнительный источ­ник постоянного тока (например, аккумуляторная батарея), который на время запуска (порядка секунд) подключается к обмотке возбуждения. После того как на зажимах генератора появляется напряжение, этот источник не нужен и его отключают. Начальное напряжение может быть обеспечено и без дополнительного источника постоянного тока за счет остаточной ЭДС, индуктируемой в статорной обмотке остаточным магнитным потоком ротора.

В подавляющем большинстве судовых генераторов с самовозбуждением, процесс начального возбуждения при запуске генератора обеспечивается именно за счет остаточной ЭДС. Перспективной сис­темой возбуждения СГ является безщеточная система независимого возбуждения (рис.10.1.,в). Генераторы с такой системой возбуждения получили название безще­точных СГ (БСГ). В настоящее время предложено много вариантов схем возбуж­дения (БСГ). Для возбуждения используется электромашинный возбудитель - СГ, имеющий две трехфазные обмотки переменного тока: одна расположена на статоре, другая на роторе. Статорная обмотка возбудителя получает питание от СГ. Переменное напряжение снимается с роторной обмотки, подаётся на выпрямитель, который на­гружен на обмотку возбуждения СГ. Основное достоинство такой системы возбуж­дения отсутствие щеточного аппарата, что повышает удобство эксплуатации и на­дежность подачи питания в обмотку возбуждения.

10.2. Генераторы постоянного тока.

Наибольшее распространение на судах получили генераторы постоянного тока серии П (рис.10.2.).

У генератора постоянного тока начальное самовозбуждение при пуске осущест­вляется за счет остаточной ЭДС. Согласно правилам Морского Регистра отклонения постоянного напряжения от номинального значения напряжения, во всем диапазоне изменения нагрузки генера­тора и при изменении частоты вращения ПД в диапазоне 5% не должны превышать .

Рис.10.2. Схемы возбуждения генератора и их внешние характеристики

10.3. Электромеханические преобразователи электрической энергии

На судне есть потребители, требующие для своего питания электрическую энергию с параметрами (род тока, величина напряжения и частота), которые не обеспечиваются судовой электростанцией. Отсюда возни­кает необходимость в соответствующих преобразованиях электрической энер­гии, что осуществляется с помощью электромеханических или статиче­ских преобразователей. Электромашинный преобразователь включает в себя две электрические машины: генератор и двигатель. Тип генератора диктуется требуемым видом электрической энергии. Тип двигателя определяется видом основной судовой сети: в СЭЭС перемен­ного тока - трехфазные АД, в СЭЭС постоянного тока - ДПТ. Таким образом, в электромеханических преобра­зователях осуществляется двойное преобразование электрической энергии: электрическая энер­гия преобразуется двигателем в механическую энергию, которая далее пре­образуется генератором в электрическую энергию требуемой частоты и напряжения.

Двигатель Д и генератор Г, составляющие преобразовательный агре­гат, располагаются на общем фундаменте и соединяются между собою с по­мощью муфты. Для улучшения массогабаритных показателей обе машины объединяются в общем корпусе на одном валу. Кроме того, в состав пре­обра­зователя входят магнитный пускатель электрического двигателя, уст­ройства защиты, устройства сигнализации, блоки регулирования напряже­ния и частоты.

10.4. Статические преобразователи электрической энергии.

Все необходимые на судах преобразователи электрической энергии могут быть обеспечены трансформаторами и электронными устройствами, в которых преобразование энергии осуществляется без использования вращающихся машин и других подвижных элементов. Отсюда название - статические преобразователи.

На судах преимущественное применение получили полупроводниковое преобразователи. Основными элементами полупроводниковых преобразователей являются полупроводниковые вентили – диоды, тиристоры. Силовые кремневые вентили обеспечивают высокие параметры по току и напряже­нию (ударный ток до 10-20кА, напряжение до единиц кВ). Рабочие пара­метры вентилей остаются стабильными при температуре до 125-140^оС, что позволяет строить статические преобразователи от долей ватта, до тысяч киловатт, что перекрывает существующие потребности потребителей в пре­образованиях электрической энергии на судах.

Отсутствие подвижных элементов и свойства полупроводниковых вентилей обус­лавливает преимущества полупроводниковых статических преобразователей по сравнению с электромашинными: более высокий КПД на (5-10)%, больший срок службы, бесшумность в работе, лучшие массогаба­ритные характеристики, большее быстродействие, практически мгновен­ная готовность к работе.

К основным недостаткам статических преобразователей относятся худшее, чем в электрома­шинных преобразователях качество выходного напряжения и их отрицательное влияние на каче­ство питающего входного напряжения.

11. Электрические станции

11.1. Принципиальная схема судовой электростанции

Электрической станцией (ЭС) (рис.11.1.) называется технический комплекс,

Рис.11.1. Принципиальная схема судовой электрической станции

состоящий из источников электрической энергии и главного распределительного щи­та (ГРЩ), предназначенного для ге­нерирования электрической энергии и её подачи в электрическую сеть к приемникам (потребителям).

Генераторные агрегаты ГА с помощью кабелей К и автоматических выключа­телей Вг подключаются к внутренним соединительным линиям ГРЩ называемым шина­ми Ш, к которым через коммутационно-защитные аппараты - выключатели Вф присоединены фидеры судовой кабельной сети Ф1,Ф2…Фj, питающие потреби­тели электрической энергии ПЭ

Ha станции должно быть не менее двух генераторных агрегатов. Состав главных элементов электрических станций и схемы их соединения (схемы главного тока), образующие структуру ЭС, должны обеспечивать возможность:

- раздельной и параллельной работы генераторных агрегатов ЭС как на всю СЭЭС так и на отдельные ее части (секции ГРЩ, фидеры);

- электрическую защиту генераторов, ГРЩ и присоединенных к ним кабельных линий при возникновении ненормальных (аварийных) режимов;

- связи с береговыми электрическими системами и СЭЭС других судов;

- управление качеством потребляемой электрической энергией между источни­ками (при параллельной работе) и потребителями;

- выполнения эксплуатационного наблюдения за элементами СЭЭС, за проведе­нием ремонтных работ без нарушения минимального необходимого обеспечения судна электрической энергией.

В зависимости, от рода источников электрической энергии различают ЭС постоянного и переменного тока. Судовые ЭС подразделяют на основные, аварийные и специальные.

12. Электрическая защита в СЭЭС

12.1. Общие требования

Основными видами нарушения нормальной работы СЭЭС или отдельных ее элементов являются следующие:

- недопустимое понижение сопротивления изоляции токопроводов, кабелей, обмоток электрических машин и аппаратов;

- повышение сопротивления контактных соединений токопроводов (клеммы

контактных соединений, аппаратов, кабелей);

- металлическое замыкание токопроводов разных полярностей (глухое короткое замыкание);

- перегрузка электрических двигателей по моменту сопротивления на валу (неисправность или перегрузки приводных механизмов);

- неисправности в работе автоматических устройств управления элементами СЭЭС (ложные сигналы управления);

- ошибки личного состава в использование электротехнических устройств.

С целью уменьшения повреждения оборудования и сокращения времени наруше­ния нормального электроснабжения судна предусматривается защита СЭЭС в аварий­ных режимах. Защита осуществляется системой устройств, автома­тически отключаю­щих повреждение элементы или части СЭЭС и сигнализирую­щих о коротких замыка­ниях (к.з.), перегрузках по току и мощности, повреждения первичного двига­теля генера­тора, обрыва одной фазы питающего фидера, исчезновение (снижение) напряжения в сети.

Своему целевому назначению система защиты СЭЭС будет соответствовать только при следующих важных для нее свойствах:

-быстродействии;

- избирательности (селективности), способности локально отключать поврежденный элемент (участок СЭЭС);

- чувствительности, способности "отличать" аварийные и нормальные изменен­ия диагностических величин;

- надежности, способности надежно срабатывать при аварии и не срабатывать в нормальных режимах;

- электродинамической и термической устойчивости устройств защиты;

- способности без механических повреждений и обгорании отключать предельные по величине токи к.з.

Система защиты в СЭЭС построена на использовании коммутационно защитных аппаратов, выключателей, предохранителей, реле тока и мощности, устройств автоматической разгрузки и включении резервных генераторных агрегатов.

Рассмотрение вопросов защиты судовых электроэнергетических систем целесо­образно произвести по элементам: защита сетей, генераторов и электродвигателей (Рис. 12.1.).

Рис.12.1. Схема главного тока судовой электростанции.

12.2. Защита сетей

В судовых электрических сетях могут иметь место два не нормальных режима: к.з. и перегрузка. Защита сетей, от таких режимов осуществляется автоматами или предохранителями.

Особенно ответственной является защита сетей от к.з. Эта защита должна быть избирательной (селективной), т.е. при к.з. на каком-либо участке должна отключатся не вся сеть, а только поврежденный участок, в то вре­мя как по остальным участкам ее осуществляется бесперебойная передача электрической энергии.

В принципе, избирательность защиты сети при к.з. можно получить настройкой защитных аппаратов по времени отключения или по току срабатывания (Рис.12.2.).

Рис.12.2. Избирательность защиты по времени

Избирательность защиты по времени достигается при выполнении условия , т.е. время отключения аппаратов защиты должно уменьшатся по ступеням за­щиты от источников электрической энергии к потребителям.

Избирательность по току достигается при выполнении условия

, т.е. ток срабатывания аппаратов защиты должен умень­шатся по ступеням защиты от источников к потребителям электрической энергии. Избирательность защиты сетей по времени может быть применена в любой электроэнергетической системе. Избирательность защиты по току может применяться только в маломощных электроэнергетических системах. Время токовая характеристика автомата избиратель­ного действия приведена на (Рис.12.3.).

Рис.12.3. Время токовая характеристика автомата избиратель­ного действия

12.3. Защита генераторов

Генераторы защищаются от перегрузки, к.з., а также oт возможности их работы в режиме двигателя.

Перегрузки генераторов могут происходить при выходе из строя одного из параллельно работающих генераторов, из-за неправильного распределения нагрузки между параллельно работающими генераторами и т.д. Короткие замыкания могут быть как внутри са­мого генератора, так и во внешней цепи.

Переход генератора постоянного тока в двигательный режим всегда сопровождается изменением тока в обмотке якоря, а генератора переменного тока - с изменением направления мощности. Эти факторы и используются для защиты генератора от работы в двигательном режиме. Если параллельная работа генератора не предусматрива­ется, то никакой защиты от двигательного режима не требуется.

Защита генератора постоянного тока от двигательного режима работы осуществляется с помощью реле обратного тока (рис.12.4). Реле имеет две катушки - токовую и на­пря­жения. При нормальном (генераторном) направлении тока в токовой катушке магнитные потоки действуют согласно и удерживают контакт реле в разомкнутом положении. При изменении направления тока в токовой катушке (двигательный режим) магнитный поток катушки КТ становится встречным магнитному потоку катушки КН. Вследствие этого резко уменьшается величина результирующего магнитного потока, и контакты реле замыкаются. Через контакты подаётся напряжение на отключаю­щий расцепитель автомата.

Рис.12.4. Защита от изменения режима работы электрической машины

Реле срабатывает при 15-20% обратного тока без выдержки времени. Защита генератора пе­ременного тока от двигательного режима производится с помощью реле обратной мощности (РОМ), т.к. в системах переменного тока определенное направление имеет только энергия (мощность). Реле представляет собой однофазный счетчик электрической энергии индукционной системы (с алюминиевым диском) и имеет две катушки - токовую и напряжения (рис.12.5.). При нормальной ра­боте генератора, к диску прило­жен момент, вращающий его на размыкание контактов (однако во избежание непре­рывного вра­щения диск имеет ограниченность хода).

Рис.12.5. Реле обратной мощности

При переходе генератора в двигательной режим диск реле начинает вращаться в обратную сторону, т.е. в сто­рону замыкания контактов реле К. Выдержка времени срабатывания реле зависит от длины пути, который должен быть пройден диском до момента замыкания контак­тов, что может регулироваться в пределах 0-10 сек. Реле имеют три установки по обратной мощности 6, 9, и 12 %.

В подобных случаях необходимо помимо отключения генератора от шин щита, быстро уменьшить магнитное поле ротора, т.е. произвести "гашение" поля генера­тора. Одним из радикальных методов достижения "гашения" поля является включение обмотки ротора синхронного генератора на гасительное сопротивление с одновременным ее отклю­чением от возбудителя (Рис.12.6). После отключения генератора от шин ГРЩ происходит включение сопротивления последо­вательно с обмоткой воз­буждения, вследствие чего резко уменьшается ток возбуждения возбудителя, напряжение возбудителя и ток возбуждения. При необходимости поднятия напряжения генератора до номинальной величины при вклю­ченном генераторном автомате рубильник Р замыкается.

Рис.12.6 Гашение поля возбуждения синхронного генератора

12.4 Коммутационные аппараты

Включение, отключение (коммутация) генераторных потребителей, участков цепи осуществляют коммутационные аппараты.