Судовые электрические станции и сети - Генераторы переменного и постоянного тока

§ 6. ГЕНЕРАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО ТОКА
Генераторы переменного тока. На судах применяют синхронные генераторы с самовозбуждением и независимым возбуждением. Возбудителем для питания обмотки возбуждения СГ с независимым возбуждением является генератор постоянного тока, соединенный с дизелем посредством эластичной муфты. СГ с самовозбуждением имеет прямое фазное компаундирование (ПФК), обеспечивающее автоматическое регулирование тока возбуждения и соответственно напряжение СГ при изменениях нагрузки и коэффициента cos ф. Аппаратуру стабилизации напряжения поставляют в комплекте с СГ в виде отдельных блоков.

Рис. 7. Регулировочные (а) и внешние (б) характеристики СГ

В синхронном генераторе при нагрузке ток статора создает намагничивающую силу статора, взаимодействующую с намагничивающей силой ротора, что влияет на изменение магнитного потока, значение э. д. с. и соответственно напряжение генератора.
При активной нагрузке СГ поле реакции статора, направленное поперек основного поля, незначительно влияет на отклонение напряжения. При индуктивной нагрузке поле реакции статора направлено по продольной оси против основного магнитного поля, что сказывается на снижении напряжения СГ.
Для поддержания напряжения СГ неизменным при изменениях нагрузки необходимо изменять ток возбуждения и соответственно э. д. с. генератора, чтобы скомпенсировать падения напряжения по продольным и поперечным осям генератора.
Значения и характер изменения тока возбуждения СГ находят по регулировочным характеристикам, определяющим зависимость тока возбуждения от тока статора /Б—f(I) при постоянных напряжении, частоте вращения и совф (рис. 7, а). Как видно из рисунка, ток возбуждения гораздо меньше меняется при изменении активной нагрузки генератора (созф=1,0), чем при изменении индуктивной (совф=0); созф=0,8 соответствует смешанной нагрузке. Это объясняется тем, что в первом случае необходимо компенсировать падение напряжения в активном сопротивлении статора и реакцию якоря по поперечной оси, во втором — увеличивать ток возбуждения в основном для компенсации реакции статора, действующей по продольной оси навстречу основному потоку генератора. Регулировочные характеристики подтверждают, что для поддержания напряжения СГ при возрастании тока нагрузки и снижения соэф нужно увеличить ток возбуждения СГ (без этого будет снижаться напряжение генератора). Для поддержания постоянного напряжения при изменении значения и характера нагрузки синхронные генераторы снабжают системами автоматической стабилизации напряжения, воздействующими на ток возбуждения генератора (рис. 7, б).

Рис. 8. Генератор судовой синхронный
На судах применяют трехфазные синхронные генераторы серий МС, МСС, ГСС, ГМС и МСК (М — морской, С — синхронный; цифры, следующие за буквами, обозначают мощность и частоту вращения генераторов). В генераторах ГСС, МСС и ГМС последняя буква С означает систему самовозбуждения; Г — генератор.
Генераторы серии МСК мощностью 400 кВт и выше обозначаются аналогично генераторам МС, буква К расшифровывается как кремнийорганическая изоляция. В обозначении генераторов этой серии мощностью до 400 кВт цифры после букв показывают диаметр генератора и число полюсов.
На отдельных случаях установлены генераторы серии МС с независимым возбуждением мощностью 25—1200 кВт. Обмотка возбуждения получает питание от возбудителей. Стабилизация напряжения производится косвенным фазовым компаундированием. Все конструктивные части генераторов и возбудителей выполнены из стали.
В настоящее время на судах устанавливают улучшенные генераторы серии ГМС (мощность 200—600 кВт, напряжение 230—400 В при частоте вращения 500—750 об/мин), соединенные с дизелями посредством эластичной муфты. Генераторы серии ГМС с самовозбуждением и системой автоматической стабилизации напряжения выполняют в брызгозащищенном исполнении на  подшипниках качения с самовентнляцией (вентиляция аксиально-радиальная с помощью центробежного вентилятора и полюсов ротора).
Генераторы серии МСС устанавливают на судах неограниченного района плавания, при этом номинальная мощность снижается до 17—20%. Система самовозбуждения выполнена в виде отдельного блока. Начальное возбуждение осуществляется от генератора начального возбуждения.
Для представления о конструктивных особенностях и элементах судовых СГ на рис. 8 показан генератор мощностью 200 кВт, частотой вращения 500 об/мин. Статор генератора состоит из станины 5, катушки 6, сердечника 7, обмотки и панели выводов 13\ корпус сварной из литой стали. Пакеты сердечника статора собраны из отдельных листов электротехнической стали, покрытых изолирующим лаком.

Концы трех фаз статорной обмотки и нулевая точка выведены на шины 14. Явнополюсный ротор 1 генератора состоит из вала, остова и сердечников 9, на которых размещаются обмотки возбуждения и успокоительная. Сердечник ротора набран из стальных листов, скрепленных в пакет. Траверсы контактных колец установлены на фланце подшипникового щита. Остальные позиции на рисунке: 2, 11 — ролико- и шарикоподшипники; 3 — подшипниковый щит; 4 — вентилятор; 8 — ребро для подъема; 10 — полюс; 12 — ротор генератора начального пуска.

Для судовых генераторов, предназначенных для судов неограниченного района плавания, устанавливают электронагреватели (грелки).
Основные технические данные и параметры генераторов серии ГМС приведены в табл. 4 приложения.
Генераторы серии МСК выполняют в диапазоне мощностей 30— 1500 кВт при частоте вращения 1500 об/мин, напряжением 400 и 230 В, с частотой 50 Гц. Они могут сочленяться с паровыми турбинами посредством эластичных муфт. Генераторы выполняют с самовозбуждением и автоматической стабилизацией напряжения. Эту аппаратуру изготовляют в виде отдельных блоков, встроенных в общий каркас. Такое конструктивное устройство называется блоком самовозбуждения (БСВ). Генераторы при номинальных значениях U и f периодически, но не чаще чем через 6 ч, выдерживают перегрузку по току, указанную в табл. 3.
Генераторы серии МСК мощностью 400—500 кВт выполняют на подшипниках качения, мощностью 600—750 кВт — на подшипниках либо качения, либо скольжения с принудительной смазкой, мощностью 1000, 1200, 1500 кВт — на подшипниках скольжения. Генераторы мощностью 600—750 кВт на подшипниках качения предназначены для сочленения с турбиной, на подшипниках скольжения — для сочленения с дизелями.
Корпус статора генератора стальной, опорные лапы корпуса приподняты. Пакет статора состоит из отдельных лакированных листов электротехнической стали. Ротор состоит из явновыраженных полюсов. На полюсе размещаются обмотки возбуждения и демпферная. По обе стороны полюсов на валу насажены два вентилятора, нагнетающие воздух для охлаждения генератора.
Генераторы изготовляют из высококачественных магнитных и изоляционных материалов. Для изоляции обмоток применяют стеклоленту, стекломиколенту, пропитанные кремнийорганическими лаками.
Допустимая температура (°С) перегрева обмоток статора — до 125, ротора — до 135, подшипников скольжения — до 40, качения — до 50.

Технические данные и параметры генераторов серии МСК приведены в табл. 5 приложения.
Генераторы постоянного тока. В настоящее время такие генераторы на судах применяют в качестве автономных источников питания отдельных электроприводов и устройств. По системе возбуждения генераторы могут быть с независимым возбуждением (когда параллельные обмотки возбуждения получают питание от постороннего источника) и с самовозбуждением (когда обмотка возбуждения подключена к якорной обмотке генератора, самовозбуждение обеспечивается за счет остаточного намагничивания). Генераторы с самовозбуждением в свою очередь бывают с параллельным п со смешанным возбуждением. Наиболее широко применяют на судах генераторы со смешанным возбуждением, обладающие более устойчивым напряжением при изменении нагрузки в широких пределах.
Основной характеристикой генераторов постоянного тока является внешняя U=f (/) при неизменных токе возбуждения и частоте вращения. По внешней характеристике генератора можно определить изменение напряжения (%) прЬ переходе от холостого хода к поминальной нагрузке:

где— изменение напряжения, отнесенное к номинальному, %;
IJx.x. Ипож —напряжения холостого хода и номинальное, В.
На рис. 9 показаны схемы включения / и внешние характеристики (схемы //) генераторов постоянного тока с различными системами возбуждения. Последние определяют характер изменения напряжения в зависимости от нагрузки.
Как видно из приведенных внешних характеристик, напряжение па зажимах генератора параллельного возбуждения снижается с увеличением нагрузки, причем более — у генераторов с самовозбуждением (рис. 9, а) и незначительно — у генераторов с независимым возбуждением (рис. 9, б). Резкое снижение напряжения у генераторов с параллельным возбуждением обусловлено понижением тока возбуждения генератора от действия реакции якоря и падения напряжения в якорной цепи.
Внешние характеристики генераторов смешанного возбуждения (рис. 9, в) могут меняться в зависимости от соотношения намагничивающих сил и, соответственно, магнитных потоков обмоток последовательного и параллельного возбуждения. Обычно в генераторах смешанного возбуждения обе обмотки включаются согласно (кривые 1 и 2), иногда применяют встречное включение (кривая 3).

Рис 9 Схемы включения и внешние характеристики генераторов постоянного тока
Последовательная обмотка при согласном включении должна компенсировать размагничивающее действие реакции якоря и создавать дополнительную намагничивающую силу, способную компенсировать падение напряжения в якоре генератора при нагрузке. Так как реакция якоря, падение напряжения в генераторе и намагничивающая сила последовательной обмотки пропорциональны току нагрузки, то подбором числа витков последовательной обмотки можно обеспечить компенсацию действия реакции якоря и падения напряжения при любом токе нагрузки. В результате напряжение генератора будет оставаться почти неизменным (кривая 2). Для поддержания постоянного напряжения иногда применяют так называемый перекомпаундированный генератор смешанного возбуждения, у которого последовательная обмотка рассчитана на компенсацию не только уменьшения напряжения, вызванного действием реакции якоря и падения напряжения в нем, но и на компенсацию падения напряжения в сети до приемника электроэнергии (кривая 1).
В судовых ЭС применяют, как правило, генераторы смешанного возбуждения с нормальным компаундированием без автоматического регулятора напряжения (кривая 2), так как функции поддержания напряжения при изменении нагрузки выполняет система возбуждения генератора.
Напряжение генераторов   со смешанным возбуждением при плавном и резком переходе от холостого хода к полной нагрузке и при сбросе нагрузки от полной до нуля при установившейся частоте вращения после изменения нагрузки должно изменяться в пределах 7—12% номинального напряжения в зависимости от мощности генератора.

На судах разрешается применять генераторы с параллельным возбуждением только при наличии автоматических регуляторов напряжения, обеспечивающих поддержание напряжения генератора с точностью ±2,5% от номинального (при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной и частоты вращения генераторного агрегата не более ±5% номинальной).
В настоящее время на судах в качестве генераторов постоянноготока применяют машины серии П. Генераторы этой серии имеют изоляцию класса Н (кремнийорганическую) с допустимым перегревом до 125° С при частоте вращения 3000 и 1500 об/мин (для всех остальных машин устанавливается допустимый перегрев 115° С с превышением до 125° С при условии, что перегрев корпуса будет не более 40°С). Генератор этой серии (в брызго- или водозащищенном исполнении) состоит из якоря, цилиндрической станины и двух подшипниковых щитов с подшипниками качения повышенного класса точности. По расположению генераторы делают горизонтальными со станиной на лапах, горизонтальными с фланцевым щитом, вертикальными с фланцевым щитом и станиной без лап с концом вала вверх или вниз.
В табл. 4 приведены технические данные некоторых генераторов серии П.