Схемы главного тока.
В ГЭУ постоянного тока, как правило, несколько генераторов работают на один или два гребных электродвигателя. Возникает вопрос о том, как соединять между собой генераторы и двигатели.
Известно, что на обычных электростанциях генераторы при совместной работе всегда соединяются параллельно и нагрузка (потребители электроэнергии) к ним подключается также параллельно. В этом случае потребителей электроэнергии много, они различны по мощности и по другим параметрам, в процессе работы число их все время меняется.
В ГЭУ потребителями энергии являются только гребные электродвигатели, и в каждом отдельном режиме работы судна число работающих генераторов и двигателей остается постоянным. В этих условиях более целесообразно последовательное соединение генераторов и гребных электродвигателей.
Последовательное соединение генераторов применительно к ГЭУ имеет следующие достоинства.
- Достигается более равномерное распределение нагрузки между генераторами, чем при параллельном соединении.
Рис. 176. Схемы главного тока двух генераторов
На рис. 176, а показана схема двух одинаковых генераторов, соединенных параллельно и работающих на один ГЭД. Напряжение на зажимах генераторов всегда одинаково, а токи будут равны только при условии равенства их э. д. с., т. е. I1—I2 при Ε1=Ε2.
Если по какой-либо причине э. д. с. первого генератора будет больше э. д. с. второго, то в цепи обоих генераторов потечет уравнительный ток
,
где
— сопротивления.
цепей первого и второго генераторов, включающие сопротивление дополнительных полюсов и компенсационной обмотки.
Этот уравнительный ток суммируется с током первого генератора и вычитается из тока второго генератора, так что действительные рабочие токи генераторов будут:
.
Несмотря на то, что генераторы и их первичные двигатели однотипны, причин для небольшого отклонения э. д. с. у того или иного генератора много. Прежде всего это может произойти вследствие различной чувствительности регуляторов частоты вращения первичных двигателей или незначительной разницы магнитных систем зазоров генераторов.
Пример. Допустим, что два генератора дизель-электрохода «Амгуэма» соединены не последовательно, а параллельно. Данные генераторов: Рн=1375 кВт; Uн=500 В; Iн=2750 А; сопротивление цепи якоря 0,0036 Ом; Ен=490 В. Генераторы работают в номинальных режимах. Если по какой-либо причине нагрузка Ε1 первого генератора увеличилась всего на 2%, легко подсчитать, что между генераторами возникает уравнительный ток, равный 1361 А. Нагрузка между ними перераспределится, и первый генератор будет работать при токе 4111 А, а второй — 1389 Д.
Такая же картина наблюдается и при параллельном соединении двух двигателей, расположенных на одном валу.
При последовательном соединении (рис. 176, б) машин по всем обмоткам якорей протекает один и тот же ток. Изменение э. д. с. у одного из генераторов на 2% приведет к изменению напряжения на зажимах якоря и его мощности тоже на 2%.
- В случае вывода из работы одного или нескольких генераторов можно более полно загружать оставшиеся в работе.
Например, в схеме (см. рис. 176, б) с двумя последовательно соединенными генераторами один вывели из работы. Напряжение на зажимах гребного электродвигателя и его частота вращения уменьшатся в 2 раза. Для полной загрузки оставшегося в работе генератора необходимо уменьшить поток возбуждения ГЭД настолько, чтобы ток главной цепи достиг значения номинального тока генератора.
Если выводится из работы один из параллельно включенных генераторов (cм., рис. 176, а), то напряжение на зажимах ГЭД и его частота вращения не уменьшаются и, следовательно, оставшийся генератор будет перегружен. Для уменьшения тока главной цепи до номинального необходимо уменьшить напряжение генератора, но при этом уменьшится и его мощность. Работа же генератора при токе, превышающем номинальный, допустима только кратковременная.
- При последовательном соединении генераторов можно уменьшить напряжение между двумя любыми точками главной цепи. В Правилах Регистра СССР указано, что это напряжение для ГЭУ постоянного тока не должно быть более 1200 В.
На рис. 176, в приведена схема с четырьмя генераторами, каждый из которых имеет напряжение 600 В. В этой установке фактически действует напряжение 2400 В, но последовательное включение машин с чередованием генераторов и двигателей позволяет выполнить требование Регистра. Напряжение между двумя любыми точками главной цепи не превышает 1200 В.
- При последовательном соединении уменьшается до минимума число контуров главного тока, что упрощает контроль и защиту ГЭУ.
В качестве примера рассмотрим схему главного тока ГЭУ судов типа «Амгуэма» (рис. 177). Схема является двухконтурной, причем оба контура совершенно аналогичны и никакой электрической связи между собой не имеют. Каждый контур состоит из двух генераторов и одного якоря двухъякорного гребного электродвигателя.
Схема допускает работу ГЭУ в пяти режимах:
- работают все четыре генератора на два якоря ГЭД;
- в одном контуре работают два генератора, а в другом контуре — один;
- работают два генератора одного контура;
- в каждом контуре работает по одному генератору;
- в одной контуре работает один генератор.
Набор схемы для соответствующего режима осуществляется в обесточенном состоянии ГЭУ при помощи двухполюсных переключателей ПГ1; ПГ2; ПГ3; ПГ4.
При отключении какого-либо генератора соответствующий переключатель замыкает перемычку в цепи главного тока. Эти переключатели имеют свои контакты в цепях управления и защиты ГЭУ.
Исключение генератора из схемы также можно осуществить только в обесточенном состоянии гребной электрической установки.
В каждом контуре установлено по два воздушных выключателя АВ1; АВ2; АВ3; АВ4 с максимальным расцепителем мгновенного действия на ток 6000 А.
ГЭУ постоянного тока, как видим, выполнена по системе генератор—двигатель.
Как было показано, в один контур тока ГЭУ могут входить несколько генераторов и гребных электродвигателей. В один
Рис. 177. Схема главного тока судов типа «Амгуэма»
Рис. 178. Схема трехобмоточного возбудителя главных генераторов
контур обычно входят не более двух электродвигателей, причем они механически связаны, т. е. работают на один вал.
Регулирование и управление ГЭУ.
Частота вращения гребных электродвигателей регулируется в широких пределах (от 0 до nн) путем изменения напряжения генераторов. Однако для более полной загрузки генераторов приходится соответствующим образом регулировать и поток возбуждения ГЭД. Из этих же соображений иногда для уменьшения скорости судна целесообразно вывести из работы один или несколько генераторов, не меняя напряжения оставшихся в работе.
Ток возбуждения генераторов и гребных электродвигателей достаточно большой, регулировать его включением реостатов и потенциометров в цепи возбуждения главных машин ГЭУ сложно и неудобно. Например, ток возбуждения одного якоря гребного электродвигателя дизель-электрохода «Амгуэма» превышает 100 А.
Регулировочные реостаты и потенциометры поста управления включаются в цепи обмоток возбуждения возбудителей генераторов и гребных электродвигателей.
На рис. 178 показана для примера схема трехобмоточного возбудителя двух главных генераторов ГЭУ. Возбудитель, имеет независимую обмотку возбуждения ОВ1, параллельную обмотку ОВ2 и обмотку ОВЗ, включенную параллельно компенсационной обмотке и обмотке дополнительных полюсов ГЭД. Благодаря этому ток в обмотке ОВ3 всегда пропорционален, току главной цепи. Намагничивающие силы обмоток ОВ1 и ОВ2 действуют согласно, а намагничивающая сила обмотки ОВ3 — встречно. Чрезмерное увеличение тока главной цепи приводит к тому, что обмотка ОВ3 уменьшает поток возбуждения возбудителя, а значит, уменьшаются напряжения возбудителя и генераторов и ток главной цепи.
Частота вращения гребного электродвигателя регулируется изменением тока возбуждения в обмотке ОВ1 при помощи потенциометра поста управления Rn.y. Реверсирование ГЭД достигается путем изменения направления тока в обмотке ОВ1 контактами поста управления ПУВ и ПУН. На некоторых судах («Лена», «Амгуэма») реверсирование осуществляется изменением направления тока в обмотке возбуждения двигателя.
На рис. 179 показана упрощенная принципиальная схема одного контура. Схема другого контура совершенно аналогична.
Автоматическое регулирование ГЭУ.
Как отмечалось, для некоторых типов судов важнейшим требованием, предъявляемым к гребной установке, является обеспечение постоянства мощности в различных режимах работы судна. Рассмотрим схему автоматического управления ГЭУ судов типа «Лена». Это классический пример ГЭУ, работающей с постоянной мощностью при изменении момента сопротивления гребного винта.
На рис. 179 показана упрощенная принципиальная схема одного контура. Схема другого контура совершенно аналогична.
Рис. 179. Принципиальная схема автоматического регулирования ГЭУ постоянного тока
В качестве возбудителя генераторов Г1 и Г2 используется электромашинный усилитель с поперечным полем ЭМУ. Он имеет три обмотки управления: задающая обмотка ОЗГ создает основную намагничивающую силу возбуждения усилителя ЭМУ; токовая обмотка ТО включена параллельно обмотке дополнительных полюсов ДП и компенсационной обмотке КО гребного электродвигателя; стабилизирующая обмотка ОСГ включена на зажимы вторичной обмотки стабилизирующего трансформатора CTp1. Намагничивающая сила обмотки ОТ, пропорциональная току главной цепи, действует всегда навстречу намагничивающей силе задающей обмотки ОЗГ.
Возбудителем гребного электродвигателя является также электромашинный усилитель с поперечным полем ЭМУд, имеющий четыре обмотки управления: задающая обмотка ОЗД создает основную намагничивающую силу ЭМУд; обмотка управления ОУ действует навстречу задающей обмотке ОЗД; стабилизирующая обмотка ОСД включена подобно обмотке ОСГ; обмотка напряжения ОН включена навстречу обмотке ОЗД.
Отметим, что обмотки ОСГ, ОСД и ОН не влияют на принцип действия схемы; они лишь повышают устойчивость системы автоматического регулирования, сглаживают резкие колебания, вызванные действием других обмоток управления усилителей ЭМУг и ЭМУд.
Обмотка ОУ имеет три цепи питания:
плюс ЭМУг, вентиль В2, обмотка ОУ, установочный резистор rу4, плюс генератора эталонного напряжения ГПН, якорь этого генератора, вентиль В4, минус ЭМУг;
плюс ЭМУг при перемене полярности его напряжения, вентиль В1, обмотка ОУ, плюс ГПН, якорь ГПН, установочный резистор rу5, вентиль В3, обратный минус ЭМУг;
плюс контрольного тахогенератора КТГ, вентиль В5, обмотка ОУ, якорь ГПН, минус КТГ.
Благодаря наличию диодов В1, В2, В4 и В5 ток через обмотку ОУ по первой цепи потечет только тогда, когда напряжение усилителя ЭМУг будет больше постоянного напряжения генератора ГПН; по второй цепи ток потечет, когда обратное напряжение усилителя ЭМУг будет больше напряжения ГПН, по третьей — когда напряжение тахогенератора КТГ будет больше эталонного напряжения генератора ГПН.
Регулирование частоты вращения гребного электродвигателя осуществляется потенциометром поста управления Rп.у, при помощи которого изменяется ток в обмотке ОЗГ, а значит, и напряжение ЭМУг, ток в обмотках ОВГ1 и ОВГ2 и напряжение генераторов.
Рассмотрим работу схемы при переходе судна со швартовной характеристики на характеристику «на чистой воде».
При неподвижном судне ГЭУ работает на характеристике в точке в' (см. рис. 174). В этом случае напряжение усилителя ЭМУг (см. рис. 179) чуть меньше эталонного и ток через обмотку ОУ не протекает. Судно начинает разгоняться, и момент сопротивления гребного винта уменьшается. Частота вращения ГЭД увеличивается, что приводит к увеличению э. д. с. якоря и уменьшению тока главной цепи. Напомним, что ток главной цепи равен 
, где Uг — напряжение одного генератора; Ед — э. д. с. двигателя; Rя.д — сопротивление якорной цепи двигателя.
При уменьшении тока главной цепи уменьшается намагничивающая сила обмотки ОТ, а следовательно, увеличиваются напряжение усилителя ЭМУг и генератора таким образом, что ток главной цепи остается почти неизменным.
Если бы постоянство тока главной цепи поддерживалось только вследствие действия обмотки ОТ, т. е. за счет увеличения напряжения генератора, то при дальнейшем разгоне судна увеличивалась бы мощность ГЭУ (мощность контура P=2UгI). Однако этого не происходит, так как при незначительном увеличении напряжения усилителя ЭМУг, оно становится больше эталонного напряжения ГПН и через обмотку ОУ по первой цепи потечет ток. Намагничивающая сила обмотки ОУ, действующая навстречу намагничивающей силе обмотки ОЗД, приводит к уменьшению напряжения усилителя ЭМУд, тока возбуждения ГЭД и его э. д. с. Таким образом, при дальнейшем разгоне судна схема действует следующим образом:
— 
Постоянство тока главной цепи поддерживается ослаблением поля возбуждения Фв.д гребного электродвигателя при постоянном напряжении генераторов, а значит, при постоянной мощности ГЭУ. Благодаря этому ГЭУ при полной скорости судна на чистой воде работает на характеристике в точке а (см. рис. 174).
Внимательно анализируя краткую запись регулировочного процесса, нетрудно заметить, что при увеличении напряжения Uэмуг (см. рис. 179) должно увеличиваться напряжение генераторов. Оно увеличивается очень незначительно, так как магнитная система генераторов насыщена и, кроме того, благодаря высокому коэффициенту усиления электромашинных усилителей незначительное изменение тока в обмотках ОТ и ОУ приводит к значительному уменьшению напряжения усилителя ЭМУд и э. д. с. двигателя.
Рассмотрим работу схемы при реверсировании гребного электродвигателя, например, с полного переднего хода на полный задний. Размыкаются контакты ПУв поста управления и замыкаются контакты ПУн. Изменяется направление тока в обмотке ОЗД и переключаются концы обмотки ОУ. При этом меняются полярность напряжения усилителя ЭМУд, направление тока в обмотке ОВД и полярность э. д. с. двигателя. С этого момента ток главной цепи будет определяться по формуле
(167)
Эта формула соответствует режиму противовключения двигателя. Ток главной цепи начинает резко увеличиваться, и намагничивающая сила обмотки ОТ становится больше намагничивающей силы обмотки ОЗГ. Полярность напряжения ЭМУг изменяется, следовательно, изменяется полярность напряжения генераторов, а ток главной цепи будет определяться формулой
(168)
Начинается режим рекуперативного торможения гребного двигателя, генераторы при этом работают в режиме двигателей, вращая дизели. И в режиме торможения схема работает на поддержание постоянства тока главной цепи, ограничивая этим разгон дизелей. Если ток главной цепи становится больше допустимого, то благодаря обмотке ОТ обратное напряжение превысит эталонное и через обмотку ОУ по второй цепи потечет ток. В результате уменьшатся напряжение ЭМУД, э. д. с. двигателя, а значит, и ток главной цепи.
По мере торможения ГЭД будет уменьшаться его э. д. с., ток главной цепи и намагничивающая сила обмотки ОТ. Очевидно,
когда намагничивающие силы обмоток ОТ и ОЗГ сравняются, напряжение будет равно нулю, а ток главной цепи будет равен
, что соответствует динамическому торможению. Однако этот момент проходящий и кратковременный. Вслед за ним на зажимах ЭМУг появится напряжение нормальной полярности, и с этого момента ток главной цепи вновь будет определяться формулой (167) — торможение противовключением, но уже при очень малых скорости ГЭД и напряжении генераторов.
После остановки гребной двигатель реверсируется. Ток в главной цепи определяется по формуле (166). Направление тока в главной цепи при реверсировании ГЭД не изменяется.
Интересно и не совсем обычно построена защита ГЭД от разгона. Если его скорость превысит допустимую, э.д. с. контрольного тахогенератора становится больше напряжения ГПН и через обмотку ОУ по третьей цепи потечет ток, что приведет к уменьшению тока возбуждения электродвигателя. В обычной схеме уменьшение возбуждения двигателя приводит к еще большему разгону его, но здесь схема работает дальше следующим образом: уменьшается э.д.с. двигателя и растет ток главной цепи; обмотка ОТ размагничивает ЭМУг, и напряжение генераторов резко уменьшается, что предотвращает дальнейший разгон двигателя.
По такому же принципу работает и схема ГЭУ судов типа «Амгуэма».
Система автоматического регулирования ГЭУ ледоколов «Владивосток», «Ермак» и других той же серии может обеспечивать режим постоянства либо мощности, либо частоты вращения гребных винтов.
Защита ГЭУ.
В ГЭУ постоянного тока применяют различные виды защиты от ненормальных режимов. Если в обычных электроустановках защита действует на отключение поврежденного участка схемы, то в ГЭУ большинство видов защиты действуют на отключение возбуждения главных машин. Однако на некоторых отечественных электроходах установлены воздушные автоматические выключатели, способные размыкать главную цепь под током.
Наиболее важное значение имеют следующие виды защиты: защита от короткого замыкания в главной цепи выполняется при помощи либо автоматического выключателя, либо реле максимального тока, действующего на отключение возбуждения всех машин поврежденного контура;
защита от перегрузки в ГЭУ с трехобмоточными возбудителями предотвращается действием обмотки ОВЗ (см. рис. 178). Вообще перегрузка главных машин ГЭУ определяется по температуре обмоток и выходящего воздуха. Защита действует на предупредительный сигнал. В некоторых установках на сигнал действуют токовые реле;
защита от реверсирования первичных двигателей (если в одном контуре работает не менее двух генераторов и первичный двигатель одного из них лишился подачи топлива, то генератор остановится и, перейдя в двигательный режим, реверсируется) осуществляется при помощи реле контроля частоты вращения первичных двигателей, действующего на отключение возбуждения остановившегося генератора. Защита возможна и при помощи реле давления масла или охлаждающей воды, если масляный и охлаждающий насосы навешанные;
защита от разгона ГЭД, что может произойти при срезе лопастей винта, потере винта или его оголении во время шторма, осуществляется при помощи реле контроля частоты вращения гребного вала, действующего на отключение возбуждения всех машин контура;
защита от разгона первичных двигателей при помощи центробежных реле, действующих на отключение возбуждения. При реверсировании гребного винта электродвигатель переходит в генераторный режим, а генераторы — в двигательный (рекуперативное торможение). Генераторы могут в этом случае разогнать первичные двигатели до недопустимой частоты вращения. Обычно схема управления ГЭУ настраивается так, чтобы предотвратить такой разгон;
по Правилам Регистра СССР в ГЭУ должна быть предусмотрена защита от замыкания токоведущих частей на корпус судна.
Кроме перечисленных видов защиты, в схемах ГЭУ устанавливаются блокировки, предотвращающие ошибочные и неправильные действия обслуживающего персонала. Любая ГЭУ снабжается системой сигнализации двух видов: тревожной — о неисправностях и нарушениях в режиме работы и указательной — о нормальной работе различных элементов установки. Тревожная сигнализация оборудуется визуальными и акустическими средствами, а указательная — только визуальными.
