Глава 2
Автоматическое поддержание постоянства напряжения и частоты судовых генераторов
§ 2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ
Генераторы постоянного тока и синхронные генераторы без стабилизирующих устройств — компаундных обмоток, автоматических регуляторов напряжения (АРН) и компаундирующих устройств могут применяться при наличии ручных регуляторов возбуждения лишь в установках с постоянной или медленно изменяющейся нагрузкой, когда возможна ручная подрегулировка напряжения. В судовых условиях такая нагрузка встречается редко. Чаще нагрузка судовых генераторов не остается постоянной, а изменяется на значительную величину в течение коротких промежутков времени.
При таких графиках нагрузки применение ручного регулирования возбуждения генераторов в целях стабилизации напряжения оказывается невозможным, так как это привело бы к значительным изменениям напряжения на зажимах генераторов и на шинах судовой электрической станции.
В последние годы на судах стали находить применение валогенераторы, сочлененные с главными двигателями. В ряде случаев это оказывается весьма целесообразным, так как позволяет на ходу судна отказаться от работы турбо- или дизель-генераторов и тем самым сохранить их моторесурс, упростить и удешевить эксплуатацию судна. При изменении скорости хода судна, естественно, изменяется частота вращения главных машин и сочлененных с ними валогенераторов. При изменении частоты вращения генераторов изменяется и их напряжение. В установках подобного типа ручное регулирование возбуждения генераторов также не может быть применено.
Задача обеспечения СЭС стабилизированным напряжением источников электрической энергии приводит к необходимости использовать в судовых установках системы автоматического регулирования напряжения генераторов как постоянного, так и переменного тока, чтобы напряжение при различных нагрузках поддерживать в заданных пределах.
Систему автоматического регулирования напряжения для судовых генераторов выбирают в зависимости от тех требований, которые предъявляются к электроэнергетической установке с учетом условий эксплуатации.
Эти требования могут быть выполнены, если система регулирования, помимо устойчивости, удовлетворяет также определенным качественным показателям. Основными из них являются:
статическая ошибка, определяемая разностью напряжений при холостом ходе и номинальной нагрузке генератора в установившемся режиме;
быстродействие системы, характеризуемое скоростью нарастания напряжения возбуждения генератора и определяющее величину максимального отклонения напряжения и время первого восстановления номинального значения его при набросах нагрузки;
время затухания переходного процесса;
характер протекания переходного процесса (колебательный апериодический);
способность пропорционального распределения нагрузок между параллельно работающими генераторами, зависящая от зоны нечувствительности регулятора, статизма и степени согласования характеристик первичных двигателей.
Кроме качественных показателей, при выборе системы регулирования учитывают: надежность действия системы; срок службы отдельных узлов и деталей; простоту и удобство обслуживания; время, необходимое для приведения системы в рабочее состояние; вес и габариты; стоимость.
Таким образом, системы автоматического регулирования напряжения генераторов должны удовлетворять многим, иногда противоречивым, требованиям.
При разработке и расчете систем в каждом случае следует исходить из конкретных условий работы генератора, а также режимов его нагрузки и отдавать предпочтение какой-либо определенной части требований к системам, другую же часть требований рассматривать как второстепенную.
Известен ряд систем автоматического регулирования напряжения генераторов. К числу их относятся системы:
с вибрационными регуляторами;
с электромашинными усилителями с поперечным и с продольным полем;
с магнитными усилителями;
с полупроводниковыми приборами;
с электронным регулятором;
компаундирования;
компаундирования с корректором напряжения.
Указанные системы по принципу регулирования можно разделить на три группы:
- системы с регулированием по отклонению напряжения генератора;
- системы с регулированием по возмущению;
- системы с комбинированным регулированием — по отклонению напряжения и по возмущению.
Регулирование напряжения синхронных генераторов (СГ) по отклонению в настоящее время вытесняется регулированием по возмущению, которое выполняет основную функцию в системе регулирования; воздействию по отклонению, если оно применяется, отводится вспомогательная роль. Использование регулирования по возмущению улучшает динамические характеристики, уменьшает габариты и повышает надежность системы.
В качестве систем с регулированием по возмущению получили распространение системы компаундирования током нагрузки.
В системах регулирования валогенераторов компаундирование проводится еще по частоте вращения, так как изменение ее является также возмущающим фактором, действующим на систему.
В системе регулирования напряжения СГ компаундирование может быть токовым и фазовым. Фазовое компаундирование позволяет осуществлять регулирование по двум основным возмущающим воздействиям: по модулю тока и по его фазовому углу относительно напряжения, что показывает несомненное преимущество фазового компаундирования перед токовым.
Однако на систему, кроме основных возмущений, влияет ряд второстепенных факторов, например: изменение температуры окружающей среды; изменение с течением времени параметров отдельных элементов системы.
К этому необходимо добавить также такие важные факторы, как нелинейность статических характеристик отдельных элементов систем, неидентичность характеристик однотипных машин и других элементов в системе, возможная неточность настройки системы и др.
Естественно, что связь по основному возмущению не будет реагировать на эти факторы и в системе возникнут значительные отклонения напряжения. Так, система с фазовым компаундированием СГ, которая будет рассмотрена ниже, при благоприятных условиях дает погрешность в пределах ±3-5%, что при современных требованиях часто недопустимо.
Для повышения точности регулирования система должна содержать, помимо связи по основному возмущению, связь, способную устранить влияние всех второстепенных воздействий. Для этого можно использовать обратную связь по отклонению напряжения генератора в виде корректора напряжения.
Таким образом, наиболее полно поставленные требования удовлетворяются комбинированной системой регулирования, носящей название системы компаундирования с корректором напряжения.
В установках постоянного тока в целях стабилизации напряжения широкое применение нашло компаундирование машин. Этот способ стабилизации напряжения машин постоянного тока является наиболее простым и вместе с тем, в большинстве случаев практики, удовлетворяет требованиям в отношении качества. Однако в тех случаях, когда к регулированию напряжения в установках постоянного тока предъявляются повышенные требования или когда частота вращения генератора изменяется в значительных пределах, оказывается необходимым применение автоматических регуляторов напряжения.
Рассмотрим некоторые из систем автоматической стабилизации напряжения СГ.
