ГЛАВА III
РЕГУЛИРОВАНИЕ-НАПРЯЖЕНИЯ
И ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА ГЕНЕРАТОРОВ
§ 16. АВТОМАТИЧЕСКОЕ ПОДДЕРЖАНИЕ ПОСТОЯНСТВА НАПРЯЖЕНИЯ В СУДОВОЙ СЕТИ
Для нормальной работы судовых приемников электрической энергии необходимо, чтобы напряжение на шинах главного распределительного щита оставалось, независимо от нагрузки, близким к номинальному своему значению.
В электрических установках постоянного тока указанные требования могут быть выполнены при применении на электрических станциях в качестве источников электрической энергии генераторов постоянного тока со смешанным возбуждением.
Как известно, такие генераторы при постоянной скорости вращения могут поддерживать напряжение на своих зажимах с отклонением от номинальной величины в допустимых пределах.
В большинстве случаев судовой практики постоянство напряжения на шинах судовой электрической станции может быть обеспечено шунтовыми регуляторами с ручным приводом, при наличии у генераторов компаундных обмоток.
В тех же случаях, когда одного компаундирования генераторов постоянного тока оказывается недостаточно в силу тех или иных соображений, для более точного поддержания напряжения на шинах судовой электрической станции применяются автоматические регуляторы напряжения.
У синхронных генераторов величина падения напряжения больше, чем у генераторов постоянного тока, благодаря относительно большему сопротивлению обмоток статора и большей величине реакции статора.
В связи с этим в судовых установках переменного тока синхронные генераторы в большинстве случаев требуют применения систем автоматического регулирования для поддержания постоянства напряжения на шинах электрических станций.
Наиболее рациональными системами автоматического регулирования напряжения судовых генераторов малой и средней мощности можно считать автоматические угольные регуляторы напряжения и компаундирующие устройства.
На автоматические регуляторы напряжения на судах возлагаются функции поддержания постоянства напряжения генераторов и пропорциональное распределение реактивной мощности между параллельно работающими генераторами переменного тока.
Различают следующие характеристики регуляторов (рис. 52):
а) астатическая характеристика — когда регулятор поддерживает напряжение постоянным при изменении нагрузки;
б) статическая характеристика — когда при увеличении нагрузки генератора напряжение уменьшается (положительный коэффициент статизма) или увеличивается (отрицательный коэффициент статизма).
Рис; 52. Характеристики регулирования автоматических регуляторов напряжения
1 — астатическая характеристика, 2, 3 — статические характеристики
Коэффициент статизма определяется по формуле
Автоматические угольные регуляторы напряжения.
В установках постоянного и переменного тока на судах находят применение автоматические угольные регуляторы напряжения.
Основными достоинствами этих регуляторов являются их относительная простота, малые веса и габариты, относительно малая стоимость. Кроме того, они обладают достаточным в ряде случаев быстродействием и удовлетворительной точностью регулирования.
На рис. 53 приведена принципиальная схема включения угольного регулятора напряжения в цепь генератора постоянного тока.
На рис. 54 приведено устройство угольного регулятора напряжения типа РУН.
Катушка 3 электромагнита этого регулятора через установочное сопротивление включается параллельно якорю генератора.
Якорь 4 электромагнита укреплен на рычаге 8, подвешенном на плоских стальных пружинах 14.
Балансная пружина 9, воздействуя на рычаг 8, через тягу 5 и нажимное коромысло 6, связанное с рычагом 8, создает усилие, сжимающее угольные столбы 2 реостата, набранные из большого числа тонких угольных шайб.
Рис. 53. Принципиальная схема включения автоматического угольного регулятора напряжения в цепь самовозбуждения генератора постоянного тока.
Угольный реостат 2 включается последовательно в цепь обмотки возбуждения генератора.
Электромагнит втягивает якорь 4 тем сильнее, чем больше напряжение на зажимах генератора.
Усилию электромагнита и реакции угольных столбов противодействует сила балансной пружины.
При заданном напряжении эти силы взаимно уравновешены, независимо от положения якоря магнитной системы.
Если напряжение повышается, то увеличивающаяся сила электромагнита втягивает якорь и этим вызывает уменьшение давления на угольные столбы.
Сопротивление угольного реостата возрастает, и ток в цепи возбуждения генератора уменьшается до тех пор, пока не восстановится равновесие сил, действующих на якорь.
Если же напряжение на зажимах электромагнита уменьшается, то преобладает сила балансной пружины. Давление на угольные столбы возрастает, сопротивление их уменьшается. При этом ток возбуждения увеличивается до тех пор, пока вновь не наступит равновесие действующих сил. Это свидетельствует о восстановлении заданного напряжения.
Величина напряжения, автоматически поддерживаемая регулятором, зависит от натяжения балансной пружины и от величины установочного сопротивления в цепи катушки электромагнита.
Величина напряжения генератора, которое автоматически поддерживается регулятором, изменяется в зависимости от величины введенного сопротивления установочного реостата.
Для увеличения уровня напряжения генератора необходимо увеличить движком величину введенного сопротивления установочного реостата. При этом ток в катушке электромагнита уменьшится, якорь займет новое положение, при котором сопротивление угольного реостата уменьшится и соответственно повысится напряжение генератора.
Для снижения уровня напряжения генератора при работе его с автоматическим регулятором напряжения необходимо уменьшить величину сопротивления установочного реостата.
Рис. 54. Автоматический угольный регулятор напряжения типа РУН 1 — плита, 2 — угольные столбы, 3 — катушка электромагнита, 4 — якорь, 5 — тяга, 6 — нажимное коромысло, 7 — сердечник, 8 — рычаг, 9 — пружина балансная, 10 — скоба стальная, 11 — винт стопорный, 12 — гайки для регулирования пружины, 13 — стержень изолирующий, 14 — пружины плоские, 15 — винты для установки тяги, 16 — зажимная колодка угольного реостата, 17 — кожух, 18 — гайка для закрепления кожуха
Отклонения напряжения генератора от номинальной величины при применении РУН не превосходят обычно величины порядка + (2-2,5) % при установившемся тепловом режиме элементов регулятора.
При включении регулятора с холодного состояния, происходит нагревание катушки электромагнита и соответственное увеличение ее сопротивления. В пределах допустимых для аппаратов изменений температуры обмотки, сопротивление обмотки может изменяться до 34%. Вследствие такого изменения сопротивления следовало бы ожидать и соответствующего по величине «температурного увода» напряжения генератора в сторону его увеличения.
Для уменьшения его величины, последовательно с катушкой электромагнита включается в несколько раз большее сопротивление установочного реостата, изготовленного из проволоки, обладающей весьма малым температурным коэффициентом. Благодаря относительно большой величине сопротивления установочного реостата по сравнению с сопротивлением обмотки электромагнита, при изменении сопротивления последней за счет нагревания, общее сопротивление цепи катушки электромагнита изменяется мало и увод напряжения генератора не превосходит 3%.
Восстановление заданного значения регулируемого напряжения при температурном уводе достигается уменьшением сопротивления установочного реостата.
Шунтовой реостат, включенный последовательно в цепь возбуждения генератора, при работе автоматического угольного регулятора напряжения должен быть выведен.
Автоматические угольные регуляторы напряжения типа РУН выпускаются пяти величин. Каждая величина допускает определенную нагрузку угольного реостата. При работе регулятора в схеме, в сопротивлении угольного реостата в тепло превращается мощность, равная
где iу — ток в цепи угольного реостата, rу — сопротивление угольного реостата.
Это тепло в начале работы регулятора повышает температуру угольных столбов и частично рассеивается в окружающую среду. В установившемся режиме работы, когда температура реостата устанавливается, все выделяющееся в нем тепло рассеивается в окружающей среде.
Во всех случаях работы регулятора температура угольных столбов не должна превосходить допустимую для них величину, так как в противном случае угольные шайбы быстро окисляются, разрушаются, и угольный реостат автоматического регулятора напряжения приходит в негодность. Этой максимальной температуре соответствует определенная мощность, рассеиваемая угольным реостатом.
В настоящее время отечественной промышленностью освоены автоматические угольные регуляторы напряжения типа РУН с мощностью угольных реостатов 30, 60, 120, 220 и 400 вт.
В табл. 43 приведены основные технические данные модернизированных автоматических угольных регуляторов напряжения типа РУН выпуска 1953 г.
При работе РУН в схеме автоматического регулирования напряжения генератора постоянного тока, при некоторых соотношениях параметров генератора и регулятора, возможно возникновение незатухающих автоколебаний системы, сопровождающихся периодическими, с низкой частотой, колебаниями напряжения генератора.
В старой системе РУН эти автоколебания успокаивались применением воздушного демпфера, связанного пружиной с рычагом автоматического регулятора напряжения.
Однако, как показал опыт эксплуатации таких регуляторов, этот способ стабилизации оказался неудовлетворительным. Поршень воздушного демпфера, в особенности при работе зимой, в условиях низкой температуры окружающей среды, заедал и нарушал нормальную работу регулятора.
Для устранения качаний регулятора и связанных с этим колебаний напряжения генераторов, в настоящее время в схемах автоматического регулирования напряжения генераторов постоянного тока применяют либо сопротивление, шунтирующее обмотку электромагнита регулятора, либо стабилизирующие трансформаторы.
Как показал опыт эксплуатации регуляторов РУН, при включении параллельно обмотке электромагнита сопротивления r, равного 4-5 сопротивлений обмотки, достигается вполне устойчивое регулирование напряжения генератора.
При работе генератора с автоматическим регулятором напряжения внешняя характеристика его становится весьма пологой.
Из курса «Электрические машины» известно, что при параллельной работе машин постоянного тока при пологих внешних характеристиках генераторов имеет место неравномерное распределение нагрузки между параллельно работающими генераторами, в результате чего она становится невозможной. Поэтому автоматические угольные регуляторы напряжения предназначаются для регулирования напряжения одиночно работающих генераторов постоянного тока.
Однако в ряде случаев оказывается возможным осуществить параллельную работу генераторов, снабженных автоматическими регуляторами напряжения.
Как правило, это требует применения дополнительных обмоток на электромагнитах регуляторов. Иногда же оказывается возможным обойтись и без них, в случаях больших расстояний между машинами или применения машин со смешанным возбуждением.
Существенным недостатком автоматических угольных регуляторов напряжения является то обстоятельство, что даже при полностью сжатых углях реостата сопротивление его имеет конечную величину, соизмеримую с сопротивлением обмоток возбуждения электрических машин.
Это приводит к тому, что уменьшается потолочное возбуждение генератора, а следовательно, и его пределы регулирования.
Для устранения указанного недостатка в РУН старого типа на коромысле имелся контакт, который замыкался в крайнем положении регулятора, при полностью сжатых углях, и шунтировал последние. Однако опыт эксплуатации регуляторов с шунтирующим контактом показал непригодность такого метода. Контакты быстро обгорали, а система получала дополнительную причину к возникновению автоколебаний, благодаря резкому изменению сопротивления цепи возбуждения генератора.
Таблица 37
Угольные реостаты
Примечание. Действительные значения сопротивлений могут отличаться от указанных на +15%. Максимальные значения сопротивлений даны для горячего состояния угольных столбов. На табличках регуляторов пределы сопротивлений реостатов указываются при не нагруженных электрической мощностью столбах (в холодном состоянии угольных шайб).
Выбор РУН к синхронному генератору.
Для выбора РУН к синхронному генератору с возбудителем необходимо знать:
а) Нагрузочную характеристику возбудителя, представляющую зависимость напряжения возбудителя, нагруженного на сопротивление обмотки возбуждения генератора от тока возбуждения возбудителя, в диапазоне изменения нагрузки генератора от нуля до 125% номинального значения, при номинальном напряжении и номинальном коэффициенте мощности.
б) Наименьший и наибольший токи возбуждения возбудителя (iввмин и iввмакс) соответствующие заданным предельным режимам работы генератора.
в) Сопротивление обмотки возбуждения возбудителя в холодном (rввх) и горячем (rввг) состоянии.
г) Наибольшее (Uв макс) и наименьшее (Uв нин) значения напряжения возбудителя, соответствующие заданным предельным режимам и условиям работы генератора с учетом изменения сопротивления обмотки возбуждения генератора в холодном и горячем состоянии.
Рис. 58. Практическая схема включения РУН в цепь возбуждения синхронных генераторов
Таблица замыканий контактов УП № 1 и 2 типа УП-5112 Е-74
Определение максимальной мощности, поглощаемой в угольном реостате, производится по нагрузочной характеристике возбудителя.
На рис. 59 приведены: кривая I — нагрузочная характеристика возбудителя, прямая II — зависимость падения напряжения в холодной обмотке возбуждения возбудителя от тока его возбуждения.
Рис. 59. График для определения максимальной мощности», поглощаемой в угольном реостате РУН
Разность ординат между нагрузочной характеристикой возбудителя (кривая I) и прямой (II) представляет значение напряжения, теряемого в сопротивлении угольного реостата в различных режимах работы генератора. Произведения этих отрезков ординат, выраженных в вольтах, на соответствующие этим отрезкам значения токов возбуждения в амперах, представляют величины мощности в ваттах, теряемой в угольном реостате.
Для определения максимальной мощности, теряемой в угольном реостате регулятора, удобно построить на том же графике (рис. 59) кривую III изменения мощности, теряемой в угольном реостате от величины тока возбуждения возбудителя, и найти ее наибольшее значение в рабочем диапазоне изменения тока возбуждения возбудителя.
Наибольшее сопротивление угольного реостата регулятора находится исходя из требования обеспечения наименьшего напряжения возбудителя, при соответствующем ему минимальном значении тока возбуждения.
Исходя из этих требований, находим
Наименьшее сопротивление углей находится из требования обеспечения наибольшего напряжения возбудителя при соответствующем ему наибольшем токе возбуждения возбудителя.
Оно соответственно определяется из выражения
Пример. Выбрать угольный регулятор типа РУН к синхронному генератору типа МС-82-4, мощностью 25 кВт, напряжением 230 в, с возбудителем типа МВС-13/7 для режимов работы генератора от холостого хода до перегрузки, равной 25% от номинальной мощности.
Сопротивление обмотки возбуждения возбудителя в холодном состоянии при 13° С равно rввх = 4,64 ома. Сопротивление ее в горячем состоянии при 75° С равно rввг = 5,76 ома.
Нагрузочная характеристика возбудителя определяется данными табл. 38.
Таблица 38
При холостом ходе холодного генератора напряжение возбудителя при номинальном напряжении генератора равно Uв мин = 16 в.
При номинальной нагрузке генератора, номинальном коэффициенте мощности горячего генератора и возбудителя, напряжение возбудителя равно Uв макс = 32 в.
При 125% перегрузке горячего генератора, номинальном его напряжении — напряжение возбудителя равно Uв макс = 38,5 в.
Для определения максимальной мощности, поглощаемой в угольном реостате, найдем теряемую в нем мощность при разных токах возбуждения возбудителя.
Результаты расчетов сводим в табл. 39 и на основании данных этой таблицы строим кривую II на диаграмме рис. 60, представляющую собою мощность, поглощаемую в сопротивлении угольного реостата, в зависимости от величины тока возбуждения возбудителя.
Таблица 39
Как видно из расчетных данных и из кривой II рис. 60, наибольшая поглощаемая угольным реостатом мощность в рабочем диапазоне изменения тока возбуждения возбудителя получается при крайнем значении последнего, равном 3,5 а. Эта мощность равна Ру макс = 77 вт.
Такой мощности, по каталожным данным, соответствует автоматический угольный регулятор напряжения РУН-121.
Наибольшее сопротивление угольного реостата может быть найдено из выражения
Наименьшее сопротивление угольного реостата находим из выражения
Этим пределам изменения сопротивления угольного реостата соответствует регулятор с каталожными данными
Выше был описан автоматический угольный регулятор напряжения типа РУН. Этот регулятор прост, имеет относительно небольшие габариты, вес, стоимость. Однако системы регулирования напряжения синхронных генераторов с автоматическими угольными регуляторами напряжения и машинными возбудителями постоянного тока страдают рядом существенных недостатков.
К числу важнейших из них можно отнести наличие возбудителя — машины постоянного тока. Возбудитель — машина постоянного тока по своей надежности уступает синхронному генератору. Она требует значительно большего ухода за собою по сравнению с синхронным генератором, увеличивает длину генераторного агрегата, так как обычно устанавливается на одном с ним валу. Это усложняет размещение генератора на судне. Автоматический угольный регулятор напряжения при сжатых углях имеет некоторое остаточное сопротивление, которое не позволяет получить от возбудителя его потолочного напряжения — полностью использовать последний.
Рис. 60. График к определению максимальной мощности, поглощаемой в угольном реостате численного примера
- — нагрузочная характеристика возбудителя:
- — мощность, теряемая в угольном реостате.
Угольные реостаты регуляторов при работе в условиях вибрации и ударных сотрясений могут выходить из строя. При параллельной работе синхронных генераторов, снабженных РУН, приходится искусственно увеличивать статизм характеристик, и тем самым увеличивать пределы отклонения напряжения генераторов от номинальной величины при изменении нагрузки, для того чтобы улучшить равномерность распределения реактивной нагрузки между генераторами.
Наконец, запаздывание срабатывания РУН при внезапных изменениях нагрузки приводит к увеличению времени восстановления напряжения и величины провалов напряжения.
В связи с этим в последние десять лет велись работы по созданию более совершенных систем регулирования напряжения синхронных генераторов. Были разработаны электронно-ионные автоматические регуляторы напряжения, регуляторы с электро- машинными усилителями и др. Все они, однако, были отвергнуты и не нашли себе практического применения на судах главным образом по причине их еще меньшей надежности по сравнению с РУН.
В последние годы ведется большая работа по созданию систем самовозбуждения и прямого компаундирования синхронных генераторов с применением полупроводниковых выпрямителей. Эти системы не требуют применения машинного возбудителя. Вместо возбудителя — машины постоянного тока, менее надежной, чем сам синхронный генератор, в системе самовозбуждения и прямого компаундирования применяются надежные статические трансформаторы, дроссели, конденсаторы, полупроводниковые выпрямители. Эти элементы регулятора могут быть расположены либо на машине, либо в другом месте, отдельно от нее и, таким образом, не увеличивают длину генераторного агрегата.
Новая система обладает высоким быстродействием, не требует за собою практически никакого ухода.
Опишем некоторые из схем систем возбуждения такого типа.
Рис. 61. Схема самовозбуждающегося синхронного генератора с полупроводниковыми выпрямителями
