Судовые станции и сети - Род тока и величина напряжения, применяемые на судах

§ 3. РОД ТОКА И ВЕЛИЧИНА НАПРЯЖЕНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ НА СУДАХ
До конца тридцатых годов вопрос о роде тока применительно к судовым электроэнергетическим установкам оставался дискуссионным.
На судах отечественного флота и флотов иностранных государств применялся преимущественно постоянный ток.
Исторически развитие электротехники сильных токов сложилось так, что постоянный ток в отношении пусковых, тормозных и регулировочных свойств электрических приводов в ту пору давал значительные преимущества по сравнению с переменным током.
Это позволяло без каких-либо затруднений электрифицировать на постоянном токе такие судовые электроприводы с кратковременным и повторно-кратковременным режимами работы, какими являются шпили, брашпили, лебедки, рулевые устройства и другие, чего в начальной стадии развития судовой электротехники на переменном токе выполнить не представлялось возможным.
Кроме того, отсутствовали простые, достаточно надежные, пригодные для судовых установок, быстродействующие автоматические регуляторы напряжения синхронных генераторов, без которых напряжение судовой сети при пиковом графике нагрузки судовых электрических станций не могло поддерживаться постоянным. Последнее крайне затрудняло работу силовых приемников и сети освещения.
Все это долгое время задерживало применение переменного тока на судах, несмотря на то, что в промышленных установках, благодаря исключительно ценным свойствам последнего в отношении удобства передачи на значительные расстояния, простоте, надежности и удобства эксплуатации электрического оборудования, он уже в ту пору нашел себе широкое применение.
Вместе с увеличением объема электрификации судовых механизмов и устройств начали все больше проявляться недостатки, присущие судовому электрическому оборудованию постоянного тока.
Электрическому оборудованию судов приходится работать в тяжелых условиях. Большая влажность окружающей среды, а в машинно-котельных отделениях содержание паров воды, масла в сильной степени снижают изоляцию электрического оборудования, в особенности в помещениях с высокой температурой.
Машины постоянного тока с их коллекторами, щеточными аппаратами, вращающимися обмотками якорей в значительной степени подвержены воздействию окружающей среды и крайне затрудняют задачу поддержания изоляции судовой сети на уровне, необходимом для надежной бесперебойной работы судовой электрической установки.
Электроприводы постоянного тока имеют значительно большее количество аппаратов управления, чем электроприводы переменного тока.
Известно, что в системе электроприводов аппаратура управления является наиболее слабым местом в отношении надежности действия и требований ухода за собою по сравнению с другими элементами.
Снижению изоляции судовой сети постоянного тока содействует также и то, что сеть освещения не отделена от силовой сети, так как получает питание от тех же генераторов, что и силовая сеть, в результате чего низкая изоляция сети освещения непосредственно отражается на общем состоянии изоляции судовой электроэнергетической установки.
В установках переменного тока сеть освещения получает обычно питание от тех же генераторов, что и силовая сеть.
Однако в отношении изоляции сеть освещения может быть отделена от силовой сети с помощью осветительных трансформаторов, обмотки которых электрически между собой не связаны, а имеют только магнитную связь.
Опыт длительной эксплуатации судовых электрических установок постоянного тока при напряжении 110 и 220 В показал, что в отдельных случаях, по указанным выше причинам, они оказывались недостаточно надежными и не могли обеспечить нормального плавания судов.
Между тем, надежность действия всех механизмов и устройств судов, в особенности в условиях плавания, в том числе электрифицированных, является для судов определяющим критерием.
Увеличение объема электрификации судовых механизмов выявило и другие недостатки, присущие электрическому оборудованию постоянного тока.
Так, увеличение мощности судовых электрических станций при напряжении НО и 230 в привело к большому увеличению величины тока, при относительно невысоком напряжении.
Существенно увеличился вес кабелей при низком напряжении сети, а коммутационная аппаратура распределительных устройств начала принимать неконструктивные размеры. Для устранения этих недостатков возникла необходимость пойти по пути увеличения напряжения электрических установок, для уменьшения величины токов нагрузки. Однако и без того недостаточная надежность электрического оборудования на постоянном токе не давала возможности применить более высокое напряжение. Задача дальнейшего развития и увеличения объема электрификации больших судов оставалась крайне затрудненной. Вместе с тем, возросшая степень электрификации и связанное с этим увеличение количества электрических машин и аппаратов постоянного тока, требующих тщательного ухода за собой, привело к значительному утяжелению обслуживания электрического оборудования судов с установками постоянного тока.
Наряду с развитием электрификации судов на постоянном токе, параллельно ему шло непрерывное совершенствование электрического оборудования на переменном токе.
Появились многоскоростные короткозамкнутые асинхронные электродвигатели трехфазного тока, в значительной степени разрешившие задачу осуществления регулирования скорости судовых электроприводов.
Появление короткозамкнутых асинхронных электродвигателей трехфазного тока с повышенными пусковыми моментами и двигателей с пониженными пусковыми токами позволило успешно разрешить задачу пуска тяжелых электроприводов.
Развитие полупроводниковых выпрямителей, повышение их надежности, уменьшение весов и габаритов за счет применения новых материалов и принципов действия — позволили относительно просто разрешить задачу получения удовлетворительных качеств асинхронных короткозамкнутых электродвигателей в отношении их тормозных свойств, применив динамическое торможение постоянным током.
Полупроводниковые выпрямители позволили существенно развить автоматизацию управления электрическими машинами и, в частности, создать простые, надежные, быстродействующие системы автоматического регулирования напряжения судовых синхронных генераторов и обеспечить высокую степень поддержания постоянства напряжения в судовой сети при пиковом графике нагрузки судовой электрической станции.
Полупроводниковые выпрямители, кроме того, весьма экономично позволяют обеспечить питание тех электрических установок, для работы которых необходим постоянный ток.
Создание контакторов переменного тока позволило автоматизировать процессы пуска, торможения и управления электрическими приводами переменного тока.
Развитие гидравлических передач достигло высокой степени совершенства и позволило в тех случаях, когда электрический привод переменного тока не мог обеспечить высокой степени регулирования скорости механизма, применением гидравлической передачи устранить этот недостаток.
Таким образом, постепенно, в той или иной степени, устранялись причины, мешавшие применению переменного тока на судах.
Вместе с тем, ряд неоспоримых достоинств электрического оборудования переменного тока применительно к судовым электрическим установкам, и, прежде всего, его надежность, значительно превосходящая надежность электрического оборудования на постоянном токе, привели к тому, что в конце тридцатых — начале сороковых годов было признано целесообразным и технически возможным применение переменного тока для судовых электроэнергетических установок морского и речного флота.
В настоящее время вопрос о роде тока применительно к судовым электроэнергетическим установкам решен положительно в пользу переменного тока.
Рассмотрим основные достоинства и недостатки силового электрического оборудования судов: машин, аппаратов, распределительных устройств, сетей и др. переменного и постоянного тока с точки зрения надежности действия, простоты ухода, весов, габаритов и стоимости, их влияния на выбор рода тока, а также величины напряжения.

Электрические машины.

Общепризнанным фактом является то, что короткозамкнутые асинхронные электродвигатели трехфазного тока не имеют себе равных среди других типов электрических машин в отношении всех перечисленных выше требований. В отличие от других электрических машин и, в частности, машин постоянного тока, у которых вместе с неподвижными обмотками полюсов в сеть включены вращающиеся обмотки якорей, щеточные аппараты и коллекторы, короткозамкнутые асинхронные электродвигатели имеют связанными с сетью только неподвижные обмотки статоров.
Вращающиеся обмотки роторов этих машин с сетью не связаны и замкнуты накоротко.
Из опыта эксплуатации оборудования постоянного тока известно, что вращающиеся обмотки якорей, коллектор и щеточный аппарат являются элементами машин, требующими наибольшего ухода и вместе с тем служат причиной частых нарушений нормальной работы электрических машин постоянного тока. Отсутствие подобных элементов у трехфазных короткозамкнутых асинхронных электродвигателей переменного тока во много раз повышает их надежность по сравнению с машинами постоянного тока и до возможного технически предела упрощает уход за ними.

Таблица 1
Весовые показатели электродвигателей постоянного тока

Таблица 2
Весовые показатели электродвигателей трехфазного переменного тока с короткозамкнутым ротором

Вес и габариты асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором также значительно меньше веса и габаритов равноценных машин постоянного тока. Для иллюстрации сказанного, в табл. 1 и 2 приведены весовые данные некоторых машин постоянного тока, типа ПН и трехфазных короткозамкнутых асинхронных электродвигателей типа МА и МАФ в брызгозащищенном исполнении. В них приведены полученные расчетным путем веса машин, отнесенные к единице мощности (кг/кВт). Как видно из приведенных таблиц, весовые преимущества имеют короткозамкнутые асинхронные электродвигатели трехфазного переменного тока. Эти преимущества существенно возрастают, если учесть, что для машин переменного тока, имеющих меньшие веса и габариты, требуются и соответственно более легкие металлические конструкции, на которых машины монтируются на судах. Стоимость короткозамкнутых асинхронных электродвигателей, благодаря их простоте и меньшему количеству активных материалов, также значительно ниже стоимости машин постоянного тока.
Синхронные генераторы трехфазного переменного тока промышленной частоты надежнее машин постоянного тока благодаря отсутствию коллектора и щеточного аппарата. Однако для возбуждения синхронных генераторов необходим постоянный ток. До последних лет для возбуждения синхронных генераторов применялись возбудители — машины постоянного тока. Наличие машины постоянного тока, без которой генератор не мог работать, естественно снижало надежность действия генераторного агрегата до степени надежности машины постоянного тока. Это являлось известным недостатком синхронных машин, несмотря на то, что возбудитель относительно небольшой мощности, по сравнению с мощностью синхронного генератора, можно выполнить значительно более надежным, чем крупную машину постоянного тока.
Другим недостатком синхронных машин является большое размагничивающее действие реакции статора, зависящее от величины коэффициента мощности нагрузки. Применение таких простых компаундирующих устройств, какие имеют генераторы постоянного тока в виде последовательных обмоток возбуждения, у них исключено благодаря тому, что для возбуждения необходим постоянный ток, в то время как ток нагрузки — ток статора — переменный. При отсутствии же компаундирования или иной системы автоматического регулирования напряжения синхронный генератор не может обеспечить постоянства напряжения на своих зажимах при изменении нагрузки. Он нуждается в автоматических системах регулирования напряжения — дополнительных устройствах, которые, как правило, не применяются у генераторов постоянного тока.
Наличие дополнительных устройств автоматических регуляторов напряжения также естественно сказывается на надежности действия генераторных агрегатов, несколько снижая ее. Однако в последние годы появились системы самовозбуждения и компаундирования синхронных генераторов с применением полупроводниковых выпрямителей для обеспечения самовозбуждения генераторов и преобразования переменного тока в постоянный ток, необходимый для получения дополнительного возбуждения, пропорционально току нагрузки.
Эта система позволила отказаться от применения машинного возбудителя постоянного тока и автоматического регулятора напряжения, заменив их такими надежными элементами, не имеющими подвижных частей, какими являются полупроводниковые выпрямители, трансформаторы, дроссели, магнитные усилители и статические конденсаторы.
Синхронные генераторы с новой системой возбуждения являются более надежными, простыми и удобными в условиях эксплуатации, чем генераторы постоянного тока.
В табл. 3 приведены сравнительные весовые показатели синхронных генераторов серии МС и генераторов постоянного тока типа ПН. Как видно из этой таблицы, относящейся к генераторам малой мощности, машины серии МС несколько тяжелее генераторов постоянного тока.

Таблица 3
Весовые показатели генераторов постоянного тока и синхронных

Необходимо отметить, что уменьшение веса электрических машин возможно за счет увеличения их скорости вращения. Известно, что при неизменных габаритах машин их мощность приблизительно пропорциональна скорости вращения. Скорость вращения электродвигателей переменного тока прямопропорциональна частоте питающей сети.
Для иллюстрации сказанного в виде таблицы приведены весовые показатели короткозамкнутых асинхронных электродвигателей трехфазного тока, мощностью 7,5 и 15 кВт, заимствованные из зарубежных технических материалов.

Таким образом, для снижения веса электрических машин необходимо повышение частоты судовой сети. Естественно, что существенного снижения весов и габаритов установки в целом можно добиться в том случае, если, одновременно с увеличением скорости электродвигателей, созданием серии быстроходных электродвигателей повышенной частоты, будут созданы и быстроходные судовые механизмы — насосы, вентиляторы и др. В противном случае введение редукторов между быстроходными электродвигателями и тихоходными механизмами снизит преимущества применения в судовых электроэнергетических установках повышенной частоты.

Аппаратура управления электроприводами.

Как известно, релейно-контакторная аппаратура управления электроприводами на переменном токе по ряду своих показателей уступает релейно-контакторной аппаратуре постоянного тока. Реле и контакторы постоянного тока имеют больший срок службы, имеют более устойчивые характеристики, не вибрируют во время работы подобно аппаратам переменного тока.
Контакторы переменного тока обладают еще и тем недостатком, что при возникновении глубоких провалов напряжения в сети, порядка 40—50%, вызванных, например, короткими замыканиями, они отключаются, причем время отключения не остается постоянным и большим, как у контакторов постоянного тока, а изменяется в зависимости от величины тока в катушке электромагнита контактора в момент возникновения короткого замыкания. Это время иногда составляет очень малую величину (при значениях тока катушки в момент возникновения короткого замыкания, близких нулю), порядка нескольких сотых долей секунды.
Однако эти недостатки аппаратов переменного тока относительно мало сказываются на оценке электрооборудования переменного тока Причиной этому служит главным образом то обстоятельство, что подавляющее большинство судовых электроприводов переменного тока имеет простейшую пусковую аппаратуру, предназначенную для прямого пуска в ход короткозамкнутого электродвигателя —  магнитный пускатель и кнопочный пост управления. Поэтому количество аппаратов переменного тока оказывается значительно меньшим, чем в установках постоянного тока. Для пуска в ход нерегулируемого электродвигателя постоянного тока необходимо иметь пусковой реостат с ручным приводом или контакторную станцию, состоящую из двух линейных контакторов, одного-двух контакторов ускорения для малых электродвигателей и пускового сопротивления, в то время как для пуска короткозамкнутого нерегулируемого электродвигателя переменного тока, как говорилось выше, достаточно иметь один магнитный пускатель. По тем же причинам уход за аппаратами переменного тока проще, чем за аппаратами постоянного тока.
В тех случаях, когда возникает необходимость в схемах электроприводов переменного тока сохранить свойства аппаратов постоянного тока, это легко осуществить путем применения последних и питания их от сети переменного тока через полупроводниковые выпрямители. В табл. 4 приведены весовые показатели некоторых контакторов постоянного и переменного тока.

Таблица 4
Весовые показатели контакторов постоянного и переменного тока

Как видно из сопоставления данных графы, в которой помещены веса однополюсных контакторов постоянного тока, приходящиеся на 1 кВт пропускаемой мощности, при напряжении сети 220 Вольт, с данными графы, в которой приведены аналогичные величины для трехполюсных контакторов переменного тока 220 Вольт, при cos φ=0,8, только два однополюсных контактора постоянного тока оказываются тяжелее одного трехполюсного контактора переменного тока даже при одинаковых напряжениях сети постоянного и переменного тока. Таким образом, в весовом отношении аппаратура контакторного управления переменного тока имеет преимущества по сравнению с аппаратурой постоянного тока.
Остальное оборудование — пакетные выключатели, рубильники, предохранители и др. при применении их в цепях переменного тока при равных или больших напряжениях, чем напряжение постоянного тока, имеют несколько меньший вес на единицу пропускаемой мощности, чем при применении в цепях постоянного тока.

Автоматические воздушные выключатели.

Конструкция автоматических воздушных выключателей, применяемых на судах для защиты судовых электроэнергетических установок переменного и постоянного тока и их элементов, не различаются существенно ме жду собой.
Более легкие условия гашения электрической дуги позволяют применять автоматические воздушные выключатели в цепях переменного тока при больших напряжениях, чем при постоянном токе.
Данные для оценки весовых показателей этих аппаратов при применении их в установках постоянного и переменного тока приведены в табл. 5 и 6.
Как видно из этих таблиц, установочные автоматические воздушные выключатели, даже при одинаковом напряжении имеют меньшие веса при их применении в установках переменного тока.

Таблица 5
Весовые показатели установочных автоматических воздушных выключателей
1. Установочные автоматические воздушные выключатели серии А-3100 двух- и трехполюсные, постоянного тока до 250 в

2. Установочные автоматические воздушные выключатели серии А-3200 трехполюсные переменного тока 50 пер/сек, 500 в

Таблица 6
Весовые показатели автоматических воздушных выключателей типа А-2000

Примечание. Для постоянного тока веса приведены для двухполюсных выключателей.
1 750 А — для переменного тока.

Аналогичные соотношения имеют место и для автоматических воздушных выключателей серии А-2000М и А-2000Б с рычажным приводом. Лишь выключатели А-2000Н с рычажным приводом имеют относительно больший вес при применении их в сети переменного тока.

Кабели и провода.

В установках постоянного и переменного тока применяются кабели и провода с одинаковым качеством изолирующих материалов. Поэтому с точки зрения надежности — кабельные сети постоянного и переменного тока приблизительно равноценны.
В табл. 7 и 8 приведены данные, характеризующие весовые показатели кабелей СРМ, одиночно проложенных при применении их в установках постоянного и переменного тока.
Из этих таблиц видно, что при одинаковом напряжении, для случая одиночной прокладки кабелей и проводов (при коэффициенте мощности в установке переменного тока cos φ = 0,8), при применении кабелей марки СРМ малых сечений, преимущества оказываются на стороне переменного тока, а при средних и больших сечениях — на стороне постоянного тока.
При увеличении напряжения переменного тока преимущества оказываются на стороне переменного тока на всем диапазоне сечений кабелей.

Таблица 7
Весовые показатели трехжильного одиночно проложенного кабеля марки СРМ, при коэффициенте мощности нагрузки переменного тока cos φ = 0,8 Выводы в части весов кабелей при переменном и постоянном токе, основанные на весовых показателях кабелей марки СРМ, справедливы и для кабелей марки КНР, которые ныне применяются взамен кабелей марки СРМ (кабель марки СРМ из ГОСТа исключен).

Таблица 8
Весовые показатели двух одиночно проложенных одножильных кабелей марки СРМ, при нагрузке постоянным током

Общие выводы по выбору рода тока.

Рассмотрение основных показателей электрического оборудования постоянного и переменного тока, приведенное в настоящем разделе, позволяет сделать следующие основные выводы.
В части надежности электроснабжения. Электрическое оборудование судна на переменном токе значительно надежнее оборудования на постоянном токе, так как:
а) асинхронные электродвигатели (особенно с короткозамкнутым ротором) по степени надежности значительно выше, чем электродвигатели постоянного тока;
б) пусковая аппаратура электродвигателей переменного тока проще, чем аппаратура при постоянном токе;
в) при переменном токе представляется возможным разделить силовую и осветительную электросети помощью трансформаторов.
В части габаритов и весов электрооборудования:
а) веса генераторов постоянного и переменного тока при одинаковых мощностях и скоростях вращения примерно одинаковы;
б) габариты генераторов переменного тока с возбудителями несколько больше, чем габариты генераторов постоянного тока при той же мощности и скорости вращения; при применении же генераторов переменного тока с самовозбуждением габариты и веса их несколько меньше соответственных генераторов постоянного тока.
В части электрической сети. Веса электрических кабелей при одинаковом напряжении в сетях переменного и постоянного тока примерно одинаковы.
При применении повышенного напряжения в сетях переменного тока (что возможно ввиду большей надежности электрических машин переменного тока) веса электрических кабелей судовой электросети значительно снижаются.
В части стоимости электрооборудования. Общая стоимость электрооборудования судна на переменном токе заметно ниже, чем при постоянном токе, так как:
а) стоимость генераторов переменного и постоянного тока при одинаковых мощностях и оборотах примерно одинакова;
б) стоимость электродвигателей и пусковых аппаратов при переменном токе значительно ниже, чем при постоянном;
в) стоимость электрических кабелей при одинаковых напряжениях при постоянном и переменном токе примерно одинакова, а при применении повышенного напряжения переменного тока указанная стоимость значительно ниже.
В части регулирования скорости электродвигателей. Регулирование скорости электродвигателей постоянного тока осуществляется значительно более простыми средствами, чем у электродвигателей переменного тока.
Некоторые судовые механизмы (лебедки, рулевое устройство, шпиль и др.) требуют регулировки скорости в широких диапазонах. При переменном токе регулировка скорости, в этих случаях, осуществляется более сложными устройствами, чем при постоянном токе.
В последнее время разработаны и применяются в промышленности сравнительно простые способы регулировки скорости асинхронных двигателей, как, например, помощью дросселей насыщения.
Применение повышенной частоты переменного тока (400 Гц) на судах речного флота, тенденция к чему намечается в настоящее время, упростит, в частности, и способы регулировки скорости электродвигателей.

Общие выводы.

Принимая во внимание указанные ранее преимущества и недостатки переменного тока в сравнении с постоянным током, следует сделать вывод, что применение переменного тока на судах речного флота оказывается более целесообразным, чем применение постоянного тока.
Следует ожидать, что большинство вновь проектируемых судов будут иметь электрическое оборудование на переменном токе, и только в отдельных специальных случаях электрооборудование судов будет на постоянном токе.