Источники электрической энергии на судах.
Основными источниками электрической энергии на современных судах являются генераторные агрегаты, включающие в себя две машины: приводной двигатель и электромашинный генератор. Двигатель и генератор устанавливаются на общий фундаментной плите, а валы двигателя и генератора соединяются между собой специальной муфтой. Если рабочие обороты двигателя и генератора различаются, то между ними устанавливается редуктор. Генераторный агрегат одно из наиболее тяжелых и габаритных судовых устройств, уступающий только основным элементам главной силовой установки.
В генераторном агрегате происходит двойное преобразование энергии, в приводном двигателе (ПД) энергия Wт сжигаемого топлива (нефть, мазут, соляровое масло и др.) или пара преобразуется в механическую Wмех энергию, а далее в генераторе-механическая энергия преобразуется в электрическую Wэл.
При двойном преобразовании энергии потери составляют 65-70%, поэтому коэффициент полезного действия (к.п.д.) генераторных агрегатов составляет 30-35%, большая часть энергии теряется в приводном двигателе.
В качестве приводных двигателей на судах, в основном, нашли применение дизели и паровые турбины, их соответственно классифицируют как дизель-генераторные или турбогенераторные агрегаты.
Дизель-генераторные агрегаты имеют более высокий к.п.д., просты в эксплуатации, быстро вводятся в работу, но имеют меньший срок службы, малую перегрузочную способность, неравномерный крутящий момент.
Турбогенераторные агрегаты применяются в мощных СЭЭС, в частности, на судах с атомной энергетической установкой. Паровые турбины имеют выше срок службы, равномерный крутящий момент. К числу недостатков можно отнести высокую частоту вращении, что для генераторного агрегата возникает необходимость применении редуктора. Параметры некоторых генераторных агрегатов приведены в таблице 1.
Таблица 1
| Тип агрегата | Первичный двигатель | Генератор | ||||
| Мощность, кВт | Частота вращения, Об/мин | Тип | Мощ-ность, кВт | Напря- жение, В | Частота вра-щения, об/мин | |
Дизель-генераторы
6ДГ50М 660 750 МС99-8/8 600 400 750
ДГР500/1500 550 1500 МСК625-1500 500 230,400 1500
ДГР400/1500 367 1500 МСК625-1500 400 230 1500
ДГР 300/1000-1 330 1000 МСК375-1000 300 230,400 1000
ДГР 200/1500 220 1500 МСК103-4 200 400 1500
ДГР 150/750 165 750 160 400 750
ДГР 100/1500 110 1500 МСК92-4 100 230,400 1500
ДГР 75/1500 85 1500 МСК91-4 75 230,400 1500
ДГР 50/1500 58 1500 МСК83-4 50 230,400 1500
ДГР 25/1500 30 1500 МСК82-4 30 230,400 1500
ДГР 25/1500 33 1500 МСК82-4 25 230 1500
АДГ12-С1 14 1500 МСА72-4А 12 230,40 1500
Паротурбогенераторы
ТД750-1 - 8500 МСК940-1500 750 400 1500
ТГО1500 - 8000 МСК1875-1500 1500 400 1500
ТГУ500 - 8000 МСК750-1500 500 400 1500
ТД400-II - 8500 МСК625-1500 500 230,400 1500
ТД100 - 10000 МСК92-4 100 230 1500
По своему назначению судовая электростанция (генераторные агрегаты) определяются как:
-главная, входящая в состав гребных электрических установок и обеспечивающая движение судна;
-основная, осуществляющая питание судовых потребителей электроэнергии таблицы нагрузок в нормальных режимах работы СЭЭС;
- аварийная, обеспечивающая питание жизненно важных потребителей в аварийных ситуациях;
-стояночная, предназначенная для питания судового электрооборудования только во время стоянки судна.
Типы главных генераторных агрегатов выбираются с учетом назначения, особенностей и режимов работы судна. С точки зрения удобства обслуживания и ремонта в состав судовой электростанции, как правило, применяют одинаковые генераторные агрегаты.
Генераторы, входящие в состав генераторных агрегатов, могут быть как постоянного, так и переменного тока. Генераторы постоянного тока применяются в качестве автономных источников питания отдельных электроприводов и устройств, если основная электростанция переменного тока.
Основным типом современных судовых источников электрической энергии являются генераторы переменного тока – трехфазные судовые синхронные генераторы серий МС, МСК, ГСС. Обозначения следующие: М-морской; С-синхронный; К-кремнийорганическая изоляция; в серии ГСС, Г-генератор.
На статоре генератора расположена трехфазная обмотка якоря, которая через автоматический выключатель подключается к нагрузке или общим шинам главного распределительного щита. Обмотка постоянного тока, создающая магнитный поток, находится на роторе и приводится во вращение первичным двигателем.
В фазах якоря индуцируются три симметричных ЭДС еА, еВ, еС, сдвинутые по фазе друг относительно друга на угол 2/3π.
Стабилизация частоты и напряжения судовой сети.
Для нормального функционирования режимов работы потребителей необходимо поддерживать два основных параметра – частоту и напряжение
судовой сети.
Частота сети и, соответственно, частота вращения приводного двигателя имеют пропорциональную зависимость
где f-частота сети, Гц; n-частота вращения, об/мин; P-число пар полюсов.
Стабилизация частоты вращения осуществляется с помощью автоматических регуляторов частоты. Регулятор частоты вращения представляет собой устройство, изменяющий подачу топлива или пара в приводной двигатель генератора таким образом, чтобы при любых нагрузках поддерживать частоту вращения генераторного агрегата неизменной.
Каждый приводной двигатель генераторного агрегата снабжен центробежным регулятором, работающем по принципу отклонения. Положение равновесия центробежного измерителя определяет положение топливной заслонки, которая в свою очередь определяет количество топлива, подаваемого топливным насосом в первичный двигатель генератора в зависимости от загрузки.
Поддержание напряжения генераторов на заданном уровне, независимо от режима работы генератора, необходимо для обеспечения высокого качества генерируемой электроэнергии, оно обеспечивается автоматическим регулятором напряжения.
Ток генератора судовой электростанции в нормальных эксплутационных условиях может изменяться в весьма широких пределах. Значительные изменения тока нагрузки наблюдаются в таких режимах работы судна, как погрузка и разгрузка с помощью собственных грузоподъемных механизмов, снятие с якоря, маневрирование. Несмотря на такие значительные возмущения, автоматические регуляторы напряжения (АРН) поддерживают напряжение на шинах электростанции постоянным с точностью от 1 до 2,5% в зависимости от типа генератора.
АРН изменяют ток возбуждения в зависимости то величины сетевого напряжения, тока нагрузки, характера нагрузки (активная, индуктивная, активно-индуктивная) и от величины отклонения напряжения от номинального. Такие системы называют системами амплитудно-фазового компаундирования (САФК) с корректором напряжения. Структурная схема регулятора напряжения судового синхронного генератора представлена на рис.3.1.
Рис.3.1.
Основным звеном регулятора является трансформатор компаундирующий (ТК), имеющий три обмотки по каждой фазе: обмотки токовые, включенные последовательно в цепь якоря; обмотки напряжения, включенные через дроссель холостого хода Дхх; выходные обмотки, включенные на обмотку возбуждения генератора ОВ через выпрямитель В. Сигналы с трансформатора тока и напряжения генератора суммируются в компаундирующем трансформаторе, при этом учитывается характер нагрузки, т.е. сдвиг фазы между током и напряжением.
Корректор напряжения (КН) и дроссель отбора ДО являются сильной отрицательной обратной связью по напряжению. Если напряжение генератора увеличивается, то ток КН Iу возрастает, что приводит к увеличению тока дросселя Iо, который «отбирает» часть энергии обмотки возбуждения и напряжение на выходе генератора восстановится до номинального.
Таким образом автоматические регуляторы частоты вращения приводных двигателей и автоматические регуляторы напряжения генераторов, обеспечивают необходимое поддержание частоты сети и напряжения, предусмотренные Правилами Регистра.