ГЭУ постоянного тока.

Гребные электрические установки постоянного тока, в которых гребные двигатели и питающие их генераторы являются электри­ческими машинами постоянного тока, отличаются простотой, удобством и плавностью регулирования частоты вращения греб­ных винтов в широком диапазоне их моментов нагрузки.

ГЭУ постоянного тока используются в установках малой и средней мощности на судах с высокой маневренностью. Ограни­чение мощности ГЭУ постоянного тока определяется тем, что соз­дание электрических машин большой мощности на постоянном токе сложнее, чем на переменном.

Схемы включения генераторов и гребных двигателей ГЭУ постоянного тока

В ГЭУ постоянного тока используется ряд вариантов основных схем включения генераторов и гребных электрических двигателей. Некоторые из них приведены на рисунке ниже.

Схемы соединения генераторов и двигателей в ГЭУ постоянного тока. Рис. 10.2

Схема с последователь­ным включением генераторов и якоря двигателя (рис.10.2 а) позволяет получить повышенное напряжение питания двигателя, поскольку напряжения генераторов суммируются при номинальном токе генератора.

Например, если напряжение генератора 600 В, то на двигатель будет подано 1200 В. По требованию Правил Регистра - это пре­дельное значение напряжения, которое допустимо между двумя любыми точками цепи главного тока ГЭУ.

В ГЭУ с последовательным соединением генераторов возможна опасная аварийная ситуация, если один из первичных двигате­лей лишается подачи топлива, например, из-за заклинивания топливного насоса ди­зеля. Через генератор продолжает при этом идти ток главной цепи. Создается большой отрицательный момент на валу генератора, который остановит аварийный первичный двигатель и начнет вращать его в обратную сторону, что приведет к крупным поврежде­ниям дизеля. Эту ситуацию следует быстро фиксировать соответствующими датчиками (частоты вращения, давлении воды, масла), которые выдают сигнал аварийной остановки и обеспечивают снятие возбуждения генератора.

Схема с параллельным включением генераторов (рис.10.2 б) обеспечивает удобство включения и отключения отдельных гене­раторов.

Если генераторы установлены на одном валу, то равно­мерность их нагрузки обеспечивается относительно просто. Если генераторы имеют различные первичные двигатели, то равномер­ное распределение нагрузок достигается с помощью дополнитель­ных мер, например путем введения перекрестных связей, между последовательными обмотками возбуждения.

На (рис.10.2 в) при­веден пример схемы одноконтурной ГЭУ с последовательным со­единением четырех генераторов и двух двигателей. Такая схема, в которой чередуется пара генераторов и один двигатель, позволяет понизить напряжения между любыми двумя точками цепи до двойного напряжения одного генератора и тем самым повысить безопасность обслуживания ГЭУ.

ГЭУ такого состава генераторов и ГЭД может иметь и двухконтурную струк­туру: каждый электродвигатель питается от своей пары последова­тельно (или параллельно) соединенных генераторов. Два контура ГЭУ обеспечивают большую надежность работы установки в целом.

Принципиальная схема дизельной электрической уста­новки (ДГЭУ) на постоянном токе.

Пример принципиальной схемы дизельной электрической уста­новки (ДГЭУ) на постоянном токе показан на рис.

Принципиальная схема дизельной электрической уста­новки на постоянном токе.

Подобные схемы используются на буксирах, судах ледового плавания и ледоколах.

Основные элементы установки:

1. первичный двигатель ПД, частота вращения которого поддерживается постоянной регулятором Р, изменяющим расход топлива;

2. генератор постоянного тока Г с двумя обмотками возбуждения;

3. гребной двигатель Д;

4. возбудительный агрегат, состоящий из асинхронного приводного двигателя АД, возбудителя генератора ВГ и возбудителя двига­теля ВД;

5. пост управления ПУ, расположенный в ходовой рубке или ЦПУ.

При перемещении рукоятки на ПУ из нулевого в за­данное положение движок потенциометра ПР смещается из поло­жения «0» и напряжение подается на первую обмотку возбудителя, по которой пойдет ток возбуждения возбудителя генератора I , создающий поток возбуждения возбудителя генератора Ф .В возбудителе генератора ВГ появляется ЭДС, создающая ток в его обмотке самовозбуждения, ток в обмотке возбуждения генератора и свя­занный с ним поток Ф . В генераторе возникает ЭДС, которая соз­дает ток I в якорной цепи генератора и двигателя. Двигатель имеет постоянный поток возбуждения Ф , и поэтому при появле­нии тока I возникает момент М, вращающий якорь двигателя и винт. Для ограничения тока при пуске и создания мягкой характе­ристики ГЭУ предусматривается обратная отрицательная связь по току: пропорционально току I возникает поток Ф второй об­мотки возбуждения, размагничивающей ВГ и тем самым ослабляющий ЭДС генератора.

Такая схема называется схемой с трех обмоточным возбудителем. Компенсационная обмотка КО и

об­мотки дополнительных полюсов ДП электродвигателя играют в схеме роль сопротивления, падение напряжения на котором пропорционально току I.

ГЭУ переменного тока.

Типы гребных электродвигателей.

В классических схемах ГЭУ переменного тока используются генераторы синхронного типа и синхронные или асинхронные гребные электродвигатели. Такие ГЭУ переменного тока проек­тируются для судов с относительно редкими изменениями режима движения.

Для ГЭУ переменного тока характерно использование повышенных напряжений:

при мощности ГЭУ до 10 МВт – 3 кВ, при больших мощностях – до 6 кВ. Номинальная частота принимается на электроходах отечественной постройки обычно 50 Гц.

В ГЭУ переменного тока повышенной мощности (более 10 МВт) устанавливаются турбины (ТЭГУ ), а при малых и средних мощностях (до 10—15 МВт) — дизели ( ДЭГУ).

Способы регулирования скорости гребных электродвигателей.

Регулиро­вание частоты вращения гребных электродвигателей в ГЭУ пере­менного тока с винтами фиксированного шага ВФШ обеспечивается преимущественно изменением частоты напряжения генераторов (частоты вращения первичных тепловых двигателей), а также пу­тем использования в качестве гребных электродвигателей асин­хронных машин с фазным ротором.

Частотное управление угловой скоростью гребных электродвигателей переменного тока оказы­вается энергетически выгодным, так как при этом достигается минимизация их электрических потерь. Вместе с тем это отрица­тельно сказывается на технических характеристиках первичных двигателей с широким регулированием их частоты вра­щения.

Изменение направления вращения гребных электродвигателей достигается переключением

фаз в главной цепи, число которых, как правило, выбирается равным трем.

Структурные схемы ГЭУ переменного тока.

В ГЭУ переменного тока устанавливают, как правило, несколько ГЭД и генераторов включаемых параллельно.

Режимы параллельной работы генераторов ГЭУ при регулировании в широких пределах частоты напряжения для изменения скорости хода судна требуют особо точного синхронного регулирования частоты вращения первичных двигателей. Это необходимо для того, чтобы при регулировании подачи топлива частота тока каждого параллельно включенного генератора изменялась бы одинаково.

Рис. Регулирование частоты вращения ГЭД асинхронного типа а) с фазным ротором с потерей энергии, ( б) и рекуперацией энергии скольжения.

Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей с фазным ротором осуществляется путем обычного включения в цепь ротора реостатов R ( рис. а) связано со значительной потерей энергии на их нагрев. Поэтому энергетически более выгодна вентильно-каскадная схема рекуперации потерь роторной цепи (потери на скольжение) в цепь главного тока через вентильный выпрями В и преобразователь электромашинного типа Д - СГ (рис. б) или через полупроводниковый управляемый преобразователь. В этом случае механическая энергия, подкручивает винт. Электроэнергия, вырабатываемая гребным электродвигателем, возвращается ( рекуперируется ) через управляемый выпрямитель В в сеть, что экономично.

Принципиальная схема одновальной ТЭГУ на переменном токе.

Принципиальная схема возможного варианта одновальной турбоэлектрической установки на переменном токе, показанная в качестве примера на рис. ниже, имеет две турбины Т1 и Т2 с регуляторами Р1 и Р2, дистанционно связанными с постом управления ПУ, с которого осуществляется плавное изменение частоты вращения гребного синхронного двигател Д и винта В.

Возбудительный агрегат ВГ- АД -ВД с зависимым параллельным включением обмоток возбудителей генераторов ОВГ и двигателя ОВД обеспечивает регулируемое возбуждение этих машин. Автоматы А и переключа­тель П предназначены со ответственно для включения генераторов Г1 и Г2 и переключения следова­ния фаз(реверса) гребного двигателя Д.

Принципиальная одновальная ТГЭУ на переменном токе.

Реверс установки осу­ществляется в следующем порядке. Прежде всего снижают частоту вращения гребного вала путем воз­действия на регуляторы турбин, затем плавно уменьшают напряжение всех синхронных машин. Когда ток в главной цепи спадает до нуля, производят коммутацию реверсивного переклю­чателя П.

Далее повышают напряжение генераторов и двигате­лей и увеличивают подачу рабочего тела G в турбины. При сниже­нии напряжения параллельно работающих генераторов может произойти выпадение их из синхронизма, поэтому должно быть предусмотрено обеспечение синхронности вращения генераторов при снятом возбуждении.

10.4 ГЭУ двойного рода тока.

Гребными установками двойного рода тока называются такие установки, в которых в качестве источников электроэнергии используются синхронные генераторы переменного тока, а в качестве гребных электродвигателей – электродвигатели постоянного тока.

Появление таких установок стало возможным благодаря развитию полупроводниковой техники, на базе которой были созданы выпрямители двух типов:

1. неуправляемые, выходное напряжение которых не регулируется;

2. управляемые с регулируемым выходным напряжением.

Появление мощных, на сотни кВт, выпрямителей позволило объединить вы­сокие маневренные качества ГЭУ постоянного тока с достоинст­вами ГЭУ переменного тока (возможность применения высокообо­ротных первичных двигателей).

Структурная схема ГЭУ двойного рода тока с неуправляемым выпрямителем.

Структурная схема гребной электроустановки двойного рода тока с неуправляемым выпрямителем в виде одного из возможных вариантов представлена на рис. ниже

Рис.10.4 Структурная схема ГЭУ двойного рода тока.

Синхронный генератор СГ, питающий гребной электродвига­тель постоянного тока ГЭД независимого возбуждения, вращается первичным двигателем ПД с постоянной частотой ω. Гребной элек­тродвигатель ГЭД постоянного тока подключается к синхрон­ному генератору через неуправляемый выпрямитель НВ.

Регули­рование выпрямленного напряжения U осуществляется изме­нением тока в обмотке возбуждения синхронного генератора ОВГ, при помощи тиристорного возбудителя генератора ТВГ. Последний управляется регулятором возбуждения УВГ в зависимости от сигнала с пульта управления ПУ, режима главной цепи (тока I и напря­жения U) и уставок максимального тока I и эталонного на­пряжения U .

В схеме возбуждения ГЭД применяется реверсив­ный тиристорный возбудитель ТВД, управляемый отдельным регулятором УВД. Этот возбудитель предназначен для реверса ГЭД.

Синхронный генератор, неуправляемый вы­прямитель и гребной электродвигатель образуют систему, ана­логичную по структуре ГЭУ постоянного тока. Однако механиче­ские характеристики такой схемы ГЭУ менее жестки, чем у ГЭУ постоянного тока, благодаря большим внутренним сопротивле­ниям СГ и НВ.

Пуск гребного электродвигателя осуществляется подачей тока одновременно в обмотки возбуждения СГ и ГЭД. При этом пус­ковые токи I меньше, чем у ГЭУ постоянного тока.

Необходимая величина электромагнитного момента ГЭД при заклинивании винта обеспечивается формой внешней характеристики син­хронного генератора, выпрямителя и жесткой обратной связью по току (кI ).

Режим постоянства мощности ГЭУ в широком диа­пазоне частот вращения ГЭД автоматически обеспечивается двумя жесткими отрицательными обратными связями (по току I и напряжению U), которые вводятся в регуляторы возбуждения. Реверс ГЭД производится изменением направления тока в об­мотке возбуждения двигателя ОВД, которое осуществляется ре­версивным тиристорным возбудителем ТВД.

Именно ГЭУ двойного рода тока с неуправляемыми выпрями­телями в цепи якорей ГЭД постоянного тока была реализована на ледоколе-атомоходе «Арктика», что обеспечило:

1. высокую маневренность (широкий диапазон регулирова­ния частоты ГЭД и достаточную быстроту ее изменения) и простоту управления ГЭУ;

2. возможность создания турбогенераторных агрегатов без редукторов и удобство их компоновки в машинном отделении;

3. снижение шумности и вибрации элементов ГЭУ;

4. повышение КПД установки;

5. наибольшую простоту исполнения и надежность работы ГЭД и их питания.

Сравнение эксплуатационных свойств ГЭУ двойного рода тока и ГЭУ постоянного и переменного тока.

Гребные электроустановки двойного рода тока превосходят по своим характеристикам ГЭУ как постоянного, так и перемен­ного тока. ГЭУ двойного рода тока имеют лучшие массогабаритные показатели, чем ГЭУ постоянного тока, из-за приме­нения дизелей с повышенной частотой вращения и турбин без редукторной передачи.

Благодаря отсутствию коллектора синхронные генераторы легче, чем генераторы постоянного тока. Так, синхронный гене­ратор мощностью 1000 кВт при частоте вращения 1000 об/мин. имеет относительную массу 6,3 кг/кВт при относительной массе 9 кг/кВт генератора постоянного тока той же мощности и частоты вращения.