Ответы на билеты СЭЭС 2013

101

чего подается питание на его обмотку возбуждения, и компенсатор втягивается в синхронизм. Система автоматического регулирования напряжения СК аналогична, применяемой для судовых синхронных генераторов.

Основным режимом эксплуатации ВГУ является режим автономной работы, когда потребности судна в электроэнергии полностью обеспечивает ВГ. ВГУ с ПП могут длительно параллельно работать с судовыми ДГ, а также обеспечивать двигательный режим работы ВГ на гребной винт.

Для обеспечения возможности работы ВГ с номинальной нагрузкой в ходовых режимах во всем диапазоне изменения частоты вращения ГД систему возбуждения выполняют с запасом по току возбуждения.

При значительном снижении частоты вращения ВГ происходит ограничение тока возбуждения и вырабатываемая мощность уменьшается пропорционально частоте вращения ГД.

ВГУ с асинхронизированным синхронным валогенератором

В последние годы находят применение ВГУ на базе асинхронизированных синхронных машин (АСМ). Асинхронизированная синхронная машина, или машина двойного литания, представляет собой асинхронную машину с фазным ротором, которая имеет симметричную двухили трехфазную обмотку возбуждения, располагающуюся на роторе. Обмотка возбуждения АСМ получает питание от источника переменного тока.

Частота электроэнергии, вырабатываемой асинхронизированным ВГ, определяется следующим образом:

ВГ Р В ,

где wВГ – угловая частота напряжения ВГ; wР - угловая частота вращения ротора ВГ;

wВ - угловая частота напряжения в обмотке возбуждения ВГ.

Подержание постоянства частоты вырабатываемой электроэнергии в асинхронизированном ВГ осуществляется путем изменения частоты тока в обмотке возбуждения.

В установившемся режиме по обмотке возбуждения ВГ токи с частотой скольжения, равной разности между синхронной частотой вращения (wс.) и частотой вращения ротора ( s с р ). В

результате статор ВГ будет пронизывать магнитный поток с постоянной синхронной частотой вращения.

Мощность, снимаемая со статорной обмотки ВГ определяется по формуле

РВГ М с М р s Рр Рв ,

где М – момент на валу ВГ;

wс – угловая частота магнитного потока; РР – мощность на валу ВГ;

Рв – мощность в цепи возбуждения АСМ.

Из приведенного ранее выражения можно получить наглядное энергетическое соотношение, позволяющее связать мощность в цепи возбуждения со скольжением (s) и мощностью ВГ:

Рв РВГ s .

Таким образом, мощность в цепи возбуждения асинхронизированных ВГ пропорциональна скольжению и, следовательно, увеличивается с уменьшением частоты вращения ВГ,

Внешние характеристики асинхронизированного ВГ значительно жестче, чем синхронного генератора, и при скольжении, близком к единице, приближаются к характеристикам трансформатора. Это происходит вследствие того, что обмотка возбуждения асинхронизированного ВГ создает поток, компенсирующий размагничивающее действие реакции якоря.

При номинальной частоте вращения асинхронизированный ВГ работает как синхронная машина с питанием обмотки возбуждения постоянным током. Однако частота вращения ГД может отличаться от номинальной частоты вращения ВГ.

В кратковременных динамических режимах возможно расширение эксплуатационных частот вращения ВГ, причем магнитное поле ротора асинхронизированного ВГ должно вращаться согласно с валом ГД, когда частота вращения вала меньше синхронной (wв < wс), и встречно – в противоположном

102

случае (wв > wс). При вращении вала ГД с синхронной частотой s = 0) магнитное поле должно оставаться неподвижным относительно ротора,

Структурная схема ВГУ данного типа представлена на рис. 50.5.

5 6

Рис. 50.5. ВГУ на базе асинхронизированного валогенератора:

1 – ГД; 2 – ВФШ: 3 - редуктор; 4 - асинхронизированный ВГ; 5 - полупроводниковый преобразователь; 6 – ГРЩ

Применение асинхронизированных ВГ позволяет уменьшить мощность используемых полупроводниковых преобразователей и повысить качество вырабатываемой электроэнергии.

Поддержание постоянства напряжения в сети осуществляется за счет изменения величины тока в обмотке возбуждения ВГ, а поддержание постоянства частоты – за счет регулирования частоты тока возбуждения ВГ.

Помимо автономной работы в данных ВГУ возможен режим длительной параллельной работы с ДГ и двигательный режим работы ВГ.

При работе в двигательном режиме асинхронизированный ВГ потребляет активную мощность, вырабатываемую ДГ. При этом ВГ может не потреблять из сети реактивную мощность и даже генерировать ее в сеть, разгружая ДГ по реактивному току.

Вопрос 51

Устрій синхронізації УСГ-35. Робота блоку підгонки частоти.

Блоки БПЧ1 и БПЧ2 входят в состав устройства синхронизации генераторов УСГ-35 СУ СЭЭС типа «Ижора» и служат для автоматической подгонки частоты подключаемого генератора к частоте сети путем воздействия на серводвигатель рейки топливного насоса.

Схема и принцип действия блоков БПЧ идентичны. Блок БПЧ1 включает в себя триггер Шмидта Tr5 на транзисторах VT1, VT2, одновибратор ОВ1 на транзисторах VT3, VT4 и конденсаторе С3, а также реле KV3. Триггер и одновибратор связаны между собой при помощи конденсатора С2.

Для управления блоками используются напряжения огибающей Us1 и Us2, полученные при помощи трансформаторов TV2, TV3 и TV4. К первичной обмотке трансформатора TV2 приложено напряжение биения Ua1a2. Напряжение вторичной обмотки TV2 выпрямляется диодом VD11 и фильтруется конденсатором С6. Полученное таким образом напряжение Us1 подается на вход блока БПЧ1. К первичным обмоткам трансформаторов TV3 и TV4 приложены соответственно напряжения Uв2a2.и Uс1a1. Вторичные обмотки этих трансформаторов включены последовательно для получения напряжения биения U2= Uс1a1 + Uв2a2, которое выпрямляется диодом VD24 и фильтруется конденсатором С10 и подается на вход блока БПЧ2. Напряжения Us1 и Us2 сдвинуты по фазе на угол 60 .

Если напряжение Us1 на входе БПЧ1 недостаточно для пробоя стабилитрона VD11, то VT1 закрыт, а VT2 открыт. Конденсатор С2 заряжается до напряжения 12 В по цепи: (+)12 В – R3 - VT2

(блок 7) – R4 – C2 – Rк1 (блок 6) – (-)12 В.

VT4 открыт базовым током через R7 и шунтирует вход VT3. Реле KV3 не получает питание. Конденсатор С3 заряжен током базы по цепи: (+)24 В – ЭБ VT4 – C3 – R6 – VD3 – (-)24 В.

103

Аналогичное состояние БПЧ2. Очередность работы БПЧ зависит от соотношения частот подключаемого генератора fг и сети fс. Если fг fс, то Us1 опережает Us2.

При увеличении напряжение Us1 до напряжения пробоя стабилитрона VD11 триггер Tr5 опрокидывается, при этом VT1 открывается, а VT2 закрывается. Напряжение конденсатора С2 через открытый VT1 прикладывается ко входу VT4 и запирает его. VT3 открывается базовым током через R5 и Rк3. При этом реле KV3 включается и своими контактами подключает питание к электродвигателю рейки топливного насоса. Рейка смещается в сторону уменьшения подачи топлива. Длительность срабатывания реле определяется временем разряда конденсатора С3 через R7, источник питания 24 В, VT3 и VD2. В течение этого времени С3 удерживает VT4 закрытым. После разряда конденсатора С3 одновибратор ОВ1 устанавливается в исходное состояние и KV3 обесточивается.

Одновременная работа блоков БПЧ1 и БПЧ2 исключается тем, что в момент опрокидывания триггера Tr5 конденсатор С2 (блок 7) перезаряжается ДР напряжения 12 В с

обратной полярностью по цепи : (+)12 В – Rсм2 – Rб4 – C2 – R4 (блок 7) – Rк2 (блок 6) – (-) 12 В. Поэтому включение триггера Tr6 не приведет к включению реле KV4. Кроме того, одновременное

включение реле исключается применением размыкающих контактов одного реле в цепи питания катушки другого.

Рисунок 51.1 – Функциональная схема блоков подгонки частоты и развода генераторов

Рисунок 51.2 – Блоки подгонки частоты и развода генераторов. Схема электрическая принципиальная

104

G1

ПД1 М1

Рисунок 51.3 – Структурная схема автоматической синхронизации на базе УСГ-35

Вопрос 52

Блок синхронізації БСГ в системі "Іжора-М".

Блок БСГ входит в состав СУ СЭЭС «Ижора-М» и предназначен для включения СГ на параллельную работу методом точной синхронизации с предварительной автоматической подгонкой частоты подключаемого генератора к частоте сети.

Блок выдает сигнал на включение автомата при:

–разности напряжений U ≤ 0,12 Uном;

–разности частот 0,2 Гц ≤ f ≤ 0,6Гц;

–угле сдвига фаз φ ≤10º.

Элементной базой блока являются микросхемы, которые включают в себя логические элементы, генераторы импульсов, счетчики, дешифраторы, триггеры и т.д.

Рисунок 52.1 – Функциональная схема блока синхронизации БСГ

Напряжение работающего генератора G1 подается на трансформаторы TV1 и TV3, а подключаемого генератора на TV2. Напряжение с TV3 подается на узел питания УП. С выходов трансформаторов TV1 и TV2 напряжение поступает на вход узла УСН сравнения напряжений и входы формирователей Ф1 и Ф2.

При U > 0,12 Uном с выхода узла УСН поступает запрет на синхронизацию в виде логического нуля.

Формирователи Ф1 и Ф2 предназначены для получения импульсов двух видов: коротких с продолжительностью, равной половине периода напряжения генератора. Длинные импульсы поступают на вход узла синхронизации УС, а короткие на узел подгонки частоты УПЧ.

Квантовый генератор UZ вырабатывает импульсы стабильной частоты 100 кГц, которые после триггера DТ, выполняющего роль делителя частоты, с частотой 50 кГц поступают на УС и УПЧ. Узел уставки УУ устанавливает все триггеры БСГ в исходное состояние при включении блока.

105

УПЧ вырабатывает сигналы на увеличение или уменьшение частоты подключаемого генератора, а при допустимой разнице частот выдает логическую единицу, поступающую на вход узла УС. УС выдает сигнал на включение автомата генератора при условии, что U, f, φ находятся в установленных пределах, Для повышения надежности используются два блока БСГ, выходы которых включаются последовательно (схема совпадений).

G1

ПД1 М1

Рисунок 52.2 – Структурная схема автоматической синхронизации на базе БСГ На рисунке 52.2 изображена структурная схема автоматической синхронизации на базе

БСГ. Из схемы видно, что на вход автоматического синхронизатора подается напряжение сети и напряжение генератора. С выхода АС сигнал подается на серводвигатель рейки топливного насоса для подгонки частоты, а другой сигнал на включающий электромагнит генераторного автомата.

Вопрос 53

Устрій розподілу активної потужності УРМ-35. Робота блоку УРМ-35ФУ

При параллельной работе синхронных генераторов активные нагрузки должны распределяться пропорционально их номинальным активным мощностям. При этом соотношение мощностей параллельно работающих СГ не должно превышать 3:1, в противном случае параллельная работа СГ становится неустойчивой.

Согласно Правилам Регистра при параллельной работе генераторов в диапазоне 20 100 % общей нагрузки ее распределение должно происходить пропорционально мощностям генераторов. Отклонение от указанного пропорционального распределения может составлять на более 15% от расчетной нагрузки большего генератора либо не более 25% от расчетной нагрузки меньшего генератора. Поэтому для каждого генератора, работающего в параллель, должно быть предусмотрено устройство автоматического распределения активных нагрузок. К таким отечественным устройствам относятся:

1)УРЧН – устройство регулирования частоты и нагрузки;

2)УРМ – устройство распределения активной мощности (СУ «Ижора»);

3)БРНГ – блок регулирования нагрузки генераторов (СУ «Ижора - М»).

Во всех перечисленных выше устройствах для автоматического распределения активных нагрузок используется метод базового генератора.

Устройство входит в состав СУ СЭЭС типа "Ижора" и обеспечивает распределение активных нагрузок между параллельно работающими СГ с погрешностью ±0,05Рном при изменении суммарной нагрузки судовой электростанции от 0,2 до 1,1 Рном. Устройство состоит из трех блоков:

УРМ-35Д - датчик активного тока;

УРМ-35Ф - формирователь импульсов;

УРМ-35У -усилитель.

Последние два блока конструктивно объединены в общем корпусе УРМ – 35 ФУ.

Датчик активного тока типа УРМ-35Д

Предназначен для получения на его выходе напряжения, пропорционального активной мощности СГ. Датчик устанавливают на каждом генераторе и подключают при помощи

106

трансформаторов напряжения TV1, TV2 и трансформатора тока ТА1. В состав датчика входят тороидальные трансформаторы напряжения ТVЗ, TV4, TV5, согласующий трансформатор тока ТА2, выпрямители UZ1, UZ2 и резисторы R1-R4.

Трансформатор TV3 состоит из двух тороидальных магнитопроводов с первичными обмотками, включенными через понижающие трансформаторы TV1, TV2 на линейные напряжения

трансформаторов одинаковы и после выпрямления компенсируют одно другое на выходе датчика,

т.е. Uвых=0.

Uвых=0.> 0.

107

По мере увеличения угла φ сдвига тока нагрузки относительно напряжения разница

напряжения становятся одинаковыми. В последнем случае Uвых=0.

Таким образом, напряжение на выходе датчика имеет наибольшее значение при активной нагрузке и равно нулю при индуктивной нагрузке.

При параллельной работе СГ выходы датчиков соединяют посредством вспомогательных контактов генераторных АВ. Например, при включении на параллельную работу базового СГ1 и резервного СГ2 генераторов замыкаются вспомогательные контакты К1 и К2, образуя последовательную цепь, в которой выходные напряжения Uвых1 и Uвых2 датчиков направлены встречно и при одинаковой активной нагрузке генераторов взаимно компенсируются. Напряжение рассогласования U = Uвых1 - Uвых2 = 0. При неодинаковых активных нагрузках на выходе цепи возникает напряжение U определенной полярности, которое подается на вход блока УРМ-35Ф.

Блок формирователя импульсов УРМ-35Ф

Предназначен для преобразования напряжения U рассогласования на его входе в пакет импульсов напряжения прямоугольной формы на выходе. В состав блока входят элементы питания, формирования импульсов «больше» и «меньше», а также генератор пилообразного напряжения ГПН (на рисунке не показан). Элементы питания включают в себя многообмоточный трансформатор TV1, а также диоды, фильтры и стабилизаторы напряжения

Элементы формирования импульсов «больше» и «меньше» построены одинаково и включают в себя триггер Trl (Тг2) Шмитта на транзисторах VT1, VT3 (VT2, VT4), эмиттерный повторитель на транзисторе VT5 (VT6), стабилитрон VD7 (VD8), тиристор VS11 (VS12) с управлением по аноду и выпрямитель UZ1 (UZ2). Указанные элементы имеют входы: общий с выводами 8в и 7в и раздельные, образованные диодом VD6 (VD5) и резистором R4(R5). На общий вход поступает напряжение U рассогласования.

На раздельные входы с выхода генератора пилообразного напряжения ГПН поступает напряжение Uп с обозначенной на схеме полярностью.

Исходному состоянию схемы формирователя соответствует равенство активных нагрузок параллельно работающих СГ, при котором U = 0. Под действием напряжения Uп транзисторы VT1 и VT2 закрыты. Поэтому открыты транзисторы VT3 и VT4, их выходные напряжения малы и недостаточны для пробоя стабилитронов VD7 и VD8. Резисторы R22 и R23 (имеют большое сопротивление) включены на стороне постоянного тока последовательно с вторичными обмотками трансформатора TV1 блока УРМ-35Ф и уменьшают практически до нуля напряжения Uвых1 и Uвых2, поступающие на первичные обмотки трансформаторов TV1 и ТVЗ блока УРМ-35УЗ.

108

Рисунок 53.3 - Принципиальные схемы формирователя УРМ-35Ф и усилителя УРМ-35УЗ

Блок усилителя УРМ-35У

Предназначен для усиления импульсов напряжения, поступающих на его вход из формирователя импульсов УРМ-35Ф. В качестве примера рассмотрим усилитель типа УРМ-35УЗ, предназначенный для управления серводвигателем постоянного тока напряжением 27 В с независимым возбуждением.

В состав блока усилителя входят элементы питания и элементы импульсов «больше» и «меньше». Элементы питания включают в себя трансформатор напряжения TV2 и выпрямители UZ2 и UZ3. Элементы импульсов «больше» и «меньше» одинаковы по устройству. Элемент «больше» («меньше») включает в себя трансформатор TV1 (ТVЗ), выпрямитель UZ1 (UZ4), тиристор VS3 (VS14), диод VD2 (VD13) и резисторы R1, R2 (R3, R4). Нагрузкой для усилителя является обмотка якоря серводвигателя М.

Если активная нагрузка базового генератора СГ1 больше, чем резервного СГ2, то напряжения на выходах датчиков активного токаУРМ-35Д неодинаковы Uвых1 > Uвых2. В результате к входу 8-7 формирователя УРМ-35Ф будет приложено напряжение U с полярностью, обозначенной на рисунке 53.3.

Рисунок 53.4 – Графики напряжений на входе (а) и на выходе (б) формирователя УРМ-35Ф

Принцип действия формирователя основан на сравнении двух напряжений: рассогласования U и пилообразного Uп, (рисунок 31.4). Если U > Un (участок АВ), через диод VD3, резисторы R4 и R2 протекает ток, создающий на VD3 напряжение, удерживающее транзистор VT2 закрытым. Тем самым исключается срабатывание элемента импульса «меньше». Напряжение на резисторе R4 (полярность обозначена на рисунке) опрокидывает триггер Tr1. При этом транзистор VT1 открывается, а транзистор VT3 закрывается. Напряжение на выходе закрытого VT3

110

распределения нагрузок; при Р < Ргр - импульсное включение серводвигателя, что позволяет избежать перерегулирования

Рисунок 30.1 – Функциональная схема блока распределения активных нагрузок генераторов БРНГ

Элементной базой блока в основном являются микросхемы (логические элементы, генератор импульсов, усилитель и др.). В состав блока входят: узел уставки УУ с двухполюсным переключателем уставок SA1, при помощи которого задают указанные выше значения Ргр; двухполюсные кнопки SB1-SB4 для контроля исправности блока; формирователь сигналов UV; компараторы DD1.1-DD1.4, представляющие сравнивающие устройства с аналоговым входом и дискретным выходом; логические элементы DD2.1, DD2.2 (И - НЕ), DD3.1-DD3.4 (НЕ), DD4.1, DD4.2 (ИЛИ - НЕ) и выходные усилители А1, А2. На выходах этих усилителей включены реле «увеличение нагрузки» и «уменьшение нагрузки».

Алгоритмы функционирования логических элементов:

элемент «И – НЕ» - если на всех без исключения входах логические единицы, на выходе логический 0; если хотя бы на одном входе 0, на выходе 1;

элемент «ИЛИ – НЕ» - если на любом входе 1, на выходе 0; если на всех без исключения входах 0, на выходе 1;

элемент «НЕ» - если на входе 1, на выходе 0; если на входе 0, на выходе 1.

Выходные усилители А1 и А2, не являясь собственно логическими элементами, реализуют логическую функцию «ДА» (повторение): если на входе 1, на выходе 1; если на входе 0, на выходе

0.

Питание элементов блока обеспечивает узел питания АG, на вход которого подается напряжение 220 В (127 В) частотой 50 Гц, а с выхода снимаются напряжения: не стабилизированное +27 В и стабилизированные +5, +12,6 и -12,6 В.

После включения на шины резервного генератора (обозначим резервный генератор СГ2, а базовый генератор – СГ1) выходы блоков измерителей активного тока БИАТ-1 и БИАТ-2 обоих генераторов соединяются последовательно. Поэтому при неодинаковых активных нагрузках генераторов через контакты 3-1 кнопок SB1-SB4 на вход формирователя UV подается напряжение U, пропорциональное степени неравномерности активных нагрузок генераторов. С выходов 1-4 формирователя через контакты 4-2 кнопок SB1-SB4 напряжения Uф поступают на нижние входы компараторов DD1.1-DD1.4. Из узла уставок УУ на верхние входы этих компараторов подаются напряжения уставок Uуст, причем на входы компараторов DD1.2 и DD1.4 непосредственно, а на DD1.1 и DD1.3 через переключатель уставок SA1.

Принцип действия компаратора основан на сравнении двух входных напряжений: уставки Uуст и формирователя Uф. На выходе компаратора устанавливается логический 0 при Uуст > Uф и логическая 1 при Uуст < Uф. Напряжение уставки компаратора DD1 I (DD1.3) выше, чем DD1.2 (DD1.4). Схемы компараторов построены на операционных усилителях типа К1УТ401Б.