Системы возбуждения судовых синхронных генераторов

Системы возбуждения судовых  синхронных генераторов

Непрерывный рост электровооруженности судов приводит к увеличению мощности и усложнению режимов работы их электростанций. В этих условиях успешная эксплуатация судовых электроэнергетических систем (ЭЭС) возможна лишь при широком применении средств автоматики. Автоматизация ЭЭС позволяет добиться улучшения качества электроэнергии в судовой сети в статических и динамических режимах работы. Последнее особенно важно при наличии в числе потребителей электроэнергии систем управления судовыми техническими комплексами и других электроприемников, обеспечивающих движение, навигацию, борьбу с авариями и жизнедеятельность судна в целом. В связи с этим постоянно совершенствуются сиотемы регулирования параметров электроэнергии и, в частности, рассматриваемые в настоящей работе автоматические регуляторы напряжения (АРН) судовых синхронных генераторов (СГ).

На крупных современных  судах уровень мощности ЭЭС достигает  таких больших значений, что управление электростанцией в аварийных  режимах короткого замыкания  с помощью автоматических выключателей становится невозможным из-за больших  значений ударных токов к.з., превышающих допустимые электродинамические токи защитных аппаратов.

Предельная коммутационная способность (ПКС) и электродинамическая устойчивость наиболее мощных существующих и разрабатываемых в Советском Союзе судовых автоматических выключателей не превышает 100-120 кА (ударный ток, амплитудное значение). Это селективные выключатели серии AM на номинальные токи 625 А и более и неселективные выключатели серии А-3700 на номинальные токи 160-630 А.

При к.з. на зажимах фидерных выключателей, установленных на ГРЩ, ударный ток к.з. для всех фидеров ГРЩ практически одинаков и при обычных реактивностях судовых генераторов достигает величин 100-120 кА. при мощностях электростанций, примерно равных 2-2,5 МВт. При мощности 3 МВт и больше ударные токи к.з. превышают ПКС современных автоматических выключателей, поэтому в ЭЭС большой мощности первоочередной задачей является снижение ударных токов к.з. до величин, не превышающих 100120 кА.

В электростанциях  средней и даже малой мощности фидерные автоматы иногда приходится выбирать не по номинальному току, а  по их предельной коммутационной способности, т.е. приходится устанавливать более  крупные автоматические выключатели. Например, для СГ мощностью 300 кВт  ударный ток к.з. в фидере, с учетом подпитки точки к.з. от асинхронной нагрузки, на 10-20% превышает ПКС автоматов АК-50 на соответствующий номинальный ток, что заставляет применять автоматы серии A-3I20, значительно превышающие автоматы АК-50 по габаритам.

Таким образом, с  целью улучшения массо-габаритных характеристик судовых распредустройств, а иногда и для обеспечения принципиальной возможности создания электростанций существует задача снижения ударных токов к.з. в зависимости от условий конкретной ЭЭС на величину от нескольких процентов до десятков процентов.

На ряде современных  судов, например, на плавучих кранах "Богатырь", "Витязь", мощность запускаемых асинхронных двигателей составляет в отдельных режимах до 50$ мощности работающих генераторов. Существует тенденция увеличения коээфициента соизмеримости мощности отдельного потребителя электроэнергии и синхронного генератора. Это обуславливает необходимость применения специальных средств ограничения пусковых токов электродвигателей. Вместе с тем, совершенствование автоматических регуляторов напряжения судовых СГ позволило бы уменьшить габариты пусковых устройств (или отказаться от их использования совсем) и уменьшить провалы напряжения в режимах включения нагрузки соизмеримой мощности.

Таким образом, в  настоящее время на судах актуальна  задача уменьшения ударных токов  к.з. и величин динамических отклонений напряжения в режимах коммутации нагрузки. Решать ее можно за счет применения таких АРН, которые обладают способностью интенсивно влиять на протекание переходного процесса. Такой регулятор должен обладать высоким быстродействием и большими уровнями управляющих воздействий и поэтому может быть отнесен к классу регуляторов возбуждения сильного (интенсивного) действия, а регулирование возбуждения в упомянутых режимах - к сильному регулированию возбуждения судовых СГ [п] .

Пионерами в создании сильного регулирования возбуждения  СГ являются советокие электроэнергетики Лебедев СЛ., Горев А.А., Цукерник Л.В., Веников В.А., Герценберг Г.Р. и др. Сильное регулирование возбуждения СГ в мощных ЭЭС расширяет возможности стабилизации напряжения и улучшения статической устойчивости, облегачет аварийные и послеаварийные режимы в случае нарушения синхронности работы генераторов.

Применительно к  судовым СГ принципы сильного (интенсивного) регулирования возбуждения начали рассматриваться сравнительно недавно. В ряде опубликованных работ приводятся результаты исследований в этом перспективном направлении. К числу таких исследований относятся работы Д.В.Вилесова, Ю.А.Дубовского, В.Д.Кебко, В.П.Коваленко, С.И.Логинова, Л.З.Мадорского, В.А.Михайлова, В.А.Юхновича и др. [l5, 16, 24, 27, 41, 42, 43, 49, 50,

5б] .В них производится оценка общих технических показателей систем сильного регулирования возбуждения судовых СГ, обосновывается с помощью методов оптимального управления перспективность использования интенсивных регуляторов возбуждения для улучшения качества напряжения судовых СГ, рассматриваются вопросы методов исследования процессов в судовых ЭЭС, особенности этих процессов.

Оценивая результаты исследований систем интенсивного регулирования  возбуждения судовых СГ, отметим  следующие достижения:

1. Показана принципиальная  возможность улучшения качества  напряжения в динамических режимах  коммутации нагрузки СГ и дана  его количественная оценка для  некоторых конкретных СГ [l5, 27] при  использовании интенсивного регулирования  возбуждения; 

2. С помощью теории  оптимального регулирования определены  законы регулирования возбуждения  СГ, предложены варианты аналитического  конструирования регуляторов возбуждения ;

3. Для случая  импульено-циклической нагрузки с априорно известным законом коммутации разработаны схемы упреждающей форсировки, обеспечивающие практически инвариантность напряжения СГ [55];

4. Для бесщеточных судовых СГ разработана серия АРН, обладающих повышенным быстродействием в переходных режимах ^88, 89, 87] .

Несмотря на достигнутые  значительные результаты выполненных  ранее теоретических и экспериментальных  исследований в области интенсификации регулирования возбуждения отметим, что работы в области интенсификации регулирования возбуждения судовых  СГ в большинстве случаев носят  чисто теоретический характер, без  доведения технических решений до уровня разработки принципиальных электрических схем АРН. Вместе с тем вопросы схемной реализации не только вносят специфические особенности в характер протекания процессов в самих регуляторах и сказываются на технических характеристиках последних, но и существенно влияют на качество электроэнергии в нормальных и аварийных режимах работы электростанции. Вопросы схемных решений интенсивных регуляторов возбуждения, работающих по замкнутой схеме регулирования, и в связи с этим уточнение реализованных законов регулирования возбуждения не рассматривались. Не установлены возможности интенсивного регулирования возбуждения СГ в ударной зоне к.з. с целью уменьшения аварийных токов.

Установившиеся  общепринятые методы расчетов переходных » процессов в ЭЭС не позволяют  в ряде случаев применить их душ  исследования режимов работы при  интенсивных воздействиях (например, при дефорсировках возбуждения, при изменениях в цепи возбуждения).

Полученные с  помощью методов теории оптимального регулирования и аналитического конструирования технические предложения  настолько далеки от возможности  разработки по ним принципиальных электрических  схем, что требует поиска других, более простых решений для  реализации закона оптимального регулирования.

Таким образом, эти  работы до настоящего времени не заканчивались  созданием интенсивных регуляторов  возбуждения к судовым CTj не рассмотрен весь комплекс вопросов, решение которых позволило бы создать АРН, обеспечивающий выполнение всех требований к параметрам напряжения судового СГ в динамических и статических режимах, нет оценки влияния интенсивного регулирования возбуждения на ограничение тока к.з. в ударной зоне.

Лишь на ЛПЭО "Электросила" разработана серия СГ в бесщеточном исполнении, предназначенная заменить существующие генераторы серии ТМВ и МСК. Большое внимание разработчики новой серии СГ уделили выбору типа бесщеточного возбудителя, схемы выпрямления выходного напряжения генератора. Генераторы новой серии обладают повышенными реактансами по продольной оси, что обеспечивает уменьшенные значения токов к.з. Для компенсации увеличения отклонений напряжения генераторов в режимах коммутации нагрузки их регуляторы выполнены с повышенным быстродействием и форсировочными способностями. Быстродействие регуляторов возбуждения генераторов обеспечивает в переходном процессе после включения нагрузки максимальные отклонения огибающей регулируемого напряжения не более значения первого про

Однако регуляторы возбуждения генераторов новой  серии, разработанные ЛПЭО "Электросила", несмотря на высокое быстродействие, обладают, по мнению автора, недостаточно высокими потолочными значениями выходного напряжения и поэтому не в нию динамических показателей регулирования.

Таким образом, задача уменьшения ударных токов к.з. и улучшения качества напряжения судовых сетей при коммутациях нагрузки остается актуальной.

Целью настоящего диссертационного исследования является определение эффективности интенсивного регулирования возбуждения в  переходных процессах судовых СГ при коротких замыканиях и коммутациях  нагрузки.

Для обеспечения  возможности внедрения в практику судостроения интенсивных регуляторов  возбуждения в диссертации необходимо решить следующие конкретные задачи:

I. Оценить количественно  эффект ограничения ударных токов  к.з. и повышения динамической точности стабилизации напряжения судовых СГ различных серий за счет интенсивного регулирования вала, определяемого полной мере используют заложенные возможности по улучше возбуждения;

2. Разработать теоретические  методы исследования, позволяющие  учитывать специфические особенности  процессов при интенсивных воздействиях;

3. Определить закон  регулирования возбуждения, обеспечивающий  минимальные длительности восстановления  напряжения после возмущения  нагрузкой, найти схемные решения,  реализующие этот закон и одновременно  обеспечивающие требуемое качество  напряжения в статических режимах  работы;

4. Создать автоматический  регулятор, пригодный для работы  в составе судовой электростанции  и обладающий улучшенными показателями  качества регулирования напряжения  в переходных процессах в соответствии  с результатами проведенных исследований; разработать устройство, реализующее  воздействие на обмотку возбуждения, с целью ограничить ударный ток синхронного генератора.

Литература

Г.С.Яковлев “судовые электроэнергетические системы”  - Л.1987

А.П.Баранов “судовые автоматизированные электроэнергетические  системы” С-П:2005.