Судовая электростанция

     1 Требования к судовой  автоматизированной  электростанции 

     1.1 Поддержание напряжения на шинах электростанции с точностью ± 2,5 % от номинального при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной.

     1.2 Система возбуждения синхронного  генератора (СГ) должна обеспечивать:

         - требуемое значение  кратности установившегося тока  глухого короткого замыкания;

         – время восстановления напряжения при набросе 60 % номинального тока с коэффициентом мощности 0,4 или менее должно быть не более 1,5 с;

         – устойчивую параллельную работу в установившихся переходных режимах с однотипными СГ, снабжёнными  аналогичными системами возбуждения;

         – точность распределения  реактивных нагрузок не хуже ± 10 % от номинального тока генератора;

         – надёжное самовозбуждение  СГ при холостом ходе.

     1.3 Во всём неоговорённом система возбуждения должна отвечать Правилам Морского Регистра РФ [1].

     1.4 Устройство управления, защиты и  сигнализации электростанции должны  быть выполнены в соответствии  с Правилами Морского Регистра  РФ [1]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2 Исходные данные  

     2.1 Расчётные данные двигателя, при  пуске которого рассчитывается  изменение напряжения СГ:

     – мощность двигателя                                           ,

     – номинальный коэффициент мощности            ,

     – номинальный КПД                                              ,

     – пусковой коэффициент мощности                    ,

     – кратность пускового тока                                   .

       Двигатель работает в режиме  продолжительной нагрузки с номинальной  мощностью. Двигатель подключён  к главному распределительному  щиту (ГРЩ) кабелем длиной 100 м.

     2.2 Расчёт токов короткого замыкания  производится для трёх точек:  на выводах выключателя СГ, на  клеммах СГ и в кабеле, питающем  указанный выше асинхронный двигатель,  на расстоянии 10 м от ГРЩ. Длина  кабеля, соединяющего СГ с ГРЩ,  принимается равной 10 м.

     2.3 Вариант задания – 26.

     Параметры СГ сведены в таблицу 1.

     Таблица 1 – Параметры судового СГ

    Тип генератора МС 128-4
    Номинальная мощность, кВт 200
    Номинальное напряжение статора, В  
    Номинальный ток статора, А  
      0,8
      1,17
      0,63
      0,124
      0,081
      0,14
 

     Продолжение таблицы 1

      0,067
    , Ом 0,0078
    , Ом 0,16
    , с 1,89
    , с 0,007
      при , , А 55
    ОКЗ 1,06
 

где – номинальный коэффициент мощности;

      , – индуктивные сопротивления обмотки статора по продольной и поперечной осям при разомкнутых обмотках ротора;

      , – переходное и сверхпереходное индуктивные сопротивления обмотки статора по продольной оси;

       – сверхпереходное индуктивное сопротивление обмотки статора по поперечной оси;

       – фиктивное индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора (сопротивление Потье);

       – активное сопротивление фазы обмотки статора при 15;

       – сопротивление обмотки возбуждения при 15;

       – постоянная времени обмотки возбуждения при разомкнутой обмотке статора;

        – сверхпереходная постоянная времени по продольной оси;

        – ток возбуждения холостого хода при номинальном напряжении статора и номинальной частоте;

        ОКЗ – отношение короткого  замыкания.

     Кратность установившегося тока короткого  замыкания K = 4;

     Тип системы возбуждения – А (без трансформации напряжения);

     Число генераторов – 3.

     Схема электрическая принципиальная представлена на рисунке 1.

     

Рисунок – 1 Схема принципиальная электрическая  управляемой системы ПАФК с трансформацией напряжения

     3 Построение характеристики  холостого хода  СГ

     Номинальное сопротивление генератора 

     Активное  сопротивление фазы обмотки статора  при 75 в относительных единицах 

       Ток возбуждения короткого замыкания  при номинальном токе статора 

     Характеристика  холостого хода рассчитывается на основании  универсальной характеристики, приведённой в [1]. Результаты расчётов сведены в таблицу 2.

     Таблица 2 – Характеристика холостого хода генератора МС 128-4

      0,03 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
      0 0,06 0,14 0,23 0,31 0,4 0,49
    , А 0 3 8 13 17 22 27
      0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3
      0,6 0,72 0,84 1 1,29 1,71 2,2
    , А 33 40 46 55 71 94 121

      

     Характеристика  холостого хода генератора МС 128-4 представлена на рисунке 2. 
 
 

Рисунок 2 – Характеристика холостого хода генератора МС 128-4 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     4 Определение тока  возбуждения и  его компаундирующей  составляющей при  номинальном напряжении  генератора 

     По  рисунку 2 определяем ненасыщенное значение тока возбуждения холостого хода 

     Наклон  начального участка характеристики холостого хода 

где  – коэффициент выпрямления;

       – номинальное фазное напряжение;

       – фазная ЭДС от остаточного намагничивания.

     Определение внутренней ЭДС генератора в общем  случае выполняется по формуле 

     Внутренняя ЭДС генератора при индуктивной нагрузке номинальным током в относительных единицах 

     Составляющая  тока возбуждения, учитывающая насыщение  генератора при , находится по рисунку 2. 

     Определение тока возбуждения в общем случае выполняется по формуле 

     Ток возбуждения при индуктивной  нагрузке номинальным током в  соответствии с (7) 

     Определение компаундирующей составляющей тока возбуждения в общем случае производится по формуле 

     Компаундирующая составляющая тока возбуждения при  индуктивной нагрузке номинальным  током в соответствии с (9) 

     Внутренняя ЭДС генератора при активной нагрузке номинальным током в относительных единицах на основании (5) 

     Составляющая  тока возбуждения, учитывающая насыщение  генератора при , находится по рисунку 2. 

     Ток возбуждения при активной нагрузке номинальным током на основании (7) 

     Компаундирующая составляющая тока возбуждения при  активной нагрузке номинальным током  на основании (9) 

     Расчётная компаундирующая составляющая тока возбуждения при номинальном  напряжении и номинальном токе 

     Определение тока возбуждения по известной компаундирующей  составляющей 

     Номинальный ток возбуждения в соответствии с (15) 
 

     5 Определение тока  возбуждения и  его компаундирующей  составляющей при  расчётном напряжении 

     С учётом возможного разброса токов возбуждения  холостого хода относительно каталожных значений в пределах 10 % это требование выполняется тем, что системы ПАФК проектируются на поддержание при отключенном корректоре напряжения Uр СГ. Последнее принимается равным 1,1 номинального 

     Ток возбуждения холостого хода (таблица  2) 

     Ненасыщенное  значение тока возбуждения холостого  хода (рисунок 2) 

     Внутренняя ЭДС генератора при индуктивной нагрузке номинальным током в относительных единицах 

     Составляющая  тока возбуждения, учитывающая насыщение  СГ при  (рисунок 2) 

     Ток возбуждения при индуктивной  нагрузке номинальным током 

     Компаундирующая составляющая тока возбуждения при  индуктивной нагрузке номинальным  током 

     Внутренняя ЭДС генератора при активной нагрузке номинальным током в относительных единицах 

     Составляющая  тока возбуждения, учитывающая насыщение  СГ при (рисунок 2) 

     Ток возбуждения при активной нагрузке номинальным током 

     Компаундирующая составляющая тока возбуждения при  активной нагрузке номинальным током 

     Расчётная компаундирующая составляющая тока возбуждения при номинальном  токе и расчётном напряжении 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     6 Проверка обеспечения  системой возбуждения  требуемой перегрузки  генератора 

     Заданная  величина кратности установившегося  тока глухого короткого замыкания 

     Предельный  ток возбуждения, соответствующей  нагрузке генератора при , на основании (15) 

           

     Необходимая для обеспечения  кратность установившегося тока глухого короткого замыкания  

       Принимаем 

     При этом выполняются условия обеспечения  системой ПАФК требуемой перегрузки СГ: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     7 Выбор выпрямителя,  питающего обмотку  возбуждения  СГ, и расчёт его  входного сопротивления 

     Сопротивление обмотки возбуждения в нагретом состоянии при температуре 75 

     Номинальное напряжение возбуждения 

где  – падение напряжения под щётками, принимаемое равным 2В [1].

     Номинальный ток диода 

     Максимальное  значение среднего напряжения возбуждения 

     Импульсное  обратное напряжение диода 

     Выбираем  кремниевые лавинные диоды ДЛ 161–200–4 [1] с постоянным прямым током диода с радиатором при естественном охлаждении (без обдува) , импульсным обратным напряжением и постоянным прямым напряжением .

     Эквивалентное фазное динамическое сопротивление  обмотки возбуждения 

     Фиктивная противоЭДС выпрямителя и щёточного контакта 

     Эквивалентное входное сопротивление выпрямителя  и обмотки возбуждения при  токе возбуждения холостого хода 

где – коэффициент выпрямления по току.

     Коэффициент аппроксимации начального участка  входной характеристики выпрямителя  квадратичной параболой 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     8 Расчёт основных  параметров системы  ПАФК и проверка  обеспечения начального  самовозбуждения 

     Основной  расчётный параметр системы ПАФК 

     Коэффициент трансформации трансформатора тока 

     Сопротивление реактора с воздушным зазором 

     Коэффициент трансформации компаундирующего трансформатора по напряжению 

     Отношение сопротивления намагничивающего контура  компаундирующего трансформатора к  входному сопротивлению выпрямителя  и обмотки возбуждения в режиме установившегося глухого короткого  замыкания СГ с системой ПАФК 

где отношение  расчётной компаундирующей составляющей тока возбуждения к току возбуждения  короткого замыкания определяется отношением 

     Частота самовозбуждения СГ с системой ПАФК 
 

где – фазное остаточное напряжение СГ;

       – коэффициент, учитывающий влияние сдвига по фазе между первыми гармониками тока и напряжения на входе выпрямителя, для всех систем ПАФК принимается равным 5.

     Условие обеспечения самовозбуждения 

      

выполняется. Система ПАФК не снабжается генератором начального самовозбуждения.   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     9 Расчёт регулировочных  характеристик генератора  и системы ПАФК  при номинальном  коэффициенте мощности, определение тока  отбора 

     Регулировочная  характеристика СГ при номинальном  напряжении статора и номинальном  коэффициенте мощности нагрузки согласно (15) 
 

     Результаты  расчёта сведены в таблицу 3.

     Таблица 3 – Регулировочные характеристики генератора и системы ПАФК, зависимость тока отбора от нагрузки генератора

         
    А А А
0 0 55 65 10
0,25 0,0625 65 76 11
0,5 0,25 77 88 11
0,75 0,5625 89 102 13
1 1 102 116 14

     Регулировочная  характеристика системы ПАФК рассчитывается аналогично регулировочной характеристики СГ 
 

     Ток отбора 

     Принимаем максимальный ток отбора в качестве расчётного

     10 Расчёт параметров  устройства коррекции  напряжения 

     Средний ток тиристора отбора в открытом состоянии 

где – коэффициент отбора, зависящий от схемы подключения тиристоров.

     Повторяющееся импульсное обратное напряжение (32) 

     Выбираем  лавинные тиристоры ТЛ 2 160 – 6 с максимальным значением среднего тока  в открытом состоянии тиристора с радиатором при естественном охлаждении и повторяющимся импульсным обратным напряжением  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     11 Расчёт реактора  с воздушным зазором 

     Расчётный ток реактора 

     Расчётное фазное напряжение реактора 

     Расчётная фазная мощность 

     Сердечник реактора выполняется из электротехнической стали марки 3411 с толщиной листа  мм. При этом расчётная магнитная индукция в стержне сердечника , а коэффициент заполнения стержня

     Для обмоток реактора принимается класс  изоляции F, с допустимой температурой нагрева [1].

     В соответствии с [1] принимаем обмоточный провод марки ПСД.

     Температура нагретой поверхности обмоток реактора 

где – средняя температура нагрева обмоток реактора.

     Удельная  теплоотдача обмоток реактора 
 

где – коэффициент удельной теплоотдачи,

      – плотность воздуха на уровне моря,

      – температура окружающей среды.

     Удельное  сопротивление меди обмоток реактора, соответствующее средней температуре  обмоток 
 

где при   

     Расчётная плотность тока в обмотках реактора 

где  – ширина стержня сердечника,

      

       – отношение толщины обмотки к ширине стержня,

       – коэффициент заполнения окна медью обмоток.

     Сечение провода принимается близким к квадратному (для снижения расхода провода) 

где – сечение стали стержня, 

где – коэффициент для катушек прямоугольной формы,

       – отношение массы стали к массе меди до оптимальных по массе трансформаторов и реакторов.

     Из (54), (56) и (57) получается формула для  расчёта предварительного значения ширины стержня: 
 

     Сечения стали стержня 

     Фактическое сечение стержня 

     Округляем до ближайшего числа миллиметров, кратного пяти 

     Принимаем толщину ярма равной ширине стержня .

     Толщина стержня 

     Расчётная плотность токов в обмотках реактора находится по (54) 

     Сечение обмоточного провода 

     Параметры проволоки приведены в [1]. Выбираем 

     Уточнённое  сечение проволоки 

Уточнённое значение плотности тока 

     Так как плотность тока равна расчётной, то максимальная температура нагрева обмотки не превысит допустимую для выбранного провода.

     Число витков провода реактора на фазу 

     Принимаем

     Полный  воздушный зазор сердечника 
 

     Расчётная высота окна 

где – отношение высоты окна к его ширине

     Принимаем .

     Ширина  окна 

     Принимаем .

     Длина ярма 

     Масса сердечника 
 

где – плотность холоднокатаной стали.

     Масса обмоток 

     Ориентировочная масса реактора

 

где коэффициент 1,3 учитывает массу выводов обмоток и крепёжных деталей. 
 
 
 
 
 

     12 Расчёт компаундирующего  трансформатора 

     Расчётные токи трансформатора:

     выходной  обмотки

      

     токовой обмотки 

     Расчётные напряжения обмоток трансформатора:

     выходной  обмотки 

     токовой обмотки

      

     Расчётные мощности обмоток:

     выходной  обмотки 

     токовой обмотки 

     Расчётная мощность компаундирующего трансформатора 

     Фазная  мощность на выходе выпрямителя в  режиме установившегося глухого  короткого замыкания СГ с системой ПАФК 

     Для обмоток трансформатора применятся класс изоляции F.

     Ориентировочное значение индукции в стержне сердечника в режиме установившегося глухого  короткого замыкания СГ с системой ПАФК 

     Коэффициент заполнения окна медью  принимается равным 0,25.

     Параметр, учитывающий процессы выделения  и рассеивания тепла обмотки  трансформатора, определяется по (58) 

где величины определены в разделе 11.

     Ориентировочное значение ширины стержня сердечника

      
 

где величины определены в разделе 11.

     Ориентировочное значение сечения стержня 

     Ориентировочное значение числа витков токовой обмотки 

     принимаем

     Число витков остальных обмоток 

     принимаем

     Уточнённое  значение ширины стержня 

     Расчётное значение плотности тока в обмотках трансформатора 

     Расчётный параметр индукции трансформатора 
 

где – конструктивный коэффициент.