Разработка ГЭУ по системе СГ-НВ-ГЭД.

2.1 Разработка схемы главного тока и выбор ГЭД проектируемой ГЭУ.

В качестве ГЭД выбираем двигатель постоянного тока типа МП 19600-150 со следующими характеристиками:

Мощьность -2*7200 КВТ

Напряжение-1200 В

Ток якоря-2*6400 А

Частота вращения-150/195 об\мин

КПД-94,6%

Число полюсов-18

Магнитный поток в точке А-0,228 Вб

Магнитный поток в точке В-0,297 Вб

Ток возбуждения-160 А

Напряжение возбуждения-220 В

Число проводников обмотки якоря-3150

Число параллельных ветвей обмотки якоря-36

Сопротивление обмотки якоря-0,0021 Ом

Число витков на полюс обмотки дополн.полюсов-3

Соединение обмотки дополн. полюсов - Последовательно

Сопротивление обмотки дополн.полюсов-0,00051 Ом

Число витков на полюс обмотки возбуждения-160

Соединение обмотки возбуждения - Последовательно

Сопротивление обмотки возбуждения-1,1 Ом

Число витков на полюс компенсационной обмотки-3

Соединение компенсационной обмотки - Последовательно

Сопротивление компенсационной обмотки-0,0011 Ом

2.2. Расчёт механической характеристики ГЭД.

Для проектирования выбираем контур ГЭУ.В него входят 2 генератора и один якорь ГЭД. Наиболее тяжёлым режимом для судов ледового плавания является режим взаимодействия со льдом.

Для режимов "Ход в свободной воде" момент сопротивления винта равен:

,

где Р = 7200 кВТ (один якорь), , n – принимаем 195 об/мин.

,

В швартовом режиме, при частоте вращения n_в=150 об\мин момент равен

Режим работы ГЭУ в точке В принимается за номинальный в швартовом режиме. В точке А момент уменьшен при этом на участке А-В соблюдается постоянство мощности. При движении судна во льдах в случае попадания льдины под винт момент сопротивления на валу ГЭД резко увеличивается при той же частоте вращения и составляет примерно 1,5 от момента в швартовом режиме.

М_в+а = 1,5· М_в

М_в+а = 1,5· 458.6 = 687.9 кНм

При этом ток в главном контуре возрастёт примерно в полтора раза. Момент в режиме стоянки под током принимают равным:

М_ст = 1,2· М_в+а = 1,2· 687.9 =825.5 кНм

Частота вращения в режиме холостого хода принимается равной:

n_D = n_x.x. = 1,2·n_a = 1,2 ·195 = 234 об/мин

Механическая характеристика ГЭД судна показана на рис.2

рис.2 Механическая характеристика ГЭД.

2.3 Расчёт силового выпрямителя и выбор СГ.

Так как номинальное напряжение ГЭД составляет 1200 В, то в качестве источника электроэнергии выбираем три комплекта СГ-В напряжением генератора 400 В каждый на один якорь ГЭД.

Предварительный выбор СГ определим по току и напряжению выпрямителей.

Действующее значение фазного тока генератора:

I_ф = 0,817·I_DH = 0,817 ·6400 = 5228.8 A

где I_DH = 6400 А - номинальный ток якоря ГЭД.

Ток первой гармоники генератора равен:

I₁ = 0,78·I_DH = 0,78 ·6400 = 4992 A

Линейное напряжение генераторов МСК равно 400 вольт, что позволяет их использовать в данной схеме.

Выбираем 3 комплекта СГ-НВ, причем СГ типа ТМВ-3-2. Характеристики генератора:

- Мощность:

Активная......................... 3000 кВт

Полная............................ 3750 кВА

- Ном. напряжение.......... 400 В

- Номинальный ток......... 5410 А

- Номинальная частота... 50 Гц

- КПД................................. 0,935

- Активное сопротивление фазы статора….0,00041 Ом

- Полное сопротивление статора 0,043 Ом

- Индуктивное сопротивление:

Рассеяния обмотки статора 0,106 о.е.

По продольной оси (xd).. 1,75 о.е.

По поперечной оси (Xq).. 1,94 о.е.

Переходное по прод. оси (х'd) 0,2 о.е.

Сверхпереходное по прод. оси (x"d) 0,131 о.е.

Сверхпереходное по попер, оси (x"_q) 0,131 о.е.

- ОКЗ................................ 0,6

При расчете выпрямителя необходимо оценить влияние сопротивление коммутации на стороне переменного и постоянного тока. Это влияние оценивается соотношением:

Сопротивление коммутации на стороне переменного тока определяется по формуле:

Х_ф = Х_Г + Х_Р + Х_С

где Хр, Хс - соответственно сопротивления реактора и сети. Сопротивления генератора Хг рассчитываются по формуле:

Или в Омах: Хг = 0,131·0,0849=11.12 мОм

Сопротивление на стороне постоянного тока Хп зависит от индуктивности якорной цепи ГЭД:

Здесь: U_dn, I_dn, n_g - номинальное значение напряжения, тока и частоты вращения двигателя в свободной воде;

2р-число полюсов обмотки якоря ГЭД,

3-коэффициент для компенсированных машин.

Соотношение Е равно:

Так как Е>5, то пульсации тока составляют меньше 2%, расчёты можно проводить как для режима L=∞, E = ∞.

2.4. Расчет внешней характеристики выпрямителя.

Рассчитываем постоянные электродвигателя:

где N-число активных проводников обмотки якоря,

Р - число пар полюсов, Р=9

a - число пар параллельных ветвей обмотки якоря, а=36

Напряжение выпрямителя определяется по формуле:

где: n - в об/мин

Ф_д -магнитный поток, Вб, в точке А магнитный поток принят равным 0,228Вб; в точке В – 0,297 В6

R_k - сопротивление коммутации, для машин мощностью более 2000 КВт,

R_k = 0,002 Ом = 4мОм

Rд - сопротивление якорной цепи ГЭД в горячем состоянии:

Rд = 1,24(Rя + Rдп + Rко)

Rя=2,1 мОм - сопротивление якорной цепи ГЭД

Rдп = 0.51 мОм - сопротивление дополнительных полюсов

R_КО = 1.1 мОм - сопротивление компенсационной обмотки

R_Д = 1,24 • (2.1 +0.51 + 1.1) = 4.6 мОм

ток двигателя определяется из механической характеристики (рис.№3) M = C_м· I·Ф_Д

Для точки А:

М_а = 352,8 кНм, Ф_Д = 0,228 Вб

Напряжение выпрямителя в точке А:

Для точки В:

здесь 0,297 Вб – магнитный поток в режиме точки В.

Для точки С: «режим стоянки под током»

В таком режиме срабатывает тепловая защита и снимает возбуждение с ГЭД и генераторов.

Для точки Д: «режим холостого хода»

I=0

U_D = Ce·n·Ф = 26,25·234·0,228= 1400,5 В

В результате перестройки механической характеристики ГЭД (рис.3) внешняя характеристика выпрямителя примет вид как показано на рис. 4.

Принципиальная схема выпрямителя приведена на рис. 5

рис. 3 Механическая характеристика ГЭД

рис.4 Внешняя характеристика выпрямителя (последовательное включение двух выпрямителей)

рис.5 Мостовая схема выпрямителя с последовательным соединением вентилей

Для точного определения первых гармоник тока I1 и напряжения U1 и угла сдвига фаз γ 1 используют соотношения для выпрямителя:

где Е - действующее значение фазной ЭДС.

При эксплотации ГЭУ могут возникнуть следующие режимы работы.

1. Режнм 2-3 а_β = 0; 0 ≤ γ ≤ 60

В работе постоянно участвуют 2 вентиля, в момент коммутации – три. Угол γ вычисляется по формуле

- вспомогательная функция, коэффициент нагрузки преобразователя.

2. Режнм 3 γ = 60; 0 ≤ α ≤ 30

Появляется угол внутреннего открытия вентилей

3. Режим 3-4 α_β = 30; 60 ≤ γ ≤ 120

Режим 3 встречается редко. Наиболее часто встречается режимы 2-3 и 3, в зависимости от значения ξd.

Если ξd >3,то наступают режимы 2-3.

Если ξd <3,то наступает режим 3.

Первые гармоники напряжения и тока и угол сдвига фаз между ними определяется по.графикам.

2.5 Расчет нагрузочных характеристик СГ.

Получение желаемой механической характеристики на практике осуществляют при комплексном регулировании тока возбуждения генератора и ГЭД с целью более полного использования мощностей ГЭУ. Желаемая механическая характеристика ГЭД может обеспечиваться следующими способами:

1. За номинальные токи, напряжения и поток ГЭД принимаем режим работы в точке В.

2.На участке СВ ток главной цепи увеличиваем до 1,51хI_н, а поток возбуждения ГЭД до 1,2хФдн, с целью увеличения момента на валу в ледовых условиях. При этом напряжение генератора ниже номинального, т. е. поток возбуждения генератора снижают.

3.На участке ВА токи и напряжения генератора и ГЭД поддерживаются постоянными, а поток возбуждения ГЭД снижается, чтобы обеспечить постоянство мощности от швартовного режима до хода в свободной воде.

4.Участок AD - участок естественной механической характеристики ГЭД.

Более рациональным является режим регулирования потока возбуждения ГЭД и постоянства потока возбуждения генератора. В диапазоне регулирования, соответствующем участку АВ, напряжение и ток главной цепи остаются неизменными. На участках ВС и AD механическая характеристика обеспечивается по току и напряжению.

Определение тока возбуждения генератора во всем диапазоне регулирования механической характеристики или на ее участках выполняют с помощью построения нагрузочных характеристик СГ.

1) Для фиксированных значений тока Id1 внешней характеристики выпрямителя находим значения напряжения Ud1,U’d1,U”d1.

Где Ud1 соответствует току I1 по внешней характеристике;

U’d1=0.8 Ud1; U”d1=l,2 Ud1.

2)По режиму работы выпрямителей определяем соответственно углы и в соответствующих точках.

3)Определяем коэффициенты ki, К_u1, K 1 по зависимостям.

4)Рассчитывают первые гармоники тока и напряжения.

5)По таблицам технических данных выбранных генератор переменного тока определяем характеристику холостого хода, характеристику трехфазного короткого замыкания ОКЗ=0,87, реактивное сопротивление рассеяния якоря хs=0,098 о.е., активное сопротивление статора г1=0,008 о.е.

6)В одной системе координат строим характеристики холостого хода и короткого замыкания.

7)По оси ординат откладываем вектор первой гармоники напряжения U1 и под углом к нему - вектор первой гармоники тока I1.

8)По спрямленной характеристике холостого хода определяем ток возбуждения Ifx, соответствующий напряжению U1.

9)По характеристике короткого замыкания находим ток возбуждения Ifкз, соответствующий заданной величине тока I1.

10)Под углом (90°- ) из конца вектора строим вектор тока возбуждения Ifкз, геометрическим сложением векторов Ifx и Ifкз находим ток возбуждения, соответствующий насыщенному генератору.

11)Определяем вектор Eб (ЭДС в воздушном зазоре) геометрическим суммированием вектора напряжения U1 с вектором активного I1r1 и реактивного I1xs, падений напряжений.

12)Величине Ifб соответствует Eб, из которой вычитанием Ifб определяем Ifs, обусловленную насыщением генератора.

13)Ток возбуждения генератора If, соответствующий заданным I1 и U1, определяем суммой токов Ifн и Ifs.

14)По 3 точкам, найденным таким образом, строим нагрузочную характеристику генератора.

Полученные данные сводим в таблицу.

Id,A	Ud,B	d			KU1	Ki1		U1,B	I1,A	I*f,ое
		12.2			0.43	0.78	12.6	172.86		1.7
	9.76			0.43	0.78	13.3	138.5		1.65
	14.6			0.43	0.78	12.5	207.3		1.2
		0.4			0.46	0.76				2.6
	0.32			0.46	0.76		8.7		2.63
	0.49			0.46	0.76		13.3		2.68
		5.96	44.5		0.44	0.77				2.1
	4.77	49.2		0.45	0.76				1.96
	7.15			0.43	0.76		131.6		2.11
		27.1	21.7		0.43	0.78				1.07
	21.7	24.2		0.43	0.78	11.5			0.97
	32.5	19.9		0.43	0.78	9.5	224.5		1.36

2.6 Расчет статических режимов ГЭУ.

Для построения статических характеристик ГЭУ необходимы следующие данные:

1. Внешняя характеристика выпрямителя U_d = f(I_d) простроенная на основе механической характеристики ГЭД с учётом заданных законов регулирования.

2. Семейство нагрузочных характеристик СГ, работающего на двигатель постоянного тока через выпрямитель.

3.Параметры синхронных генераторов: rв=0,125Ом, где rв-активное сопротивление обмотки

Построение осуществляется в четырёх квадрантах. В первом квадранте строится внешняя характеристика выпрямителя. Следует заметить, что за номинальное напряжение генератора выбирается напряжение, соответствующее режиму работы ГЭУ в точке А (ход в свободной воде). Во втором квадранте строится семейство нагрузочных характеристик генератора, рассчитанных в п. 2.3., для определенных значений тока нагрузки. В третьем квадранте проводится луч, определяющий соотношение между током и напряжением обмотки возбуждения генератора.

В четвертом квадранте определяется закон управления током возбуждения в функции тока нагрузки.

За номинальный ток возбуждения принимается значение тока возбуждения при холостом ходе. Номинальное напряжение генератора принято равным 400 В. Напряжение возбуждения для режима холостого хода определяется по характеристике холостого хода, которая стоиться во втором квадрате. Построение статической характеристики приведено на рисунке.

2.7 Разработка схемы системы управления и возбуждения.

В первом приближении мощность возбудителей составляет 0,3 - 1,5% для генераторов переменного тока и 1 - 2% для ГЭД. В разработанной схеме контура ГЭУ определены законы управления возбуждением, при выборе возбудителей мощность возбуждения должна составлять:

Рвозб = (1, 7÷ 1,8) Рвн

где Р_ВН - номинальная мощность, потребляемая генератором или ГЭД под нагрузкой.

Функциональная схема системы одного контура ГЭУ приведена на рис. 7.

Схема обеспечивает:

• поддержание постоянства мощности ГЭУ при изменении условий работы судна от швартового режима до хода в свободной воде;

• создание необходимого вращающего момента на гребном винте в режиме фрезерования льда;

• защиту ГЭД от чрезмерной частоты вращения при оголении или среза лопастей гребного винта;

• необходимое протекание переходных процессов при пусках и реверсах ГЭД.

Обмотка независимого возбуждения генераторов ОВГ 1 и ОВГ 2 соединены параллельно и питаются от одного тиристорного возбудителя ВГ. Обмотка возбуждения ГЭД ОВД питается от реверсивного управляемого выпрямителя ВД, где при изменении полярности ВД осуществляется реверс ГЭД. Входным сигналом системы управления возбудителем генераторы СУВГ является входной сигнал магнитного усилителя МУ, та котором суммируются сигналы [2].

Поддержание постоянства мощности осуществляется регулированием магнитного потока ГЭД. Реакция якоря СГ, работающего на выпрямитель и ООС по току главной цепи воздействуют на возбуждение генератора и обеспечивают крутопадающую внешнюю характеристику. При уменьшении нагрузки увеличивается напряжение генератора и связь

k₅(U-Uaг) ослабляет магнитный поток ГЭД. Ограничение тока при реверсе в режиме динамического торможения осуществляется связью по току в главной цепи с отсечкой k_δ (i_я-I_отс), ослабляющий магнитный поток ГЭД. Для снижения всплесков тока в ГЭУ в динамических режимах используется связь k₃ · (dI_a/dt) и связь по току с отсечкой k₂ (I_я -1отс), воздействующая на генератор.

Защита от чрезмерного разноса ГЭД при оголении и потере винта осуществляется сигналом k₄ (U -Uaг), и ограничением действия связи

k₅(U-Uaг), ослабляющим магнитный поток ГЭД. Все обратные связи системы возбуждения ГЭД суммируются на МУ2 и МУЗ.

Здесь Uon форируется на транзисторе. Как только U_m > U_y, то по обмотке 1-2 потечет ток и V₃ приоткрывается. В этом случае по обмотке 3-4 пройдет коллекторный ток, т.к. они на одном сердечнике. Протекание тока приводит к лавинообразному увеличению тока. Эта величина тока как базового, так и коллекторного будет ограничиваться сопротивлениями R1 и R2. В момент увеличения тока в обмотке 3-4 на выходе будет импульс, который поступает на вход формирователя импульса, открывается VS и С, предварительно заряженный полуволной синхронного напряжения разряжается на обмотку трансформатора импульсов, а с него на управляющий электрод силового трансформатора.

Рис.7 Функциональная схема системы управления ГЭУ

Литература

1. Чурносов А.И. “Методическое пособие по курсовому и дипломному проектированию “Расчет ГЭУ переменно–постоянного тока”, СЕВМАШВТУЗ.

2. Гребные электрические установки. Справочник / Авик Ю.Н., Айзенштадт Е.Б., Гилерович Ю.М. и др. / Л.: Судостроение, 1975.

3. Акулов Ю.И. Гребные электрические установки. – М.: Транспорт, 1972.

Дата добавления: 2015-07-08