10 Статические преобразователи электрической энергии
 Скачать 321.31 Kb.
|
|
109 магнитный пускатель электрического двигателя, устройства защиты, устрой- ства сигнализации, блоки регулирования напряжения и частоты. 10.4. Статические преобразователи электрической энергии. Все необходимые на судах преобразователи электрической энергии могут быть обеспечены трансформаторами и электронными устройствами, в которых преобразование энергии осуществляется без использования вращающихся машин и других подвижных элементов. Отсюда название - статические преобразователи. На судах преимущественное применение получили полупроводниковое пре- образователи. Основными элементами полупроводниковых преобразователей яв- ляются полупроводниковые вентили – диоды, тиристоры. Силовые кремневые вен- тили обеспечивают высокие параметры по току и напряжению (ударный ток до 10-20кА, напряжение до единиц кВ). Рабочие параметры вентилей остаются ста- бильными при температуре до 125-140 о С, что позволяет строить статические пре- образователи от долей ватта, до тысяч киловатт, что перекрывает существую- щие потребности потребителей в преобразованиях электрической энергии на судах. Отсутствие подвижных элементов и свойства полупроводниковых вентилей обуславливает преимущества полупроводниковых статических преобразовате- лей по сравнению с электромашинными: более высокий КПД на (5-10)%, больший срок службы, бесшумность в работе, лучшие массогабаритные характеристики, большее быстродействие, практически мгновенная готовность к работе. К основным недостаткам статических преобразователей относятся худшее, чем в электромашинных преобразователях качество выходного напряжения и их отрицательное влияние на качество питающего входного напряжения. 11. Электрические станции 11.1. Принципиальная схема судовой электростанции Электрической станцией (ЭС) (рис.11.1.) называется технический комплекс, Рис.11.1. Принципиальная схема судовой электрической станции 110 состоящий из источников электрической энергии и главного распределительного щита (ГРЩ), предназначенного для генерирования электрической энергии и её по- дачи в электрическую сеть к приемникам (потребителям). Генераторные агрегаты ГА с помощью кабелей К и автоматических выклю- чателей Вг подключаются к внутренним соединительным линиям ГРЩ называе- мым шинами Ш, к которым через коммутационно-защитные аппараты - выключа- тели Вф присоединены фидеры судовой кабельной сети Ф1,Ф2…Фj, питающие по- требители электрической энергии ПЭ Ha станции должно быть не менее двух генераторных агрегатов. Состав глав- ных элементов электрических станций и схемы их соединения (схемы главного то- ка), образующие структуру ЭС, должны обеспечивать возможность: - раздельной и параллельной работы генераторных агрегатов ЭС как на всю СЭЭС так и на отдельные ее части (секции ГРЩ, фидеры); - электрическую защиту генераторов, ГРЩ и присоединенных к ним кабель- ных линий при возникновении ненормальных (аварийных) режимов; - связи с береговыми электрическими системами и СЭЭС других судов; - управление качеством потребляемой электрической энергией между источ- никами (при параллельной работе) и потребителями; - выполнения эксплуатационного наблюдения за элементами СЭЭС, за прове- дением ремонтных работ без нарушения минимального необходимого обеспече- ния судна электрической энергией. В зависимости, от рода источников электрической энергии различают ЭС по- стоянного и переменного тока. Судовые ЭС подразделяют на основные, аварийные и специальные. 12. Электрическая защита в СЭЭС 12.1. Общие требования Основными видами нарушения нормальной работы СЭЭС или отдельных ее эле- ментов являются следующие: - недопустимое понижение сопротивления изоляции токопроводов, кабелей, об- моток электрических машин и аппаратов; - повышение сопротивления контактных соединений токопроводов (клеммы контактных соединений, аппаратов, кабелей); - металлическое замыкание токопроводов разных полярностей (глухое короткое замыкание); - перегрузка электрических двигателей по моменту сопротивления на валу (не- исправность или перегрузки приводных механизмов); - неисправности в работе автоматических устройств управления элементами СЭЭС (ложные сигналы управления); - ошибки личного состава в использование электротехнических устройств. С целью уменьшения повреждения оборудования и сокращения времени нару- шения нормального электроснабжения судна предусматривается защита СЭЭС в ава- рийных режимах. Защита осуществляется системой устройств, автоматически отключа- ющих повреждение элементы или части СЭЭС и сигнализирующих о коротких замыка- ниях (к.з.), перегрузках по току и мощности, повреждения первичного двигателя гене- 111 ратора, обрыва одной фазы питающего фидера, исчезновение (снижение) напряжения в сети. Своему целевому назначению система защиты СЭЭС будет соответствовать только при следующих важных для нее свойствах: -быстродействии; - избирательности (селективности), способности локально отключать поврежден- ный элемент (участок СЭЭС); - чувствительности, способности "отличать" аварийные и нормальные изменения диагностических величин; - надежности, способности надежно срабатывать при аварии и не срабатывать в нормальных режимах; - электродинамической и термической устойчивости устройств защиты; - способности без механических повреждений и обгорании отключать предельные по величине токи к.з. Система защиты в СЭЭС построена на использовании коммутационно защитных аппаратов, выключателей, предохранителей, реле тока и мощности, устройств автома- тической разгрузки и включении резервных генераторных агрегатов. Рассмотрение вопросов защиты судовых электроэнергетических систем целе- сообразно произвести по элементам: защита сетей, генераторов и электродвигателей (Рис. 12.1.). Рис.12.1. Схема главного тока судовой электростанции. 12.2. Защита сетей В судовых электрических сетях могут иметь место два не нормальных режима: к.з. и перегрузка. Защита сетей, от таких режимов осуществляется автоматами или предохранителями. Особенно ответственной является защита сетей от к.з. Эта защита должна быть избирательной (селективной), т.е. при к.з. на каком-либо участке должна отключатся не вся сеть, а только поврежденный участок, в то время как по остальным участкам ее осуществляется бесперебойная передача электрической энергии. 112 В принципе, избирательность защиты сети при к.з. можно получить настрой- кой защитных аппаратов по времени отключения или по току срабатывания (Рис.12.2.). Рис.12.2. Избирательность защиты по времени Избирательность защиты по времени достигается при выполнении условия n t t t t 3 2 1 , т.е. время отключения аппаратов защиты должно умень- шатся по ступеням защиты от источников электрической энергии к потребителям. Избирательность по току достигается при выполнении условия n i i i i 3 2 1 , т.е. ток срабатывания аппаратов защиты должен уменьшатся по ступеням защиты от источников к потребителям электрической энер- гии. Избирательность защиты сетей по времени может быть применена в любой электроэнергетической системе. Избирательность защиты по току может применять- ся только в маломощных электроэнергетических системах. Время токовая характе- ристика автомата избирательного действия приведена на (Рис.12.3.). Рис.12.3. Время токовая характеристика автомата избирательного действия 12.3. Защита генераторов Генераторы защищаются от перегрузки, к.з., а также oт возможности их рабо- ты в режиме двигателя. Перегрузки генераторов могут происходить при выходе из строя одного из па- раллельно работающих генераторов, из-за неправильного распределения нагрузки 113 между параллельно работающими генераторами и т.д. Короткие замыкания могут быть как внутри самого генератора, так и во внешней цепи. Переход генератора постоянного тока в двигательный режим всегда сопровож- дается изменением тока в обмотке якоря, а генератора переменного тока - с измене- нием направления мощности. Эти факторы и используются для защиты генератора от работы в двигательном режиме. Если параллельная работа генератора не преду- сматривается, то никакой защиты от двигательного режима не требуется. Защита генератора постоянного тока от двигательного режима работы осу- ществляется с помощью реле обратного тока (рис.12.4). Реле имеет две катушки - токовую и напряжения. При нормальном (генераторном) направлении тока в токовой катушке магнитные потоки действуют согласно и удерживают контакт реле в разо- мкнутом положении. При изменении направления тока в токовой катушке (двига- тельный режим) магнитный поток катушки КТ становится встречным магнитному потоку катушки КН. Вследствие этого резко уменьшается величина результирующе- го магнитного потока, и контакты реле замыкаются. Через контакты подаётся напряжение на отключающий расцепитель автомата. Рис.12.4. Защита от изменения режима работы электрической машины Реле срабатывает при 15-20% обратного тока без выдержки времени. Защита генератора переменного тока от двигательного режима производится с помощью реле обратной мощности (РОМ), т.к. в системах переменного тока определенное направление имеет только энергия (мощность). Реле представляет собой однофаз- ный счетчик электрической энергии индукционной системы (с алюминиевым дис- ком) и имеет две катушки - токовую и напряжения (рис.12.5.). При нормальной ра- боте генератора, к диску приложен момент, вращающий его на размыкание контак- тов (однако во избежание непрерывного вращения диск имеет ограниченность хода). Рис.12.5. Реле обратной мощности 114 При переходе генератора в двигательной режим диск реле начинает вращаться в обратную сторону, т.е. в сторону замыкания контактов реле К. Выдержка времени срабатывания реле зависит от длины пути, который должен быть пройден диском до момента замыкания контактов, что может регулироваться в пределах 0-10 сек. Реле имеют три установки по обратной мощности 6, 9, и 12 %. В подобных случаях необходимо помимо отключения генератора от шин щита, быстро уменьшить магнитное поле ротора, т.е. произвести "гашение" поля генера- тора. Одним из радикальных методов достижения "гашения" поля является включе- ние обмотки ротора синхронного генератора на гасительное сопротивление с одно- временным ее отключением от возбудителя (Рис.12.6). После отключения генератора от шин ГРЩ происходит включение сопротивления последовательно с обмоткой возбуждения, вследствие чего резко уменьшается ток возбуждения возбудителя, напряжение возбудителя и ток возбуждения. При необходимости поднятия напряже- ния генератора до номинальной величины при включенном генераторном автомате рубильник Р замыкается. Рис.12.6 Гашение поля возбуждения синхронного генератора 12.4 Коммутационные аппараты Включение, отключение (коммутация) генераторных потребителей, участ- ков цепи осуществляют коммутационные аппараты. Защитное срабатывание коммутационных аппаратов происходит, если значение установленных параметров режима СЭЭС (ток, напряжение, мощ- ность, частота) выходят за установленные допустимые пределы, контролируе- мые автоматически. Поэтому такие коммутирующие аппараты называются ав- 115 томатическими выключателями. Автоматы представляют собой виды коммута- ционных аппаратов, используемых на ЭС для многократных коммутации цепей без тока, нечастых при нормальных токах и для защитных отключений в режи- ме перегрузки и аварий. Основными элементами автоматических воздушных выключателей явля- ются подвижные и неподвижные контакты, дугогасительная камера механизм расцепления контактов и их замыкания, отключающие и включающие устрой- ства. В главной цепи автоматов предусматриваются главные КГ, предвари- тельные КП и дугогасящие КД контакты, показанные на функциональной схе- ме трехфазного автомата только для одной фазы В (рис.12.7.). Кроме того, для коммутации цепей управления устанавливаются блок контакты БК. Через главные контакты КГ протекает ток нагрузки при нормальном включенном состоянии автомата. Предварительные контакты КП начинают Рис.12.7 Функциональная схема автоматического выключателя коммутировать цепь раньше, чем главные, предохраняя их от обгорания из-за электрической дуги. При размыкании больших токов в главной цепи автомата возникает мощная дуга, разрыв которой ускоряется и становится безопасным для автомата благодаря перемещению ее по дугагасительным контактам КД в дугагасительную щелевую камеру ДК. Дуга перемещается из-за больших элек- тродинамических сил по дугогасительным контактам, попадает на стальную решетку щелевидной камеры и быстро гаснет. Отключающий Расцепитель Перегрузки Нулевой Максимальный (комбинирован- ный) Механизм пере- мещения кон- тактов 116 Коммутация всех фаз автомата (замыкание или размыкание А1-А2, В1- В2, С1-C2) и блок-контактов БК происходит одновременно под воздействием механизма взаимного перемещения контактов, имеющего ручное и автомати- ческое управление. Для автоматического включения автоматов серии AM ис- пользуется устанавливаемые на их корпус электрический двигатель Д. Автома- тическое или дистанционное отключение происходит под действием расцепите- лей, являющихся электромагнитными элементами, управляющими механизма- ми перемещения контактов. Используются следующие виды расцепителей или их комбинации: максимальные РМ, перегрузки РП, выполняются обычно с биметаллическим элементом БМ, нулевые РН и отключающие РО по внешнему сигналу. Срабатывание происходит при коротких замыканиях РМ, перегрузках по току РП, снижения напряжения РН, замыкании контактов отключающего расцепителя Р0, что соответствует либо аварийной ситуации (например, при срабатывании реле обратной мощности РОМ), либо команде управления, вы- званной нормальными эксплутационными причинами. У автоматов могут предусматривается гидравлические или механические устройства замедления сра- батывания ЗС, под действием максимальных расцепителей, избираемого по време- ни (селективности) отключения ряда автоматов и срабатывания с выдержкой по времени в режимах перегрузки. Автомат с различными системами управления, предназначенной для раз- мыкания электрических цепей в любых условиях, отличных от нормальных, называется универсальным. Автоматы с одной максимально-токовой защитой называются установочными. Любой автоматический выключатель состоит из следующих основных ча- стей: контактной системы, дугогасительной системы, привода автомата, меха- низма свободного расцепления, расцепителей и коммутатора с блок- контактами. Контактная система является наиболее ответственной частью токоведу- щей цепи автоматов. Она должна находиться длительное время под током, и быть способной отключить токи перегрузки и к.з. При номинальных токах до 200А, в автоматах обычно, применяется одна пара контактов. Одноступенчатые контактные системы с применением металлокерамики допускают токи порядка 600А. Одноступенчатые контактные системы имеют одну пару главных контак- тов. При больших токах большое распространение получили двух и трех сту- пенчатые контактные системы. Первые имеют две пары контактов главные и дугогасительные, вторые - три пары: главные, предварительные и дугогаси- тельные. При включении автомата вначале замыкаются дугогасительные, пред- варительные и, наконец, главные контакты. Размыкание контактов происходит в обратной последовательности. Дугогасительная система должна обеспечить гашение дуги в ограничен- ном объеме при всех возникающих режимах работа автомата. В установочных и универсальных автоматах широкое применение получили камеры с дугагаси- тельными решетками из стальных пластин. При больших токах применяются ла- биринтно-щелевые камеры и камеры с прямопродольной узкой щелью. 117 В лабиринтно-щелевой камере дуга входит в зигзагообразную щель посте- пенно и аэродинамическое сопротивление не велико. Узкая щель повышает гра- диент в дуге и уменьшает ее длину при гашении. Ввиду того, что охлаждение дуги осуществляется стенками камеры, материал камеры должен обладать высо- кой теплопроводностью и температурой плавления. В качестве материала для камеры используют асбоцемент, керамику и другие материалы. Для включения автомата служит привод. Контакты автоматов отключаются с большой скоро- стью (моментное отключение). Механизм свободного расцепления исключает возможность удерживать контакты автомата во включенном положении за счет воздействия привода при ненормальных режимах работы защищаемой цепи. Он обеспечивает моментное отключение автомата. Расцепители - элементы защиты, под воздействием которых через меха- низм свободного расцепления происходит отключение автомата. Они реагиру- ют на изменение параметров электрической цепи (тока, напряжения). Расцепители, в зависимости от выполняемой ими функции, бывают: мак- симальные - для защиты от недопустимых токов перегрузки и от токов к.з. и осуществляющие максимально-токовую защиту. Автомат имеет главные контакты ГК для включения тока нагрузки, блок- контакты БК для включения сигнальных и блокировочных цепей. Расцепитель максимальный РМ, срабатывающий при перегрузке и коротких замыканиях (ком- бинированные расцепители). Часовой механизм ЧМ для создания зависимой от то- ка выдержки времени при отключении автоматом перегрузок. Расцепитель отклю- чающий Р0, для дистанционного отключения автомата кнопкой или с помощью соответствующего реле. Автоматы могут иметь ручное или электроприводное включение. В первом случае автоматы изготовляются со штурвалом. Во втором случае (рис.12.8.) ав- томаты поставляются с элементами электропривода двигателем Д, выключатель тормоза ВТ, реле блокировочное РБ, реле управления РУ, контакты В1, В2 ко- нечного выключателя электродвигателя, сопротивления R1, R2, кнопка Вкл. Включение автомата может быть осуществлено с одного или нескольких мест кратковременным нажатием, кнопки, подающей питание на реле управления, которое в свою очередь подаст питание на приводной электрический двигатель. Схемою питания электродвигателя обеспечивается невозможность вклю- чения автомата, если в данный момент электродвигатель отключен каким-либо расцепителем, а также невозможность пуска электродвигателя при включенном автомате. При замыкании кнопки включения Вкл подается напряжение на катушку реле управления РУ. После срабатывания РУ шунтируют кнопку Вкл и замыка- ют цепь питания электродвигателя Д и выключатель тормоза ВТ. При вращении электродвигателя через систему передач производится включение автомата. В процессе включения автомата напряжение на катушку реле РБ подается снача- ла через последовательно включенные контакты конечного выключателя BI, и нормальнозамкнутый блокконтакт автомата, а затем эта цепь шунтируется кон- тактами конечного выключателя В2 (шунтирование начинается до размыкание 118 блокконтакта автомата). После включения автомата контакты BI и В2 размыка- ются (см. диаграмму), все реле теряют питание и электродвигатель останавлива- ется, затем двигаясь по инерции, контакт BI снова замыкается, подготавливая цепь к включению. Рис.12.8. Элементная схема избирательного автомата Если есть напряжение автомат включается на к.з. в сети, то сразу после включения отключится РМ, в результате чего замкнуться нормальнозамкнутые блокконтакты, но автомат самопроизвольно повторно не включится, если даже кнопка Вкл еще не отпущена, так как после каждого включения автомата опре- деленный период оба конечных выключателя остаются не включенными и, РБ отключенным и зашунтированным кнопкой Вкл. Поэтому, повторное включение автомата можно осуществить, если в начале отпустить кнопку Вкл, а затем сно- ва нажать. В промежуток между этим реле РБ снова включится (после того как BI, замкнется) и обеспечит повторное включение автомата. Автомат и схема его включения могут быть выполнены на постоянном или переменном токе. В слу- чае перегрузок автомат работает следующим образом. Под действием тока пе- регрузки РМ, притягивая свой якорь, вызывают работу ЧМ, которые выходят и зацепляются с якорями расцепителей, позволяя им произвести отключение ав- томата. Контакты замкнуты Автомат включен Исходное положение 119 13 Аппараты управления электродвигателями 13.1 Контакторы Контактором - называется коммутационный аппарат с электромагнитным ме- ханизмом управления, предназначенный для часто производимых замыканий и раз- мыканий цепей с электродвигателем и цепей постоянного или переменного тока. Контакторы используются в комплекте с другими аппаратами управления и как от- дельные устройства (рис.13.1). Основными элементами контактора является электромагнитный механизм ЭМ включения - отключения, главные контакты ГК, дугогасительные устройства ДУ и блок - контакты БК. Контактор замыкает и размыкает с помощью главных контак- тов, одни из которых подвижны, а другие неподвижны, жестко связаны с якорем Я электромагнитного механизма. Рис.13.1. Принципиальная схема контактора Якорь представляет собой подвижную часть магнитной цепи, находящейся под действием равнодействующих сил магнитного поля 2F м , которое создается втягива- ющей катушкой при протекании по ее обмотке тока i вк и натяжения F п противодей- ствующей пружины П. При отсутствии напряжения на обмотке втягивающей катуш- ки электромагнита, его якорь благодаря натяжению пружины занимает одно крайнее положение. При включении напряжения U вк на втягивающую катушку ВК (обмотку элек- тромагнита), создаваемая им сила притяжения якоря преодолевает силу тяги пружи- ны и перемещает якорь в другое крайнее положение. При двух крайних устойчивых положениях якоря связанные с ним подвижные главные контакты, соответственно размыкают или замыкают главную цепь. Число таких пар контактов у контакторов морских серий может быть от I до 6. Наиболее широко используются контакторы с двумя и тремя парами главных контактов. |