Systemy i Układy Automatyki Okrętowej
Roman Śmierzchalski
AUTOMATYZACJA OKRTOWYCH GENERATORÓW
SYNCHRONICZNYCH
Materiały pomocnicze do wykładu z ASE
Nr 3
Gdynia 1999
R.Śmierzchalski Materiały pomocnicze do wykładów z ASE
1. Problemy sterowania elektrownią okrętową
Zadaniem układów automatyki elektrowni okrętowej jest zabezpieczenie dostawy energii
elektrycznej o odpowiednich parametrach do odbiorników, przy dużych zmianach obciążenia.
W elektrowni okrętowej złożonej z wielu zespołów prądotwórczych pracującej w pełni
automatycznie, automatyzuje się funkcje[1]:
" przebiegu rozruchu i zatrzymania zespołu wraz z operacjami pomocniczymi,
" synchronizacji,
" regulacji prędkości obrotowej i częstotliwości,
" optymalnego rozdziału mocy czynnej na pracujące zespoły wraz z ewentualną korektą
częstotliwości,
" regulacja napięcia wraz z równoczesnym rozdziałem mocy biernej na zespoły,
" analiza stanu obciążenia i doboru liczby zespołów do pracy z uwzględnieniem możliwości
automatycznego wyłączania odbiorników mniej ważnych,
" symulowania załączania odbiorników dużej mocy,
" systemu pomiarowo-kontrolnego wraz z odpowiednim zabezpieczeniem po stronie
mechanicznej i elektrycznej,
" tzw. logicznego układu analizy sytuacji awaryjnej, umożliwiającego szybką lokalizację
uszkodzenia i ewentualne zastosowanie automatycznych środków zaradczych.
Powyżej przedstawiono pełny zakres automatyzacji. W rzeczywistości można stosować różne
poziomy automatyzacji elektrowni, składające się z wymienionych w punktach a-i wybranych
zestawów funkcyjnych.
2. Sterowanie uruchamianiem i zatrzymywaniem silnika
spalinowego
Sterowanie uruchamianiem i zatrzymywaniem odbywa się w sposób półautomatyczny lub w pełni
automatyczny. Przy eksploatacji siłowni bez stałej obsługi, zgodnie z przepisami towarzystw
klasyfikacyjnych, wymaga się pełnej automatyzacji zespołów prądotwórczych.
W procesie uruchamiania silnika spalinowego występują następujące etapy:
" sprawdzanie przygotowania do automatycznego rozruchu,
" włączenie podgrzewacza rozruchowego wody chłodzącej,
" otwarcie zaworu na dolocie paliwa do silnika,
" wstępne przesmarowanie silnika,
" rozruch silnika przy użyciu rozrusznika pneumatycznego,
" powtórzenie rozruchu w razie nieudanego pierwszego rozruchu,
" grzanie silnika przy prędkości obrotowej blisko synchronicznej bez obciążenia.
Zatrzymanie silnika odbywa się w następującej kolejności:
" ochładzanie silnika (pozostawienie na biegu jałowym np. przez 5 minut),
" odcięcie dopływu paliwa.
Schemat blokowy układu automatycznego zdalnego sterowania silnikami spalinowymi
przedstawia rysunek 1. Układ realizuje automatyczne uruchamianie na sygnał sterujący z systemu
sterowania elektrownią, zdalny automatyczny rozruch z centralnego stanowiska sterowania,
zabezpieczenie zespołu silnik spalinowy-prądnica, sygnalizację jego stanów i automatyczne
utrzymywanie zespołu w stanie gotowości (w stanie nagrzanym).
Układ składa się z następujących bloków:
1. Blok kontroli czasu wypracowuje sygnały z odpowiednimi opóznieniami, niezbędnymi do
wykonywania programu sterowania zespołem silnik-prądnica.
2. Blok rozruchu zapewnia przepompowanie oleju w układzie olejowym silnika i jego rozruch
sprężonym powietrzem do minimalnej stabilnej prędkości obrotowej wału.
3. Blok wzmacniaczy wzmacniają sygnały idące do przekazników wyjściowych.
4. Blok załączenia obciążenia służy do podgrzewania silnika wysokoprężnego przy minimalnej
stabilnej prędkości obrotowej wału, a następnie doprowadzenie jego prędkości obrotowej do
częstotliwości bliskiej nominalnej w celu umożliwienia złączenia obciążenia.
2002-10-06 RomS, 3. Autom pradnic_konspekt Strona - 2
R.Śmierzchalski Materiały pomocnicze do wykładów z ASE
5. Blok przekazników wyjściowych służy do sterownia pracą mechanizmów wykonawczych .
6. Blok niewyłączalnych elementów układu zapewnia utrzymywanie silnika w stanie nagrzanym.
7. Blok zasilania stabilizowanego zapewnia zasilanie stałym napięciem, niezależnie od wahań
napięcia na wejściu.
8. Blok zatrzymania przeprowadza wyłączenie obciążenia, zmniejszenie prędkości obrotowej
silnika do minimalnej (do pracy stabilnej) i zatrzymanie silnika po jego ochłodzeniu przy pracy
bez obciążenia, a także zatrzymanie bez poprzedzającego ochłodzenia.
9. Blok zabezpieczeń wyłącza zespół przy przegrzaniu wody i oleju, spadku ciśnienia oleju,
przepływu wody chłodzącej albo przekroczeniu dopuszczalnej częstotliwości obrotowej.
Rysunek 1. Układ zdalnego sterowania zespołem prądotwórczym
Wszystkie wymienione elementy stanowią zestaw wspólnego bloku sterowania III. W
układzie przewidziano podstawowy pulpit sterowania II i pulpit pomocniczy I. Do bloku IV
doprowadza się napięcie sieci od 24 do 380 V, zasilając z niego napięciem 24V wszystkie urządzenia
układu.
W razie konieczności bezzwłocznego przyjęcia obciążenia, układ zdalnego sterowania
zapewnia uruchomienie silnika i dopuszcza zdalne włączenie obciążenia przy niedogrzanym silniku.
3. Automatyczna synchronizacja prądnic
Występują następujące warunki załączenia prądnicy do pracy równoległej z siecią
elektroenergetyczną statku (inną prądnicą):
1) kształt krzywych napięcia załączanej prądnicy i sieci powinny być jednakowe,
2) dla prądnic trójfazowych konieczne jest zachowanie identycznej kolejności faz napięcia,
3) wartości skuteczne napięć powinny być sobie równe,
4) częstotliwości powinny być sobie równe,
5) przesunięcie fazowe pomiędzy wektorami napięć powinny być sprowadzone do zera lub być
odpowiednio małej wartości.
Pierwsze dwa warunki spełnione są przez właściwą konstrukcję prądnic i ich odpowiedni
montaż instalacji. Pozostałe trzy warunki realizuje układ synchronizacji automatycznej
2002-10-06 RomS, 3. Autom pradnic_konspekt Strona - 3
R.Śmierzchalski Materiały pomocnicze do wykładów z ASE
(synchronizator automatyczny).
Element wykonawczy (wyłącznik prądnicy wraz z napędem) ma swój własny czas działania,
który należy uwzględnić w automatycznej synchronizacji [2]. Przykład algorytmu działania
synchronizatora automatycznego przedstawia rysunek 2.
Sekwencja działania układu synchronizatora automatycznego rozpoczyna się od zainicjowania
nadzoru czasowego procedury synchronizacji, który dopuszcza maksymalny czas procesu równy 10s.
Następnie synchronizator sprawdza, czy odchyłka wartości napięcia synchronizowanego generatora od
napięcia sieci nie przekracza 10%. Jeżeli nie to kontrolowana jest różnica częstotliwości generatora i
sieci. Przy optymalnym rozwiązaniu częstotliwość napięcia generatora synchronizowanego jest
większa od częstotliwości napięcia sieci o wartość z przedziału "f1 do "f2. Jeżeli nie jest spełniony
ten warunek regulator zmienia nastawę listwy paliwowej, tak by osiągnąć pożądany poziom
częstotliwości.
Następnie synchronizator sprawdza, czy różnica napięć generatora i sieci jest dodatnia i
mniejsza od Umin. W przypadku spełnienia tego warunku następuje załączenie generatora do pracy
równoległej i zwiększenie dawki paliwa. Proces kończy się wyłączeniem nadzoru czasowego.
Rysunek 2. Algorytm działania synchronizatora automatycznego
4. Regulacja automatyczna prędkości obrotowej i częstotliwości
zespołów prądotwórczych
Do utrzymania stałej częstotliwości służą regulatory prędkości obrotowej silników napędzających
2002-10-06 RomS, 3. Autom pradnic_konspekt Strona - 4
R.Śmierzchalski Materiały pomocnicze do wykładów z ASE
prądnice. Rozróżnia się dwa rodzaje charakterystyk regulacji (rysunek 3) astatyczną 1 i statyczną 2.
Przy charakterystyce astatycznej prędkość obrotowa silnika napędowego a więc i częstotliwość prądu
jest stała przy różnych obciążeniach mocą P. Natomiast przy regulacji statycznej utrzymywana przez
regulator częstotliwość zmienia się wraz z obciążeniem w granicach statyzmu. Zmienność tę określa
współczynnik statyzmu:
Ks= (no nn)/Pn =tgą1
gdzie:
no - prędkość obrotowa biegu jałowego,
nn - prędkość obrotowa przy obciążeniu znamionowym.
Rysunek 3. Charakterystyka prędkości obrotowej zespołu prądotwórczego, gdzie1 astatyczna; 2
statyczna.
Do regulacji częstotliwości prądnic stosuje się dwa typy regulatorów silników napędowych:
" działających na podstawie uchybu prędkości obrotowej,
" działających na podstawie uchybu prędkości obrotowej i zmian obciążenia (regulacja w
układzie zamknięto-otwartym).
Przykładowy regulator o budowie elektromechanicznej, działający na podstawie uchybu prędkości
obrotowej i pomiaru obciążenia pokazano na rysunku 4.
Regulator składa się z przetwornika pomiarowego składowej czynnej prądu obciążenia PP,
przetwornika częstotliwości PC, wzmacniacza sumatora magnetycznego WM, elektromagnesu EM,
suwaka sterującego 3 i siłownika 2.
Na wyjściu regulatora pod wpływem działania elektromagnesu, następuje przestawienie suwaka
sterującego, wywołujące przesunięcie tłoka siłownika zmieniającego dopływ paliwa do silnika
napędzającego prądnicę.
Stosuje się dwa warianty rozwiązania układu regulacji częstotliwości:
" na podstawie naturalnego statyzmu regulatora prędkości obrotowej, bez zastosowania
dodatkowych urządzeń,
" z zastosowaniem elektronicznego pomiaru częstotliwości.
Układ według wariantu pierwszego jest prostszy. Dokładność regulacji częstotliwości jest nieduża i
wynosi 3.5 do 5.5% częstotliwości znamionowej w warunkach ustalonych pracy oraz około 7% - w
warunkach dynamicznych. Spełnia to jednak wymagania stawiane układowi automatyki elektrowni
okrętowej. Układ charakteryzuje się prostotą wykonania i dużą pewnością pracy. Przykładem
takiego rozwiązania może być regulator prędkości obrotowej firmy Governor Woodward typu UG8,
który znany jest jako urządzenie względnie dokładne.
2002-10-06 RomS, 3. Autom pradnic_konspekt Strona - 5
R.Śmierzchalski Materiały pomocnicze do wykładów z ASE
Rysunek 4. Schemat blokowy elektrycznego regulatora częstotliwości
5. Regulacja automatyczna rozdziału mocy na pracujące prądnice
Przy pracy wielu prądnic na wspólną sieć elektroenergetyczną statku powstaje problem właściwego
rozdziału obciążenia między pracujące prądnice. Dla prądnic prądu przemiennego rozdział ten
powinien odbywać się przy zachowaniu stałej częstotliwości prądu w sieci. Zadaniem układu
automatycznego rozdziału mocy czynnej jest ciągła kontrola i regulacja proporcjonalnego rozdziału
mocy czynnej pomiędzy równolegle pracujące zespoły prądotwórcze. Układ powinien zapewniać
wymaganą dokładność rozdziału mocy czynnej oraz stabilność pracy; w zakresie małych odchyleń
mocy nie powinny występować przeregulowania.
Znanych jest kilka metod rozwiązania tego zadania, dobieranych w zależności od mocy i
rodzaju systemu elektroenergetycznego, a także od możliwości regulatorów prędkości obrotowej
silników napędowych prądnic.
5.1. Metoda charakterystyk statycznych
Jest to najprostszy sposób rozdziału mocy czynnej na pracujące prądnice w celu utrzymania zadanej
częstotliwości sieci okrętowej, w której zespoły prądotwórcze mają charakterystyki statyczne. Jeśli w
jednym silniku napędowym będziemy zwiększać moment obrotowy, a w drugim zmniejszać,
utrzymując stałe napięcie sieci, to pierwsza prądnica będzie zwiększać wydatek mocy czynnej, a druga
będzie się odciążać. Ten proces w silnikach spalinowych z regulatorami o charakterystykach
statycznych jest realizowany automatycznie.
Jeżeli silniki napędowe są wyposażone w regulatory astatyczne, to rozdział obciążeń pomiędzy
pracujące równolegle zespoły będzie nieokreślony.
Wadą powyższej metody jest występująca sprzeczność między dążeniem do zwiększenia dokładności
rozdziału mocy czynnych z jednej strony, a dążeniem do zmniejszenia statyzmu w celu zmniejszenia
2002-10-06 RomS, 3. Autom pradnic_konspekt Strona - 6
R.Śmierzchalski Materiały pomocnicze do wykładów z ASE
wahań częstotliwości, z drugiej strony. Wraz ze wzrostem statyzmu regulatora zwiększa się
dokładność rozdziału mocy, ale jednocześnie zwiększa się zmiana częstotliwości.
Nas podstawie doświadczeń za najkorzystniejsze uważa się wartości statyzmu 3 do 5%, przy
których dokładność rozdziału obciążenia na zespoły wynosi około 6-7%. Powyższe dane uwzględniają
nieidealność charakterystyk statycznych regulatorów obrotów, przejawiającą się w niejednoznaczności
(histerezie) i nieliniowości.
5.2. Metoda prądnicy wiodącej
W odróżnieniu od poprzedniej metody w tym przypadku jeden z zespołów prądotwórczych, nazywany
wiodącym, ma regulator o charakterystyce astatycznej, a wszystkie pozostałe nazywane bazowymi
charakterystyki statyczne.
Powyższą metodę regulacji częstotliwości i rozdziału mocy czynnej na równolegle pracujące
prądnice można stosować do dowolnej liczby prądnic bazowych, przy czym jeśli moc jednej prądnicy
wiodącej jest niewystarczająca, w charakterze prądnic wiodących mogą być wyznaczone dwie
prądnice. Wówczas rozdział obciążeń pomiędzy prądnicami wiodącymi odbywa się na zasadzie
wykorzystania metody charakterystyk pseudostatycznych (punkt 5.3).
5.3. Metoda charakterystyk pseudostatycznych (metoda przesuwanych
charakterystyk)
Metoda polega na przesuwaniu charakterystyk statycznych silnika napędowego prądnicy
proporcjonalnie do pewnej wcześniej zadanej części łącznego obciążenia bieżącego, przy czym
częstotliwość sieci zmieniać się będzie według charakterystyki różniącej się od charakterystyki
regulacji silników napędowych. Posługując się tą metodą można tak nastawić regulatory zespołów
prądotwórczych, że częstotliwość w sieci przy zmianie obciążenia pozostanie stała.
Metoda ta pozwala na stabilny rozdział obciążenia i może być realizowana za pomocą
dowolnych zamknięto-otwartych układów regulacji prędkości obrotowej, w których wpływ sygnału od
obciążenia umożliwia wprowadzenie przesunięcia charakterystyk regulatorów obrotów silników
napędowych.
W związku z nieliniowością charakterystyk statycznych i niedokładnością pomiaru obciążenia
czynnego przy wykorzystaniu metody przesuwanych charakterystyk może wystąpić odchylenie
częstotliwości od wartości znamionowej. Dlatego czasami stosuje się schematy połączeń regulatorów,
łączące metody przesuniętych charakterystyk i prądnicy wiodącej. Przesunięcie charakterystyk osiąga
się na podstawie sygnału obciążenia. Taki schemat regulacji częstotliwości i rozdziału mocy czynnej
może być zrealizowany tak jak na rysunku 5.
Rysunek 5. Schemat blokowy układu regulacji częstotliwości i rozdziału mocy, gdzie:TP1, TP2, TP3
transformatory prądowe; PP1, PP2, PP3 przetworniki prądowe; PC przetwornik częstotliwości;
WM1, WM2, WM3 wzmacniacze magnetyczne; G1, G2, G3 prądnice, w tym G1 prądnica wiodąca;
SM1, SM2, SM3 rewersyjne silniki nastawy regulatorów obrotów; SS1, SS2, SS3 silnik spalinowe
Prądnica wiodąca G1, otrzymująca dodatkowy sygnał z przetwornika częstotliwości PC,
2002-10-06 RomS, 3. Autom pradnic_konspekt Strona - 7
R.Śmierzchalski Materiały pomocnicze do wykładów z ASE
dokonuje korekty częstotliwości sieci.
Rozdział mocy czynnych odbywa się przez porównanie składowych czynnych prądu
pracujących prądnic, co uniezależnia rozdział mocy od niedokładności i zmienności w czasie
charakterystyk statycznych regulatorów prędkości obrotowej. Różnice prądów w połączeniu
różnicowym członów pomiarowych PP poszczególnych prądnic sterują nastawami regulatorów
prędkości obrotowej przez wzmacniacze WW, doprowadzając do równomiernego (proporcjonalnego)
rozdziału mocy każdego z pracujących równolegle zespołów prądotwórczych. Układ działa więc ze
sprzężeniem zwrotnym.
Uzyskiwana niedokładność rozdziału mocy czynnej wynosi 2% mocy znamionowej. W
układzie jest możliwość nastawienia większej niedokładności, aby zapobiec nadmiernemu zużywaniu
się elementów nastawy charakterystyk regulatora obrotów, które wzrasta wraz z dokładnością.
6. Automatyczna regulacja napięcia i rozdział mocy biernej
Jednym z kryteriów oceny jakości energii elektrycznej prądu przemiennego jest stałość
amplitudy i częstotliwości napięcia sieci okrętowej. Praca prądnic okrętowych odbywa się przy
częstych zmianach obciążeń wywołanych zmianami ilości pracujących odbiorników energii,
włączaniem i wyłączaniem silników asynchronicznych o znacznej mocy w stosunku do mocy
prądnicy. Te zmiany obciążenia wywołują zmiany napięcia w sieci okrętowej. Szczególnie duże
wahania napięcia występują w stanach awaryjnych na przykład przy zwarciach, nagłych wyłączeniach
prądnic, a także przy duży gwałtownych wzrostach i zrzutach obciążenia. Wahania napięcia naruszają
normalną pracę okrętowych odbiorników energii elektrycznej, dlatego niezbędna jest regulacja
napięcia prądnic. Zmiany napięcia prądnic synchronicznych są wywołane wielkościami
zakłócającymi, które dzielą się na zakłócenia główne i uboczne. Główna wielkością zakłócającą
stałość napięcia jest prąd obciążenia z uwzględnieniem fazowego kąta obciążenia. Prąd obciążenia
wywołuje rozmagnesowującą reakcję twornika prądnicy. Do ubocznych zakłóceń zalicza się zmiany
częstotliwości (prędkości obrotowej), zmiany temperatury otoczenia, wilgotności powietrza itp.
Zakłócenia nie tylko oddziaływają na prądnicę, lecz również na cały układ wzbudzenia.
Stabilizacje częstotliwości napięcia zapewniają automatyczne regulatory prędkości obrotowej
silników napędzających prądnice.
Zadaniem układu wzbudzenia jest stabilizacja napięcia, którego wahania są wywoływane
przede wszystkim obciążeniem prądnicy. Układy wzbudzeń samowzbudnych prądnic
synchronicznych, stosowanych w okrętownictwie, dzielą się na dwa rodzaje:
" układy bocznikowe,
" układy szeregowo-bocznikowe.
We wszystkich przypadkach energia niezbędna do wzbudzania prądnicy jest pobierana z zacisków jej
twornika (stąd prądnica jest prądnicą samowzbudną).
W układzie bocznikowym energia wzbudzenia jest dostarczana do uzwojenia wzbudzenia
obwodem sprzężenia napięciowego. Stabilizacja napięcia odbywa się na zasadzie samoczynnej
regulacji napięcia i dlatego występuje w tych układach regulator napięcia, reagujący na uchyb napięcia
prądnicy.
Szeregowo-bocznikowy układ wzbudzenia działa na odmiennej zasadzie, polegającej na
kompensacji skutków rozmagnesowującej reakcji twornika, wywołanej prądem obciążenia prądnicy.
Kompensacja spadku napięcia prądnicy polega na uzależnianiu prądu wzbudzenia od prądu
obciążenia, w wyniku zastosowania dodatniego sprzężenia zwrotnego oraz dodatkowego sprzężenia
napięciowego obwodu wzbudzenia z obwodem twornika. Układy takie są nazywane zwykle układami
kompaundacji wzbudzenia. Ponieważ najczęściej sygnały obu sprzężeń są dodawane geometrycznie
(przed wyprostowaniem), dlatego wypadkowy sygnał kompaundacyjny uwzględnia również charakter
obciążenia prądnicy i układ wzbudzenia nazywa się fazowa kompaundacją wzbudzenia. Aby
zwiększyć dokładność stabilizacji napięcia, do układów kompaundacji wzbudzenia włącza się
dodatkowo regulator napięcia.
Stabilizacja napięcia odbywa się tym samym z wykorzystaniem dwóch zasad:
" kompensacji zakłóceń (realizuje kompaundację fazowa),
" samoczynnej regulacji (realizuje regulator napięcia).
2002-10-06 RomS, 3. Autom pradnic_konspekt Strona - 8
R.Śmierzchalski Materiały pomocnicze do wykładów z ASE
Układy takie są nazywane zazwyczaj układami regulowanej kompaundacji fazowej wzbudzenia.
Regulacja ręczna napięcia nie jest w ogóle stosowana, ze względu na wymaganą dużą
dokładność i szybkość działania. Dlatego na statkach stosuje się automatyczną regulację napięcia,
działającą:
" na podstawie uchybu napięcia (tzw. układy bocznikowe),
" w sposób kombinowany - na podstawie uchybu napięcia i w zależności od prądu stojana
prądnicy (układ z kompaundacją).
6.1. Bocznikowy układ regulacji napięcia
Uz Uz Uz
+ + +
6
U U U
_ _ _
5 5 5
8
2
7
1 1
3
3
9
4
R
w w w
3 3 3
Rysunek 6. Schemat typowych bocznikowych układów regulacji napięcia, gdzie: 1 transformator
napięciowy (wzbudzenia); 2 autotransformator wzbudzenia; 3 prostownik diodowy; 4
prostownik tyrystorowy; 5 człon pomiarowo-porównawczo; 6 wzmacniacz magnetyczny wstępny;
7 wzmacniacz magnetyczny wyjściowy; 8 układ sterujący mostkiem tyrystorowym; 9 tyrystor
bocznikujący rezystancję R
Zasada działania bocznikowego układu regulacji napięcia sprowadza się do takiego sterowania
układem wzbudzenia prądnicy, by zmniejszyć uchyb napięciowy, jako różnicę między napięciem
zadanym Uz i napięciem mierzonym U do dopuszczalnej wartości. Typowe układy regulacji napięcia
pokazano schematycznie na rysunku 6.
W układzie a) sygnał uchybu napięciowego steruje kaskadą wzmacniaczy magnetycznych:
wstępnego 6 i wyjściowego 7. Zmiana prądu sterującego wzmacniacza 7 wpływa na wartość
reaktancji uzwojeń roboczych. Powoduje to zmianę natężenia prądu w uzwojeniach pierwotnych
transformatora wzbudzenia 1, co prowadzi do ustalenia napięcia wzbudzenia prądnicy na poziomie
zapewniającym redukcję uchybu napięciowego.
W układzie b) członem wykonawczym regulatora jest układ tyrystorowy 9, bocznikujący
rezystancję włączoną szeregowo do obwodu wzbudzenia. Układ bocznikujący pracuje impulsowo,
przy czym częstotliwość i szerokość impulsów zależą od uchybu napięciowego.
W układzie c) stosuje się tyrystor do sterowania prądem wzbudzenia prądnicy, zasilając
wzbudzenie z autotransformatora 2.
6.2. Układ regulacji napięcia z kompaundacją prądową
Na rysunku 7 przedstawiono układ regulowanej kompaundacji fazowej wzbudzenia prądnicy
synchronicznej. Zasadnicza część układu pracująca według zasady kompaundacji fazowej, składa się z
transformatora prądowego 1, transformatora napięciowego 3, dławika liniowego 2 ze szczeliną oraz
2002-10-06 RomS, 3. Autom pradnic_konspekt Strona - 9
R.Śmierzchalski Materiały pomocnicze do wykładów z ASE
prostownika wzbudzenia 4 w postaci trójfazowego mostka diodowego. Stałość napięcia zapewnia
układ automatycznej regulacji napięcia składający się z:
" członu pomiarowo-porównawczego 6,
" wzmacniacza wstępnego 7,
" układu wyzwalania tyrystorów 9,
" tyrystorowego prostownika wzbudzenia.
u v w
Człon
Układ
pomiarowo
sterowania
-porównawczy
ręcznego
Wzmacniacz
Przełącznik
wstępny
rodzaju
sterowania
Transformator
(auto-manual)
napięciowy
Układ
wyzwalania
tyrystorów
G
Układ
Trójfazowy Trójfazowy
odwzbudzenia
prostownik prostownik
diodowy tyrystorowy
Układ
początkowego
wzbudzania
Rysunek 7. Układ regulowanej fazowej kompaundacji wzbudzenia prądnicy synchronicznej 6kV,
gdzie:1 transformator prądowy; 2 dławik liniowy; 3 transformator napięciowy; 4 trójfazowy
prostownik diodowy; 5 trójfazowy prostownik tyrystorowy; 6 człon pomiarowo-wyrównawczy;
7 wzmacniacz wstępny; 8 układ sterowania ręcznego; 9 układ wyzwalania tyrystorów; 10
przełącznik rodzaju sterowania; 11 układ początkowego wzbudzania; 12 układ odwzbudzania
Wypadkowy prąd wzbudzenia prądnicy jest funkcją dwóch napięć zsumowanych algebraiczne:
" napięcia wyjściowego mostka diodowego 4 jako sygnału wypadkowego układu kompaundacji
wzbudzenia,
" napięcia wyjściowego mostka tyrystorowego 5 jako sygnału regulacyjnego układu
automatycznej regulacji napięcia.
Przy znamionowym obciążeniu prądnicy o charakterze statycznym prąd wzbudzenia dostarczony z
układu kompaundacji jest wystarczający do pełnej kompensacji skutków oddziaływania twornika. W
pozostałych przypadkach obciążeń statycznych oraz przy obciążeniach dynamicznych na wyjściu
mostka tyrystorowego pojawia się napięcie, które dodane do napięcia mostka diodowego 4, powoduje
zmniejszenie lub powiększenie wypadkowego prądu wzbudzenia.
2002-10-06 RomS, 3. Autom pradnic_konspekt Strona - 10
R.Śmierzchalski Materiały pomocnicze do wykładów z ASE
6.3. Charakterystyka najczęściej spotykanych regulatorów i układów
wzbudzenia prądnic synchronicznych
6.3.1. Układ wzbudzenia z regulatorem napięcia typu S3bJ-3Z firmy NEEB
Schemat blokowy układu pokazany jest na poniższym rysunku.
U
G
11
A
B
1 2
18
31
JST
JG
C
65
JW
G 3~
3
4 UJ
UU
Rysunek 8
W układzie można wyróżnić następujące główne podzespoły:
układ kompaudacji wzbudzenia, zawierający: transformator prądowy kompaundancyjny 4,
transformator napięciowy 3 i prostownik wzbudzenia 6.
Regulator napięcia, składający się z układu kompaundacji członu pomiarowego A, członu pomiarowo-
porównawczego B, wzmacniacza magnetycznego 5 oraz obwodu początkowego samowzbudzenia C.
Układ kompaundacji wzbudzenia. Zasadniczymi elementami układu kompaundacji wzbudzenia są:
trójfazowy transformator napięciowy 3,
trójfazowy transformator prądowy kompaundacyjny 4.
6.3.2. Regulator zbudowany w układzie bocznikowym typu TUR.
Regulator napicia typu TUR jest urządzeniem współpracującym z samowzbudna prądnicą
synchroniczną. Służy on do: przetwarzanie przemiennego napięcia wyjściowego w stałoprądowe
napięcie wzbudzenia prądnicy, stabilizacji napięcia wyjściowego prądnicy, utrzymanie właściwego
rozdziału mocy biernej przy równoległej pracy prądnic. Regulator jest zbudowany w układzie
bocznikowym. Członem wykonawczym jest w nim sterowany mostek tyrystorowy.
2002-10-06 RomS, 3. Autom pradnic_konspekt Strona - 11
R.Śmierzchalski Materiały pomocnicze do wykładów z ASE
U
PP
P
UZ
G
PT
3 ~
W
Rysunek 9. Schemat blokowy układu regulacji napięcia bocznikowego z prostownikiem tyrystorowym
PP - człon pomiarowo-wyrównawczy,
P - człon przetwarzania sygnału pomiarowego,
UZ układ zapłonowy,
PT prostownik tyrystorowy,
G twornik prądnicy,
W uzwojenie wzbudzenia prądnicy.
Uzwojenie wzbudzenia prądnicy zasilane jest przez prostownik tyrystorowy PT napięciem
wyjściowym prądnicy. Wielkość prądu wzbudzenia jest regulowana przez odpowiednie wysterowania
tyrystorów. Regulacji dokonuje się samoczynnie, a ciąg impulsów sterujących praca tyrystorów
wytwarzany jest przez układ zapłonowy, który z kolei sterowany jest przetworzonym w członie
przetwarzania P sygnałem wypracowanym w członie pomiarowo-porównawczym PP,
proporcjonalnym do różnicy pomiędzy żądaną (znamionową) wartością napięcia wyjściowego o
wartość rzeczywistą, jaka występuje na zaciskach prądnicy.
6.3.3. Układ wzbudzenia i regulacji napięcia bezszczotkowych prądnic
synchronicznych typu GF firmy ASEA.
Stabilizacja napięci bezszczotkowych prądnic synchronicznych typu GF odbywa się na
zasadzie automatycznej regulacji. W tym celu układy wzbudzenia prądnic zawierają regulatory
napięcia, które niezależnie od typu i zastosowania elementów utrzymują stałą wartość napięcia
prądnicy przez odpowiednia zmianę wartości prądu wzbudzenia.
Na poniższym rysunku przedstawiono schemat blokowy bezszczotkowego układu wzbudzenia
i regulacji napięcia prądnicy (1) zawiera wirujący tyrystorowy prostownik wzbudzenia (2), wzbudnicę
(3), diodowy prostownik wzbudzenia wzbudnicy (4), wzbudnice pomocniczą (5), nazywano dalej
podwzbudnicą, tyrystorowy regulator napięcia (6) i zespól transformatorów impulsowych (7).
2002-10-06 RomS, 3. Autom pradnic_konspekt Strona - 12
R.Śmierzchalski Materiały pomocnicze do wykładów z ASE
Ug Ig
1
Część wirująca
2 7 6
3
5
4
Rysunek 10 Schemat blokowy układu wzbudzenia i regulacji napięcia prądnicy synchronicznej typu
GF
1. prądnica,
2. wirujący tyrystorowy prostownik wzbudzenia,
3. wzbudnica,
4. prostownik wzbudzenia wzbudnicy,
5. podwzbudnica,
6. regulator napięcia,
7. transformatory impulsowe.
yródłem prądu wzbudzenia jest trójfazowa odwrócona (wirujący twornik) prądnica
synchroniczna zasilająca uzwojenie wzbudzenia prądnicy poprzez wirujący prostownik tyrystorowy.
Zmiana napięcia i prądu wzbudzenia prądnicy realizuje się przez sterowanie kątem opóznienia
włączenia tyrystorów prostownika sygnały sterujące na bramki tyrystorów wprowadzane są droga
magnetyczna za pomocą impulsowych transformatorów, których uzwojenia wtórne wirują wraz z
prostownikiem. Na uzwojenie pierwotne (część statyczną) tych transformatorów wprowadzone są
impulsy wyjściowe z regulatora) napięcia.
Regulator napięcia mierzy wartość napięcia na zaciskach prądnicy. W przypadku wahań
wartości tego napięcia następuje taka zmiana fazy impulsów wyzwalających tyrystory, aby napięcie
prądnicy pozostało stałe. W rezultacie, w wypadku obniżania się napięcia prądnicy, następuje
zmniejszenie kąta opóznienia wyzwalania tyrystorów powodując zwiększenie napięcia i prądu
wzbudzenia a tym samym napięcia prądnicy. Jeżeli natomiast nastąpi wzrost napięcia prądnicy,
działanie regulatora będzie odwrotne. Kąt opóznienia wyłączenia tyrystorów ulegnie zwiększeniu,
powodując zmniejszenie napięcia i prądu wzbudzenia i w konsekwencji napięcia prądnicy.
Podwzbudnica posiada dwa uzwojenia twornika, przy czym jedno zasila regulator natomiast
2002-10-06 RomS, 3. Autom pradnic_konspekt Strona - 13
R.Śmierzchalski Materiały pomocnicze do wykładów z ASE
drugie prostownik wzbudzenia wzbudnicy. Wirujące uzwojenie wzbudzenia podwzbudnicy zasilane
jest z prostownika wzbudzenia wzbudnicy.
6.3.4. Statyczny układ wzbudzenia typu S.C. firmy RADE KONCAR.
Stabilizacja napięcia samowzbudnych prądnic synchronicznych może odbywać się według
zasady kompensacji (są to tzw. układy nieregulowanej kompaundacji fazowej) lub według zasady
regulacji. Często stosuje się układy będące połączeniem obu tych zasad, zwane układami kompaudacji
fazowej z regulacją. W układach tych rozróżniamy dwa zasadnicze sposoby zasilania uzwojeń
wzbudzenia:
szeregowe sumowanie oddziaływania obwodów napięciowego i prądowego jest to układ szeregowej
kompaundacji fazowej,
równoległe sumowanie oddziaływania obwodu napięciowego i prądowego jest to układ równoległej
kompaundacji fazowej.
Układ wzbudzenia prądnicy synchronicznej samowzbudnej typu S.C. firmy Rade Koncer jest
układem działającym według zasady szeregowej kompaundacji nieregulowanej. Układy te mają
obwód elektryczny zasilany z zacisków prądnicy i obciążony uzwojeniem wzbudzenia, który
dostarcza w stanie ustalonym do uzwojenia wzbudzenia prąd potrzebny do utrzymania stałego
napięcia. Wartość tego prądu określają charakterystyki regulacyjne maszyny.
Kompensacja wpływu obciążenia na napięcie prądnicy polega na uzależnieniu prądu
wzbudzenia prądnicy od jej obciążenia. Uwzględnia się przy tym nie tylko wartość prądu obciążenia,
ale jego przesunięcie względem napięcia (stąd nazwa kompaundacja fazowa). Uzyskuje się to w ten
sposób, że jakim poprzez prostownik zasilane jest uzwojenie wzbudzenia prądnicy, jest napięciem
wypadkowym (sumą wektorową) napięcia prądnicy U oraz napięcia U1 proporcjonalnego do
obciążenia I pobranego z transformatora prądowego. Układy kompaundacji fazowej mają tę
właściwość, że utrzymują w pewnym przybliżeniu stałe napięcie na zaciskach maszyny bez
dodatkowych członów regulacyjnych pod warunkiem, że nie zmienia się prędkość obrotowa zespołu.
Kompensują one tylko prąd obciążenia prądnicy, lecz nie kompensują wahań temperaturowych i
częstotliwości, co jest przyczyną znacznej zmienności napięcia prądnicy w różnych warunkach pracy.
Cechuje je prosta budowa i duża niezawodność.
R, S, T
Xt
TP
G
P
3 ~
W
Rysunek 11 Schemat ideowy układu kompaundacji fazowej szeregowej
W uzwojenie wzbudzenia,
G twornik prądnicy,
2002-10-06 RomS, 3. Autom pradnic_konspekt Strona - 14
R.Śmierzchalski Materiały pomocnicze do wykładów z ASE
TP transformator prądowy,
P prostownik,
Xt reaktancje bocznikujące.
6.4. Automatyczny rozdział mocy biernej
Proporcjonalny rozdział mocy biernej na poszczególne samowzbudne prądnice pracujące równolegle
uzyskuje się przez zastosowanie urządzeń stabilizacji prądowej. Przykład takiego rozwiązania
pokazuje rysunek 8. Do członu pomiarowo-porównawczego regulatora napięcia 2 wprowadza się
składową bierną prądu prądnicy, która oddziaływuje na wzbudzenie. Obwody członów pomiarowo-
porównawczych poszczególnych regulatorów połączone są równolegle ze sobą. Przy
nierównomiernym obciążeniu prądnic mocą bierną przez połączenia te płyną prądy wyrównawcze,
które działają na urządzenie sterujące prostownikami tyrystorowymi w kierunku przywrócenia
proporcjonalnego rozdziału mocy biernej.
Regulacja dokładności rozdziału mocy biernych jest ustawiana ręcznie przy pomocy
potencjometru. Jeśli prądnica nie jest włączona do pracy równoległej i pracuje indywidualnie, to
korektor nie bierze udziału w pracy.
2002-10-06 RomS, 3. Autom pradnic_konspekt Strona - 15
R.Śmierzchalski Materiały pomocnicze do wykładów z ASE
Rysunek 12. Schemat automatycznego rozdziału mocy biernej prądnic synchronicznych
2002-10-06 RomS, 3. Autom pradnic_konspekt Strona - 16
R.Śmierzchalski Materiały pomocnicze do wykładów z ASE
7. Analiza stanu obciążenia
Okrętowy system elektroenergetyczny charakteryzuje się dużą zmiennością obciążenia w
czasie oraz dużą mocą pojedynczych odbiorników w stosunku do mocy znamionowych prądnic.
Liczba pracujących równolegle zespołów jest zazwyczaj niewielka. Układ automatyki powinien
zapewnić optymalne warunki pracy okrętowego systemu elektroenergetycznego z uwzględnieniem
konieczności ciągłego utrzymania rezerwy dla pokrycia przewidywanych zmian obciążenia. Schemat
blokowy układu analizy obciążenia przedstawiony jest na rysunku 9.
Rysunek 13. Schemat blokowy układów analizy obciążenia: załączania i wyłączania prądnic, kontroli
rezerwy mocy i automatycznego priorytetowego wyłączania odbiorników
Zasadniczymi elementami układu są :
" człon sumujący GI,
" człon porównujący GC,
" człony czasowe GB,
" człon blokady (nie pokazany na rysunku).
Działanie układu analizy stanu obciążenia tj. załączanie i wyłączanie prądnic dokonywane jest po
2002-10-06 RomS, 3. Autom pradnic_konspekt Strona - 17
R.Śmierzchalski Materiały pomocnicze do wykładów z ASE
nastawionej zwłoce czasowej rzędu kilku do kilkudziesięciu sekund, aby zapobiec działaniu układu
przy krótkotrwałych zmianach obciążenia. Układ analizy stanu obciążenia pełni następujące funkcje:
1. Analiza załączania i wyłączania prądnic poprzez porównanie obciążenia elektrowni z jej mocą
dysponowaną. Nastawa członu porównującego jest taka, że:
" jeżeli chwilowa wartość obciążenia elektrowni przekracza 80% jej mocy dysponowanej w
czasie do 30s lub 100% w czasie 10s, to podawany jest sygnał na załączenie następnego
zespołu,
" jeżeli chwilowa wartość obciążenia elektrowni jest mniejsza w ciągu 5 min od wartości
ustalonej, to podawany jest sygnał na zatrzymanie zespołu ostatnio załączonego.
2. Kontrola rezerwy mocy dokonywana w celu stworzenia rezerwy mocy niezbędnej do pokrycia
obciążenia od odbiorników o dużych mocach (w stosunku do mocy poszczególnych prądnic).
Układ działa w razie sygnalizowania załączenia takiego dużego odbiornika:
" podając sygnał na uruchomienie następnego zespołu prądotwórczego, jego synchronizację i
dopiero wówczas samoczynne załączenie uprzednio sygnalizowanego odbiornika przy
braku dostatecznej rezerwy mocy;
" poprzez natychmiastowe zasilenie odbiornika sygnalizowanego do załączenia, jeżeli moc
dysponowana elektrowni jest wystarczająca.
3. Automatyczne priorytetowe wyłączanie odbiorników (układ Meyera) jego działanie polega na
wyłączeniu grupy odbiorników mniej ważnych w ustalonej kolejności wówczas, gdy w
okrętowym systemie energetycznym brakuje rezerwy mocy niezbędnej do pokrycia wzrastających
obciążeń. Automatyczne wyłączania odbiorników jest dokonywane ze zwłoką czasową rzędu
kilku sekund i po upływie tego czasu możliwe jest załączenie sygnalizowanego dużego
odbiornika, znacznie wcześniej zanim zostanie uruchomiony następny zespół prądotwórczy.
4. Układ automatycznego załączania urządzeń po Black-Out cie jego działanie polega na
automatycznym uruchomieniu urządzeń po powrocie napięcia na szyny. Odbywa się to w sposób
sekwencyjny tzn. poszczególne odbiory zasilane są ze zwłoką czasową, która ma odmienne
wartości dla różnych urządzeń. Niejednoczesne załączenie odbiorników ma na celu ograniczenie
prądów, jakie pojawiłyby się w układzie, gdyby wszystkie urządzenia załączono od razu.
Literatura
[1] Jerzy Sołdek Automatyzacja statków, Wydawnictwo Morskie, Gdańsk 1985
2002-10-06 RomS, 3. Autom pradnic_konspekt Strona - 18
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
hmmBADANIE PRĄDNIC TACHOMETRYCZNYCHĆw 8 Silnik jednofazowy i prądnice prądu stałegoJak zamienić prądnicę na alternator w URSUSIE C 330Sławny chleb prądnickiĆw 6 Badanie trójfazowej prądnicy synchronicznej przy pracy autonomicznejpradnica asynchronBadanie prądnicy synchronicznej A4HmmMaszyny Elektryczne 2 (sem IV) Zasada działania silnika i prądnicy prądu stałegoprądnicaPradnica wzkSystemy Autom Kontr Bezpiecz Poc (skrypt)S Mrozekautom pytania$012005więcej podobnych podstron