Методическое пособие - Системы и устройства судовой автоматики: схемотехника средств автоматизации
Подождите немного. Документ загружается.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Филиал Санкт-Петербургского Государственного морского
технического университета
СЕВМАШВТУЗ
Кафедра судовой электроэнергетики и электротехники
Гальперин В.Е., Мальнев А.Н., Чурносов А.И.
Системы и устройства судовой автоматики: схемотехника
средств автоматизации
Методическое пособие по курсовому и дипломному проектированию
Северодвинск
2003
УДК 621.31.078:629.12
Гальперин В.Е., Мальнев А.Н., Чурносов А.И. Системы и устройства
судовой автоматики: схемотехника средств автоматизации. - Северодвинск.:
Севмашвтуз 2003.- 51с.
Рецензенты: к.т.н., профессор
Ищенко В.Ф.
инженер-электрик, механик ц.16
ПО «Звёздочка» по вооружению
Балакшин А.А.
В методическом пособии рассмотрены вопросы проектирования
автоматизированных судовых электроэнергетических систем.
Рассмотрены системы и устройства, предназначенные для
автоматического регулирования частоты и напряжения, распределения
реактивных и активных нагрузок, автоматического запуска резервных
генераторов, отключения второстепенных потребителей и переключения
питания с одного источника на другой, автоматической синхронизации
генераторов, автоматического контроля сопротивления изоляции цепей
переменного тока.
Рассмотрены теоретические основы для исследования и расчёта,
установившихся и переходных процессов в различных режимах
функционирования автоматизированных СЭС с агрегатами соизмеримой
мощности и с учётом специфических условий их эксплуатации.
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности
140400 «Системы электроэнергетики и автоматизации судов».
2
Введение
Для обеспечения высокой эффективности и надёжности судов
электроэнергетическая система (СЭС) характеризуются высокой степенью
автоматизации. Широкое развитие автоматического управления
техническими средствами на судах различного назначения привело к
созданию ряда унифицированных систем и функциональных устройств
автоматизации СЭС. В пособии в первую очередь рассматриваются системы
и устройства, предназначенные для регулирования напряжения и частоты,
распределения активных и реактивных нагрузок, включения генераторов на
параллельную работу, программирования загрузки судовой электростанции,
защиты, контроля и сигнализации.
Изучение систем и устройств автоматизации невозможно без знания
теоретических основ для исследования и расчёта, установившихся и
переходных процессов в различных режимах функционирования
автоматизированных СЭС с агрегатами соизмеримой мощности и с учётом
специфических условий их эксплуатации. В связи с этим в пособии
приведены методы расчёта переходных процессов в судовых
электроэнергетических системах согласно ОСТ5.6181 – 81.
Цель настоящего пособия – создание учебно-методической базы для
подготовки специалистов по дисциплине «Системы и устройства судовой
автоматики».
3
Содержание
Задание на проектирование по дисциплине: “Системы и устройства
судовой автоматики: схемотехника средств автоматизации” 5
Исходные данные 6
1. Краткая характеристика состава СЭС и требования,
предъявляемые к объёму её автоматизации 8
2. Выбор устройств стабилизации параметров напряжения
и частоты синхронного генератора 9
3. Выбор устройств автоматизации управления параллельной
работой синхронных генераторов 9
3.1 Выбор устройств синхронизации 9
3.2. Управление распределением активной нагрузки
параллельно работающих генераторов 10
3.3. Управление распределением реактивной нагрузки
между генераторами 12
4. Выбор автоматической защиты СЭС 13
4.1 Устройство автоматической разгрузки генераторов (УРГ) 13
4.2 Устройство автоматического включения резерва (УВР) 13
4.3 Устройство контроля изоляции УКИ – 1 (ПКИ) 13
5. Расчёт изменения напряжения и частоты 15
5.1 Режим включения статической нагрузки 15
5.2. Режим включения статического преобразователя 20
5.3. Режим прямого пуска асинхронного двигателя 21
6. Примеры расчётов изменений напряжения и частоты 25
6.1 Режим включения статической нагрузки 25
6.2. Режим включения статического преобразователя 28
6.3. Режим прямого пуска асинхронного двигателя 28
Приложения 32
Литература 49
4
Задание на курсовое проектирование по дисциплине: “Системы и
устройства судовой автоматики: схемотехника средств автоматизации”.
Дано студенту группы 143
Вариант №____
Спроектировать систему устройств автоматического управления и защиты
судовой электростанции, отвечающую требованиям регистра РФ.
Расчётная часть:
1. Краткая характеристика состава СЭС и требования, предъявляемые к
объёму её автоматизации.
2. Выбор устройств стабилизации параметров напряжения и частоты
синхронного генератора.
3. Выбор устройств автоматизации управления параллельной работой
синхронного генератора.
4. Выбор автоматической защиты СЭС.
5. Компоновка функциональной блок–схемы автоматизированной СЭС.
6. Расчёт изменения напряжения в СЭС при включении нагрузки.
6.1 Включение статической нагрузки.
6.2 Включение полупроводникового преобразователя.
6.3 Пуск асинхронного двигателя.
Графическая часть:
1. Функциональная блок–схема управления автоматизированной СЭС.
2. Графики изменения напряжения в СЭС при включениях нагрузки.
Дата выдачи задания__________
Дата сдачи проекта на кафедру___________
Студент _____________
Руководитель проекта____________
5
Исходные данные
Вари-
ант
Состав судовой
электростанции
S
H
генера-
тора, кВА
Вари-
ант
Состав судовой
электростанции
S
H
генера-
тора, кВА
1 5 МСК 83–4 62,5 14 4 ГМ 1250–4 1560
2 4 МСК 91–4 94 15 5 2СН 59/25–4 200
3 3 МСК 92–4 125 16 4 2СН 59/39–4 313
4 5 МСК 102–4 188 17 3 ГМ–1600–4 2000
5 4 МСК 103–4 250 18 5 2СП 42/28–4 75
6 3 МСК 113–4 375 19 4 1MB 2–2 2500
7 4 ГМ–2500–2 3120 20 5 2СП74/31–4 394
8 4 ТМВ–3–2 3750 21 5 МСК– 11 4–4 500
9 3 ГМС 13–41–12 400 22 3 МСК 790–1000 790
10 5 МСК 625– 1500 625 23 4 МСК 1000– 1000 1000
11 4 МСК 940– 1500 940 24 5 ГМ–630–4 788
12 3 МСК 1250–750 1250 25 3 ГМ–3200–2 4000
13 5 2СП 42/13–4 30 – – –
Исходные данные для расчёта провала напряжения одного синхронного генератора
при включении статической нагрузки (непосредственно и через п/п преобразователь).
№
вари-
анта
Включение статической нагрузки Включение п/п преобразователя
S
вкл
,
кВА
cos
вкл
S
но
,
кВА
cos
но
P
d
,
кВт
S
но
,
кВА
cos
но
1 40 0,6 15 0,8 22 0,5 10 0,7
2 28 0,8 30 0,6 35 0,45 16 0,8
3 52 0,4 18 0,6 62 0,8 12 0,65
4 61 0,6 35 0,7 45 0,5 18 0,75
5 70 0,8 15 0,6 80 0,6 12 0,7
6 100 0,4 28 0,7 75 0,45 30 0,8
7 800 0,8 150 0,8 600 0,55 200 0,7
8 1100 0,6 300 0,7 800 0,65 300 0,8
9 170 0,4 28 0,6 200 0,7 50 0,7
10 230 0,8 70 0,7 120 0,45 58 0,8
11 500 0,6 200 0,8 310 0,55 60 0,7
12 650 0,8 150 0,7 420 0,6 100 0,6
13 10 0,6 10 0,7 5 0,5 8 0,7
14 890 0,4 200 0,8 350 0,45 120 0,6
15 85 0,4 62 0,7 45 0,5 30 0,8
16 110 0,8 30 0,8 70 0,4 52 0,8
17 1320 0,6 250 0,8 830 0,6 100 0,7
18 42 0,8 10 0,7 18 0,5 12 0,8
19 920 0,6 180 0,8 350 0,4 110 0,7
20 205 0,4 16 0,7 95 0,45 35 0,6
21 270 0,4 100 0,8 120 0,5 80 0,7
22 470 0,6 58 0,7 240 0,6 75 0,8
23 630 0,8 140 0,8 370 0,4 50 0,6
24 320 0,6 50 0,7 150 0,45 80 0,8
25 3000 0,8 170 0,6 1200 0,5 200 0,7
6
Исходные данные для расчёта провала напряжения синхронного генератора при
прямом пуске асинхронного двигателя.
№
вари-
анта
Тип двигателя
Предварительная нагрузка
синхронного генератора
S
но
,
кВА
cos
но
1 AM 62–2 5 0,8
2 АМН–2 7 0,9
3 МАО 83–73/2 11 0,7
4 МАО 83–74/2 16 0,8
5 АН 102–8 20 0,9
6 АН 101–6 35 0,8
7 АН 11 1–2 370 0,6
8 АН 112–4 700 0,8
9 АН И 1–8 72 0,9
10 МАФ 83–94/4 100 0,7
11 АН 101–2 200 0,8
12 АН 102–2 310 0,6
13 AM 70–6 6 0,8
14 АН 92–2 670 0,7
15 АН 81–2 10 0,8
16 АН 92–6 120 0,9
17 МАФ 83–94/2 840 0,7
18 МАФ 83–64/6 15 0,8
19 4А 250М20 М2 1000 0,9
20 АН 102–4 20 0,6
21 4А 250540 М2 15 0,8
22 4А 250340 М2 100 0,7
23 АН 11 1–6 300 0,9
24 АН 102–2 50 0,8
25 АН 111–2 2100 0,7
7
1. Краткая характеристика состава СЭС и требования, предъявляемые к
объёму её автоматизации
В связи с ростом энерговооружённости судов растёт и степень их автоматизации.
Существует три степени автоматизации: А
1
, А
2
, А
3
.
А
3
– самая низкая степень автоматизации; она предусматривает:
– поддержание частоты в пределах, которая обеспечивается регуляторами механических
двигателей;
– регулирование напряжения в пределах ±2,5%;
– контроль основных параметров (ток, напряжение, частота, cosφ, активная мощность, и т.
д.) с помощью электроизмерительных приборов;
– аварийная сигнализация и защита.
А
2
– вторая степень автоматизации; предусматривает обслуживание энергетической
установки в ходовом режиме одним человеком находящимся в центральном посту
управления, это:
– стабилизация напряжения и частоты генераторов;
– автоматическая синхронизация генераторов;
– распределение активной и реактивной нагрузок между параллельно–работающими
генераторами в пределах ±10%;
– автоматическая защита генераторов;
– при необходимости, ввод или отключение генераторного агрегата;
– защита генераторов от перегрузки с помощью отключения второстепенных
потребителей;
– защита от короткого замыкания;
– защита от обрыва фазы при питании с берега;
– непрерывный контроль сопротивления изоляции под напряжением;
– защита от обратной мощности;
– дистанционный пуск и остановка генераторных агрегатов.
А
1
– степень автоматизации при безвахтенном обслуживании. Каждый генераторный
агрегат независим, т.е. имеет свои устройства и системы пуска, остановки, защиты,
включения в сеть и т.д.; любое из устройств (систем) может функционировать
самостоятельно.
В состав функциональной группы входит щит управления и контроля, на котором
имеются сигнальные и измерительные приборы, а также органы дистанционного
управления.
Режим работы СЭС задастся оператором воздействием на выключатели или кнопки, а
ввод или вывод агрегата, синхронизация, распределение нагрузки, осуществляются
автоматически.
Режим работы СЭС может быть задан программой, заложенной в вычислительный
комплекс.
8
2. Выбор устройств стабилизации параметров напряжения и частоты
синхронного генератора
При выборе регулятора напряжения необходимо рассмотреть:
– принципы построения регуляторов судовых генераторов переменного тока;
– привести требования Правил Регистра РФ на регуляторы такого типа;
– дать описание и принцип работы регулятора для синхронного генератора,
определённого заданием.
При рассмотрении и анализе режимов работы регуляторов частоты вращения
приводных двигателей привести функциональную схему комбинированной системы
стабилизации частоты вращения дизеля или турбины, требования к точности
регулирования для статических и динамических режимов.
3. Выбор устройств автоматизации управления параллельной работой
синхронных генераторов
3.1. Выбор устройств синхронизации
В этом разделе рассмотреть методы синхронизации их достоинства и недостатки. По
классу автоматизации А
2
, для включения генераторов на параллельную работу,
применяют синхронизаторы типа УСГ – 1, УСГ – 1П, УСГ – 35, МСГ – 8 и др.
Например, синхронизатор типа УСГ – 1П обеспечивает синхронизацию генераторов с
автоматической подгонкой частоты подключаемого генератора к частоте работающих
генераторов судовой сети.
Основные технические данные и параметры синхронизатора УСГ – 1П:
1) Устройство подключаемое к синхронизируемым сетям трёхфазного переменного тока
через типовые измерительные трансформаторы напряжения с вторичным напряжением
127В, частотой 50Гц.
2) Устройство надёжно работает в корабельных условиях при длительных колебаниях
напряжения 5% и частоты 3%, при кратковременных колебаниях напряжения от –25% до
+13% и частоты от –6% до +4%.
3) Мощность, потребляемая устройством, не превышает 30 ВА.
4) Устройство построено по принципу «постоянного времени опережения» и
настраивается на уставку времени опережения в пределах 0,4–0,05сек с точностью
срабатывания:
а) для уставок времени опережения от 0,4сек до 0,31 сек +0,04сек;
б) для уставок времени опережения от 0,3сек до 0,11сек +0,03сек;
в) для уставок времени опережения от 0,1 сек до 0,05сек +0,02сек.
5) Устройство настраивается на уставки:
а) разность напряжений 8+2%U
н
;
б) разность частот в пределах 0,8–0,6Гц – для уставок времени опережения от 0,2сек
до 0,05сек; 0,6–0,2Гц – для уставок времени опережения от 0,4сек до 0,21 сек – с
точностью срабатывания по уставке = 0,15Гц.
6) Устройство в исполнении УСГ–1П производит подгонку частоты при разности частот
не менее 5+1 Гц путём воздействия на серводвигатель генераторного агрегата.
7) Устройство рассчитано для вкл. в работу на период синхронизации.
8) В качестве выходных реле устройства использованы реле типа РМ4.
9
БКН – блок контроля
разности напряжений;
БКЧ – блок контроля
разности частот;
БПЧ – блок подгонки
частоты;
БЗ – блок запрета;
ФБ – функциональный
блок;
БВО – блок времени
опережения;
ВБ – выходной блок.
к автоматическому к серводвигателям
выключателю подгонки частоты
Рис. 1. Блок–схема устройства УСГ – 1П.
Схема устройства обеспечивает выполнение всех условий синхронизации –равенство
амплитуд значений напряжений, равенство частот и выбор момента включения генератора
по углу сдвига фаз синхронизируемых напряжений. Допускаемая ошибка в выполнении
условий синхронизации задаётся уставками по разности напряжений и частот, а также
определяется точностью совпадения времени опережения устройства и времени
срабатывания включающего аппарата.
Работу схемы синхронизатора УСГ–1П можно рассмотреть на основе
функциональной блок–схемы рис. 1.
3.2. Управление распределением активной нагрузки параллельно работающих
генераторов
Стабилизация частоты судовой сети и распределение нагрузки между генераторами
является общей задачей, так системы автоматизации через исполнительные органы
воздействуют на изменение подачи энергоносителя (для дизеля это рейка топливного
насоса, для турбины – положение золотника подачи пара).
Наиболее распространён на судах метод ведущего генератора, который
предусматривает применение систем типа УРЧН, УРМ–35, РЧМ–50, РЧМ–400.
По методу ведущего генератора, один из генераторов, работающий на общую сеть,
принимают за базовый (ведущий). Остальные параллельно работающие генераторы
являются базисными (ведомыми).
Система автоматизации базового генератора отслеживает частоту судовой сети и при
отклонении её от номинальной воздействует на исполнительные органы изменения
подачи энергоносителя приводного двигателя этого генератора. Система автоматизации
каждого базисного генератора сравнивает свою загрузку по активной мощности с
загрузкой базового генератора и при её рассогласовании, через исполнительные органы
10