НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТЬ НАПРЯЖЕНИЯ

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 9Следующая ⇒

Несинусоидальность напряжения – искажение синусоидальной формы кривой напряжения. Источниками несинусоидальности напряжения являются: статические преобразователи, дуговые сталеплавильные и индукционные печи, трансформаторы, синхронные двигатели, сварочные установки, газоразрядные осветительные и бытовые приборы и т.д. Строго говоря, все потребители, кроме ламп накаливания имеют нелинейную вольтамперную характеристику.

Несинусоидальность напряжения характеризуется: - Коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения; - Коэффициентом n-ой гармонической составляющей напряжения.

Влияние несинусоидальности напряжения на работу электрооборудования: выходят из строя компьютеры, пробиваются конденсаторы, неправильно срабатывают устройства управления и защиты.

ОТКЛОНЕНИЕ ЧАСТОТЫ

Отклонение фактической частоты переменного напряжения от номинального значения в установившемся режиме работы системы электроснабжения.

Нормы допустимого и предельно допустимого значение отклонения частоты равны ±0,2 и ±0,4 Гц соответственно. Снижение частоты происходит при дефиците мощности работающих в системе электростанций.

Повышение частоты происходит при резком сбросе нагрузки в системе электроснабжения.

Состав и режимы работы судовых электроэнергетических систем

Среди различных судовых систем особое место занимает электроэнергетическая система (ЭЭС), являющаяся совокупностью устройств, объединенных процессом генерирования, преобразования и распределения электроэнергии. К таким устройствам относятся: генераторные агрегаты (ГА), главные и вторичные распределительные щиты (РЩ), преобразователи электроэнергии, кабельные линии [64, 69, 170].

На специализированных буровых судах и морских сооружениях наибольшее распространение получили электроэнергетические системы переменного и двойного рода тока с повышенным (6,3 кВ; 11 кВ) или нормальным напряжением (400 В), частотой 50 Гц. Суммарные мощности генераторов в таких системах достигают десятков – сотен мегаватт, а протяженность КЛ – сотен километров [12].

Взаимовлияние элементов ЭЭС, сопровождающее процессы производства, передачи и потребления электроэнергии, обусловливает многообразие и многочисленность переходных процессов сопутствующих изменению электромагнитного и электромеханического состояния электрических машин, аппаратов и устройств.

Центральными проблемами судовых электроэнергетических систем являются обеспечение ЭМС и повышение качества электроэнергии [69, 91, 92, 150]. Актуальность этих вопросов объясняется непрерывным ростом в ЭЭС относительного содержания мощных электроустановок с полупроводниковыми преобразователями (ПП): управляемыми выпрямителями (УВ) и преобразователями частоты (ПЧ) [58, 67, 69, 142, 202, 218].

Коммутационные процессы, вызванные работой таких устройств при наличии паразитных параметров в ЭЭС, обуславливают появление кондуктивных низкочастотных (НЧ) и высокочастотных (ВЧ) электромагнитных помех соответственно в диапазонах 0…2,5 кГц и 2,5 кГц…n×10 МГц. Данные помехи значительно ухудшают качество вырабатываемой и потребляемой электроэнергии, а также снижают эффективность характеристик генераторов (источников), потребителей (нагрузок) и судовых электроэнергетических систем в целом [71, 72, 148].

Судовые потребители можно классифицировать по ряду признаков. Среди них особую группу составляют ответственные потребители (ОП), обеспечивающие движение, управление морским объектом и его живучесть в различных режимах.

Весь период эксплуатации бурового судна и его ЭЭС условно разбивают на режимы: стояночные, ходовые, аварийные, специальные [148].

Крайне ответственным для судна являются режимы маневров и стоянки (хода) с эксплуатацией технологического оборудования (режим бурения). Они характеризуется работой мощных ПП, питающих систему динамического позиционирования (СДП) и технологические механизмы бурового комплекса, обуславливающие значительные искажения кривой напряжения в судовой ЭЭС.

Система динамического позиционирования предназначена для удержания судна над скважиной с точностью 1…3 м, как при выполнении работ, так и в режиме штормового отстоя. Интеллектуальная часть СДП содержит датчики положения и внешних возмущений (ДП и ДВ), гироскопы (ГС), GPS, контроллеры, источники бесперебойного питания (ИБП). Силовая часть СДП включает гребные электроустановки (ГЭУ) и мощные подруливающие устройства (ПУ) [69, 166, 170].

Морские регистры четко регламентируют состав и характеристики систем динамического позиционирования. Например, ABS в руководстве «Guide for Thrusters and Dynamic positioning systems» устанавливает следующую классификацию судов с динамическим позиционированием [69, 166, 174]: DPS-0 – наличие централизованной системы ручного позиционирования (РП) судна и автопрокладки курса (АК) без дублирования (рис.1.1,а); DPS-1 – наличие полностью автоматизированной СДП дублируемой системами РП и АК (рис.1.1,б); DPS-2 – наличие двух полностью автоматизированных СДП дублируемых системами РП и АК (рис.1.1,в); DPS-3 – требования DPS-2 дополняются возможностью работы при пожаре или затоплении одного из отсеков (рис.1.1,г). Аналогичные требования к судам с динамическим позиционированием предъявляются Lloyd (DP) и DNV (DYNPOS) [161].


а	в

б	г
Рис.1.1. Структурные схемы СДП: а – DPS-0; б – DPS-1; в – DPS-2; г – DPS-3

Отказы таких систем, обусловленные низким КЭ в судовых ЭЭС, являются причиной ухода с точки бурения и потери технологического инструмента стоимостью до двух млн. долл. США [69, 170].

Примером бурового судна класса DPS-1 является «Газпром-1» (пр.16280, ХСЗ, Украина, 1998г.), предназначенное для выполнения работ на глубинах до 1500 м. Основу его ЭЭС двойного рода тока, показанной на рис.1.2, составляет система шин ГРЩ1 (6,3 кВ) и ГРЩ2 (0,4 кВ), соединенных посредством силовых понижающих трансформаторов. К ГРЩ1 непосредственно подключены шесть главных дизель-генераторов (ДГ), а также синхронные электродвигатели двигатели (СД): два – гребных и пять – водометных ПУ с винтами регулируемого шага (ВРШ). Через понижающие трансформаторы к ГРЩ1 подключены пять комплектных трехфазных мостовых ТП для питания электроприводов постоянного тока технологических механизмов бурового комплекса. К шинам ГРЩ2 подключены потребители собственных нужд. Потребители собственных нужд и ОП (вторичные источники питания, системы автоматики и защиты) питаются от ГРЩ2 [58, 218].

В отличие от «Газпром-1», представитель класса DPS-2 – судно «Discover enterprise» (Верфь Астано, Испания, 1999г.) имеет диапазон рабочих глубин до 3000 м. Схема его ЭЭС показана на рис.1.3. Шесть подруливающих устройств (три в кормовой и три в носовой части) обеспечивают как движение судна в море, так и позиционирование его над скважиной. Все судовые потребители питаются от семи ГА, из которых шесть – основные и один – аварийный. Секции ГРЩ1 высокого напряжения (11 кВ) и ГРЩ2 низкого напряжения (0,48 кВ) коммутируются автоматическими выключателями (АВК). Синхронные двигатели ПУ работают от непосредственных преобразователей частоты (НПЧ), а технологические механизмы подключены к ГРЩ1 через понижающие трансформаторы. Интеллектуальная часть СДП подключена к общим шинам и является приемником ЭМП, обусловленных работой мощных ПП.

На рис.1.4 показана схема ЭЭС бурового судна класса DPS-3, предложенная фирмой «Cegelec». Секционирование ГРЩ (11 кВ) и наличие устройств автоматической коммутации шин обеспечивают резервирование мощности ГА и возможность работы ОП даже при серьезных авариях судовой электростанции, затоплении или пожарах в отсеках [161].

В ЭЭС работают восемь основных ГА (по два на секцию ГРЩ). К ГРЩ подключены непосредственные преобразователи частоты, питающие восемь гребных электродвигателей подруливающих устройств (ПУ1–ПУ8), а также две многоприводные системы цементировочных насосов (ДЦН1–ДЦН4) и брашпилей (БД1–БД8). Устройства гидравлики и понтона соединены с ГРЩ через понижающие трансформаторы (Т8–Т16).

Рис.1.2. Схема электрическая принципиальная ЭЭС бурового судна «Газпром-1» (DPS-1)

	Рис.1.3. Схема электрическая принципиальная ЭЭС бурового судна «Discoverer Enterprise» (DPS-2)
	Рис.1.4. Схема электрическая принципиальная ЭЭС перспективной ЭЭС бурового судна класса DPS-3

Основные типы полупроводниковых преобразователей судовых технологических, гребных и подруливающих электроустановок

Анализ ЭЭС рассмотренных в п.1.2 показывает, что в электроприводах буровых судов наиболее часто используется два класса ПП: управляемые выпрямители (УВ), (НПЧ) и преобразователи частоты с автономными инверторами напряжения (ПЧ с АИН) [69, 153, 154, 155]. УВ обладают рядом существенных недостатков: значительные гармонические искажения напряжения питающей сети в НЧ и ВЧ области, малый коэффициент мощности, значительные эксплуатационные расходы [69, 202].

Широкомасштабное применение ПЧ в гребных электроустановках (ГЭУ) и технологических электроприводах бурового комплекса объясняется рядом их преимуществ: низкие массогабаритные показатели; высокая износоустойчивость и КПД; высокий коэффициент мощности; малый уровень акустических шумов [69, 170, 145, 212, 216].

На рис.1.5 представлены основные типы судовых ПЧ: непосредственные преобразователи частоты, преобразователи частоты с автономными инверторами тока (АИТ) и напряжения (АИН) [21, 24, 202, 89, 128, 173, 176].

Силовая часть трехфазно-трехфазного НПЧ с естественной коммутацией (рис.1.5,а) аналогична структуре реверсивного УВ, содержащей вентильные группы ( – число фаз нагрузки) [15, 218].

Благодаря высокой производительности и устойчивости к значительным перегрузкам НПЧ используются в гребных электроприводах (ГЭП) большой мощности. К примеру, на судне «Discoverer Enterprise» НПЧ работают в электроприводах ПУ. В ПЧ с АИТ (рис.1.5,б) заданный уровень тока в дросселе L поддерживается входным УВ. Нагрузкой таких ПЧ могут быть СД или АД с КЗ ротором. Преимущество установок с СД заключается в естественной коммутации тиристоров АИТ за счет противо-ЭДС двигателя. Использование АД требует дополнительного включения регулируемых источников реактивной мощности на выходе АИТ. ПЧ с АИТ применяют в ГЭП большой мощности буровых судов.


а	б

в	г

д	е

ж
Рис.1.5. Схемы судовых ПЧ: а – трехфазно-трехфазный НПЧ; б – ПЧ с АИТ; в – ПЧ с АИН; г – многоприводная система с АИН и общим УВ; д – ШИМ ПЧ с двухуровневым АИН; е,ж – ПЧ с 18 и 24 - фазным выпрямлением

В ПЧ с АИН (рис.1.5,б) постоянное выходное напряжение неуправляемого выпрямителя (НВ) через LC - фильтр поступает на вход инвертора с ШИМ, который обеспечивает близкий к синусоидальному ток приводного двигателя. Ранее сфера применения таких ПЧ на судах ограничивалась электроприводами средней мощности палубных и вспомогательных механизмов.

Освоение производства IGBT модулей с токами до 2000 А и напряжениями до 4500 В позволило преобразователям частоты с АИН вытеснить НПЧ из состава судовых электроприводов, в том числе и ГЭП мощностью до 3,5 МВт.

На современных буровых судах часто используются многоприводные системы с общей шиной постоянного тока и единым реверсивным УВ (рис.1.5,г). Они обеспечивают эффективную работу технологических механизмов бурового комплекса, экономичны и могут функционировать при провалах напряжения. Эффективность использования низковольтных (до 0,4 кВ) ПЧ с АИН в судовых электроприводах обусловила появление аналогичных преобразователей большей мощности, рассчитанных на входные напряжения до 6,6 кВ (рис.1.5,д). Такие ПЧ используются установках электродвижения, например, на буровом судне «Pride Africa» ПУ VDM5000 (7х4500 кВт).

Одной из главных задач на этапе проектирования судовых ЭЭС является прогнозирование влияния рассмотренных ПП на питающую сеть. Обусловленные ими искажения сетевого тока и напряжения снижают рабочие характеристики и срок службы электрооборудования, подключенного к общему источнику.

Повышение КЭ в судовых ЭЭС с ПП может достигаться следующими способами: оптимизация полных сопротивлений трансформаторов и реактивных сопротивлений генераторов [11, 12]; использование многофазных преобразователей и способов управления ШИМ и амплитудно-импульсной модуляции [129, 48]; фильтрация гармоник. Первый способ малоэффективен и приводит к увеличению массогабаритных показателей электротехнических устройств. Второй способ сложно реализуем технически, но обеспечивает низкие уровни искажений тока и напряжения сети.

Таблица 1.1 Основные характеристики судовых ПЧ	w_дв._max_,об/мин	500	5000	2000	2000	2000	х – параметры зависят от количества используемых АИН.
	Тип приводного двигателя	СД	СД, АД	СД, АД	СД, АД	СД, АД
	f_вых _max_,Гц	0,4f_вх	не более f_вх	не более 300	не более 300	более 300
	U_max, кВ	4	10	6,9	х	6,6
	P_max, МВт	30	100	3,5	х	20
	Реверс и рекуперация	+	+	–	+	–
	Диапазон регулирования скоростей двигателей	1000:1	10:1	1000:1	1000:1	1000:1
	Тип вентилей	SCR	SCR	SCR, IGBT	SCR, IGBT	SCR, IGBT
	Фазность выпрямления	6	6	6	6	6, 12, 18, 24
	Тип ПЧ	НПЧ	ПЧ с АИТ	ПЧ с ШИМ АИН низкого напряжения	Много приводная система ПЧ с ШИМ АИН	ПЧ с ШИМ АИН среднего напряжения

Схема ПЧ с 18-фазным выпрямителем (рис.1.5,е) требует наличия специального трансформатора и по сравнению с ПЧ (рис.1.5,ж) имеет ряд недостатков [11, 12].

Минимальные уровни искажений тока, потребляемого ПЧ, обеспечиваются при использовании 24-фазной схемы (табл.Б.2.1). При выходе из строя одной ее части, вторая обеспечивает 50 % мощности, передаваемой в нагрузку, а уровень потребляемых гармоник соответствует случаю 12-фазной схемы.

ПЧ со звеном постоянного тока повышенной фазности позволяют существенно снизить помехи только в НЧ области спектра, но при этом являются генераторами помех в ВЧ области [69].

Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 162; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!