Уровни напряжения

Правила Морского Регистра РФ и МЭК допускают применение ряда номинальных значений напряжений питания судовых потребителей (табл. 2.1).

Напряжение в СЭЭС определяет массогабаритные показатели ЭО, его надежность и опасность поражения электрическим током персонала. Развитие судовой электротехники показывает, что по мере увеличения мощности и протяженности кабельных линий наблюдался рост напряжений: до 20-х годов прошлого века применяли 100 В, позднее 220 В постоянного тока и 220 В, а затем 380 В – переменного.

Вес и габариты электрооборудования зависят от уровня напряжения в разной степени. Наиболее существенное влияние на массогабаритные показатели уровень напряжения оказывает на распределительные сети. Передача электроэнергии на судах в основном осуществляется с помощью кабелей. На участках небольшой длины и при больших токах используются шинопроводы. Сечение, а, следовательно, масса и габариты кабелей и кабельных трасс определяются главным образом значением тока.

Передаваемая мощность в трехфазных цепях переменного тока определяется:

- полная S = 3 U _ф I _ф = (ВА);

- активная P = 3 U _ф I _фcos j = (Вт);

- реактивная Q = 3 U _ф I _ф sin j = (вар);

где U _ф, I _ф– действующие значения фазных напряжений и токов; U _л, I _л – линейных токов и напряжений; cos j - коэффициент мощности.

Поэтому при заданном уровне напряжения с ростом мощности существенно увеличиваются масса и габариты кабельных трасс. Основным средством их уменьшения является повышение напряжения.

Убедимся в правильности сделанного вывода на простом примере. Пусть имеется два потребителя с мощностями Р ₁=10 кВт и Р ₂=100 кВт, рассмотрим какое сечение проводов необходимо взять, чтобы передать им электроэнергию:

1) при напряжении U _л= 380 В:

токи будут I ₁=19 А, I ₂=190 А, а сечения жилы - S ₁=2,5 мм², S ₂=120 мм²;

2) при напряжении U _л= 1000 В:

токи будут I ₁=7,2 А, I ₂=72 А, а сечения жилы - S ₁=1,5 мм², S ₂=25 мм².

Полагая, что масса кабеля при одинаковой длине пропорциональна его сечению, получим:

- для первого потребителя ;

- для второго потребителя

Данный пример показывает, что степень снижения массогабаритных показателей зависит не только от степени повышения напряжения, но и от мощности потребителя – чем больше мощность, тем выше эффект снижения.

Влияние уровня напряжения на массогабаритные показатели электрических машин зависит как от значения напряжения, так и от мощности агрегата. Для напряжений до 380 В массогабаритные показатели мало зависят от его значения. Повышение напряжения до 1000 В может привести к увеличению массы и габаритов синхронных генераторов из-за необходимости усиления электрической прочности изоляции. Однако чем мощнее машина, тем фактор увеличения тока начинает превалировать и высоковольтные машины получают преимущества в весах и габаритах по сравнению с низковольтными. К преимуществам высоковольтных машин также можно отнести то, что они легче управляются.

Массогабаритные показатели коммутационно-защитной аппаратуры на напряжения до 380 В одинаковы. Увеличение напряжения до 1000 В приводит к уменьшению их массы на» 25%.

Наиболее часто применяемым номинальным напряжением в СЭЭС является 380 В.

Переход на более высокие напряжения приводит к увеличению количества устанавливаемых трансформаторов. Это вызвано следующими причинами:

1. Отдельные виды электрооборудования технически не могут быть выполнены на повышенное напряжение, например, асинхронные двигатели (АД) мощностью 0,5…2 кВт;

2. Часть потребителей, таких как системы освещения, отопления, приборы и сети управления, по условиям безопасности не делают на повышенное напряжение.

Существующее оборудование рассчитывается на напряжение £ 500 В, кабели – до 1000 В. Переход на более высокое напряжение требуют разработки нового оборудования. В настоящее время повышенное напряжение используется в основном на судах технического флота.

Таблица 2.1..

Требования МЭК и Морского Регистра РФ к уровням напряжений

Характеристика	МЭК	Морской Регистр РФ
Номинальное, В	Максимально допустимое, В	Номинальное, В	Максимально допустимое, В
Напряжение постоянного тока для судовых систем питания:
- силовые установки	110, 220
- камбузные и нагревательные приборы	110, 220
- освещение и штепсельные розетки	24, 110, 220		24, 220
Напряжение переменного тока частотой 50 и 60 Гц для питания судовых систем:
- стационарно установленное постоянно подсоединенное к сети силовое, камбузное и отопительное оборудование	Трехфазное 220, 240 * 380, 415 ** 440, 660 *** 3000/3300 6000/6600 10000/11000 Однофазное 220, 240 *		220, 380	3000/3300 6000/6600 10000/11000
- переносные силовые потреби-тели, питаемые от штепсельных розеток, установленных стацио-нарно во время их работы	-	-	42, 220, 380
- освещение, сигнализация и внутренняя связь, штепсельные розетки для питания пере-носных потребителей с двойной изоляцией	220, 240 *
Штепсельные розетки, установ-ленные: - в местах с повышенной влаж-ностью; - в особо сырых помещениях, предназначенных для питания потребителей без двойной или усиленной изоляции	-   -	-   -

Примечания: * - в будущем только 230 В; ** - только 400 В; *** - только 690 В.

2.3. Уровни частоты

Частота напряжения в СЭЭС отечественных судов принята равной 50 Гц. На судах где массогабаритные показатели являются решающими (суда с динамическими принципами поддержания) применяется 400 Гц.

Рассмотрим влияние повышения частоты на массогабаритные показатели ЭО.

Отметим вначале положительные стороны повышения частоты в СЭЭС:

1. Снижаются массогабаритные показатели генераторных агрегатов (ГА). Данное утверждение иллюстрируют параметры, представленные в табл. 2.2, и рис. 2.1.

Таблица 2.2.

Тип ГА	Мощность (кВт)	Вариант исполнения	f, (Гц)	n, (об/мин)	Масса, (т)
ТГ		безредукторный			25,5
редукторный			21,5
безредукторный			10,8

Рис. 2.1. Внешний вид и габаритные показатели ГА разного исполнения

Причиной этого являются:

· исключение редуктора при сочленении ПД и СГ. Частота вращения связана с электрической частотой следующим соотношением

где n – частота вращения первичного двигателя (об/мин), f – частота сети (Гц), p – число пар полюсов. Для сетей с частотой 50 Гц она составляет 3000 об/мин, а для сетей с частотой 400 Гц – 24000 об/мин, что позволяет при стыковке СГ с первичными высокоскоростными двигателями (ПД) исключить редуктор, а, следовательно, уменьшить вес ГА;

· улучшение показателей ПД;

· улучшение показателей самого генератора. Так генератор мощностью 50 кВт выполненный на 50 Гц и частоту вращения 1500 об/мин весит 600 кг, а генератор такой же мощности на 400 Гц и частоту вращения 12000 об/мин – 150 кг (рис. 2.2). Обычно, при оценке массогабаритных показателей генераторов полагают, что в заданном объеме .

Рис. 2.2. Внешний вид генераторов мощностью 50 кВт на 50 Гц и 400 Гц

2. Повышенная частота позволяет увеличить частоту вращения механизмов и электроприводов в 2…3 раза, что приводит к существенному уменьшению габаритов и массы агрегатов двигатель – механизм. Так переход от частоты вращения 3000 об/мин к частоте вращения 8000 об/мин дает снижение массы АД в 2,5…3,5 раза и габаритов в 2,5 раза (рис.2.3).

Рис. 2.3. Внешний вид АД мощностью 3,2 кВт на 50 Гц с частотой вращения

3000 об/мин, и на 400 Гц, с частотой вращения 8000 об/мин

3. Улучшаются массогабаритные показатели трансформаторов, дросселей, магнитных усилителей. Убедимся в этом с помощью простых соотношений.

По закону электромагнитной индукции Фарадея где Ψ – потокосцепление, Ф – поток, W – число витков, е – э.д.с. Полагая U = E и U = U_m sin(ω t), а следовательно и Ф=Ф _m sin(ω t) получим:

, учитывая, что соs(ω t)=-sin(ω t- π/2), е= ωФ _mW sin(ω t- π/2),

Е_m =2π f Ф _mW, а , где В – индукция, S – сечение.

Таким образом, если Е ₄₀₀= Е _50, то .

Реальное преимущество рассматриваемых видов оборудования на 400 Гц ниже. Это связано с тем, что магнитопроводы изготавливают из электропроводящего материала, в котором под действием переменного магнитного поля возникают микротоки – токи Фуко или вихревые токи. Электрическое сопротивление стали мало, а значит, вихревые токи могут достигать большого значения, что приводит к разогреву магнитопровода - потери в стали оценивают пропорциональными f ^1,3…1,5. Поэтому для сохранения теплового баланса в высокочастотном оборудовании снижают индукцию В_{m 400} < В_{m 50}, плотность тока и стальные сердечники набирают из более тонких пластин: 50 Гц - толщина пластин 0,35 мм, 400 Гц – 0,08 мм. Сравнение существующего оборудования показывает, что в заданном объеме трансформатора .

4. Сокращается время переходных процессов. Рассмотрим это более подробно.

При увеличении частоты с 50 до 400 Гц и одновременном увеличении частоты вращения при той же мощности размеры генератора, периметр витка обмотки статора и число витков уменьшаются.

Постоянная времени обмотки равна . Выразим индуктивность через конструктивные параметры машины:

по закону полного тока ;

тогда в свою очередь , отсюда

, в представленных выражениях использованы следующие обозначения: Н – напряженность поля; μ – магнитная проницаемость; μ₀= 4π10^-7 (Гн/м); λ – магнитная проводимость.

Проводимость, при прочих равных условиях, уменьшается пропорционально периметру витка. Активное сопротивление R уменьшается пропорционально уменьшению числа витков и уменьшению их периметра. Таким образом, постоянные времени уменьшаются приблизительно пропорционально уменьшению числа витков.

Следует отметить, что индуктивные сопротивления обмотки, определяемые , увеличиваются. Это происходит из-за того, что число витков обмотки статора уменьшается не прямо пропорционально увеличению частоты.

К недостаткам применения высокой частоты следует отнести:

1. Отсутствие унификации с береговой сетью;

2. Отсутствие серийного оборудования;

3. Увеличение потерь в кабелях.

Кабель имеет активное R и индуктивное Х сопротивления. Рассмотрим характер и причины их изменения при повышении частоты:

1. При прохождении переменного тока по проводнику в нем, из-за скин-эффекта и эффекта близости, происходит вытеснение тока к поверхности. Чем выше частота и чем толще проводник тем в большей степени проявляется неравномерность распределения тока по сечению проводника. Это приводит к уменьшению полезного сечения проводника и как следствие – увеличению сопротивления и потерь в нем. Для учета этого явления используется следующая эмпирическая формула: , где R _~ - активное сопротивление кабеля на переменном токе; R _- - активное сопротивление кабеля на постоянном токе; к - коэффициент пропорциональности.

Значение коэффициента пропорциональности зависит от частоты тока и количества жил в кабеле:

- 50 Гц к =1;

- 400 Гц: количество жил – 1 к =1, 25; количество жил 2,3 к =1, 45.

2. Х = ω L, т.е. Х ₄₀₀=8· Х ₅₀.

Дата добавления: 2014-01-20