Херсонский государственный морской институт

Херсонский государственный морской институт

Системы автоматического управления СЭЭС

Составила преподаватель Растегина Г.И.

Херсон – 2008

Принцип построения систем автоматического управления СЭЭС.

Объем автоматизации СЭЭС определяется исходя из следующих положений. Автоматизируются:

- быстропротекающие процессы, которые не могут быть выполнены человеком (защита генераторов от перегрузки при отключении одного из работающих, защита приводных двигателей генераторов и т.д.);

- операции, которые не исключают возможности ошибок обслуживающего персонала, особенно в аварийных ситуациях;

- операции пуска и остановки резервного ДГ, его синхронизации и распределения нагрузок между параллельно работающими генераторами из-за отсутствия постоянной вахты в машинном отделении.

Эпизодические операции, связанные с вводом в действие СЭЭС, заданием режимов ее работы, управлением структурой и выводом из действия установки выполняются дистанционно.

На основе перечисленных принципов строятся СУ СЭЭС судов класса автоматизации А2, на которых предполагается наличие оператора в контуре управления СЭЭС.

При объеме автоматизации судна на класс А1 в дополнение к перечисленным функциям автоматизируются операции проверки резерва мощности при пуске мощных потребителей электроэнергии, ввода в действие СЭЭС, управления ее структурой во всех режимах эксплуатации судна, вывода из действия. При таком объеме автоматизации за обслуживающим персоналом остаются только функции, связанные с техническим обслуживанием и ремонтом оборудования, а также с ручным управлением установкой в аварийном режиме.

 

Требования Регистра к устройствам автоматизации СЭЭС(XV, 4.4)

Технические средства судовой электростанции должны обеспечивать непрерывность питания электрической энергией согласно следующим требованиям.

1. На судах, нагрузка ходового режима которых обеспечивается одним генератором, должны быть предусмотрены устройства автоматизации, обеспечивающие:

а)    автоматический пуск резервного генератора, автоматическую синхронизацию, прием и распределение нагрузки в случаях достижения работающим генератором установленной предельно допустимой нагрузки (например, 85 %) или неисправности работающего агрегата, позволяющей выполнить автосинхронизацию генераторов;

б)   автоматический пуск резервного генератора и включение его на шины ГРЩ в пределах 45 с при срабатывании защиты генератора и обесточивании ГРЩ. При этом должна быть обеспечена необходимая последовательность повторного автоматического включения вспомогательных механизмов ответственного назначения, обеспечивающих ход, управляемость и безопасность судна;

2. На судах, на которых нормальное снабжение электрической энергией обеспечивается двумя или более генераторами, работающими параллельно, следует применять средства (например, автоматическое отключение потребителей менее ответственного назначения), не допускающие, при аварии одного из генераторов, перегрузки оставшихся при сохранении хода, управляемости и безопасности судна.

При восстановлении напряжения судовой сети после обесточивания включение ответственных механизмов, необходимых для управления судном, должно осуществляться автоматически по заданной программе, причем не должна возникать перегрузка сети.

В тех случаях, когда при снижении нагрузки электростанции предусматривается автоматическое отключение агрегатов, необходимо, чтобы оно не происходило также и при кратковременных колебаниях нагрузки.

Приводные механизмы генераторов с автоматическим пуском должны быть подготовлены к немедленному пуску.

При неготовности пуска должна быть предусмотрена индикация, предупреждающая о невозможности автоматического пуска агрегата.

Если предусмотрен автоматический пуск находящихся в резерве электрических агрегатов при перегрузке работающих, должно быть обеспечено следующее:

1) автоматическая синхронизация и подключение;

2) автоматическое распределение нагрузки;

3) предварительный выбор очередности пуска агрегатов и их подключение к сборным шинам ГРЩ.

При уменьшении частоты вращения вала или снижении давления пара перед утилизационной турбиной (в случае применения валогенераторов или утилизационных электрических генераторов) до величин, при которых не могут быть обеспечены рабочие значения, автоматически должен пускаться, по крайней мере, один генератор с независимым приводом, обеспечивающий выполнение условий, указанных выше.

Автоматизированные судовые электростанции должны обеспечивать автоматическое или дистанционное включение электрических агрегатов с автоматической синхронизацией, принятием нагрузки и автоматическим распределением нагрузки.

 

Блок усилителя УРМ-35У

Предназначен для усиления импульсов напряжения, поступающих на его вход из формирователя импульсов УРМ-35Ф, имеет 5 модификаций, отличающихся типом серводвигателя, подключаемого к выходу усилителя. В качестве примера рассмотрим усилитель типа УРМ-35УЗ, предназначенный для управления серводвигателем постоянного тока напряжением 27 В с независимым возбуждением.

В состав блока усилителя входят элементы питания и элементы импульсов «больше» и «меньше». Элементы питания включают в себя трансформатор напряжения TV 2 и выпрямители UZ 2 и UZ 3. Элементы импульсов «больше» и «меньше» одинаковы по устройству. Элемент «больше» («меньше») включает в себя трансформатор TV 1 (Т V З), выпрямитель UZ 1 (UZ 4), тиристор VS 3 (VS 14), диод VD 2 (VD 13) и резисторы R 1, R 2 (R 3, R 4). Нагрузкой для усилителя является обмотка якоря серводвигателя М.

Если активная нагрузка базового генератора СГ1 больше, чем резервного СГ2, то напряжения на выходах датчиков активного токаУРМ-35Д неодинаковы U_вых1 > U_вых2. В результате к входу 8-7 формирователя УРМ-35Ф будет приложено напряжение DU с полярностью, обозначенной на рисунке 14.

 

Рисунок 15 – Графики напряжений на входе (а) и на выходе (б) формирователя УРМ-35Ф

Принцип действия формирователя основан на сравнении двух напряжений: рассогласования DU и пилообразного U_п, (рисунок 5 а). Если DU > U_n (участок АВ), через диод VD 3, резисторы R 4 и R 2 протекает ток, создающий на VD 3 напряжение, удерживающее транзистор VT 2 закрытым. Тем самым исключается срабатывание элемента импульса «меньше». Напряжение на резисторе R 4 (полярность обозначена на рисунке) опрокидывает триггер Tr 1. При этом транзистор VT 1 открывается, а транзистор VT 3 закрывается. Напряжение на выходе закрытого VT 3 увеличивается до напряжения пробоя стабилитрона VD7. Последний открывается, при этом образуется цепь: "+" 15 В - R 18- VD 7 - управляющий электрод - катод тиристора VS 11 - переход эмиттер - база транзистора VT 5- R 16 - "-" 15 В. В результате открываются тиристор VS 11 и транзистор VT 5. Открытый VS 11 шунтирует резистор R 22, и напряжение U_вых1 увеличивается до 24 В. Поэтому увеличивается напряжение на выходе выпрямителя UZ 1 и открывается тиристор VS3, шунтирующий резистор R 2. Через обмотку якоря серводвигателя потечет ток по цепи: «+» UZ 2- VS 3 - обмотка якоря Я1-Я2 - «-» UZ 2.

Если DU < U_п (участок ВС на рисунке 15, б), то полярность напряжения на резисторе R 4 изменится на обратную под действием большего напряжения U_п. Это приводит к запиранию транзистора VT 1 и исключению действия элемента импульса «больше». Таким образом, на выходе формирователя появляется напряжение с длительностью импульса t₁ и длительностью паузы t₂. Периодическое включение серводвигателя приводит к увеличению активной нагрузки СГ2 и уменьшению напряжения DU. При DU = 0 серводвигатель останавливается. При большей разности активных нагрузок обоих генераторов, что может происходить сразу после синхронизации СГ2, серводвигатель работает не в импульсном, а непрерывном режиме. При этом напряжение рассогласования DU₁ непрерывно превосходит пилообразное напряжение U_n (рисунок).

На рисунке 16 приведена схема включения устройства УРМ-35 для электростанции с тремя генераторами. На шины каждого генератора устанавливают датчик активного тока. Выходы датчиков соединяют по дифференциальной схеме.

Рисунок 16 – Схема включения блоков устройства УРМ-35 для трех генераторов.

СГ – синхронный генератор;

ПД – первичный двигатель;

СД – серводвигатель;

МИПТ – механизм изменения подачи топлива;

АВ – автоматический выключатель;

ТТ – трансформатор тока;

ТН – трансформатор напряжения.

Коммутация дифференциальной цепи для случая параллельной работы двух и более генераторов производится контактами генераторных автоматов.

       Поскольку выходы датчиков соединены между собой, при равенстве нагрузок на генераторах напряжение на входах блоков УРМ-35ФУ равно нулю, и напряжение на их выходах тоже равно нулю. При неравенстве нагрузок генераторов датчики дают разный по величине выходной сигнал, что обуславливает напряжение на входах блоков УРМ35ФУ. На их выходах появляется сигнал, подаваемый на серводвигатели. Последние воздействуют на регуляторы первичных двигателей таким образом, что выравнивают нагрузки на параллельно работающих генераторах.

СУ СЭЭС «ГИЕПАС»

Общие сведения

Микропроцессорная система управления «Гиепас» многофункциональна. Она осуществляет пуск и остановку вспомогательных дизелей, синхронизацию, подключение и отключение резервных генераторов, распределяет активную и полную мощность между параллельно работающими генераторами. Она же поддерживает в сети постоянное значение частоты, контролирует процесс подключения мощных потребителей электроэнергии, защищает генераторы от токов короткого замыкания и перегрузки, а также от несимметричных режимов работы. Микропроцессорная система управления не допускает значительных отклонений напряжения и чатоты от номинальных значений. Она отключает второстепенные потребители электроэнергии при перегрузках по току и отклонениях частоты. Помимо того, микропроцессорная система осуществляет постоянный контроль за исправностью входящих в нее элементов.

Микропроцессорная система управления «Гиепас» состоит из четырех микро-ЭВМ DSG 822 и одной микро-ЭВМ LSG821.

Микро-ЭВМ DSG 822 («Dieselsteuergerat» микро-ЭВМ управления дизель-генератором) предназначены для управления дизель-генераторными агрегатами и осуществления контроля над ними.

Микро-ЭВМ LSG 821 («Lastwachtersteuergerat» – микро-ЭВМ управления режимами работы) предназначена для управления режимами работы и контроля за работой электроэнергетической системы.

Каждая из микро-ЭВМ DSG 822 имеет пять плат: микропроцессорную плату ZK 408, лицевую плату FPL 402, плату ввода-вывода EA 402, плату блока питания NEG и периферийную соединительную плату PAP 402 (рис.1).

Платы ZK 408, FPL 402, EA 402 и NEG 415 каждой микро-ЭВМ DSG 822 смонтированы в одном корпусе, который располагается на лицевой части соответствующей панели ГРЩ. Периферийная соединительная плата PAP 402 размещена на задней части той же панели.

Первые три платы каждой микро-ЭВМ DSG 822 соединены между собой системной шиной Х1. Плата ввода-вывода соединена двумя плоскими кабелями Х20, Х19 с периферийной соединительной платой и одним плоским кабелем Х22 – с блоком питания. Блок питания связан плоским кабелем Х21 с периферийной соединительной платой (рис.1).

Микро-ЭВМ LSG 821 состоит из четырех плат: микропроцессорной платы ZK 408, лицевой платы FPL 401, платы ввода-вывода EA 401 и периферийной соединительной платы PAP 401 (рис 2).

Платы ZK 408, FPL 401 и EA 401 микро-ЭВМ LSG 821 смонтированы в одном корпусе, который располагается на лицевой части одной из панелей ГРЩ. Периферийная соединительная плата размещена рядом на этой же панели ГРЩ.

 

Рисунок 1 – Структурная схема микро – ЭВМ DSG 822

Рисунок 2 – Структурная схема микро – ЭВМ LSG 821

Все микро-ЭВМ через клеммы периферийных соединительных плат связаны между собой (рис. 3).

Рисунок 3 – Схема связи между микро – ЭВМ

На этом рисунке Х12 это клеммы плат РАР 402, Х9 – клеммы платы РАР 401.

Структурная схема СУ СЭЭС «Гиепас» представлена на рисунке 3.

Рисунок 4 – Структурная схема СУ СЭЭС «Гиепас»

1. Микро-ЭВМ DSG 822

1.1. Микропроцессорная плата ZK 408

Состав. На этой микропроцессорной плате расположены следующие элементы: микропроцессор, запоминающее устройство, регистры, двунаправленные буферные усилители, логические элементы, триггеры, внешний генератор тактовых импульсов, дешифраторы и таймеры.

1.2. Лицевая плата FPL 402

Лицевая плата FPL 402 объединяет элементы коммутации и индикации. На передней части лицевой платы расположены кнопки (некоторые из них снабжены светодиодами), переключатель, дисплей и светодиоды-индикаторы. Внешний вид лицевой платы приведен на рисунке 5.

Всего на лицевой плате семнадцать кнопок и один переключатель. В некоторые кнопки вмонтированы светодиоды.

Помимо светодиодов, вмонтированных в кнопки, на лицевой плате также присутствуют отдельные светодиоды, служащие для индикации состояния микро-ЭВМ, дизеля, генератора, для сигнализации о срабатывании защиты генератора и возникновении аварийной ситуации.

В рабочем состоянии микро-ЭВМ горит светодиод «Stand by». При наличии повреждения загорается светодиод «Unit fault».Когда дизель и генератор находятся в рабочем состоянии, светятся следующие светодиоды:

«Ready» – готов;

«Ready to synchron» – готов к синхронизации и т.д.

 

Рисунок 5 – Лицевая плата FPL 402

В том случае, когда срабатывает защита генератора, начинает светиться один из следующих светодиодов:

«Under voltage» – низкое значение напряжения;

«Reverse power» – обратная мощность и т.д.

1.3. Плата ввода-вывода ЕА 402

Плата ввода-вывода ЕА 402 служит для приема и обработки двоичных сигналов, поступающих от микропроцессорной платы ZK 408, и аналоговых сигналов – от периферийной соединительной платы РАР 402.

Плата ЕА 402 соединена с микропроцессорной платой посредством системной шины Х1, состоящей из шины данных, адресной шины и шины управления. Между ZK 408 и ЕА 402 происходит взаимный обмен информацией по шине данных. На основе обмена данными микро-ЭВМ управляет судовой электроэнергетической установкой.

Также плата ЕА 402 соединена двумя плоскими кабелями Х20, Х19 с периферийной соединительной платой РАР 402 и одним плоским кабелем с блоком питания NEG.

1.4. Периферийная соединительная плата РАР 402

Периферийная соединительная плата РАР 402 служит для соединения микро-ЭВМ между собой. К этой плате подключены различные органы управления электроэнергетической установкой, на нее поступают сигналы о напряжениях и токах генератора, сигналы с датчиков дизеля. Также на плате РАР 402 расположены электромагнитные реле, служащие для осуществления контроля и управления ЭЭУ.

Питание к плате РАР 402 поступает через выпрямитель от источника постоянного тока напряжением 24 В.

На плате РАР 402 расположены два датчика напряжения и три датчика тока.

Принципиальная схема датчика напряжения. Датчик напряжения представляет собой измерительный трансформатор напряжения ТV. Его первичная обмотка подключена к линейному напряжению. Напряжение вторичной обмотки составляет 24 В. Для ограничения напряжения вторичной обмотки к ней подключен cтабистор D1

Напряжение вторичной обмотки ТV поступает на фильтр нижних частот второго порядка с многопетлевой обратной связью. Фильтр нижних частот выполнен на операционном усилителе DА1. Он служит для фильтрации высших гармонических составляющих. С выхода фильтра нижних частот сигнал поступает на однонолупериодный выпрямитель с фильтром нижних частот. Этот выпрямитель выполнен на операционных усилителях.

Рисунок 6 – Датчик напряжения

Таким образом, каждый датчик напряжения имеет два выходных сигнала: переменного тока U_вых1 и постоянного тока – U_вых2.

У одного из датчиков напряжения измерительный трансформатор ТV подключен к генератору, у второго - к шинам.

Сигналы переменного тока датчиков напряжения поступают на плату ЕА 402, где они работают в системе прерывания микро-ЭВМ. Помимо того, эти же сигналы используются в схеме синхронизации.

Сигналы постоянного тока датчиков напряжения приходят на плату ЕА 402 к мультиплексору - для дальнейшей обработки аналого-цифровым преобразователем.

Принципиальная схема датчика тока. Эта принципиальная схема показана на рис. 7. Датчик тока представляет трансреактор ТАV. Первичная обмотка этого трансреактора подключена ко вторичной обмотке первичного измерительного трансформатора тока с силой тока I = 5 А.

Рисунок 7 - Датчик тока

Трансреактор представляет собой трансформатор. На первичную обмотку такого трансформатора поступает ток, а на вторичной обмотке возникает ЭДС. Эта ЭДС изменяет свое значение пропорционально току в первичной обмотке и сдвинута по фазе относительно тока на угол, близкий π/2. Для того, чтобы между током и ЭДС существовала линейная зависимость, трансреакторы обычно изготавливают с воздушным зазором в сердечнике.

Напряжение вторичной обмотки ТАV поступает на фильтр нижних частот с многопетлевой обратной связью. Этот фильтр служит для выделения первой гармонической составляющей выходного напряжения трансреактора. Выполнен фильтр на операционном усилителе А47.

С выхода фильтра нижних частот сигнал поступает на инвертирующий усилитель с операционным усилителем DА2 и однополупериодный выпрямитель с фильтром нижних частот. Однополупериодный выпрямитель выполнен на операционных усилителях

Один из датчиков имеет два выходных сигнала: переменного тока (U_вых1) и постоянного тока (U_вых2). Два других датчика имеют только сигналы постоянного тока. Таким образом, с выходов трех датчиков тока поступают напряжения постоянного тока, значения которых меняются пропорционально токам в фазах генератора.

Сигналы постоянного тока трех датчиков тока поступают на плату ЕА 402 к мультиплексору - для дальнейшей обработки аналого-цифровым преобразователем.

Сигнал переменного тока использован в системе прерывания микро-ЭВМ.

На рис. 8 представлена принципиальная схема датчика частоты вращения генератора.

Выходной сигнал тахогенератора U_тг поступает на делитель напряжения. Этот делитель напряжения состоит из резисторов R1, R2, R3, R4. Выходной сигнал делителя напряжения снимается с резистора R4. Подключение тахогенератора к клеммам 7, 8, 9 зависит от значения напряжения на его выходе.

 

Рисунок 8 – принципиальная схема датчика частоты вращения генератора

Напряжение с выхода делителя напряжения поступает на вход однополупериодного выпрямителя на операционном усилителе DA1. С выхода этого выпрямителя сигнал идет на вход апериодического звена первого порядка на операционном усилителе DA2. Схема на усилителе DA2 выступает в качестве фильтра нижних частот и служит для сглаживания динамических составляющих выходного напряжения тахогенератора.

2. Микро-ЭВМ LSG 821

2.1. Микропроцессорная плата ZK 408

Состав и функции этой платы такие же, как и в микро-ЭВМ DSG 822, за исключением различий в диапазоне адресов микросхем памяти в программе.

2.2. Лицевая плата FPL 401

Лицевая плата служит для коммутации и индикации. На ней располжены кнопки, светодиоды, дисплей. Состав лицевой платы показан на рисунке 9.

Рисунок 9 – Лицевая плата FPL 401

2.3. Плата ввода-вывода ЕА 401

Служит для приема и обработки сигналов: двоичных с микропроцессорной платы ZK 408, дискретных и аналоговых – с периферийной платы РАР 401.

2.4. Периферийная соединительная плата РАР 401

Ее функции аналогичны функциям платы РАР 402

 

Список использованной литературы

1 Сергиенко Л.И., Миронов В.В. Электроэнергетические системы морских судов. - М.: Транспорт, 1991.

2. Баранов А.П. Судовые автоматизированные электроэнергетические системы. - М.: Транспорт, 1988.

3 Пипченко А.Н., Пономаренко В.В. и др. «Электрооборудование, электронная аппаратура и системы управления» Одесса, 2005.

4. Жадобин Н.Е., Крылов А.П. «ГИЕПАС» Микропроцессорная система управления судовой электроэнергетической установкой. Элмор, С.-Петербург, 1999

 

 

Херсонский государственный морской институт