Разработать лабораторный стенд для испытания устройств защиты судовых генераторов

Аннотация В данном дипломном проекте был разработан лабораторный стенд для испытания устройств защиты судовых генераторов, а именно: устройства распределения мощности, устройства включения резерва, устройства токовой защиты, реле мощности РМ-53, реле обратного тока РОТ-53,устройства разгрузки генератора. Была разработана электрическая принципиальная схема стенда на основе анализа работы устройств защиты. Расчет и выбор элементов произведен в соответствии с принципиальной схемой.Так же была разработана конструкция стенда на основе наиболее удобного пользования приборами при проведении испытаний, составлены алгоритмы проведения испытаний.

В разделе “ экономическое обоснование проекта” рассчитана стоимость стенда, обоснована целесообразность использования данного стенда в учебном процессе. В разделе “ Безопасность и экологичность проекта” ,произведен анализ соответствия данного стенда критериям экологичности и безопасности, дана инструкция по безопасной эксплуатации стенда.The summary In the given degree project the laboratory stand for test of devices of protection of ship generators namely was developed: devices of distribution of capacity, device of inclusion of a reserve, device токовой of protection, relay of capacity RS-53, relay of a return current RRC-53, device of unloading of the generator.

The electrical basic circuit of the stand was developed on the basis of the analysis of work of devices of protection.The account and choice of elements is made according to the basic circuit.

As the design of the stand on a basis of the most convenient usage by devices was developed at realization of tests, the algorithms of realization of tests are made. In section “ an economic substantiation of the project ” cost of the stand is designed, the expediency of use of the given stand in educational process is reasonable.In section “ Safety and ecology of the project ”, the analysis of conformity of the given stand to criteria ecology and safety is made, the instruction on safe operation of the stand is given.

Содержание 1. ОБОСНОВАНИЕ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТА 1. Описание лабораторного стенда для испытания устройств защиты судовых генераторов 1.2. Описание и технические данные устройств зашиты судовых генераторов 3. Разработка функциональной схемы стенда 4. Разработка принципиальной электрической схемы стенда 2. РАСЧЕТ И ВЫБОР ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ СТЕНДА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ СУДОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ 1. Требования правил Регистра к выбору электрооборудования 2. Расчет и выбор элементов блока изменения напряжения 2.3. Расчет и выбор элементов блока изменения тока 4. Выбор блока питания U – 24 В 5. Расчет и выбор элементов релейно-индикационного блока 6. Расчет и выбор элементов блока индикации питания стенда 7. Расчет надежности 8. Разработка конструкции стенда 9. Тепловой расчет 10. Инструкция по эксплуатации 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ СУДОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ 1. Введение 3.2 Алгоритмы проведения испытаний устройств защиты судовых генераторов 3.Заключение 4. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА 1. Введение 2. Анализ на соответствие требованиям безопасности и экологичности 3. Указания для разработки требований к проектируемому объекту для повышения ею устойчивости 4.4. Защита от вредных, опасных и аварийных факторов 5. Обеспечение экологической безопасности 6. Обеспечение повышенной устойчивости проектируемого объекта 7. Ответственность за нарушение инструкции 8. Заключение 9. Список литературы 5. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА 1. Введение 2. Определение оптовой цены испытательного стенда 5.3. Заключение 6. ПОРЯДОК КОНТРОЛЯ И ПРИЕМКИ 1. Подача питания 2. Проведение испытания стенда 3. Составление акта о приемке 7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 8. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 9. ПРИЛОЖЕНИЯ 1. Описание лабораторного стенда для испытания устройств защиты судовых генераторов Создание судов транспортного и промыслового флотов различных модификаций с широкой электрификацией технических средств привело к созданию ряда унифицированных функциональных систем и средств автоматизации электроэнергетических установок.

Речь идет о системах и устройствах, предназначенных для распределения реактивных и активных нагрузок, программирования загрузки судовой электростанции, контроля и сигнализации.

Внедрение новых средств автоматизации влечет за собой надобность в специалистах, имеющих обслуживать эти средства.

Подготовкой специалистов эксплуатационников занимается кафедра «Электрооборудования и автоматики судов». Поэтому необходимо повышать качество обучения студентов внедрением учебной программы, включающую в себя изучение новых средств автоматизации, расширить лабораторную базу кафедры.

С этой целью и был разработан лабораторный стенд для испытания устройств защиты судовых генераторов.

Стенд представляет из себя устройство, позволяющее имитировать различные режимы работы судовых генераторов при повышении, понижении нагрузки исчезновению напряжения и т.д. На стенде имеется контрольно-измерительная аппаратура, позволяющая контролировать ток нагрузки, и напряжение генератора и косинус угла между током и напряжением генератора.

В частности, лабораторный стенд был разработан для испытания УРГ – устройства разгрузки генератора, УРМ – устройства распределения мощности, УТЗ – устройства токовой защиты, РМ-53 - реле мощности, РОТ-53 – реле обратного тока, УВР - устройства включения резерва.

Стенд обеспечивает устройства необходимым для работы питанием, позволяет контролировать время срабатывания устройств при появлении запредельных параметров генератора.

Конструкция стенда (см. Сборочный чертеж) разработана из условия наиболее удобного проведения испытания.У стенда имеется полка, на которую можно установить испытуемые приборы, клеммники с помощью которых можно подсоединить испытуемый прибор.

Около каждого элемента имеются пояснительные таблички, позволяющие легко ориентировать в приборах. 1.2. ОПИСАНИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ СУДОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ 1.2.1 Устройство распределения активной мощности типа УРМ-35 Устройство типа УРМ-35 предназначено для автоматического пропорционального распределения активной нагрузки между параллельно работающими синхронными генераторами судовых электроэнергетических установок переменного тока частотой 50 Гц. Устройство предназначено для работы в помещениях электростанций.

Использование устройства УРМ-35 в составе электроэнергетической установки обеспечивает в статистических режимах точность распределения активных нагрузок между параллельно работающими генераторами в пределах 5 % при изменении суммарной нагрузки системы от 20 до 110% номинальной и изменении коэффициента мощности в пределах от 1,0 до 0,7. Необходимым условием применения устройства УРМ-35 является возможность параллельного перемещения скоростных характеристик агрегата путем перестройки регуляторов частоты первичного двигателя с помощью серводвигателя в пределах от ± 10 % номинального значения.

Соотношения мощностей параллельно работающих генераторов при использовании устройств УРМ-35 не должно быть более чем 1: 5. устройство содержит следующие блоки: датчик активного тока УРМ-35Д, формирователь импульсов УРМ-35Ф, усилитель УРМ-35У. Блоки УРМ-35У имеют пять модификаций и предназначены для работы со следующими типами серводвигателей: УРМ-35У1 – с серводвигателем постоянного тока последовательного возбуждения напряжением 24В и током до 10А; УРМ-35У2 – с серводвигателем постоянного тока последовательного возбуждения напряжением 110В и током до 10А; УРМ-35У3 - с серводвигателем постоянного тока независимого возбуждения напряжением 27В и током до 2, 5А; УРМ-35У4 - с серводвигателем постоянного тока независимого возбуждения напряжением 110В и током до 2, 5А; УРМ-35У5 – с двухфазными и трехфазными асинхронными двигателями напряжением 127В и током до 2, 5А. Конструктивно функциональные блоки устройства размещены в двух корпусах.

В одном корпусе (индекс УРМ-35Д) находится датчик активного тока в другом (индекс УРМ-35ФУ) – формирователь и усилитель.

Функциональный блок – усилитель – выполнен сменным, что позволяет применять тот или иной тип усилителя в зависимости от типа принятого серводвигателя. Количество датчиков и усилителей, а также типы усилителей определяются составом оборудования, схемой генерирования и распределения электроэнергии судовой установки.

Датчик подключается к генератору через типовой измерительный трехфазный трансформатор напряжения со вторичным напряжением 1127В, частотой 50 Гц и через типовой измерительный трансформатор ток с номинальным вторичным током 5А. Питание усилителей и преобразователя осуществляется от сети однофазного переменного тока напряжением 127В, частотой 50Гц. На рис. 1.1 представлена функциональная схема устройства УРМ-35 для системы, состоящей из двух генераторов с воздействием только на один серводвигатель.

Выходы датчиков соединены по дифференциальной схеме, в которую включен вход формирователя.Формирователь импульсов собран по схеме двухтактного широтно-импульсного модулятора и вместе с датчиком активного тока полностью определяет статистические и динамические характеристики всего устройства УРМ-35. поэтому для получения необходимых характеристик он должен иметь определенную крутизну и достаточно высокую линейность переходной характеристики.

Частота следования импульсам находится в пределах от 0,2 до 0,4 Гц; импульс наименьшей длительности, соответствующий наибольшему входящему напряжению, не превышает величины, определяемой по формуле tmax=1/ (2fH). Сигнал дифференциальной цепи, обуславливаемый разностью активных нагрузок ∆Р генераторов, поступает на входы полупроводниковых реле «больше», «меньше» КБ и КМ. На эти же входы реле подается «запирающее» напряжение от генератора пилообразного напряжения ГПН. При разности активных нагрузок на генераторах, превышающей 5 %,на входы реле КБ и КМ кроме пилообразного напряжения с генератора ГПН поступит постоянный сигнал из дифференциальной цепи датчиков, достаточный для срабатывания одного из реле в зависимости от полярного сигнала дифференциальной цепи в момент уменьшения пилообразного напряжения. Этот сигнал усиливается вначале усилителем УМ или УБ, а затем выходным усилителем ВУБ или ВУМ. С выходного усилителя импульсное напряжение поступает на серводвигатель генераторного агрегата, воздействуя на первичный двигатель генератора таким образом, чтобы активные нагрузки генераторов выравнивались.

При равенстве нагрузок генераторов ток в дифференциальной цепи уменьшится до нуля и формирователь прекратит выдавать импульсы напряжения.

Длительность импульсов зависит от величины рассогласования нагрузок. На рис. 1.2. приведена схема включения устройства УРМ-35 для электростанции с тремя генераторами.На шины каждого генератора устанавливается датчик активного тока. Выходы датчиков соединяются по дифференциальной схеме.

Коммутация дифференциальной цепи для случая параллельной работы двух или более генераторов производится контактами автоматов генераторов.Так как выходы датчиков соединены между собой встречно, то 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 обусловливает на входах блоков УРМ-35ФУ напряжение.

На выходах последних появляется сигнал, подаваемый на серводвигатели, которые воздействуют на регуляторы первичных двигателей таким образом, что выравнивает нагрузки на параллельно работающих генераторах. Датчик активного тока. Этот датчик представляет собой вектормерное устройство, позволяющее получить на выходе сигнал, пропорциональный активной мощности генератора.Основными элементами датчика являются (рис. 1.4 ): тороидальный трансформатор напряжения TV, тороидальный согласующий трансформатор TLI, тороидальные промежуточные трансформаторы TL2, TL3, выпрямительные мосты, балластные сопротивления.

Трансформатор TV, соединенный по схеме (рис. 1.3 , а), позволяет получить во вторичных обмотках напряжения, ориентированные, как показано на рис. 1.4, б. В режиме холостого хода генератора, когда ток нагрузки равен нулю, напряжения на вторичных обмотках трансформатора TV равны и приложены к первичным обмоткам одинаковых трансформаторов TL2 и TL3 (см. рис. 1.3). при этом сигнал на выходе датчика равен нулю При активной нагрузке генератора в соответствие с рис. 1.5, а напряжение UR2 на резисторе R2, поступающее с вторичной обмотки трансформатора TL1, совпадает с напряжением U1, одной вторичной обмотки трансформатора TV и находится в противофазе с напряжением U2 другой.

В результате на первичной обмотке одного трансформатора напряжение увеличивается, а на первичной обмотке другого уменьшается.

При чисто реактивной нагрузке генератора (рис. 1.5, б) напряжение UR2 сдвинуто относительно напряжений U1 и U2 вторичных обмоток трансформатора TL2 и TL3 на 900. Напряжение UTL2 UTL3 оказываются равными и выход датчика в этом случае равен нулю. Таким образом, датчик, подключенный к шинам генератора трехфазного тока частотой 50 Гц, будет иметь на выходе сигнал постоянного напряжения, пропорциональный активной нагрузке генератора.Формирователь импульсов УРМ-35Ф. Формирователь представляет собой полупроводниковое устройство, преобразующее сигнал постоянного тока в импульсный, с изменяющимися длительностями импульса и паузы в зависимости от величины входного сигнала.

Он собран по схеме двухтактного широтно-импульсного модулятора и разделяется на две одинаковые части, аналогичные по своему построению (рис. 1.5). В состав элементов формирования выходного импульса входят: несимметричный триггер на транзисторах VTI, VT3, (VT2, VT4), эммитерный повторитель на транзисторе VT5 (VT6), стабилитрон VT7 (VT8), триодный тиристор VS11 (VS12), выпрямительный мост VD14…VD17 (VD18…VD21). При поступлении на вход формирователя сигнала отрицательной полярности, большего, чем уровень срабатывания триггера, последний срабатывает и через эммитерный повторитель выдается сигнал на управляющий электрод тиристора VS11 (VS12). Тиристор открывается, замыкает выходную цепь формирователя и на усилитель поступает управляющий сигнал напряжением 25В, частотой 50 Гц. Генератор пилообразного напряжения построен на основе симметричного триггера на транзисторах VT9,VT10. При подаче питания один из транзисторов триггера переходит в режим насыщения, а другой – в режим отсечки.

В момент, когда напряжение на конденсаторе С9 достигает напряжения пробоя стабилитрон VD10 пробивается и на базу транзистора VT9 поступает импульс отрицательной полярности.

Триггер VT9, VT10 срабатывает, VT9 переходит в режим насыщения, VT10 – в режим отсечки.Конденсатор С9 мгновенно разряжается через открывшийся транзистор VT9, а конденсатор С10 начинает заряжаться и по аналогичной схеме после пробоя стабилитрона VD13 триггер переходит в первоначальное состояние.

При одной полярности входного сигнала к базе одного из триггеров прикладывается минус, а к базе другого – плюс, а при другой полярности знаки изменяются.Срабатывание того или другого триггера, а следовательно и появление сигнала на выходе формирователя, будет определяться суммарным действием на вход триггеров напряжения входного сигнала из дифференциальной цепи и пилообразного напряжения.

В зависимости от величины входного сигнала соотношение между длительностью импульса и паузой выходного сигнала формирователя меняется.Длительность импульса регулируется резистором R*29, а длительность паузы формирователем R*24. Усилитель УРМ-35У. Схема каждого усилителя УРМ-35У1,УРМ-35У2, УРМ-35У3, УРМ-35У4, УРМ-35У5 (рис. 1.6, 1.6) включает в себя два переключающихся плеча на тиристорах с трансформаторами, выпрямителями, конденсаторами и резисторами.

Усилитель предназначен для усиления сигналов, поступающих на его вход от формирователя. При отсутствии входного сигнала на обоих входах усилителя тиристоры закрыты и напряжение на выходе схемы равно нулю. При подаче импульса на один из входов усилителя вентили одного плеча открываются и усилитель выдает импульс на выходе. Переключение импульса на другой вход вызывает изменение полярности или фазы выходного импульса.Тиристоры зашунтированы резисторами для выравнивания напряжения на них и диодами для защиты от перенапряжения, обусловленного наличием против ЭДС якоря серводвигателя.

Питание схемы осуществляется двухполупериодным выпрямленным напряжением без сглаживания пульсаций. 1.2.2. Устройство автоматического включения резерва типа УВР Данное устройство автоматического управления резервом предназначено для подачи импульса: на запуск резервного генераторного агрегата при повышении нагрузки сверх заданной; остановку резервного генераторного агрегата (или сигнал при уменьшении нагрузки ниже заданной); отключение генераторного автомата работающего агрегата и запуск резервного агрегата при длительном снижении или исчезновении напряжения.

Рассматриваемое устройство подключается к генератору трехфазного переменного тока через типовые измерительные трансформаторы напряжения с вторичным напряжением 127 В, частотой 50 Гц и через трансформатор тока на 5 А. питание устройства УВР осуществляется от постороннего источника переменного тока напряжением 127 В, частотой 50 Гц или постоянного тока напряжением 24 В. Мощность, потребляемая устройством, составляет не более 10 и 15 ВА соответственно от трансформаторов напряжения и тока со стороны генератора и не более 25 ВА со стороны постороннего источника.

Для включения резервного полного генераторного агрегата устройство выполняется для работы по полному или активному току нагрузки и настраивается на полный ток срабатывания в пределах 1,8…4,0 А. Отключение резервного генераторного агрегата возможно по полному току срабатывания в пределах 1…2,8 А. Точность срабатывания устройства находится в пределах ± 5% значения тока уставки (для устройств, работающих по активному току, при изменении cos φ от 0,6 до 1,0). Срабатывание происходит также при снижении напряжения генератора до 80 ± 5% номинального и ни же с выдержкой времени 5…8 с. Коэффициент возврата находится в пределах 0,95…1,0. Допускаются следующие перегрузки устройства по току генератора: 10% в течение 2 ч; 25% в течение 30 мин и 50% в течение 5 мин. В качестве выходных реле устройства использованы реле типа РМ-4. Устройство УВР выполняется следующих четырех типов: 1) УВР-1А1 для работы по активному току с напряжением питания от постороннего источника переменного тока 127 В, частотой 50 Гц (рис.1.8); 2) УВР-1А2 для работы по активному току с напряжением питания от постороннего источника постоянного тока 24В; 3) УВР-1П1 для работы по полному току с напряжением питания от постороннего источника переменного тока В, частотой 50 Гц (рис.1.9); 4) для работы по полному току с напряжением питания от постороннего тока постоянного тока 24В. Схемы устройств УВР-1А2 и УВР-1П2 отличаются от схемы устройств УВР-1А1 и УВР-1П1 тем, что питание от постороннего источника осуществляется не через трансформатор, а непосредственно от цепи постоянного тока напряжением 24 В, поэтому схемы здесь не приводятся.

Каждая из указанных модификаций устройства УВР состоит из блоков: контроля повышения нагрузки (I); контроля понижения нагрузки (II) и контроля напряжения (III). Блок контроля повышения нагрузки I содержит согласующий трансформатор TL1, измеритель активного тока ИАТ (или полного тока ИПТ), триггер на транзисторах VT7, VT2 и реле времени на транзисторах VT3, VT4 и VT5 с выходным реле К1. Блок контроля снижения нагрузки II состоит из согласующего трансформатора TL2, измерителя полного тока ИПТ, триггера на транзисторах VT6, VT7 и реле времени на транзисторах VT8, VT9 и VT10 с выходным реле К2. Блок контроля напряжения III включает в себя измеритель напряжения ИН и реле времени на транзисторах VT11, V12 и VT13 с выходным реле К3 в цепи триггера VT14, VT15. Трансформаторы TL1 и TL2 служат для согласования цепей измерителя активного или полного тока и типового измерительного трансформатора тока. Измеритель ИАТ или ИПТ преобразует либо полный ток нагрузки, либо его активную составляющую в постоянное напряжение.

Триггеры обеспечивают усиление сигнала измерителя и четкое срабатывание устройства при заданной величине уставки.

Реле времени служит для создания выдержки и времени срабатывания.

Измеритель ИАТ устройств типов УВР-1А1 (см. рис. 1.8) и УВР-1А2 представляет собой мост на резисторах R47-R50 с диодами VD4 и VD5. Два резистора R45 и R46, включенные в фазы В и С, и мост R47…R50 образуют искусственную нулевую точку трехфазной системы.

Если сопротивления резисторов R45 и R46 равны, то на диагональ моста подается напряжение, совпадающее по фазе с напряжением фазы А генератора (рис. 1.10). Сопротивление моста одновременно обтекаются током от трансформатора тока, включенного в фазу А генераторов через согласующий трансформатор.

С другой диагонали моста снимается выпрямленное выходное напряжение измерителя, равное разности потенциалов точек а и b (см. рис. 1.8), т.е. разности падений напряжений на резисторах R49 и R50:.