Лабораторные работы (не мои) / 3

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

Кафедра САУ

отчет

по лабораторной работе №3

по дисциплине «Гребные электрические установки»

Тема: Исследование ГЭУ переменного тока с асинхронным гребным электродвигателем, полупроводниковым преобразователем и прямой передачей вращающего момента на винт.

Студенты гр. 7408
Преподаватель		Малышев С.М.

Санкт-Петербург

2020

Цель работы

В ходе данной лабораторной работы необходимо исследовать ГЭУ переменного тока с асинхронным гребным электродвигателем, полупроводниковым преобразователем и прямой передачей вращающего момента на винт.

Основные теоретические положения.

Типовая структурная электрическая схема ГЭУ переменного тока с асинхронным гребным электродвигателем (АГЭД), полупроводниковым преобразователем (ППЧ) и прямой передачей вращающего момента на винт изображена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная электрическая схема ГЭУ переменного тока с асинхронным гребным электродвигателем, полупроводниковым преобразователем и прямой передачей вращающего момента на винт

ЩЭД – щит электродвижения; Тр – трёхобмоточный трансформатор;

ППЧ – полупроводниковый преобразователь частоты; ГЭД – гребной электродвигатель;

ГВ – гребной винт

В настоящее время наибольшее распространение на современных судах нашли ГЭУ с асинхронным ГЭД и ППЧ со звеном постоянного тока на базе автономных инверторов (АИ) и неуправляемых выпрямителей (НВ), винтом фиксированного шага.

В состав ГЭУ переменного тока входит:

1. щит электродвижения;

2. трёхобмоточный трансформатор;

3. преобразователь частоты;

4. гребной электродвигатель;

5. гребной винт.

Напряжение на щит электродвижения ЩЭД поступает от главного распределительного щита. Питание ГЭД осуществляется от ППЧ, который выполнен на базе двух неуправляемых выпрямителей, включенных последовательно и автономного инвертора. ПЧ получает питание от трехобмоточного трансформатора Тр. Применение трансформатора с двумя вторичными обмотками, включенными по схеме Y и Δ позволяет получить сдвиг напряжения на 30 электрических градусов, что повышает качество электрической энергии в судовой сети. Электрическая энергия преобразуется ГЭД в механическую энергию вращения гребного винта ГВ.

Принципиальная схема 12-типульсного преобразователя частоты представлена на рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная схема 12-типульсного преобразователя частоты.

Механические характеристики гребного винта представлены на рис. 3.

Рис. 3. Механические характеристики гребного винта

1. – при ходе в свободной воде с уменьшенной осадкой;

2. – при ходе в свободной воде с номинальной осадкой (с грузом);

3. – буксировочная (при ходе судна с взломом или во льдах);

4. – швартовая (при работающих винтах и неподвижном судне);

5. – ледовая (при вращении винта в мелком льду, шуге, «ледяной каше» и т.п., что увеличивает момент сопротивления);

6. – реверсивные характеристики;

7. – реальная реверсивная характеристика, учитывающая изменение скорости судна во время реверса.

Эти характеристики получают экспериментальным путем или расчетом по данным гребного винта. Для конкретного судна характеристики винта не являются постоянными, а могут в зависимости от осадки и условий плавания изменяться в диапазоне от характеристики хода в свободной воде при водоизмещении в порожнем состоянии до ледовой характеристики.

Основные параметры движительного комплекса определяют следующим образом. Для ледоколов моменты находят по швартовой характеристике 4 и ледовой характеристике 5, частоту вращения - по швартовой характеристике 4 и характеристике хода в свободной воде 2. Для буксиров эти параметры определяют по буксировочной характеристике 3. для остальных судов - ход в свободной воде (при номинальной осадке).

Реверсивная характеристика винта - это зависимость момента ^{сопротивления от частоты вращения гребного винта при изменении} направления его вращения на противоположное (во время реверса).

Расчетная реверсивная характеристика строится при неизменной скорости ^{движения судна ν}с ^{в первоначальном направлении, поскольку время реверса} гребного винта, по крайней мере, на порядок меньше времени реверса судна.

Вид реверсивных характеристик гребного винта для разных значений ^{первоначальной скорости судна ν}с ^{приведен на рисунке 3 (кривые 6).} Точка А соответствует ходу судна в свободной воде с номинальной ^{скоростью n}B.H ^{и номинальной частоте вращения гребного винта n}B.H^{. После} прекращения подачи энергии к ГЭД частота его вращения быстро ^{снижается до значения (0,6 - 0,75) n} B.H^{, соответствующего шагу нулевого} момента (точка В). За счет энергии набегающего потока гребной винт продолжает вращаться в ту же сторону и на участке ВСD сам развивает вращающий момент (отрицательный момент сопротивления), работая в ^{режиме гидротурбины; максимальное значение момента (до 0,9 М}BH^{) достигается при частоте вращения около 0,35 n} B.H ^{(точка С).}

Для остановки винта необходимо, чтобы привод развивал тормозной момент (отрицательный вращающий момент), больший, чем вращающий момент винта. Под действием вращающего момента винт затормаживается ^{(в точке В п}В ^{= 0 при моменте около 0,4 М}ВН^{) и начинает разворачиваться в} противоположном направлении (участок DЕ), создавая эффективное торможение движению судна в режиме гидравлического тормоза. Под действием вращающегося в противоположную сторону винта судно остановится и затем начнет разгон задним ходом.

Как правило, на заднем ходу частота вращения гребного винта при номинальном моменте меньше, чем на переднем ходу, из-за возрастания сопротивления движению судна.

Реальная реверсивная характеристика, учитывающая изменения скорости судна во время реверса, имеет вид 7 на рисунке 3.

^{При реверсе в швартовом режиме (ν}с ^{= 0) исключается работа винта в} режиме гидротурбины, и реверсирование происходит по симметричной кривой, проходящей через начало координат.

Диапазон изменения частоты вращения.

-n_ном < n _ГЭД < + n_ном, где n_{ном.ГЭД} = n_{ном.винта} = 120 … 300 об/мин;

Законы управления.

В швартовном режиме (в диапазоне от точки 1 до рабочей точки 2, рис. 4) в связи с тем, что судно неподвижно, двигатель выходит на максимальную мощность, но частота вращения ГЭД не достигает заданного значения; поддерживается режим постоянства момента ГЭД M_ГЭД = const, продолжительность выхода ГЭД на номинальный момент/мощность около 30 секунд.

Выход на номинальную частоту вращения (в диапазоне от рабочей точки 2 до рабочей точки 3, рис. 4) поддерживается режим постоянства мощности ГЭД P_ГЭД = const, продолжительность около 5 минут.

После выхода ГЭД на номинальную частоту вращения (рабочая точка 3, рис. 4) поддерживается режим постоянства частоты вращения ГЭД n_ГЭД = const.

Рис.4. Механическая характеристика ГЭД в различных режимах эксплуатации судна.

В ходовых режимах поддерживается режим постоянства частоты вращения ГЭД nгэд = const (рис. 5)

Рис.5. Режим постоянства частоты вращения

При ходе судна во льдах поддерживается режим постоянства мощности Pгэд = const (рис. 6).

Рис.6. Режим постоянства мощности

Экспериментальные результаты и их обработка

Результаты эксперимента занесены в табл. 1.

Таблица 1. Экспериментальные результаты

№	nГЭД , мин-1	UГЭД ПУ, В	f ПЧ, Гц	I гЭД ПУ, А	PГЭД, кВт	МГЭД, Н*м
1	-400	0	20	2,01	60	-1,5
2	-300	0	15	2,01	42	-1,3
3	-200	0	10	2	27	-1,28
4	-100	0	5	1,98	9	-0,8
5	0	0	0	1,96	0	-0,1
6	100	0	5	2	11	1,01
7	200	0	10	2	26	1,26
8	300	0	15	2,01	43	1,38
9	400	0	20	2,02	63	1,54

По данным таблицы 1 были построены статические характеристики M = f (n); n = f (P); n = f (f).

Рис. 7 Статическая характеристика M = f(n)

Рис. 8 Статическая характеристика n = f(P)

Рис.9 Статическая характеристика n = f (f).

Статическую характеристику U = f (f) не удалось построить из-за неисправности модели.

Характеристику переходного процесса реверса приведены на рисунках 10 и 11.

Рис. 10 Переходный процесс при реверсе от -300 до 250 об/мин

Рис. 11 Переходный процесс при реверсе от 300 до -400 об/мин

Выводы

В ходе данной работы была исследована ГЭУ переменного тока с асинхронным гребным электродвигателем, полупроводниковым преобразователем и прямой передачей вращающего момента на винт. Были построены статические характеристики M = f (n), n = f (P), n = f (f). По техническим причинам не получилось построить зависимость U = f (f), так как модель лабораторной работы некорректно работала. Были получены переходные процессы реверса при различных оборотах.