книги из ГПНТБ / Михайлов В.С. Судовые электростанции и электродвижение судов учеб. пособие

ГЛАВА VIII

СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ГРЕБНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

§ 32. Назначение и общая характеристика систем возбуждения ГЭУ

В качестве генераторов электрической энергии и гребных элек­ тродвигателей в ГЭУ наиболее широко используются электриче­ ские машины постоянного тока независимого возбуждения и син­ хронные машины — электрические машины переменного тока. Для питания обмоток возбуждения этих машин необходимы источники постоянного тока.

Системы возбуждения ГЭУ играют важнейшую роль, так как они обеспечивают нормальную эксплуатацию всей системы элек­ тродвижения. С помощью систем возбуждения обеспечивается в основном управление главными электрическими машинами и формирование требуемых электромеханических свойств этих ма­ шин. В связи с этим величины токов в обмотках возбуждения ге­ нераторов и гребных электродвигателей ГЭУ должны автомати­ чески изменяться по различным законам в зависимости от режи­ мов работы гребной установки. Для получения требуемых законов изменения токов возбуждения в цепи возбуждения могут вводиться различные управляющие сигналы, зависящие от тока главной цепи, напряжения и угловых скоростей генераторов и гребных электродвигателей.

В зависимости от типа источника электрической энергии для питания цепей возбуждения электрических машин ГЭУ системы возбуждения можно разделить на две группы:

1)системы с машинными возбудителями;

2)статические системы возбуждения.

ния цепей возбуждения устанавливаются специальные возбуди­ тельные агрегаты, состоящие из генераторов (возбудителей посто­ янного тока с независимым возбуждением или электромашинных усилителей) и приводных двигателей (короткозамкнутых асинхрон­ ных электродвигателей, включаемых в общесудовую сеть пере­ менного тока).

Навешивание генераторов-возбудителей на главные генераторы или гребные электродвигатели обычно не применяется, так как главные электрические машины ГЭУ, особенно гребные электро­ двигатели, работают с изменяющимися угловыми скоростями, что существенно усложняет выбор возбудителей и управление ими. При навешивании возбудителей на главные электрические машины номинальную мощность каждого возбудителя пришлось бы выби­ рать для минимальной угловой скорости, что увеличивает габа­ риты и массу генераторов-возбудителей.

120

В тех случаях, когда главные генераторы во всех режимах ра­ ботают с неизменной угловой скоростью, возбудители можно навешивать на вал главного генератора, что избавляет от необхо­

щиеся возбудители отсутствуют. В этих системах цепи возбуждения подключаются на судовую сеть переменного тока через статиче­ ские преобразователи переменного тока в постоянный, включаю­ щие в себя усилители, неуправляемые и управляемые выпрями­ тели. В зависимости от типа преобразовательных устройств ста­ тические системы возбуждения ГЭУ можно подразделить на: 1) системы с машинными усилителями и неуправляемыми выпря­ мителями и 2) системы с управляемыми выпрямителями (тири­ сторами) .

Наконец, если общесудовая сеть постоянного тока, то цепи воз­ буждения могут подключаться в общесудовую сеть через устрой­ ства, обеспечивающие регулирование тока возбуждения.

§ 33. Системы возбуждения ГЭУ с машинными возбудителями

На рис. 53 приведена принципиальная схема возбуждения ГЭУ, в которой в качестве возбудителя используется генератор постоян­ ного тока. В этой схеме обмотка возбуждения ОВГ главного гене­ ратора Г подключена на якорь возбудителя генератора ВГ — ма­ шины постоянного тока независимого возбуждения с приводным двигателем ПДВ. Величина напряжения, развиваемого возбуди­ телем и прикладываемого к цепи ОВГ, регулируется путем изме­ нения напряжения, подводимого к обмотке возбуждения возбуди­ теля ОВВГ. С этой целью обмотка ОВВГ подключается к источ­ нику постоянного напряжения через потенциометрический реостат, играющий роль поста управления ПУ.

Мощность, необходимая для питания обмоток возбуждения ма­ шин, невелика и составляет около 1 % мощности самих машин или несколько больше (для машин малой мощности). Таким образом, мощность цепи управления, т. е. мощность цепи ОВВГ, весьма мала, что обусловливает незначительные габариты ПУ. Помимо основного возбудительного агрегата предусматривается резервный.

Для формирования требуемых электромеханических свойств главных генераторов и гребных электродвигателей, питающихся от этих генераторов, возбудители генераторов могут иметь две или три обмотки возбуждения. В таких случаях одна из обмоток под­ ключается к посту управления, а остальные используются для вве­

121

большое разнообразие различных типов ЭМУ, но наибольшее рас­

Обмотки возбуждения ЭМУ, расположенные на полюсах статора,

Рис. 54. Система возбуждения ГЭУ с .использованием электро­ машинного усилителя.

Кроме обмоток управления на полюсах ЭМУ размещена ком­ пенсационная обмотка КО, обтекаемая током нагрузки /Нг-

Принцип работы ЭМУ заключается в следующем. К обмотке управления ОУ1 подводится напряжение управления ІІи под влия­ нием которого в обмотке потечет ток Іуі. Этот ток создаст магнит­ ный поток Фі, под действием которого во вращающемся якоре ЭМУ наводится э. д. с. Так как щетки ab замкнуты, то в попереч­ ной цепи потечет ток h- При этом для создания тока h, равного номинальному току поперечной цепи, потребуется незначительный

122

(Унг, обусловливающее ток /щ- Обмотка КО служит для создания магнитного потока, компен­

сирующего магнитный поток тока нагрузки /щ.. Это необходимо, чтобы исключить влияние потока тока нагрузки на поток тока управления. Для настройки ЭМУ компенсационная обмотка шун­

от элементов системы управления той или иной установкой, на­ пример от различных элементов ГЭУ.

Отличительной особенностью ЭМУ является двухкаскадное

превышает мощность управления. Отношение выходной мощности

В ЭМУ коэффициент усиления значительно выше, чем в обыч­

мощностями. Наличие нескольких обмоток управления позволяет осуществлять управление в функции нескольких управляющих сигналов.

ЭМУ обычно выпускаются в комплекте с приводным двигате­ лем, в качестве которого используются асинхронные короткозамкнутые электродвигатели или двигатели постоянного тока.

При выборе ЭМУ в качестве возбудителя гребной электриче­ ской установки необходимо.иметь в виду, что максимальная мощ­ ность серийно выпускаемых электромашинных усилителей попе­ речного поля составляет 11 кВт. Выполнение ЭМУ поперечного поля на более высокие мощности затруднительно, так как при этом усложняются условия нормальной коммутации усилителей. Вследствие этого снижается коэффициент усиления и быстродей­ ствие ЭМУ.

В тех случаях, когда мощность цепей возбуждения главных электрических машин ГЭУ значительна, ЭМУ поперечного поля

123

применяются в качестве подвозбудителей — генераторов для пита­ ния обмоток возбуждения возбудителей. Такое решение значи­ тельно усложняет систему возбуждения ГЭУ, в связи с чем были проведены работы по расширению диапазона мощностей ЭМУ.

В 50-х годах в связи с проектированием и строительством мощ­ ных ГЭУ, в частности ГЭУ атомного ледокола «Ленин», в нашей стране были разработаны новые типы электромашинных усилите­ лей. Вследствие ряда специальных мер конструктивного и схем­ ного характера мощность отдельных ЭМУ поперечного поля была доведена до 100 кВт. Кроме того, были разработаны ЭМУ продоль­ ного поля — рототролы, мощность которых может измеряться сот­ нями киловатт при значительном (до 100 000) коэффициенте уси­ ления и значительном быстродействии.

Примерами использования ЭМУ продольного поля в качестве возбудителей могут служить системы возбуждения ГЭУ ледокола «Ленин» и ГЭУ дизель-электроходов отечественной постройки типа «Амгуэма».

В целом системы возбуждения с использованием ЭМУ имеют существенные недостатки, обусловленные использованием вращаю­ щихся машин сложной конструкции. Поэтому в последние годы •наблюдается все возрастающая тенденция к использованию систем возбуждения со статическими элементами.

§ 34. Магнитные усилители в системах возбуждения ГЭУ

М а г н и т н ы е у с и л и т е л и (МУ) представляют собой стати­ ческие устройства, предназначенные для усиления сигналов по­ стоянного и переменного тока. С точки зрения использования в су­ довых системах электроавтоматики, в частности в системах воз­ буждения ГЭУ, магнитные усилители обладают рядом достоинств,

ккоторым относятся:

—простота конструкции, обусловливающая удобство разме­ щения и обслуживания;

—нечувствительность к вибрациям;

—высокий коэффициент усиления по мощности, достигающий

Ы 0 6 в одном каскаде;

—значительная выходная мощность;

—высокая надежность и большой срок службы;

— отсутствие подвижных частей и постоянная готовность к работе.

Основным недостатком МУ является их ограниченное быстро­ действие. Однако этот недостаток может быть сведен к минимуму благодаря использованию так называемых б ы с т р о д е й с т в у ю ­ щ и х м а г н и т н ы х у с и л и т е л е й .

Простейшая конструктивная (а) и принципиальная (б) схемы МУ представлены на рис. 55.

Простейший МУ состоит из двух магнитных сердечников / и 2, на которых размещены рабочие обмотки шр а бі, яУрабг и обмотка управления wy.

124

Нагрузка Z H r включена последовательно с рабочими обмотками на напряжение переменного тока £/~.

Принцип действия МУ основан на том, что магнитная прони­ цаемость сердечника ц для переменного магнитного потока в боль­ шой мере зависит от степени подмагничивания сердечника постоян-

незначительные изменения мощности цепи управления влекут за собой значительные изменения мощности на нагрузке Z^, что обеспечивает высокий коэффициент усиления »МУ.

125

Наличие двух сердечников в конструкции МУ (см. рис. 55) объясняется необходимостью скомпенсировать влияние потоков

чтобы намагничивающие силы, создаваемые потоками Ф р а бі и Фр а б2, в стержнях сердечников были направлены встречно, что исключает возможность наведения в обмотке управления э. д. с. переменного

ратная связь по току нагрузки. Эта связь формируется с помощью рабочей обмотки, последовательно с которой включены полупро­ водниковые выпрямители (рис. 57). В рассматриваемой схеме МУ по цепи рабочей обмотки протекает однополупериодный ток, созда­ вая пульсирующий магнитный поток, направленный согласно с маг­ нитным потоком обмотки управления.

Выше рассмотрены схемы с МУ, в которых по нагрузке про­ текает переменный ток. Так как для питания обмоток возбуждения электрических машин ГЭУ требуется постоянный ток, то для си­

126

фаза А. Таким образом, обмотка возбуждения оказывается под­

§ 35. Тиристоры в системах возбуждения ГЭУ

В последние годы в различных электротехнических установ­ ках, в том числе в системах возбуждения электрических машин, все

собирается на медном основании 1, имеющем канавку 12, в которой завальцована стальная трубка 4. Внутри трубка заполнена стеклоизолятором 9. Между вольфрамовыми дисками 2 к 11 размещена четырехслойная кремниевая структура направленной проводимо­ сти 3.

К вольфрамовому диску 11 припаивается силовой вывод 10, который выводится к наружному выводу тиристора — катоду К через стакан силового вывода 8 и переходный стакан 7. Управ­ ляющий электрод УЭ при помощи переходной втулки 6 через

127

стакан вывода 5 соединяется с верхним слоем четырехслойной структуры.

Для уяснения принципа действия тиристорного преобразова­ теля обратимся к рис. 60.

Нагрузка RHT (рис. 60, с) подключена на однофазное синусои­ дальное напряжение і/ф последовательно с тиристором Т. Кон­ струкция тиристора обеспечивает протекание тока от анода А к катоду К при условии подачи управляющего напряжения 1)у между управляющим электродом УЭ и катодом.

Рис. 60. Принцип действия тиристорного преобразователя.

I

Допустим, что управляющее напряжение подано в начальный момент периода напряжения £/ф, т. е. при £ = 0 (рис. 60,6). В та­ ком случае схема, приведенная на рис. 60, а, будет эквивалентна схеме однополупериодного выпрямления, выполненной на обычном диоде. Мгновенное значение напряжения на нагрузке будет харак­ теризоваться кривой Ud, а среднее значение напряжения будет равно

128

Если управляющее напряжение Uy подать не в начальный мо­ мент периода, а с некоторой задержкой, то в течение времени этой задержки в период положительной полуволны напряжения щ ти­

Если учесть, что общая протяженность периода питающего на­

и3ад

I—non oJh}—0С

Рис. 61. Принципиальная схема тиристорного возбуждения синхрон­ ной машины.

в течение положительного полупериода будет открываться тири­ стор и тем меньше будет среднее значение напряжения на на­ грузке. При наличии угла отпирания а величина среднего значе­

Таким образом, изменяя величину угла отпирания, можно ре­ гулировать напряжение на нагрузке.

Из сказанного следует, что важнейшей составной частью тири­ сторного преобразователя является схема управления тиристо-

129