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

тивления цепи якоря двигателя — может быть осуществлен вве­ дением добавочного сопротивления в якорную цепь двигателя. Изменение угловой скорости в таком случае будет осуществляться путем большего или меньшего отбора энергии, подводимой от ге­ нераторов, и рассеяния этой энергии в специальных сопротивле­ ниях. Вследствие относительно больших мощностей гребных элек­ тродвигателей и относительно больших токов их якорей регулиро­ вание угловой скорости введением сопротивления в цепь якоря весьма неэкономично, а сами сопротивления должны быть очень громоздкими. Из-за указанных особенностей такое регулирование угловой скорости двигателей в ГЭУ постоянного тока не при­ меняется.

§ 38. Реверсирование гребного электродвигателя в ГЭУ постоянного тока

Направление вращения гребного электродвигателя постоян­ ного тока можно изменить двумя способами:

1)изменением полярности подводимого к электродвигателю напряжения, т. е. изменением знака U;

2)изменением полярности полюсов двигателя, т. е. изменением

знака магнитного потока Ф, а значит, изменением направления тока в обмотке возбуждения двигателя.

Оба указанных способа находят применение, однако с точки зрения эксплуатации ГЭУ они неравноценны.

Изменение полярности подводимого к гребному электродвига­ телю напряжения можно осуществлять или непосредственно на двигателе, переключив его якорную цепь, или на генераторе, изменив направление тока в его обмотке возбуждения ОВГ (см. рис. 65). На практике чаще используется второй путь, при этом процесс реверса гребного электродвигателя осуществляется следующим образом.

Если ползунок тг потенциометрического реостата ПРГ уста­ новить слева от неподвижного контакта пТ, то при вращении ге­ нератора в одну сторону на его зажимах будет иметь место на­ пряжение одной полярности, которому будет соответствовать оп­ ределенное направление вращения гребного электродвигателя. Передвижением ползунка шг вправо от контакта пг направление тока в обмотке возбуждения генератора изменяется, при этом из­ меняются полярность напряжения генератора и направление вра­ щения электродвигателя.

Таким же образом можно осуществить изменение направле­ ния тока в обмотке возбуждения двигателя с помощью потенцио­ метрического реостата ПРД. Однако на период реверсирования тока возбуждения двигателя необходимо принять меры к боль­

нуль противо-э. д. с. двигателя будет равна нулю и генератор ока­ жется подключенным на сопротивление якоря, т. е. практически закороченным.

140

В схемах управления ГЭУ напряжение генератора в период реверсирования тока возбуждения гребного двигателя ограничи­ вается действием отрицательной обратной связи по току ГЭД (на рис. 65 не показана), с помощью которой генератор размаг­ ничивается настолько, что ток в цепи Г — Д не превышает до­ пустимого.

Длительность протекания переходных процессов в ГЭУ при реверсировании гребного электродвигателя изменением знака под­ водимого напряжения будет меньше, чем при изменении знака

электромагнитной инерцией.

На рис. 67 представлены характеристики изменения моментов сопротивления M на гребном валу при его реверсировании — ре­ версивные характеристики гребного винта. Кривая ABCDE по­ строена для случая реверсирования ГЭУ при неизменной полной скорости движения судна вперед, кривая АіВіСфіЕі— при умень­ шении скорости судна, кривая А0ОВ0 — при неподвижном судне.

Время реверсирования гребного электродвигателя неизмеримо меньше времени реверсирования судна: первое исчисляется не­ сколькими секундами, второе — минутами. Поэтому за время ре­ версирования гребного электродвигателя судно практически не изменит своей скорости движения вперед. Следовательно, если не принимать специальных мер для увеличения времени реверсиро­ вания гребного электродвигателя, то характер изменения момента сопротивления на гребном валу будет близок к характеру, ото­ браженному кривой ABCDE.

Как видно из рисунка, простое отключение гребного электро­ двигателя при полной скорости движения судна вперед приводит

1.41

к тому, что винт вращается с угловой скоростью около 0,73 соНом •— точка В на характеристике ABCDE. Чтобы затормозить гребной вал, необходимо создать значительный тормозной момент, макси­ мальное значение которого составляет около 0,8 MH0M и наблю­ дается при угловой скорости около 0,45 ©ном (точка С). Для удер­ жания винта в неподвижном состоянии (точка D) нужно создать тормозной момент около 0,4 МН О м-

Наличие значительных отрицательных моментов на гребном валу при реверсировании на полном ходу судна объясняется тем, что потоки воды, обтекая лопасти винта, превращают ^винт в гидравлическую турбину, вращающую вал в прямом направле­ нии. По этой же причине для вращения вала в обратном направ­ лении с угловой скоростью около 0,3о)ном гребной двигатель дол­ жен развивать момент, близкий к номинальному (точка Е), а для вращения винта в обратном направлении с номинальной угловой скоростью потребовался бы вращающий момент двигателя, превы­ шающий номинальный более чем в три раза.

На рис. 67 показано семейство механических характеристик гребного электродвигателя при изменении подводимого к нему напряжения от + UH0M до — £ДюМ. Работа двигателя характери­ зуется точкой пересечения соответствующей механической харак­ теристики с реверсивной характеристикой гребного винта. От­ резки механических характеристик гребного электродвигателя, расположенные в квадрате //, характеризуют генераторный ре­ жим работы двигателя. В этом режиме гребной вал вращается энергией, поступающей от винта, электродвигатель переходит в ге­ нераторный режим и передает энергию генератору. Последний пе­ реходит в двигательный режим при сохранении направления вра­ щения. Рекуперируемая с гребного вала энергия за вычетом по­ терь идет на разгон приводного двигателя генератора — дизеля.

142

допустимого значения. В таких случаях необходима защита ди­ зеля от разгона генератором, переходящим в двигательный режим.

Как видно из рис. 67, потребные тормозные моменты при ре­ версировании существенно снижаются с уменьшением скорости движения судна. В связи с этим в ГЭУ целесообразно предусмат­ ривать устройства, исключающие чрезмерно быстрый реверс греб­ ного электродвигателя. При реверсировании ГЭУ рукоятка поста управления переводится в нулевое положение, соответствующее снятию напряжения с гребного электродвигателя, далее обеспе­ чивается некоторая задержка рукоятки в нулевом положении, после чего она переводится в сторону, соответствующую измене­ нию полярности двигателя.

Чрезмерно быстрое изменение полярности напряжения, подво­ димого к гребному электродвигателю при реверсировании ГЭУ, может обойтись без недопустимого разгона дизеля. Однако воз­ можна другая опасность, которая заключается в том, что в си­ стеме могут возникнуть недопустимо большие броски тока. Это объясняется тем, что электромагнитные процессы протекают зна­ чительно быстрее, чем механические, вследствие чего изменение полярности напряжения генератора произойдет за время, в тече­ ние которого скорость двигателя практически не изменится. В ре­ зультате в некоторый период времени напряжение и э. д. с. двига­ теля будут иметь одинаковый знак, и при угловой скорости двига­ теля, близкой к номинальной, ток якоря достигнет значения, близкого к двойному значению по сравнению с номинальным:

Напомним, что до реверсирования ГЭУ, когда гребной элек­ тродвигатель работал в двигательном режиме, ток якоря опреде­ лялся выражением

Значительные броски тока в ГЭУ при быстром реверсировании ГЭД могут вызвать вредные механические воздействия на привод­ ной двигатель генератора.

§39. Основные вопросы автоматизации ГЭУ

Вначале своего развития ГЭУ применялись для создания гребных установок, в которых требовалось обеспечить отсутствие механической связи гребного винта и теплового двигателя. Такое ограниченное назначение ГЭУ не позволяло раскрыть все достоин­ ства электродвижения и уменьшало конкурентную способность ус­ тановок с электрическим приводом гребного винта-

143

средств автоматики позволяет создать высококачественные си­ стемы электродвижения, отвечающие многообразным условиям эксплуатации судна и обеспечивающие высокую степень исполь­ зования установленного оборудования. С помощью ГЭУ появи­ лась возможность решать такие задачи, которые затруднительно или невозможно решать на судах с другими типами гребных уста­ новок. К таким задачам, в частности, относятся: стабилизация мощности силовой установки; максимальное использование уста­ новленной мощности тепловых двигателей; оптимальное, с точки зрения расхода топлива, регулирование гребной установки; дис­

танционное управление; надеж­ ная защита от аварийных режи­ мов и др.

матизации ГЭУ выходит за рам­ ки настоящего пособия, поэтому здесь будут освещены только наи­ более характерные задачи ав­ томатизации ГЭУ и системы, с помощью которых они реша­ ются.

Стабилизация мощности греб­ ной установки. Обеспечение по­ стоянства мощности на гребных валах чрезвычайно важно для гребных установок ледоколов,

буксиров и других судов, работающих при широком изменении момента сопротивления на винтах.

Зависимость статического момента сопротивления Мст на греб­ ном валу от угловой скорости вала <в определяется уравнением

MCT = k(o2.

Коэффициент пропорциональности k в этом уравнении изме­ няется при изменении условий эксплуатации судна (движение в свободной воде, буксировка, плавание во льду и др.). В резуль­ тате в зависимости от условий плавания для указанных выше ти­ пов судов момент сопротивления на гребном винте может изме­ няться в диапазоне, ограниченном кривыми 1 и 2 (рис. 68).

В соответствии с кривой 1 момент сопротивления может из­ меняться, например, при ходе ледокола в свободной воде, а в со­

движения судна. Кривая 3 характеризует работу гребной уста­

жет оказаться либо недогруженной, либо перегруженной.

144

Обеспечить постоянство мощности ГЭУ на всем диапазоне из­ менения нагрузки на гребном валу можно путем такого воздей­ ствия на гребной двигатель, при котором вращающий момент M двигателя и его угловая скорость со изменились бы так, чтобы про­ изведение этих величин оставалось постоянным и равным их про­ изведению в номинальном режиме. В таком случае будем иметь

Очевидно, что для обеспечения постоянства мощности на гребном

не могут. В ГЭУ постоянного тока гипербола постоянства мощ­ ности или приближение к ней обеспечивается элементами авто­ матического управления с воздействием на магнитные потоки ге­ нераторов и двигателей в системе генератор—двигатель. Системы электродвижения, обеспечивающие автоматическое регулирование мощности на гребных валах, рассмотрены в следующих пара­ графах.

Максимальное использование установленной мощности при­ водных двигателей генераторов. Перегрузочная способность при­ водных двигателей — дизелей и сочлененных с ними генераторов ДЭГУ — неодинакова. Кроме того, в процессе эксплуатации тех­ ническое состояние дизеля изменяется, что обусловливается пе­ регревом цилиндров, ухудшением качества топлива, засорением

зации ГЭУ является коррекция мощности, отбираемой генерато­ рами от дизелей по мере изменения технического состояния дизе­ лей. Такая коррекция может осуществляться формированием до­ полнительных сигналов управления генератором в зависимости от угловой скорости приводного двигателя — дизеля, так как при перегрузке угловая скорость дизеля снижается по сравнению с но­ минальной скоростью. Такая коррекция повышает надежность ДЭГУ, поскольку ее отсутствие может вызвать срабатывание за­

оптимальные, т. е. наилучшие в определенном смысле, законы из­ менения регулируемых 'величин. Создание оптимальных систем является важнейшим направлением современной теории и прак­ тики автоматического управления.

Задача оптимизации конкретной системы автоматического уп­ равления, в частности системы упоавлеиия ГЭУ, сводится к отыс­ канию и формированию таких законов изменения управляющих воздействий на систему, которые обеспечивают экстремумы некокоторым функционалам, выражающим определенные технико-эко­ номические показатели — к. п. д., быстродействие, экономич­ ность.

Основное требование, которому максимально должна отвечать

сложной задачей. Например, будучи оптимальной с точки зрения быстродействия, ГЭУ может оказаться неприемлемой по эконо­ мическим соображениям или по показателям надежности. Кроме того, ограниченность возможностей средств автоматики часто за­ трудняет и делает вообще невозможной реализацию аналитически установленных оптимальных законов управления. В других слу­ чаях реализация критерия оптимальности может повлечь за собой такое усложнение системы управления ГЭУ, что ее создание ста­ новится нецелесообразным и приходится ограничиваться лишь определенным приближением к оптимуму.

Учитывая, что 15—25% эксплуатационных расходов ДЭГУ со­ ставляют затраты на топливо, следует считать, что одним из важ­ нейших критериев оптимальности при управлении ГЭУ является минимальный расход топлива.

Анализ работы ДЭГУ показывает, что минимальный расход топлива на единицу мощности в час наступает при различных

расхода топлива управления ГЭУ заключается в том, чтобы обес­ печить в различных режимах работы минимальное значение функ­

ческий поиск и стабилизацию экономических режимов работы дизеля.

Другие из названных выше задач автоматизации ГЭУ — ди­ станционное управление, защита — решаются с помощью различ­ ных элементов автоматики, причем в последние годы все более широкое применение находят бесконтактные элементы электроав­ томатики, такие, как магнитные усилители, тиристоры, логические элементы.

146

§ 40. ГЭУ по системе генератор — двигатель с трехобмоточным возбудителем генератора

ГЭУ постоянного тока, выполненные по системе генератор — двигатель, обеспечивают, большие удобства управления гребной установкой. Однако системы Г—Д (см. рис. 65) без дополнитель­ ных устройств не могут обеспечить решения ряда важных задач автоматизации ГЭУ, сформулированных в предыдущем параграфе, в частности, не могут обеспечить решения одной из важнейших задач — качественного автоматического регулирования мощности при широком изменении нагрузки на гребных валах.

Чтобы убедиться в этом, рассмотрим зависимость угловой ско­ рости гребного электродвигателя постоянного тока от величины вращающего момента, т. е. форму механической характеристики электродвигателя в системе Г — Д при неизменном магнитном по­ токе двигателя.

Уравнение механической характеристики гребного электродви­ гателя постоянного тока с независимым возбуждением может быть получено из выражения (41), если учесть, что вращающий момент электродвигателя пропорционален току якоря и магнитному по­

выражать в Международной системе единиц СИ, т. е. если выра­

якоря и вращающим моментом в двигателе постоянного тока не­ зависимого возбуждения.

На основании уравнений (41) и (46) можно получить следую­ щую зависимость — уравнение механической характеристики греб­ ного электродвигателя постоянного тока независимого возбуж­ дения:

Уравнению (47) соответствует прямая линия с коэффициентом наклона Ь, значение которого невелико, следовательно, с увеличе­ нием момента на валу двигателя его угловая скорость будет сни­

Характеристика 1 соответствует фиксированному положению ползунка потенциометрического реостата ПРГ в схеме на рис. 65, обеспечивающему номинальный ток возбуждения генератора ів .г при неизменном возбуждении гребного электродвигателя. При уменьшенных значениях тока возбуждения генератора механиче­ ская характеристика двигателя будет перемещаться параллельно

вниз, занимая положения кривых 2, 3 и т. д.

При неизменном токе возбуждения генератора, т. е. при работе двигателя по одной из характеристик, э. д. с. ге­ нератора не изменяется, а напряжение, подводимое к двигателю, будет умень­ шаться только за счет падения напря­ жения в цепи Г—Д при увеличении тока нагрузки.

Действительно, с возрастанием момента на валу скорость двига­ теля будет уменьшаться и двигатель остановится при моменте, определяемом точкой пересечения характеристики / с осью абс­ цисс, т. е. при недопустимо больших перегрузках по моменту. Пере­ грузка гребного электродвигателя вызовет перегрузку питающих его генераторов и их приводных двигателей. Следует, однако, по­ мнить, что перегрузка дизелей недопустима.

Перегрузку гребного электродвигателя можно ограничить до­ пустимыми пределами, для чего нужно уменьшить ток возбужде­ ния генератора и, следовательно, магнитный поток генератора до величины, обеспечивающей переход на другую механическую ха­ рактеристику, например на характеристику 4.

Для гребных электрических установок, работающих с частыми перегрузками, необходимо обеспечить автоматический переход ГЭД с одной характеристики на другую по мере изменения мо­ мента сопротивления на гребном валу. Это достигается примене­

с трехобмоточным возбудителем размещены три обмотки возбуж­ дения: обмотка параллельного возбуждения — обмотка самовоз­ буждения ОСВ; обмотка независимого возбуждения — ОН В, об­ мотка обратной связи по току ГЭД — обмотка ОСТ.

148

Обмотка ОНВ подключается на источник постоянного напря­ жения через потенциометрический реостат ПР. С помощью этой обмотки осуществляется управление гребной установкой из поста управления.

Так как величина Фост зависит от тока якоря двигателя, то суммарный магнитный поток возбудителя также зависит от этого тока. Очевидно, что при неизменной мощности управления с ро­ стом тока якоря, т. е. с увеличением нагрузки на валу ГЭД, ве­ личина Фвг будет уменьшаться и соответственно будет умень­ шаться напряжение, развиваемое возбудителем генератора, т. е. напряжение обмотки возбуждения генератора и его магнитный поток. Так как скорость генератора Г не изменяется, то с умень­ шением его возбуждения, т. е. магнитного потока, уменьшается ве­ личина напряжения, развиваемого генератором и прикладывае­ мого к гребному электродвигателю.

механическая крутопадающая характеристика гребного электро­ двигателя (ù = f(M), приведенная на рис. 71, б (кривая 4): Эта характеристика показывает, что в ГЭУ с трехобмоточным

149