книги из ГПНТБ / Михайлов В.С. Судовые электростанции и электродвижение судов учеб. пособие
.pdfОписанные соотношения справедливы для неявнополюсного вы сокооборотного синхронного двигателя, однако без значительной погрешности они могут быть приняты и для явнополюсных двига телей, какими обычно являются гребные синхронные электродви гатели.
Таким образом, в синхронном режиме синхронный двигатель работает с постоянной угловой скоростью, равной синхронной угло вой скорости поля статора. Механическая характеристика синхрон ного двигателя представлена на рис. 89, б.
Угловая скорость гребного синхронного электродвигателя опре деляется уравнением
ш0 |
= M . |
|
Р |
Из этого уравнения видно, что скорость гребного синхронного дви гателя можно регулировать только двумя способами: изменением числа пар полюсов р и изменением частоты напряжения, подводи мого к двигателю.
Первый способ практически не применяется, так как он связан с усложнением конструкции гребного двигателя. Кроме того, этот способ дает возможность регулировать угловую скорость только ступенями при малом количестве ступеней.
Второй способ регулирования угловой скорости — изменением частоты — широко используется на практике. Однако, как уже изве стно, он связан с необходимостью изменения угловой скорости при водного двигателя синхронного генератора или установки преобра зователя частоты.
Реверс гребного синхронного электродвигателя осуществляется путем переключения двух фаз обмотки статора с помощью ревер сивного переключателя. В период реверсирования двигателя он ра ботает с выключенным возбудителем ротора и все процессы проте кают точно так же, как в ГЭУ с асинхронным гребным электродви гателем.
Из указанных для гребных асинхронных электродвигателей трех способов увеличения вращающего момента в период реверса для синхронного гребного электродвигателя приемлемы лишь два: уменьшение частоты и увеличение подводимого напряжения. Из менение формы механической характеристики с помощью сопро тивления в цепи ротора для синхронного гребного электродвига теля неприемлемо, так как пусковая обмотка его замкнута накоротко. В результате реверсирование гребного синхронного электродвигателя с короткозамкнутой пусковой обмоткой осуще ствляется в следующем порядке:
1) снижается угловая скорость приводных двигателей синхрон ных генераторов, тем самым снижается частота напряжения, под водимого к гребному электродвигателю;
2) снимается напряжение с обмотки возбуждения генераторов
игребного электродвигателя;
3)с помощью реверсивного переключателя переключаются две фазы гребного двигателя;
180
4) при снятом возбуждении на двигателе подается увеличенное возбуждение на генераторы;
5) после реверсирования вала гребного двигателя и разгона ротора двигателя до подсинхронной скорости, соответствующей пониженной частоте напряжения, в цепь возбуждения двигателя подается номинальное напряжение и двигатель втягивается в син хронизм;
6) напряжение возбуждения генераторов снижается до номи нального, угловая скорость приводных двигателей и частота тока доводятся до номинальных значений.
Описанный порядок соответствует реверсированию гребного синхронного электродвигателя с полной угловой скорости в одном направлении до полной угловой скорости в обратном направлении.
В отдельных системах ГЭУ с синхронными гребными электро двигателями перед реверсированием, т. е. непосредственно перед переключением фаз статора двигателя, осуществляется его дина мическое торможение. С этой целью статор гребного электродвига теля, отключенный от шин электродвижения, подключается на тор мозное сопротивление, а в цепь возбуждения двигателя подается напряжение возбуждения. В таком режиме гребной двигатель ра ботает как генератор, приводимый во вращение гребным валом, причем энергия вращения вала превращается в тепловую энергию в тормозном сопротивлении и рассеивается. Использование дина мического торможения гребного синхронного электродвигателя перед реверсированием снижает величину тормозных моментов, потребных для изменения направления вращения гребного вала. Однако, как видно из описания процесса динамического торможе ния, система управления гребным двигателем в этом случае услож няется, так же как усложняются операции при реверсировании.
Обладая более высоким к. п. д., меньшими массой и стоимостью, чем другие ГЭУ переменного тока, гребные установки с синхрон ными электродвигателями наряду с этими положительными качест вами имеют существенные недостатки. К ним относятся худшие, чем у асинхронных электродвигателей, пусковые характеристики гребных синхронных двигателей, меньшая перегрузочная способ ность.
Давая общую оценку ГЭУ переменного тока с гребными син хронными электродвигателями, следует отметить, что этот тип ГЭУ более экономичен и надежен в эксплуатации, но имеет худшие маневренные качества, чем ГЭУ с гребными асинхронными элект родвигателями.
§ 48. Параллельная работа синхронных генераторов ГЭУ переменного тока
Как показано выше, в дизель-электрических гребных установках переменного тока количество генераторных агрегатов обычно пре вышает количество гребных электродвигателей, и иногда возникает необходимость обеспечения параллельной работы синхронных гене-
181
раторов. Условия параллельной работы генераторных агрегатов в автономных электроэнергетических установках, какими являются ГЭУ, более сложны, чем в разветвленных береговых электроэнер гетических системах. Это объясняется, во-первых, несовершенством центробежных регуляторов угловой скорости дизелей, приводящих в движение синхронные генераторы, а также импульсным характе ром вращающего момента на валу дизеля. Во-вторых, генераторы работают при изменении нагрузки в широких пределах.
Параллельная работа синхронных генераторов в ГЭУ перемен ного тока особенно усложняется при отключенном гребном электро двигателе, например в период реверсирования. В этот период гене раторы не связаны общей нагрузкой, их возбуждение отключается, чтобы иметь возможность переключать фазы в цепи главного тока при отсутствии напряжения. Так как регуляторы скорости дизелей являются центробежными, то они не в состоянии обеспечить син хронное и синфазное вращение всех генераторных агрегатов, не свя занных общей нагрузкой. В результате генераторы выпадают из синхронизма. Для введения генераторов в синхронизм потребуется время, длительность которого зависит от количества совместно ра ботающих генераторов.
Несовершенство регуляторов угловой скорости дизелей затруд няет одновременное и одинаковое изменение скорости всех совме стно работающих генераторов в маневренных режимах ГЭУ.
Отмеченные обстоятельства длительное время препятствовали обеспечению параллельной работы ДЭГУ переменного тока, что в большой степени сужало область применения этого типа ГЭУ, ограничивая ее установками, в которых схемы главного тока вклю чали в себя один генератор и один гребной электродвигатель.
Проблема обеспечения параллельной работы генераторов ДЭГУ переменного тока решалась в двух направлениях: разработкой спе циальных регуляторов дизелей, позволяющих осуществлять одно временное и одинаковое изменение угловой скорости всех совме стно работающих дизель-генераторов; разработкой специальных конструкций и схем генераторов, с помощью которых можно обес печить удержание генераторов в синхронизме при снятом напря жении на шинах электродвижения. Следует отметить, что все регу ляторы приводных двигателей, применяемые в настоящее время в ГЭУ, основаны на центробежном принципе. Регулирующее воздей ствие на приводной двигатель с помощью таких регуляторов воз никает только при отклонении угловой скорости от заданной. По
скольку точность регулятора каждого агрегата |
ограничена, |
то |
|
система регулирования |
не в состоянии обеспечить синхронное и син |
||
фазное вращение валов всех генераторных агрегатов. |
|
||
Вследствие этого ряд предложенных систем, |
обеспечивающих |
||
параллельную работу |
синхронных генераторов |
ГЭУ, включали |
|
в себя генераторы специальных конструкций, что |
усложняло |
как |
генераторы, так и систему электродвижения в целом. Поэтому та кие системы не нашли широкого применения. Рассмотрим один из возможных путей решения указанной проблемы.
182
Очевидно, что если снабдить приводные двигатели всех совме стно работающих генераторов такими регуляторами, которые обес печили бы синхронное и синфазное вращение агрегатов, то все генераторы были бы постоянно готовы к включению на параллель ную работу без всяких дополнительных устройств, так как они оказались бы связанными единым жестким валом.
Регуляторы, отвечающие сформулированным требованиям, раз работаны на кафедре электрооборудования судов Николаевского ордена Трудового Красного Знамени кораблестроительного инсти тута.
Рис. 90. Функциональ ная схема регулиро вания ДЭГУ.
Принцип действия системы автоматического регулирования уг ловой скорости совместно работающих генераторных агрегатов рас смотрим на примере ГЭУ, в состав которого входят два генера тора Г (рис. 90), приводимых во вращение двумя приводными дви гателями ПД. Каждый агрегат снабжен регулятором, состоящим из маломощного синхронного двигателя — задающего двигателя ЗД и измерителя момента ИМ задающего двигателя. Задающие двига
тели всех регуляторов питаются от |
одного |
источника напряже |
ния— генератора регулируемой частоты ГРЧ. |
Регуляторы воздей |
|
ствуют на приводные двигатели через |
исполнительные органы ПО. |
Регулирование угловой скорости приводных двигателей, обес печивающее их синхронное и синфазное вращение, осуществляется следующим образом.
Угловая скорость ЗД в каждом регуляторе выбирается равной синхронной угловой скорости генератора, одинаковой для всех генераторных агрегатов. Вследствие этого при вращении генера тора с заданной угловой скоростью вал генераторного агрегата и вал ЗД вращаются синхронно и синфазно, вращающий момент на валу ЗД и выходной сигнал регулятора равны нулю. Это соответ ствует такому состоянию исполнительного органа ИО, при кото ром обеспечивается подача топлива двигателю ПД, соответствую щая требуемой угловой скорости.
183
При отклонении угловой скорости приводного двигателя от тре
буемой относительное положение его вала и вала ЗД |
изменится, |
|||||
вал генераторного агрегата через муфту ИМ |
будет |
увлекать за |
||||
собой |
вал ЗД, |
создавая вращающий момент, |
пропорциональный |
|||
расхождению валов ПД |
и ЗД. |
На выходе ИМ в этом случае возни |
||||
кает |
сигнал, |
который |
через |
ИО воздействует |
на подачу топлива |
А~А
Рис. 91. |
Конструкция |
регулятора |
приводных двигателей ГЭУ |
переменного |
||
|
|
|
|
тока. |
|
|
к ПД в таком направлении, чтобы угловая скорость |
генераторного |
|||||
агрегата установилась равной угловой скорости ЗД |
и оба вала — |
|||||
ПД и ЗД — заняли |
синфазное |
положение. |
|
|
||
Так |
как задающие двигатели регуляторов всех |
агрегатов пи |
||||
таются |
от одного источника, то по окончании процесса регулирова |
|||||
ния валы |
всех генераторных агрегатов будут вращаться |
синхронно |
и синфазно так, как если бы все генераторные агрегаты были свя заны единым жестким валом. Изменяя частоту питания задающих двигателей, т. е. выходную частоту ГРЧ, можно обеспечить одно временное и одинаковое изменение угловой скорости всех генера
торных |
агрегатов. |
|
|
|
|
Конструкция регулятора* представлена |
на рис.91, причем на |
||||
рис. 91, а показан продольный |
разрез, а на |
рис. 91, б — вид регу |
|||
лятора |
слева |
без синхронного |
двигателя с |
частичным разрезом. |
|
* К р а с н о в |
В. В., М и х а й л о в |
В. С, |
П и с к у н о в А. М. Регулятор ско |
||
рости вращения валов двигателей. Авт. |
свид. |
№375630. Бюлл. изобрет., 1973, № 16. |
184
Измеритель момента регулятора представляет собой вращаю щийся гидравлический потенциометр. Он состоит из диска 4 с двумя соплами 18 и 19 и вилки 5, лопатки которой представляют собой заслонки, входящие в промежуток между соплами. Диск наса жен на валик 2, который посредством шестерен 3 и 15 связан с ва ликом 17, сочленяемым с валом регулируемого двигателя. Вилка связана с валиком 9, сочленяемым с ротором задающего синхрон ного двигателя 8.
Таким образом, вращающийся гидравлический потенциометр представляет собой поводковую муфту, ведущим элементом кото рой является диск, связанный через передачу с валом регулируе мого двигателя, а ведомым — вилка, связанная с ротором задаю щего двигателя.
Сопла |
18 |
и |
19 |
диска |
4 продольными |
отверстиями |
в валике 2 |
|||
и каналами |
11 |
и 16 соединяются с верхней и нижней |
полостями |
|||||||
гидропривода, |
поршни |
которого 10 и |
14 |
посредством |
пальца 12 |
|||||
связаны с валиком |
управления |
13 — исполнительным |
органом при |
|||||||
водного |
двигателя. |
Рабочая |
жидкость |
к |
соплам |
потенциометра |
и в полости гидропривода подается шестеренным насосом, шестер ни 20 и 21 которого приводятся во вращение валиком 17.
Все элементы регулятора размещены в разборном корпусе, со стоящем из трех частей: нижней /, средней 6 и верхней 7. Свобод ные полости корпуса используются как емкость для рабочей жид кости. Задающий двигатель 8 с помощью фланца крепится к верх ней части корпуса.
Регулятор работает следующим образом. При синхронном и синфазном вращении поля статора задающего двигателя (ЗД) и вала генераторного агрегата момент на валу З Д будет равен нулю. В этом случае лопатки (заслонки) вилки 5 обеспечат одинаковое открытие сопл 18 и 19 и, следовательно, одинаковые давления на поршни 10 и 14 гидропривода.
Если положение вала регулируемого двигателя станет откло няться от положения синхронного и синфазного с вращающимся полем статора ЗД, то на валу последнего возникнет момент т:
|
, |
d2a |
. |
da |
, С. |
|
|
|
|
т = J |
dt* |
\- с |
dt |
\-оа, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где а — угол между положением |
вала генераторного |
агрегата |
и по |
|||||
ложением |
вращающегося магнитного поля статора ЗД; |
|||||||
/ — момент инерции ротора |
З Д |
и вращающихся |
с ним |
элемен |
||||
тов; |
|
|
|
|
|
|
|
|
с, ô — жесткость угловой характеристики и коэффициент |
демпфи |
|||||||
рования ЗД. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Под влиянием момента m заслонка |
прикроет одно из |
сопл (18 |
||||||
или 19) диска 4, а |
другое |
приоткроет. |
Вследствие |
этого |
в |
поло |
||
стях гидропривода |
возникнет разность |
давлений на |
поршни |
10 и |
14, что вызовет перемещение поршней и поворот валика управле ния 13, связанного с органом управления подачи топлива к первич ному двигателю. До тех пор пока вращение вала генераторного
1 185
агрегата не станет синхронным и синфазным вращению поля ста тора ЗД, на приводной двигатель регулятора будет оказываться регулирующее воздействие, пропорциональное углу а, первой и второй производным этого угла по времени.
Общий вид генераторного агрегата с рассмотренным регулято ром показан на рис. 92, где 1— синхронный генератор; 2— привод-
/ |
77777777777^, |
|
7777777777777Т/^Т:/7777У77777ТГ7?7777777777777777/777?- |
|
|
Рис. 92. Внешний вид генераторного агрегата ГЭУ с регулятором. |
|
|
ной двигатель генератора (дизель); 3— промежуточный |
валик; |
|
4 — корпус регулятора; 5 — задающий двигатель; 6 — валик |
управ |
ления. Регулятор присоединяется к дизелю валиком 17 (см. рис. 91).
§ 49. ГЭУ переменного тока с отбором мощности для общесудовых потребителей электроэнергии
До сих пор нами рассматривались системы электродвижения, в которых электроэнергетические установки использовались только для питания гребных электродвигателей. На судах с такими ГЭУ для питания общесудовых потребителей устанавливаются отдель ные электростанции.
В принципе возможно на ходу судна часть генераторных агре гатов ГЭУ использовать для питания других потребителей, отклю чив эти агрегаты от шин электродвижения. Кроме того, в ГЭУ по стоянного и переменного тока на валы генераторных агрегатов, предназначенных для питания гребных электродвигателей, иногда навешивают генераторы для питания общесудовых потребителей. Такое решение, по существу, является одним из вариантов валогенератора, рассмотренного в первой части настоящего пособия.
В настоящее время разработаны судовые электроэнергетиче ские установки, способные в различных ходовых режимах судна
обеспечивать электроэнергией от одних и тех же генераторов |
одно |
||
временно как гребной электродвигатель, так и общесудовые |
потре |
||
бители. Такие установки будем |
называть е д и н ы м и |
с у д о в ы м и |
|
э л е к т р о э н е р г е т и ч е с к и м и |
у с т а н о в к а м и |
(ЕСЭУ). |
Применение ЕСЭУ позволяет отказаться от установки вспомога тельной электростанции для питания общесудовых потребителей и значительно повысить экономичность генераторных агрегатов.
186
Использование в качестве ЕСЭУ рассмотренных выше гребных электрических установок невозможно потому, что требования к ка честву электроэнергии со стороны общесудовых потребителей и со стороны гребных электродвигателей различны. В частности, напря жение на шинах общесудовых потребителей должно поддержи ваться неизменным с точностью 2,5% Для всех нагрузок от холо стого хода до номинальной, а напряжение, подводимое к гребному электродвигателю, может изменяться в широких пределах.
Так как подавляющее большинство современных судов имеет электрооборудование на переменном токе, то наибольший интерес представляют ЕСЭУ с синхронными генераторами.
КР2
|
Рис. 93 |
Схема главного |
тока судов типа |
«Зеленодольск». |
|
|
|
|
|
|
) |
Первые построенные в нашей стране ЕСЭУ можно подразде |
|||||
лить |
на два типа. |
|
|
|
|
Первый тип ЕСЭУ характеризуется тем, что гребной электро |
|||||
двигатель подключается на |
шины главного |
распределительного |
|||
щита |
судовой |
электростанции через промежуточные |
устройства |
||
регулирования |
параметров электроэнергии, подаваемой |
на ГЭД. |
Эти устройства вместе с аппаратурой управления ГЭД позволяют обеспечить устойчивую работу общесудовых потребителей электро энергии.
Второй тип ЕСЭУ характеризуется использованием в ГЭУ греб ных винтов регулируемого шага (ВРШ) . В этом случае управление режимами работы гребной установки осуществляется в основном с помощью системы управления ВРШ, что значительно снижает
требования к пусковым и регулировочным качествам |
ГЭД. |
К первому типу ЕСЭУ относится электростанция |
судов типа |
рыбоморозильного рефрижератора «Зеленодольск». В этих уста новках гребной асинхронный электродвигатель ГЭД (рис. 93) под-
187
ключается на' |
шины |
судовой электростанции через индукцион |
ный регулятор |
ИР, |
позволяющий плавно регулировать подво |
димое к двигателю напряжение от нуля до номинального зна чения.
Для поворота индукционного регулятора служит приводной двигатель ИД — короткозамкнутый асинхронный электродвига тель.
Как отмечалось ранее, регулирование угловой скорости асин хронного электродвигателя изменением величины подводимого на пряжения является весьма несовершенным, так как существенно уменьшает вращающий момент двигателя, пропорциональный квадрату подводимого напряжения. Поэтому в рассматриваемой
ЕСЭУ применен гребной асинхронный электродвига тель с фазным ротором» в цепь которого включен ре гулировочный реостат с че тырьмя ступенями сопро тивлений Ri — Ri. Вследст вие этого ГЭД имеет пять механических характери стик: одну естественную 3 и четыре искусственные 4—7 (рис. 94), соответствующие четырем значениям добавоч ных сопротивлений в цепи ротора.
|
ІВ |
ММ-м-tS1 |
Регулирование |
угловой |
||||
|
|
|
скорости |
с помощью реоста- |
||||
Рис. 94. Механические характеристики греб- |
т а в |
ц е п и |
|
ротора |
осуществ- |
|||
„ого |
^ е к т р о д в и г а ^ я в^ЕСЭУ судов |
типа |
л я е т с я п р |
и |
н е и з м е н н о м |
н а . |
||
|
|
|
пряжении, |
подводимом |
к |
|||
|
|
|
ГЭД |
и |
равном |
номиналь |
||
ному. Четырем значениям добавочных сопротивлений |
соответст |
|||||||
вуют |
четыре значения критических скольжений |
|
sKp: 0,25, 0,5, |
0,75, |
1,0. Вывод сопротивлений осуществляется с помощью контактов КУ1—КУ4 (см. рис. 93). После того как выведены все сопротивле ния и механическая характеристика ГЭД получила максимальный наклон, дальнейшее регулирование скорости осуществляется изме нением подводимого напряжения (характеристики 8—11 на рис.94 для напряжений соответственно 0,8, 0,6, 0,4 и 0,3 £/НО м)- В резуль тате диапазон регулирования скорости получается весьма большой: практически в пределах от номинальной частоты вращения ГЭД, равной 290 об/мин, до нуля. При этом во всем диапазоне регули рования двигатель имеет достаточно высокий критический момент, т. е. достаточно высокую перегрузочную способность.
Принимая во внимание способы регулирования угловой скорости ГЭД в системе, приведенной на рис. 93, — изменением величины подводимого напряжения и регулированием сопротивления в цепи
188
ротора, — уравнение механических характеристик ГЭД можно за писать в следующем виде:
|
\ t/ном / |
_ £ _ _|_ 5'<Р ' |
|
||
|
|
s |
K p i |
s |
|
где U — напряжение, |
подводимое |
к |
ГЭУ; |
|
|
Uпом — номинальное |
напряжение |
ГЭД; |
|
||
М к р — критический |
момент ГЭД; |
|
|
|
|
s — текущее скольжение; |
|
|
|
|
|
Sup* — критическое |
скольжение, |
|
соответствующее |
определенному |
|
значению сопротивления в цепи ротора. |
|
||||
Установившийся режим работы ГЭД характеризуется точками |
|||||
пересечения (рис. 94) |
определенной |
механической |
характеристики |
с кривыми момента сопротивления на гребном валу, располагаю
щимися между |
характеристикой |
хода в свободной воде (кривая /) |
|||
и швартовной |
характеристикой |
(кривая 2). |
|
|
|
Реверсирование ГЭД осуществляется с помощью реверсивных |
|||||
контактов КР1 — КР4 |
(см. рис. |
93). |
|
|
|
Достоинством рассмотренной ГЭУ является возможность отбора |
|||||
мощности на общесудовые нужды при любом режиме работы |
ГЭД, |
||||
а недостатком — потребность в дополнительном |
громоздком |
обору |
|||
довании: индукционном |
регуляторе, трехфазном |
реостате. |
|
Ко второму типу ЕСЭУ относятся электростанции судов типа рефрижератора «Октябрьск».
Регулирование угловой скорости гребного вала на этих судах осуществляется путем изменения разворота лопастей ВРШ при не изменной угловой скорости ГЭД. Поэтому в качестве ГЭД в ЕСЭУ принят синхронный электродвигатель, обладающий лучшими тех нико-экономическими показателями, чем асинхронный.
На период пуска ГЭД питающие его генераторы отключаются от системы питания потребителей общесудовых нужд. Пуск синхрон ного ГЭД осуществляется с помощью короткозамкнутой пусковой обмотки ротора при пониженной частоте с последующим увеличе
нием частоты питания |
до минимальной и подачей возбуждения. |
|
По окончании процесса пуска шины электродвижения |
соединяются |
|
с шинами собственных |
нужд и система работает, как |
ЕСЭУ. |
Недостатками ЕСЭУ являются увеличение стоимости, усложне ние схемы и снижение надежности ГЭУ из-за наличия ВРШ.
Оба рассмотренных типа ЕСЭУ характеризуются тем, что воз можность соединения шин электродвижения и шин общесудовых потребителей при должном качестве электроэнергии достигается с помощью различных устройств, видоизменяющих только свойства электропривода гребного винта в направлении, определяемом усло виями совместной работы ГЭД и судовой сети. В настоящее время ведутся работы также в направлении видоизменения свойств гене раторных агрегатов с целью создания ЕСЭУ с оптимальными тех ническими характеристиками.
189