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

Описанные 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

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

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

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

А~А

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

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.

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:

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-

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

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

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

рыбоморозильного рефрижератора «Зеленодольск». В этих уста­ новках гребной асинхронный электродвигатель ГЭД (рис. 93) под-

187

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.

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:

с кривыми момента сопротивления на гребном валу, располагаю­

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

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