книги из ГПНТБ / Головин Ю.К. Судовые электрические приводы. Устройство и эксплуатация учебник

Трехобмоточный генератор имеет, кроме независимой обмотки воз­ буждения НОГ и противокомпаундной ПКО, еще одну обмотку — шунтовую ШОГ, подключенную параллельно якорю генератора. Ее и. с.

действует согласно с н. с. независимой обмотки и встречно с противо­ компаундной. Магнитный поток генератора создается результирующей н. с. всех трех обмоток, равной алгеб­ раической сумме их намагничивающих

ратора Fr уменьшается. Снижаются его магнитный поток и э. д. с.

Из-за уменьшения э. д. с. напряжение на шунтовой обмотке падает. Ток, протекающий по ней, и ее Fm становятся меньше. Это тоже

уменьшает магнитный поток и э. д. с. генератора. Однако, так как в этой системе обязательно применяют насыщенные генераторы, сниже­ ние н. с. при увеличении нагрузки до предельно допустимой ненам­ ного уменьшает поток генератора и его э. д. с. Следовательно, ча­ стота вращения исполнительного электродвигателя снижается нена­ много. Он работает по сравнительно жесткой части механической характеристики.

При дальнейшем увеличении нагрузки генератор переходит на работу по ненасыщенной части характеристики намагничивания Ф = = / (Ёг). Магнитный поток и э. д. с. генератора убывают интенсивнее, причем этому способствует шунтовая обмотка. Частота вращения элек­ тродвигателя значительно снижается. Крутизна механической ха­ рактеристики электродвигателя в области перегрузки увеличивается по сравнению с характеристикой в системе Г—Д с противокомпаундным генератором.

Форма механической характеристики зависит от соотношения параметров обмоток возбуждения генератора — от числа витков про­ тивокомпаундной обмотки wa и от отношения н. с. шунтовой обмотки

90

fipn идеальном холостом ходе, к и. с. независимой обмотки, которое обозначают через ф,

Fn in

С возрастанием я|з и wa крутизна механической характеристики уве­

личивается (рис. 53), а момент стоянки электродвигателя уменьшает­ ся. Это объясняется увеличением роли шунтовой и противокомпаундной обмоток в общей магнитной системе генератора. Задаваясь мо­ ментом или током стоянки, кратковременно допустимыми для элек-

Рпс. 53. Механические характеристики исполнительного электродвигателя в си­ стеме Г—Д с трехобмоточным генератором:

а — при oyn=consl; ij5—t/яг; 6 — при -ij)=const; wn = var

тропривода, и номинальной скоростью электродвигателя,.можно подобрать параметры обмоток генератора так, чтобы получить механиче­ скую характеристику, проходящую через заданные точки при высо­ ком коэффициенте эффективности.

§ 23. Система согласно-встречного включения

На судах с сетью постоянного тока находит применение система согласно-встречного включения, называемая также бустерной (рис. 54). Исполнительный электродвигатель ИД

присоединен к сети, а последовательно с его якорем включен якорь вольтодобавочной машины ВМ (бустера). Она приводится во вращение приводным электродвигателем И Д , получающим питание от сети. Не­

зависимые обмотки возбуждения всех машин системы также питаются от сети.

Независимая обмотка возбуждения вольтодобавочной машины НОВМ подключена к сети через переключатель П1, при помощи кото­

рого можно изменять направление протекающего по этой обмотке тока. В зависимости от его направления изменяется полярность вольтодо­ бавочной машины, включенной либо согласно с сетью, либо встречно ей. В первом случае на якорь ИД поступает сумма напряжений сети и ВМ, а во втором — их разность. Номинальное напряжение ВМ рав-

91

но напряжению сети. Если она разбивает номинальное напряжение и включена согласно с сетью, то на якорь И Д подается удвоенное на­

пряжение сети и электродвигатель вращается с номинальной ско­ ростью. Если она не развивает напряжения, то на электродвигатель подается только напряжение сети и он вращается со скоростью, умень­ шенной вдвое. Наконец, если вольтодобавочная машина включена встречно с сетью и развивает номинальное напряжение, то напряжение, приложенное к электродвигателю, равно нулю, и он не вращается. Плавное регулирование частоты вращения ИД в пределах от номиналь­ ной до нуля осуществляют при помощи регулировочного реостата РР1.

Рис. 54. Схема системы согласно-встречного включения (бустерной системы)

Для снижения скорости до половины номинальной постепенно умень­ шают этим реостатом напряжение вольтодобавочной машины до нуля. Для дальнейшего снижения скорости изменяют полярность вольтодоба­ вочной машины и тем же реостатом постепенно снова увеличивают ее напряжение до номинального. Регулирование скорости вверх до номинальной осуществляют так же, как в системе Г—Д, при помощи реостата РР2, включенного в цепь независимой обмотки возбуждения

электродвигателя. Реверсируют исполнительный электродвигатель так же, как при обычном питании его непосредственно от сети, — из­ меняют полярность напряжения, подведенного к якорю электродви­ гателя. Для этого служит переключатель П2. При согласном включении с сетью ВМ работает в генераторном режиме, а приводной электродви­

гатель преобразователя потребляет электроэнергию из сети. При встречном включении ВМ переходит в двигательный режим, а привод­

ной электродвигатель — в генераторный, возвращая часть электро­ энергии обратно в сеть.

Кроме рассмотренной схемы системы согласно-встречного включе­ ния, находят применение и ее модификации, например схема с допол­ нительной последовательной обмоткой возбуждения вольтодобавочной машины. Намагничивающая сила этой обмотки, по которой проходит ток нагрузки исполнительного электродвигателя, при встречном вклю-

92

ченМи вольтодобавочной машВнь1 действует согласно с н. с. её нёзавН-

симой обмотки возбуждения. При увеличении нагрузки исполнитель­ ного электродвигателя напряжение вольтодобавочной машины из-за действия последовательной обмотки увеличивается, напряжение, под­ веденное к исполнительному электродвигателю, уменьшается и часто­ та вращения его снижается. В случае согласного включения вольто­ добавочной машины н. с. последовательной обмотки действует встреч­ но с н. с. независимой обмотки, так как направление тока в якорной цепи при этом не изменяется. Следовательно, и в этом режиме увели­ чение нагрузки исполнительного электродвигателя приводит к сниже­ нию его частоты вращения — из-за действия последовательной обмот­ ки напряжение вольтодобавочной машины в этом случае уменьшается. Таким образом, последовательная обмотка играет здесь такую же роль, как противокомпаундная обмотка генератора в системе Г—Д. Соответствующим подбором параметров обмоток вольтодобавочной машины можно и в этой системе при перегрузках достичь режима стоянки исполнительного электродвигателя под током допустимой ве­ личины. Применяют также системы с трехобмоточной вольтодобавоч­ ной машиной, с компаундным исполнительным электродвигателем и т. д. Механические характеристики электропривода, работающего по системе согласно-встречного включения, такие же, как характерис­ тики системы Г— Д.

Система согласно-встречного включения обладает теми же основ­ ными достоинствами, что и система генератор—двигатель, обеспе­ чивая, в частности, плавное регулирование частоты вращения в ши­ роких пределах и падающую механическую характеристику электро­ привода. Но по сравнению с системой Г—Д она имеет и преиму­ щества: мощность преобразователя при той же мощности исполнитель­ ного электродвигателя примерно вдвое меньше, следовательно, мень­ ше масса, габариты и стоимость электромашин системы; коэффициент полезного действия системы выше.

Данная система регулирования имеет ограниченное использование, так как ее применение возможно лишь при электрификации судна на постоянном токе.

§ 24. Двухдвигательный электропривод

Двухдвигательный электропривод — это привод, выполненный при помощи двух одинаковых электродвигателей. Важ­ нейшим достоинством привода является его высокая надежность— при выходе из строя одного из электродвигателей его сможет заме­ нить другой. В ряде случаев двухдвигательный привод применяют, если невозможно изготовить электродвигатель требуемой большой мощности.

Электродвигатели двухдвигательного привода соединяют с механиз­ мом через зубчатый редуктор или через дифференциальный редуктор Федорицкого, который широко применялся в прошлом для привода ру­ левых устройств.

93

Во время работы привода якоря обоих электродвигателей жестко связаны через редуктор и вращаются с одинаковой скоростью. Если один из электродвигателей отключают от питающей сети, то его якорь при работе привода вращается как маховик, приводимый во вращение вторым электродвигателем.

При работе двух электродвигателей одинаковой мощности на об­ щий вал механизма необходимо, чтобы нагрузка распределялась между ними строго равномерно. В противном случае при полной нагрузке

Рис. 55. Механические характеристики двухдвигательного электропривода:

а — при параллельном соединении шунтовых электродвигателей; б — то же, при последо­ вательном; в — при параллельном соединении серпесных электродвигателей

механизма один из электродвигателей окажется перегруженным. На равномерность загрузки электродвигателей при параллельном под­ ключении к сети большое влияние оказывают их механические характе­ ристики. В этом можно убедиться, рассматривая изображенные на рис. 55, а механические характеристики 1 и 2 двух шунтовых электро-

94

двигателей. В общем случае характеристики имеют разный наклон к оси моментов и пересекают ось ординат при различных значениях ча­ стот вращения идеального холостого хода /;о1и /г02. Механическая ха­ рактеристика 3 двухдвигательного привода получается, если сложить

моменты обоих электродвигателей при одинаковой частоте вращения несколько раз и соединить между собой полученные точки.

Допустим (для простоты рассуждений), что электродвигатели сое­ динены с механизмом непосредственно. Предположим, что момент со­ противления механизма М с = 2М и. Для преодоления этого момента

оба электродвигателя вместе должны развивать вращающий момент М = 2уИ Согласно характеристике 3 этому моменту соответствует частота вращения п. Следовательно, оба жестко соединенных между

собой электродвигателя будут развивать эту частоту вращения. Судя по механическим характеристикам электродвигателей, один из них при этом будет развивать момент М 2, меньший, чем номинальный М и, а второй — момент M lt больший, чем номинальный. Таким образом,

хотя суммарный момент всего привода номинальный, один из электро­ двигателей оказывается недогруженным, а второй перегруженным.

Рассмотрим другой случай. Допустим, что нагрузка равна М'с и оба электродвигателя развивают в сумме вращающий момент М' =

= /И£ и работают с частотой вращения я'. При этой частоте враще­ ния один электродвигатель развивает вращающий момент М[, а

второй — тормозной момент УИ9. Второй электродвигатель не только не работает на общий вал, но, наоборот, потребляет энергию с вала, нагружая этим дополнительно первый электродвигатель и передавая часть полученной энергии обратно в сеть. Другая часть полученной от вала энергии бесполезно тратится на покрытие внутренних потерь в этом электродвигателе, работающем в генераторном режиме. Ясно, что такая работа электропривода нерациональна.

Даже у совершенно одинаковых по паспортным данным электродви­ гателей механические характеристики могут совпадать полностью только случайно. Самое незначительное отклонение в величине сопро­ тивления обмотки возбуждения, допущенное при изготовлении элек­ тродвигателя, приводит при том же напряжении сети к иной скорости идеального холостого хода, чем у другого электродвигателя. Небольшое неравенство сопротивлений якорных цепей двух одинаковых электро­ двигателей вызывает различный наклон их характеристик. На харак­ теристики влияет также величина воздушного зазора, реакции якоря и т. д.

Включение наладочных сопротивлений для выравнивания механи­ ческих характеристик также не дает должного эффекта.

В связи с этими затруднениями в практике двухдвигательного при­ вода постоянного тока чаще применяют не параллельное, а после­ довательное соединение якорей электродвигателей. Номинальное на­ пряжение электродвигателей должно быть в этом случае вдвое меньше напряжения сети. Обмотки возбуждения при этом соединяют тоже последовательно, стремясь к равенству магнитных потоков электро­ двигателей, а следовательно, и их скоростей идеального холостого хода. Иногда обмотки возбуждения соединяют параллельно, а для вы-

95

равнивання магнитных потоков электродвигателей в цени обмоток включают наладочные сопротивления. При последовательном соеди­ нении по якорям электродвигателей проходит одинаковый ток незави­ симо от величины общей нагрузки. Следовательно, при совместной работе на общий вал нагрузка между ними вынужденно распределяет­ ся равномерно, хотя механические характеристики электродвигате­ лей при раздельной работе могут отличаться. Происходит и автомати­ ческое перераспределение напряжений, подведенных к якорям элек­ тродвигателей: одно становится больше, чем половина напряжения сети, а другое — настолько же меньше. Из-за этого характеристики электродвигателей смещаются параллельно самим себе — у одного вверх от естественной, а у другого вниз, причем так, что они пересе­ каются при определенной частоте вращения, соответствующей полови­ не общей нагрузки на привод.

На рис. 55, б показаны естественные характеристики 1 и 2 двух

шунтовых электродвигателей, соединенных последовательно, и харак­ теристики Г и 2', получающиеся при общей нагрузке привода, равной 2М. Магнитные потоки обоих электродвигателей равны между собой. Каждый из электродвигателей при п развивает момент М, хотя при

параллельном соединении те же электродвигатели развивали бы при этой частоте вращения моменты ЛК и М 2.

Если магнитные потоки электродвигателей уравнять невозможно, то они, работая с одинаковым током, развивают неодинаковые моменты, отличающиеся ненамного. Такой режим работы вполне допустим, так как главной опасностью при двухдвигательном приводе является пере­ грузка одного из электродвигателей именно по току, а это при после­ довательном соединении исключено.

У сериесных электродвигателей при работе на общий вал нагрузка между ними распределяется более благоприятно, чем у шунтовых. Так как характеристики сериесных электродвигателей мягкие, то даже при большом несовпадении характеристик и при параллельном вклю­ чении разница в нагрузках электродвигателей привода получается небольшой. Это видно из рис. 55, в, на котором показаны механические характеристики отдельных электродвигателей 1 и 2 и механическая характеристика электропривода 3. При любых нагрузках моменты М г и М 2, М{ и М'2 отличаются друг от друга ненамного. Чем мягче

характеристики электродвигателей двухдвигательного привода, в том числе и компаундных, тем более равномерно распределяется между ними нагрузка при прочих равных условиях.

Совместная работа асинхронных электродвигателей протекает в основном так же, как шунтовых при параллельном соединении. Хотя синхронная скорость у них одинаковая и работа в тормозном режиме невозможна, распределение нагрузки между ними может ока­ заться неудовлетворительным из-за большой разницы в наклоне ме­ ханических характеристик. Чем меньше номинальное скольжение асинхронного электродвигателя, тем большую нагрузку он на себя принимает. Совмещение характеристик возможно только у фазных электродвигателей. С этой целью в цепи их роторов включают нала­ дочные сопротивления.

96

Во время работы электродвигателей выделяется тепло, количество которого в единицу времени равно потерям мощ­ ности, которые при неизменной нагрузке равны

туры электродвигателя, а часть отдается в окружающую среду. Чем выше становится температура, тем больше тепла выделяется в окру­ жающую среду и тем медленнее нагревается электродвигатель. Через определенное время почти все тепло, выделяемое в электродвигателе, отдается окружающей среде. Начиная с этого момента .повышение тем­ пературы электродвигателя практически прекращается. Темпера­ тура, которой ои достиг к этому времени, называется установившейся.

Она тем выше, чем больше нагрузка электродвигателя.

Для определения зависимости температуры электродвигателя от времени его работы нужно составить уравнение теплового баланса, которое учитывает поступление и расход тепла в единицу времени. Для упрощения поставленной задачи принимают, что: а) электродви­ гатель представляет собой сплошное однородное тело; б) температу­ ра во всех точках электродвигателя в каждый данный момент вре­ мени одинакова, т. е. теплопроводность электродвигателя равна бес­ конечности; в) отдача тепла окружающей среде пропорциональна раз­ ности температур электродвигателя и этой среды.

При принятых допущениях уравнение теплового баланса электро­

где Q — количество тепла, выделяемого в электродвигателе в еди­

ницу времени, кал/с;

А— теплоотдача электродвигателя, т. е. количество тепла, от­ даваемого им в окружающую среду в единицу времени при разности температур электродвигателя и среды, рав­

ной одному градусу, кал/с • град;

С— теплоемкость электродвигателя, т. е. количество тепла, необходимое для повышения его температуры на один

градус, кал/град;

т — температура перегрева, т. е. превышение температуры электродвигателя над температурой окружающей среды, град;

t — время нагрева электродвигателя, с.

Левая часть уравнения выражает собой количество тепла, выде­ ленного в электродвигателе за элементарный отрезок времени dt.

Первый член правой части уравнения характеризует количество теп­ ла, отданного за этот же отрезок времени окружающей среде при су­ ществующем в это время перепаде температур т. Второй член правой части уравнения показывает, какое количество тепла израсходовано за время dt на повышение температуры электродвигателя иа величину dx. Чтобы найти зависимость х = /(/), решим это уравнение относи­ тельно х. Сначала разделим переменные

(Q— Ax)dl == Cdx,

откуда

Интегрируя его, получим:

/ = — £-1п(<2-Л т)4-К .

А

Постоянную интегрирования К определим из начальных условий, полагая, что в общем случае при t — 0 т = т0, где т0— температура начального перегрева электродвигателя:

K = - j- ln { Q - A x 0).

Подставим К в предыдущее уравнение:

* = — -j-lln(Q — Лт) — ln(Q — Лт0)1.

Преобразуем это уравнение:

Q— Atq

98