Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Министерство высшего и среднего специального образования РСФСР
ГОРЬКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
им. А.А.ЖДАНОВА
Кафедра электрооборудования судов
Лаборатория электрооборудования
Лабораторная работа № 1
ГРЕБНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ПОСТОЯННОГО ТОКА ПО СХЕМЕ Г-Д
Горький
1978
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЭУ ПОСТОЯННОГО ТОКА В СИСТЕМЕ Г-Д
Ознакомление с особенностями работы гребных установок. Освоение методики расчета механических характеристик ГЭД постоянного тока, работающего в системе Г-Д, экспериментальное снятие механических характеристик ГЭД и сравнение их с расчетными.
Указания к выполнению работы
Гребная установка (рис.1), предназначенная для движения судна, состоит из источника энергии, находящегося на самом судне, гидравлического движителя, преобразующего механическую энергию вращения в энергию поступательного движения судна, и передачи, соединяющей источник энергии с двигателем.
В качестве источников энергии на морских и речных судах используются тепловые двигатели – паровые или газовые турбины и дизели.
От тепловых двигателей энергия передается к судовым движителям посредством механической, гидравлической или электрической передачи. Действие судового движителя основано на отбрасывании проходящей через него массы воды в сторону, противоположную направлению движения судна, с некоторой силой. Реакция этой силы, воздействующая на корпус судна, является движущей силой судна (силой упора).
В качестве судовых движителей в большинстве случаев используются гребные винты.
Сила упора и момент сопротивления винта зависят от многих факторов: плотности жидкости, диаметра и шага винта, профиля и конфигурации лопасти, скорости движения судна, скорости вращения винта согласно [1]; сила упора определяется выражением.
T = Ct PD4n2; H (1)
M = CmPD5n2; HM (2)
Рис. 1. Схемы гребных установок: а – с непосредственным приводом винта; б – с электрической передачей;
1 – тепловые двигатели (дизели); 2 – генераторы постоянного или переменного тока; 3 – щит управления; 4 – гребной электродвигатель (ГЭД); 5 – упорный подшипник; 6 – гребной винт.
P – массовая плотность жидкости, кг/м3;
D – диаметр винта, м;
n – скорость вращения винта, об/с.
Таким образом, зависимость момента сопротивления винта от скорости его вращения является квадратичной параболой:
Mв = L n2 (3)
На рис. 2 показаны характеристики винта для различных условий плавания:
1 – при ходе судна в спокойной «свободной» воде с коэффициентом пропорциональности L = L1;
2 – для буксировщика – при ходе с «возом» и для ледокола – «ледовая» с L2 > L1;
3 – швартовная при работе гребной установки на швартовах с L3 > L2;
4 – ледовая при вращении гребного винта в мелкобитом льде, увеличивающим момент сопротивления, с L4 > L3.
В гребных установках с непосредственным приводом гребного винта от дизеля или турбины использование полной мощности двигателя возможно только в том режиме работы гребного винта, для которого выбрана гребная установка, т.е. если полная мощность первичного двигателя используется в режиме работы на швартовах, то при ходе в «свободной» воде двигатель будет недогружен; если же первичный двигатель выбран по режиму хода в «свободной» воде, то в режиме работы на швартовах он будет перегружен, снизится его скорость вращения и мощность.
В этом состоит серьезный недостаток гребных установок с непосредственным приводом гребного винта от первичного двигателя. Чтобы использовать полную мощность первичных двигателей при непосредственном приводе и работе винта на всем диапазоне характеристик от хода в свободной воде до работы на швартовах, применяются винты регулируемого шага или гидравлические передачи, что значительно усложняет гребную установку и снижает ее надежность.
Рис. 2 Характеристика гребного винта для различных условий плавания.
Наибольший эффект использования полной мощности первичного двигателя при работе винта во всем диапазоне характеристик достигается применением гребных электрических установок, позволяющих получать нужные характеристики гребных электродвигателей (ГЭД) сравнительно простыми способами. Кроме этого, электрический привод гребных винтов дает более широкую возможность автоматизации и дистанционного управления гребной установкой, повышает ее маневренные качества за счет реверсирования винтов исключительно гребными электродвигателями. Последнее обстоятельство позволяет использовать в гребных установках первичные двигатели нереверсивного типа, т.е. более простые, более легкие и более дешевые. Это упрощение особенно значительно в турбинных установках, где отпадает необходимость в турбинах заднего хода, мощность которых достигает 40-50% от мощности основных турбин.
В ГЭУ, построенных по системе генератор-двигатель (Г-Д) с независимым возбуждением электродвигателя и генератора, механическая характеристика ГЭД представляет собой прямую (рис.3), имеющую малый угол наклона к оси моментов.
Прямая 3 проходит через точку А (Мн; nн), которая соответствует номинальной скорости хода в свободной воде. Точка В пересечения этой характеристики со швартовной кривой винта 2 получается при скорости вращения nв, мало отличающейся от номинальной nв , и соответствует недопустимо большому значению момента Мв .
У пассажирских и грузовых судов гребной винт работает в швартовном режиме кратковременно, только при разгоне судна, скорость вращения и момент электродвигателя могут быть ограничены. Поэтому для этого типа судов прямолинейная механическая характеристика ГЭД является приемлемой.
Рис.3 Характеристики гребного винта при ходе в свободной воде (1), швартовная характеристика (2) и прямолинейная механическая характеристика ГЭД (3).
Для ледоколов, ледокольных судов и буксировщиков характерны изменения момента сопротивления винта в широких пределах. Номинальная мощность первичных двигателей этих судов выбирается по наиболее тяжелому режиму и в то же время соответствует полному ходу в свободной воде. При этом требуется, чтобы ГЭУ допускала использование полной мощности первичных двигателей как на полном ходу, так и при больших сопротивлениях движению.
Для выполнения этого требования мощность ГЭД должна оставаться постоянной при возрастании момента сопротивления гребного винта, что соответствует следующему выражению [1; 2]:
Рдн = Мн ωн = Мω = const (4)
откуда
|
М = |
Мн ωн |
(5) |
|
ω |
Выражения (4), (5) представляют гиперболу, которая показана на рис.4 (кривая 3).
Рис.4 Характеристика гребного винта в свободной воде (1), швартовная характеристика (2), гипербола равной мощности (3), желаемая механическая характеристика ГЭД (4).
Точка А пересечения гиперболы 3 с характеристикой гребного винта 1 определяет режим работы ГЭД при ходе в свободной воде. Точка В пересечения гиперболы 3 с характеристикой винта 2 определяет швартовный режим работы ГЭД.
Чтобы предотвратить поломку гребного вала или повреждение лопастей гребного винта при ударах о лед, момент вращения, развиваемый ГЭД, ограничивается моментом стоянки Мст , величина которого не превышает (1,5 – 2) Мн . При ходе судна на волне, когда гребной винт оголяется частично или полностью, а также при потере судном гребного винта или при поломке лопастей винта скорость вращения ГЭД ограничивается его естественной механической характеристикой (прямая АД на рис.4). Желаемую механическую характеристику ГЭД, изображенную линией ДАВС, получить трудно, но можно получить характеристику, близкую к ней. Для этого генераторы ГЭУ должны иметь искусственные внешние характеристики, получаемые за счет обратных связей в цепи возбуждения.
Если магнитный поток ГЭД не меняется, то изменение момента вращения двигателя между режимами А и В происходит за счет автоматического регулирования тока главной цепи. Для сохранения постоянства мощности первичного двигателя мощность генератора также должна оставаться постоянной. Согласно [2]
Pг = Uвг Iв = UгаIА = UгI = const (6)
Внешняя характеристика генератора Uг = f(I) в соответствии с выражением (6) должна иметь гиперболический вид в интервале изменения тока, соответствующего требуемому изменению момента вращения ГЭД (рис.5).
Заклинивание гребного винта приведет к остановке ГЭД, это вызовет быстрое снижение э.д.с. двигателя, определяемой выражением
Е = кФн ω (7)
где к – конструктивный коэффициент двигателя;
Фн – номинальный поток возбуждения двигателя, Вд;
ω – угловая скорость вращения двигателя, с-1.
Снижение э.д.с. двигателя вызовет возрастание тока главной цепи. Ток генератора при этом автоматически ограничивается и не превышает величины (1,5 + 2) Iн , равной току стоянки Iст (точка С на рис.5).
Рис.5. Требуемая (ДАВС) и крутопадающая действительная (Д1АВС1), внешние характеристики генератора.
Напряжение холостого хода ограничивается естественной характеристикой генератора (прямая АД на рис.5). Требуемую внешнюю характеристику генератора получить трудно. Для получения близкой к ней характеристики применяются возбудители генераторов с постоянно действующей отрицательной обратной связью по току главной цепи. С помощью таких возбудителей можно получить крутопадающую внешнюю характеристику генератора (кривая Д1АВС1 на рис.5). Поэтому в диапазоне изменения тока нагрузки от IА до IВ постоянство мощности генератора и, следовательно, первичного двигателя поддерживается с некоторым приближением.
Лабораторная установка выполнена по системе Г-Д. Принципиальная схема установки приведена на рис.6. В качестве главного генератора (Г) и гребного электродвигателя (ГЭД) использованы машины постоянного тока с независимым возбуждением.
Регулирование скорости вращения ГЭД осуществляется вниз от основной изменением напряжения генератора при неизменном потоке двигателя.
В качестве гонного двигателя генератора, выполняющего функции первичного теплового двигателя, используется асинхронный электродвигатель трехфазного тока М2 .
Схема Г-Д позволяет плавно регулировать скорость вращения ГЭД в достаточно широком диапазоне путем изменения тока возбуждения генератора, позволяет быстро производить ГЭД, может дать требуемую искусственную характеристику ГЭД с большим моментом стоянки под током, достигающим значение (1,5 + 2) Мн , позволяет поддерживать постоянной мощность первичного двигателя; при этом скорость вращения генератора может оставаться неизменной, поскольку изменение тока возбуждения генератора путем коммутации сопротивлений непосредственно в цепи обмотки возбуждения сопровождается большими потерями энергии в добавочных сопротивлениях и требуют громоздкой аппаратуры, то в целях упрощения управления, а также получения искусственных статических и динамических характеристик ГЭУ, в установку вводится возбудитель генератора. В качестве возбудителя генератора использован электромашинный усилитель ЭМУ1 (рис.6) поперечного поля, обладающий высоким коэффициентом усиления и большим быстродействием. Последнее свойство ЭМУ позволяет создать форсированное возбуждение генератора на короткое время. ЭМУ1 имеет две обмотки управления: задающую обмотку 03 и обмотку связи по току ОСТ.
Регулирование скорости вращения ГЭД производится за счет изменения величины тока в задающей обмотке 03 электромашинного усилителя ЭМУ1, что обусловлено изменением величины напряжения, снимаемом с потенциометра, встроенного в реверсивный пост управления ПУ. С изменением величины напряжения на обмотке 03 изменяется напряжение на выходе ЭМУ1, прикладываемое к обмотке возбуждения ОВГ генератора Г. Это, в свою очередь, ведет к изменению напряжения скорости ГЭД.
Для реверса ГЭД необходимо сменить полярность напряжения генератора, что достигается изменением направления тока Iу1 в задающей обмотке ЭМУ1 с поста управления. При этом меняется полярность напряжения на выходе ЭМУ1 и направление тока Iв в обмотке ОВГ.
Для получения крутопадающей внешней характеристики генератора в схеме предусмотрена отрицательная обратная связь по току главной цепи, осуществляемая обмоткой ОСТ электромашинного усилителя ЭМУ1. Величина тока Iу2 в обмотке ОСТ зависит от величины напряжения, снимаемого с шунта Шн , включенного в главную цепь. Намагничивающая сила обмотки ОСТ направлена встречно действию намагничивающей силы (н.с.) обмотки 03. Результирующая н.с., создаваемая обеими обмотками ЭМУ:
F = F03 - Fост (8)
где F03 – н.с. задающей обмотки ЭМУ1;
Fост – н.с. обмотки отрицательной обратной связи по току главной цепи.
Н.с. задающей обмотки определяет величину тока возбуждения Iв генератора при его холостом ходе, когда ток главной цепи I = 0 и Fост = 0.
При токе главной цепи I = Imax ЭМУ1 будет размагничен, что приведет к снижению напряжения генератора до значения, равного падению напряжения в главной цепи.
Нагрузкой гребного электродвигателя является винт, вращающийся в воде. Имитацией винта в лабораторной установке является устройство, представляющее собой электромашинный усилитель поперечного поля ЭМУ2, к выходу которого подключено нагрузочное сопротивление Rн . Обмотка управления ОУ, являющаяся обмоткой независимого возбуждения ЭМУ2, включена на напряжение U2 , снимаемое с резистора R2 (рис.6). Напряжение U2 является частью напряжения U1 , снимаемого с потенциометра R1, другая часть напряжения U1 выделяется на одном из селеновых вентилей Д1 или Д2 , в зависимости от того, который из них оказывается включенным в проводящем направлении. Напряжение U1 , являющееся частью напряжения генератора, прямо пропорционально скорости вращения ГЭД.
Из-за нелинейных свойств селенового вентиля, вольт-амперная характеристика которого представлена на рис.7, ток, протекающий через вентиль и резистор R2, нелинейно зависит от напряжения U1. Эту зависимость с достаточной степенью приближения можно считать параболической. Такой же зависимостью связаны напряжения U1 и U2 , а так как U1 прямо пропорционально скорости вращения ГЭД , то U2 связано со скоростью вращения ГЭД также параболической завистмостью
U22 = n (9)
Таким образом, в обмотке управления ЭМУ2 протекает ток управления Iу , который квадратично зависит от скорости вращения ГЭД. В ненасыщенном режиме работы ЭМУ2 напряжение на его выходе, линейно зависящее от тока управления Iу, будет квадратично зависеть от скорости вращения ГЭД. Тем самым на валу ГЭД создается нагрузка, квадратично зависящая от его скорости и имитирующая действие гребного винта.
Рис.7. Вольт-амперная характеристика селенового вентиля
С помощью тумблера В4 при одном и том же напряжении генератора (при одной и той же скорости вращения ГЭД) с потенциометра R1 можно снимать различные значения напряжения U2 и тем самым изменять характеристику «винта», получая режим «хода в свободной воде» и «швартовный» режим. Меньшему значению напряжения U1 соответствует меньший ток в цепи нагрузки ЭМУ2 и, следовательно, меньший момент нагрузки на валу ГЭД. Таким образом, получается режим «хода в свободной воде». Аналогично получается «швартовный» режим при большем значении напряжения U1.
Встречно-параллельное включение селеновых вентилей позволяет получать одинаковые характеристики «винта» при работе ГЭД как на «передний», так и на «задний» ход.
Пуск установки в работу производится включением автоматических выключателей В1, В2, В3 (рис.6), при этом ручка поста управления ПУ должна находиться в нейтральном положении.
При включении В3 получает питание обмотка возбуждения гребного электродвигателя ОВГЭД, а также загораются сигнальные лампы Л3 (зеленая) и Л7 (зеленая).
При включении В1 получает питание гонный двигатель М1 и приходит во вращение возбудитель генератора ЭМУ1, загорается сигнальная лампа Л1 (зеленая).
При включении В2 получает питание гонный двигатель М2 и приводит во вращение генератор, загорается сигнальная лампа Л2 (зеленая).
При переводе ручки поста управления из нейтрального положения влево (вправо) через скользящие контакты получает питание катушка пускателя В – «вперед» (Н – «назад») и замыкаются его нормально открытые (н.о.) контакты в цепи катушки пускателя КВ и в цепи сигнальной лампы Л4 (желтая), Л5 (желтая). Пускатель КВ становится на самопитание через свой н.о. блок-контакт, шунтируя контакт пускателя В (Н), замыкаются н.о. контакты пускателя КВ в цепи ОВГ, появляется ток в главной цепи, ГЭД вращается, одновременно размыкается нормально закрытый (н.з.) контакт КВ в цепи лампы Л7, последняя гаснет, сигнализируя тем самым о нормальной работе установки.
Для защиты ГЭД от недопустимой перегрузки в главную цепь введено реле максимального тока РМ. При срабатывании реле РМ замыкается его н.о. контакт, через который получают питание реле блокировки РБ и сигнальная лампа Л6 (красная).Реле РБ разрывает свой н.з. контакт в цепи катушки КВ и одновременно, замыкая свой н.о. контакт, становится на самопитание.
Пускатель КВ, потеряв питание, разрывает свои н.о. контакты в цепи ОВГ, напряжение генератора становится равным нулю, ГЭД останавливается. Через н.з. контакт КВ вновь загорается сигнальная лампа Л7.
Для повторного пуска ГЭД необходимо перевести ручку поста управления в нейтральное положение и обесточить реле РБ нажатием кнопки снятия блокировки КСБ.
В лабораторной установке в качестве главного генератора использован генератор типа ПН-28,5 в качестве ГЭД – двигатель типа П-21. Данные машин приведены в табл.1.
Гонным двигателем генератора служит асинхронный двигатель с к.з. ротором типа А42-4, имеющий следующие номинальные данные:
мощность, кВт 2,8;
напряжение, В 380;
ток, А 6,0;
скорость вращения, об/мин 1420.
Как отмечалось выше, регулирование скорости вращения ГЭД осуществляется вниз от основной изменением напряжения генератора при неизменном потоке двигателя Ф = Фн.
Таблица 1
|
Наименование данных машин |
Обозначения |
Размерность |
Числовые значения данных машин |
|
|
генератора |
двигателя |
|||
|
1. Номинальная мощность |
Рнг, Рнд |
кВт |
2,0 |
1,5 |
|
2. Номинальное напряжение |
Uнг; Uнд |
В |
116 |
220 |
|
3. Номинальный ток |
Iнг ; Iнд |
А |
17,4 |
9,0 |
|
4.Номинальная скорость вращения |
nнг ; nнд |
Об/мин |
1430 |
3000 |
|
5. Номинальный к.п.д. |
rнг ; rнд |
% |
- |
76 |
|
6. Потребляемая мощность |
Pпг ; - |
кВт |
2,5 |
- |
|
7. Число проводников якорной обмотки |
Nг ; Nд |
- |
870 |
1224 |
|
8. Число полюсов |
2Рг ; 2Рд |
- |
4 |
2 |
|
9. Число параллельных ветвей |
2dг ; 2dд |
- |
2 |
2 |
|
10. Сопротивление якорной обмотки |
rог ; rод |
Ом |
0,4 |
1,56 |
|
11. Сопротивление обмотки добавочных полюсов |
r∂г ; r∂д |
Ом |
0,173 |
0,43 |
В системе Г-Д скоростная и механическая характеристики двигателя имеют вид (10):
|
ω = |
Uг |
– |
RяΣ |
Iд (10) |
|
кФн |
кФн |
|
ω = |
Uг |
– |
RяΣ |
М1 (11) |
|
кФн |
(кФн)2 |
где ω – угловая скорость вращения двигателя, с-1;
Uг – напряжение генератора, В;
Iд – ток якоря, А;
Фн – номинальный поток возбуждения двигателя, Вд;
к = pN/2πd – конструктивный коэффициент двигателя;
М – момент, развиваемый двигателем, Нм .
RяΣ = Rяг + Rяд (12)
где Rяг и Rяд – рабочие сопротивления якорной цепи соответственно генератора и двигателя, Ом.
Rяг = (rог + r ∂г) 1,24 + rщг (13)
Rяд = (rод + r ∂д) 1,24 + rщд (14)
где rог и rод – сопротивления якорных обмоток соответственно генератора и двигателя, Ом;
r∂г и r∂д – сопротивления обмоток добавочных полюсов соответственно генератора и двигателя, Ом;
1,24 – коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления обмоток при переходе к рабочей температуре;
rщг и rщд – сопротивления щеточных контактов соответственно генератора и двигателя.
|
rщг = rщд |
∆ Uщ |
(15) |
|
Iнд |
где ∆ Uщ = 2В – падение напряжения в щеточных контактах;
Iнд – номинальный ток якоря двигателя.
Из естественной скоростной характеристики двигателя определим к Фн :
|
к Фн = |
Uнд - Iнд Rяд |
(16) |
|
ωн |
где Uнд – номинальное напряжение двигателя, В;
ωн – номинальная угловая скорость вращения двигателя, с-1 .
|
ω = |
2πd |
(17) |
|
60 |
Момент и ток якоря двигателя связаны соотнесением [3] :
М = кФIд (18)
Скоростные и механические характеристики двигателя можно построить по двум точкам, одна из которых определяется идеальным холостым ходом двигателя, когда
|
Iд = 0; М = 0 и ω0 = |
Uг |
|
кФн |
а другая – при номинальных значениях тока якоря и момента, т.е.
Iд = Iнд ; М = Мн .
Задаваясь различными значениями напряжения генератора Uг , можно получить семейство механических и скоростных характеристик двигателя. Расчеты характеристик сведены в табл.2.
Таблица 2
|
Uг; В |
ω0; с-1 |
n0; об/мин |
ω; с-1 |
n; об/мин |
Из соотношения (17) :
|
n = |
60 ω |
|
2π |
Экспериментальное снятие механических характеристик системы n = f (Iя) или n = f (Mg) при неизменном потоке возбуждения двигателя. Регулирование скорости двигателя осуществляется изменением напряжения генератора. Для выбранного значения напряжения генератора снимаются две точки для каждой механической характеристики, соответствующие точкам работы винта в «свободной» воде и швартовном режиме, переключение режимов производится переключателем В4. Соединив точки прямой линией, получаем семейство механических характеристик системы. Данные заносятся в таблицу 3.
Таблица 3
|
Uг ; В |
Режим в свободной воде |
Режим швартовный |
||||||
|
Iя ; А |
М; Нм |
n; об/мин |
ω; с-1 |
I; А |
М; Нм |
n; об/мин |
ω; с-1 |
|
Для определения к.п.д. системы в зависимости от скорости необходимо для каждого значения скорости снимать показания ваттметра, показания тока нагрузки двигателя и напряжения генератора:
|
= |
Р2 |
|
Р1 |
где Р1 – мощность, снимаемая с ваттметра;
Р2 – потребляемая мощность.
Р2 = Uг Iд
Данные сводятся в таблицу 4.
Таблица 4
|
n; об/мин |
Р1 кВт |
Uг В |
Iд А |
Р2 кВт |
|
По полученным данным строится кривая =f (n).
ЛИТЕРАТУРА
Составил Юрий ПавловичСтепахин
Отв. За выпуск В.И.Плесков
Редактор И.И.Морозова
Подп. 25.08.78. Формат 60х84 1/16. Бум. оберт.белая
Печ. Л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 150 экз. Заказ 181.
Отпечатано в лаборатории офсетной печати ГПИ имени А.А.Жданова,
603600, ГСП-41, г.Горький, ул. Минина, 24.