Способы пуска, регулирования частоты вращения и торможения судовых электроприводов. Коммутационно-защитная аппаратура и системы управления судовыми автоматизированными электроприводами

Размещено на http://www.allbest.ru/

СПОСОБЫ ПУСКА, РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ И ТОРМОЖЕНИЯ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ. КОММУТАЦИОННО-ЗАЩИТНАЯ АППАРАТУРА И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СУДОВЫМИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ



1. Способы пуска, регулирования частоты вращения и торможения судовых электроприводов постоянного тока

1.1 Способы пуска электродвигателей постоянного тока

1.1.1 Основные сведения

Для пуска электродвигателей постоянного тока применяют два способа:

1. Прямой пуск;

2. Реостатный пуск.

1.1.2 Прямой пуск

При прямом пуске двигатель включается непосредственно в сеть (рис. 1), для чего вручную (при ручном управлении) или при помощи аппаратуры (при автоматизированном пуске) замыкают контакты К 1 и К 2.

Рис. 1. Прямой пуск двигателя: а - схема пуска; б - пусковая диаграмма

При этом ток I, потребляемый двигателем из сети, в точке "А" разделяется на 2 тока: ток обмотки якоря Iи ток обмотки возбуждения I. В точке "В" эти два тока соединяются. Следовательно, через каждый из контактов, К 1 и К 2, протекает один и тот же ток I.

По Правилам Регистра, прямой пуск электродвигателей допускается при условии, что номинальная мощность двигателя не превышает 0,5 кВт, т.е. Р? 0,5 кВт.

Такое ограничение мощности объясняется тем, что при прямом пуске пусковой ток якоря двигателя превышает номинальный в десятки раз.

Объясним это на примере.

Пусть электродвигатель имеет такие данные: напряжение U = 220 В, номинальная противоЭДС обмотки якоря Е = 210 В, сопротивление обмотки якоря двигателя R= 1 Ом.

Тогда номинальный ток якоря:

I= = = 10 А.

При пуске скорость якоря щ = 0, поэтому противоЭДС обмотки якоря:

Е = сщФ = с 0Ф;

(с - конструктивный коэффициент, величина постоянная, щ - угловая скорость якоря, Ф - магнитный поток, созданный параллельной обмоткой возбуждения L).

Тогда пусковой ток якоря:

I= = = = 220 А.

Таким образом, пусковой ток якоря I= 220 А превышает номинальный I= 10 А в 22 раза, что недопустимо.

Сказанное подтверждается графиком электромеханической характеристики двигателя щ (I) на рис. 1, б. При пуске двигатель переходит из точки "0" (начало координат) в точку "А", в которой пусковой ток I (отрезок "ОА") гораздо больше номинального.

После пуска двигатель начнет разгоняться, в обмотке якоря появится и станет увеличиваться противоЭДС обмотки якоря:

^Е = с^щФ,

а ток якоря - уменьшаться.

Процесс пуска прекратится в точке "В", в которой скорость якоря и ток якоря имеют номинальные значения: щ = щ, I= I.

Из сказанного следует, что причина больших пусковых токов - отсутствие противоЭДС обмотки якоря в момент пуска, когда якорь неподвижен. Такие токи вызывают ухудшение коммутации вплоть до возникновения кругового огня на коллекторе, а также провалы напряжения сети, нарушающие нормальную работу остальных приемников электроэнергии.

Допускаемые по условиям коммутации значения пусковых токов не должны превышать номинальный более чем в 2,5 раза, т.е. не должно нарушаться соотношение:

I? 2,5 I.

Выясним, как можно уменьшить пусковые токи.

Как следует из формулы пускового тока якоря:

I= ,

его можно уменьшить двумя способами:

1. Увеличить знаменатель, т.е. увеличить при пуске сопротивления цепи обмотки якоря (реостатный пуск);

2. Уменьшить числитель, т.е. уменьшить при пуске напряжение на обмотке якоря.

Рассмотрим поочередно эти два способа.

1.1.3 Реостатный пуск

Схема реостатного пуска изображена на рис. 2.

Рис. 2. Реостатный пуск двигателя: а - схема пуска; б - пусковая диаграмма

При пуске замыкаются контакты К 1 и К 2, контакт К 3 разомкнут. Через контакты К 1 и К 2 на обмотку якоря "А" и параллельную обмотку возбуждения "L" подается питание сети, а через разомкнутый контакт КМ 3 в цепь обмотки якоря вводится пусковой резистор R, поэтому полное сопротивление обмотки якоря увеличивается до значения (R+ R).

Двигатель развивает пусковой ток:

I= I= ? 2,5 I.

На электромеханической характеристике щ(I) двигатель переходит из точки "0" в точку "А", после чего начинает разгоняться по участку "АВ" характеристики.

В точке "В", при токе I (обычно I= 1,1…1,2 I) контакт К 3 замыкается, вследствие чего двигатель с броском тока переходит из точки "В" в точку "С" и далее продолжает разгоняться до точки "D", в которой наступит установившийся номинальный режим.

Бросок тока при переходе точки "В" в тоску "С" объясняется тем, что при замыкании контакта К 3 сопротивление цепи обмотки якоря скачком уменьшается от значения (R + R ) до значения R.

Рассмотренная схема пуска была упрощена (для облегчения понимания процесса пуска) тем, что для пуска использовалась одна ступень пускового резистора.

На практике для ручного пуска применяют пусковые реостаты (отсюда название этого способа - реостатный), имеющие несколько ступеней.

Перед пуском маховичок реостата должен быть повернут влево до упора, при пуске его поворачивают по часовой стрелке, постепенно выводя ступени пускового резистора из цепи обмотки якоря двигателя). Сам процесс пуска не должен превышать 6…8 с.

Нельзя оставлять маховичок реостата в промежуточном положении, при котором в цепи обмотки якоря останутся ступени пускового реостата, т.к. они сгорят.

Эти ступени рассчитаны лишь на кратковременное протекание через них пускового тока.

1.2 Способы регулирования частоты вращения электродвигателей постоянного тока

1.2.1 Основные сведения

Рассмотрим способы регулирования частоты вращения электродвигателей постоянного тока на примере электродвигателя с независимым (параллельным) возбуждением.

Уравнение естественной механической характеристики двигателя имеет вид:

щ = - ,

где щ - угловая скорость якоря;

U - напряжение на обмотке якоря;

.k - постоянный коэффициент;

Ф - магнитный проток обмотки (обмоток) возбуждения;

М - электромагнитный момент электродвигателя;

R - сопротивление обмотки якоря электродвигателя.

Из уравнения следует, что скорость двигателей с независимым (параллельным) возбуждением можно регулировать тремя способами:

1. Изменением напряжения на обмотке якоря двигателя U;

2 Изменением сопротивления цепи обмотки якоря R;

3. Изменением магнитного потока полюсов Ф.

Первый способ регулирования - изменением напряжения на обмотке якоря, применяется только для двигателей с независимым возбуждением в т.н. "системах генератор - двигатель" (см. ниже).

Второй способ - изменением сопротивления цепи обмотки якоря, на практике осуществляется путем введения добавочных резисторов последовательно с обмоткой якоря.

Этот способ позволяет изменить скорость двигателя только вниз от основной, причем с увеличением сопротивлений скорость двигателя уменьшается. Это объясняется увеличением падения напряжения в добавочных резисторах и уменьшением напряжения на зажимах якоря.

Положительное качество данного способа регулирования - его простота, т.к. он осуществляется путем введения (выведения) ступеней регулировочного реостата в цепь обмотки якоря двигателя.

Основным недостатком способа является большой расход энергии в добавочных резисторах.

Этот способ применяется в электроприводах грузоподъемных механизмов и якорно-швартовных устройств на постоянном токе.

Третий способ - изменением магнитного потока полюсов, на практике осуществляется путем введения добавочных резисторов последовательно с параллельной обмоткой возбуждения. При этом магнитный поток возбуждения уменьшается, а скорость якоря увеличивается.

Скорость двигателей, специально сконструированных для работы с регулируемым потоком, может превышать номинальную в три раза и более, скорость остальных двигателей повышается на 10-20 %. Верхний предел скорости ограничен условиями коммутации, механической прочности или нагревом двигателя.

Положительное качество данного способа регулирования - его экономичность, т.к. расход электроэнергии в регулировочном резисторе мал из-за небольшого значения тока возбуждения в цепи параллельной обмотки.

Основными недостатками способа являются возможность регулирования скорости только вверх от номинальной, а также увеличение тока якоря во столько раз, во сколько раз ослаблен магнитный поток.

Последняя особенность не позволяет применять этот способ регулирования при работе электропривода с номинальным моментом, т.к. при ослаблении потока ток якоря превысит номинальный, что недопустимо.

Поэтому этот способ регулирования применяется в электроприводах грузоподъемных механизмов и якорно-швартовных устройств для получения высоких скоростей при перемещения холостого гака (грузовые лебедки и краны) или швартовного каната (брашпили, шпили), т.е. при небольшой нагрузке на валу электродвигателя.



1.2.2 Регулирование скорости в системе "генератор - двигатель" (Г- Д)

Система Г-Д как минимум состоит из трех электрических машин:

1. Исполнительного электродвигателя М 2, приводящего в действие механизм;

2. Генератора G1, питающего исполнительный ЭД;

3. Приводного электродвигателя Ml, вращающего якоря генератора G1 и образующего с ним так называемый преобразователь.

Машины М 2 и G1 - постоянного тока с независимым возбуждением.

Несмотря на это, система Г-Д может применяться при любом роде тока питающей сети.

Если сеть постоянного тока, то в качестве приводного двигателя М 1 применяют ЭД параллельного возбуждения, а обмотки возбуждения всех машин получают питание от сети.

Если сеть переменного тока, используют асинхронный приводной ЭД. Для питания обмоток возбуждения L1G1 и LM2 в этом случае применяют четвертую машину - возбудитель G2. Это небольшой генератор постоянного тока с самовозбуждением. Он приводится во вращение тем же приводным электродвигателем М 1, что и генератор G1 (рис. 3).

Рис. 3. Схема системы генератор-двигатель

Система действует следующим образом.

Сначала пускают приводной ЭД М 1, якорь которого затем вращается постоянно в одну сторону с неизменной скоростью. Потом при помощи регулировочного резистора (реостата возбуждения) RP3 возбуждают возбудитель G2, создающий неизменное напряжение.

От него получают питание независимые обмотки возбуждения исполнительного электродвигателя LM2 и генератора L1G1.

В цепь первой включен регулировочный резистор RP2, в цепь второй - регулировочный резистор RP1 и переключатель SA, изменяющий направление тока в обмотке L1G1.

Перед пуском резистор RP1 должен быть полностью введен в цепь, а резистор RP2 - выведен.

Для пуска М 2 переключатель SA устанавливают в одно из рабочих положений и постепенно выводят резистор RP1, увеличивая этим ток возбуждения в обмотке L1G1.

Последний возбуждается и подает плавно возрастающее напряжение на якорную обмотку М 2. По цепи якорей G1 и М 2 протекает ток.

Так как М 2 возбужден, его якорь начинает вращаться, и по мере возрастания напряжения, подведенного к его якорю, увеличивается угловая скорость. При полностью выведенном резисторе RP1 напряжение G1 и угловая скорость М 2 номинальные.

Для реверса переключателем SA изменяют направление тока в обмотке возбуждения L1G1. Генератора изменяет полярность напряжения, ток якорной цепи изменяет направление, и исполнительный двигатель М 2 реверсируется.

Регулирование скорости вниз от номинальной выполняют, вводя в цепь обмотки возбуждения L1G1 регулировочный резистор RP1. Ток возбуждения, магнитный поток и напряжение генератора уменьшаются. Вследствие этого снижается напряжение, подведенное к обмотке якоря М 2, и его угловая скорость уменьшается (характеристики 3, 2 и 1 на рис. 4).

Регулирование скорости вверх от номинальной осуществляют, вводя в цепь обмотки возбуждения М 2 регулировочный резистор RP2, что уменьшает ток и поток возбуждения, при этом скорость ЭД увеличивается (характеристики 5, 6 и 7 на рис. 4).

Рассмотренная система называется "система Г - Д в чистом виде" и на практике не применяется. Это объясняется тем, что при работе с номинальным напряжением на якоре М 2 внезапная остановка этого якоря (например, под винт попала льдина) приводит к резкому увеличению тока якорей двигателя М 2 и генератора G1 до значения, равного пусковому.

Рис. 4. Механические характеристики исполнительного двигателя в системе генератор - двигатель: 4 - естественная; 3, 2 и 1 - искусственные, полученные уменьшение напряжения на обмотке якоря М 2; 5, 6 и 7 - искусственные, полученные ослаблением магнитного потока М 2

Кроме того, такое увеличение тока приводит к увеличению нагрузки на приводной двигатель генератора. Это особенно опасно, если генератор G1 приводится во вращение дизелем. Как известно, дизели крайне чувствительны к перегрузкам (не более 10 % мощности в течение 1 часа).

Поэтому на судах применяют систему Г-Д с противокомпаундным генератором. Она отличается от системы Г-Д в чистом виде тем, что генератор, помимо независимой обмотки возбуждения L1G1, снабжен еще одной обмоткой возбуждения - противокомпаундной обмоткой L2G1, включенной последовательно в цепь якоря G1 и выполняющей функции жесткой обратной связи по току (на рис. 3 место включения обмотки L2G1 по казана при помощи стрелок, т.е. последовательно в цепь главного тока).

Ее намагничивающая сила Fнаправлена встречно намагничивающей силе F обмотки независимого возбуждения L1G1, т. е. она действует на генератор размагничивающее.

Общий магнитный поток возбуждения генератора создается разностью намагничивающих сил обеих обмоток.

При нормальной нагрузке намагничивающая сила обмотки L1G1 значительно больше, чем обмотки L2G1, и генератор развивает ЭДС, как в обычной системе Г-Д.

При перегрузке разность намагничивающих сил обмоток уменьшается, магнитный поток и ЭДС генератора снижаются, напряжение, подведенное к ЭД, падает, и угловая скорость ЭД становится меньше.

При остановке якоря исполнительного двигателя М 2 ЭДС генератора G1 настолько уменьшается, что ток стоянки оказывается в пределах кратковременно допустимого, обычно равного (2,2…2,5) I.

Система Г-Д обладает исключительно хорошими регулировочными свойствами и позволяет регулировать скорость в пределах 1: 30. Регулирование получается плавным, так как из-за сравнительно небольших токов возбуждения можно сделать регулировочные резисторы с большим количеством ступеней.

Систему Г - Д применяют в электроприводах мощностью более 75…80 кВт - тяжеловесных лебедках и кранах, брашпилях, а также на судах с ГЭУ для привода гребного винта.

Существенный недостаток системы Г - Д - большое количество установленных электрических машин.

Развитие полупроводниковой техники позволило перейти от рассмотренной системы Г - Д к т.н. системам "управляемый вентильный преобразователь - двигатель", или, сокращенно, системам УВП - Д (рис. 5).

1.2.3 Регулирование скорости в системе двойного рода тока (УВП - Д)

В таких системах исполнительный двигатель постоянного тока получает питание от судовой сети через управляемый вентильный преобразователь ВП (рис. 5).

Рис. 5. Структурная схема тиристорного электропривода постоянного тока

В качестве вентилей используются управляемые полупроводниковые диоды - тиристоры.

В общем случае такой электропривод состоит из следующих основных элементов:

1. Силовой трансформатор Тр;

2. Вентильный преобразователь ВП;

3. Сглаживающий фильтр СФ;

4. Электродвигатель М;

5. Система управления СУ.

Силовой трансформатор Тр служит для согласования номинального напряжения двигателя с выходным напряжением преобразователя.

Вентильный преобразователь выпрямляет напряжение и регулирует его в нужных пределах. Для питания цепей якоря двигателя применяют однополупериодные схемы с нулевым выводом (рис. 6, а) или двухполупериодные мостовые схемы (рис. 6, б).

Рис. 6. Схемы включения якоря двигателей постоянного тока на вентильный преобразователь: с нулевым выводом (а); мостовая (б)

В таких схемах обмотки возбуждения двигателей обычно получают питание от общей сети переменного тока через маломощные однофазные выпрямители.

Сглаживающий фильтр (дроссель Др на рис. 6) предназначен для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. При этом улучшаются условия коммутации и уменьшается нагрев обмотки якоря двигателя.

Система управления СУ изменяет угол отпирания тиристоров б. Вследствие чего изменяется выпрямленное напряжение на якоре исполнительного двигателя, а значит, и его скорость.

При этом, при малых скоростях якоря этот угол близок к 90є, а для разгона якоря СУ непрерывно уменьшает этот угол. При номинальном (наибольшем) напряжении на якоре угол б = 0є.

Механические характеристики двигателя при разных значениях угла отпирания тиристоров б приведены на рис. 7.

Они подобны механическим характеристикам исполнительного двигателя в системе Г - Д (рис. 4).

На рис. 7 штриховой линией показана граница между режимами непрерывного (справа от пунктирной линии) и прерывистого (слева от этой линии) токов якоря двигателя.



Рис. 7. Электромеханические характеристики двигателя при разных значениях угла б

Электромеханические характеристики имеют такие особенности:

1. При уменьшении угла отпирания тиристоров от б = р / 2 = 90є (характеристика 2) До б= 0є (характеристика 7) скорость двигателя увеличивается, двигатель работает в двигательном режиме;

2. При увеличении угла б свыше 90є (характеристика 1) ток якоря двигателя не изменяет направление, но двигатель реверсирует и переходит в режим тормозного спуска, при котором электромагнитный момент двигателя, направленный на подъем, ограничивает скорость спуска тяжелого груза или судового якоря с якорь-цепью.

1.3 Электрическое торможение двигателей постоянного тока

1.3.1 Основные сведения

В электроприводах различают механическое и электрическое торможение.

Под механическим понимают торможение электропривода при помощи тормозных устройств, принцип действия которых основан на использовании трения.

Механическое торможение обеспечивает полную остановку электропривода и его фиксацию в заторможенном состоянии. Этот вид торможения применяется в судовых электроприводах, работа которых связана с преодолением действия силы тяжести - грузоподъёмных и якорно-швартовных.

Под электрическим торможением понимают создание на валу электродвигателя электромагнитного момента, направленного навстречу вращению якоря (ротора). Для электрического торможения применяют специальные узлы в схемах управления электроприводами.

Как правило, электрическое торможение применяют не для полной остановки электропривода, а для предварительного уменьшения скорости до такой, при которой можно начинать механическое торможение.

Например, существующие электромагнитные тормоза серий ДПМ постоянного тока и ТМТ переменного можно отключать при начальной скорости не более 750 об /мин.

Значит, в электроприводе 3-скоростной лебёдки со скоростями 3000, 1500 и 750 об / мин нельзя начинать торможение со скоростей 3000 и 1500 об / мин, иначе на валу двигателя возникнут большие динамические усилия, которые могут повредить двигатель, передачу и сам механизм. Кроме того, из-за увеличенного трения тормоз будет перегреваться и быстро изнашиваться.

Электрическое торможение применяют, в основном, в электроприводах судовых грузоподъемных механизмов, работающих с частыми пусками и остановками.

Различают 4 вида электрического торможения:

1. Динамическое;

2. Рекуперативное;

3. Торможение противовключением при активном статическом моменте;

4. Торможение противовключением при реактивном статическом моменте.

На судах из перечисленных видов торможения, в основном, применяется динамическое и рекуперативное.

1.3.2 Динамическое торможение двигателя параллельного возбуждения

В схеме динамического торможения (рис. 8, а) используются контакт КТ тормозного контактора контакт КЛ линейного. Эти контакты всегда находятся в противоположном состоянии: если замкнут контакт КЛ, разомкнут контакт КМ, и наоборот.

Рис. 8. Схема (а) и механические характеристики (б) при динамическом торможении двигателя постоянного тока

До начала торможения, при работе двигателя, контакт КЛ замкнут, контакт КТ разомкнут. Двигатель подключен к сети и вращается со скоростью щ.

Ток в обмотке якоря:

I= (U - E) / r,

Е = k щФ

- противоЭДС обмотки якоря, прямо пропорциональная скорости двигателя щ_.

Этот ток протекает через якорь в направлении слева направо (в соответствии с полярностью напряжения питающей сети).

Для торможения размыкают контакт КЛ и замыкают КТ. При размыкании контакта КЛ двигатель отключается от сети, поэтому напряжение на обмотке якоря U = 0.

При замыкании контакта КТ к обмотке якоря двигателя подключается тормозной токоограничивающий резистор r, причём обмотка якоря и резистор соединены последовательно.

Ток в такой цепи определяется по закону Ома:

I= (U - E) / (r+ г) = (0-Е)/ (r+ г) = - Е/(r+ г).

В этой формуле ток якоря имеет знак "минус", значит, направление тока в обмотке якоря изменилось на обратное - справа налево.

Изменение направления тока приводит к изменению знака электромагнитного момента двигателя М = k(-I)Ф <0, этот момент становится тормозным.

Двигатель переходит на искусственную тормозную характеристику во 2-м квадранте и постепенно уменьшает скорость. По мере уменьшения скорости уменьшается противоЭДС:

Е = k щФ,

ток якоря и электромагнитный момент.

В момент остановки якоря (точка 0 на механической характеристике) скорость щ = 0, противоЭДС Е = 0, ток якоря I= 0 и электромагнитный момент двигателя М = 0.

При реактивном статическом моменте (насос, вентилятор) процесс торможения закончится в точке 0.

При активном статическом моменте процесс может иметь продолжение, а именно: если в точке 0 двигатель не затормозить, он под действием груза реверсирует и станет разгоняться в обратном направлении до скорости щ.

Полярность противоЭДС изменится на обратную, т.к.

Е = k(- щ)Ф <,

поэтому также на обратное изменится направление тока якоря:

I= - (- Е) /(r+ г) = Е /(r+ г) > 0.

Поэтому изменится на обратный знак электромагнитного момента, т.е. он вновь стал вращающим, направленным на подъём. При этом двигатель работает в режиме тормозного спуска, притормаживая груз и ограничивая скорость спуска груза значением скорости щ (точка А).

Особенности торможения:

1. Простота торможения, т.к. для его получения нужен тормозной контактор КТ и тормозной резистор;

2. Торможение позволяет полностью остановить якорь (т. "0" на рис. 8, б);

3. торможение широко применяется в электроприводах грузоподъемных механизмов для предварительного сброса скорости перед срабатыванием основного, электромагнитного тормоза, обеспечивающего полную остановку груза.

1.3.3 Рекуперативное торможение двигателя постоянного тока

Известно, что электрические машины обратимы, т.е. одна и та же электрическая машина может работать как генератор, так и электродвигатель.

При рекуперативном торможении электродвигатель переходит в генераторный режим. При этом двигатель преобразует механическую энергии, полученную от движущихся частей привода, в электрическую, которую двигатель возвращает в судовую электрическую сеть.

Рекуперативное торможение наступает в следующих случаях:

1. При движении электровоза под уклон (что невозможно в судовых условиях);

2. При переходе двигателя с большей скорости на меньшую (происходит каждый раз автоматически);

3. При опускании тяжелых грузов.

В любом из этих случаев выполняется одно и то же условие рекуперативного торможения: противоЭДС обмотки якоря двигателя должна стать больше напряжения питающей сети U.

В этом случае ток якоря двигателя:

I= (U - E) / r< 0,

т.е. изменяет свой знак на обратный.

Поэтому изменяет свой знак и электромагнитный момент двигателя:

М = с (- I)Ф,

который становится тормозным.

В судовых условиях рекуперативное торможение может наступить при спуске тяжелого груза, когда двигатель переходит в режим генератора, преобразуя механическую энергию опускающегося груза в электрическую энергию, возвращаемую в сеть.

Однако использование возвращаемой в судовую сеть энергии практически невозможно вследствие кратковременности работы двигателя в генераторном режиме (с учетом ограниченной высоты трюма).

Более того, это торможение опасно тем, что при одновременном переходе большого числа грузовых лебедок в режим рекуперативного торможения возможен переход генераторов судовой электростанции в двигательный режим с последующим их отключением по обратному току (при помощи реле обратного тока). При этом судно обесточивается. Такие случаи имели место на судах типа "Ленинский комсомол".

Поэтому на судах этой серии параллельно обмоткам якорей двигателей лебедок стали включать реле максимального напряжения, которые при напряжении на якоре U = 225…235 В, т.е. при переходе лебедок в режим рекуперативного торможения, отключали питание судовой сети от данной лебедки.

В то же время на электротранспорте электроэнергия, возвращаемая в сеть при рекуперативном торможении, позволяет уменьшить общий расход электроэнергии на 15…20 %.

При этом электровозы, идущие под уклон и работающие в режиме рекуперативного торможения, питают электроэнергией электровозы, идущие на подъем.

Положительная роль рекуперативного торможения при спуске тяжелых грузов состоит в том, что тормозной электромагнитный момент двигателя стабилизирует скорость спуска груза, не позволяя ему разгоняться свыше определенной скорости.

1.4 Реверс двигателей постоянного тока

1.4.1 Основные сведения

Под реверсом понимают изменение направления вращения двигателя на обратное.

Как следует из формулы электромагнитного момента двигателя:

М = сIФ,

изменить знак момента можно двумя способами:

1. Изменить направление тока в обмотке якоря, не изменяя знак магнитного потока (т.е. не изменяя направление тока в обмотке возбуждения), при этом:

М = с (- I)Ф< 0;

2. Изменить направление тока в обмотке возбуждения, не изменяя направление тока в обмотке якоря, при этом:

М = сI (- Ф) < 0.

1.4.2 Реверс изменением направления тока в обмотке якоря

Для реверса двигателя первым способом применяют схему реверсивного мостика, состоящую из контактов В 1, В 2 "Вперёд" и H1, H2 "Назад" (рис. 9).

Рис. 9. Схема реверса двигателя постоянного тока изменением направления тока в обмотке якоря

Пары контактов В 1-В 2 и Н 1-Н 2 замыкаются поочерёдно. При направлении "Вперёд" замкнуты контакты В 1 и В 2, цепь тока через обмотку якоря такая: "плюс" - В 1 - обмотка якоря - В 2 - "минус".

При направлении "Назад" замкнуты контакты H1 и Н 2, цепь тока через обмотку якоря такая: "плюс" - H1 - обмотка якоря - Н 2 - "минус".

Таким образом, при работе "Вперёд" ток через обмотку якоря протекал в направлении сверху вниз, при работе "Назад" - снизу-вверх. При этом направление тока в параллельной обмотке возбуждения не изменялось.

1.4.3 Реверс изменением направления тока в параллельной обмотке возбуждения

Для реверса двигателя вторым способом применяют ту же схему реверсивного мостика, однако меняют местами обмотку якоря и обмотку возбуждения (рис. 10).

Рис. 10. Схема реверса двигателя постоянного тока изменением направления тока в обмотке возбуждения

При направлении "Вперёд" замкнуты контакты В 1 и В 2, цепь тока через обмотку возбуждения такая: "плюс" - В 1 - обмотка возбуждения - В 2 - "минус".

При направлении "Назад" замкнуты контакты H1 и Н 2, цепь тока через обмотку возбуждения такая: "плюс" - H1 - обмотка возбуждения - Н 2 - "минус".

Таким образом, при работе "Вперёд" ток через обмотку возбуждения протекал в направлении сверху вниз, при работе "Назад" - снизу-вверх.

При этом направление тока в обмотке якоря не изменялось.

Однако этот второй способ на практике не применяют из-за недостатков:

1. При переключении контактов В 1, В 2 и H1, H2 существует момент времени, когда контакты К 1, К 2 уже разомкнулись, а контакты Н 1, Н 2 ещё не замкнулись.

В этот момент ток в обмотке возбуждения равен 0, поэтому магнитный поток Ф, а значит, и противоЭДС обмотки якоря Е = k*щ*Ф = 0.

При этом ток якоря двигателя увеличивается до значения:

I= (U - E) / R = (U - 0) / R= U / R= I,

который в десятки раз больше номинального, что недопустимо;

2. Одновременно в обмотке возбуждения индуктируется ЭДС самоиндукции:

е= - L*dI/ dt,

которая в десятки раз больше напряжения сети из-за крайне малого значения времени dt, в течение которого ток возбуждения убывает до нуля (т.к. контакты В 1, В 2 и Н 1, Н 2 переключаются практически мгновенно).

Под действием этой ЭДС происходит пробой изоляции витков обмотки возбуждения.

Следует обратить внимание на то, что при изменении полярности напряжения питающей сети двигатель постоянного тока не реверсирует.

Иначе говоря, при переброске на двигателе концов питающего кабеля реверс не происходит.

Это объясняется тем, что при переброске концов одновременно изменяется направление тока как в обмотке двигателя, так и в параллельной обмотке возбуждения, а знак электромагнитного момента не изменяется:

М' = с (- I)(- Ф) = М.

Рис. 11. Схема включения двигателя постоянного тока при прямой (а) и обратной (б) полярности напряжения питающей сети

На рис. 11, а ток якоря Iи ток возбуждения Iпротекают в направлении слева направо, а при изменении полярности - в направлении справа налево (рис. 11, б).

Реверс при этом не происходит.

Сказанное подтверждается на рис. 11, в и 9.11, г.

На рис. 11, в произвольно выбрана полярность полюсов N и S и направление тока в верхнем проводнике (крестик) и нижнем (точка). Направление электромагнитных сил Fи F найдено по правилу левой руки. Якорь вращается в направлении против часовой стрелки.

Если изменить полярность питающей сети, то одновременно изменится полярность полюсов (на рис. 11, г верхний полюс - S, а нижний - N) и направление тока в обмотке якоря (в верхнем проводнике - точка, в нижнем - крестик).

Применяя правило левой руки, находим, что направление электромагнитных сил Fи F не изменилось, реверс не произошел.

2. Способы пуска, регулирования частоты вращения и торможения судовых электроприводов переменного тока

2.1 Способы пуска электродвигателей переменного тока

2.1.1 Основные сведения

Для пуска асинхронных электродвигателей переменного тока применяют два способа:

1. Прямой пуск;

2. Пуск при пониженном напряжении;

3. Реостатный пуск.

Рассмотрим особенности каждого способа пуска.

2.1.2 Прямой пуск короткозамкнутых асинхронных двигателей нормального исполнения

При прямом пуске двигатель включается непосредственно в сеть (рис. 12).

Рис. 12. Схема прямого пуска асинхронного двигателя

Для двигателей, у которых пусковой момент меньше номинального, должны быть приняты меры для уменьшения статического момента механизма на время пуска. Например, при пуске насоса клапан на всасывающей магистрали должен быть открыт частично, тогда подача насоса при пуске будет меньше номинальной.

При прямом пуске пусковые токи превышают номинальный, в зависимости от типа двигателя, в 4…7 раз. Такие токи вызывают провалы напряжения в судовой сети, что может привести к массовому отключению работающих двигателей.

Поэтому Правила Регистра допускают прямой пуск двигателей такой мощности, чтобы провал напряжения был не более 15 % от U _н (т.е. напряжение в сети 380 В при пуске не должно быть меньше U' = 0,85 U= 0,85*380 = 323 В).

2.1.3 Прямой пуск короткозамкнутых асинхронных двигателей специального исполнения

К короткозамкнутым асинхронным двигателям специального исполнения относятся:

1. Двигатели с повышенным скольжением;

2. Глубокопазные;

3. Двухклеточные.

По сравнению с асинхронными двигателями нормального исполнения эти двигатели имеют улучшенные пусковые свойства, а именно:

1. Пониженные пусковые токи;

2. Увеличенные пусковые моменты.

Объясним, каким образом получены эти свойства.

Из теории электрических машин известно, что электромагнитный момент асинхронных электродвигателей определяется выражением:

М = сI'cosшФ,

где с - конструктивный коэффициент (величина постоянная);

I'- т.н. приведенный (к обмотке статора) ток ротора;

ш- угол сдвига по фазе между векторами ЭДС обмотки ротора Е'и приведенным током I';

I'cosш - активная составляющая тока ротора;

Ф - значение вращающегося магнитного потока обмотки статора.

Если сказать проще, то электромагнитный момент двигателя тем больше, чем больше активная составляющая тока ротора, а для ее увеличения надо увеличивать активное сопротивление проводников обмотки ротора.

Увеличение активного сопротивления обмотки ротора, помимо увеличения пускового момента двигателя, дает и второе преимущество: уменьшение пусковых токов.

Таким образом, увеличивая активное сопротивление обмотки ротора, можно убить сразу двух зайцев:

1. Увеличить пусковой момент двигателя,

2. Уменьшить пусковой ток двигателя.

Такими положительными свойствами обладают т.н. двигатели с улучшенными пусковыми свойствами. К последним относятся асинхронные двигатели:

1. С повышенным скольжением;

2. С глубокими пазами на роторе;

3. С двойной беличьей клеткой на роторе;

4. С фазной обмоткой на роторе (с фазным ротором).

Асинхронные двигатели с повышенным скольжением по сравнению с обычными асинхронными двигателями имеют увеличенный пусковой момент (рис. 14). Для этого искусственно уменьшают сечение проводников обмотки ротора, вследствие чего увеличивается их активное сопротивление, а значит, активная составляющая тока ротора и электромагнитный момент двигателя, прямо пропорциональный этой составляющей (см. выше).

Недостатком этих двигателей является пониженная (по сравнению с двигателями обычного исполнения) скорость вращения ротора.

Рис. 14. Механические характеристики асинхронных двигателей обычного исполнения (1) и с повышенным скольжением (2)

У двигателей с глубоким пазом обмотка на роторе выполнена в виде стержней прямоугольного профиля с высотой h, превосходящей ширину b в 15…20 раз (рис. 15).

Увеличение активного сопротивления обмотки ротора при пуске объясняется поверхностным эффектом.

Рис. 15. Глубокопазная обмотка ротора (а) и кривая распределения тока по высоте паза (б)

Суть этого явления состоит в том, что на переменном токе основная часть тока проводника вытесняется на его поверхность. Это объясняется тем, что индуктивное сопротивление центральной части проводника гораздо больше по сравнению с сопротивлением поверхностного слоя.

При пуске частота тока в роторе f = 50 Гц, нижняя часть проводника обмотки ротора имеет увеличенное индуктивное сопротивление, поэтому пусковой ток вытесняется в верхнюю часть, Это равнозначно уменьшению площади его поперечного сечения, т.е. увеличению активного сопротивления. В результате уменьшается пусковой ток и одновременно увеличивается пусковой момент.

При номинальной скорости и небольшой частоте тока ротора (1...3 Гц) поверхностный эффект пропадает, ток распределяется равномерно по высоте проводника.

В двухклеточных асинхронных двигателях (рис. 16) использованы оба способа повышения активного сопротивления.

Рис. 16. Двухклеточная обмотка ротора асинхронного двигателя (а) и его механические характеристики: пусковой обмотки (1), рабочей обмотки (2) и 1- механическая характеристика

Эти двигатели имеют пусковую обмотку П, которая работает как обмотка ротора двигателя с повышенным скольжением, и рабочую Р, которая работает как глубокопазная.

Эксплуатационные показатели перечисленных выше двигателей специального исполнения хуже, чем у двигателей нормального исполнения, в частности, у них ниже коэффициент полезного действия, коэффициент мощности cosц, а стоимость выше.

На судах из перечисленных выше трех типов двигателей специального исполнения используется только один - двигатель с двумя клетками. Такие двигатели установлены в электроприводах грузовых лебедок на судах польской постройки (типа "Муром").

2.1.4 Реостатный пуск двигателей с фазным ротором

Асинхронные двигатели с фазным ротором пускают в ход с помощью резисторов, включаемых в цепь ротора, что позволяет уменьшить пусковой ток и увеличить пусковой момент двигателя (рис. 17).

Рис. 17. Схема пуска асинхронного двигателя с фазным ротором

Для пуска двигателя включают линейный контактор КЛ, через контакты которого обмотка статора двигателя подключается к питающей сети "напрямую". Контакты КУ 1 и КУ 2 контакторов ускорения при пуске должны быть разомкнуты. Тем самым последовательно в каждую из трех фазных обмоток ротора вводятся обе ступени добавочных (пусковых) резисторов r и r. Эти ступени увеличивают общее (эквивалентное) сопротивление цепей фазных обмоток ротора, что (см. выше) приводит, с одной стороны, к уменьшению пускового тока, с другой - к увеличению пускового момента.

Когда двигатель разгонится до скорости 30-40 % номинальной, отключают первую ступень r, для чего замыкают контакты КУ 1.

Двигатель с броском тока продолжает разгоняться, и при скорости 60-70 % номинальной отключают вторую ступень r, для чего замыкают контакты КУ 2.

Двигатель после отключения резисторов r и r продолжает разгоняться до номинальной скорости.

Отключение резисторов можно производить вручную - при помощи контроллеров, или полуавтоматически - при помощи более сложных устройств магнитных станций. Следует отметить, что, кроме указанных достоинств - увеличенный пусковой момент, меньший пусковой ток, двигатели специального исполнения имеют существенные недостатки:

1. Более сложное устройство обмоток роторов;

2. Наличие щеточного устройства у двигателей с фазным ротором, снижающее надежность двигателя;

3. Худшие эксплуатационные характеристики, а именно - меньшие значения коэффициента полезного действия и коэффициента мощности.

На судах из перечисленных выше типов двигателей специального исполнения ограниченное применение нашли двигатели с двумя клетками на роторе - в электроприводах грузовых лебедок (суда польской постройки типа "Муром"), и более широкое применение - двигатели с фазным ротором. Их применяют на многих сериях судов в электроприводах грузовых кранов и брашпилей.

2.1.5 Пуск при пониженном напряжении на обмотке статора

Для уменьшения пусковых токов применяют схемы пуска при пониженном напряжении:

Включением резисторов в цепь обмотки статора (рис. 13, а);

Включением индуктивных сопротивлений в цепь обмотка статора (рис. 13, б);

Включением обмотки статора через автотрансформатор (рис. 13, в);

Переключением обмотки статора со "звезды" на "треугольник" (рис. 13, г).

Рис. 13. Схемы пуска асинхронного двигателя при пониженном напряжении

В схеме на рис. 13, а при пуске замкнуты контакты линейного контактора КЛ, поэтому обмотка статора подключается к питающей сети через пусковые токоограничивающие резисторы СП. После того, как двигатель наберет обороты, а пусковой ток уменьшится до безопасных значений (обычно 2…2,5 номинального), схема управления замыкает контакты второго контактора - ускорения КУ, при этом двигатель подключается к сети "напрямую".

В схеме на рис. 13, б для ограничения пусковых токов последовательно с обмоткой статора включены токоограничивающие рабочие обмотки дросселя насыщения Др. Его обмотка управления ОУ питается постоянным током через понижающий трансформатор Тр и выпрямитель Вп.

При пуске индуктивное сопротивление рабочих обмоток дросселя должно быть максимальным, поэтому ток в обмотке управления ОУ должен быть минимальным. Для этого ползунок резистора поста управления ПУ должен находиться в крайнем правом положении.

После пуска ток в обмотке управления ОУ постепенно увеличивают, для чего перемещают ползунок ПУ влево. Индуктивное сопротивление рабочих обмоток постепенно уменьшается.

Когда ползунок ПУ перемещен влево до упора, пуск закончен. При таком положении ползунка индуктивное сопротивление рабочих обмоток дросселя практически равно нулю, что равнозначно прямому подключению обмотки статора к питающей сети.

В схеме на рис. 13, в использованы два контактора - регулировочный КЛ 1 и линейный КЛ 2, а также автотрансформатор АТр. При пуске включается контактор КЛ 1, при замыкании нижних контактов которого образуется нулевая точка "звезды" трех фазных обмоток автотрансформатора, а через верхние контакты подается питание питающей сети на верхние выводы этих обмоток.

В момент пуска ползунки автотрансформатора должны находиться в крайнем нижнем положении, при этом обмотка статора асинхронного двигателя закорочена через нижние контакты КЛ 1, т.е. напряжение на ней равно нулю. Поэтому скорость ротора также равна нулю, ротор неподвижен.

Для пуска ползунки автотрансформатора постепенно перемещают вверх, при этом напряжение, снимаемое с обмоток автотрансформатора на обмотку статора, также постепенно увеличивается. Поэтому скорость двигателя также увеличивается.

Пуск закончен, если ползунки автотрансформатора перемещены в крайнее верхнее положение. При этом на обмотку статора подается полное напряжение питающей сети, автотрансформатор не нужен.

В этот момент времени включается линейный контактор КЛ 2 и отключается регулировочный КЛ 1. При замыкании контактов КЛ 2 обмотка статора двигателя подключается к питающей сети "напрямую", а при размыкании контактов КЛ 1 автотрансформатор отключается от обмотки статора двигателя (он уже выполнил свою роль).

В схеме на рис. 13, г использован линейный контактор КЛ и переключатель "звезда"-"треугольник" П. Для пуска включают линейный контактор КЛ, через замыкающиеся контакты которого напряжение питающей сети подается на верхние выводы обмотки статора двигателя АД. После этого переводят переключатель в нижнее положение "звезда". При этом нижние выводы обмотки статора соединяются вместе, в нулевую точку, обмотка статора соединена "звездой".

После того, как двигатель наберет обороты и перестанет увеличивать скорость, переключатель переводят в верхнее положение "треугольник". Двигатель с броском тока переключается со "звезды" на "треугольник", после чего разгоняется на "треугольнике" до скорости, зависящей от статического момента механизма.

Этот способ нашёл самое широкое применение на судах ввиду его простоты (не требуются резисторы, индуктивные сопротивления или автотрансформаторы) и эффективности - пусковой ток уменьшается в 3 раза.

Следует особо подчеркнуть, что переключение обмотки статора со "звезды" на "треугольник" применяется для пуска, а не для регулирования скорости асинхронного двигателя. Это объясняется тем, что скорость двигателя на "треугольнике" незначительно больше скорости на "звезде".

Все 4 рассмотренные выше схемы пуска при пониженном напряжении имеют один и тот же принципиальный недостаток: резкое уменьшение пускового момента двигателя, поскольку электромагнитный момент двигателя пропорционален квадрату напряжения.

Например, если при пуске напряжение понижено до значения:

U' = 0,8U,

то пусковой момент двигателя составит:

М'= (U' / U)*М= (0,8) * М= 0,64 М (т.е. 64 % М).

Иначе говоря, при провале напряжения на 20 % двигатель уменьшает пусковой момент на 36 % (64 % = 100 % - 36 %).

Поэтому пуск при пониженном напряжении можно применять для механизмов, у которых на малых скоростях статический момент невелик. К таким механизмам относятся центробежные насосы и вентиляторы, у которых статический момент пропорционален квадрату скорости (т.е. на малых скоростях мал и статический момент).

2.2 Способы регулирования частоты вращения 3-фазных асинхронных двигателей

2.2.1 Основные сведения

Формула частоты вращения асинхронного двигателя имеет вид:

n = 60f (1 - s) / р,

где n - частота вращения, об/мин;

f - частота тока питающей сети;

s - скольжение ротора (относительное отставание ротора от магнитного поля обмотки статора);

р - число пар полюсов.

Из формулы следует, что регулировать скорость асинхронного двигателя можно тремя способами:

1. Изменением частоты тока питающей сети;

2. Изменением скольжения;

3. Изменением числа пар полюсов.

Кроме того, существует 4-й способ - изменением напряжения на обмотке статора.

Коротко объясним особенности каждого способа регулирования.

Регулирование скорости изменением частоты тока питающей сети - плавное, но требует применения громоздких и дорогих тиристорных преобразователей частоты. На судах этот способ нашел ограниченное применение, в основном, в электроприводах тяжеловесных лебёдок, грузовых и портальных кранов.

Регулирование скорости изменением скольжения применимо только для двигателей с фазным ротором, т.к. осуществляется введением резисторов в цепь фазного ротора. Регулирование плавное, но требует применения громоздких пускорегулировочных реостатов, в которых выделяется большое количество тепла. пуск регулирование реверс электропривод

На судах этот способ нашел ограниченное применение, в основном, в электроприводах тяжеловесных лебёдок и кранов, а также в брашпилях.

Регулирование скорости изменением числа пар полюсов применяют только для двигателей с короткозамкнутым ротором. Теоретически его можно применить и для двигателей с фазным ротором, но в этом случае одновременно с переключением в обмотке статора необходимо производить аналогичные переключения и в обмотке ротора. Это вызовет недопустимое усложнение конструкции и увеличение массогабаритных параметров двигателя.

Недостаток регулирования - его ступенчатость (в соотношении 1:2:4 или 1:2:6) и высокая стоимость полюсопереключаемых электродвигателей.

Область применения на судах - самая распространённая, в электроприводах грузовых лебёдок и кранов, а также брашпилей и шпилей.

Регулирование скорости изменением напряжения на обмотке статора на судах не нашло широкого применения из-за 2-х недостатков:

1. Требуется отдельное устройство (регулятор напряжения), позволяющее плавно изменять его выходное напряжение как по величине, так и по фазе;

2. При понижении напряжения возникает опасность опрокидывания двигателя, т.к. при этом резко (в квадрате) уменьшается вращающий момент двигателя.

Область применения на судах - ограниченная, в основном, в системах судовой электроавтоматики (рулевые приводы и авторулевые) для изменения скорости двухфазных асинхронных двигателей мощностью до 150-200 Вт.

На судах до сих пор наиболее распространённый способ регулирования - путем изменения числа пар полюсов. Он применяется в электроприводах грузоподъемных механизмов и якорно-швартовных устройств.

2.2.2 Регулирование скорости изменением числа пар полюсов обмотки статора. Принцип получения разного числа пар полюсов

Фазные обмотки статора, уложенные в пазы сердечника статора, представляют собой мощные электромагниты. Уменьшая число пар полюсов обмотки статора, можно увеличивать скорость двигателя, и наоборот, в соответствии с выражением:

n = 60f (1 - s) / р.

Для получения несколько скоростей электродвигателя применяют два способа:

1. Размещают на статоре отдельные обмотки в количестве, равном числу скоростей. Эти обмотки имеют разное число пар полюсов и при работе двигателя включаются поочередно. Например, на судах применяются двигатели серии МАП на две или три скорости (М - морской, А - асинхронный, П - полюсопереключаемый);

2. Размещают на статоре обмотку, схему которой можно изменять по одному из двух вариантов:

а) переключение обмотки со "звезды" на "двойную звезду";

б) переключение обмотки со "треугольника" на "двойную звезду".

Этот второй способ получения нескольких скоростей широко применяется на судах иностранной постройки (особенности на судах, построенных в ФРГ).

У таких двигателей, допускающих изменение схемы обмотки, каждая фазная обмотка состоит из двух одинаковых частей (секционных групп) с выводами Н 1-К 1, Н 2-К 2 (Н - начало, К - конец).

Объясним принцип изменения числа пар полюсов на примере только одной фазной обмотки (рис. 18).

Рис. 18. Схема переключения секционных групп обмотки статора с последовательного (а) на параллельное (б) соединение; Н и К - начала и концы секционных групп

Пусть секционные группы соединены последовательно при помощи перемычки К 1 - Н 2, а на выводы Н 1 и К 2 подается питание (рис. 18, а). Задавшись произвольно выбранным направлением тока в сторонах секций (обозначено стрелками), перенесем эти направления в поперечные сечения проводников секций в верхней части в виде крестиков и точек.

По правилу буравчика найдем направление магнитных силовых линий вокруг каждого проводника с током. Рядом расположенные силовые линии позволят определить положение электромагнитных полюсов обмотки статора. На рис. 18, а таких полюсов - четыре (2р = 4), поэтому синхронная частота вращения ротора составит n = 60f / р = 60*50 / 2 = 1500 об / мин.

При переходе от последовательного соединения к параллельному надо соединить перемычками выводы Н 1 и К 2 (а не Н 1 и Н 2) и К 1 и Н 2 (а не К 1 и К 2) (рис. 18, б).

Повторяя сделанные выше рассуждения, можно найти, что при переходе от последовательного к параллельному соединению секционных групп число полюсов уменьшилось в 2 раза (2р = 2), поэтому синхронная частота вращения ротора составит n = 60f / р = 60*50 / 1 = 3000 об / мин.

.

2.2.3 Регулирование скорости асинхронного двигателя изменением числа пар полюсов путем переключения обмотки статора со "звезды" на "двойную звезду"

При переключении обмотки статора первым способом двигатель при пуске включают в сеть по схеме "звезда" (рис. 19, а), этом питание сети подается на выводы С 1, С 2 и С 3. Секционные группы Н 1-К 1 и Н 2-К 2 в каждой из трех фазных обмоток соединены последовательно.

...