Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Электрические двигатели в кораблях

1. Условия работы и требования, предъявляемые к судовым электрическим машинам

судовой двигатель генератор электрический

Электрические машины применяются на судах для многих целей, но главной из них является получение электрической энергии и привод большого количества самых различных судовых механизмов и устройств. В связи с этим электрические машины устанавливаются как на открытых частях палуб, так и в судовых помещениях (машинных, котельных, румпельных, камбузных, прачечных, рубках, жилых и др.) - Машины, установленные на открытых пространствах палуб, подвергаются воздействию морской воды, дождей, туманов, гололеда, солнечной радиации, а также изменению в большом диапазоне температур окружающей атмосферы. Электрические машины, установленные во внутренних судовых помещениях, испытывают воздействие атмосферы с высокой влажностью, иногда содержащей пары нефтепродуктов, масел и т.п., а также достаточно высокой температуры окружающей среды. Кроме того, электрические машины, как всякое другое оборудование, установленное на судах, находятся под воздействием вибрации, тряски, качки, кренов и дифферента, а иногда и ударных сотрясений.

Исключительно неблагоприятное влияние на машины оказывает тропический климат (повышенная солнечная радиация, образование грибковидной плесени и др.), особенно когда судно находится в нем длительное время.

Режимы работы многих судовых электрических машин относятся к числу напряженных (ударный характер нагрузки, большое количество включений в час и т.п.). Например, электродвигатель брашпиля, как правило устанавливаемый на открытой палубе, может окатываться волнами, подвергается воздействию атмосферных осадков, солнечной радиации и др. Электродвигатель рулевого устройства должен выдерживать большое количество перекладок руля при удержании судна на заданном курсе или выполнении маневров. Электрические машины, входящие в состав гребной электрической установки, должны выдерживать частые, пуски, реверсы и резкие изменения нагрузки.

Проектирование, постройка и эксплуатация судового оборудования, в том числе электрооборудования, проводятся под наблюдением и по требованиям специализированной организации. Поскольку условия работы судового электрооборудования необходимо учитывать при их разработке, ее правилами регламентируются следующие количественные показатели условий работы:

· длительный крен до 15°;

· длительный дифферент до 10°;

· бортовая качка до 22,5° от вертикали;

· вибрация с частотой до 25 Гц и ускорением 5 м/с²;

· ударные сотрясения с ускорением 30 м/С²;

· относительная влажность воздуха 953% при температуре 252°С;

· относительная влажность воздуха 803% при температуре 402°С;

· температура окружающего воздуха в машинных отделениях, камбузах и других подобных помещениях от 0 до +45° С;

· то же на открытой палубе от -30 до +45°С;

· то же в жилых, служебных и прочих помещениях от -10 до +40°С.

Для судов, эксплуатируемых вне тропического пояса, верхний предел температуры принимается +40 вместо +45°С.

Судовые электрические машины наряду с надлежащими рабочими характеристиками должны обладать высокой надежностью в работе, минимально возможными массой, габаритами и стоимостью, максимально возможным КПД, создавать минимальный шум и незначительные помехи радиоприему.

Под надежностью понимают свойство машин выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени. Надежность характеризуется безотказностью, ремонтопригодностью и долговечностью.

Под безотказностью понимается свойство машины сохранять работоспособность в течение заданного промежутка времени при заданных условиях эксплуатации.

Ремонтопригодностью называют приспособленность машины к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Долговечность - это свойство машины сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов.

Очень важно, чтобы все электрооборудование на судах отвечало этим требованиям, так как суда длительное время могут находиться в автономном плавании, без захода в порты, где есть ремонтные базы, а возможности ремонта оборудования на самих судах ограничены.

Требование минимальных габаритов машин объясняется необходимостью получения максимально возможных площадей на судне для размещения основного груза, который ему предназначено перевозить. Уменьшение массы оборудования позволит увеличить грузоподъемность судов при данном водоизмещении.

КПД машин непосредственно связан с расходом запаса топлива на судне и, следовательно, с длительностью автономного плавания: чем больше КПД машин, тем меньше расход топлива при одинаково произведенной полезной работе и больше период возможного автономного плавания.

Уровень шума в помещениях сильно сказывается на утомляемости находящихся них людей. Поэтому очень важно, чтобы работа машин сопровождалась низким уровнем шума с определенным (наименее вредным для человека) диапазоном частот.

Все суда широко используют различные виды радиосвязи. Электрические машины при работе создают помехи для радиоприема. В целях уменьшения этих помех на зажимах машин обычно ставят конденсаторы.

Выполнение вышеуказанных требований осуществляется в судовых электрических машинах применением особо тепло-, масло- и влагостойких изоляционных материалов, использованием высококачественных проводниковых магнитных и конструкционных материалов, специальным конструктивным оформлением машин.

Для производства электрических машин используют самые различные изоляционные материалы органического и неорганического происхождения. К ним относятся: электроизоляционные бумаги и картоны, текстильные материалы, электроизоляционные пластмассы, электроизоляционные лаки, компаунды, эмали и пленки, слюдяные изделия, керамические изделия, стекловолокно, асбест, фарфор и другие минеральные материалы. Не допускается использование мрамора, шифера и других недостаточно вибро-,

тряскопрочных и гигроскопичных материалов.

В качестве проводниковых материалов применяют главным образом медь и сплавы на ее основе (бронза, латунь и др.). В очень редких случаях, например для изготовления стержневых короткозамкнутых обмоток роторов асинхронных двигателей малой мощности, используют алюминий. Обмотки машин обычно изготовляют из стандартизованных обмоточных проводов, имеющих покровную изоляцию (эмалевую, волокнистую, пленочную и др.).

Для изготовления магнитной системы электрических машин (сердечников якорей, полюсов и др.) применяют магнитно-мягкие электротехнические стали, которые выпускаются в виде листов толщиной 0,1; 0,2; 0,35; 0,5 и 1,0 мм.

Магнитно-твердые материалы применяют для изготовления постоянных магнитов, создающих магнитное поле, например в микромашинах. Такими материалами являются различные легированные стали (вольфрамовая, хромистая, кобальтовая).

Станины и подшипниковые щиты судовых машин изготовляют из стали или чугуна и легких сплавов, которые удовлетворяют требованиям вибрации и ударных сотрясений.

Все болты, гайки, винты, шпильки, штифты и другие мелкие детали машин изготовляют из коррозионно-стойких материалов или защищают надежными антикоррозионными покрытиями.

Разъемные соединения снабжают приспособлениями, предотвращающими их самоотвинчивание. Конструкция машин должна обеспечивать их надежную работу в условиях возможных кренов, дифферента и качки судов.

В зависимости от места установки машин на судах правила техники безопасности предписывают различные исполнения внешних оболочек (корпусов) машин, обеспечивающие разную степень их защищенности, а именно:

· защищенное, которое предохраняет обслуживающий персонал от непреднамеренного прикосновения к токоведущим или вращающимся частям;

· каплезащшценное, при котором исключается попадание внутрь машины капель воды, падающих отвесно или под углом 15-60° к вертикали;

· брызгозащшценное, при котором исключается попадание воды внутрь машины при обрызгивании;

· водозащищенное, при котором исключается попадание внутрь машины воды при обливании ее водяной струей в любом направлении;

· погружное, при котором допускается работа машины в воде;

· взрывозащищенное, предназначенное для работы во взрывоопасной газовой среде.

Машины защищенного и брызгозащищенного исполнений обычно устанавливают в сухих судовых помещениях, водозащищенного исполнения - в сырых помещениях и на открытых палубах, погружного - в затапливаемых помещениях.

Ремонтопригодность машин достигается в основном соответствующей конструкцией отдельных ее узлов и общей компоновкой.

Наибольший КПД машин получают путем уменьшения и правильного распределения по различным узлам потерь мощности в машине (использованием магнитных материалов с небольшими удельными потерями, шарикоподшипников и др.).

При работе машин создается шум следующего характера:

· аэродинамический, обусловленный движением воздуха внутри машины;

· магнитный, создаваемый колебаниями станины и зубцов якоря под влиянием переменных магнитных сил, действующих в воздушном зазоре;

· механический, обусловленный вибрацией узлов машины от работы подшипников, щеточного аппарата и неуравновешенности ротора.

Для уменьшения аэродинамического шума необходимо уменьшать количество и скорость охлаждающего воздуха, что связано с увеличением габаритов и массы машины. Уровень магнитного шума может быть снижен путем скоса пазов, соответствующего выбора соотношения числа пазов ротора и статора, увеличения габаритов и массы магнитопроводов.

Механический шум снижается применением малошумных подшипников, качественной балансировкой ротора и т.д.

Выбор материалов и изделий, используемых в электрической машине, производится на основании электрических, магнитных, тепловых и механических расчетов. Задача заключается в том, чтобы при принятых номинальных данных машины и известных условиях ее работы сконструировать машину, обладающую достаточно высокой надежностью, относительно низкой стоимостью при наименьших массе и размерах машины. Многие из этих положений противоречивы. Поэтому при конструировании машин рассматривают ряд возможных вариантов, изготовляют несколько макетов и опытных образцов и только на основании их испытаний принимают окончательные решения.

Как было отмечено ранее, обеспечение высокой надежности машин тесно связано с системой их обслуживания в эксплуатации. Такая система обычно предусматривает планомерный технический уход за машинами и периодический их ремонт.

Технический уход за машиной включает наружную очистку ее от пыли, масла, нефтепродуктов и т.п., вскрытие смотровых отверстии машин и внутреннюю очистку деталей с одновременной проверкой их крепления, состояния и заменой на запасные детали.

При ремонтах производится полная разборка машин и дефектация всех ее деталей и узлов. Существует два вида ремонта: текущий и капитальный. Текущий ремонт выполняется на судах или на специализированных береговых предприятиях, капитальный - только на специализированных предприятиях.

В объем текущего ремонта электрических машин входит очистка всех деталей от пыли и нефтепродуктов, просушка обмоток, нанесение покровного лака, замена износившихся деталей, замена катушек, шлифовка трущихся частей, окраска поверхностей, замена болтов, гаек и других крепежных изделий.

В объем капитального ремонта входят все работы по текущему ремонту, а также проточка и переборка коллекторов, балансировка роторов, полная или частичная перемотка обмоток якорей, переборку магнитопроводов, замена вала и т.д.

После капитального ремонта машина подвергается всесторонним испытаниям со снятием рабочих характеристик.

Строгое выполнение всех операций, предусмотренных техническим уходом, и своевременный ремонт позволяют довести срок службы электрических машин до 25 лет, что в среднем равно сроку эксплуатации судов.

2. Конструктивные особенные судовых машин постоянного тока

Машина имеет каплезащнщенное исполнение, т.е. покрыта оболочкой, которая предотвращает проникновение внутрь ее капель воды, падающих под углом 45° к вертикали. Применяются также машины брызгозащнщенного, водозащищенного и других исполнений. Статор машины состоит из станины 8, подшипниковых щитов 4, 13 и коробки выводов 31.

Станина выполнена сварной из листовой стали. К станине болтами 7 и 16 крепятся подшипниковые щиты, бантами 9 и 12 - четыре главных полюса 24 и четыре дополнительных полюса 23. К патрубку станины с помощью четырех болтов крепится коробка выводов 31. Для подъема машины станина имеет рым 10.

Подшипниковые щиты отлиты из стали. Щит 4 имеет люки для осмотра коллектора и щеточного устройства. Щеточное устройство состоит из траверсы 3, на которой укреплены бракеты со щеткодержателями. В щеткодержателях установлены электро - графитовые щетки. Траверса стопорится на внутренней стороне щита и может быть повернута на некоторый угол при установке щеток на нейтраль. Верхний люк щита закрыт крышкой 5 с резиновыми прокладками, боковые люки закрыты крышками 26, имеющими жалюзи. В нижней части щита люк закрыт перфорированным железным листом 37.

Для равномерного распределения воздушного потока в диффузорном пространстве щита устанавливается перегородка 14, которая крепится к щиту болтами 20.

В коробке выводов находятся конденсаторы 25, служащие для уменьшения помех радиоприему, и панель зажимов 28 с контактными болтами 29. На внутренней стороне крышки коробки прикреплена схема 27 соединения обмоток машины. Для заземления экранирующей оболочки подводящего кабеля имеются винты 32, расположенные снаружи корпуса коробки. Подводящий кабель проходит через резиновые втулки 33 и присоединяется к кабельным наконечникам 30 с помощью холодной опрессовки. На станине статора машины имеются болты 22, предназначенные для крепления заземляющих проводников.

Ротор машины состоит из сердечника якоря 11 с обмоткой 6, коллектора 1, вентилятора 17 и вала 18 с шарикоподшипником 2 и роликоподшипником 19. Сердечник якоря скреплен с валом призматической шпонкой 34. Коллектор прочно запрессован на втулке, которая скреплена с валом шпонкой 35. Шарикоподшипник закрыт крышкой 36.

Обмотка 6 якоря выполнена из секций, уложенных в открытых пазах сердечника якоря, и закреплена как в пазовой, так и в лобовых частях проволочными бандажами.

Охлаждение машины осуществляется отлитым из алюминиевого сплава центробежным вентилятором 17, который засасывает холодный воздух со стороны коллектора через отверстия в крышках 26. Далее воздух проходит через коллектор, якорь, катушки полюсов и нагретым выбрасывается через отверстия крышки 21.

По рис. 1 можно проследить также последовательность разборки машины:

1) снимают крышки смотровых люков, вынимают все щетки из щеткодержателей, коллектор обертывают картоном;

2) снимают подшипниковые крышки и отворачивают болты, крепящие подшипниковые щиты к станине;

3) снимают подшипниковый щит со стороны коллектора, предварительно отсоединив кабели от бракетов щеткодержателей, а затем щит со стороны привода;

4) проложив между якорем и нижними полюсами прессшпан, вынимают ротор (в сторону привода);

5) ротор укладывают на деревянный верстак, не опирая его на вентилятор;

6) при необходимости снимают полюса со станины, подшипники с ротора и т.д.

Сборка машины производится в обратной последовательности.

Сердечник якоря машины представляет собой пакет 2 из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Каждый лист покрыт изоляционным лаком. Пакет запрессован на валу 5 ротора между двумя обмоткодержателями 1 с помощью кольца 3, насаживаемого на вал в горячем состоянии. Каждый штампованный лист пакета имеет чередующиеся между собой зубцы и пазы, вентиляционные отверстия и посадочное отверстие с местом для шпонки. Коллектор насаживается на шейку 4 вала ротора. Коллектор собирается из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала ротора миканитом.

Коллектор состоит из корпуса 1, стяжных болтов 2, нажимного кольца 3, миканитовых прокладок 4, межламелыюй изоляции 8 и коллекторных пластин 7. Для удобства монтажа н обеспечения прочности крепления коллекторные пластины выполняются с «ласточкиным хвостом» 6. Соединение коллекторных пластин с проводами обмотки якоря производится с помощью «петушков» 5, которые имеют прорези для укладки и запайки в них концов проводов обмотки.

В расточке ступицы подшипникового щита 6 (рис. 5) установлен шарикоподшипник 4. который закрыт наружной 2 и внутренней 8 крышками. Крышки подшипников скрепляются между собой болтами 10. Со стороны торца вала 9 подшипник крепится шайбой 3. С помощью пресс-масленки 5 можно обновить смазку подшипников.

Для предохранения подшипников от угольной пыли внутренняя крышка имеет лабиринтные кольца. Для доступа к валу с целью измерения частоты вращения в наружной крышке подшипника предусмотрено отверстие, закрытое пробкой 1. На внутренней крышке подшипника крепится траверса 7.

На рис. 6 представлена конструкция траверсы и щеткодержателя. Траверса обычно имеет стопорный болт 3, который отвинчивается, когда необходимо переместить щетки по коллектору, и щеточные пальцы 1, предназначенные для крепления щеткодержателей. Щеточные пальцы крепятся в траверсе с помощью изоляционных прокладок 2. Щеткодержатель включает в себя устройство 4 для крепления на пальцах траверсы, приспособление 6 для прижатия щеток 8, пружину 7 и обойму 9. Гибкий тросик 5 щетки присоединяется к зажимам, которые соединяются с зажимами коробки выводов и зажимами других щеток одинаковой полярности.

3. Электрические схемы и конструктивные особенности судовых асинхронных двигателей

На рис. 7 представлена электрическая схема асинхронной машины с короткозамкнутым ротором, на рис. 8 - схема машины с фазной обмоткой ротора. На схемах рис. 7, а и 8, а каждая фаза трехфазной обмотки статора 1 и обмотки ротора 2 изображены по отдельности. На схемах рис. 7б и 8б обмотки статоров и роторов показаны в виде окружностей, обобщающих фазы. Наружная 1 означает обмотку статора, внутренняя 2 - обмотку ротора. Короткозамкнутая обмотка ротора не имеет выводов для подключения. Фазная обмотка ротора подключена через контактные кольца и щетки к пускорегулирующему реостату, сопротивление которого на каждую фазу равно R_rp.

На рис. 9 даны продольный и поперечный разрезы асинхронного двигателя. Статор машины состоит из сердечника 8, станины 25, подшипниковых щитов 4 и 14. Сердечник выполнен из штампованных листов электротехнической стали, в пазы которого заложена обмотка статора 12. Станина стальная, сварная, состоит из двух торцевых колец 6, ребер жесткости 10, обшивки 7, рыма 15 и лап 20. Подшипниковые щиты закреплены к торцевым кольцам болтами 21. В месте вывода концов обмотки статора приварена коробка выводов 16. Питающий кабель вводится через сальник 17 и уплотняется гайкой 18.

Охлаждающий воздух засасывается в машину вентилятором 5 через окно в подшипниковом щите 14. Затем проходит вдоль машины и выбрасывается через окно 24 в подшипниковом щите 4. Окна закрыты железной сеткой во избежание попадания посторонних предметов в машину. Подшипниковый узел состоит из подшипника 2, втулки 3, крышек 1 и 22. Заземление производят через болт 19.

Ротор машины состоит из вала 13, сердечника 9, короткозамкнутой обмотки 11, вентилятора 5 и двух подшипников. Сердечник ротора собирается из листов электротехнической стали.

Машина с фазным ротором отличается от рассмотренной тем, что на одном из подшипниковых щитов устанавливается щеткодержательный аппарат. В пазы ротора уложена трехфазная обмотка, соединенная по схеме «звезда». Начало каждой фазы обмотки крепится к контактным кольцам, установленным на валу и изолированным друг от друга и от вала. Через щетки к обмотке ротора подключается пускорегулирующий реостат.

4. Электрические схемы и конструктивные особенности судовых синхронных генераторов

На рис. 10 представлены электрические схемы трех видов судовых синхронных генераторов СГ: с возбудителем постоянного тока, самовозбуждением и возбудителем переменного тока. Основное отличие генераторов заключается в том, какие средства используются для питания их обмотки ротора. В первом случае обмотка ротора генератора через контактные кольца К и щетки подключена на напряжение обмотки якоря генератора постоянного тока параллельного возбуждения. Поскольку основной задачей такого генератора является питание обмотки возбуждения (ротора) синхронного генератора, его называют возбудителем В синхронного генератора. Якорь возбудителя и ротор синхронного генератора связаны механическим валом с приводным двигателем ПД. После запуска приводного двигателя происходит процесс самовозбуждения возбудителя постоянного тока и образование магнитного потока ротора (возбуждение) синхронного генератора. Магнитный поток ротора, пересекая обмотку статора, индуцирует в ней трехфазную ЭДС. Недостатком такой системы возбуждения синхронного генератора является наличие коллектора и щеток у возбудителя, а также контактных колец и щеток на валу ротора генератора. Эти контактные элементы требуют при эксплуатации значительного внимания и не гарантируют высокой надежности в работе генератора.

Система самовозбуждения (рис. 10б) дает возможность избавиться от применения возбудителя постоянного тока. При этом синхронный генератор снабжается специальным блоком самовозбуждения БСВ, с помощью которого часть мощности обмотки статора подается на блок выпрямления БВ, а затем в обмотку ротора генератора.

Применение машины переменного тока (рис. 10в) в качестве возбудителя дает возможность избавиться также от контактных колец и щеток ротора. При этом ЭДС, индуцированная в обмотке ротора возбудителя В, выпрямляется блоком БВ, укрепленным на валу ротора, и затем подается на обмотку ротора генератора. Обмотка статора возбудителя подключается на выпрямленное напряжение обмотки статора синхронного генератора. Наличие электромагнитной связи между статором и ротором возбудителя исключает необходимость применения щеток и контактных колец на роторе генератора. В связи с этим данные генераторы принято называть бесщеточными.

На рис. 11 представлен общий вид с разрезами четырехполюсного судового синхронного генератора с системой самовозбуждения. Ротор генератора состоит из вала 1, сердечника полюсов 8, обмотки возбуждения 20, распорок 19 между катушками обмотки возбуждения, подшипников 2, 14, вентиляторов 15, 18, контактных щеток и колец 13. Вал ротора выполнен из одной стальной поковки. Сердечник полюсов выполнен из штампованных стальных листов электротехнической стали, имеющих Т-образные хвостовики для крепления в остове вала ротора. Катушки обмотки возбуждения изолированы от сердечника асбестовой бумагой и стекломикафолием. В башмаках (наконечниках) полюсов уложены круглые стержни демпферной обмотки. Обмотка возбуждения состоит из четырех катушек (по числу полюсов). Витки катушки изолированы друг от друга асбестовыми прокладками. Контактные кольца выполнены из хромистой бронзы.

Статор генератора состоит из корпуса 6. подшипниковых щитов 3,12, сердечника 7, обмотки 4, воздухонаправляющего щита 5. Корпус выполнен сварным из листовой стали, имеет продольные и поперечные ребра жесткости. В нижней части корпуса предусмотрено три окна: два крайних предназначены для входа воздуха, средний - для выхода. При этом, как показано стрелками на рис. 11а, охлаждающий воздух проходит через водяной воздухоохладитель 17 по пути, замкнутому внутри машины. С помощью термометра 16 измеряется температура охлаждающего воздуха. Корпус статора имеет с двух сторон опорные лапы, в каждой из которых предусмотрено по четыре отверстия для крепежных болтов. Подшипниковые щиты сварные, каждый из них состоит из двух полудисков. По торцам корпуса имеются рымы для подъема генератора. Ввод кабелей внутрь коробки вводов 24 производится через сальники 23. Сердечник статора состоит из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Сердечник состоит из шести пакетов, запрессованных в расточку корпуса статора, закрепленных нажимным кольцом и приваренных к двум ребрам корпуса. Обмотка статора является двухслойной и уложена в пазы прямоугольной формы. Секции обмотки пропитаны кремнийорганическим лаком и изолированы от сердечника стекломикалентой. Обмотка закреплена в пазах с помощью стеклотекстолитовых клиньев. Блок системы самовозбуждения 22 расположен на корпусе статора и имеет в своем составе блок сопротивлений 9, трансформатор фазового компаундирования 10, выпрямители 11, дроссель отсоса 21.

Вместе с генератором поставляются корректор напряжения и блок конденсаторов. Первый из них устанавливается на главном распределительном щите судовой электростанции, второй - в любом свободном месте недалеко от генератора.

Наружные стенки корпуса генератора образуют брызгозащищенную конструкцию. Однако генератор может работать без воздухоохладителя с разомкнутым циклом вентиляции. Тогда стенки корпуса образуют каплезащищенную конструкцию.

Размещено на Allbest.ru