Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное

Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
Нижегородский государственный
технический университет им. Р. Е. Алексеева
Кафедра "Электрооборудование, электропривод и автоматика"
ИССЛЕДОВАНИЕ ГРЕБНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ПО
СИСТЕМЕ «ГЕНЕРАТОР-ДВИГАТЕЛЬ»
Методические указания
к лабораторной работе № 2 по дисциплине
«Гребные электрические установки»
для студентов направления 13.03.02
очной формы обучения
Нижний Новгород
2014
I.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучение особенностей работы гребных установок, освоение методики
расчета механических характеристик гребной электрической установки (ГЭУ)
постоянного тока, работающей в системе «генератор-двигатель» (Г-Д),
экспериментальное
снятие
механических
характеристик
гребного
электродвигателя (ГЭД) и сравнение их с расчетными.
2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЕ ИЗ ТЕОРИИ
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 [I] сила упора
определяется выражением
момент сопротивления
где
T = Ct qD4n2, H;
(I)
M = CmqD5n2; Hm,
(2)
Ct и Cm – безразмерные коэффициенты, зависящие от геометрических
соотношений винта и режима работы;
q –
массовая плотность жидкости, кг/м3;
D–
диаметр винта, m;
n–
скорость вращения винта, об/с.
1 – тепловые двигатели (дизели); 2 – генераторы постоянного или
переменного тока; 3 – щит управления; 4 – гребной
электродвигатель (ГЭД); 5 – упорный подшипник; 6 – гребной винт.
Таким образом, зависимость момента сопротивления винта от скорости
его вращения является квадратичной параболой:
Mb = Ln2
(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 – швартовая при работе гребной установки на швартовах с L3 > L1;
4 – ледовая при вращении гребного винта в мелкобитом льде,
увеличивающим момент сопротивления, с L2 > 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 швартовых 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 регулирующего шага или
гидравлические передачи, что значительно усложняет гребную установку и
снижает ее надежность.
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 nн, 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.
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]:
Pдн = Mнωн = Mω = const,
(4)
откуда
Mн ωн
M=
(5)
ω
Выражения (4), (5) представляют гиперболу, которая показана на рис. 4 (кривая
3).
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.
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 [2]:
Pr = UвгIв = UгаIа = UгI = const
(6)
Внешняя характеристика генератора Ur = 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 = кФнω
(7)
где
К – конструктивный коэффициент двигателя;
Фн – номинальный поток возбуждения двигателя, Вб;
ω – угловая скорость вращения двигателя.
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.
Напряжение холостого хода ограничивается естественной внешней
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 изменений тока нагрузки IА до IB постоянство
мощности генератора и, следовательно, первичного двигателя поддерживается с
некоторым приближением.
3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
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 № 2.
Система Г-Д позволяет плавно регулировать скорость вращения ГЭД в
достаточно широком диапазоне путем изменения тока возбуждения генератора,
позволяет быстро производить реверс, может дать требуемую искусственную
характеристику ГЭД с большим моментом стоянки под током, достигающим
значения (1,5+2) Мн, позволяет поддерживать постоянной мощность первичного
двигателя; при этом скорость вращения генератора может оставаться
неизменной.
В качестве возбудителя генератора использован электромашинный
усилитель ЭМУ (рис. 6). ЭМУ имеет две обмотки управления: задающую
обмотку ОЗ и обмотку связи по току ОСТ.
Регулирование скорости вращения ГЭД производится за счет изменения
величины тока в задающей обмотке ОЗ электромашинного усилителя ЭМУ, что
обусловлено изменением величины напряжения, снимаемого с реверсивного
поста управления ПУ. С изменением тока в обмотке ОЗ изменяется напряжение
на выходе ЭМУ, прикладываемое к обмотке возбуждения ОВГ генератора Г.
Это, в свою очередь, ведет к изменению напряжения и скорости ГЭД.
Для реверса ГЭД необходимо сменить полярность напряжения
генератора, что достигается изменением направления тока Iу1 в задающей
обмотке ЭМУ с поста управления. При этом меняется полярность напряжения
на выходе ЭМУ 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 ЭМУ. Величина
тока Iу2 в обмотке ОСТ зависит от величины напряжения, снимаемого с шунта
Ш, включенного в главную цепь. Намагничивающая сила обмотки ОСТ
направлена встречно действию намагничивающей силы (н.с.) обмотки ОЗ.
Результирующая Н.С., создаваемая обеими обмотками ЭМУ:
F = Fоз- Fост
где
(8)
Fоз – н.с. задающей обмотки ЭМУ;
Fост – н.с. обмотки отрицательной обратной связи по току главной
цепи.
При токе главной цепи I = Imax ЭМУ 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 машину постоянного тока ГН, работающую на
тиристорный преобразователь ТП, который управляется с помощью СИФУ
(системы импульсно-фазового управления).
4. ОХРАНА ТРУДА
В
настоящей
установке
существует
опасность
поражения
электрическим током и вращающимися частями электрических машин, поэтому
во время работы необходимо соблюдать требования по технике безопасности.
Инструктаж по технике безопасности проводится перед началом прохождения
лабораторных работ.
С целью предупреждения от травм при эксплуатации лабораторная
установка выполнена в закрытом шкафу, вращающиеся части машин закрыты
кожухами. Корпуса машин и все металлические части имеют зануление,
которое способствует отключению в случае замыкания фазы на корпус
установки. Все токоведущие части изолированы.
Запрещается открывать переднюю панель при включенной установке!
В случае возникновения пожара необходимо отключить установку от
сети.
5. ЗАДАНИЕ К РАБОТЕ И ПОРЯДОК ЕЕ ВЫПОЛНЕНИЯ
Задачей работы является экспериментальное снятие механических
характеристик ГЭД и сравнение их с расчетными.
5.1. Экспериментальное снятие механических характеристик
Пуск установки в работу производится включением автоматов IAB,
2AB и ЗАВ (рис. 6), при этом ручка поста управления ПУ должна находится в
нулевом положении.
При включении автомата IAB загорается лампа Л31, включается
гонный двигатель MI электромашинного усилителя ЭМУ, получают питание
обмотки возбуждения гребного электродвигателя ОВГЭД и нагрузочного
генератора ОВГН. Кроме этого, подается питание на систему импульснофазового управления СИФУ.
При включении 2АВ получает питание гонный двигатель генератора
М2 (загорается лампа Л32).
Автоматом 3АВ подключается к сети тиристорный преобразователь
ТП, загорается лампа Л33.
Для подключения ГЭД к генератору Г необходимо нажать кнопку КП.
При этом срабатывает контактор Л, замыкая свой контакт в цепи ГЭД.
При переводе рукоятки ПУ в любую сторону через ЭМУ возбуждается
генератор Г и на нем появляется напряжение (вольтметр V) и двигатель ГЭД
начинает вращаться.
Скорость вращения гребного электродвигателя измеряется прибором n.
Для снятия механических характеристик устанавливается с помощью
ПУ определенное напряжение генератора (вольтметр V) и отмечается значение
тока при двух положениях тумблера ПР, т.е. в «швартовном» режиме и работе в
«свободной воде». Через полученные две точки проводится прямая, которая
представляет собой механическую характеристику двигателя. В работе
необходимо снять 4-5 характеристик.
5.2. Расчет механических характеристик ГЭД
Регулирование скорости вращения ГЭД осуществляется изменением
напряжения генератора при неизменном потоке двигателя Ф = Фн
В системе Г-Д скоростная и механическая характеристики двигателя
имеют вид:
ω=
Uг
_
Rяц
Iд
к Фн
(10)
к Фн
или
ω=
Uг
к Фн
где
_
Rяц
(к Фн )2
ω – угловая скорость вращения двигателя, с-1;
Ur – напряжение генератора, В;
М
(11)
Iд – ток якоря, А;
Фн – номинальный поток возбуждения двигателя, Вб;
К = pN/2πd – конструктивный коэффициент двигателя;
М – момент, развиваемый двигателем, Нм.
Rяц = Rяг+ Rяд
(12)
где
Rяг и Rяд – рабочие сопротивления якорной цепи соответственно
генератора и двигателя, Ом.
где
Rяг = (rог + rдг) 1,24 + rшг
(13)
Rяд = (rод + r д) 1,24 + rшд
(14)
rог и rод – сопротивление якорных обмоток соответственно генератора
и двигателя, Ом;
r∂г и r∂д
– сопротивления обмоток добавочных полюсов
соответственно генератора и двигателя, Ом;
1,24 – клэффициент, учитывающий увеличение сопротивления
обмоток при переходе к рабочей температуре;
rшг и
rшд – сопротивления щеточных контактов соответственно
генератора и двигателя;
rшг = rшд –
где
Δ Uщ
Iнд
,
(15)
∆Uщ = 2В – падение напряжения в щеточных контактах;
Iнд – номинальный ток якоря двигателя.
Из естественной скоростной характеристики двигателя определим кФн
:
кФн =
Uнд - Iнд Rяд
,
ωн
где
Uнд – номинальное направление двигателя, В;
(16)
ωн – номинальная угловая скорость вращения двигателя, с-1
2 πn
ω=
(17)
60
Момент и ток якоря двигателя связаны соотношением [3] :
М = кФIд
(18)
Скоростные и механические характеристики двигателя можно
построить по двум точкам, одна из которых определяется идеальным холостым
ходом двигателя, когда
Iд = О;
М=О
и
ω0 =
Uг
,
(19)
к Фн
а другая – при номинальных значениях тока якоря и момента, т.е.
Iд = Iнд$
М = Мн .
Задаваясь значениями напряжения генератора Uг , для которых были
получены экспериментальные характеристики, получаем семейство расчетных
характеристик.
6. УКАЗАНИЯ К СОСТАВЛЕНИЮ ОТЧЕТА
Отчет составляется по полученным в работе результатам на двойном
тетрадном листе. Форма отчета должна соответствовать образцу,
выставленному в лаборатории. Графический материал выполняется с помощью
карандаша и линейки. Экспериментальные и расчетные данные вначале
заполняются в соответствующие таблицы, а затем по ним строятся графики.
Полученные экспериментальные и расчетные характеристики строятся на
одном графике и делается их сравнение. В конце отчета делаются
соответствующие выводы.
7. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Какое отличие гребных установок с непосредственным приводом
гребного винта от ГЭУ с электродвижением?
Преимущества и недостатки ГЭУ с электродвижением.
Что такое механическая характеристика? Механическая характеристика
винта и двигателя.
Желаемая механическая характеристика ГЭУ.
Крутопадающая характеристика ГЭУ с электродвижением. Ее
преимущества и недостатки. Как работает лабораторная электроустановка.
Как рассчитать механическую характеристику электродвигателя?
8.РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
Автор(ы), наименование
Издательство
Основная
Регистр
РФ.
Правила Машиностроение
классификации
и
постройки морских судов
Речной
регистр
РФ. Машиностроение
Правила классификации и
постройки
судов
внутреннего плавания
Андриевский
М.И. Машиностроение
Организация
проектирования
судов
внутреннего плавания
Нарусбаев А.А. Введение Машиностроение
в теорию обоснования
проектных решений
Дополнительная
Рукавишников
С.Б. Машиностроение
Автоматизированные
гребные
электрические
установки.
Авик
Ю.Н.
Гребные Машиностроение
электрические установки.
Справочник.
Международная
конференция по охране
человеческой жизни на
море
Борьба с пожарами на
судах.
Справочное пособие в 2-х
томах
Год
издания
Кол-во
в библ.
НГТУ
2007
2
2008
2
2008
3
2009
2
1983
5
1975
4
2000
1
2001
1
СОДЕРЖАНИЕ
1.
2.
3.
4.
5.
5.1.
5.2.
6.
7.
Цель работы ………………………………………………………..… 3
Краткие сведения из теории………………………………………… 3
Описание лабораторной установки………………………………... 7
Охрана труда………………………………………………………..,. 8
Задание к работе и порядок ее выполнения………………………. 8
Экспериментальное снятие механических характеристик.... 8
Расчет механических характеристик ………………………... 9
Указания к составлению отчета……………………………………. 11
Вопросы для самопроверки ………………………………………... 12