Электрооборудование судов

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ СУДОВ РАЗДЕЛ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИИ СУДОВ Вопрос 1. Основные понятия и определения Под электрооборудованием судов, или судовым электрообору­дованием, понимают электротехнические устройства и системы, устанавливаемые на судах. Они включают в себя: - судовые элек­тростанции (СЭС), - электрические сети - потребители электро­энергии. Судовая электростанция представляет собой совокупность источников электрической энергии и так называемого главного электрораспределительного щита, расположенных в одном или нескольких помещениях судна. В зависимости от назначения судовые электростанции разделяются: - на основные, - на аварийные - на станции гребных электрических установок. Все судовые электро­станции обычно соединены между собой. Электрической сетью называется система, состоящая из ка­белей и распределительных устройств, с помощью которых элек­трическая энергия передается от источника к потребителям. Электрические сети по функциональному назначению разделя­ются: - на силовые сети, - сети электрического освещения, - сети уста­новок слабого тока - сети специального назначения. Потребителями электроэнергии называются все электрифици­рованные механизмы, приборы, машины и аппараты, потребляю­щие электроэнергию. По назначению они разделяются на сле­дующие основные группы: а) электромеханизмы судовой энерге­тической установки (СЭУ); б) электромеханизмы судовых систем и устройств; в) палубные электромеханизмы; г) осветительные установки и устройства; д) устройства связи, сигнализации и уп­равления; е) электромеханизмы технологических установок; ж) бытовые потребители; з) прочие электромеханизмы и приборы. На рис. 11.1 приведена рассмотренная выше классификация судового электрооборудования. По степени важности все потребители электроэнергии де­лятся на две группы: 1) ответственные потребители, обеспечи­вающие ход судна; 2) неответственные потребители, обеспечи­вающие бытовые нужды корабля. Потребителями первой группы являются: - электромеханизмы СЭУ, - радиолокационные и гидролокационные установки, - при­боры управления судном, - радиостанции, - водоотливные и противо­пожарные средства, - сигнальные огни и аварийное освещение, - рулевые устройства и ряд палубных механизмов. Эти потреби­тели обеспечиваются питанием не менее чем от двух источников электроэнергии, а в отдельных случаях - от двух электрораспре­делительных щитов, расположенных побортно. Потребителями второй группы являются: - вентиляторы быто­вых помещений, - бытовые электронагревательные приборы - элек­тромеханизмы мастерской, камбуза, прачечной и пр. Эти потре­бители получают питание, как правило, от одного электрораспре­делительного щита отсека. По характеру работы все электрооборудование делится на три группы: 1) электрооборудование, предназначенное для длительной ра- боты, т. е. такой работы, при которой время включенного состояния какого-либо элемента оборудования достаточно для достижения установившейся температуры, не превышающей допустимого предела; 2) электрооборудование, предназначенное для кратковремен-­ ной работы, т. е. такой работы, при которой время включенного состояния какого-либо элемента оборудования недостаточно для достижения предельно допустимой температуры, а время паузы (остановки) достаточно для его охлаждения до температуры окружающей среды. 3) электрооборудование, предназначенное для повторно-кратковременной работы, т. е. такой работы, при которой эле­менты оборудования многократно включаются и отключаются, причем длительность одного периода их включения и паузы ме­жду ними недостаточна для достижения установившейся темпе­ратуры или охлаждения до температуры окружающей среды. По форме исполнения электрооборудование, устанавливаемое на судне, как правило, делится на: - электрооборудование защи­щенного, - брызгозащищенного, - водозащищенного, - герметического - взрывозащищенного исполнения. Защищенным считается электрооборудование, защищенное от попадания внутрь посторонних предметов и от случайных при­косновений к токоведущим и вращающимся частям; брызгозащищенным — электрооборудование, защищенное от попадания брызг воды внутрь корпуса; водозащищенным — электрооборудование, защищенное от попадания воды внутрь корпуса при обливании его водой; герметическим — электрооборудование, приспособлен­ное для работы под водой в затопленных помещениях судна; взрывозащищенным — электрооборудование, конструкция кото­рого обеспечивает безопасность его применения в условиях взрывоопасных помещений и пространств. Вопрос 2. Требования, предъявляемые к судовому электрооборудованию Условия работы судового электрооборудования имеют ряд специфических особенностей. К ним относятся: а) установка элек­тромеханизмов и прокладка кабелей на металлическом основа­нии и по металлическим частям судна, которые представляют собой хороший проводник; б) высокая влажность и воздействие морской воды; в) сотрясения судна вследствие ударов волн; г) общая вибрация судна, создаваемая работой гребных винтов, и местная, вызываемая работой отдельных агрегатов; вибрация может иметь значительную частоту; д) резкие колебания темпе­ратуры, зависящие от района плавания, времени дня и года и характера судовых помещений; е) длительный крен судна, диф­ферент и бортовая качка с большими углами отклонения от вертикали; ж) наличие взрывчатых веществ, нефтепродуктов и масел в ряде отсеков судна. Кроме того, судно насыщено разно­образной техникой, что затрудняет размещение и обслуживание электрооборудования. С учетом указанных выше неблагоприятных условий работы к судовому электрооборудованию предъявляют требования высо­кой электрической и механической прочности, влаго-, тепло- и холодостойкости, ударовибростойкости, пожаро- и взрывобез-опасности и т. д. Основными же требованиями к электрооборудо­ванию судов являются следующие: 1. Живучесть и высокая надежность работы. Под живучестью судового электрооборудования понимают стойкость его к повреждениям и способность к быстрому восстановлению, которое осу­ществляется" автоматически или экипажем, а под надежностью — свойство электрооборудования выполнять требуемые функции и сохранять свои эксплуатационные показатели в заданных преде­лах в течение установленного срока службы при соблюдении всех правил эксплуатации и действующих инструкций. Живучесть и надежность электрооборудования обеспечива­ются следующими мероприятиями: а) резервированием наиболее важных и ответственных электрических установок и систем; б) рациональным размещением электростанций и основных трасс кабелей; в) установкой автоматизированных систем управления и контроля за работой основных элементов электрооборудования; г) дублированием подводов питания к важным электромеханиз­мам и размещением последних в наиболее защищенных частях судна; д) применением специальных конструктивных форм ис­полнения для наиболее важного электрооборудования, установ­кой его на амортизаторах, а также применением по возможности негорючих и огнестойких материалов; е) обучением экипажа судна и обеспечением его эффективными средствами устранения повреждений электрооборудования. Надежность работы отдельных элементов электрооборудова­ния обеспечивается: а) конструктивным устройством элементов, т. е. все элементы должны иметь прочную и достаточно жесткую конструкцию; б) применением в качестве изоляции тепло-, холодо-, влаго- и маслостойких материалов; в) усиленным креп­лением элементов электрооборудования, их рациональным раз­мещением, обеспечивающим наименьшее влияние качки, а также большой уравновешенностью подвижных частей электромеха­низмов. 2. Минимальные масса и габариты всех элементов электро­ оборудования при оптимальном КПД. Уменьшение массы и габа­ ритов достигается использованием высококачественных мате­ риалов и специальных конструкций. 3. Простота эксплуатации электрооборудования и безопасность его обслуживания, минимальные помехи радиоприему и малая шумность, а также максимальная унификация электрооборудо­ вания. Некоторые из рассмотренных требований являются противо­речивыми, поэтому при разработке конструкций обычно принима­ется компромиссное решение, в результате чего указанные так­тико-технические требования к электрооборудованию иногда вы­полняются не полностью. Вопрос 3. Род тока и стандартные значения напряжения и частоты На современных судах в качестве основного рода тока, как правило, применяется переменный трехфазный ток, и лишь на тех судах, где преобладающая часть оборудования выполнена на постоянном токе, используется постоянный ток. Отдельные же потребители, которые требуют тока, отличного от основного, питаются от соответствующих преобразователей. Основными преимуществами трехфазного тока по сравнению с постоянным являются: 1) простота устройства электрических машин, в особенности короткозамкнутых асинхронных электро­двигателей, благодаря чему они имеют высокую надежность в работе, более простое обслуживание, меньшие массу и габа­риты, меньшую стоимость и требуют меньшего количества запас­ных частей; 2) простота преобразования тока и напряжения, для чего применяются надежные полупроводниковые преобразователи и трансформаторы; 3) простота устройства коммутационных ап­паратов на переменном токе, которые безаварийны, имеют мень­шие массу и габариты. Основными недостатками трехфазного тока являются труд­ность регулирования частоты вращения электродвигателей пере­менного тока, их низкий пусковой момент. Электродвигатели по­стоянного тока имеют больший пусковой момент и хорошие характеристики, позволяют легко и в широких пределах осущест­влять регулирование частоты вращения. Следует, однако, за­метить, что современные тиристорные системы управления элек­троприводами с частотной модуляцией дают возможность регули­ровать в широких пределах и частоту вращения асинхронных электродвигателей. В связи с указанными достоинствами элементов электрообо­рудования постоянного тока и в связи с тем, что ряд систем и из­делий могут работать только на постоянном токе, суда, имеющие в качестве основных электростанции переменного тока, оборуду­ются вспомогательными электроэнергетическими установками по­стоянного тока. Основными источниками электроэнергии таких систем, как правило, являются преобразователи, а резервными'— электрические аккумуляторы. Номинальные значения стандартных напряжений, допускае­мых в судовых электроустановках, приведены в табл. 11.1. Из указанных напряжений в силовых сетях переменного тока чаще всего применяют напряжения 220 и 380 В. Напряжения 12 и 24 В, как правило, используют в сетях аварийного освещения и в сетях слабого тока, а также для питания переносного электро­оборудования. Напряжения 110 и 220 В постоянного тока при­меняют в силовых сетях и в сетях основного освещения Напря­жения 24 В переменного и постоянного тока часто используют и в сетях специального назначения. Значения номинальных напряжений зависят от мощности СЭС. Напряжения 110 и 220 В целесообразны при мощности СЭС до 300 кВт, а напряжения 380 В — при мощности СЭС свыше 300 кВт. Если мощность СЭС составляет десятки тысяч киловатт, то целесообразно применять напряжения 660, 1200 3000 6000 В и более. ' Номинальные частоты электроэнергетических систем и элек­троустановок переменного тока — 50 и 400 Гц. Для отдельных си­стем и установок используют и другие частоты. Таблица 11.1 Номинальные напряжения источников и приемников электроэнергии Род тока Номинальное напряжение, В Род тока Номинальное напряжение, В потребителей ИСТОЧНИКОВ потребителей источников Перемен­ный 12 24 13,5 28,5 Постоянный 12 24 13,5 28,5 220 230 110 115 380 400 220 230 440 460 РАЗДЕЛ 2 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА ВОПРОС 1. Общие сведения и понятия Электрическими машинами называют машины преобразую­щие механическую энергию в электрическую, или наоборот электрическую в механическую. Первые из них называют генера­торами, вторые— электродвигателями. В зависимости от рода тока электрические машины делятся на машины постоянного тока и машины переменного тока. В основе работы машин постоянного тока лежат закон элек­тромагнитной индукции и закон взаимодействия проводника с током и магнитного поля. На рис. 12.1 приведены схемы работы машины постоянного тока в режиме генератора и режиме элек­тродвигателя. Рис. 12.1. Схемы работы машин постоянного тока: а — генератора; б — двигателя Машина изображена в простейшем виде и пред­ставляет собой виток, вращающийся с постоянной угловой ско­ростью ω в равномерном магнитном поле между двумя полю­сами. Концы витка присоединены к двум медным полукольцам, насаженным на вал и изолированным друг от друга. На по­лукольца наложены неподвижные щетки, соединяющие виток с внешней цепью. Виток обычно укладывается на поверхности стального цилиндра. Такое устройство получило название якоря. Если якорь машины привести во вращение (рис. 12.1, а) то виток будет пересекать магнитный поток и в нем будет индуци­роваться переменная ЭДС е, значение которой определяется по закону электромагнитной индукции e = Blv где B—магнитная индукция, перпендикулярная к направлению движения витка l — активная длина витка, т. е. длина двух сторон витка, пересекающих магнитный поток; v — скорость движения витка относительно поля. Под влиянием воз­никшей ЭДС в замкну­той цепи потечет ток. Он будет взаимодействовать с магнитным полем, в ре­зультате чего образуется электромагнитная пара сил, которая согласно закону Ленца будет про­тиводействовать движе­нию витка. Машина в рассматриваемом слу­чае работает в режиме генератора, так как при этом механическая энергия первичного двигателя преобразуется в электрическую. При прохождении через виток тока i от постороннего источ­ника питания (рис. 12.1, б) в результате взаимодействия тока и магнитного поля возникает электромагнитная пара сил, направ­ление которой определяется по правилу левой руки, а значе­ние— по формуле f = Bli Под влиянием этой пары сил виток придет в движение. Он будет пересекать магнитное поле, и в нем возникнет ЭДС е, которая согласно закону Ленца будет препятствовать причине своего воз­никновения. Машина в рассматриваемом случае работает в ре­жиме электродвигателя, так как при этом электрическая энергия источника питания преобразуется в механическую. Таким образом, в обоих режимах имеют место ЭДС и элек­тромагнитные силы. В режиме генератора ЭДС является причи­ной возникновения тока, а электромагнитные силы — силами торможения. В режиме электродвигателя электромагнитные силы являются причиной движения, а ЭДС — противоэлектродвижущей силой. Следовательно, электрическая машина обратима, т. е. она может работать как в режиме генератора, так и в режиме электродвигателя. При работе машины в режиме генератора в витке индуциру­ется переменная ЭДС, под влиянием которой в замкнутой цепи течет ток — переменный в витке и постоянный по направлению во внешней цепи. При работе машины в режиме электродвигателя во внешней цепи течет также постоянный ток, а в витке — ток, переменный по направлению. Преобразование переменного тока в постоянный на зажимах внешней цепи в режиме генератора и изменение направления тока в витке в режиме электродвигателя осуществляются автоматически с помощью коллектора. Рассмотрим принцип действия коллектора машины в обоих режимах ее работы. Рис. 12.2. Схема работы коллектора На схемах (рис. 12.2) а и б— коллекторные пластины; 1 и 2 — проводники; А и В — щетки, установленные на так называемой нейтральной линии, т. е. линии, проходящей по­средине между полюсами. Значение ЭДС витка на нейтральной линии всегда равно нулю. Очевидно, когда проводник 1 находится под северным полю­сом магнита, щетка А касается пластины б, а щетка В — пла­стины а и во внешней цепи ток течет от щетки А к щетке В, как указано стрелками. При прохождении же проводников через ней­тральную линию ЭДС равна нулю и, следовательно, в витке и во внешней цепи тока не будет. Наконец, при переходе провод­ника 1 в область южного полюса и соответственно проводника 2 в область северного полюса индуцируемые в них ЭДС меняют свое направление на обратное. Но в момент изменения направле­ния ЭДС в проводниках щетка А переходит с пластины б на пластину а и щетка В — соответственно с пластины а на пла­стину б. Тем самым щетки переключают концы витка по отноше­нию к внешней цепи, в результате чего ток во внешней цепи течет в прежнем направлении. Другими словами, в витке индуцируется переменная ЭДС и течет переменный ток, а во внешней цепи — пульсирующий ток, т. е. ток, переменный по силе и постоянный по направлению. Для того чтобы во внешней цепи получить неизменный по на­правлению ток, надо создать постоянное напряжение. Для этого па якоре на одинаковом расстоянии друг от друга укладывают от 12 до 24 витков-секций и соответственным образом увеличи­вают число коллекторных пластин. В результате суммирования ЭДС секций ЭДС якоря и напряжение на его зажимах получа­ются постоянными. При работе машины в режиме электродвигателя коллектор слу­жит для распределения тока в об­мотке якоря в строго определен­ных направлениях (см. рис. 12.1, б), с тем чтобы сохранялось неиз­менным направление вращения якоря. Вопрос 2. Устройство и основные элементы машины Устройство машины постоян­ного тока схематически показано на рис. 12.3. Она состоит из двух основных частей: неподвижной, служащей для создания магнит­ного потока, и вращающейся, в ко­торой индуцируется ЭДС. Между этими частями машины имеется воздушный зазор, который в машинах небольшой мощности со­ставляет 1—3 мм, а в больших машинах доходит до 10—12 мм. Рассмотрим кратко устройство частей машины. 1 — коллектор; 2 — полюс основной; 3 — полюс добавочный; 4 — станина; 5 - якорь Неподвижная часть машины состоит из станины, основных и добавочных полюсов. Основные полюса служат для создания ос­новного магнитного потока. Каждый основной полюс состоит из сердечника и надетой на него катушки, по которой проходит ток возбуждения. Катушки основных полюсов, соединенные между собой тем или иным способом, образуют обмотку возбуждения машины. Сердечники основных полюсов заканчиваются полюс­ными наконечниками, назначение которых — улучшить распре­деление магнитного потока. Добавочные полюса установлены между главными полюсами и служат для улучшения условий коммутации. Добавочный полюс, как и главный, состоит из сердечника и насаженной на него катушки. Катушки добавочных полюсов, соединенные между собой, образуют обмотку, которая обычно включается последовательно с обмоткой якоря. Сердеч­ники полюсов часто изготовляют из тонких изолированных ли­стов электротехнической стали — с целью ограничения вихревых токов. Станину, как правило, изготовляют из стали и используют для крепления отдельных частей, а также как магнитопровод машины. Машины постоянного тока бывают двухполюсными и много­полюсными. Полюса вместе с ярмом станины и сердечником якоря составляют магнитную систему машины. Рис. 12.4. Якорь (а), секция его обмотки (б) и пазы (в) Якорь машины (рис. 12.4, а) состоит из сердечника 3, укреп­ленного на валу, обмотки 2 и коллектора 1. Сердечник набира­ется из тонких листов электротехнической стали, а для улучше­ния охлаждения в нем, как правило, делают вентиляционные каналы. На поверхности сердечника имеются пазы. Обмотка якоря изготовляется из медного изолированного провода в виде одновитковых или многовитковых секций (рис. 12.4, б), которые закладывают в пазы сердечника (рис. 12.4, в) и укрепляют в них с помощью деревянных клиньев и бандажей. Выступающие части обмотки якоря, называемые лобовыми, также крепят с помощью бандажей. Концы секций припаивают к коллекторным пласти­нам. Иногда секции обмотки соединяют с коллекторными пласти­нами с помощью хомутиков. Секции, соединенные коллектор­ными пластинами, образуют обмотку якоря. Коллектор состоит из ряда клиновидных медных пластин, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками. Он закрепляется на валу машины и вращается вместе с якорем. Ток с коллектора снимается с помощью щеток, которые имеют с кол­лектором скользящий контакт. Щетки представляют собой уголь­ные или графитные бруски, размещенные в щеткодержателях. Последние с помощью хомутиков укрепляются на пальцах тра­версы или рамы, от которой щеткодержатели изолированы. Пере­мещением траверсы достигается изменение положения щеток на коллекторе. Число пальцев на траверсе равно числу полюсов машины. ВОПРОС 3. Электродвижущая сила и электромагнитный момент машины постоянного тока При вращении якоря машины в проводниках обмотки якоря, расположенных под разными полюсами (рис. 12.5), индуциру­ ются ЭДС различного направления, но благодаря симметрич­ ному расположению проводников эти ЭДС равны по величине. Из рис. 12.5 видно, что проводники, образующие какую-либо одну параллельную ветвь, включены между щетками машины и их ЭДС действуют согласованно. Следовательно, ЭДС ма­ шины в каждый момент времени равна сумме ЭДС этих провод­ ников. Обозначая через N общее число активных проводников якоря, а че­рез а число пар парал­лельных ветвей, найдем E = e; где e – ЭДС, индуцируемая в одном проводнике обмотки якоря; Bcp – среднее значение индукции в воздушном зазоре машины. Поскольку линейная скорость вращения якоря v и магнитный поток Ф соответственно равны v = Ф= Bcpπl, где D – диаметр якоря; p – число пар полюсов; τ = Πd/2p – полюсное деление, то с учетом этих соотношений получим E = = В готовой машине p, N и a постоянны, поэтому заменив все постоянные величины одним коэффициентом C = pN/2πa, окончательно получим E = CωФ. Однако в большинстве случаев приходиться вместо угловой скорости ω пользоваться частотой вращения n. Поскольку ω = πn/30, то уравнение ЭДС запишется следующим образом: E = Ce n Ф, где Ce = Cπ/30 = pN/60a – коэффициент, зависящий от конструктивных данных машин. Из последнего уравнения следует, что при работе машины ее ЭДС можно менять путем изменения частоты вращения якоря или магнитного потока. При работе машины в режиме генератора ЭДС E больше напряжения U на зажимах машины на величину падения напряжения в цепи якоря. Следовательно, уравнение электрического равновесия для генератора запишется так: U = E – Iя Rя . где Iя – сила тока в цепи якоря; Rя – сопротивление цепи якоря. При работе машины в режиме электродвигателя ЭДС E, называемая обратной или противодействующей, меньше напряжения U на величину падения напряжения в цепи якоря. Следовательно, уравнение электрического равновесия для электродвигателя можно записать в виде U = E + Iя Rя . Уравнение электрического равновесия характеризуют первое основное условие работы машины, которое называют условием равновесия ЭДС. При работе машины постоянного тока имеет место взаимодействие поля полюсов и поля якоря, в результате которого возникает электромагнитный момент машины, причем при работе машины в качестве генератора возникает тормозящий момент, а при работе в режиме электродвигателя – вращающий. Действительно, ток текущий в обмотке якоря генератора, взаимодействуя с магнитным потоком полюсов, создает тормозной момент МТ электромагнитных сил F, направленный противоположно направлению вращения якоря, а следовательно, и направлению вращающего момента М первичного двигателя. (см.рис.12.5 а). В этом нетрудно убедиться, применяя правило левой руки. Если же через обмотку якоря пропустить ток от постороннего источника в том же направлении (см.рис.12.5 б), то электоромагнитная пара сил создаст вращающий момент М. Этот момент в двигательном режиме будет преодолевать нагрузку на валу машины, также называемую обычно тормозным моментом МТ или моментом сопротивления. Таким образом, при установившемся режиме работы машины должно иметь место равенство моментов М = МТ Это уравнение выражает второе основное условие работы машины, кторое называют условием равновесия моментов. Установим зависимость электромагнитного момента от величин, определяющих природу его возникновения. Согласно закону Ампера среднее значение электромагнитной силы, действующей на один проводник, равно F = Bcp l I где Bcp - среднее значение индукции в воздушном зазоре машины; l - активная длина проводника; I - сила тока в проводнике. Так как плечо силы равно радиусу якоря R, то момент, развиваемый одним проводником, определяется выражением Мпр = FR = Bcp l I R. С другой стороны, среднее значение магнитной индукции равно магнитному потоку полюса, деленному на площадь полюса Bcp = . Подставляя полученное значение Вср в уравнение,получим Мпр = рФ1/π Если якорь имеет N проводников и сила тока в проводнике 1=Iя /(2а), то электромагнитный момент машины, создаваемый всеми проводниками, будет равен М = Мпр N = Обозначив постоянные величины изготовленной машины через См = рN/(2πа), получим М = СМФ/ IЯ. Таким образом, электромагнитный момент изготовленной ма­шины меняется только с изменением ее магнитного потока и силы тока в якоре. ВОПРОС 4. Реакция якоря и коммутация При работе машины вхолостую, т. е. без нагрузки, в ней су­ществует только основное магнитное поле — поле полюсов. При работе же машины под нагрузкой, т. е. когда по обмотке якоря проходит ток, в ней существуют поле полюсов и поле якоря, создаваемое током якоря. Накладываясь друг на друга, эти поля образуют результирующее магнитное поле машины, которое от­личается от основного поля полюсов не только по величине, но и по характеру распределения. Последнее объясняется тем, что направления поля якоря и поля полюсов в одних местах, совпа­дают, отчего результирующее поле в этих местах усиливается, а в других местах не совпадают, вследствие чего результирую­щее поле в этих местах ослабляется. Так, в генераторе поле уси­ливается у сбегающих краев полюсов и ослабляется у набегаю­щих краев. В электродвигателе имеет место обратная картина: поле ослабляется у сбегающих краев полюсов и усиливается у набегающих краев. Воздействие поля якоря на основное поле машины называ­ется реакцией якоря. Реакция якоря приводит к нежелательным явлениям, в частности ухудшает коммутацию в машинах, у ге­нераторов изменяет напряжение, а у электродвигателей — момент и частоту вращения. Поэтому в машинах постоянного тока пре­дусматриваются специальные меры для компенсации вредного действия реакции якоря. При отсутствии тока в якоре и, следовательно, реакции якоря (рис. 12.6, а) физическая нейтраль ФН — линия, перпендикуляр­ная к оси результирующего магнитного потока, — совпадает с геометрической нейтралью XX' — линией, перпендикулярной к оси полюсов и разделяющей на якоре области северного и южного полюсов. Рис. 12.6. К пояснению реакции якоря в машине постоянного тока Рис. 12.7. Расположение доба­вочных полюсов При действии реакции якоря физическая нейтраль смещается (рис. 12.6, б) с геометрической нейтрали. У генерато­ров (Г) физическая нейтраль смещается по направлению враще­ния якоря, а у электродвигателей (Д) — против направления вращения. В этом случае для нормальной работы машины щетки надо сдвинуть в том же направлении на угол а, на который сме­стилась физическая нейтраль, или немного больший. При смещении щеток с геометрической нейтрали поток якоря Фа также сместится и не будет перпендикулярен к оси полюсов. Поэтому его можно разложить на две составляющие: поперечную Фaq, ориентированную перпендикулярно к оси полюсов, и про­дольную Фad, направленную по оси полюсов. Воздействие по­перечной составляющей потока якоря на основной поток ма­шины Фo называется поперечной реакцией якоря, а воздействие продольной составляющей — продольной реакцией якоря. Для уменьшения вредного влияния реакции якоря в большин­стве машин постоянного тока вместо смещения щеток применяют специальные устройства — добавочные полюса (рис. 12.7). Они устанавливаются между основными полюсами по нейтральной линии и создают дополнительный магнитный поток Фд , направ­ленный навстречу потоку якоря Фа и тем самым ослабляющий действие последнего. Магнитное поле якоря изменяется с измене­нием нагрузки машины, поэтому для компенсации действия поля якоря обмотку добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря, с тем чтобы по ней проходил ток якоря. Под коммутацией понимают процесс переключения секций об­мотки якоря из одной параллельной ветви в другую, сопровож­даемый замыканием секции накоротко и изменением силы и на­правления тока в ней. Переключение совершается во время про­хождения секции через нейтральную линию. Весь процесс переключения одной секции показан на рис. 12.8, а. За время этого переключения сила тока в короткозамкнутой, или, иначе, коммутируемой, секции изменяется от I до -I, проходя через нуль. Рис. 12.8. К пояснению процесса коммутации: а -секции обмотки якоря; б -кривая изменерия тока Установим закон изменения коммута­ционного тока, причи­ны и следствия его изменения. Физическая сущ­ность коммутацион­ного процесса состоит в том, что в комму­тируемой секции об­мотки якоря вслед­ствие быстрого изменения тока возникают ЭДС самоиндукции eL =-L di/dt и взаимо­индукции ем, которые образуют реактивную ЭДС ер = еь + ем. Эти ЭДС препятствуют быстрому изменению тока и тем самым ухудшают коммутацию, вызывая в момент схода щетки с пластины коллектора искру между сбегающим краем щетки и пластиной коллектора. Кроме того, на изменение тока в короткозамкнутой секции обмотки якоря оказывает влияние переходное сопротивление Rщ между щеткой и пластиной коллектора. Таким образом, для уменьшения вредного действия коммута­ции надо увеличивать сопротивление Rщ и компенсировать реак­тивную ЭДС ер. Наиболее эффективно компенсация достигается путем создания компенсирующей ЭДС ек, равной по величине и противоположной по направлению реактивной ЭДС: ер = - ек. В этом случае ik = (ер — ек)/Rщ = 0 и процесс коммутации про­текает по линейному закону (рис. 12.8, б). Для создания компен­сирующей ЭДС в машинах постоянного тока устанавливают до­бавочные полюса. Помимо коммутационных процессов причинами искрения на коллекторе могут быть: а) механические дефекты — неровная по­верхность коллектора, вибрация щеточного аппарата, неправиль­ное расположение и давление щеток и пр.; б) неравномерное распределение напряжения на коллекторе, которое может до­стигать больших значений, особенно при переменной нагрузке. ВОПРОС 5. Мощность, потери и КПД машин постоянного тока При работе машин постоянного тока имеют место следующие основные виды потерь: а) механические рм, обусловленные трением вала в подшип­- никах, щеток о коллектор, вращающихся частей о воздух; опре-­ деляются по эмпирическим формулам или экспериментально; б) магнитные (потери в стали) рс, обусловленные вихревыми токами и гистерезисом и вычисляемые по эмпирическим фор­ мулам; в) электрические рэ, обусловленные нагреванием обмотки якоря, добавочных полюсов, а также потерями на возбуждение и в щетках; эти потери определяются по формуле Pэ = Rя I2 я +Uв Iв +ΔUщ Iя где Rя,Iя — полное сопротивление цепи якоря и сила тока в ней; Uв,Iв — напряжение и сила тока в цепи возбуждения; ΔUщ — переходное падение напряжения на пару щеток, обычно рав­ное 2 В. г) добавочные рД, обусловленные вибрацией вращающихся частей, неравномерным распределением индукции и пульсацией тока, а также неравномерным распределением плотности тока в отдельных элементах машины; эти потери определяются вы­ражением рД = 0,01Рн, где Рн — номинальная мощность, опреде­ляемая условиями допустимого нагрева машины. Таким образом, полные потери в машине постоянного тока могут быть выражены следующей формулой: Σp =pм + pс + pэ + pД Механические и магнитные потери практически не зависят от нагрузки машины, поэтому их сумму принято называть по­терями холостого хода. Электрические же потери пропорцио­нальны квадрату силы тока якоря и вызывают нагрев машины. Поскольку нагрев возможен до определенной температуры, то электрические потери регламентируют допустимую силу тока, а следовательно, и номинальную мощность машины. За номи­нальную мощность генераторов принимается электрическая мощ­ность на зажимах машины, а для электродвигателей — механиче­ская мощность на валу, выраженная в электрических единицах измерения. Мощность и КПД генератора. Мощность, развиваемая гене­ратором, называется электромагнитной мощностью. Она характе­ризует скорость преобразования механической энергии в элек­трическую и определяется произведением силы тока якоря гене­ратора Iя и его ЭДС Е: Pэм = E Iя. Мощность, отдаваемая генератором во внешнюю цепь, на­зывается полезной мощностью. Эта мощность определяется вы­ражением Р = UI, где U — напряжение генератора; I — сила тока во внешней цепи. Отношение полезной мощности генератора Р к мощности Р1, подводимой к генератору от первичного двигателя, называется коэффициентом полезного действия генератора η, т. е. η = КПД генератора — величина непостоянная. Он меняется при изменении нагрузки, достигая максимума при нагрузках от 75 до 100 % номинальной. КПД генераторов малой мощности достигает 75—85%, генераторов средней мощности 85—92% и генераторов большой мощности 92—97 %. Мощность и КПД электродвигателя. Мощность, потребляемая электродвигателем из сети, определяется формулой P1 = UI где U — напряжение на зажимах электродвигателя; I — сила тока, потребляемая электродвигателем из сети. Полезная мощность Р, развиваемая электродвигателем на валу, меньше потребляемой мощности на величину потерь в элек­тродвигателе. Поэтому КПД электродвигателя, представляющий собой отношение полезной мощности к потребляемой, равен η = КПД современных электродвигателей постоянного тока ко­леблется от 75 до 95 % в зависимости от мощности, причем с увеличением мощности электродвигателя КПД возрастает. ВОПРОС 6. Классификация машин постоянного тока Электрические машины постоянного тока обратимы, т. е. они могут работать как в качестве генератора, так и в качестве элек­тродвигателя. В зависимости от способа возбуждения машины делятся на две группы: машины независимого возбуждения и машины самовозбуждения. У первых питание обмоток возбужде­ния осуществляется от внешнего источника электроэнергии, у вторых — от самой машины. Рис. 12.9. Принципиальные схемы машин постоянного тока: а — независи­мого возбуждения; б — параллельного возбуждения; в — последовательного возбуждения; г — смешанного возбуждения Машины самовозбуждения по способу соединения обмоток возбуждения и якорей делятся на машины параллельного, по­следовательного и смешанного возбуждения. На рис. 12.9 изобра­жены принципиальные схемы машин постоянного тока. ВОПРОС 7. Генераторы постоянного тока Всякий генератор рассчитан на определенный режим работы, характеризующийся номинальными значениями мощности, на­пряжения, силы, частоты вращения, которые обычно указыва­ются на щитке генератора. Основные величины, определяющие работу генераторов, за­висят друг от друга. Эта зависимость устанавливается с по­мощью характеристик, которые обычно изображаются в виде кривых. Наиболее важные характеристики генераторов следую­щие. 1. Характеристика холостого хода, представляющая собой за­висимость ЭДС генератора от силы тока возбуждения Iв при постоянной частоте вращения и разомкнутой внешней цепи, т. е. Е = f(Iв) при n = сопst и I = 0. 2. Внешняя характеристика, представляющая собой зависи­мость напряжения на зажимах генератора от силы тока нагрузки при постоянной частоте вращения и неизменном сопротивлении цепи возбуждения Rв, т. е. U = f(I) при n = соnst и Rв = сопst. 3. Регулировочная характеристика, представляющая собой зависимость силы тока возбуждения от силы тока нагрузки при постоянном напряжении и постоянной частоте вращения, т. е. Iв = f(I) при n = соnst и U= сопst. Основные характеристики позволяют в наглядной форме про­изводить анализ свойств генераторов, которые в основном опре­деляются способом возбуждения машины. Генератор независимого возбуждения. Принципиальная схема генератора независимого возбуждения приведена на рис. 12.10, а, где Н1—Н2 — обмотка независимого возбуждения, Rр — регули­ровочный реостат, служащий для изменения силы тока возбужде­ния. Внешняя цепь представлена в виде нагрузочного рези­стора RНГ. Рис. 12.10. Принципиальная схема генератора независимого возбуждения и его характеристики Для возбуждения генератора необходимо пустить первичный двигатель в ход и развить номинальную частоту вращения. За­тем, замкнув цепь возбуждения и изменяя силу тока в ней с по­мощью регулировочного реостата, довести напряжение до значе­ния U0 = (1,1 – 1,25)UH. При этом сила тока возбуждения будет определяться формулой Iв = Uв / (Roв + Rp) где Roв — сопротивление обмотки возбуждения (ОВ); Roв + Rp — сопротивление цепи возбуждения. При разомкнутой внешней цепи генератор работает вхоло­стую, поэтому напряжение на его зажимах равно ЭДС, т. е. U0=Е. Характеристика холостого хода изображена на рис. 12.10, б. При увеличении силы тока возбуждения получим восхо­дящую ветвь характеристики, а при уменьшении — нисходящую. Разница в значениях ординат восходящей и нисходящей ветвей при одинаковых значениях силы тока возбуждения объясняется явлением гистерезиса. За практическую характеристику холостого хода принимается средняя кривая. Значение Е0 соответствует остаточному намагничиванию. Характеристика холостого хода имеет начальный ненасыщен­ный участок, средненасыщенный участок (колено) и сильнона­сыщенный участок. Генератор при условиях, соответствующих номинальным, обычно работает на верхней части колена кривой, так как на ненасыщенном прямолинейном участке напряжение генератора неустойчиво, а на сильнонасыщенном участке затруд­нена регулировка напряжения. При работе генератора с нагрузкой сила тока якоря и сила тока нагрузки равны, а напряжение на зажимах генератора из­меняется с изменением нагрузки и определяется по уравнению электрического равновесия. Таким образом, работа машины ха­рактеризуется следующими уравнениями: E = Ce n Ф; U = E – Iя Rя ; Iя = I Изменение напряжения генератора при изменении нагрузки от нуля до номинальной устанавливается внешней характеристикой (рис. 12.10, в). Действительно, если поддерживать постоянными частоту вращения генератора и силу тока возбуждения и увели­чивать нагрузку, т. е. силу тока во внешней цепи от нуля до IH напряжение генератора будет уменьшаться. Это уменьшение напряжения объясняется двумя причинами: 1) увеличением по мере роста нагрузки падения напряжения Iя Rя в цепи якоря; 2) усилением действия реакции якоря, которая, размагничивая генератор, уменьшает его ЭДС, а следовательно, и напряжение генератора. Для поддержания постоянства напряжения на зажимах гене­ратора следует по мере увеличения нагрузки увеличивать силу тока возбуждения путем выведения сопротивления регулировоч­ного реостата. На рис. 12.10, г показана регулировочная харак­теристика, устанавливающая закон регулирования силы тока возбуждения. Таким образом, генератор независимого возбуждения обла­дает следующими свойствами: 1) генератор возбуждается как при разомкнутой, так и при замкнутой внешней цепи, поскольку цепь возбуждения независима от цепи якоря; 2) при переходе от холостого хода к номинальной нагрузке напряжение генера­тора изменяется незначительно, т. е. оно достаточно стабильно; 3) для генератора недопустимы короткие замыкания, поскольку в момент замыкания ЭДС генератора продолжает оставаться значительной, а сопротивление внешней цепи равно нулю. Генераторы независимого возбуждения применяются в каче­стве генераторов низкого напряжения на 12—24 В и генераторов высокого напряжения на 600 В и выше, а также в качестве ге­нераторов большой мощности. Генератор параллельного возбуждения. Принципиальная схема генератора параллельного возбуждения приведена на рис. 12.11, а. Обозначения на схеме те же, что и на схеме генератора незави­симого возбуждения. Рис. 12.11. Принципиальная схема генератора параллельного возбуж­дения и его характеристики Самовозбуждение этого генератора основано на явлении остаточного намагничивания. Действительно, при вращении якоря в поле остаточного намагничивания в его обмотке индуцируется небольшая ЭДС Е0, равная 3—5 % Uн. Эта ЭДС, как только цепь якоря будет замкнута на обмотку возбуждения, создаст неболь­шой магнитный поток. Если этот поток будет совпадать по на­правлению с потоком остаточного намагничивания, то магнитное поле машины усилится, что увеличит индуцируемую в якоре ЭДС, которая снова увеличит силу тока в обмотке возбуждения и т. д., пока не закончится процесс возбуждения. Кроме того, для надеж­ного самовозбуждения сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического, т. е. сопротивления, при котором ге­нератор не возбудится. Отметим, что для улучшения процесса самовозбуждения надо внешнюю цепь оставлять разомкнутой и вращать якорь с номи­нальной частотой. Если поле остаточного намагничивания мало, то необходимо подмагнитить машину от постороннего источ­ника. Работа генератора параллельного возбуждения определяется следующими уравнениями: Характеристика холостого хода генератора изображена на рис. 12.11, б. Регулировочная характеристика имеет такой же вид, как и у генератора независимого возбуждения (см. рис. 12.10, г), с тем отличием, что она идет несколько выше. Объяс­няется это тем, что по мере роста нагрузки сила тока возбужде­ния уменьшается. Внешняя характеристика генератора параллельного возбужде­ния (рис. 12.11, в) показывает, что напряжение на его зажимах при увеличении нагрузки уменьшается. Это уменьшение напря­жения вызывается следующими причинами: 1) увеличением па­дения напряжения 1ЯRЯ в цепи якоря вследствие возрастания силы тока якоря; 2) уменьшением ЭДС генератора в результате усиления размагничивающего действия реакции якоря; 3) умень­шением силы тока возбуждения вследствие уменьшения напря­жения, что также вызывает уменьшение ЭДС, а следовательно, и напряжения. Внешняя характеристика генератора показывает также, что при постепенном уменьшении сопротивления нагрузки RНГ сила тока I увеличивается только до критического значения IКР = (2 – 2,5)IН. Дальнейшее же уменьшение сопротивления RНГ приво­дит не к увеличению силы тока нагрузки, а к ее уменьшению (штриховая часть кривой), поскольку усиливается размагничива­ние генератора (усиливается реакция якоря и уменьшается сила тока возбуждения) и, когда сила тока достигает критического значения, машина оказывается в ненасыщенном состоянии. В ре­зультате небольшое уменьшение сопротивления нагрузки вызы­вает резкое уменьшение ЭДС машины. При достижении RНГ =0 генератор сохраняет небольшую ЭДС, обусловленную остаточ­ным намагничиванием. Эта ЭДС поддерживает в якоре силу тока Iк, называемую силой тока короткого замыкания, которая обычно меньше номинальной. Уменьшение напряжения при увеличении нагрузки от нуля до номинальной у генераторов параллельного возбуждения состав­ляет 8—15 %. Таким образом, генератор параллельного возбуждения обла­дает следующими свойствами: 1) генератор возбуждается при разомкнутой внешней цепи и не возбуждается, если он замкнут на малое сопротивление; 2) при изменении нагрузки от нуля до номинальной напряжение генератора уменьшается в большей степени, чем у генератора независимого возбуждения; 3) так как генератор быстрее размагничивается, то короткое замыкание для него менее опасно, чем для генератора независимого возбуж­дения. Генераторы параллельного возбуждения нашли широкое при­менение в качестве возбудителей и зарядных генераторов, а также небольших источников питания. Генератор последовательного возбуждения. На рис. 12.12 пред­ставлены принципиальная схема генератора последовательного возбуждения и его внешняя характеристика. При работе генера­тора имеют место следующие соотношения: E = Ce nФ; U = E – Iя(Rя + Rс); Iя = Iв = I где Rс — сопротивление последовательной обмотки возбуждения С1—Я1. Рис. 12.12. Принципиальная схема генератора последователь­ного возбуждения и его внешняя характеристика Внешняя характеристика генератора показывает, что напря­жение на зажимах генератора сначала повышается по мере 'уве­личения нагрузки, а затем, достигнув наибольшего значения, на­чинает падать вследствие увеличения падения напряжения в цепи якоря и усиления действия реакции якоря. Следовательно, на­пряжение генератора при изменении нагрузки изменяется в ши­роких пределах и регулирование его трудно- выполнимо. Поэтому генераторы последовательного возбуждения в современных уста­новках применяются лишь в качестве специальных генераторов. Генератор смешанного возбуждения. Принципиальная схема генератора смешанного возбуждения приведена на рис. 12.13, а. Параллельная обмотка Ш1 — Ш2 служит для создания основного потока машины Фш, а последовательная С1 — Я1 — для создания потока Фс, поддерживающего напряжение на зажимах генера­тора при изменении нагрузки. Действительно, при увеличении нагрузки возрастает сила тока в последовательной обмотке, в ре­зультате чего увеличивается магнитное поле машины и, следова­тельно, компенсируется уменьшение напряжения генератора, вы­званное увеличением силы тока якоря. Благодаря этому напряже­ние на зажимах генератора при изменении нагрузки от нуля до номинальной остается почти неизменным (кривая 2 на рис. 12.13, б). В тех же случаях, когда требуется постоянство напря­жения на зажимах потребителя и, следовательно, необходима компенсация еще и падения напряжения в сети, последователь­ную обмотку делают усиленной. Внешняя характеристика для этого случая изображена кривой 1. Таким образом, последова­тельная обмотка является как бы автоматическим регулятором напряжения. .рис.12.13 Принципиальная схема генератора смешанного возбуждения и его характеристики При работе генератора смешанного возбуждения в тех случаях, когда его обмотки возбуждения соединены согласно (компаундно) и их потоки Фш и Фс складываются, имеют место следующие со­отношения: В ряде случаев применяется встречное, или противокомпаунд-ное, соединение обмоток генератора, при котором магнитный по­ток последовательной обмотки ослабляет поток, создаваемый па­раллельной обмоткой. Внешняя характеристика при этом стано­вится крутопадающей (кривая 3 на рис. 12.13, б). Такое соеди­нение применяется при работе генераторов в условиях частых перегрузок или коротких замыканий (например, у сварочных ге­нераторов). В этих случаях последовательная обмотка почти размагничивает машину и понижает силу тока до значения, без­опасного для целости генератора. Регулировочные характери­стики генератора смешанного возбуждения являются зеркальным отображением внешних характеристик генератора (рис. 12.13, в). Генератор смешанного возбуждения обладает следующими свойствами: 1) генератор возбуждается как при разомкнутой, так и при замкнутой внешней цепи; 2) при изменении нагрузки от нуля до номинальной напряжение генератора при согласном вклю­чении обмоток практически остается неизменным, а при встречном резко меняется; 3) при согласном включении обмоток возбуж­дения для генератора недопустимы короткие замыкания, так как последовательная обмотка возбуждения поддерживает напряже­ние на зажимах генератора, вследствие чего сила тока короткого замыкания достигает опасных для целости машины значений. Наоборот, при встречном включении обмоток возбуждения корот­кое замыкание допустимо, так как последовательная обмотка размагничивает машину. Генераторы смешанного возбуждения, обладая хорошими свойствами, в частности устойчивостью напряжения, широко при­меняются в качестве основных источников постоянного тока. Параллельная работа генераторов постоянного тока. На судне обычно устанавливают несколько генераторов и включают их параллельно для работы на общую нагрузку. Установка несколь­ких генераторов вместо одного обеспечивает более рациональное использование агрегатов и повышает живучесть электроэнергетической системы. В том случае, когда нагрузка невелика, может работать один генератор, а при большой нагрузке работают не­сколько генераторов, включенных параллельно. При выходе из строя одного из генераторов его нагрузку принимают другие ма­шины. Параллельная работа генераторов постоянного тока возможна при выполнении следующих условий: 1) напряжения генераторов должны быть одинаковы; 2) зажимы «плюс» и «минус» включае­мого генератора должны быть соединены с одноименными зажи­мами работающего генератора; 3) генераторы, включаемые в па­раллельную работу, должны иметь одинаковую систему возбуж­дения. В качестве примера на рис. 12.14 приведена схема параллель­ного соединения двух генераторов смешанного возбуждения. Рис. 12.14. Схема параллельной работы генераторов смешанного воз­буждения Если один из генераторов работает на сеть и требуется вклю­чить параллельно ему второй генератор, то необходимо произве­сти следующие операции: 1) пустить в ход подключаемый гене­ратор и развить напряжение на его зажимах, на 2—3 В превы­шающее напряжение сети; 2) замкнуть соответствующий двухпо­люсный автоматический выключатель (автомат); 3) перевести часть нагрузки с работающего генератора на подключенный. Перевод нагрузки производится обычно с помощью регулиро­вочных реостатов. При этом необходимо сопротивление реостата работающего генератора плавно вводить, а сопротивление рео­стата подключенного генератора плавно выводить. В результате сила тока возбуждения первого генератора будет уменьшаться, а второго — увеличиваться. Соответственно этому будут изме­няться ЭДС генераторов. Силы тока генераторов определяются из уравнения электрического равновесия: I1 = (Е1- U)/RЯ1; I2 = (Е2 -U)/RЯ2 где E1, Е2 — ЭДС соответствующих генераторов; RЯ1, RЯ2 — со­противления якорных цепей генераторов; U — напряжение на ши­нах щита. Следовательно, изменяя сопротивления регулировочных рео­статов, можно распределить нагрузку между генераторами по­ровну или полностью перевести с одного генератора на другой. Уравнительный провод 1—2 служит для обеспечения устой­чивости параллельной работы генераторов. Если по каким-либо причинам ЭДС одного генератора станет меньше, чем второго, ток от генератора с большей ЭДС по уравнительному проводу пойдет в последовательную обмотку генератора с меньшей ЭДС и тем самым усилит возбуждение последнего, а следовательно, увеличит его ЭДС. При равенстве ЭДС обоих генераторов тока в уравнительном проводе не будет. Таким образом, с помощью уравнительного провода ЭДС и напряжения на зажимах гене­раторов автоматически регулируются, чем поддерживается устой­чивость параллельной работы генераторов. Отметим, что в том случае, когда ЭДС одного из генераторов резко снизится, его необходимо быстро отключить от шин щита, так как в противном случае он перейдет в режим электродвига­теля. Для такого отключения обычно устанавливают реле или ав­томат обратного тока. ВОПРОС 8. Электродвигатели постоянного тока Основные условия работы электродвигателей, как указывалось ранее, выражаются уравнениями равновесия ЭДС и моментов: U = Е + 1яRя; М = МТ. В общем случае тормозной момент на валу электродвигателя слагается: а) из момента холостого хода М0, создаваемого внеш­ними силами трения; б) из момента нагрузки МНГ, создаваемого внешними силами; в) момента МJ, создаваемого силами инерции вращающихся частей при неустановившемся режиме работы элек­тродвигателя. При пуске, торможении или регулировании частоты враще­ния электродвигателя под нагрузкой уравнение равновесия мо­ментов запишется следующим образом: М=М0 + МНГ + МJ. Если режим работы электродвигателя установившийся, т. е. n = соnst, то МJ = J (J— момент инерции якоря) и уравнение равновесия моментов принимает вид М = М0 + М НГ. При холостом ходе электродвигателя уравнение равновесия моментов выражается равенством М=М0. Электродвигатели при переходе с одного режима на другой работают устойчиво без помощи каких-либо специальных регуляторов, т. е. они саморегулируются. Действительно, если на­грузка на валу электродвигателя увеличится, т. е. окажется, что МТ > М, то частота вращения п электродвигателя уменьшится. Уменьшение частоты вращения ведет к уменьшению и обратной ЭДС Е = СепФ, а это, в свою очередь, к возрастанию силы тока Iя и, как следствие, к увеличению вращающего момента М = СмФIя. Таким образом, вновь восстанавливается равновесие моментов. Наоборот, при уменьшении нагрузки на электродвига­тель частота вращения и обратная ЭДС увеличиваются, а сила тока якоря и вращающий момент уменьшаются. Другими сло­вами, с изменением тормозного момента автоматически изменя­ется вращающий момент машины. Сумму моментов М0 и Мнг называют статическим моментом, а момент МJ -— динамическим. Управление электродвигателями. Управление электродвигате­лями постоянного тока включает комплекс операций: - пуск и оста­новку, - регулирование частоты вращения, - реверс и торможение. Все эти операции могут выполняться с помощью ручных и авто­матических аппаратов. Пуск электродвигателей в основном осуществляется с по­мощью пускового реостата (рис. 12.15, а). I n 1 2 3 Ступени t Рис. 12.15. Схема пуска (а) и пусковые характеристики (б )электродвигателя При этом сила пуско­вого тока определяется формулой IП = U/(RП + RЯ), где RП — сопротивление пускового реостата, которое подбира­ется так, чтобы сила пускового тока не превышала значений IЯ = (1,5 – 2,0)IН При включении электродвигателя в сеть его якорь начинает вращаться, постепенно увеличивая частоту вращения, в резуль­тате чего обратная ЭДС начинает возрастать. Сопротивление пу­скового реостата плавно выводят и в конце пуска совершенно выключают из цепи якоря. При этом обратная ЭДС достигает значения, близкого к напряжению сети, а сила тока уменьшается до номинальной. На рис. 12.15,6 представлен примерный вид кривых пусковой силы тока и частоты вращения. Поскольку пу­сковой реостат имеет несколько ступеней, то и изменение пуско­вой силы тока происходит ступенями. Соответственно ступеням изменения силы тока будет изменяться и частота вращения якоря, достигая в конце пуска своего установившегося значения. Пуск электродвигателей значительно улучшается, если он про­изводится при максимальном магнитном потоке. Для этого со­противление реостата в цепи возбуждения перед пуском полно­стью выводят. Для остановки электродвигателя быстро вводят сопротивле­ние пускового реостата и отключают схему от источника питания. Частоту вращения электродвигателей, как следует из уравне­ния n = (U – IЯ RЯ )/(Cв Ф) можно регулировать путем изменения или напряжения источника питания, или падения напряжения в цепи якоря, или магнитного потока электродвигателя. Первый способ применим только в спе­циальных установках, позволяющих регулировать U. Второй и третий способы возможны в обычных установках, имеющих по­стоянное напряжение источника питания. Падение напряжения в цепи якоря изменяют регулировочным реостатом, включенным последовательно в цепь якоря. Реостат позволяет регулировать частоту вращения в сторону понижения от номинальной. Магнитный поток у электродвигателей изменяют регулировочным реостатом (рис. 12.15,6) в цепи возбуждения. Этот способ позволяет регулировать частоту вращения в сто­рону повышения. Реверс электродвигателей можно осуществить изменением на­правления тока в обмотке возбуждения при неизменном направ­лении тока в якоре или изменением направления тока в якоре при неизменном направлении в обмотке возбуждения. Если же одновременно изменить направление тока в якоре и в обмотке возбуждения, то направление вращения якоря останется преж­ним. Торможение электродвигателей может быть: а) механическое с помощью колодочных или дисковых тормозов; б) реостатное, когда якорь вращающейся машины отключается от сети и замы­кается на реостат определенного сопротивления; в) рекуператив­ное с отдачей энергии в сеть, осуществляемое переводом ма­шины в режим генератора; г) противовключением, выполняемое путем изменения направления тока в якоре электродвигателя, т. е. изменения полярности питания обмотки вращающегося якоря, или с помощью исполнительного механизма, переводя­щего машину в режим генератора Характеристики электродвигателей. Свойства электродвига­телей постоянного тока оцениваются по так называемым рабо­чим и регулировочным характеристикам. Рабочие характеристики представляют собой зависимости п, М, I и η от Р2 при U =соnst и RВ = соnst, где п — частота вращения электродвигателя; М — вращающий момент на валу электродвигателя; I — сила тока, потребляемого электродвигателем из сети; η — КПД электродви­гателя; Р2 — полезная мощность электродвигателя. Так как Р2=UIη, т. е. полезная мощность электродвигателя пропорциональна силе тока, то рабочие характеристики иногда представляют в виде зависимостей п, М, Р2 и η от Iя при U = соnst и Rв = соnst. Характеристику n = f(Р2) часто называют внешней характери­стикой электродвигателя. Под регулировочными характеристиками понимают зависимо­сти вида n = f(Iв) при U = соnst. Эти характеристики определяют возможности регулирования частоты вращения электродвига­телей. Оценка свойств электродвигателей в общем случае произво­дится также по механическим характеристикам, которые представляют собой зависимости п = f(М) при U = соnst и RВ = соnst. Эти характеристики обычно используются при анализе электри­ческих приводов. Электродвигатель параллельного возбуждения. Принципиаль­ная схема электродвигателя параллельного возбуждения приве­дена на рис. 12.16, а. Рис. 12.16. Принципиальная схема электродвигателя параллельного возбуждения и его характеристики Для пуска электродвигателя необходимо замкнуть автомати­ческий выключатель на сеть и плавно вывести сопротивление пу­скового реостата Rп. Когда электродвигатель разовьет номиналь­ную частоту вращения и перейдет в установившийся режим ра­боты, будут выполняться следующие соотношения: Анализ соотношений показывает, что сила тока воз­буждения электродвигателя параллельного возбуждения не за­висит от силы тока нагрузки. Это значит, что при неизменном на­пряжении источника питания электродвигатель работает прак­тически с постоянным магнитным потоком. Поэтому сила тока, потребляемая электродвигателем из сети, и развиваемый им вра­щающий момент изменяются прямо пропорционально нагрузке на валу электродвигателя. Эту пропорциональность подтверж­дают рабочие характеристики M = f(Р2) и I=f (Р2), приведенные на рис. 12.16,6. Небольшое их отклонение от прямолинейности объясняется размагничивающим действием реакции якоря. При постоянных значениях U и Iв частота вращения п элек­тродвигателя с изменением нагрузки также изменяется незначи­тельно [характеристика n = f(Р2) на рис. 12.16,6]. Это изменение, как видно из уравнения частоты вращения, вызывается: а) уве­личением падения напряжения в якоре 1ЯRЯ, что ведет к умень­шению частоты вращения; б) усилением действия реакции якоря, которая, размагничивая машину, повышает частоту вращения. Однако влияние падения напряжения обычно превышает размаг­ничивающее действие реакции якоря. Поэтому частота вращения с ростом нагрузки уменьшается. КПД электродвигателя с ростом р2 сначала повышается, так как при небольшой, но воз­растающей нагрузке суммарные потери (в основном на трение) практически остаются постоянными. При большой нагрузке резко возрастают потери в обмотке якоря и рост КПД замедляется, а при перегрузке КПД начинает уменьшаться. Механическая характеристика n=f(М) при IВ = соnst, когда можно считать Ф = const, представляет собой прямую линию, не­сколько наклоненную к оси абсцисс (рис. 12.16, в). Эта харак­теристика, как и внешняя характеристика электродвигателя, является жесткой. С введением в цепь якоря добавочного сопро­тивления R жесткость характеристики уменьшается. Механиче­ская характеристика при R = 0 называется естественной. Так как механическая характеристика ниспадающая, то ра­бота электродвигателя является устойчивой. Частоту вращения электродвигателя можно регулировать, как указывалось ранее, изменением либо магнитного потока, либо па­дения напряжения в цепи якоря. Таким образом, электродвигатель параллельного возбужде­ния обладает следующими свойствами: 1) частота вращения элек­тродвигателя при колебаниях нагрузки от нуля до номинальной изменяется незначительно; 2) электродвигатель допускает регу­лировку частоты вращения в широких пределах и, кроме того, может работать вхолостую; 3) электродвигатель развивает вра­щающий момент, пропорциональный силе тока в якоре (Ф = соnst), и потребляет из сети ток, пропорциональный нагрузке на валу; 4) для электродвигателя недопустим обрыв цепи воз­буждения, так как в этом случае при работе вхолостую он пойдет вразнос, а при работе под нагрузкой может сгореть обмотка якоря. Электродвигатель последовательного возбуждения. Принци­пиальная схема электродвигателя последовательного возбужде­ния приведена на рис. 12.17, а Рис. 12.17. Принципиальная схема электродвигателя последо­вательного возбуждения и его рабочие характеристики При работе электродвигателя в установившемся режиме имеют место следующие соотношения: Магнитный поток машины, как следует из схемы и уравне­ний, зависит от нагрузки и, значит, от силы тока якоря (Iв = IН = Iя). При малых нагрузках машина не насыщена и магнитный поток пропорционален силе тока якоря: Ф = СФIЯ. В результате вращающий момент пропорционален квадрату силы тока якоря: M = CMФI = CMCФI2Я = kI2Я Поэтому при малых и средних нагрузках характеристика М = f(Р2) имеет вид параболы (рис. 12.17,6). При больших нагруз­ках машина насыщается, вследствие чего поток при увеличении нагрузки возрастает незначительно, рост вращающего момента замедляется и его характеристика переходит почти в прямую линию. Быстрый рост момента по сравнению с ростом силы тока якоря является ценным свойством электродвигателя последова­тельного возбуждения. Частота вращения электродвигателя изменяется обратно про­порционально магнитному потоку. Так как поток машины про­порционален силе тока якоря, то с увеличением нагрузки частота вращения электродвигателя резко уменьшается, а при уменьше­нии нагрузки увеличивается. Реакция якоря и падение напряже­ния оказывают незначительное влияние на частоту вращения. Внешняя характеристика n = f(Р2) имеет вид гиперболы (см. рис. 12.17,6). Насыщение машины обусловливает некоторое от­клонение характеристики от гиперболы. Способность электродвигателя последовательного возбужде­ния резко изменять частоту вращения при изменении нагрузки является характерной его особенностью. На холостом ходу и при малых нагрузках, когда сила тока в якоре и магнитный поток малы, частота вращения электродвигателя достигает большого значения, опасного для механической прочности якоря. Поэтому для электродвигателя последовательного возбуждения преду­сматривают такие условия, при которых пуск и работа вхоло­стую или при малой нагрузке (менее 25 % номинальной) исклю­чаются. Таким образом, электродвигатель последовательного возбуж­дения обладает следующими свойствами: 1) при изменениях на­грузки частота вращения электродвигателя резко меняется, т. е. он имеет мягкую внешнюю характеристику; 2) электродвигатель можно пускать в ход только под нагрузкой, так как в противном случае он пойдет вразнос; работать электродвигатель может также только под нагрузкой; 3) при пуске под нагрузкой и при перегрузке электродвигатель развивает большой вращающий мо­мент и имеет малую частоту вращения. Благодаря перечисленным свойствам электродвигатели после­довательного возбуждения широко используются в подъемных и транспортных установках. Их применяют в качестве приводов лебедок, кранов и лифтов, а также в качестве тяговых электро­двигателей и транспортных средств. Электродвигатель смешанного возбуждения. Принципиальная схема электродвигателя смешанного возбуждения приведена на рис. 12.18, а. Электродвигатели данного типа обычно имеют основную об­мотку возбуждения — параллельную или последовательную — и вспомогательную — соответственно последовательную или парал­лельную. Рис. 12.18. Принципиальная схема электродвигателя смешанного воз­буждения и его рабочие характеристики В большинстве случаев обмотки возбуждения таких электродвигателей включают согласно, так чтобы их магнитные потоки складывались. При таком соединении имеют место сле­дующие соотношения: M = CM IЯ (Фш +Фс); n = Анализ уравнений показывает, что магнитные потоки, создаваемые вспомогательными обмотками, оказывают влияние на вращающий момент электродвигателя и частоту его враще­ния. Так, в электродвигателях, имеющих в качестве основной по­следовательную обмотку, неизменный магнитный поток парал­лельной обмотки ограничивает изменение частоты вращения электродвигателя при изменении нагрузки на валу. Благодаря на­личию параллельной обмотки компаундированный электродвига­тель последовательного возбуждения может работать вхолостую. В электродвигателях, имеющих основную параллельную об­мотку, небольшая последовательная обмотка применяется для по­вышения пускового момента, а также для компенсации реакции якоря и смягчения скоростной характеристики машины. Такая обмотка называется стабилизирующей. Стабилизирующая об­мотка имеется в судовых электрических машинах серии П. Все электродвигатели параллельного возбуждения общего примене­ния также имеют стабилизирующую обмотку. На рис. 12.18,6 показаны рабочие характеристики компаун­дированных электродвигателей параллельного возбуждения (п2, М2) и последовательного возбуждения (n2, М2). Для сравнения приведены скоростные характеристики (штриховые кривые) при отсутствии вспомогательных обмоток у электродвигателей. Ре­верс электродвигателей смешанного возбуждения следует произ- водить изменением направления тока якоря. Регулировка же их частоты вращения осуществляется так же, как и у электродвига­телей параллельного возбуждения. РАЗДЕЛ 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ВОПРОС 1. Общие сведения и понятия Электрические машины переменного тока делятся на две ос­новные группы: синхронные машины и асинхронные машины. Синхронными машинами называют электрические машины пе­ременного тока, для которых отношение частоты вращения ротора к частоте питающего напряжения — величина постоянная. Это отношение выражается формулой f = рп/60, где f — частота электрического напряжения; р — число пар по­люсов машины; п — частота вращения ротора синхронной ма­шины. У синхронных машин частота вращения ротора не изменяется в процессе работы. Асинхронными машинами называют электрические машины переменного тока, частота вращения ротора которых отстает от частоты вращения магнитного поля тока статора. Это отстава­ние характеризуется скольжением, и частота вращения ротора машины определяется по выражению n2 = n1 (1 – s) где n2 — асинхронная частота вращения ротора машины; п1 = 60f / р — синхронная частота вращения магнитного поля токов; s = (n1 – n2)/n2 — скольжение ротора машины. Следовательно, асинхронные машины — это машины перемен­ного тока, частота вращения ротора которых изменяется в про­цессе работы. Синхронные и асинхронные машины подобно машинам по­стоянного тока обратимы, т. е. могут работать как в режиме ге­нератора, так и в режиме электродвигателя. Однако чаще всего синхронные машины используются в качестве трехфазных гене­раторов, а асинхронные — в качестве трехфазных электродвига­телей. Принцип действия синхронных генераторов и асинхронных электродвигателей, так же как и генераторов и электродвигателей постоянного тока, основан на явлении электромагнитной индук­ции и на взаимодействии магнитных полей токов. Рис. 13.1. Схема работы: а — синхронного генератора; б — асинхронного электродвигателя: 1Н, 2Н, ЗН и 1К, 2К, ЗК ~ начала и концы 1, 2 и 3-й обмоток со­ответственно. Действительно, если через обмотку ротора пропускать постоянный ток (рис. 13.1, а) и равномерно вращать ротор, то в трехфазной обмотке наводится ЭДС трехфазной системы. При включении на зажимы обмотки какого-либо потребителя в цепи потечет трех­фазный ток. При этом происходит преобразование механической энергии, подводимой к генератору с вала, в электрическую. Одно­временно в машине вследствие взаимодействия полей токов соз­даются электромагнитные силы, и следовательно, электромагнит­ный момент торможения. Этот момент тем больше, чем больше нагрузка на машину. На рис. 13.1,6 изображена схема работы трехфазного асин­хронного электродвигателя. При прохождении трехфазного тока по обмотке статора создается вращающееся магнитное поле, ча­стота вращения которого, как указано ранее, равна n1 = 60f1/р. Это поле наводит в обмотке ротора ЭДС, под влиянием которой в проводниках данной обмотки протекают токи. В результате взаи­модействия токов ротора с вращающимся полем статора возни­кают электромагнитные силы G, направления которых могут быть определены по правилу левой руки. Электромагнитные силы, при­ложенные к проводникам обмотки ротора, создают момент, под действием которого ротор вращается с частотой п2 по направле­нию вращения поля. Частота вращения ротора электродвигателя находится в пре­делах 0s>0) так как при n2 = n1 проводники ротора будут неподвижны относительно вращающегося поля и в них не будет наводиться ЭДС, а следовательно, не будет тока в обмотке ротора. Частоту вращения поля n1 называют синхронной, а ча­стоту вращения ротора n2 — асинхронной. Отметим, что промышленностью выпускаются также однофаз­ные синхронные генераторы, однофазные, двухфазные и коллек­торные асинхронные двигатели. Но эти машины обычно приме­няют в унифицированных устройствах, системах электроавтома­тики и т. д. ВОПРОС 2. Устройство трехфазных синхронных генераторов и асинхронных электродвигателей Судовые синхронные генераторы могут быть с самовозбужде­нием и независимым возбуждением в брызгозащищенном или водозащищенном исполнении. Трехфазные синхронные генера­торы, как правило, являются основными источниками перемен­ного тока. Трехфазные асинхронные электродвигатели по форме испол­нения ротора разделяются на два основных типа: 1) электродви­гатели с короткозамкнутым ротором, или короткозамкнутые элек­тродвигатели; 2) электродвигатели с фазным ротором, или фаз­ные электродвигатели. Они изготовляются единичной мощностью от 0,6 до 200 кВт. Судовые асинхронные двигатели выпускаются брызгозащищенного или водозащищенного, а в ряде случаев гер­метического исполнения. Трехфазные синхронные генераторы и асинхронные двигатели состоят из двух основных частей: неподвижной части — статора и вращающейся части — ротора. Статоры обеих трехфазных машин по устройству аналогичны, тогда как их роторы существенно раз­личаются. Статор трехфазной машины (рис. 13.2, а) состоит из станины с сердечником, в пазы которого уложены три разные обмотки. Эти обмотки сдвинуты относительно друг друга на две трети по­люсного деления по окружности (рис. 13.2,6), с тем чтобы взаим­ный сдвиг ЭДС в каждой фазе был равен одной трети периода. Каждая фазная обмотка имеет два вывода — начало и конец. Все начала (А, В, С) и концы (X, Y, Z) обмоток выводятся на спе­циальный щиток, укрепленный на наружной поверхности статора. Обычно на щитке фазные обмотки соединяются звездой или тре­угольником. По устройству ротора синхронные генераторы разделяются на неявнополюсные (рис. 13.3,а), имеющие цилиндрическую форму ротора, и явнополюсные (рис. 13.3,6), имеющие выступающие по­люса. Ротор явнополюсного генератора (рис. 13.4) состоит из ук­репленного на валу стального обода, к которому прикреплены сердечники полюсов с насаженными катушками, образующими об­мотку возбуждения. Концы этой обмотки присоединены к двум бронзовым кольцам, жестко насаженным на вал ротора. На кольца наложены неподвижные щетки (на рисунке не показаны), через которые к обмотке возбуждения подводится постоянный ток от возбудителя или выпрямителя. На рис. 13.5 показаны роторы асинхронных электродвигате­лей: короткозамкнутый и фазный. Каждый ротор состоит из вала, сердечника и обмотки. Сердечник набирается из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35—0,5 мм. В его пазы укладывается обмотка. Обмотку короткозамкнутого ротора делают из медных или алюминиевых стержней. Торцы стержней соединяют кольцами. Рис. 13.2. Статор трехфазной машины (а) и его обмотка(б):1 — станина; 2 — обмотка Рис. 13.3. Основные типы синхронных генераторов: а — неявнополюсный; б — явнополюсный. Рис. 13.5. Роторы асинхронных элек­тродвигателей: а — короткозамкнутый с алюминиевой литой клеткой; б — фазный Такую обмотку называют беличьей клеткой. Алюминиевую об­мотку обычно изготовляют путем заливки в пазы расплавленного алюминия. У торцов ротора располагаются кольца и лопасти вен­тилятора. Для улучшения пусковых характеристик электродви­гателей короткозамкнутые роторы часто изготовляют с глубоким пазом или с двойной беличьей клеткой. Обмотка фазного ротора выполняется подобно обмотке ста­тора в виде трех фазных обмоток, соединенных обычно звездой. Три свободных конца фазных обмоток присоединяют к трем кон­тактным кольцам. В собранном электродвигателе к контактным кольцам прижимаются щетки, через которые к обмотке ротора подключается пусковой или регулировочный реостат. Электродвигатели с фазным ротором применяют там, где тре­буется плавное регулирование скорости приводимого в движение механизма, а также при частых пусках электродвигателей под нагрузкой. ВОПРОС 3. Синхронные генераторы ЭДС синхронного генератора характеризуется амплитудой, ча­стотой и формой кривой. ЭДС генератора определяется ЭДС фазы, а частота — частотой вращения ротора. По форме кривой ЭДС должна быть синусоидальной. ЭДС фазы обмотки статора при Ф = Фmsinω в соответствии с законом электромагнитной индукции определяется уравнением e = -wk0 где w— число последовательно соединенных витков обмотки фазы; k0 = 0,00—0,05 обмоточный коэффициент; Ет = wsinωФm — максимальное значение ЭДС фазы, отстающей от потока на угол π/2. Учитывая, что ω = 2πf и полагая Фm ≈ Ф, найдем действующее значение ЭДС фазы или, заменяя частоту f ее значением pn/60, получим Е = 4,44wk0 Ф = knФ, где k — коэффициент, постоянный для данной машины. Линейная ЭДС генератора при соединении фаз звездой равна Еа= , а при соединении фаз треугольником линейные и фазные ЭДС равны между собой. Однако при работе генератора под нагрузкой его ЭДС значи­тельно изменяется. Основной причиной этого является действие реакции якоря (статора). При активной нагрузке r генератора поток статора Фаq (рис. 13.6, а) направлен пер­пендикулярно к потоку ротора Ф0. В результате основное поле деформи­руется и, естественно, частично ослабляется. Реакцию, вызванную по­током Фaq, называют поперечной реакцией якоря генератора. При чисто индуктив­ной нагрузке L поток статора Фаq (рис. 13.6, б) направлен навстречу потоку ротора Ф0, следовательно, он размагничивает генератор, а значит, уменьшает его ЭДС, причем основное поле не деформи­руется. Реакцию, вызванную потоком Фаq называют продольной размагничивающей реакцией. При чисто емкостной нагрузке С ге­нератора поток статора Фаd совпадает по направлению с потоком ротора Ф0, т. е. намагничивает генератор, а значит, увеличивает его ЭДС. И в этом случае основное поле не деформируется. Реак­цию, вызванную потоком Фаd,, совпадающим с потоком ротора, на­зывают продольной намагничивающей. При смешанной нагрузке (рис. 13.7), очевидно, будут иметь место как поперечная, так и продольная реакции якоря. Рис. 13.7. К пояснению реакции якоря синхронного генера­тора при смешанной нагрузке В этом случае ток статора I и, следовательно, его поток Фа могут быть разложены на две составляющие: где φ — угол сдвига между ЭДС холостого хода Е0 и током I статора; Iq, Id — поперечная и продольная составляющие силы тока статора; kq, kd — поперечный и продольный коэффициенты формы поля реакции якоря; Фaq, Фad — поперечный и продоль­ный потоки реакции якоря. Помимо потока реакции якоря небольшую часть потока ста­тора, замыкающуюся вокруг проводников его обмотки (см. рис. 13.7), составляет так называемый поток рассеяния Фσ. Он также оказывает влияние на изменение ЭДС и напряжение син­хронного генератора. С целью количественной оценки действия потока статора Фа допустим, что основной поток ротора Ф0 и составляющие потока статора действуют в машине независимо друг от друга, наводя соответствующие ЭДС в фазных обмотках статора. Следовательно, в каждой фазе нагруженного синхронного ге­нератора индуцируются следующие ЭДС: а) под влиянием Ф0 — ЭДС холостого хода Е0 и под влия­нием Фσ — ЭДС рассеяния Еσ, равные Е0 = k n Ф0 ; Eσ=-jωLσI=-jxσI где Lσ и хσ — индуктивность и индуктивное сопротивление рас­сеяния; б) под влиянием поперечной Фаq и продольной Фad состав­ляющих потока реакции якоря ЭДС — Еaq и Еаd, т. е. Еaq + Еаd = jIq xaq – jId xad Кроме того, обмотка статора имеет активное сопротивление r, на преодоление которого тратится некоторая ЭДС Еr=-Ir, обычно не превышающая 1,5 % номинального напряжения ма­шины. Сложив геометрически все перечисленные выше ЭДС явнополюсного генератора, получим E0 = U +Ir +jIq xaq + jIxσ где U — напряжение на зажимах явнополюсного синхронного ге­нератора. В неявнополюсных генераторах xad = хаq, поэтому поток реак­ции якоря Фа создает ЭДС реакции якоря Еа= - j I ха. Следова­тельно, уравнение ЭДС неявнополюсного синхронного генератора запишется так: E0 = U + Ir +jI xa +jI хσ. На основании уравнений (13.7) и (13.8) на рис. 13.8 построены векторные диаграммы при активно-индуктивной и активно-емко­стной нагрузке генератора. Рис. 13.8. Векторные диаграммы явнополюсного генератора: а — при активно-индуктивной нагрузке; б — при активно-ем­костной нагрузке Индуктивные сопротивления, обусловленные потоками статора Фa и Фσ, могут быть представлены в виде соответствующих сумм: x = xa + xσ; xd = xad + xσ; xq =xaq + xσ где х - синхронное индуктивное сопротивление машины; xd - продольное синхронное индуктивное сопротивление машины; xq поперечное синхронное индуктивное сопротивление машины. Основными характеристиками синхронного генератора, как и генератора постоянного тока, являются: а) характеристика холостого хода, представляющая собой зависимость Е =U0 = f(Iв) при I = 0 и n = nн; б) внешняя характеристика, представляющая собой зависи­мость U = f(I) при IВ = соnst;, соsφ = соnst; и n = nн; в) регулировочная характеристика, представляющая собой зависимость Iв = f(I) при U = UН, соsφ = соnst и n = nн Характеристики синхронного генератора показаны на рис. 13.9. Потери и КПД синхронных генераторов. Потери в синхронном генераторе, как и в генераторе постоянного тока, слагаются: - из механических потерь рм, возникающих вследствие трения в под­шипниках, трения ротора о воздух и вентиляционных потерь; - маг­нитных потерь рс, представляющих собой потери в стали ста­тора; - электрических потерь в обмотках статора рэ = mI2r; - потерь на возбуждение рв; - добавочных потерь рд, которые состоят из потерь в поверхностном слое ротора, вызванных пульсациями поля вследствие зубчатости внутренней поверхности статора; - потерь, созданных полями рассеяния статора. КПД синхронной машины определяется отношением η = (13.10) где р2 — полезная мощность, которая для трехфазного синхрон­ного генератора равна Ра = mUIcosφ; P1 — мощность, подводи­мая к генератору от первичного двигателя. КПД синхронных машин мощностью до 100 кВ-А обычно ра­вен 85 — 90%, а у синхронных генераторов большей мощности 96 — 99%. Максимум КПД соответствует нагрузкам, близким к номинальным. ВОПРОС 4. Параллельная работа синхронных генераторов Как и генераторы постоянного тока, синхронные генераторы обычно работают параллельно на общую нагрузку. На рис. 13.10, а приведена схема параллельного включения двух трехфаз­ных генераторов. Рис. 13.10. К рассмотрению параллельной работы синхронных генераторов: а — схема включения; б— диаграмма напряжений; в — схема синхроноскопа Синхронные генераторы можно включать на параллельную работу методами точной синхронизации, самосинхронизации и грубой синхронизации. На судах обычно применяются первые два метода. Для возможности включения синхронных генераторов на па­раллельную работу методом точной синхронизации должны вы­полняться следующие условия: 1). напряжения включаемых параллельно генераторов в лю­бой момент времени должны быть равны по значению, но проти­воположны по направлению (рис. 13.10,б), т.е UG1 = - UG2; 2) частоты включаемого и работающего генераторов должны быть равны, т. е. fG1 = fG2; 3) чередование фаз включаемого генератора должно соответство-вать чередованию фаз работающего генератора, в частности A1→B1→C1 у первого и А2→В2→С2 у второго генератора. Генератор, включаемый на параллельную работу, синхронизи­руется, т. е. приводится в состояние, удовлетворяющее вышеука­занным условиям параллельной работы. Синхронизация и включение генератора производятся сле­дующим образом. Если генератор G2 работает на внешнюю сеть, а генератор G1 надо включить параллельно ему, то необходимо пустить генератор G1 и довести его частоту вращения до син­хронной; одновременно, регулируя ток возбуждения, добиться равенства напряжений генераторов и обеспечить противополож­ность их направления; после этого при условии правильного че­редования фаз включить генератор G1 на параллельную работу. Выполнение первого условия параллельной работы — равенства значений напряжений генераторов — устанавливают по показаниям вольтметров. Для соблюдения остальных условий параллельной работы устанавливают специальные приборы — син­хроноскопы. В настоящее время на судах наибольшее распростра­нение получили стрелочные синхроноскопы, представляющие собой сельсин РS (рис. 13.10, в) с трехфазной обмоткой на статоре и однофазной на роторе. Через добавочные резисторы трехфазная обмотка с помощью переключателя SА присоединяется с подклю­чаемому генератору, а однофазная — к работающему, т. е. к ши­нам ГРЩ. Взаимодействие магнитных полей обмоток вызывает вращение ротора и стрелки сельсина с угловой скоростью, пропор­циональной разности частот, причем вращение стрелки в направ­лении «Быстро», указанном на шкале прибора, означает, что ча­стота подключаемого генератора выше частоты работающего. В этом случае необходимо воздействовать на регулятор частоты вращения с целью уменьшения подачи рабочего тела в первичный двигатель. При медленном вращении стрелки в момент ее подхода к нулевой отметке надо замкнуть автоматический выключатель подключаемого генератора. Для того чтобы принять нагрузку на подключенный синхронный генератор, необходимо увеличить мощ­ность первичного двигателя этого генератора, т. е. увеличить его вращающий момент. Точная синхронизация — сложный и длительный процесс, ко­торый в аварийных ситуациях может привести к длительному перерыву в подаче электроэнергии потребителям судна. Поэтому в настоящее время часто применяют автоматическую точную син­хронизацию. В тех случаях, когда требуются частые и быстрые включения, используют метод самосинхронизации. Сущность этого метода заключается в том, что синхронный генератор, вклю­чаемый на параллельную работу, предварительно разгоняется до частоты вращения, близкой к синхронной, и без возбуждения включается в сеть, после чего в обмотку возбуждения подают по­стоянный ток, и генератор автоматически втягивается в синхро­низм. Способность синхронных генераторов устойчиво работать па­раллельно обеспечивается соответствующими изменениями их электромагнитных моментов. Действительно, если пренебречь по­терями в машинах, то электромагнитные моменты неявнополюсного и явнополюсного синхронных генераторов определяются со­ответственно выражениями (13.11) где Ω = ω/p — угловая скорость вращающегося ротора, ω - угловая частота тока; θ — угол сдвига между U и Е0, определяе­мый угловым положением ротора относительно вращающегося поля статора машины. Зависимости МΨ = f(θ) при U = соnst, IB = соnst называют угло­выми характеристиками синхронных генераторов (рис. 13.11). Они показывают, что при θ < 90° синхронные генераторы работают ус­тойчиво, так как при увеличении моментов первичных двигателей пропорционально увеличиваются тормозные моменты генераторов. Способность генераторов оставаться в синхронизме при соот­ветствующей нагрузке, устойчиво работать характеризуется приращением электромагнитных моментов. Величины, равные называют удельными синхронизирующими моментами неявнопо-люсного и явнополюсного генераторов соответственно. Зависимо­сти МC = f(θ) показаны на рис. 13.11. Очевидно, что синхронизи­рующие моменты уменьшаются по мере увеличения θ, т. е. по мере увеличения нагрузки генераторов. При θ = 90° они равны нулю. Поэтому синхронные генераторы изготовляют таким обра­зом, чтобы обеспечить номинальную мощность при θH = 20 - 30°. В этом случае перегрузочная способность генераторов достигает km = 2 - 2,5. Рис. 13.11. Угловые характеристики синхронного генератора: а — неявнополюсного; б — явнополюсного ВОРПРОС 5. Асинхронные электродвигатели Характеристики и параметры электродвигателей. Особенно­стью асинхронного электродвигателя является то, что связь между обмотками их статора и ротора только магнитная. По­этому, если при неподвижном роторе (n2= 0 и s=1) включить статор под напряжение U1 частотой f1, то основной магнитный поток Ф, вращаясь с синхронной частотой п1 будет наводить в каждой из фаз статора и ротора соответственно ЭДС: E1 = 4,44 k01w1 Ф, E2 = 4,44 k02 w2Ф, а потоки рассеяния Ф01 и Ф02 — соответственно ЭДС рассеяния Здесь k01, k02 — обмоточные коэффициенты соответственно статора и ротора; w1, w2 — число витков обмоток соответственно статора и ротора; ω1, ω2 — угловая скорость вращения магнитного по­тока статора; L1, L2 — индуктивность обмотки статора и ротора соответственно; x1, x2 — индуктивные сопротивления соответ­ственно статора и неподвижного ротора. ЭДС ротора создает в обмотке ротора ток I2 = E2 /Z2 = E2 /(r2 + jx2) где r2 — активное сопротивление фазы ротора. При работе электродвигателя частота вращения потока Ф от­носительно ротора равна ns = sn1, соответственно частота ЭДС и тока ротора равна f2 = sf1, т. е. частота тока ротора f2 пропорцио­нальна частоте тока статора и скольжению.x Соответственно изменению частоты f2, а следовательно, и сколь­жения s изменяются ЭДС, индуктивное сопротивление и сила тока ротора: Ток ротора, протекая по обмотке, создает свое магнитное поле, вращающееся относительно самого ротора с частотой пs =sn1, а в пространстве оно вращается с частотой пs + п2 = п1, т. е. с той же частотой, что и магнитное поле статора. Другими словами, поле ротора и поле статора вращаются синхронно и, действуя в одной и той же магнитной системе, создают результирующий магнитный поток Ф асинхронного электродвигателя. Соответственно этому магнитодвижущая сила (МДС) машины как при неподвижном, так и при вращающемся роторе равна гео­метрической сумме МДС статора m1w1k01I1 и МДС ротора m2 w2 k02 I2 , т.е. m1w1k01I0 = m1w1k01I1 + m2 w2 k02 I2 , где т1, т2 — число фаз соответственно статора и ротора. Разделив обе части уравнения на m1w1k01I1 получим I0 = I1 + I’2 где I’2 = kiI2 — сила тока ротора, приведенная к обмотке статора; ki = m2 w2 k02 / m1w1k01 — коэффициент приведения (трансформа­ции) токов. Уравнение можно записать так: I1 = I0 - I’2 т. е. ток I1 имеет две составляющие: I0 — намагничивающую со­ставляющую, называемую током холостого хода, и I'2 — состав­ляющую, которая компенсирует размагничивающее действие тока ротора. Обычно I0 в три-четыре раза меньше номинального тока статора. С целью совместного рассмотрения ротора и статора заменим величины, характеризующие работу ротора, соответствующими приведенными величинами: а) ЭДС ротора E’2 = где ke = Е1/Е2 = k01w1/(k02w2)—коэффициент приведения (транс­формации) ЭДС и напряжений; б) сопротивления обмотки ротора r’2 = ke ki r2 = k r2; x’2 = k x2, где k = ke ki — коэффициент приведения сопротивлений. В соответствии с приведенными величинами обмотки ротора уравнения электрического равновесия и токов запишутся так: На основании этих уравнений, пренебре­гая током I0 как ма­лой величиной, мо­жно составить схему замещения одной фа­зы трехфазного асин­хронного электродвигателя (рис. 13.12, а). Рис.13.12.Схема замещения (а) и механическая характеристика (б) асинхронного электродвигателя На основании схемы замещения мощность потребляемая двигателем из сети, определится по выра­жению P1 = 3U1I1cosφ, где U1, I1 — фазные значения соответственно напряжения и силы тока; cosφ — коэффициент мощности электродвигателя. Пренебрегая потерями в статоре, можно считать, что мощность полностью передается от статора к ротору, вращающемуся с угло­вой скоростью ω1=2πf1/р. Следовательно, вращающий момент электродвигателя М определится выражением M = а из схемы замещения имеем I1 = cosφ= Таким образом, вращающий момент трехфазного асинхронного электродвигателя равен M = Из данного выражения следует: -во-первых, что вращающий мо­мент асинхронного электродвигателя пропорционален квадрату напряжения. Это означает, что электродвигатель весьма чувстви­телен к колебаниям напряжения. - во-вторых, вращающий момент обратно пропорционален частоте питающего напряжения. - в-тре­тьих, он зависит от скольжения s, т. е. от частоты вращения дви­гателя. Механическая характеристика М = f(s) асинхронного электро-двигателя представлена на рис. 13.12, б. Анализ механической характеристики показывает, что она имеет два принципиально различных участка. Участок 0В соот­ветствует устойчивой работе электродвигателя, так как на этом участке при увеличении нагрузки скольжение возрастает и вместе с этим увеличивается вращающий момент, поддерживающий ус­тойчивую работу двигателя. Наоборот, участок BA соответствует неустойчивой работе электродвигателя, так как при увеличении нагрузки скольжение возрастает, а вращающий момент умень­шается. Отношение максимального момента к номинальному km= Мт/Мн называется перегрузочной способностью асинхронного электродвигателя. Обычно kт= 1,8-2,5 у электродвигателей нор­мального исполнения, kт = 2,8 - З,5 у электродвигателей специаль­ного исполнения. Управление электродвигателями. Процесс управления трехфаз­ными электродвигателями, как и двигателями постоянного тока, состоит из этапов пуска, реверса, остановки и торможения. В момент пуска электродвигателя s=1 и пусковой момент М0, как следует из характеристики М = f(s), относительно небольшой. В то же время пусковой ток, равный IП =U1/ достигает (5-7) IH. В соответствии с этим к пуску асинхронных электродвигателей предъявляют следующие основные требования: - кратность пускового момента kМ = МП/МН по возможности должна быть наибольшей, - кратность пускового тока kT = IП/IH — наи­меньшей. Эти требования в основном и определяют способы пуска трехфазных асинхронных электродвигателей. В принципе пуск короткозамкнутых электродвигателей может быть осуществлен прямым включением в сеть при номинальном напряжении или пониженном напряжении питания. Пуск электродвигателей прямым включением в сеть при но­минальном напряжении наиболее распространен и производится автоматическим выключателем (рис. 13.13, а) или другим пусковым устройством. Этот способ прост и удобен в эксплуатации, но сопряжен с большой кратностью силы пускового тока kT = 5,0 - 7,0 и сравнительно малой кратностью пускового момента kМ = 1,0 - 1,8. Поэтому он применяется в тех случаях, когда мощность электро­двигателя относительно невелика по сравнению с мощностью ис­точника питания. Пуск асинхронных электродвигателей при пониженном напря­жении обычно осуществляется переключением обмотки статора со звезды на треугольник (рис. 13.13, б), включением статора через автотрансформатор (рис. 13.13, в) и введением в цепь ста­тора реактора. Рис. 13.13. Схемы пуска короткозамкнутых электро­двигателей Во всех этих случаях понижается напряжение на зажимах электродвигателя и, следовательно, уменьшается сила пускового тока. Но при этом пусковой момент электродвигателя уменьшается пропорционально квадрату сниженного напряжения, вследствие чего такой способ применим только при пуске электро­двигателей вхолостую. Пуск электродвигателя посредством переключения обмотки статора производят следующим образом. Переключатель ставят в положение «Пуск» (Y) и замыкают автоматический выключа­тель. После того как электродвигатель разовьет номинальную ча­стоту вращения, переключатель быстро переводят в положение «Работа» (Δ). Сила пускового тока при этом уменьшается в три раза. При пуске электродвигателя включением статора в сеть через автотрансформатор Т, после того как электродвигатель разовьет номинальную частоту вращения, обмотку статора включают на полное напряжение сети, а автотрансформатор отключают. При этом сила пускового тока уменьшается в k2 раз, где k — коэффи­циент трансформации автотрансформатора. Пуск фазных электродвигателей, как правило, производится с помощью пускового реостата, вводимого в цепь ротора. Реверс асинхронных электродвигателей можно осуществить путем изменения направления вращения поля машины, что дости­гается переключением двух любых проводов, соединяющих об­мотку статора с сетью. Торможение же этих электродвигателей можно производить: а) с помощью механических тормозов; б) по способу противовключения, когда изменяют направление враще­ния поля путем переключения любой пары проводов, питающих обмотку статора; в) переводом двигателя в генераторный режим с возвратом энергии в сеть: г) электродинамическим способом - путем отключения электродвигателя от сети и включения обмотки его статора под напряжение постоянного тока или на батарею конденсаторов. Регулировать частоту вращения трехфазных асинхронных элек­тродвигателей, как видно из выражения n2 = n1(1 —s) = 60f1(1—s)/р, можно: а) изменением скольжения s; б) изменением числа пар полюсов р; в) изменением частоты тока статора f1. Регулирование частоты вращения изменением скольжения при­меняется только для фазных электродвигателей. Регулирование частоты вращения изменением числа пар полю­сов основано на изменении частоты вращения магнитного поля, которая определяется из соотношения п1 = 60f1/р. Действительно, при изменении числа пар полюсов р будет изменяться частота вра­щения поля статора п1 и, следовательно, частота вращения ротора п2= (1—s) n1. Для изменения числа пар полюсов на статоре двигателя укладывают две независимые обмотки на разные числа пар полю­сов или каждую фазную обмотку делают из двух катушек, из которых комбинируют разные соединения, получая то или иное число пар полюсов. Регулирование частоты вращения двигателей изменением ча­стоты тока также основано на изменении частоты вращения поля статора п1. В этом случае регулировать частоту вращения можно плавно и в широких пределах. Однако для такой регулировки тре­буется специальный источник питания. РАЗДЕЛ 4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ 1. Общие сведения и понятия На современных судах электроэнергия вырабатывается в виде трехфазного переменного тока определенных параметров. Эту электроэнергию получает большинство судовых потребителей. Но для ряда потребителей необходима электроэнергия других па­раметров или другого рода. Для выработки такой электроэнергии применяют соответствующие типы преобразователей. Обычно возникает необходимость в следующих видах преобра­зования: а) переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения — трансформирование напряжения; б) пе­ременного тока в постоянный — выпрямление тока; в) постоянного тока в переменный — инвертирование тока; г) переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты — преобразова­ние частоты. По принципу действия все преобразователи электроэнергии де­лятся на две основные группы: статические и вращающиеся. Рас­смотрим основные типы преобразователей, широко применяемые па судах. 2. Электрические трансформаторы Устройство и физические основы трансформаторов. Трансформаторы — это статические электомагнитные аппараты, применяе­мые для преобразования энергии переменного тока одного напря­жения в энергию переменного тока другого напряжения при сохранении неизменной его частоты. Такой процесс преобразова­ния электроэнергии называется трансформацией. Трансформатор, как правило, состоит из стального сердечника, являющегося магнитопроводом, и двух обмоток. Та из обмоток трансформатора, к которой подводится энергия переменного тока, называется первичной, а та, от которой энергия отводится, — вто­ричной. Все величины, относящиеся к первичной обмотке, напри­мер напряжение, ток, мощность и т. д., называются первичными, а относящиеся ко вторичной обмотке — вторичными. Если вторич­ное напряжение меньше первичного, то трансформатор называ­ется понижающим, а если больше, то повышающим. В соответ­ствии с этим различают обмотки высокого и низкого напря­жений. По виду переменного тока трансформаторы разделяются на од­нофазные, трехфазные и многофазные. По числу обмоток разли­чают трансформаторы двухобмоточные и многообмоточные, а также трансформаторы с ответвлениями, т. е. трансформаторы, обмотки которых имеют специальные ответвления. Различают также масляные и сухие трансформаторы. Первые с целью предохранения изоляции от вредного влияния воздуха и улучшения условий их охлаждения погружают в бак с трансформаторным маслом, вторые не погружены в масло. Масляные трансформа­торы, как правило, применяют в береговых установках, сухие трансформаторы — на судах. По назначению все трансформаторы, применяемые в технике, можно разделить на две основные группы: 1) силовые трансфор­маторы, служащие для передачи и распределения энергии: 2) спе­циальные трансформаторы, в частности автотрансформаторы, из­мерительные трансформаторы, вращающиеся, сварочные, транс­форматоры для выпрямителей, радиотрансформаторы. Судовые трансформаторы мощностью до 100 кВ-А выпускают для однофазного и трехфазного тока на напряжение 380, 220 и 127 В на первичной обмотке со ступенчатым регулированием на­пряжения и 220, 127 и 26 В на вторичной обмотке. Маркировка сухих трансформаторов типов ОСЗМ, ОСВМ, ТСЗМ, ТСВМ обо­значает: О — однофазный, Т — трехфазный, 3 — брызгозащищен-ный, В — водозащищенный, С — сухой, М — морской. Действие трансформатора основано на явлении электромагнит­ной индукции. Если первичную обмотку трансформатора подклю­чить к сети переменного тока с напряжением U1 (рис. 14.1), то в ней будет протекать ток I1, который создаст в сердечнике пере­менный магнитный поток Ф. Под влиянием этого потока в обеих обмотках трансформатора будут индуцироваться ЭДС. Если при этом вторичная обмотка будет замкнута, то по ней будет течь пе­ременный ток I2. Таким путем и осуществляется передача энергии из первичной обмотки во вторичную, а следовательно, и преобра­зование энергии переменного тока одного напряжения в энергию переменного тока другого напряжения. Рис. 14.1. Схема работы, трансформатора Мгновенные значения ЭДС, индуцируемых в обмотках транс­форматора, при Ф = Фsinωt определяются выражениями где w1, w2-—число витков соответственно первичной и вторичной обмоток трансформатора; E1m= w1ωФm , E2m= w2ωФm значения ЭДС обмоток трансформатора Переходя к действующим значениям ЭДС, получим Отношение ЭДС обмотки высокого напряжения к ЭДС об­мотки низкого напряжения называется коэффициентом трансфор­мации. Например, если обмоткой высокого напряжения является первичная, а обмоткой низкого напряжения — вторичная, то ко­эффициент трансформации k определится следующим соотно­шением: При работе трансформатора в холостую, т.е. когда во вторич­ной обмотке тока нет, а в первичной он имеет небольшую силу, можно считать, что E1 ≈ U1 и E ≈ U2, и тогда k = U1 / U2, т. е. ко­эффициент трансформации равен отношению напряжений на за­жимах трансформатора. Соотношение между токами обмоток трансформатора под на­грузкой определяется выражением I1 /I2 ≈ U2 / U1 т. е. токи в обмотках обратно пропорциональны напряжениям трансформатора. Трансформаторы могут работать в двух основных режимах: в режиме холостого хода и под нагрузкой. В эксплуатационных условиях может иметь место режим внезапного короткого за­мыкания. При работе трансформатора вхолостую на первичную обмотку подано напряжение U1 и по ней проходит ток I0 (см. рис. 14.1), а вторичная обмотка разомкнута, и ток в ней равен I2 = 0. В этом случае во вторичной обмотке наводится ЭДС Е2, а напряжение U1 расходуется на преодоление ЭДС самоиндукции Е1, ЭДС рассея­ния E σ1 = - jωLσ1I0 = - jx1I0, Где Lσ1, х1 — индуктивность и индук­тивное сопротивление первичной обмотки трансформатора, а также на падение напряжения I0r1 на активном сопротивлении r1 первичной обмотки трансформатора. Ток I0 можно представить в виде двух составляющих: активной Iа и реактивной I μ:I0 = Ia + jIμ Таким образом, уравнение второго закона Кирхгофа для пер­вичной обмотки в режиме холостого хода трансформатора запи­шется так: U1 = - E1 + I0r1 + jI0x1 При работе трансформатора под нагрузкой, когда к первичной обмотке подведено напряжение U1 и по ней течет ток I1, а вторич­ная замкнута на внешнее сопротивление ZНГ и по ней течет ток I2, уравнения электрического равновесия для обмоток трансформа­тора запишутся так: где U2 — напряжение на зажимах вторичной обмотки трансфор­матора: r2, х2 — активное и индуктивное сопротивления вторичной обмотки трансформатора. С целью возможного совместного рассмотрения процессов в об­мотках трансформатора приведем, как и для асинхронного двига­теля, параметры вторичной обмотки к первичной: Е'2 = kE2 = E1; U'2 =kU2; 1'2 = I2/k; r2 = k2r2; x'2 = k2x2; Z’2 = r'2 + jx'2 В соответствии с приведенными величинами вторичной обмотки уравнения токов и ЭДС перепишутся следующим образом: На основании уравнений на рис. 14.2 приве­дены векторные диаграммы для случаев холостого хода и нагру­женного трансформатора, а также его внешние характеристики. Последние показывают характер изменения вторичного напря­жения. Рис. 14.2. Векторный диаграммы трансформатора при холостом ходе (а) и под нагрузкой (б) и его внешние характеристики (в) Основной паспортной мощностью трансформатора является но­минальная полная мощность SH = U2HI2H, указываемая на щитке трансформатора и измеряемая в вольт-амперах или киловольт-амперах. Отношение активной мощности P2 = U2 I2 cosφ2, отдаваемой вто­ричной обмоткой, к активной мощности Р1 = U1 I1 cosφ1 получаемой первичной обмоткой, называется коэффициентом полезного дей­ствия трансформатора: η = где Σp, — суммарные потери трансформатора, слагающиеся из потерь в меди обмоток и потерь холостого хода. Трехфазные и специальные трансформаторы. Судовые трех­фазные трансформаторы обычно изготовляются трехстержневого типа (рис. 14.3, а). На каждом стержне располагаются первичная и вторичная обмотки одной фазы. Начала обмоток высокого на­пряжения обозначаются буквами А, В, С, а их концы — буквами X, Y, Z. Начала обмоток низкого напряжения соответствующих фаз обозначаются а, Ь, с, а их концы — x, у, z. Нулевые точки обо­значаются соответственно Оио. Обмотки этих трансформаторов соединяются звездой или треугольником. В судовых установках применяются четыре группы соединений: - Y/Y, Y/Yo(Yo—соеди­нение звездой с нулевым проводом) иY/Δ. В числителе указано соединение обмоток высокого напряжения, а в знаменателе — низкого. К специальным трансформаторам относятся, в частности, авто­трансформаторы (рис. 14.3, б) и измерительные трансформаторы (рис. 14.4). Рис. 14.4. Измерительные трансформаторы: а— трансформатор тока; б- трансформатор напряжения . В автотрансформаторе обмотка низкого напряжения является частью обмотки высокого напряжения. Коэффициент трансформации автотрансформатора, так же как и в однофазном трансформаторе, равен отношению k = U1/U2 = w1/w2 где U1, U2, w1, w2 — соответственно напряжения и число витков первичной и вторичной обмоток автотрансформатора. Режим холостого хода автотрансформатора аналогичен ре­жиму холостого хода обычного трансформатора. В работе же ав­тотрансформатора под нагрузкой имеется принципиальная раз­ница по сравнению с обычным трансфор­матором. Так, мощ­ность S1 = U1 I1, подво­димая к автотранс­форматору, переда­ется во вторичную об­мотку частью электро­магнитным путем и частью электрическим путем, поскольку обе обмотки электрически связаны. Измерительные трансформаторы служат для расширения пре­делов электроизмерительных приборов по току — трансформаторы тока (рис. 14.4, а) и по напряжению — трансформаторы напряже­ния (рис. 14.4, б). Как трансформатор тока, так и трансформатор напряжения состоит из ферромагнитного сердечника и двух об­моток: первичной и вторичной. Первичные обмотки изготовляются на различные значения соответственно тока и напряжения, а вто­ричные обмотки трансформаторов тока — на 5А и трансформа­торов напряжения — на 100 В. Соотношение между первичными и вторичными соответственно токами и напряжениями прибли­женно можно выразить так: I1 = U1= где kT, kH — коэффициенты трансформации трансформаторов тока и напряжения соответственно. Трансформаторы напряжения практически работают в режиме холостого хода, а трансформаторы тока — в режиме короткого за­мыкания. При работе вторичные обмотки трансформаторов зазем­ляются, благодаря чему повышается безопасность обслуживания. 4. Выпрямители и инверторы Под выпрямителями понимают устройства, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, а под инвер­торами — устройства для преобразования постоянного тока в пе­ременный. Основными элементами этих преобразователей явля­ются трансформаторы и полупроводниковые приборы. Кроме того, в их состав могут входить блок управления, блок стабилизации и блок сигнализации и защиты. Устройство полупроводниковых преобразователей основано на односторонней проводимости приборов, а также на возможности управлять их проводимостью. Общая схема устройства полупроводникового прибора пред­ставлена на рис. 14.5, а. Прибор состоит из двух металлическихэлектродов: анода А и катода К, между которыми заключен полу­проводник. Один из слоев этого полупроводника обладает р-проводимостью, а другой n-проводимостью. В месте стыка слоев по­лупроводника образуется запирающий слой ЗС. В таком устрой­стве ток, текущий под действием внешнего электрического поля через запирающий слой в направлении от анода к катоду, во много раз больше, чем ток, текущий в обратном направлении. По­этому направление от полупроводника с р-проводимостью к полу­проводнику с n-проводимостью называют проводящим, а обрат­ное— непроводящим. Ток, соответствующий проводящему направ­лению, называют прямым Iпр, а непроводящему — обратным Iобр. На рис. 14.5, б представлена вольт-амперная характеристика — зависимость тока от значения и направления приложенного на­пряжения. Физическая сущность явлений, имеющих место в полупровод­никовом приборе, заключается в следующем. При соединении слоев полупроводника с р- и n-проводимостями между ними обра­зуется запирающий слой — электронно-дырочный переход, или п-р-переход. Электроны начнут перемещаться из области с п-проводимостью в область с р-проводимостью, а дырки — в обрат­ном направлении. Будет происходить свободный обмен электро­нами и дырками до момента достижения равновесия, наступаю­щего под действием сил возникшего внутреннего электрического поля Евнутр.. При подключении минуса источника напряжения к об­ласти с n-проводимостью электроны и дырки под действием внеш­него электрического поля Евнешн устремятся к р—n-переходу. При Евнешн > Евнутр внутреннее поле будет полностью уравновешено, в результате чего увеличится количество основных носителей элек­тричества в направлении внешнего поля, т. е. в этом направлении будет протекать ток сравнительно большой силы. При изменении полярности напряжения внутреннее поле запирающего слоя уси­лится. Поэтому в направлении внешнего поля будет протекать только обратный ток не­большой силы. Рис. 14.6. Схемы включения выпрямителей с использованием пулевой точки трансформатора: а — однофазного; б — трехфазного Полупроводниковые приборы бывают селено­вые, германиевые и кремниевые (последние наибо­лее распространены). Ос­новными параметрами этих приборов, характери­зующими их работу, яв­ляются: Iпр.доп. –допустимый прямой ток, Uобр.доп. –допустимое обратное напряжение, Iобр.доп. -допустимый обратный ток, ΔUпр – прямое падение напряжения.. Учитываются также температурный и частотный диапазоны. Са­мые лучшие параметры имеют кремниевые приборы. В выпрямителях широко применяются две типовые схемы включения полупроводниковых приборов: схема с использованием нулевой точки трансформатора и мостовая схема. Обе эти схемы предусматривают использование обеих полуволн переменного тока. Схема с использованием нулевой точки однофазного трансфор­матора изображена на рис. 14.6, а. В первую половину периода ток проходит через диод VI, во вторую половину периода поляр­ность вторичной обмотки трансформатора меняется и ток пропус­кает уже диод V2. Схема подобного типа для выпрямления трех­фазного тока показана на рис. 14.6, б. Ток пропускает тот из дио­дов, который в данный момент имеет высший потенциал. Рассмотрим основные соотношения между величинами, исполь­зуемыми при выборе диодов для нулевых схем выпрямления. Средние значения выпрямленных напряжений U0 и тока I0 и амплитуда обратного напряжения па диоде Uобр.m: для однофазной схемы где U2 — действующее значение вторичного напряжения транс­форматора; Iа — действующее значение тока диода; RНГ — сопро­тивление (нагрузка) потребителя; для трехфазной схемы U0=1,17U2; I0 = 3Ia = U0/RНГ; Uo6p.пр. = 2,09U0, где U2 — вторичное фазное напряжение трансформатора. Трехфазная нулевая схема выпрямления обладает рядом пре­имуществ по сравнению с однофазными: меньше коэффициент пульсации выпрямленного напряжения ku = Um/U, больше среднее значение выпрямленного тока и несколько лучше использование трансформатора. Рис. 14.7. Трехфазная мо­стовая схема Трехфазная мостовая схема (рис. 14.7) состоит из диодов, сое­диненных в две группы: катодную (диоды VI—V3) и анодную (диоды V4—V6). В течение 1/3 периода в катодной группе рабо­тает один диод с наиболее высоким потенциалом анода, а в анод­ной группе в это время работает диод, у которого катод имеет наибольший отрицательный потенциал. Таким образом, в этой схеме в любой момент времени работают два диода: один из ка­тодной группы, другой из анодной. Основные соотношения для трехфазной мостовой схемы: где U2л, U2 — соответственно линейное и фазное вторичные напря­жения трансформатора. Трехфазная мостовая схема значительно лучше нулевой. В частности, в ней меньше пульсации выпрямленного напряжения, больше их частота, в два раза меньше обратное напряжение на диоде, так как оно распределяется на два последовательно соеди­ненных диода, и лучше использование трансформатора. Инверторы отличаются от выпрямителей тем, что у них вместо неуправляемых приборов — диодов применены управляемые при­боры—тиристоры. На рис. 14.8 представлена схема автономного однофазного инвертора. Рис. 14.8. Схема автоном­ного однофазного инвер­тора Сущность работы инвертора состоит в том, что при подаче в противофазе на тиристоры VS1 и VS2 управляющих импульсов с частотой f2 происходит поочередное их открытие и, следовательно, поочередное протекание тока по полуобмоткам трансформатора напряже­ния TV. В результате во вторичной обмотке транс­форматора ин­дуцируется ЭДС, час­тота которой равна f2, а по нагрузке ZHГ те­чет переменный ток. Конденсатор С в схе­ме выполняет роль ис­точника коммутирую­щей ЭДС тиристоров VS1 и VS2. При подаче управляющего напряжения, например, на тиристор VS2 конденсатор С закрывает транзистор VS1,так как к этому моменту последний заряжен до полного напряжения обмотки трансформатора. После закрытия тиристора VS1конденсатор С в течение некоторого времени, соответствующего углу запирания,удерживает на этом тиристоре отрицательное напряжение, создавая тем самым условия, необходимые для восстановления его управляемости (проводимости). Затем на тиристор VS1подается управляемое напряжение и далее процесс циклически повторяется. Однако при изменении нагрузки ZНГ на инвертор резко изменяется значение выходного напряжения при одновременном изменении его формы. Для устранения этого явления усложняются схемы или применяются соответствующие стабилизаторы напряжения. В настоящее время выпускаются автономные инверторы трехфазного тока (рис.14.9) собранные по принципиально различным схемам. На всех этих инверторах коммутация диодов и тиристоров, как правило, производиться с помощью конденсаторов. Конструктивно инверторы, как и выпрямители, выполняются в виде шкафов, габариты и конфигурация которых зависят от мощности инверторов, удобствап их обслуживания и других требований. 4. Электромашинные преобразователи. Электромашинные преобразователи, применяемые на судах представляют собой агрегаты, состоящие из двух машин: электродвигателя и генератора, которые соединены между собой механически, но электрически не связаны. Их собирают на одной фун­даментной плите или в одном закрытом корпусе. Агрегаты позво­ляют производить самые разнообразные преобразования – рода тока, напряжения числа фаз, частоты. Но чаще всего они применяются для преобразования переменного тока в постоянный или постоянного в переменный. На рис. 14.10 изображенна схема двухмашинного агрегата, предназначенного для трехфазного тока в постоянный. Рис. 14.10. Схема двух машинного преобразователя К достоинствам электромашинных преобразователей относятся независимость параметров преобразуемой и получаемой энергии а также возможность применять обычные серийные машин! Не­достатками являются относительная громоздкость агрегата и сравнительно низкий КПД, равный произведению КПД двигателя ηд на КПД гене­ратора ηг, т.е η = ηд ηг На судах из многомашинных преобра­зователей широко применяются, в част­ности, преобразователи переменно-посто­янного тока типа АМ- П мощностью от 4,5 кВт, (АМ42-2-П32М) до 95 кВт, (АМ102-4-П101), преобразователи частоты типов АМГ, АЛА, АТО, АТТ мощностью от 0,43 кВт (АМГ201А) до 50 кВт (АТТ50-500). Преобразователи частоты представляют собой однокорпусные аг­регаты, состоящие из асинхронных короткозамкнутых электродви­гателей и синхронных генераторов в комплекте с пускорегулирующей аппаратурой. Агрегаты преобразуют трехфазный ток судовой сети в однофазный или трехфазный ток повышенной (400— 500 Гц) частоты. На рис. 14.11 приведена принципиальная схема преобразователя АТО 20-500. КК1 Рис. 14.11. Принципиальная схема преобразователя АТО 20-500 Двигательная часть схемы состоит из асинхронного двигателя, пускателя и кнопочного поста управ­ления. Генераторная часть схемы включает однофазный индук­торный генератор G, обмотка возбуждения которого L2 питается от возбудителя GA, и автоматический регулятор напряжения АРН. В некоторых случаях в комплект преобразователя входит блок ручного регулирования напряжения. Раздел 5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АККУМУЛЯТОРЫ 1. Общие сведения и понятия Электрическими аккумуляторами называют приборы для на­копления электрической энергии с целью последующего ее исполь­зования. Процесс накопления электроэнергии в аккумуляторах на­зывают их зарядом, а процесс отдачи электроэнергии во внешнюю цепь — разрядом. При заряде аккумуляторов в них происходит преобразование электрической энергии в химическую, а при раз­ряде — химической в электрическую. Процессы взаимного преобразования химической и электриче­ской энергии в аккумуляторах называют электрохимическими процессами, а вещества, участвующие в этих процессах, — активными веществами. Совокупность активных веществ, находящихся в ак­кумуляторе, называют электрохимической системой. Основными параметрами аккумуляторов являются ЭДС, внут­реннее сопротивление, напряжение, емкость, энергия и отдача. ЭДС Е аккумулятора практически остается постоянной величиной и определяется разностью между потенциалами его электродов при разомкнутой внешней цепи, т. е. E = U+ — U-, где U+, U- — потенциалы соответственно положительного и отри­цательного электродов. Значения потенциалов для данной электрохимической системы постоянны и зависят от материала электродов, частично от со­става и плотности электролита. Внутреннее сопротивление аккумуляторов — величина пере­менная и зависит от режима их работы. Напряжение аккумуляторов различают разрядное и зарядное, определяемое соответственно по выражениям Up = E-IР RР; U3 = E + I3R3, где Iр, I3, RP, R3 — соответственно силы токов и внутренние сопро­тивления разряда и заряда аккумулятора. Емкость аккумуляторов, как и напряжение, различают разряд­ную и зарядную. Емкость определяется произведением сил токов разряда и заряда аккумулятора Iр, I3 на время разряда Тр и за­ряда Т3 соответственно: СР = IРTР; С3 = I3Т3. Емкость аккумуляторов измеряется в ампер-часах (А-ч). Раз­личают отдачу аккумуляторов по емкости ηC и отдачу по энергии ηW, которые определяются соответственно по формулам ηC = IрTр /(I3T3); ηW = UpIpTp /(U3I3T3). По роду электролита электрические аккумуляторы разделя­ются на две основные группы: кислотные и щелочные. 2. Кислотные аккумуляторы По устройству и назначению кислотные аккумуляторы весьма разнообразны. Их выпускают одиночными и в виде батарей. На рис. 15.1 показано устройство одного из типов одиночных аккуму­ляторов и общий вид одной из аккумуляторных батарей. Каждый аккумулятор состоит из трех основных частей: блока пластин, электролита и бака. Рис. 15.1. Кислотные аккумуляторы: а-—уст­ройство; б-—батарея: 1 — зажим; 2 — пробка; 3 — серная кислота; 4 — дере­вянная прокладка; 5 — эбонитовая прокладка; б —эбо­нитовый бак Пластины представляют собой решетки (остов) с вмазанным в них активным веществом. Остов отливают из свинца, к которому добавляют небольшое количество сурьмы для механической проч­ности и кислотостойкости. Активное же вещество положительных пластин в готовых ак­кумуляторах — это двуокись свинца РbО2 темно - коричневого цвета, а активное ве­щество отрицательных пластин — чистый губ­чатый свинец Рb свет­ло-серого цвета. Ак­тивное вещество как положительных, так и отрицательных плас­тин имеет пористую (губчатую) структуру, благодаря чему хо­рошо пропитывается электролитом в про­цессе работы аккуму­лятора. Готовые положи­тельные пластины аккумулятора соединяются между собой па­раллельно при помощи мостика с зажимом, называемым барет­кой. Также соединяются отрицательные пластины. Группа поло­жительных пластин размещается между отрицательными, образуя блок пластин аккумулятора. Следовательно, крайними в блоке являются отрицательные пластины, и поэтому их всегда на одну больше, чем положительных. Для предохранения разноименных пластин от замыкания между ними помещают изоляционные про­кладки, называемые сепараторами. В качестве сепараторов при­меняют микропористые эбонитовые листы или гофрированные фа­нерные листы, а также изготовляют их из пористых пластмасс, стекловойлока и других материалов. Электролитом кислотных аккумуляторов служит раствор хи­мически чистой серной кислоты в дистиллированной воде. Основ­ной характеристикой электролита является плотность. Для дан­ного типа аккумулятора плотность устанавливается заводом-изго­товителем и практически колеблется в пределах от 1,2 до 1,35 г/см3. Баки судовых кислотных аккумуляторов обычно изготовляют из эбонита как одиночными, так и в виде моноблоков, где для каждого аккумулятора имеется ячейка. На дне баков имеются призмы для установки блока пластин и предохранения их от за­мыкания выпавшим из решетки активным веществом. Баки закры­ваются крышками с отверстиями для вывода зажимов и для за­ливки и замеров электролита, заливочные отверстия — резьбо­выми пробками, обеспечивающими свободный выход газов при работе, но не допускающими выливания электролита при накло­нах аккумулятора. Для уплотнения между крышкой и баком про­кладывают резину и стыки заливают кислотостойкой мастикой. Сущность электрохимических процессов при разряде и заряде кислотных аккумуляторов состоит в следующем. При разряде аккумулятора двуокись свинца положительных пластин РbО2 восстанавливается до сернокислого свинца PbSO4, а чистый губчатый свинец отрицательных пластин Рb окисляется в сернокислый свинец PbSO4. При этих реакциях расходуется сер­ная кислота и образуется вода, отчего плотность электролита по­нижается. При заряде аккумулятора происходит обратный процесс, т. е. сернокислый свинец положительных пластин окисляется в дву­окись свинца, а сернокислый свинец отрицательных пластин вос­станавливается до чистого свинца. При этих реакциях расходу­ется вода и образуется серная кислота, вследствие чего плотность электролита повышается. Суммарная электрохимическая реакция имеет следующий вид (+ ) (—) Разряд (+) (―) PbO2 + 2H2SO4+Pb PbSO4 + 2H2O+PbSO4 (Аккумулятор заряжен) Заряд (Аккумулятор разряжен) Изменение плотности электролита при заряде и разряде явля­ется важной характеристикой кислотного аккумулятора, которая используется для контроля за степенью его заряженности. Среднее рабочее напряжение заряженного аккумулятора равно 2 В. Однако при заряде и разряде напряжение изменяется. Так, при заряде оно повышается от 1,2 до 2,7—2,8 В и далее остается постоянным. При отключении аккумулятора от зарядного устрой­ства напряжение снижается до 2,2—2,1 В. При разряде напряже­ние падает от 2,2 В до 1,7 В. Напряжение 1,7 В обычно считается концом нормального разряда, так как при дальнейшем разряде пластины могут засульфатироваться. Внутреннее сопротивление аккумулятора весьма мало и со­ставляет сотые и даже тысячные доли Oма. Образующийся при разряде на пластинах сернокислый свинец имеет плохую проводи­мость электрического тока, поэтому внутреннее сопротивление при разряде увеличивается и соответственно при заряде уменьшается. Емкость кислотных аккумуляторов зависит: - от массы активных веществ — чем больше активных веществ, тем больше емкость; - от силы разрядного тока — чем меньше сила разрядного тока, тем больше емкость; - от температуры и плотности электролита — чем выше эти параметры, тем больше емкость; - от срока службы — по мере старения аккумулятора емкость его уменьшается. При нормальных режимах заряда и разряда отдача кислотных аккумуляторов по емкости составляет 80—90%, а по энергии — 70—80%. Понижение температуры электролита уменьшает отдачу. Отметим, что у кислотных аккумуляторов есть естественный саморазряд, который равен примерно 1 —1,5% в сутки. При не­правильной эксплуатации он может достигнуть чрезмерных зна­чений. Аккумуляторы, подобно другим источникам электроэнергии, соединяют последовательно, параллельно или параллельно-после­довательно. Несколько соединенных тем или иным способом ак­кумуляторов образуют батарею. Таблица 15.1. Характеристики основных типов кислотных аккумуляторных батарей Тип батареи Номинальное напряже­ние, В Емкость, А-ч Разрядный ток, А Зарядный ток, А при 10 – часовом режиме разряда при 5- ми­нутном стартерном режиме при 10-часо­вом режиме при 5- ми­нутном стартерном режиме Первая ступень Вторая ступень 3СТЭ-60 3СТЭ-70 3СТЭ-80 3СТЭ-98 3СТЭ-112 3СТЭ-126 3СТЭ-135 6СТЭ-58 6СТК-180 6 6 6 6 6 6 6 12 12 60 70 84 98 112 126 135 58 180 16,5 19,2 22,8 27,0 30,7 34,8 37,1 18,7 42,7 6 7 8 9,8 11,2 12,6 13,5 5,8 15,4 180 210 250 295 335 380 405 205 500 5,5 6,5 8,0 8,5 9,0 10 10 6,0 20 3,5 6,0 6,0 7,0 7,0 7,5 7,5 4,5 10 Батареи кислотных аккумуляторов малой и средней емкости применяют главным образом для запуска двигателей внутреннего сгорания и реактивных двигателей, а также для снятия пиковых нагрузок при работе в качестве резервных источников питания. Батареи большой емкости применяют на подводных лодках для питания гребных электродвигателей. В табл. 15.1 приведены основные типы и характеристики кис­лотных аккумуляторных батарей, применяемых на судах флота. Условные обозначения батарей расшифровываются следующим образом. - Цифры, стоящие в обозначении перед буквами, указы­вают число элементов батареи, соединенных последовательно. - Цифры после букв—номинальную емкость в ампер-часах. - Буквы в условном обозначении батарей означают: СТ — стартерная, К — катерная. - Материал блоков характеризуют буквы Э — эбонит и П — пластмасса. При 20-часовом режиме разряда конечное напряжение всех типов батерей составляет 1,75 В на элемент, при 10-часовом ре­жиме— 1,7 В, при одночасовом режиме—1,6 В, а при 5-минут­ном режиме— 1,5 В. Существуют три основных способа заряда кислотных аккуму­ляторных батарей: - заряд при постоянном значении напряжения ( U3= const), - заряд при постоянной силе тока (I3 = const), - сту­пенчатый заряд. Сущность первого способа заключается в том, что к батарее подводят зарядное напряжение U3, превышающее ЭДС батареи Е, и не изменяют его до конца заряда. Такой спо­соб обычно применяют для частичного подзаряда батареи, а также при заряде стартерных батарей от источников регулируемого на­пряжения. Второй способ состоит в том, что в течение всего времени за­ряда сила зарядного тока остается неизменной. Данный способ применяют при продолжительных зарядах малыми токами, в част­ности при уничтожении остаточной сульфатации пластин аккуму­лятора. Ступенчатый заряд заключается в том, что заряд начинают си­лой тока 1,2IH и поддерживают ее неизменной до достижения на­пряжения 2,4 В на элементе. После этого силу тока уменьшают в два раза и поддерживают ее до тех пор, пока аккумуляторы не будут полностью заряжены. Нормальный заряд аккумуляторных батарей, находящихся в эксплуатации, производится каждый раз после их работы, если батареи разрядились более чем на 25%. Перерыв между разря­дом и зарядом во избежание вредной сульфатации не должен пре­вышать 12—24 ч. При любом способе заряда конец заряда кислотных аккумуля­торных батарей определяется по трем признакам: 1) напряжение на зажимах большинства элементов достигает 2,7—2,75 В и оста­ется постоянным в течение 1—2 ч; 2) наблюдается обильное газо­выделение из аккумуляторов; 3) плотность электролита большин­ства элементов достигает наибольшего значения и остается неиз­менной. 4. Щелочные аккумуляторы Щелочные акукмуляторы по составу активного вещества пла­стин разделяются на три основные вида: • кадмиево-никелевые, • железоникелевые • серебряно-цинковые. На судах обычно применя­ются кадмиево-никелевые аккумуляторы, на рассмотрении кото­рых мы и остановимся. На рис. 15.2 показаны общий вид и устройство кадмиево-никелевого аккумулятора ламельной конструкции. Он состоит из стального гофрированного бака, блока пластин и электролита. Для предохранения от коррозии бак никелируют. В крышке бака имеются отверстия для вывода зажимов, заливки электролита и выхода газов. Пластины аккумулятора состоят из ряда отдельных пакетов, внутри которых помещено активное вещество. Оболочку пакетов делают из тонкой стальной ленты, имеющей большое число отвер­стий для проникновения электролита. Пакеты положительных пла­стин изготовляют из никелированной ленты, и потому эти пла­стины имеют более светлый цвет, чем отрицательные. Длина пакетов и их число в пластине зависят от типа аккумулятора. Па­кеты впрессовывают в стальные никелированные рамы. В каче­стве активного вещества для положительных пластин применяют гидрат окиси никеля Ni(OH)3 с примесью графита, а для отрица­тельных пластин — металлический кадмий Cd с примесью окис­лов железа. Все пластины собирают в блок с общими зажимами на крышке бака. Положительные пластины почти в два раза толще отрица­тельных, их на одну больше, чем отрицательных, и их всегда ста­вят крайними. Для изолирова­ния отрицательных пластин от положительных между ними про­кладывают эбонитовые палочки или другие сепараторы. Крайние положительные пластины от сте­нок бака обычно не изолируют. Число пластин в блоке зависит от емкости аккумулятора. Рис. 15.2. Щелочные аккумуляторы: а —общий вид; б — устройство: 1 — эбонитовые палочки; 2 — пробка; 3 — отрицательные пластины; 4 — положи­тельные пластины; 5 — боковая изоляция; 6 — бак В качестве электролита для кадмиево-никелевых аккумулято­ров применяют водный раствор едкого кали плотностью 1,19— 1,21 г/см3. Для того чтобы уве­личить срок службы щелочного аккумулятора, в его электролит добавляют небольшое количество едкого лития. Электрохимические реакции в кадмиево-никелевых аккумуля­торах в основном сводятся к следующему. При разряде акку­муляторов гидрат окиси никеля на положительных пластинах переходит в гидрат закиси никеля, а губчатый кадмий на отрица­тельных пластинах — в гидрат закиси кадмия. При заряде акку­муляторов реакции идут в обратном направлении, т. е. происходит восстановление активного вещества пластин. Поэтому реакции разряда и заряда могут быть выражены следующим уравнением: ( + ) ( —) Разряд ( +) ( —) 2Ni (ОН)3 + КОН + Cd 2Ni (OH)2 - КОН + Cd (OH)2 (Аккумулятор заряжен) Заряд (Аккумулятор разряжен) Характерной особенностью данных реакций является то, что кон­центрация раствора едкого кали не меняется . Это позволяет огра­ничиться небольшим количеством электролита. Среднее рабочее напряжение на элементе равно 1,25 В. Од­нако это напряжение не остается постоянным, а изменяется при заряде и разряде. Так, при заряде напряжение повышается двумя ступенями от 1,0 до 1,7—1,8 В. При заряде при низких температу­рах окружающей среды напряжение в конце заряда может до­стигнуть 2.0—2,2 В. При разряде напряжение вначале быстро уменьшается до 1,25—1,20 В, затем медленно снижается до 1,1 В, а в конце раз­ряда начинает снова быстро уменьшаться. Напряжение 1,0 В на элементе считается концом нормального (8-часового) разряда. При более коротких режимах разряда кадмиево-никелевые акку­муляторы можно разряжать до более низкого конечного напряжения, например при 5-часовом разрядном режиме до 0,9 В, при 3-часовом — до 0,8 В, при одночасовом — до 0,5 В. Внутреннее сопротивление кадмиево-никелевых аккумуляторов несколько выше, чем кислотных, и составляет сотые доли Ома. Оно зависит от емкости аккумулятора, степени его заряда и темпера­туры электролита. При заряде внутреннее сопротивление умень­шается, а при разряде увеличивается в несколько раз. По этой причине щелочные кадмиево-никелевые аккумуляторы непригодны для разряда в коротких режимах, т. е. для стартерных целей. Емкость кадмиево-никелевых аккумуляторов в отличие от кис­лотных мало зависит от силы разрядного тока. Объясняется это тем, что концентрация щелочи при разряде остается практически постоянной. Большое влияние на емкость оказывают температура и состав электролита. Поэтому при нормальных и низких температурах применяют КОН, а при высоких температурах иногда используют NaOH. Номинальная емкость гарантируется при температуре электро­лита 25 °С. При повышении температуры от 25 до 45 °С емкость сначала возрастает, а затем резко уменьшается. При низких тем­пературах емкость уменьшается, что объясняется как увеличением сопротивления электролита, так и пассивированием отрицатель­ного электрода. При этом следует иметь в виду, что падение ем­кости при низких температурах — явление временное, а при по­вышении температуры свыше 40°С происходит необратимое уменьшение емкости из-за структурных изменений активного ве­щества положительных пластин. Отдача кадмиево-никелевых аккумуляторов, как по емкости, так и по энергии из-за большего внутреннего сопротивления не­сколько меньше, чем у кислотных аккумуляторов, и соответ­ственно равна ηС = 60 - 70 %; ηW = 50 - 60 %. Саморазряд этих аккумуляторов особенно интенсивен в первые дни хранения, а затем постепенно уменьшается. Нормальный са­моразряд при комнатной температуре за месяц хранения состав­ляет около 18 % и в дальнейшем почти не увеличивается. При за­грязнении электролита и самих аккумуляторов, а также при наличии неисправностей в них саморазряд может значительно уве­личиться. Срок службы кадмиево-никелевых аккумуляторов зависит от состава электролита, его температуры, а также от режимов за­ряда и разряда. При соблюдении правил эксплуатации срок службы достигает 750 зарядо-разрядных циклов. Кадмиево-никелевые аккумуляторы выпускаются промышлен­ностью, как правило, в виде батарей, собранных в деревянных или железных ящиках. Батареи имеют обозначения, состоящие из цифр и букв. - Цифры, стоящие перед буквами, указывают число элементов, соединенных в батарее последовательно; - Цифры, стоящие после букв, — номинальную емкость батареи. - Буквы ука­зывают назначение батареи и электрохимическую систему аккумуляторов. Например, А — анодная, Н — накальная, КА — акку­мулятор кадмиево-никелевый. Другие цифры и буквы, стоящие после обозначения емкости, указывают конструктивное оформле­ние батарей. В табл. 15.2 приведены основные типы аккумуляторных бата­рей, широко применяемых на судах в качестве основных источни­ков питания, и их параметры. Таблица 15.2. Основные данные щелочных аккумуляторных батарей Значения номинального зарядного тока указаны для 6-часо­вого зарядного режима. Конечное напряжение для всех типов ак­кумуляторных батарей зависит от режима разряда и должно быть не менее 1,0 В (на элементе) при 8-часовом, 0,9 В при 5-часовом и 0,5 В при одночасовом разрядном режиме. Отметим, что для щелочных кадмиево-никелевых аккумулято­ров, находящихся в эксплуатации, применяются три вида заряда: - нормальный, усиленный и ускоренный. Нормальный заряд явля­ется основным и производится номинальным зарядным током в те­чение 6 ч. Усиленный заряд производится в две ступени: 6 ч но­минальным зарядным током и еще 6 ч током, равным 0,5 номи­нального. Усиленный заряд производится через каждые 10—12 циклов, но не реже одного раза в 3 месяца, а при нерегулярной эксплуатации — после каждого разряда ниже конечного разряд­ного напряжения. Ускоренный заряд допускается лишь в крайних случаях и про­изводится током, равным двойному номинальному, в течение 2,5 ч и еще 2 ч номинальным зарядным током. Во всех случаях после ускоренного заряда и разряда необходим усиленный заряд акку­мулятора. Основным признаком конца заряда щелочных аккумуляторов является количество энергии (в ампер-часах), накопленной акку­мулятором при заряде, и дополнительным — значение напря­жения. РАЗДЕЛ 7. СУДОВЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ 1. Общие сведения и понятия Электрическим приводом называют систему, состоящую из электродвигателя, механической передачи и аппаратуры управле­ния и служащую для приведения в движение того или иного ис­полнительного механизма. Электроприводы, приводящие в действие судовые исполнитель­ные механизмы, называют судовыми электроприводами. Они обес­печивают работу всех средств, обусловливающих движение и ма­неврирование судов, а также приводят в действие системы и ме­ханизмы специального назначения. По своему назначению, типу, системе и характеру работы су­довые электроприводы весьма разнообразны. Так, по назначению различают рулевые и шпилевые, валоповоротные и грузоподъем­ные электроприводы, электроприводы насосов и компрессоров, пре­образователей, механизмов специального назначения и др. По характеру работы бывают электроприводы непрерывного действия и прерывистого, или кратковременного, действия. По роду тока различают электроприводы постоянного и переменного тока. По виду двигателя, преобразующего электрическую энергию в механическую, электроприводы разделяют на электродвигатель­ные и электромагнитные. Наибольшее распространение получили электродвигательные приводы. По числу электродвигателей судовые электроприводы разде­ляют на одиночные и многодвигательные. К одиночным электро­приводам относятся электроприводы насосов, вентиляторов, ком­прессоров и т. п. К многодвигательным — электроприводы кранов, лебедок, рулевые и некоторые другие электроприводы. По способу управления электродвигателем судовые электро­приводы разделяют на электроприводы ручного, полуавтоматиче­ского и автоматического управления. Основными элементами электроприводов являются: - электро­двигатели различных типов и систем возбуждения; - системы пе­редач, включающие в себя различные муфты соединения, механи­ческие преобразователи движений, редукторы и электромагнит­ные муфты; - аппаратура управления и защиты. 2. Основы динамики электропривода. Во всех режимах работы электропривода имеет место равно­весие моментов, т. е. М — МС = МЯ, где М — вращающий момент, развиваемый электродвигателем привода; Мс и Мл — статический и динамический моменты сопро­тивления, приведенные к валу электродвигателя. Статический момент сопротивления создают полезная нагрузка механизма и силы трения в механизме и передаче. Принято раз­личать реактивные и активные (потенциальные) статические мо­менты. Первые создаются силами трения и другими силами (ре­акции сжатия, растяжения и т. п.), возникающими вследствие дей­ствия внешних сил. Поэтому реактивные моменты всегда противо­действуют вращению электропривода, т. е. всегда отрицательны. Активные моменты создаются силами тяжести и другими силами (растяжения, скручивания и т. п.), изменяющими запас потенци­альной энергии всей движущей системы. Направление этих мо­ментов не зависит от направления вращения электропривода. Оно может быть противоположно направлению вращения электропри­вода (например, при подъеме груза) или совпадать с ним (на­пример, при спуске груза). В первом случае активные моменты отрицательны, во втором — положительны. Таким образом, статический момент сопротивления, равный алгебраической сумме реактивных и активных моментов, в общем случае может быть как отрицательным, так и положительным. Первый создает тормозной момент, второй — вращающий. Естест­венно, это отрицательно влияет на работу электропривода. Динамический момент сопротивления, развиваемый силами инерции масс при изменении скорости движения, при ускоренном движении направлен против движения, при замедленном — по на­правлению движения. Следовательно, динамический момент сопро­тивления, как и статический, влияет на работу электропривода. Динамический момент рассчитывают по основному уравнению динамики вращательного движения МД = jdω / dt, где j – момент инерции относительно оси вращения; dω / dt - угловое ускорение вращающихся частей электропривода. Динамический момент сопротивления можно выразить через другие параметры, в частности через маховый момент GD2 : МД = где GD2 - маховый момент, Н · м2; dω / dt - ускорение вращающихся частей электропривода. Теперь уравнение движения электропривода будет иметь вид М - МС = Из этого уравнения следует, что при работе электропривода возможны три характерных случая: 1) при М > МС электропривод ускоряется; 2) при М = МС электропривод находится в состоянии покоя или установившегося движения; 3) при М < МС электропри­вод замедляется. Уравнения движения электропривода в рас­смотренном виде справедливы для простейшей системы, состоя­щей из элементов, вращающихся вокруг одной оси с одинаковой частотой. Обычно же электропривод состоит из ряда элементов, движущихся с различными частотами. В связи с этим при расчете вращающего момента все моменты как статических, так и дина­мических сопротивлений отдельных элементов приводят к какому-либо определенному элементу привода, обычно к валу электро­двигателя. Если все элементы электропривода имеют только вращатель­ное движение (рис. 17.1), то приведенный статический момент МС = где МС — приведенный статический момент исполнительного ме­ханизма; ММ — статический момент исполнительного механизма; ωД ωМ — угловая скорость исполнительного механизма и электродвигателя соответственно; ηП — КПД промежуточной передачи; i — передаточное число от электродвигателя к исполнительному механизму. При наличии нескольких передач приведенный статический момент исполнительного механизма МС = ММ /( i1 i2. . . ik ηП1 ηП2. . . ηПk). Это равенство справедливо для двигательного режима. При ра­боте же электродвигателя в тормозном режиме потери в передаче будет компенсировать механизм и тогда приведенный статический момент механизма будет равен МС = (ММ / i) ηП . При приведении моментов инерции и маховых моментов к валу электродвигателя на основании закона сохранения энергии можно написать J2пр = J2(ω2/ω1)2 = J2(n2/n1)2 = J2 /i2, где J2пр – приведенный момент инерции элемента механизма; J2 – момент инерции элемента механизма; n1 и n2 – частоты вращения электродвигателя и элемента механизма соответственно: i - передаточное число от двигателя к данному элементу. При вращающихся с различной частотой элементах механизма эквивалентный приведенный момент инерции всей системы J2 = Ja + где Jа — момент инерции якоря или ротора электродвигателя; j1 j2 … jk — моменты инерции отдельных элементов привода; i1 i2…. Ik — передаточные числа соответствующих элементов. В системе СИ между моментами и мощностью нагрузки при­вода имеют место следующие соотношения: М = 9,55P/n; P = М n / 9,55, где М — момент, Н-м; Р- мощность в Вт, n – частота вращения, об/мин. 3. Расчет мощности и выбор электродвигателей. Надежная и экономичная работа электропривода возможна только при правильном выборе типа и мощности электродвига­теля, поэтому выбирать мощность электродвигателя необходимо в полном соответствии с нагрузкой электропривода и режимом его работы. Электродвигатель излишней мощности нецелесообразен и неэкономичен, так как при этом увеличиваются масса, габарит­ные размеры и стоимость машины, а также снижается КПД. При применении электродвигателя заниженной мощности повышается температура нагрева машины, что вызывает преждевременный из­нос машины или выход ее из строя. При выборе мощности электродвигателя для привода обычно учитывают следующие основные факторы: 1) мгновенную пере­грузку, т. е. электродвигатель должен быть достаточной мощности для преодоления сопротивления нагрузки как в установившемся, так и в неустановившемся режимах работы; 2) нагрев электродвигателя, т. е. в процессе работы ни один из его элементов не должен перегреваться выше допустимой температуры; 3) соответ­ствие механических характеристик электродвигателя и исполни­тельного механизма. Выбор мощности электродвигателя по перегрузке сводится к определению момента из соотношения Мтах ≤ λ Мн где Мтах — максимальный момент нагрузки, взятый из нагрузоч­ной диаграммы исполнительного механизма и приведенный к валу электродвигателя; λ — коэффициент допустимой перегрузки элек­тродвигателя по моменту; Мн — номинальный момент электродви­гателя. Для электродвигателей постоянного тока, перегрузку которых лимитируют условия коммутации, коэффициент перегрузки при­нимают равным: - λ = 2 ― 3 для электродвигателей напряжением 110 или 220 В - λ = 3― 4 для специальных двигателей на 27 В. При этом нижний предел относится к двигателям параллельного возбуждения, верхний — последовательного. Для асинхронных двигателей λ = 1,84―2,5 или λ = (0,8―0,85)Ммах/Мн. Короткозамкнутые асинхронные двигатели и двигатели посто­янного тока малой мощности необходимо проверять как по пере­грузке, так и по пусковому моменту, поскольку у этих двигателей относительно небольшие пусковые моменты. Если мощность электродвигателя выбирают из уравнений на­грева, надо определить установившуюся температуру перегрева τу и сравнить ее с допустимой τдоп. Установившаяся температура не должна превышать допустимую. Соответствие механических характеристик устанавливают пу­тем их сравнения. Действительно, если построить в одной системе координат и в одинаковых масштабах механические характери­стики электродвигателя и приводимого им механизма, не учиты­вая при этом знаки моментов, то электропривод будет устойчиво работать в установившемся режиме при моменте на валу и ча­стоте вращения, соответствующих координатам точки пересечения этих характеристик. Если характеристики не пересекаются, то ра­бота электропривода невозможна. Если же они совпадают мно­гими точками, то электропривод будет работать неустойчиво. В пе­реходных режимах, в частности при пуске и приеме нагрузки, не­обходимо, чтобы вращающий момент электродвигателя был больше момента сопротивления исполнительного механизма. При длительной постоянной нагрузке, если нагрузка меха­низма с учетом КПД передачи равна Р, то выбор мощности элек­тродвигателя сводится к нахождению по каталогу электродвига­теля номинальной мощностью Рн ≥ Р. При этом электродвигатель будет нагреваться в пределах допустимой температуры. Кроме того, для исполнительных механизмов с тяжелыми условиями пуска необходима проверка выбранного электродвигателя по пус­ковому моменту. Необходимую мощность электродвигателей для привода рабо­чих машин с длительным режимом работы часто определяют с по­мощью расчетных формул, учитывающих производительность ма­шин, скорость, КПД передачи и другие факторы. Сюда можно от­нести формулы для определения мощности насосов, вентиляторов, кранов и других механизмов. Мощность электродвигателя для насоса в киловаттах P = где V — подача насоса, м3/с; γ — удельный вес жидкости, Н/м3; H — расчетное значение напора, м; ηн — КПД насоса (обычно для центробежных насосои высокого давления равен 0,5—0,8, низкого давления 0,3—0,6, поршневых насосов 0,8—0,9); ηПЕР — КПД пе­редачи от электродвигателя к насосу. Мощность двигателей для центробежных и крыльчатых венти­ляторов в киловаттах P = где V — подача вентилятора, м3/с; h — давление воздуха, Н/м2: ηн — КПД вентилятора (для мощных вентиляторов равен 0,5—0,8, для центробежных вентиляторов средней мощности 0,3—0,5, а для крыльчатых вентиляторов 0,2—0,35); ηПЕР — КПД передачи от электродвигателя к вентилятору. При длительной переменной нагрузке (рис. 17.2, а) расчет мощности электродвигателя усложняется и его обычно произво­дят методом эквивалентных величин, в частности эквивалентного тока, мощности или момента. Силу эквивалентного тока определяют по формуле IЭ = где I1, I2, …. Ik – токи, определяемые из графика нагрузки исполнительного механизма. Эквивалентный ток сравнивают с номинальным током предварительно выбранного электродвигателя, и если IН ≥ IЭ, то выбранный электродвигатель при работе по заданному графику будет иметь допустимую температуру, т.е. он пригоден для приведения в движение исполнительного механизма; затем электродвигатель проверяют на перегрузку. В предварительных расчетах часто исходными данными служат графики мощности или момента, тогда удобнее использовать метод эквивалентной мощности или момента. Эквивалентную мощность или эквивалентный момент определяют по формулам: РЭ = МЭ = Если РН ≥ РЭ или МН ≥ МЭ и расхождения между сравнивае­мыми величинами не более 5—10%, то выбранный электродви­гатель пригоден для работы по заданному графику. Одновременно электродвигатель следует проверить на перегрузку. Из трех методов эквивалентных величин наиболее точен метод эквивалентного тока, и его можно использовать почти во всех слу­чаях. Методы эквивалентных мощности и момента, являющиеся производными от метода эквивалентного тока, применимы лишь в тех случаях, когда мощность или момент пропорциональны току. В частности, оба эти метода можно применять для выбора мощ­ности двигателей параллельного и независимого возбуждения, а также асинхронных двигателей. При кратковременном режиме работы (рис. 17.2, б) двигатели можно перегружать больше, чем в длительном режиме, без опасе­ния их перегрева. Для кратковременного режима выпускают спе­циальные серии двигателей, рассчитанных на кратковременные но­минальные мощности РК.Н и соответствующие стандартные про­должительности рабочего периода tР.Н. Такие двигатели имеют большую перегрузочную способность. Электродвигатели перемен­ного тока изготовляют с усиленными обмотками статора и ротора, а двигатели постоянного тока — с усиленными коллекторами и об­мотками возбуждения. Мощность специальных двигателей для кратковременного ре­жима работы обычно выбирают по каталогу при условии: РК.Н ≥ РК и tР.Н. ≥ tР, где РК.Н и tР.Н. — номинальные параметры, ука­занные в каталоге; РК и tР, — мощность и время работы механизма в кратковременном режиме. Если же нагрузка переменная, то сна­чала необходимо найти эквивалентную мощность и по ней из ка­талога выбрать мощность и тип двигателя, учитывая также про­должительность работы. В случае переменной нагрузки выбранный двигатель нужно проверить на максимальную перегрузку, а короткозамкнутые асинхронные двигатели — и по пусковому мо­менту. При повторно-кратковременном режиме работы (рис. 17.2, в) электродвигатели периодически включаются и отключаются. Это обстоятельство приводит к тому, что, с одной стороны, двигатели могут быть нагружены большей мощностью без превышения до­пустимой температуры, а с другой стороны, они должны иметь усиленные пусковые моменты и достаточную прочность в отноше­нии электродинамических усилий. Поэтому промышленность вы­пускает специальные серии двигателей для повторно-кратковре­менных режимов работы. Номинальная мощность таких двигате­лей указывается для ПВ 15, 25, 40 и 60 % при продолжительности цикла не выше 10 мин (ПВ — относительная продолжительность включения, равная отношению времени работы ко времени всего цикла). Мощность электродвигателей для повторно-кратковременного режима работы выбирают методом средних потерь или эквива­лентных величин с учетом относительной продолжительности включения при помощи следующей формулы: РН = РЭ, где РЭ – эквивалентная мощность без учета остановок, определяемая по графику нагрузки и называемая обычно повторно-кратковременной мощностью. В соответствии с исходным графиком повторно-кратковременной нагрузки можно использовать аналогичную формулу и для моментов: МН = МЭ. Приведенные формулы показывают, что с точки зрения нагрева электродвигатель будет иметь одну и туже эквивалентную мощность при различных нагрузках и различных ПВ. Это позволяет пересчитывать мощность на соответствующую мощность электродвигателя по каталогу: РН = РЭ , где РН – номинальная мощность электродвигателя, пересчитанная на ближайшее стандартное значение ПВ по каталогу; ПВ и ПВФ – стандартная и фактическая относительная продолжительность включения. Фактическая ПВФ в соответствии с графиком нагрузки равна ПВФ = tP / (tP + tП), где tP и tП – время работы и паузы. Отметим, что в тех случаях, когда для работы в повторно-кратковременном режиме выбирают электродвигатели, предназначенные для длительного режима работы, их параметры соответственно исходным графикам нагрузки можно определить по формулам IH = IЭ , МН = МЭ , РН = РЭ . По этим величинам выбирают электродвигатель по каталогу. 4. Аппаратура судовых электроприводов Аппаратами, широко применяемыми в судовых электропри­водах, являются реостаты и резисторы, контроллеры и командоаппараты, реле защиты и управления, контакторы и магнитные пус­катели, конечные выключатели, регуляторы и другие коммутаци­онные и защитные аппараты. Рассмотрим некоторые из них. Судовые контроллеры и командоаппараты — это многострук­турные коммутационные аппараты. Первые предназначены для оперативных коммутаций в цепях главного тока электроприводов, а вторые — в цепях управления. Конструктивно контроллеры делятся на барабанные и кулач­ковые, последние наиболее распространены. На рис. 17.3, а пока­зан кулачковый контроллер с контактным устройством, состоя­щим из ряда неподвижных контактов, с которыми сближаются до соприкосновения подвижные контакты, перемещаемые при пово­роте вала укрепленными на нем кулачковыми шайбами. При со­прикосновении подвижных контактов с неподвижными в схемах осуществляются необходимые соединения. Простейшими командоаппаратами являются кнопочные посты, а сложными — кулачковые командоконтроллеры. Рис. 17.3 Кулачковые контроллер (а) и командоконтроллер (б): 1 — кулачок; 2 — ролик; 3 — кулачковая шайба; 4 — гибкая связь; 5 — рычаг; 6 — пру­жина нажатия; 7 — шток; 8, 9 — контакты; 10 — перегородка камеры; // и 12 — непод­вижные и подвижные контакты Последние бывают нерегулируемые и регулируемые. На рис. 17.3, б показан не­регулируемый кулачковый командоконтроллер. При повороте вала подвижные контакты 12, перемещаемые кулачковыми шайбами 3, то сближаются до соприкосновения с неподвижными контактами 11, то удаляются от них, осуществляя нужные соединения в схе­мах управления. Командоконтроллер в зависимости от назначе­ния имеет то или иное число шайб и соответствующее число кон­тактных устройств, а вал командоконтроллера — несколько фик­сированных положений. Командоконтроллеры бывают реверсивными с поворотом вала в обе стороны от нулевого положения, причем каждое положение рукоятки может быть фиксированным и нефиксированным. Они могут также иметь рукоятку с самовозвратом в нулевое положе­ние под действием пружины. Регулируемые кулачковые командоконтроллеры в отличие от нерегулируемых имеют круглые шайбы с отверстиями по окруж­ности, в которые ввинчивают болты для крепления кулачков к шайбам. Благодаря отверстиям продолговатой формы кулачки могут перемещаться вдоль окружности шайбы в обе стороны от болтов. Переставляя кулачки по окружности шайбы, можно изме­нять порядок замыкания и размыкания контактов командокон­троллера. Регулируемые командоконтроллеры обеспечивают боль­шую точность переключений в сложных схемах автоматического управления. Для удобства монтажа и управления командоаппарат часто монтируют в одном корпусе с резисторами и сигнальными прибо­рами, которые необходимы в схеме управления. Такое устройство называют постом управления. Кроме того, для автоматического отключения электродвигателя при достижении приводимым им в движение механизмом крайнего заданного положения приме­няют конечные выключатели, которые действуют независимо от командоаппарата. Наиболее часто используют шпиндельные и кулачковые конечные вы­ключатели. Каждый такой аппарат может замыкать и размыкать несколько цепей управления, осуществляя при этом необходимую по­следовательность указан­ных операций. Реле защиты и управле­ния. Реле, предназначен­ные для защиты электриче­ских цепей приводов от не­нормальных режимов ра­боты, называют реле за­щиты, а реле, предназна­ченные для автоматического управления электроприводами,— реле управления. В качестве реле защиты обычно применяют электромагнитные реле тока и напряжения, а также тепловые реле. Эти реле выпол­няют как на постоянном, так и на переменном токе и в зависимо­сти от назначения в различном конструктивном оформлении. Од­нако принцип устройства электромагнитных и тепловых реле одинаков. Основной частью электромагнитного реле любой конструкции является электромагнит с подвижным якорем, или, иначе, магнит­ная система, причем в судовых реле наибольшее распространение получили магнитные системы трех типов: клапанная (П-образная), поворотная и соленоидная (Е-образная). Каждое реле (рис. 17.4) состоит из стального сердечника 1, катушки 5, подвиж­ного якоря 3, пружины 2 и контактной системы 4. Кроме того, реле имеет регулировочные винты. Рис. 17.5. Электромагнитное реле РЭВ-200 Реле работает следующим образом. При протекании тока по катушке создается магнитный поток, под действием которого якорь стремится к сердечнику. Но притяжению противодействует пружина. Когда же ток, протекающий через катушку, достигнет величины, равной току срабатывания, якорь, преодолевая проти­водействие пружины, притянется к сердечнику, и контакты реле замкнутся, т. е. реле сработает. Для того чтобы отрегулировать ток срабатывания реле, необходимо изменять натяжение пружины и воздушный зазор. В качестве примера на рис. 17.5 показано электромагнитное реле серии РЭВ-200, которое применяют в схемах управления су­довыми электроприводами переменного тока в качестве реле мак­симального тока мгновенного действия. Реле состоит из магнито-провода 1, на сердечнике 3 которого расположена втягивающая катушка 2, якоря 4, закрепленного на магнитопроводе пласти­нами, и отключающей пружины 9, которая отводит якорь от сер­дечника и обеспечивает нажатие подвижных контактов 7 мостикового типа на неподвиж­ные контакты 8. При силе тока в катушке, равной силе тока уставки реле, якорь притягивается к сердечнику, и контакты размыкаются. Силу тока уставки реле регулируют изменением нажатия от­ключающей пружины при помощи гайки 6 и поло­жения упорного винта 5. Катушки реле выполняют на силу тока до 600 А, а реле — с самовозвратом или ручным возвратом. Реле обычно имеет один замыкающий и один размыкающий контакты. Износоустойчивость реле до 1 млн срабатываний. Реле подобного типа, в частности реле серии РЭМ-20, исполь­зуют в схемах управления электроприводами постоянного тока в качестве реле напряжения, грузового, промежуточного и обрыва поля. Рис. 17.6. Схема теплового реле типа РТ: а — реле до срабатывания; б — сработавшее реле Тепловые реле в судовых установках применяют для защиты электродвигателей постоянного и переменного тока напряжением до 500 В от перегрузок. Наибольшее распространение получили реле типа РТ-2. Реле состоит из нагревательного элемента 1, би­металлической пластины 3, рычага 4, контактов 5 и кнопки воз­врата 2 (рис. 17.6, а). Нагревательный элемент включается после­довательно в силовую цепь электродвигателя. При перегрузке пластинка сильно нагревается и изгибается настолько, что осво­бождает рычаг 4 (рис. 17.6, б). Последний, поворачиваясь, размы­кает контакты в цепи вспомогательного тока, питающего катушку контактора, или другого выключателя электродвигателя. Самовоз­врат реле в исходное положение происходит в течение не более 3 мин, а ручной возврат при нажатии кнопки — в течение не более 1 мин после срабатывания. В качестве реле управления обычно используют электромаг­нитные реле времени и реле напряжения. Эти реле отличаются от реле РЭВ-200 тем, что их катушки включают в цепь управления. Кроме того, для получения выдержки на сердечник реле времени насаживают медную втулку (рис. 17.7, а). Рис. 17.7. Реле времени с мед­ной втулкой (а) и с анкер­ным механизмом (б): 1 — втулка; 2 — сердечник; 3 — якорь; 4 — пружина; 5 — зубчатый сектор; 6 — анкерный механизм В ней как в короткозамкнутом витке при спадании магнитного потока индуцируются вихревые токи, которые по закону Ленца создают магнитный по­ток, поддерживающий основной спадающий магнитный поток реле, чем и достигается задержка в отпадании якоря, т. е. соот­ветствующая выдержка времени. При включении реле тоже создается выдержка времени. В таких реле выдержка времени обеспечивается также замыканием катушки реле накоротко или с помощью анкерного механизма (рис. 17.7, б). Подобные реле времени выпускают на напряжение ПО—500 В с выдержкой времени от 0,9 до 5 с, а некоторые из них — с выдержкой не менее 1 мин. Судовые контакторы. Контакторами называют одноступенча­тые электромагнитные аппараты дистанционного управления, предназначенные для частых замыканий и размыканий электри­ческих цепей, в частности цепей различных электроприводов. (Для этого используют выключатели). Контакторы классифицируют по следующим признакам: а) по роду тока — контакторы постоянного и переменного тока стан­дартной частоты; б) по числу полюсов — одно-, двух- и трехполюсные; в) по положению главных контактов — контакторы с замыкающими и размыкающими главными контактами или с раз­личным сочетанием этих контактов; г) по номинальному напря­жению втягивающей катушки и по номинальному току главных контактов; д) по назначению — линейные, замыкающие и размы­кающие главные цепи двигателей; контакторы ускорения, шунти­рующие секции пускового сопротивления; тормозные, управляю­щие процессами торможения. В судовых электроприводах постоянного тока чаще применяют контакторы серий КПМ, КН, КМ-2000, а в электроприводах пере­менного тока — контакторы переменного тока серий КМ-2000 и КТФ. На рис. 17.8 показан контактор постоянного тока серии КМ-2000, состоящий из электромагнита 2 с Е-образным сердечником 8 и Т- образным 1 якорем , главных неподвижных 6 и подвижных 7 контактов мостикового типа, отключающей пружины 9 с противо­весом 10, металлического основания 4 и дугогасительной камеры 5. Контактор имеет и блок вспомогательных контактов 3. Втягиваю­щую катушку выполняют одно- или двухсекционной. В первом случае в конце хода магнитной системы последовательно с ка­тушкой с помощью вспомогательных контактов вводят добавочное сопротивление для ограничения тока в ней. В двухсекционной ка­тушке для этого соединяют секции. Контакторы серии КМ-2000 переменного тока отличаются от контакторов той же серии постоянного тока только наличием в магнитной системе на сердечнике короткозамкнутого витка. В этом витке наводится ток, образующий свой магнитный поток, который удерживает контактор в замкнутом состоянии тогда, когда основной магнитный поток приближается к нулю или равен нулю, т. е. когда переменный ток проходит через нуль, контактор не вибрирует и не открывается. Контакторы серии КТФ разде­ляют на две основные группы: кон­такторы серии КТФ-5000 на токи 15, 25, 50 и 100 А с поступательно движущимся якорем (прямоходовые) и контакторы серии КТФ-5100 на токи 150, 300 и 600 А поворот­ного типа с подвижной системой, вращающейся на валу. Система контактов имеет от двух до четырех главных замыкающих контактов. На рис. 17.9 показан контактор серии КТФ-5000. Рис. 17.9. Контактор КТФ-5000 Контактор имеет три основные части: магнитную си­стему, контактно-дугогасительное устройство и блок вспомогательных контактов рубящего типа. Магнит­ная система состоит из переднего и заднего ярма 9, лапами которого контактор крепится к плите 8; двух цилиндрических якорей 6, снабжен­ных пружинами и упорными план­ками 3 и движущихся в направляю­щих втягивающей катушки 7. Якоря связаны между собой блокировоч­ными рычагами, фиксирующими их в симметричном положении относи­тельно оси магнитной системы. На торцах якорей имеются короткозамкнутые витки, устраняющие вибрацию контактора. Контактная система состоит из подвижных контактов 5, укрепленных на траверсах 4, и неподвижных контак­тов 2, укрепленных внутри дугогасительной камеры1. Рабочая часть контактов выполнена из металлокерамики, а дугогасительная камера — из специальной пластмассы. При подаче напряжения на катушку якоря втягиваются в нее и сближаются, в результате чего главные контакты замыка­ются. При снятии напряжения отключаются вспомогательные контакты. Разновидностью рассмотренных контакторов являются контак­торы ускорения с двумя магнитными системами: первая выпол­няет роль реле времени, вторая — роль контактора. Контакторы ускорения применяют в пускателях и системах управления. Магнитные пускатели. Магнитные пускатели — это комплект­ные аппараты, предназначенные в основном для пуска электро­двигателей, их остановки и защиты. Магнитные пускатели переменного тока, используемые для управления короткозамкнутыми асинхронными двигателями, а также для их защиты от перегрузок и исчезновения напряже­ния, состоят из одного или двух контакторов переменного тока и электротепловых реле, смонтированных в общую электрическую схему. Магнитные пускатели с одним контактором называют не­реверсивными, и они служат только для прямого пуска двигате­лей. Магнитные пускатели с двумя контакторами служат для пуска и реверса двигателей, и их называют реверсивными. В пос­ледних контакторы сблокированы так, что если якорь одного кон­тактора притянут, то якорь другого контактора не притянется. Это делается во избежание короткого замыкания, возникающего при одновременном включении обоих контакторов. Контакторы магнитных пускателей обычно прямоходовые. На крышке кожуха, в которой помещают пускатели, часто устанав­ливают кнопки управления, кнопки толкателей возврата тепловых реле и пакетный переключа­тель. В кожухе иногда разме­щают предохранители цепи управления. На рис. 17.10 показана принципиальная схема нере­версивного пускателя со встроенными предохраните­лями. Рис. 17.10. Принципи­альная схема магнитного пускателя При нажатии на кнопку «Пуск» получает питание ка­тушка КМ контактора через контакты тепловых реле КК1 и КК2. Контактор срабаты­вает и замыкает свои главные контакты в цепи статора элек­тродвигателя. Одновременно замыкается вспомогательный контакт КМ, шунтирующий кнопку «Пуск», и она может быть отпущена. Останавливают электродвигатель нажатием кнопки «Стоп». При этом обесточивается цепь катушки и контактор размыкает главные контакты в цепи статора. Защита от перегрузки осущест­вляется тепловыми реле, а нулевая защита — контактором. Пос­ледний в обоих случаях отключает двигатель от сети, и он оста­навливается. Магнитные пускатели постоянного тока в общем случае пред­назначены для пуска, реверса, остановки и защиты двигателей по­стоянного тока. Наибольшее распространение получили пускатели серий ПП-1000 — ПП-4000 с одно- и двухступенчатым пуском, не­реверсивные и реверсивные, одно- и двухсетевые. Пускатели рас­считаны на 110 и 220 В, а по номинальному току — на 20, 60, 100 и 200 А. Допустимая сила пускового тока не превышает четырех­кратную силу тока пускателя. Магнитные пускатели серий ПП-1000 — ПП-4000 изготовляют в брызго- и водозащищенном исполнении. В корпусе из алюминие­вого сплава размещают основные элементы пускателя: линейный контактор, контактор ускорения, тепловое и дифференциальное реле, пусковое сопротивление, сигнальную лампу, предохранители и кнопки управления. В качестве линейного контактора используют контактор серии КН, а для защиты двигателя от перегрузок — тепловое реле серии ТРТ. В качестве контактора ускорения и дифференциального реле применяют специальный дифференциальный двухкатушечный кон­тактор, одна катушка которого является удерживающей, а дру­гая — рабочей. Первая включается на падение напряжения в пус­ковом сопротивлении, а вторая — на противо-ЭДС двигателя. После пуска двигателя по мере увеличения частоты его вращения возрастает противо-ЭДС якоря, а падение напряжения на пуско­вом сопротивлении уменьшается. В результате усилие рабочей ка­тушки увеличивается, а усилие удерживающей катушки понижа­ется. При определенной частоте вращения двигателя срабатывает контактор ускорения. На рис. 17.11 показана принципиальная схема односетевого не­реверсивного пускателя серий ПП-1000—ПП-4000. Пуск двигателя осуществляют следующим образом. При нажатии кнопки «Пуск» получает питание катушка линейного контактора КМ1, который срабатывает и подключает двигатель под напряжение сети. При этом удерживающие катушку I дифференциальных реле KVI и KV2 подключены параллельно пусковому сопротивлению R0. При срабатывании контактора его замыкающий вспомогательный контакт КМ1:3 шунтирует кнопку «Пуск», и она может быть отпущена. Одновременно с этим размыкающий контакт кнопки «Пуск» подключает катушку II реле KV1 подключает на противо-ЭДС электродвигателя. В момент пуска частота вращения двигателя и соответственно противо-ЭДС равны нулю. По мере разгона двигателя его частота вращения и противо-ЭДС увеличиваются, а падение напряжения на пусковом сопротивлении уменьшается. В результате усилие ра­бочей катушки II реле KV1 возрастает, а удерживающей ка­тушки I убывает. Рис. 17.11. Принципиальная схема пускателя серий ПП-1000—ПП-4000 При достижении противо-ЭДС 50 % напряжения сети реле сра­батывает и замыкает цепь катушки контактора ускорения КМ2. Последний срабатывает и своим замыкающим главным контактом шунтирует первую ступень пускового сопротивления, а вспомога­тельным контактом включает рабочую катушку II реле KV2. При достижении противо-ЭДС 80 % напряжения сети реле KV2 срабатывает и включает катушку контактора ускорения КМЗ. По­следний своими главными контактами КМЗ:1 полностью шунти­рует пусковое сопротивление Rn, а вспомогательными контактами КМЗ : 2 — контакты KV2 : 1 в цепи катушки КМЗ и отключает ра­бочие катушки II реле KV1 и KV2, а также катушку КМ2. На этом процессе пуск электродвигателя заканчивается. Для ограничения бросков тока при пуске электродвигателя в схеме предусмотрена дополнительная блокировка рабочей ка­тушки II реле KV1 размыкающим контактом кнопки «Пуск». При нажатии кнопки «Пуск» ее размыкающий контакт отключает ра­бочую катушку реле KV1. После отпускания кнопки ток в рабочей катушке изменяется с некоторым запаздыванием относительно из­менения тока в удерживающей катушке. В результате увеличи­вается время срабатывания KV1 и уменьшаются броски тока при шунтировании ступени пускового сопротивления. Остановку электродвигателя производят нажатием кнопки «Стоп». Защиту от перегрузки осуществляет тепловое реле КК, а нулевую — линейный контактор. Последний во всех случаях от­ключает электродвигатель от сети, и он останавливается. Трехфазные синхронные выключатели. Синхронные вакуумные выключатели — это аппараты высокого напряжения, предназна­ченные для оперативной и аварийной коммутации в электроэнер­гетических системах высокого напряжения. Рис. 17.12. Схема устройства (а) и принципиальная схема управления (б) трехфазного синхронного выключателя Основными узлами синхронного вакуумного выключателя (рис. 17.12,а) являются: вакуумные дугогасительные камеры ВДК; электромагнитный привод выключения ЭПВ: электродинами­ческий привод отключения ЭДО; синхронизирующее устрой­ство СУ. Вакуумная дугогасительная камера состоит из изоляционного корпуса 1 с помещенными внутри неподвижным 2 и подвижным 3 контактами. Подвижный контакт герметизирован с помощью силь-<рона 4, изоляционный корпус изнутри защищен от паров металла, образующихся при горении дуги между контактами, с помощью электростатического экрана 5. Электромагнитный привод включе­ния представляет собой три отдельных соленоида, которые с по­мощью изолированных стержней замыкают контакты ВДК. Электродинамический привод отключения состоит из немагнит­ного диска, соединенного с подвижным контактом, и спиральной дисковой катушки, при протекании импульса тока по которой за счет сил электродинамического отбрасывания диска контакты раз­мыкаются. Синхронизирующее устройство измеряет ток в цепи, по резуль­татам измерений вырабатывает сигналы синхронизации с задан­ным временем упреждения момента естественного перехода тока через нулевое значение. На рис. 17.12, б приведена принципиальная электрическая схема управления одной из модификаций трехфазного синхрон­ного выключателя. В каждой фазе выключателя установлена ва­куумная дугогасительная камера, подвижные контакты камер SA, SB, Sc механически соединены с немагнитным диском Д электро­динамического привода отключения. В состав схемы управления входят электромагниты привода включения YACA, YACB, YACC дугогасительной камеры каждой фазы. Цепи низкого напряжения (управления) отделены от цепей вы­сокого напряжения разделительными трансформаторами ТА, Тв, Тс. Синхронизация в фазах осуществляется с помощью переклю­чающих герметизированных магнитоуправляемых контактов (герконов) S, установленных на магнитопроводах, охватывающих шину каждой фазы. Резистор r предназначен для ограничения тока управления тиристора VS, коммутирующего бесконтактно обмотку L электродинамиче- ского привода. Конденсатор Су при переключении контактов 1 геркона S обеспечивает протекание тока управления тири­ сторов VS. | При включении напряже­ния управления (220 В) через схему удвоения напряжения на диодах VD1, VD2 и конденсаторе С от высоковольт­ной вторичной обмотки II заряжается накопительный кон­денсатор Сн. Конденсаторы С и Су разряжены, так как напряжение вторичных обмоток I недостаточно для пробоя стабилитрона VD4. Схема к работе готова. Для включения выключа­теля нажимают кнопки SB2, обмотки электромагнитов YAC полу­чают питание и каждый из них замыкает соответствующий кон­такт SA, SB SC. Нагрузка получает питание. Для отключения выключателя нажимают кнопку отключения SB1. Реле К.СТ полу­чает питание и, замыкая контакт, шунтирует первичную обмотку трансформатора ТВ- На вторичных обмотках трансформаторов ТА и Тс напряжение повышается и становится достаточным для про­боя стабилитронов, конденсаторы С и С, заряжаются, и при оче­редном переключении контактов геркона конденсатор Су разряжа­ется через резистор r на управляющий электрод тиристора VS. Последний открывается, накопительный конденсатор С разряжа­ется на обмотку L электродинамического привода, и контакты SA и SС размыкаются вблизи нуля тока. После отпускания кнопки SB1 и размыкания контактов реле КСТ напряжение возрастает до напряжения пробоя стабилитрона VD4 в фазе В, так как в это время заряжаются накопительные конденсаторы в фазах A и С и синхронно размыкается контакт SВ. На рис. 17.13 показан синхронный вакуумный выключатель СВВ-10-400-31,5 с параметрами: номинальное напряжение 6— 20 кВ; номинальный ток 400 А; отключаемый ток 31,5 кА; полное время отключения 0,015 с, время включения 0,01 с; масса 42 кг. Выключатель реализует принцип синхронного отключения, заклю­чающийся в разведении контактов непосредственно перед перехо­дом через нуль отключаемого тока. Это позволило по сравнению с обычными выключателями сократить время отключения в три — пять раз, увеличив в пять-шесть раз отключаемую мощность. 17.13. Общий вид синхронного выключателя