При выборе мощности и частоты вращения гребного электродвигателя на основании гидродинамических расчетов строят механические характеристики гребного винта М = f (n).
Механическая характеристика зависит от загрузки судна и района плавания. При практических расчетах с достаточной степенью точности можно считать характеристики винтов аналогичными характеристикам вентиляторов:
где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от сопротивления воды движению судна.
Обычно строят две характеристики гребного винта: 1 — при нормальной загрузке судна, 2 — при швартовных испытаниях (рис. 1).
Как известно, двигатель внутреннего сгорания не допускает больших перегрузок по вращающему моменту и мощности, поэтому использовать систему генератор — двигатель с жесткой механической характеристикой 3 не представляется возможным. Действительно, при большом сопротивлении воды движению судна и на швартовных режимах рабочая точка (точка пересечения характеристик 2 и 3) соответствовала бы недопустимо большому моменту двигателя внутреннего сгорания.
Ввиду этого в ГЭУ постоянного тока применяют искусственные способы автоматического уменьшения момента электродвигателя при перегрузках с целью ограничения мощности дизеля. Наиболее благоприятной с этой точки зрения является характеристика 5, соответствующая гиперболе постоянной мощности. Подобную характеристику можно получить только одновременным воздействием на возбуждение генератора и гребного электродвигателя, при этом электрическая схема ГЭУ оказывается достаточно сложной, что не оправдывается для речных судов.
В практике ГЭУ речных судов широко применяется способ приближенного автоматического поддержания постоянства мощности дизеля с помощью размагничивающей обмотки возбуждения генератора (характеристика 4). Ее аналитическое выражение с достаточной для расчетов степенью точности может быть представлено в виде:
где Мп — пусковой момент двигателя; nх — частота вращения идеального холостого хода.
При подобной характеристике мощность дизеля может иметь номинальное значение только в двух точках — а и б — при нормальной загрузке судна и на швартовном режиме (см. рис. 1). В промежутке между ними дизель несколько перегружен, но перегрузка его находится в допустимых пределах.
Частоту вращения идеального холостого хода nх и пусковой момент двигателя Мп легко определить по известным значениям моментов Ма и Мб и частоты вращения nа и nб, соответствующих точкам а и б, из уравнений:
В результате совместного решения этих уравнений получим:
Подставляя эти выражения в формулу:
и задаваясь значениями n, можно построить любую точку искомой характеристики.
Номинальная мощность гребного электродвигателя выбирается по точке а. Если Ма = Мном и nа = nном, то:
Далее электродвигатель проверяют на перегрузочную способность по моменту:
При работе одного генератора на два и большее число гребных электродвигателей возможны два способа включения их якорей: последовательное и параллельное (рис. 2).
При последовательном соединении электродвигателей (рис. 2, а) нагрузка между ними распределяется более равномерно, чем при параллельном (рис. 2, б), поэтому оно предпочтительнее. Действительно, при некотором различии в механических характеристиках гребных электродвигателей, вызванных конструктивными допусками на их изготовление, разность мощностей электродвигателей определяется:
1. при последовательном включении (рис. 3, а):
2. при параллельном включении (рис. 3, б):
Как видно из рисунка, разность мощностей в первом случае будет меньше, чем во втором, так как характеристики наклонены к оси моментов на значительно меньший угол, чем к оси угловых скоростей Поэтому при последовательном соединении двигателей неравномерность их нагрузок невелика, и не требуется тщательного согласования характеристик.
В аварийном режиме, при выходе из строя одного из дизель-генераторов гребная электрическая установка позволяет осуществить питание всех гребных электродвигателей от оставшихся в работе генераторов. На речных судах, имеющих двухвальную и трехвальную ГЭУ, применяют в аварийной ситуации питание двух гребных электродвигателей от одного генератора.
Рассмотрим аварийный режим при последовательном соединении якорей электродвигателей. Все величины в этом режиме выразим в относительных единицах. Примем за базисные величины, соответствующие номинальным значениям основного режима, когда каждый генератор работает на свой гребной электродвигатель.
Для простоты расчетов потерями в кабельных цепях и электромашинных агрегатах пренебрежем, тогда номинальная мощность генератора принимается равной номинальной мощности двигателя:
относительное напряжение:
относительная частота вращения двигателя:
относительный момент двигателя:
относительный магнитный поток двигателя:
При отсутствии потерь в электрических машинах напряжение:
и в относительных единицах:
Механическая характеристика гребного винта в относительных единицах:
При последовательном соединении якорей двигателей:
где Uг* — относительное напряжение работающего генератора; Uд1*, Uд2* — относительные напряжения на якорях первого и второго двигателей соответственно.
Считая характеристики электродвигателей идентичными, при неизменном напряжении генератора получим (напряжение номинальное):
Если магнитные потоки электродвигателей не изменить, то их частота вращения:
и вращающий момент:
Отсюда мощность, развиваемая генератором, составит одну четверть его номинальной мощности:
Подобное использование генератора неэффективно, поэтому в гребных электрических установках применяются специальные меры для увеличения его мощности.
На современных судах в аварийных режимах автоматически снижается магнитный поток гребных электродвигателей, при этом увеличивается их частота вращения и мощность.
Для полного использования мощности генератора относительная мощность каждого двигателя должна быть:
следовательно, частота вращения двигателей может быть найдена из формулы:
откуда:
При этом необходимый относительный магнитный поток:
Практически в гребных электрических установках переключение режимов работы осуществляется селекторным переключателем.
Последовательно с обмотками возбуждения электродвигателей LM1 и LM2 (рис. 4) включаются резисторы R1 и R2 с заданным значением сопротивления. В основном режиме резисторы шунтируются замкнутыми контактами селекторного переключателя Q1 и Q2. В аварийном режиме контакты Q1 и Q2 размыкаются, поэтому ток возбуждения и магнитный поток двигателя уменьшаются.
Механическая характеристика зависит от загрузки судна и района плавания. При практических расчетах с достаточной степенью точности можно считать характеристики винтов аналогичными характеристикам вентиляторов:
Обычно строят две характеристики гребного винта: 1 — при нормальной загрузке судна, 2 — при швартовных испытаниях (рис. 1).
Как известно, двигатель внутреннего сгорания не допускает больших перегрузок по вращающему моменту и мощности, поэтому использовать систему генератор — двигатель с жесткой механической характеристикой 3 не представляется возможным. Действительно, при большом сопротивлении воды движению судна и на швартовных режимах рабочая точка (точка пересечения характеристик 2 и 3) соответствовала бы недопустимо большому моменту двигателя внутреннего сгорания.
Рис. 1. Характеристики гребного винта
Ввиду этого в ГЭУ постоянного тока применяют искусственные способы автоматического уменьшения момента электродвигателя при перегрузках с целью ограничения мощности дизеля. Наиболее благоприятной с этой точки зрения является характеристика 5, соответствующая гиперболе постоянной мощности. Подобную характеристику можно получить только одновременным воздействием на возбуждение генератора и гребного электродвигателя, при этом электрическая схема ГЭУ оказывается достаточно сложной, что не оправдывается для речных судов.
В практике ГЭУ речных судов широко применяется способ приближенного автоматического поддержания постоянства мощности дизеля с помощью размагничивающей обмотки возбуждения генератора (характеристика 4). Ее аналитическое выражение с достаточной для расчетов степенью точности может быть представлено в виде:
При подобной характеристике мощность дизеля может иметь номинальное значение только в двух точках — а и б — при нормальной загрузке судна и на швартовном режиме (см. рис. 1). В промежутке между ними дизель несколько перегружен, но перегрузка его находится в допустимых пределах.
Частоту вращения идеального холостого хода nх и пусковой момент двигателя Мп легко определить по известным значениям моментов Ма и Мб и частоты вращения nа и nб, соответствующих точкам а и б, из уравнений:
Номинальная мощность гребного электродвигателя выбирается по точке а. Если Ма = Мном и nа = nном, то:
Рис. 2. Включение якорей гребных электродвигателей при работе от одного генератора
При последовательном соединении электродвигателей (рис. 2, а) нагрузка между ними распределяется более равномерно, чем при параллельном (рис. 2, б), поэтому оно предпочтительнее. Действительно, при некотором различии в механических характеристиках гребных электродвигателей, вызванных конструктивными допусками на их изготовление, разность мощностей электродвигателей определяется:
1. при последовательном включении (рис. 3, а):
Рис. 3. Распределение нагрузки между работающими электродвигателями
В аварийном режиме, при выходе из строя одного из дизель-генераторов гребная электрическая установка позволяет осуществить питание всех гребных электродвигателей от оставшихся в работе генераторов. На речных судах, имеющих двухвальную и трехвальную ГЭУ, применяют в аварийной ситуации питание двух гребных электродвигателей от одного генератора.
Рассмотрим аварийный режим при последовательном соединении якорей электродвигателей. Все величины в этом режиме выразим в относительных единицах. Примем за базисные величины, соответствующие номинальным значениям основного режима, когда каждый генератор работает на свой гребной электродвигатель.
Для простоты расчетов потерями в кабельных цепях и электромашинных агрегатах пренебрежем, тогда номинальная мощность генератора принимается равной номинальной мощности двигателя:
Считая характеристики электродвигателей идентичными, при неизменном напряжении генератора получим (напряжение номинальное):
На современных судах в аварийных режимах автоматически снижается магнитный поток гребных электродвигателей, при этом увеличивается их частота вращения и мощность.
Для полного использования мощности генератора относительная мощность каждого двигателя должна быть:
Рис. 4. Автоматическое уменьшение магнитного потока гребных электродвигателей в аварийном режиме
Последовательно с обмотками возбуждения электродвигателей LM1 и LM2 (рис. 4) включаются резисторы R1 и R2 с заданным значением сопротивления. В основном режиме резисторы шунтируются замкнутыми контактами селекторного переключателя Q1 и Q2. В аварийном режиме контакты Q1 и Q2 размыкаются, поэтому ток возбуждения и магнитный поток двигателя уменьшаются.
