Регулирование частоты вращения ГЭД, реверсирование, получение механических характеристик определенного вида, сглаживание бросков тока в переходных режимах производятся изменением токов возбуждения генераторов и ГЭД. Обмотки возбуждения получают питание от возбудителей, а регулирование производится в цепях возбуждения возбудителей.
В ГЭУ постоянного тока в зависимости от принципов регулирования и управления применяются системы неизменного напряжения, неизменного тока и система генератор — двигатель (Г — Д).
Система неизменного напряжения. Применяется в установках малой мощности, где от генераторов, работающих в параллель, получают питание гребные электродвигатели и другие потребители. В качестве генераторов применяются компаундные машины, которые поддерживают постоянство напряжения на шинах при изменении нагрузки.
Частота вращения ГЭД может быть выражена формулой:
где Uг — напряжение генераторов; Iя— сила тока в обмотке якоря ГЭД; Rя - сопротивление якорной цепи ГЭД с учетом дополнительных полюсов и компенсационной обмотки; Rд — сопротивление добавочного резистора в цепи якоря; се— конструктивный коэффициент ГЭД; Фд— магнитный поток пары полюсов.
Регулирование частоты вращения ниже номинальной может производиться введением в цепь якоря ГЭД ступеней добавочного резистора Rд, что при пониженной частоте вращения приводит к увеличению потерь и снижению к.п.д. установки. Регулирование частоты вращения выше номинальной может производиться ослаблением магнитного потока Фд путем введения в цепь обмотки возбуждения ГЭД или его возбудителя регулировочного резистора.
При наличии двухъякорного ГЭД якоря могут включаться параллельно или последовательно и частота вращения из-за уменьшения напряжения на якоре уменьшится до 50%. При питании ГЭД от аккумуляторных батарей могут использоваться импульсные преобразователи, которые, изменяя среднее значение напряжения на якоре, регулируют частоту вращения. В качестве коммутаторов в импульсных преобразователях используются тиристоры. Система неизменного напряжения применяется на самоходных плавкранах и может оказаться перспективной на малых судах портофлота с питанием ГЭД от аккумуляторов. Применение последних гарантирует защиту акватории порта от загрязнения.
Рис. 1. Контур системы неизменного тока
Система неизменного тока. Применяется в установках практически любой мощности.
Генераторы, ГЭД и другие механизмы, а также преобразователи для питания собственных нужд судна включаются последовательно в общий контур. С учетом загрузки механизмов и одновременности их работы суммарная мощность электродвигателей в контуре может быть больше установленной мощности генераторов. Регулирование частоты вращения и реверс любого электродвигателя в контуре производятся изменением силы и направления тока возбуждения двигателя. Автоматическое регулирование напряжения генераторов обеспечивает поддержание в контуре постоянства тока нагрузки на уровне номинального значения.
В схеме, представленной на рис. 1, напряжение генератора распределяется между двигателями согласно выражению:
где напряжение на якоре двигателя Uд равно сумме э.д.с. сеnФ и падения напряжения в якорной цепи IяR. Вращающий момент ГЭД:
пропорционален магнитному потоку Ф. Для запуска ГЭУ необходимо увеличивать магнитные потоки одного Ф1 и другого Ф2 двигателя от нуля. Таким образом, при стоянке двигателей напряжение генератора должно уменьшиться до величины, равной падению напряжения в якорях двигателей Iя = (R1 + R2). При увеличении магнитного потока Ф1 увеличиваются вращающий момент двигателя Д1 и его частота вращения n1; для поддержания постоянства силы тока Iя генератор должен увеличить напряжение. Для запуска второго двигателя увеличивают его поток Ф2, по мере разгона ток Iя уменьшается и напряжение генератора увеличивается.
Для реверсирования ГЭД нужно изменить знак магнитного потока Ф в формуле вращающего момента Мд, что производится при переключении обмотки возбуждения. После реверса знак э.д.с. остается положительным, так как обмотка возбуждения переключилась.
В контуре могут быть машины разной мощности. Развиваемая двигателем мощность зависит от частоты вращения и момента, т. е. от магнитного потока. Система автоматического регулирования для защиты от перегрузки ограничивает магнитный поток двигателя. Напряжение генератора распределяется так, что двигатель с большей частотой вращения получает большее напряжение.
Момент сопротивления гребного винта пропорционален квадрату частоты вращения, следовательно, для увеличения частоты вращения двигателя вдвое момент двигателя и его магнитный поток должны быть увеличены в четыре раза. Если считать, что э. д. с. и напряжение на двигателе равны (Uд = сеnФ (пренебрегая падением напряжения в якоре), то с увеличением частоты вращения вдвое напряжение Uд и мощность двигателя увеличивают в восемь раз. Все электрические машины контура имеют одинаковые номинальные значения силы тока и разные, в зависимости от мощности и назначения, номинальные значения напряжение.
Система неизменного тока позволяет производить переключения в контуре без обесточивания последнего. Для включения машины переключатель своими контактами сначала подключает невозбужденный якорь параллельно перемычке, а затем перемычка размыкается и якорь вводится в контур, после чего возбуждением машины задается режим работы. Для отключения снимается возбуждение, затем переключатель шунтирует якорь перемычкой и отключает его от цепи.
Система неизменного тока применяется на земснарядах, где большое число одновременно работающих машин имеет соизмеримую мощность.
Недостаток системы неизменного тока состоит в том, что при низкой частоте вращения потери в меди Iя2R якорей остаются постоянными, что снижает к. п. д. установки. Двигатели контура должны иметь защиту от разноса. При поломке или потере гребного винта увеличивается частота вращения ГЭД, а сила тока в контуре уменьшается. Система автоматического регулирования генератора увеличивает напряжение и поддерживает постоянство силы тока, ненагруженный двигатель разгоняется. Для защиты от разноса возбуждение двигателя отключается.
Система генератор - двигатель. Получила наиболее широкое распространение в ГЭУ постоянного тока. В контуре включены один или несколько генераторов последовательно и один или два — на одном валу электродвигателей. Регулирование частоты вращения ГЭД осуществляется изменением напряжения генераторов. Система Г — Д с обратной связью по току в главной цепи обеспечивает возможность стоянки ГЭД под током при заклинивании гребного винта, круто падающую характеристику ГЭД и защиту от перегрузки; в переходных режимах обеспечивается ограничение бросков тока и плавное протекание процесса пуска, реверса и остановки. Система автоматического регулирования напряжения и магнитного потока ГЭД обеспечивает поддержание постоянства мощности ГЭУ при переходе от режима хода судна в свободной воде к швартовному режиму.
