Судовые электроприводы с двигателями смешанного возбуждения

У двигателей постоянного тока смешанного возбуждения магнитный поток создается в результате совместного действия обмоток последовательного и независимого возбуждения (рис. 1, а). Это обусловливает вид их механических характеристик. Наличие обмотки независимого возбуждения обеспечивает работу двигателя в режиме холостого хода. 

Влияние обмотки последовательного возбуждения приводит к изменению магнитного потока и частоты вращения двигателя, особенно значительному в зоне малых моментов.

Для построения искусственных механических характеристик используют методы, применяемые для расчета характеристик двигателей последовательного возбуждения. 

Синтез комбинированной системы автоматического регулирования напряжения двигателя постоянного тока

РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ  РАБОТА по дисциплине:

МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СУДОВЫМИ ТЕХНИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ

ТЕМА: Синтез комбинированной системы автоматического регулирования напряжения двигателя постоянного тока

Комбинированная САР частоты вращения ДПТ. В комбинированной САР частота вращения двигателя постоянного тока регулируется изменением напряжения тиристорного преобразователя при постоянном токе якоря. Возмущающим воздействием является момент сопротивления. В канале по возмущению использовать датчик момента на валу торсиометр.

Аннотация

Расчетно – графическая работа (РГР) посвящена синтезу непрерывных высококачественных систем автоматического регулирования судовыми техническими средствами на базе теорий инвариантности и оптимальности.

Целью расчетно – графической работы является закрепление теоретических знаний по применению методов теории автоматического управления для синтеза непрерывных систем автоматического регулирования (регуляторов).

В расчетно – графической работе сделан выбор схемы  операционного усилителя, составлены функциональная и структурная схемы системы автоматического регулирования, а также приведены дифференциальные уравнения и передаточные функции элементов САР. Произведён расчет основных параметров  элементов САР, определены условия инвариантности и оптимальности САР, а также построена принципиальная схема системы автоматического регулирования с учетом условий инвариантности и оптимальности.

Механические характеристики и автоматическое регулирование ГЭУ постоянного тока

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).

Пусковой ток в двигателе постоянного тока: устройства для ограничения

В статье приведены примеры устройств, которые помогают сделать запуск двигателя более плавным. Контроллеры и пр. устройства позволяют обеспечить нужный крутящий момент без высокого пускового тока.

Пусковой ток – это ток, который потребляется двигателем при его непосредственном запуске. Важной особенностью пускового тока является то, что он может в несколько раз превосходить номинальный ток. Слишком высокий пусковой ток негативно влияет на двигатель, в конечном итоге он может попросту сгореть.

Именно поэтому существуют специальные приспособления для ограничения пускового тока.

Параллельная работа генераторов постоянного тока

Для параллельной работы генераторов постоянного тока необходимо, чтобы к каждой распределительной (или сборной) шине были подключены зажимы генераторов одинаковой полярности.

Кроме этого, электродвижущие силы параллельно включаемых генераторов должны быть одинаковыми. Напряжение на зажимах генератора U связано с его электродвижущей силой Е равенством: U = Е — Iяrя. Из этого равенства следует, что генератор отдает во внешнюю цепь ток Iя = (E - U)/rя.

Очевидно, что генератор может давать ток во внешнюю цепь только тогда, когда Е будет больше U. Поэтому при включении генератора для параллельной работы с уже работающими на сборные шины другими генераторами необходимо, чтобы электродвижущая сила Е включаемого генератора была больше напряжения U на сборных шинах. Если электродвижущая сила генератора не превышает напряжения на сборных шинах, а равна ему, то отдавать ток во внешнюю цепь генератор не будет (U = Е, Е — U = 0 и, следовательно, Iя = 0).

Неисправности электрических машин постоянного тока

1. Генератор не возбуждается

Причина неисправности:

а) Генератор размагничен (потерял остаточный магнетизм)
б) Неправильное соединение параллельной обмотки возбуждения с якорем
в) Обрыв или плохой контакт в цепи обмотки возбуждения
г) Щетки смещены с нейтрального положения
д) Большое переходное сопротивление между коллектором и щетками
е) Неправильное чередование полярности главных полюсов вследствие неправильного соединения катушек
ж) Параллельная обмотка имеет соединение с обмоткой дополнительных полюсов или с последовательной обмоткой; параллельная обмотка зашунтирована
з) Межвитковое соединение в секции обмотки якоря, короткое замыкание одной или нескольких секций, соединение обмотки якоря с корпусом в двух местах
и) Шунтовой регулятор неправильно включен в цепь возбуждения
к) Обрыв или плохой контакт в цепи возбуждения, загрязнение контактов регулятора

Принимаемые меры:

а) Намагнитить машину от постороннего источника постоянного тока. Проверить полярность
б) Изменить полярность обмотки возбуждение
в) Проверить исправность цепи возбуждения
г) Установить щетки в нейтральное положение по заводской метке на траверсе
д) Очистить коллектор, проверить величину нажатия щеток
е) Проверить полярность главных и дополнительных полюсов, соединить параллельные обмотки согласно заводской схеме
ж) Проверить сопротивление изоляции параллельной обмотки относительно корпуса, дополнительных полюсов и последовательной обмотки. Устранить найденное соединение
з) Тщательно осмотреть коллектор, удалить заусенцы. Проверить и устранить замыкание «петушков». Если замыкание имеет место в самой обмотке якоря, определить по обгоранию коллекторных пластин неисправные секции и отсоединить их
и) Проверить по схеме соединение шунтового регулятора с генератором и произвести необходимое присоединение
к) Отыскать обрыв или плохой контакт и устранить повреждение. Осмотреть и очистить регулятор возбуждения

Регулирование частоты вращения, пуск, реверсирование и торможение электродвигателей постоянного тока

Регулирование частоты вращения. Частоту вращения электродвигателей постоянного тока регулируют: введением резисторов в цепь якоря двигателя; изменением магнитного потока; изменением напряжения, приложенного к якорю электродвигателя.

В зависимости от способа регулирования частоты вращения получаются различные искусственные механические характеристики.

При введении резисторов в цепь якоря у двигателей с независимым и параллельным возбуждением магнитный поток не изменяется, следовательно, остается постоянной частота вращения идеального холостого хода n_x, но значение сопротивления вводимого резистора оказывает большое влияние на наклон механической характеристики, так как возрастает угловой коэффициент:

Поэтому искусственная механическая характеристика двигателей с независимым и параллельным возбуждением представляет собой прямую линию 1 (рис. 2.3), проходящую через одну точку n_x с естественной характеристикой 0 и наклоном β₁, определяемым значением сопротивления вводимого резистора.

Классификация электродвигателей постоянного тока и их механические характеристики

По способу создания магнитного потока различают электродвигатели с постоянными магнитами и электромагнитами.

Электродвигатели с постоянными магнитами в силу относительно слабого магнитного потока изготовляют только небольшой мощности. Их используют в системах управления в качестве серводвигателей.

Для привода рабочих машин применяются двигатели с электромагнитами, которые по способу включения обмоток, называемых обмотками возбуждения, подразделяются на двигатели с независимым (рис. 2.1, а), параллельным (рис. 2.1, б), последовательным (рис. 2.1, в) и смешанным (рис. 2.1, г) возбуждением.

Различие между двигателями с независимым и параллельным возбуждением заключается в том, что у первого обмотка возбуждения LM1 и якорь М питаются от различных источников постоянного тока, а у второго LM2 и М — от одного. Напряжение возбуждения у двигателей с независимым возбуждением может быть равным напряжению приложенному к якорю, и отличным от него. У крупных двигателей в большинстве случаев напряжение возбуждения меньше напряжения, приложенного к якорю.

У двигателя с последовательным возбуждением обмотка возбуждения LM3 включена последовательно с якорем М. Напряжение возбуждения меньше напряжения, приложенного к якорю.

Многоконтурные линейные электрические цепи. Законы Кирхгофа

Расчет многоконтурной линейной электрической цепи, имеющей т ветвей с активными и пассивными элементами и n узлов, сводится к определению токов отдельных ветвей и напряжений на зажимах элементов, входящих в данную цепь. Такую задачу решают обычно методом непосредственного применения законов Кирхгофа.

Первый закон Кирхгофа

ΣI = 0

Рис. 1. Схема многоконтурной электрической цепи.

Первый закон Кирхгофа устанавливает, что алгебраическая сумма токов ветвей, объединенных в один узел, равна нулю.

Этот закон применяют к независимым узлам, т. е. таким, которые отличаются друг от друга хотя бы одной новой ветвью, что позволяет получить (n — 1) уравнений с m неизвестными токами. До записи этих уравнений на схеме наносят произвольные положительные направления токов в отдельных ветвях, а затем в уравнения записывают токи, направленные к узлу, со знаком минус, а токи, направленные от узла,— со знаком плюс.

Электрическое поле постоянных токов

Рассмотрим металлический проводник, в котором протекает постоянный ток. Так как по всей длине проводника протекает ток одной и той же величины, количество электронов, входящих и выходящих из любого объема проводника, одинаково. Значит, величина заряда в каждом объеме проводника не изменяется. Таким образом, не изменяется и распределение зарядов по всему объему проводника; это приводит к образованию в проводнике поля, аналогичного полю неподвижных зарядов, равномерно распределенных в пространстве (электростатическому полю).

Рис. 1

Поле в проводнике при постоянном токе называется стационарным (неизменным во времени). Так же как и электростатическое, оно является полем потенциальным.

Поэтому силы, действующие на заряд в проводнике, и работа при перемещении заряда в проводнике могут быть рассчитаны по формулам, используемым для определения этих величин в электростатическом поле.

Преимущества ГЭУ переменного тока над постоянным. Системы СГ-СД и СГ-ТПЧ-СД (АД)

В мировой практике судостроения с электродвижением наметилась устойчивая тенденция преимущественного применения ГЭУ переменного тока. Такие установки находят применение на судах самого различного назначения: транспортных, пассажирских, наливных, промысловых, паромных, специальных (кабеле- и трубоукладчиках, спасательных, исследовательских и ледоколах). Причём на последних в течение многих десятилетий гребные двигатели постоянного тока считались незаменимыми. Внедрению ГЭУ переменного тока способствует ряд их преимуществ, которые проявились в полной мере лишь в условиях совершенствования полупроводниковой техники и средств автоматизации. Более высокая экономичность ГЭУ переменного тока достигается за счет лучших массогабаритных показателей, особенно для мощных установок при повышенном напряжении, меньшей строительной стоимости, на 2-3% более высокого КПД машин, а также за счёт более простой возможности компоновки единой электроэнергетической системы.

Немаловажным является также тот факт, что в ГЭУ переменного тока в большей степени возможно использование серийных электрических машин, с отработанной технологией их производства, отлаженными и проверенными в эксплуатации системами возбуждения и регулирования.
Современные ГЭУ переменного тока могут строиться по системе СГ-СД или СГ-АД, т.е. с непосредственным питанием ГЭД от синхронных генераторов, либо по системе СГ-ТПЧ-СД (АД), т.е. с преобразователями частоты тока.

Преимущества ГЭУ по системе СГ-ТПЧ-СД состоят в полной управляемости СД при неизменной частоте вращения генераторов. Однако дополнительные потери в тиристорных преобразователях частоты и нелинейные искажения формы синусоиды напряжения и тока, снижение коэффициента мощности, что особенно важно учитывать в единых ЭЭС, делают их преимущества не бесспорными. ГЭУ по системе СГ-СД проще, надёжнее и дешевле, чем в системе с ТПЧ, имеют выше КПД, обладают лучшими массогабаритными показателями, но требуют управления частотой вращения первичных двигателей, а в случае ЕЭЭС на время динамических режимов шины собственных нужд необходимо отделять от шин электродвижения.