книги из ГПНТБ / Головин Ю.К. Судовые электрические приводы. Устройство и эксплуатация учебник
.pdfю . К. ГОЛОВИН,
Ю. Л. ИЦКОВИЧ1
СУДОВЫЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ПРИВОДЫ
Устройство и эксплуатация
Издание второе, переработанное и дополненное
Утверждено Управлением учебных заведений Министерства морского флота в качестве учебника для учащихся электромеханической специальности мореходных и арктического училищ
МОСКВА «ТРАНСПОРТ» 1974
УДК 621.3.002 : 629.123(075.3)
Судовые электрические приводы. Устройство и эксплуатация. Г о л о в и н Ю. К., И ц к о в и ч Ю. Л. Изд. 2-е, перераб. и доп.,
М., «Транспорт», 1974, 416 с.
Вкниге изложены основы теории электропривода, приводятся сведения по конструкции и эксплуатации электроприводов судовых устройств: рулевого, якорно-швартовного, грузового, а также
электроприводов судовых систем: насосов, вентиляторов и компрес соров.
Рассмотрены схемы автоматизированного и ручного управления судовыми электроприводами.
Книга предназначена в качестве учебника для учащихся элект ромеханической специальности мореходных и арктического училищ, может быть полезна судовым электромеханикам, инженерам и тех никам электромеханической специальности. Рис. 236, табл. 6, список лит. 8 назв.
Основу книги составляет материал учебника Ю. Л. Ицковича «Судовые электрические приводы», изданного в 1963 году, который переработан автором Ю. К- Головиным. Глава II переработана доц. А. М. Бабаевым.
бмбл.ю'1;
ечс. _•
ЧИТАЛЬ_0:
© Издательство «Транспорт», 1974, с'изменениями и дополнениями.
ОСНОВЫ ТЕОРИИ
Часть первая
ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Производственные механизмы состоят из: соб ственно механизма, выполняющего полезную работу; двигателя, при водящего в действие этот механизм; передаточного устройства, со единяющего двигатель с механизмом; устройства для управления дви гателем. Совокупность двигателя, передаточного устройства и устрой ства для управления двигателем называется приводом механизма. При
вод, выполненный при помощи электрического двигателя, называется
электрическим приводом.
Теория электропривода — это наука, изучающая электромехани ческие свойства и методы определения мощностей электродвигателей с точки зрения пригодности их для приводов тех или иных механизмов, рассматривающая процессы нагрева и охлаждения электродвигателей.
Основные электромеханические параметры электродвигателя: мощность, напряжение, сила тока, частота вращения, вращающий мо мент, коэффициент полезного действия и коэффициент мощности.
В зависимости от назначения', места установки и условий эксплуа тации применяют электродвигатели различного конструктивного ис полнения.
Выбор конструктивного исполнения производится на основании учета условий окружающей электродвигатель среды с целью защиты его от воздействия пыли, влаги, газов, едких паров, высокой темпера туры и т. п., а также защиты среды от возможного искрообразования в токоведущих частях электродвигателя.
Для судовых электроприводов в основном применяют следующие двигатели:
защищенные — исключено прикосновение к внутренним вращаю
щимся, нагретым и токоведущим частям, попадание внутрь посторон них предметов. Такие электродвигатели устанавливают во внутрен них сухих помещениях;
брызгозащищенные (устроенные аналогично защищенным) — специ
альные приспособления предохраняют внутренние части электродви гателя от попадания на них брызг, падающих сверху и под углом 45° к вертикали. Устанавливаются в машинных отделениях и других слу
3
жебных помещениях судна, в которых возможно появление льющихся сверху жидкостей (при неисправностях трубопроводов) и падающих ка пель конденсированной влаги;
водозащищенные — при обливании электродвигателей струей под
давлением 2 кгс/см3 с расстояния 5 м в течение 5 мин вода не проникает внутрь в количествах, вызывающих нарушение нормальной работы электродвигателей. Устанавливаются на открытых палубах;
закрытые — исключается возможность интенсивного сообщения
между внутренним пространством электродвигателя и окружающей средой. Предусмотрены только небольшие отверстия, например для стока сконденсированной внутри электродвигателя влаги. Устанав ливаются в относительно грязных и пыльных помещениях (котельные отделения);
водонепроницаемые (герметические) — при полном погружении
корпус не пропускает воду внутрь машины. Глубина погружения и вре мя работы в этих условиях могут иметь различные значения в зависи мости от назначения электропривода. На торговых судах такого типа электродвигатели применяют сравнительно редко.
Электродвигатели изготовляются с естественным и искусственным охлаждением. Первые охлаждаются конвекцией и вращением ротора
электродвигателя, вторые — вентиляторами, которые продувают воз дух сквозь внутреннее пространство электродвигателя или обдувают наружную поверхность и называются соответственно продуваемыми или обдуваемыми. Вентиляторы устанавливают непосредственно на валу
электродвигателя — тогда он называется |
электродвигателем с само- |
вентиляцией (самовентилируемый), или |
отдельно — с независимым |
приводом, и в таких случаях охлаждаемый электродвигатель называют электродвигателем с независимой вентиляцией. Независимая система вентиляции продуваемых электродвигателей может быть замкнутой
(нагретый в электродвигателе воздух поступает в воздухоохладитель, а затем снова нагнетается в электродвигатель) или разомкнутой (воз
дух постоянно забирается из окружающей среды).
Защищенные и брызгозащищенные электродвигатели для судовых электроприводов изготовляют с самовентиляцией, т. е. с искусствен ным охлаждением, водозащищенные и закрытые — с естественным охла ждением, а иногда с независимой вентиляцией. Бывают также водоза щищенные самовентилируемые электродвигатели с наружным обдувом.
По расположению вала различают горизонтальные и вертикальные
электродвигатели. На судах широко распространены вторые из них, занимающие меньше места в горизонтальной плоскости, а также флан цевые электродвигатели. Фланец расположен со стороны выступающе
го конца вала. Обычно этим фланцем электродвигатель соединяют с фланцем механизма, например, центробежного насоса или вентилято ра, а рабочее колесо (крылатку) этих механизмов закрепляют непо средственно на валу электродвигателя.
На судах морского флота в основном применяются электродвигате ли переменного тока (трехфазные асинхронные), электродвигатели же постоянного тока (шунтовые, компаундные и сериесные) находят в настоящее время меньшее распространение.
4
Глава 1 |
МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА |
|
§ 1. Общие сведения |
|
В настоящей главе дается краткое представле |
ние об основных вопросах, связанных с движением элементов электро привода под действием заданных сил как при установившемся режиме работы, так и при переходных процессах (включение, изменение частоты вращения или направления вращения, торможение, отключе ние и др.).
При выборе параметров электродвигателя, приводящего в движе ние рабочий механизм, существенное значение приобретает изучение вопросов о совместном действии вращающих моментов, развиваемых электродвигателем и преодолеваемых последним моментом сопротив ления самого механизма. Вследствие этого изучение основ теории элек тропривода базируется прежде всего на основных сведениях, извест ных из механики.
Потребляемая из сети мощность электродвигателя, работающего в системе электропривода с рабочим механизмом, расходуется при по стоянной скорости движения механизма на преодоление статической нагрузки, а при изменении величины этой скорости — динамической во всех движущихся элементах электропривода.
Работа электропривода при равномерном движении называется ра ботой в установившемся режиме, а при неравномерном (ускорении, за медлении) — в неустановившемся или переходном режиме.
Статическая нагрузка обусловливается при этом как моментом ста тического сопротивления на валу рабочего механизма, так и силами сопротивления трению в передачах, соединяющих вал электродвига теля с валом механизма.
Динамическая нагрузка определяется динамическим моментом, обусловленным изменением скорости движения всех движущихся элементов системы электропривода и связанным с изменением запаса кинетической энергии в них.
Характер изменения моментов сопротивления на валу рабочего механизма может быть различен для разных механизмов.
В простейшем случае момент статического сопротивления механиз ма практически постоянен при работе последнего, например для элек тродвигателя грузового крана, когда момент,развиваемый электродви гателем, преодолевает при определенной грузоподъемности крана постоянный момент статического сопротивления, равный произведе нию массы груза на радиус барабана механизма подъема. Постоян ным моментом статического сопротивления обладают механизмы с пре обладанием момента трения. В ряде случаев момент статического со противления рабочего механизма зависит от скорости движения по следнего. Это можно видеть на примере вентилятора или центробежного насоса, у которых момент статического сопротивления приблизитель но пропорционален квадрату частоты вращения.
5
§ 2. Статический момент
Рассмотрим подробнее отдельные случаи стати ческой нагрузки. Во время работы электропривода в установившем ся режиме на движущиеся части привода и механизма оказывают действие момент, развиваемый электродвигателем, статический мо мент, созданный силами, действующими в механизме и передаче. Эти моменты равны по абсолютной величине, но противоположны по на правлению. Принято считать, что моменты, действующие согласно направлению вращения электродвигателя, положительны, а направ ленные навстречу ему — отрицательны. Поэтому алгебраическая сумма моментов в установившемся режиме равна нулю. Статический момент создается нагрузкой рабочего органа механизма, выполняющего полез ную работу, и силами трения в самом механизме и передаче. Разли чают реактивные и потенциальные (активные) статические моменты.
Реактивные моменты создаются силами трения в механизме и пе
редаче и силами сжатия, среза, растяжения или скручивания неупру гих тел, т. е. силами реакции, возникающими вследствие приложения внешних сил. Реактивные моменты всегда противодействуют вращению электропривода, тормозят механизм. Они направлены навстречу лю бому направлению вращения электропривода и потому всегда отри цательны.
Потенциальные (активные) моменты создаются силами тяжести и
силами сжатия, растяжения или скручивания упругих тел, т. е. сила ми, изменяющими запас потенциальной энергии всей движущейся си стемы. Знак потенциальных моментов не зависит от направления вра щения электропривода. Например, и при подъеме и при спуске груза они направлены в одну сторону — в сторону спуска. Потенциальные
моменты препятствуют |
подъему груза и способствуют его спуску. |
В первом случае они |
направлены навстречу вращению электропри |
вода и потому отрицательны, а во втором совпадают с направлением вращения электропривода и поэтому положительны.
Полный статический момент в общем случае равен алгебраической сумме реактивных и потенциальных моментов с учетом их знаков:
М с = —М р ± М п кгс-м, |
(1) |
где Мс, УИр, Мп — соответственно статический, реактивный, |
потен |
циальный моменты. |
|
Полный статический момент может быть как отрицательным, так и положительным. Если потенциальный момент отрицательный или равен нулю, а также если он положительный, но по абсолютной вели чине меньше реактивного, то статический момент отрицательный. Если потенциальный момент положительный, а по абсолютной величине боль ше реактивного, то статический момент положительный. В первом слу чае статический момент является моментом сопротивления, т. е. тор мозящим моментом, а во втором — движущим. В соответствии с этим изменяется и момент электродвигателя: в первом случае он положитель ный, а во втором — отрицательный. Положительный момент электро-
6
двигателя свидетельствует о том, что электродвигатель развивает
вращающий момент и работает в двигательном режиме, т. е. потребля
ет электроэнергию из питающей сети и преобразовывает ее в механи ческую энергию, затрачиваемую на полезную работу механизма и на потери в нем и в передаче. Отрицательный момент электродвигателя означает, что электродвигатель развивает тормозной момент и рабо тает в генераторном режиме, т. е. потребляет механическую потенци
альную энергию, сообщаемую ему механизмом, преобразовывает ее в электрическую и отдает обратно в питающую сеть.
Характер статического момента оказывает существенное влияние на работу электропривода. Если он при определенных условиях может оказываться положительным, то электропривод должен быть приспособлен к работе в тор мозном, генераторном режиме.
Поэтому при выборе типа электропривода необходимо выяснить, какой из моментов преобладает в механизме — реактивный или потенциаль ный. Реактивные моменты сил трения создаются в каждом механизме, потенциальные в большинстве случаев не воз никают. Судовым механизмам
в большей части присущи статические моменты реактивного харак тера, вследствие чего их электропривод должен работать только в двигательном режиме. К таким механизмам относятся насосы, комп рессоры, вентиляторы, станки механической мастерской и др. Стати ческие моменты грузовых лебедок, кранов, лифтов, шпилей и брашпи лей носят потенциальный характер, и поэтому их электропривод дол жен работать не только в двигательном, но и в генераторном режиме.
Рассмотрим в качестве примера работу электропривода простей шего грузоподъемного механизма (рис. 1). Груз G подвешен на тросе, наматывающемся на барабан Б лебедки. Масса груза равна G, радиус барабана — R 6. Барабан соединен с электродвигателем Д кинемати ческой передачей, выполненной в виде зубчатого редуктора Р. Стати
ческий момент состоит |
из момента, создаваемого грузом, М Г =GR6 |
|
и момента |
сил трения |
механизма лебедки и редуктора Мтр, т. е. |
М с = М г + |
М Тр. Первый из них потенциальный, второй реактивный. |
|
При подъеме груза (рис. |
1, а) оба момента направлены в сторону, про |
тивоположную подъему груза, т. е. навстречу направлению вращения электродвигателя, показанному стрелкой п. Поэтому оба они отрица
тельные и полный статический момент тоже отрицательный. Это озна чает, что электродвигатель при подъеме развивает положительный вра щающий момент М и работает в двигательном режиме. При спуске груза потенциальный момент М г направлен в прежнюю сторону, а на
правление вращения электродвигателя изменилось на противополож ное, поэтому Мр становится в этом режиме положительным. Реактив
7
ный момент уИхр направлен и в этом режиме навстречу направлению вращения электродвигателя, хотя оно и изменилось. Поэтому момент Мтр остается отрицательным.
В этом режиме возможны два случая: |
1) Мг > Мтр (спуск тяжелого |
|
груза, |
создающего большой момент Мг); |
2) М ГС М Тр (спуск легкого |
груза, |
создающего малый момент Мг). |
|
В первом случае (рис. 1, б) статический момент получается поло
жительным. Это означает, что электродвигатель при спуске тяжелого груза развивает отрицательный, тормозной момент —М и работает
вгенераторном режиме.Тормозной момент препятствует падению гру за, обеспечивает его равномерный спуск с постоянной скоростью. По тенциальная энергия, запасенная в грузе при его подъеме, освобождает ся во время спуска и передается электродвигателю, который переходит
вгенераторный режим. Такой режим спуска груза называется тормоз ным спуском.
Во втором случае спуска (рис. 1, в) момент сопротивления оказы
вается отрицательным. Это означает, что электродвигатель при спуске легкого груза развивает положительный вращающий момент М и ра
ботает в двигательном режиме. Он способствует спуску груза, помогая движущему моменту М г преодолеть момент сил трения в механизме и
передачах Мтр. Естественно, что в этом случае момент электродвига теля по величине значительно меньше, чем при подъеме того же груза. Такой режим спуска груза называется силовым спуском.
Если во время тормозного спуска отключить электродвигатель, то груз упадет; если то же осуществить во время силового спуска, то спуск прекратится и груз остановится. Описанные режимы встречают ся не только при подъеме и спуске груза, но и при движении электро транспорта (трамвая, электровоза) вверх и вниз по уклону с большим или малым грузом.
§ 3. Динамический момент
Во время работы электропривода в неустановившемся режиме из-за изменения частоты вращения меняется запас ки нетической энергии движущейся системы, что приводит к возникно вению динамического момента. Динамическая нагрузка оказывает су щественное влияние на работу электродвигателя: изменение частоты вращения, силы тока и момента.
Для определения численной величины динамического момента ис ходим из основного уравнения динамики вращательного движения
Здесь |
со — угловая скорость вращающегося тела; |
|
J — момент инерции тела относительно оси вращения: |
|
J = /нр3, |
8
где т — масса тела, кгс-сек2м;
р— приведенный радиус инерции относительно данной осп, равный
|
|
р = ] / - м . |
||
|
|
|
V |
т |
Момент инерции |
|
|
||
|
|
, |
GD- |
, |
|
|
J = |
------кгс-м-с2, |
|
где G — вес тела, |
кгс; |
|
|
|
D — диаметр |
инерции, м. |
|
|
|
В практических |
расчетах |
вместо момента инерции используется |
||
маховой момент, |
равный GD2 |
= 4g j |
кгс-м2. |
Заменяя момент инерции маховым моментом в формуле (2) и исполь-
„ |
|
|
пп |
|
|
зуя выражение угловой скорости со = |
, получаем: |
|
|||
_ |
GD2 |
ndri |
GD2 |
dn |
/оч |
д _ |
4g |
‘ 30dt~~375~' |
d f |
{ ) |
Это выражение может быть использовано при практических расчетах.
§ 4. Уравнение движения электропривода
Уравнение движения — это зависимость между силами или моментами, действующими в движущейся системе. Дви жение отдельных элементов системы может быть как поступательным, так и вращательным. Согласно основам механики зависимость между силами, вызывающими движение, и силами сопротивления, противо действующими движению, в случае поступательного движения выра жается алгебраической суммой
|
F - F c= m ^ , |
(4) |
|
где |
F — движущая сила; |
|
|
|
Fc — сила статического сопротивления движению; |
||
т dv-----сила инерции. |
|
|
|
При установившемся движении, |
соответствующем неизменной ско |
||
рости движения, F = F c. |
|
|
|
Для |
вращательного движения, |
по аналогии |
с поступательным, |
пользуются уравнением моментов сил, записываемым в общем виде,
М - М с = Мд, |
(5) |
где М — вращающий момент, развиваемый электродвигателем
привода;
9