книги из ГПНТБ / Головин Ю.К. Судовые электрические приводы. Устройство и эксплуатация учебник

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

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

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

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:

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

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 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

8

где т — масса тела, кгс-сек2м;

р— приведенный радиус инерции относительно данной осп, равный

Заменяя момент инерции маховым моментом в формуле (2) и исполь-

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

пользуются уравнением моментов сил, записываемым в общем виде,

где М — вращающий момент, развиваемый электродвигателем

привода;

9