327

А. М Олейников

В. Н. Мартынов

СУДОВЫЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

МАШИНЫ

Севастополь

2010

УДК .621.313(075)

ББК 39.26 + 39.46

О

Олейников А.М., Мартынов В.Н.

Судовые электрические машины: научно-методическое пособие для студентов высших учебных заведений /А.М.Олейников, В.Н. Мартынов. Под ред. А.М. Олейникова. – Севастополь. Изд – во СевНТУ, 2009. – 310с.

Рекомендовано к печати Ученым Советом СевНТУ протокол №3 от 29 октября 2009г.

Рассмотрены принцип действия, конструктивные особенности, основы теории, характеристики, режимы работы судовых электрических машин и трансформаторов. Значительное внимание уделено переходным процессам в судовых электрических машинах переменного тока, рассмотрены особенности их параллельной работы, внезапного к.з., сброса и наброса нагрузки в условиях ограниченной мощности судовых генераторных агрегатов.

Студентам, обучающимся в учебных заведениях по специальности «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики». Может быть также использовано в системе повышения квалификации и переподготовки судовых электромехаников.

Розглянуті принцип дії, конструктивні особливості, основи теорії, характеристики, режими роботи суднових електричних машин і трансформаторів. Значна увага приділена перехідним процесам у суднових електричних машинах змінного струму, розглянуті особливості їх паралельної роботи, раптового к.з., скидання і накидання навантаження в умовах обмеженої потужності суднових генераторних агрегатів.

Студентам, що навчаються в учбових закладах за фахом «Експлуатація суднового електроустаткування та засобів автоматики». Може використовуватись в системі підвищення кваліфікації і перепідготовки суднових електромеханіків.

Рецензенты:

Зав. кафедрой Электромеханики Национального технического университета «КПИ» д-р техн. наук, проф. В.Ф. Шинкаренко;

зав. кафедрой Электрические аппараты Запорожского Национального

технического университета д-р техн. наук, проф. И.Д. Труфанов;

декан факультета Автоматики Одесской национальной морской

академии д-р техн. наук, проф. Л.В. Вишневский

Научный редактор – д-р техн. наук, проф. кафедры СПЭМС СевНТУ

К.Г. Коноплев.

ISBN А.М. Олейников, В.Н. Мартынов

ПРЕДИСЛОВИЕ

Важное место в обеспечении безопасности мореплавания, эффективности использования морских и речных судов занимают судовые электрические машины, являющиеся основными источниками электроэнергии на судах и многочисленными ее преобразователями. Мощности, число и номенклатура судовых электрических машин с каждым годом увеличиваются, поэтому специалисты, занимающиеся их проектированием, изготовлением и эксплуатацией должны хорошо знать их конструкцию, вопросы теории, особенности работы и характеристики. При написании данного учебного пособия авторы преследовали цель в наиболее доступной форме ознакомить студентов – будущих судовых электромехаников с кругом этих вопросов.

Порядок изложения материала в учебном пособии подобен порядку, принятому в большинстве учебников по электрическим машинам для студентов электромеханических специальностей. В изложении материала по каждому типу электрической машины сначала рассматриваются вопросы общей теории, а затем особенности конструкции и характеристики.

Изучение дисциплины базируется на базовых вузовских курсах физики, высшей математики, теоретической электротехники, электротехнических материалов и метрологии.

Пособие подготовлено с учетом действующей программы подготовки судовых электромехаников в морских учебных заведениях Украины.

Работа между авторами распределилась следующим образом: главы 1,4,5,7,8,9 написаны профессором А. М. Олейниковым; предисловие, введение, главы 2,3,6 – доцентом В. Н. Мартыновым.

Авторы считают своим долгом выразить благодарность рецензентам – д-ру техн. наук, профессору В. Ф. Шинкаренко; д-ру техн. наук, профессору И. Д. Труфанову; д-ру техн. наук, профессору

Л. В. Вишневскому за полезные советы и рекомендации, а также д-ру техн. наук, профессору К. Г. Коноплеву за тщательное редактирование рукописи.

Введение. Условия работы, особенности конструкции

судовых электрических машин

Современные суда характеризуются высокой степенью электрификации, а самыми многочисленными элементами судового электрооборудования являются судовые электрические машины (СЭМ). Они являются и источниками электроэнергии на судне, и основными ее потребителями, приводящими в движение большое количество различных судовых механизмов, к которым относятся насосы, вентиляторы, грузоподьемные и якорно - швартовные устройства, средства активного управления движением судна и т.д.

Мощность многих судовых механизмов составляет сотни киловатт и имеет тенденцию к дальнейшему увеличению. В частности, значительную мощность (до тысячи киловатт и выше) имеют средства активного управления движением судна – крыльчатые движители, подруливающие устройства, гребные электродвигатели и т. д. Поэтому должны быть изучены проблемы работы таких мощных потребителей при питании их от судовых автономных источников электроэнергии соизмеримой мощности. Особенно это касается короткозамкнутых асинхронных электродвигателей.

Электрические машины на судне работают в значительно более тяжелых условиях, чем в береговых промышленных установках. Объясняется это тем, что судно является мореходным сооружением и электрические машины подвержены воздействию повышенной вибрации и сотрясениям, периодическим наклонам при кренах и дифферентах, вызываемых качкой судна. Кроме того, электрические машины на судне работают в условиях высокой влажности воздуха, наличия паров нефтепродуктов и масел, высокой окружающей температуры и ее резкими перепадами. Характерным для судов является также возможность попадания брызг и заливания морской водой электрических машин.

По указанным причинам СЭМ должны обладать повышенной ударостойкостью, высокой эксплуатационной надежностью, быть малошумными, иметь малые габариты и массу, а их изоляция должна обладать повышенной влаго - , водо - и маслостойкостью.

Требованиями Морского регистра Украины установлено, что СЭМ должны надежно работать при:

- длительном крене судна до 15° и дифференте до 10°;

- бортовой качке до 22,5°;

- относительной влажности воздуха 75% ± 3% и температуре 45°С ± 2°С или при 80% ± 3% и 40°С ± 2°С, или при 95% ± 3% и 25°С ± 2°С;

- температуре окружающего воздуха от -40 до +45°С, в тропиках до +50°С;

- в условиях вибрации с частотой от 5 до 60 Гц и амплитудой 1,0мм;

- периодических ударных нагрузках с ускорением 3g при частоте от 4 до 80 ударов в минуту.

Серийные машины общепромышленного назначения обычно не удовлетворяют этим требованиям, поэтому электромашиностроительные заводы разрабатывают и изготовляют специальные серии судовых электрических машин.

С целью защиты обслуживающего персонала от соприкосновения с токоведущими или движущимися частями, находящимися внутри корпуса машины, а также защиты от попадания внутрь посторонних твердых тел и воды корпуса СЭМ в зависимости от условий имеют различные степени защиты. Условное обозначение степени защиты содержит данные в следующей последовательности:

- буквенная часть IP – начальные буквы слов Internation Protection;

- условное цифровое обозначение степени защиты персонала от соприкосновения с токоведущими или движущимися частями и от попадания внутрь посторонних твердых тел;

- условное цифровое обозначение степени защиты от попадания внутрь корпуса воды.

Например, степень защиты IP56 – по первой цифре 5 соответствует полной защите персонала от соприкосновения с вращающимися и токоведущими частями внутри машины, по второй цифре 6 – защита СЭМ, расположенной на палубе судна, при захлестывании морской волной.

По способам охлаждения СЭМ различают: с естественным охлаждением (без вентиляции), с самовентиляцией и с независимым охлаждением. На судах электрические машины с естественным охлаждением применяются редко. Наибольшее распространение получили СЭМ с самовентиляцией внутреннего пространства вентилятором на валу и с самовентиляцией наружной поверхности вентилятором на валу (обдуваемые).

Условное обозначение способа охлаждения содержит данные в следующей последовательности:

- буквенная часть IC – начальные буквы слов International Cooling;

- условное обозначение прописной буквой вида хладоагента (если хладоагент воздух, то это обозначение может быть опущено);

- условное цифровое обозначение устройства цепи для циркуляции хладоагента;

- условное цифровое обозначение способа перемещения хладоагента.

Например, способ охлаждения ICO141 – двигатель, обдуваемый наружным вентилятором, расположенным на валу машины.

Под конструктивным исполнением машины по способу монтажа понимают исполнение составных частей машины относительно элементов крепления (подшипников и концов вала). Способ монтажа определяет, как располагается машина в пространстве на месте установки, способ крепления и сочленение с механизмом.

Условное обозначение конструктивного исполнения по способу монтажа содержит данные в следующей последовательности:

- буквенная часть IM – начальные буквы слов International Mounting;

- условное цифровое обозначение группы конструктивных исполнений;

- условное цифровое обозначение способа монтажа;

- условное цифровое обозначение конца вала.

Например, способ монтажа IM2081 – двигатель на лапах с подшипниковыми щитами, с фланцем на подшипниковом щите, с одним цилиндрическим концом вала.

Глава 1. Устройство и принцип действия

МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА. ФИЗИКА ОСНОВНЫХ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ

1.1. Принцип действия машин постоянного тока

Электрическими машинами называются устройства, предназначенные для преобразования механической энергии вращения в электрическую (генератор) и наоборот, электрической энергии в механическую (двигатель). Работа электрической машины основана на единстве законов электромагнитной индукции и электромагнитных сил.

Р ассмотрим устройство, состоящее из двух магнитных полюсов, создающих постоянное магнитное поле, и якоря – стального цилиндра с уложенным на нем витком из электропроводного материала. Концы витка присоединены к двум металлическим полукольцам, изолированным друг от друга и от вала. Полукольца соприкасаются с неподвижными щетками, соединенными с внешней цепью (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – К принципу действия машины постоянного тока

При вращении якоря в соответствии с законом электромагнитной индукции в проводниках витка ab и cd при пересечении ими магнитного поля индуктируется ЭДС, равная

(1.1)

где ν – линейная скорость движения проводника относительно магнитного поля; B – индукция магнитного поля; – длина активной части проводника.

Направление ЭДС в проводниках ab и cd определяется по правилу правой руки. По контуру abcd эти ЭДС складываются и, так как верхний и нижний проводники находятся в одинаковых магнитных условиях, ЭДС витка равна

(1.2)

Характер изменения во времени ЭДС в проводнике при вращении определяется характером распределения индукции В в зазоре. Распределение индукции В по окружности якоря неравномерное, так как магнитное сопротивление R_µ магнитному потоку различное. Под полюсами индукция В имеет максимальное значение, в промежутке между полюсами она уменьшается, достигая на линии qq нулевого значения (рисунок 1.2,а). Линия dd, проходящая через центр якоря по середине полюсов, называется продольной осью машины, а линия qq, проходящая через центр якоря посредине между полюсами - поперечной. Поперечную ось также называют геометрической нейтралью. Часть окружности якоря, приходящуюся на один полюс, называют полюсным делением и обозначают τ.

Рисунок 1.2 – Распределенние магнитной индукции в зазоре машины

Постоянного тока

При вращении якоря через каждые полоборота проводники ab и cd оказываются в поле противоположных полюсов, поэтому направление ЭДС в них меняется на противоположное. Таким образом, при вращении якоря в витке индуктируется переменная ЭДС. Для получения во внешней цепи постоянного тока устанавливают специальный переключатель, называемый коллектором.

П

Рисунок 1.3 - Выпрямленные ЭДС

И ток в витке при щетках,

установленных на нейтрали

роводники ab и cd присоединяются к полукольцам, изолированным друг от друга и от вала. Полукольца (пластины коллектора) соприкасаются с непод­вижными щетками, соединенными с внешней цепью. При вращении якоря каждая из щеток будет соприкасаться только с той коллекторной пластиной и соответственно только с тем из проводников, который находится под полюсом данной полярности. Направление ЭДС в витке изменяется на линии геометрической нейтрали и в этот же момент происходит переключение полуколец к щеткам А и В. В результате полярность щеток в процессе работы машины остается неизменной, а ЭДС и ток во внешней цепи становятся постоянными по направлению и переменными по величине (рисунок 1.3). Таким образом, коллектор играет роль механического переключателя сторон витка к щеткам, т.е. является выпрямителем. Чтобы сгладить пульсации ЭДС и тока во внешней цепи, на якоре располагают несколько витков, при­соединенных к соответствующим парам коллекторных пластин и сдвинутых относительно друг друга на некоторый угол. Практически уже при 16 витках на якоре пульсации ЭДС становятся незаметными и ток во внешней цепи можно считать постоянным не только по направлению, но и по величине. Таким образом, мы получили генератор постоянного тока.

Рассмотрим работу данной системы в режиме двигателя. Если к щеткам приложить напряжение от внешнего источника электроэнергии, то в витке потечёт ток. Согласно закону электромагнитных сил на каж­дую сторону витка действует сила

. (1.3)

Эта сила создает вращающий момент, действующий на виток и равный

(1.4)

где Д_а – диаметр якоря.

Под действием совокупности моментов якорь начинает вращаться, преодолевая момент сопротивления на валу. После прохождения сторонами витка линии геометрической нейтрали они попадают в зону полюса противоположной полярности и в это же время в них изменяется и направление тока, что осуществляется с помощью коллектора. В результате направление момента остается прежним, и якорь продолжает вращаться в том же направлении. В этом случае коллектор выполняет роль инвертора – преобразователя постоянного тока в переменный.