CC BY
50УДК 621.313
И.И. Лебедев, А.А. Марченко
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: [email protected]
МОДЕРНИЗАЦИЯ ГРЕБНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ
В данной статье автор рассматривает возможность модернизации гребной электрической установки на постоянном токе. Для этого в статье приводится сравнение предлагаемой системы с существующими аналогами и выявление всех преимуществ и недостатков данных систем. Далее автором приводится структурная схема предлагаемой установки с подробным описанием.
Ключевые слова: электропривод, преобразователь частоты, постоянный ток, генератор.
I.I. Lebedev, A.A. Marchenko
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: [email protected]
UPGRADE OF DC ROWING ELECTRIC PLANT
In this article, the author considers the possibility of upgrading a DC rowing electric plant. For this purpose, the proposed system is compared with existing analogues; all advantages and disadvantages of the systems are depicted. The author also provides a structural diagram of the proposed unit with a detailed description.
Key words: electric drive, frequency converter, direct current, generator.
Применение системы генератор - двигатель обусловлено возможностью плавного регулирования частоты вращения гребных электродвигателей постоянного тока. Применение электродвигателей переменного тока в качестве гребных может быть возможно с применением полупроводниковых преобразователей частоты и напряжения. Первый способ может оказаться неоправданным, т. к. наряду с большим диапазоном регулирования и плавностью требует применения слишком сложных и дорогостоящих схем преобразователей частоты переменного тока. Регулирование скорости двигателей переменного тока при помощи изменения напряжения а статоре не обеспечивает нужного диапазона регулирования, поэтому данный способ не нашел широкого применения. Единственным возможным решением регулирования частоты электропривода гребных винтов является применение электродвигателей постоянного тока.
Наряду с преимуществами перед электроприводами переменного тока они имеют массу недостатков. Самый главный - это большие габариты [1]. Для изменения напряжения гребных электродвигателей при неизменной частоте вращения главных генераторов используются возбудители. Это генераторы постоянного тока, работающие на обмотки возбуждения гребных электродвигателей и главных генераторов. Кроме того имеются возбудители возбудителей, предназначенные для работы на обмотки возбуждения возбудителей генераторов. Данный способ наиболее оптимален, т. к. не требует применения дизелей для вращения возбудителей, их функцию выполняют асинхронные электродвигатели, но постоянство вращения приводных электродвигателей переменного тока вынуждает применять очередные возбудители.
С появлением полупроводниковых преобразователей напряжения стало возможно сокращение массогабаритов системы. Полупроводниковый преобразователь представляет собой управляемый трехфазный выпрямитель на управляемых вентилях. Управление тиристорами осущест-
вляется полупроводниковой схемой управления. Трехфазное напряжение вспомогательных генераторов может служить первичной сетью преобразователя, синхронные генераторы выступают в данном случае в роле возбудителей.
Используя примерно те же принципы регулирования, что и в ГЭУ постоянного тока, в установках переменно-постоянного тока можно получить различные типы систем: обычные системы генератор - двигатель, системы постоянства мощности и системы неизменного тока.
Поскольку скорость вращения первичных двигателей в таких системах постоянна, возможно применение навешенных генераторов переменного тока для судовой сети, что позволяет создавать единую энергосистему [2].
Известна система двойного рода тока, состоящая из дизель-генераторов переменного тока, выпрямительных блоков, гребных и других исполнительных электродвигателей постоянного тока, соединенных последовательно в общий контур, а также навешенных на дизель-генераторные агрегаты синхронных генераторов судовой сети [3].
Имеются также проработки с применением управляемых выпрямительных блоков, состоящих из тиристоров. Такие системы позволяют использовать мощность генераторов как для движения судна, так и для питания судовых потребителей.
На рис. 1 приведена схема электроэнергетической установки западногерманского траулера с тиристорным управлением гребными электродвигателями постоянного тока. Два силовых управляемых блока включены на шины единой судовой электростанции переменного тока. Тиристоры включены по трехфазной мостовой схеме. В каждой фазе - по семь параллельных ветвей. Схема управления и регулирования осуществлена также на тиристорах. Она обеспечивает ограничение тока якоря, ослабление магнитного потока и изменение напряжения в заданных пределах.
Рис. 1. Схема главного тока
Управляемый выпрямитель обеспечит контролируемое изменение напряжения на обмотке возбуждения главных генераторов, тем самым будет производиться управление частотой вращения гребными электродвигателями. Данная модернизация позволит отказаться от многих электрических машин, уменьшив массу системы и увеличив ее КПД.
После рассмотрения существенных недостатков представленных схем регулирования частоты гребных электродвигателей становятся очевидными пути модернизации системы. Основные недостатки связаны с большим количеством электрических машин в составе ГЭУ.
На рис. 2 представлена функциональная схема ГЭУ. В основе корректной работы гребной электрической установки лежит управление скоростью вращения гребного электродвигателя. Это осуществляется путем изменения напряжения на якоре двигателя различными включениями главных генераторов.
Также корректирующий сигнал подается на обмотку возбуждения якоря двигателя его возбудителями. Напряжение возбудителя изменяется при помощи переменного резистора в цепи возбуждения возбудителя. Целью модернизации является замена возбудителя двигателя на полупроводниковый регулятор напряжения.
Рис. 2. Схема до модернизации
Частичная или полная замена этих элементов путем введения полупроводниковых элементов и микроконтроллеров может существенно улучшить систему. Для правильного проведения этапов модернизации электрической установки были сформированы некоторые требования:
1) функции модернизированной системы ГЭУ не должны отличаться от функций предшествующей системы, т. к. при проектировании судна были учтены все особенности условий плавания в ледовых водах;
2) модернизация должна проводиться при минимальных изменениях системы, но с применением самых современных устройств;
3) модернизация должна быть целесообразной.
Решением может оказаться применение полупроводниковых преобразователей напряжения на тиристорах в цепи возбуждения гребных электродвигателей. Введение полупроводниковых элементов позволит значительно уменьшить массогабаритные показатели путем замены электромашинных возбудителей. На рис. 3 представлена модернизированная схема гребной электрической установки. Главной частью модернизации являются полупроводниковый управляемый выпрямитель на тиристорах. Питание приходится от цепи переменного тока вспомогательных генераторов. Поочередное включение тиристоров обеспечивает изменение напряжения обмотки возбуждения гребных электродвигателей, что напрямую обеспечивает регулирование их скорости в заданном диапазоне.
На рис. 3 представлена принципиальная схема автоматического регулирования гребной электрической установки. Главным отличием является отсутствие возбудителей и обмоток управления.
управляемый выпрямитель -«- главные генераторы управляемый выпрямитель схема управляемого выпрямителя
•4-
управляемый управляемый якорь гребного двигателя обмотка возбуждения якоря
выпрямитель выпрямитель
судовые потребители вспомогательные генераторы
Рис. 3. Схема после модернизации 88
Таким образом, данная модернизация позволит отказаться от основного электрооборудования схем, представленных на рис. 2 и 3. Отпадает необходимость в магнитном усилителе для возбуждения возбудителей гребных электродвигателей и самих возбудителях гребных электродвигателей.
Для возбуждения генераторов целесообразно оставить возбудители, т. к. для изменения напряжения обмотки возбуждения таких крупных электрических машин мощности электростанции может не хватить и потребуется замена и пересчет генераторов переменного тока, что нецелесообразно применять в рамках данного дипломного проекта.
Для выполнения первого сформулированного требования модернизации ГЭУ режимы судна не изменяются.
Сложность системы управления объяснялась проблемой в осуществлении обратной связи тока в цепи главного тока и ЭДС гребного электродвигателя. Для этих целей модернизированная схема содержит измерительный трансформатор тока, сигнал от которого поступает на микроконтроллер. Управляющий микроконтроллер осуществляет функции СИФУ для тиристоров. Схема преобразователя напряжения выполнена реверсивной. Это сделано для упрощения режима реверсирования гребного электродвигателя. Ограничения тока при противовключении осуществляются при помощи трансформатора обратной связи в цепи главного тока и управляющего микроконтроллера.
Литература
1. Голдбергм О.Д. Испытание электрических машин: Учеб. для вузов / О.Д. Голдберг. -
2-е изд. - М.: Высш. шк., 2000. - С. 164-166.
2. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в МЛТЬЛБ 6.0: Учебное пособие / С.Г. Герман-Галкин. - СПб.: КОРОНА принт, 2001. - С. 233-239.
3. Вольдек А.И. Электрические машины: Учеб. для высш. техн. заведений / А.И. Вольдек. -
3-е изд. - Ленинград: Энергия, 1978. - С. 510-514.
