Судовое электрооборудование

Электрооборудование судов является важной частью их общей системы. Оно отвечает за электроснабжение, освещение, автоматизацию и безопасность судна.

Одним из главных компонентов электрооборудования судов является электрогенераторная установка, которая обеспечивает электрическую энергию для работы различных систем и оборудования на судне. Это может быть дизель-генераторный агрегат или газотурбинная установка, приводящая в действие генераторы переменного тока.

Требования к электрооборудованию

Электрооборудование судна состоит из генераторной установки, распределительных устройств и большого числа потребителей. Электроэнергия используется для:

• управления двигателями вспомогательных механизмов;
• палубных устройств;
• освещения;
• вентиляции;
• и системы кондиционирования воздуха.

Постоянная подача электроэнергии необходима для безаварийной работы электрооборудования и безопасности судна. Для этих целей судно оборудуется как основным, так и аварийным электрооборудованием.

Аварийное электрооборудование может быть выполнено в виде автоматически запускающегося аварийного генератора переменного тока, в виде аккумуляторных батарей и т. п.

В целом электрооборудование должно включать в себя:

• генераторные агрегаты;
• контрольные и распределительные устройства;
• двигатели с системами пуска и аварийные установки.

Переменный или постоянный ток. В настоящее время в качестве питания электрооборудования во всех Энергетическая установка, системы и трубопроводы плавучей буровой установкисудовых установках принят переменный ток, который вытеснил постоянный ток.

Система питания переменным током обладает важными свойствами:

• меньшая построечная стоимость;
• малая масса;
• меньшие требования к объему;
• простота обслуживания.

Однако система питания постоянным током имеет преимущество в управлении двигателем, так как обеспечивает широкий диапазон скоростей, например в системе генератор-двигатель (Вард-Леонарда).

Характеристики электрических машин. Двигатели и генераторы постоянного и переменного тока используются в режиме максимальной номинальной мощности при заданной длительности работы приводного механизма. Это значит, что двигатели и генераторы рассчитаны на значительные кратковременные перегрузки, а также на средние перегрузки большей длительности.

Температура влияет на работу всего электрооборудования и на срок службы его изоляции. Температура работающей машины зависит от температуры окружающего воздуха и нагревания проводников от протекающего по ним тока. Для предотвращения повышения температуры сверх допустимого значения применяется вентиляция. Классификационные общества устанавливают нормы для классов изоляции. Наибольшее распространение получили классы E, B, F, определяющие свойства изоляционных материалов и скорость нарастания температуры в них.

Исполнение электрических машин. В зависимости от места эксплуатации двигатель или генератор имеет различные типы исполнения защитных корпусов. Брызгозащищенный корпус самый распространенный, благодаря ему обеспечивается защита от прямого попадания брызг и водяных паров. Герметичный корпус предназначен для герметизации машин при работе под водой в течение 1 ч. Корпуса других типов, такие как водонепроницаемые и водозащищенные, обеспечивают герметизацию только в течение 1 мин. Возможно также применение абсолютно герметичного корпуса, если в его конструкции предусматривается проточная вентиляция из смежных помещений.

Взрывобезопасный корпус способен противостоять взрыву самовоспламеняющегося газа, который может оказаться внутри него. При взрыве в таком корпусе не происходит дальнейшего распространения пламени.

Генераторы постоянного тока

Вращение витка провода в магнитном поле вызывает появление тока. При соединении витка с двумя полукольцами, действующими как коммутатор, ток выпрямляется. Коммутатор или коллектор выполняется в виде пластин, с которыми соприкасаются неподвижные щетки. Для увеличения силы тока на выходе генератора увеличивают число витков провода в обмотке и применяют добавочное магнитное поле. При работе генератора между токосъемными щетками и коллектором появляется искрение, которое можно устранить, расположив щетки таким образом, чтобы они замыкали только соседние пластины коллектора. Широко распространен другой способ улучшения условий коммутации с помощью дополнительных полюсов: полярность дополнительного полюса должна быть такой же, как главного полюса, в сторону которого следовало бы смещать щетки для улучшения условий коммутации. Магнитное поле между полюсами создается обмоткой возбуждения. Сердечник катушки, изготавливаемый из электротехнической стали, сохраняет некоторый остаточный магнетизм, из-за которого может создаться напряжение на нагрузке. Характеристики генераторов постоянного тока зависят от числа и способа подключения обмоток возбуждения. В зависимости от способа возбуждения различают:

• генераторы параллельного возбуждения;
• генераторы последовательного возбуждения;
• генераторы смешанного возбуждения.

Наибольшее применение нашли генераторы смешанного возбуждения, так как их работа обеспечивает лучшие энергетические характеристики. Генератор смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения (рис. 1, а).

Обмотка параллельного возбуждения изготовляется из провода относительно малого диаметра, имеет сравнительно большое число витков и большое сопротивление. В отличие от нее обмотка последовательного возбуждения изготавливается из провода относительно большего диаметра, имеет небольшое число витков и небольшое сопротивление. Применение обмотки параллельного возбуждения позволяет получить в режиме холостого хода на выходе полное напряжение, которое непрерывно снижается при увеличении нагрузки потребителя. Применение последовательной обмотки позволяет увеличивать выходное напряжение с ростом нагрузки. Поэтому на выходе генератора можно получить небольшое изменение напряжения на всем диапазоне нагрузок (рис. 1, б).

Распределительная система постоянноrо тока. Выходное напряжение генератора для питания электрооборудования поступает на шины, расположенные позади главных распределительных щитов. Далее электроэнергия поступает через автоматический выключатель к вспомогательным механизмам или к распределительному щиту. Главный распределительный щит – это распределительное устройство, осуществляющее подачу питания к потребителям электроэнергии. Через распределительные щиты осуществляется питание маломощных потребителей, например таких, как освещение. Схема распределительной системы электроэнергии показана на рис. 2.

Двухпроводная система питания обеспечивает подачу электроэнергии к каждому отдельному потребителю. Заземляющий провод является единственным электрическим соединением с корпусом судна. В генераторах со смешанным возбуждением третья шина является уравнительным соединением между электрическими машинами. Для предотвращения выхода из строя электрооборудования в случае появления больших токов применяются предохранители. После определения причины, вызвавшей перегрузку, для восстановления цепи необходимо заменить предохранитель или возвратить его в исходное состояние. На судах нашли применение предохранители трех типов.

• Предохранитель первого типа – это полузакрытый, или восстанавливаемый, предохранитель, который имеет набор запасных элементов на случай его выхода из строя. Правильный выбор плавкой вставки определяет нормальную работу электрической цепи.
• Предохранитель второго типа – это патронный предохранитель, представляющий собой керамический изолятор, внутри которого расположена плавкая вставка. Этот предохранитель не является взаимозаменяемым, и в случае выхода из строя его необходимо заменить новым. Использование таких предохранителей предпочтительнее, так как они имеют более точный диапазон срабатывания.
• Предохранитель третьего типа – это контакторный прерыватель, представляющий собой изолированный переключатель, который работает как предохранитель. Он имеет две рабочие характеристики:
  • нормальный рабочий режим;
  • перегрузочный рабочий режим.

Прерыватель срабатывает с выдержкой времени для того, чтобы не происходило отключение цепи питания при кратковременных перегрузках по току. Время срабатывания при перегрузке определяет уставка. Прерыватель срабатывает, если его характеристика выходит за пределы допустимых значений. Устройство имеет переключатель режимов автоматическое – ручное управление. Контакторный прерыватель обычно подсоединяется к источнику питания по двухпроводной схеме. Там, где может быть сильное магнитное поле, для уменьшения искажений входного сигнала используют трехпроводную схему с компенсационным проводом. Для поддержания заданной нагрузки в выходной цепи генератора используется приоритетная система, отключающая неответственные потребители при перегрузке. Цель этой системы – уменьшить нагрузку на генератор, чтобы обеспечить безаварийную работу ответственных потребителей, таких как:

• рулевое устройство;
• навигационные огни и т. п.

О состоянии изоляции шин можно судить по индикаторным лампам. Это две лампы, соединенные последовательно с заземленной средней точкой. Яркость свечения каждой из ламп характеризует, напряжение на шине питания (рис. 3).

Если система имеет хорошую изоляцию, то обе лампы горят в пол накала. Для удобства лампы располагают рядом, чтобы иметь возможность сравнивать яркость их свечения. Пробой изоляции определяют по разности в яркости свечения ламп. Если одна из шин замкнута на корпус, то соответствующая лампа погаснет, а другая будет гореть ярко. В той цепи, где есть замыкание на «землю», автоматический выключатель должен быть выключен. После этого необходимо подключать последовательно одну за другой исследуемые цепи через распределительную установку для нахождения и устранения неисправности.

Электрические системы постоянного тока. Питание распределительных систем осуществляется от двух и более параллельно работающих генераторов. Каждый генератор должен иметь устройство защиты от обратных токов, минимального напряжения и перегрузок. Система двух параллельно работающих генераторов показана на рис. 4.

Питание цепей нагрузки от шин осуществляется через автоматические выключатели. В случае протекания больших токов должно быть предусмотрено отключение каждой шины. Реле обратного тока предотвращает переход генератора в двигательный режим, например, при остановке первичного двигателя. Контроль за параллельно работающими генераторами обеспечивается с помощью приборов – амперметров и вольтметров. Если при работе одного генератора в цепи появляется перегрузка, то необходимо подключить к параллельно работающему генератору еще один генератор. С этой целью после запуска второго генератора возбуждают его до достижения равенства напряжений на обоих генераторах. Затем подключают второй генератор к шинам и, изменяя ток возбуждения, производят перераспределение нагрузки. Уравнительное соединение генераторов обеспечивает стабильную работу при изменении нагрузки сети.

Генераторы переменного тока

В витке проводов, вращающемся в магнитном поле, наводится ток. Напряжение снимается с двух контактных колец, изолированных от вала, и через графитовые щетки поступает во внешнюю цепь. Такой ток будет переменным по направлению и по значению. Для увеличения генерируемого тока необходимо использовать дополнительные комплекты полюсов.

Магнитное поле создается магнитами, причем соседние полюса имеют противоположную полярность. Обмотки возбуждения полюсов соединяют последовательно и подключают к выходу генератора или к внешнему источнику. Использование отдельных витков необходимо для получения на выходе генератора нескольких ЭДС. Три выхода со сдвигом фаз на 120° позволяют получить три фазные ЭДС. График ЭДС трехфазного генератора показан на рис. 5.

Трехфазная электрическая цепь обладает большим КПД по сравнению с однофазной. Каждая фаза может быть использована как в отдельности, так и вместе с другими. Существуют два способа соединения отдельных фаз источника:

• соединение по схеме «треугольник»
• и по схеме «звезда» (рис. 6).

Наибольшее распространение нашло соединение по схеме «звезда», при котором концы фаз соединяются в одну общую точку, а начала фаз подсоединяются с помощью проводов к шинам.

При соединении источника по схеме «треугольник» конец первой фазы соединяется с началом второй фазы, конец второй фазы – с началом третьей, конец третьей фазы – с началом первой. Генераторы имеют вращающийся якорь и неподвижную обмотку возбуждения. В больших мощных генераторах вращается обмотка возбуждения и неподвижен якорь.

Современные генераторы имеют статическую систему самовозбуждения или же выполняются в виде высокоскоростных генераторов бесщеточного типа. Система возбуждения должна управлять реактивной составляющей мощности при том или ином характере нагрузки.

Коэффициент мощности цепи – это косинус угла фазового сдвига между вектором напряжения и тока. При чисто активной нагрузке напряжение и ток совпадают по фазе, коэффициент мощности равен единице. Электрическая мощность в цепи с активным сопротивлением равна произведению значений напряжения и тока. При индуктивной или емкостной нагрузке в сочетании с активной напряжение и ток не совпадают по фазе и коэффициент мощности будет меньше единицы. Электрическая мощность равна произведению напряжения на ток и на коэффициент мощности. При увеличении нагрузки напряжение генератора переменного тока уменьшается, причем это снижение тем больше, чем ниже коэффициент мощности нагрузки. Следовательно, система возбуждения, поддерживающая на выходе генератора переменного тока номинальное напряжение, должна реагировать как на изменение тока в нагрузке, так и на фазовый сдвиг. При этом также необходимо принимать во внимание изменение частоты вращения первичного двигателя.

Ручное управление возбуждением – это трудоемкая операция, поэтому чаще используют автоматический регулятор напряжения, представляющий собой цепь обратной связи, по которой передается напряжение с выхода генератора переменного тока на усилитель. В случае отклонения напряжения генератора от номинального значения появляется сигнал рассогласования, который поступает на усилитель и изменяет возбуждение для корректировки напряжения. В автоматическом регуляторе напряжения есть также элементы стабилизации, предотвращающие рысканье (флуктуации) постоянного напряжения или перерегулировку. В эксплуатации находятся различные типы автоматических регуляторов напряжения в виде:

• угольных столбов;
• магнитных усилителей;
• электронных устройств и др.

Генераторы переменного тока постоянного возбуждения имеют систему самовозбуждения, а не возбудитель постоянного тока. Генераторы переменного тока этого типа обладают большой стабильностью напряжения при внезапных нагрузках, например при прямом пуске больших асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. В системе со статическим возбуждением используются трансформаторы и выпрямители – набор последовательно-параллельных элементов для возбуждения генератора . Щетки и кольца применяются для передачи тока в обмотки возбуждения, установленные на роторе. Таким образом, напряжение на выходе генератора есть напряжение холостого хода и при появлении тока нагрузки обеспечивается избыточное возбуждение, достаточное для поддержания постоянного напряжения при любом характере нагрузки. Тщательный подбор компонентов создает систему, функционирующую как саморегулятор напряжения. Дополнительные трудности появляются при конструировании автоматического регулятора напряжения, если нужно учитывать изменение частоты вращения ротора первичного двигателя. Высокооборотный генератор переменного тока бесщеточного типа был разработан для того, чтобы можно было отказаться от возбудителей постоянного тока с коллектором и щеточным механизмом. Генератор переменного тока, ротор системы возбуждения и выпрямители закреплены на одном валу. Выходное напряжение системы возбуждения поступает через выпрямитель по проводам внутри пустотелого вала к обмоткам возбуждения генератора. В генераторе данного типа также используется автоматический регулятор напряжения.

Распределительная система. Напряжение питания поступает от генератора переменного тока на главный распределительный щит распределительной системы переменного тока (рис. 7).

Значение напряжения обычно не превышает 415 В В России это напряжение обычно не превышает 400 В для теплоходов и 6 300 В для электроходов.x, но на некоторых больших установках может достигать 3 300 В. К основным вспомогательным установкам высокое напряжение подается через выключатели.

Питание маломощного оборудования осуществляется по цепи с предохранителями или миниатюрными выключателями. Низкое напряжение питания применяется, например, для цепей освещения (220 В); оно поступает на распределительную систему через понижающий трансформатор.

Распределительная система должна быть трехпроводной с изолированной или заземленной нейтралью. Системы с заземленной нейтралью находят большое применение, несмотря на то что предпочтение отдается системам с изолированной нейтралью В России применяются распределительные системы только с изолированиой нейтралью.x. Системы с изолированной нейтралью могут выходить из строя от перепада высокого напряжения, который возникает при коммутации или повреждении системы, что может вызвать повреждение электрооборудования. При использовании систем с заземленной нейтралью возможна потеря управлением таким важным устройством, как рулевое, из-за дефекта в заземляющем проводе. Обрыв заземляющего провода в системе с изолированной нейтралью не приводит к исчезновению питания, а только фиксируется соответствующей индикаторной лампочкой. Следовательно, отдается предпочтение системам с изолированной нейтралью, так как обрыв питающего провода при этой системе не приводит к исчезновению напряжения, что недопустимо на судах.

Читайте также: Цистерны, трубопроводы и электрооборудование судов

Силовые системы переменного тока оборудуются контакторами и предохранительными устройствами такими же, как и для распределительных систем постоянного тока. Но оборудование этого типа имеет более простое конструктивное решение вследствие больших напряжений и меньших токов. Для токов до 100 А используется компактный контакторный прерыватель, выполняющий функцию предохранителя или автоматического выключателя. Как недостаток можно отметить, что при срабатывании устройства его обратное подключение осуществляется вручную. Другие разновидности этих устройств объединяются общим названием защитные автоматы, которые могут коммутировать токи до 1 кА. В системы переменного тока желательно включать электроизмерительные приборы или предохранительные устройства, фиксирующие обрыв цепи заземления.

Питание переменным током. При использовании для параллельной работы трехфазных генераторов переменного тока требуется большое количество электроизмерительных приборов, таких как:

• амперметры;
• вольтметры;
• частотомеры;
• и устройства синхронизации.

Для большинства из этих приборов применяются понижающие трансформаторы, так как это необходимо для безопасной работы с приборами. Возможно также применение переключателей, например, между фазами генератора или шинами питания; следовательно, одним прибором можно измерять различные напряжения.

Ваттметром измеряют мощность, потребляемую от источника питания, которая в зависимости от значения коэффициента мощности нагрузки переменного тока будет меньше произведения напряжения и тока. В связи с невозможностью использования обратнoй токовой защиты применяют обратную защиту по мощности. Для предотвращения перехода генератора переменного тока в двигательный режим применяют реле обратной мощности. Для нормальной работы двух генераторов необходима синхронность их работы и равенство напряжения на фазах. Переменное напряжение на выходе любого генератора всегда изменяется; следовательно, для двух генераторов, работающих совместно, необходимо, чтобы их напряжения изменялись с одинаковой скоростью или частотой и достигали своего максимального или другого значения одновременно. Тогда генераторы работают в фазе. В настоящее время для проверки этого применяется синхроноскоп. Стрелка указателя синхроноскопа свободно вращается и движется под действием пары сил магнитного поля обоих обмоток. Когда два питающих напряжения находятся в фазе, стрелка устанавливается в положении «12 часов». Вращение стрелки указывает на несовпадение частот. Вращение по часовой стрелке обозначено отметкой «Быстро», а против – «Медленно», что указывает на частоту подключаемого генератора. Прежде чем подсоединить подключаемый генератор к работающему для параллельной работы, необходимо в первую очередь убедиться в равенстве напряжений этих генераторов. Для этого служат вольтметры. Необходимо, чтобы частоты напряжений были в фазе. На практике добиваются того, что у синхроноскопа стрелка медленно движется в направлении «Быстро», и автомат включения на параллельную работу замыкают в тот момент, когда стрелка занимает положение «11 часов». Тогда подключаемый генератор мгновенно примет на себя небольшую нагрузку.

При использовании набора из трех ламп также возможно управлять синхронизацией. Для этого применяется определенный способ соединения ламп: главная лампа включается в разрыв первой фазы, а две другие – в соседние фазы. Если частоты двигателей различны, то лампы будут мигать в зависимости от входной частоты, которая может изменяться в сторону «Больше» или «Меньше». Правильная синхронизация достигается в тот момент, когда главная лампа не горит, а две другие светятся с одинаковой яркостью.

Двигатели постоянного тока

Если по витку провода, находящемуся в магнитном поле, пропустить ток, то в результате их взаимодействия возникнет сила, которая будет вращать виток. Аналогичный принцип используется в генераторах при вращении витка провода в магнитном поле для наведения ЭДС в витке. Таким образом, электрическая машина с помощью магнитного поля вырабатывает ток или энергию движения, т. е. работает как генератор или как двигатель. Применение дополнительных витков провода и более сильного магнитного поля позволяет создать высокоэффективный двигатель. Добавочные полюса, устанавливаемые для уменьшения искрения, в направлении вращения имеют противоположную полярность по отношению к следующему полюсу. При вращении якорь работает как генератор, в результате чего создается ЭДС в направлении, обратном питающему, т. е. противо ЭДС которая вызывает падение напряжения на двигателе. Эта противо ЭДС реглирует потребляемую мощность, но она не возникает в момент пуска двигателя. Поэтому для уменьшения больших пусковых токов необходимо использовать цепи с пусковыми сопротивлениями. Работа нагруженного двигателя постоянного тока определяется падением напряжения на якоре, магнитным полем между полюсами и нагрузкой или моментом вращения. Например, падение напряжения на якоре зависит от противо ЭДС, которая в свою очередь зависит от частоты вращения якоря и магнитного поля двигателя. Для получения различных нагрузочных характеристик двигателя путем изменения перечисленных выше факторов используется параллельное, последовательное и смешанное соединение обмоток возбуждения.

Цепи обмоток двигателя параллельного возбуждения включают параллельно якорю (рис. 8).

Таким образом, при работе двигателя с постоянной нагрузкой и с постоянной частотой вращения все остальные факторы постоянны. Увеличение нагрузки приведет к снижению частоты вращения и уменьшению противо ЭДС. Через якорь будет протекать больший ток и возрастет потребляемая двигателем электроэнергия; при параллельном соединении магнитное поле оказывается неизменным. На практике частота вращения колеблется незначительно, поэтому эти двигатели являются идеальными для эксплуатации при различных нагрузках.

Цепи обмоток двигателя последовательного возбуждения включают последовательно с обмотками якоря (рис. 9).

При данном соединении повышение нагрузки приводит к снижению частоты вращения и уменьшению противо ЭДС. Возросший ток нагрузки вызывает увеличение магнитного потока и, следовательно, противо ЭДС. В результате этого частота вращения двигателя стабилизируется на некотором уменьшенном значении. Частота вращения двигателя последовательного возбуждения значительно меняется при изменении нагрузки. Управление двигателем постоянного тока осуществляется достаточно просто.

Как показано на рис. 8, двигатель параллельного возбуждения имеет переменное сопротивление в цепи возбуждения. Благодаря этому возможно, изменяя ток в обмотках возбуждения, а также противо ЭДС, получить широкий диапазон постоянных частот вращения. Реверсирование этого двигателя производят изменением полярности питания обмотки возбуждения.

Для управления двигателем последовательного возбуждения переменное сопротивление включается параллельно катушке возбуждения. Реверсирование этого двигателя достигается изменением полярности питания обмотки якоря на противоположную (см. рис. 9).

Двигатели с параллельным возбуждением работают с постоянной частотой вращения независимо от характера нагрузки. Частота вращения якоря двигателя последовательного возбуждения зависит от нагрузки: чем больше нагрузка, тем меньше частота вращения.

При одновременном включении последовательных и параллельных обмоток возбуждения создается комбинация характеристик двигателей с последовательным и параллельным возбуждением. Также необходимо учитывать пусковой вращающий момент, который для двигателей с последовательным возбуждением очень высок и уменьшается с увеличением нагрузки. Благодаря этому двигатели с последовательным возбуждением можно использовать в подъемных кранах и лебедках.

Двигатели с последовательным возбуждением имеют бесконечную частоту вращения якоря, если они пускаются без нагрузки. Во избежание этого используют дополнительную параллельную обмотку возбуждения с небольшим числом витков провода.

Двигатели параллельного возбуждения используются там, где неoбходимо иметь постоянную частоту вращения, которая не зависит от нагрузки, например в вентиляторах или насосах.

Для пуска двигателя постоянного тока требуются специальные устройства, ограничивающие ток в якоре. Для этого применяется пусковой реостат (рис. 10).

Набор сопротивлений реостата расположен на панели, рукоятка последовательно передвигается с повышением частоты вращения, в результате чего наводится противо ЭДС. Рукоятка с щеткой включается в цепь якоря и двигается по контактным площадкам резисторов, так что сначала в цепь якоря последовательно подключается набор резисторов, а затем постепенно выводится. Рукоятку следует передвигать медленно, чтобы якорь двигателя достиг номинальной частоты вращения и чтобы появилась ЭДС. Последний контакт пускового реостата свободный. Удерживающая катушка при наличии тока в цепи якоря не опускает свой якорь. При исчезновении питания пружина возвращает рукоятку в исходное положение. Далее пуск двигателя осуществляется обычным путем. Для предотвращения перегрузки по току при замыкании удерживающей катушки и освобождении рукоятки пускового реостата катушка реле перегрузки имеет сердечник из электротехнической стали, который при намагничивании током притягивает якорь, замыкая тем самым удерживаюшую катушку. Этот тип пускового сопротивления известен как пусковой реостат; другие типы пусковых устройств построены по аналогичному принципу, но без ручного пуска.

Двигатели переменного тока

Если через свободно вращающуюся в магнитном поле катушку с проводами пропускать переменный ток, то вращающий момент не возникнет, так как ток постоянно изменяет направление. По такому принципу работает асинхронный короткозамкнутый двигатель, в котором три раздельные фазные обмотки статора создают вращающееся магнитное поле. Ротор состоит из медных проводников, расположенных по кругу параллельно его оси и закрепленных на концах кольцами для создания клетки. При пуске двигателя вращающееся магнитное поле наводит ЭДС в клетке и, следовательно, появляется ток. Проводник ротора, по которому протекает ток в магнитном поле, создает вращающий момент для ротора. Частота вращения ротора немного меньше частоты вращения магнитного поля статора.

Частота вращения ротора двигателя зависит от ЭДС, наведенной в роторе, а последняя зависит от скольжения ротора относительно магнитного поля статора. С увеличением нагрузки частота вращения ротора уменьшается, вызывая увеличение индуцируемой ЭДС, следовательно, вращающий момент несколько увеличивается. Двигатель имеет практически постоянную частоту вращения ротора при всех изменениях нагрузки. При пуске двигателя начальный пусковой момент вращения в 2 раза больше номинального, а пусковой ток превышает номинальный в 6 раз. Пусковой ток можно уменьшить, если применить двухклеточную конструкцию ротора: две раздельные клетки одна над другой. В начальный момент вращения через внешнюю высокоомную клетку протекает почти весь ток ротора. Далее после разгона ротора двигателя больший ток будет протекать через внутреннюю низкоомную клетку.

Путем изменения числа пар полюсов можно получить ряд фиксированных частот вращения. Частота вращения асинхронного двигателя пропорциональна частоте питания, деленной на число пар полюсов. Благодаря применению переключателя числа пар полюсов можно получить различные фиксированные частоты вращения. Пусковые характеристики зависят от числа пар полюсов: чем больше пар полюсов, тем меньше отношение начального момента вращения к полному моменту вращения при нагрузке.

Выше был рассмотрен только асинхронный короткозамкнутый двигатель переменного тока как наиболее часто используемый в морской практике. Синхронные двигатели – это двигатели другого типа, которые нашли применение в системах электродвижения, но не используются для вспомогательных приводов.

Для пуска асинхронного короткозамкнутого двигателя используются различные способы его включения. Это может быть прямое включение в сеть при помощи переключателя по схеме «звезда» или «треугольник», включение через автотрансформатор и пусковое сопротивление, подключаемое к цепи статора. Непосредственное включение двигателя в цепь обычно применяют там, где распределительная система может выдерживать пусковой ток. При использовании инерционной нагрузки необходимо учитывать время на разгон ротора двигателя, от которого зависит тепловой эффект тока пуска. Переключатель по схеме «звезда» или «треугольник» в начальный момент соединяет обмотки статора по схеме «звезда», а затем, после разгона ротора двигателя, соединяет обмотки по схеме «треугольник». При соединении по схеме «звезда» почти половина линейного напряжения приходится на каждую фазу и уменьшается пусковой ток. Начальный момент вращения также уменьшается до 1/3 своего значения по сравнению со значением момента вращения при непосредственном включении в цепь. Переключение на схему «треугольник» под нагрузкой производят примерно при частоте вращения ротора двигателя, которая составяет 75 % номинальной частот вращения; при этом потребляемый ток будет в 3,5 раза больше тока нагрузки. Автотрансформаторный пуск применяется только для больших двигателей. Автотрансформатор имеет контактные выводы со значениями 40, 60 и 75 % номинального напряжения (рис. 11).

Двигатель пускается с одним из фиксированных значений, а затем при достижении 75 % номинальной частоты вращения быстро переключается на номинальное напряжение. Выбор контактного вывода будет зависеть от требуемого пускового момента. Вывод 60 % соответствует 70 % номинального вращающего момента при нагрузке. Чем меньше количество делений на контактных выводах, тем меньше начальные моменты вращения, и наоборот.

Для пуска двигателя имеется пусковой реостат с сопротивлением в цепи статора. Таймерное устройство шунтирует цепь с этим сопротивлением при достижении ротором двигателя определенной частоты вращения. В цепи питания двигателя устанавливается защита от обрыва одной из фаз, от перегрузки и от минимального напряжения. При обрыве одной из трех фаз цепь становится однофазной. В результате увеличивается ток во всех обмотках. В случае соединения обмоток по схеме «треугольник» при полной нагрузке через одну обмотку пойдет трехкратный номинальный ток. При обрыве одной из фаз двигатель продолжает работать, но с несбалансированным распределением тока. Устройство защиты от перегрузки может не сработать, если двигатель работает не при полной нагрузке. Для защиты от перегрева обмоток двигателя применяют тепловое реле. Устройства защиты от перегрузок могут быть выполнены как отдельно, так и в комбинации с термочувствительным реле. В своем составе они должны иметь элементы выдержки времени, чтобы не происходило срабатывание защиты от пускового тока. Устройство защиты от уменьшения или исчезновения напряжения обеспечивает правильный пуск двигателя.

Техническое обслуживание. Для безотказной работы оборудования любого типа необходимо содержать его в чистоте. Электрические соединения должны быть надежными и не иметь искрения при работе. Главные наиболее нагруженные элементы необходимо периодически проверять и при необходимости заменять. Оборудование, работающее от сети переменного тока, электрически более опасно, чем оборудование, работающее от сети постоянного тока. Меры безопасности необходимо соблюдать при любой проверке или осмотре оборудования.

При загрязнении деталей электрооборудования может произойти пробой изоляции, утечка тока и даже замыкание на «землю». Высокая влажность и масляные осадки также отрицательно влияют на сопротивление изоляции. При регулярном измерении сопротивления изоляции и своевременной ее регистрации можно найти участок цепи, нуждающийся в ремонте. Вентиляционные отверстия или решетки не должны быть засоренными, иначе нарушается охлаждение, что может привести к перегреву оборудования.

Масляные осадки от дизельного двигателя, который вращает незащищенные генераторы (обычно постоянного тока), могут повредить обмотки генератора, и поэтому необходимо постоянно протирать генератор. Герметичные двигатели следует периодически открывать для профилактических работ, чтобы убрать скопление угольной пыли, осаждающейся внутри корпуса.

Для безаварийной работы электрооборудования необходимо своевременно проверять силу давления угольных щеток и регулировать их пружины. Новые щетки должны быть подогнаны к поверхности коллектора или притерты стеклянной шкуркой. Наличие искрения указывает на плохую коммутацию. Для устранения искрения необходимо полировать поверхности коллектора. Слюдяную изоляцию между коллекторными пластинами нужно прочистить, если изоляция имеет выступы; следует также очищать коллекторные пластины от загрязнения.

Основное внимание следует уделять устройствам управления, таким как, например, пусковой реостат. Его контакты могут износиться или обгореть под действием электрической дуги. Обычно контакты легко двигаются и могут сниматься. Благодаря этому можно очищать поверхности контактов для обеспечения их хорошего прилегания. Это способствует тому, что не возникает электрическая дуга на последней закрытой позиции пускового реостата. Все рабочие поверхности контактов необходимо периодически осматривать.

Аккумуляторные батареи

Общие сведения. Аккумуляторные батареи используются на большинстве судов в качестве быстро подключаемого аварийного источника питания. Кроме того, батареи применяются на береговых объектах для питания малым напряжением постоянного тока специального оборудования. Для правильной эксплуатации электрооборудования необходимо использовать батареи соответствующих типов и размеров. В основном на судах применяются свинцово-кислотные и щелочные аккумуляторные батареи.

Свинцово-кислотные батареи. Эти батареи состоят из набора элементов, каждый из которых имеет положительную пластину из перекиси свинца и отрицательную свинцовую пластину. Обе пластины помещены в раствор серной кислоты, которая является хорошим электролитом. Между этими двумя пластинами возникает разность потенциалов, и если к выводам пластин подсоединить нагрузку, то в цепи появится ток. Начальное напряжение на выводах одного элемента составляет 2,2 В, затем оно стабилизируется до значения 2 В. Набор из шести последовательно соединенных элементов образует батарею, которая имеет напряжение 12 В. Батарея помещается в прочный корпус, изготовленный из пластика, твердой резины или битумной массы. В заряженном состоянии в батарее присутствуют свинец, перекись водорода и серная кислота. За время работы батареи часть свинца и перекиси водорода переходит в сульфат свинца и воду. Во время этой реакции, происходящей при разрядке батареи, у серной кислоты уменьшается плотность. Kогда батарея заряжается, происходят химические реакции, в результате которых пластины приобретают первоначальное состояние, а вода переходит в газообразный водород и испаряется.

Щелочные батареи. Эти батареи состоят из положительной пластины из перекиси никеля и отрицательной железно-кадмиевой пластины, которые погружены в раствор перекиси калия. Напряжение на выводах одного элемента составляет примерно 1,4 В. Набор батареи из пяти элементов обеспечивает напряжение 7 В.

В щелочных батареях, как и в свинцово-кислотных, применяются элементы из прослоенных пластин, но каждый элемент расположен в своем стальном корпусе. Все элементы изолированы один от другого и помещены в общий деревянный корпус.

В заряженном состоянии положительная пластина состоит из перекиси никеля, а отрицательная – из никеля. За время работы кислород переходит от одной пластины к другой, не оказывая влияния на плотность раствора перекиси калия. Отрицательная пластина становится оксидом калия, а положительная – обедненной перекисью никеля. После подзарядки батареи кислород возвращается к положительной пластине.

Выбор батареи. Выбор необходимой батареи производят исходя из достоинств и недостатков свинцово-кислотных и щелочных батарей.

Для достижения заданного уровня напряжения в свинцово-кислотных батареях используется меньшее число элементов, чем в щелочных батареях. К тому же свинцово-кислотная батарея имеет умеренную стоимость. С другой стороны, срок службы свинцово-кислотной батареи ограничен, она требует периодической подзарядки, так как разряжается даже в режиме холостого хода. Если же оставить разряженной свинцово-кислотную батарею даже на небольшой срок, то она может выйти из строя.

Щелочная батарея сохраняет свой заряд без внешней нагрузки, и если даже батарея разряжена, то ее можно оставлять на длительный срок без опасности выхода из строя. Щелочная батарея дороже свинцово-кислотной, но срок ее службы значительно больше и требуется меньше времени на восстановление ее заряда. Для достижения заданного уровня напряжения щелочной батареи требуется большее число элементов, чем для свинцово-кислотной батареи, так как каждый элемент щелочной батареи обладает меньшим номинальным напряжением.

Оба типа батарей нашли широкое применение на судах в основном для одних и тех же целей.

Рабочие характеристики. При подключении батарей в электрическую цепь создается перепад напряжения, по цепи пойдет ток, а сама батарея разряжается. В зависимости от емкости батарея может питать электрическую цепь в течение длительного или короткого периода времени. Емкость измеряется в ампер-часах. Ампер-часы это число часов, в течение которых батарея способна поддерживать номинальный ток в цепи. Например, батарея в 20 А·ч может в течение 10 ч поддерживать в цепи ток в 2 А или в течение 20 ч ток в 1 А. Это необходимо учитывать при разрядке малыми токами. Емкость в ампер-часах зависит от скорости разрядки. Для токов более 5 А необходимо еще учитывать степень разряженного состояния батарей.

После того как батарея выработала весь свой энергетический ресурс, необходимо про извести ее заряд, т. е. сообщить батареи требуемое количество электричества для достижения номинальной емкости. Возникающие при этом потери, зависящие от нагревания, не должны влиять на номинальную емкость батареи. Для того чтобы свести к минимуму эти потери, заряд лучше производить малым током.

Существуют различные методы заряда:

• при постоянном токе;
• при постоянном напряжении и непрерывным зарядом.

Для увеличения напряжения заряда используется автоматическая или ручная система заряда постоянным током с регулируемым токоограничивающим резистором. С помощью данной системы обеспечивается большой ток для заряда батареи, который постепенно уменьшается по мере заряда батареи. Благодаря использованию токоограничивающего резистора предотвращается возникновение больших токов внутри элемента. Непрерывный заряд используется для поддержания батареи в рабочем состоянии – через батарею протекает малый ток длительный период времени, благодаря чему батарея сохраняется в заряженном состоянии.

Обслуживание и эксплуатация. Батареи должны находиться в заряженном состоянии, поэтому необходимо периодически производить их заряд. Например, для свинцово-кислотных батарей этого можно достигнуть, используя непрерывный заряд.

Степень разряда батареи можно определить при помощи ареометра, который предназначен для измерения плотности жидкости.

На рис. 12 показан ареометр впрыскного типа.

Образец электролита берется по очереди из каждой ячейки и измеряется его плотность путем снятия показания «плавающего уровня». Все значения плотностей для каждого элемента одной батареи должны быть почти одинаковыми. О степени разряда можно судить по значению плотности электролита.

При снятии показаний необходимо производить корректировку в соответствии с температурой электролита. Плотность электролита свинцово-кислотной батареи при 15 °С равна 1,280 кг/л. У щелочной батареи плотность не намного изменяется за время заряда и разряда, но за длинный период времени постоянно уменьшается. Когда плотность достигает 1,160 кг/л, необходимо заменить батарею.

Уровень электролита должен быть всегда выше верхнего края пластин. В случае испарения или химической реакции необходимо долить в батарею дистиллированную воду, чтобы уровень электролита был нормальным. Не дистиллированную воду допускается использовать только во время аварии. Постоянно же добавлять электролит в батареи нет необходимости.

Батареи должны храниться в чистом и сухом месте. Нельзя допускать, чтобы на поверхность батареи попадал электролит и скапливалась грязь. Несоблюдение этого правила может привести к коррозии корпуса и к возникновению токов, которые могут вызвать разряд батареи. Клеммы батареи необходимо содержать в чистоте и периодически смазывать вазелином.

Во время работы батареи желательно измерять напряжение каждого элемента, которое должно быть одинаковым. Этот метод контроля применим только к щелочным батареям, для которых плотность электролита не характеризует степень разряда.

Система регулирования частоты вращения генератор-двигатель (Вард-Леонарда)

С помощью гибкой системы Рулевые машины на судахгенератор-двигатель (Вард-Леонарда), которая не имеет себе подобных, можно надежно регулировать частоту вращения якоря двигателя.

Система состоит из приводного двигателя, который всегда работает с постоянной частотой вращения и вращает якорь генератора постоянного тока (рис. 13).

Генератор дает питание для исполнительного двигателя постоянного тока. Изменение тока возбуждения генератора вызывает изменение его выходного напряжения. Таким образом, частота вращения исполнительного двигателя может изменяться от нуля до максимального значения. Вследствие того что регулирование частоты вращения двигателя достигается путем изменения тока возбуждения генератора, аппаратура управления может работать при малых значениях тока. С помощью потенциометра или реостата в цепи возбуждения генератора можно изменять выходное напряжение от нуля до максимального значения и наоборот. Исполнительный двигатель имеет постоянную систему возбуждения, следовательно, значение частоты вращения двигателя зависит от выходного напряжения генератора.

В зависимости от основного назначения исполнительного двигателя обмотки последовательного возбуждения могут быть использованы для двигателя или генератора. При дополнительном переключении это может привести к реверсированию исполнительного двигателя в зависимости от включения обмоток последовательного возбуждения.

В качестве двигателя привода или первичного двигателя для системы генератор-двигатель может быть использован двигатель переменного тока, двигатель постоянного тока, дизель и т. п. В данной системе может быть применен любой привод с постоянной или почти постоянной частотой вращения, так как его назначение заключается только во вращении ротора генератора с постоянной частотой вращения.

Генератор аварийного питания и навигационные огни

В случае аварии в главной генераторной системе необходимо перейти на аварийное питание. Для этого можно использовать аккумуляторные батареи, но на большинстве транспортных судов применяют аварийные генераторы, для привода которых используют дизели, расположенные вне машинного отделения.

При работе аварийного генератора обеспечивается питание:

• двигателей аварийных насосов;
• пожарных насосов;
• рулевого привода;
• герметичных дверей;
• специального оборудования пожаротушения.

Также получают питание:

• аварийное освещение для закрытых помещений;
• навигационные фонари;
• система связи;
• система тревоги.

Электроснабжение различных потребителей осуществляется через Расчет судовой электроэнергетической системыаварийный распределительный щит, находящийся в одном помещении с аварийным генератором (см. рис. 7). Требования параллельной работы аварийного генератора не являются обязательными. На современных судах пуск аварийного генератора осуществляется автоматически при снижении напряжения в сети.

Навигационные огни. Питание цепи навигационных огней должно осуществляться при любых аварийных ситуациях, и для этого необходимо, чтобы цепи питания имели специальное конструктивное исполнение.

При использовании отдельных цепей питания навигационных фонарей без подключения посторонних потребителей можно предотвратить отключение фонарей от распределительного щита в аварийной ситуации. Питание цепи навигационных фонарей осуществляется через тумблер режимов работы, при помощи которого возможно переключение на другой источник питания в случае отказа в основной силовой цепи. Если навигационные фонари погаснут, то должна подаваться аварийная световая или звуковая сигнализация.

Схема питания системы навигационных фонарей показана на рис. 14.

Два источника питания замыкаются на двухпозиционный переключатель режимов работы, при помощи которого подводится питание к цепи ламп с предохранителем в каждой линии. В схеме есть реле со звуковой сигнализацией, срабатывающее при возникновении обрыва в цепи. В этом случае одни контакты замкнут цепь звуковой сигнализации, а другие разомкнут цепь питания. Параллельно каждой индикаторной лампе подключен резистор, благодаря которому обеспечивается нормальная работа второй навигационной лампы в случае перегорания первой.

Если произошла авария в цепи главного питания, то все лампы гаснут, а звуковая сигнализация не подается. После этого с помощью переключателя лампы переводятся на аварийное питание.

Измерение сопротивления изоляции и электроопасность

Для бесперебойной работы электрооборудования сопротивление изоляции должно поддерживаться на допустимом уровне. Регулярно проводимые контрольные измерения показывают, когда и где необходимо проводить профилактические работы, корректировку или текущий ремонт.

Прибор для проверки изоляции – мегаомметр показан на рис. 15.

Постоянный магнит создает магнитное поле вокруг вращающегося сердечника, на котором намотаны две катушки. Свободно вращающаяся указательная стрелка закреплена в центре вращения катушки. Эти две катушки намотаны взаимно перпендикулярно одна к другой и соединены так, что одна катушка измеряет напряжение, а другая – ток. Угол отклонения стрелки – результат взаимодействия двух катушек, при помощи которых измеряется сопротивление изоляции. Питание прибора осуществляется от ручного генератора. Измерительные щупы используются для измерения сопротивления в нужных точках.

Опасность поражения электрическим током. Для людей, работающих в жаркой, влажной атмосфере, опасность поражения электрическим током очень большая, так как при влажной коже поражение человека током возможно даже при напряжении 60 В, и поэтому все цепи считаются опасными.

Перед началом эксплуатации все электрооборудование должно быть изолировано. После этого проверяют еще раз, нет ли пробоя изоляции цепи. По возможности необходимо не использовать для работы оборудование, если оно находится под напряжением. Для безопасной работы следует применять для работы изолированные инструменты.

В случае поражения человека электрическим током необходимо быстро и эффективно оказать ему помощь. Сначала следует оттащить пострадавшего от электрической установки, используя для этого при необходимости токонепроводящий материал. Электрический ток может привести к остановке сердца человека. В этом случае следует принять все меры, чтобы возобновить работу сердца, включая искусственное дыхание.