Лабораторная работа №3. «Исследование управления электродвигателем по системе генератор – двигателя»

Цель работы: изучить особенности системы управления электродвигателем по системе генератор – двигатель в таких режимах:
1. пуск и остановка двигателя;
2. регулирование скорости;
3. электрическое торможение;
4. изменение направления вращения ( реверс ).

1. Основные сведения
Основная особенность системы генератор – двигатель состоит в том, что исполни-
тельный двигатель получает питание не от судовой сети, а от отдельного генератора.
Эта особенность позволяет управлять двигателем, при этом не влияя на работу остальных.
Система Г – Д  позволяет плавно и в широких пределах регулировать скорость при-
вода. На судах систему Г – Д применяют, в основном, в грузоподъёмных и  якорно-швар-
товных устройствах ( грузовые лебёдки, краны, брашпили), а также в гребных электриче-
ских установках
В настоящее время систему Г – Д, в которой применяются 3 вращающиеся машины переменного и постоянного тока, заменяют системами двойного рода тока с одной враща-
ющейся машиной – исполнительным электродвигателем постоянного тока.

2. Описание принципиальной схемы системы Г – Д
Принципиальная схема состоит из 2-х частей :
1.    силовой;
2.    схемы управления.

2.1. Основные элементы принципиальной схемы
К основным элементам схемы относятся ( рис. 1 ):
1. L1, L2, L3 – линейные провода питающей сети;
2.   НL1 – лампочка сигнальная «Питание на схему подано»;
3. R - пусковые резисторы, для ограничения пускового тока двигателя М1;
4. КК1-КК2 ( в цепи обмотки статора ) – нагревательные элементы тепловых реле;
5. FU1-FU2 – предохранители, для защиты катушки контактора КМ1 от токов ко-
роткого замыкания.
6. рU1 – вольтметр, для измерения напряжения сети переменного тока;
7. КМ1 – линейный контактор, для подачи напряжения на схему;
8. SB1 – кнопка «Пуск», для включения контактора КМ1;
9. SB2 – кнопка «Стоп», для отключения контактора КМ1;
10. SB3 - кнопка «Пуск двигателя», для включения контактора КМ2;
11. SB4 – кнопка «Стоп», для отключения контактора КМ2;
12. КМ2 – контактор,  для включения двигателя М1 через пусковые резисторы R ;
13. НL2 – лампочка сигнальная «Пуск двигателя через резисторы»;
14. КК1-КК2 ( в цепи катушки КМ2 ) – размыкающие контакты тепловых реле;
15. КТ – реле времени, для создания выдержки времени включения контактора КМ3;
16. КМ3 – контактор, для отключения пусковых резисторов R ;
17. НL3 – лампочка сигнальная «Пуск двигателя закончен»;
18. G – обмотка якоря генератора постоянного тока независимого возбуждения, для производства электроэнергии, потребляемой двигателем М2;
19. А1–А2 – выводы обмотки якоря генератора G;
20. рU2 - вольтметр, для измерения напряжения на якоре генератора G;
21. М2 – двигатель постоянного тока независимого возбуждения, для приведения в действие механизма;
22. А3–А4 - выводы обмотки якоря исполнительного двигателя М2;
23. рА1 – амперметр, для измерения силы тока якоря двигателя М2( генератора G )
24. F1–F2 – выводы независимой обмотки возбуждения генератора G;
25. F3–F4 – выводы независимой обмотки возбуждения двигателя М2;
26. QF1, QF2 – автоматические выключатели, для защиты обмоток F1-F2 и F3-F4 от токов короткого замыкания;
27. R1 – разрядный резистор, для защиты обмотки F1-F2 от перенапряжений при отключении обмотки от сети;
28. R2-R6 – 5 ступеней резистора, для изменения тока возбуждения генератора G;
29. R7 – настроечный резистор в цепи обмотки F1-F2, для получения необходимого значения тока возбуждения генератора G;
30. R8 – экономический резистор в цепи обмотки F3–F4, для уменьшения её нагре-
ва при работе;
31. R9 – разрядный резистор, для защиты обмотки F3-F4 от перенапряжений при отключении обмотки от сети;
32. R10 – резистор, для настройки необходимого значения тока возбуждения дви-
гателя М2;
33. рА2 – амперметр, для измерения тока возбуждения генератора G;
34. BR – тахогенератор, для измерения скорости двигателя М2 ( датчик );
35. рn – указатель скорости двигателя М2.
.
2.2. Силовая часть схемы
Силовая часть схемы состоит из 3-х электрических машин:
1.    М1 – приводного асинхронного двигателя, на одном валу с которым находится
генератор G;
2.    G – генератор постоянного тока независимого возбуждения;
3.    М2 – исполнительный двигатель постоянного тока независимого возбуждения.
Такое сочетание 3-х электрических машин образует систему генератор – двига-
тель.
Обмотки якорей А1-А2 генератора и А3-А4 двигателя соединены последовательно. Это означает, что двигатель М2 получает электроэнергию от отдельного генератора, а не от судовой сети.
Поэтому работа двигателя М2 не влияет на судовую сеть и другие двигатели.
Независимые обмотки возбуждения F1 – F2 генератора и F3-F4 двигателя получа-
ют питание от независимой сети постоянного тока напряжением 110 В постоянного тока:
1.    обмотка F1-F2 – через контакты К1-К4 реверсивного мостика и регулировочные
резисторы R2-R7;
2.    обмотка F3-F4 – через экономический резистор R8 и настроечный R10;
Номинальные данные электрических машин:
1.    приводной двигатель М1:
.1. мощность Р  = 2,2 кВт ( на валу );
.2. линейное напряжение U = 220/380 В;
.3. линейные токи I = 8,4 / 4,9 А ;
.4. соединение обмоток «звезда» - «треугольник»;
.5. чаcтота вращения n = 1450 об/мин;
.6. коэффициент полезного действия η = 82,5%;
.7. коэффициент мощности cos φ = 0,83;
2.    генератор G:
.1. мощность Р  = 1,4 кВт
.2. напряжение U = 110 В;
.3. ток I = 8,7 А ;
.4. коэффициент полезного действия η = 87%;
.5. частота вращения n = 1450 об/мин;
.3. двигатель М2:
.1. мощность Р  = 1,0 кВт ( на валу )
.2. напряжение U = 110 В;
.3.  ток I = 8,7 А ;
.4.  коэффициент полезного действия η = 83%;
.5. частота вращения n = 2850 об/мин.
Особенности электрических машин в системе генератор-двигатель:
1. частоты вращения приводного двигателя М1 и генератора G одинаковы – 1450 об/мин, т.к. обе машины сидят на одном валу;
2. номинальные напряжения генератора G и двигателя М2 одинаковы, т.к. генера-
тор G питает электроэнергией двигатель М2;
3. мощности электрических машин возрастают при переходе от двигателя М2 ( 1,0 кВт) через генератор G ( 1,4 квт ) к двигателю М1 ( 2,2 кВт ), что объясняется необходимо
стью покрытия потерь в каждой электрической машине;
4. общий коэффициент полезного действия ( КПД ) системы равен произведению КПД этих трёх машин:
η = ηМ1* ηG* ηм2 = 0,825*0,87*0,83 = 0,595 ≈ 0,6,
т.е. достаточно мал.
Тем не менее эту систему применяют ввиду её достоинств: плавного и в широких пределах регулирования скорости исполнительного двигателя.
На современных судах вместо 3-машинной системы Г - Д , использованной в этой работе, применяют статическую систему преобразования энергии, а именно :
переменное напряжение судовой сети поступает на вход управляемого выпрямите-
ля, с выхода которого выпрямленное напряжение, которое можно изменять по величине, далее поступает на обмотку якоря  двигателя постоянного тока независимого возбуждения
Таким образом, по сравнению со схемой на рис. 1, в этой системе отсутствуют две из трех электрических машин, а именно: асинхронный двигатель М и генератора G, что
резко уменьшает вес и габариты системы в целом и одновременно повышает общий коэф-
фициент полезного действия, т.к. к.п.д. УВ составляет 92-95%.
В случае использования УВ в данной схеме общий к.п.д. системы двойного рода тока составит
η' = η ув * ηм2 = 0,92*0,83 = 0,76,
т.е. на 16% больше ( 76% > 60% ).
Такая система в сокращении называется: система УВ – ДПТ ( УВ - управляемый выпрямитель, ДПТ – двигатель постоянного тока ).
Эта система представляет собой электрическую установку двойного рода тока, т.к. в ней используется как переменный ток ( судовая сеть ), так и постоянный ( на выходе
УВ ).

2.3. Схема управления электроприводом
Схема управления электроприводом включает в себя:
1. контроллер;
2. другие аппараты управления – контакторы, реле, кнопки управления.
Контроллер – это электромеханический аппарат ручного действия, предназначен-
ный  для непосредственного управления работой электропривода.
Он имеет 12 рабочих положений ( по 6 положений в каждую сторону вращения ) и 1 нерабочее ( нулевое ).
Таблица замыканий контактов контроллера приведена рис. 1 в правой верхней его части. Крестик в клетке означает, что в данном положении контакт замкнут, отсутствие крестика – контакт разомкнут.

2.4. Подготовка схемы к работе
Для подготовки схемы к работе:
1.  подают питание на выводы L1, L2, L3;
2.  включают автоматические выключатели QF1, QF2;
3. устанавливают штурвал контроллера в нулевое положение, в котором замкнут его контакт К11;
3.    нажимают кнопку SB1 «Пуск».
При нажатии кнопки SB1 включается линейный контактор КМ1.
Он замыкает главные контакты КМ1:1-КМ1:3, подавая питание на схему, а также вспомогательные КМ1:4, шунтирующие кнопку SB1 «Пуск» и КМ1:5, подготавливающие цепь катушки контактора КМ2.
Загорается сигнальная лампочка НL1 «Питание на схему подано».
5. Нажимают кнопку SB3 «Пуск двигателя».
Через контакты этой кнопки и контакт К11 контроллера образуется цепь тока ка-
тушки контактора КМ2.
Последний включается, замыкает главные контакты КМ2:1-КМ2:3, происходит пуск двигателя М2 через пусковые резисторы, и вспомогательные КМ2:4 и КМ2:5.
Контакты КМ2:4 шунтируют кнопку SB3, её можно отпустить, контакты  КМ2:5 включают реле времени КТ.
Это реле через 2-3 с замыкает свой контакт КТ:1  в цепи катушки контактора КМ3.
Контактор включается, замыкает контакты КМ3:1-КМ3:3, шунтируя  пусковые резисторы R , а также размыкает вспомогательный контакт КМ3:4, отключая контактор КМ3:4, и замыкает КМ3:5, оставляя включённым реле времени КТ.
Таким образом, после нажатия кнопки SB3 пуск приводного двигателя происходит
автоматически, при помощи реле времени КТ.
Ток независимой обмотки возбуждения F3-F4 ограничен до 80% экономическим резистором R8, что уменьшает нагрев этой обмотки в нерабочем состоянии привода.
Схема готова к работе. Вращаются двигатель М1 и генератор G, но двигатель М2 не вращается, т.к. напряжение на зажимах А1-А2 генератора отсутствует – генератор не возбуждён.

2.5. Работа схемы
Схема управления симметрична, поэтому рассмотрим её работу в каком-то одном направлении, например, в направлении «Назад».
При переводе штурвала контроллера из положения «0» в положение «1» размыкает
ся контакт К11 и замыкаются контакты К3, К4 и К5.
Размыкание контакта К11 не влияет на состояние контактора КМ2 – он был отклю
чён  контактом КМ3:4 при подготовке схемы к работе ( п. 2.4 ).
Назначение К11 состоит в том, чтобы не допустить пуск двигателя М1 в случае, если штурвал контроллера выведен из нулевого положения, и тем самым избежать аварии.
Через контакты К3 , К4 и полностью введенный регулировочный резистор  R2-R7 образуется цепь тока обмотки возбуждения генератора G. Этот ток мал, генератор незна
чительно возбуждается, на его выводах А1-А2 появляется небольшое напряжение.
Контакт К5 шунтирует экономический резистор R8, вследствие чего магнитный по
ток двигателя М2 увеличивается от 80% до 100%.
Двигатель переходит из точки «0» в точку «А» на искусственной механической ха
рактеристике «1» и начинает разгоняться по участку АВ до точки «В».
При переводе штурвала из 1-го положение во 2-е замыкается контакт К6, ток воз-
буждения генератора и его напряжение увеличиваются.
Двигатель переходит из точки «В» на характеристике «1» в точку «С» на характе-
ристике «2» и продолжает разгоняться по участку СD до точки «D».
Далее переходный процесс повторяется: при переводе штурвала из 2-го положения
в 3-е и последующие,  и вплоть до 6-го, последовательно замыкаются контакты К7, К8, К9 и К10, шунтируя ступени R3-R6 регулировочного резистора.
Напряжение генератора и скорость двигателя М2 увеличиваются до номинальных
значений в последнем, 6-м положении.
Двигатель последовательно переходит из точки «D» в точку «N», в которой пере-
ходный процесс заканчивается.
Характеристика «6» – естественная механическая характеристика, т.к. все ступени
R2-R6 регулировочного резистора выведены.
При возврате штурвала в положение «0» напряжение генератора уменьшается до
нуля, однако в якоре двигателя, который продолжает вращаться по инерции, продолжает индуктироваться противоЭДС.
Под её действием  направление тока в обмотках  якорей генератора G и двигателя
М2 изменяется на обратное, поэтому двигатель переходит в режим динамического тормо-
жения.
При резком возврате штурвала в положение «0» двигатель перейдёт из точки
«N» на естественной механической характеристике «6» в точку «Р» на искусственной тормозной характеристике «7».
Под действием тормозного момента двигатель уменьшит скорость до нуля в точке
«0» ( начало координат ), в которой остановится.
Для реверса двигателя переводят штурвал контроллера из положения «Назад» в положение «Вперёд». При этом размыкаются контакты К3,К4 и замыкаются К1,К2.
Направление тока в обмотке возбуждения F1-F2 генератора меняется на обратное,
генератор перемагничивается, полярность напряжения генератора, а значит,  направление тока в цепи главного тока также изменяется на обратное, двигатель реверсирует.

3. Порядок выполнения работы

Для подготовки схемы к работе:
1. подать питание на выводы L1, L2, L3;
2. включить автоматические выключатели QF1, QF2;
3. установить штурвал контроллера в нулевое положение;
4. нажать кнопку SB1 «Пуск»;
5. нажать кнопку SB3 «Пуск двигателя», далее пуск происходит автоматически;
6. плавно вывести штурвал контроллера из нулевого положения в положение «Впе
рёд», разогнать двигатель до 6-й скорости;
7. вернуть штурвал в нулевое положение, после чего перевести его в положение «Назад», разогнать двигатель до 6-й скорости, остановить двигатель.
Для каждого из 6-ти положений «Вперёд» внести в таблицу 1 такие параметры:
1.    ток возбуждения генератора I ;
2.    ток возбуждения двигателя I ;
3.    напряжение генератора U;
4.    частоту вращения двигателя n.