Раздел IV. Электроприводы якорно–швартовных устройств
Лекция 23
тема занятий: Электроприводы якорно – швартовных
устройств
Вопросы:
23.1 Определение усилия при подъёме якоря.
23.2 Выбор электродвигателя брашпиля и шпиля
23.3 Управления электроприводами якорно – швартовных устройств
23.4 Схема контроллерного управления двухскоростным эл.двигателем
23.4. Схема контроллерного управления трехскоростным эл.двигателем
Определение усилия при подъёме якоря
Якорнр-швартовные устройства предназначены для отдачи якоря, его подъема и швартовных операций. На судах применяются устройства, предназначенные для подъема двух якорей — брашпили и одного — шпили.
Механические передачи между электродвигателями и барабанами якорных цепей могут быть самотормозящимися и несамотормозящимися. В последнем случае необходим механический тормоз, обеспечивающий торможение электропривода в случае перерыва питания или выхода из строя двигателя.
При определении мощности электродвигателя якорно-швартовного устройства исходными данными являются масса и скорость подъема якорей, а также длина и масса якорных цепей.
Работа якорно-швартовного устройства при подъеме якоря включает следующие этапы: выбирание якорной цепи, лежащей на грунте; выбирание якорной цепи со спрямлением цепной линии; отрыв якоря от грунта; подъем якоря, оторванного от грунта. На каждом этапе усилие в якорной цепи зависит от суммарной силы F, действующей на судно под влиянием ветровой нагрузки и течения (рис.23.1,а). Поскольку F = То, определяется длина цепи от клюза до поверхности дна:
Рис.23.1. Схема сил, возникающих в якорной цепи при подъёме якоря.
,
где h — расстояние от клюза до поверхности дна;
mц — масса 1 м якорной цепи;
g — ускорение свободного падения;
=
0,87 — коэффициент, учитывающий уменьшение
веса якорной цепи в воде.
Длина цепи, лежащей на грунте,
L1=L –L2
где L — длина всей цепи.
Тогда усилие
в якорной цепи будет постоянным до конца первого этапа, т. е. до тех пор, пока не будет выбрана вся якорная цепь, лежащая на грунте, L1.
Далее, на втором этапе, начинается спрямление провисающего участка якорной цепи, при этом усилие в цепи на этом этапе составляет L2 –h.
Отрыв якоря от грунта происходит практически при заторможенном электродвигателе, поэтому значение T принимают условно, на основании опыта эксплуатации
T =g (3m +mц h),
После отрыва якоря от грунта усилие в якорной цепи резко уменьшается до значения
T3 =g (mя +mц h),
где mя — масса якоря.
Наконец, на четвертом этапе происходит подъем якоря вместе с якорной цепью на высоту h, при этом длина якорной цепи уменьшается и постепенно усилие в ней снижается до значения
T4 = mя g,
В связи с невозможностью точной оценки всех факторов, влияющих на натяжение якорной цепи, считают, что его изменение на отдельных этапах протекает по линейному закону. На рис. 23.1, б приведена нагрузочная диаграмма подъема якоря, представляющая собой зависимость Т = (L).
Наряду с нормальным режимом съемки с якоря возможен специальный режим, соответствующий отдаче якоря на глубине, превышающей длину якорной цепи. Максимальное усилие в этом случае возникает в начале подъема якоря и может быть определено по формуле
В дальнейшем это усилие по мере уменьшения длины якорной цепи будет уменьшаться по линейному закону до значения Т4 =mяg.
Выбор электродвигателя брашпиля и шпиля
Нагрузка на электродвигатель в процессе подъема якоря изменяется в широких пределах (см. рис. 23.1, б), поэтому для ускорения процесса снятия с якоря желательно применять электродвигатели с мягкими естественными механическими характеристиками.
При выборе типа электродвигателя следует в первую очередь руководствоваться родом тока, принятым на судне. Если на судне принят постоянный ток, то естественно выбрать двигатель постоянного тока. При переменном токе целесообразнее использовать асинхронные электродвигатели.
Для привода якорно-швартовных устройств применяют следующие типы электродвигателей: двигатели постоянного тока с последовательным и смешанным возбуждением; асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором и переключением числа пар полюсов; асинхронные двигатели с фазным ротором.
Электродвигатели брашпилей должны удовлетворять требованиям Правил Российского Речного Регистра, т. е. поднимать одновременно два якоря, развивать вращающий момент, составляющий 200 % номинального, и выдерживать стоянку под током после 30-минутной работы при указанном моменте в течение 30 с. После режима стоянки превышение температуры должно быть не более 130 %.
Электродвигатель по мощности выбирают после определения его расчетной мощности и частоты вращения по каталогу, затем проверяют на нагревание.
Проверку на нагревание выполняют для двигателей с жесткой механической характеристикой методом среднего квадратичного момента. Для этой цели строят зависимость М = (t) на основании известной зависимости Т = (L). Зависимость М = (t) приведена на рис. 23.2.
На первом этапе момент на валу двигателя остается постоянным:
;
продолжительность этапа, с,
где n1 — частота вращения электродвигателя, соответствующая моменту Ml получаемая из механической характеристики двигателя.
На втором этапе момент на валу возрастает от значения М1 до
Можно принять с некоторой погрешностью, что на этом этапе момент также остается постоянным и средним:
Продолжительность этапа в этом случае
где
—
частота вращения электродвигателя,
соответствующая моменту
На третьем этапе происходит отрыв якоря от грунта при моменте сопротивления М2. Продолжительность отрыва якоря от грунта теоретически определить не представляется возможным, поэтому продолжительность этого этапа считают в соответствии с Правилами Российского Речного Регистра равной стоянке под током: t.2 = 30 с; Мст = 2 Mном.
Четвертый этап определяется средним моментом
и продолжительностью:
Полное время съемки с якоря судна
Эквивалентный момент
.
Для правильно выбранного двигателя
Мном
Мэк
Рис.23.2. Диаграмма изменения нагрузки на валу электродвигателя брашпиля
Вследствие того что электродвигатель брашпиля должен поднимать одновременно два якоря, за расчетный принимается режим одновременного подъема двух якорей с соответствующим увеличением всех массовых нагрузок, причем на этапе отрыва от грунта рассматривается якорь наибольшей массы.
Выбранный электродвигатель должен обеспечить, не перегреваясь, две следующие одна за другой съемки с якоря, поэтому выбирают электродвигатель кратковременного режима работы с расчетным временем 30 мин. Если значение 2tп окажется более 30 мин, необходимо в значение эквивалентного тока или момента ввести поправку ...
.
При удовлетворении всех указанных условий расчет и выбор электродвигателя заканчиваются.
Управления электроприводами якорно – швартовных устройств Для управления электродвигателями якорно-швартовных устройств применяют контроллерные и контакторные схемы.
Общими элементами систем управления шпилей и брашпилей являются пост управления, магнитная станция, электродвигатель с электро- механическим тормозом колодочного, ленточного или дискового типов, ящик резисторов.
Пост управления состоит из контроллера или командоаппарата, помещенных в специальный ящик, защищенный от воздействия внешней среды. На пульте поста управления расположены сигнальная лампа, показывающая наличие напряжения, амперметр для контроля нагрузки электродвигателя и выключатель для отключения цепей управления. Пост управления располагают на палубе вблизи электропривода якорно-швартовного устройства.
Магнитная станция находится рядом с постом управления и имеет реле и контакторы, предусмотренные схемой управления и защиты; у контроллерной схемы управления магнитная станция содержит элементы максимальной, минимальной защиты и нулевую блокировку.
Электромеханические тормоза устанавливают на одном валу с электродвигателем. Их конструкция должна обеспечивать надежную остановку якоря в любом положении при отключении двигателя от питающей сети или исчезновении напряжения в последней. Для этой цели колодки или ленты тормоза прижимают к шкивам с помощью пружины, а растормаживают при помощи тягового электромагнита. Электродвигатели серии МАП снабжают встроенным дисковым тормозом.
В ящике резисторов размещают необходимые для управления и торможения реостаты и установочные резисторы.
Схема контроллерного управления двухскоростным двигателем
На рис. 23.3. дана схема контроллерного управления электропривода брашпиля с двухскоростным электродвигателем переменного тока, примененная на грузовых теплоходах проекта № 507А. Получение двух скоростей двигателя М осуществляется изменением числа пар полюсов его статором обмотки.
Подготовка схемы к пуску производится включением выключателя SA. При этом получает питание катушка линейного контактора КМ, который замыкает свои главные контакты КМ в силовой цепи двигателя и
Рис. 23.3. Схема контроллерного управления электроприводом брашпиля теплохода проекта № 507А.
вспомогательный контакт КМ, закорачивающий контакт 1—2 контроллера. О наличии напряжения в цепи управления сигнализирует лампа HL.
При повороте маховичка контроллера в положение 1, например «Выбирать», разомкнётся его контакт 1—2 и замкнутся контакты 3—4, 9—10, 11—12, 13—14 и 15—16. Первые два контакта подключат двигатель и катушку электромагнитного тормоза УВ к сети, а три других контакта включат статорную обмотку двигателя на малую скорость. В положении 2 контакты 17—18, 19— 20 и 21—22 контроллера включат статорную обмотку двигателя на большую скорость. Остановка двигателя производится поворотом маховичка контроллера в нулевое положение.
При переводе контроллера в рабочие положения 1 и 2 «Травить» замкнутся его контакты 5—6 и 7—8 вместо контактов 3—4 и 9—10 при режиме «Выбирать». Замыкание других контактов произойдет аналогично рассмотренному положению «Выбирать». Однако произойдет изменение порядка чередования фаз на статорной обмотке двигателя. Следовательно, изменится и направление его вращения.
В схеме предусмотрена защита двигателя от перегрузки с помощью тепловых реле КК1—КК4. При необходимости работы электропривода в условиях перегрузки контакты тепловых реле шунтируются нажатием кнопки SB. Нулевая защита осуществляется линейным контактором КМ, защита от короткого замыкания — автоматическим выключателем QF. Предохранители FU защищают цепь управления от токов короткого замыкания.
Схема контроллерного управления трехскоростным двигателем
Схема представлена на плакатах в лаборатории.