4 Курс / СЭП / Судовые электроприводы учебное пособие

2)ИД должны допускать полуторакратную перегрузку в течение одной минуты и минутную стоянку под током.

3)Основной привод должен обеспечивать перекладку от

-35˚ до +30˚ за 28с.

4)При полном ходе в течение 1 часа привод должен обеспечить 350 перекладок.

5)В режиме маневрирования привод должен на полной скорости обеспечивать для каждого агрегата перекладку с борта на борт в течение 0,5 часа.

6)Должна быть обеспечена работа привода при заднем ходе на средней скорости судна.

7)Питание электропривода должно быть по двум независимым фидерам, один из которых рекомендуется от АРЩ.

8)Защита электродвигателей должна быть только от к.з. При перегрузке включается сигнализация.

9)Пуск и остановка электродвигателей должны быть из двух мест: из румпельного и рулевой рубки. При этом должен быть автоматический запуск при восстановлении напряжения после перерыва

впитании.

10)На пассажирских судах, при диаметре баллера >230мм должен быть вспомогательный пост управления в корме.

11)Посты управления должны снабжаться аксиометрами с точностью до 1º в ДП и 1,5º при α = ± 5º, при больших углах ± 2,5º.

1.2.Нагрузочные диаграммы рулевых электроприводов. Структурные и кинематические схемы управления

РЭГ приводами

1.2.1. Нагрузочная диаграмма рулевого электропривода

Нагрузочная диаграмма рулевого электропривода предствляет собой зависимость момента на баллере от угла перекладки руля M=f(α). Для ее построения надо знать Мбал при разных углах перекладки.

При прямом ходе

11

Для гидравлического РУ:

1 2 3 ,

где ε1 – КПД червячной передачи; ε2 – КПД цилиндрической пары; ε3 – КПД баллера.

ε ≈ 0,8 ÷ 0,9%.

При обратном ходе

Когда М´ имеет отрицательное значение, электродвигатель переходит в генераторный режим. Для самотормозящихся передач М´ положителен и электрическая машина работает в двигательном режиме.

Надо иметь ввиду, что ε ≠ ε´ и относятся к полной нагрузке, т.е.

при Мбmax, а при изменении нагрузки они меняются. Поэтому применяют приближенные нагрузочные диаграммы.

простой руль

Рис. 1.7. Графики моментов

Тогда

M M0 аМб ,

где М0 – момент сопротивления из-за трения.

Для простых рулей М0 равен (0,1 ÷ 0,2), а для балансирных –

(0,2 ÷ 0,3).

Тогда

12

Для отрицательных моментов

при этом М´б и η´вводят с отрицательным знаком для самотормозящихся передач.

Частоту вращения электродвигателя выбирают исходя из заданного времени перекладки с борта на борт и передаточного отношения передачи.

1.2.2. Электрогидравлические приводы

Для электрогидравлических приводов применяют насосы переменной производительности при постоянном вращении АД с короткозамкнутой обмоткой ротора (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Кинематическая схема электрогидравлического привода: L0 – расстояние от гидравлических цилиндров до оси баллера, м;

L – переменное плечо приложения усилий на румпеле, м; α – угол отклонения пера руля от ДП, рад; Fp – нормальное усилие на румпеле, Н; Fц – усилие на оси цилиндров, Н; Н – ход поршня, м

При отклонении пера руля от ДП на баллере возникают переменные моменты, вызывающие переменное давление в насосе:

где m – число цилиндров; εб – КПД баллера с учетом трения в сальниках; εm – КПД шарнирного соединения.

13

Для момента, способствующего перекладке руля (-М′б) давление:

простого руля

1.2.3.Расчет рулевого гидравлического привода

1)Производительность насоса:

Q VT ,

где Q – м3/с; V – объем жидкости, перекачиваемой насосом за заданное время Т, уменьшенное на 2–3 с.

Мощность насоса:

14

2) Мощность двигателя:

3)По каталогу выбирают насос и двигатель.

4)Проверяют выбранный двигатель на заданное время перекладки и нагрев. Время перекладки задает Морской Регистр – 28 с.

5)Проверка на нагрев. Тепловая энергия:

где 1 2 n1 – угол поворота электродвигателя за рабочий цикл перекладки руля, рад; 2 2 n2 - угол поворота электродвигателя за

период х.х., рад; Мном – номинальный момент электродвигателя, Нм; Мраб – эквивалентный момент электродвигателя за рабочий период, Нм; M0 (0,2 0,3)Mн – момент х.х., Нм; 2 n – полный угол поворота электродвигателя за исследуемый период работы руля, рад; n – полные обороты за весь период; n1 – обороты за рабочий период; n2 – обороты за период х.х.

1.2.4. Структурные и кинематические схемы управления РЭГ приводами

Изменение направления подачи масла от насоса на рулевую машину, необходимое для перекладки руля, производится специальным управляющим устройством – сервомеханизмом.

В РЭГ-приводах с насосами постоянной подачи оконечный каскад сервомеханизма представляет собой дросселирующий золотник, посредством которого насос связывается с рулевой машиной. Управление золотником осуществляется магнитным (соленоид) или машинным серводвигателем, который воздействует на золотник непосредственно или через промежуточный гидроусилитель.

15

В приводах с насосами переменной подачи сервомеханизм включает в себя электрический двигатель - серводвигатель, связанный через кинематическую передачу с манипулятором насоса.

Весьма часто в состав управляющей кинематики включают гидроусилитель, что существенно снижает мощность электрического серводвигателя.

Структурная схема простого управления рулевым электроприводом

Напомним, что при простом управлении в качестве органов управления используют кнопки «Лево руля», «Право руля» или рычаг управления («Джостик»).

Руль перекладывается все то время, пока нажата одна из кнопок или рычаг выведен из нейтрального положения. Перекладка прекращается, если отпустить кнопку или вернуть рукоятку поста в исходное – нулевое положение.

Об угловом состоянии руля в каждый момент времени судят по рулевому указателю – аксиометру.

Обобщенная разомкнутая схема ручного управления рулем по времени показана на рис. 1.11.

Здесь представлены: РМ – рулевая машина; Н – насос переменной подачи (ГЗ – гидрозолотник в системе управления с насосом нерегулируемой подачи); ГУ – гидроусилитель; СР – серводвигатель; У - электрический усилитель.

Рис. 1.11. Обобщенная разомкнутая система ручного управления РЭГ-приводом

При простом управлении рулем контур регулирования разомкнут. При подаче управляющего напряжения U вх последовательно отрабатывают все звенья и начинается перекладка руля.

16

Шток поршня гидроусилителя ГУ жестко связан с манипулятором насоса Н. Перемещение манипулятора ограничено. Поэтому пропорциональность между движением золотника гидроусилителя и ходом его поршня характерна только при сравнительно малых перемещениях.

При снятии управляющего напряжения U вх серводвигатель СР

останавливается, но подача насоса Н не прекращается.

Для остановки руля необходимо, чтобы серводвигатель включением в обратную сторону сместил манипулятор насоса в исходное положение. Таким образом, разовая перекладка руля содержит четыре операции:

1)включение серводвигателя;

2)его остановку;

3)включение серводвигателя в обратном направлении;

4)его остановку.

Поворот руля на заданный угол описанным способом даже опытному оператору (например, рулевому матросу) выполнить практически невозможно. Для нормальной работы требуется, чтобы при снятии входного управляющего сигнала U вх = 0 серводвигатель

занимал исходное положение, что соответствует прекращению подачи масла на рулевую машину. В некоторых современных отечественных схемах управления (АТР, АИСТ) это делается специальным пружинным нуль-установителем, задача которого вернуть серводвигатель или, точнее, золотник гидроусилителя ГУ в нулевое положение (е з = 0) после отключения.

Иностранные фирмы часто используют сервопривод с электромагнитным управлением. Золотник такого привода всегда имеет пружинный самовозврат.

Таким образом, простое управление рулем по структурной схеме (рис. 1.11) принципиально возможно.

Для этого требуется только, чтобы элементы сервопривода автоматически возвращались в исходное положение после отключения серводвигателя.

Структурная схема следящего управления рулевым электроприводом

Напомним, что при следящем управлении в качестве органа управления используют штурвал поста управления в рулевой рубке.

17

При повороте штурвала на определенный угол в необходимую сторону (влево или вправо относительно нулевого положения) перо руля повернется на такой же (или пропорциональный) угол и автоматически остановится. Иначе говоря, перо руля повторяет поворот штурвала, как бы следит за движением штурвала, отсюда название – следящее управление. При этом угол поворота пера руля тем больше, чем больше угловое расстояние (угловой путь), описанное штурвалом, отсюда второе название – управление по пути.

Из сказанного следует, что каждому положению штурвала после отработки соответствует определенное положение руля. Таким образом, следящее управление является полуавтоматическим – на первом этапе управления участвует человек (поворачивает вручную штурвал), на втором этапе используются элементы автоматики (сельсин-датчик руля в румпельном отделении), обеспечивающие автоматическую (без участия человека) остановку руля.

Аксиометр является средством дополнительного контроля положения руля. Внутри следящего контура оказываются последовательно включенными два интегрирующих звена СР и РМ. Такие системы являются структурно неустойчивыми. Для придания устойчивости одно из интегрирующих звеньев должно быть охвачено жесткой обратной связью.

Широко распространены схемы, где обратной связью охвачены два звена: рулевая машина РМ и насос регулируемой подачи (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Структурная схема следящего управления РЭГ-приводом с механической обратной связью

Образование внутреннего следящего контура превращает интегрирующее и апериодическое звенья, характерные для гидравлического привода, в обобщенное колебательное звено, передаточная функция которого имеет следующий вид:

18

где К 6 – коэффициент усиления обратной связно масштабно увязы-

вающий воздействие на подачу насоса со стороны руля и со стороны усилителя.

Решение характеристического уравнения, соответствующего данной передаточной функции, показывает, что при соблюдении

условия 4T1K1K2 K6 <1 оба корня уравнения будут отрицательными и

вещественными, поэтому движение руля при управлении со стороны сервопривода будет носить апериодический характер.

При обратном соотношении в рулевом электроприводе возникают автоколебания, т.е. перо руля даже в отсутствие управляющего сигнала совершает самопроизвольные колебания влево-вправо по отношению к диаметральной плоскости судна.

Для подавления автоколебаний в схему управления рулевым электроприводом вводят отрицательную обратную связь по выходному напряжению, при помощи которой часть сигнала (напряжения) с выхода оконечного каскада усилителя подают в противофазе

баллер руля повернется на соответствующий угол .

Таким образом, задача следящего управления рулем превращается в задачу синфазного поворота поста управления ПУ и выходного органа сервомеханизма (СР, ГУ) з .

Общая схема следящего управления рулем распадается на два независимых замкнутых контура I и II.

Поворот поста управления ПУ на некоторый угол вызывает перемещение выхода сервомеханизма на тот же угол, что в свою очередь определит угол перекладки руля. Элементы К 7 и К8 являют-

ся преобразователями углового поворота в эквивалентные электрические сигналы.

Движение же задающего органа з может продолжаться из-за

наличия специальной аккумулирующей пружины. Следовательно, при больших углах перекладки насос работает с максимальной по-

19

дачей и начинает снижать ее за 5° до подхода к заданному положению.

При разомкнутом контуре II возможно простое управление рулем. При простом управлении непосредственно на вход усилителя подается управляющий сигнал. Серводвигатель СР через ГУ или, в случае его отсутствия, через кинематический механизм перемещает на некоторый угол 3 задающий элемент, угол поворота которого после отработки определит положение руля. Контроль перекладки производится по двухстрелочному аксиометру заданного и действительного положения руля. Датчики аксиометра связаны соответственно с заданным α з и фактическим α углами поворота пера руля.

Отключение серводвигателя производится по достижении з требу-

емого значения.

Рассмотренные решения по обеспечению устойчивости работы системы управления рулевого электропривода (рис. 1.12) не являются единственно возможными. За последнее время появились новые структурные схемы управления рулем (АТР, АИСТ), где для обеспечения структурной устойчивости в следящем и автоматическом режимах обратной связью охватывается не рулевая машина, а серводвигатель (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Структурная схема управления РЭГ-приводом с электрической обратной связью

Эти схемы комплектуются аксиально-поршневыми насосами типа IIД. Поворот люльки насоса осуществляется встроенным гидроусилителем, управление которым производится поворотным золотником. Поэтому выход от серводвигателя СР имеет не линейное, а угловое перемещение γ з .

Передаточная функция эквивалентного звена внутреннего контура найдется так:

20