Лекция №27. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ БУКСИРНЫХ ЛЕБЕДОК, СИСТЕМ ОТКРЕНИВАНИЯ СУДОВ (2 часа)

Цель занятия: занятия направлены на формирование компетенций

ПК-1. Способен осуществлять безопасное техническое использование, техническое обслуживание, диагностирование и ремонт судового электрооборудования и средств автоматики в соответствии с международными и национальными требованиями в части знания устройства и принципа работы элементов судовых электроприводов (З-2.4, З-2.5).

ПК-10. Способен осуществлять наблюдение за эксплуатацией электрических и электронных систем, а также систем управления (З-4.1).

Результаты обучения по дисциплине должны обеспечить достижение обучающимися требуемой в соответствии с Таблицей A-III/6 Кодекса ПДНВ компетентности в сфере:

Наблюдение за эксплуатацией электрических и электронных систем, а также систем управления (Судовые электроприводы).

Методические материалы:

1.Савенко А.Е. Судовые электроприводы: учебное пособие для курсантов специальности

26.05.07Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики и направления подготовки 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника / А.Е. Савенко - Керчь: ФГБОУ ВО КГМТУ, 2019.- 208 с.

2.Набор слайдов с иллюстрациями по теме лекции.

Учебное оборудование:

Аудитория, комплектованная учебной мебелью, доской и видеопроекционным оборудованием для презентаций, средствами звуковоспроизведения, экраном.

Последовательность изложения учебного материала:

Электроприводы автоматических буксирных лебёдок

Буксировка судов и других плавучих сооружений в открытом море имеет свои особенности. В условиях непостоянства и случайности внешних возмущений, возможного маневрирования буксирующего судна расстояние между связанными объектами не сохраняется постоянным. Это обстоятельство приводит к изменению натяжения в буксирном канате, которое в неблагоприятных условиях режима буксировки может достигнуть критического значения. Поэтому суда, предназначенные для более или менее регулярных буксировочных операций (морские буксиры, спасатели, ледоколы), как правило, снабжаются специальными буксирными лебедками с электроприводом. Такие лебедки обеспечивают хранение на рабочем барабане всего запаса буксирного каната, ручное и автоматическое регулирование длины буксира при изменении условий плавания позволяют оптимизировать режим буксировки. Одной из основных задач лебедки в автоматическом режиме является поддержание постоянного натяжения в канате, так как резкие ударные нагрузки могут привести к его обрыву, а в условиях маневрирования – даже к опрокидыванию буксира. Значительная слабина троса не исключает его возможность наматывания на винт буксира.

Работа электропривода и средств автоматики буксирной лебедки в рассматриваемом случае регулирования усилий имеет много общего с работой автоматических швартовных лебедок.

Усилия, возникающие в буксирном канате. Нагрузка на буксирном тросе, которая определяет характер работы электропривода, имеет три составляющие.

214

Постоянная сила Т1. Обусловлена сопротивлением воды и воздуха движению буксируемого объекта – воза. Это так называемое натяжение буксира при тихой погоде. Значение буксировочной силы Тх является заданным.

Ударные силы Тг. Возникают в результате резкого изменения внешних условий буксировки. Например, при шквальном ветре, когда общая сила натяжения может сравняться с упором движителей на швартовном режиме.

При входе воза на мелководье в битый лед резко возрастает его сопротивление движению, что становится дополнительной нагрузкой на буксирный канат. Чрезмерные ударные силы могут возникать также в результате нерасчетливого изменения режима работы буксира, изменения курса, упора гребного винта, включения электропривода буксирной лебедки, когда необходимо повышается скорость воза. Ударная нагрузка на буксирный канат не является стационарной.

Гармонические силы Т3. Возникают из-за качки буксира и воза. Качка обусловливает периодическое изменение расстояния между точками крепления троса. Значение этого изменения зависит от параметров морского волнения, а также от курса буксира относительно линии бега волн. Максимальное продольное перемещение буксира на волнении будет при строгом движении вразрез волны.

Важнейшим способом амортизации внешних усилий является так называемая весовая игра буксира, когда изменение расстояния между объектами достигается посредством изменения формы провисающего каната.

Ограничение тягового усилия в буксирном канате может производиться путем его стравливания или выбирания в такт меняющимся внешним силам, посредством автоматизированного электропривода. Рассматривая работу электропривода для компенсации гармонических сил возмущения Т3, можно установить следующее. Период качки буксира на волне составляет 5–12 с при значительной амплитуде его горизонтального перемещения. Действие электропривода в таких условиях должно происходить при больших рабочих скоростях, при номинальном натяжении каната. Потребная мощность лебедки получается соизмеримой с мощностью энергетической установки. Это обстоятельство предопределяет нецелесообразность компенсации гармонических сил возмущения посредством электропривода.

В настоящее время периодические колебания натяжения буксира, вызываемые волнением моря, практически целиком компенсируются упругостью и весовой игрой каната. Увеличение общей податливости гибкой связи достигается посредством увеличения длины буксира, которая в некоторых случаях может достигать километра. В состав такой связи включают амортизаторы из синтетических тросов. Цепные смычки и сосредоточенные грузы позволяют увеличить провисание и общую гибкость буксирной связи.

Мощность ИД. Электропривод буксирной лебедки обеспечивает выдачу необходимой длины буксирного каната и удержание ее в процессе буксировки. При автоматической работе лебедка обеспечивает амортизацию усилий путем вытравливания некоторой установленной длины буксирного каната. Снижение усилия сопровождается подбиранием буферного участка троса. В принципе, можно считать, что лебедка обеспечивает дискретное регулирование постоянства двух параметров: установленного натяжения и длины буксирного каната.

При ручном и автоматическом управлениях лебедкой в переходных процессах выбирания и остановки привода после стравливания могут возникнуть ударные перегрузки, опасные для целостности троса. Поэтому правильный выбор номинальных и регулировочных рабочих скоростей лебедки имеет решающее значение.

Рассчитанную мощность относят к кратковременному режиму работы – 30 мин для неавтоматических буксирных лебедок и 60 мин для автоматических лебедок с измерителем натяжения. Работа лебедки по установке буксира кратковременная, при сравнительно небольшом числе включений. При буксировке в сложных условиях режим работы близок к повторнократковременному с ПВ 3–5 %, при частоте включений не более 100 за один час (рис. 27.1).

215

Рисунок 27.1 - Функциональная схема буксирной лебедки с измерителем натяжения

Элементы схемы:

ИД – исполнительный двигатель; НОВ – независимая обмотка возбуждения; ТП – тиристорный преобразователь; СФУ – система фазового управления;

СКАР – сельсинный командоаппарат с переключателем ПУ; ПУ – пост управления; ЗИ – задатчик интенсивности с интегрирующим устройством; БО – блок ограничения;

П – регулятор ЭДС с пропорциональным усилителем ; ПИ – регулятор тока с пропорционально – интегрирующим усилителем тока; ДТ – датчик тока; ДЭ – датчик ЭДС;

ИТ – измеритель тока; ИН – измеритель напряжения;

В или Н – вперед или назад.

Работа системы управления

ПУ задает сигнал соответствующей полярности, который с выхода СКАР поступает на ЗИ, преобразующий скачкообразный сигнал в напряжение требуемого вида. От ЗИ сигнал поступает на П, а с него на ПИ, и с него на СФУ соответствующего ТП. Двигатель начинает вращаться. При вращении ДИ при свободном травлении появляется обратная связь по ЭДС через ДЭ, которая поддерживает скорость травления на заданном уровне.

В момент натяжения троса на П через контакт ДТ1 поступает от постоянного источника дополнительный сигнал ΔU, который выводит П в режим насыщения. Одновременно сигнал, поступающий на БО, через контакт ДТ2 ограничивает выходной сигнал П регулятора ЭДС на уровне, соответствующем заданному статическому току ИД, т.е. заданному натяжению. Контур регулятора П размыкается, система контролирует лишь статический ток ИД.

При буксировке различают три основных режима работы электропривода:

-усилие в буксирном тросе превышает усилие настройки;

-меньше этого усилия;

-равно ему.

При установившемся режиме буксировки усилие в тросе равно усилию настройки (моменту двигателя).

ИД находится под током, его обороты равны 0.

216

При возрастании усилия больше настроечного ИД переходит в режим противовключения, увеличивается тормозной момент (ток) двигателя, сигнал обратной связи по току превысит сигнал задания по статическому току, поэтому результирующий сигнал на входе ПИ регулятора тока меняет знак. СФУ подает импульсы на открытие тиристоров, не работавших до этого времени, напряжение на выходе ТП изменяет знак, двигатель реверсируется и начинает травить трос. Натяжение троса снижается и, когда оно станет равным настроечному, момент и ток двигателя спадают, сигнал на входе ПИ регулятора тока снова меняет знак, в результате двигатель реверсируется и тормозится.

В случае ослабления натяжения статический ток двигателя уменьшается. При этом сигнал на входе ПИ регулятора тока увеличивается, двигатель начинает выбирать слабину троса. Когда слабина выбрана и увеличилось натяжение до значения уставки, двигатель будет тормозиться до остановки с заданным статическим током.

Электроприводы систем откренивания судов

Выравнивание крена является обязательным для судов с горизонтальным способом погрузки. Это связано не только с необходимостью повышения безопасности грузовых операций, но и способствует нормализации нагрузки на въездную аппарель, чем обеспечивается ее надежное функционирование.

Принцип действия системы откренивания. Выравнивание крена судна в общем случае может быть произведено посредством перераспределения воды в балластных танках. Такие операции широко применяются на всех судах. При этом в работе участвуют специальные центробежные балластные насосы с электроприводом.

На ролкерах крен не должен превышать 0,5–2,0°. Учитывая большую интенсивность погрузочно-разгрузочных работ, возникает необходимость в очень частом выравнивании судна. Поэтому на таких судах системы откренивания являются в известной мере автономными и в большинстве случаев автоматизируются. Принцип работы систем выравнивания крена заключается в следующем (рис. 27.2). По бортам судна устанавливается одна или несколько цистерн большой вместимости. В нормальных условиях они наполовину заполняются водой.

Рисунок 27.2 - Кинематические схемы систем откренивания судна:

а – схема с перекачивающим насосом; б – схема с перекачкой посредством избыточногодавления воздуха в танках

Для создания кренящего или выравнивающего момента необходимо переместить жидкость из цистерн одного борта в цистерны другого борта.

217

В настоящее время широко распространены две кинематические схемы. В первой схеме (рис. 27.2, а) перемещение воды производится пропеллерным насосом Н, который вращается посредством электропривода. Направление подачи определяется работой группы реверсирующих пневматических клапанов К1–К.4. Например, при включении клапанов КК КЗ происходит перекачка жидкости из танка ТП правого борта в танк ТЛ левого борта. После создания необходимого восстанавливающего момента, что контролируется посредством кренометра, клапаны закрываются и насос останавливается. Заполнение или спуск воды производится работающим насосом через кингстоны КП, КЛ правого или левого борта. В создании нужного направления потока жидкости дополнительно участвуют клапаны К5, К6.

Во второй схеме (рис. 27.2, б) перемещение воды осуществляется путем создания избыточного давления воздуха в одной из цистерн. Воздух закачивается электрокомпрессором, который непрерывно находится в работе. Необходимое направление подачи воздуха выбирается пневматическими клапанами КЗ, К4. При этом цистерна борта, противоположного нагнетанию, сообщается с атмосферой посредством соответствующего клапана К1 или К2. Давление на стороне нагнетания компрессора регулируется автоматическим клапаном К7. Танки ПБ и ЛБ рассматриваемой системы постоянно связаны между собой. Их первоначальное заполнение или осушение производится судовым балластным насосом.

Система открениваиия может быть использована для определения метацентрической высоты судна. В этом случае после выравнивания воды в танках производят полную перекачку на любой борт. Зарегистрированное изменение угла крена и известный кренящий момент, заполненной цистерны при текущем значении водоизмещения судна позволяют по соответствующим диаграммам найти метацентрическую высоту.

Автоматизация открениваиия (рис. 27.3). Общая структура системы автоматического откренивания принципиально не зависит от используемого способа принудительной перекачки воды между бортовыми цистернами. При появлении крена судна (С) датчик крена (ДК) подает эквивалентное напряжение на регулятор Р, который через систему управления перекачкой УП производит перемещение воды между бортовыми цистернами Т, предельные уровни воды в танках регистрируются датчиками наполнения ДН, которые при срабатывании прекращают перекачку и включают сигнализацию. Разрывом контура обратной связи система может быть переведена в режим ручного управления. В этом случае контроль угла крена осуществляется визуально по измерительным приборам–кренометрам.

ДН

М(t)

Ѳ

И

Рисунок 27.3 - Обобщенная структурная схема автоматического откренивания судна

218

Реализуемые на судах элементы системы автоматического управления открениванием имеют следующие особенности.

1.Индуктивные датчики. Чувствительным элементом здесь является маятник, который непосредственно воздействует на сердечник преобразователя. Перемещение сердечника механически ограничено и составляет 3–5 мм в каждую сторону. Поэтому датчики этого типа не используются в схемах измерения угла крена при его изменении в широком диапазоне.

2.Ватерпасные датчики. Чувствительный элемент такого датчика представляется в виде изогнутой стеклянной трубки, заполненной жидкостью. Изменение положения трубки, связанное с креном, вызывает смещение воздушного пузырька внутри трубки, что нарушает симметрию освещенности двух фотоэлементов и приводит в действие компенсационную схему измерений. Последняя включает в себя фазочувствительный усилитель, серводвигатель и потенциометрический резистор. Работающий серводвигатель поворачивает в необходимую сторону измерительную трубку до восстановления равной освещенности фотоэлементов. Угол поворота и есть угол крена. Одновременно поворачивается движок потенциометрического резистора, преобразующего поворот в эквивалентный электрический параметр. Характеристика рассматриваемого датчика линейна в широком диапазоне изменения углов, он используется одновременно в системе регулирования и для информации о положении судна.

Датчики наполнения танков ДН. Для регистрации предельных состояний (полное заполнение, цистерна пуста) широко используются релейные датчики уровня поплавкового типа. Для целей измерения степени заполнения цистерны более распространены емкостные датчики с мостиковой измерительной схемой и операционными усилителями. Датчики такого вида в некоторых системах откренивания используются и для характеристики фиксированных промежуточных или предельных состояний.

Регулятор Р. Учитывая большую инерционность объекта, в системе откренивания используют регуляторы релейного типа. Регуляторы имеют внешние задающие органы изменения угловых уставок включения и отключения системы откренивания, чем определяется зона нечувствительности автоматизированной схемы, а также элементы задания максимальных углов крена, в диапазоне которых обеспечивается нормальное протекание процесса регулирования. В качестве регуляторов широко применяются микроЭВМ, выполняющие роль дискретного управляющего устройства. При этом ЭВМ формирует не только рабочий управляющий сигнал, но и выдает необходимую информацию о состоянии рабочих параметров системы: направление перекачки, наполнение или осушение цистерны, максимальный угол крена.

Мощность ИД. При наличии рабочих характеристик насоса или компрессора оценка мощности ИД для системы откренивания не представляет трудностей. Вместе с тем мощность ИД может быть найдена по общим условиям, связанным с энергетическими показателями работы по перемещению воды из одной цистерны в другую.

Контрольные материалы для проверки усвоения учебного материала:

219

220

221