Введение

Цель курса "Судовые автоматизированные электроприводы" дать основные сведения, необходимые будущим инженерам-электромеханикам при эксплуатации судовых автоматизированных электроприводов. Программа дисциплины предусматривает изучение принципа действия и схем управления, выполнение расчетов и выбор электрооборудования электроприводов.

Электропривод состоит из электродвигателя, передаточного устройства и электрической аппаратуры управления. Электропривод может быть групповой, многодвигательный и одиночный. Автоматизированный электропривод с автоматическим или полуавтоматическим управлением имеет в своем составе электрические машины как постоянного, так и переменного тока.

В системах с машинами постоянного тока сравнительно простыми способами осуществляется плавное и широкое регулирование частоты вращения, получаются требуемые механические характеристики и обеспечиваются наивыгоднейшие переходные процессы. Двигатели переменного тока (в особенности АД) проще, дешевле, легче и надежнее в эксплуатации, но у них значительно сложнее решаются вопросы регулирования частоты вращения. Развитие автоматического управления на судах обуславливает широкое использование для целей управления микропроцессорной и вычислительной техники.

Электропривод наряду с электростанцией это основные объекты, которые должен хорошо знать электромеханик и обеспечивать их грамотную, энергосберегающую эксплуатацию с учетом экономических показателей.

1. Рулевые электроприводы

На морских судах для маневрирования в основном применяют кормовые рули, перекладка которых осуществляется с применением электропривода.

Принцип действия руля.

При прямолинейном движении судна руль, находящийся в диаметральной плоскости (ДП), испытывает с обеих сторон одинаковое давление набегающих струй воды.

Рисунок 1.1 - Принцип действия руля.

При отклонении от ДП (рис.1.1) на угол "α "на поверхности, обращенной к набегающему потоку появляется сила Рα, приложенная в центре давления, которая разлагается на две составляющие Рх и Ру. Поместим в центре тяжести судна G две силы Рy₁ и Ру₂, параллельные Ру и уравновешивающие друг друга.

Силы Ру₂ и Ру составляют пару сил с плечом L/2 (половина длины судна) и образуют момент, поворачивающий судно в сторону перекладки руля

. (1.1)

Cила Р_у1 называется силой дрейфа, сносит судно боком во внешнюю сторону.

Сила Р_х создает дополнительное сопротивление движению судна.

Обобщенная сила Р_α создает противодействующий момент на баллере руля, который является нагрузкой для электропривода.

М_б = Р_αб, где б = 0,5в; в – ширина пера обыкновенного руля прямоугольной формы (рис.1.2).

Для балансирного руля б = 0,5в – li.

Рисунок 1.2 – Баллер руля.

Сила Р_α величина переменная

Р_α = К_αFv², (1.2)

где F – площадь пера руля, м²,

V – скорость судна, уз.;

Кα – коэффициент, зависящий от "α".

Крутящий момент на баллере обыкновенного руля прямоугольной формы:

Мб = Кб Fv²б. (1.3)

Для обыкновенных рулей прямоугольной формы

К_α =5,3sinα/(0,2+0,3 sinα),

К_б =5,3sinα.

Д ля угла перекладки 35° К_α=8,16; К_б=3,04.

а) обыкновенный руль б) для балансирного и в) задний ход для всех

при переднем ходе полубалансирного руля типов рулей

при переднем ходе

Рисунок 1.3 – Графики моментов.

П ри циркуляции (рис. 1.4) угол между пером руля и набегающим потоком становится больше на величину угла дрейфа α = α_перекл + β и опорный момент на баллере возрастает (рис. 1.5). Приближенно β = 75˚/Д_{циркуляции} и К_{опорный} ≈ ≈ 1,4 – 1,6.

Рисунок 1.4 – Изменение курса судна

Рисунок 1.5 – График моментов при циркуляции

Для обтекаемых рулей (по теории крыла Н.Е.Жуковского)

P_α = (C_ycos α + C_xsinα)ρFV²/2,

где C_y – коэффициент поперечной или подъемной силы,

C_x – коэффициент лобового сопротивления,

ρ – плотность среды кг/м³,

F – площадь пера руля, м²;

V – скорость судна, м/с.

1.2. Структура рулевого электропривода

Рули применяют простые, балансирные и полубалансирные.

Привод может быть электромеханический с секторной или редукторной передачей. Управление перекладкой руля производится непосредственным включением и отключением электродвигателя в прерывистом режиме.

Электрогидравлический – здесь электродвигатель непрерывно вращает насос, от которого при перекладке руля подается масло на гидравлическую систему РМ.

Управление по степени автоматизации рулевые электроприводы делится на:

Простое: перекладка руля зависит от времени воздействия на пост управления и перекладка прекращается при возвращении рукоятки ПУ в нулевое положение. Аксиометр показывает угол отклонения пера руля от ДП.

Следящее: управление по пути, т.е. каждому положению штурвала поста после отработки соответствует определенное положение руля.

Автоматическое – выполнение заданной программы перемещения судна. В частном случае – стабилизация судна на прямом курсе.

1.3. Требования Регистра к рулевым электроприводам

1) Должно быть два привода: основной и запасной или независимый дублирующий. При размещении элементов привода ниже ватерлинии требуется еще аварийная система управления рулем.

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 при полной скорости обеспечивать для каждого агрегата перекладку с бора на борт в течение 0,5 часа.

6) Должна быть обеспечена работа привода при заднем ходе при 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 в питании.

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.

1.4. 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 М_бал при разных углах перекладки.

При прямом ходе

М = М_б/iη, (1.4.1)

где i= i₁ i₂ – передаточное число; i₁ – зубчатки, i₂ – червячной передачи для секторного РУ.

Для гидравлического РУ:

η = η₁ η₂ η₃, где η₁ – КПД червячной передачи, η₂ – цилиндрической пары,

η₃ – баллера, η ≈ 0,8 ÷ 0,9%.

При обратном ходе

М´ = М´_бη´/i, (1.4.2)

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 η ≠ η´ и относятся к полной нагрузке, т.е. при М_бmax, а при изменении нагрузки они меняются. Поэтому применяют приближенные нагрузочные диаграммы.

Рисунок 4.1 – Графики моментов.

Тогда М = М₀ + а М_б, где М₀ – момент сопротивления из-за трения и для простых рулей = 0,1 ÷ 0,2, для балансирных

(0,2 ÷ 0,3) М_бmax; а = . (1.4.3)

Тогда

М = М_б/iη + (М_бmax - М_б) М₀/ М_бmax, (1.4.4)

а для отрицательных моментов

М´ = М´_бη´/i + (М´_бmax - М´_б) М₀/ М′_бmax, (1.4.5)

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.

1.5. Режим работы рулевого электропривода

В ходовом режиме судна ЭП работает непрерывно. При неизменном курсе перекладка руля составляет 4 - 6º с достаточно большой частотой и малым моментом.

В маневренном режиме частота меньше, а углы больше. Можно принимать повторно – кратковременный режим с ПВ = 15 –25%. При заклинивании пера руля у электродвигатель работает в режиме стоянки под током. Т.е. ЭП должен работать от х.х. до стоянки под током.

1.6. Расчет и выбор мощности рулевых электроприводов

Для механических РУ применяют как двигатели постоянного так и переменного тока.

При выборе исполнительного электродвигателя определяют зависимость n = f(М) при заданном времени перекладки.

При применении двигателя постоянного тока часто применяют систему генератор-двигатель (Г – Д) с ненасыщенным генератором и противокомпаундной обмоткой.

Исходными данными для расчета характеристик исполнительного двигателя являются: Т – заданное время перекладки руля с борта на борт в "с", α_max – максимальный угол перекладки от ДП, М_б =f(α); i – полное передаточное число, η – КПД привода.

Определяем обороты, эл.момент и мощность

n = n₀ – Bm.

"b" находим при n =0 и М = М_{стоянки под током}

0 = n₀ – bM_ст,

b = ,

тогда

n = n₀ – М = n₀(1- ), (1.6.1)

и отсюда

М = M_ст(1 - ). (1.6.2)

M_ст = 1,52 ÷ 2 М_max с учетом перегрузочной способности ЭД, умножив на " n"

М n = M_ст(n - ),

Р = M_ст(n - ) кВт. (1.6.3)

Найдем n_н и М_н:

,

,

n_н = , (1.6.4)

n₀ = 2 n_н ,

М_н = M_ст(1 - ) = M_ст = M_ст ,

М_н = . (1.6.5)

1.7. Перекладка руля с постоянной скоростью

Для простого руля (рис.1.7.1) первый период от -α_max до 0.

Для балансирного и полубалансирного (рис.1.7.1):

от - α_max до + α₁.

Рисунок 1.7.1 – Графики моментов.

Момент на валу электродвигателя в первом периоде на переднем и заднем ходу неизменен:

М₀ = Mст(1 - ),

n₁ = n₀ (1- ), (1.7.1)

где n₁ –обороты в первом периоде.

Между временем перекладки с постоянной скоростью в первом периоде t₁, и углом поворота баллера руля существует зависимость:

Для простого руля

ω_б t₁ = α˚_max . (1.7.2)

При n = n₁ = const

2π n₁t₁/60i= n₁t₁/9,55i = α_{max радиан} ,

и тогда

t₁ = 9,55 i α_{max .} (1.7.3)

Для балансирного и полубалансирного руля

ω_б t₁ = α˚_max + α₁˚ и t₁ = 9,55 i(α_max+ α₁) _. (1.7.4)

Во втором периоде перекладки (0 до + α˚_max или (α₁˚+ α˚_max) имеет место замедленное движение и скорость перемещения пера руля переменна.

Приравняем М_{движущий} к М_{сопрот.}:

M_ст(1 - ) = М₀ + (М _max - М₀) ,

n = n₀ - n₀ - n₀(М _max - М₀) .

Обозначим постоянные величины:

n₀ - n_{0 =} А,

n₀(М _max - М₀)/ M_ст α_max = В.

Тогда

n = А – Вα,

t = .

dt = c₀dα/(А – Вα),

где с₀ = 30i/π = 9,55i.

Тогда t₂ (α = от 0 до α_max) для простого руля при переднем ходе

t₂ = c_{0 ,}

t₂ =│-(с₀/В)ℓn(А- Вα)│ ,

t₂ = -(с₀/В)ℓn(А- В α_max)/А.

Подставим значения А и В получим

t₂ = - { с₀ α_max M_ст /[( М _max - М₀) n₀]ℓn[(M_ст - М _max)/(М_ст – М₀]с_{0 ,}

с₀ =9,55i. (1.7.5)

При рассмотрении режима перекладки на заднем ходу судна от 0 до α₁

t3х= - {9,55i α1 Mст/[( М max - М0) n0}ℓn[(Mст - М max)/(Мст – М0)]. (1.7.6)

При перекладке на заднем ходу от α₁ до α_max

t3х′ = 9,55i( α_max - α₁) M_ст/[ n₀(M_ст - М _max)]. (1.7.7)

Полное время перекладки с борта на борт при переднем ходе судна

Т = t1 + t2.

Для простого руля:

Т = . (1.7.8)

Время "Т" задается Регистром – 28 сек и нам надо определить n_0Х.Х электродвигателя

n₀ = . (1.7.9)

Для балансирных и полубалансирных рулей:

n₀ = . (1.7.10)

При заднем ходе судна

Т = t₁+ t_3х+ t′_3х ,

n₀ = .(1.7.11)

Для учета переходных процессов "Т" уменьшают на 2 – 3 сек. Т = Т_зад – 2с

Момент стоянки электродвигателя под током принимают

М_{стоянки} = ÷ 1,5 М _max.

Задаваясь моментом стоянки электродвигателя под током и определив n₀ для конкретного типа руля и направления движения судна М и n, определяют механическую характеристику исполнительного двигателя, удовлетворяющую заданному времени "Т".

Частоты вращения, соответствующие моментам М и М _max:

n₁ = n₀(М_{стоянки} - М₀)/ M_ст

и

n _max = n₀(М_ст - М _max)/ M_ст. (1.7.12)