Расчет рулевого электропривода следящего действия по системе генератор-двигатель

Расчет рулевого электропривода следящего действия по системе генератор-двигатель

Курсовой проект

«Расчет рулевого электропривода следящего действия по системе генератор-двигатель»

Введение

Электропривод рулевого устройства является наиболее важным и ответственным из всех судовых механизмов, поскольку он обеспечивает управляемость, устойчивое движение и маневренные качества судов речного и морского флота, тем самым создавая условия для их оптимальной и безаварийной эксплуатации.

В данном курсовом проекте рассчитывается система рулевого электропривода электромеханического типа следящего действия на основе системы генератор - двигатель постоянного тока, выбирается двигатель, рассчитываются его нагрузочные характеристики, производится расчёт и выбор элементов системы управления и определение их статических параметров. Так же производится расчёт динамических свойств системы.

1.     
Требования, предъявляемые к электроприводам рулевых устройств

электропривод генератор двигатель нагрузочный

1.      Мощность основного механического рулевого привода должна быть достаточной для перекладки руля (поворотных насадок) на угол от 35º одного борта до 35º другого борта за время не более 30 с. при максимальной скорости переднего хода судна и осадки его по грузовую ватерлинию.

2.      Рулевые приводы должны обеспечивать непрерывную работу в наиболее тяжелых условиях эксплуатации. Двигатели рулевых приводов должны допускать их перегрузку по моменту не менее 1,5 расчетного момента в течение одной мин.

.        Рулевое устройство должно быть оборудовано тормозом или иным приспособлением, обеспечивающим удерживание руля (поворотной насадки) на месте в любом положении при действии со стороны руля крутящего момента без учета коэффициента полезного действия подшипников баллера руля.

.        Возможность быстрого и простого перехода с одного поста управления на другой, а также перевода управления на вспомогательный электропривод за время не более 2 мин.

.        Пусковые устройства должны обеспечивать повторный автоматический пуск электрических двигателей при восстановлений напряжения после перерыва в подачи питания.

.        В ходовой рубке у поста управления рулем или на пульте управления должно быть устройство, сигнализирующее о наличии напряжения в цепи питания рулевого привода, его перегрузки и отключения. Сигнал о перегрузке и отключении должен быть световым и звуковым.

.        Электрический привод рулевого устройства должен обеспечивать:

. Непрерывную перекладку руля с борта на борт в течение 30 мин. для каждого агрегата при наибольшей эксплуатационной скорости переднего хода и осадки судна по грузовую ватер линию;

. Возможность стоянки исполнительного электрического двигателя под током в течение одной минуты с нагретого состояния (только для рулей с электрическим приводом);

. Непрерывную работу в течение одного часа при наибольшей эксплуатационной скорости переднего хода и при перекладке руля на угол, обеспечивающий 350 перекладок в час.

8.      В схеме управления рулевого электрического привода должны быть предусмотрены конечные выключатели, ограничивающие перекладку руля или насадки на левый и правый борт. При срабатывании одного из них должна обеспечиваться возможность перекладки руля в обратном направлении.

9.      Коммутационная и пускорегулирующая аппаратура в цепях электрических приводов, не является одновременно защитным устройством от токов КЗ, должна выдерживать ток КЗ который может протекать в месте её установки, в течении времени, необходимого для срабатывания защиты. Применяемая пускорегулирующая аппаратура должна допускать возможность пуска электрического двигателя только из нулевого положения.

.        Простота обслуживания и эксплуатации.

.        Высокие экономические показатели.

2. Задание на курсовое проектирование

Таблица 1 - Характеристики судна

Таблица 2 - Тип двигателей и система привода

3. Расчёт и построение нагрузочной характеристики электродвигателя рулевого устройства электромеханического типа

Рис. 1 Сектор с двумя рулями

- штурвальная колонка;

- штурвальное колесо;

- угловая передача;

- ходовая муфта;

- подшипники;

- труба;

- шарнирная муфта;

- червячная передача;

- сектор

- румпель;

- буферные пружины.

Рис. 2 Схема валиковой проводки с червячной передачей у сектора

Для построения нагрузочной характеристики электродвигателя рулевого устройства необходимо выбрать конкретную конструкцию валикого рулевого привода, сделать её чертежи и установить основные параметры механической передачи: общее передаточное число i_0, общий КПД передачи η₀, с учетом i и η всех звеньев передачи.

Значения общего передаточного числа рулевых машин речных судов находятся в пределах:

i₀ = 1600 - 3000

Принимаем следующее общее передаточное число:

i_общ = 3000

Общее значение КПД самотормозящих рулевых передач электромеханического типа должно быть меньше 0,5. Значение полного КПД определяется в соответствии с кинематической схемой рулевого устройства с учетом КПД всех её элементов.

Общий КПД механического привода машины:

η _общ = 0,45

После установления основных параметров механической передачи строится нагрузочная характеристика электродвигателя, т.е. зависимость момента на валу электродвигателя от угла перекладки руля:

, Нм

где n - число рулей, приводимых в движение данным электроприводом;

М_б - значение момента на баллере, из диаграммы М_б = f (α);

i, η - полное передаточное число и общий КПД механической передачи.

Максимальный момент нагрузки на двигателе:

Нм,

где М_{б max} - максимальный момент на баллере.

В практике проектирования обычно используют линеаризованные нагрузочные характеристики, для построения которых достаточно определение 2-3 значений моментов и углов.

М₀ - момент для покрытия потерь в механических самотормозящихся передачах (в области отрицательных моментов сопротивления).

М₀ = (0,2-0,3) М_max = 0,3 ∙ 29.9 = 8.96 Нм - для балансирных рулей.

α = 10˚ М_б = 408,24 Нм

α = 25˚ М_б = 8189,3 Нм

α = 30˚ М_б = 13798,5 Нм

При использовании балансирных рулей момент на баллере может принимать положительные значения при переднем ходе судна и при отрицательных углах α. В этом диапазоне углов α допускается момент на валу двигателя считать также равным М_0. Нагрузочная характеристика строится для переднего хода судна.

Рис. 3 Диаграммы моментов сопротивления на баллере балансирного руля

М_б = f (α) и на валу электродвигателя рулевого устройства М_д = f (α) при переднем ходе судна.

4. Электропривод следящего действия по системе генератор - двигатель

Рулевой электропривод по системе Г-Д находит применение на многих судах речного и смешанного река-море плавания. Это объясняется рядом преимуществ этой системы по сравнению с другими видами управления электроприводами рулевых устройств (контроллерным, контакторным и др.).

Расчет мощности электродвигателя производится по характеристике моментов сопротивления на его валу М_д = f (α). При этом должны выполняться требования Речного Регистра РФ в отношении электроприводов рулевых устройств.

4.1 Расчёт мощности и выбор исполнительного электродвигателя

Расчет мощности электродвигателя производится по угловой скорости идеального холостого хода (ω) и пусковому моменту, равному моменту короткого замыкания (М). Расчет мощности электродвигателя следует проводить по формуле:

= 1.955 кВт

где - скорость идеального холостого хода электродвигателя (об/мин).

Значение М обычно задаётся:

М=(1,5÷2,0) М,

где М- максимальный момент, возникающий на валу двигателя при перекладке пера руля.

Выражения для угловой скорости  при идеальном холостом ходе электродвигателя получаются при совместном решении уравнений, описывающих механическую характеристику электродвигателя и характеристику моментов сопротивления на его валу. Для упрощения расчетов механическая характеристика считается линейной (двигатель с независимым возбуждением).

Для нагрузочной диаграммы, представленной на рис. 1:

где α - измеряется в градусах.

Т - время, которое принимается на 1,5-2 сек меньше времени перекладки пера руля с борта на борт, требуемого Речным Регистром (Т = 28 сек).

Величина угла  принимается равной максимальному углу перекладки пера руля, т.е.

Значения  и  принимаются из нагрузочных диаграмм.

При расчетах  нужно задаваться таким передаточным числом i, чтобы расчетная номинальная скорость  была близкой к одной из стандартных скоростей электродвигателей.

Исполнительный двигатель выбирается по расчетной мощности Ррасч и частоте вращения n_н:

об/мин

Если выбирается двигатель общепромышленного исполнения (например, серии «П»), то условие выбора:

Pнд = Ркат дл ≤ Pрасч

Паспортные данные выбранного электродвигателя

4.2 Расчёт мощности и выбор генератора

Расчетная мощность, развиваемая генератором в номинальном режиме

кВт

где Р_нд - номинальная мощность исполнительного электродвигателя, кВт;

η_нд - номинальный КПД исполнительного электродвигателя.

Однако, выбор генератора производится не по расчетной, а по, так называемой, габаритной мощности генератора:

где  =  - номинальное напряжение генератора, необходимое для получения , В

- номинальный ток генератора, который по условиям нагрева может быть принят на 10-20% ниже номинального тока двигателя.

; кВт;

кВт

Выбор генератора производится из каталога по условию  , исполнение водозащищенное или брызгозащищенное. Номинальная частота вращения генератора для снижения габаритов и веса преобразователя должна быть не менее 1500 об/мин.

Паспортные данные выбранного генератора

4.3 Выбор возбудителя

В системах Г-Д следящего действия в качестве возбудителей обычно используется полупроводниковые, магнитные или электромашинные усилители.

Мощность возбудителя, питающего обмотки возбуждения генератора и исполнительного двигателя, аппаратуру управления, контроля и сигнализации, рассчитывается по формуле:

 ΣPу,

где U_e - выходное напряжение возбудителя, В;

- ток обмотки независимого возбуждения генератора, А;

- ток возбуждения исполнительного двигателя, А;

ΣPу - суммарная мощность одновременно работающих элементов управления, контроля и защиты, примерно может быть принята равной 100-200Вт; Iрг, Iрд - токи разрядных резисторов обмоток возбуждения генератора и двигателя, А.

Величина сопротивлений разрядных резисторов принимается в 3-5 раз больше сопротивлений обмотки возбуждения при напряжении возбуждения 220В. Все резисторы выбираются по величине сопротивления и по току (мощности рассеивания).

В системах Г-Д следящего действия при использовании в качестве следящего органа сельсинной пары сигнал управления на возбудитель генератора подается через фазочувствительный усилитель или фазочувствительный выпрямитель.

Паспортные данные выбранного ЭМУ

Выбираем диоды в цепь возбуждения генератора:

Д112 - 25х - 2: I_ПР = 25 А, U_ОБР.MAX = 300 В, ΔU_ПР =1 В, f = 50 Гц.

Паспортные данные сельсинной пары

4.4 Выбор фазочувствительного выпрямителя

Выберем диоды в цепи фазочувствительного выпрямителя: в зависимости от прямого тока и обратного напряжения.

Д112 - 10х - 2: I_ПР = 10 А, U_ОБР.MAX = 200 В, ΔU_ПР =0,8 В, f = 50 Гц.

Трансформатор TV1, для фазочувствительного выпрямителя выбираем понижающий 220/110 мощностью 260Вт, тип: ТС - 260 У.

4.5 Выбор приводного электродвигателя

Выбор приводного асинхронного электродвигателя производится по расчетной мощности генератора с учетом его КПД.

, кВт

где Р_расч - расчетная мощность исполнительного электродвигателя, кВт;

 - КПД исполнительного электродвигателя;

 - КПД генератора при половинной его загрузке.

КПД генератора при половинной загрузке:

,

 - номинальное значение КПД генератора.

Выбор приводного двигателя производится из каталога общепромышленных асинхронных двигателей.

Паспортные данные выбранного приводного электродвигателя

5. Расчёт динамических свойств системы

Расчёт динамических свойств предполагает определение устойчивости спроектированной системы и построение кривой переходного процесса при изменении задающего воздействия в режиме удержания судна на курсе.

Рис. 4 Структурная схема следящей системы

где W_С = k_и - передаточная функция сельсина;

W_ФЧВ = k_ФЧВ - передаточная функция фазочувствительного выпрямителя;

W_ЭМУ = k_ЭМУ - передаточная функция электромашинного усилителя;

W_Г - передаточная функция генератора;

W_Д - передаточная функция двигателя;

W_Р - передаточная функция рулевой машины;

W_f - передаточная функция двигателя по каналу момента.

Передаточная функция сельсинов:

Wс = k_и

В-напряжение на выходе сельсинной пары

k_и =

Передаточная функция фазочувствительного выпрямителя:

W_ФЧВ = k_ФЧВ

k_ФЧВ =

Передаточная функция электромашинного усилителя:

W_ЭМУ = k_ЭМУ

k_ЭМУ =

Передаточная функция генератора:

W_Г =

Передаточный коэффициент генератора:

Конструктивный коэффициент генератора:

где 1,24 - коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления меди при нагреве;

 - номинальный ток якоря в режиме, А;

 - сопротивление цепи якоря двигателя, Ом;

- номинальная угловая скорость, .

Постоянная времени генератора:

Активное сопротивление контура обмотки независимого возбуждения генератора учитывает сопротивление собственно независимой обмотки () в нагретом состоянии, сопротивление разрядного резистора и сопротивление регулировочного реостата, введенного последовательно в цепь обмотки независимого возбуждения генератора (Rп) в первом положении рукоятки поста управления:

Индуктивность обмотки независимого возбуждения генератора:

где 2 р - число полюсов генератора;

W - число витков на полюс независимой обмотки возбуждения генератора;

 = 1,2 - 1,35 - коэффициент насыщения машины;

 - определяется графическим дифференцированием по кривой намагничивания на прямолинейном участке, Вс / Авит;

где Ф - магнитный поток, Вб;

F - МДС, соответствующая величине магнитного потока Ф, Авит.

W_Г =

Передаточная функция двигателя:

Электромагнитная постоянная времени:

Индуктивность якорной цепи двигателя:

где k - коэффициент, равный 0,55;

рд - число пар полюсов двигателя.

Ом

Электромеханическая постоянная времени:

Передаточный коэффициент двигателя:

Конструктивный коэффициент двигателя:

где 1,24 - коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления меди при нагреве;

 - номинальный ток якоря в режиме ПВ = 25%, А

 - сопротивление цепи якоря двигателя, Ом;

- номинальная угловая скорость при ПВ = 25%,

Передаточная функция рулевой машины:

W_Р =

=

W_Р =

Передаточная функция двигателя по каналу момента:

=

Коэффициент разомкнутой системы:

Определим величину коэффициентов В и b:

= (- (23)), град

 = 0,082

Реальный передаточный коэффициент разомкнутой системы:

Условие  выполняется, значит спроектированная система обеспечивает заданную статическую точность регулирования и заданное время перекладки пера руля с борта на борт.

Рис. 5 График переходного процесса

6. Схема электрическая принципиальная рулевого электропривода

Рис. 6 Схема электрическая принципиальная рулевого электропривода следящего действия по системе генератор-двигатель

6.1 Описание работы схемы

ЭМУ поперечного поля М5 имеет дифференциальную обмотку возбуждения, состоящую из двух частей: L1M5 и L2М5, магнитные потоки которых направлены встречно. Задающее устройство - сельсин - датчик ВЕ, а отрабатывающее устройство - сельсин - приемник ВС. Напряжение на статоре ВС: U= U_MAX∙cosφ.

Очевидно, что при φ = 0 напряжение на выходе ВС является максимальным, что не удобно для построения системы управления. Для получения при φ = 0, U = 0 ротор ВС затормаживается при φ = 90° и такое положение ротора принимается за начальное. Таким образом, напряжение на выходе ВС зависит от угла рассогласования, а фаза от направления поворота ротора ВЕ.

Для преобразования определенной фазы переменного тока в ток определенной полярности, постоянный, в схеме применяется фазочувствительный выпрямитель состоящий из VD7 и VD8, TV1 и TV3, емкостного фильтра С1 и С2. При φ = 0 напряжение от ВС на первичную обмотку TV1 не поступает. К обоим VD прикладывается напряжение от TV3 через каждые полпериода противоположной полярности. В течении одного полупериода токи в L1M5 и L2M5 равны нулю, а в течение второго полупериода будут протекать одинаковые токи, значит, результирующий поток будет равен нулю. При φ ≠ 0 в первичной обмотке TV1 появится напряжение определенной фазы. В обеих половинах его вторичной обмотки появится равное напряжение, но противоположное по фазе относительно VD7 и VD8 будет прикладываться суммарное напряжение от обоих трансформаторов, совпадающее по фазе на одном вентиле и противоположное на другом, значит, через одну обмотку ЭМУ будет протекать ток больший, чем через другую. Суммарный поток не равен нулю и на выходе ЭМУ появится напряжение определенной полярности. Генератор вырабатывает ЭДС соответствующей полярности и исполнительный двигатель М1 перекладывает перо руля в определенном направлении.

7. Схема внешних подключений

Рис. 7 Схема внешних подключений рулевого электропривода следящего действия по системе генератор-двигатель.

На схеме обозначено:

ПУ - пост управления;

БКВ - блок конечных выключателей;

ВС - сельсин приемник;

ВЕ - сельсин датчик;

ФЧВ - фазочувствительный выпрямитель;

МС - магнитная станция;

ГРЩ - главный распределительный щит

7.1 Кабельный журнал

В кабельном журнале отслеживается откуда и куда поступает сигнал, а также протекает ток. КНР - кабель с резиновой изоляцией в оболочке из маслостойкой резины, не распространяющей горение.

Заключение

В данном курсовом проекте был произведён расчет рулевого электропривода следящего действия по системе генератор - двигатель с валиковой проводкой от вала электродвигателя к баллеру руля.

Также рассчитана мощность и выбраны машины для построения данной системы, так чтобы они удовлетворяли всем требованиям Речного регистра.

Достоинством электромеханических приводов по сравнению с электрогидравлическими являются простота их устройства и обслуживание, низкая стоимость, отсутствие сложных масляных систем, и низкая пожароопасность.

Список использованной литературы

1.   Шмаков М.Г. Судовые устройства. М.:Транспорт, 2008, 304 с.

2.      Кузьменков О.П., Гросс В.Ю., Палагушкин Б.В. Расчёт электромеханических и электрогидравлических рулевых приводов. Новосибирск, 2004

3.      Кузьменков О.П. Альбом схем и характеристик по электрооборудованию судов, Новосибирск, 2009

4.      Судовые электроприводы. Справочник т. 1,2. Л.: Судостроение, 1983

5.      Справочные данные по электрооборудованию. Т.1. М.-Л.: Энергия, 1964, 328с

6.      Вешеневский С.Н. «Характеристики двигателей в электроприводе». М.: Энергия, 1977 г.

7.      Витюк К.Т. «Судовые электроустановки и их автоматизация». М.: Транспорт, 1977 г.