Род тока и величина напряжения
|
Вид привода
|
Система эл. привода и тип ИД
|
Схема управления
|
Кинематическая схема
|
~220
|
Электромеханический
|
Система Г-Д
|
Следящего действия
|
Валиковый привод
|
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 i0, 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:
iобщ
= 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;
Мб - значение
момента на баллере, из диаграммы Мб = f
(α);
i,
η - полное передаточное число и общий КПД механической передачи.
Максимальный момент
нагрузки на двигателе:
Нм,
где Мб 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) Мmax
= 0,3 ∙ 29.9 = 8.96 Нм - для балансирных рулей.
α = 10˚
Мб = 408,24 Нм
α = 25˚
Мб = 8189,3 Нм
α = 30˚
Мб = 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 М0.
Нагрузочная характеристика строится для переднего хода судна.
Рис. 3 Диаграммы
моментов сопротивления на баллере балансирного руля
Мб = f (α) и на валу электродвигателя рулевого устройства Мд = 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 Мд = 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 nн:
об/мин
Если выбирается
двигатель общепромышленного исполнения (например, серии «П»), то условие
выбора:
Pнд
= Ркат дл ≤ Pрасч
Паспортные данные
выбранного электродвигателя
Тип
|
Рн, кВт
|
n об/мин
|
Iн, А
|
Rя + Rд.п., Ом
|
Rпар., Ом
|
N
|
2а
|
Wпар.
|
Фн, мВб (на полюс)
|
Iв.н., А
|
nmax, об/ мин
|
η
|
J, кг*м²
|
Q, кг
|
П42
|
1,5
|
750
|
9,75
|
2,92
|
242
|
1404
|
2
|
1800
|
5,1
|
0,69
|
1500
|
0,8
|
0,18
|
80
|
4.2 Расчёт мощности и
выбор генератора
Расчетная мощность,
развиваемая генератором в номинальном режиме
кВт
где Рнд -
номинальная мощность исполнительного электродвигателя, кВт;
ηнд
- 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
Типоразмер генератора
|
P,
кВт
|
U,
В
|
n, об/мин
|
КПД, %
|
Iн, А
|
Rя, Ом
|
Rд.п., Ом
|
Rкомпл., Ом
|
П-31
|
2,6
|
230
|
2850
|
81
|
11,3
|
1
|
0,235
|
345
|
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 Ue - 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
Тип
|
Генератор-усилитель
|
Встроенный приводной двигатель
|
ηАГР,
%
|
|
РН, кВт
|
UВЫХ,
В
|
IН,
А
|
РН, кВт
|
UН,
В
|
IН,
А
|
|
ЭМУ-12А
|
1
|
230
|
16,7
|
1,82
|
220
|
5,30
|
55
|
Выбираем диоды в цепь возбуждения
генератора:
Д112 - 25х - 2: IПР = 25 А, UОБР.MAX = 300 В, ΔUПР =1 В, f = 50 Гц.
Паспортные данные
сельсинной пары
Сельсин датчик
|
Сельсин приёмник
|
Тип
|
UПИТ,
В
|
IПОТ,
А
|
f,
Гц
|
РПОТР, Вт
|
UВТОР,
В
|
Тип
|
UПИТ,
В
|
IПОТ,
А
|
f,
Гц
|
РПОТР, Вт
|
UВТОР,
В
|
БД-404А
|
110
|
0,4
|
50
|
16
|
49
|
БС-404А
|
110
|
0,4
|
50
|
16
|
49
|
4.4
Выбор фазочувствительного выпрямителя
Выберем диоды в цепи
фазочувствительного выпрямителя: в зависимости от прямого тока и обратного
напряжения.
Д112 - 10х - 2: IПР = 10 А, UОБР.MAX = 200 В, ΔUПР =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 Ррасч -
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
Тип двигателя
|
РН, кВт
|
При Р2Н
|
   J,
кг∙м²
|
|
|
|
|
|
|
nН,
об/мин
|
η,
%
|
cosφ
|
|
|
|
|
|
4A100S2У3
|
4
|
2880
|
86,5
|
0,89
|
2,2
|
2
|
1,2
|
7,5
|
0,0075
|
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 WС = kи
- передаточная функция сельсина;
WФЧВ
= kФЧВ - передаточная функция фазочувствительного выпрямителя;
WЭМУ
= kЭМУ - передаточная функция электромашинного усилителя;
WГ
- передаточная функция генератора;
WД
- передаточная функция двигателя;
WР
- передаточная функция рулевой машины;
Wf
- передаточная функция двигателя по каналу момента.
Передаточная функция
сельсинов:
Wс
= kи
В-напряжение на выходе
сельсинной пары
kи
=
Передаточная функция
фазочувствительного выпрямителя:
WФЧВ
= kФЧВ
kФЧВ
=
Передаточная функция
электромашинного усилителя:
WЭМУ
= kЭМУ
kЭМУ
=
Передаточная функция
генератора:
WГ
=
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.
WГ
=
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:
WР
=
=
WР
=
Передаточная функция
двигателя по каналу момента:
=
Коэффициент разомкнутой
системы:
Определим величину
коэффициентов В и b:

= (
-
(2
3)),
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= UMAX∙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.
№ п/п
|
Наименование трассы
|
Ток нагрузки, А
|
Сечение жил кабеля, мм²
|
Марка кабеля
|
Условие прокладки
|
Длинна кабеля, м
|
Допустимый ток кабеля, А
|
1
|
ПУ - МС
|
<5
|
4 × 1
|
КНР
|
в пучке 1,24
|
80
|
10
|
2
|
ПУ - ГРЩ
|
8
|
3 × 1
|
КНР
|
в трубе 1,44
|
80
|
10
|
3
|
ПУ - МС
|
<5
|
1 × 1
|
КНР
|
в пучке 1,24
|
80
|
14
|
4
|
БКВ - МС
|
<5
|
1 × 1
|
КНР
|
в пучке 1,24
|
11,6
|
14
|
5
|
ГРЩ - МС
|
8
|
2 × 1
|
КНР
|
в трубе 1,44
|
11,6
|
12
|
6
|
М³ - ГРЩ
|
50
|
3 × 16
|
КНР
|
в трубе 1,44
|
11,6
|
53
|
7
|
М4 - ГРЩ
|
8
|
3 × 1
|
КНР
|
в трубе 1,44
|
11,6
|
10
|
8
|
ФЧВ - ГРЩ
|
<5
|
2 × 1
|
КНР
|
в пучке 1,24
|
11,6
|
12
|
9
|
ВЕ - ГРЩ
|
<5
|
2 × 1
|
КНР
|
в пучке 1,24
|
80
|
12
|
10
|
ПУ - БКВ
|
<5
|
3 × 1
|
КНР
|
в пучке 1,24
|
11,6
|
10
|
11
|
М5 - БКВ
|
<5
|
2 × 1
|
КНР
|
в пучке 1,24
|
11,6
|
12
|
12
|
БКВ - М²
|
<5
|
2 × 1
|
КНР
|
в пучке 1,24
|
11,6
|
12
|
13
|
ВС - ВЕ
|
<5
|
3 × 1
|
КНР
|
в пучке 1,24
|
80
|
10
|
14
|
ВС - ФЧВ
|
<5
|
2 × 1
|
КНР
|
в пучке 1,24
|
11,6
|
12
|
15
|
ФЧВ - М5
|
<5
|
4 × 1
|
КНР
|
в пучке 1,24
|
11,6
|
10
|
16
|
М1 - ГРЩ
|
<5
|
2 × 1
|
КНР
|
в пучке 1,24
|
11,6
|
12
|
17
|
М1 - М²
|
45
|
2 × 16
|
КНР
|
в трубе 1,44
|
11,6
|
53
|
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.