Проект модернизации электропривода брашпиля буксира-толкача мощностью 590 кВт

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Буксиры-толкачи проекта 758 строились в шестидесятых годах, поэтому все оборудование на них морально и физически устарело. Однако сами суда до сих пор еще эксплуатируются, и будут эксплуатироваться Достаточно долгое время. В связи с физическим старением электрооборудования его приходится часто ремонтировать, что уменьшает полезное время нахождения судна в эксплуатации. Это ведет к большим экономическим потерям от недоиспользования таких мощных судов, к тому же затраты на ремонт постоянно растут. Следует иметь в виду еще то, что установленное по проекту на судне оборудование в большинстве своем промышленностью больше не выпускается. Поэтому вопрос замены устаревшего электрооборудования на новое в настоящее время можно считать актуальным. Такая замена не будет эффективной, если одновременно не изменять и сами системы управления электроприводами. Наиболее целесообразным следует считать применение в настоящее время систем управления приводами с использованием тиристоров, имеющих высокие быстродействие, надежность и хорошие энергетические показатели.

Целью настоящего проекта является модернизация системы управления электроприводом якорно-швартовного устройства буксира-толкача, как наиболее ответственного палубного механизма.

1. Расчет электропривода якорно-швартовного устройства

1.1 Выбор якорного снабжения судна

Якорно-швартовное устройство предназначено для опускания и поднятия якорей при постановке и снятии судна с якоря, а также для выполнения швартовных операций. Якорно-швартовное устройство включает в себя исполнительный двигатель с аппаратурой управления, якорно-швартовные лебедки (брашпили или шпили), якорные канаты и якоря. На современных судах привод якорно-швартовных устройств осуществляется с помощью электрических двигателей. На речных судах транспортного флота в качестве носовых якорно-швартовных устройств, как правило, используются брашпили с электрическим приводом, обеспечивающие операции с двумя якорями и двумя швартовными барабанами. В качестве кормовых устройств обычно используются шпили. Так как носовые якорно-швартовные устройства в процессе эксплуатации судна используются гораздо чаще кормовых, то они и чаще нуждаются в обслуживании и текущих ремонтах. В связи с этим одной из задач настоящего дипломного проекта является модернизация именно электропривода брашпиля теплохода.

Определим норму якорного снабжения принятого к модернизации буксира-толкача мощностью 590 кВт. Норма якорного снабжения судна, количество и вес якорей, длина и калибр якорных цепей, устанавливаются Правилами Речного Регистра РФ в зависимости от главных размерений судна, его класса и разряда. Все это выражается в характеристике судна Nс [1,2]:

где L = 38,5 м - длина судна;

В = 8,2 м - ширина судна;

Н = 3,2 м - высота борта судна;

УS - поправка на площадь надстроек судна.

Поправку на площадь надстроек судна [1] определяем как

Подставив числовые значения, получим для поправки на площадь надстроек

УS = 53м2,

а для характеристики судна

Nc = 245 м2.

Якорное снабжение принимаем из таблицы [1] по ближайшему значению Nc = 200:

- калибр цепи d = 0,022 м;

- число якорей 2;

- наименьшая длина двух цепей Lц = 280 м;

- наименьшая масса якоря 400 кг;

- расчетная глубина стоянки 80 м;

- водоизмещение судна D = 408 т;

цепь с распорками

- разрывная нагрузка цепи Fраз = 210 кН;

- удельная масса цепи q = 8,6 кг/м.

1.2 Процесс съемки судна с якоря

Основной режим работы электропривода якорно-швартовного устройства - это подъем одного якоря с нормальной глубины стоянки. По величине моментов на валу электродвигателя, необходимых для снятия судна с якоря, рассчитывается мощность исполнительного электродвигателя. Для удобства построения нагрузочной диаграммы электродвигателя брашпиля весь процесс съемки судна с якоря разбивается на четыре стадии. В пределах каждой стадии работа двигателя характеризуется определенным законом изменения момента на валу.

Рассмотрим процесс съемки судна с якоря (см. рисунок 1.1). Предположим, что якорь заложен в точке 0 грунта, а клюз судна, стоящего на якоре, занимает положение А1. Часть якорной цепи - В1 лежит на грунте, а другая часть А1-В1 свободно провисает в воде. При включении электропривода брашпиля судно начнет двигаться под действием тягового усилия F1. После окончания переходных процессов скорость движения судна будет постоянной. Происходит как бы подъем участка цепи, на грунте без изменения формы отрезка якорной цепи, свободно провисающего в воде. Так как усилие F1 на клюзе при этом постоянно, момент и угловая скорость двигателя также постоянны.

Постоянством этих величин характеризуется первая стадия процесса съемки судна с якоря, которая заканчивается в момент, когда последнее звено участка цепи 0 - В1 будет поднято с грунта. Первая стадия может быть охарактеризована как подтягивание судна при постоянном усилии на звездочке брашпиля.

Вторая стадия начинается, когда с грунта будет поднято последнее звено якорной цепи. Клюз судна при этом будет находиться в точке А2. Форма якорной цепи на этой стадии меняется (цепь будет выпрямляться), при этом усилия на клюзе и в точке залегания якоря будут возрастать.

Момент на валу электродвигателя также возрастает, его угловая скорость, а также скорость движения судна будут уменьшаться. В некоторой точке А3 натяжение у клюза достигает предельного значения, равного максимальному тяговому усилию брашпиля, и электродвигатель останавливается под током.

На этом заканчивается вторая стадия процесса, которая характеризуется как подтягивание судна к месту заложения якоря при переменном тяговом усилии.

Рисунок 1.1 - Процесс съемки судна с якоря

На участке А3-А4 момент, развиваемый двигателем остается постоянным и равным максимальному. Судно движется по инерции (иногда подрабатывает винтами) и при прохождении его над точкой залегания якоря (точка А4 на рисунке 1.1) происходит отрыв последнего от грунта. Рассмотренный режим составляет сущность третьей стадии процесса съемки судна с якоря. Четвертая стадия начинается после отрыва якоря от грунта. Она характеризуется постепенным снижением момента на валу электродвигателя по мере выбирания цепи, находящейся за бортом. Эта стадия, а также весь процесс съемки судна с якоря, считаются законченными в момент втягивания якоря в клюз.

1.3 Построение нагрузочной диаграммы брашпиля

Первая стадия.

При стоянке на якоре судно располагается клюзом А1 к точке заложения якоря 0, как это показано на рисунке 1.2.

Часть якорной цепи 0-В1 лежит на грунте, а другая часть В1-А1, длиной l1, провисает в воде, принимая форму цепной линии Натяжение цепи у клюза Fк направлено по касательной к цепной линии в точке А1, а натяжение цепи у точки заложения якоря Fя имеет горизонтальное направление. Определим эти силы.

Согласно [1 - 3]:

где q - вес одного погонного метра цепи, Н;

l - длина провисающего участка цепи, м;

Н - расчетная глубина стоянки, м.

Рисунок 1.2 - К расчету нагрузочной диаграммы на первой стадии

тиристорный брашпиль электропривод якорный

В процессе снятия с якоря уравнение движения судна имеет вид [1 - 3]:

где Fг - горизонтальная составляющая натяжения якорной цепи у клюза, Н;

Fc - равнодействующая сопротивления ветра и воды, Н;

D - водоизмещение судна, т;

g - ускорение силы тяжести, м/с2;

Vс - скорость судна в процессе снятия с якоря, м/с.

На первой стадии можно считать, что выбирание цепи происходит с постоянной скоростью и, следовательно, что скорость движения судна на этой стадии также постоянна. При этих условиях имеем

Fг = Fc = Fя.

Из (1.3) и (1.4) длина провисающей части якорной цепи

Величину Fс определим для наиболее тяжелых режимов стоянки судна на якоре [1]:

Fс = Fв + Fт,

где Fв - давление ветра на надводную часть судна, Н; Fт - сопротивление трения воды о судно, Н. Согласно [1 - 3] сила давления ветра

, (1.7)

где kв = 0,02 - коэффициент удельного давления ветра;

Sв - приведенная парусная поверхность судна, м2;

Vв = 12 м/с - принимаемая скорость ветра.

Приведенная парусная поверхность судна



где В - ширина судна, м;

Н - высота борта, м;

Т - осадка судна, м;

b - ширина надстроек, м;

h - высота надстроек, м.

Подставив значения, получим

Sв = 0,27 ·8,2 · (3,2-2,14)+6?7,5 ? 48 м2.

Подставив в (1.7), получим силу давления ветра

Fв = 1350 Н.

Величина силы сопротивление трения определится по формуле Фруда [1 - 3]:

где f = 0,14 - коэффициент трения судна о воду;

? - площадь смоченной поверхности судна, м2;

Vc = 0,1…0,3 м/с - скорость движения судна;

Vв = 1…2 м/с - скорость движения воды.

Площадь смоченной поверхности

где L, B, T - соответственно длина, ширина и высота борта судна, м;

д = 0,64 - коэффициент полноты водоизмещения.

Подставив величины L, B и Т получим

Щ= 340 м2.

Подставляя Щ в (1.9) получим для силы сопротивления трения

Fт = 1980 Н.

Равнодействующая сил сопротивления ветра и воды

Fс = Fв + Fт = 1352 + 1980 = 3330 Н.

Из (1.6) и (1.3) определим

l = 113 м;

Fк1 = Fс + q?H = 3330 + 8,6?80 = 9760 Н.

Момент на валу электродвигателя, необходимый для выбирания свободно лежащей на грунте цепи [4]:

где Dзв - диаметр звездочки брашпиля, м;

iоб - общее передаточное число редуктора брашпиля;

зк = 0,7 - коэффициент, учитывающий потери от трения цепи в клюзе;

зм = 0,75 - коэффициент полезного действия механической передачи.

Диаметр звездочки [4]

Dзв = 13,7?d = 13,7?0,022 = 0,3 м,

где d = 0,22 - калибр якорной цепи.

Принимаем стандартное значение Dзв = 0,29 м.

Передаточное число брашпиля определим как

где щдв - угловая скорость двигателя. Примем предварительно к установке электродвигатель с числом пар полюсов на большей скорости p = 2, т.е. с щс = 145 рад/с;

щзв - угловая скорость звездочки брашпиля.

Угловая скорость звездочки

где Vк - скорость выбирания якорной цепи на большей скорости электродвигателя.

Примем к установке брашпиль модели Б2Р, для которого Vк = 0,2 м/с. При этом получим щзв = 1,38 рад/с и передаточное число iоб ? 105. Подставим полученные значения в (1.11) и получим значения момента на валу электродвигателя на первой стадии процесса съемки судна с якоря:

Вторая стадия

На второй стадии судно подтягивается к точке заложения якоря, и форма провисающего участка якорной цепи меняется (выпрямляется). Усилие на клюзе возрастает от Fк1 до Fк3 (усилие на третьей стадии). При расчетах принимают изменение усилия на клюзе в этой стадии по линейному закону [1 - 4]. При этом среднее усилие на клюзе в этой стадии

В то же время из рисунка 1.3



где cosцк - угол между направлением силы у клюза и горизонтальной плоскостью.

Рисунок 1.3 - К расчету нагрузочной диаграммы на второй стадии

Отрыв якоря происходит при ц ? 82є…87є. В начале второй стадии этот угол принимается равным 30є. Тогда

а среднее усилие у клюза

Момент на валу электродвигателя на второй стадии

Среднее значение момента на этой стадии

Третья стадия.

На третьей стадии считают, что момент на валу электродвигателя постоянен и равен максимальному. Приближенно считают, что усилие, необходимое для отрыва якоря от грунта равно удвоенному весу якоря [1 - 4]:

где Gя - вес якоря, Н;

q - вес погонного метра якорной цепи, Н/м;

Н - глубина стоянки судна на якоре, м;

г = 75400 Н/м3 - удельный вес стали;

д = 9800 Н/м3 - удельный вес воды.

Величина усилия в клюзе на третьей стадии

Fк3 = 16850 Н,

а момента на валу электродвигателя

Четвертая стадия начинается после отрыва якоря от грунта. Сила у клюза в этот момент

где коэффициент 0,87 учитывает потерю веса стали в воде.

Момент на валу электродвигателя в начале четвертой стадии:

Сила у клюза в конце четвертой стадии

а момент

2. Расчет и выбор электродвигателя брашпиля

2.1 Предварительный выбор электродвигателя

Номинальный момент на валу электродвигателя предварительно принимается по начальному моменту в четвертой стадии процесса съемки судна с якоря [5 -7]:

Максимальный момент сопротивления (из третьей стадии процесса съемки с якоря) - Мmax = 44,3 Нм. Перегрузочная способность электродвигателя

С учетом возможного снижения напряжения судовой сети на 10% номинальный момент двигателя

Номинальная частота вращения вала электродвигателя [5 - 7]:

где Vср = 0,2 м/с = 12 м/мин - средняя линейная скорость выбирания свободно висящей цепи (по нормам Речного Регистра V = 0,1…0,3 м/с).

Номинальная мощность электродвигателя

По полученным номинальным значениям мощности и частоты вращения выбираем двухскоростной асинхронный электродвигатель МАП211 - 4/8 мощностью в тридцатиминутном режиме Р = 3,6/2,5 кВт, с номинальными частотами вращения nн = 1380/650 об/мин.

Двигатели серии МАП предназначены для динамических режимов работы (имеют повышенное скольжение и повышенный пусковой момент), исполнение водозащищенное, что обусловливает широкое применение их для привода различных палубных механизмов.

Выбранный двигатель имеет встроенный электромагнитный дисковый тормоз. Механические характеристики электродвигателя приведены на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Механические характеристики электродвигателя МАП 211-4/8

2.2 Построение нагрузочной диаграммы электродвигателя

Для построения нагрузочной диаграммы необходимо, кроме значений моментов, определить время работы двигателя на каждой стадии процесса съемки судна с якоря.

На первой стадии выбирается участок цепи, лежащий на грунте длиной l1:

l1 = L - l = 27 м.

Где L = 140 м - полная длина якорной цепи;

l = 113 м - длина провисающего участка цепи из (1.6).

Время работы двигателя на первой стадии

где n1 =1455 об/мин определяем по механической характеристике электродвигателя на большей скорости. Получаем

t1 = 132 с.

Скорость подтягивания судна на первой стадии

Скорость лежит в пределах допустимой Речным Регистром РФ.

Длина цепи, выбираемой на второй стадии

l2 = L - l1 - H = 140 - 27- 80 = 33 м,

где H = 80 м - расчетная глубина стоянки судна на якоре.

По механической характеристике электродвигателя, в соответствии со средним моментом на второй стадии, определяем среднюю частоту вращения двигателя n2 = 1215 об/мин. Время работы двигателя на второй стадии

На третьей стадии электродвигатель стоит под током. Принимаем время этой стадии

t3 = 30 с.

Средний момент на четвертой стадии

По механической характеристике электродвигателя находим среднюю частоту вращения его на этой стадии

n4 = 1470 об/мин.

Время подъема свободно висящего участка цепи

Средняя скорость подъема цепи на четвертой стадии

Полное время съемки судна с якоря

T = t1 + t2 + t3 + t4 = 132 + 186 + 30 + 378 = 726 c,

что меньше допустимого Речным Регистром РФ (не более 20 минут).

По полученным значениям Мi и ti строим нагрузочную диаграмму электродвигателя (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Нагрузочная диаграмма электродвигателя брашпиля

2.3 Проверочный расчет выбранного электродвигателя

Выбранный электродвигатель проверим на нагрев методом эквивалентного момента [9,10]:

Подставив значения моментов и время на каждой стадии, получим

Мэ = 26,7 Нм.

Номинальный момент выбранного двигателя на большей скорости для тридцатиминутного режима из каталожных данных Мн = 27 Нм. Выбранный двигатель проходит по нагреву, так как выполняется условие

Мэ ? Мн.

Проверим электродвигатель на обеспечение им швартовных операций. Необходимый момент для обеспечения швартовных операций



где Тш - номинальное тяговое усилие на швартовном барабане, Нм;

Dш - диаметр швартовного барабана, м;

i - передаточное число брашпиля;

з - к.п.д. передачи от электродвигателя к швартовному барабану.

Для брашпиля модели Б2Р Тш = 9800 Н, Dш = 0,3 м, i = 105, з = 0,6. Получаем

Линейная скорость выбирания швартовного троса

где nш - частота вращения электродвигателя.

При моменте на валу, равном 23,3 Нм, по механической характеристики электродвигателя определяем nш = 1455 об/мин. При этом

Электродвигатель будет удовлетворять требованиям, если Мн ?. Мш, Vш ?. Vшз, где Мн - номинальный момент электродвигателя для тридцатиминутного режима и Vшз - заданная скорость выбирания швартовых. Заданная скорость выбирания швартовых равна 0,18 м/с, следовательно, электродвигатель обеспечивает выполнение швартовых операций.

3. Выбор схемы управления электроприводом брашпиля

3.1 Описание существующей схемы управления электроприводом брашпиля

На модернизируемом судне для управления электродвигателем брашпиля применяется кулачковый контроллер типа КВ-1800, схема которого приведена на рисунке 3.1. Контроллер достаточно прост, имеет малые массу и габариты и обеспечивает ступенчатое регулирование скорости двухскоростного асинхронного электродвигателя. Недостатком такой системы управления является значительное искрение в силовых контактах в моменты коммутации (особенно при их размыкании). Это приводит к необходимости частой их замены и профилактики, особенно на судах, где электропривод брашпиля используется довольно часто. Буксиры-толкачи относятся к такому типу судов, так как часто стоят на рейде в ожидании составов и сами формируют эти составы (при формировании составов электропривод брашпиля используется довольно интенсивно). Поэтому на таких судах целесообразнее использовать бесконтактные системы управления электродвигателем брашпиля.



Рисунок 3.1

К таким типам электроприводов можно отнести электроприводы постоянного тока с регулированием напряжения на якорной обмотке с помощью тиристорного преобразователя. Однако такие электроприводы имеют высокие сложность, стоимость, худшие энергетические показатели и предъявляют повышенные требования к квалификации обслуживающего персонала. Еще более сложными и дорогими являются электроприводы переменного тока с частотным управлением. Так как к электроприводам брашпилей не предъявляются высокие требования в отношении плавности и диапазона регулирования скорости, целесообразнее всего в таких электроприводах использовать системы с тиристорными коммутаторами. В этом случае будет обеспечиваться ступенчатое регулирование скорости и бестоковая коммутацию. В то же время такие схемы управления достаточно просты и надежны. К установке на модернизируемое судно предложим схему такого типа.

При разработке схемы управления электродвигателем брашпиля будем иметь в виду, что к электроприводам якорно-швартовных устройств предъявляются следующие основные требования:

электропривод должен обеспечивать:

одновременный подъем двух якорей с половинной глубины стоянки, причем отрыв якорей от грунта не одновременный;

подъем одного якоря с максимальной расчетной глубины стоянки на якоре;

заданное время съемки судна с якоря при максимальной нормированной глубине стоянки;

швартовку судна при отжимающем ветре в 6 баллов;

стоянку электродвигателя под током в течение не менее 30 секунд с нагретого состояния;

надежное удержание якоря на весу в случае нарушения работы электропривода;

отдачу якоря из ходовой рубки;

высокую надежность работы, простоту в обслуживании, высокие технико-экономические показатели, иметь малые массы и габариты.

Первые пять требований были учтены при расчете электродвигателя якорно-швартовного устройства. Остальные должны обеспечиваться схемой управления электродвигателем.

3.2 Разработка схемы управления электроприводом брашпиля

Для повышения надежности работы электропривода нужно выбрать схему управления с тиристорными коммутаторами в силовой цепи. Один из вариантов такой схемы, приведенный на рисунке 3.2, был предложен в 2002 году также при выполнении дипломного проекта. Схема обеспечивает подключение двухскоростного асинхронного электродвигателя, причем переключение скоростей осуществляется при выключенных тиристорных коммутаторах, выполненных на тиристорах VT1 - VT2 и VT3 - VT4. Схема реверса двигателя и переключения его скоростей, как и до модернизации, формируется силовыми контактами контроллера. Тиристорные коммутаторы обеспечивают только подачу напряжения на статорные обмотки двигателя после замыкания реверсирующих контактов контроллера К.3, К.4 или К.5, К.6 (и соответствующих переключений контактов выбора скорости) и снятие этого напряжения до их размыкания. Этим обеспечивается бестоковая коммутация силовых контактов контроллера. Для обеспечения такой коммутации требуются небольшие изменения в конструкции самого контроллера.

Рисунок 3.2 - Вариант модернизированной схемы электропривода

Предлагается исключить из схемы (см. рисунок 3.1) один из силовых контактов К.10 - К.12 контроллера (например, К.12), обеспечивающих формирование схемы «звезда» на первой скорости двигателя. Оставшиеся контакты К.10 и К.11 обеспечат формирование заданной схемы. На траверсу силового контакта К.12, вместо него, необходимо установить два слаботочных контакта К.12 и К.13, которые включаются в цепи управляющих электродов тиристоров тиристорных коммутаторов (см. схему на рисунке 3.2). Необходимо также изменить профиль кулачковой шайбы, управляющей контактом К.12. На шайбе должны быть предусмотрены впадины и кулачки, обеспечивающие замыкание слаботочных контактов после замыкания реверсирующих контактов К.3, К.4 (К.5, К.6) и контактов второй скорости К.7, К.8, К.9 и размыкание слаботочных контактов до размыкания названных силовых контактов.

Недостатком предложенной схемы является то, что новая кулачковая шайба должна быть выполнена очень точно и очень точно должны быть установлены два вспомогательных слаботочных контакта. В корпусе контроллера, имеющего малые габариты, это сделать трудно. Будет также затруднена и регулировка положения этих контактов. А при неправильной регулировке замыкание или размыкание силовых контактов контроллера может происходить в моменты, когда тиристорные коммутаторы включены, следовательно, бестоковая коммутация осуществляться не будет.

Для того, чтобы имелась возможность регулировки моментов включения и выключения тиристорных коммутаторов, предлагается использовать оптронные тиристоры. Для управления ими можно использовать также оптронные пары «светодиод - фотодиод». Их в корпусе контроллера можно крепить также вместо одного силового контакта, например, К.11 (см. рисунок 3.1). На кулачковой шайбе этого контакта закрепляется тонкая пластина из непрозрачного материала, разделяющая светодиод и фотодиод. В этой пластине высверливается четыре отверстия, диаметром не больше диаметров светодиода и фотодиода. Отверстия располагаются таким образом, чтобы свет, излучаемый светодиодом, попадал через одно из этих отверстий на фотодиод только в тех положениях вала кулачкового контроллера, при которых силовые контакты надёжно замкнуты или разомкнуты. При незначительном угле поворота штурвала контроллера непрозрачная пластина перекроет оптронную пару, что приведет к выключению тиристорных коммутаторов. Дальнейший поворот штурвала обеспечит переключение силовых контактов контроллера, после чего между светодиодом и фотодиодом окажется другое отверстие. Фотодиод будет в состоянии проводимости, что снова обеспечит включение тиристорных коммутаторов. Предлагаемая схема управления электроприводом брашпиля приведена на рисунке 3.3.

Тиристорные коммутаторы представляют собой по два встречно-параллельно включенных оптотиристора UT1, U2 и U3, U4. Отпирание тиристоров производится за счет подачи на их управляющие светодиоды напряжения прямой полярности от схемы правления. Это напряжение будет только в тех случаях, когда между светодиодом HL1 и фотодиодом BL1 будет находиться одно из отверстий в непрозрачной пластине. Так как нагрузочная способность фотодиода мала, он включен в цепь базы транзистора VT1, через который напряжение от выпрямителя UZ2 подается на управляющие светодиоды оптотиристоров. Когда фотодиод

BL1 закрыт, заперт и транзистор VT1. При этом ток через управляющие фотодиоды не протекает и оптотиристоры закрыты. Когда фотодиод BL1 находится в проводящем состоянии, транзистор VT1 открыт, и через управляющие светодиоды всех четырех оптотиристоров будет протекать ток.



Рисунок 3.3

Каждый оптотиристор проводит только в один полупериод, но встречно-параллельное их включение обеспечивает подачу на статорные обмотки двигателя трёхфазного переменного тока. Отпирание каждого тиристора (при протекании токов через их светодиоды) происходит в начале проводящего полупериода, запирание - после спадания тока через него до тока удержания. Преимущества оптотиристоров перед обычными тиристорами в том, что у них нет потенциальной связи между силовыми цепями и цепями управления. Транзистор VT2 с включенным в цепь базы стабилитроном выполняют роль стабилизатора напряжения в цепи управления.

3.3 Выбор элементов схемы управления электроприводом

Тиристорные коммутаторы представляют собой по два встречно-параллельно включенных оптронных тиристора U1, U2 и U3, U4 (см. схему на рис. 3.3). Отпирание тиристоров производится за счет подачи на их управляющие светодиоды положительных потенциалов через транзистор VT1 и ограничивающие резисторы R1, R2, R3 и R4. Каждый тиристор проводит только в один полупериод, но встречно-параллельное их включение обеспечивает подачу на статорные обмотки двигателя трёхфазного переменного тока. Отпирание каждого тиристора (при открытом транзисторе VT1) происходит в начале проводящего полупериода, запирание - после спадания тока через него до тока удержания.

Выбор оптронных тиристоров осуществляем по току и обратному напряжению. Максимальным током для данного двигателя является пусковой ток обмотки большей скорости (Iп = 70 А). Напряжение судовой сети - 220 В (амплитудное значение - 310 В). Среднее значение тока через тиристор Iт = 0,675 Iд [11]. Максимальный ток, протекающий через тиристор при пуске двигателя

Imax = 0,675 • 70 = 47 А.

Ток тиристора при номинальной нагрузке двигателя на меньшей скорости (Iн = 17,8 А)

Iт = 0,675 • 017,8 = 12 А.

Выбираем два блока оптронных тиристоров [12,13] типа МТОТО-80-4-3И с допустимым током 80 А и обратным напряжением 400 В. В блок входят два тиристора, которые могут быть включены встречно-параллельно, и два управляющих светодиода. Ток управления (при 25 ?С) - 10 мА. Прямой ударный ток - 1500 А. Рекомендуемый охладитель - О55.

При естественном охлаждении длительно допустимая нагрузка - 40 А. Допустимая перегрузка в 125 % - до 30 секунд.

Транзистор VT1, обеспечивающий подачу питания на управляющие светодиоды оптотиристоров, выбираем по напряжению и току коллекторной цепи. Будем считать, что стабилизатор обеспечивает поддержание в цепи управления напряжения в 24 В. Суммарный максимальный ток через 4 управляющих светодиода

Iк = 4·10= 40 мА.

По полученному значению тока и напряжению 24 В выбираем транзистор типа КТ375А со следующими параметрами [14]:

постоянное напряжение коллектор-эмиттер - 60 В;

постоянный ток коллектора - 100 мА;

максимальный ток базы - 10 мА.

Величину сопротивления резистора R5 определим по максимально допустимому значению тока базы транзистора VT1:

Мощность резистора

Выбираем резистор типа МЛТ - 2 мощностью 2 Вт, сопротивлением 620 Ом. Два таких резистора включаем параллельно.

Ограничивающие резисторы R1 - R4 предназначены для ограничения тока через управляющие светодиоды оптронных тиристоров U1 - U4. Так как принято напряжение в цепи управления 24 В, ток через ограничивающий резистор

Мощность резистора

Выбираем резисторы МЛТ-2 мощностью 1 Вт, сопротивлением 2,4 кОм.

Резистор R6 предназначен для температурной стабилизации характеристик транзистора VT1. Сопротивление его составляет обычно несколько ом [14]. Примем к установке резистор сопротивлением 6,2 Ом. Так как через него протекает ток коллекторной цепи транзистора VT1, его мощность

Выбираем резистор МЛТ-2 мощностью 1 Вт, сопротивлением 6,2 Ом.

Для управления транзистором VT1 выбираем оптронную пару (светодиод HL1 и фотодиод BL1): светодиод ИК LED-5013IRAB [15], инфракрасный фотодиод типа 5012PD. Ток фотодиода - 100 мА, ток светодиода - 30 мА.

Транзистор VT2 со стабилитроном VD1 выполняют роль стабилизатора напряжения в цепи управления. Выбираем стабилитрон КС-133 с напряжением стабилизации 3,3 В. Ток стабилитрона - 30 мА. Для унификации транзистор VT2 выберем такой же, как и VT1 - типа КТ375А.

Для питания цепей управления выбираем сухой однофазный трансформатор ОСО-0,25 мощностью 250 ВА, напряжением 220/24 В. Выпрямленное напряжение, снимаемое с выпрямительного моста UZ2 [11]

Конденсатор, включенный на выходе выпрямителя UZ2 выполняет функции фильтра (сглаживает пульсации выпрямленного напряжения). За счет этого конденсатора напряжение после фильтра выше, чем после выпрямителя. Величина этого напряжения зависит от различных факторов (емкость конденсатора, сопротивление цепи, ток нагрузки и другие) [11]. Расчет этого напряжения обычно затруднен, поэтому примем напряжение после фильтра примерно равным 26 В. В этом случае сопротивление резистора R9, ограничивающего ток стабилитрона VD1



Для того, чтобы через стабилитрон протекал ток меньший, чем предельно допустимый, выбираем резистор с сопротивлением, больше расчетного. Выберем резистор типа МЛТ -2 мощностью 2 Вт, сопротивлением 1 кОм.

В связи с малыми габаритами тиристорных коммутаторов, они могут быть смонтированы в непосредственной близости от силового контроллера. Объём работ по монтажу будет незначительным.

4. Вопросы охраны труда

4.1 Общие правила техники безопасности при обслуживании судового электрооборудования

Ответственность за выполнение Правил техники безопасности (ПТБ) при эксплуатации судового электрооборудования на каждом судне возложена на капитана и механика (электромеханика), отвечающих за состояние всего электрохозяйства на судне. Для рассмотренного судна необходимо выполнение следующих правил техники безопасности:

1). К обслуживанию судового электрооборудования допускаются лица, достигшие восемнадцатилетнего возраста, прошедшие медицинский осмотр и имеющие удостоверение на право обслуживания и ухода за судовым электрооборудованием.

2). При зачислении в штат судна на должность, связанную с обслуживанием электроустановок, работник обязан пройти производственное обучение и стажировку на рабочем месте в течение 6 - 12 вахт для приобретения практических навыков и ознакомления с электрооборудованием и аппаратурой. Обучение персонала должно производиться под руководством опытного работника, имеющего удостоверение на право обслуживания данной установки и под контролем административно - технического лица, ответственного за эксплуатацию этой установки. По окончании срока стажировки обучаемый должен пройти в квалификационной комиссии проверку знаний и приобретенных практических навыков. При положительном результате проверки прошедшему обучение и стажировку присваивается квалификационная группа и выдается удостоверение на право работы в данной электроустановке.

3). Любые работы в электроустановках обучаемый может производить только под надзором обучающего, который несет ответственность за правильность действий стажеров.

4). По окончании сроков стажировки обучаемый должен пройти проверку знаний в квалификационной комиссии.

5). Члены команды, которые обслуживают судовые электроустановки, должны иметь квалификационную группу не ниже третьей. Периодическая проверка знаний и правил обслуживания электроустановок у членов команды, занятых этим обслуживанием, производится не реже одного раза в год.

6). Все работы на судне, связанные с ремонтом электрооборудования, должны выполняться электромехаником или электриком судна или под их непосредственным руководством.

7). Лица, не имеющие удостоверения на право обслуживания данной электроустановки, могут быть допущены в помещение установки только с разрешения электромеханика и под надзором сопровождающего лица с квалификационной группой не ниже третьей. При входе в помещение электроустановки, сопровождающий обязан предупредить о запрещении приближаться к оборудованию и находиться с указанными выше лицами.

Мероприятия, обеспечивающие безопасность работ при эксплуатации и ремонте электрооборудования:

сооружение специальных устройств, обеспечивающих безопасность обслуживающего персонала;

применение специальных средств защиты;

проведение ряда организационных работ и технических мероприятий при эксплуатации и ремонте электрооборудования.

Все суда внутреннего плавания должны быть оборудованы устройствами, с помощью которых можно осуществлять контроль и измерение изоляции электрических сетей и электроприводов. На главном распределительном щите должны быть установлены щитовой мегомметр, а также другие измерительные приборы, контролирующие основные параметры электрической энергии в судовой энергосистеме.

В связи с тем, что в судовых электроустановках к сопротивлению изоляции предъявляются повышенные требования, на рассматриваемом буксире - толкаче на ГРЩ установлено устройство «Электрон». Оно предназначено для непрерывного автоматического контроля за сопротивлением изоляции сетей однофазного и трехфазного переменного тока частотой от 50 до 500 герц, работающих с изолированной нейтралью. С помощью этого устройства осуществляется контроль за сопротивлением изоляции электрических цепей, находящихся под напряжением. Переключателем прибора можно выбрать необходимую для контроля фазу. Прибор подает звуковую и световую сигнализации при снижении сопротивления изоляции контролируемой фазы ниже заданной уставки, которая может регулироваться.

Измерение сопротивления изоляции отключенных цепей производится переносным мегаомметром. При этом выходное напряжение прибора должно быть таким, как показано в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Величины сопротивления изоляции

Номинальное напряжение электрооборудования	Выходное напряжение мегомметра
до 36 В	100 В
37...400 В	500 В
400...1000 В	1000 В
свыше 1000 В	2500 В

Согласно Правилам Речного Регистра РФ электрооборудование судов должно иметь следующие минимальные значения сопротивления изоляции:

- аккумуляторные батареи при отключенных потребителях и напряжении до 24 В - 0,1 мОм;

- электрические машины напряжением до 500 В - 0,5 мОм;

- распределительные устройства напряжением от 100 В до 500 В при отключенных внешних цепях - 1 мОм;

- магнитные станции, пусковые устройства и т.п. - 0,5 мОм;

- коммутационные аппараты, измерительные приборы при напряжении до 500 В - 0,1 мОм.

Величины допускаемых напряжений для различных помещений и условий, в которых пользуются переносным электрооборудованием, лампами и другими приборами, должны иметь значения, приведенные в таблице 4.2.

При работе на электроустановках с частично или полностью снятым напряжением должны быть предусмотрены следующие основные требования безопасности:

- произведены необходимые отключения и приняты меры, препятствующие ошибочной подаче напряжения к месту работы;

- проверено отсутствие напряжения на той части установки, где ведутся ремонтные работы;

- вывешены предупредительные плакаты, установлены ограждения.

Таблица 4.2 - Области применения напряжений различных номиналов

U	Область применения
12 вольт	Для различных переносных ламп в особо опасных помещениях: машинное отделение и другие отсеки корпуса судна
36 вольт	Для переносного электроинструмента в особо опасных помещениях, где возможно прикосновение рабочего к металлическим частям корпуса судна и оборудования.
127 вольт	Для стационарного освещения, питания электроприводов и других электрических цепей, а также
220 вольт	для переносного электроинструмента и бытовых приборов вне опасных помещений.

Оголённые токоведущие шины в судовых электроустановках переменного тока должны быть окрашены в следующие цвета:

фаза А - зеленый;

фаза В - желтый;

фаза С - фиолетовый;

нулевая шина - серый;

заземляющая шина (провод) - черный.

В аварийном режиме разрешается производить ремонт под напряжением, но при этом обязательно должны быть применены защитные средства (перчатки, боты, очки), а также инструмент с изолированными рукоятками. Непосредственно работающий должен быть в головном уборе и в одежде со спущенными рукавами, плотно затянутыми у запястья. При этом необходимо также оградить или закрыть специальными чехлами все металлические предметы, которые находятся вблизи места проведения работ, во избежание прикосновения к ним.

Защитные средства применяются для защиты обслуживающего персонала от поражения электрическим током и от воздействия электрической дуги. К защитным средствам относятся;

- диэлектрические перчатки, боты, инструмент для монтажа с изолированными ручками;

- резиновые рифленые коврики у главных распределительных щитов с нанесенными на них клеймами о проведенной проверке диэлектрика на данное напряжение.

Перед каждым применением защитных средств рабочий обязан проверить путем внешнего осмотра:

- исправность защитных средств;

- наличие клейма о проверке на данное напряжение.

Защитные средства, имеющие неисправности, а также с истекшим сроком испытаний, должны быть изъяты из употребления или подвергнуты испытаниям в специальной лаборатории.

Защитные средства периодически испытываются на величину напряжения в течение всего срока службы.

Защитное заземление на корпусе судна в судовых условиях, где рабочее напряжение электроустановок свыше 25 вольт, должно предусматриваться для всех металлических частей электрооборудования, могущих оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции и доступные для прикосновения человеком. Если оборудование установлено на фундаменты и кронштейны, надежно связанные с корпусом судна, то специального дополнительного заземления не требуется. Заземление на судах с металлическим корпусом выполняется медным проводом или лентой, которые присоединяются к корпусу судна в доступном месте. Место подключения заземляющего проводника должно быть очищено до металлического блеска, а после присоединения проводника - покрыто антикоррозийным составом. Сечение заземляющих проводов или лент должно быть не менее 1,5 мм2.

В судовых условиях сопротивление заземления практически целиком зависит от переходного сопротивления контакта в месте крепления заземляющего провода к корпусу электроустановки и корпусу судна. Требуется контроль состояния мест крепления заземляющих проводов и поддержание их в нормальном состоянии.

Сечение заземляющего провода для присоединения отдельного оборудования определяется по выражению:

где I - величина установившегося тока однополюсного замыкания, А;

ф - длительность протекания тока, с;

k = 172 - постоянная для меди;

t = 100? С - допустимая температура.

Заземление электрооборудования выполняется медной лентой (оплеткой). Линейное заземление свинцовых оболочек кабелей, проложенных под скобой, выполняется гайкой на оболочку.

По назначению заземление подразделяется на защитное и рабочее. Защитным заземлением является заземление металлических конструкций электроустановок, находящихся под напряжением. Рабочее заземление - заземление какой-либо точки сети для осуществления каких-либо работ. Заземлением является также присоединение к неоднократно заземленному нулевому проводу. Применяется для защиты от поражения электрическим током в установках, где имеется нулевой провод. На рассматриваемом типе судна используется трехфазная сеть переменного тока без нулевого провода, поэтому такой вид заземления не используется.

В случае пожара или возгорания электрооборудования или электропроводки необходимо в первую очередь обесточить данный участок, после чего приступать к тушению пожара. Для тушения пожара в электроустановках используются углекислотные огнетушители, песок, асбестовые коврики и т.п.

4.2 Техническое обслуживание тиристорных преобразователей и меры безопасности при их обслуживании.

В связи с установкой на судне нового оборудования, обслуживающий его персонал должен знать правила его обслуживания выполнять правила техники безопасности, связанные с его обслуживанием. Основные правила, которые необходимо соблюдать при обслуживании тиристорных преобразователей, следующие:

- возможность работы тиристорных агрегатов в системах электроприводов в условиях, отличных от указанных в паспорте, должна согласовываться с предприятием-изготовителем;

- обслуживание агрегатов должно производиться в соответствии с "Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей", "Правилами по технике безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей" и требованиями, изложенными в паспорте преобразователя;

- после каждого срабатывания автоматического выключателя при коротком замыкании необходимо производить его ревизию и чистку контактов;

- проверку измерительных приборов необходимо производить в соответствии с установленным на предприятии графиком и сроками проверки электроизмерительных приборов;

- осмотр, чистка и ремонт агрегата должен производиться при полностью снятом со всех его узлов напряжении.

Остальные правила техники безопасности при обслуживании преобразователей соответствуют "Правилами по технике безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей".

4.3 Правила техники безопасности при обслуживании якорно-швартовного устройства.

Якорно-швартовные устройства должны отвечать следующим правилам технической эксплуатации речного транспотра:

Якорное устройство.

Якорное устройство судна должно удовлетворять требованиям правил Речного Регистра РСФСР и обеспечивать при любых условиях плавания быструю отдачу и подъем якорей, и надежную стоянку на них судна, а для буксира-толкача - всего состава.

На нефтеналивных судах якорное устройство должно дополнительно удовлетворять требованиям Правил пожарной безопасности на нефтеналивных судах.

Якорное устройство в период эксплуатации судна должно быть всегда готово к действию. Капитан самоходного судна (шкипер несамоходного) должен систематически, не реже одного раза в неделю, осматривать якорное устройство, проверять техническое состояние всех его деталей и узлов.

При осмотрах якорного устройства и технических уходах за ним необходимо особенно тщательно проверять наличие смазки на трущихся частях брашпилей и шпилей, а также уровень масла в редукторах, надежность крепления якорей тормозом и стопорами, надежность соединения коренных концов якорных цепей с устройствами для их отдачи, исправность устройства для закрепления и отдачи коренного конца якорной цепи и самой якорной цепи, штыри соединительных звеньев.

Необходимо следить за наличием и состоянием кожухов на якорно-швартовных механизмах и постоянно поддерживать их в исправности.

Осмотр и обслуживание электрооборудования якорных устройств должны производиться в объеме и в сроки, предусмотренные графиками технических уходов, составленными в соответствии с действующими Правилами обслуживания электрооборудования и ухода за ним.

Осмотр и обслуживание мотобрашпилей должны производиться в объеме и в сроки, предусмотренные инструкцией по их эксплуатации.

Результаты осмотра и исправность действия якорного устройства должны быть отражены в вахтенном журнале.

Запрещается выпускать судно в эксплуатацию при несоответствии якорного снабжения установленным нормам или неисправности якорного устройства, если:

а) якорные цепи не помещаются в цепных ящиках (размеры последних не соответствуют длине укладываемой цепи), концы цепей ненадежно прикреплены к набору корпуса с помощью жвака-галса;

б) уменьшение диаметра цепей вследствие их износа превышает 20%, а у судов смешанного плавания - 10%;

в) обнаружены звенья с выпавшими контрфорсами (распорками);

г) звенья, скобы и стопоры цепей, тормозы якорной машины имеют трещины или повреждения;

д) якорная цепь проскакивает в звездочке брашпиля, шпиля или в щеколде стопора;

е) неисправны стопоры цепей, тормозное устройство брашпиля и шпиля, а также узлы дистанционной отдачи якоря;

ж) при отсутствии дистанционной отдачи якорной цепи не обеспечена возможность отдачи жвака-галса усилиями одного человека;

з) износ клюзов и стопоров препятствует нормальной работе устройства;

и) ненадежно действует дистанционная отдача якорей из рулевой рубки;

к) якорные цепи не подвергались испытанию и не имеют соответствующего свидетельства (установка новых якорных цепей должна допускаться только при наличии паспорта, выданного заводом-изготовителем цепей).

Швартовные устройства.

Швартовные устройства (швартовные лебедки, шпили, кнехты, киповые планки) должны быть прочно закреплены на фундаментах и на корпусе судна, обеспечивать надежное удержание судна при его стоянке у пирсов, причалов и других судов, а также сохранность тросов и безопасное выполнение швартовных работ.

На нефтеналивных судах швартовные устройства должны также удовлетворять требованиям Правил пожарной безопасности на нефтеналивном флоте.

Швартовные кнехты, киповые планки, утки, роульсы, клюзы и их крепление к корпусу судна должны быть исправными. Износ этих деталей, при котором образуются острые кромки, приводящие к изгибам, заломам или разрывам швартовных тросов, не допускается. Все стальные тросы и трущиеся части швартовных устройств должны быть своевременно смазаны канатной мазью, солидолом, техническим вазелином или другой равноценной смазкой, особенно на время длительного бездействия.

Техническая эксплуатация автоматического швартовного устройства должна производиться в полном соответствии с инструкцией по эксплуатации. Независимо от наличия и исправности действия автоматического швартовного устройства швартовные средства с ручным обслуживанием должны всегда быть готовы к действию.

Для швартовных стальных тросов число разорванных проволок не должно превышать 20% общего количества проволок на длине шесть диаметров.

При износе или коррозии проволок троса, достигающих 20% и более первоначального диаметра проволок, швартовный трос должен быть забракован.

Все соединения должны быть тщательно выполнены и защищены бензелями, все колышки выправлены. Ходовой конец швартовов должен иметь огон и находиться на верху бухты, а концы швартовов должны быть защищены бензелями.

Капроновые и пеньковые канаты, используемые в качестве швартовных и буксирных тросов, должны соответствовать требованиям государственных стандартов или технических условий на их поставку.

При эксплуатации капроновых и пеньковых канатов должны быть соблюдены следующие требования:

а) поверхности барабанов швартовных механизмов, шкивов, кнехтов, роульсов не должны иметь выбоин, заусениц, ржавчины;

б) диаметр барабана, на который выбирается капроновый канат, должен быть не менее шестикратного диаметра каната, диаметр шкива - не менее 6-8 диаметров и по ширине - на 25% более диаметра каната;

в) в качестве стопора необходимо использовать только растительный канат;

г) на кнехты должно накладываться не менее восьми шлагов, причем верхние шлаги должны быть закреплены схватками из растительного троса;

д) капроновые канаты использовать и хранить при температуре от -20 до 40 °С;

е) периодически (не реже одного раза в два месяца) капроновый канат во избежание искрения и вследствие накопления статического электричества необходимо обрабатывать двухпроцентным раствором хлористого натрия в течение суток.

Капроновые и пеньковые канаты подлежат осмотру и выбраковке один раз в три месяца, а для судов, швартующихся ежедневно, - ежемесячно.

Запрещается использовать капроновые канаты, если:

а) обнаружены признаки истирания с разрывом волокон (разрезы, смещение прядей и другие явные дефекты);

б) при рабочих нагрузках канат удлиняется более чем на 25% и после снятия нагрузки не восстанавливает свою первоначальную длину;

в) канат до его использования на танкерах и судах, перевозящих огнеопасные грузы, не подвергся предварительной антистатической обработке.

Запрещается использовать швартовные кнехты в качестве буксирных, если прочность их и способ крепления к корпусу не удовлетворяют соответствующим требованиям.

Якорно-швартовные устройства (брашпили и шпили) являются сложными палубными механизмами, представляющими повышенную опасность для обслуживающего персонала. В связи с этим при обслуживании этих устройств, а также при работе с ними или в зоне их расположения, необходимо соблюдать следующие правила техники безопасности [19]:

- к обслуживанию якорных устройств допускается личный состав судна, прошедший специальную подготовку, предусматривающую изучение конструкции механизма, принципа его действия, правил технической эксплуатации и техники безопасности;

- перед включением якорно-швартовного механизма необходимо убедиться в том, что его работа не вызовет аварийных ситуаций и не угрожает безопасности личного состава;

- во время работы якорно-швартовного механизма запрещается прикасаться к его вращающимся частям;

- при выполнении якорных операций запрещается находиться на линии якорной цепи впереди и позади якорно-швартовного механизма;

- запрещается выполнение якорных операций во время нахождения людей в цепном ящике;

- запрещается работать с якорными цепями во время забортных работ в районе якорей;

- перед соединением звездочек с валом механизма необходима предварительная проверка работы механизма вхолостую;

- при местном ручном управлении якорно-швартовным механизмом запрещается отключать звездочку от привода, не удостоверившись в надежности затормаживания ее ленточным тормозом и наложения стопоров на якорные цепи;

при местном ручном управлении отдачей стопоров якорной цепи, необходимо убедиться в том, что звездочки якорно-швартовных механизмов соединены с приводом, а цепи не имеют провисания;

- при выполнении работ по окраске корпуса, а также других забортных работ в районе форштевня, якорные цепи должны удерживаться, кроме ленточных тормозов, дополнительными стопорами;

- при обследовании цепных ящиков и работах в них запрещается вставать ногами на якорные цепи. При выполнении этих работ необходимо использовать специальные настилы;

- при стоянке у причала и на ходу судна запрещается оставлять якорные цепи закрепленными только ленточными тормозами. Требуется наложение на якорные цепи стопоров;

- при стоянке в доке все работы с якорями и якорными цепями должны производиться только с разрешения администрации дока. Перед началом работ необходимо убедиться в отсутствии людей под якорями;

- во время выполнения швартовных операций запрещается находиться около натянутого конца швартовного каната, а также нагружать швартовный канат, закрепленный на кнехте;

при травлении швартовного каната с барабана необходимо следить, чтобы на барабане оставалось не менее трех шлагов;

- швартовные тросы должны направляться на барабаны якорно-швартовных механизмов через киповые планки и направляющие роульсы без перекосов;

- запрещается использование тросов, цепей и тяг, не имеющих сертификатов Речного Регистра России.

4.4 Общие правила противопожарной безопасности на судах

С целью обеспечения противопожарной безопасности на судах должны выполняться следующие правила:

- на пассажирских, нефтеналивных и грузовых судах должны быть инструкции, устанавливающие противопожарный режим, который должен соблюдаться членами экипажа и пассажирами. Требования инструкции должны исходить из основных положений Правил пожарной безопасности на речном транспорте и специфических особенностей и условий на судне. Инструкция утверждается капитаном судна;

- все выходы, основные и запасные, из судовых помещений должны быть свободными, а двери не запертыми, трапы из трюмных помещений и к спасательным иллюминаторам - исправными, крышки иллюминаторов должны легко открываться;

...