Расчёт электромеханического рулевого привода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство транспорта Российской Федерации

Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта

Кафедра Электрооборудования и автоматики

КОНТРОЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

Расчёт электромеханического рулевого привода

Выполнил: ст. гр. ЭТ-52

Чекалов Т.А.

Проверил: преподаватель

Романов М.Н

НОВОСИБИРСК - 2006

Содержание

Электропривод рулевых устройств. Требования Речного Регистра к рулевому электроприводу

Задание на проектирование

Введение

1. Расчёт и построение нагрузочной характеристики электро - двигателя рулевого устройства электромеханического типа

2. Электропривод следящего действия по системе тиристорный преобразователь - двигатель

2.1 Расчёт мощности и выбор исполнительного электродвигателя

2.2 Расчёт элементов системы управления следящим электроприводом

2.3 Выбор основных элементов схемы управления электроприводом и определение их статических параметров

3. Расчет защитных устройств и элементов схемы

4. Кабельный журнал

5. Описание работы схемы

Заключение

Электропривод рулевых устройств. Требования Речного Регистра к рулевому электроприводу

Является наиболее ответственным ЭП на судне и предназначен для перекладки пера руля на определенный угол от ДП судна с заданной скоростью, т.е. рулевой электропривод обеспечивает управляемость, что определяет его маневренность и безопасность плавания.

Требования к рулевому электроприводу нормируются Правилами Речного Регистра.

1. Безопасность, безотказность и надежность действия, что обеспечивается высоким качеством оборудования, а так же наибольшей простотой схем.

2. Живучесть и гарантированное резервирование. Рулевое устройство должно иметь основной и запасной привод.

3. Обеспечение нормированной скорости перекладки пера руля. Полностью погруженный в воду руль должен перекладываться основным креном с 35? одного борта на 30? другого борта при максимальной скорости хода не более чем за 28 с.

4. Достаточная перезрузочная способность по моменту вращения, обеспечивающая преодоление наибольших возможных моментов сопротивления на баллере руля.

5. Удобство и простота управления.

6. Возможность управления с нескольких мест: ходовой рубки, сигнального мостика, румпельного отделения.

7. Жесткий контроль за работой электропривода, что обеспечивается указателями положения пера руля с точностью до 2,5? при углах перекладки больше 5?, а при нахождении руля в ДП точность повышается до 1?.

8. Возможность быстрого и простого перехода с одного поста управления на другой, а так же перевода работы рулевого устройства с основного на вспомогательный или аварийный привод не более чем за 2 мин.

9. Простота обслуживания и эксплуатации.

10. Высокие экономические показатели.

Задание на проектирование

ХАРАКТЕРИСТИКА СУДНА:

Тип судна: Танкер

Грузоподъемность или мощность: 500 т

Главные размерения (м):

L - 62,3

B - 8,5

T - 1,7

Скорость хода (км/ч): 16

Тип руля: Простой

Количество рулей: 2

Наличие насадки: Насадка

ТИП ДВИГАТЕЛЯ И СИСТЕМА ПРИВОДА:

Род тока и величина напряжения (В): ~380

Вид привода: Электромеханический.

Система электропривода и тип ИД: ТП - ДПТ

Схема управления: Следящего действия

Кинематическая схема: Секторный двухдвигательная

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 тиристорный преобразователь - 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. Расчёт и построение нагрузочной характеристики электродвигателя рулевого устройства электромеханического типа

Для построения нагрузочной характеристики электродвигателя рулевого устройства необходимо выбрать конкретную конструкцию секторного рулевого привода, сделать её чертежи и установить основные параметры механической передачи: общее передаточное число i₀ общий КПД передачи з₀, с учетом i и з всех звеньев передачи.

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

i₀ = 1600 - 3000

Принимаем общее передаточное число: i₀ = 2100

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: з_М = 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, приводимыз в движение данным электроприводом; М_б - значение момента на баллере, из диаграммы М_б = f (б); I, n - 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 = 0,20 • 44,97 = 8,99 Нм - для простых рулей.

б = 30?

М_б = 16456,58 Нм

б = 35?

М_б = 21247,03 Нм

Рис 1:

На рисунке 1, представлены диаграммы моментов сопротивления на баллере балансирного руля:

М_б = f ( б )

И на валу электродвигателя рулевого устройства:

М_д = f ( б )

Это при переднем ходе судна

2. Электропривод следящего действия по системе тиристорный преобразователь - двигатель

Рулевой электропривод следящего действия характеризуется перекладкой пера руля на тот борт и на такой угол, который задается рукояткой поста управления системы электропривода руля.

До настоящего времени системы ТП - Д не нашли применения для привода рулевых устройств серийных судов речного флота, главным образом из-за специфических требований, предъявляемых к ним и невыгодности промышленного производства их в малосерийном исполнении

2.1 Расчёт мощности и выбор исполнительного электродвигателя

Поскольку рабочая часть механических характеристик электродвигателя постоянного тока в системе с тиристорным преобразователем имеет высокую жесткость, расчет мощности исполнительного двигателя может производиться по следующей методике:

Номинальная мощность электродвигателя определяется по выражению:

Р_н = М_н • щ_н • 10^-3 ,кВт

Номинальный момент, с учётом необходимости наличия избыточного момента момента при пуске электродвигателя в положениях пера руля, близких к б_max и возможного снижения напряжения сети на 10%:

Нм

Где 1,5 - кратность избыточного момента; 0,95 - коэффициент, учитывающий допуск по моменту.

Средняя угловая скорость электродвигателя с жесткой характеристикой, обеспечивающего перекладку руля с борта на борт в заданное время:

с^-1

Где б_max - максимальный угол перекладки пера руля;

i - полное передаточное число рулевого устройства;

T - время перекладки пера руля с борта на борт.

Номинальная угловая скорость двигателя:

Параметры выбранного электродвигателя:

Мощность - 3,2 кВт; Номинальный ток якоря - 19 А; Частота вращения - 750 об/мин; Момент инерции - 0,4 кг•м²; Сопротивления якоря и добавочных полюсов - 1,073 Ом; Сопротивление обмотки возбуждения - 184 Ом; Номинальный ток возбуждения - 0,91 А; Магнитный поток на полюс - 7,7•10^-2 Вб; Число пар полюсов - 2

2.2 Расчёт элементов системы управления следящим электроприводом

При разработке системы управления необходимо учитывать то обстоятельство, что в следящих приводах изменение угловой скорости двигателя вызывается не только изменением нагрузки на его валу, но и изменением напряжения его якорной обмотки за счёт изменения угла рассогласования между задающим органом и пером руля.

Для получения расчётных формул рассмотрим структурную схему привода:

Рис 2 - Структурная схема следящего электропривода:

Где: W_f - передаточная ф-ия по возмущающему воздействию:

W_р - Передаточная ф-ия рулевой машины:

W_д - Передаточная ф-ия двигателя:

W_рег - Передаточная ф-ия регулятора:

По структурной схеме получим выражение для отклонения пера руля:



Передаточные функции всех пропорциональных звеньев структурной схемы могут быть представлены через передаточные коэффициенты этих звеньев.

Исключение составит только интегрирующие звено, моделирующее рулевую машину.

Его передаточная функция для этого случая будет иметь вид:

Передаточный коэффициент рулевой машины:

k_p = =

Конструктивный коэффициент двигателя:

= В•с

Где 1,24 - коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления меди при нагреве; I_H - номинальный ток якоря; r_Я - сопротивление цепи якоря двигателя; Щ_Н - номинальная угловая скорость двигателя.

Передаточный коэффициент двигателя по каналу управления:

= (В•с)^-1

Сопротивление якорной цепи системы преобразователь - двигатель:

R_яц = 1,24•2•r_я = 1,24•2•1,073 = 2,66 Ом

Передаточный коэффициент двигателя по каналу возмущения

(Нм•с)^-1

Величина коэффициента В:

Нм^-1

Наклон нагрузочной диаграммы:

Расчётный коэффициент разомкнутой системы:

2.3 Выбор основных элементов схемы управления электроприводом и определение их статических параметров

Основными элементами, обеспечивающими функционирование электропривода рулевого устройства, кроме двигателя и рулевой машины, являются преобразователь и задающий орган, а для электроприводов следящего действия - ещё и измеритель рассогласований.

Наиболее подходящим типом преобразователя следует считать реверсивный тиристорный преобразователь, при этом способ управления группами тиристоров в преобразователе значения не имеет.

Передаточный коэффициент тиристорного преобразователя:

В качестве измерителя рассогласований принимаем сельсинную пару, работающую в трансформаторном режиме. Выбираем в качестве сельсина - датчика сельсин типа БД - 1404А с напряжением питания 110 В переменного тока и током обмотки возбуждения 0,45 А, а в качестве сельсина - приемника сельсин типа БС - 1404 с током обмотки возбуждения 0,45 А.

При угле рассогласования б_max = 35 напряжение на однокатушечной обмотке сельсина - приемника:

U_c = U_n•sin б_max = 110 • 0.57 = 63,09 В

Передаточный коэффициент измерителя рассогласований (сельсинной пары):

Передаточный коэффициент фазочувствительного выпрямителя:

Реальный передаточный коэффициент разомкнутой системы:

k_pp=k_u • k_фчв • k_n • k_д • k_p = 103,29•0,16•46•0,4•6,3•10^-4 = 0,19 с^-1

Реальный передаточный коэффициент разомкнутой системы больше расчетного. Если выполняется условие k_pp ? k_pc, то спроектированная система обеспечивает заданную статическую точность регулирования и заданное время перекладки пера руля с борта на борт. Для обеспечения заданного Регистром времени перекладки пера руля с борта на борт выберем комплектный теристорный преобразователь серии ЭТ П 1-2.

Тип - ЭПУ 1-2 4ХМ

U_ном = 380-440 В

Тип преобразователя: БС 3203…М

U_зад = 10 В

Якорная цепь:

I_ном = 25 А

U_ном = 460 В

Возбуждение:

I_ном = 5 А

U_ном = 220 В

Реактор

2.4 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.

Передаточная функция разомкнутой системы:

W_pc = W_u •W_фчв •W_n •W_д •W_р =

Где W_u = k_u - передаточная функция измерителя рассогласований

W_фчв = k_фчв - передаточная функция ФЧВ

W_n = k_n - передаточная функция преобразователя

W_д - передаточная функция двигателя по каналу напряжения

W_p - передаточная функция рулевой машины

По алгебраическому критерию Гурвица САР устойчива, если выполняется условие:

Т_м > T_м • Т_я • k_pp

Индуктивность якорной цепи двигателя:

Гн

Где k - коэффициент, равный 0,55

р_д - число пар полюсов двигателя

Электромагнитная постоянная времени:

с

Электромеханическая постоянная времени:

с

Подставив полученные значения постоянных времени и коэффициента разомкнутой системы в условие устойчивости, получим: 1,03 > 0,008 с

Условие выполняется, следовательно система устойчива.

Рис 3 - Структурная схема следящий системы:

Где: М₀ - момент постоянно действующий на валу двигателя

W_u = k_u - передаточная функция измерителя рассогласований

Рис 4 - График переходного процесса:

3. Расчет защитных устройств и элементов схемы

Выбор автоматического выключателя: I = 2.0*Iн

QF1 : I = 2.0*Iн = 2.0*19 = 38 А, выбираем автоматический выключатель А3714Б Iуст = 40А.

Выбор предохранителей: I = 2.0*Iн

FU1-2 : НПН 15 Iн = 15А, Iпв = 10А;

FU3-5 : НПН 2 Iн = 2А, Iпв = 2А;

FU6-8 : НПН 1.5 Iн = 1.5А, Iпв = 1.2А.

Выбор реле максимального тока: I = 1.1*Iн

КА1-2 : РЭМ 651 Iв.к = 15А, Iвтяг.кат = 20А.

Выбор реле минимального тока:

КА3-4 : РЭМ 25 Iн = 5А, U = 0.7*Uн - напряжение срабатывания эл. маг. катушки.

Кнопки:

SB1-2 : КСМ 2 Iн = 10А.

Переключатель:

SA1-2 : УП5400 Iн = 20А.

Лампы накаливания:

HL1-6 : Ц220-10 Uн = 220В, Рн = 10Вт.

Конечные выключатели:

SQ1-2 : КУ - 701, I_ОТКЛ. = 0,7А; I_ВКЛ. =10А

Трансформатор:

Трансформатор TV1 заказывается понижающий с 380 до 220/110 мощностью 5кВт.

4. 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	Условие прокладки	Марка кабеля	Сечение жил кабеля, мм2	Допустимый ток кабеля, А	Длинна кабеля, м	Примечание
1	МС - ПУ	<5	в пучке 1,24	КНР	6 Ч 1	10	50
2	МС - ПУ	<5	в пучке 1,24	КНР	4 Ч 1	10	50
3	БКВ - ГРЩ	8	в пучке 1,24	КНР	2 Ч 1	10	8,5
4	ГРЩ - ПУ	8	в пучке 1,24	КНР	3 Ч 1	10	50
5	ВЕ - ВС	<5	в пучке 1,24	КНР	3 Ч 1	10	50
6	ВС - ФЧВ	<5	в пучке 1,24	КНР	2 Ч 1	10	8,5
7	ВКС - ФЧВ	<5	в пучке 1,24	КНР	2 Ч 1	10	8,5
8	ГРЩ - МС	8	в пучке 1,24	КНР	6 Ч 1	10	8,5
9	ТРН - МС	20	в пучке 1,24	КНР	2 Ч 5	40	8,5
10	В - МС	<5	в пучке 1,24	КНР	2 Ч 5	10	8,5
11	ПУ - БКВ	<5	в пучке 1,24	КНР	2 Ч 1	10	50
12	БКВ - ТРН	<5	в пучке 1,24	КНР	2 Ч 1	10	8,5
13	ГРЩ - ФЧВ- ВЕ	<5	в пучке 1,24	КНР	4 Ч 1	10	50
14	ГРЩ - ТРН	20	в пучке 1,24	КНР	3 Ч 5	10	8,5
15	ГРЩ - В	<5	в пучке 1,24	КНР	2 Ч 1	10	8,5
16	МС - М2	20	в пучке 1,24	КНР	2 Ч 5	40	8,5
17	МС - М1	20	в пучке 1,24	КНР	2 Ч 5	40	8,5
18	МС - М1	<5	в пучке 1,24	КНР	2 Ч 5	10	8,5
19	МС - М2	<5	в пучке 1,24	КНР	2 Ч 5	10	8,5

5. Описание работы схемы

Задающее устройство - сельсин - датчик ВЕ, а отрабатывающее устройство - сельсин - приемник ВС. Напряжение на статоре:

ВС U = U_{MAX •} cosц.

Очевидно, что при ц = 0 напряжение на выходе ВС является максимальным, что не удобно для построения системы управления. Для получения при ц = 0, U = 0 ротор ВС затормаживается при ц = 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 ц = 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 R1 и R2 равны нулю, а в течении второго полупериода будут протекать одинаковые токи, значит, плечи уравновешены. При ц ? 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, одном зажиме ФЧВ потенциал будет дольше, чем на другом. Т.к. потенциалы не равны, на выходе усилителя будет знак потенциала большего по модулю. В зависимости от знака на входе блока сравнения, на одном из выходов появится сигнал, подаваемый на ЛПУ. СИФУ генерирует сигнал, который подается на ТРН - двигатель отрабатывает заданный угол. Следует отметить, что ФЧВ и блок сравнения объединены в один корпус.

Заключение

В данном курсовом проекте проведен расчет рулевого электропривода с механической передачей от вала электродвигателя к баллеру руля в виде, секторной передачи.

Вид применяемого передаточного механизма рулевого устройства непосредственно влияет на тип и систему его электропривода. Так, электромеханические рулевые привода требуют применения регулируемых приводов. И хотя требуемый диапазон сравнительно не велик, однако для получения их требуется применения более сложных электродвигателей и систем управления. привод двигатель электромеханический

Достоинством электромеханических приводов по сравнению с электрогидравлическими является простота их устройства и обслуживание, низкая стоимость, отсутствие сложных маслинных систем, и низкая пожароопасность. К недостаткам электромеханических приводов рулевых машин секторного типа относятся их большой вес и габариты, износ зубчатых частей, низкая ударостойкость и вибростойкость, что приводит к снижению надежности передаточного механизма и всего рулевого электропривода.

Размещено на Allbest.ru

...