Автоматические швартовные лебедки

/

Введение

Низкие энергопоказатели традиционных систем управления ЭП и недостаточная надежность релейно - контакторной аппаратуры приводит к тому, что последние не соответствуют требованиям повышения технического уровня целого ряда механизмов. Поэтому внедрение тиристорных электроприводов на судах морского и речного флота необходимо с целью решения таких основных задач, как: повышение эффективности использования электромеханизмов на основе улучшения регулировочных, энергетических и динамических свойств электроприводов, а также повышения надежности их работы и снижения затрат на эксплуатацию судовых механизмов при переходе с релейно - контакторных на бесконтактные полупроводниковые системы управления.

При постоянно возрастающей тенденции развития электроприводов механизмов внедрение ЭП с тиристорными преобразователями переменного и постоянного тока является определяющим направлением в современном морском и речном флоте. Но это не значит, что для всех без исключения ЭП необходима сложная тиристорная система регулирования. Для тех механизмов, у которых производительность находится на высшем уровне и удовлетворяет современным требованиям и в дальнейшем, целесообразно использование простых систем, которые позволяют обеспечить требуемые высокие эксплуатационные показатели.

Наиболее высокими техническими показателями обладают частотно - регулируемые электроприводы и инверторными преобразователями частоты и односкоростными асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором.

Обладая высокими регулировочными и энергетическими показателями эти электроприводы позволяют получить предельные показатели по уровню производительности, диапазону регулирования, скорости, удельным параметрам и надежности исполнительного двигателя.

Это особенно необходимые качества для механизмов, работающих в повторно - кратковременных режимах, у которых при определении технических показателей механизма играют потери в переходных режимах. Для таких систем применение электропривода с частотным регулированием является наиболее эффективным и единственным возможным, когда речь идет об определенных условиях эксплуатации.

Для того, чтобы рассмотреть сферу применения регулируемых электроприводов с короткозамкнутым ротором в настоящее время разрабатываются новые системы с преобразователями непосредственного типа (непосредственные преобразователи частоты). Они обеспечивают частотное регулирование в ограниченной зоне, примерно до 40% номинальной частоты вращения электропривода

Электроприводы на основе таких НПЧ по уровню предельной мощности и производительности использования электродвигателя очень заметно уступают таким же системам, но с инверторным преобразователем частоты.

Электроприводы с ПЧИ и тиристорные электроприводы постоянного тока обеспечивают наиболее оптимальные регулировочные характеристики и имеют относительно лучшие показатели по условиям работы и их стоимости.

Сравнительно ограниченное применение таких систем связано с тем, что в них используются коллекторные машины постоянного тока с относительно низким уровнем надежности при использовании их на судах.

Первоначальное значение в повышении эффективности имеют высокие энергетические свойства тиристорных электроприводов и их регулировочные характеристики. Такое повышение эффективности достигается оптимизацией работы двигателя в установившемся и переходных режимах и благодаря регулированию выходных параметров преобразователя.

Глава 1. Анализ существующих и перспективных систем управления автоматическими швартовными лебедками

1.1 Назначение, классификация и принцип действия автоматических швартовных лебедок

1.1.1 Назначение и классификация АШЛ

Автоматические швартовные лебедки необходимы для поддержания заданного уровня швартовного режима судна при необходимой безопасности стоянки и сохранности швартовных концов. Заметное изменение координат клюзов под действием внешних сил действует на изменение угла заводки швартовных канатов, следовательно АШЛ переходит в новый режим работы.

В настоящее время не существует единого подхода к установлению оптимального режима или программы для АШЛ, т.к. условия работы АШЛ в каждом конкретном случае индивидуальны.

Поэтому общепринятым понятием для автоматизации автоматических швартовных лебедок является стабилизация натяжения швартовных концов на необходимом заданном уровне. АШЛ автоматически при увеличении натяжения на канате стравливает его или подбирает слабину при изменении натяжения.

Особенностью механизма лебедки как системы авторегулирования заключается в натяжении (ослаблении) швартовного каната, это является возмущающим фактором и регулируемым параметром АШЛ.

По отношению к другим обобщенным координатам судна система остается разомкнутой, это является ее существенным недостатком.

Не только ветер, течение или волновые воздействия влияют на изменение угла заводки швартовных канатов. Возмущающим фактором для этого могут служить и погрузочно - разгрузочные работы, при проведении которых могут заметно меняться координаты клюзов, а также шлюзование или стоянка судна в условиях приливов и отливов, которые могут достигать широких пределов. Например при погрузочно - разгрузочных работах танкере вертикальное перемещение клюза может изменяться в пределах от 0,7 до 1 м/мин, а при шлюзование 0,5 - 1 м/мин. В этих условиях АШЛ играют важную роль, т.к. автоматизация процесса швартовки дает возможность высвободить большую часть палубной команды, избавить людей от тяжелого и опасного труда: постоянных перетяжек и нахождения непосредственно у канатов.

Использование АШЛ дает возможность применения стальных тросов, которые более долговечны и надежны в работе, чем синтетические и растительные.

Достаточное количество АШЛ на судне, их постоянная готовность к работе в достаточной мере дает возможность существенно сократить общий объем швартовных операций, уменьшить опасность труда обслуживающего персонала.

Рис.1.1. Структурная схема.

Например, фирма АСЕА комплектует некоторые системы с двухцепными эсператорами, это предусматривает обслуживание приводов сразу двух лебедок.

Эти системы имеют достаточно высокие технико - экономические показатели по сравнению с другими.

При швартовных операциях ручное управление производится с ПУ (командоаппарата). Сигнал с ПУ поступает на возбуждение генератора (Г) и двигателя (ИД), создает тяговые характеристики лебедки, необходимые для работы. При переходе в автоматический режим, рукоятка ПУ ставится в одно из начальных положений, в зависимости от необходимого натяжения. Состояние равновесия достигается самостоятельно, т.е. если усилие небольшое, то двигатель работает в двигательном режиме, выбирая слабину. Если натяжение увеличилось, то частота вращения ИД (согласно характеристике) падает до полной остановки и стоянки од током. Если начальное натяжение велико, то происходит стравливание каната до выравнивания противодействующих моментов, а ИД работает в режиме противовключения. Для этой группы АШЛ характерно, что частота двигателя является переменной и определяется приведенным моментом на двигателе.

Автоматические швартовные лебедки, используемые на современных морских и речных судах по принципу измерения натяжения (усилия) на швартовном канате можно разделить на две группы:

а) системы с датчиком натяжения;

б) системы без датчиков натяжения.

Одна из групп применяемой на судне системы в целом определяет работу электропривода.

1.1.2 АШЛ без датчика натяжения

В АШЛ без датчика натяжения оценка усилия производится самим электродвигателем. Это является наиболее простым действием в функциональной системе. В автоматическом режиме электродвигатель стоит под током, уравновешивая момент, создаваемый натяжением троса на барабане АШЛ. Обычно в таких системах используются системы Г - Д, у которых создаются благоприятные крутопадающие механические характеристики.

Такие системы сейчас установлены на теплоходах серий «Новгород» и ряде других, производятся фирмами «Тригге» и «АСЕА»

1.1.3 Динамометрические системы в АШЛ с датчиком натяжения

Система АШЛ с датчиком натяжения - это система, в которой двигатель имеет прерывистую работу по определенной программе, задающейся датчиком натяжения, которые отличаются по принципу измерения тягового усилия.

В АШЛ используются следующие динамометрические системы:

а) динамометрическая система с планетарной передачей; (рис. 1.2)

б) динамометрическая система с непосредственной упругой связью барабана с рабочим валом (рис.1.3).

Динамометрическая система с планетарной передачей - это система, в которой центральным элементом является планетарная передача в силовой цепи редуктора между двигателем и грузовым барабаном. Солнечное колесо системы передачи 1 связано с исполнительным двигателем. Водило 3, вместе с закрепленными на ней сателлитами 4, передает вращение на барабан. Когда двигатель заторможен, усилие на барабане через водило и сателлиты передается на валочную шестерню 2. Ее смещение вызывает растяжение пружины динамометра 6. В статическом (постоянном) сочетании пружина уравновешивает силу Т_в, которая приложена к водилу. Она эквивалентна натяжению швартовного каната. Натяжение пружины фиксируется указателем 8 и через шатун 7 передается на датчик тяговой силы 9, который содержит контактные элементы управления магнитной станцией 11. Уставка натяжения контролируется маховичком 10. Отклонение действительного усилия от заданного вызывает дополнительное перемещение штока датчика натяжения, коммутацию его управляющих элементов и включение ИД в направлении, зависящем от знака отклонения натяжения.

Фактически измеритель производит оценку момента на водиле, который по величине будет намного меньше действительного момента на грузовом барабане, возникающего из-за натяжения швартовного троса. Также отличие можно определить потерями в передаточном механизме, находящемся между барабаном и планетарным редуктором.

В динамометрической системе с непосредственной упругой связью барабана с рабочим валом барабан 6 имеет свободную посадку относительно грузового вала 3 (Рис. 1.3.). Между ними связь осуществляется с помощью пружинных растяжек 9 со звездочкой 8, которые встроены во внутрь барабана.

Когда двигатель и грузовой вал находятся в заторможенном состоянии, под действием усилия на канате происходит поворот барабана относительно оси своего вала на угол, величина которого эквивалентна натяжению. Угол фиксируется датчиком тягового усилия 7. Наличие в системе дифференциала 4 позволяет производить измерения усилия даже во время работы двигателя.

С учетом параметров ценных звездочек 1, 5 промежуточная механическая передача 2 позволяет выбирать необходимую величину поворота вала датчика натяжения.

В системе такого типа имеют место наименьшие потери момента на расстоянии от барабана до измерителя и высокая точность оценки натяжения. Такие системы с непосредственной упругой связью установлены на судах серий «Омск» и разработаны западногерманской фирмой «Каминатель Шерфе»

Для измерения момента на грузовом валу лебедки широко используются магнитоупругие датчики. Они работают на применении магнитной проводимости феромагнитных материалов, которое происходит под действием механических напряжений.

Магнитоупругий датчик с измерительным преобразователем установлен на одной из автоматических швартовных лебедок теплохода «Звенигород». Датчиком был заменен стоявший ранее пружинный измеритель натяжения. После такой замены автоколебательность всей системы повышается. На этот фактор повлияла более положительная и эффективная работа датчика. Поэтому для систем с датчиком натяжения характерно дискретное регулирование скорости электропривода, то при определенном достижении усилия произойдет направленное включение двигателя.

Двигатель, имея жесткую механическую характеристику, работает с постоянной частотой вращения. При увеличении натяжения датчик срабатывая, включает повышенную (пониженную) скорость вращения.

1.2 Анализ перспективных бесконтактных систем управления автоматическими швартовными лебедками

В настоящее время автоматические швартовные лебедки комплектуются электроприводами переменного тока на базе трехскоростного асинхронного электродвигателя. Наиболее распространенным типом электропривода является система с асинхронным короткозамкнутым двигателем, управляемым силовым кулачковым контроллером или магнитным контроллером релейно - контакторного типа. Силовая схема такого типа электропривода приведена на Рис. 1.4., механические характеристики на Рис.1.5.

Управление электроприводом производится посредством командоконтроллера с тремя рабочими положениями в двух направлениях вращения. Включение любой из 3-х обмоток электродвигателя осуществляется переводом командоконтроллера из нулевого положение в соответствующее рабочее положение. Автоматические швартовные лебедки до последнего времени снабжаются релейно - контакторной системой управления на основе использования трехскоростного электродвигателя с 2р = 4/8/24.

Обмотка 2р = 4 используется для выбирания каната в холостую, а обмотка 2р = 8 - для выбирания каната с номинальным натяжением. Обмотка 2р = 24 служит для выбирания каната с малой скоростью при ручном управлении, а также для всех операций автоматического режима. В схему управления входят реверсивные контакторы, скоростные контакторы, контакторы тормозного электромагнита, промежуточные реле, реле защиты, различные блокировки. В цепь управления также включены датчики от взвещивающего устройства, дающие команду на автоматическое травление или выбирание троса на малой скорости, устройства контроля и сигнализации, выведенные на пульт управления лебедкой.

Отмечая достоинства таких электроприводов, заключающиеся в простоте и относительно низкой стоимости, следует тем не менее констатировать, что при нынешнем развитии крупнотоннажного флота и соответственном увеличении мощности автоматических швартовных лебедок, они уже не удовлетворяют возросшим требованиям по ресурсу, надежности и другим показателям. Слабым звеном в них является коммутационная аппаратура - силовые кулачковые контроллеры и контакторы, которые имеют относительно не высокую электрическую износоустойчивость. Так, для кулачковых контроллеров электрическая износостойкость составляет 100 - 200 тыс. циклов ВО.

Рис. 1.4. Силовая часть релейно - контакторного электропривода АШЛ.

С точки зрения повышения надежности, ресурса, безопасности работы автоматической швартовной лебедки более справедливым оказывается применение коммутационных аппаратов на базе управляемых вентилей (тиристоров). По сравнению с контактными аппаратами тиристорные коммутаторы имеют следующие преимущества:

ь Практически неограниченный ресурс по количеству циклов ВО;

ь Высокое быстродействие;

ь Большой коэффициент усилия по мощности, обусловленный тем, что для включения тиристоров достаточно короткого маломощного импульса;

ь Легкость введения автоматизации;

Рис. 1.5. Механические характеристики релейно - контакторного электропривода АШЛ

ь Высокая надежность работы при упрощении обслуживания; большие возможности управления пуском, торможением и другими переходными режимами электропривода.

К недостаткам тиристорных коммутаторов следует отнести:

ь Значительно меньшая по сравнению с контактными перегрузочная способность по току;

ь Ограниченное количество коммутируемых цепей;

ь Большие потери, выделяемые в тиристорах при протекании переменного тока;

ь Несколько большие, чем у электромагнитных контакторов габариты, масса и стоимость.

Наиболее полно проявляются преимущества тиристорных коммутаторов (в отношении надежности, ресурса, срока службы и др.) в системах электроприводов с многоскоростными короткозамкнутыми двигателями, в которых осуществляется замена всех силовых контактных коммутационных аппаратов бесконтактными. Применение бесконтактных контроллеров в этих системах позволяет помимо характеристик, свойственных системам релейно - контакторного типа, реализовать и новые. Так, представляется возможным без существенного усложнения схемы электропривода получить режим динамического торможения, а также режим противовключения. Открывается возможность изменять по требуемому закону момент двигателя в режимах пуска и торможения. Однако формирование таких пусковых и тормозных характеристик требует регулирование подводимого к нему напряжения, что сопряжено с некоторым усложнением системы управления.

Принципиальная схема электропривода автоматической швартовной лебедки с трехскоростным двигателем и с контроллером КБТ приведена на Рис.1.6. Здесь предусматривается ступенчатый пуск и торможение. Управление тиристорами в контроллерах КБТ осуществляется анодным напряжением, прикладываемым к тиристорам. Принципиальная схема тиристорного коммутатора (в одной фазе) с таким управлением показана на Рис.1.7.

Коммутация управляющих цепей тиристоров производится здесь с помощью герметизированных магнитоуправляемых контактов (герконов), которые из - за своей высокочувствительности хорошо сочетаются с полупроводниковыми элементами. В контроллерах предусмотрены нулевые и тепловые защиты тиристоров от перенапряжений (БЗП). Защита тиристоров от токов короткого замыкания осуществляется с помощью автоматического выключателя. Контроль включения тиристорных коммутаторов производится с помощью реле РК1 - РК3. Конструктивно контроллеры выполняются в виде съемных блоков, размещенных в шкафах. По габаритам контроллеры в 1,3 - 1,5 раза превышают соответствующие исполнения магнитных контроллеров с релейно - контакторной аппаратурой.

Серия КТБ построена на применении тиристоров ВКДУ 150. Она рассчитана на управление двигателями мощностью 20 - 30 кВт. С целью расширения диапазона мощностей предполагается использовать в контроллерах таблеточные тиристоры Т320.

При автоматическом режиме работы сигнал на травление или выбирание каната поступает от механического взвешивающего устройства в систему управления тиристорными блоками.

Рис. 1.6. Силовая часть электропривода АШЛ с бесконтактной коммутацией (сконтроллером КБТ).

Рис. 1.7. Принципиальная схема тиристорного коммутатора (в одной фазе).

Системы с бестоковой коммутацией обладают наиболее высокими надежностными показателями. Однако характерным для этих является значительное увеличение габаритов станций управления, особенно с ростом мощности привода. Это ограничивает область применения систем с бестоковой коммутацией.

В судовых электроприводах все более широкое распрастранение находят контроллеры с совместным применением как контактной, так и бесконтактной аппаратуры. Такое совмещение аппаратов позволяет получить более простые системы, приближающиеся по своему построению к обычным релейно - контакторным структурам, но отличающиеся от них гораздо большим уровнем электрической износоустойчивости коммутационных аппаратов.

В настоящее время разработано несколько схемных решений электропривода автоматической швартовной лебедки с бестоковой коммутацией. Построение таких систем для электроприводов с трехскоростными короткозамкнутыми двигателями возможно на основе двух решений:

1. Шунтирование главных контактов контактора цепочками состоящими из встречно - параллельно включенных тиристоров;

2. Включение последовательно с главными контактами цепочек из встречно - параллельно включенных тиристоров.

В обоих случаях коммутацию тока в цепи двигателя можно осуществлять тиристорами, а все переключения без тока - контактными элементами контакторов или других коммутационных, например, кулачковых контроллеров. Тем самым электрическая износоустойчивость контактных аппаратов, используемых в электроприводе, приближается к уровню их механической износоустойчивости.

Бестоковая коммутация в первом случае получается за счет применения для обычных контакторов специальных блоков бестоковой коммутации. Такой блок для одной фазы (Рис.1.8) состоит из двух встречно - параллельно включенных тиристоров Т1 и Т2, шунтирующих главный контакт ГК контактора и блоков управления БУ1 и БУ2 с трансформатором тока Тр. Бестоковая коммутация достигается за счет шунтирования главного контакта ГК, что исключает дуговой разряд на контактном промежутке. В момент замыкания главного контакта через первичную обмотку трансформатора Тр начинает протекать ток, благодаря чему на тиристоры поступают сигналы управления. Тиристоры открываются и шунтируют цепь главного контакта. Закрывание тиристоров осуществляется или при переходе тока через нуль, или при достижении нормального контактного нажатия на главных контактах, когда тиристоры оказываются зашунтированными. В промежутках между коммутациями при любом токе нагрузки, в пределах рабочих токов, тиристоры находятся в открытом состоянии по цепи управления, но зашунтированы главными контактами. При размыкании главного контакта коммутация тока происходит через тиристоры, которые запираются при переходе тока через нуль. Тиристорные блоки крепятся непосредственно на контакторах. Электрическая износостойкость контакторов приближается к 1 млн. циклов.

На основе применения рассмотренных исполнений контактов схема электропривода автоматической швартовной лебедки может быть выполнена либо полностью на контакторах с бестоковой коммутацией, либо с использованием их только в наиболее нагруженных цепях. В первом случае обеспечивается бестоковая коммутация практически во всех контактных элементах главной цепи, что позволяет максимально использовать возможности контакторов по ресурсу работы. Однако реализация этого варианта требует существенного увеличения габаритов магнитного контроллера, его массы и стоимости. Поэтому более оправданным следует считать применение второго варианта, который при сравнительно высоких показателях по износоустойчивости имеет значительно лучшие характеристики по габаритам, массе и стоимости магнитных контроллеров. На Рис. 1.9 показана принципиальная схема электропривода АШЛ с бестоковой коммутацией только в цепях скоростных обмоток двигателя. Коммутация контакторов КС1, КС2, КС3 здесь бестоковая. Реверсивные контакторы КВ и КН

Рис.1.8. Принципиальная схема блока бестоковой коммутации (для одной фазы)

коммутируют практически только не большие токи обмоток тормозного магнита ТМ, и поэтому электрическая износостойкость контактов этих контакторов достаточно высокая.

При последовательном включении главных контактов и тиристорного коммутатора бестоковая коммутация осуществляется путем соответствующего получения схемы управления, позволяющей осуществлять включение и отключение контактов в момент отсутствия тока. Все эти коммутационные операции под током производится тиристорным коммутатором. При этом могут быть использованы магнитные контроллеры серий БТ, ВТ, куда встраивается тиристорный коммутатор.

Принципиальная схема электропривода АШЛ при последовательном включении главных контактов и тиристорного коммутатора приведена на Рис.1.10. Здесь при пуске двигателя «Вперед» или «Назад» сначала включаются без тока соответствующие контакты контакторов направления КВ или КН. Включение тиристорного коммутатора осуществляется после включения контактора К, катушка которого питается через замыкающий контакт КВ или КН.

Рис. 1.9. Принципиальная схема электропривода АШЛ с бестоковой коммутацией в цепях скоростных обмоток.

При остановке двигателя сначала отключается контактор К, а затем и тиристорный коммутатор. Контакты же КВ или КН находятся во включенном состоянии до тех пор, пока не будет отключен двигатель, что контролируется реле РК, через контакты которого осуществляется подпитка катушки контактора направления. Такой контроль требуется для того, чтобы обеспечить отключение контакторов направления при отсутствии тока в цепи двигателя, т.е. когда отключен тиристорный коммутатор.

Рис. 1.10. Принципиальная схема электропривода АШЛ с последовательной бестоковой коммутацией.

В схеме показано включение тормоза ТМ и блока защиты от перенапряжений БЗП.

Система бесконтактной коммутации с последовательным включением бесконтактных тиристорных узлов имеет минимальные габариты и массу. Однако такое включение тиристорных блоков ограничивает мощность электропривода. Система с бестоковой параллельной коммутацией не имеет ограничений по мощности. Поэтому ее можно использовать для электроприводов АШЛ большой мощности.

Использование систем с бестоковой и бесконтактной коммутацией решает только задачу обеспечения надежной работы аппаратуры управления. Характеристики же электропривода определяются етодами регулирования и не зависят от систем коммутации. Механические характеристики электроприводов с бестоковой и бесконтактной коммутацией совпадают с механическими характеристиками электропривода релейно - контакторного типа. В ряде случаев они уже не удовлетворяют возросшим требованиям, предъявляемым к автоматическим швартовным лебедкам.

Скоростные параметры АШЛ пока еще окончательно не установились, однако с учетом того, что применение этих механизмов не связано с физическими возможностями человека в процессе швартования, имеющиеся тенденции повышения скоростей выбирания швартовного каната, особенно вхолостую, и снижения скоростей выбирания и травления при автоматическом режиме. Так, например, ряд лебедок имеет наибольшую скорость выбирания каната до 1м/с и даже выше, а наиболее эффективное значение скорости в автоматическом режиме находится в пределах 0,05 - 0,1 м/с, т.е. для автоматических швартовных лебедок предпочтительным является диапазон регулирования 1:15. Такого диапазона регулирования электромашинными методами достичь невозможно. Становится необходимым внедрение принципиально новых систем электропривода, имеющего более высокие регулировочные, динамические и энергетические показатели. Для системы с бесконтактной коммутацией перспективным следует признать использование тиристорных коммутаторов не только в качестве прерывателей тока, но и как регулятора напряжения, подводимого к двигателю при пусках и торможениях, с тем, чтобы получить требуемый для механизма закон изменения момента. Однако это сопряжено с усложнением системы управления.

Наиболее благоприятным с точки зрения повышения регулировочных, динамических показателей электропривода автоматической швартовной лебедки является применение частотно - регулируемого электропривода с асинхронными односкоростными и полюсо - переключаемыми короткозамкнутыми машинами. При частотном управлении потери при пуске и торможении электродвигателя меньше аналогичных потерь не только при прямом включении, но и при двух- или трехступенчатом.

Замена трехскоростного двигателя односкоростным с частотным управлением позволяет позволяет уменьшить его размеры на 1 - 2 габарита, вес - на 40%, а маховый момент и суммарные потери за цикл - в два раза даже с учетом несинусоидальности выходного напряжения преобразователя частоты.

Рис.1.11 Схема комбинированного электропривода АШЛ с параллельным включением преобразователя частоты.

На Рис.1.11 приведена схема комбинированного электропривода автоматической швартовной лебедки с двухскоростным двигателем и параллельным включением преобразователя частоты с непосредственной связью (показана только силовая часть). Схема обеспечивает частотный пуск и торможение при работе двигателя от преобразователя частоты, а также двухступенчатый разгон и торможение в зоне электромашинного регулирования. Общий диапазон регулирования скоростей с типовым соотношением пар полюсов машины 2р=4/6 составляет 1:15, а в зоне частотного регулирования диапазон изменения частоты вращения двигателя от 150 до 600 об/мин. Число фиксированных механических характеристик - по пять в каждом направлении. Преобразователь частоты связан с сетью посредством понижающего трансформатора Тр. Управление каналами регулирования частоты и напряжения осуществляется посредством реле РСВ, РСН и РС2, РС3.

Указанные реле переключают цепи резисторов R1 - R18, собранных по потенциометрическим схемах, причем цепи из диодов Д1 - Д12 образуют логическую схему ИЛИ, при которой включение последующей цепи исключает предыдущую. Механические характеристики этого электропривода приведены на Рис.1.12.

Недостатком предыдущей схемы является недостаточная ее надежность, относительная сложность системы управления, большие масса и габариты всей аппаратуры управления.

Рассмотрим подробнее электромашинно - частотное управление автоматической швартовной лебедкой, производя частичный расчет элементов АШЛ для т/х «Electra».

Рис.1.12. Механические характеристики электропривода АШЛ с параллельным включением преобразователя частоты.

Глава 2. Система управления автоматической швартовной лебедкой с совместным частотным и электромашинным регулированием

2.1 Выбор электродвигателя и расчет его характеристик

2.1.1 Характеристики швартовного снабжения

Количество швартовных канатов (тросов) на судне связано с основной характеристикой снабжения N_с и может составлять от 3 до 20. Длина швартовных канатов также зависит от характеристики снабжения и находится в пределах от 130 до 200 м.

Где: Д - водоизмещение судна;

В - ширина судна;

h - условная высота от ватерлинии до верхней палубы у борта самой высокой рубки, имеющей ширину не менее 0,25*В;

А - площадь парусности в пределах длины судна по ватерлинии без учета парусности мачт, стрел, ограждений.

Для нашего судна (т/х «Electra):

В = 20,3 м

Д = 18450 т

h = 17,1 м

А = 1316,8 м²

м²

Разрывное усилие может быть вычислено по формуле:

Где коэффициенты a₂ и b₂ выбираем согласно литературе: а₂ = 630, b₂ = 375

Принимаем F = 240000 Н 500000 Н

Т.к. номинальное тяговое усилие швартовных механизмов должно быть не выше 1/3*F, то номинальное тяговое усилие F_ш принимаем равным 80 кН.

Из таблицы 8.9 [2] выбираем АШЛ со следующими техническими данными:

номинальное тяговое усилие F_ш - 80 кН;

расчетный диаметр троса d_т - 28 мм;

разрывное усилие троса F - 320 кН;

канатоемкость барабана - 200 м

скорость выбирания ненагруженного троса при неавтоматическом режиме не менее - 0,9 м/с;

скорость выбирания троса при номинальном тяговом усилии не менее - 0,2 м/с;

минимальная скорость при автоматическом режиме не более - 0,07 м/с.

2.1.2 Расчет мощности ЭД и выбор его по каталогу

Номинальная мощность электродвигателя АШЛ определяют по формуле:

Где: - номинально тяговое усилие в швартовном тросе, кН

- номинальная скорость выбирания швартовного троса (принимаем =0,23 м/с)

- КПД механизма (принимаем =0,75)

- поправочный коэффициент для двигателей, имеющих запас по времени стоянки:

,

где t_доп = 30 с - допустимое время стоянки под током в номинальном режиме;

= 1,07

Выбираем по каталогу двухскоростной электродвигатель типа МАП 611 - 4/12, технические данные которого приведены в табл. 2.1.

Табл. 2.1. Технические данные ЭД типа МАП 611 - 4/12

Для канатоемкости барабана АШЛ, равной 200 м, выбираем его параметры:

Д_б = 0,78 м - диаметр барабана

L_б = 1,15 м - длина используемой части барабана.

Определим число слоев S каната на барабане с учетом того, что полная длина каната составляет 200 м:

Длина каната в одном витке первого слоя:

Количество витков в первом слое:

Длина каната, уложенного в первый слой:

Диаметр барабана с учетом первого слоя:

Длина каната в одном витке второго слоя:

Количество витков во втором слое:

т.е второй слой полностью не заполняется.

Итак, имеем

Определяем передаточное число механизма:

Выбранный электродвигатель проверяется по пусковому моменту и условиям прочности швартовного троса:

84,15 Н

Пусковой момент на малой скорости должен удовлетворять условию:

При использовании систем искусственного снижения малой скорости (например, с помощью преобразователя частоты) наилучшими характеристиками обладают электродвигатели, у которых номинальная скорость швартования реализуется при числе полюсов 2р = 12, а повышенная - при 2р = 4.Для таких систем могут быть рекомендованы следующие интервалы скоростей: номинальный - 0,23 - 0,3 м/с; максимальный - 0,75 - 1 м/с.

автоматический швартовный лебедка электромашинный

2.1.3 Расчет параметров схемы замещения асинхронного двигателя

при 2р = 12.

В асинхронной машине при вращающемся роторе происходит преобразование электрической энергии в механическую, если она работает двигателем, и обратное преобразование, если она работает генератором. Кроме того, при вращающемся роторе частота тока в его обмотке отличается от частоты тока в его обмотке статора. Этими особенностями асинхронная машина при вращающемся роторе отличается от трансформатора, в котором происходит преобразование электрической энергии в электрическую.

В то же время асинхронная машина при неподвижном роторе с точки зрения преобразования энергии полностью соответствует трансформатору.

Чтобы иметь возможность рассматривать ротор совместно со статором (при отсутствии между ними электрической связи), параметры роторной цепи заменяются их приведенными значениями:

, , , где

- коэффициент трансформации двигателя.

Каждому режиму работы АД соответствует определенная область скольжений, а именно:

генераторному режиму - ;

двигательному режиму - ;

режиму противовключения - .

Кроме того следует выделить два промежуточных режима:

короткого замыкания - ;

идеального холостого хода - .

В асинхронных двигателях скорость однозначно связана со скольжением:

,

поэтому механические характеристики двигателей часто представляют в виде зависимости между моментом и скольжением:

Чтобы получить эту зависимость воспользуемся Т - образной схемой замещения фазы АД построенной на основе вышеизложенных положений (Рис.2.1).

Рис.2.1. Т - образная схема замещения фазы АД

В каталогах на двигатели параметры схем замещения не указываются, а приводимые данные относятся к номинальному режиму работы. И хотя каталожных данных в ряде случаев достаточно для расчета механических характеристик, точность этих расчетов не всегда удовлетворительна. Расчет же таких характеристик двигателя как потери, пусковые и максимальные моменты и соответствующие им токи и др., вообще не может быть выполнен без знания параметров схемы замещения. Ниже приводятся расчеты позволяющие получить параметры схем замещения асинхронных двигателей, а также ряд других параметров по приводимым в каталогах данным: линейному напряжению U_л, и линейному току I_л статора, номинальным значениям мощности Р_н, частоты вращения n_н, коэффициента мощности cos, КПД з_н, числу пар полюсов р, кратностям максимального k_м и пускового k_п моментов, кратности пускового тока k_i.

Итак:

номинальное скольжение двигателя:

где n₁ - синхронная частота вращения поля статора;

n₂ - частота вращения ротора.

Синхронная угловая скорость поля статора:

f₁ - частота тока питающей сети;

p - число пар полюсов двигателя.

Угловая скорость ротора двигателя (номинальная):

Номинальный момент двигателя:

Кратность максимального момента:

Кратность пускового момента:

Кратность пускового тока:

Параметры обмотки с 2р = 12:

критическое скольжение определяем по формуле Клосса:

Критическая частота вращения ротора:

Ток намагничивания двигателя:

Номинальный ток ротора:

Активное сопротивление ротора:

Полное сопротивление короткого замыкания:

Коэффициент мощности при пуске:

отношение потерь в меди статора к суммарным потерям в номинальном режиме.

Принимаем

Коэффициент первичного рассеяния ():

Пусковой ток ротора:

Активное сопротивление ротора при пуске:

Активное сопротивление статора:

Индуктивное сопротивление двигателя, определяемое по номинальному режиму:

Индуктивное сопротивление короткого замыкания двигателя, определяемое по пусковому режиму:

Для двигателя с короткозамкнутым двигателем индуктивное сопротивление статора:

2.1.4 Расчет и построение механической характеристики двигателя при его работе с числом полюсов 2р = 12

Построение механической характеристики в пределах 0 и S=1 произведем, рассчитав ее по упрощенной формуле Клосса:

а в пределах S_кр < S < 1 - по выражению:

введя коэффициент т.к. в этих пределах упрощенная формула Клосса дает недопустимые погрешности. Коэффициент определяем по кривым ,

Подставив известные величины в вышеприведенные выражения, получаем следующие формулы для расчета механической характеристики:

Результаты приведены в таблицу 2.1. Графическое изображение механической характеристики показано на рис.2.3.

Расчет механической характеристики.

Рис.2.3. Механические характеристики АД.

2.1.5 Расчет и построение рабочих характеристик АД при его работе с числом полюсов 2р=12

Рабочими характеристиками АД являются следующие зависимости: ; ; ; ; при U₁=соnst. и f₁= const., где:

n₂ - частота вращения ЭД;

Р₂ - мощность на валу ЭД;

М₂ - момент на валу двигателя;

I₁ - ток статора двигателя;

U₁ - напряжение питающей сети;

f₁ - частота питающей сети.

Рабочие характеристики строят только для зоны практически устойчивой работы двигателя, т.е. от S=0 до S>S_ном на 10-20%

Задаемся скольжением в пределах от S=0 до S=1,15S_н:

M_кр=1160 H*м; S_кр=0,7; S_н=0,17

I_1н = 75 А; I₀=43,3 А

,

где:

Р₁ - мощность потребляемая двигателем из сети.

Р₂ - полезно отдоваемая двигателем механическая мощность.

р_мех - механические потери, состоящие из потерь на трение в подшипниках и вентиляторных потерь.

р_мех=(0,010,03)Р_2н=const

р_д - добавочные потери

р_д=0,005Р₂

р_м1 - потери в меди статора

р_м1= m₁I₁²r₁;

р_м2 - потери в меди ротора

р_м2 = SР_эм

Р_эм - электромагнитная мощность.

Р_с - потери в стали статора (потери в стали ротора не учитываются, т.к. частота f₂ перемагничивания стали в роторе обычно весьма невелика (1-3Гц) и поэтому потери в стали ротора малы).

Р_с = const

Итак:

р_мех = 0,02Р_2н = 0,02*23 = 0,46кВт

Определим р_с для номинального режима:

р_дн = 0,005Р_2н = 0,005*23 = 0,12 кВт

р_м1н = m_1*I_1н²*r₁ = 3*75²*0,07 = 1,181 кВт

р_эм.н(1-S_н) = Р_2н+р_мех+р_дн

Р_эм.н =

Р_1н=

р_с = Р_1н - Р_эм.н - р_м1 = 33,07 - 28,41 - 1,81 = 3,48 кВт

Подставляя известные величины в вышеприведенные выражения, получаем следующие расчетные формулы:

Р₁ = Р_эм + р_м1+3,48 , кВт з_эд = Р₂/Р₁

Производим расчет, результаты приводим в табл.2.3.

Графическое изображение рабочих характеристик показано на рис.2.2.

Рис.2.2. Рабочие характеристики АД при его работе с числом полюсов 2р=12

Табл.2.3 Расчет рабочих характеристик.

2.1.6 Расчет параметров схемы замещения асинхронного двигателя при 2р = 4

Номинальное скольжение двигателя:

Синхронная угловая скорость поля статора:

Номинальная угловая скорость ротора двигателя:

Номинальный момент двигателя:

Кратность максимального момента:

Кратность пускового момента:

Кратность пускового тока:

Критическое скольжение:

Ток намагничивания двигателя:

Номинальный ток ротора:

Активное сопротивление ротора в номинальном режиме:

Полное сопротивление короткого замыкания:

Коэффициент мощности при пуске:

Коэффициент первичного рассеяния:

Пусковой ток ротора:

Активное сопротивление ротора пи пуске:

Активное сопротивление статора:

Индуктивное сопротивление двигателя, определяемое по номинальному режиму:

Индуктивное сопротивление статора:

2.1.7 Расчет и построение механической характеристики двигателя при его работе с числом полюсов 2р = 4

Для построения механической характеристики в пределах 0 S S_кр и S = 1 произведем расчет по упрощенной формуле Клосса:

S_кр - выражение:

Подставив известные величины в вышеприведенные выражения, получаем следующие формулы для расчета механической характеристики:

Результаты расчета приведены в таблице 2.2, а графическое изображение механической характеристики - на рис.2.3.

2.1.8 Расчет и построение рабочих характеристик АД при его работе с числом полюсов 2р = 4

n₂ = f(P₂); M₂ = f(P₂); I₁ = f(P₂); з_эд = f(n₂); cos = f(P₂) при U₁ = const и f₁ = const.

Задаемся скольжением в пределах от S = 0 до S = 1,17S_н:

I_1н = 128 А, I₀ = 42,67 А

Для номинального режима:

р_мех = 0,02*Р_2н = 0,02*65 = 1,3 кВт;

р_дн = 0,005*Р_2н = 0,005*65 = 0,325 кВт;

р_м1н = m₁*I₁²*r₁ = 3*128²*0,057 = 2,8 кВт;

Р_с = 74,1 - 70,88 - 2,8 = 0,42 кВт

Производим расчет, результаты приводим в таблице 2.4

Табл.2.4. Расчет рабочих характеристик.

2.2 Описание и принцип действия схемы управления автоматической швартовной лебедкой

Ввиду того, что в электроприводах АШЛ требуемый перспективными нормативами диапазон регулирования скорости (свыше 1:15) обеспечить электромашинным способом невозможно, то для наиболее крупных лебедок (с тяговым усилием от 80 кН) могут быть применены системы смешанного электромашинно-частотного регулирования.

С учетом рекомендаций, приведенных в табл. 2.5.,для данного механизма (АШЛ) выбираем тиристорный электропривод переменного тока с питанием обмотки малой скорости асинхронного двухскоростного короткозамкнутого двигателя МАП 621 - 4/12 от тиристорного преобразователя частоты.

Табл.2.5. Рекомендации по выбору тиристорного ЭП.

Для частотного регулирования электроприводом применяем тиристорный преобразователь непосредственного типа, позволяющий осуществлять регулирование электроприводом в пределах от 5 до 20 Гц, что вполне удовлетворяет выбранной схеме электропривода. Более подробно НПЧ и система его управления будут рассмотрены ниже.

2.2.1 Принцип действия электропривода АШЛ при ручном управлении

Схема электропривода переменного тока АШЛ с использованием преобразователя частоты с непосредственной связью показана на рис.2.5. Данная схема предназначена для управления двухскоростным асинхронным короткозамкнутым электродвигателем типа 621 - 4/12 серии МАП. Данные электродвигателя приведены в табл.2.1. Электродвигатель имеет две фиксированные скорости, соответствующие включению двух независимых обмоток. При включении обмотки с числом полюсов 2р = 12 реализуется мощность, необходимая для выбирания троса с номинальным тяговым усилием. При включении обмотки с числом полюсов 2р = 4 обеспечивается выбирание и травление ненагруженного троса с большой скоростью. Включение обмоток высшей и низшей скорости, а также реверсирование электродвигателя осуществляется с помощью магнитного контроллера, управляемого командоконтроллером. Обмотка с числом полюсов 2р = 12 помимо питания прямо от сети может получать питание от статического тиристорного преобразователя частоты с непосредственной связью. При управлении через командоконтроллер реализуется частота 16 Гц и соответственно скорость, составляющая около 40% номинальной. При автоматическом режиме работы преобразователь формирует частоту в 6 Гц, реализуется скорость, составляющая около 20% номинальной.

Основные узлы и элементы схемы:

12С1 - 12С3 - зажимы основной обмотки ЭД;

4С1 - 4С3 - зажимы обмотки для операций с малой скоростью;

ПЧН - статический преобразователь частоты с непосредственной связью;

УВ - тормозной магнит;

Т - силовой трансформатор питания преобразователя частоты;

QF - автоматический выключатель защиты преобразователя частоты;

КМ3 - контактор направления выбирания;

КМ5 - контактор направления травления;

КМ4 - контактор тормозного электромагнита;

КМ6, КМ7, КМ8 - контакторы малой, основной и большой скорости соответственно;

Рис.2.5. Схема главного тока электропривода механизма АШЛ с преобразователем частоты.

КМ10 - контактор контроля напряжения преобразователя;

КМ1 - контактор нулевой защиты;

КМ2 - контактор режима автоматической работы;

SQ6 - кнопка автоматической работы;

SQ7 - кнопка отключения режима автоматической работы;

КМ9 - контактор сигнала чрезмерного усилия;

Рис.2.5а Контакторная схема управления электропривода АШЛ.

SQ1, SQ2, SQ3, SQ4, SQ5, SQ8 - контакты командоаппарата усилий, связанного со взвешивающим устройством лебедки;

КТ1 - реле ускорения с выдержкой времени 0,5 с;

KL1 - реле грузовой защиты;

KL4 - реле контроля сборки схемы;

KL2, KL3 - реле управления преобразователем;

KT2 - реле времени с выдержкой времени 1 с;

S1 - выключатель управления;

S2 - выключатель шунтировки тепловой защиты;

КК1 - КК3 - тепловые реле защиты;

КК4 - грузовое реле (срабатывает за время, на 40% меньше, чем время срабатывания реле КК3);

SA3 - SA12 - контакты командоконтроллера.

Подготовка к пуску.

1. Подается напряжение переменного тока 380 В, 50 Гц на питающие фидеры электропривода лебедки.

2. Замыкается автоматический выключатель QF в цепи питания преобразователя частоты;

3. Переводится рукоятка выключателя управления S1, встроенного в командоконтроллер, в положение «ВКЛ». При этом подается питание в цепь управления электроприводом лебедки, загорается лампа «Лебедка подготовлена».

4. При нулевом положении рукоятки командоконтроллера замкнуты его контакты SA3, SA4, SA11, SA12. Получает питание реле контроля сборки схемы KL4, реле грузовой защиты KL1 своими контактами подготавливает переход с высшей скорости на основную при тяжелом режиме работы. Реле ускорения КТ1 своими контактами обеспечивает плавный переход с низшей скорости на высшую скорость при внезапном переводе рукоятки командоконтроллера из положения «1» в положение «3».

Работа электропривода на положениях командоконтроллера «Выбирать»:

Рукоятка командоконтроллера в положении «1».

При этом замыкаются контакты командоконтроллера SA5, SA7, SA10, SA11 и размыкаются контакты SA3, SA4, SA12. При замыкании контакта SA5 получает питание катушка контактора направления выбирания КМ3. Контактор КМ3 срабатывает, в результате чего:

- размыкается контакт КМ3, обеспечивающий блокировку от одновременного включения двух разноименных контакторов направления КМ3 и КМ5;

- получает питание катушка контактора тормоза КМЧ, замыкаются его главные контакты КМЧ в цепи питания катушки тормоза УВ электродвигателя, замыкается контакт КМЧ, подготавливающий цепи питания контакторов скоростей, размыкается контакт КМЧ в цепи питания реле KL4, обеспечивающей работу нулевой защиты;

- замыкаются главные контакты КМ3, подготавливающие цепь питания электродвигателя.

При замыкании контакта командоконтроллера SA7 получает питание катушка контактора малой скорости КМ6. Контактор КМ6 срабатывает, в результате чего:

- замыкаются главные контакты КМ6, подключающие основную обмотку (12С1 - 12С3) к преобразователю частоты;

- замыкается контакт КМ6 в цепи питания катушки реле ускорения КТ1, обеспечивающий контроль переключения скоростей;

- замыкается контакт КМ6 в цепи питания катушек контакторов средней КМ7 и большой КМ8 скоростей;

- замыкаются контакты КМ6 в цепях питания реле управления преобразователем KL2 и KL3. Реле KL2 срабатывает, замыкаются контакты KL2 в цепи управления преобразователем, размыкается контакт KL2 в цепи питания KL3, исключающий возможность одновременного включения двух разноименных реле управления преобразователем KL2 и KL3.

При замыкании контакта командоконтроллера SA10 загорается лампа «Ручное управление».

Размыкание контакта командоконтроллера SA3 не приводит к отключению контактора нулевой защиты КМ1, так как своим контактом КМ1 он шунтирует контакт контроллера SA3, обеспечивая нулевую защиту электропривода.

Размыкание контакта командоконтроллера SA12 не приводит к отключению реле ускорения КТ1, так как оно получает питание через шунтирующий контакт КМ6 контактора малой скорости.

Электродвигатель растормаживается и начинает работать на малой скорости. Его основная обмотка (12С1 - 12С3) подключается к преобразователю частоты, с помощью которого достигается плавное нарастание частоты, и электропривод обеспечивает операции швартования с малой скоростью ручного управления.

Рукоятка командоконтроллера в положении «2».

При этом замыкаются контакты командоконтроллера SA5, SA8, SA10, SA11, размыкается контакт SA7.

При размыкании контакта SA7 теряет питание катушка контактора малой скорости КМ6, в результате чего:

- размыкаются главные контакты КМ6, отключающие основную обмотку от преобразователя частоты.

- замыкается контакт КТ6 в цепи питания катушек контакторов средней и большой скоростей.

- размыкается контакт КМ6 в цепи питания реле ускорения КТ1.

- размыкается контакт КМ6 в цепи питания реле контроля KL4.

- размыкаются контакты КМ6 в цепи питания реле управления преобразователем KL2 и KL3.

При замыкании контакта SA8 получает питание катушка контактора средней скорости КМ7. Контактор КМ7 срабатывает, в результате чего:

- замыкаются главные контакты КМ7, подключающие основную обмотку (12С1 - 12С3) к сети.

- размыкаются контакты КМ7 в цепях питания катушек контакторов малой и большой скоростей КМ6 и КМ8 соответственно, что исключает одновременное подключение двух обмоток двигателя к сети.

- замыкается контакт КМ7 в цепи питания реле контроля KL4.

Реле ускорения КТ1 с выдержкой времени замыкает свой контакт в цепи питания контактора КМ8, подготавливая переход на большую скорость. Контактор контроля напряжения преобразователя отключается, его контакт КМ10 в цепи питания реле контроля KL4 разомкнут.

Электродвигатель переходит на среднюю скорость, при которой он может выполнять швартовные операции с номинальной нагрузкой.

Рукоятка командоконтроллера в положении «3».

При этом замыкается контакт командоконтроллера SA9, контакты SA5, SA10 остаются замкнутыми, размыкаются контакты SA8, SA11.

При размыкании контакта SA8 теряет питание катушка контактора средней скорости КМ7, в результате чего:

- размыкаются главные контакты КМ7, отключающие основную обмотку от сети;

- размыкается контакт КМ8 в цепи питания катушек контакторов малой и средней скоростей КМ6 и КМ7 соответственно;

- замыкаются контакты КМ7 в цепях питания катушек контакторов КМ6 и КМ8;

- размыкается контакт КМ7 в цепи питания реле контроля KL4.

При замыкании контакта SA9 получает питание катушка контактора большой скорости КМ8. Контактор КМ8 срабатывает, в результате чего:

- замыкаются главные контакты КМ8, подключающие обмотку большой скорости (4С1 - 4С3) к сети;

- замыкается контакт КМ8 в цепи питания реле контроля KL4;

- размыкается контакт КМ8 в цепи шунтировки тепловой защиты, исклюсчающий возможность работы на большой скорости без тепловой защиты. При размыкании контакта SA11 реле KL1 не теряет питания, т.к. контакт SA11 зашунтирован контактом KL1.

ЭД переходит на большую скорость, на которой выполняются швартовные операции с ненагруженным тросом.

Во всех трех положениях рукоятки командоконтроллера горят лампы «Ручное управление» и «Лебедка подготовлена».

ЭП в сторону «Травить» аналогична работе электропривода в сторону «Выбирать». Отличие заключается в том, что при переводе рукоятки командоконтроллера в первое, второе и третье положение вместо контакта SA5 замыкается контакт SA6. Таким включением обеспечивается питание катушки контактора КМ5, который своими главными контактами переключает фазы электродвигателя. Двигатель меняет направление вращение на противоположное.

В скоростном режиме на третьей скорости на положениях командоконтроллера «Травить» отсутствует контроль натяжения каната (контакт КМ5 шунтируется контакт SQ3), т.к. предполагается, что травление каната на большой скорости приведет к быстрому уменьшению натяжения каната.

Остановка электропривода.

Для остановки электропривода рукоятка командоконтроллера устанавливается в положение «0». При этом теряют питание катушки контакторов направления и скоростей, тормоза электродвигателя. В результате этого разрывается цепь главного тока электродвигателя лебедки. Электродвигатель отключается от сети и затормаживается.

2.2.2 Работа электропривода лебедки в автоматическом режиме

В автоматическом режиме управление электродвигателем лебедки осуществляется силоизмерительным устройством через систему передач и электроаппаратуру панели автоматического режима лебедки, в зависимости от натяжения каната, вызванного внешними причинами: погрузка, разгрузка, шлюзование судна, ветер, приливы, отливы, морская зыбь и т.п. Включение электродвигателя лебедки с сторону «Травить» или «Выбирать» с малой скоростью осуществляется под воздействием импульса, поступающего от переключателей, встроенных в панель автоматического режима.

Подготовка к работе в автоматическом режиме производится в той же последовательности, что и при ручном управлении.

Включение автоматического режима работы.

Нажимается кнопка включения автоматического режима SQ6. При этом получает питание катушка контактора автоматического режима работы КМ2. Контактор КМ2 срабатывает, в результате чего:

- замыкается контакт КМ2, шунтирующий кнопку SQ6;

- замыкается контакт КМ2 в цепи питания реверсивных контакторов направления КМ3, КМ5;

- замыкается контакт КМ2, подготавливающий включение контактора малой скорости КМ6;

- замыкается контакт КМ2, подготавливающий работу реле времени КТ2;

- замыкается контакт КМ2 в цепи питания лампы автоматического режима;

Лампа загорается. При номинальном натяжении каната двигатель отключен и заторможен.

Автоматическое поддержание натяжения каната.

Изменение натяжения швартовного каната вызывает поворот барабана лебедки. Через планетарную передачу, силоизмерительное устройство и систему рычагов поворот барабана вызывает поворот вала с кулачковыми шайбами в ту или иную сторону в зависимости от знака разности между величиной натяжения каната на барабане и величиной усилия настройки силоизмерительного устройства. Кулачковые шайбы воздействуют на блок переключателей.

При натяжении швартовного каната, равном номинальному, контакты блока переключателей SQ4, SQ5, SQ8, SQ1,SQ2 разомкнуты, контакт SQ3 - замкнут.

При падении натяжения каната замыкается контакт SQ4, подготавливая включение электродвигателя в направлении «Выбирать». Продолжающее падение натяжения каната вызывает замыкание контакта SQ1. При достижении нижнего предела усилий диапазона регулирования замыкается контакт SQ2, замыкая цепь питания реле времени КТ2, в результате чего:

- замыкается контакт КТ2 в цепи питания реле времени КТ2;

- замыкается контакт КТ2 в цепи питания катушки контактора направления КМ3.

При этом получает питание катушка контактора КМ3, он срабатывает и контактом КМ3 включает цепь питания катушки контактора тормоза КМ4, а также подготавливает силовую цепь питания электродвигателя.

Контактор КМ4 срабатывает, своим контактом подключает в цепь питания катушку контактора малой скорости КМ6. Контактор КМ6 срабатывает, своими главными контактами КМ6 подключает ЭД к преобразователю частоты. Одновременно срабатывает реле управления преобразователем KL2, замыкаются контакты KL2 в цепи управления преобразователем, который формирует частоту около 6 Гц, что соответствует скорости троса, составляющей около 20% номинальной. Происходит плавное выбирание швартовного троса. Электродвигатель растормаживается и начинает работать со скоростью, составляющей около 20% номинальной в направлении «Выбирать», обеспечивая увеличение натяжения швартовного троса.

По мере увеличения натяжения швартовного каната поворачиваются кулачковые шайбы устройства переключений автоматики, последовательно воздействуя на переключатели. Первым размыкается контакт переключателя SQ2, затем контакт SQ1, обесточивая катушку реле времени КТ2. Реле КТ2 с выдержкой времени разомкнет свой контакт КТ2 в цепи питания катушки контактора направления КМ3. Контакты КМ3 отключают ЭД от сети.

Благодаря выдержке времени реле КТ2 достигается номинальное натяжение каната, контакт SQ4 размыкается. Натяжение каната и усилие силоизмерительного устройства находятся в равновесии. ЭД лебедки отключен и заторможен.

В случае увеличения натяжения каната выше заданного замыкается контакт SQ5, подготавливающий включение контактора направления КМ5. В остальном система автоматического поддержания натяжения каната работает аналогично.

Отключение автоматического режима работы.

Нажимается кнопка SQ7, при этом разрывается цепь питания катушки контактора автоматического режима работы КМ2. При этом размыкаются контакты КМ2 в цепи питания катушек контакторов направления КМ3 и КМ5, контактора малой скорости КМ6, реле времени КТ2. Лампа автоматического режима работы гаснет. Электродвигатель отключается и затормаживается ( в том случае, если в момент отключения он вращался), а воздействие контактов реле автоматического режима на систему управления электродвигателем лебедки прекращается.

2.2.3 Защита и блокировки

Электрическая часть лебедки имеет следующие виды защиты:

- нулевую защиту электропривода лебедки, осуществляемую контактором нулевой защиты КМ1, который размыкает свой контакт в цепи управления электродвигателем лебедки при исчезновении или значительном снижении напряжения. Электродвигатель отключается от сети и затормаживается. При восстановлении напряжения ЭД самопроизвольно не включается, повторный пуск ЭД лебедки может быть произведен только через нулевое положение командоконтроллера переводом его в рабочее положение;

- защиту от перегрузок, осуществляемую электротепловым реле КК1-КК3, грузовым реле КК4. Реле КК1 - КК3 при перегрузке электродвигателя своими контактами разрывают цепь питания контактора нулевой защиты, в результате чего электродвигатель отключается от сети и затормаживается.

Для снижения тепловой нарузки ЭД в тяжелых условиях работы схемой предусмотрено автоматическое переключение с наивысшей скорости на среднюю после 5 - 10 сек. работы при скорости близкой к нулю. Это переключение осуществляется под воздействием грузового реле KL1 защиты. При срабатывании реле КК4 на третьем положении командоконтроллера размыкается цепь катушки реле грузовой защиты KL1; контакты этого реле прекращают питание катушки контактора большой скорости КМ8 и подают питание на катушку контактора средней скорости КМ7. Происходит соответствующее переключение обмоток электродвигателя без перерыва питания цепи тормоза. На средней скорости может осуществляться работа при перегрузке 200 - 220% в течение одной минуты. При особо неблагоприятных условиях может оказаться, что время работы с перегрузкой превышает допустимое и срабатывают реле защиты КК1, КК2. Для завершения операции в этом случае рукоятку командоконтролера возвращают в нулевое положеие, замыкают и удерживают в таком положении выключатель S2, а затем командоконтроллер переводят во второ положение. Работа в этих условиях допускается в течение времени не превышающего 1мин. В схем имеется амперметр, включенный через трансформатор тока в главную цепь. После охлаждения нагревательных элементов контакты электротепловых реле автоматически возвращаются в замкнутое состояние:

- защиту от коротких замыканий цепей управления, осуществляемую плавкими предохранителями FU1 и FU2;

- защиту от обрыва цепей питания реле, осуществляемую реле KL4;

- защиту преобразователя частоты от токов короткого замыкания, обрыва фаз, осуществляемую автоматическим выключателем QF и контактором контроля напряжения преобразователя;

- все электрооборудование лебедки имеет защитное заземление;

- в автоматическом режиме реле времени КТ2 замыкает свои контакты с выдержкой времени для исключения ложных срабатываний;

- при работе лебедки в скоростном режиме на третьей скорости в направлении «Выбирать» и возникновении предельного натяжения каната скоростной режим отключается - лебедка переключается на работу с номинальной скоростью (если не успевает сработать грузовое реле КК4); размыкается контакт SQ3;

- при возникновении чрезмерного усилия в канате замыкается контакт SQ8, подавая питание на контактор сигнала чрезмерного усилия. Контактор КМ9 срабатывает, разрывая своим контактом КМ9 цепь питания катушки контактора направления КМ3. ЭД отключается от сети и затормаживается. Загорается сигнальная лампа «Чрезмерное усилие». При снятии сигнала чрезмерного усилия теряет питание катушка контактора КМ9, снова возможна нормальная работа лебедки.

Электрическая часть лебедки имеет следующие виды блокировок:

- фиксация защелкой рукоятки командоконтроллера в нулевом положении;

- механическая блокировка, исключающая одновременное включение контакторов направлений КМ3 и КМ5;

- электрическая блокировка, исключающая одновременное включение контакторов КМ3 и КМ5, Осуществляемая контактами КМ5 и КМ3;

- блокировка, исключающая одновременное включение контакторов скоростей КМ6, КМ7 и КМ8, осуществляемая контактами КМ6, КМ7, КМ8.

- блокировка обеспечивающая отключение и затормаживание ЭД при несрабатывании одного из контакторов скоростей, осуществляемая реле контроля сборки схемы KL4.

- при наличии предельного натяжения каната лебедка не включается в направлении «Выбирать» в скоростном режиме (разомкнут контакт SQ3).

- при переводе рукоятки командоконтроллера из нулевого в любое рабочее положение автоматический режим отключается. Лебедка работает на заданном рабочем положении рукоятки;

- при шунтировании тепловой защиты переключателем S2 исключается работа в этом режиме на третьей скорости (размыкается контакт КМ8 в цепи шунтировки защиты).

- блокировка, обеспечивающая плавный разгон на второй скорости и переход с выдержкой времени на третью скорость при внезапном переводе из первого положения рукоятки командоконтроллера в третье, осуществляется контактами реле ускорения КТ1.

2.3 Выбор преобразователя частоты непосредственного типа и его обоснование

2.3.1 Принцип действия ПЧН

Преобразователи частоты с непосредственной связью (ПЧН) являются устройствами, преобразующими переменное напряжение питающей сети с частотой f1 в напряжение другой частоты f2 при помощи тиристоров с импульсно - фазовым управлением, коммутируемых напряжением силовой цепи.

На Рис. 2.6. показана структурная схема простого ПЧН с m₁ - фазным входом и 3-ех фазным выходом на асинхронный короткозамкнутый электродвигатель.

Рис.2.6.

В момент t = 0 при нулевом токе нагрузки группа тиристоров 1В включается в выпрямительном режиме. К нагрузке прикладывается положительное напряжение U_нг , и ток нагрузки нарастает в положительном направлении. По команде задающего генератора 3Г, поступающей в систему управления СУ, группа 1В переводится в инверторный режим. При этом напряжение U_нг на нагрузке становится отрицательным, ток начинает уменьшаться и в момент t = t₂ становится равным нулю. Далее в выпрямительном режиме включается уже группа 2В и ток нагрузки нарастает в противоположном направлении до следующей команды задающего генератора при t = t₃. С этого момента группа 2В работает в инверторном режиме, пока I_нг не уменьшится до нуля при t = T₀ , после этого в выпрямительном режиме начинают работать тиристоры группы 1В и процессы повторяются. Частота выходного напряжения определяется длительностью промежутков времени пропускания тока обеими группами тиристоров. Регулирование выходного напряжения осуществляется изменением угла открывания тиристоров. Возможны два способа управления тиристорными группами: совместное и раздельное управление. Первый способ предполагает одновременную согласованную подачу импульсов на обе группы тиристоров, причем на одну из них в определенном временном интервале импульсы подаются при работе тиристоров в выпрямительном режиме, а на другую - в инверторном. При раздельном управлении в любом временном интервале импульсы поступают на одну группу тиристоров, а другая в это время заперта. Основное применение имеют преобразователи с раздельным управлением, причем для ЭП большой мощности переключение групп тиристоров осуществляется с помощью датчиков тока, а для ЭП малой и средней скоростей применяется ПЧН с раздельным программным управлением.

Основными положительными качествами ПЧН по сравнению с преобразователями инверторного типа являются малые габариты, высокий КПД, обусловленный однократным преобразованием энергии, а также простота обеспечения режима рекуперативного торможения.

2.3.2 Классификация ПЧН и их схемы

Преобразователи частоты с непосредственной связью классифицируются по следующим признакам:

1. Числу фаз питающей сети и на выходе преобразователя;

2. Числу пульсаций в кривой выходного напряжения за период напряжения питающей сети при неизменном угле управления ;

3. Способу соединения тиристоров в группе;

4. Способу связи с питающей сетью;

5. Способу управления группами тиристоров;

Классификация ПЧН, применяемых для судовых электроприводов, по указанным признакам приведена на Рис.2.7.

Для судовых электроприводов мощностью от 5 до 75 кВт основное применение имеют наиболее простые трехфазно - трехфазные трехпульсные преобразователи, выполненные по нулевой схеме на 18 тиристорах с раздельным программным управлением группами тиристоров и трансформаторной связью с питающей сетью, а для ЭП мощностью от 50 до 100 кВт - трехфазно - трехфазные шестипульсные преобразователи, выполненные по мостовой схеме на 18 тиристорах с раздельным управлением группами тиристоров по сигналу от датчика тока и дроссельной связью с питающей сетью. Силовые схемы ПЧН обоих типов приведены на Рис.2.8 (а, б).

а) с нулевыми тиристорными группами;

б) с мостовыми тиристорными группами.

Рис.2.7. Классификация ПЧН

Рис.2.8. Силовые схемы ПЧН

Рис. 2.9 Силовая схема преобразователя.

В преобразователях с совместной работой тиристорных групп необходимы дополнительные реакторы, ограничивающие ток между группами, а углы управления тиристорных групп должны изменяться таким образом, чтобы было исключено появление составляющей (постоянной) уравнительного тока. Преобразователи с совместной работой групп тиристров характеризуется повышенной типовой мощностью силовых элементов и в следствие этого в судовых ЭП не нашли широкого применения.

Для ЭП мощностью более 100 кВт применяются трехфазно - трехфазные шестипульсные преобразователи, выполненные по мостовой схеме на 36 тиристорах, потенциальным разделением фаз нагрузки и дроссельной связью с питающей сетью. Схема такого преобразователя представлена на Рис.2.9. И наконец для наиболее мощных электроприводов оказывается целесообразным применение трехфазно - шестифазных двенадцатипульсных преобразователей.

2.3.3 Выбор схемы преобразователя частоты и его обоснование

На основании вышесказанного выбираем схему 3х фазно - 3х фазного трехпульсного преобразователя, выполненного по нулевой схеме на 18 тиристорах и трансформаторной связью с питающей сетью. Схема преобразователя показана на Рис. 2.8 (а).

В соответствии с изложенным преобразователь выполняет только функции регулирования скорости в нижней зоне. Регулирование в зоне других скоростей осуществляется выходом на напряжение сети и переключением числа пар полюсов исполнительного двигателя. Поэтому для таких ЭП целесообразно использовать наиболее простой преобразователь, собранный по 3х фазной нулевой схеме с подключением на сеть от понижающего трансформатора 380 / 220 В, соединенного по схеме “звезда / звезда”.

Выходная частота преобразователя:

N - число участков синусоид, расположенных в полупериоде выходного напряжения;

m - число тактов выпрямления. Соответственно верхняя выходная частота такого преобразователя составляет:

При известной мощности ЭП Р мощность преобразователя должна определяться выражением:

- относительное значение верхнего предела выходной частоты преобразователя;

- диапазон регулирования скоростей, обеспечиваемый электромашинным регулированием.

Общее выражение для габаритной мощности преобразователей непосредственного типа можно записать в следующем виде:

- коэффициент, определяемый схемой вентильных звеньев преобразователя и соотношением между средним и действующим значением тока вентиля в этих схемах;

- коэффициент, учитывающий реальные условия вентиляции;

- номинальный паспортный ток вентильного элемента;

- напряжение сети;

- коэффициент, учитывающий потери напряженя в вентильныз звеньях и условия стабилизации выходного напряжения;

Для принятой схемы преобразователя:

= 5

= 0,25 (естественное охлаждение)

= 0,4

= 1,25.

Поскольку управление от преобразователя осуществляется в рассматриваемых системах только на малых скоростях, мощность рекуперации составляет 10 - 20% от мощности электропривода, и практически передача электроэнергии в сеть имеет место при частотах выше 15 Гц. Поэтому управление группами вентилей целесообразно осуществлять путем раздельного программного управления, что позволяет построить силовую схему преобразователя без уравнительных дросселей.

2.3.4 Выбор силовых элементов и типа преобразователя

Мощность преобразователя:

Выбираем преобразователь частоты типа ТТС 16, который имеет следующие технические данные:

Схема преобразователя - нулевая (Рис. 2.8 (а);

Диапазон регулирования:

- первой гармоники напряжения, В - 25 - 150;

- выходной частоты, Гц - 3 - 20;

Ток в режиме ПВ = 40%, А - 63;

Ток максимальный, А - 135;

Габаритные размеры, мм - 1155*770*292;

Масса, кг - 120.

Итак, мощность преобразователя 16 кВт.

Номинальный ток тиристоров:

Выбираем тиристоры типа Т100 - штыревые, основу которых составляет кремниевая четырехслойная структура, вмонтированная в герметичный металлостеклянный корпус, предохраняющий ее от влияния внешних воздействий и обеспечивающий необходимый теплоотвод при работе тиристоров. Анодом тиристора является медное основание корпуса, имеющее шпильку с резьбой для ввинчивания тиристора в охладитель, катодом - гибкий медный вывод с наконечником. Управляющий электрод выведен в сторону катода. Он припаян к втулке, изолированной от корпуса стеклоизолятором.

2.4 Понятие о частотном регулировании

2.4.1 Законы частотного управления

Под законом частотного управления понимается соотношение между частотой и напряжением, подаваемыми на статор АД и обеспечивающими соответствие характеристик двигателя и статической нагрузки. В общем случае закон частотного управления определяется зависимостью:

Следует отметить, что только при непрерывном управлении напряжением в функции всех трех указанных параметров может быть обеспечено оптимальное по определенному закону (критерию) управление частотно - регулируемым электродвигателем. Однако, реализация такого управления является сложной технической задачей. Поэтому на практике управление осуществляется по более простым законам. Закон частотного регулирования, с одной стороны определяет характеристики электропривода, а с другой - структуру построения преобразователя и системы привода. Выбор закона регулирования должен определяться конкретными условиями электропривода.

2.4.2 Основные соотношения при частотном управлении

Частотное регулирование по сравнению с другими способами имеет ряд важных преимуществ: регулирование происходит без потерь скольжения, возможно плавное изменение скорости и формирование необходимых механических характеристик и, что особенно существенно, обеспечивается возможность использования в регулируемых ЭП короткозамкнутых машин. При анализе свойств АД в системе частотного управления применяют Т - образную схему замещения, приведенную на Рис.2.10. При этом:

параметр частоты

параметр абсолютного скольжения:

параметр напряжения:

здесь:

f₁, f₂, f₃ - частоты соответственно питающего напряжения, номинального и тока статора;

- отношение абсолютного скольжения к синхронной скорости при частоте f_1н, U_ф, U_фн - действующие фазные значения напряжения питания текущее и номинальное.

Рис.2.10. Т - образная схема замещения

Основные зависимости, характеризующие работу двигателя, определяются из схемы замещения и имеют следующий вид:

Выражение момента через поток:

В приведенных выражениях

Частота вращения

Таким образом, момент двигателя является функцией трех параметров . В общем случае напряжение регулируется в функции частоты и нагрузки, т.е .

2.4.3 Классификация законов частотного управления

Законы частотного управления можно разделить на три основные группы: 1) управление напряжением только в функции частоты по заданной зависимости 2) непрерывное управление напряжением в функции частоты и параметра скольжения , обеспечивающее компенсацию падения напряжения в сопротивлениях статора. Частным случаем такого управления является поддержание постоянного потока; 3) оптимальное управление по минимуму потерь тока или других параметров АД. Поэтому обычно регулирование осуществляется по законам первой и второй групп с дополнительным регулированием напряжения в функции нагрузки пропорционально Основная цель введения коэффициента - устранить насыщение двигателя при уменьшении нагрузки и тем самым улучшить энергетические показатели машины. К первой группе законов управления относится закон , который получил название основного закона частотного управления и был впервые установлен академиком М.П. Костенко для идеализированного двигателя. Управление по законам обеспечивает постоянство параметра скольжения при заданной частоте.

Управление по законам обеспечивает постоянство частоты тока ротора во всем диапазоне регулирования.

2.4.4 Рекомендации по выбору законов частотного управления

1. Законы регулирования не обеспечивают корректировку напряжения в функции нагрузки, что приводит к снижению перегрузочной способности с уменьшением частоты.

2. Частотное управление с компенсацией падения напряжения на сопротивлениях статора по закону обеспечивает постоянство перегрузочной способности на всех частотах и может применяться при любых характеристиках нагрузки.

3. Законы частотного управления и с корректировкой напряжения по моменту нагрузки обеспечивают работу двигателя с постоянной частотой ротора, причем в первом случае частота ротора f₂ = const при f₁ = const, а во втором f₂ = const при произвольном изменении частоты статора. Эти законы применимы для тех механизмов, что и основные законы (без корректировки по моменту), однако обеспечивают более высокие экономические показатели.

4. Законы регулирования по минимуму потерь или тока двигателя целесообразны для механизмов, габариты исполнительных двигателей которые определяются потерями, а не максимальным моментом. Однако реализация управления по оптимальным законам является весьма сложной. Для упрощения реализации системы рекомендуется применять управление по минимуму потерь в наиболее характерных режимах.

2.5 Система управления преобразователем частоты

2.5.1 Принцип действия системы управления преобразователем частоты

Упрощенная блок - схема системы управления преобразователем частоты приведена на Рис. 2.11. Как видно из рисунка она включает следующие основные звенья:

1. Входное устройство ВУ, осуществляющее преобразование управляющего сигнала в напряжение:

- трехфазное низкой частоты, причем частота и порядок следования фаз этого напряжения определяются соответственно величиной и полярностью управляющего сигнала;

- постоянного тока, величина которого изменяется в соответствии с заданной зависимостью изменения напряжения на зажимах приводного двигателя от его частоты.

2. Три идентичных блока управления БУ1, БУ2, БУ3, каждый из которых задает длительность работы обеих полуфаз преобразователя частоты в выпрямительном и инверторном режимах.

3. Три фазосмещающих устройства ФСУ1, ФСУ2, ФСУ3, которые задают величину углов регулирования каждой фазы ПЧ в выпрямительном () и в инверторном () режимах.

Рис. 2.11. Схема системы управления преобразователем частоты.

4. Три блока форсирования импульсов БФИ1, БФИ2, БФИ3, управляющих моментами зажигания тиристоров.

5. Блок питания БП.

Управляющий сигнал подается на вход входного устройства ВУ, в котором он преобразуется в трехфазное напряжение низкой частоты.

Частота выходного трехфазного напряжения задается величиной управляющего сигнала, чередование фаз - его полярностью. Изменение полярности управляющего сигнала приводит к реверсу АД. Одновременно в ВУ управляющий сигнал преобразуется в постоянное напряжение, величина которого определяется заданным законом изменения угла регулирования тиристоров в зависимости от значения частоты на выходе. С выхода ВУ трехфазное напряжение поступает на фазосмещающие устройства ФСУ. Одновременно сюда же с выходного устройства поступает постоянное напряжение. Величина его определяется заданным законом изменения угла регулирования тиристоров ПЧ, обеспечивающим постоянную перегрузочную способность АД. Таким образом амплитуда этого постоянного напряжения определяет величину углов регулирования и работы каждой полуфазы ПЧ. С выхода ФСУ напряжение поступает на блоки формирования импульсов БФИ, где происходит формирование управляющих импульсов для управляемых тиристоров.

2.6 Сушка судовых электрических машин

Общие положения.

Сушка СЭМ производится с целью удаления влаги из увлажненной и имеющей пониженное сопротивлении изоляции машины, а также с положениями ПТЭ. Перед сушкой машины необходимо выполнять продувку и чистку. Во избежание излишней потери тепла во время сушки машина должна быть защищена снаружи от окружающего воздуха, т.е. необходимо обеспечить ее теплоизоляцию, но при этом нужно сохранить вентиляцию, способствующую удалению влаги. При этом должен быть обеспечен строгий контроль температуры обмоток, стали и выходящего из машины воздуха (температура его не должна превышать 65С). Нагревать обмотку и сталь нужно постепенно, т.к. при быстром нагреве соотношение температур элементов внутренних частей машины и наружных может оказаться неблагоприятным.

При сушке СЭМ средней и большой мощности скорость нагрева должна быть в соответствии с инструкциями заводов - изготовителей (фирм). Скорость подъема температуры таких СЭМ не должна превышать 4 - 5С в 1 час.

Обычно в начале сушки сопротивление изоляции понижается по мере нагревания машины минимального значения, затем начинает интенсивно возрастать. При этом не следует прекращать процесс сушки. В конце сушки сопротивление изоляции становится практически постоянным. При установившейся величине сопротивления изоляции и неизменном значении коэффициента абсорбции сушка СЭМ малой и средней мощностей должна продолжаться в течение 3 - 4 часов, а машин большой скорости - 5 - 10 часов.

При сушке сильно увлажненных обмоток для обеспечения эффективности сушки целесообразно нагрев обмоток повышать до 102 - 105С.

Существует несколько методов сушки электрических машин.

Сушка электрических машин внешним нагреванием.

При сушке внешним нагреванием наиболее эффективно использовать переносные калориферы, состоящие из вентилятора с асинхронным приводом и электронагревателя. Для обеспечения эффективного нагрева машины необходимо снять нагреватель мощностью, определяемой из расчета 0,5 - 1 Вт на 1 кг массы машины. Можно также для этой цепи наряду с сушильными шкафами (для сушки небольших машин) использовать электрогрелки, гирлянды ламп накаливания, сопротивления. При этом нужно избегать перегрева мест паек токоведущих частей машины. Этот метод может быть рекомендован для сушки всех машин и является обязательным при сушке сильно отсыревших машин с сопротивлением изоляции ниже 0,1 МОм. Эффективен метод сушки внешним обогревом от специальных ламп с инфракрасным излучением, выпускаемых на 250, 500, 1000 В.

Сушка асинхронного двигателя посторонним источником постоянного или однофазного тока.

При сушке этим методом если начала и концы обмоток фаз статора выведены в коробку ЭД, ток пропускается последовательно через Обмотки всех фаз (Рис. 2.14 а).

Рис. 2.14

Если начала и концы обмоток фаз не выведены, ток пропускается, как указано на Рис. 2.14, б (при соединении обмоток треугольником) и 2.14, в (при соединении обмоток звездой). Значение тока сушки устанавливают равным 0,5 - 0,7 номинального значения тока ЭД. При однофазном токе значение напряжения, подводимого к ЭД, должно составлять 0,2 - 0,3 номинального значения напряжения ЭД. Ротор электродвигателя должен быть неподвижен. При сушке постоянным током включение и выключение его во избежание пробоя изоляции обмоток должно приводиться через реостат. Интенсивность сушки регулируется изменением тока или периодическим его отключением.

Если соединения между обмотками фаз двигателя выполнены внутри него и на щиток коробки выводов выведены только 3 конца, то ток подается попеременно на каждую пару выводов с переключением через каждый час и перестановкой перемычки (Рис. 2.14, б и в)

Сушка током короткого замыкания асинхронных двигателей.

Сушка этим методом производится при заторможенном роторе. У двигателя с фазным ротором обмотки ротора (выводы) должны быть замкнуты накоротко. В этом случае для получения номинального тока к статору должно быть подведено номинальное напряжение, равное обычно 0,15 - 0,25 номинального. Если двигатель с фазным ротором, можно подводить питающее напряжение и к заторможенному ротору. В этом случае статорная обмотка должна быть закорочена. При сушке АД с фазным ротором методом короткого замыкания наряду с указанными мерами контроля необходим контроль за температурой бандажей, которая не должна быть выше 95.

Индукционный метод сушки.

Основан на принципе электромашинной индукции. На статор (станину) машины переменного тока наматывают специальную намагничивающую обмотку, через которую пропускают однофазный переменный ток (Рис.2.15). Нагрев машины происходит за счет потерь в стали. Сушка этим методом асинхронных машин производится при вынутых роторах из - за трудностей по размещению намагничивающей обмотки. С учетом Эффективности этого метода сушки приведем некоторые соотношения:

- число витков намагничивающей обмотки при частоте переменного тока 50 Гц:

,

U - напряжение приложенное к обмотке, В;

B - магнитная индукция, Тл (В = 0,6 - 0,8 Тл)

Q - площадь активного сечения спинки статора, см².

Рис 2.15.

Значение намагничивающего тока:

- средний диаметр витка по активной стали, см;

Н - напряженность магнитного поля, А/см.

Глава 3. Технико-экономическое обоснование

3.1 Технико-экономические расчеты

В настоящем дипломном проекте разработан вариант системы с совместными частотным и электромашинным регулированием.

Расходы по разработке этой системы включают:

1. Стоимость комплектующих узлов.

2. Затраты на сборку и монтаж.

3. Дополнительную заработную плату производственных рабочих.

4. Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования.

5. Отчисления на социальные нужды.

6. Цеховые расходы.

7. Общезаводские расходы.

Табл. 3.1. Количество и стоимость комплектующих узлов.

Табл. 3.2. Затраты на сборку и монтаж.

Расчет затрат по статьям 3 - 7 сведем в Табл. 3.3.

На основании вышеприведенных расчетов составим сводную смету затрат по разработке и монтажу данной системы.

Табл. 3.4. Сводная смета затрат.

Исходя из приведенных технико - экономических расчетов можно сделать вывод, что данная система достаточно эффективна в техническом и достаточно приемлема в экономическом отношении.

Глава 4. Гражданская оборона

4.1 Определение условий повреждения механизма автоматической швартовной лебедки при возможном взрыве

В настоящее время имеют частые диверсии в отношении объектов промышленного, стратегического, гражданского назначения, а также в отношении транспортных средств, в том числе и судов.

Поскольку действия диверсионных сил наносят весьма значительный ущерб производственным предприятиям страны, нарушают установившейся баланс в функционировании транспортных средств, то целесообразно будет заблаговременно принять меры по предотвращению этих действий. Не малую роль в этом играют на судах члены экипажа.

Рассмотрим условия повреждения судового электрооборудования посредством взрыва взрывчатого вещества на конкретном примере.

Рис.4.1.

1 - механизм АШЛ

2 - фундамент

3 - урна со взрывчатым веществом.

На Рис.4.1. условно изображен механизм автоматической швартовной лебедки, установленный на стальном фундаменте.

Допустим, на расстоянии L от заданного объекта в мусорной урне заложено взрывчатое вещество количеством Q = 2, 5, 7кг. Давление, действующее на 1 см² поверхности S = 1,5 м² защитного кожуха АШЛ, создаваемое взрывной волной и способное повредить объект, равно ДPф = 0,5 кгс. Соответственно, на поверхность S действует сила:

Р = S*0,5 = 1,5*10⁴ *0,5 = 7,5*10³ кгс.

Определим расстояние L, на котором действие ударной волны существенно отразится на механизме АШЛ по формуле:

Проведем расчеты подставив значения Q и L, результаты сводим в. Табл. 4.1.

Табл. 4.1.

Исходя из произведенных расчетов, можно сделать вывод, что при заданных значениях Q и L, результирующее значение не удовлетворяет условию . Таким образом, действие ударной волны существенно отразится на механизме АШЛ во всех трех случаях.

Все члены экипажа должны быть наиболее внимательны к предметам, вызывающим подозрение, для предотвращения диверсионных попыток.

4.2 Федеральный закон о радиационной безопасности населения

Глава III. Государственное управление в области обеспечения радиационной безопасности, государственный надзор и контроль за ее обеспечением.

Статья 7. Система органов исполнительной власти в области обеспечения радиационной безопасности.

1. Государственное управление в области обеспечения радиационной безопасности осуществляется Правительством Российской Федерации, федеральными органами исполнительной власти в соответствии с положениями об указанных органах.

Указом Президента РФ от 9 марта 2004 г. N 314 Федеральный надзор России по ядерной и радиационной безопасности переименован в Федеральную службу по атомному надзору

Указом Президента РФ от 20 мая 2004 г. N 649 Федеральная служба по атомному надзору преобразована в Федеральную службу по экологическому, технологическому и атомному надзору, руководство которой осуществляет Правительство РФ

2. Государственный контроль и надзор в области обеспечения радиационной безопасности проводятся федеральными органами исполнительной власти, осуществляющими контроль и надзор в области обеспечения радиационной безопасности в соответствии с положениями об указанных органах.

3. Деятельность федеральных органов исполнительной власти, осуществляющих государственное управление, государственный надзор и контроль в области обеспечения радиационной безопасности, определяется законодательством Российской Федерации.

Статья 9. Государственное нормирование в области обеспечения радиационной безопасности

1. Государственное нормирование в области обеспечения радиационной безопасности осуществляется путем установления санитарных правил, норм, гигиенических нормативов, правил радиационной безопасности, государственных стандартов, строительных норм и правил, правил охраны труда, распорядительных, инструктивных, методических и иных документов по радиационной безопасности. Указанные акты не должны противоречить положениям настоящего Федерального закона.

2. Санитарные правила, нормы и гигиенические нормативы в области обеспечения радиационной безопасности утверждаются в порядке, установленном законодательством Российской Федерации, федеральным органом исполнительной власти по санитарно-эпидемиологическому надзору.

Устанавливаются следующие основные гигиенические нормативы (допустимые пределы доз) облучения на территории Российской Федерации в результате использования источников ионизирующего излучения:

для населения средняя годовая эффективная доза равна 0,001 зиверта или эффективная доза за период жизни (70 лет) - 0,07 зиверта; в отдельные годы допустимы большие значения эффективной дозы при условии, что средняя годовая эффективная доза, исчисленная за пять последовательных лет, не превысит 0,001 зиверта;

для работников средняя годовая эффективная доза равна 0,02 зиверта или эффективная доза за период трудовой деятельности (50 лет) - 1 зиверту; допустимо облучение в годовой эффективной дозе до 0,05 зиверта при условии, что средняя годовая эффективная доза, исчисленная за пять последовательных лет, не превысит 0,02 зиверта.

Регламентируемые значения основных пределов доз облучения не включают в себя дозы, создаваемые естественным радиационным и техногенно измененным радиационным фоном, а также дозы, получаемые гражданами (пациентами) при проведении медицинских рентгенорадиологических процедур и лечения. Указанные значения пределов доз облучения являются исходными при установлении допустимых уровней облучения организма человека и отдельных его органов.

В случае радиационных аварий допускается облучение, превышающее установленные основные гигиенические нормативы (допустимые пределы доз), в течение определенного промежутка времени и в пределах, определенных санитарными нормами и правилами.

Установленные настоящей статьей основные гигиенические нормативы (допустимые пределы доз) облучения населения для отдельных территорий могут быть изменены Правительством Российской Федерации в сторону их уменьшения с учетом конкретной санитарно-гигиенической, экологической обстановки, состояния здоровья населения и уровня влияния на человека других факторов окружающей среды.

3. Правила радиационной безопасности, регламентирующие требования к обеспечению технической безопасности при работах с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующего излучения, утверждаются федеральным органом исполнительной власти по атомному надзору в порядке, установленном законодательством Российской Федерации.

4. Государственные стандарты, строительные нормы и правила, правила охраны труда, распорядительные, инструктивные, методические и иные документы по вопросам радиационной безопасности утверждаются и принимаются уполномоченными на то федеральными органами исполнительной власти или организациями в пределах их полномочий.

Статья 10. Лицензирование деятельности в области обращения с источниками ионизирующего излучения

1. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в области обращения с источниками ионизирующего излучения, проектирование, сооружение источников ионизирующего излучения, конструирование и изготовление для них технологического оборудования, средств радиационной защиты, а также работы в области добычи, производства, транспортирования, хранения, использования, обслуживания, утилизации и захоронения источников ионизирующего излучения осуществляются только на основании специальных разрешений (лицензий), выданных органами, уполномоченными на ведение лицензирования.

2. Лицензирование деятельности в области обращения с источниками ионизирующего излучения осуществляется в порядке, установленном законодательством Российской Федерации.

Статья 11. Производственный контроль за обеспечением радиационной безопасности

1. Организации, осуществляющие деятельность с использованием источников ионизирующего излучения, проводят производственный контроль за обеспечением радиационной безопасности.

2. Порядок проведения производственного контроля определяется для каждой организации с учетом особенностей и условий выполняемых ею работ и согласовывается с органами исполнительной власти, осуществляющими государственное управление, государственный надзор и контроль в области обеспечения радиационной безопасности.

3. Должностные лица, осуществляющие производственный контроль за обеспечением радиационной безопасности, вправе приостанавливать проведение работ с источниками ионизирующего излучения при выявлении нарушений санитарных норм, правил и гигиенических нормативов, правил радиационной безопасности, государственных стандартов, строительных норм и правил, правил охраны труда, распорядительных, инструктивных, методических документов в области обеспечения радиационной безопасности (далее - нормы, правила и нормативы) в соответствующей организации до устранения обнаруженных нарушений.

Статья 12. Общественный контроль за обеспечением радиационной безопасности

Общественные объединения в соответствии с законодательством Российской Федерации вправе осуществлять общественный контроль за выполнением норм, правил и нормативов в области обеспечения радиационной безопасности.

Глава 5. Охрана труда и техника безопасности

5.1 Техника безопасности при ремонте автоматической швартовной лебедки (электрическая часть)

При разработке и внедрении электрооборудования основное внимание уделяется технике безопасности и электробезопасности нового оборудования.

Правила ТБ и электробезопасности в равной мере относятся как к эксплуатации, так и к проведению ремонта и технического обслуживания, поскольку неисправное оборудование может служить причиной несчастных случаев и травм на производстве. Поэтому правила ТБ и электробезопасности регламентируются следующими основными документами: Регистр; Правила классификации и постройки морских судов; Правила технической эксплуатации электроустановок; Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей.

Ремонтные работы производимые в судовых электроустановках, могут производиться:

1. При частичном снятии напряжения;

2. При полном снятии напряжения;

3. Без снятия напряжения.

При ремонте электрической части лебедки производятся работы, связанные с ремонтом или профилактикой исполнительного двигателя, станции управления лебедкой и автоматического командоконтроллера. Работы по ремонту исполнительного двигателя и схемы управления производятся при полностью снятом напряжении; ремонт автоматического контроллера может производиться при частично снятом напряжении.

Для проведения ремонтных работ необходимо подготовить рабочее место. Для этого должны быть выполнены следующие мероприятия:

1. Необходимо отключить питание на панели главного распределительного щита, или на панели распределительного щита лебедок. При этом на пакетный выключатель должна быть повешена предупредительная табличка: «Не включать, работают люди!»

2. Необходимо убедиться в отсутствии напряжения на токоведущих частях.

Проверка отсутствия напряжения должна производиться между всеми фазами и каждой фазой по отношению к «земле». Перед проверкой необходимо убедиться в исправности применяемого прибора или указателя путем проверки их на токоведущих частях, заведомо находящихся под напряжением, либо при помощи специального прибора. Указатель напряжения или другой прибор, применяемый для проверки, должны быть рассчитаны на номинальное линейное напряжение электроустановки. Если проверяемый таким образом прибор был уронен или подвергался ударам, то необходима повторная проверка.

3. Рабочее место должно быть не загроможденным и иметь хорошее освещение, все инструменты и приспособления должны быть исправными и правильно настроенными; рукоятки кусачек, плоскогубцев и отверток должны быть сделаны из изоляционных материалов. После принятия указанных мер предосторожности можно непосредственно приступать к профилактике или ремонту автоматической швартовной лебедки.

В разработанном электроприводе дипломного проекта существует ряд зон, которые требуют в процессе эксплуатации повышенного внимания от обслуживающего персонала. Это элементы схемы с питанием от судовой сети 440 В:

а) силовая схема преобразователя частоты;

б) асинхронный двигатель;

в) блок питания;

г) преобразователи и измерительные датчики.

Как следствие этого техники безопасности и электробезопасности предусматривают:

1) квалифицированное обслуживание электропривода личным составом;

2) осмотр может производить лицо из рядового или командного электротехнического персонала;

3) подключение и отключение отдельных блоков или узлов производится при снятом общем напряжении;

4) при ремонте и наладке электрооборудования посторонние лица вблизи рабочего места находиться не должны;

5) перед включением необходимо проверить наличие, качество и надежность всех видов заземления и величину сопротивления изоляции, исправность сигнализации и систем защиты.

Кроме этого необходимо выполнение некоторых других пунктов с целью соблюдения техники безопасности и электробезопасности.

1) При работе под напряжением необходимо иметь в наличии:

а) диэлектрические перчатки;

б) коврик;

в) галоши;

г) инструмент с изолированными ручками, заранее прошедшими испытания в лаборатории с указанными на них сроками годности.

2) Все выдвижные части шкафов тиристорного преобразователя частоты должны иметь внутреннее крепление, а при необходимости фиксироваться выдвинутом состоянии.

5.2 Пожарная безопасность

С точки зрения возникновения пожара на судне, любое электрооборудование представляет опасность. Причем судно подвержено такой опасности в большей степени, чем любое оборудование, находящееся на берегу.

Поэтому, при эксплуатации электрооборудования на судне должна максимально исключаться любая возможность возникновения пожара.

Это возможно лишь при грамотных, тщательно продуманных противопожарных мероприятиях при эксплуатации электрооборудования.

Основные источники и причины возникновения пожара:

а) короткое замыкание;

б) искрение под щетками;

в) перегрев проводов и кабелей, обмоток двигателей;

г) неквалифицированное обслуживание.

Поэтому четко должны соблюдаться следующие правила:

1) постоянный контроль и профилактика электрооборудования;

2) исправное состояние всех видов защиты;

3) Содержание всех видов пожаротущения в исправном состоянии и готовности.

Пожарная безопасность обеспечивается соблюдением ГТГЭ СТС и ГТГБ. Температура отдельных частей электрооборудования и оболочек кабелей и проводов не должна превышать допустимую классом изоляции. Необходим систематический контроль состояния сопротивления изоляции электрооборудования и электрических цепей. Категорически запрещается использовать бензин и другие легковоспламеняющиеся жидкости для протирки коллекторов, щеток и других частей электрических машин, находящихся под напряжением.

В коммутационно-защитньк аппаратах должны быть исправны дугогасительные устройства Токи уставок расцепигелей автоматических выключателей и плавких вставок должны соответствовать расчетному току нагрузки. В аккумуляторных помещениях нельзя пользоваться открытым огнем, в них следует применять светильники взрывобезопаснош исполнения с вынесенными наружу выключателями. Вентиляция включается до начала зарядки аккумуляторов и отключается через два часа после окончания заряда, что позволяет избежать образования взрывоопасной концентрации смеси выделенных при заряде газов и воздуха. Необходимо тщательно проверять состояние опрессовки, пропайки кабельных наконечников и плотность их закрепления на контактных шпильках. Следствием неплотной опрессовки или некачественной пропайки является плохой контакт между жилой и наконечником. В таких местах резко увеличивается переходное сопротивление и количество выделяемой в нем теплоты, что может привести к пожару электрооборудования.

Для промывки электрических машин используются тампоны, кисти и струйные шприцы. Рукоятки и обоймы плетей выполняют из материалов, не вызывающих искрообразования. При протирке запас промывочного средства на рабочем месте не должен превышать 0,25 л, при промывке - 2л. На месте протирки устанавливают поддон емкостью не менее 3 л.

Заключение

Настоящий дипломный проект посвящен разработке схемы управления автоматической швартовной лебедкой. Основная задача - разработка схемы управления электроприводом АШЛ со смешанным электромашинным и частотным регулированием. Она направлена на обеспечение удобства в эксплуатации судового электропривода, надежности и минимальных трудозатрат на обслуживание, а также обеспечение минимальных финансовых затрат на ремонт и замену комплектующих деталей. Проводится анализ различных систем АШЛ с бесконтактными преобразователями частоты и тиристорными коммутаторами, рассматривается возможность их применения в электроприводе механизма АШЛ. Приведен расчет и выбор 2-х скоростного асинхронного двигателя для электропривода АШЛ с тиристорным преобразователем частоты непосредственного типа. Рассчитаны механические и рабочие характеристики АД, разработана система управления ТПЧ. Выполнен технико - экономический расчет разработанной системы, а также рассмотрены вопросы охраны труда, техники безопасности и гражданской обороны.

Список используемой литературы

1. Богословский А.П., Певзнер Е.Н., Туганов М.С., Яуре А.Г. «Системы тиристорного управления судовыми электромеханизмами». Ленинград. Судостроение 1978г., 232с.

2. Регистр РФ. Правила классификации и постройки морских судов. Москва. Транспорт 1990г.

3. Яуре А.Г., Покрасс И.И., Белый В.А. «Электроприводы палубных механизмов». Ленинград. Судостроение 1967г., 316с.

4. Богословский А.П., Певзнер Е.М., Фрейдзон И.Г., Яуре А.Г., «Судовые электроприводы». Справочник. Ленинград. Судостроение 1983г., 384с.

5. Судовая документация по АШЛ грузового т/х «Electra»

6. Александров М.Н., «Судовые устройства». Справочник. Ленинград. Судостроение 1987г., 656с.

7. Атаманюк В.Г., Ширшев Л.Г., Акимов Н. И. «Гражданская оборона». Москва. Высшая школа 1986г., 208с.

8. «Морские транспортные суда России». Каталог. Ленинград. ЦНИИ МФ 1995г.

9. «Справочник судового электротехника». Том 2, под редакцией Китаенко Г.И. Ленинград. Судостроение 1980г.,624с.

10. Кутасин Б.П., Корневский Б.И. «Общая теория электропривода и пускорегулирующая аппаратура». Москва. Транспорт 1966г. 318с.