Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Расчет электромеханического рулевого привода

Министерство транспорта РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО

ТРАНСПОРТА

ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного

транспота»

Кафедра: «Электрооборудования и автоматики»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Тема: Расчет электромеханического рулевого привода.

Вариант 3-2

Выполнил: Островских Е.А.

Шифр: ЭМ-03-223

Проверил: Романов М.Н.

Новосибирск 2007

Содержание.

Электропривод рулевых устройств.

Требования Речного Регистра к рулевому электроприводу.

1. Введение.

2. Задание на проектирование

3. Расчет моментов сопротивления на баллере руля

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

5. Система Г-Д с ПКО

5.1. Расчёт мощности и выбор исполнительного электродвигателя.

5.2. Расчет мощности и выбор генератора.

5.3. Расчет М.Д.С. генератора и числа витков ПКО

5.4. Выбор возбудителя.

5.5. Выбор приводного электродвигателя.

6 Расчёт переходных процессов в системе Г-Д простого действия.

7. Кабельный журнал.

8. Описание работы схемы.

9. Заключение.

Список литературы.

Введение.

Требования, предъявляемые к электроприводам рулевых устройств:

Мощность основного механического рулевого привода должна быть достаточной для перекладки руля (поворотных насадок) на угол от 35º одного борта до 35º другого борта за время не более 30 с. при максимальной скорости переднего хода судна и осадки его по грузовую ватерлинию.
Рулевые приводы должны обеспечивать непрерывную работу в наиболее тяжелых условиях эксплуатации. Двигатели рулевых приводов должны допускать их перегрузку по моменту не менее 1,5 расчетного момента в течении одной мин.
Рулевое устройство должно быть оборудовано тормозом или иным приспособлением, обеспечивающим удерживание руля (поворотной насадки) на месте в любом положении при действии со стороны руля крутящего момента без учета коэффициента полезного действия подшипников баллера руля.
Возможность быстрого и простого перехода с одного поста управления на другой, а также перевода управления на вспомогательный электропривод за время не более 2 мин.
Пусковые устройства должны обеспечивать повторный автоматический пуск электрических двигателей при восстановлений напряжения после перерыва в подачи питания.
В ходовой рубке у поста управления рулем или на пульте управления должно быть устройство, сигнализирующее о наличии напряжения в цепи питания рулевого привода, его перегрузки и отключения. Сигнал о перегрузке и отключении должен быть световым и звуковым.
Электрический привод рулевого устройства должен обеспечивать:

Непрерывную перекладку руля с борта на борт в течение 30 мин. для каждого агрегата при наибольшей эксплуатационной скорости переднего хода и осадки судна по грузовую ватер линию;
Возможность стоянки исполнительного электрического двигателя под током в течение одной минуты с нагретого состояния (только для рулей с электрическим приводом);
Непрерывную работу в течении одного часа при наибольшей эксплуатационной скорости переднего хода и при перекладке руля на угол, обеспечивающий 350 перекладок в час.

В схеме управления рулевого электрического привода должны быть предусмотрены конечные выключатели, ограничивающие перекладку руля или насадки на левый и правый борт. При срабатывании одного из них должна обеспечиваться возможность перекладки руля в обратном направлении.
Коммутационная и пускорегулирующая аппаратура в цепях электрических приводов, не является одновременно защитным устройством от токов КЗ, должна выдерживать ток КЗ который может протекать в месте её установки, в течении времени, необходимого для срабатывания защиты. Применяемая пускорегулирующая аппаратура должна допускать возможность пуска электрического двигателя только из нулевого положения.

Задание на курсовое проектирование

Вариант № 3-2

Таблица 1 Характеристика судна

Тип судна

Грузоподъемность или

мощность, т.

Главные размеры, м

Скорость хода, км/ч

Тип руля

Количество рулей

Наличие насадки

сухогрузный теплоход

2000

13,0

2,8

балансирный

нет

Таблица 2 Тип двигателя и система привода

Род тока и величина напряжения, В

Вид привода

Система электропривода и тип ИД

Схема управления

Кинематическая схема

380

Электромеханический

Г-Д с ПКО

Г-Д простого действия

Секторный однодвиг.

3. Расчет моментов сопротивления на баллере руля

Расчетные момента сопротивления на баллере балансирных рулей осуществляется по формуле:

- для переднего хода,

- для заднего хода,

где ρ = 1000 кг\м³ – массовая плотность воды;

F – площадь пера руля м²;

V_r – скорость потока набегающего на перо руля м/с;

b – длинна пера руля м;

а – расстояние от оси баллера до передней кромки балансирных рулей м.

Для определения площади F пера одного руля можно воспользоваться следующей эмпирической формулой:

где n – количество рулей;

L и T – соответственно длинна и осадка судна в метрах;

μ – коэффициент, определенный по данным однотипных судов, управляемость которых признана хорошей.

Для расчета моментов на баллере необходимо определить и ряд других параметров руля. Высота руля l не должна превышать величину осадки судна:

l = T – 0,1=2,8-0,1=2,7м

Длинна прямоугольного пера руля:

Балансирные рули характеризуются значением коэффициента компенсации, который рекомендуется принимать равным К_к = 0,15 – 0,3. Зная, коэффициент компенсации можно определить площадь балансирной чисти, пера руля:

F_б = F·K_k=3,78·0,15=0,57 м².

Расстояние от передней кромки руля до оси баллера:

Скорость потока набегающего на перо руля определяется по формуле:

где V – скорость судна;

Ψ_р – коэффициент попутного потока в районе рулей;

Ψ_р = 0,65(0,5·δ – 0,16) = 0,18.

σ – коэффициент нагрузки движителей по полезному упору.

Таблица 3 Данные по расчету моментов на баллере в зависимости от

угла поворота руля.

C_N	C_d	C^'_N	C^'_d	М_б^пх, H^*м	М_б^зх, H^*м	α, град
0,65	0,45	0,40	0,38	-13100,54	3728,62	-35
0,70	0,38	0,48	0,37	-9170,38	4595,27	-30
1,00	0,34	0,70	0,36	-9096,61	6877,79	-25
1,10	0,29	0,75	0,35	-4434,03	7558,01	-20
0,90	0,27	0,83	0,33	-1813,92	8782,40	-15
0,65	0,25	0,78	0,33	0,00	8253,34	-10
0,35	0,23	0,52	0,33	705,41	5502,23	-5
0,00	0,20	0,00	0,33	0,00	0,00	0
0,35	0,23	0,52	0,33	-705,41	-5502,23	5
0,65	0,25	0,78	0,33	0,00	-8253,34	10
0,90	0,27	0,83	0,33	1813,92	-8782,40	15
1,10	0,29	0,75	0,35	4434,03	-7558,01	20
1,00	0,34	0,70	0,36	9096,61	-6877,79	25
0,70	0,38	0,48	0,37	9170,38	-4595,27	30
0,65	0,45	0,40	0,38	13100,54	-3728,62	35

Для построения нагрузочной характеристики электродвигателя рулевого устройства необходимо выбрать конкретную конструкцию секторного рулевого привода, сделать ее чертежи и установить основные параметры механической передачи: общее передаточное число i₀, общий КПД передачи η₀, с учетом i и η всех звеньев передачи.

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

i₀=1600÷3000

Обычно при проектировании задаются таким передаточным числом, чтобы расчетное значение номинальной частоты вращения электродвигателя было близко к стандартным значениям частоты вращения электродвигателей.

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

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

,Нм

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

М_б - значение момента на баллере из диаграммы М₆=f(α);

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

Примем в расчетах i₀= 3000 и η₀ = 0,45, откуда.

Максимальный момент нагрузки на двигателе:

М_мax = 19,4Нм

,где М_бмax – максимальный момент на баллере.

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

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

М₀ = (0,2÷0,3) М_max =0,25*19,4=4,8Нм - для балансирных рулей.

При использовании балансирных рулей момент на баллере может принимать положительные значения при переднем ходе судна и при отрицательных углах α. В этом диапазоне углов α допускается момент на валу двигателя считать также равным М₀.

Нагрузочная характеристика электродвигателя строится для переднего хода судна.

Рис. 1. Диаграммы моментов сопротивления на баллере балансирного руля М₆=f(α) и на валу электродвигателя рулевого устройства M_д =f(α) при переднем ходе судна.

5. Система Г-Д с ПКО

Рулевой электропривод по схеме Г-Д на судах речного флота в настоящее время находит большое применение. Это объясняется рядом преимуществ этой системы по сравнению с другими видами управления электроприводами рулевых устройств (контроллерным, контакторным и др.)

Применение ПКО на генераторе позволяет ограничить момент стоянки рулевого электродвигателя и получить высокую скорость вращения при малых нагрузках на валу.

5.1. Расчёт мощности и выбор исполнительного электродвигателя.

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

Для сухогрузного теплохода получены следующие параметры нагрузочной диаграммы M_d =f(α):

Максимальный момент нагрузки М_мах =19,4Нм

Минимальный момент нагрузки М₀ = 4,8 Нм

Углы перекладки пера руля α_мах = 35°,α₁ = 20°

Передаточное число рулевой машины i = 3000

Расчет мощности электродвигателя производится по угловой скорости идеального холостого хода (ω_х) и пусковому моменту, моменту короткого замыкания (М_к).

Значения М_к обычно задаётся:

M_к =(1,5÷2,0)* M_дмах

M_к =2,0* M_дмах=38,8Нм

Выражения для скорости ω_х (n_х) при идеальном холостом ходе электродвигателя получается при совместном решении уравнений, описывающих механическую характеристику электродвигателя и характеристику моментов сопротивления на его валу. Для упрощения расчетов механическая характеристика считается линейной.

Т - время перекладки пера руля с борта на борт, с. По требованиям Речного Регистра РСФСР это время не должно превышать 30с. В расчетах это время принимается на 1,5 - 2 с меньше, чтобы учесть разгон двигателя в начальной стадии. (Т=28 сек.)

Так как на графике M_d =f(α) угол α₂ отсутствует, то его следует принять равным α_мах. Следовательно, частота идеального холостого хода определится из выражения:

n_х= 2453об/мин

При расчётах n_х нужно задаваться таким передаточным числом i, чтобы расчётная номинальная угловая скорость n_н= n_х/2 была близкой к одной из стандартных скоростей электродвигателя.

Номинальная мощность электродвигателя определяется по выражению:

, ω_х=174 рад/с

, Р_гд=1,9кВт

n_н= n_х/2=2453/2= 1226,5об/мин

В соответствии с этим получены расчётные значения мощности

Р_гд=1,9кВт и скорости вращения электродвигателя n_н=830об/мин и выбрали

Таблица 4.номинальные параметры исполнительного двигателя.U_H=110В, ƞ_Н=1500об/мин

Тип

Р_н,

кВт

I,A

ƞ,

Обмотка якоря

Обмотки добавочных полюсов

Марка провода

S,мм²

R_компа.,

Ом

Число катушек

Соединение

Марка провода

П31

1,5

17,4

ПЭВ2

0,785×2

342

0,45

ПСД

Продолжение таблицы 4.

Последовательная обмотка

S,мм²

W_K

R_компа.,

Ом

Число катушек

Соединение

Марка провода

S,мм²

W_K

4,01

148

0,2

последовательное

ПСД

5,43

Продолжение таблицы 4.

Параллельная обмотка

R_компа.,

Ом

Число катушек

Соединение

Марка провода

S,мм²

W_K

R_компа.,

Ом

0,026

последовательное

ПЭВ2

0,273

2600

130

Т.к. угловая скорость ИД должна быть в два раза больше угловой скорости при номинальной нагрузке, напряжение, подводимое к двигателю при холостом ходе, должно быть в два раза больше номинального. На практике обычно двигатель выбирается на напряжение 110 В., а генератор на 230 В.

5.2. Расчет мощности и выбор генератора.

Расчётная мощность, развиваемая генератором в номинальном режиме;

, кВт

где Р_ид - номинальная мощность исполнительного двигателя

КПД_ид - исполнительного двигателя

Однако, выбор генератора производится не по расчётной номинальной, а по, так называемой габаритной мощности генератора;

Р_ГГ = UнгIнг=2Uнд(0,85)Iнд=кВт

где Uнг=2Uнд - номинальное напряжение генератора, необходимое для получения w_х;

I_нг = 0,85I_нд - номинальный ток генератора, который по условиям нагрева может быть принят 10 - 20% ниже номинального тока двигателя.

Выбор генератора производится из каталога по условию Р_гР_гг

Таблица 5.Паспортные данные генератора постоянного тока.U_H=230В, ƞ_Н=3000об/мин

Тип

Р_н,

кВт

I,A

ƞ,

Обмотка якоря

Обмотки добавочных полюсов

Марка провода

S,мм²

R_компа.,

Ом

Число катушек

Соединение

Марка провода

П31

3,2

80,5

ПЭВ2

1,43

360

0,52

ПСД

Продолжение таблицы 5.

Последовательная обмотка

S,мм²

W_K

R_компа.,

Ом

Число катушек

Соединение

Марка провода

S,мм²

W_K

5,43

530

0,13

последовательное

ПСД

4,01

Продолжение таблицы 5.

Параллельная обмотка

R_компа.,

Ом

Число катушек

Соединение

Марка провода

S,мм²

W_K

R_компа.,

Ом

0,044

последовательное

ПЭВ2

0,173

3600

285

5.3 Расчет М.Д.С. генератора и числа витков ПКО

Для получения механической характеристики электродвигателя, соответствующей расчетной, необходимо определить расчетный магнитный поток, создаваемый обмоткой независимого возбуждения генератора, расчетный поток и число витков ПКО.

В режиме идеального холостого хода электродвигателя (следовательно и холостого хода генератора) магнитный поток генератора определяется только М.Д.С. независимой обмотки возбуждения генератора.

где - напряжение холостого хода генератора, В;

-угловая скорость генераторного агрегата на холостом ходу,

С^-1 не долина превышать синхронной угловой скорости приводного двигателя;

- конструктивный коэффициент генератора.

В этой формуле:

р - число пар полюсов генератора;

- число активных проводников обмотки якоря генератора; равно удвоенному числу витков обмотки якоря генератора;

- число параллельных ветвей обмотки якоря генератора.

Напряжение генератора в режиме идеального холостого хода исполнительного электродвигателя равно его Э.Д.С. Так как Э.Д.С. двигателя независимого возбуждения прямо пропорционально его угловой скорости, то

- расчетная угловая скорость холостого хода электродвигателя;

- номинальные угловая скорость, напряжение и ток якоря исполнительного двигателя (из паспортных данных);

- сопротивление якорной обмотки и обмотки добавочных полюсов исполнительного двигателя.

Для найденного значения магнитного потока по кривой намагничивания генератора определяется намагничивающая сила F_НОВ, создаваемая обмоткой независимого возбуждения генератора. (для справки: 1Вб = 10⁸Мкс).

Расчетный поток и необходимое число витков ПКО определяются по режиму стоянки двигателя под током. Генератор при этом работает в режиме короткого замыкания, и его Э.Д.С. не должна превышать

где К — коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления при нагревании. Для машин с классом изоляции В (К=1,24);

I_K — ток якоря исполнительного двигателя, соответствующий моменту короткого замыкания,

- сопротивление якорной цепи системы Г-Д, Ом;

-падение напряжения на щеточном переходе;

Эта Э.Д.С. определяется суммарным магнитным потоком независимой и противокомпаундной обмоток генератора. Следовательно, магнитный поток генератора в режиме короткого замыкания:

где,

По значению и характеристике холостого хода генератора определяется

— магнито-движущая сила генератора в режиме короткого замыкания.

Число витков ПКО, необходимое для получения желаемой механической характеристики:

где — М.Д.С. независимой обмотки возбуждения генератора, А;

- М.Д.С. генератора в режиме короткого замыкания, А;

- М.Д.С. реакции якоря генератора, А.

В этой формуле:

=(0,10÷0,3) - коэффициент, учитывающий размагничивающее действие реакции якоря генератора. Генераторам больших мощностей соответствует меньшие значения ;

- число активных проводников;

- число параллельных ветвей обмотки якоря генератора;

- число полюсов генератора;

I_K - ток стоянки исполнительного электродвигателя (ток короткого замыкания), А.

Полученное значение округляется до целого числа.

5.4. Выбор возбудителя

В системе Г-Д простого действия в качестве возбудителя обычно используется электромагнитные усилители (ЭМУ).

Мощность возбудителя, питающего обмотки возбуждения генератора:

где U_В- выходное напряжение возбудителя, В

- ток обмотки независимого возбуждения генератора, А.

- ток возбуждения исполнительного двигателя, А.

- суммарная мощность одновременно работающих элементов управления, контроля и защиты. Примерно можно принять равной 100-200 Вт,

I_РГ, I_РД – токи разрядных резисторов принимается в 3-5 раз больше сопротивления обмотки возбуждения при напряжении возбуждения 220В и 6-10 раз больше при напряжении возбуждения 110В. Все резисторы выбираются по величине сопротивления и по току (мощности рассеивания).

Таблица 6.паспортные данные ЭМУ

Тип

Генератор-усилитель

Встроенный приводной двигатель

ƞ_АГР,%

Р_Н, кВт

U_ВЫХ, В

I_Н,

Р_Н, кВт

U_ВЫХ, В

I_Н,

ЭМУ-12А

230

16,7

1,82

220

5,30

Выбираем диоды в цепь возбуждения генератора:

Д-112-25х-2: I_ПР=25А, U_{ОБР.МАХ}=300В, ,

5.5. Выбор приводного электродвигателя.

Выбор приводного асинхронного электродвигателя производится по расчетной (не габаритной) мощности генератора с учетом его КПД.

кВт

где - расчетная мощность исполнительного электродвигателя, кВт;

- КПД исполнительного электродвигателя;

- КПД генератора при половинной его загрузке.

КПД генератора при половинной загрузке:

- номинальное значение КПД генератора.

Если на одном валу с генератором устанавливается еще и машинный возбудитель, мощность его прибавляется к найденной мощности приводного двигателя.

Выбор приводного двигателя производится из каталога общепромышленных асинхронных двигателей с к.з. ротором по значениям Р, U, n. при двигателе А О62-4

Таблица 7. Технические данные двигателя серии 4А, защищенного исполнения на 220/380В.

Тип двигателя

Р_Н, кВт

При Р_2Н

J, кг·м²

n_Н, об/мин

ƞ_,%

cosφ

4А100L2У3

5,5

2880

87,5

0,91

1,2

7,5

0,0075

6 Расчёт переходных процессов в системе Г-Д простого действия.

Графики переходного процесса строятся для ЭДС генератора, ЭДС (угловой скорости) исполнительного двигателя и тока якорной цепи системы. При этом момент сопротивления на валу исполнительного двигателя считается постоянным и принимается равным моменту M_с7 =М_о = 4,2 Н-м на валу при перекладке пера руля на 5-7 градусов от диаметральной плоскости (из нагрузочной диаграммы исполнительного электродвигателя). Так как на переходные процессы в системе Г-Д большое влияние оказывают сопротивление в цепи обмотки независимого возбуждения генератора и сопротивление разрядного резистора этой обмотки, необходимо учитывать сопротивление регулировочного реостата и разрядного резистора. Переходной процесс пуска рассчитывается для первого положения рукоятки поста управления, т. е. когда в цепи обмотки независимого возбуждения генератора введено наибольшее сопротивление.

Для упрощения расчётов пренебрегаем индуктивностью якорной цепи и действием противокомпаундной обмотки. Такие упрощения не вносят существенной ошибки в расчёты, т. к. постоянной времени якорной обмотки на порядок меньше постоянной времени обмотки возбуждения машины постоянного тока, а действие противокомпаундной обмотки начинает оказывать значительное влияние при токах якорной цепи более 25% номинального тока (и соответствующем напряжении) генератора.

Расчет электромеханического рулевого привода