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:

 

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. Возможность быстрого и простого перехода с одного поста управления на другой, а также перевода управления на вспомогательный электропривод за время не более 2 мин.
5. Пусковые устройства должны обеспечивать повторный автоматический пуск электрических двигателей при восстановлений напряжения после перерыва в подачи питания.
6. 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.
7. Электрический привод рулевого устройства должен обеспечивать:
1. 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;
2. Возможность стоянки исполнительного электрического двигателя под током в течение одной минуты с нагретого состояния (только для рулей с электрическим приводом);
3. Непрерывную работу в течении одного часа при наибольшей эксплуатационной скорости переднего хода и при перекладке руля на угол, обеспечивающий 350 перекладок в час.
8. 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.
9. 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. 
 

1. 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
		L	B	T
сухогрузный теплоход	2000	90	13,0	2,8	19	балансирный	2	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.

CN	Cd	C'N	C'd	Мбпх, H*м	Мбзх, 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

 

 

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

 

Для построения нагрузочной  характеристики электродвигателя рулевого устройства необходимо выбрать конкретную конструкцию секторного рулевого привода, сделать 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