Министерство транспорта Российской Федерации
НОВОСИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО
ТРАНСПОРТА

В.Ю. Гросс, О.П. Кузьменков, Б.В. Палагушкин

Расчет электромеханических и
электрогидравлических рулевых приводов
Учебно-методическое пособие

Новосибирск

2004
УДК 629.12 014.6-514.5-52

Г 886

Гросс В.Ю. Расчет электромеханических и электрогидравлических ру-
левых приводов. Учебно-методическое пособие/В.Ю.Гросс, О.П. Кузьмен-
ков, Б.В. Палагушкин. Новосибирск:Новосиб.гос.акад.вод.трансп., 2004. —
84 с.

В учебно-методическом пособии приведены технические данные и
методика расчета, проектирования электроприводов рулевых устройств су-
дов речного и смешанного река-море плавания. Даны рекомендации по рас-
чету параметров рулевых устройств, передач, нагрузочных диаграмм и вы-
бору электродвигателей для привода рулевых машин. Приведены методики
расчета и проектирования различных систем управления рулевыми электро-
приводами. Даны примеры расчетов.

Настоящее пособие предназначено для курсового проектирования по
дисциплинам «Электрооборудование и автоматика судов» (специальность
180400) и «Судовые автоматизированные электроприводы» (специальность
240600) очной и заочной форм обучения.

Рецензент:

В.П. Горелов, д-р техн.наук, профессор

18В1Ч 5-8119-0195-Х

© Новосибирская государственная академия
водного транспорта, 2004
Введение

Электропривод рулевого устройства является наиболее важным и от-
ветственным из всех судовых механизмов, поскольку он обеспечивает уп-
равляемость, устойчивое движение и маневренные качества судов речного и
морского флота, тем самым создавая условия для их оптимальной и безава-
рийной эксплуатации.

Современные рулевые электроприводы применяются двух основных
типов:

1	- с механической передачей от вала электродвигателя к баллеру руля -
электромеханические рулевые приводы,

2	- с гидравлической передачей от вала электродвигателя к баллеру руля -
электрогидравлические рулевые приводы.

Выбор того или иного вида привода и системы управления определя-
ется по результатам их технико-экономического сравнения и с учетом нали-
чия необходимой номенклатуры изделий, выпускаемых в данное время про-
мышленностью.

Настоящее методическое пособие предназначено для выполнения кур-
сового проекта по дисциплинам «Электрооборудование и автоматика судов»
и «Судовые автоматизированные электроприводы» студентами очной и за-
очной форм обучения на Электромеханическом факультете НГАВТ. Назна-
чением курсового проекта является закрепление и углубление обучающи-
мися знаний по электрооборудованию и автоматике судов и приобретение
навыков самостоятельной работы в решении инженерных задач по расчету
и проектированию электроприводов судовых механизмов, в том числе руле-
вого электропривода, как одного из наиболее сложных.

Перед выполнением курсового проекта студент должен повторить раз-
дел «Рулевые электроприводы» курса «Электрооборудование судов» и раз-
делы Теории электропривода по расчету мощности, выбору и проверке элек-
тродвигателей, динамике электроприводов постоянной? и переменного тока.
Необходимо также изучить и усвоить требования Речного Регистра Россий-
ской Федерации к электроприводам рулевых устройств и системам их уп-
равления, т.к. они должны непосредственно учитываться в расчетах при кур-
совом проектировании.
1	Объем и состав курсового проекта,
предъявляемые к нему требования

Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки объемом
20-25 листов формата А4 и двух листов графического материала формата А1.

1.1	Расчетно-пояснительная записка

Пояснительная записка оформляется в соответствии с ГОСТ 7-32-81
«Отчет о научно-исследовательской работе».

Структура пояснительной записки должна выглядеть следующим об-
разом:

1)	титульный лист;

2)задание на проектирование;

3)	введение, последующие расчеты, эскизы, схемы и пояснения к ним в
соответствии с заданием;

4)	заключение;

5)	список использованной литературы;

6)	оглавление.

Во введении следует сформулировать общие задачи проектирования и
привести требования Речного Регистра Российской Федерации, предъявляе-
мые к электроприводам рулевых устройств /7/.

В последующих главах производят расчет необходимых параметров и
характеристик, расчет и выбор оборудования, конструирование механизмов,
схем и т.д.

Расчеты и описания сопровождаются иллюстрациями, графиками, ди-
аграммами, схемами и т.п. Все они должны иметь сквозную нумерацию,
рисуночные надписи и выполняться на стандартных листах бумаги (допус-
кается использование миллиметровки).

В тех случаях, когда проводится ряд однотипных расчетов, в поясни-
тельной записке показывают расчет только одного варианта, все остальные
приводятся в виде таблицы результатов вычислений.

Расчетные формулы должны сопровождаться расшифровкой символов
с указанием всех входящих в них величин и их размерности (в системе СИ).

Во всех случаях, когда приводятся технические данные, методики рас-
четов, расчетные формулы и т.д., заимствованные из литературы, в тексте
необходимо давать ссылки на эту литературу путем указания ее номера в
списке, например /5/.

В записке должна быть приведена разработанная студентом принципи-
альная электрическая схема электропривода с ее обоснованием (в пределах
заданной системы) и краткое описание ее ра(юты. Должен быть сделан рас-
чет и о(юснованный выбор всех аппаратов и элементов систем управления,
а также проводов и кабелей. В результате этого составляется спецификация на
всю аппаратуру и кабельный журнал по форме, приведенной в приложении 3.

Составной частью проекта является экономическая часть, в которой
производится полный расчет стоимости спроектированной установки, вклю-
чая необходимое оборудование и проведение монтажных работ. Расчет про-
изводится по справочникам и ценникам на электрическое оборудование.

В заключении необходимо кратко ( не более 1 стр.) изложить результа-
ты проделанной работы.

1.2 Графическая часть проекта

Графическая часть включает в себя следующие чертежи:

1	.Принципиальная схема электропривода (со спецификацией на все
машины и аппараты).

2	.Кинематическая или гидравлическая схема механизма.

3	.Схема внешних соединений электродвигателей, электрических аппа-
ратов и постов управления.

4	.Расчетные графики и характеристики электропривода.

Схемы по пунктам 2 и 3 могут быть объединены на одном листе. Чер-
тежи выполняются в соответствии с требованиями ГОСТ и ЕСКД /1/.

На принципиальной схеме должны быть оцифрованы все зажимы, не-
обходимые для внешних соединений, соответствующую оцифровку должны
иметь эти зажимы и на схеме внешних соединений.

Клеммы всех электрических машин и аппаратов должны обозначаться
заводской маркировкой, указанной в каталогах и справочниках.

Внешние соединения выполняются кабелями, которые рекомендуется
укладывать в пучки, но каждый кабель должен быть показан отдельной ли-
нией, на которой указывается тип ка(>еля, его сечение и длина.

На кинематической схеме должны быть указаны передаточные числа и
КПД всех элементов.

2	Исходные данные для проектирования

Расчетная часть состоит из двух разделов:

а) гидродинамический расчет моментов сопротивления на баллере руля;
б) расчет электропривода рулевого устройства.

Исходные данные, необходимые для гидродинамических расчетов, при-
ведены в приложении 1. Системы электроприводов рулевого устройства и
их параметры приведены в приложении 2.
Вариант курсового проекта определяется двухзначным числом. Тип и
характеристика судна определяется по приложению 1, по строке, соответ-
ствующей первой цифре номера варианта проекта. Система электропривода
- по приложению 2, по строке, соответствующей второй цифре номера ва-
рианта.

Номер варианта для студентов заочного факультета определяется пос-
ледними двумя цифрами их шифра. Студентам очного отделения номер ва-
рианта задается преподавателем.

3	Расчет моментов сопротивления на баллере

руля

Для правильного выбора электродвигателя рулевого устройства необ-
ходимо знать характер изменения нагрузки на его валу. Момент на баллере
руля, а, следовательно, и на валу электродвигателя, зависит от типа руля,
площади пера руля и его положения относительно диаметральной плоско-
сти судна, а также от скорости потока, набегающего на перо руля, и опреде-
ляется по законам гидродинамики.

Расчетные формулы момента сопротивления на баллере простых обте-
каемых рулей /3, с 148/:

V2

М пб х = Ст • р • Р  ——  Ь, Нм - при переднем ходе судна, (3.1)

/ V2

М»х- _	. р р.	. I,,	_ ПрИ заднем ходе судна

(''и балансирных рулей:

V ,	,

• р  Г г —Ь-а), Нм -при переднем ходе,
—	2

I V2	.

М= Сы • р  Р —— -(Ъ-а-Са-Ь), Нм -при заднем ходе,

^3,3)..

(3-4)

где Ст =СЫ Са, с‘т -С^Са- безразмерные гидродинамические коэффи-

циенты для переднего и заднего хода судна.

Значения безразмерных гидродинамических коэффициентов в зависи-
мости от утла поворота пера руля даются в учебной и справочной литерату-
ре в виде графиков или таблиц /2/, /3/.

р = 1000 кг/м5 - массовая плотность воды,
Е-	площадь пера руля (м2);

К - скорость потока, набегающего на перо руля (м/сек);

Ь - длина пера руля (м);

а - расстояние от оси баллера до передней кромки баланси}'нглх рулей (м).

Для определения площади Е пера одного руля можно воспользоваться
следующей эмпирической формулой /2/:

Е =	1 •Т, м2 9	(3.5)

где п - количество рулей;

ЬиТ-соответственно длина и осадка судна по ва^герлинии (м);

ц - коэффициент, определенный по данным однотипных судов, управ-
ляемость которых признана хорошей.

Можно рекомендовать следующие, уточненные по сравнению с /2/,
значения:

// = 0,034-0,04)- для грузовых и пассажирских судов;

ц = 0,06^0, Г - для буксиров;

//=0,14-0,2- для толкачей.

Для расчета моментов на баллере необходимо определить и ряд других
параметров руля. Высота руля I не должна превышать величину осадки судна:
7-7-б, 1м	ц'} -	(в пределе/=7).

Длина прямоугольного пера руля
м X

I2 I 1/2 '.	.

Относительное удлинение пера руля л = —= — должно Находиться в
Е

пределах 0,254-2.0.

Для снижения моментов на баллере необходимо выбирать перо руля с
большим значением X. Балансирные рули характеризуются значением коэф-
фициента компенсации /С .

гб=Р-кк,

где Ер- площадь балансирной части пера руля, м2.

Рекомендуемые значения /С =-0,154-0,3. Расстояние от передней кром-
ки руля до оси баллера:

а = ^ = ЬКк,м \ ? Л л - -з
При правильном выборе коэффициента компенсации максимальный
момент на баллере руля при переднем ходе М“ тах должен быть примерно
равен максимальному моменту на баллере при заднем ходе

расхождение не должно превышать 10% от большего момента.

Скорость потока, набегающего на перо руля, зависит не только от ско-
рости судна, но и от действия попутного потока, увлекаемого корпусом суд-
на, потока воды, отбрасываемого работающими витыми, наличия насадок
на винтах и т.д.	~~

Методика расчета скорости набегающего на перо руля потока приведе-
на в литературе /3, с. 149/. В настоящем курсовом проекте студенты ЭТФ
могут воспользоваться следующими усредненными значениями основных
расчетных параметров:	' с’'.» ’	л/./-''.

Т = 0,18 — коэффициент попутного потока;

р = 1,12 - коэффициент расширения насадки;

ок = 34-4 - коэффициент нагрузки по упору движителей & на сад Кд х •
о = 1,54-2 - коэффициент нагрузки по упору движителей без насадок.

Скорость потока при заднем ходе принимается р^ой 0,54-0,6 скорости
судна при переднем ходе

Уг зх=(0,5 ^0,б)-Ут	Г 

Расчет моментов на баллере руля производится для значений углов а
от 0° до 35° через 5 градусов. При этом угол считается положительным при
отклонении пера руля от диаметральной плоскости судна к борту, а от борта
к ДП—отрицательным. Момент считается положительным, если он действует
против движения пера руля.

Результаты вычислений, а также значения безразмерных гидродинами-
ческих коэффициентов (См, С^ Сс, С^, Ст, С'т) для соответствующих углов
а заносятся в таблицу. Кроме того, в записке полностью приводится расчет-
ная строчка для одного из углов (например, для максимального значения
момента).

По результатам расчетов должны быть построены графики для пере-
днего и заднего хода судна:
4	Сравнительные характеристики
электромеханического и
электрогидравлического приводов

Вид применяемого передаточного механизма рулевого устройства не-
посредственно влияет на тип и систему его электропривода. Так, электроме-
ханические(ЭМ) рулевые машины требуют применения регулируемых элек-
троприводов и электрических методов торможения (обычно динамическое
торможение). И хотя требуемый диапазон и количество ступеней регулиро-
вания сравнительно невелики (для обычных транспортных судов они состав-
ляют 1:3-1:5), однако для получения их требуется применение более слож-
ных электродвигателей и систем управления - например, двигателей посто-
янного тока, систем «генератор - двигатель» или тиристорных преобразова-
телей.

В электрогидравлических (ЭГ) рулевых приводах регулирование ско-
рости перекладки пера руля осуществляется в гидравлической системе, дос-
таточно плавно и в широком диапазоне. Поэтому в качестве приводных элек-
тродвигателей гидравлических насосов могут быть использованы наиболее
простые, надежные и дешевые асинхронные электродвигатели с коротко-
замкнутым ротором и простые системы управления.

Достоинством ЭМ приводов по сравнению с ЭГ является простота их
устройства и обслуживания, низкая стоимость, отсутствие сложных масля-
ных систем, низкая пожароопасность. К недостаткам ЭМ приводов рулевых
машин секторного типа относятся их большой вес и габариты, износ зубча-
тых частей, низкая ударо- и вибростойкость, что приводит к снижению на-
дежности передаточного механизма и всего рулевого привода.

Достоинствами ЭГ приводов по сравнению с ЭМ являтся возможность
создания привода с большими усилиями и вращающими моментами при
сравнительно малых массогабаритных показателях, высокая вибро- и уда-
ростойкость, безотказность в условиях повышенной влажности и заливае-
мости. К недостаткам ЭГ приводов относятся: высокие требования к каче-
ству монтажа гидравлической системы для исключения возможности уте-
чек рабочей жидкости, сложность ухода и обслуживания, большая стоимость,
пожароопастность.
5	Расчет и построение нагрузочной
характеристики электродвигателя рулевого
устройства электромеханического типа

Для построения нагрузочной характеристики электродвигателя руле-
вого устройства необходимо выбрать конкретную конструкцию секторного
рулевого привода /4/, /5/ (тип схемы установлен заданием), сделать ее черте-
жи и установить основные параметры механической передачи: общее пере-
даточное число т0 общий КПД передачи т)0, с учетом / и г/ всех звеньев пере-
дачи.

Значения общего передаточного числа рулевых машин речных судов
находятся в пределах:	2

/0 = 16ОО-5-ЗООО

Обычно при проектировании задаются таким передаточным числом,
чтобы расчетное значение номинальной частоты вращения электродвигате-
ля было близко к стандартным значениям частоты вращения электродвига-
телей.

Общее значение КПД самотормозящихся рулевых передач электроме-
ханического типа должно быть меньше 0,5. Значение полного КПД опреде-
ляется в соответствии с кинематической схемой рулевого устройства с уче-
том КПД всех ее элементов (баллера, редуктора, червячной пары, диффе-
ренциала, штуртроса и т.д.). Значения КПД и передаточных чисел элемен-
тов рулевого устройства приведены в /4/, /5/.

После установления основных парамётров механической передачи стро-
ится нагрузочная характеристика электродвигателя, т.е. зависимость момен-
та на валу электродвигателя от утла перекладки пера руля:

Мй	V

Мд=л-—, Нм 2 ' 5^ • '	(5.1)

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

М6 - значение момента на баллере,из диаграммы М6 = Г (а);

1,т] - полное передаточное число и общий КПД механической передачи.

В соответствии с (5.1) максимальный момент нагрузки на двигателе

М„
="—:---------,

где Мбтк - максимальный момент на баллере.
1.	электродвигатель

2.	цилиндрический редуктор

3.	путевой переключатель

4.	червячный редуктор

5.	демпферные пружины

6.	зубчатый сектор

7.	румпель

8.	привод ручного механического тормоза

9.	головка баллера руля

10.	датчик рулевого указателя

11.	ручной аварийный привод руля

Рис. 1 Общий вид рулевого привода с секторной передачей
В практике проектирования обычно используют линеаризованные на-
грузочные характеристики, для построения которых достаточно определе-
ние 2-3 значений моментов и углов (см. рис. 2),

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

Мо = (0,1-=-0,2)Мтах - для простых рулей;

Мо = (0,24-0,3)Мвих - для балансирных рулей. М 6

Все другие значения момента на валу электродвигателя определяются
по формуле (5.1).

При использовании балансирных рулей момент на баллере может при-
нимать положительные значения при переднем ходе судна и при отрицатель-
ных углах а. В этом диапазоне углов а допускается момент на валу двигате-
ля считать также равным Мо (рис. 2).

Рис. 2. Диаграммы моментов сопротивления на баллере балансирного руля
Ме = Г (а) и на валу электродвигателя рулевого устройства Мй = Г (а) при
переднем ходе судна.

11агрузочная характеристика электродвигателя строится для переднего
хода судна.

Для рулевых приводов электрогидравлического типа достаточно пост-
роить нагрузочную диаграмму моментов на баллере руля.
6 Электропривод простого действия по системе
генератор - двигатель

Рулевой электропривод по системе Г-Д находит применение на мно-
гих судах речного и смешанного река-море плавания. Это объясняется ря-
дом преимуществ этой системы по сравнению с другими видами управле-
ния электроприводами рулевых устройств (контроллерным, контакторным
и др.) /6/.

Применение противокомпаундной обмотки (ПКО) на генераторе по-
зволяет получить мягкие характеристики, ограничить момент стоянки руле-
вого электродвигателя под током и получить высокую скорость вращения
при малых нагрузках на валу.

Расчет мощности электродвигателя производится по характеристике
моментов сопротивления на его валу Мй = Г (а). При этом должны выпол-
няться требования Речного Регистра Рф в отношении электроприводов
рулевых устройств /7/.

6.1	Расчет мощности и выбор исполнительного
электродвигателя

Расчет мощности электродвигателя производится по угловой скорости
идеального холостого хода (<вх) и пусковому моменту, равному моменту ко-
роткого замыкания (МД Так как ПКО является жесткой отрицательной об-
ратной связью по току, механическая характеристика двигателя в системе Г-
Д с ПКО крутопадающая. Если считать эту характеристику линейной, то
можно принять (0х = 2©я. Тогда с учетом требований /7/ расчет мощности
электродвигателя следует проводить по формуле

„	М.. -О- .

р/мсч=~—1°>Вт	(6.1)

или

„	М.. пг

4-9550,КВТ’
где пх - скорость идеального холостого хода электродвигателя (об/мин).

Значение М* обычно задается:

М.=Г1,5^2,0)Мдта1,
где Матах - максимальный момент, возникающий на валу двигателя при
перекладке пера руля.

Выражения для угловой скорости ®х (пх) при идеальном холостом ходе
электродвигателя получаются при совместном решении уравнений, описы-
вающих механическую характеристику электродвигателя и характеристику
моментов сопротивления на его валу. Для упрощения расчетов механичес-
кая характеристика считается линейной(двигатель с независимым возбуж-
дением).

В этом случае, если нагрузочная диаграмма электродвигателя имеет
вид (рис.2), то

«Х

30

6 Т

(атох+а.1
1м*-м0

«2~«1! аиох-а2 1п М»-М,
^тах *'^0	Мо Мтаг—М| М* — Мтах ,

(6.2)

где а - измеряется в градусах.

Т - время, которое принимается на 1,5-2 сек меньше времени пере-
кладки пера руля с борта на борт, требуемого Речным Регистром,
чем учитывается время переходных процессов привода (Т = 28 сек).

Если нагрузочная диаграмма имеет вид (рис. За), то величина угла а2
принимается равной максимальному углу перекладки пера руля, т.е. а2 =

Рис. 3. Диаграммы М6 = € (а) и Мд = Г (а) д ля переднего хода судна.

Для нагрузочной диаграммы, представленной на рис. 36

30

«х=—®х =
л

а^ + а, _ съ-сч /яМ*-Мта;[ + амаг-а2

6 Г ^М^-Мо М_-Мо МА-М0 МА -Мтах

(6.3)
Значения ар а2, и Мо, принимаются из нагрузочных диаграмм.
Для простых рулей принимается = 0.

При расчетах нужно задаваться таким передаточным числом /, что-

бы расчетная номинальная угловая скорость

= — была близкой к одной

из стандартных скоростей электродвигателей.

Исполнительный двигатель выбирается по расчетной мощности Ррасч и
номинальной угловой скорости (или частоте вращения пи):

®х	пх

«> = —; пн - — 
2	2

Если выбирается крановый двигатель, то эту мощность относят к по-
лучасовому режиму его работы (или к ПВ = 25%). Условие выбора:

р — р > р

*	ид л кат зо ~ расч

Если выбирается двигатель общепромышленного исполнения (напри-
мер, серии «П»), то условие выбора:

р — р < р

*	нд л кат дл — Л расч

Так как угловая скорость идеального холостого хода исполнительного
двигателя должна быть в два раза больше угловой скорости при номиналь-
ной нагрузке, напряжение, подводимое к двигателю при холостом ходе, дол-
жно быть в два раза больше номинального. На практике обычно двигатель
выбирается на напряжение 110 В, а генератор - на 230 В.

При двойном напряжении на якоре допускается работа только специ-
альных двигателей. Возбуждение двигателя должно быть независимое.

После выбора исполнительного электродвигателя выписываются его
паспортные и обмоточные данные.

6.2	Расчет мощности и выбор генератора

Расчетная мощность, развиваемая генератором в номинальном режиме

Р«г = ~~ , кВт	(6.4)

Лид

где Р - номинальная мощность исполнительного электродвигателя, кВт;

- номинальный КПД исполнительного электродвигателя.

Однако, выбор генератора производится не по расчетной, а по, так на-
зываемой, габаритной мощности генератора:

Р.- =^г-4г =2-^д(0,8-ь0,9)-7нд=(1,6ч.1,8).^<2/’ид1

Па
где 11^ = 2-Ъ!и<)- номинальное напряжение генератора, необходимое для
получения (пг), В;

I = (0,8-Н),9)7 - номинальный ток генератора, который по условиям на-
грева может быть принят на 10-20% ниже номинального
тока двигателя.

Выбор генератора производится из каталога по условию Риг < Ргг
1Уг = 230В, исполнение водозащищенное или брызгозащищенное. Номи-
нальное частота вращения генератора для снижения габаритов и веса преоб-
разователя должна быть не менее 1500 об/мин.

Из каталога должны быть выписаны паспортные и обмоточные дан-
ные генератора, а также взята его кривая намагничивания (характеристика
холостого хода).

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

Для нахождения рабочей механической характеристики электродвига-
теля, необходимо определить расчетный магнитный поток, создаваемый об-
моткой независимого возбуждения генератора, расчетную МДС и число вит-
ков ПКО.

В режиме идеального холостого хода электродвигателя (следовательно
и холостого хода генератора) магнитный поток генератора определяется толь-
ко МДС независимой обмотки возбуждения генератора:

_ хг _ хг

Кг®хг кг-(йхг’

(6.5)

где 11к (Е^) - напряжение (ЭДС) холостого хода генератора, В;

— 1,02 соиг - угловая скорость генераторного агрегата на холостом ходу,
с1, не должна превышать синхронной угловой скорости
приводного двигателя;

кг — конструктивный коэффициент генератора.

_ Р' яг
2ап
В этой формуле:

Р - число пар полюсов генератора;

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

2а — число параллельных ветвей обмотки якоря генератора.
Напряжение генератора в режиме идеального холостого хода исполни-
тельного электродвигателя равно его ЭДС. Так как ЭДС двигателя независи-
мого возбуждения прямо пропорциональна его угловой скорости, то

11хг = Ехд = —' Кд - Лд • ('яд + 'дд )1> В	(6.6)

®„д

и - расчетная угловая скорость холостого хода электродвигателя;

Чи’ Ч ~ номинальная угловая скорость, напряжение и ток якоря испол-
нительного двигателя (из паспортных данных);

г г - сопротивл ение якорной обмотки и обмотки добавочных полю-
сов исполнительного двигателя.

Для найденного значения магнитного потока Фнм по кривой намагни-
чивания генератора определяется намагничивающая сила Е , создаваемая
обмоткой независимого возбуждения генератора (для справки: 1 Вб=108 Мкс).

Расчетный поток и необходимое число витков ПКО определяются по
режиму стоянки двигателя под током. Генератор при этом работает в режи-
ме короткого замыкания, и его ЭДС не должна превышать

Екг = Е 1к- (2>я + ^гдп )+ 2Ы!Щ , В	(6.7)

где К — коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления при нагре-
вании. Для машин с классом изоляции В, К= 1,24;

7 - ток якоря исполнительного двигателя, соответствующий моменту
короткого замыкания,

- сопротивление якорной цепи системы Г-Д, Ом;

А(/щ = 1,6 В - падение напряжения на щеточном переходе.

Эта ЭДС определяется суммарным магнитным потоком независимой и
противокопаундной обмоток генератора. Следовательно, магнитный поток
генератора в режиме короткого замыкания:

Ф“"77^-В6	(68)

где со = 1,О2со <со
кг ’ яг смнхр

По значению Ф , и характеристике холостого хода генератора определя-
ется Рк - магнитодвижущая сила генератора в режиме короткого замыкания.

Число витков в ПКО, необходимое для получения желаемой механи-
ческой характеристики
_ Р'нов Гкг Рряг	/6 9)

А

где Гиов - МДС независимой обмотки возбуждения генератора, А вит;

Гкг - МДС генератора в режиме короткого замыкания. А вит;

’Р^ — МДС реакции якоря генератора, Авит

I А

- к 2 2 рг 2аг’А	(610-)

В этой формуле

Ьк = (0,1 —0,3) - коэффициент, учитывающий размагничивающее действие
реакции якоря генератора. Генераторам больших мощностей
соответствует меньшие значения

М - число активных проводников;

2а ~ число параллельных ветвей обмотки якоря генератора;

2р? - число полюсов генератора;

/ - ток стоянки исполнительного электродвигателя (ток коротко-
го замыкания), А.

Полученное значение АУ округляется до целого числа.

6.4	Выбор возбудителя и регулировочного реостата

В качестве возбудителей в системах Г-Д простого действия могут ис-
пользоваться как генераторы постоянного тока, находящиеся на одном валу
с агрегатом «приводной двигатель-генератор», так и статические выпрями-
тели. В системах Г-Д следящего действия в качестве возбудителей обычно ис-
пользуется полупроводниковые, магнитные или электромашинные усилители.

Мощность возбудителя, питающего обмотки возбуждения генератора
и исполнительного двигателя, аппаратуру управления, контроля и сигнали-
зации, рассчитывается по формуле

А = ив-(1вг+1вд+1рг+1рд) + ЪРу,

где Ц - выходное напряжение возбудителя, В;

I — ток обмотки независимого возбуждения генератора, А;

/ - ток возбуждения исполнительного двигателя, А;

ЕР - суммарная мощность одновременно работающих элементов управ-
ления, контроля и защиты, примерно может быть принята равной
100-200Вт;

/ - токи разрядных резисторов обмоток возбуждения генератора и дви-
гателя, А.
Для плавного регулирования скорости вращения исполнительного дви-
гателя в системе Г-Д простого действия в обмотку независимого возбужде-
ния генератора включается регулировочный реостат (3-4 ступени). Величи-
на сопротивлений ступеней реостата может быть выбрана из условия равно-
мерного изменения ЭДС генератора на всех положениях рукоятки поста уп-
равления.

Величина сопротивлений разрядных резисторов принимается в 5-6 раз
больше сопротивлений обмотки возбуждения при напряжении возбуждения
220В и в 6+10 раз больше при напряжении возбуждения 110В. Все резисто-
ры выбираются по величине сопротивления и тока (мощности рассеивания).

Полупроводниковые вентили для статических выпрямителей выбира-
ются по току и обратному напряжению. Величина обратного напряжения
вентиля должна быть больше максимального амплитудного значения прило-
женного к вентилю напряжения.

В системах Г-Д следящего действия при использовании в качестве сле-
дящего органа сельсинной пары сигнал управления на возбудитель генера-
тора подается через фазочувствительный усилитель или фазочувствитель-
ный выпрямитель.

6.5	Выбор приводного электродвигателя

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

р - РРасч , кВт	(6.11)

Пд‘ПгО.5
где Р - расчетная мощность исполнительного электродвигателя, кВт;

- КПД исполнительного электродвигателя;

г] }- КПД генератора при половинной его загрузке.

КПД генератора при половинной загрузке:

г]м - номинальное значение КПД генератора.

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

Выбор приводного двигателя производится из каталога общепромыш-
ленных асинхронных двигателей с к.з. ротором по значениям Р, II, п.
6.6 Расчет переходных процессов в системе Г-Д
простого действия

После выбора преобразовательного агрегата для системы Г-Д просто-
го действия необходимо рассчитать и построить графики переходных про-
цессов системы электропривода при удержании судна на курсе. Графики
переходного процесса строятся для ЭДС генератора, ЭДС (угловой скорос-
ти) исполнительного двигателя и тока якорной цепи системы. При этом
момент сопротивления на валу исполнительного двигателя считается посто-
янным и принимается равным моменту (Мс7) на валу при перекладке пера
руля на 5-7градусов от диаметральной плоскости (из нагрузочной диаграм-
мы исполнительного электродвигателя). Так как на переходные процессы в
системе Г-Д большое влияние оказывают сопротивления в цепи обмотки
независимого возбуждения генератора, необходимо учитывать сопротивле-
ние регулировочного реостата и разрядного резистора. Переходный процесс
пуска рассчитывается для первого положения рукоятки поста управления,
т.е. когда в цепь обмотки независимого возбуждения генератора введено наи-
большее сопротивление.

Для упрощения расчетов пренебрегаем индуктивностью якорной цепи
и действием противокомпаундой обмотки. Такие упрощения не вносят су-
щественной ошибки в расчеты, т.к. постоянная времени якорной обмотки на
порядок меньше постоянной времени обмотки возбуждения машины посто-
янного тока, а действие противокомпаундной обмотки начинает оказывать
значительное влияние при токах якорной цепи более 25% номинального тока
(и соответствующем напряжении) генератора.

Чтобы исключить влияние ПКО расчет ведется для случая постановки
рукоятки управления с нулевого в 1-е положение, соответствующее не более
25% номинального напряжения генератора.

Расчет торможения исполнительного двигателя производится для слу-
чая перевода рукоятки поста управления из первого положения в нулевое (в
случае кнопочного управления - для отключения кнопки управления).

Так как в указанных случаях генератор работает на прямолинейном
участке кривой намагничивания, переходные процессы в системе Г-Д руле-
вого устройства описываются уравнениями, приведенными в /15, §8-5/.

ПУСК

Кривая изменения ЭДС генератора при пуске строится по формуле (Л. 15,
409).
ег = егуст +(егнт ~егуст)-е Т" ,	(6.12)

В этой формуле:

е - начальное значение ЭДС генератора. При пуске принимается

е =0;
гнач 7

егуст ~ установившееся значение ЭДС генератора. Величина этой ЭДС
определяется по характеристике холостого хода генератора или
из выражения:

егуст =Сег-^Фг1,В	(6.13)

где Фл - поток возбуждения генератора на первом положении рукоятки по-
ста управления, Вб, определяется по кривой намагничивания генератора для
МДС, равной

Рл ~	‘	~ 1яс ' ^пкп ’ А ВИТ

<1	ос! в ХС ПАС/ л

1Г, Ж ю -- число витков независимой обмотки возбуждения и ПКО;

У - ток независимой обмотки возбуждения генератора на первом
положении рукоятки поста управления, А;

1ж - ток якорной цепи системы Г-Д, соответствующий моменту
сопротивления на валу исполнительного двигателя при

а = 6-7°.

Величина электромагнитной постоянной времени цепи обмотки воз-
буждения при пуске

Т = ^вг ,с
т ₽

Активное сопротивление контура обмотки независимого возбуждения
генератора учитывает сопротивление собственно независимой обмотки (К^)
в нагретом состоянии, сопротивление разрядного резистора и сопротивле-
ние регулировочного реостата, введенного последовательно в цепь обмотки
независимого возбуждения генератора (К.Д в первом положении рукоятки
поста управления:

/? =/? + 'Л , Ом.

вг п 1,24-Я„овг+/?р

Индуктивность обмотки независимого возбуждения генератора
б/Ф т-1

Ьвг = 2р-И'2а—,Гн
вг	аг
где 2р — число полюсов генератора;

XV - число витков на полюс независимой обмотки возбуждения ге-
нератора;

ст = 1,24-1,35 - коэффициент насыщения машины;

<1Ф

определяется графическим дифференцированием по кривой

намагничивания на прямолинейном участке, Вс/А вит;
где Ф - магнитный поток, Вб;

Р- МДС, соответствующая величине магнитного потока Ф, А-вит.

Задаваясь различными значениями времени (I), строются кривые из-
менения	<од = Г (I).

Кривые изменения 1я = Г(1) и сод = Г(I) строятся по формулам (л. 15,413):

уст ~уст

Т
* вп

Т -Т

* вп .

®уст
а0уст

т

Т -Т
вп .и

Т
= 1яс+1кХ-----—

* вп' * 

Т
е вп —е

Максимальное значение тока в якорной цепи:

_ г ®уст

- 1к1-------

а0уст

т

т '”-1, д

(6.14)

(6.15)

(6.16)

1я тах

и момент времени, при котором наступает максимум тока

цп «*•

В этих формулах:

- установившаяся угловая скорость двигателя (с1), соответствую-
щая моменту сопротивления Л/ 7 при углах отклонения баллера 54-7 градусов
и напряжению на первом положении поста управления,

Ц

®уст =(йсТ — ,С’	(6.17)

сос7 - угловая скорость двигателя при моменте Мс1 и номинальном на-
пряжении 11я, которая определяется по механической характеристике, с ’;

Ц - напряжение на исполнительном двигателе на первом положении
поста управления;
~ 1 - при малых нагрузках двигателя, соответствующих углу пе-
аОуст

рекладки 5<-7 градусов;

Т
в"
т =--->

7^

где Тм - электромеханическая постоянная времени исполнительного элект-
родвигателя / 15, с.423/

(6.18)

В формуле (6.18) коэффициент 1,3 учитывает моменты инерции вра-
щающихся частей рулевой машины и присоединенные массы воды;

70 - момент инерции якоря электродвигателя, кг м2;

Егя + Т.гд - полное сопротивление якорной цепи системы Г-Д, Ом;

с -Фд - коэффициент пропорциональности между Ед и у/й;

1к - ток якоря двигателя, соответствующий моменту сопротивления
Л/ , А

ст

1к1 - ток короткого замыкания двигателя при напряжении Ц, А

I -

ТОРМОЖЕНИЕ

При торможении закон изменения ЭДС генератора также описывается
выражением (6.12). Установившееся значение ЭДС генератора равно нулю.
За начальное значение принимается величина ЭДС, определенная по (6.13).
Так как при торможении регулировочный реостат отключается, электромаг-
нитная постоянная времени контура обмотка возбуждения - разрядный ре-
зистор будет определятся выражением

у1 ________^вг______

вп‘ ~ 1,24 Кновг +Кр '

Закон изменения угловой скорости исполнительного двигателя

I	I

ТП	---- ™	---

«Ъ = <^ач (т- е	Т“ )-&»с, (6.19)

* в п * л*	* вт * лс
где &нт - начальная угловая скорость электродвигателя, определенная по
(6.17), с'1;

Т„ — электромеханическая постоянная времени электродвигателя по
(6.18), с ’;

ю01 - угловая скорость идеального хода двигателя в первом положении
рукоятки поста управления.

Переходные процессы при торможении считаются законченными при
достижении переменными параметрами электропривода 5% от установив-
шихся значений. Закон изменения тока якорной цепи при торможении:

I I

Т ~Т~	~т~

 (е -е *).	(6.20)

1 вт * м

Максимальное значение тока

/	=1 -I .тт~1,А	(6 21)

Момент времени, при котором ток якоря максимальный

1

= Твт-1птт~', с.

Ток якорной цепи измеряется по закону (6.21) до остановки двигателя.
Так как в момент остановки двигателя ЭДС генератора отлична от нуля и
равна какой-то величине Его (определяется из графиков переходных процес-
сов), ток после остановки двигателя спадает до нуля по экспонентному закону.

Примерные графики переходных процессов при пуске и торможении
системы Г-Д приведены на рис. 4.

а)	б)

Рис. 4. Графики переходных процессов в системе Г-Д.

а)	пуск;

б)	торможение.
7 Электропривод следящего действия по
системе тиристорный преобразователь —
двигатель

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

Следящий электропривод может осуществляться использованием лю-
бой системы автоматизированного электропривода: релейно-контакторной,
системы Г-Д, различных бесконтактных систем, в том числе с применением
тиристорных преобразователей (ТП-Д) с выходом на переменном или по-
стоянном токе.

До настоящего времени системы ТП - Д не нашли применения для
привода рулевых устройств серийных судов речного флота, главным обра-
зом из-за специфических требований, предъявляемых к ним и невыгодности
промышленного производства их в малосерийном исполнении. Однако,
такие системы могут представлять значительный интерес в случае полной
автоматизации работы судовых механизмов, так как могут наилучшим обра-
зом сочетаться с применением вычислительной техники и персональных
компьютеров для судовых управляющих комплексов.

Ниже рассмотрен вариант расчета следящей системы с использовани-
ем тиристорного преобразователя для питания рулевого исполнительного
двигателя постоянного тока. Для облегчения усвоения методики расчета она
сопровождается сквозным численным примером.

7.1	Расчет мощности и выбор исполнительного
электродвигателя

Поскольку рабочая часть механических характеристик электродвига-
теля постоянного тока в системе с тиристорным преобразователем имеет
высокую жесткость, расчет мощности исполнительного двигателя может
производится по методике, изложенной ниже, см. § 9.1.

Например, для сухогрузного теплохода грузоподъемностью 1000 тонн
получены следующие параметры нагрузочной диаграммы Мд = Г (а):

Максимальный момент нагрузки М = 43,5 Нм

Минимальный момент нагрузки Ме = 4,5 Нм

Углы перекладки пера руля а = 35°, а, = 5°

Передаточное число рулевой машины / = 2300
Время перекладки пера руля I = 30-2=28 сек.

В соответствии с этим, по формулам 9 1 и 9-2 получены расчетные зна-
чения мощности Рн = 4,5 кВт и скорости вращения электродвигателя п* =
1000 об/мин и выбран электродвигатель для динамических режимов работы
типа ДПМ - 21, который для ПВ = 25% имеет следующие паспортные (но-
минальные) данные:

Мощность Р, кВт	4,5

Ток якоря номинальный, А	26

Частота вращения, об/мин	980

Момент инерции якоря, кг м2	0,13

Сопротивление якоря и добавочных полюсов	0,94

Сопротивление обмотки возбуждения, Ом	128

Номинальный ток возбуждения, А	1,24

Магнитный поток полюса, хЮ'2 Вб	0,58

Число пар полюсов, р	2

7.2	Расчет элементов системы управления
следящим электроприводом

При разработке системы управления необходимо учитывать то обсто-
ятельство, что в следящих приводах изменение угловой скорости двигателя
вызывается не только изменением нагрузки на его валу (как в электроприво-
дах простого действия), но и изменением напряжения на его якорной обмот-
ке за счет изменения угла рассогласования между задающим органом и пе-
ром руля. Найдем выражения для определения основных параметров систе-
мы управления, обеспечивающей заданное Правилами Речного Регистра
время перекладки пера руля с борта на борт при изменяющихся нагрузке на
валу электродвигателя и напряжения на его якорной обмотке. При выводе
выражений примем следующие допущения:

1.На входе реверсивного преобразователя включен ограничитель уп-
равляющего напряжения так, что напряжение на входе преобразователя (сле-
довательно, и на выходе) будет максимальным, когда угол рассогласования
между задающим органом и пером руля будет равен или больше половины
угла полной перекладки руля с борта на борт (то есть при углах рассогласо-
вания больших алю1). Это позволит нам считать, что при перекладке пера
руля с борта на борт скорость электродвигателя на участке движения от бор-
та до диаметрали будет постоянной и максимальной. Возможная схема огра-
ничителя управляющего напряжения приведена на рис.5.
Рис. 5 Схема ограничителя напряжения

2.	Будем считать характе-
ристики всех элементов системы
линейными;

3.	Пренебрегаем временем
протекания переходных процес-
сов;

4.	Пренебрегаем инерци-
онностью привода. Так как дви-
жение привода будет происхо-
дить с замедлением, неучтенное
отрицательное ускорение пой-

дет в запас расчета.

Чтобы более ясно представить процесс перекладки пера руля с борта
на борт, рассмотрим нагрузочную диаграмму привода и механические ха-
рактеристики электродвигателя, приведенные на рис. 6.

Рис. 6

а) - нагрузочная диаграмма электродвигателя;
б) - механические характеристики.

На участке перекладки пера руля от -а до нуля (считаем, что перо
руля находится в крайнем положении на одном борту, а рукоятка поста уп-
равления перемешена в крайнее положение другого борта) угол рассогласо-
вания измерителя больше а . За счет ограничителя напряжения на входе
преобразователя управляющее напряжение будет постоянным и максималь-
ным по величине. Напряжение на якоре электродвигателя также будет по-
стоянным и максимальным. Так как момент на его валу постоянен (равен
М^, то на этом этапе отработка задающего воздействия будет осуществлять-
ся с постоянной скоростью (со = сопЫ), точка 1 на рис. 6 б.

На участке движения пера руля от диаметрали до а1 угол рассогласова-
ния измерителя становится меньше а и продолжает уменьшаться. Напря-
жение на входе преобразователя, следовательно, и на якоре электродвигате-
ля, будет уменьшаться (при принятых допущениях - по линейному закону).
Двигатель переходит на механические характеристики с меньшим напряже-
нием при постоянном моменте Мо. На рис.6 б это отражено перемещением
рабочей точки из точки 1 в точку 2.

Дальнейшее движение пера руля (от ах к а ) также будет происходить
с замедлением, но теперь не только за счет уменьшения подводимого к якор-
ной обмотке электродвигателя напряжения, но и за счет увеличения момен-
та на его валу (перемещение рабочей точки из точки 2 к точке 3 на рис. 6,6).
При этом обратим внимание на то, что при движении судна перо руля не
достигнет угла огтах, заданного рукояткой поста управления. Это связано с
тем, что при остановке двигателя на его валу должен развиваться момент
короткого замыкания М', близкий к М. . Такое возможно только при нали-
чии напряжения на выходе преобразователя в этом режиме, то есть при на-
личии угла рассогласования между рукояткой поста управления и пером руля.
Это согласуется с положениями теории автоматического управления, где
говорится, что в следящих системах ошибка по положению теоретически
равна нулю только при отсутствии возмущения, вызванного моментом со-
противления на баллере. В расчетах можно принять, что двигатель остано-
вится при достижении пером руля угла -а, меньшего на 1ч-2 градуса.

Для получения расчетных формул рассмотрим структурную схему при-
вода , приведенную на рис. 7.

На структурной схеме звеном с передаточной функцией представ-
лены элементы регулятора (измеритель рассогласований, фазочувствитель-
ный выпрямитель, преобразователь и т.д.), звеньями с передаточными функ-
циями И' - двигатель по каналам управления и возмущения соответ-
ственно, а звеном с передаточной функцией - рулевая машина. В качестве
переменных приняты: ау а, Да - соответственно углы задающего органа,
пера руля и их разность; Ц,- напряжение на выходе регулятора; /2 - угловая
скорость идеального холостого хода двигателя при текущем значении ЬГ;
ДО= к{-М- отклонение угловой скорости электродвигателя под действием
момента сопротивления; /2- реальная угловая скорость.
Рис. 7. Структурная схема следящего электропривода

Запишем передаточные функции замкнутой системы по задающему и
возмущающему воздействиям:

а(р) _ ^рс

<*з(Р) 1 + ^рс

а(р) _ ^7 '^рс ,

М(р)	1 + Крс

где - передаточная функция разомкнутой системы.

По структурной схеме с учетом этих выражений получим для отклоне-
ния пера руля:

При принятых нами допущениях можно пренебречь инерционностью
звеньев (то есть их постоянными времени). В этом случае передаточные
функции всех пропорциональных звеньев структурной схемы могут быть
представлены через передаточные коэффициенты этих звеньев. Исключе-
ние составит только интегрирующее звено, моделирующее рулевую маши-
ну. Его передаточная функция для этого случая будет иметь вид:

где кр = т - передаточный коэффициент рулевой машины;

л - передаточное число механизма рулевой машины
Учитывая сказанное, можем записать:
крс	к/ кр

а = —^—а3------^—М,	(7.2)

1 + ^

Р	Р

где передаточный коэффициент двигателя по каналу момента.

Передаточные коэффициенты двигателя получим из выражения для
механической характеристики двигателя постоянного тока независимого
возбуждения:

<в =—(7.3)

где С-напряжениепаякоре дьнготеля. В;

- сопротивление якорной цепи, Ом;

к - конструктивный коэффициент двигателя: . -  -

Сопротивление якорной цепи электродвигателя при предва-
рительных расчетах следует принять примерно равным удвоенному сопро-
тивлению якорной обмотки (с учетом сопротивления обмотки дополнитель-
ных полюсов), чтобы учесть внутреннее сопротивление преобразователя
(при проверочных расчетах принимается реальное или расчетное сопро-
тивление преобразователя). Если в паспортных данных на электродвига-
тель не указано сопротивление якорной цепи, его необходимо определить
по формулам, известным из теории электропривода.

Выражение (7.3) можно записать в следующем виде:

оз = кд-11 -к{ -М ,	(7.4)

где кд = —— передаточный коэффициент двигателя по напряжению (по ка-
ке

налу управления);

к - В”4

~ ,2 - передаточный коэффициент двигателя по моменту (по каналу
ке

возмущения).

Запишем (7.2) в виде

(Р + кРс)-а- = крс-а-з-к/крМ 	(7.5)

Учитывая, что рассматривается случай перекладки пера руля с борта
на борт, а максимальное напряжение на входе преобразователя ограничено
30
как бы углом рассогласования, равным максимальному углу перекладки пера
руля на один борт, можно принять аз = а^. Тогда уравнение, описывающее
движение привода примет вид:

Г 1	"I

— р + 1 а=атах-------М

,\кр<	)	• кР-

к

Учтем, ЧТО V-Тогда

кр

+1

&~тах ' крег '

М

Если приближенно считать, что номинальное напряжение приклады-

вается к якорю двигателя при угле рассогласования а , то в знаменателе
правой части уравнения а^к^-к^ = Vи -кд. Окончательно уравнение движе-
ния привода будет иметь вид

(\-вм)

(76)



кг-к К

Где д = _Х—=

Ц, км-1!и

Используя это выражение, определим время работы электродвигателя
на каждом участке диаграммы перекладки пера руля (см. рис. 6).

1 участок. Перо руля движется от минус атах до диаметрали (а - 0)
при постоянной угловой скорости двигателя (за счет действия ограничителя
напряжения на входе преобразователя и постоянного по величине момента
сопротивления, равного Мо). Здесь система как бы разомкнута (изменение а
не влияет на величину напряжения на якоре электродвигателя) и сама пере-
менная в левой части уравнения (7.6) отсутствует:

Т-ра=ата(\-ВМ0)
крс

После перехода от операторной формы записи к дифференциальному
уравнению и разделения переменных, получим:

~	= «таг  (1 - В-Мо) (И .

кре
Проинтегрировав уравнение в пределах от минус до нуля, полу-
чим время движения пера руля на первом участке:

^•(1-В-Л/о)

(7-7)

2 участок. Перо руля перекладывается от диаметрали до а} с постоян-
ным моментом на валу электродвигателя, равным Мо, и уменьшающимся
напряжением (так как угол рассогласования теперь меньше максимального
угла перекладки пера руля на один борт и ограничитель напряжения уже не
обеспечивает поддержание управляющего напряжения на входе преобразо-
вателя на одном уровне). Уравнение движения (7.6) примет вид:

тах (1-^ Л/0)



Это операторное уравнение также может быть предоставлено в виде
дифференциального уравнения 1-ого порядка, решение которого имеет вид:

а = атах(1-«-Л/0)(1-е-/*-)

или

(1-ВМ0)'

Прологарифмировав уравнение, получим время перекладки на втором
участке от 0 до аг.

1 1п <*таЛ-ВМ0)
крс О-тах'^-В Л/о)-»!

(7.8)

3 участок. Здесь перекладка пера руля (участок от аг, до агшах) происхо-
дит с замедлением как за счет уменьшения угла рассогласования (то есть
уменьшения напряжения Ц), так и за счет увеличения момента на валу элек-
тродвигателя. Момент на этом участке можно представить как функцию,
линейно зависящую от угла перекладки:

М = М0 +Ь(а-а1),
Уравнение движения для этого случая:

---р + 1 а = а,



к рс 7

После перехода к дифференциальному уравнению и его решения, най-
дем время перекладки пера руля от а, до а:
( =_____1______1п ^тах^-ВМ0+ВЬ-а})

3	-{\ + атах В Ь) атах (\-В М0 + В Ь-а^-а,)' V-9)

Просуммировав 1,1 и I получим полное: время перекладки пера руля с
борта на борт. Так как оно задано Правилами Речного Регистра (не более
30 с), то из полученных выражений можно определить необходимый коэф-
фициент разомкнутой системы, который, при пренебрежении величиной В М0,
может быть вычислен по формуле:

крс

\+1п .“"Я—

+	1	. ы атах(1 + -вг?а1)

1 + В-Ь-а^	аМ[-(1+В-6а1)-(а4-а1)

(7-Ю)

Если в спроектированной системе к будет не меньше полученного по
(7.10), то система обеспечит требуемое Регистром время перекладки пера
руля с борта на борт. Если же в результате выбора всех элементов системы,
входящих в контур регулирования, передаточный коэффициент разомкну-
той системы получится меньше расчетного, то необходимо выбрать другие
типы некоторых элементов. Здесь можно порекомендовать следующие ва-
рианты увеличения передаточного коэффициента.

Во-первых, можно выбрать электродвигатель с номинальным напря-
жением питания 110 В (при номинальном напряжении преобразователя 220
В). Это даст увеличение коэффициента разомкнутой системы в два раза (без
необходимости внесения изменений в предыдущих расчетах).

Во-вторых, добиться увеличения коэффициента возможно уменьшени-
ем передаточного числа редуктора. При этом увеличатся моменты на валу
двигателя (в том числе максимальный). Так как номинальная угловая ско-
рость двигателя должна быть примерно равной рассчитанной, возникнет
необходимость выбора нового двигателя с большей мощностью (с рассчи-
танной ранее номинальной частотой вращения и новым, увеличенным, но-
минальным моментом). При этом возникнет необходимость повторного рас-
чета необходимого и реального коэффициентов разомкнутой системы.

В-третьих, можно выбрать двигатель с номинальной угловой скорос-
тью большей расчетной (например, вместо двигателя тихоходного исполне-
ния выбрать двигатель быстроходного исполнения). Это также потребует
установки двигателя большей мощности (он должен обеспечивать расчет-
ный номинальный момент и большую, чем расчетная, угловую скорость) и,
следовательно, пересчета коэффициентов разомкнутой системы.
Следует отметить, что увеличение передаточных коэффициентов из-
мерителя рассогласований и фазочувствительного выпрямителя желаемого
результата не дадут из-за характеристик типа “насыщения” у ограничителя
напряжения и тиристорного преобразователя. Наличие таких нелинейнос-
тей не даст увеличения скорости перекладки пера руля в диапазоне углов от
минус аию до нуля (ранее рассмотренные варианты обеспечивают увеличе-
ние скорости перекладки пера руля на всем диапазоне углов от минус а
да «мах )•
ПРИМЕР

Определить необходимый передаточный коэффициент разомкнутой
системы следящего электропривода рулевого устройства, обеспечивающего
перекладку пера руля с борта на борт в заданное Правилами Речного Регис-
тра время при переднем ходе судна с полной скоростью. Тип двигателя и
нагрузочную диаграмму на его валу принять из параграфа'7.1.

Конструктивный коэффициент двигателя

^-1,24-/„-гя=220-1,24-26-0,94

"	ПО

где 1,24 - коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления меди при
нагреве;

/н - номинальный ток якоря в режиме ПВ = 25%, А;

г, - сопротивление цепи якоря двигателя, Ом;

Х2 - номинальная угловая скорость двигателя при ПВ=;25%, с'1.

Передаточный коэффициент двигателя по каналу управления
к = — = _!_ = о,58—•
д ке 1,72 Вс

Сопротивление якорной цепи системы преобразователь-двигатель со-
гласно рекомендациям

НЯ1) = 1,24 • 2 • гя = 1,24 • 2 - 0,94 = 2,33 Ом.

Передаточный коэффициент двигателя по каналу возмущения

»=0.79-!-.

' к* 1,722 Нм-с

Определим величину коэффициента В:

кеи„ 1,72-220 Нм
Наклон нагрузочной диаграммы двигателя на участке а, - атах из при-
мера 2 с учетом того, что принят раздельный привод каждого руля:

Ь = М^-Мо = 43,5-4,5 =} 3 Нм
«тах-а1	30	’

Примем в (7.10) 1я = 28 с и а. = 34° (если в формулу для Ь углы подстав-
лялись в градусах, то в выражение для определения к их также следует
подставлять в градусах). Подставив значения Л/тах, Л/о, , а0 и В, опреде-
лим расчетный коэффициент разомкнутой системы, при котором обеспечи-
вается заданное время перекладки пера руля с борта на борт:

=0,14 с'1.

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

Основными элементами, обеспечивающими функционирование элект-
ропривода рулевого устройства, кроме двигателя и рулевой машины, явля-
ются преобразователь и задающий орган, а для электроприводов следящего
действия - еще и измеритель рассогласований.

Преобразователь, обеспечивающий питание якорной цепи электродви-
гателя выбирается по номинальному напряжению и току силовой цепи (или
мощности подключаемого потребителя). Он должен обеспечивать:

-	плавное регулирование выходного напряжения от нуля до номин^ааюго;

-	ограничение тока стоянки двигателя в режиме короткого замыкания,
причем величина тока короткого замыкания должна быть примерно равна
удвоенному значению номинального тока якоря электродвигателя /6/;

-	бесконтактный реверс электродвигателя путем изменения полярнос-
ти подводимого к якорю двигателя напряжения;

-	электрическое торможение электродвигателя для обеспечения более
точной остановки последнего.

Наиболее подходящим типом преобразователя следует считать ревер-
сивный тиристорный преобразователь, при этом способ управления группа-
ми тиристоров в преобразователе значения не имеет.

Регулировочную характеристику преобразователя будем считать линей-
ной, тогда
где - номинальное выпрямленное напряжение преобразователя;

-	напряжение управления преобразователя, при котором обеспечива-
ется номинальное выпрямленное напряжение при номинальной на-
грузке преобразователя.

В качестве измерителя рассогласований могут использоваться потен-
циометры, включенные по мостовой схеме, и сельсинная пара в трансфор-
маторном режиме. Последняя предпочтительнее, так как сельсины имеют
больший срок службы (особенно бесконтактные), нежели потенциометры.
Передаточный коэффициент сельсинной пары может быть определен из сле-
дующих соображений.

Э.д.с. на однокатушечной обмотке сельсина-приемника при угле рас-
согласования 90° (Е^) равна напряжению питания (V), прикладываемому к
однока пушечной обмотке сельсина-датчика. Эта же э.д.с. при угле рассогла-
сования, равном агтах, определится как Емах-81па,тах. Если пренебречь внут-
ренним падением напряжения на однокатушечной обмотке сельсина-прием-
ника, то напряжение на выходе сельсинной пары при угле рассогласования
атах:

Чстах = Етах ' ^^па-тах ~ п ' ВМ^тах-

Считая характеристику сельсинной пары в диапазоне у-лов 0 - ли-
нейной, определим передаточный коэффициент измерителя рассогласований:

_ ЦСтах _ Уп 51па.тах

Ъ-тах	О-тах

Если все расчеты производятся в системе единиц СИ, то в этом выра-
жении атах подставляется в радианах.

Если в качестве измерителя рассогласований предусматривается исполь-
зование сельсинов в трансформаторном режиме, то к их выходу необходимо
подключение фазочувствительного выпрямителя (усилителя), обеспечива-
ющего подачу на вход преобразователя выпрямленного напряжения, вели-
чина и знак которого зависят от величины и знака угла рассогласования за-
дающего органа и пера руля. На данном этапе расчета проектирование фазо-
чувствительного выпрямителя (ФЧВ) не требуется, потому что его переда-
точный коэффициент кфчв может быть определен достаточно просто. Так как
вход ФЧВ подключен к выходной обмотке сельсина-приемника, а выход - к
входу преобразователя (если между этими устройствами не предполагается
включения каких-либо дополнительных устройств), то

стах
Расчет элементов ФЧВ, так же, как и других элементов (источников
питания, защитной, коммутационной, сигнальной аппаратуры и т.д.) элект-
ропривода, целесообразно провести после определения статических и дина-
мических свойств замкнутой системы.

Если в контуре САР не предусматривается включение других устройств,
то реальный передаточный коэффициент разомкнутой системы

^рр ~	'^фчв '^п	кр>

где ки, кфчв, к„, кд, кр, - передаточные коэффициенты соответственно измери-
теля рассогласований, фазочувствительного выпрямителя, преобразователя,
двигателя по каналу напряжения и рулевой машины.

Если выполняется условие к > А , то спроектированная система обес-
печивает заданную статическую точность регулирования и заданное время
перекладки пера руля с борта на борт.

ПРИМЕР

Выбрать основные элементы замкнутого контура следящей системы
управления рулевым электроприводом и определить передаточный коэффи-
циент разомкнутой системы. Исходные данные для расчетов принять из пре-
дыдущих примеров.

По расчетной мощности (или току якоря) электродвигателя, равной 4,5
кВт и напряжению питания якорной обмотки, равному 220 В, выбираем ре-
версивный тиристорный преобразователь ЭПУ 1-2-37-24-П с напряжением
питания 380 В переменного трехфазного тока частотой 50 Гц, выпрямлен-
ным напряжением до 230 В и выпрямленным током 37...50 А. Силовая схема
преобразователя состоит из двух включенных встречно-параллельно трех-
фазных полностью управляемых мостовых выпрямителей, работающих по
принципу раздельного управления. Характеристика «вход-выход» преобразо-
вателя линейная. Задающее напряжение преобразователя - от нуля до +10 В.

При использовании преобразователя в электроприводе рулевого уст-
ройства исключим предусмотренную электроприводом типа ЭПУ жесткую
отрицательную обратную связь по угловой скорости двигателя (не обяза-
тельно). В этом случае, чтобы исключить двойное интегрирование в конту-
ре САР, ПИ-регулятор скорости, предусмотренный в преобразователе, заме-
няем на пропорциональный регулятор. Регулятор тока преобразователя на-
страиваем на режим отсечки при токе, примерно равном двукратному номи-
нальному току якоря электродвигателя. Передаточный коэффициент тирис-
торного преобразователя
^=230 = 23
иун ю

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

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

17с = Цп	= 110x0,57 = 63 В.

Передаточный коэффициент измерителя рассогласований

ки =-^ = ^-=103-5-.

о-тах 0,61 рад

Передаточный коэффициент фазочувствительного выпрямителя

к = у" -
КФч« г,
'-'с

10

63

= 0,16.

Реальный передаточный коэффициент разомкнутой системы

крр = ки • кфчв к„кдкр=^-0-16  23 • 0,58 • 4,3  10-4 = 0,096 с'.

Как видим, реальный передаточный коэффициент разомкнутой систе-
мы примерно в полтора раза меньше расчетного, определенного в предыду-
щем примере. Для обеспечения заданного Регистром времени перекладки
пера руля с борта на борт выберем реверсивйый тиристорный преобразова-
тель типа ТПЕ - 100/460 - 2У2 с выпрямленным напряжением 0...460 В и
током до 100 А. Схема выпрямления в силовой цепи трехфазная мостовая
симметричная со встречно-параллельным соединением двух выпрямитель-
ных мостов. Управление группами тиристоров раздельное. В схему управ-
ления преобразователем включен П-регулятор скорости. Однако в схеме уп-
равления рулевым электроприводом жесткую отрицательную обратную связь
по скорости исключим, так как наличие ее незначительно повлияет на умень-

шение времени перекладки пера руля, но усложнит схему дополнительным
элементом (тахогенератором). Исключим также из схемы задатчик интен-
сивности, выполненный на интеграторе. Ограничение тока якорной цепи при
этом будет осуществляться за счет действия токовой отсечки. В преобразо-
вателе в зоне рабочих токов предусмотрена гибкая обратная связь по току.
Жесткая обратная связь по току действует только в режиме отсечки.
В преобразователях ТПЕ предусмотрен однофазный мостовой несим-
метричный тиристорный преобразователь для питания обмотки возбужде-
ния электродвигателя. Так как схемой управления электроприводом не пре-
дусматривается двухзонное регулирование скорости, тиристорный преобра-
зователь возбуждения включается для работы в режиме обеспечения посто-
янного потока возбуждения (т.е. в режиме нерегулируемого выпрямителя).

Так как напряжение преобразователя 460 В достигается при напряже-
нии управления на входе преобразователя, равном 10 В, передаточный коэф-
фициент преобразователя можно считать равным 46. Реальный передаточ-
ный коэффициент разомкнутой системы при этом

=0,192 с1,

что обеспечит перекладку пера руля за время меньшее, чем 30 с.

7.4 Расчет динамических свойств системы

Расчет динамических свойств предполагает определение устойчивос-
ти спроектированной системы и построение кривой переходного процесса
при изменении задающего воздействия в режиме удержания судна на курсе.

Устойчивость САР проверяется по передаточной функции разомкну-
той системы одним из известных из курса “Теория автоматического управ-
ления” способов.

При определении передаточных функций системы можно измеритель
рассогласований, ФЧВ и тиристорный преобразователь представлять как
идеальные пропорциональные звенья. Рулевая машина представляется иде-
альным интегрирующим звеном с передаточной функцией

где кр- передаточный коэффициент рулевой машины.

Если считать, что при перекладке пера руля на 5...7 градусов на каж-
дый борт (режим удержания судна на курсе) момент на валу электродвигате-
ля остается постоянным и равным Л/, то двигатель в контуре регулирования
САР может быть представлен звеном с передаточной функцией

ь

=,
Тя-р +Тм-р+\
где кй - передаточный коэффициент двигателя по каналу напряжения;

Гм - электромеханическая постоянная времени, с;

Т* - электромагнитная постоянная времени, с.
Передаточная функция двигателя по каналу момента отличается от при-
веденной только числителем:

Т,Т. Ч>г*Т, Р + 1
где к( - передаточный коэффициент двигателя по моменту.

В постоянной времени двигателя необходимо учесть моменты инер-
ции вращающихся масс рулевой машины (увеличением момента инерции
якоря электродвигателя на 20*25 процентов).

Дифференциальное уравнение, описывающее движение электропри-
вода при скачкообразном изменении задающего воздействия, можно полу-
чить из передаточной функции замкнутой системы по задающему воздей-
ствию с учетом приложенного к валу двигателя постоянного по величине
момента Мо. Если в контуре регулирования САР будут использованы только
рассмотренные ранее элементы (измеритель рассогласования, ФЧВ, преоб-
разователь, двигатель и рулевая машина), то структурная схема системы бу-
дет иметь вид, приведенный на рис.8.

Рис. 8. Структурная схема следящей системы

Передаточная функция замкнутой системы по задающему воздействию

А(Х 2 ^ре

Аа3 1 + IV

Передаточная функция замкнутой системы по возмущающему воздей-
ствию

Да2

АЛ/ 1 + И^

Воспользовавшись принципом суперпозиции, получим для отклонения
выходной величины
Ла 2 =

1 + И^с

• Да3 -

1 + Крс

 \м.

или

(1 + И^)- Да2 = И'рс  Да3 • !7р • ДМ .

В этом выражении в качестве отклонения моментаДЛ/ следует принять
момент Мо, так как можно допустить, что при отклонении пера руля на 5ч-7
градусов величина момента на валу двигателя неизменна и равна именно Мд.

Подставив передаточные функции звеньев, получим операторное урав-
нение, связывающее изменение выходной величины с изменением входной.
Его решение даст график изменения угла поворота баллера во времени при
скачкообразном изменении задающего угла и постоянно действующем на
валу двигателя моменте Мд.

ПРИМЕР

Определить устойчивость системы управления электроприводом ру-
левого устройства, спроектированной ранее и построить график переходно-
го процесса при скачкообразном изменении угла задатчика на 5 градусов.

Передаточная функция разомкнутой системы

IV = 1У IV, I? -ИС-И-7,
гг рс гг и гг фчв гг п д 1

где РЕ = ки - передаточная функция измерителя рассогласований;

йЕ^ =	' передаточная функция ФЧВ;

РЕ = кп - передаточная функция преобразователя

РЕ() - передаточная функция двигателя по каналу напряжения;

ЙЕ - передаточная функция рулевой машины.

Из полученного уравнения имеем следующее характеристическое урав-
нение САР

Ты-Тя^+Тм -Х?+1 + Лр/,=О.

По алгебраическому критерию устойчивости Гурвица САР устойчива,
если выполняется условие

тм>тмтякрр.

Электромагнитную постоянную времени двигателя определим как

где - индуктивность якорной цепи двигателя, Гн;
К - эквивалентное сопротивление якорной цепи, Ом.

Индуктивность якорной цепи двигателя определим из выражения

“•Л-Рд

где к - коэффициент, равный 0,55 для некомпенсированных двигателей;
рд = 2 - число пар полюсов двигателя.

Подставив значения номинальных напряжения Нн, угловой скорости
го и тока двигателя 1н для режима ПВ = 25%, получим

Ья =0,021 Гн.

В результате для электромагнитной постоянной времени получим

Т

* я

0,021

1,24-2-0,94

= 0,09 с.

Электромеханическая постоянная времени
Г =1,2-Л^,

Где коэффициент 1,2 учитывает приведенные к валу двигателя моменты инер-
ции рулевой машины.

Момент инерции двигателя по паспортным данным 7= 0,13 кг м2. Но-
минальный момент двигателя при ПВ = 25%

..	^И25%Ю3 4,5 Ю3

Л/ =------= ———

®и25%

В итоге получим

ПО

= 40,9 Нм.

7\, =1,2 0,13 -°’5---2- = 0,49 с.

40,9

Подставив полученные значения постоянных времени и коэффициен-
та разомкнутой системы в условие устойчивости, получим
0,49 с > 0,008 с.

Условие выполняется, следовательно, система устойчива.

Учтя в (7.1) передаточные функции звеньев системы, получим для от-
клонения угла поворота баллера пера руля:

(г„ Тяр3 + Ти-р2 + р + крр)-Ла2 = крр -Аа3-к,-кр-М0 .

В этом выражении в правой части отсутствует производная момента
по времени (см. числитель передаточной функции двигателя по каналу мо-
мента), так как принимаем момент на валу двигателя при отклонении пера
руля на 5-е-7 градусов постоянным и равным Мо. Подставив значения посто-
янных времени, коэффициентов, момента Мо и заданного угла отклонения
(0,087 рад), окончательно получим

(4,4  ] 0~2 • р3 + 0,49  р2 + р + 0,192)- Да2 = 15,3  I О"3.

После преобразования операторного уравнения в дифференциальное
решение ищется с помощью персонального компьютера, а на рис. 9 показан
полученный в результате решения график переходного процесса.

Рис. 9. График переходного процесса

Большое время переходного процесса объясняется малым значением
управляющего напряжения на входе тиристорного преобразователя при ма-
лых углах рассогласования сельсинной пары (к тому же по мере уменьше-
ния угла рассогласования это напряжение также уменьшается).

8 Рулевой электропривод с двигателем

постоянного тока, получающем питание от
судовой сети

Для смягчения характеристик рулевого электродвигателя постоянного
тока, получающего питание непосредственно от судовой сети и обеспече-
ния режима стоянки под током, в цепь его якоря вводится невыключаемый
резистор с расчетным значением сопротивления и рассеиваемой мощности.
Автоматическое управление таким двигателем осуществляется релей-
но-контакторной системой. Ввиду того, что на невыключаемом резисторе
имеются значительные потери энергии, такие рулевые электроприводы на-
ходят применение в качестве основных только на малых судах, но могут при-
меняться и на более крупных судах в качестве аварийных с питанием от ава-
рийных источников электроэнергии.

Достоинством такой системы является ее прост ота, малые массо-габа-
ритные показатели и небольшая стоимость, а недостатком больше потери
энергии и сравнительно низкая надежность релейно-контакторной аппара-
туры. Для повышения надежности рекомендуется в системе управления элек-
троприводом использовать современную бесконтактную аппаратуру.

8.1	Расчет мощности и выбор электродвигателя

Расчет номинальной мощности электродвигателя производится по фор-
муле (6.1) аналогично расчету мощности электродвигателя в системе Г-Д.
Угловая скорость идеального холостого хода определяется по выражениям
(6.2) и (6.3) в соответствии с видом нагрузочной диаграммы на валу двига-
теля (рис.2 и 3).

Однако выбор мощности электродвигателя производится не по расчет-
ной номинальной мощности, а по габаритной, учитывающей потери энер-
гии в невыключаемом резисторе.

Габаритная мощность электродвигателя

со т

Ргд= э*10	(«О

где М - пусковой момент двигателя, Нм;

а>х - расчетная скорость идеального холостого хода, с1.

Двигатель выбирается по каталогу по габаритной мощности и по рас-
четной скорости идеального холостого хода. Номинальная скорость выбран-
ного двигателя должна быть примерно равна расчетной скорости идеально-
го холостого хода. Мощность, рассчитанная по (8.1), должна обеспечивать-
ся двигателем в режиме работы 30 мин. Рекомендуется выбирать двигатели
динамических режимов работы, например, серии ДПМ быстроходного ис-
полнения независимого возбуждения без стабилизирующей обмотки. Если
принимается машина серии «П», то ее выбор производится по условию:

Р < Р

кат. дл	гд
8.2	Расчет и выбор невыключаемого резистора

Расчет величины сопротивления невыключаемого резистора произво-
дится из условия получения необходимого пускового момента (см.п.6.1 ).
При этом величина пускового тока, соответствующего пусковому моменту

М,
1,=1------

к н м
н

где 1 - номинальный ток выбранного электродвигателя, А;

Л/ - расчетный пусковой момент, Нм;

Ми - номинальный момент выбранного электродвигателя, Нм.

Резистор выбирается по величине его сопротивления и мощности, рас-
сеиваемой на нем (или эквивалентному току).

Сопротивление резистора

к

Р I,
к
где II* - номинальное напряжение судовой сети;
- сопротивление якорной цепи электродвигателя (с учетом после-
довательной обмотки и добавочных полюсов).

Эквивалентный по теплу ток для постоянно включенного резистора за
цикл перекладки пера руля с борта на борт (без учета пуска и торможения
ввиду их кратковременности), для нагрузочной диаграммы на рис. 1.

I
э

0'1\+12'{2+/3'13

-----------------, А

|	12 3

где /0 - ток двигателя при перекладке пера руля от - о>пж до ар
Л/п

/п = / —^,А

О н м
н

/2,13 - среднеквадратичный ток двигателя при перекладке пера руля от а( до

+ а2 и от + а2 до атах соответственно;

время работы двигателя на участке от - «тах до а,, с;

Г /3 время работы двигателя на участке а] -г а2 и а2 ~ атах соответственно.

Среднеквадратичный ток двигателя на 2-ом и 3-ем участках

7 2 ~

+12

О 0 тах тах д
3
I - 1/та>: +	+ д

з V з

где и - ток, соответствующий максимальному моменту (Л/^) на валу
двигателя и моменту М , соответственно;

Л/тах - из диаграмм рис.2 и рис.З.

М	М,

т = г тах 1=1______________-к.

отаг н м 1 н М
Н	н

Время работы электродвигателя на первом и втором участках опреде-
ляется из выражений.

( л ГМк атах+а1 с;	(8.3)

1	180 соо Мк-Мо

( - * * Мк а2~а1 1п Мк'М0 >с.	(8.4)

2	180 “0 Мтах~М0	Мк-Мтах

[ — Я I М к . ^тах	— М\ ,

3	180 <оо Мтах-М}	Мк-Мтах

где соо — угловая скорость идеального холостого хода выбранного электро-
двигателя, с1.

Резистор выбран правильно, если его номинальный ток больше или

равен расчетному эквивалентному току

нр — лэ

8.3	Построение характеристик электродвигателя

После выбора электродвигателя и невыключаемого резистора необхо-
димо построить механические характеристики электродвигателя: реостат-
ную, соответствующую его расчетному режиму работы и характеристику
динамического торможения.

Реостатная характеристика строится по точкам с координатами:

<о = сох; М=0 и <о=О; М = МК.

Действительная частота вращения холостого хода электродвигателя:
Ех
<ох =со„-----------------------

где Ех - ЭДС холостого хода двигателя;
Е* - ЭДС двигателя при номинальной скорости

Ен ~^н ~{ЯН ^ГЯ-

Характеристика динамического торможения строится по точкам
“рост-’ Мт и ш = 0; Л/=0.

Наибольший тормозной ток и момент будут в том случае, если тормо-
жение начинается при скорости электродвигателя а>с7, соответствующей мо-
менту сопротивления Л/7 (т.е. при углах отклонения пера руля а = 6-=-7°).

При этом ток / не должен превышать допустимого по условиям ком-
мутации тока якоря электродвигателя.

/ -
ятах Кр+Ъг/

где ЕТ =^—Еи.

8.4	Проверка электродвигателя при ходе судна по
курсу

Процесс удержания судна на курсе сопровождается большим числом
включений электродвигателя рулевого устройства. Поэтому электродвига-
тели рулевых устройств проверяются на допустимое число включений в час.
По Правилам Речного Регистра РСФСР электродвигатели должны выдер-
живать не менее 350 включений в час.

Из уравнения теплового баланса можно вывести выражение для опре-
деления допустимого числа включений в час:

збоо/дд.-АР^;

И'р+И'т(1р+1Т)’

где АРи - мощность переменных потерь в номинальном режиме, Вт;

_ МОЩНОСТЬ потерь в установившемся режиме, Вт;

РЙ - энергия, затрачиваемая на разгон электродвигателя, Дж;

Ж - энергия, затрачиваемая на торможение электродвигателя, Дж;

1Т - время разгона и динамического торможения электродвигателя, с.

Мощность переменных потерь в номинальном режиме с достаточной
точностью можно определить через мощность полных потерь. Считая коэф-
фициент потерь а = 1, мощность переменных потерь в номинальном режиме
мощность полных потерь

ДРГ =

*-н

> = —, Вт

и 2

1-П„
п«

рн

, Вт

где т)в - номинальное значение КПД электродвигателя.

Энергия, затрачиваемая на разгон электродвигателя

2

12.7	----,Дж	(8.6)

р ° 2 Мк-Мс1

где 1,2 - учитывает момент инерции рулевого привода;

Уо - момент инерции двигателя, кг-м;

<ос7 - установившаяся угловая скорость двигателя, соответствующая мо-
менту на валу (Л/7) при а = 6-^7°, с1;

Л/. — пусковой момент двигателя, Нм;

Л/7 - момент на валу двигателя при а = 6-г7°, Нм, определяется по меха-
нической характеристике.

Энергия торможения

тяг __I г ^с7 Гяд	.

"г -1,2  Уо  —	- , дж	(8.7)

где гяд - внутреннее сопротивление якорной цепи двигателя, Ом;

К - полное сопротивление цепи динамического торможения, Ом.

Время разгона двигателя I можно принять
г/ = (3-4)-Гн>с

где Т* - электромеханическая постоянная времени электродвигателя (с уче-
том приведенного момента инерции привода см. 6.18), с.

Время динамического торможения 1Т

1Т =1,2-Э0	(8.8)

т 0 Мт Мт

где Мт- начальный момент динамического торможения, Нм.

Определяется по характеристике динамического торможения.

Двигатель проходит по допустимому числу включений в час, если вы-
полняется условие

2 >350
8.5 Расчет переходных процессов

В пояснительной записке, кроме расчета и построения статических
характеристик двигателя (естественной и реостатной механической, дина-
мического торможения), требуется рассчитать и построить характеристики
переходных процессов электропривода, момента и угловой скорости двига-
теля при удержании судна на курсе (режим разгона и режим торможения).
Момент сопротивления на валу двигателя считается постоянным и равным
моменту Л/7 при а = 6-^7° (из нагрузочной диаграммы). Момент инерции
привода учитывается увеличением момента инерции двигателя на 30%.
Методика расчета переходных процессов приведена в /15, §2 - 8/. Графики
изменения скорости и момента при пуске строятся по выражениям:



М = Мустл-(мнач-Муст\ег^

где о - определяется по механической характеристике двигателя при мо-
менте М =М'

уст с7’

<&нач = 0 ’ ^нач ~ ^пуск •

Графики изменения скорости и тока (момента) при динамическом тор-
можении строятся по выражениям

® ®нач

М у + Л/с7
МТ

нач

(8.9)

МС1

Мт ’

М=(Мт -Мс7)• е г" + Мс7 ’	<8-1 °>

где —угловая скорость, с которой начинается торможение, С1;

Мт- начальный тормозной момент, Нм;

Т - электромеханическая постоянная времени электропривода

ТМ=;

Д® _ ^усш
ал7~ мкз

- при использовании одного и того же

, Юс7

' мт

резистора для пуска и торможения.

Установившееся значение момента равно величине момента Л/7.

Установившееся значение угловой скорости

Л/с7
^уст ~ ~анач '~77~ 
Мг
Торможение заканчивается при скорости и токе (моменте) равных нулю.
Примерные графики переходных процессов для двигателей постоянного тока
приведены на рис. 10

а)	б)

Рис. 10. Графики переходных процессов двигателя постоянного тока
а) пуск;

б) динамическое торможение.

9 Рулевой электропривод переменного тока с
асинхронным электродвигателем,
получающим питание от судовой сети

Для рулевых электроприводов переменного тока на речных судах ис-
пользуются одно- и двухскоростные полюсопереключаемые асинхронные
электродвигатели с короткозамкнутым ротором.

Механическая характеристика асинхронного электродвигателя на ра-
бочем участке имеет высокой коэффициент жесткости. Смягчение характе-
ристики с одновременным поддержанием высокого пускового момента асин-
хронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором возможно при при-
менении специальных электродвигателей с повышенным сопротивлением
ротора - желательно морского исполнения серии МАП.

Автоматическое управление таким двигателем обычно осуществляет-
ся релейно-контакторной аппаратурой, которую, для повышения надежнос-
ти системы управления, необходимо заменить на бесконтактную.
9.1 Расчет мощности электродвигателя

Номинальная мощность электродвигателя определяется по выражению:
Л=Ми.о„-10-3,кВт

Номинальный момент может быть определен по перегрузочной спо-
собности электродвигателя

М Мл™,
" Л.

где Л/тас максимальный момент нагрузки электродвигателя от баллера руля;

Л - перегрузочная способность асинхронного электродвигателя с ко-
роткозамкнутым ротором = 2,04-2,5.

С учетом необходимости наличия избыточного момента при пуске элек-
тродвигателя в положениях пера руля, близких к атах и возможного сниже-
ния напряжения сети на 10%.

Л/ =____1,5	___- 1-5~мтах м

"	(,, V 0,95-0,8-2,0 тах

0,95- — -X.	(9-1)

т

где 1,5 - кратность избыточного момента;

0,95 — коэффициент, учитывающий допуск по моменту.

Средняя угловая скорость электродвигателя с жесткой характеристи-
кой, обеспечивающего перекладку руля с борта на борт в заданное время

2-а„„г I

^ср=----^,с-'	(9.2)

где атак - максимальный угол перекладки пера руля, рад;

/ - полное передаточное число рулевого устройства;

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.

Если угол перекладки задан в градусах, то

------------ с-1
р 907 ’

Номинальная угловая скорость двигателя

=(1,05+1,1)-<вф, с -

или
и,

, об/мин

где - в градусах.

Электродвигатель выбирается по каталогу по номинальной угловой
скорости и номинальной мощности в тридцатиминутном режиме работы (или
для ПВ = 25%).

Многоскоростные двигатели должны обеспечить номинальную угло-
вую скорость и номинальную мощность на высшей скорости.

Рекомендуется выбирать асинхронные электродвигатели динамичес-
ких режимов работы (серии МАП, АС).

В пояснительную записку заносятся все каталожные данные выбран-
ного электродвигателя и приводятся его механические характеристики

п- /(М) или о = /( М )

Если в каталоге механическая характеристика не приводится, ее необ-
ходимо построить, например, по формуле Клосса:

М= 2-^- и	,

+ А	“о по

8 8К

где Мкр - критический (опрокидывающий момент) двигателя.

5 - текущее значение скольжения электродвигателя;

5* - скольжение, соответствующее критическому моменту;

соо(по) - синхронная частота вращения электродвигателя (ближайшая к но-
минальной).

9.2	Расчет характеристики динамического
торможения

Для точной остановки двигателя должно быть предусмотрено его ди-
намическое торможение. При этом напряжение постоянного тока подводит-
ся к любой из статорных обмоток. Переход на характеристику динамическо-
го торможения осуществляется с низшей скорости.

Расчет характеристик динамического торможения может производит-
ся различными методами: приближенье, по универсальным кривым намаг-
ничивания, по универсальным характеристикам двигателей в режиме дина-
мического торможения. Ниже приведен приближенный аналитический ме-
тод расчета характеристик динамического торможения. В этом методе счи-
тается, что при переходе к идеализированному статору, обмотка статора,
получающая питание от симметричной сети переменного тока с частотой/
создает такую же намагничивающую силу (Н.С.), что и при питании посто-
янным током. Соотношение между эквивалентным по Н.С. переменным то-
ком / и постоянным током 1п определяется схемой соединения обмоток ста-
тора. Так, для схемы, приведенной на рис. Нд

а для схемы рис '/4 б"

/э =0,816-/„

/э= 0,472 •/„

(9.3)

(9-4)

Рис. 11 Схема подключения обмотки статора к источнику постоянного тока
в режиме динамического торможения

$
ТГ-СО5(Ри ,
6..

(9.5)

Величиной эквивалентного тока обычно задаются
Л=(2^4)-7р,
где - номинальное значение тока холостого хода (намагничивания)
двигателя. Определятся по формуле:

/р=/„-5/Пфн
ч

где соз <ри - номинальный коэффициент мощности двигателя,

и 5 - номинальное и критическое скольжение.

Величина постоянного тока /п определяется из 9.3 или 9.4

Максимальное значение тормозного момента /13, т.2/

,Нм	(9.6)

пс

24,8-

>

1 + 0,505 —

Л»
где V - номинальное фазное напряжение питающей сети переменного тока,
В;

пс — синхронная скорость вращения электродвигателя, об/мин.

Относительная скорость, при которой значение тормозного момента
максимальное

г2 Л

0,58—+ 0,4
А»

где г2' - сопротивление ротора, приведенное к обмотке статора, Ом.
Характеристика динамического торможения стройся по формуле Клосса

Мг =
о о..
— + —
о

где о — текущее значение относительной скорости.

(9.7)

(О п
о =---=-----

©0	«0

Величина сопротивления ротора, приведенного к статору

_Л/в-ш0-5	(98)

-	,	2

3 12н

(9-9)

Величина напряжения источника питания постоянного тока определя-
ется по закону Ома в соответствии с величиной 1п и схемой подключения
обмоток статора. В соответствии с этим напряжением и схемой выпрямите-
ля выбирается понижающий трансформатор (если он нужен) и полупровод-
никовые вентили. Вентили выбираются по величине тока, проходящего че-
рез них, и величине амплитудного напряжения, приложенного к ним /13, т.1/.

Характеристика динамического торможения Мт =/(©), приводится в
осях, в которых приведены механические характеристики двигателя.

9.3	Проверка двигателя на допустимое число
включений в час

Выбранный двигатель проверяется на допустимое число включений в
час при удержании судна на курсе. Для многоскоростных двигателей эта
проверка производится при включении их на низшую скорость.
Допустимое для двигателя число включений в час

2 = 3600---

' Л

где ДРи - суммарные потери в номинальном режиме, Вт;
Ап - потери за один пуск двигателя вхолостую, Дж.
Мощность полных потерь в номинальном режиме

АРН= "А-ПЛ10\Вт

О

где Рк - номинальная мощность электродвигателя, кВт;
г) - номинальный КПД электродвигателя.

Потери за один пуск

(9-10)

(9-11)

4=1,2-70-^-

Р, к]

к.,  Р„

(9-12)

где 70 - момент инерции двигателя;

соо - синхронная угловая скорость двигателя, с ';

Р,—электрические потери в обмотке статора в номинальном режиме, Вт;
к1, км — кратность пускового тока и пускового момента двигателя, соответ-
ственно.

Электрические потери в цепи статора
=1,24.3-4, /-с,Вт
где 1,24 - коэффициент, учитывающий нагрев обмоток статора;

I - номинальный ток фазы статора, А;

гс - сопротивление фазы статора при температуре 20° С, Ом.
9.4 Расчет переходных процессов

Графики переходных процессов электропривода рулевого устройства
строятся для случая хода судна по курсу, т.е. для изменения угла перекладки
пера руля от 0° до 6=7°. Кривые изменения момента и угловой скорости элек-
тродвигателя могут быть построены графическим способом /15, с. 384,385/
путем использования характеристики динамического момента

Мдин=/(п)-,

Мдин1 -Л^а(С0()“Л^с(Сй<)- для разгона;	(9.13)

Мдши	- для торможения;	(9.14)

где М/о) — механическая характеристика двигателя в двигательном и тор-
мозном режимах;
Л/(ю) - характеристика момента сопротивления при разгоне от а — 0 до
а = (6-7)°. Этот момент можно считать постоянным и равным
Мо. При динамическом торможении его также можно считать по-
стоянным и равным Л/7.

Зависимость, связывающая время разгона и приращение угловой ско-
рости

Л/, = 1,2 - Уо • у 1 < • Ато,,	(9 15)

где Л/) я(®) - среднее значение динамического момента на участке от о>.до
И>.;

Ло. - приращение угловой скорости на каждом интервале (задаемся).

График изменения момента во времени строится исходя из получен-
ной кривой о = / (г). Порядок построения кривых переходных процессов

хорошо виден на рис.

Для многоскоростных асинхронных электродвигателей графики пере-

ходных процессов строятся для случая включения их на низшую скорость.

Рис. 12. Построение графиков переходных процессов для случая разгона
(а) и торможения (б) электродвигателя рулевого устройства.
10 Расчет электроприводов рулевых устройств
электрогидравлического типа

10.1	Общие положения

В отличие от электромеханических рулевых приводов электрогидрав-
лические (ЭГ) приводы характеризуются отсутствием жесткой передачи от
вала двигателя к баллеру руля. Передаточное число ЭГ систем является пе-
ременным и скорость перекладки пера руля изменяется в зависимости от
положения управляющего органа насосов переменной производительности
или положения золотника в системах с насосом неизменной производитель-
ности.

Общая схема рулевого ЭГ привода с насосом переменной производи-
тельности, приведена на рис. 13.

Рис. 13. Общая схема электрогидравлического рулевого привода.

I.	Гидроцилиндры

2.	Скалки

3.	Шарнир

4.	Румпель

5.	Баллер руля

6.	Трубопровод

7.	Предохранительный клапан

8.	Насос переменной производи-
тельности

9.	Валик управляющего органа

10.	Электродвигатель
10.2	Выбор электрогидравличёской рулевой машины

Электро гидравлические рулевые приводы получили широкое распрос-
транение на современных судах не только в силу определенных преимуществ
этой системы, но и вследствие того, что отечественной судостроительной
промышленностью налажен серийный выпуск унифицированных рулевых
электрогидравлических машин типов Р01 - РЮ и РП - Р20 для широкого
диапазона требуемых вращающих моментов на баллере руля, для судов как
морского, так и речного флота.

Технические данные плунжерных рулевых электрогидравлических ма-
шин типов Р01 -РЮснасосом постоянной производительности итипов РН -
Р20 с насосом регулируемой производительности приводятся в табл. 1.

Выбор типоразмера электрогидравлической машины производится из
таблицы 1 по расчетному значению максимального момента сопротивления
на баллере руля:

Мн — ^бтох •

В записке должны быть указаны все параметры выбранной рулевой
машины, а также паспортные данные приводного электродвигателя, кото-
рый выбирается отдельно по каталогу электрических машин.

Задачей дальнейшего расчета является проверка соответствия выбран-
ной гидравлической машины и ее электродвигателя заданного моменту, вре-
мени перекладки и условиям нагрева в динамическом режиме, т.е. с учетом
периода разгона и торможения и, соответственно, переменных значений ос-
новных параметров привода баллера руля.

10.3	Определение параметров ЭГ системы в
динамическом режиме

Дифференциальное уравнение движения при постоянном передаточ-
ном числе, т.е. при неизменном положении исполнительного механизма,
имеет вид:

<10»

где — производительность гидравлического насоса;

тч - количество пар цилиндров гидравлической машины;

8- площадь поперечного сечения гидроцилиндра;

Н- ход плунжера.
Таблица!

С/1
40

Тип рул. маши ны	Чис- ло  РУ- лей	Мо- мент на балл. Мн.Нм	Чис- ло цил.	Дав- ление в цил. ?104 Н/м2	Тип гидравл. насоса	Число насосов	Потребная мощность кВт ;	Частота вращ. об/мин	Г абаритн.			Масса машины, кг
									А	В	Н	
Р01	1	6200	2	686	ПМ№0,5	1	0,7 -	1400	970	1160	885	650
Р02	2	6200	2	980	ПМ№0,5	1	0,7	1400	970	880	885	660
РОЗ	1	9800	2	686	ПМ№0,5	1	0,7 •'	1400	870	1300	885	770
Р04	2	9800	2	980	ПМ№0.5	1	0,7	1400	1950	850	885	790
Р05	1	15700	2	686	ПМ№ 1,5	1	2,2	1420	1650	1450	980	850
Р06	2	15700	2	980	ПМ№ 1,5	1	2,2	930	2200	985	1010	890
Р07	1	24500	2	686	ПМ№ 1,5	1	2,2	1420	1850	1480	1010	1140
Р08	2	24500	2	980	ПМ№ 1,5	1	2,5	1420	2120	1035	1010	1140
Р09	1	39200	2	686	ПМ№2,5	1	3,2	1400	2210	1700	1030	1630
<?10>	2	39200	г ..	... 980	ПМ№2,5	1	3,2	1400. ..	.2000.	.. Ш25_1	.1080...	1-705—
РИ	1	61800	2	980	ПД№5	1	8	950	3240	1520	915	2690
Р12	2	61800	2	980	ПД№ 5	1	8	950	3800	1100	915	2620
Р13	1	98000	2	980	ПД№5	1	8	950	3600	1700	1365	3230
Р14	2	98000	4	980	ПД№5	1	8	950	4400	1100	950	3350
Р15	1	157000	4	980	ПД№ 5	2	11	950	3390	2020	1427	5000
Р16	1	245000	4	980	ПД№ 10	2	19	950	3760	2190	1539	6750
Р17	1	392000	4	980	ПД№20	2	27	950	4380	2550	1710	12100
Р18	1	620000	4	980	ПД№20	2	50	950	5090	2855	1735	14250
Р19	1	122-104	4	980	ПД№ 50	2	72	730	6200	3680	1095	25400
Р20	1	157-104	4	980	ПД№ 50	2	95	975	6430	4045	1095	28200
Расчет выполняется методом конечных приращений, при предположе-
нии, что для изменения хода плунжера на величину АЛ необходим промежу-
ток времени Аг

йфаии ’	~ Уцтах '	•

Расчет ведется в табличной форме, где необходимые параметры в от-
носительных единицах определяются в зависимости от угла перекладки руля,
считая от максимального угла перекладки пера руля на один борт (- а^) до
максимального угла на другой борт (+атах) в соответствии с полученной ра-
нее нагрузочной диаграммой

Мб = /(а)

Таблица 2

а, град	М, Нм		соз а	ь'	Р'ц	р*  * нас
35						
30						
20						
10						
5						
0						
5						
10						
20						
30						
35						

Таблица 3

а, град			СОЯ ф	^7об	Пал	V
35  30  20  10  5  0  5  10  20  30  35					1	
Необходимо иметь ввиду, что вследствие необратимости гидравличес-
кой передачи при отрицательных моментах на баллере давление нагнетания
Рча = 0

Определяется значение функции относительного хода плунжера:

,* И А	18а

-Ла)~ н ~	, при а = 35°, Л = 1.

Л1тах ‘сектах

Находим и заносим в таблицу значения давления нагнетания насоса в
относительных единицах в функции угла перекладки:

= (10-2)

ц.р нас.и. «о 1л.

Здесь т|6 = 0,8-5-0,85 - механический КПД баллера;

т]я = 0,94-0,95 - КПД передаточного механизма;

V - рабочий объем цилиндра;

ДР’= 0,2 - относительные потери нагнетания.

Давление в цилиндре гидропресса, связанного общей гидравлической
системой с гидронасосом, будет отличаться от давления в цилиндре насоса
только величиной потерь в соединительных трубопроводах и арматуре. Эти
потери можно подсчитать по известным формулам гидродинамики.

Для упрощения расчетов величину этих потерь можно взять равной
20% от номинального давления насоса.

Тогда

Р*=Р* -АР* =Р* -02

Номинальное давление насоса Рт берется по каталожным данным
гидравлической машины.

При отсутствии необходимых каталожных данных для определения
рабочего объема цилиндра можно воспользоваться выражением

2

Уц.р=тч-^-Нт,ы\	(10.3)

Здесь тч - количество пар цилиндров;

Оч - диаметр скалки (цилиндра), м;

Ня - полное перемещение скалки, м.

Диаметр скалки и величину ее полного перемещения определяют ис-
ходя из максимально возможных значений давления Р и момента М,

~ 14Мбтах-сохатах
а также из конструктивного соотношения между диаметром скалки Р и рас-
стоянием между осью скалки и осью баллера Ло

Тогда внутренний диаметр цилиндра гидропресса, равный диаметру
скалки

4=1

4 - Л/^ тах • СО8 01 тах

ЗтцпРпг\„ ,М

а полное перемещение скалки

т ~ ^0 ’^ё^-тах ’ М-

С учетом всех этих соотношений рабочий объем цилиндра

„	М6тах-зтатах

и,-—------------,м>,

лт Мп

(Ю.5)

(10 6)

где Рт - наибольшее давление в системе, равное Риас тах, Н/м2.

= Лб'Пс'Лп, = 0,85 + 0,95 - полный КПД, учитывающий потери на
трение во всех узлах системы привода(баллера, скалки, шарнира).

Определяется значение относительного момента двигателя в функции
угла перекладки

т* = /(<*)

*	МбСО8 О. ‘ тах ' К.® ДР 'Кишке ' Рцас.н
тЛп =	-------—-----------1--------------при

2Л.мел ‘^н

ментах на баллере *

положительных мо-

(Ю.7)

и

. _ Мб  соза  (за.тах -Кох\п

т _------------------------

2-п-х\мехМи

моментах на баллере

ДР V Р
г нмакс нас.»
4-----— ———_—----------

- при отрицательных

(10.8)

где к = Отн_ и

*	* г нас. макс.
И

нас.макс.

к

*цр

«0 =

<2 — секундная производительность насоса (по каталогу), см.прило-
жение 5 гр. 6 0/(7<7ОЪВ	, 1

п — число оборотов вала в секунду; &

Мн - номинальный момент двигателя;
Рнас н - номинальное рабочее давление в системе, для насосов отечествен-
ного производства рулевых ЭГ приводов составляет 980x104Н/м2
Аналогично Р = 157x105 Н/м2.

пас. тах

г] - механический КПД насоса, его значение приводится в приложе-
нии 6, в зависимости от рабочего давления насоса Рнас.

7^- объемный КПД насоса можно принять неизменным равным 0,93.

Коэффициент мощности и К.П.Д. электродвигателя
со5<р = /(дХ) и П = /(/’Х)
определяются по каталогам электродвигателей.

Для асинхронных электродвигателей с жесткой характеристикой мож-
но относительный момент считать пропорциональным относительной мощ-
ности.

Тогда

СО5<р = /(?И^) И Т] = /("4)

В рабочем диапазоне можно определить по формулам /10/:

тдв

СО8Ч~ г ^-— 2—	(Ю.9)

и

1

П =----7----<--------

1+1	1|.	(10.10)

) тд(а + 1)

где а - коэффициент потерь, для асинхронного двигателя можно принять
а = 1.

Относительная частота вращения V определяется по рабочей части
механической характеристики асинхронного двигателя, в соответствии с его
паспортными данными:

Л = Т' = /("’Х).

«о

На основании данных расчетной таблицы строим графики зависимос-
ти основных параметров привода от хода скалки гидроцилиндра, см.рис. 14.
10.4 Проверка электродвигателя на нагрев

Для построения нагрузочной характеристики электродвигателя /= / (Г)

рассчитываем продолжительность перекладки пера руля в установившемся ре-

жиме, располагая текущими значениями расчетных параметров и задавая АЛ.:



(10.11)

АТ, =

Расчет ведем до значения, когда
^И*=1-(н*р+И*т)

<=1

где И* - относительный ход плунжера во время разгона исполнительного
механизма;

й*т - то же, во время торможения.

Время разгона и торможения принимаем

'₽=Г=,С

Тогда

А « ит = 'л°б '> 1р •	(Ю. 12)

Р ’ 2-Чг

Полное время перекладки

Т = ^М,+1р+1т

<=1

В том случае, если Т < 30 сек, двигатель и насос удовлетворяют задан-
ному времени перекладки.

Относительное значение тока нагрузки, в зависимости от нагрузочно-
го момента, можно определить по выражению

. Рн-10^	-т^

где Ри, Ои, 1н - номинальные параметры выбранного электродвигателя.
Расчет ведется в форме таблицы 4.

По данным таблицы 4 необходимо построить нагрузочную характери-
стику и определить относительное значение эквивалентного тока

.. 1^12 ДГ,

Условием отсутствия перегрева двигателя является /э < 1,0.
11 Проектирование схем управления рулевым
электроприводом

На первом листе графической части проекта должна быть показана
принципиальная электрическая схема рулевого электропривода. Принципи-
альная схема (в пределах заданной системы) разрабатывается на основе
использования и критического осмысления имеющихся схем рулевых элек-
троприводов /13 т.2/, /6/, /8/, /9/ и др. с введением в них новых схемных ре-
шений. Студенты должны рассчитать и выбрать элементы и узлы электро-
привода в соответствии с достижениями современной науки и техники, за-
меной контактных элементов бесконтактными и использованием данных,
полученных при изучении предшествующих дисциплин.

Разработанная принципиальная схема должна удовлетворять всем тре-
бованиям, предъявляемым к рулевым электрическим приводам Речным Ре-
гистром РСФСР /7/. Схема должна обеспечивать все виды защит и сигнали-
заций в соответствии с /7/. Выбираемые защитные устройства должны так-
же отвечать требованиям Речного Регистра РСФСР.

Все элементы, входящие в схему, должны быть рассчитаны и выбраны
из каталогов серийно выпускаемого электрооборудования /13, т.1/, /17/, /18/
. Выбор элементов должен быть обоснованным. В пояснительной записке
приводится тип элемента и его основные технические характеристики (мощ-
ность, напряжение, ток, количество контактов, таблица замыкания и т.п.),
все параметры вход-выход должны быть согласованы.

На втором листе показывается схема внешних соединений, она может
быть совмещена с кинематической схемой по месту расположения двигате-
лей, конечных выключателей и переключателей, постов управления и т.д.

Все зажимы для внешних подключений должны быть обозначены бук-
вами и цифрами в точном соответствии с обозначениями, принятыми на прин-
ципиальной схеме. Обозначения внешних зажимов машин и аппаратов дол-
жны также соответствовать типовым заводским обозначениям, имеющимся
на клеммниках, или указанным в каталогах.

Соединения должны быть показаны кабельными трассами, которые
собираются в пучки,/ю не сливаются в общую линию.

На каждом кабеле должны быть указаны его марка, сечение, количе-
ство жил и длина.

Длина отрезков кабелей, не выходящих за пределы румпельного отде-
ления, условно принимается равной ширине судна В, а длина кабелей, выхо-
дящих за пределы румпельного отделения - длине судна X.

Выбор сечения кабелей производится по расчетному току приемника с
учетом условий прокладки кабеля и температуры окружающей среды П1.

Для определения общих потребностей кабеля всех марок и сечений,
его стоимости, составляется кабельный журнал по форме, указанной в при-
ложении 3, который заполняется на основании и в точном соответствии с
разработанной схемой внешних подключений.

Кинематическая схема выбирается в соответствии с заданием по про-
тотипам, имеющимся в литературе /4,5/. Кинематическая схема должна быть
представлена достаточно полно, с указанием всех основных элементов от
вала электродвигателя до баллера руля с включением резервного привода,
защитной и контрольной аппаратурой. Все элементы схемы могут быть на-
черчены без масштабов, но с сохранением принятых в кинематике обозна-
чений и пропорции.

Каждый чертеж снабжается основной надписью (угловым штампом),
спецификацией. Форма основной надписи и спецификации указана в прило-
жении 4.

В записке должно быть дано описание работы принципиальной схемы
и обшая оценка ее с указанием достоинств и недостатков.
Список литературы

1 .Усатенко С.'Г., Коченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электри-
ческих схем по ЕСКД. Справочник изд. стандартов, 1992.

V	2.Лесюков В.А. Теория и устройство судов внутреннего плавания.
М.: Транспорт, 1974, 320 с.

V	З.Кагановский М.С. Теория и устройство судов. М.: Транспорт, 1968,
192 с.

4	.Шмаков М.Г. Судовые устройства. М.: Транспорт, 1977,279 с.

5	.Краковский И.И. Судовые вспомогательные механизмы. М.: Транс-
порт, 1972,380 с.

б	.Витюк К.Т. и др. Судовые электроустановки и их автоматизация.
М.: Транспорт, 1986.

7	.Российский Речной Регистр. Правила. Том 2 ч. IX Электрообору-
дование, ч. XV Автоматизация. Марин инжиниринг сервис, М.-
1995.

8	.Кузьменков О.П., Гросс В.Ю., Палагушкин Б.В. Расчет электро-
механических и электрогидравлических рулевых приводов. Но-
восибирск, 1993.

9	.Кузьменков О.П. Альбом схем и характеристик по электрообору-
дованию судов, Новосибирск, 1979.

Ю.Кузьменков О.П. Расчет мощности судовых электростанций. Но-
восибирск, 1978.

П.	Судовые электроприводы. Справочник т. 1,2. Л.: Судостроение,
1983.

12	.Справочник судового электрика. В 3-х томах, под редакцией Ки-
таенко. Судостроение, 1984.

13	.Справочные данные по электрооборудованию. Т. 1. М.-Л.: Энер-
гия, 1964, 328 с.

14	.Фрейдзон И.Р. Судовые автоматизированные электроприводы и
системы. Л.: Судостроение, 1988.

15	.Чиликин М.Г. и др. Общий курс электропривода. М.: Энергоиз-
дат, 1981.

16	.Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприво-
де. М.: Энергия, 1977, 431 с.

17	.Электротехнический справочник (в 3-х томах). Том 3 под редак-
цией В.Г. Герасимова. М.: Энергоатомиздат, 1988.

18	. Алиев И.И. Справочник по электротехнике и электрооборудова-
нию. М.: Высшая школа, 2000.
19	.Лихачев В.Л. Электротехника. Справочник, т.1 и т.2. М.: Солон-
р, 2002.

20	. Герман - Галкин С.Г Компьютерное моделирование п/п систем
МАТЬАВ 6.0. Учебное пособие. СПБ, Корона-проект, 2001.

21	. Кудрявцев Е.М. МАТНСАО 2000 РРО, М., ДМК Прогресс, 2001.

22	. Сапожков МАТНСАЕ) 2000. Математический инструментарий,
М., 2002.
Характеристика судна

№  п/п	Тип судна	Грузопод.  или мощ-  ность	Главные размерения, м			Скорость хода км/час	Тип руля	Кол-во рулей	Наличие  насадки
			Ь	В	Т				
1		600 т	65,6	9,6	1.83	20	баланс.	1	нет
2	сухогрузный	1000 т	80	11.6	2,25	21	баланс.	2	насадка
	теплоход	2000 т	90	13.0	2.8	19	бадане.	2	нет
4		300 лс	25,4	6,6	1.0	12	простой	2	насадка
5	буксирный	800 лс	38.5	8.2	2,0	13	баланс.	2	насадка
6	теплоход	1340 лс	39.6	9.0	2,2	14	баланс.	2	насадка
7	пассажирский	295 пас.	77.5	9,6	1,9	20	баланс.	2	насадка
8	теплоход	426 пас.	90	11,6	2,38	27	баланс.	э	нет
9		500 т	62.3	8.5	1,7	16	простой	2	насадка
-10	танкер	1000 т	85	12,5	1,98	20	баланс.	2	нет
Тип двигателя и система привода

№ п/п	Род тока и величина напряжения, В	Вид привода		Система элек- тропривода и тип ИД	Схема управления	Кинематиче- ская схема
1.	-220	с  <  П	7  5	Г-Д с ПКО	Г-Д простого действия	Штургросовый привод
2.	-380			Г-Д с ПКО	Г-д простого действия	Секторный од- нодвиг.
3.	-220			ТП-ДПТ	следящего действия	Секторный од- нодвиг.
4.	-380			ТП-ДПТ	следящего действия	Секторный двухдвиг.
5.	= 110	;  Г	г с  г С 5 5  Е □ 1.  >  5	Двигатель пост, тока парад, воз- буждения	Контактор- ный просто- го * дейст- вия	Штургросовый привод
6	= 220			Двигатель пост, тока парад, воз- буждения	Контактор- ный *	Секторный од- нодвиг.
7.	-220			Асинхронный с К.З. ротором, двухскоростной	Контактор- ный	Валиковый привод
8.	-380			Асинхронный с К.З. ротором, двухскоростной	Контактор- ный	Секторный двух- двигательн.
9.	= 220	Электрогидра	г  т  5  а	Двигатель по- стоянного тока	Простого действия	Гидравлич. 2-х прессовый
10.	-380			Асинхронный с К.З. ротором	Простого действия	Гидравлич. 2-х пресовый

* Примечание: для вариантов 1.5; 4.5; 9.5 и 1.6; 4.6; 9.6 - основной привод,
для остальных — аварийный.
Форма кабельного журнала

№  п/п	Наименова-  ние трассы	Ток на-  грузки, А  __	Условия прокладки	Марка кабеля 5	Сечение жил кабеля, мм‘	Допустимый ток кабеля, А	Длина кабеля	Примечу ние
1	2					6	7	8
								
								

ПРИМЕЧАНИЯ:

1.	В столбце 2 указывается, какие элементы схемы соединяет кабель.

2.	В столбце 4 указывается поправочный коэффициент, учитывающий снижение допустимой нагрузки
на кабель в зависимости от условий прокладки. Значение коэффициентов приведены в П, с. 66/.
Образец заполнения углового штампа форма 1 ГОСТ 2.303-88

«Г)		Формат	Зона	Нов.	Обозначение	Наименование	Кол-во	Приме чание
ОО '								
оо '								
•		6	6	8	70	63	10	22
					185			
								

,74,^..2.з 4иид-°>|

5? 11=55

						Тема курсового проекта							
													
-1_						Наименование чертежа	Литер			Масса		Масштаб	
	№м.		№ док) м.	ПОДППС!	Дата		5	5	5	15 г		1 18	>	
	Разраб												
													
	Руков.												
	Консул.						Лист				Листов		•п
	Т.контр						20						
	Н. контр												
	Зав.каф												
Технические характеристики насосов регулируемой

производительности ЭГ рулевых приводов									
Тип на- соса	№ на- соса	Номи- нальное давле- ние на- гнета- ния, Н/м2	Макси- мальн. произв. насоса за один обор, вала, м3/с	Частота враще- ния об/мин.	Наи- больш. произ- водит. М3/с	Макси- мальн. допу ст. Момент на валу упр., Нм	Момент инерц. Вращ. частей, кгЗи2	Масса насоса с раб. жид, кг	
С	0,5	980-104  1  1		ЗИГ4	2950	0,15-Ю’3	-	0,1-Ю’3	11,5	
	1,5		9-10*	2950	0,44-1О’3	-	0,4-Ю’3	20	
	2,5		16-10*	2950	0,78-Ю’3	-	0,1-Ю’2	34	
	5		71-Ю"*	1440	1,7-Ю’3	49	0,6-Ю’2	115	
	10		142106	1440	3,4-10’’	98	0,0193	190	
	20		251-10’6	1440	6,0-10’’	196	0,047	288	
	30		501-10*	980	8,3-Ю’3	245	0,16	480	
	50		790 10*	980	12,9 1 О’’	490	0,416	680	
	0,5		з-ю*	2950	0,15-Ю’3	9,8	0,1-Ю’3	11,5	
	1,5		9-106	2950	0,44-10’3	30	0,4-Ю’3	20	
	2,5		1610*	2950	0,78-10’3	39	0,1-Ю’2	34	
	5		71-10*	.1-440	1,7-Ю’3	- ад	0,6-Ю’2	90	
&	10		142-10	1440	зХЬ-3-'	—98' “	-07П93	170	
	20		251-10*	1440	6,0-Ю’3	196	0,047	255	
	30		501-10*	980	8,0-10’3	245	0,16	400	
	50		790-10*	980	12,9 Ю’3	490	0,416	650	

ПД - со встроенным гидроусилителем на валике управ.
ПР — без встроенного гидроусилителя.
Зависимость общею КПД насосов ПД и ПР от давления
Технические данные комплектных тиристорных электроприводов

/. Тиристорные преобразователи серии ЭПУ/ - 2 (информэлектро, 1985 г)

Тип электропривода			Характеристика	Нап ряже- ние пи- тающей се- ти. линей- ное. В	Параметры преобразователя						Тип сило- вого тр-ра	Параметры двигате-  ЛЯ	
					Тип	Задающее напряжение	Якорн. цепь		Возбужд.			Мощ- ность рв, кВт	Частота вращ. п. об/мин
							Ток 1И.А	Напр. и, в	Ток 1н,А	Напр. Пн			
ЭГГУ 1-2	34	2 ХЕ. 2ХМ	Реверсирный однозонный	208^-240	БС 3203...М	В пределах ± 10 В	25	230	5	220	ТС - 10	1.54-4,0	
		4ХЕ, 4ХМ		3804-440				460			Реактор	1,5-7.5	
	37	2ХЕ, 2ХМ		2084-240			50	230	10		ТС-16	5.54-7,5	
		4ХЕ, 4ХМ		380-5-440				460			Реактор	114-18,5	
	40	2ХЕ, 2ХМ		208-5-240			100	230	20		ТС-25	114-18,5	3000
		4ХЕ, 4ХМ		4804-440				460			Реактор	224-37	
	43	2ХЕ. 2ХМ		2084-240	БС3203...М		200	230			ТСЗП-63	224-37	6
		4ХЕ, 4ХМ		4804-440				460			Реактор	454-75	
	46	2ХЕ, 2ХМ		2084-240			400	230			ТСЗП-200	45-5-75	
		4ХЕ, 4ХМ		4804-440				460			Ректор	754-110	
	48	2ХЕ. 2ХМ		2084 240			630	230			ТСЗП-200	904-110	
		4ХЕ, 4ХМ		4804-440				460			Реактор	1604-250	
2. Комплектные электроприводы

Тип	Мощ- ность, кВт	Номинальная скорость, рад/с	Диапазон ре- гулирования скорости	Комплектность	
				Двигатель	Преобразовательные устройства
ЭПУ 1 -2 П	0,75 - 11	105	20 000	ПБ2П. 2П. 4П	Трансформатор, блок управле- ния
ЭПУ 1 -2 Д	1,5-37		1000	2ПРШ. ПО2П, ПБВ	Трансформатор, блок управле- ния, реактор
ЭПБ-1		50- 100	10 000	ЧС с датчиками скорости и положе- ния	Блок питания, блок регулирова- ния: силовой трансформатор, маг- нитный пускатель
ЭТ-3 .	1,15-24	78.5-314	400	ПБСТ, 2П	Тиристорный УП, реактор, за- датчик скорости
ЭТ-ЗИ	0,18-1,9	104.7-314	1000	ПБСТ. ПСТ, 2ПБ. ПБВ, ДК1	Блок регулирования, реакторы, задатчик скорости
ЭТ-1	0,09- 1.8	78,5-314	50	ПБС. 2П. 2ПБ, ПС, ЭШ	Блок регулирования, реактор, два задатчика скорости
ЭТРП	1.6-30	78,5 - 348	400	2П	Тиристорный УП, реакторы, блок управления
ПРП	0,15-0.5	105	1000	ДК1	Трансформатор, транзисторный УП, реактор
ЭШИР1	0.18-1.5	105	1000  30 000	ПБС(Т). ПБВ, 2П. ДК1	Трансформатор, тиристорный  УП, реактор
ЭТУ 7801	15- 180	52,5-157	1000	Бесколлекторный	
Тип	Двигатель										Трансформатор		
	ном»  в	р  1 ном* кВт	1 ном*  А	Р ном, об/мин	Дя, Ом	^Д.П» Ом	мГн	У. кг-м2	ном» %	Л?, кг	5. кВМ	т, кг	Г абариты (ГхВхН), м
ЭТ6-Р-11-6		1,1	13,8	750	0,564	0,336	13	0.037	64	91	6	63	
		2,0	21.4	3000	0,103	0.11	1,8	0,017	81	61	6	63	
		2,1	23,1	800	0.235	0,151	7.1	0,083	77	147	6	63	0.36x0,2х
		2.4	26,1	1600	0,185	0,148	4.2	0,037	76,5	91	6	63	х0.29
ЭТ6-Р-11-8		3,2	34,2	1600	0,12	0.089	2.9	0,047	82	101	8	75	
		3,4	36,2	800	0,121	0,071	4,2	0,2	80,5	219	8	75	
ЭТ-6-Р-11-11	но	3,7	40,3	2240	0,104	0.059	2.4	0.037	79,5	91	11	90	0,36х0.23х
		4,2	44,2	1500	0,081	0,056	2,6	0.083	83.5	147	11	90	х0.31
		4,5	47,3	1000	0,084	0,056	3,1	0,2	82.5	219	11	90	
ЭТ6-Р-11-14		5,3	54.7	1600	0,044	0,031	1,6	0,1	85.5	165	14	115	0.38x0,25х
													х0,36
ЭТ6-Р-11-19		5,6	29.2	1000	0.26	0,183	10.2	0.229	84	240	14	115	
		6,0	30.7	2120	0,145	0,101	4,5	0,083	86.5	147	14	115	0.38x0,26х
		7,1	36,3	1500	0,15	0,092	5,5	0.2	86,5	219	19	155	х0,66
		8	40,6	950	0.125	0,08	5.3	0.3	87,5	331	19	155	
	220	8,1	41,7	3350	0,044	0,031	1,6	0,1	86.5	165	19	155	
ЭТ6-Р-11-25		9,5	48,1	2240	0.084	0.056	3.1	0,2	88	219	25	174	0,38х0.86х
		11	55.6	2240	0,065	0,044	2,6	0.229	89	240	25	174	х0.4
		И	56,2	1500	0.083	0,053	3.7	0,3	88.5	331	25	174	
Примечания:

1.Э	П тиристорный шестипульсный (ЭТ6) предназначен для регулиро-
вания частоты вращения ДПТ в широком диапазоне (до 10 000:1) и исполь-
зуется в качестве ЭП подач металлорежущих станков и других механизмов.

2.Э	П выполняется в реверсивном (Р) исполнении с ДПТ 2П (ЭТ6-Р-
-11), ПБСТ (ЭТ6-Р-12) и в реверсивном исполнении с гарантийными пара-
метрами динамики (С) с ДПТ ПГТ (ЭТ6-С-13) и ПБВ (ЭТ6-С-14).

3	.Напряжение питающей сети 380В.

4	.Схема выпрямления шестифазная однополупериодная встречно-па-
раллельная.

5	.Шкаф управления с УП для всей серии имеет один габаритный раз-
мер 0,4Х0,2Х0,3(м). Масса шкафа УП 16 кг.
ОО

Электрические схемы тиристорных электроприводов

Схема внешних соединений реверсивного электропривода подачи ЭПУ 1-2-43...П
(
о

Зиловая схема электропривода ЭТ-6
Условные обозначения	РП—регулятор положения

СН - стабилизатор управления ЗС — задатчик скорости

00



173 - трансформатор согласующий
БЗ - болт заземления

ТУ — трансформатор управления

ДТ-датчик тока

СЗ - схема защиты

КУ - каналы управления

Е - датчик пути
КНС - кнопка «Стоп»
КНП - кнопка «Пуск»
РТ - регулятор тока
РС—регулятор скорости

Р1, Р2 - реакторы

ПП - переключатель полярности

У— тормоз

М электродвигатель

Т - тахогенератор
Содержание

Введение......................................................3

1	Объем и состав курсового проекта, предъявляемые к нему
требования...................................................4

1.1	Расчетно-пояснительная записка.........................4

1.2	Графическая часть проекта..............................5

2	Исходные данные для проектирования.........................5

3	Расчет моментов сопротивления на баллере руля..............6

4	Сравнительные характеристики электромеханического и
электрогидравлического приводов..............................9

5	Расчет и построение нагрузочной характеристики
электродвигателя рулевого устройства электромеханического
типа........................................................10

6	Электропривод простого действия по системе
генератор - двигатель.......................................13

6.1	Расчет мощности и выбор исполнительного
электродвигателя..........................................13

6.2	Расчет мощности и выбор генератора....................15

6.3	Расчет М.Д.С. генератора и числа витков ПКО...........16

6.4	Выбор возбудителя и регулировочного реостата..........18

6.5	Выбор приводного электродвигателя.....................19

6.6	Расчет переходных процессов в системе Г-Д простого
действия..................................................20

7	Электропривод следящего действия по системе тиристорный
преобразователь — двигатель..................................25

7.1	Расчет мощности и выбор исполнительного
электродвигателя..........................................25

7.2	Расчет элементов системы управления следящим
электроприводом...........................................26

7.3	Выбор основных элементов схемы управления
электроприводом и определение их статических параметров...35

7.4	Расчет динамических свойств системы...................39

8	Рулевой электропривод с двигателем постоянного тока,
получающем питание от судовой сети..........................43

8.1	Расчет мощности и выбор электродвигателя..............44

8.2	Расчет и выбор невыключаемого резистора...............45

8.3	Построение характеристик электродвигателя.............46
8.4	Проверка электродвигателя при ходе судна по курсу....47

8.5	Расчет переходных процессов..........................49

9	Рулевой электропривод переменного тока с асинхронным
электродвигателем, получающим питание	от	судовой	сети..50

9.1	Расчет мощности электродвигателя.....................51

9.2	Расчет характеристики динамического	торможения.......52

9.3	Проверка двигателя на допустимое число включений в
час......................................................54

9.4	Расчет переходных процессов..........................55

10	Расчет электроприводов рулевых устройств
электрогидравлического типа.................................57

10.1	Общие положения.....................................57

10.2	Выбор электро гидравлической рулевой	машины.........58

10.3	Определение параметров ЭГ системы в динамическом
режиме...................................................58

10.4	Проверка электродвигателя на нагрев.................63

11	Проектирование схем управления рулевым электроприводом...66

Список литературы...........................................68

Приложение 1. Характеристика судна.....................70

Приложение 2. Тип двигателя и система привода..........71

Приложение 3. Форма кабельного журнала.................72

Приложение 4. Образец заполнения углового штампа
форма 1 ГОСТ 2.303-88..................................73

Приложение 5. Технические характеристики насосов
регулируемой производительности ЭГ
рулевых приводов.......................................74

Приложение 6. Зависимость общего КПД насосов ПД и ПР от
давления...............................................75

Приложение 7. Технические данные комплектных
тиристорных электроприводов.............................76

Приложение 8. Электрические схемы тиристорных
электроприводов........................................80