7. Методические указания расчета судового электропривода.

Производственный механизм должен работать с максимальной производительностью и удовлетворять условиям его работы, быть надёжным и экономичным.

Следующим условием технико-экономической целесообразности являются малые массогабаритные показатели, низкая стоимость, удобство эксплуатации электропривода.

В ходе проектирования необходимо решить следующие вопросы:

- изучить устройство судового механизма, условия его работы;

- выбрать род тока, тип и конструкцию электродвигателя;

- рассчитать мощность и выбрать электродвигатель;

- выбрать кабель (фидер), проверить его на падение и потерю напряжения, пусковую (регулировочную) аппаратуру.

Наиболее трудоёмкий этап проектирования электропривода – расчёт мощности, выбор электродвигателя. Основными критериями при этом являются запас по перегрузочной способности (по моменту) и нагрев двигателя в расчётном режиме работы.

Номинальная мощность двигателя – мощность, которую развивает двигатель в заданном режиме, при этом температура его нагрева не превышает допустимой.

Перегрузочная способность определяется зависимостью

,

где - максимальный момент, который может развивать двигатель;

- номинальный момент двигателя.

Для двигателей постоянного тока =2,53,0, для асинхронного двигателя=1,72,5, для синхронных двигателей=2,02,5. Двигатели, предназначенные для грузоподъёмных механизмов, могут иметь перегрузочную способность=34.

7.1. Расчет электропривода судового грузоподъемного механизма

Грузоподъемные механизмы (ГПМ) предназначены для погрузки оборудования, сырьевых ресурсов с пирса в люки трюмов и наоборот. Они подразделяются на грузовые, траловые, шлюпочные и другие лебёдки, а также крановые механизмы. Судовые краны являются автономными механизмами и в отличие от лебедок не требуют дополнительного такелажа.

Грузовые краны имеют три механизма: механизм подъема груза, механизм изменения вылета стрелы и механизм поворота. Кормовые краны имеют два механизма: механизм подъема и механизм передвижения. Грузовые краны более эффективны и маневренны, поэтому большинство сухогрузов и рефрижераторов снабжены кранами.

По механической части краны и лебедки могут иметь червячный или цилиндрический редуктор. Червячные редукторы имеют меньший КПД, чем цилиндрические.

Рассмотрим пример расчёта, проверки выбора электропривода грузоподъёмного механизма:

масса груза - =2500кг;

скорость подъёма – =50;

скорость опускания – =25;

высота подъёма – =25;

диаметр барабана – =0,42;

передаточное число редуктора – =36;

к.п.д. механизма – =0,85;

время паузы между – =110с;

напряжение сети – ;

длина кабеля – =60.

Предварительный выбор двигателя.

Момент на валу электродвигателя при подъёме номинального груза

.

Момент на валу электродвигателя при опускании номинального груза в режиме тормозного спуска

.

Скорость электродвигателя (на быстроходной обмотке), необходимая для обеспечения заданной скорости подъёма номинального груза

или частота вращения

Скорость электродвигателя, необходимая для обеспечения опускания груза

или частота вращения

Мощность электродвигателя при подъёме номинального груза на быстроходной обмотке

Мощность электродвигателя при опускании груза на обмотке средней скорости

В качестве электродвигателя выбираем судовой трёхскоростной асинхронный электродвигатель для якорно-швартовных механизмов серии МАП 622-4/8/16 ОМ1 с параметрами для работы на двух скоростях.

Число полюсов	4	8
Мощность	28	30
Частота вращения	1445	690
Угловая скорость	151,24	72,2
Номинальный ток	58	84
Пусковой ток	560	360
Максимальный момент	883	1226
Пусковой момент	785	1128
Коэффициент мощности	0,86	0,68
Момент инерции	без тормоза	1,375
	с тормозом	1,625
Напряжение	380	380

Определяем номинальный момент двигателя на быстроходной обмотке

Определяем номинальный момент двигателя на тихоходной обмотке:

Таким образом, работая с идвигатель не перегружается.

Механическая характеристика электродвигателя строится по следующим точкам:

а) для быстроходной обмотки:

• точка идеального холостого хода для быстроходной обмотки ,

где - частота сети,- число пар полюсов;

• точка номинального режима ;

• точка, соответствующая критическому моменту ,

где - кратность максимального момента,, причём критическое скольжениеопределяется по выражению:

• точка пуска - кратность пускового момента.

Дополнительные точки определяются по формуле Клосса:

промежуточные точки при скольжении, равном и

характерные точки режима для быстроходной обмотки:

точка холостого хода

точка номинального режима

точка критического момента

точка пускового момента

промежуточная точка1

промежуточная точка2

б) для тихоходной обмотки:

• точка идеального холостого хода для тихоходной обмотки:

,

• точка номинального режима ;

• точка, соответствующая критическому моменту ,

где - кратность максимального момента,, причём критическое скольжениеопределяется по выражению:

• точка пуска ,

где - кратность пускового момента.

Дополнительные точки определяются по формуле Клосса:

промежуточные точки при скольжении, равном и

характерные точки режима для тихоходной обмотки:

точка холостого хода

точка номинального режима

точка критического момента

точка пускового момента

промежуточная точка1

промежуточная точка2

На рисунке приведены механические характеристики АД Рис.7.1.

Построение нагрузочной диаграммы.

1) При подъёме номинального груза приведённый к валу двигателя момент инерции электропривода определяется:

где - опускаем из-за её малости.

Тогда для двигателя без тормоза

2) Время разгона двигателя на подъёме груза

3) Расчётный тормозной момент

4) Время торможения при подъёме груза и отключения двигателя

где ,- коэффициент запаса тормоза.

5) Время пуска двигателя на спуск груза

6) Время торможения при спуске груза

7) Пути, пройденные при разгоне и торможении двигателя во время подъёма:

8) Пути, пройденные при разгоне и торможении двигателя во время спуска:

9) Установившаяся скорость подъёма груза с учётом выбранного двигателя и время подъёма:

10) Установившаяся скорость опускания груза с учётом выбранного двигателя и время спуска:

11)На основе расчёта строим нагрузочную, скоростную и токовую диаграммы (рис.7.2).

Рис.7.2а. Нагрузочная диаграмма.

ω,рад/c

t,c

Рис 7.2б. Скоростная диаграмма.

I,А

t,c

Рис.7.2в. Токовая диаграмма.

Время цикла

Мощность электродвигателя соответствует пуску, торможению и установившемуся режиму. Однако на этих этапах необходимо убедиться в отсутствии перегрева электродвигателя путём оценки его эквивалентного (среднеквадратичного) тока в цикле.

Эквивалентный (по нагреву) ток нагрузки электродвигателя определяется с помощью:

где - интервала цикла.

Можно полагать, что на каждом этапе цикла ток электродвигателя постоянный.

Во время разгона двигатель работает в режиме пуска, следовательно

Во время подъёма груза с установившейся скоростью на быстроходной обмотке электродвигатель работает в режиме близком к номинальному

При опускании груза электродвигатель работает в тормозном режиме. Во время разгона двигатель работает в режиме пуска, на тихоходной обмотке

Во время спуска груза с установившейся скоростью на тихоходной обмотке электродвигатель работает в режиме близком к номинальному

Тогда эквивалентный ток двигателя

Фактическая продолжительность включения двигателя

или ПВ=34%.

Допустимое значение эквивалентного тока двигателя определяется соотношением

откуда

Следовательно, эквивалентный ток рабочего режима (50,2А) меньше допустимого (70,3А) при фактической продолжительности включения ПВ=34%, что доказывает возможность использования (по температурным условиям) выбранного двигателя.

Выбор кабеля от распределительного щита

до электродвигателя

При выборе питающего кабеля исходят из расчёта величины эквивалентного тока, вида прокладки, температуры окружающей среды и т.д.

Величина расчётного тока кабеля определяется по формуле

где - эквивалентный ток, определённый в п.7;- коэффициент, учитывающий уменьшение допустимой нагрузки кабеля находящегося в пучке; для однорядных пучков -,- коэффициент, учитывающий число часов работы в сутки,к₂=1,41, определяемый как

где - суммарное время работы кабеля под нагрузкой за сутки, принято 12 часов работы в сутки грузоподъемного механизма.

Если , то принимаюти выбор кабеля производят по таблицам.

Ниже приведена таблица нормальной загрузки некоторых судовых кабелей.

Таблица 2

Сечение жилы, мм^2	Допустимый ток, А
	1-жильный	2-жильный	3-жильный
1	11	11	11
1,5	16	16	16
2,5	21	21	21
4	27	27	27
10	47	47	47
25	100	98	79
50	166	137	120
150	330	255	235

Выбираем 3-х жильный кабель сечением жилы 25 мм² на ток 79 А.

В трёхфазной системе для вычисления потери напряжения определяют как

где - коэффициент мощности выбранного двигателя.

Ниже приведены величины активных и реактивных сопротивлений одной жилы кабеля при температуре 65^оС и частоте сети 50 Гц, для 1000 метров кабеля.

Таблица 3

Сечение жилы, мм^2	1	1,5	2,5	4	10	25	50	150
Активное сопротивление	21,6	14,4	8,65	5,4	2,16	0,865	0,432	0,144
Индуктивное сопротивление	0,147	0,139	0,134	0,126	1,115	0,106	0,093	0,092

Обычно потеря напряжения выражается в процентах от номинального напряжения

Допустимые потери для сетей освещения – 5%, сетевых потребителей – 7%, норма не превышена.

Выбор коммутационной аппаратуры

Автоматический выключатель (автомат) предназначен для автоматического размыкания электрических цепей при аварийной ситуации, а также для нечастых оперативных включений и отключений электрических цепей при нормальных режимах работы.

Автоматы снабжены расцепителями, контролирующими величину соответствующего параметра (в данном случае - тока).

Для включения и отключения электропривода выбираем автоматический выключатель А3114Р с комбинированным максимальным расцепителем на номинальный ток 100А.

Управление режимами электропривода

Регулирование скорости в электроприводах на переменном токе осуществляется за счёт использования многоскоростных асинхронных

электродвигателей и контроллеров управления (см. рис.7.3).

Статор асинхронного двигателя имеет две группы обмотки С2, и С3 комбинации которых обеспечивают изменение механической характеристики электродвигателя с синхронными скоростями вращения. Обмотки подключаются через общий автоматический выключатель АВ и контакты силового кулачкового контроллера 1-ХП согласно таблице 4.

В этой же цепи включены реле тепловой защиты от перегрузки РТ1, РТ2 и РГ. При превышении тока величины установки реле оно срабатывает и разрывает цепь контакторов грузовой защиты КГ1 и КГ2.

Цепи управления питаются через трансформатор Тр и выпрямитель Вп. В аварийных ситуациях, не допускающих остановки электродвигателя, несмотря на его перегрузку, тепловая защита шунтируется кнопкой К. При отключении автомата АВ, ротор двигателя заторможен дисковым тормозом Т, который растормаживается электромагнитом ТМ при включении АВ.

Работа электропривода в направлении выбирать (подъём груза) и травить (опускание груза) определяется только направлением вращения магнитного поля. Реверс осуществляется контактами IV и VI. При положении рукоятки в секторе «выбирать» замкнуты контакты II, III, V, (см. таблицу), а в положении «травить» - II, IV, VI.

При пуске двигателя катушка ТМ растормаживает дисковый тормоз. В первом положении рукоятки силового кулачкового контроллера получает питание обмотка С3, т.к. контакты грузового контактора КГ1 шунтируют фазы обмотки С2. Двигатель разгоняется по характеристике I до частоты первой ступени. Рукоятка переводится во второе положение, размыкаются контакты КГ1 и замыкаются контакты КГ2 и I,шунтируя обмотку С3 и включая звёздочкой обмотку С2. Двигатель переходит на характеристику 2 и разгоняется до частоты второй ступени. Но если нагрузка на двигатель возрастает выше допустимой, тогда срабатывает грузовое реле РГ и размыкает цепь катушек КГ1 и КГ2. Схема обеспечит переключение двигателя на характеристику 1, т.к. обмотка С2 будет отключена, а С3 включена.

Таблица 4

Контакты	Травить		0	Выбирать
	1	2		1	2
1		Х			Х
2	Х	Х		Х	Х
3				Х	Х
4	Х	Х
5				Х	Х
6	Х	Х

Рис.7.3. Принципиальная схема грузоподъемного механизма.