Силы, действующие в якорной цепи при стоянии судна на якоре

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА

РЫБИНСКИЙ ФИЛИАЛ ФГБОУ ВО «ГУМРФ»





Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»



Выпускная квалификационная работа

по специальности 26.02.06 Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики











«Допущен к защите» 

Протокол №_____ от_____2017г. 

	Исполнитель:

	курсант группы 42-ЭМ

	Дудкин Евгений Александрович

Заведующий отделением: 

Комаров Юрий Михайлович

__________________________

	__________________________

	

	Научный руководитель:

	Хрящев Игорь Геннадьевич





_____________________

	

	

	

	



Рыбинск

2017








Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

5

Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»

СОДЕРЖАНИЕ:









 Введение..............................................................................................................6



1. Расчет электропривода якорно-швартовного механизма….........................9



1.2 Силы, действующие в якорной цепи при стоянии судна на якоре............9



1.3 Определение тяговых усилий и моментов при подъеме одного якоря с нормативной глубины стоянки...........................................................................12

1.4 Определение тяговых усилий и моментов при подъеме двух якорей с половины номинальной глубины якорной стоянки.....................................13



1.5 Подъем якоря с глубины превышающей полную длину якорной цепи – аварийный режим для морских судов................................................................14

1.6 Предварительный выбор электродвигателя................................................15



	1.7 Расчет и построение механической характеристики электродвигателя  

	   ? = f (M)…………………………………………………………................16

	

	1.8 Построение нагрузочной характеристики электропривода……………...?

	

	1.9 Проверка выбранного двигателя на нагрев.................................................?

	

	1.10 Проверка выбранного электродвигателя на дополнительные требования Российского Речного Регистра. .........................................................................?

	

2. Расчет и выбор преобразователя частоты.....................................................?

3. Выбор выпрямителя……………………………………………………….?



4. Выбор площади поперечного сечения жилы по нагрузкам........................?

5. Правила безопасной эксплуатации якорно-швартовного механизма........?

	

	

	

	

	Введение



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

6

Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»

Для надежной стоянки на якоре, у причалов и других плавучих и береговых сооружений суда оборудуют якорными и швартовными механизмами. Обычно операции по подтягиванию швартовного каната, отдаче якоря, отрыву от грунта, подъему и уборке якоря в клюз выполняют на судах одним механизмом, снабженным звездочкой для якорной цепи и швартовным барабаном для швартовов (стальных, пеньковых, капроновых и других канатов).

Якорно-швартовные механизмы, выполняющие такие операции, подразделяют на шпили и брашпили. Первые имеют вертикальную ось вращения тяговых органов, вторые — горизонтальную. У шпиля — одна звездочка и один швартовный барабан (если шпиль звездочки не имеет, его называют швартовным). У брашпиля обычно две звездочки и два швартовных барабана. Шпили и брашпили, входящие в состав якорных и швартовных устройств, подразделяют на малые (с цепями калибров до 28 мм и тяговым усилием до 15 кН), средние (с цепями калибров 29—46 мм и тяговым усилием 16—50 кН) и крупные (с цепями калибров более 46 мм и тяговым усилием более 50 кН).

По роду используемой энергии якорно-швартовные механизмы могут быть ручными, электрическими и гидравлическими. Ручные шпили и брашпили применяют в основном на несамоходных судах с якорями массой до 400 кг и калибром якорных цепей до 19 мм. Наиболее распространенным приводом якорно-швартовных механизмов является электрический, небольшая часть судов эксплуатируется с паровыми шпилями и брашпилями, в последнее время внедряется и гидравлический привод. 





Рис.1 

На вал электродвигателей якорношвартовных механизмов устанавливают тормоз, предназначенный для удерживания тяговых органов от вращения под 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

7

Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»

нагрузкой, превышающей на 50% номинальную. Мощность шпилей (брашпилей) по правилам Речного Регистра РСФСР должна быть достаточной для подтягивания судна к якорю, отрыва и подъема якоря со скоростью не менее 0,12 м/с при номинальном тяговом усилии на звездочке. Шпили должны выбирать канаты при номинальном тяговом усилии с установленной скоростью (не более 0,3 м/с) и при необходимости создавать двухкратное усилие на швартовном барабане в течение 15 с.



Рис.2

Якорно-швартовные механизмы обеспечивают оперативное выполнение якорно-швартовных операций, в значительной степени определяющих мореходные качества судна, а также его техническо-экономические показатели. Электроприводы якорно-швартовных устройств должны обеспечивать:

- возможность использования якорно-швартовных устройств (ЯШУ) при тяжёлых состояниях погоды и моря и его высокую надёжность;

- возможность запуска электродвигателя при полной нагрузке;

- поддержание необходимого тягового усилия при пониженных частотах вращения исполнительного двигателя и при остановке;

- стоянку двигателя под током в течение 30 секунд с нагретого состояния;

- удержание якоря на весу при снятом напряжении;

- безопасность отдачи якоря;

-наличие у электропривода диапазона скоростей, включая нормированную скорость подъёма

-одного якоря с расчётной глубины и минимальную скорость подхода якоря к клюзу;

- минимальную массу и оптимальную комплектность.

Работа ЯШУ регламентируется требованием морского Регистра и при ежегодных  осмотрах производится освидетельствование инспектором Регистра ЯШУ с последующим разрешением на его дальнейшую эксплуатацию. В качестве якорных механизмов на судах применяются брашпили и якорные шпили.



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

8

Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»

Основные параметры брашпилей стандартизируются. Для судов создан нормализованный ряд отечественных электрических брашпилей. Ряд состоит из 13 моделей Б-1…Б-13 для цепей с калибром от 15 до 92 мм.

Шпили, применяемые в якорных устройствах, имеют вертикальное расположение оси. При этом основная часть передаточного механизма и электрооборудование находятся под палубой. Расположение исполнительных двигателей под палубой имеет большие преимущества и увеличивает надёжность работы якорных шпилей, особенно в период зимних обледенений.

Передаточные механизмы ЯШУ комплектуются в основном из цилиндрических пар и снабжаются отдельными червячными парами для связи их с электродвигателями.

Шпили и брашпили имеют высокий КПД, не ниже 75 % и являются не самотормозящими.

В обычных условиях, при постановке судна на якорь, его отдача выполняется свободным травлением якорного каната. В передаточном механизме обязательно предусматривается для этого муфта сцепления дискового и кулачкового типа.





Рис.3



























Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

9

Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»

1.Расчёт электропривода ЯШМ (якорно-швартовного механизма)

1.1 Исходные данные:

	Тип судна:	Буксир пр. 758б

	Главные размеры   м:

	Длина L	40,6

	Ширина B 8,6

	Осадка Т	 2,0

	3.   Размеры настройки,  м :

	Длина  l	38,5

	Ширина b	8,2

	Высота h		11,5

	4.   Калибр якорной цепи d, мм;  Длина цепи L ц,  м      22?125

	5.   Количество и масса якорей n ?Gц,   кг	2х500

	6.   Расчетная глубина стоянки ho,  м 	30

	        7. Диаметр цепной звездочки  Dзв,    мм	301

	8. Передаточное число якорного механизма i	127

	9. КПД якорного механизма 		0,83

	10.Род тока и напряжение ~220

	11. Высота борта H 3,2 м

	

1.2 Силы,  действующие в якорной цепи при стоянии судна на якоре.



	1.2.1 Вес одного погонного метра якорной цепи :

	

	 (Н)

	 (Н)

	

	1.2.2 Вес одного погонного метра якорной цепи, погруженной в воду :

	

	,  (Н)

	Где: ?=7.8 т/м3- удельный вес металла якоря;

	? = 1,0 т/м3- удельный вес воды

	  (Н)

	

	1.2.3 Длина не смачиваемого участка цепи , определяется, как сумма расстояния от якорной лебедки до клюза и  высоты борта (м):

	

	 (м)

	    Где: B - главная ширина (м)

	    H- высота борта (м)

	

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

10

Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»

    Т- осадка (м)

	  (м)

	

	1.2.4  Длина вытравленной цепи :	 

	

	   (м)

	   (м)

	

	1.2.5 Смоченная поверхность корпуса судна Scм  :

	

	 (м2)

	где: – коэффициент полноты водоизмещения судна, принимается в пределах: 0,75….0,85  

	Выбираем:   =0,8                   

	  (м2)

	

	1.2.6 Сила сопротивления воды, обусловленная течением и подтягиванием судна:

	

	   (Н)

	где  - поправочный коэффициент на влияние кривизны корпуса судна, который учитывает: 

	отношение длины  к его ширине : 

==4,72    (м)

	 Кк=1,04                                     

	  =0,8410-3…1,1410-3  коэффициент трения о воду

	= 0,710-3…1,210-3 надбавка к коэффициенту трения, учитывающая шероховатость корпуса судна;

	-  массовая плотность воды, 1.02103 Hc2/м4;

	 суммарная скорость потока, действующая на судно, м/с;

	 =1…3 скорость течения воды, м/с;

	=0,1…0,3 абсолютная скорость подтягивания судна к месту заложения якоря.

	   Для расчета беру следующие данные: 

	

	

	

	 

	            (Н)

	

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

11

Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»



	1.2.7  Парусящая поверхность судна :

	

	  (м2)

	- ширина судна , высота борта и осадка

	 – ширина и высота надстройки

	  (м2)

	

	1.2.8 Сила ветрового сопротивления :

	

	     (Н)

	где =0.24…0,61 –коэффициент ветрового давления

	Vв - скорость ветра (принимается 10м/c)

	Принимаем: 

	  (Н)

	

	1.2.9 Равнодействующая внешних сил F при совпадении направления действия течения и ветра :

	

	  (Н)

	  (Н)

	

	1.2.10 Длина свободно провисающей части цепи:

	

	  (м)

где:

F - равнодействующая внешних сил при совпадении направления действия течения и ветра (H)

	

	 – расчетная глубина стоянки судна.

	 (м)

	

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

12

Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»



	1.2.11 Длина цепи, лежащей на грунте: 

	

	    (м)

	   (м)

	

	1.2.12 Длина части цепи, выбираемой во второй стадии съёмки судна с якоря: 

	

	   (м)

	   (м)

	                

	1.3 Определение тяговых усилий и моментов при подъеме одного якоря с нормативной глубины стоянки.

	

	1.3.1 Тяговое усилие на звёздочке брашпиля на первой стадии съёмки  судна с якоря: 

	

	     (Н)

	где =1,28…1,35 –коэффициент потерь на трение от клюза до цепной звёздочки (бортовой клюз , якорная труба , палубный клюз , стопор )

	Принимаем: 

	    (Н)

	

	1.3.2 Тяговое усилие на звёздочке барабана брашпиля при отрыве якоря от грунта:

	   (Н)

	(Н)



	1.3.3 Усилие на звёздочке барабана брашпиля после отрыва якоря от грунта:

	

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

13

Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»



 = 9202  (Н)



	1.3.4  Усилие на звёздочке барабана брашпиля при подходе якоря к клюзу:

	

	 (Н)

	 (Н)

	

	1.3.5  Момент на валу электродвигателя на первой стадии:

	

	  (Нм)

	  (Нм)

	

	1.3.6 Момент на валу электродвигателя при отрыве якоря от грунта:

	

	  (Нм)

	 (Нм)



	1.3.7 Момент на валу электродвигателя при подъёме одного якоря после отрыва его от грунта: 

	

	   (Нм)

	  13,09 (Нм)



	1.3.8 Момент на валу электродвигателя при подходе якоря к клюзу: 

	

  (Нм)

 (Нм)



1.4 Определение тяговых усилий и моментов при подъеме двух якорей с половины номинальной глубины якорной стоянки.



1.4.1 Тяговое усилие на звездочке барабана брашпиля в начале периода:



  (Н)

(Н)



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

14

Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»



1.4.2 Усилие на звездочке барабана брашпиля в конце периода:



  (Н)

   (Н)



1.4.3 Момент на валу электродвигателя в начале периода:



    (Нм)

    (Нм)



1.4. 4 Момент на валу электродвигателя в конце периода:



   (Нм)

	  (Нм)



	1.5 Подъем якоря с глубины превышающей полную длину якорной цепи – аварийный режим для морских судов.



	1.5.1 Усилие на звездочке барабана брашпиля в начале периода: 

	

    (Н)

 (Н)

	

	1.5.2 Усилие на звёздочке барабана брашпиля в конце периода: 

	

	     (Н)

	   (Н)

	

	1.5.3 Момент на  валу  электродвигателя в начале  периода: 

	

	    (Нм)

	   (Нм)

	

	

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

15

Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»



1.5.4 Момент на валу электродвигателя в конце периода: 

	

	     (Нм)

	  (Нм)



1.6 Предварительный выбор электродвигателя.



	1.6.1 Определяется максимальное значение момента нагрузки на валу электродвигателя из следующих моментов:

	

	 М1 =14,5 (Нм)

	 М3 =31,45 (Нм)

	 М4нач =13,09 (Нм)

	 М4кон =9,17 (Нм)

	 Мнач2 =21,09 (Нм)

	 Мкон2 =13,96 (Нм)

	 Мав нач =28,2 (Нм)

	 Мав кон =9,17 (Нм)

	 Ммах= М3 =31,45(Нм) 



	1.6.2 Расчетное значение номинального момента на валу электродвигателя 

	

	    (Нм)

	? - перегрузочная способность двигателя

	 -  для двигателей переменного тока серии МАП   м=2?3.

	Беру   ,5

	  (Нм)



1.6.3 Расчетное значение номинальной скорости исполнительного двигателя   принимаем равным средней скорости механизма:



   (об/мин.)

   (об/мин.)





Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

16

Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»





Для перерасчета скорости в системе СИ, допускается применение упрощенной формулы:

     (c-1)

  (c-1)



	1.6.4  Расчетное значение номинальной мощности электродвигателя: 

	

	   (Вт)

	   (Вт) =1,78 (кВт)



    1.6.5 В качестве исполнительного электродвигателя принимаем асинхронный электродвигатель серии МАП кратковременного режима работы 30 минут  (из справочника Китаенко Г. И. Том 2. Судовое электрооборудование)



	МАП121-4

	

	Число полюсов 

	4

	Мощность кВт

	3

	Режим работы мин. 

	30

	Частота вращения об/мин

	1360

	Линейный ток. А

	13,8

	Cos ф

	0,8

	Максимальный момент  кгс?м     (?9,81)

	5,5

	Пусковой момент  кгс?м               (?9,81)

	4,9

	Пусковой ток А 220в

	59

	

	1.7 Расчет и построение механической характеристики электродвигателя  

	   ? = f (M)

	1.7.1   Номинальная скорость вращения поля:

	   (c-1)

	(c-1)

	

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

17

Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»



	1.7.2 Номинальное скольжение ротора двигателя на большой скорости: 

	

	                   =  = 142    (c-1)

	

	                                           

	

	1.7.3 Номинальный момент на валу электродвигателя:

	

	    (Нм)

	    (Нм)

	

	1.7.4 Перегрузочная способность по моменту:

	

	

	

	

	1.7.5 Критическое скольжение:

	

	

		 

	В практических расчетах перед знаком радикала принимают «плюс».

	

	

	

	1.7.6 По упрощенной формуле Клосса определяют момент на валу электродвигателя, соответствующий различным  значениям скольжения для скорости электродвигателя.

	

	 (Нм)



                                     



































Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»







Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»



	

	

	

	

	

	

	

	



















	S

	M

	?

	0

	0

	157

	0,05

10,9

149,15

	0,1

21,14

141,3

	0,2

37,76

125,6

	0,3

48,05

109,9

	0,4

52,86

94,20

	0,45

53,75

86,35

	0,5

53,94

78,5

	0,55

53,59

70,65

	0,6

52,86

62,8

	0,7

50,69

47,1

	0,8

48,06

31,4

	0,9

45,31

15,7

	1

42,63

0



































	По результатам таблицы строят механическую характеристику для большой скоростей электродвигателя:













Рис.4 Механическая характеристика асинхронного двигателя

1.8 Построение нагрузочной характеристики электропривода.



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»



	1.8.1 По  механической характеристике, соответствующей большей скорости электродвигателя,   ?= f(М) определяются скорости двигателя на разных стадиях съемки с якоря:

	

	

	

	

	

	

	



	

	

	1.8.2 По этим значениям строим нагрузочную характеристику  M=f(t), для чего  определяется скорость выбирания якорной цепи по стадиям в м/мин:

	

	  (м/мин.)

	   (м/мин.)

	   (м/мин.)

	  (м/мин.)

	    (м/мин.)

	   (м/мин.)

	

	  (м/мин.)

	

	По этой формуле определяются остальные скорости выбирания якоря.

	

	Примечание:       (м/мин.)

	    (м/мин.)

	    (м/мин.)

	

1.8.3  Продолжительность каждой стадии выбирания якоря: 

	

   (мин.)

   (мин.)

	 (мин.), 

	согласно требованию Российского Речного Регистра;

	  (мин.)

	

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»



	1.8.4  Расчетное значение полного времени съёмки судна с якоря

	

	    (мин.)

	   (мин.)

	

	1.8.5  Средняя скорость съёмки судна с якоря: 

	

	 (м/мин.)

	       (м/мин.)

	

	1.8.6  Время подъёма якоря висящего на полностью вытравленной цепи:

	

         (мин.)



    (мин.)



    По расчетам выбранный электродвигатель удовлетворяет (не удовлетворяет) требованием Российского Речного Регистра  в отношении времени и скорости съемки судна с якоря при нормальной глубине стоянки судна:

9,77 (ср)   м/мин > реч.=7м/мин.

12,23( Трасч)    мин < Треч= 30 мин.



	Результаты заносятся в таблицу, и строится нагрузочная характеристика электропривода ЯШМ:                       

	Строим нагрузочные диаграммы:М= f(t),Мfd= f(t)







	

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»



Рис. 5 Нагрузочная диаграмма асинхронного двигателя

	

1.9 Проверка выбранного двигателя на нагрев.



1.9.1 Среднеквадратичный момент электродвигателя при подъёме якоря:

       

           	(Нм)     

         



1.9.2 Среднеквадратичный момент электродвигателя при подъеме якоря с большой глубины:

  (Нм)



Выбранный электродвигатель не перегревается поскольку:

 



 1.10 Проверка выбранного электродвигателя на дополнительные требования Российского Речного Регистра.



1.10.1Скорость выбирания якорной цепи при подходе якоря к клюзу:



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»



     (м/сек.)

 находят по механической характеристике для второй скорости 



 (м/сек.)

 (м/мин.)



           6 < 7 м/мин., электропривод удовлетворяет требованию Российского Речного Регистра 



1.10.2 Номинальное тяговое усилие на звездочке:

   (Н)

 m- коэффициент прочности, для цепей обыкновенных с распорками –1.0 для цепей без распорок – 0,9 

Принимаем: m=0,9

  (Н)



1.10.3 Тяговое усилие на звездочку при неподвижной якорной цепи создаваемое электродвигателем при пуске:

  (Н)

 (Н)

 (Н)



256511,02  > , электропривод  ЯШМ  удовлетворяет требованиям Российского Речного Регистра. 

1.10.4 Усилие, создающее на звездочке механическим тормозом выбранного электродвигателя:

Выбранный электродвигатель  МАП 122-1 снабжен дисковым тормозом типа

ТМТН-42 создающего тормозной момент   



2 =25,16 (Нм.)

    ( Н )

 (Н)



  (Fторм) > 2F1 = 19689,12 Н,  электропривод ЯШМ удовлетворяет требованию

Российского Речного Регистра.



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»































Выбор тормоза

Тип тормоза

Тормозной момент, кгс?м



При нагретых в соответствии с данным режимом дисках

Устанавливаемый при холодных дисках



30 мин

60 мин

ПВ=25 и 40%

ПВ=100%

30 мин

60 мин

ПВ=25 и 40%

ПВ=100%

ТМТН-42

12

6

6

6

13

6,5

8

8

Энергия торможения, кгм/ч ПВ= 25 и 40%

Мощность потребляемая тормозом, Вт не более

Фазный ток, А не более

Частота вращения в начале торможения , об/мин

Маховый момент, кг?м2

Допустимый ход



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»























































2. Расчет и выбор преобразователя частоты



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»



 2.1.Исходные данные:

	МАП 121-4

	

	Мощность кВт

	3

	Частота вращения об/мин

	1360

	Линейный ток. А

	13,8

	Cos ф

	0,8

	Максимальный момент  кгс?м     (?9,81)

	5,5

	Пусковой момент  кгс?м               (?9,81)

	3,2

	Пусковой ток А 220в

	59

X1 Ом

	0,071

X2 Ом

	0,16





Рис.6 Схема преобразователя частоты с автономным инвентором напряжения





Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»

2.2. Теоретическое обоснование расчета

Данная схема пч состоит из трех основных элементов: неуправляемого выпрямителя, широтно импульсного преобразователя и автономного инвентора напряжения.

В качестве выпрямителей используют полупроводниковые приборы. Принцип действия этих приборов основан на их свойстве пропускать ток только в одном направлении.

Для изготовления полупроводниковых вентилей используют германий, кремний, селен и другие материалы. Пластины, изготовленные из этих материалов, после внесения специальных примесей имеют слоистую структуру, в которой чередуются проводимости различных типов — электронная (n) и дырочная (р).

В неуправляемых выпрямителях используют неуправляемые вентили — диоды, которые начинают проводить ток, как только к ним прикладывают напряжение, действующее в проводящем направлении. Диоды имеют двухслойную р-n-p-структуру, для них характерна высокая проводимость в прямом направлении и низкая в обратном.

На первых этапах применения полупроводниковых ШИП выбор транзисторной или тиристорной элементной базы основывался на следующих соображениях. Транзисторные ШИП имеют относительно малую мощность, невысокую перегрузочную способность по току (2-2,5 Iном), но позволяют реализовать частоту импульсов до 5 кГц. Тиристорные ШИП более мощные и лучше выдерживают перегрузки по току и напряжению, но позволяют работать с импульсами частотой не более 1 кГц и требуют более сложной схемы управления.

Однако в настоящее время подход к выбору силовой элементной базы ШИП несколько меняется, что объясняется двумя основными факторами. С одной стороны, созданы силовые модули на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором, по мощности и перегрузочной способности практически не уступающие тиристорным и работающие на 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»

частотах до 10кГц. С другой стороны, в настоящее время все более широко выпускаются достаточно мощные запираемые тиристоры, которые в отличие от обычных тиристоров можно и закрыть подачей соответствующего потенциала на управляющий электрод.

Принцип работы транзисторного ШИП основан на использовании транзисторов в ключевом режиме: транзистор пропускает ток при подаче управляющего сигнала и перестает его пропускать после снятия сигнала.

Транзисторные ШИП в первом приближении можно считать идеальными звеньями с бесконечно малой инерционностью и бесконечно малым внутренним сопротивлением и для анализа систем ШИП-Д пользоваться выражениями механической характеритики и передаточной функции, полученной непосредственно для двигателя.

Принцип работы ШИП на запираемых тиристорах не имеет существенных отличий от работы транзисторного ШИП.

Принцип работы ШИП с обычными тиристорами в отличие от транзисторных имеет две основные особенности. Во-первых, в состав тиристорного ШИП входит схема искусственной коммутации, которая должна при питании тиристора от сети постоянного тока в требуемый момент времени изменить полярность на аноде и катоде и запереть тиристор. Связано это с тем, что тиристор после отпирания теряет управляемость и запереть его подачей сигнала на управляющий электрод невозможно. Во-вторых, запирание тиристора требует определенного времени, что не позволяет реализовать относительную продолжительность импульсов ? , достаточно близкую к нулю.

Для питания трехфазных потребителей переменного тока, могут быть использованы автономные инверторы, построенные по тем же схемам, какие применяются для преобразователей постоянного тока. Инвертирование, т.е. преобразование постоянного напряжения в трехфазное переменное напряжение необходимой частоты, осуществляется переключением в определенной последовательности и с заданной частотой ключей (тиристоров, транзисторов) в плечах моста. Форма выходного напряжения 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»

зависит от характера нагрузки и, прежде всего, от закона переключения ключей, т.е. закона коммутации.

Наибольшее распространение для инверторов получила трехфазная мостовая схема. На схеме вентили VT1 –VT6 представляют собой полностью управляемые полупроводниковые вентили (запираемые тиристоры, транзисторы), которые обладают способностью открываться и закрываться под воздействием управляющего сигнала. Практически таким элементом является транзистор, работающий в ключевом режиме, а также тиристор в совокупности с устройством искусственной коммутации. Современные АИН выполняются на основе запираемых тиристоров GTO либо биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT.

При данном варианте ПЧ регулирование напряжения на входе АИ осуществляется с помощью импульсного регулятора на выходе неуправляемого выпрямителя (тиристорного либо транзисторного ШИП), обеспечивающего на выходе напряжение в виде серии прямоугольных импульсов за счет изменения длительности проводящего и непроводящего периодов вентилей.

После фильтрации это напряжение подается на вход автономного инвертора. Импульсные регуляторы имеют большое быстродействие. Они позволяют поддерживать необходимое соотношение U/f на выходе автономного инвертора как для АИТ, так и для АИН, а также высокие значения коэффициента мощности и широкий диапазон регулирования.

Диодный вспомогательный мост не имеет вспомогательных цепей управления и является наиболее простым, дешевым и надежным преобразователем.

Кроме того, наличие нерегулируемого источника тока позволяет осуществить параллельную работу нескольких независимых инверторов и, тем самым, уменьшить стоимость преобразователя для питания многодвигательных электроприводов.



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»

Однако эти схемы приводят к дополнительному преобразованию энергии, к снижению КПД, усложнению преобразователя, а также и невозможности осуществления генераторного режима в приводе.

2.3. Расчет мощности преобразователя частоты (инвертора)

2.3.1.Индуктивное сопротивление асинхронного двигателя:



= =

= =0,014 Ом



2.3.2.Действующее значение полного тока при номинальной нагрузке







2.3.3 Номинально длительно-допустимая мощность инвертора





= 220·13,8·1,001=5,263 кВА



2.3.4 Выбираем преобразователи частоты (инвертора), исходя из следующих данных:

 1,25·5,263=6,57

 кВА







где Кз = 1,25 коэффициент запаса мощности;



 8,3·13,8=114,54



2.3.5 Учитывая перегрузочную способность преобразователя, номинальный ток ПЧ может быть принят:





= = 57,27 А

где  = 2 - коэффициент перегрузки преобразователя частоты.

Полученное значение тока должно быть обеспечено при длительности этой нагрузки в течение 1 минуты. Однако пуск двигателя осуществляется за 1 - 2 секунды. При малых длительностях приложения максимальной нагрузки коэффициент перегрузки ПЧ повышается. Поэтому выбор ПЧ осуществляется по номинальному току и допустимой перегрузке ПЧ.

В соответствии с заданными условиями выбирается преобразователь частоты типа VLT Automation Drive FC-301P3K0T2 Danfoss

со следующими техническими данными:

Sн=4 кВт; Рн=3 кВт; U=240 В; Iн= 12,5 А; f=50 Гц; Imax=42 А

Схема частотного преобразователя представлена в приложении /1/





Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



3. Выбор выпрямителя

3.1 Требуемое напряжение в сети постоянного тока









3.2  Средний ток, потребляемый инвертором









 13,8·А



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»



3.3 Средний ток через ключ АИН





А



3.4 Средний ток через обратный диод





 А



3.5 Активная мощность на выходе инвертора





 кВА



3.6 Активная мощность на входе инвертора





= кВА



3.7 Выпрямленный ток в цепи постоянного тока





 А

3.8 Максимальное выпрямленное напряжение выпрямителя (при ? = 0)





 1,35·220=297 В



3.9 Номинальный (минимальный) угол регулирования выпрямителя







отсюда ?mm = 25,84





Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



Расчет параметров силового фильтра АИН с амплитудной модуляцией

3.10 Эквивалентное сопротивление фильтра в цепи постоянного тока



=

32,68 А



3.11 Эквивалентная индуктивность фильтра





=







=0,3·=0,182

Где:    





488,5·





Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



-

Из каталога выбирают сглаживающий дроссель типа ФРОС – 1000/0,5 УЗ, ТЗ имеющий следующие данные:

Lн=1,6 мГн; Idн=1000 А; ?Uдр=2,2 В

Емкость конденсатора на входе инвертора:





 Ф



где f1=50 Гц максимальная частота напряжения статора двигателя;





А



амплитуда значения первой гармоники тока нагрузки;



sin







Ток конденсатора:



Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист



Расчет электропривода и разработка системы управления якорно-швартовного механизма буксира проекта «758б»





32,68+14,9 =47,58 А



В АИН с ШИМ используется неуправляемый выпрямитель, что также исключает двусторонний обмен энергией между сетью и АИН. В этом случае также необходимо встречно-параллельное подключение второго комплекта выпрямителя, собранного на управляемых вентилях и работающего в режиме инвертора, ведомого сетью. Основное отличие схемы АИН с ШИМ от схемы с управляемым выпрямителем заключается в том, что в данном случае напряжение на выходе в Uu остается постоянным при всех режимах работы привода. Поэтому при работе АД в генераторном режиме будет изменяться только направление тока в звене постоянного тока.

Вследствие этого, в работу будет вступать инвертор, ведомый сетью. Особенностью этого инвертора будет являться то, что он должен работать с постоянным углом инвертирования. Регулирование же напряжения на АД при работе его в генераторном режиме так же, как и при двигательном режиме, осуществляется путем изменения коэффициента модуляции АИН с ШИМ.

Во многих установках эффект от применения рекуперативного торможения оказывается незначительным, в то время, как динамическое торможение обеспечивает удовлетворительные показатели при меньших капитальных затратах.

При динамическом торможении рассеивается энергия вследствие эффекта Джоуля в сопротивлении торможения RT через тормозной транзистор VTt , включенный параллельно с диодом и работающий в импульсном режиме.Этот резистор включается к цепи постоянного тока, когда ее напряжение, вследствие подзаряда сглаживающего конденсатора, повышается до некоторого значения. Включение может осуществляться автоматически с помощью систем управления в зависимости от величины этого напряжения.

Величина сопротивления резистора динамического торможения может быть рассчитана







Изм.

Лист

.......................