2.1. Определение и классификация электроприводов

Электропривод – это управляемая электромеханическая система, осуществляющая преобразование электрической энергии в механическую и наоборот.

Электропривод состоит из преобразовательного устройства, электродвигателя, механической передачи и управляющего устройства, а его функциональная схема может быть представлена в следующем виде (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Функциональная схема электропривода

Преобразовательное устройство предназначено для преобразования вида электроэнергии (переменного тока в постоянный или наоборот) и ее регулирования (электромашинные, тиристорные, частотные и другие преобразователи). Электродвигатель выполняет роль электромеханического преобразователя, преобразуя подводимую к нему электрическую энергию в механическую. Электродвигатели делятся на машины постоянного и переменного тока.

Механическая передача предназначена для преобразования параметров движения (уменьшения, увеличения частоты вращения, преобразование вращательного движения в поступательное и т.д.). К этим устройствам относятся: редукторы, коробки передач, цепные, ременные, винтовые передачи, барабан с тросом, передача винт-гайка, кривошипно-шатунный механизм и т.д.

Управляющее устройство представляет собой систему управления электроприводом, обеспечивающую ему достаточную степень управляемости и регулирования основных параметров движения.

В составе электропривода могут отсутствовать преобразовательное устройство (двигатель питается непосредственно от сети), или механическая передача (у вентилятора крыльчатка насажена на вал двигателя).

Электроприводы можно разделить на одиночные и многокоординатные.

Одиночным называется электропривод, в котором рабочий орган машины приводится в действие одним электродвигателем (электропривод шпиля).

Многокоординатным или многодвигательным называют электропривод, в котором каждый из рабочих органов машины приводится в движение отдельным электродвигателем. Так в электроприводе грузоподъемного крана механизмы поворота платформы, вылета стрелы и подъема груза приводятся в движение своим электродвигателем. Применение многокоординатного электропривода упрощает кинематическую схему и конструкцию электромеханической системы.

По способу управления электроприводы делят на неавтоматизированные, автоматизированные и автоматические.

Неавтоматизированный электропривод предусматривает участие человека в выработке управляющих воздействий и компенсации последующих возмущений.

Автоматизированный электропривод требует участия человека только в выработке начального управляющего воздействия.

Автоматическим считается электропривод, где роль человека сводится лишь к наблюдению за работой электромеханической системы.

По роду тока различают электроприводы постоянного и переменного тока.

Судовые электроприводы, приводящие в действие судовые механизмы, делятся на рулевые, якорно-швартовные, грузоподъемные, вспомогательные (электроприводы, обслуживающие механизмы главной силовой установки судна).

2.2. Электроприводы рулевых устройств

2.2.1. Основные требования, предъявляемые к рулевым электроприводам

Рулевой электропривод должен обеспечивать:

– перекладку руля с борта на борт на полном переднем ходу при спецификационной осадке судна за время не более 28 с;

– непрерывную перекладку руля с борта на борт на полном переднем ходу при спецификационной осадке судна в течение 30 мин;

– длительную работу при ходе по курсу в режиме не менее 350 перекладок в час;

– изменение вращающего момента электродвигателя в пределах от 0 до 200 % номинального;

– режим стоянки электродвигателя под током в течение 1 мин с нагретого состояния;

– безотказность, надежность и живучесть в течение всего периода эксплуатации судна;

– ограничение момента двигателя при перегрузке или заклинивании руля вплоть до его полной остановки и выхода его на автоматическую характеристику при прекращении перегрузки;

– автоматическое удержание руля на заданном курсе как при отрицательном моменте на баллере, так и при остановке привода без применения механических тормозов;

– удобство, простоту управления и постоянный контроль работы привода;

– возможность управления из разных мест: ходовой рубки, верхнего мостика, румпельного отделения;

– автоматическое ограничение предельных углов перекладки.

Помимо этих требований Международная конвенция требует наличия вспомогательного рулевого привода, который должен быстро включаться, быть достаточно прочным и надежным, иметь возможность преодоления момента на баллере для управления судном при эксплуатационной скорости.

2.2.2. Классификация рулевых электроприводов

Классификационные признаки рулевых электроприводов могут быть весьма разнообразны. Например, приводы могут быть классифицированы по типу передачи, роду тока, по степени автоматизации, по системам управления и т. д.

Основным классификационным признаком, в значительной степени влияющим на характеристики электрооборудования, является тип передачи крутящего момента от электропривода к баллеру руля. В практике применяются приводы двух основных типов – механические и гидравлические.

Механические приводы состоят из систем зубчатых передач, дающих постоянное или почти постоянное передаточное число от баллера руля к валу двигателя и подразделяются на следующие:

– винтовые;

– секторные, применяемые главным образом на судах транспортного флота;

– штуртросовые, имеющие электрическую рулевую машину, устанавливаемую в рубке, и тросовую передачу от нее к баллеру руля. Эти приводы используются преимущественно на речных судах.

Гидравлический привод получил наибольшее распространение и потому является основным на всех судах нашего флота. Эти приводы могут быть разделены на две группы:

1) приводы с постоянно установленной гидравлической системой управления и с изменением направления движения жидкости путем реверсирования двигателя;

2) приводы с насосом переменной производительности, в которых при постоянном направлении вращения двигателя, соединенного с насосом, изменяется направление движения жидкости в системе путем регулирования в самом насосе. Эта группа приводов наиболее распространена.

2.2.3. Системы управления рулевых электроприводов

Управление рулевым устройством в зависимости от типа и системы привода производится различно. В механических и электрогидравлических приводах с реверсивными насосами пуск и реверсирование рулевого двигателя осуществляются обычно с одного из двух (трех) постов управления. Основной пост управления ставится в ходовой рубке. В электрогидравлических приводах для управления рулевым устройством можно изменить направление подачи насоса. В этом случае двигатель вращается непрерывно. Пуск двигателя в данных приводах производится один раз в период подготовки рулевого устройства к действию. Перекладка руля при этом осуществляется изменением направления подачи жидкости насосом.

По принципу управления различают три вида систем управления рулевыми электроприводами: 1) системы простого управления; 2) системы следящего управления; 3) системы автоматического управления.

В системах простого управления для перекладки руля требуется включение двигателя при помощи поста управления (штурвала, рукоятки или кнопки), который остается включенным до тех пор, пока руль не займет необходимое положение. Для возврата руля в прежнее положение двигатель реверсируют тем же способом. Положение руля определяется визуально по шкале рулевого указателя или аксиометра. В этой системе при перекладке руля в сторону от диаметральной плоскости и обратно следует выполнить четыре операции: перекладку поста в сторону, возврат его в среднее положение, перекладку в обратную сторону и возврат опять в среднее положение.

В системах следящего управления угол перекладки руля зависит от направления и угла поворота поста управления. Двигатель при этом включается и работает до тех пор, пока руль не займет положения, соответствующего углу перекладки, после чего останавливается. Возврат руля к диаметральной плоскости осуществляется тем же путем. Наблюдения за рулевым указателем не требуется. Для перекладки руля к борту и обратно требуется провести только две операции: перекладку поста на заданный угол в сторону и возврат поста в среднее положение. Управление приводом руля облегчается.

В системах автоматического управления курс судна задается при помощи специального прибора – авторулевого, который включается в схему управления рулевым электроприводом при ходе судна по курсу. При отклонении судна от заданного курса авторулевой включает рулевой двигатель в направлении, обеспечивающем удержание судна на курсе, и, когда это достигается, останавливает его. Авторулевой осуществляет автоматическое управление рулевым электроустройством и поддерживает курс судна постоянным. При автоматическом управлении судном число перекладок руля уменьшается примерно в 1,5 раза по сравнению с ручным управлением. Кроме того, уменьшается (примерно в два раза) и средний угол поворота руля. Вследствие этого сопротивление движению судна с автоматическим управлением уменьшается, увеличивается скорость хода, сокращается на 2,5–3,0% путь, проходимый судном от места отбытия до места назначения.

Система управления авторулевого (АР) обеспечивает четыре вида управления:

1) автоматическое (авторулевой);

2) следящее (симпатическое);

3) простое дистанционное;

4) ручное (местное).

Система управления следящего действия обеспечивает все указанные виды управления, кроме первого.

2.2.4. Схемы управления рулевыми электроприводами

В зависимости от системы рулевого электропривода, назначения судна, рода тока на судне, требований надежности и живучести могут применяться различные схемы управления рулевыми электроприводами.

Область применения различных схем управления электроприводов в значительной степени определяется мощностью электродвигателя.

Управление рулевым гидравлическим приводом в системе автоматического действия может быть осуществлено теми же схемами авторулевых, что и для механических приводов с воздействием на манипулятор гидравлического насоса.

К схемам рулевых электроприводов предъявляется ряд требований, определяемых главным образом Правилами Регистра и Международной конвенцией.

Питание рулевого электропривода на судах должно осуществляться непосредственно от ГРЩ по двум максимально удаленным друг от друга (обычно они находятся на противоположных бортах) фидерам. Если рулевой электропривод имеет два комплекта двигателей, то каждый питается от своего фидера. На судах, имеющих аварийную электростанцию, электрически связанную с главным распределительным щитом судна, Правилами рекомендуется подключать один из фидеров через аварийную электростанцию, предусмотрев достаточную ее мощность.

Управление пуском приводных двигателей для рулевого преобразователя или насоса переменной производительности (при установке вне машинного отделения) осуществляется дистанционно: у места нахождения двигателя, в рулевой рубке и на главном распределительном щите (если у последнего ведется круглосуточная вахта).

Управление электроприводом руля осуществляется от двух (не менее) постов управления и переключателей постов управления. Переключатель должен подключать только один пост из имеющихся. Резервный пост устанавливается либо в румпельном помещении, либо на юте.

В электрических схемах рулевых приводов Правилами запрещается иметь максимальную и нулевую выключающие привод защиты. Должна быть только защита от коротких замыканий и соответствующая сигнализация. В схемах должны предусматриваться конечные выключатели, ограничивающие предельный по углу ход привода, но допускающие его обратный ход. В следящих автоматических системах ограничение не обязательно.

На рис. 2.2. приведена одна из схем электропривода переменного тока основных насосов гидравлических рулевых машин (для одной машины).

Питание электропривода осуществляется по двум фидерам, разведенным по бортам. При выходе из строя основного фидера от ГРЩ в работу автоматически включается резервный (от АРЩ). Эту операцию выполняет автоматический переключатель питания, выполненный на контакторах КМ1 и КМ2 с электронной блокировкой.

При включении автоматического выключателя QF1 питание подается на схему управления. Пуск двигателя можно осуществлять как из румпельного помещения, так и с поста дистанционного управления. В первом случае переключатель SA переводится в положение М (местное), во втором в положение Д (дистанционное) и включение двигателя насоса производится контактором К_ДВ (дистанционного включения). Как в первом, так и во втором случае срабатывает контактор КМ3 и двигатель получает питание от сети.

Рис. 2.2. Схема электрогидравлического рулевого привода

Защиту электропривода от коротких замыканий осуществляет автоматический выключатель QF1, а во вспомогательных цепях предохранители FU1 и FU2. Для контроля возможных перегрузок электропривода использованы тепловые реле КК1, КК2, работающие на промежуточное реле К_П, которое своим нормально-замкнутым контактом включает световую лампу HL2 и звуковую сигнализацию – ревун Р_В. Сигнализацию о подаче питания в схему управления обеспечивает лампа HL1.