4 Электроприводы грузоподъемных механизмов промысловых судов

4.1 Общая характеристика судовых грузоподъемных устройств и требования к их электроприводам

Под термином «грузоподъемное устройство» понимается комплекс механизмов, оборудования и конструкций, предназначенных для переработки различных грузов. На судах транспортного флота основные погрузочно-разгрузочные работы выполняются либо с помощью грузовых стрел, обслуживаемых лебедками, либо кранами.

На судах ФРП больше всего распространен привод грузовых лебедок с реверсированием ИД и регулированием его частоты вращения.

По системе управления они делятся на:

- контроллерные с местным управлением,

- релейно – контакторные с дистанционным управлением,

- по системе Г – Д.

4.2 Нагрузочные диаграммы электродвигателя механизма подъема грузовой лебедки

В зависимости от способов производства грузовых операций бывает работа одной лебедки (рис.4.1), двух лебедок на один гак, последовательная работа двух лебедок (рис.4.2).

Работа одной лебедки:

Рисунок 4.1 – Диаграмма работы грузовой лебедки

t₁ – подъем груза при М₁;

t₃ – спуск груза при М2;

t₅ – подъем гака при М3;

t₇ – спуск гака при М4;

t₂ – перевод стрелы с грузом;

t₄ – отсоединение стропов от груза;

t₆ – перевод стрелы с холостым гаком от люка к борту;

t₈ – застропливание груза.

Совместная работа двух лебедок:

Рисунок 4.2 – Диаграмма работы двух лебедок

t₁ - подъем груза первой лебедкой над люком, вторая работает – выбирает слабину шкентеля;

t₂ – груз перемещается от люка к борту и передается от первой ко второй лебедке;

t₃ – спуск груза за борт второй лебедкой, первая – притормаживает;

t₄ – освобождение стропов от груза;

t₅ – подъем холостого гака второй лебедкой, первая выбирает слабину;

t₆ – перемещение гака от борта к люку первой лебедкой, вторая травит трос;

t₇ – спуск холостого гака первой и вторая травит шкентель;

t₈ – застропливание груза.

4.3 Расчет и выбор исполнительного двигателя электропривода лебедки

Пуск ИД лебедки часто происходит при полном грузе. В связи с этим двигатель должен развивать динамический момент М_д.

Полный вращающий момент ИД при пуске:

М = М_с + М_д = М_с + j_д .

Статический момент при спуске груза:

М_с = [(G_гр + G₀ ) ](2 - ),

где G_гр - масса номинального груза;

G₀ – масса гака;

Д_б – диаметр барабана лебедки;

i - общее передаточное число механизма;

η – КПД механизма лебедки.

Динамический момент затрачивается на ускорение инерционных масс привода:

М_д = сG ,

где с = 1,1÷1,2;

t_д – время разгона до установившихся оборотов;

n – обороты.

G .

Тогда:

М = М_с + сG .

Для торможения груза:

М_т = сG ,

где t_T – время торможения.

Для двигателей постоянного тока необходимо обеспечить:

М_п = ( 2 – 2,5 )М_н.

Для АД с короткозамкнутым ротором:

М_п = (1,8 – 2)М_н.

Время разгона исполнительного двигателя до установившейся частоты вращения:

t_д = G ,

G = с G + G .

Время торможения принимают t_T = t_д.

Для определения t_д и t_T для различных моментов нагрузки необходимо иметь характеристику ИД.

По заданной средней номинальной скорости подъема полного груза v_ном определяют требуемые обороты и мощность:

n_ном = 60iv_ном /(2πR_б) = 9,55iv_ном /R_б,

Р = М_сномn_ном /9550кВт.

По мощности и оборотам выбирают двигатель с необходимым ПВ и для дальнейших расчетов используют его механическую характеристику и каталожные данные. При выборе АД с короткозамкнутым ротором необходимо его проверить на допустимое число пусков и торможений. ПВ для механизмов подъема грузовых лебедок на переменном токе рекомендуется 40%, а коэффициент перегрузки λ = 0,8.

Номинальный требуемый вращающий момент:

М_ном = λ ,

где М_сном – статический момент номинальной нагрузки;

λ = 0,8 – коэффициент перегрузки;

ξ_н.д. – ПВ выбранного двигателя;

ξ_н.мех – ПВ механизма (лебедки);

М_ном должен быть ≤ М_н.дв.

4.4 Схемы управления электроприводами грузовых лебедок

4.4.1 Схема контроллерного управления грузовой лебедкой с ДПТ

При контроллерном управлении (рис.4.3) включают рубильник П1 в цепи РН. РН получает питание в "О" положении контроллера через контакт I и шунтирует его своим контактом РН. Кроме того ШОВ запитывается через R8 – R11.

В положении 1 на подъем замыкается контакт II, запитывая "Кл" и РС1, которое от действия магнитного потока одной катушки РС1 не сработает. Контакт V шунтирует R10 – R12 и магнитный поток ШОВ растет до номинального. Контакт III запитывает ТЭМ и двигатель растормаживается. Контакты VIII и XI подают питание на Д через R1 – R5 и параллельное сопротивление R6 – R7. Электродвигатель включен по искусственной схеме шунтирование якоря, необходимой для возможности работы с ползучей скоростью.

Во положении 2 контакт Х отсоединяет R6 и R7.

В положениях 3, 4 и 5 замыкаются поочередно XIV, XV и XVI шунтируя ступени сопротивлений и Д работает на естественной характеристике.

В положении 6 размыкаются V и VII и в ШОВ вводятся R8 – R12, магнитный поток уменьшается, а скорость подъема груза увеличивается.

В положении "О" замкнут Х и происходит динамическое торможение и тормозом ТЭМ.

Спуск.

В положении 1: контакты II, III, V, VII и Х замыкают цепи аналогично подъему. Замыкаются IX и XII. Через R6, R7 и R1 создается контур динамического торможения. Направление тока в якоре изменится и осуществляется тормозной спуск тяжелых грузов.

Тяжелые грузы опускаются медленно. Спуск легких грузы или спуск гака не возможен, т.к. "Д" не развивает вращающего момента.

Во положении 2: Размыкается XII и замыкается XIII. Электродвигатель включен по схеме безопасного спуска. Направление тока в "Д" изменяется и тормозной спуск тяжелых грузов осуществляется с увеличенной скоростью и силовой спуск легких грузов и холостого гака - с малой скоростью.

В положении 3: Замыкаются ХIV и размыкаются Х, вследствие чего эта цепочка выключается и в дальнейшем в работе не участвует.

Одновременно в цепи ШОВ замыкается IV, шунтируя сопротивления, увеличивая этим магнитный поток. При спуске легких грузов развивается двигательный момент, а в случае тяжелых – тормозной режим с рекуперацией энергии в сеть.

В положении 4: IV размыкается, магнитный поток ШОВ уменьшается, одновременно замыкается ХV, шунтируя часть сопротивлений в цепи якоря. В результате "Д" увеличивает скорость спуска груза.

Кон- такты

Спуск

Подъем

6

5

4

3

2

1

0

1

2

3

4

5

6

I

X

II

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

III

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

IV

X

V

X

X

X

X

X

X

X

X

X

VI

X

X

VII

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

VIII

X

X

X

X

X

X

IX

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

XI

X

X

X

X

X

X

XII

X

X

X

X

X

XIII

X

XIV

X

X

X

X

X

X

X

X

XV

X

X

X

X

X

X

XVI

X

X

X

X

Рисунок 4.3 - Схема контроллерного управления грузовой лебедкой с ДПТ

В положении 5: размыкаются V, уменьшая поток ШОВ и замыкаются XVI, шунтируют R4 и R5. Скорость спуска груза увеличивается.

В положении 6: размыкается VI и в цепь ШОВ вводится еще одна ступень резистора. Скорость спуска груза повышается до максимальной.

Последние два положения предназначены в основном для спуска пустого гака и легких грузов. Если груз большой и скорость возрастет до опасной, реле РС ограничивает скорость, а также в случае ошибочного включения контроллера. Т.к. через РС2 пойдет большой ток. Параллельно XI включено большое R0 – R1, что увеличивает поток "Д" и уменьшает его скорость при спуске груза.

РМ – защита от к.з.

РН – минимальная защита.

Однако нулевая и минимальная защита при тормозном спуске не обеспечивается, т.к. "Д" работает в генераторном режиме и питает ТЭМ и цепи управления. При этом возможно падение груза. Остановку следует делать постановкой контроллера в нулевое положение или отключением главного автомата от сети.

4.4.2 Схема управления лебедкой с двигателем переменного тока

Цепь управления (рис.4.4) кроме тормозного контактора КТ и реле РН, работает на постоянном токе. Двигатель обеспечивается принудительной вентиляцией.

В положении "О" при включении ВУ и АВ загорятся ЛС. Через КВ1 и КВ2, РТ2 и РТ3, К9, РТ1 получает питание РН, которое шунтирует К9 и запитывает СВ2 и от него получают питание РВ1 и РВ2 в цепи тормозного электромагнита ТМ и разрывает цепь СР. РВ2 шунтирует К5 в цепи М и разрывает цепь «Б».

Подъем.

Положение 1: замкнуты К2, К4, К5, К8, К10, К11. Через К4 запитывается "П" (подъем), который замыкает цепь силовую и готовит цепь М, СР, Б и разрывает цепь "С" (спуск). Через К5 запитывается М, который включает "Д" на малую скорость. Через блок – контакт "М" запитывается КТ, замыкающий цепь ТР1, подающий питание на ТМ, и цепь "П" через К2, а также разрывает цепи через К4 и К3. Второй блок – контакт "М" разрывает цепь РВ1, один контакт которого с выдержкой времени введет R2 в цепь ТМ, а второй подготовит цепь СР.

Положение 2: замкнуты К2, К4, К6, К8, К11. Через К6 получит питание СР и подключит обмотку двигателя на вторую скорость. Блок- контакт СР в цепи РВ1 и РВ2 размыкается и РВ2 начнет осуществлять выдержку времени. Второй блок – контакт СР разорвет цепь "М", третий обеспечит питание КТ. Через СВ3 получит питание РВ3, которое шунтирует контакты М и СР в цепи КТ и шунтирует контакт КТ в цепи К2. РВ2 после окончания выдержки времени закроет контакт в цепи Б и откроет в цепи М.

В положении 3: замкнуты К2, К4, К6, К7, К8, К11. После окончания выдержки времени РВ2 при замыкании К7 запитывается Б, который переключит "Д" на 3^ю скорость и разомкнет цепь цепь СР.

Рисунок 4.4 – Схема управления лебедкой с двигателем переменного тока

№ Конт.	Спуск			0	Подъем
	3	2	1		1	2	3
1	X	X	X	X
2				X	X	X	X
3	X	X	X
4					X	X	X
5			X	X	X
6	X	X				X	X
7	X						X
8	X	X	X		X	X	X
9				X
10			X	X	X
11				X	X	X	X
12	X	X	X	X

Рисунок 4.5 – Таблица замыкания контактов поста управления

Одновременно получит питание РВ4 и разомкнет цепь РВ1 и РВ2. При размыкании блок-контакта Б в цепи СР реле РВ3 теряет питание от СВ3, но получит его от СВ4.

Спуск.

Работает схема аналогично, но запитывается "С". При переходе с большой на среднюю скорость происходит торможение "Д" с отдачей энергии в сеть. Переход Д с большой на малую скорость происходит постепенно. После размыкания К7 лишается питания Б, который замыкает цепь СР и М. Одновременно К7 размыкает цепь РВ4. К6 в 1м положении разомкнут, но СР будет под напряжением, пока не закончится выдержка времени у РВ4. Кроме того, под напряжением будет и "М". Притормаживание Д произойдет на двух скоростях в течение времени срабатывания РВ4. В нулевом положении Д отключается от сети, тормозится и останавливается.

4.4.3 Функциональная схема грузовой лебедки на аналогово-блочных устройствах

Это схема (рис. 4.6) вентильного привода с системой подчиненного регулирования и последовательной коррекции.

Рисунок 4.6 - Функциональная схема грузовой лебедки на аналогово – блочных устройствах

1) Аналоговое запоминающее устройство для ограничения скорости при спуске, зависящего от частоты вращения.

2) Датчик тока.

3) Задатчик частоты вращения.

4) Задатчик интенсивности.

5) Регулятор частоты вращения.

6) Функциональный блок эталонного значения скорости с пределами, зависящими от частоты вращения и тока возбуждения.

7) Регулятор I_а.

8) Система фазового управления тиристорного преобразователя.

9) Тиристорный преобразователь (выпрямитель).

10) Блок опрокидывающейся функции для переключения предела I_а со 160 до 100% (при повышении номинальной частоты вращения).

11) Датчик напряжения цепи якоря.

12) Блок ограничения эталонного значения I_в.

13) Регулятор напряжения в цепи якоря.

14) Регулятор I_в.

15) Система фазового управления тиристорным преобразователем в цепи возбуждения.

16) Тиристорный преобразователь цепи возбуждения.

17) Обмотка возбуждения.

18) Датчик тока цепи возбуждения.

Д – двигатель;

ТГ – тахогенератор;

U_зад.ч. и U_о.с.ч – заданное и текущее значение частоты вращения;

U_зад.т и U_о.с.т – заданное и текущее значение тока якоря;

U_зад.в и U_о.с.в - заданное и текущее значение тока возбуждения;

U_зад.н и U_о.с.н - заданное и текущее значение напряжения на якоре.

Работа схемы.

Задатчиком 3 устанавливается направление вращения и значение скорости.

Задатчик 4 предотвращает скачкообразные изменения эталонного значения частоты вращения на выходе регулятора 5.

В режиме спуска максимальная величина эталонного значения частоты вращения уменьшается пропорционально воздействующему на двигатель моменту нагрузки. В установившемся режиме ток якоря соответствует значению нагрузочного момента.

К началу каждой операции пуска ток в якорной цепи должен измеряться при небольшой частоте вращения, меньшей номинальной и при номинальном токе возбуждения. На основе этой информации формируется сигнал, который ограничивает задаваемое задатчиком значение частоты вращения настолько, насколько это необходимо при действующем в данное время моменте сопротивления. Для реализации этого условия система содержит аналоговое запоминающее устройство нагрузки. Заданное и фактическое значения частоты вращения сравниваются на входе регулятора частоты вращения 5.

Передаточная функция регулятора частоты вращения:

U_вых = - U_вхК(1 + рТ₁)/(1+ рТ₂),

где U_вых и U_вх – выходное и входное напряжения;

К – коэффициент усиления регулятора;

Т₁ и Т₂ – постоянные времени регулятора.

Эта характеристика получается в результате соединения пропорционального и пропорционально – интегрального звеньев.

Выходной сигнал регулятора частоты вращения 5 в качестве эталонного значения якорного тока подается в подчиненный контур регулирования тока. Значение тока ограничивается блоком 6 с учетом электрической нагрузки приводного двигателя и требований к динамике регулирования привода.

Для получения избыточного момента при ускорении и торможении в диапазоне частоты вращения 0 > n ≤ n_н устанавливается предельное значение тока, равное 1,6I_н.

В диапазоне n_н < n ≤ 2 n_н привод работает с постоянной мощностью, т.к. граничное значение якорного тока = I_н. Выше 2 n_н предел якорного тока непрерывно уменьшается в зависимости от тока возбуждения двигателя – 0,67 I_н при 4 n_н. Предельная функция тока формируется блоком "6" в который от блока 10 вводится сигнал, изменяющийся от 1,6 I_н до I_н при превышении номинальной частоты вращения. Далее вступает в действие линия сигнала тока возбуждения от блока 18. Выходной сигнал регулятора тока вводится в качестве управляющего напряжения в систему фазового управления 9. На входе регулятора напряжения 13 текущее значение напряжения сравнивается с постоянным заданным значением, соответствующим номинальному значению якорного напряжения. Выходной сигнал регулятора напряжения является задающей величиной для тока возбуждения. Пока напряжение на якоре не достигло номинального значения, на регуляторе 13 имеется большой сигнал рассогласования, величина которого срезается блоком ограничения тока возбуждения 12 до номинального значения. Если напряжение на якоре будет превышать номинальное, поскольку частота вращения возрастает сверх номинального значения, то рассогласование по напряжению якоря, а тем самым и заданные значения тока возбуждения уменьшаются.

Вследствие этого соответственно уменьшается и ток возбуждения.