Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство транспорта Российской Федерации

Усть-Кутский институт водного транспорта (филиал)

ФБОУ ВПО «НГАВТ»

Курсовой проект

по дисциплине: «Судовые электроприводы»

Тема: «Расчет рулевого электропривода с электродвигателем постоянного тока на напряжение 220 В для буксирного теплохода - толкача мощностью 2000 лошадиных сил»

Усть-Кут 2014 г.



Задание

Рассчитать рулевой электропривод с электродвигателем постоянного тока на напряжение 220 В для буксирного теплохода - толкача мощностью 2000 л. с. по следующим данным.

1. Водоизмещение D, (в тоннах): ………………………………490

2. Длина судна между перпендикулярами L, (метр): ……………41

3. Ширина судна по мидель-шпангоуту B, (метр): ……………9,46

4. Осадка судна при max загрузке Т, (метр): ……………………2,2

5. Скорость хода без толкаемого состава на чистой воде V, (км/ч):21

6. Максимальный угол перекладки руля max, (град или рад):40 градусов или 0,7 радиан.

7. Время перекладки руля Тп, (сек):……………………………… 30

8. Передаточное число рулевой машины I: ……………………2000

9. КПД рулевой машины: ……………………………………0,33

10. Время работы при переменных курсах (мин): 60

11. Число перекладок за 1 час, N: ………………………………300

12. Средний угол перекладки руля при удержание судна на курсе (градусов или радиан): 5 или 0,05.

Руководитель курсового проекта: И.Я.Сумкина



Раздел 1

Рулевое устройство - это основное средство, обеспечивающее надежное управление судном при любых условиях плавания. Рулевое устройство состоит из руля, рулевого привода, рулевой машинки, аксиометра, а иногда и рулевого указателя. В настоящее время на речных судах применяют поворотные винтовые насадки, подруливающие устройства и активные рули.

Рули бывают - простые, балансирные, полубалансирные. Простыми рулями называются рули, у которых перо находится по одну сторону оси вращения (баллера) и ось вращения совпадает с передней кромкой руля. Балансирными рулями называются рули, у которых перо руля располагается по обе стороны баллера полубалансирный руль - его балансирная часть имеет меньшую высоту, чем все перо руля.

Аксиометр - механический или электрический прибор, служащий для указания угла отклонения пера руля.

Рулевые приводы связывают руль с рулевой машиной, и служит для передачи усилий от рулевой машины на баллер руля.

Рулевые машины бывают ручные, электрические и гидравлические. Ручные рулевые машины просты по конструкции, поэтому их устанавливают на небольших судах и на несамоходном флоте. Гидравлические рулевые машины, несмотря на положительные качества, на речном флоте распространены меньше.

На большинстве современных теплоходов применяют электрические рулевые машины. Их устанавливают в рулевой рубке или румпельном отделении, находящемся в кормовом отсеке судна. Электродвигатель приводится в действие из рулевой рубки с пульта управления, у которого имеется манипулятор. Поворотом рукоятки манипулятора вправо или влево включаются соответствующие контакты, и вал электродвигателя начинает вращаться в правую или в левую сторону, изменяя положение рулей судна. Если рули повернуться на борт до своего крайнего положения, контакты разомкнутся и электродвигатель автоматически выключится. При установке электрических рулевых машин обязательно следует предусматривать резервный ручной привод рулевого устройства.

РЭП является наиболее ответственным электроприводом судна, поэтому к нему предъявляются следующие требования Правил речного Регистра:

1. Перекладка руля с борта на борт от -35 до +35 не более 30 секунд.

2. Число включений должно быть не менее 350 включений в час.

3. Должен допускать превышение вращающего момента на валу до 200% от номинального.

4. Допускается стоянка двигателя под током в течение одной минуты (только для электромеханических РЭП).

5. Непрерывная перекладка руля с борта на борт в течении 30 минут при наибольшей скорости и полной осадке судна.

6. Пусковая аппаратура должна обеспечивать повторный автоматический пуск двигателей при восстановлении напряжения.

7. Световая сигнализация должна указывать на положение пера руля «право», «лево», «диаметральная плоскость», на наличие напряжения в цепи питания РЭП, при отключении РЭП и при перегрузке (тепловая защита работает не на размыкание цепи, а на подключение световой сигнализации).

8. Конечные выключатели должны ограничивать перекладку руля на правый и левый борт и не препятствовать перекладке руля в обратном направлении.

9. Питание электроэнергией должно быть предусмотрено от двух источников с автоматическим переключением.

10. РЭП должны обладать большой надежностью, простотой обслуживания, малыми габаритами и массой, возможностью быстрого перехода на резервное питание за время не более 10 секунд.

К резервным РЭП предъявляются следующие правила:

· Перекладка руля с борта на борт на угол 20 за время не более 60 секунд при полной осадке судна и скорости переднего хода равной 0,6 от наибольшей.

· Продолжительность работы источников питания резервного РЭП должна быть не менее 15 минут.

Раздел 2. Расчет рулевого электропривода

1. Рассчитываем площадь пера руля по формуле:

S=LT/ (м),

где: L-длина судна в метрах;

Т-осадка судна в метрах;

-коэффициент, зависящий от назначения и типа движителей судна, равный для речных винтовых судов 12-22.

S=41*2,2/20=4,51 (м)

Площадь одного пластинчатого руля: S=S/2 (м)

S=4,51/2=2,255 (м).

2. Задаемся размерами пера руля из условной осадки: h<T,

(h=1,2<T=2,2)

где: h-высота руля в метрах;

Т-осадка судна в метрах.

Тогда ширина руля: В= S/h (м),

В=2,255/1,2=1,9 (м).



Форма пластинчатого руля.

3. Сила давления на перо руля определяется по формуле:

где: S-площадь пера руля, м;

U-скорость хода, м/с;

-угол перекладки руля, градус;

С-коэффициент, который у меня равен 195.

Так как по правилам Речного регистра угол перекладки руля не должен превышать 40 градусов, то задаемся значениями угла перекладки руля равными 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 градусов и определяем значения F для данных углов.

3. Заполняем таблицу 1

	sin	0,2+0,3sin		S1v	F, Н
5	0,087	0,226	885	76,7	5905,5
10	0,173	0,252	800	76,7	10615,3
15	0,259	0,278	725	76,7	14402,3
20	0,342	0,303	660	76,7	17312,7
25	0,423	0,327	620	76,7	20115,3
30	0,5	0,35	570	76,7	21859,5
35	0,577	0,372	540	76,7	23898,2
40	0,643	0,393	510	76,7	25152,2

4. По полученным данным строим зависимость силы давления F на перо руля от угла перекладки: [F=f()].

5. Для определения момента на баллере руля необходимо знать силу F давления на перо руля и точку ее приложения С. Расстояние от точки приложения силы давления до передней кромки пера, где укреплен баллер, вокруг которого вращается перо руля, является плечом или радиусом R. Он определяется по формуле:

R=(0,2+0,3sin)*В

Так как величина радиуса R зависит от угла поворота пера руля, то вычисляем его значение для углов =5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 и сводим в таблицу 2.

, град	5	10	15	20	25	30	35	40
R, м	0,4294	0,4788	0,5282	0,5757	0,6213	0,665	0,7068	0,7467

6. По полученным данным строим характеристику R=f()( Приложение 2).

7. Момент на баллере руля: М=F*R (Нм).

Таблица 3

, град	5	10	15	20	25	30	35	40
М, Нм	2535,8	5082,6	7607,3	9966,9	12497,6	14536,6	16891,3	18781,2

8. Момент, создаваемый от двух рулей на оси сектора рулевой машины, рассчитываем по формуле и заносим в таблицу 4:

М=2* М

, град	5	10	15	20	25	30	35	40
М, Нм	5071,6	10165,2	15214,6	19933,8	24995,2	29073,2	33782,6	37562,4

9. По данным таблицы момента от двух рулей строим зависимость М=f().

10. Определяем максимальный момент на валу электродвигателя:

(Нм)

где: -максимальный момент сопротивления на баллере руля, Нм;

I-передаточное число рулевой машины;

-КПД рулевой машины.

==28,46 Нм.

11. Определяем момент на валу электродвигателя при холостом ходе рулевого электропривода:

(Нм)

где:

=0,1: 0,2; принято

(Нм).

12. Определяем момент на стоянке под током:

=1,6* (Нм)

=1,6*26,46=45,54 (Нм).

13. Скорость вращения при холостом ходу электродвигателя:

(рад/сек)

где -максимальный угол перекладки руля в радианах;

Т-время перекладки руля в секундах.

=127,98 (рад/сек).

14. Номинальный момент на валу электродвигателя:

(Нм)

(Нм).

15. Угловая скорость вращения электродвигателя:

а) при моменте холостого хода:

(рад/сек)

(рад/сек);

б) при номинальном моменте:



(рад/сек)

(рад/сек)

(об/мин)

(об/мин).

16. Номинальная мощность электродвигателя определяется:

(Вт)

(Вт)

Выбираю по каталогу электродвигатель постоянного тока напряжением 220 В исходя из условий: кВт, об/мин.

Параметры выбранного двигателя:

Тип двигателя- П42М;

Мощность- 1,78 кВт;

Ток- 11,3 А;

Частота вращения- 750 об/мин;

КПД- 71,0 %;

Наибольшая частота вращения при ослаблении поля- 1500 об/мин;

Маховый момент- 0,178 кг/м.

17. Номинальный момент выбранного электродвигателя определяем по формуле:



(Нм)

(Нм).

18. Момент инерции, приведенный к валу электродвигателя:

(кг/м)

где: - коэффициент, учитывающий моменты инерции всех вращающихся частей рулевого механизма, =1,3-1,6;

-момент инерции выбранного двигателя, кг/м.

(кг/м)

(кг/м)

(кг/м)

Раздел 3. Проверка электродвигателя по режимам работы

Период 1 - включение электродвигателя и его разгон до установившейся скорости при постоянном моменте сопротивления:

а) Время разгона электродвигателя:

(сек)



(сек).

б) Угол, на который будет переложен руль при разгоне:

(рад)

(рад).

в) Среднеквадратичный момент за период работы руля при изменении момента на двигателе от до :

(Нм)

(Нм).

Период 2 - установившееся движение электродвигателя:

а) Время, за которое руль будет переложен от борта до диаметральной плоскости при постоянном моменте сопротивления:

(рад)

(сек)

где -угол перекладки руля при установившемся режиме работы электропривода

(рад)

(сек).

б) Общее время за периоды 1 и 2 работы руля:

(сек)

(сек).

в) Угол перекладки пера руля:

(рад)

(рад).

г) Момент на валу электродвигателя равен моменту холостого хода, так как при перекладке пера руля от борта до диаметральной плоскости силы, действующие на руль, помогают его перекладке:

(Нм)

(Нм).

д) Угловая скорость вращения электродвигателя в течении периода 2 равна :

(рад/сек)

(рад/сек).

Период 3 - работа электродвигателя руля при изменении момента сопротивления от до с изменяющейся скоростью вращения электродвигателя от до .

а) Время перекладки руля с диаметральной плоскости на борт:

(сек)

(сек).

б) Среднеквадратичный момент на валу электродвигателя за период3:

(Нм)

(Нм).

в) Скорость вращения в конце периода 3:

(рад/сек)

(рад/сек).

Период 4 - торможение электродвигателя.

а) Время торможения с учетом момента торможения, который принимаем равным 0,5:

(сек)

(сек).

где m=0,5; J-смотри пункт 18 раздел II.

б) Среднеквадратичный момент пера руля:

(Нм)

(Нм).

в) Угол поворота пера руля за время торможения:

(рад)

(рад).

г) Эквивалентная скорость за период 4:

(рад/сек)

(рад/сек)

Общее время перекладки руля с борта на борт:

(сек)

Т=0,17+11,93+11,32+0,76=24,18 (сек).

Продолжительность перекладки пера руля с борта на борт определяется правилами Речного Регистра: для транспортных и грузовых судов оно должно составлять 25-30 секунд; для ледоколов 15 секунд.

д) Эквивалентный момент при перекладке руля с борта на борт:

(Нм)

(Нм)

Средняя скорость, развиваемая электродвигателем за период перекладки руля с борта на борт:

(рад/сек)

где =1,4 рад/сек.

(рад/сек)

Эквивалентная мощность электродвигателя за период:

(кВт)

(Вт) или (кВт).

По полученным данным раздела 3 построим диаграмму изменения момента и скорости рулевого электродвигателя при перекладке руля с борта на борт.

Вывод: Выбранный мною двигатель проверку по режимам работы прошел, т.к. кВт, что меньше чем у выбранного двигателя ( кВт) и время перекладки пера руля. Т=24,18 сек, что соответствует Требованиям Российского Речного Регистра.



Вывод

Выбранный мною двигатель проверку по режимам работы прошел, и соответствует требованиям РР, так как время перекладки пера руля не превышает 30 секунд и равно 24 секундам.

Схема контакторного управления рулевого электропривода с двигателем постоянного тока.

Схема состоит:

· Двигатель постоянного тока со смешанным возбуждением (компаундный) и динамическим торможением;

· КМ1 - контактор завалки руля вправо;

· КМ2 - контактор завалки руля влево;

· КМ3 - линейный контактор;

· R2 - резистор, защищающий от пусковых токов, смягчает механические характеристики;

· R1 - резистор, разряжающий LM2 от ЭДС самоиндукции;

· R - экономичный резистор, защищает от нагрева LM2 при стоянке двигателя;

· R - резистор, регулирующий яркость ламп;

· R - резистор, защищающий от пусковых токов, обеспечивает динамическое торможение;

· HL1 - лампа индикации завалки руля влево;

· HL2 - лампа индикации нахождения руля в диаметральной плоскости;

· HL3 - лампа индикации завалки руля вправо;

· LM1 - последовательная обмотка возбуждения двигателя;

· LM2 - параллельная обмотка возбуждения двигателя;

· KM1.1, KM1.2, KM1.3, KM1.4 - контакты контактора KM1;

· KM2.1, KM2.2, KM2.3, KM2.4 - контакты контактора KM2;

· KM3.1, KM3.2 - контакты контактора KM3;

· ПР2 - предохранитель силовой цепи;

· ПР1 - предохранитель потребительской сети;

· SQ1 - контакт, размыкающийся при достижении пером руля крайнего левого положения;

· SQ2 - контакт, размыкающийся при достижении пером руля крайнего правого положения;

· SQ3 - контакт, размыкающийся при отклонении пера руля от диаметральной плоскости.

Работа схемы.

Рукоятка в положение «вправо». Получают питание контакторы КМ2 и КМ3. Размыкаются контакты КМ2.2 и КМ2.3 (блокирует включение контактора КМ1). Замыкаются контакты КМ2.1, КМ2.4 (включает лампу индикации завалки руля вправо HL3), КМ3.1, КМ3.2 (выводит резистор R), КМ3.3. Получает питание обмотка последовательного возбуждения LM1. Двигатель включается и производит перекладку руля вправо.

Яркость горения ламп индикации завалки руля можно регулировать резистором R. Для остановки двигателя переводим рукоятку в положение «0». При этом все контакторы отключаются, размыкаются контакты КМ2.1, КМ2.4, КМ3.1, КМ3.2, КМ3.3, замыкаются контакты КМ2.2 и КМ2.3.

Двигатель крутится по инерции, а резистор R включается в работу и ограничивает тормозной ток.

Разрядный резистор R гасит ЭДС самоиндукции в LM2, которая возникает при отключении LM2 от сети.

рулевой электропривод судно ток

Раздел 4. Расчет тормозного резистора динамического торможения

В режиме динамического торможения якорная обмотка отключается от сети и замыкается на тормозной резистор, а обмотка возбуждения остается включенной в сеть. В этом случае в якоре, который вращается по инерции, по-прежнему индуцируется эдс (-Е), и ток

I= создает тормозной момент Мт.

Для определения сопротивления тормозного резистора Rт необходимо задаться значением тормозного тока I_т, который обычно принимают не более (2-3) I_ном выбранного двигателя .

Сопротивление резистора динамического торможения рассчитывают, исходя из того, чтобы пик тока якоря при торможении был равен 2 I_ном , предполагая, что двигатель начал тормозить со скорости в начале торможения равной номинальной, т.е. n_т = nном.

Сопротивление динамического торможения определяют по формуле:

Rт = * - R_я

Где n_о - скорость холостого хода, об/мин;

n_о = n_ном

₀ (об/мин)

где R_я =0,5 *(1-Ю_ном) - сопротивление якоря ,Ом.

_я(Ом)

Ю_ном = 0,71 - кпд двигателя при номинальной нагрузке.

Динамическое торможение в схеме РЭП необходимо для быстрой остановки электродвигателя для последующей перекладки руля на другой борт. Для ограничения тормозного тока в схеме РЭП применяется резистор R.

Раздел 5. Выбор аппаратуры для схемы

При выборе аппаратуры для схемы электропривода должны быть удовлетворены следующие требования:

1) Рабочее напряжение сети , при котором будет работать аппарат, но не должно превышать номинального напряжения аппарата U, то есть такого напряжения, на которое этот аппарат рассчитан:

U

2) Рабочий ток силовой сети, в которую включаются элементы главной цепи аппарата, не должна превышать номинального тока аппарата:

3) Номинальная продолжительность включения аппарата должна быть больше или равна действительной продолжительности включения , полученной расчетным путем:

4) Допустимая (номинальная) частота включения аппарата должна быть больше действительной (рабочей) частоты , включающей его при работе электропривода:

Особенности выбора некоторых аппаратов производится ниже:

Выбор плавких предохранителей.

Плавкие предохранители применяют для защиты электрических цепей с практически неизменными режимами работы. Плавкие предохранители обеспечивают защиту только от токов короткого замыкания.

На электрораспределительных устройствах плавкие предохранители устанавливаются для защиты цепей напряжения измерительных приборов, аппараты сигнализации, аппаратуры управления и т.д.

Номинальный ток I_п.в.ном плавкой вставки выбирают в этом случае по расчётному току защищаемой цепи i_р, причём I_п.в.ном >i_р. Затем выбирают патрон предохранителя так, чтобы он позволял размещать в нём выбранную плавкую вставку.

Для защиты цепей, питающие электродвигатели, плавкие вставки предусматриваются с учётом пусковых токов электродвигателей, а именно

I_п.в.ном ? k_i i_р,

где _- k_i коэффициент, учитывающий пусковой режим электродвигателей;

i_р- рабочий ток электродвигателя

Значение коэффициента k₁ зависит от кратности пускового тока электродвигателя_, условий пуска и частоты включения.

Можно рекомендовать следующие приближённые значения коэффициента:

k_i=1,5 - для двигателей постоянного тока и асинхронных двигателей с фазным ротором;

k_i =2,5 - для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором при редких пуска моменте инерции электропривода

k_i = 3 - для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором при частых пусках и при большом инерции электропривода

Следует иметь в виду, что время срабатывания предохранителя мало, а разброс параметров значителен. Поэтому в цепях, содержащие предохранители, трудно обеспечить селективность защиты.

Рассчитываем ток плавкой вставки:

I_п.в.ном= 1,5 *11,3=17 А

Из каталога выбираем предохранители:

Тип : ПР-2 (1габарит)

Ток патрона : 60 (А)

I_п.в. = 20 (А)

Допустимое значение ударного тока : 1800 (А)

Выбор автоматических выключателей.

Автоматические выключатели, защищающие электрические двигатели постоянного тока рулевых устройств от токов короткого замыкания, должны иметь уставки на мгновенное выключение при токе не менее 300% и не более 400% номинального тока защищаемого электрического двигателя, а для двигателей переменного тока - на мгновенное выключение при токе приблизительно 125% наибольшего пускового тока защищаемого двигателя.

Номинальный ток I_а.ном автоматического выключателя определяется по расчётному току I_расч фидера:

I_а.ном? I_расч

Рассчитываем допустимый ток автоматического выключателя:

I_а.ном= 3*17=51

Из каталога выбираем автоматический выключатель:

А31-13/Р

1 - первая величина (А)

3 - двухполюсной выключатель в габарите 3х-полюсного.

Р - регистровский.

А3113Р - комбинированный I_{ном.выкл.}=60 (А)

Выбор контакторов.

Контакторы выбирают по количеству, роду, значению тока и напряжения главных контактов, по роду тока и значению напряжения втягивающих катушек, по количеству и виду вспомогательных контактов.

Для контактора КМ3 в схеме:

КМ3-221

2 - число и исполнение главных контактов.

2 - род тока (постоянный)

1 - величина тока, 25 (А)

Для контактора КМ2 в схеме:

КМ2-621

6 - число и исполнение главных контактов

2 - род тока (постоянный)

1 - величина тока, 25 (А)

Для контактора КМ1 в схеме:

КМ1 - 221

2 - число и исполнение главных контактов

2 - род тока (постоянный)

1 - величина тока, 25 (А)

Тип размер	Ток, А	Мощность втягивающей катушки, Вт
	Номинальный ток	В режиме	Номинальный включения	Номинальный отключения	Максимальный включения	Максимальный отключения	Предельный включения
								При включении	Во включенном состоянии
		30 минут	5 минут	ПВ = 40 %
I	25	30	35	30	62,5	25	100	100	625	460	9

Выбор командоконтроллера.

Для установки на палубе судна на тумбе. Каждое из этих исполнений может иметь до 12 цепей. Допустимый длительный ток контролеров 10 А. Коммутационная способность контроллеров допустимый включенный ток 50 А; допустимый отключенный ток переменном токе и напряжении 380 В равен 5 А, при постоянном токе, напряжении 220 и индуктивной нагрузке - 1 А.

Выбор конечных выключателей.

ВУ500

Номинальный ток: 20; Допустимый включаемый ток : 100; допустимый отключаемый переменный ток : 10 / постоянный ток : 1; коммутационная износостойкость, циклы : при постоянном токе : 200000; механическая износостойкость : 600000.

Выбор сигнальных ламп.

ИН1.

Ток: 2,5; длина: 65; минимальное напряжение: 300; диаметр 30,5.

Применение: в приборах для полей сигнализации.



Заключение

Во время курсовой работы я рассчитал рулевой электропривод с электродвигателем постоянного тока на напряжение 220В для буксирного теплохода-толкача мощностью 2000л.с. по полученным мной данным. По полученным расчетам я выбрал электродвигатель для рулевого электропривода:

Тип: П42М

Частота вращения: 750 об/мин

Мощность: 1,78 кВт

КПД: 71,0%

Ток: 11,3 А

Следовательно, мой подбор электродвигателя верен. Далее я начертил схему работы электродвигателя и подобрал для нее аппаратуру.

Курсовой проект показал, что выбранный мной электродвигатель оптимально подходит для электропривода рулевого устройства постоянного тока для буксирного теплоход-толкача мощностью 2000л.с.



Список литературы

Основы расчета и проектирования судовых электроэнергетических систем. Учебное пособие. В.М. Зырянов, О.П. Кузьменков, А.Б. Мосиенко, Новосибирск,2005г

Выполнение электрических схем по ЕСКД [Текст] / С.Т. Усатенко, Т.К. Коченюк, М.В. Терехова. Справочник изд. стандартов, 1992.

Речной Регистр РФ [Текст]. Правила классификации и постройки судов внутреннего плавания. Часть III. Электрическое оборудование. М.: Транспорт, 2002.

Справочник судового электротехника / Под ред. Г.И. Китаенко. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение. - 1980. Т.2. Судовое электрооборудование. - 1980. - 624 с.

Судовое электрооборудование [Текст]: Номенклатурный каталог. -М.: Информэлектро, 2002. - 18 с.

Справочник судового электромеханика и электрика Н.Н.Роджеро -М, Транспорт,1986 г.

Курсовое проектирование судового электропривода. В.М. Соломатин, М, Высшая школа,1972г.

Типовые расчеты по электрооборудованию. В.И. Дьяков, М, Высшая школа,1991 г.

Электрооборудование и радиосвязь речных судов. Т.Т. Самодолов, М, Транспорт,1981 г.

Размещено на Allbest.ru