Курсовая работа (т): Судовые электроприводы

Судовые электроприводы

Введение

Развитие электрооборудования судов тесно связано с развитием электротехники и электротехнической промышленности и имеет более, чем полуторавековую историю, начало которой положил русский ученый академик Б.С. Якоби. В 1838 году на реке Неве он испытал первое в мире судно с электрической гребной установкой.

Позднее электроэнергия на судах стала использоваться для освещения, а также для питания сигнальных и отличительных огней.

Начало применения электротехники для судовых электроприводов относится к концу XIX в. и связано с установкой электровентиляторов на крейсерах «Лейтенант Ильин» и «Адмирал Нахимов».

В последующие годы процесс электрификации судов непрерывно продолжается, что объясняется ростом надежности электрических машин, их высоким к.п.д., легкостью преобразования электроэнергии в другие виды энергии. Электрифицируются механизмы машинного отделения, бытовые потребители и ряд других установок и механизмов.

В процессе своего развития электрооборудование судов выполнялось как на постоянном, так и на переменном токе, однако начиная с середины XX в. был взят курс на внедрение трехфазного переменного тока, обладающего рядом существенных преимуществ по сравнению с постоянным. Главным из них является высокая надежность электрических машин, а также простота преобразования переменного напряжения в различные уровни напряжения, а также в напряжение постоянного тока.

Современные суда характеризуются высокой степенью электрификации. Электроэнергия широко используется для управления судном, для работы различных вспомогательных и палубных механизмов, для электродвижения, радио- и электронавигационных приборов, для осуществления внутрисудовой связи и сигнализации, бытовых целей.

Последние достижения автоматического управления, вычислительной и полупроводниковой техники сделали возможным автоматизацию всех производственных процессов на судне.

Ориентируясь на некоторые показатели, такие, как среднее количество устанавливаемого электрооборудования и средняя мощность судовых электроустановок, можно констатировать, что в настоящее время уровень электрификации судов непрерывно повышается.

На современных морских судах устанавливаются сотни электрических машин и десятки тысяч электрических аппаратов и приборов, прокладываются сотни километров кабеля. Мощность судовых электростанций достигает нескольких тысяч киловатт, а мощность отдельных электроприводов составляет несколько сотен киловатт. Можно ожидать, что в недалеком будущем некоторые суда будут иметь электростанции мощностью 50-200 МВт.

1. Судовые электроприводы

Судовые электроприводы являются основными потребителями электроэнергии, вырабатываемой судовой ЭЭС.

История развития судового электропривода, начатая в 1838 г. академиком Б.С. Якоби, продолжилась внедрением на ряде крейсеров российского флота - в 1886 г. корабли были оборудованы электровентиляторами.

Первый электропривод рулевого устройства был использован на крейсере «Двенадцать апостолов» в 1892 г., а первая отечественная грузовая электролебедка была установлена на транспортере «Европа» в 1897 г. На протяжении следующих 6-8 лет электрифицируются якорные устройства, насосы, воздуходувки, компрессоры, установки вооружения.

В 1904 г. на Сормовском заводе были спущены на воду дизель-электроходы «Вандам» и «Сармат».

Первые судовые электроприводы выполнялись исключительно на постоянном токе напряжением, не превышающем, как правило, 110 В.

С 1908 г. начинается внедрение судовых электроприводов переменного тока. На минном загородителе «Амур» устанавливаются трехфазные электродвигатели вентиляторов и водоотливных насосов. В 1914 г. на линкорах «Императрица Екатерина Великая» и «Императрица Мария» полностью электрифицируются вспомогательные механизмы с применением электроприводов переменного трехфазного тока.

В период с 1960-го по 1970-е гг. осуществляется переход к использованию на судах электроэнергии преимущественно переменного тока. Важную роль в этом сыграло внедрение многоскоростных асинхронных электродвигателей (серия МАП).

В настоящее время обеспечивается автоматическое управление электроприводами с использованием современной полупроводниковой техники. По мере развития судовых электроприводов наблюдается переход от автоматизации отдельных операций к комплексной автоматизации судовых энергетических систем. В системы управления электроприводом все чаще включаются вычислительные машины, микропроцессоры, с большой точностью осуществляющие операции управления, ранее выполняемые человеком.

.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.1).

Рисунок. 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).

якорный швартовный грузоподъемный электропривод

2. 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 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 КДВ (дистанционного включения). Как в первом, так и во втором случае срабатывает контактор КМ3 и двигатель получает питание от сети.

Рисунок. 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 КП, которое своим нормально-замкнутым контактом включает световую лампу HL2 и звуковую сигнализацию - ревун РВ. Сигнализацию о подаче питания в схему управления обеспечивает лампа HL1.

.1 Электроприводы якорно-швартовных механизмов

Якорно-швартовные механизмы делятся на две основные группы:

) якорно-швартовные и якорные шпили, имеющие вертикальное расположение грузового вала и одну звездочку;

) брашпили, имеющие горизонтальное расположение грузового вала и две звездочки.

Якорно-швартовные шпили подразделяются:

) по скорости выбирания якорной цепи - на нормальные и с повышенной скоростью;

) по конструктивным признакам - на однопалубные (цепная звездочка, механизм и двигатель размещены на одной палубе) и двухпалубные (цепная звездочка и швартовный барабан размещены на одной палубе, механизм и двигатель - на другой); двухпалубные якорно-швартовные шпили могут быть одинарными (с индивидуальным приводом) и соединенными, связанными общим редуктором.

Якорные шпили обычно выполняются соединенными. Калибр их цепей бывает выше 72 мм.

Брашпили по скорости и конструкции подразделяются на нормальные и облегченные. Первые используются на судах морского флота, вторые - на судах речного и озерного флота, где применяются короткие цепи.

.2 Назначение и особенности работы

Якорно-швартовное устройство является одним из наиболее важных судовых устройств, обеспечивающих безопасность эксплуатации судна. Шпилевые и брашпильные устройства предназначены для выбирания и спуска якорей, для выполнения швартовных и других операций. Работа каждого шпилевого и брашпильного электропривода определяется величиной тягового усилия, скоростью выбирания якорной цепи или швартовного троса, длительностью рабочего периода.

С помощью якорно-швартовных механизмов выполняются следующие основные операции:

отдача якоря (посредством электропривода, свободным травлением и свободным травлением с подтормаживанием тормозом звездочки);

стоянка на якоре на тормозе цепной звездочки;

съемка с якоря - подтягивание судна к якорю, отрыв и подъем якоря, втягивание якоря в клюз;

одновременный подъем двух якорей (только для брашпилей) с половины расчетной глубины стоянки при неодновременном их отрыве от грунта;

обеспечение швартовки судна при отжимном ветре 5 баллов.

кратковременный режим работы (20-40 мин); стандартная продолжительность одного цикла принята равной 30 мин;

широкое изменение нагрузки на валу электродвигателя (30-200% номинальной);

возможность стоянки двигателя под током (0,5-1,0 мин);

частые пуски электродвигателя (до 120 пусков и торможений в течение часа) и возможные реверсы;

суммарная продолжительность включения двигателя швартовного механизма за сутки 40-50 мин;

необходимость саморегулирования частоты вращения электродвигателя при изменении момента сопротивления на его валу.

.3 Требования к электроприводам якорно-швартовных механизмов

К электроприводам якорно-швартовных механизмов предъявляются следующие требования:

возможность их использования при заданных условиях погоды и моря;

надежность и безотказность в работе, в частности при колебаниях параметров питающей сети, установленных соответствующими правилами и нормами;

возможность пуска в ход под полной нагрузкой;

поддержание необходимого тягового усилия при малых скоростях выбирания цепи или троса вплоть до полной остановки;

соразмерность максимального усилия тяги, развиваемого исполнительным электродвигателем, с прочностью цепи или троса;

получение нормированных скоростей подъема якоря после отрыва от грунта, выбирания швартов и втягивания якоря в клюз;

способность удержания якоря на весу в случае потери питания электроэнергией;

обеспечение безопасного спуска якоря на заданную глубину;

небольшие масса, габариты и стоимость установки;

удобство и простота управления и обслуживания.