CC BY
37
Averbukh Mikhail Alexandrovich doctor of technical sciences, professor, avers45@rambler. ru, Russia, Belgorod, Belgorod state technological University named after V.G. Shukhov,
Drokin Pavel Sergeevich, master, pashadrokin@,mail. ru, Russia, Belgorod, Belgorod state technological University named after V. G. Shukhov,
Prokopishin Dmitry Igorevich, postgraduate, prokopishin. dmitrij@yandex. ru, Russia, Belgorod, Belgorod state technological University named after V.G. Shukhov,
Pogorelov Alexey Vladimirovich, postgraduate, pog_alex31 @,mail. ru, Russia, Belgorod, Belgorod state technological University named after V.G. Shukhov
УДК 621.12
ТОРМОЗНЫЕ РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЯКОРНОГО
МЕХАНИЗМА
В.С. Иванов, О.М. Федоров
Рассматривается частотно-регулируемый электропривод якорно-швартовного механизма в режиме отдачи якоря электроприводом. В режиме тормозного спуска якоря рассчитывается посадочный момент исполнительного электродвигателя и посадочная скорость якоря на грунт. Приводятся расчет и выбор тормозных резисторов.
Ключевые слова: судовой, якорный механизм, частотно-регулируемый электропривод, тормозные характеристики электродвигателя и якорного механизма.
Якорные механизмы предназначены для отдачи якоря и якорной цепи при постановке судна на якорь; стопорения якорного каната при стоянке судна на якоре; снятия с якоря - подтягивания судна к якорю, выбирания цепи и якоря и втягивания якоря в клюз. Рабочим органом якорного механизма является цепной кулачковый барабан или цепная звездочка.
По требованию Регистра РФ якорные механизмы должны изготовляться с оборудованием для контроля и управления отдачей якорной цепи (в полном объеме или частично):
дистанционными репитерами счетчиками длины вытравленной якорной цепи;
указателями скорости травления якорной цепи;
устройствами автоматического подтормаживания якорной цепи при травлении;
устройствами дистанционного управления тормозами цепных звездочек.
Отдача якоря может производится при разобщенном электроприводе за счет собственного веса якоря с ручным или автоматическим подтор-маживанием посредством ленточного тормоза или с помощью электропривода. Наибольшее распространение получили якорно-швартовные механизмы в виде брашпилей или полубрашпилей. На рис.1 представлен полубрашпиль рефрижератора «Baltic Spring».
467
Рис. 1. Полубрашпиль рефрижератора «Baltic Spring»
В состав ЯШМ входят: якорно - швартовная лебедка с редуктором и электродвигателем; цепная звездочка; ленточный тормоз с ручным управлением; швартовный барабан; швартовная турачка; пост управления. Технические данные: Якорная часть:
калибр якорной цепи - 54 (мм); номинальное тяговое усилие - 50,4 (т- с); номинальная скорость выбирания цепи - 9 (м/мин); удерживающая сила тормоза - 335,7 (т- с). Швартовная часть:
номинальное тяговое усилие - 25 (т с); номинальная скорость выбирания каната - 15 (м/мин); скорость выбирания свободного каната - 45 (м/мин); удерживающая сила тормоза - 76,8 (т- с).
Частота вращения и направление регулируются с местного поста управления, расположенного посередине между полубрашпилями. Полубрашпили правого и левого исполнения, располагаются на верхней палубе вместе с приводом и передачей.
На якорно-швартовных устройствах судна «Baltic Spring» установлен электродвигатель HANSA 112M06 - 8/28/28 - трехскоростной, двухо-бмоточный, полюсопереключаемый. Релейно-контакторная схема управления обеспечивает двухступенчатый разгон и одноступенчатое торможение. Технические данные электродвигателя:
номинальная мощность (Рн) - 8/28/28 кВт; напряжение сети - 440 В; частота сети - 60 Гц;
номинальная частота вращения (пн) - 435/1770/3510 об/мин; степень защиты - IP 56;
режим работы - S2-5/30/10 мин или S3-25%/25%/15%; класс теплостойкости изоляции - F; коэффициент мощности - 0,48/0,74/0,9; номинальный ток - 34/50/51 А; нагревательный элемент - 220-230 В, 110 Вт.
На больших глубинах отдача якоря производится при неразобщенном электроприводе. При этом вначале обычно имеет место силовой спуск якоря. После того как масса выданной на клюз якорь-цепи вместе с якорем
становится достаточно большой, начинается прокручивание передаточного механизма и якорного электродвигателя. Электропривод переходит в тормозной режим (тормозной спуск якоря). В числе основных показателей, характеризующих работу ЭП в режиме отдачи якоря, являются: длина якорь-цепи на клюзе, при которой начинается самоотдача якоря с переводом электродвигателя в тормозной режим и максимальная скорость спуска якоря при приближении его к грунту (скорость посадки якоря на грунт).
Длина якорь-цепи на клюзе, при которой начинается самоотдача якоря, определяется по изменению знака нагрузочного момента на валу ИД. Эта смена знака зависит от изменения по величине и соответственно по знаку обратного КПД передаточного механизма. Прямой КПД передаточного механизма (Ппер) подчиняется графической зависимости
П
пер
/
Г Т N Т г
Т
К1 н У
(рис.2).
Рис. 2. Определение при спуске якоря тянущей силы, отвечающей переходу ИД в тормозной режим
Знак активного момента нагрузки на цепной звездочке является положительным и не изменяется. Нагрузочный момент на валу ИД при спуске якоря определяется выражением:
Ыг =
м
звг
Пк п
пер
Т • • Я
_ 1кг "зв
пк • Лпер ,
г г
где Мзш - момент на цепной звездочке, Н- м; г - передаточное отношение редуктора; Ткг- - сила натяжения якорной цепи у клюза, Н; Язв - радиус цепной звездочки, м; Пк- - обратный КПД клюза:
Пк- = 2 - 1/ Пк = 2 - / = 0,72^0,65, где Пк - прямой КПД клюза (0,75^0,85); /к - коэффициент трения цепи о клюз (1,2^1,3); Ппер- обратный КПД передаточного механизма (редуктора):
п
пер
= 2--
1
п
=/"(Т/Тн).
пер
Номинальное значение КПД передачи следует относить к номинальному натяжению в якорной цепи у клюза, соответствующему номи-
р
нальному моменту вращения ИД (Мн = 9,55—), исходя из выражения:
пн
1н
Т =
-'и
М н • г • П
пер
/к • Язв 469
, Н,
где Мн - номинальный момент ИД, Н-м.
В начале спуска сила натяжения у клюза Ткг- мала по значению. Ей соответствует малое значение Ппер/, и обратный КПД при этом оказывается отрицательным. При положительном знаке нагрузочного момента на звездочке (Мзвг) момент на валу ИД (Мс.ид) также оказывается отрицательным, т.е. имеющим знак движения. Это определяет его противодействующий характер и силовой режим двигателя. По мере роста нагрузки КПД передачи увеличивается и, при переходе его через значение Ппер = 0,5, происходит изменение знака обратного КПД на положительный. ИД при этом перехо-
дит в режим рекуперативного торможения. По кривой ппер = f
/ т \ Т г
Т
К1 н У
уста-
навливается относительное натяжение (Тп=0,5/Тн), при котором происходит смена режима ИД (примерно Т05 = 0,39Тн).
По значению То 5 определяется глубина Нсо, с которой начинается самоотдача якоря:
1
То,5 = {Оя + р\о )0,87 , откуда Нсо = - (1,15Т0,5 - Ся), м.
р
Глубина самоотдачи якоря находится в диапазоне от 5 до 10 м вытравленной якорь-цепи в зависимости от водоизмещения судна. Максимальная скорость спуска якоря при приближении его к грунту зависит от применяемого способа электрического торможения. Значение создаваемого при этом со стороны якоря тянущего момента на валу ИД
М сп = М 4н =Оя + рН)- 0,87
Я,
зв ПкПпер , Нм,
где ппер " соответствует номинальной нагрузке и номинальному значению прямого КПД.
На рис. 3 приведены механические характеристики ИД, обеспечивающие тормозной спуск якоря.
Рис. 3. Механические характеристики обмоток малой и средней (силовой) скоростей и механическая нагрузочная характеристика
при посадке якоря на грунт
Механическая нагрузочная характеристика графически определяется вертикальной прямой, которая по мере выдачи якорь-цепи смещается параллельно самой себе направо, выходя из зоны отрицательных значений нагрузочного момента. Нагрузочный момент при посадке якоря на грунт соответствует ее крайнему правому положению. Точка пересечения этой нагрузочной характеристики с механической характеристикой ИД определяет наибольшую частоту вращения ИД при спуске якоря. Если тормозной спуск осуществляется в режиме рекуперативного торможения ИД, то частота вращения ИД будет превышать синхронную (псп > пс).
Посадочная скорость якоря на грунт при работе ЭП на рабочей (второй) скорости:
Гсп! = ' М/С'
60/
В случае использования ЭП ЯШУ с двух- или трехобмоточным асинхронным двигателем (АД), во время спуска якоря ИД переходит в режим рекуперативного торможения с отдачей энергии в судовую сеть.
В случае частотно-регулируемого электропривода (ЧРЭП) при торможении асинхронный электродвигатель работает в генераторном режиме, вследствие чего напряжение в звене постоянного тока преобразователя частоты (ПЧ) повышается. Интенсивность торможения в этом случае зависит от потерь мощности в преобразователе и электродвигателе. Если требуется произвести быстрое торможение, необходимо использовать тормозной прерыватель и тормозной резистор. При торможении электропривода тормозной резистор подключается к шине звена постоянного тока преобразователя частоты и на нем рассеивается тормозная энергия, поступающая от электродвигателя. Это защищает преобразователь от блокировки по причине перенапряжения в звене постоянного тока и, соответственно, от остановки привода. Тормозные резисторы являются необходимой опцией в комплекте частотно - регулируемого электропривода для работы с подъемными механизмами, в том числе и для ЯШМ.
На рис. 4 приведена функциональная схема преобразователя частоты (ПЧ) со звеном постоянного тока [1,2].
Энергия торможения передается на тормозные резисторы Ят, которые управляются транзисторным ключом ТБт, находящимся в тормозном прерывателе, который в свою очередь управляется датчиком напряжения. Блок управления прерывателем регулирует торможение, осуществляет контроль за состоянием системы (короткое замыкание в тормозном резисторе, в тормозном кабеле, в прерывателе, неисправность платы управления прерывателем, перегрев тормозного резистора). В блоке управления прерывателем, как правило, имеется цифровой вход, подключенный к расположенному на резисторе термореле, которое защищает резистор от перегрева; релейный выход для сигнализации по перегреву; волоконно-оптические соединители, используемые для синхронизации работы двух или более прерывателей. На рис. 5 приведена схема подключения тормозного модуля, где КК1 - тепловое реле; ЯЛ - ЯС - релейный контакт, под-
ключенный к терминалам ЕБ-БСМ, который позволяет предотвратить перегрев радиатора модуля. Реле активизируется при нагреве радиатора модуля > 95оС.
Рис. 4. Функциональная схема преобразователя частоты со звеном постоянного тока
0"
N
КК1
~>Г
ЦТ1>
КСЫ)
ТО-З) 1щз)
пч
Р(+)
N (.)
ЕР
Б СМ
Асинхронш двигатель
Р№
В1
N(-1
Тормозной
модуль
КС
Тепловое оеле
Рис. 5. Схема подключения тормозного модуля
От правильного выбора тормозных резисторов в соответствии с условиями эксплуатации во многом зависит безаварийная работа ЧРЭП в течение всего срока службы. Мощность, выделяемая в тормозном резисторе, вызывает рост его температуры. Максимальная температура, которую резистор может выдерживать без повреждений, зависит от конструкции резистора и применяемых материалов.
Может использоваться как естественное, так и принудительное воздушное охлаждение тормозных резисторов. При скорости воздуха всего 2,5 м/с мощность, рассеиваемая тормозным резистором без перегрева, более чем вдвое превышает его максимальную мощность при естественном охлаждении. С целью экономии электроэнергии возможно применение не постоянного принудительного охлаждения, а связанного с процессом торможения, когда вентилятор, например, подключается в режиме «Травить».
472
Для повышения надежности и увеличения срока службы, рабочую температуру резисторов выбирают ниже максимально допустимой. Снижение температуры поверхности резистора в два раза по отношению к максимально допустимой повышает срок службы как минимум в два раза (в зависимости от типа), а также снижает температуру внутри ПЧ. Несмотря на то, что тормозные резисторы, по сути, являются простейшими элементами ПЧ, от правильного выбора их типов и условий эксплуатации во многом зависит надежность и эксплуатационные качества ЧРЭП ЯШМ [3, 4].
В качестве тормозных резисторов могут использоваться стандартные резисторы, например, серии КЕВ. Маркировка тормозного резистора серии КЕВ:
1) типоразмер;
2) серия тормозного резистора;
3) сопротивление, Ом;
4) мощность, х 10 кВт.
В табл.1 приведены параметры тормозного резистора серии КЕВ БЯ 226 - 10 06Я.
Таблица 1
Параметры тормозного резистора серии КЕВ ЕЯ 226 -10 06Я
Параметр Значение
Степень защиты 1Р20
Способ охлаждения С (естественное воздушное
Диапазон рабочих температур, оС -20^50
Класс точности, % 10
Температура перегрева, оС 240
Рабочее напряжение, В 800
Сопротивление изоляции, МОм 100
Масса (одного модуля), кг 8
Габариты (одного модуля), мм 630 х 280 х 264
Сопротивление, Ом 9,6
Мощность, кВт 60
В качестве тормозных резисторов можно использовать и нестандартные резисторы при условии, что у тех способность рассеивания тепла достаточна для применения в данном приводе. Для выбора тормозного резистора необходимо знать следующее.
1. Максимальную тормозную мощность (Рмакс), развиваемую электродвигателем при заданном тормозном цикле или усредненную мощность торможения (Рср) ;
2. Значение энергии, генерируемой двигателем в течение торможения. Она не должна превышать значение энергии, которую может рассеять резистор (Жя).
3. Значение сопротивление тормозного резистора, при котором не ограничивается требуемая интенсивность торможения (Я < Ц2ос/Рмакс), где Цос - напряжение на резисторе во время торможения (1,35х1,2х исеть).
Интенсивность торможения определяется энергией торможения якорного ИД, которая зависит от мощности и продолжительности торможения. Мощность торможения Рт определяются весом якорной цепи и яко-
473
ря и скоростью спуска якоря. Она изменяются в процессе спуска от нулевого значения до максимального значения при посадке якоря на грунт. Максимальная тормозная мощность равна:
Рт
М.
т.макс
П
т.макс
9,55
-, Вт,
где Мт.макс - максимальный тормозной момент, развиваемый ИД перед посадкой якоря на грунт, Нм; псп - частота вращения ИД перед посадкой якоря на грунт, об/мин.
Среднее квадратическое значение мощности торможения (Рт.ср) с учетом ее практически линейного изменения составит: Рт.макс/^3.
Скорость спуска якоря определяется частотой вращения ИД, которая изменяется от синхронной частоты вращения (начало рекуперативного торможения) до максимального значения перед посадкой якоря на грунт, т.е. от псинх до «сп. Таким образом, средняя скорость спуска якоря равна:
(«с
'сп + «синх ) ' Язв
'СП-СР- 2' 9,55', •м/с' Время спуска якоря в тормозном режиме (¿т) равно:
и
И - к
со
, с,
V,
сп.ср
где И - нормированная глубина якорной стоянки судна, м.
Значение тормозной энергии, рекуперируемой ИД на тормозной резистор равна:
Жт = Рт ср ' ¿т, Вт' с.
Возможные материалы, изкоторых могут быть изготовлены тормозные резисторы приведены в табл. 2.
Таблица 2
Наименование и состав Удельное электрическое сопротивление при 20° С, 10 -8 Ом ' м Максимальная рабочая температура, °С Температурный коэффициент сопротивления (ТКС), 10-5 К-1
Манганин МНцЗ-12 (Си, Мп, N1) 43 300 4
Константан МНМц 401.5 (Си, N1, Мп) 50 500 3
Нейзильбер МНЦ 15-20 (Си, N1, гп) 32 200 36
Нихром Х15Н60 ( N1, Сг, Бе) 107 1100 17
Фехраль Х27Ю5Т (Сг, Бе, А1, Т1) 120 1350 10
Жаростойкий сплав Х20Н80 (N1, Сг, Бе) 140 1200 8
Чугун (Бе, С) 80 400 100
Сталь (проволока) 17 300 600
Сталь листовая электротехническая (Бе, 81) 30 200 200
сп
С учетом максимальной рабочей температуры, целесообразно выбирать тормозной резистор с большой рассеиваемой мощностью серии CNS из NiCrMo.
Выводы
1. Отдача якоря в основном происходит в тормозном режиме. Длительность и мощность торможения определяются глубиной стоянки. С целью повышения устойчивости работы якорного механизма целесообразно использовать рекуперативный способ торможения.
2. Использование частотного способа управления ИД ЯШМ позволяет обеспечить высокое быстродействие и точность реализации как двигательных, так и тормозных режимов якорного электропривода.
3. Правильный расчет и выбор тормозного резистора позволит повысить эффективность и надежность тормозного спуска якоря.
Список литературы
1. Иванов В.С., Саловский Л.О., Шняк Б.В. Анализ систем автоматического управления судовым асинхронным электроприводом // Эксплуатация морского транспорта. 2007. № 1. С. 50-51.
2. Романовский В.В., Куракин В.Н., Иванов В.С. Электрооборудование морских комплексов: монография. СПб.: Изд-во ГУМРФ им. адм. С.О. Макарова, 2013. 244 с.
3. Малышев В.А., Иванов В.С., Соловей В.С. Расчет и выбор тормозных резисторов гребной электрической установки танкера ледового класса // Вестник ГУМРФ им. адм. С.О. Макарова, 2016. № 5. С. 172184.
4. Андронников Д. Особенности выбора и применения резисторов в силовой технике // Силовая электроника. 2007. № 12. С. 4-8.
Иванов Владимир Сергеевич, канд. техн. наук, профессор, oleq_2 Oamail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова,
Федоров Олег Михайлович, аспирант, oleq_2Oamail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова
BRAKING MODES OF THE ELECTRIC DRIVE OF THE ANCHOR MECHANISM
V.S. Ivanov, O.M. Fedorov 475
We consider the frequency-controlled electric drive of the anchor -mooring mechanism in the mode of recoil of the anchor by an electric drive. In the mode of brake descent of the anchor, the landing moment of the executive motor and the landing speed of the anchor on the ground are calculated. Calculation and selection of brake resistors is given.
Key words: ship, anchor mechanism, frequency-controlled electric drive, braking characteristics of the electric motor and anchor mechanism.
Ivanov Vladimir Sergeevich, candidate of technical sciences, professor, [email protected], Russia, St. Petersburg, State University of the Sea and River Fleet named after Admiral S.O. Makarova,
Fedorov Oleg Mikhailovich, postgraduate, [email protected], Russia, St. Petersburg, State University of the Sea and River Fleet named after Admiral S. O. Makarova
