В электрическом приводе одной из частей механической передачи обычно служит зубчатый сектор, закрепляемый при помощи румпеля и буферных пружин на баллере руля. Червяк, скрепленный с валом электродвигателя муфтой, передает вращение вала зубчатому сектору при помощи колеса червячного зацепления.
Гидравлическая система электрогидравлического привода состоит из гидравлической машины, воздействующей плунжерами (поршнями) непосредственно на румпель руля и приводимой в движение насосом (или двумя насосами), который вращается электродвигателем. Различают электрогидравлические приводы с постоянным вращением приводного электродвигателя и с прерывистым вращением.
Для электрических рулевых приводов применяются системы управления: а) генератор — двигатель и б) контакторная.
Различают простую систему управления генератор — двигатель и систему управления следящего действия. При простой системе управления положение штурвала или рукоятки поста управления не определяет положения пера руля, поэтому обязательно приходится применять дополнительно указатели положения руля (аксиометры).
С применением системы управления следящего действия положение штурвала поста управления всегда определяет положение руля, т. е. по положению штурвала можно точно судить о положении руля.
Контакторная система управления рулевыми приводами дешевле, чем система генератор—двигатель, но менее надежна при многократных включениях и выключениях вследствие большого количества контактов в главной и вспомогательной цепях; она требует особенно тщательного ухода за реле и контакторами, частой регулировки и поддержания контактов всегда чистыми, без следов оплавления. Поэтому контакторная система применяется редко и для электроприводов малой мощности.
Управление рулевым электроприводом по системе генератор—двигатель
На рис. 1 изображена принципиальная схема управления рулевым электроприводом по системе генератор—двигатель. Пуск приводного электродвигателя преобразователя осуществляется пусковым реостатом РП. К зажимам якоря электродвигателя подключена сигнальная лампа JIC, находящаяся на главном распределительном щите; она показывает, что двигатель работает.
Рис. 1. Принципиальная схема управления рулевым электроприводом по системе генератор—двигатель
При подаче напряжения на схему управления обмотки возбуждения исполнительного электродвигателя НОИД получают питание через экономическое сопротивление ЭС, ограничивающее ток возбуждения при стоящем двигателе. Имеющееся в цепи возбуждения исполнительного электродвигателя добавочное сопротивление ДС служит для регулирования скорости вращения электродвигателя при первоначальной наладке схемы.
В первом положении рукоятки поста управления (например, «Право») происходит следующее:
1) замыкаются контакты ПУ-5, шунтирующие экономическое сопротивление; исполнительный электродвигатель получает полное возбуждение; при дальнейшем передвижении рукоятки поста управления контакты ПУ-5 остаются замкнутыми и, следовательно, во время работы поток возбуждения исполнительного электродвигателя не изменяется;
2) замыкаются контакты ПУ-2 и ПУ-4, открывающие путь току в обмотку возбуждения генератора от клеммы Ш1 к клемме Ш2 через регулировочные сопротивления Р1 — Р5; генератор Г развивает минимальное напряжение, и исполнительный электродвигатель начинает вращаться с минимальной скоростью.
При последующих положениях рукоятки поста управления поочередно замыкаются контакты ПУ-6, ПУ-7 и ПУ-8. Генератор развивает полное напряжение, и исполнительный электродвигатель будет вращаться с номинальной скоростью до тех пор, пока перо руля не дойдет до крайнего положения на борту. Как только это случится, сработает путевой выключатель ВП-2, и цепь возбуждения генератора Г разомкнется. Исполнительный электродвигатель лишится питания, и так как его вращающийся по инерции якорь остается замкнутым на малое сопротивление якоря генератора, а возбуждение двигателя не отключено, то происходит энергичное динамическое торможение и исполнительный электродвигатель быстро останавливается.
Если необходимо возвратить перо руля в диаметральную плоскость или переложить его лево на борт, рукоятку поста управления устанавливают в одно из положений «Лево». При этом замыкаются контакты ПУ-1 и ПУ-3, направление тока в обмотке генератора НОГ меняется (от клеммы Ш2 к клемме Ш1), генератор меняет полярность и исполнительный двигатель вращается в противоположном направлении.
Положение пера руля указывается сигнальными лампами: ЛЗ — при движении пера руля вправо от диаметральной плоскости; ЛК — при движении влево; ЛБ — когда оно находится в диаметральной плоскости. Лампы включаются контактами ВП-3 — ВП-5 путевого выключателя.
Защита исполнительного электродвигателя осуществляется противокомпаундной обмоткой генератора ПКО.
Рукоятка поста управления снабжена спиральной пружиной для возврата в нулевое положение. Это приспособление осуществляет нулевую защиту исполнительного электродвигателя, предохраняя его от запуска при полном напряжении генератора.
Кроме того, наличие пружины, автоматически возвращающей рукоятку в нулевое положение при достижении рулем нужного положения, облегчает труд рулевого, освобождая его от затраты физических усилий для возврата рукоятки, что при большом числе перекладок руля имеет существенное значение.
На судах с установками переменного тока преобразователь рулевого привода состоит из трех машин: приводного электродвигателя переменного тока, генератора постоянного тока и возбудителя, питающего обмотки возбуждения генератора, и исполнительного электродвигателя.
Система генератор — двигатель следящего действия
Общее представление о рулевом электроприводе следящего действия дает принципиальная схема, представленная на рис. 2. Основными частями электропривода здесь, как и в рассмотренной выше простой схеме управления, являются генератор—двигатель, и рулевой двигатель. Но, кроме них, имеются (отсутствующие при простой системе) два связанных между собой аппарата: датчик и приемник, действием которых обеспечивается точное соответствие между положениями штурвала и руля.
Рис.2. Принципиальная схема рулевого электропривода следящего действия
В системе генератор — двигатель следящего действия в отличие от простой системы управления генератор—двигатель состоит не из двух, а из трех машин: электродвигателя, генератора и сидящего на одном валу с ним специального возбудителя. Двигатель I смешанного возбуждения служит для привода генератора II, имеющего противокомпаундную обмотку, а также обмотку независимого возбуждения. Обмотка независимого возбуждения питается специальным возбудителем III, снабженным двумя обмотками: дифференциальной, состоящей из двух частей, и стабилизирующей, приключенной к зажимам генератора и служащей для ускорения приведения в равновесие магнитной системы возбудителя.
Рулевой двигатель IV в отличие от простой системы управления имеет, помимо независимого возбуждения, обмотку смешанного возбуждения, соединенную последовательно с цепью якоря приводного двигателя и служащую для смягчения толчков тока в питающей сети
Приемник V механически связан с рулем, а датчик VI — со штурвалом поста управления, причем между собой эти аппараты связаны электрически.
Дифференциальная обмотка возбудителя III состоит из двух ветвей с одинаковым количеством витков в каждой. Магнитные потоки, создаваемые этими ветвями, направлены навстречу друг другу. Если по обеим ветвям протекают токи одинаковой силы действия этих магнитных потоков взаимно уничтожаются. Напряжение на клеммах возбудителя при этом равно нулю, а потому нет напряжения и на зажимах генератора II. Если равенство (баланс) токов в ветвях дифференциальной обмотки будет нарушено, то под преобладающим действием ампер-витков одной ветви, по которой проходит большой ток, возбудитель разовьет электродвижущую силу определенной величины и определенного направления.
В случае преобладания тока в другой ветви направление электродвижущей силы возбудителя будет другим. В соответствии с этим будет меняться и полярность генератора II, а следовательно, и направление вращения рулевого двигателя.
Это нарушение равновесия (баланса) токов в ветвях дифференциальной обмотки возбудителя производит датчик VI, связанный механически со штурвалом поста управления.
Восстановление же нарушенного равновесия осуществляется приемником V, электрически связанным с датчиком и механически — с рулем.
Когда при нарушении равновесия токов датчиком рулевой двигатель приводится в движение и производит перекладку руля, приходит в действие механически связанный с рулем приемник V и, восстанавливая нарушенное равновесие, останавливает двигатель.
Датчик VI представляет собой вращающийся диск с размещенными на нем девятью контактами в виде сегментных пластин, изолированных друг от друга. Средний (длинный) контакт имеет протяженность в 10° по пять в каждую сторону, а короткие боковые — по 1°.
К диску прилегают девять неподвижных щеток (в форме роликов), расположенных через 10° друг от друга. Средняя контактная сегментная пластина прилегает к средней щетке 5.
Это (указанное на схеме) положение средней контактной пластины соответствует нулевому положению штурвала. Средняя пластина при помощи кольца (а) и скользящей щетки (в) соединена с положительным полюсом сети (+). С этим же полюсом сети соединены и остальные восемь контактов (по четыре контакта с каждой стороны средней контактной пластины), но не прямо, как средняя пластина, а через набор сопротивлений R1 - R4.
Неподвижные щетки датчика соединены девятижильным кабелем с девятью неподвижными щетками приемника V. Диск, связанный со штурвалом, можно вращать по часовой стрелке и против часовой стрелки.
Приемник V представляет собой диск, механически связанный с рулем. Этот диск имеет две большие боковые контактные сегментные пластины и в одном (верхнем) интервале между ними — девять малых контактов протяженностью по 1° каждый.
Средний контакт прилегает к средней неподвижной щетке, которая связана одной из жил кабеля со средней щеткой 5 датчика. Остальные контакты через набор таких же, как и у датчика, сопротивлений соединены с боковыми большими сегментными пластинами.
Положению руля в диаметральной плоскости судна соответст вует положение среднего контакта под средней щеткой (и нулевое положение штурвала).
Когда штурвал находится в нулевом положении, тока в цепи датчик — приемник нет. При повороте штурвала (следовательно, и диска датчика) в ту или другую сторону цепь замыкается, и ток через соответствующие контакты начинает поступать в одну (левую или правую) из боковых сегментных пластин приемника и далее в одну (левую или правую) из ветвей дифференциальной обмотки возбудителя III. На зажимах возбудителя возникает напряжение, генератор получает определенную полярность, рулевой двигатель производит перекладку руля. Руль будет переложен на угол, строго пропорциональный тому углу, на который был перемещен штурвал, связанный с диском датчика.
Одновременно с вращением руля вращается и связанный с ним диск приемника V. В результате вращения диска приемника ток поступит и во вторую (правую или левую) из боковых сегментных пластин приемника и дальше из нее во вторую (правую или левую) из ветвей дифференциальной обмотки возбудителя.
Сопротивления приемника равны сопротивлениям датчика и включены таким образом, что при перемещении диска приемника токи в обеих ветвях дифференциальной обмотки возбудителя уравниваются.
Как только равновесие токов, нарушенное вращением диска датчика, будет восстановлено вращением диска приемника, рулевой двигатель остановится.
Таким образом, при вращении диска датчика ток поступает в одну ветвь дифференциальной обмотки возбудителя, а при вращении диска приемника — в другую, причем вследствие соответствующего размещения контактов датчика и приемника и равных величин их наборов сопротивлений перемещение диска датчика относительно нулевого положения сопровождается строго соответствующим ему перемещением диска приемника относительно своего нулевого положения.
Так как диск датчика механически связан со штурвалом, а диск приемника — с рулем, то по величине угла перемещения штурвала можно точно судить о величине угла перекладки руля, что является весьма ценной особенностью системы следящего действия.
Другим важным качеством этой системы является автоматическое возвращение руля в прежнее положение при каком-либо произвольном его смещении. Произвольное отклонение руля сопровождается перемещением диска приемника, т. е. нарушением равновесия токов в дифференциальной обмотке возбудителя, вследствие чего рулевой двигатель приходит в движение и возвращает руль в прежнее положение.
В рассмотренной схеме управления устройство датчика и приемника рассчитано на перекладку руля в пределах до 40° на каждый борт.
