Контакторная схема управления электроприводом (рис. 1). Компаундный электродвигатель М установлен в румпельном отделении и управляется с поста управления ПУ командоконтроллерного типа. В комплект электрооборудования схемы входит также релейно-контакторная станция, состоящая из контакторов П, Л, КЛ, У и реле РУ, РГ.
В нулевом положении рукоятки ПУ получают питание шунтовая обмотка электродвигателя ШОВ (через добавочный резистор Rд) и катушка реле ускорения РУ. Благодаря резистору, ток через ШОВ идет небольшой, это уменьшает выделение тепла в электродвигателе при неподвижном якоре. Реле ускорения РУ под напряжением, поэтому его контакт РУ в цепи катушки контактора У разомкнут.
Схема работает вправо следующим образом. При переводе рукоятки ПУ в первое положение «Право» замыкается контакт пульта ПУ1 и получает питание контактор П, который включает схему двигателя М на соответствующее направление вращения; в главной цепи два его контакта П замыкаются, а третий размыкается, отключая резистор торможения Rт. В это же время замыкается блок-контакт П в цепи линейного контактора КЛ, он срабатывает и своим контактом КЛ включает электродвигатель в линию питания.
Рис. 1. Контакторная схема управления рулевым электроприводом
Ток якоря электродвигателя ограничен включением в его цепь резистора R1—R2, поэтому частота вращения на первой скорости небольшая. При включении контактор КЛ размыкает свой контакт в цепи катушки реле ускорения РУ, лишая ее питания. Но якорь этого реле отпускается не сразу, а с некоторой выдержкой времени. Только по истечении какого-то времени замкнется контакт РУ в цепи контактора ускорения У. Если теперь рукоятку ПУ перевести во второе положение, то через замкнувшийся контакт ПУЗ получит питание контактор У. Его контакт зашунтирует резистор R1—R2, и электродвигатель переходит на вторую скорость.
Если с первого положения во второе рукоятка ПУ переведена слишком быстро, то несмотря на замкнутый контакт ПУЗ, контактор У не сработает до тех пор, пока не окончится выдержка времени у реле РУ и не замкнется его контакт.
В случае перевода рукоятки ПУ с нулевого положения сразу во второе положение «Право» сработают сразу контакторы П и КЛ, но электродвигатель будет работать на первой скорости (через резистор R1—R2). Но контактор КЛ обесточивает реле РУ, и, когда его выдержка времени закончится, замыкается контакт РУ в цепи контактора. Последний срабатывает, шунтируя резистор R1—R2, и двигатель автоматически переходит на вторую скорость. Такой плавный автоматический разгон электродвигателя называется пуском в функции времени.
Перекладка руля на левый борт происходит так же, но при переводе рукоятки ПУ влево вместо контактора П срабатывает контактор Л, полярность подведенного напряжения к якорю электродвигателя изменяется на противоположную и он реверсирует.
Для остановки электродвигателя рукоятку переводят в нулевое положение. При этом катушки контакторов обесточиваются. Якорь электродвигателя отключен от питания, он замкнут на резистор торможения Rт. Если он вращается по инерции, то его обмотка пересекает магнитный поток обмотки ШОВ, в якоре наводится э. д. с. и возникает ток через резистор Rт. Этот ток создает тормозной момент. Таким образом возникает динамическое торможение и обеспечивается минимальный «выбег» руля.
При работе на второй скорости вправо или влево, в случае возникновения механических перегрузок (например, заклинивание руля в обломках льда), электродвигатель перегружается большим током. Этот опасный повышенный ток якоря проходит также по катушке грузового реле РГ, которое в этой опасной ситуации срабатывает, размыкая свой контакт РГ в цепи катушки контактора ускорения У.
Контактор У, потеряв питание, отпускает свой якорь, размыкается контакт У, и в цепь якоря вводится резистор R1—R2. Ток якоря уменьшается по двум причинам: во-первых, введен резистор R1—R2, электродвигатель переходит на частоту вращения первой скорости; во-вторых, уменьшается механическая нагрузка. Такая защита, выполненная с помощью реле РГ, когда электродвигатель при перегрузках не отключается совсем, а автоматически переводится на более низкую частоту вращения, называется грузовой.
Если перо руля переложено в одну из сторон на максимальный угол, то срабатывает конечный выключатель ВК1 или ВК2 и рулевая машина останавливается. Это не лишает возможность начать перекладку руля к диаметральной плоскости в другую сторону.
На пульте управления ПУ смонтированы сигнальные лампы ЛБ, ЛК, ЛЗ, управляемые путевыми выключателями ВП1, ВП2, ВПЗ. Белая лампа ЛБ горит, когда руль в диаметрали, красная ЛК — при нахождении руля слева от диаметрали, зеленая ЛЗ — когда руль переложен вправо.
Тяжелый режим работы рулевого электропривода, частые пуски и реверсы в сочетании с требованиями высокой надежности обусловили ограниченное применение подобных контакторных (или релейно-контакторных) схем. Их применяют при небольшой мощности рулевого электропривода (4—15 кВт).
Схема управления электроприводом по системе генератор-двигатель
Схема простого управления электроприводом по системе генератор-двигатель (рис. 2, а). В систему генератор — двигатель при питании от сети переменного тока входит следующее оборудование:
- исполнительный двигатель постоянного тока М2;
- трехмашинный преобразовательный агрегат, состоящий из приводного асинхронного двигателя Ml, генератора Г и возбудителя В;
- аппаратура управления, защиты и сигнализации.
На одном валу с приводным двигателем Ml вращаются с номинальной скоростью генератор Г и возбудитель В. Возбудитель выполнен с самовозбуждением (обмотка возбуждения возбудителя ОВВ), и на его якоре возникает номинальное напряжение. От якоря возбудителя получает питание обмотка возбуждения ОВМ2 исполнительного двигателя М2, связанного с пером руля через секторную передачу. Наличие магнитного потока в исполнительном электродвигателе еще не обеспечивает его вращения, он остается неподвижным, так как генератор Г еще не подает питание на его якорь (генератор не возбужден, его обмотка возбуждения ОВГ разомкнута).
При переводе рукоятки контроллера (пульта управления) в первое положение «Лево» замыкаются его контакты К1, К3 (согласно таблице замыканий).
Рис. 2. Схема простого управления секторным рулевым электроприводом по системе генератор — двигатель
Теперь через контакты К1, К3 и резисторы R1—R2—R3 от якоря возбудителя протекает ток через обмотку возбуждения ОВГ генератора. Генератор возбуждается, на его якоре появляется э. д. с., которая подводится к якорю М2; начинается перекладка руля на первой скорости.
Для увеличения скорости перекладки руля рукоятку переводят во второе и, наконец, в третье положение. При этом замыкаются контакты К5, К6, они шунтируют резисторы R1—R2, R2—R3, ток через обмотку ОВГ увеличивается. Увеличению тока соответствует рост э. д. с. генератора и, следовательно, рост напряжения, подводимого от генератора Г к двигателю М2, частота вращения последнего увеличивается. Регулирование осуществляется способом изменения подводимого напряжения к якорю электродвигателя.
При остановке двигателя М2 рукоятку контроллера переводят в нулевое положение, размыкается цепь обмотки ОВГ, генератор теряет возбуждение, его э. д. с. близка к нулю, исполнительный двигатель останавливается.
В момент размыкания обмотки ОВГ на ней индуктируется э. д. с. самоиндукции, которая быстро уменьшается, создавая ток через разрядный резистор Rp. Э. д. с. самоиндукции на концах обмотки ОВГ при отсутствии разрядного резистора Rр может создать опасный потенциал, который, существуя некоторое время пробьет изоляцию обмотки. Благодаря резистору Rp исключается длительное наличие опасного потенциала на обмотке ОВГ, он расходуется на создание тока в контуре ОВГ — Rp.
При работе схемы вправо вместо контактов К1, К3 замыкаются контакты К2, К4. Это изменяет направление тока по обмотке ОВГ, изменяется на противоположную полярность генератора и полярность напряжения, подведенного к двигателю М2, — он реверсирует.
Следовательно, реверс исполнительного двигателя осуществляется изменением полярности напряжения, подведенного к его якорю.
Система генератор — двигатель обеспечивает надежную автоматическую разгрузку генератора и двигателя в моменты заклинивания руля. Это достигается с помощью противокомпаундной обмотки ПКО. Она лежит на тех же полюсах генератора, на которых расположена его основная обмотка ОВГ. Обмотка ПКО является последовательной, через нее проходит ток якоря генератора и исполнительного двигателя, но ее магнитный поток действует встречно потоку обмотки ОВГ.
В нормальных условиях действие потока обмотки ПКО не влияет на работу схемы, потому что она имеет небольшое число витков. При перегрузках возникает большой ток через якоря генератора Г и двигателя М2. Этот ток, проходя по обмотке ПКО, резко увеличивает ее магнитный поток, а так как этот поток направлен встречно потоку обмотки ОВГ, то суммарный поток генератора уменьшается, его э. д. с. снижается, к электродвигателю подводится пониженное напряжение, уменьшаются его частота вращения и ток. Так достигается автоматическая разгрузка.
Согласно Правилам Регистра, схема не имеет отключающей защиты при перегрузках, но имеет сигнализацию. При запуске приводного двигателя Ml вместе с линейным контактором Л получает питание реле перегрузки РП1, его размыкающий контакт размыкается и сигнальная красная лампа ЛСК и сигнальный звонок СЗ обесточиваются. При перегрузке двигателя М2 и генератора Г перегружается также двигатель Ml, в его цепи возникает большой ток, срабатывает одно из тепловых реле РТ1 или РТ2, своими контактами разрывая цепь питания реле РП1. Контакт этого реле замыкается, загорается сигнальная лампа ЛСК, и звенит звонок СЗ.
Если аварийная ситуация будет замечена, то можно нажать на кнопку Кн: получит питание реле РП2, одним контактом оно зашунтирует кнопку Кн, а другим снимет питание со звонка.
В крайних положениях пера руля схема выключается конечным выключателем ВП1 или ВП2. О положении пера руля сигнализируют лампы ЛБ, ЛЗ, ЛК.
Величину главного тока контролируют по амперметру А, включенному на измерительный шунт Ш.
Несмотря на громоздкость данной схемы (применены четыре электромашины), система генератор — двигатель является наиболее приемлемой для электропривода руля. Это объясняется ее большой маневренностью и хорошей перегрузочной способностью за счет обмотки ПКО. На рис. 2, б приведена таблица замыканий контактов контроллера.
Бесконтактная схема следящего управления электроприводом
Бесконтактная схема следящего управления электроприводом (рис. 3). Здесь применена система генератор — двигатель, но, в отличие от предыдущей схемы, цепи управления выполнены по бесконтактному принципу. Это в значительной мере увеличивает надежность и долговечность электропривода в целом.
Рис. 3. Бесконтактная схема следящего управления секторным электроприводом
На одном валу с приводным двигателем Ml (его схема пуска и сигнализации не показана) вращаются с неизменной скоростью генератор Г и возбудитель В. Управление генератором осуществляется через возбудитель. Последний имеет две дифференциально включенные обмотки ОВВ, каждая из которых получает питание от своего магнитного усилителя МУ1 или МУ2. Усилитель МУ1 имеет две рабочие обмотки ОР1, ОР2 и две обмотки управления ОУ1, ОУ2. Аналогично устроен усилитель МУ2.
Первая и вторая обмотки ОВВ расположены на одних и тех же полюсах возбудителя В. Магнитные потоки, создаваемые обмотками ОВВ, направлены встречно, и если они равны, то суммарный поток возбудителя В равен нулю, поэтому он не возбужден, его э. д. с. равна нулю, через обмотку возбуждения генератора ОВГ ток не проходит. Следовательно, генератор тоже не возбужден, он не подает напряжение на исполнительный двигатель М2 — рулевая машина неподвижна.
Задающим элементом схемы является фазочувствительный выпрямитель, состоящий из трансформатора питания Тр, двух выпрямителей Вn1, Вn2 и двух сельсинов. Первый сельсин ПУ — пульт управления, связан механически с рукояткой управления, второй сельсин ДОС — датчик обратной связи, связан с исполнительным двигателем М2. Из трех обмоток ротора каждого сельсина используется по две обмотки, статорные обмотки О1, О2 питаются нерегулируемым переменным током.
Работа схемы управления рулем происходит следующим образом. В исходном состоянии (ПУ и ДОС — в нулевом положении) э. д. с., снимаемые с обмоток роторов, равны нулю (e1 = e2 = 0). В контурах фазочувствительного выпрямителя действуют только равные напряжения U1 = U2; через выпрямители Вn1 и Вn2 проходят одинаковые токи. От выпрямителя Вn1 питаются две последовательно включенные обмотки ОУ2 и ОУ3, принадлежащие разным магнитным усилителям (точками обозначены начала обмоток). От плюса выпрямителя Вn1 ток протекает по обмотке ОУ2 от конца к началу. Это говорит о том, что обмотка управления ОУ2 железо усилителя МУ1 размагничивает. По обмотке ОУ3 ток протекает от начала к концу, и, следовательно, поток этой обмотки железо усилителя МУ2 намагничивает. В то же время от выпрямителя Вn2 питаются обмотки ОУ1 (намагничивает железо усилителя МУ1) и ОУ4 (размагничивает железо усилителя МУ2).
В результате на каждый магнитный усилитель одна обмотка действует намагничивающе, другая — размагничивающе. Если учесть, что в исходном положении токи всех обмоток управления одинаковы, то можно сделать вывод: магнитные потоки обмоток ОУ1, ОУ2 и потоки обмоток ОУ3, ОУ4 взаимно компенсируются — магнитные усилители не управляются.
В этом исходном положении железо магнитных усилителей намагничено одинаково; от намагничивания их железа зависит индуктивное сопротивление рабочих обмоток ОР1, ОР2, ОР3, ОР4. Значит сопротивления всех рабочих обмоток одинаковы.
Последовательно с рабочими обмотками ОР1—ОР4 на стороне постоянного тока включены обмотки возбудителя ОВВ. По второй обмотке ОВВ ток протекает следующим образом. В первый полупериод, когда на выводе А плюс: вывод А—В1 — обмотка ОР1 — конечный выключатель КВ2 — обмотка О4 — вывод Б. Во второй полупериод, когда на выводе Б плюс: вывод Б—В3 — конечный выключатель КВ2 — обмотки О4—ОР2—В4 — вывод А.
Аналогично запитана обмотка О3 — через рабочие обмотки ОР3, ОР4 магнитного усилителя МУ2. Так как сопротивления всех обмоток ОР1—ОР4 равны, то и токи, проходящие по встречно-включенным обмоткам О3, О4, равны, потоки этих обмоток компенсируются, возбудитель и генератор не возбуждены, двигатель М2 и рулевая машина неподвижны.
Рассмотрим случай перекладки рукоятки ПУ вправо. Возникает э. д. с. е1 определенной фазы (ДОС пока неподвижен и е2 = 0). Допустим, что при повороте ПУ вправо фаза э. д. с. е1 совпала с фазой напряжения U1. К выпрямителю Вn1 подводится напряжение U1 + e1, а к выпрямителю Вn2 — напряжение U2—е1. По обмоткам ОУ2, ОУ3 пойдет ток больше, чем по обмоткам ОУ1, ОУ4.
Обмотка ОУ2 создает большее размагничивание железа магнитного усилителя МУ1, чем намагничивание, создаваемое обмоткой ОУ1; магнитный усилитель МУ1 размагничен, и сопротивление его обмоток ОР1, ОР2 повышается. Усилитель МУ2 намагничивается, так как ток обмотки ОУ3 больше, чем ток обмотки ОУ4, сопротивление обмоток ОР3, ОР4 уменьшается. Ток, проходящий через обмотки ОР1, ОР2 и О4, уменьшается, а проходящий через обмотки ОР3, ОР4 и О3 — увеличивается.
В возбудителе В появляется магнитный поток, создаваемый избыточным потоком обмотки О3. Возбудитель возбуждается с определенной полярностью и создает ток через обмотку ОВГ определенного направления. Возбуждается генератор Г, начинает работать двигатель М2, разворачивая руль. Одновременно разворачивается ротор датчика ДОС и возникает э. д. с. е2, по фазе встречная е1. В момент, когда е2 станет равной е1 и эти э. д. с. скомпенсируют друг друга, напряжения на выпрямителях снова станут равными, насыщения магнитных усилителей МУ1, МУ2 выравняются, токи через обмотки О3, О4 будут равными и машина остановится.
Это достигается при каком-то угле кладки ПУ вправо и таком же угле поворота ДОС. Следовательно, руль поворачивает на заданный угол и рулевой электропривод автоматически отключается. Так выполняется автоматическое слежение.
Для возврата руля в диаметральную плоскость пульт управления ПУ следует возвратить в исходное положение (e1 = 0). Теперь действует э.д.с. е2, по фазе совпадающая с U2.
Выпрямитель Вn2 получает напряжение U2 + e2, выпрямитель Вn1 — низкое напряжение U1 — е2. Теперь больше намагничивается усилитель МУ1, уменьшается сопротивление обмоток ОР1, ОР2, увеличивается ток обмотки О4. В возбудителе В действует магнитный поток противоположной полярности, возбудитель меняет свою полярность на противоположную, ток через обмотку ОВГ реверсирует, генератор изменяет полярность своей э. д. с. на противоположную, двигатель М2 вращается в другую сторону, возвращая руль к диаметрали.
Одновременно возвращается в исходное положение датчик ДОС, уменьшая е2 до нуля в момент, когда руль достигнет ДП, а ДОС — нулевого положения.
Работа схемы по перекладке руля на левый борт происходит аналогичным образом. Фаза э. д. с. е1 изменяется на 180° и теперь совпадает с фазой U2. Большим становится напряжение на выпрямителе Вn2, усилитель МУ1 насыщается, увеличивается ток обмотки О4, полярность возбудителя В и генератора Г соответствует кладке пера руля на левый борт.
При перегрузках возникает большой магнитный поток обмотки ПКО, уменьшающий действие потока обмотки ОВГ. Э. д. с. генератора, его ток и ток двигателя М2 уменьшаются. В крайних положениях пера руля машина выключается конечными выключателями КВ1, КВ2.
Рассмотренный принцип бесконтактного следящего управления является универсальным; его применяют также для управления электродвигателями гидравлических рулевых машин.
Схема следящего управления электроприводом с тиристорным преобразователем
Схема следящего управления электроприводом с тиристорным преобразователем (рис. 4). Цепь управления состоит из сельсина-датчика СД, управляемого с пульта управления ПУ, и сельсина-приемника СП, механически связанного с исполнительным двигателем М. СП через свою обмотку статора О2 электрически связан с блоком управления.
Рис. 4. Схема следящего управления электроприводом с тиристорным преобразователем
Силовая цепь состоит из двигателя М постоянного тока и двух управляемых выпрямителей ВУ1, ВУ2, каждый из которых собран на тиристорах и выпрямителях. Полярности выпрямителей ВУ1, ВУ2 включены на двигателе М встречно. В работе одновременно участвует только один из выпрямителей: ВУ1 обеспечивает вращение двигателя вправо, ВУ2 — влево.
Схема работает следующим образом. В исходном положении роторы сельсинов СД и СП в пространстве занимают одинаковое положение и, несмотря на то, что СД возбужден напряжением сети через обмотку О1, в обмотке О2 сельсина-приемника СП э. д. с. не индуктируется. Напряжение, подведенное к блоку управления, отсутствует (Uу = 0). Блок управления БУ сигнальные напряжения не выдает (U1 = 0; U2 = 0). Все тиристоры Т1—Т6 заперты, и несмотря на то, что к выпрямителям ВУ1, ВУ2 подведено трехфазное переменное напряжение ~ U, выпрямители его не выпрямляют и не пропускают на двигатель М.
При повороте пульта управления ПУ и сельсина СД вправо на обмотке О2 пока неподвижного сельсина-приемника СП возникает э. д. с. определенной фазы и к блоку управления БУ подводится напряжение Uy соответствующей фазы. Блок управления вырабатывает сигнальное напряжение U1 постоянного тока, которое открывает тиристоры Т1, Т2, Т3.
От выпрямителя ВУ1 начинает работать двигатель М. Происходит перекладка пера руля вправо; одновременно двигатель поворачивает ротор сельсина-приемника СП, что является причиной уменьшения э. д. с. на обмотке О2 и уменьшения напряжения управления Uy.
Тиристоры Tl, Т2, Т3 пропускают меньший ток — перекладка руля продолжается, но медленно. Наконец, когда команда пульта управления ПУ будет выполнена, сельсин СП занимает одинаковое положение с сельсином СД — э. д. с. на обмотке О2 исчезает, Uy=0, выпрямитель ВУ1 запирается.
Для перекладки руля влево двигатель М разворачивается в противоположную сторону, поэтому фаза э.д.с. обмотки О2 и фаза напряжения Uy изменяются на 180°. Теперь блок управления вырабатывает напряжение U2 и открывается выпрямитель ВУ2, обеспечивая вращение двигателя М в левую сторону.
Блок управления БУ собран на двух транзисторах. Дроссели Др служат для сглаживания пульсации выпрямленного напряжения от выпрямителей ВУ1 и ВУ2.
Схема является перспективной, так как она фактически построена на принципе системы генератор — двигатель. Здесь отсутствуют возбудитель и генератор, их роль выполняют более надежные управляемые выпрямители ВУ1, ВУ2 с блоком управления БУ.
