Управление электромеханическими приводами при непосредственном питании исполнительного электродвигателя (ИД) от цепи осуществляется по контакторной схеме. При переменном токе находят ограниченное применение полюсопереключаемые асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.
При постоянном токе применяют контакторные схемы с резисторами в цепи якоря, обеспечивающие необходимую мягкую характеристику и возможность стоянки ИД под током. Однако такие схемы применяют при малых мощностях из-за их низкой надежности и неэкономичности, а также в связи с преимущественным распространением переменного тока.
Наибольшее применение для электромеханических приводов нашла система Г—Д, обеспечивающая сравнительно высокую надежность, широкое и плавное регулирование скорости и удобную форму механических характеристик с ограничением момента и тока стоянки ИД путем установки на генераторе противокомпаундной обмотки.
На рис. 1 представлена схема РЭП по системе Г—Д. С целью упрощения на схеме опущены приводной двигатель и его пусковое устройство, цепи сигнализации, переключатель постов и второй ПУ. После пуска приводного двигателя регулятором возбуждения РВ по вольтметру V устанавливают номинальное напряжение возбудителя В. На ПУ загорится сигнальная лампа ЛБ. Независимая обмотка возбуждения НОД исполнительного двигателя М получит питание через резистор R5, который ограничивает нагрев НОД стоящего и потому невентилируемого двигателя. Поворот рукоятки ПУ, например, в первую позицию «Лево» вызовет замыкание контактов 1, 3 и 5 поста. Контакты 1 и 3 включают независимую обмотку возбуждения НОГ генератора через резисторы Rl, R2, R3, генератор возбуждается и подает напряжение на якорь ИД.
Одновременно контакты 5 шунтируют резистор R5, двигатель получает полное возбуждение. Во втором, третьем и четвертом положениях рукоятки ПУ поочередным замыканием контактов 6, 7 и 8 шунтируются резисторы Rl, R2 л R3, возбуждение и напряжение генератора возрастают до полных -значений. Частота вращения ИД ступенчато возрастает до полной. Руль перекладывается на левый борт с полной скоростью. Через 3—5° размыкаются контакты путевого выключателя ВП4, лампа Л Б гаснет, а замыканием ВПЗ включается красная лампа ЛК- В крайнем положении руля разомкнется конечный выключатель ВП1, цепь НОГ оборвется, двигатель М затормозится и остановится. Перевод рукоятки ПУ в одно из положений «Право» обеспечит питание НОГ через ВП2, контакты 2 и 4 ПУ.
Рис. 1. Схема рулевого электропривода по системе Г-Д
Полярность генератора изменится, М вращается в другую сторону, возвращая руль в исходное положение. Резкий перевод рукоятки ПУ в нулевое положение приводит к интенсивному рекуперативному торможению. Генератор работает как двигатель последовательного возбуждения, отдавая энергию в сеть через приводной двигатель. Резкий реверс может привести к противовключению, когда токи превосходят ток стоянки, чего следует избегать.
Схема обеспечивает ограничение момента и тока стоянки двигателя действием размагничивающей обмотки генератора ПКО. Резистор R4 служит для наладки схемы: увеличение сопротивления дает снижение всех четырех механических характеристик двигателя, а шунтирование — к возрастанию частоты вращения М на всех положениях рукоятки ПУ.
Резисторы R6 и R7 предохраняют НОГ и НОД от межвиткового пробоя изоляции при коммутации их цепей. Оперативные цепи защищены от токов КЗ предохранителями.
Управление рулем простое: для установки руля в нужную позицию необходимо вернуть рукоятку ПУ в нулевое положение, когда руль подходит к требуемому углу. Для этой цели возле ПУ устанавливают аксиометр.
В эксплуатации схема проста и надежна. Необходим общий уход за состоянием контактных поверхностей постов управления, конечных и путевых выключателей, а также за состоянием коллекторов, щеток машин и подшипников. Нужно следить за уровнем напряжения возбудителя. Заниженное напряжение возбуждения ведет к увеличению токовых нагрузок в якорной цепи, а повышенное — к перегреву обмотки возбуждения машин.
Управление гидравлическими рулевыми приводами с непрерывно вращающимися насосами призвано обеспечить надежный пуск электродвигателя, его остановку, а также сигнализацию о перегрузке, исчезновении питания и др.
На рис. 2 приведена полная принципиальная схема управления электроприводами насосов левого I и правого II бортов со 100%-ным резервированием. Питание на щит рулевого устройства подается от ГРЩ и АРГЦ через контакторы 1К и 2К. Первым сработает тот из них, на который раньше будет подано напряжение. Второй будет отключен блокировочным размыкающим контактом первого контактора. При исчезновении питания контактор отпустит якорь, главные его контакты разомкнутся, а блокировочные включат второй контактор, что обеспечивает бесперебойность питания схемы.
После подачи напряжения на схему через трансформатор 1ТР получат питание сигнальные лампы 1ЛЖ в румпельном отделений и 2ЛЖ на мостике, сработает реле 7Р на пульте управления главным двигателем и включит световую сигнализацию о наличии питания на РЭГ (на рисунке не показана).
Для пуска насоса, например, левого борта необходимо на мостике включить выключатель 1ВД. Он установлен в пульте авторулевого. Пуск из румпельного отделения переключателем 1BM можно выполнить независимо от положения 1ВД. Включение контактора Л1 обеспечит прямой пуск двигателя и подачу питания на трансформатор 2Тр, к которому подключен авторулевой (канал левого борта) и цепи сигнализации. Реле Р1 отключит выпрямитель В1 и питаемое им реле времени PВ1. Реле Р6 включит световую сигнализацию в машинном отделении, а реле Р2 подготовит цепь питания сигнализации о перегрузке двигателя.
Рис. 2 Схема электропривода насосов РЭГ: I — насос ЛБ; II — в схему авторулевого; III, IV — питание авторулевого соответственно левого и правого бортов; V — насос ПБ
При перегрузке двигателя сработают тепловые реле РТ1, РТ2 и обесточат реле Р1, которое одним контактом включит реле РВ1, а другим — ревун РВП на мостике. Реле РВ1 разомкнет контакты в своей цепи и с выдержкой времени снова замкнет их,-включив собственную катушку, что вызовет новое срабатывание реле и т. д. Контакты РВ1 подадут мигающий сигнал лампой ЛЖЗ на пульте авторулевого. Для прекращения звукового сигнала служит кнопка сброса сигнала КнСС, которая включает реле Р5, прерывающее цепь ревуна. Кнопка КнСС, реле PBt, РВ2, Р1—Р5 установлены на мостике, в пульте судовождения, а Р6, Р7, Р8 —в пульте сигнализации машинного отделения. Остальное оборудование находится в румпельном отделении. Защита главных цепей от токов КЗ осуществляется установочными автоматами с максимальными расцепителями на ток мгновенного расцепления, равный (7 - 10)Iн. Защита цепей управления выполнена предохранителями.
Следует учитывать отсутствие в схеме минимально-нулевой защиты: если напряжение глубоко понизится или исчезнет вовсе, а затем восстановится, произойдет самопроизвольный пуск включенного насоса. Поэтому в эксплуатации подавать питание на привод нужно, лишь убедившись в возможности пуска насоса или в том, что выключены 1ВМ, 2ВМ.
Так как привод — нереверсивный, нерегулируемый, имеет редкие пуски и остановки, контактная аппаратура не подвержена интенсивному износу, но нуждается в периодических осмотрах и чистке. Необходимо следить также за исправностью сигнализации, реле и ламп и уровнем сопротивления изоляции аппаратуры.
Автоматическое управление рулевыми электроприводами осуществляется с помощью авторулевых, имеющих большое многообразие и различающихся по закону (алгоритму) управления, по схемному решению, реализующему данный закон управления, по характеру действия (непрерывного или дискретного), по виду усилителей мощности (с полупроводниковыми, ламповыми, магнитными, электромашинными), по конструктивному исполнению отдельных узлов и блоков и т. д. Несмотря на различия, современные авторулевые имеют много общего в принципе действия, настройке, обслуживании и уходе.
Рассмотрим схему авторулевого типа АТР2-10 (рис. 3). В комплект АТР2-10 входят: пульт управления ПУ, два исполнительных механизма ИMl с вращательным движением выходного валика или ИМ2 с поступательным движением выходной рейки, рулевой датчик РД. В прибор РД входят: сельсин-датчик рулевых указателей (на схеме не показан), два сельсина типа БД-404А, работающие в режиме вращающихся трансформаторов обратной связи по истинному углу перекладки руля (на схеме МЗРД) и конечные выключатели КП1РД и КП2РД. В исполнительном механизме установлены: двухфазный асинхронный двигатель М1ИМ1 типа АДП-262, сельсин БД-404А в качестве вращающегося трансформатора по заданному углу перекладки руля М2ИМ1, электромагнитная муфта ЭМ, комплект диодов Д1—Д8. Остальные элементы схемы расположены в пульте. На схеме показан левый канал управления. Для правого канала, кроме упомянутых элементов (ИMl правого борта, сельсин БД-404А в приборе РД) в ПУ установлен двойной комплект сельсинов — трансформаторов М2ПУ, усилителей УП1 и У—1М, трансформаторов Тр1, Тр3, Тр4.
Схема АТР рассчитана на работу в трех режимах: «Простой», «Следящий», «Автомат»; причем, в первых двух режимах возможна работа на двух насосах и двух каналах управления. Выбор режима выполняется переключателем В1, а выбор насоса — выключателями В1 и В2 на ПУ с надписями «Насос левого борта» и «Насос правого борта».
Работа схемы в режиме «Простой» состоит в следующем. При нажатии клавиши «Лево» размыкающие контакты обесточат мостик диодов Д1—Д4 и муфту ЭМ. Последняя введет в сцепление вал Ml с механизмом ИМ1. Замыкающие контакты «Лево» подадут питание на В1—В2 двигателя Ml, который начнет вращать и разворачивать регулирующий валик ИМ1 до упора.
Рис. 3. Схема авторулевого АТР-10: положение переключателя В1: 1 — простой; 2 — следящий; 3 — автомат
Прибор ИМ1 установлен на насосе и связан с золотником гидроусилителя, находящимся в корпусе насоса. Шток гидроусилителя, воздействуя на манипулятор насоса, сместит его с нейтрального положения. Начнется перекладка руля, которая будет продолжаться до тех пор, пока клавиша «Лево» не будет отпущена, либо пока не замкнутся контакты конечного выключателя КП1РД.
При этом муфта получит питание и вал Ml разобщится с механизмом. Механизм И Ml под действием специальных пружин нулевого установителя вернется в нейтральное положение, прекратив дальнейшую перекладку руля. Возврат руля в исходное положение выполняется клавишей «Право», двигатель Ml включается на работу в другую сторону, производительность насоса меняет направление, руль перекладывается на правый борт.
Для выполнения следящего управления рулем В1 устанавливают в положение 2. Все контакты В1 на схеме показаны в этом положении. В режиме «Следящий» работают все элементы схемы кроме интегрирующего звена М9, М10 и тахометра М8 с усилителем УП1.
Поворот штурвала приводит к развороту ротора М2ПУ, вторичная э. д. с. которого, пропорциональная углу (точнее синусу угла) разворота, поступит на вход усилителя У-1М. С выхода усилителя получит питание управляющая обмотка В1—В2 двигателя Ml, который начнет вращаться, задавая производительность насосу. Одновременно поворачивается ротор М2ИМ1, выдавая э. д. с. в противофазе с э. д. с. М2ПУ. Когда Ml развернет М2ИМ1 на угол, при котором э. д. с. М2ПУ и М2ИМ1 почти уравняются, сигнал на выходе усилителя станет близким к нулю, Ml остановится, будучи не в состоянии преодолеть действие пружины нулевого установителя. Однако происходит перекладка руля, поскольку ИMl сместил с нейтрали золотник гидроусилителя и манипулятор насоса. Вместе с баллером руля поворачивается ротор МЗРД, э. д. с. которого так же, как и э. д. с. М2ИМ1 находится в противофазе с э. д. с. М2ПУ. На входе усилителя сигнал уменьшается до нуля, действием пружин нулевого установителя И Ml возвращается в исходную позицию. Когда руль отклонится на заданный угол, ИМ1 вернется в нейтраль.
При этом заданный М2ПУ сигнал будет скомпенсирован сигналом МЗРД. После установки штурвала в новое, например, исходное положение, работа будет происходить аналогично описанной, с той лишь разницей, что при возврате М2ПУ в исходное положение его сигнал станет равным нулю, а сигнал МЗРД пока сохранит свое значение, поэтому ИМ1 отрабатывает в другую сторону, возвращая руль в исходную позицию. В следящем режиме штурвал имеет самовозврат в нулевое положение следующим образом. Разворот штурвала приводит к повороту ротора сельсина М5, который подаст напряжение на двухфазный двигатель Мб типа АДП-123Б. Своим вращающим моментом Мб возвращает штурвал и одновременно М5 в исходное положение. Для более четкого возврата штурвала поворот М5 происходит через «накопитель», который обеспечивает поворот ротора Мб на полный угол (90°) при небольшом повороте штурвала. Дальнейший поворот штурвала лишь накапливает люфт в передаче. При обратном движении Мб остается развернутым все время, пока штурвал не начнет подходить к нулевому положению. Двигатель М6Г получая полное напряжение, создает полный вращающий момент.
В режиме «Автомат» переключатель должен быть установлен в положение 3. В работу схемы включается тахогенератор М8, интегрирующее устройство М5, М9 и М10, а М2ПУ механически связывается с принимающим сельсином гирокомпаса М7ГК. Действие схемы аналогично описанному для следящего управления, с той разницей, что М2ПУ теперь будет поворачиваться принимающим сельсином гирокомпаса, на вход усилителя «добавляются» сигналы тахометра и интегратора, штурвал не имеет самовозврата.
Действие тахометра скажется в следующем:
- благодаря его сигналу возрастает общий уровень сигнала на входе усилителя, увеличивается чувствительность системы;
- угол закладки руля оказывается пропорциональным не только углу уклонения судна от курса а, но и скорости этого уклонения da/dt;
- достигается устойчивость стабилизации судна на курсе, так как при уклонении судна от курса руль быстрее закладывается на борт, компенсируя возмущение, а при возвращении судна па курс быстрее возвращается в ДП, а к моменту выхода судна на курс окажется заложенным на некоторый угол противоположного борта. Этим достигается «одерживание» судна.
Действие интегрирующего устройства состоит в следующем. При симметричных рысканиях судна сигнал интегратора равен нулю, так как М10 практически остается в нулевом положении. При появлении асимметричных по углу или времени (или по тому и другому) рысканиях судна, вызванных асимметрией сопротивления воды движению судна, неодинаковым упором винтов и др., за каждую пару несимметричных уклонений судна от курса ротор М10 окажется повернутым на некоторый, хотя и небольшой угол. В дальнейшем этот угол будет накапливаться до тех пор, пока это не вызовет закладку руля на такой угол, ври котором односторонние возмущения на корпус судна будут скомпенсированы рулем, т. е. пока рыскания не станут симметричными. Компенсация односторонних рысканий интегрирующим устройством, при прочих равных условиях, увеличивает точность удержания судна на курсе.
На пульте АТР имеются следующие регуляторы для ручной настройки системы: регулятор сигналов тахометра R3, регулятор коэффициента обратной связи Ко.с = а/β и переключатель чувствительности схемы «Грубо»—«Точно». От правильности настройки авторулевого этими регуляторами во многом зависит качество его работы и экономические показатели. Считается, что оптимальная настройка авторулевого обеспечивает увеличение скорости на 2—3% при одновременном снижении износа рулевого устройства, повышении точности удержания судна на курсе. Вместе с тем завод-изготовитель не может выдать конкретных рекомендаций по настройке ручных регуляторов для данного судна и данных условий (волнение и его направление по отношению к курсу судна, скорость, загрузка судна и его гидродинамические характеристики в различных условиях и т. д ).
Для выработки таких рекомендаций необходимы весьма тщательные, продолжительные испытания для каждой серии судов в различных условиях. Поэтому при эксплуатации авторулевых очень важно знать их возможности, а при правильном отношении и должном внимании всегда можно выполнить настройку, близкую к оптимальной. При этом важно помнить, что увеличение сигнала по производной (тахометр) хотя и увеличивает точность судна на курсе, ведет к увеличению числа и углов перекладки руля, что может привести к снижению скорости судна и повышенному износу привода. Выигрыш за счет спрямления траектории окажется утерянным из-за снижения скорости. Лишь при спокойном море можно использовать наибольшие значения уставок регулятора тахометра.
Следует учитывать также взаимозависимость оптимальных настроек регуляторов тахометра и Ко.с при увеличении сигнала тахометра коэффициент обратной связи следует несколько увеличить, так как углы закладки возрастут из-за увеличения сигнала на входе усилителя, что приведет к завышенным углам закладки руля.
Кроме того, поведение судна определяется не только интенсивностью волнения, оцениваемой баллами, но направлением: по носу, по корме, в борт и т. д. При кормовой зыби, например, судно плохо слушается руля и закладка руля даже на большие углы не в состоянии компенсировать периодические колебания судна на курсе. В этих условиях стремление завышать углы закладки повышением уровня сигнала тахометра и уменьшением Ко.с оказывается неоправданным. Во всех случаях, при усилении волнения свыше 5 баллов и появлении резких кладок на большие (свыше 10 — 12°) углы необходимо снизить чувствительность схемы регуляторами тахометра и Ко.с, а если это не дает эффекта, установить переключатель чувствительности в положение «Грубо». Некоторые рекомендации по наладке и устранению неисправностей в эксплуатационных условиях приведены в табл. 1.
Общие положения по эксплуатации рулевых электроприводов вытекают из требований к ним и ПТЭ судового электрооборудования. В неоговоренной части следует руководствоваться заводскими указаниями и инструкциями по эксплуатации.
Перед выходом судна в море необходимо: произвести внешний осмотр всего электрооборудования; замерить сопротивление изоляции всех цепей привода; проверить работу электропривода в действии со всех постов, для всех агрегатов и всех видов управления; доложить вахтенному штурману о готовности рулевого электропривода к выходу судна в море.
В процессе проверки следует обратить внимание на точность отработки угла по аксиометру и согласованность рулевых указателей с истинным положением руля по градусным отметкам на самом приводе. Во время работы проверить состояние подшипников на шум и нагрев. Необходимо также проверить действие предусмотренных видов сигнализации, наличие и исправность сигнальных ламп. Особое внимание при осмотре оборудования во
всех случаях нужно обращать на состояние контактов, особенно для часто коммутируемых цепей. В случае каких-либо неисправностей, требующих для устранения значительных затрат времени или разборки, вывода оборудования из действии, необходимо немедленно доложить об этом вахтенному штурману.
Таблица 1. Неисправности авторулевого
В процессе эксплуатации на ходу судна необходимо ежедневно осматривать оборудование, периодически проверять плотность контактных соединений и выводов, особенно в румпельном отделении, подверженном значительным вибрациям. Кроме общего контроля изоляции, проводят периодические проверки ее уровня для резервных, неработающих агрегатов и элементов схемы управления.
