III. Расчет электропривода судовой грузовой лебедки

Нижегородское речное училище имени И.П.Кулибина

 

Расчет устройства судового электропривода

 

 

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

 

по курсовому проектированию для студентов очного и заочного обучения специальности 190501 «Эксплуатация транспортного электрооборудования и автоматики (по видам транспорта) (на водном транспорте)»

 

 

Н.Новгород

Издательство ФГОУ ВПО «ВГАВТ»

Федеральное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Волжская государственная академия водного транспорта

Нижегородское речное училище имени И.П.Кулибина

 

Расчет устройства судового электропривода

 

Методическое пособие

по курсовому проектированию для студентов очного и заочного обучения специальности 190501 «Эксплуатация транспортного электрооборудования и автоматики (по видам транспорта) (на водном транспорте)»

 

 

Составитель: Т.Н. ГУСАКОВА

 

 

Н.Новгород

Издательство ФГОУ ВПО «ВГАВТ»

УДК 629.12.066-52

А 46

ГУСАКОВА, Т.Н.

Методическое пособие для студентов очного и заочного

обучения специальности 190501 «Эксплуатация транспортного электрооборудования и автоматики (по видам транспорта) (на водном транспорте)»; / Т.Н. ГУСАКОВА. – Н.Новгород: издательство ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2012. – 20с.

 

Методические указания, составленные с учетом требований Государственного образовательного стандарта по специальностям 190501 «Эксплуатация транспортного электрооборудования и автоматики (по видам транспорта) (на водном транспорте)» и содержат рекомендации по выполнению курсового проекта по судовым электроприводам.

Для студентов электромехаников 4–го курса очного обучения и студентов 5–го курса заочного обучения специальности 190501.

 

Одобрено цикловой комиссией электротехнических дисциплин

№3 от 12 декабря 2011г.

 

 

© Издательство ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2012

 

Введение

Курсовое проектирование выполняется с целью закрепления и углубления знаний, полученных за время теоретического обучения.

В методическом пособие рассматривается методика проектирования якорно-швартовных устройств и грузовых лебедок.

Курсовой проект состоит из пояснительной записки и принципиальной схемы управления электропривода.

Пояснительная записка включает:

1. Введение, в котором излагаются основные положения задания и дается краткий обзор проектируемого привода, его назначение и устройство;

2. Требования Российского Речного Регистра (РРР) к судовому электроприводу;

3. Техническую характеристику выбранного устройства и составление кинематической схемы, с описанием её работы;

4. Расчетную часть, в которой необходимо:

рассчитать и построить нагрузочную диаграмму электродвигателя;

рассчитать максимальный момент на валу, угловую скорость вала и мощность;

в соответствии с условиями эксплуатации, расчетной мощностью и угловой скоростью по каталогу выбрать электродвигатель;

проверить выбранный электродвигатель на перегрузочную способность и нагрев;

рассчитать и выбрать сечение кабеля;

проверить кабель на потерю напряжения в соответствии с требованиями РРР;

5. Разработку схемы управления судовым приводом;

6. Краткое описание работы схемы;

7. Расчет и выбор электрических аппаратов управления и защиты в электрической схеме;

8. Построение механических характеристик выбранного электродвигателя;

9. Заключение;

10. Используемую литературу;

11. Содержание.

 

I. Техническое задание на курсовую работу

Техническое задание на курсовую работу по предмету «Судовые электроприводы» содержит следующие данные, необходимые для выбора электродвигателя и разработки схемы судового электропривода.

Данные для расчета электропривода якорно-швартовного устройства содержат следующие сведения:

Глубина стоянки судна Н, м.

Скорость выбирания якорной цепи υ, м/с.

Масса одного якоря Q, кг.

Масса одного погонного метра цепи q, кг/м.

Радиус звездочки брашпиля R_ЗВ, м.

Общее передаточное число брашпиля i.

КПД брашпиля η_БР.

КПД клюза η_КЛ.

Длина питающей линии L, м.

Коэффициент загрузки потребителя k_З.

Род тока судовой сети.

Напряжение судовой сети U, В.

Данные для расчета электропривода судовой лебёдки содержат следующие сведения:

Грузоподъёмность Q, т.

Масса гака и стропов Q₀, кг.

Скорость подъёма и спуска груза υ, м/с.

Скорость подъёма и опускания гака υ₀, м/с.

Высота подъёма груза Н₁, м.

Высота опускания груза Н₂, м.

Передаточное число редуктора лебедки i.

Диаметр барабана лебёдки d_Б, м.

КПД механических передач η_мех.

КПД механических передач при холостом ходе η_{мех х.х.}.

Коэффициент загрузки потребителя k_З.

Род тока судовой сети.

Напряжение судовой сети U, В.

Время поворота стрелы с грузом t₀₁ принимается 10с.

Время разгрузки t₀₂ принимается 60с.

Время поворота стрелы без груза t₀₃ принимается 10с.

Время погрузки t₀₄ принимается 60с.

II. Расчет электропривода якорно-швартовного

Устройства

 

Работа брашпиля при подъеме якоря разбивается на следующие периоды:

I - выбирание якорной цепи, лежащей на грунте, при постоянном тяговом усилии F1;

II - выбирание якорной цепи со спрямлением цепной линии при переменном тяговом усилии F2;

III – отрыв якоря от грунта при постоянном тяговом усилии F3;

IV – подъем якоря при переменном тяговом усилии F4.

 

I. Усилие натяжения якорной цепи

1. Выбирание якорной цепи, лежащей на грунте.

Сила тяжести якорной цепи на I этапе:

F₁=F₁^/+R

где F₁^/ - усилие от натяжения двух якорных цепей при подтягивании судна к якорю.

F₁^/ = 2τ Н k [Н]

k=0,9 –потери веса в пресной воде;

τ – сила тяжести одного погонного метра цепи [H];

τ = q g

q - масса одного погонного метра цепи [кг/м];

g –ускорение свободного падения

g = 9,8 м/с²;

R – усилие, создаваемое совместным действием ветра и течения

R = 0,2 F₁^/ [H].

2. Момент на валу электродвигателя

M₁=F₁R_ЗВ / iη_БРη_КЛ.. [Hм].

3. Скорость вращения электродвигателя l

ω_ДВ = ω_ЗВ i [рад/с]

ω_ЗВ – скорость вращения звездочки

ω_ЗВ = υ / R_ЗВ [рад/с].

4. Длина провисающей части цепи

ι₁=√2 F₁H/ τ + H² [м].

5. Время выбирания якорной цепи в I периоде

t₁ = ι₁ i/ ω_ДВ R_ЗВ [с]

 

II. Выбирание провисающей части цепи до момента отрыва якоря от грунта

1. Момент на валу электродвигателя

M₂= (M^/₂ + M^//₂) /2 [Hм]

где M^/₂= M₁ – начальный момент;

M^//₂=М_mах – конечный момент при отрыве якоря от грунта.

М_mах = F_mах R_ЗВ/ iη_БРη_КЛ [Hм]

где F_mах - максимальное усилие на звездочке брашпиля при выбирании двух якорей с отрывом одного из них от грунта.

F_mах = f_кл [k(Т_я + 2 τ H) + 2 Т_я] [H]

где f_кл =1,3 – коэффициент трения цепи в клюзе;

k – коэффициент потери веса в пресной воде (см. выше);

Т_я - сила тяжести одного якоря [H]

Т_я = Q q

q - масса одного погонного метра цепи [кг/м]

Q – масса одного якоря [кг].

2. Длина выбранной цепи за период II

Ι₂= 0,5Н [м].

3. Время выбирания якоря за период II

t ₂ = ι₂ i/ ω_ДВ R_ЗВ [с].

 

III. Отрыв якоря от грунта

1. Момент при отрыве якоря

М₃ = М_mах

2. Время стоянки электродвигателя под током

принимаем t₃ = 60с.

 

IV. Подьем двух якорей с глубины

1. Усилие на двух звездочках брашпиля.

F₄ = 2[k f_кл (Т_я + τ H)] [H]

2. Момент на валу электродвигателя при подъеме двух якорей:

М₄ = (F₄ R_ЗВ)/(iη_БР) [Hм]

3. Время подъема двух якорей с глубины:

t ₄ = Н i/ ω_ДВ R_ЗВ [с].

V. По расчетным данным строится нагрузочная диаграмма изменения момента на валу электродвигателя брашпиля.

 

VI. Выбор электродвигателя

1. Полное время выбирания двух якорей за весь цикл

Т_П = t₁+ t₂ + t₃+ t ₄ [с].

2. Эквивалентный момент

М_экв = √( M₁² t₁ + M₂²t ₂ + М₃² t₃ +М₄² t ₄)/ Т_П

3. Эквивалентная мощность

Р_экв = М_экв ω_ДВ

По мощности и частоте вращения выбираем электродвигатель из каталога.

Прежде, чем выбрать электродвигатель необходимо угловую скорость ω (рад/с) перевести в частоту вращения n (об/мин)

n = 60 ω /2π.

4.Условие выбора электродвигателя:

Р ≥ Р_экв М ≥ М_экв ω _≈ ω_ДВ

Выбранный двигатель обеспечивает нормальную работу брашпиля т.к. эквивалентный момент меньше номинального момента электродвигателя и удовлетворяет условиям нагрева т.к. эквивалентная мощность меньше номинальной мощности электродвигателя.

5. Выбранный электродвигатель проверяют также на перегрузочную способность по условию

М_ном λ ≥ М_mах

λ – перегрузочная способность двигателя

М_ном - номинальный момент выбранного двигателя

М_ном = Р_ном / ω_ном [Hм]

М_mах = М₃

 

VII. Выбор сечение кабеля для питания электродвигателя брашпиля

Расчетный ток для кабеля, питающего эл.двигатель переменного тока

I_расч = Р_ном k_{загр /} √3Uη соsφ [А]

 

Расчетный ток для кабеля, питающего эл.двигатель постоянного тока

I_расч = Р_ном k_{загр /} Uη [А]

Р_ном – номинальная мощность электродвигателя, Вт;

k_{загр -} коэффициент загрузки электродвигателя;

η – КПД двигателя;

соsφ – коэффициент мощности электродвигателя.

Определяется площадь сечения жил для кабеля, подводимого к брашпилю. Площадь сечения выбирается из таблицы допустимых норм нагрузок по расчетному току эл.двигателя согласно режиму работы брашпиля и числу жил кабеля.

 

VIII. Проверка кабеля на потерю напряжения

Для электродвигателей постоянного и однофазного переменного тока потеря напряжения в кабеле равна:

∆U% = 200 Р_ном L / γsU²

Для электродвигателей трехфазного переменного тока потеря напряжения в кабеле равна:

∆U% = 100 Р_ном L / γsU²

Р_ном – номинальная мощность электродвигателя, Вт;

L - длина питающей линии, м;

U – напряжение судовой сети, В;

γ - удельная проводимость, γ = 20∙10⁶ См/м;

s – сечение кабеля, м.

Расчетные значения потерь напряжения в кабеле сравниваются с максимально допустимыми потерями напряжения, которые установлены Российским Речным Регистром. Нормы максимально допустимых потерь напряжения выражаются в % от номинального напряжения сети.

Если для предварительно выбранного кабеля потери напряжения окажутся больше допустимых, то выбирается кабель большего сечения.

 

IX. Разработка схемы управления электроприводом брашпиля

По роду тока и мощности электродвигателя разрабатывается соответствующая схема управления электроприводом брашпиля.

 

X. Выбор электрических аппаратов

1. Для подключения фидера к шинам ГРЩ выбирается автоматический выключатель с максимальным расцепителем на номинальный ток I ≥ I_расч.

2. По разработанной схеме подбираются электрические аппараты управления и защиты.

XI. Механические характеристики электродвигателя

Для выбранного электродвигателя по каталожным и расчетным данным необходимо построить механическую характеристику. Если двигатель является многоскоростным, механическую характеристику необходимо построить для каждой скорости.

 

III. Расчет электропривода судовой грузовой лебедки

 

Работа судовой грузовой лебедки при подъеме якоря разбивается на следующие периоды:

Подъем с номинальным грузом.

Тормозной спуск с грузом.

Подъём холостого гака.

Силовой спуск холостого гака.

 

I. Подъем с номинальным грузом

Этот период можно разделить на четыре этапа:

1) Разгон электродвигателя при подъеме с номинальным грузом.

2) Подъем груза при установившемся движении.

3) Остановка поднимаемого груза.

4) Поворот стрелы.

Момент на валу электродвигателя при подъёме с номинальным грузом

М_1СТ = (F₁ + F₀)d_Б / 2 i η_мех. [Hм]

F₁ – сила, соответствующая заданной грузоподъёмности [H]

F₁ = Q g

g – ускорение свободного падения g = 9,8 м/с².

F₀ - сила тяжести гака и стропов [H]

F₀ = Q₀ g

Время подъёма номинального груза при установившемся режиме

t_1СТ = Н₁/ υ [с]

Временем разгона электродвигателя и временем остановки поднимаемого груза пренебрегаем, так как оно незначительно.

 

II. Тормозной спуск с грузом

Этот период можно разделить на четыре этапа:

1) Разгон груза при тормозном спуске с номинальным грузом.

2) Опускание номинального груза.

3) Остановка спускаемого груза.

4) Разгрузка.

Момент на валу электродвигателя при опускании номинального груза

М_2СТ = (F₁ + F₀)d_Б(2 – 1/η_мех.) / 2 i [Hм]

Время опускания номинального груза

t_2СТ = Н₂/ υ [с]

Временем разгона и остановки груза пренебрегаем.

 

III. Подъём холостого гака

Этот период можно разделить на следующие этапы:

1) Разгон гака при подъеме без груза.

2) Подъем холостого гака.

3) Остановка холостого гака.

4) Поворот стрелы без груза.

Статический момент сопротивления на валу электродвигателя при подъёме пустого гака

М_3СТ = F₀d_Б / 2 i η_{мех х.х.} [Hм]

Время подъёма холостого гака

t_3СТ = Н₁/ υ₀ [с]

Временем разгона и остановки холостого гака пренебрегаем.

 

IV. Силовой спуск холостого гака

1) Разгон электродвигателя при спуске холостого гака.

2) Силовой спуск холостого гака.

3) Остановка холостого гака при спуске.

4) Погрузка.

Статический момент сопротивления на валу электродвигателя при опускании пустого гака

М_4СТ = F₀d_Б (2 – 1/ η_{мех х.х.}) / 2 i_. [Hм]

Время опускания холостого гака

t_4СТ = Н₂/ υ₀ [с]

Временем разгона электродвигателя и временем остановки холостого гака пренебрегаем.

По расчетным данным строится нагрузочная диаграмма моментов за один цикл работы грузовой лебедки.

 

V. Выбор электродвигателя

1. Продолжительность одного цикла работы лебёдки

Т_П = t_1СТ + t_2СТ + t_3СТ + t _4СТ + 0,5(t₀₁ + t₀₂ + t₀₃ + t₀₄) [с];

Коэффициент 0,5 учитывает ухудшение условий охлаждения электродвигателя при остановке.

2. Эквивалентный момент на валу электродвигателя

М_экв = √( M_1СТ² t_1СТ + M_2СТ²t _2СТ + М_3СТ² t_3СТ +М_4СТ² t _4СТ)/ Т_П

3. Электродвигатель выбираем по расчетной мощности

Р_расч = М_экв ω_мех

ω_мех - скорость вращения первичного вала механической лебёдки

ω_мех = 2 υ i/ d_Б (рад/с)

По расчетной мощности Р_расч и частоте вращения ω_мех выбирается электродвигатель из каталога, откуда выписываются его номинальные параметры.

Прежде, чем выбрать электродвигатель необходимо угловую скорость ω (рад/с) перевести в частоту вращения n (об/мин)

n = 60 ω /2π.

Условие выбора электродвигателя:

Р_ном ≥ Р_экв М_ном ≥ М_экв ω _≈ ω_ДВ

4. Выбранный двигатель обеспечивает нормальную работу судовой лебёдки т.к. эквивалентный момент меньше номинального момента электродвигателя и удовлетворяет условиям нагрева т.к. эквивалентная мощность меньше номинальной мощности электродвигателя.

5. Выбранный электродвигатель проверяют также на перегрузочную способность по условию:

М_ном λ ≥ М_mах

λ – перегрузочная способность двигателя

М_ном - номинальный момент выбранного двигателя

М_ном = Р_ном / ω_ном [Hм]

М_mах = М_1СТ - момент на валу электродвигателя при подъёме с номинальным грузом

 

6. Выбор сечение кабеля для питания электродвигателя судовой лебёдки.

Расчетный ток для кабеля, питающего эл.двигатель переменного тока

I_расч = Р_ном k_{загр /} √3Uη соsφ [А]

 

Расчетный ток для кабеля, питающего эл.двигатель постоянного тока

I_расч = Р_ном k_{загр /} Uη [А]

Р_ном – номинальная мощность электродвигателя, Вт;

k_{загр -} коэффициент загрузки электродвигателя;

η – КПД двигателя;

соsφ – коэффициент мощности электродвигателя.

Определяется площадь сечения жил для кабеля, подводимого к лебёдке. Площадь сечения выбирается из таблицы допустимых норм нагрузок по расчетному току эл.двигателя согласно режиму работы судовой лебёдки и числу жил кабеля.

 

VI. Проверка кабеля на потерю напряжения

Для электродвигателей постоянного и однофазного переменного тока потеря напряжения в кабеле равна:

∆U% = 200 Р_ном L / γsU²

Для электродвигателей трехфазного переменного тока потеря напряжения в кабеле равна:

∆U% = 100 Р_ном L / γsU²

Р_ном – номинальная мощность электродвигателя, Вт;

L - длина питающей линии, м;

U – напряжение судовой сети, В;

γ - удельная проводимость, γ = 20∙10⁶ См/м;

s – сечение кабеля, м.

Расчетные значения потерь напряжения в кабеле сравниваются с максимально допустимыми потерями напряжения, которые установлены Российским Речным Регистром. Нормы максимально допустимых потерь напряжения выражаются в % от номинального напряжения сети.

Если для предварительно выбранного кабеля потери напряжения окажутся больше допустимых, то выбирается кабель большего сечения.

 

VII. Разработка схемы управления электроприводом судовой лебёдки

По роду тока и мощности электродвигателя разрабатывается соответствующая схема управления электроприводом лебёдки.

 

VIII.. Выбор электрических аппаратов

1. Для подключения фидера к шинам ГРЩ выбирается автоматический выключатель с максимальным расцепителем на номинальный ток I ≥ I_расч.

2. По разработанной схеме подбираются электрические аппараты управления и защиты.

 

IX. Механические характеристики электродвигателя

 

Для выбранного электродвигателя по каталожным и расчетным данным необходимо построить механическую характеристику. Если двигатель является многоскоростным, механическую характеристику необходимо построить для каждой скорости.

 

 

Приложение 1