Исследование замкнутой системы векторного управления асинхронного привода судовой буксирной лебедки Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 629.4.016.12

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННОГО ПРИВОДА СУДОВОЙ БУКСИРНОЙ ЛЕБЕДКИ

Канд. техн. наук, доц. МЕХДИЕВ Г. А., инж. СУЛТАНОВ Э. Ф.

Азербайджанская государственная морская академия

При буксировке судов усилия в буксирном канате зависят от условий движения, состояния поверхности моря и ряда других факторов. Даже в спокойную погоду изменение скорости буксировки, выполнение маневров буксирующим судном приводят к возникновению дополнительных усилий в канате, имеющих колебательный характер.

Суда, предназначенные для буксировочных операций (морские буксиры, спасатели, ледоколы), как правило, снабжаются специальными буксирными лебедками с электроприводом. Такие лебедки обеспечивают хранение на рабочем барабане всего запаса буксирного каната, ручное и автоматическое регулирование длины буксирного каната и при изменении условий плавания позволяют оптимизировать режим буксировки. Одной из основных задач лебедки в автоматическом режиме является поддержание постоянного натяжения в канате, так как резкие ударные нагрузки могут привести к его обрыву, а в условиях маневрирования - даже к опрокидыванию буксира. Значительная слабина каната не исключает возможность его наматывания на винт буксира [1].

Применяемые в судовых буксирных устройствах многоскоростные асинхронные электроприводы имеют следующие недостатки: регулирование скорости вращения является ступенчатым, система управления электроприводом

- контакторная, измерение тягового усилия в буксирном канате осуществляется механическим (пружинного типа) устройством.

Названные выше недостатки показывают, что такой автоматизированный электропривод не в состоянии обеспечивать оптимальный режим работы буксирной лебедки. Поэтому он менее надежен, чем бесконтактные плавно регулируемые асинхронные электроприводы. На основании вышеизложенного в работах [2, 3] указано на возможность и целесообразность применения векторно-управляемого асинхронного двигателя (АД) в судовых буксирных лебедках.

Векторное управление АД, в котором выходными сигналами являются по-токосцепление и частота ротора [2, 4], - простой и распространенный на практике метод. В соответствии с выражением, приведенным в [2], момент

- это функция потокосцепления и частоты тока ротора (ю2)

3Zn

м = —рЧ, (1)

2г2

где 2Р - число пар полюсов машины.

Уравнение движения электропривода в переходном режиме записывается в виде

М = 3— = 3Рю.

&

Подставив (1) в (2), получим

3% р

—--^ = ЗРю.

2г

(3)

Передаточная функция АД по каналу управления частотой ротора будет определяться по формуле

-(Р) 1

т 2 Зтг

где Тт = 2

-2{Р) ЗР2Г РТт

механическая постоянная времени.

(4)

Передаточная функция канала управления частотой ротора (4) соответствует интегрирующему звену, что позволяет представить его структурную схему в замкнутой системе управления, как показано на рис. 1

Мс

№2

М

АД

№з

| ю

Рис. 1. Структурная схема системы управления при постоянном потокосцеплении ротора: №1 - передаточная функция регулятора скорости; №2, №3 - передаточные функции АД

Принимая регулятор скорости безынерционным, получим

Щ(Р) = К. (5)

Передаточные функции АД соответственно будут определяться по формулам:

Щ(р) =

2г

(6)

Ж3( Р) = -

РЗ

(7)

I. Передаточную функцию по управляющему воздействию записывают в виде

Щ (Р) = ■

щ(рщ2( РЩ(Р)

1 + Щ (РЩ (Р)Щ (Р) После соответствующего преобразования получим

(8)

ю

1

W (P) = ■

К 3Z p v2d

к

2 r2 PJ + К 3 Zp V2d

2r J

P + K

3Zp v2d

Обозначим механическую постоянную времени T =

2 Jr» 3Z v2d

(9)

-. В оконча-

тельном виде получим выражение

Wy (P) -

к

TP + K

m

(10)

II. Передаточная функция по возмущающему воздействию. Структурная схема системы при возмущающем воздействии приведена на рис. 2.

ДМс

W3

М -4-

W2 W1

Рис. 2. Структурная схема системы при возмущающем воздействии

Уравнение определения передаточной функции по возмущающему воздействию запишем в виде

Щ(Г) _ 1Р

WB (P) =

1+w (p)W (P)W (P)

1+к

3Zpv2d

2r JP

(11)

После соответствующих преобразований получим:

WB (P) = -

2r

Wв (P) =

2 r» JP + K 3 Zp v2d D

TP + K

(12)

(13)

2r

где D = - 2

3ZPVld

III. Переходные характеристики системы при управляющих и возмущающих воздействиях. Для определения значения постоянной времени Tm воспользуемся параметрами реальной судовой буксирной лебедки: номинальное усилие F, создаваемое буксиром на барабане лебедки, находится в пределах Fn = 180-270 кН; диаметр стального троса D = 48,5 мм; скорость выбирания троса v = 0,25-0,50 м/с; тип электродвигателя -МАР 721-4/12; Рн = 50/50 кВт; ин = 1410/430 об/мин; J = 1,11 кг-м2.

ш

Ю

Номинальный момент двигателя определяется по формуле

М = 9555 Р = 9555-^ = 338,8 Н-м. пн 1410

Номинальное скольжение двигателя

= ^ = 1500 -1410 = 0,06. П 1500

Момент инерции вращающихся частей, приведенный к валу двигателя: •пр.вр = ^ел.дв (1,1 -1,3) = 1,3-1,11 = 1,44 КГ-м2.

Приведение поступательно движущегося груза (буксируемого судна) к валу двигателя осуществляется по формуле

— У2

= -ГТ, (14)

где - сила сопротивления, создаваемого буксиром на барабане лебедки, равная = 180-270 кН, принимаем = 250 кН; ун = 0,4 м/с - номинальная скорость выбирания буксирного каната. С помощью выражения (14) определяем

—у22 250000 - 0,42 2

•пргр =-— = 1,84 кг-м2,

пргр ш2 147,582

н

кп 3,14-1410 ллпсо где а = — = --= 147,58 рад/с.

^ 30 30

Приведенный на вал двигателя общий момент инерции определим по формуле

•проб = •пр.вр + •пр.гр = 1,44 +1,84 = 3,28 кг-м2.

В пределах прямолинейной части характеристики АД для механической постоянной времени справедливо выражение [5]

^ = • М ^, (15)

кпс 3,14-1500

где ах =—с =-= 157 рад/с.

с 30 30

Определяем Тт электропривода данной буксирной лебедки из выражения

157

Тт=3 Я = 3,28---0,06 = 0,091 с.

т Мн н 338,8

Переходная характеристика системы при ступенчатом управляющем воздействии (рис. 3) строится решением характеристического уравнения передаточной функции (10)

Т Р+К = 0, (16)

р 1

где р = ——, при этом решение характеристического уравнения имеет вид

Х„„ = КХ„

г \

1 - е р

(17)

Так как в данном случае (рис. 1): Хвых = ю; Хвх = ю3 и при начальных условиях: г = 0; ю = 0; ю3 = 1, приняв к = 1, в относительных единицах получим

г

Ш = 1 - е °.°91. (18)

Рис. 3. Переходная характеристика системы при ступенчатом управляющем воздействии

Результаты вычислений приведены в табл. 1.

Таблица 1

г, с 0 0,02 0,04 0,06 0,080 0,10 0,300 0,5000 0,8000

г 0,091 0 0,22 0,44 0,66 0,880 1,10 3,290 5,5000 5,4300

г е 0,091 1 0,80 0,64 0,55 0,414 0,33 0,037 0,0041 0,0015

Ю 0 0,20 0,36 0,45 0,590 0,67 0,960 0,9900 0,9980

Переходная характеристика системы при ступенчатом возмущающем воздействии (рис. 4) строится решением характеристического уравнения передаточной функции (13)

Тт Р + К = 0. (19)

Следует отметить, что в данном случае электропривод переходит от одного установившегося состояния к другому, т. е. при г = 0 величина

ю = ю1уст = юн; при г = да ю = ю2уст. При таких начальных условиях (приняв к = 1) решение уравнения (19) в относительных единицах будет записываться следующим образом:

г

Ю = Ю2уст + (Юн " Ю2уст ) ^ Тт • (20)

1,0 0,9 -0,8 -0,7 -0,6 0,5 0,4 -0,3 . 0,2 ■ 0,1 • 0

ю = Л0

Ю2уст

1—Г

1-1-Г

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 г, с

Рис. 4. Переходная характеристика системы при ступенчатом возмущающем воздействии

ю

ю

При увеличении момента сопротивления в два раза, что может быть в случае кратковременного порыва ветра, скорость данного двигателя снизится приблизительно на 10 % (это объясняется наклоном естественной механической характеристики). Тогда в относительных единицах уравнение (20) примет вид

г

ю = 0,9 + (1 - 0,9) 0091. (21)

Результаты вычислений приведены в табл. 2.

Таблица 2

г, с 0 0,02 0,040 0,06 0,08 0,10 0,300 0,5000 0,8000

г 0,091 0 0,22 0,440 0,66 0,88 1,10 3,290 5,5000 8,8000

г е 0,091 1,0 0,80 0,640 0,55 0,41 0,33 0,880 0,0041 0,0015

г (1 - 0,9) е 0,091 0,1 0,08 0,064 0,05 0,04 0,03 0,004 0,0004 0,00015

ю 1,0 0,98 0,964 0,95 0,94 0,93 0,904 0,9004 0,90015

Как видно из рис. 3 и 4, длительность переходного процесса данной системы незначительная, что является важным фактором для электроприводов буксирной лебедки.

В Ы В О Д Ы

В результате построения и исследования замкнутой системы векторного управления асинхронного электропривода выявлено, что длительность переходного процесса данной системы незначительная. Это важно для предотвращения аварийных случаев (например, при набросе нагрузки) при буксировке судов.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Бабаев, А. М. Автоматизированные судовые электроприводы / А. М. Бабаев, В. Я. Ягодкин. - М.: Транспорт, 1986.

2. Б а г и р о в, С. М. Разработка системы автоматического управления электроприводом буксирной лебедки / С. М. Багиров, Е. Ф. Султанов // Научные труды Азербайджанской государственной морской академии. - Баку: Ти-Медиа, 2009 (на азербайджанском языке). - № 8.

3. М е х д и е в, Г. А. Анализ структурных схем векторно-управляемого асинхронного привода буксирной лебедки / Г. А. Мехдиев, Е. Ф. Султанов // Научные труды Азербайджанской государственной морской академии. - Баку: Ти-Медиа, 2010 (на азербайджанском языке). - № 1.

4. Р у д а к о в, В. В. Асинхронные электроприводы с векторным управлением / В. В. Рудаков, И. М. Столяров, В. А. Дартау. - Л.: Энергоатомиздат, 1987.

5. Ч е к у н о в, К. А. Теория судового электропривода / К. А. Чекунов. - Л.: Судостроение, 1982.

Представлена кафедрой электрооборудования судов Поступила 11.04.2011