44 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 дви- жения, 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 ра- бочем барабане всего запаса буксирного каната, ручное и автоматическое ре- гулирование длины буксирного каната и при изменении условий плавания позволяют оптимизироватъ режим буксировки. Одной из основных задач ле- бедки в автоматическом режиме является поддержание постоянного натяже- ния 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 асин- хронные электроприводы имеют следующие недостатки: регулирование ско- рости вращения является ступенчатым, система управления электроприводом – контакторная, измерение тягового усилия в буксирном канате осуществля- ется 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 вышеиз- ложенного в работах [2, 3] указано на возможность и целесообразность при- менения векторно-управляемого асинхронного двигателя (АД) в судовых бук- сирных 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 (2) 2 2 2 2 3 , 2 р dΖ М r    (1) где Zp – число пар полюсов машины. Уравнение движения электропривода в переходном режиме записывается в виде 45 ω ω. d М J JP dt   (2) Подставив (1) в (2), получим 2 2 2 2 3 ψ ω ω. 2 р dΖ JP r  (3) Передаточная функция АД по каналу управления частотой ротора будет определяться по формуле 2 2 22 3( ) 1 , 2( ) р d m ΖР JP rР PT     (4) где 2 2 2 2 3 ψ m p d Jr T Ζ  – механическая постоянная времени. Передаточная функция канала управления частотой ротора (4) соответ- ствует интегрирующему звену, что позволяет представить его структурную схему в замкнутой системе управления, как показано на рис. 1 Рис. 1. Структурная схема системы управления при постоянном потокосцеплении ротора: W1 – передаточная функция регулятора скорости; W2, W3 – передаточные функции АД Принимая регулятор скорости безынерционным, получим 1( ) .W P K (5) Передаточные функции АД соответственно будут определяться по форму- лам: 2 2 2 2 3 ( ) ; 2 p dΖ W P r   (6) 3 1 ( ) .W P PJ  (7) I. Передаточную функцию по управляющему воздействию записывают в виде 1 2 3у 1 2 3 ( ) ( ) ( ) ( ) . 1 ( ) ( ) ( ) W P W P W P W P W P W P W P   (8) После соответствующего преобразования получим 3 W1 W2 W3  АД М Мс  46 2 2 у 2 22 2 2 2 3 ( ) . 22 3 3 p d p d p d К Ζ K W P r Jr PJ К Ζ P K Ζ        (9) Обозначим механическую постоянную времени 2 2 2 2 . 3 m p d Jr T Ζ   В оконча- тельном виде получим выражение у ( ) . m K W P Т P K   (10) II. Передаточная функция по возмущающему воздействию. Структур- ная схема системы при возмущающем воздействии приведена на рис. 2. Рис. 2. Структурная схема системы при возмущающем воздействии Уравнение определения передаточной функции по возмущающему воз- действию запишем в виде 3 в 2 21 2 3 2 1 ( ) ( ) . 3 11 ( ) ( ) ( ) 1 2 p d W P JPW P ΖW P W P W P K r JP      (11) После соответствующих преобразований получим: 2в 2 2 2 2 ( ) ; 2 3 p d r W P r JP K Ζ    (12) в ( ) , m D W P T P K   (13) где 2 2 2 2 . 3 p d r D Ζ   III. Переходные характеристики системы при управляющих и возму- щающих воздействиях. Для определения значения постоянной време- ни Тm воспользуемся параметрами реальной судовой буксирной лебедки: но- минальное усилие Fн, создаваемое буксиром на барабане лебедки, находится в пределах Fн = 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; н 50/50Ρ  кВт; пн = 1410/430 об/мин; J = 1,11 кгм 2.   М Мс Мс W2 W1 W3 47 Номинальный момент двигателя определяется по формуле н н н 50 9555 9555 338,8 1410 P Μ n    Нм. Номинальное скольжение двигателя o н н о 1500 1410 0,06. 1500 n n S n      Момент инерции вращающихся частей, приведенный к валу двигателя: пр.вр ел.дв (1,1 1,3) 1,3 1,11 1,44J J     кгм 2. Приведение поступательно движущегося груза (буксируемого судна) к валу двигателя осуществляется по формуле 2 н н пр.гр 2 н , F v J   (14) где Fн – сила сопротивления, создаваемого буксиром на барабане лебедки, равная Fн = 180–270 кН, принимаем Fн = 250 кН; vн = 0,4 м/с – номинальная скорость выбирания буксирного каната. С помощью выражения (14) определяем 2 2 н н пр.гр 2 2 н 250000 0,4 1,84 147,58 F v J      кгм2, где нн π 3,14 1410 ω 147,58 30 30 n     рад/с. Приведенный на вал двигателя общий момент инерции определим по формуле пр.об пр.вр пр.гр 1,44 1,84 3,28J J J     кгм 2. В пределах прямолинейной части характеристики АД для механической постоянной времени справедливо выражение [ ]5 c н н ,mT J S М   (15) где сс π 3,14 1500 ω 157 30 30 n     рад/с. Определяем Tm электропривода данной буксирной лебедки из выра- жения c н н 157ω 3,28 0,06 0,091 338,8 mT = J S М     с. 48 Переходная характеристика системы при ступенчатом управляющем воздействии (рис. 3) строится решением характеристического уравнения пе- редаточной функции (10) 0,mT Р K  (16) где 1 , m Р Т   при этом решение характеристического уравнения имеет вид вых вх 1 . t рX KХ е        (17) Так как в данном случае (рис. 1): вых ;X  вх 3X  и при начальных условиях: 0;t  ω= 0; 3 1,  приняв k = 1, в относительных единицах получим 0,0911 . t е    (18) Рис. 3. Переходная характеристика системы при ступенчатом управляющем воздействии Результаты вычислений приведены в табл. 1. Таблица 1 t, c 0 0,02 0,04 0,06 0,080 0,10 0,300 0,5000 0,8000 0,091 t 0 0,22 0,44 0,66 0,880 1,10 3,290 5,5000 5,4300 0, 091 t e  1 0,80 0,64 0,55 0,414 0,33 0,037 0,0041 0,0015  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 пе- редаточной функции (13) + = 0.mT Р К (19) Следует отметить, что в данном случае электропривод переходит от одного установившегося состояния к другому, т. е. при t = 0 величина 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,8 0,9 1,0  0,8 0,7 0,5 0,3 0,1 0,4 0,6 0,2 t, с 49  = 1уст = н; при t =   = 2уст. При таких начальных условиях (приняв k = 1) решение уравнения (19) в относительных единицах будет записываться следующим образом:  2уст н 2уст .m t Те      (20) Рис. 4. Переходная характеристика системы при ступенчатом возмущающем воздействии При увеличении момента сопротивления в два раза, что может быть в слу- чае кратковременного порыва ветра, скорость данного двигателя снизится приблизительно на 10 % (это объясняется наклоном естественной механиче- ской характеристики). Тогда в относительных единицах уравнение (20) при- мет вид   0,0910,9 1 0,9 . t е     (21) Результаты вычислений приведены в табл. 2. Таблица 2 Как видно из рис. 3 и 4, длительность переходного процесса данной систе- мы незначительная, что является важным фактором для электроприводов бук- сирной лебедки. t, с 0 0,02 0,040 0,06 0,08 0,10 0,300 0,5000 0,8000 0,091 t 0 0,22 0,440 0,66 0,88 1,10 3,290 5,5000 8,8000 0, 091 t e  1,0 0,80 0,640 0,55 0,41 0,33 0,880 0,0041 0,0015   0, 0911 0,9 t e   0,1 0,08 0,064 0,05 0,04 0,03 0,004 0,0004 0,00015  1,0 0,98 0,964 0,95 0,94 0,93 0,904 0,9004 0,90015 t, с  2уст 1уст  = f(t) 0 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,8 0,9 1,0 00,8 0,7 0,5 0,3 0,1 0,4 0,6 0,2 50 В Ы В О Д Ы В результате построения и исследования замкнутой системы векторного управления асинхронного электропривода выявлено, что длительность пере- ходного 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. Б а б а е в, 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 электроприво- дом буксирной лебедки / С. М. Багиров, Е. Ф. Султанов // Научные труды Азербайджан- ской 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 при- вода 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. Ру- даков, 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