16.10.15

Автоматическое управление рулем. Принцип действия авторулевого

Системы автоматического управления рулевым электроприводом содержат наряду с электрическими механические элементы — редукторы, дифференциалы, рычажные устройства и т. д., поэтому они называются электромеханическими.

Электромеханические авторулевые делятся на контактные и бесконтактные. При уходе судна с прямолинейного курса для автоматического включения рулевой машины, с целью возврата судна на курс, нужно иметь какой-то датчик. Таким датчиком угла отклонения судна от заданного курса обычно служит гирокомпас, поэтому авторулевые иногда называют гирорулевыми.

Корпус гирокомпаса жестко связан с корпусом судна. Внутри корпуса гирокомпаса расположен гироскоп, имеющий три степени свободы и ориентированный относительно плоскости меридиана земли. Гироскоп обладает важным свойством: если он однажды ориентирован относительно меридиана, то в дальнейшем будет удерживаться в этом направлении, нужно только поддержать его вращение. При уходе судна с курса вместе с ним поворачивается корпус гирокомпаса, а его гироскоп остается в прежнем положении, появляется угловое рассогласование, которое после электрических преобразований вводится в систему сельсинов и подается в авторулевой.

Контактные авторулевые

Контактные авторулевые, выпускаемые многими зарубежными фирмами, устанавливают на многих судах морского флота. Общий принцип действия контактного авторулевого показан на рис. 1.

При уходе судна с курса поворачивается датчик гирокомпаса ДГ. Через редуктор Р и дифференциальный редуктор ДР рассогласование передается на поворотный диск Д. В зависимости от того, в какую сторону ушло судно, диск поворачивается по часовой стрелке или против нее; это определяет направление отклонения рычага гирокомпаса РГ и замыкание контактов 1—3 или 1—2.

Схема контактного авторулевого
Рис. 1. Схема контактного авторулевого

От вывода А к выводу Б, предположим через замкнувшиеся контакты 1—2, получает питание катушка реле П. Это реле включает рулевую машину (конечно, через промежуточные устройства).

Начинается перекладка руля с целью прекращения ухода судна с курса. Вместе с рулем поворачивается рулевой датчик РД, который через редуктор руля РР и редуктор ДР возвращает диск и рычаг РГ в исходное положение. Размыкаются контакты 1—2, реле П выключает машину, перекладка руля от диаметрали на борт прекращается. Под действием переложенного пера руля судно больше не уходит с курса, а наоборот, начинает поворачивать на курс. Датчик гирокомпаса ДГ возвращается в исходное положение, и направление его вращения изменяется на противоположное. Через редукторы Р, ДР в противоположную сторону поворачивается зубчатый диск Д. Рычаг РГ отклоняется в другую сторону, и теперь замыкаются контакты 1—3. Срабатывает реле Л, рулевая машина начинает работать в противоположную сторону, возвращая перо руля к диаметральной плоскости. Связанный с баллером руля датчик РД через редукторы Р и ДР поворачивает диск в исходное положение. В момент выхода судна на курс (фактически несколько раньше) контакты 1—3 размыкаются, руль — в диаметральной плоскости, машина выключается. С датчиком гирокомпаса ДГ через редуктор Р связан указатель курса УК.

Система имеет устройство для ввода оператором поправки на изменение курса и другие элементы, которые на схеме не показаны.

Бесконтактные авторулевые

Бесконтактные авторулевые имеют сложную электрическую схему. По сравнению с контактными рулевыми автоматами, они обеспечивают более точное спрямление курса. Отечественной промышленностью созданы авторулевые типов АБР, АР и АТР, которые могут работать с различными электрогидравлическими рулевыми машинами.

В настоящее время разработана унифицированная система управления рулем типа «Аист». В этой системе имеется полный перечень оборудования управления рулем: гидравлическая машина, электронасосы, авторулевой, различные датчики и т. д. Система «Аист» более полно отвечает эксплуатационным требованиям, требованиям по надежности и долговечности, технической эстетики и инженерной психологии.

На рис. 2 приведена схема, поясняющая общие принципы работы бесконтактных авторулевых. Схема далеко не полная, выполнена как авторулевой типа АР на вращающихся трансформаторах.
Упрощенная схема бесконтактного авторулевого
Рис. 2. Упрощенная схема бесконтактного авторулевого

Основными элементами схемы являются:

СП—сельсин-приемник с обмотками на статоре ОС1—ОС2 и на роторе ОР1—ОР2—ОР3;
ЛВТрК— линейный вращающийся трансформатор курса с обмотками ОС1—ОС2 и ОР1—ОР2, ОР3—ОР4;
ЛВТрР — линейный вращающийся трансформатор руля с обмотками ОС1—ОС2 и ОР1—ОР2, ОР3—ОР4;
ЛВТрИ — линейный вращающийся трансформатор интегратора с обмотками ОС1—ОС2 и ОР1—ОР2, ОР3—ОР4;
МВТр — масштабный вращающийся трансформатор с обмотками ОС1—ОС2 и ОР1—ОР2, ОР3—ОР4;
ТГ — тахогенератор, имеющий обмотки только на статоре ОС1—ОС2 и ОС3—ОС4;
ФЧВ — фазочувствительный выпрямитель;
МУ— магнитный усилитель;
СП — сервопривод;
РМ — рулевая машина.

Ротор сельсина-приемника СП электрически связан с датчиком гирокомпаса. При уходе судна с курса СП поворачивается в одну или другую сторону, поворачивая связанный с ним механически ЛВТрК и вращая через редуктор тахогенератор ТГ.

Трансформатор ЛВТрР механически связан с баллером руля и при перекладках руля поворачивается в соответствующую сторону. Следует иметь в виду, что роторы всех четырех вращающихся трансформаторов, а также ротор СП во время работы никогда не вращаются, а поворачиваются в одну или другую сторону. Тахогенератор ТГ во время ухода судна с курса или возврата на него вращается.

Обмотка ОС1—ОС2 трансформатора МВТр, включенная на напряжение сети переменного тока, создает в трансформаторе пульсирующий магнитный поток. Этот поток пересекает обмотки ОР1— ОР2, ОР3—ОР4 неподвижного ротора, в обмотках индуктируется э. д. с., создающая напряжения U1, U2.

Предположим, что с помощью ручного привода ротор МВТр установлен так, что обмотки ОР1—ОР2, ОР3—ОР4 относительно пульсирующего потока обмотки ОС1—ОС2 находятся в одинаковом положении (как изображено на схеме). В этом случае обмотки генерируют одинаковые напряжения U1 = U2. Напряжения U1, U2 являются питающими для трансформаторов ЛВТрК и ЛВТрР. Эти напряжения создают токи через обмотки ОС1—ОС2, ОР1—ОР2, называемые токами возбуждения трансформаторов. Следует обратить внимание на то, что ЛВТрИ возбуждается по той же схеме, но от напряжения сети.

Главными элементами схемы авторулевого являются ЛВТрК и ЛВТрР. Когда судно находится на курсе, то сельсин СП и ротор трансформатора ЛВТрК находятся в нулевом положении. Если руль в диаметрали, то ротор ЛВТрР находится в нулевом положении. Несмотря на то что ЛВТрК и ЛВТрР возбуждены напряжениями U1, U2, на их выходных обмотках ОР3—ОР4 э. д. с. не индуктируется. Если пока не брать во внимание работу тахогенератора ТГ и трансформатора ЛВТрИ, то в главной цепи суммирования сигналов никакого напряжения нет, напряжение управления Uy = 0 — машина не работает.

Возьмем случай ухода судна с курса вправо. Поворачиваются вправо роторы сельсина СП и трансформатора ЛВТрК. На выходной обмотке ОР3—ОР4 ротора трансформатора ЛВТрК появляется напряжение определенной фазы, величина которого (амплитуда А) зависит от величины угла ухода судна с курса (рис. 3, а), т. е. угла поворота трансформатора.
Напряжение U3 вводится в фазочувствительный выпрямитель: Uу = U3.
Графики напряжений ЛВТрК и ЛВТрР
Рис. 3. Графики напряжений ЛВТрК и ЛВТрР

Начинает работать машина, перекладывая руль, поворачивается ротор ЛВТрР, и на его обмотке ОР3—ОР4 возникает встречное напряжение U4 противоположной фазы (см. рис. 2 и 3, а). Сначала это напряжение небольшое, поэтому U3>U4, и под действием Uy = U3—U4 машина продолжает перекладку руля. Наступает момент, когда угол поворота ротора трансформатора ЛВТрР станет равным углу поворота ротора трансформатора ЛВТрК.

Очевидно, при равенстве напряжений возбуждения (U1 = U2) будем иметь: U4 = U3. Так как эти напряжения встречны по фазе, то они друг друга компенсируют и в последовательной, главной цепи тока не будет: Uy = U3 — U4 = 0. Рулевая машина останавливается, перекладка руля от диаметрали на борт прекращается.

Под действием руля судно начинает возвращаться на курс, ротор трансформатора ЛВТрК возвращается в исходное положение и напряжение U3 уменьшается по амплитуде. Теперь U4>U3, возникает Uy = U4—U3. Напряжение управления Uy теперь носит фазу напряжения U4. Это «чувствует» ФЧВ, и рулевая машина включается на работу в обратную сторону; руль возвращается к диаметральной плоскости. Вместе с баллером возвращается в первоначальное положение и ротор трансформатора ЛВТрР, уменьшая свое выходное напряжение U4. В момент выхода судна на курс ротор трансформатора ЛВТрК находится в исходном положении (U3 = 0), руль в диаметрали, а следовательно, ротор трансформатора ЛВТрР — тоже в исходном положении (U4 = 0). Напряжение управления Uy=0, машина неподвижна.

Если судно уйдет с курса влево (рис. 3, б), то ротор трансформатора ЛВТрК поворачивается в другую сторону и напряжение U3 реверсирует по фазе. Это вызывает работу рулевой машины в противоположную сторону. Изменяется направление поворота ротора трансформатора ЛВТрР, реверсирует фаза напряжения U4.

В схеме авторулевого действуют два основных сигнальных напряжения: напряжение U3, пропорциональное углу ухода судна с курса, и U4, пропорциональное углу перекладки руля. Напряжения U5 (от ТГ) и U6 (от ЛВТрИ) являются вспомогательными.

Если тахогенератор ТГ неподвижен, то напряжение U5 = 0. Это напряжение возникает только при вращении ТГ, причем чем выше частота вращения тахогенератора, тем больше U5; если ТГ реверсирует, то реверсирует и фаза напряжения. Совершенно очевидно, что если судно быстро уходит с курса, то нужно быстрее перекладывать руль и на больший угол. Это выполняет тахогенератор. При уходе судна с курса ТГ вращается, фазы напряжений U5 и U3 совпадают, поэтому Uy = U3+U5. Это и определяет форсирование работы машины. Когда судно возвращается на курс, тахогенератор реверсирует, фаза напряжения U5 изменяется и теперь совпадает с фазой напряжения U4. Действует напряжение Uy = U4+U5—U3.

Осуществляется форсирование процесса возврата руля в диаметраль за счет напряжения тахогенератора.

Если судно систематически уходит, например, вправо (действует односторонне ветер или течение), то авторулевой, действуя по рассмотренному принципу, каждый раз будет возвращать судно на курс, но при этом будут иметь место частые включения машины и ее повышенный износ. Желательно в этом случае заложить руль на небольшой угол, и судно будет следовать прямолинейно. Эту функцию выполняет трансформатор ЛВТрИ, ротор которого механически связан с ротором сельсина СП, но через редуктор и с большим отрицательным передаточным числом.

Если рыскания симметричны, то ротор трансформатора ЛВТрИ поворачивается то вправо, то влево, возникает напряжение U6 незначительной величины и тут же исчезает вновь. Если судно все время уходит вправо, то после каждого рыскания и возврата на курс ротор трансформатора ЛВТрИ неоднократно поворачивается только вправо; создается чувствительное для схемы напряжение U6. Это напряжение включает машину (через ФЧВ), происходит небольшая перекладка руля, возникает напряжение U4, встречное напряжению U6, и рулевая машина выключается. В дальнейшем судно будет следовать прямолинейным курсом, одностороннее действие возмущающих сил скомпенсировано закладкой руля на борт на небольшой угол.

В рассмотренном случае U1 = U2 и момент выключения рулевой машины наступал при одинаковых углах поворота роторов трансформаторов ЛВТрК и ЛВТрР (когда U4 компенсирует U3). В этом случае коэффициент обратной связи (КОС) равен единице.

Если авторулевой работает на более крупном судне или на судне, находящемся в грузу, то для такого судна нужно руль перекладывать на гораздо больший угол, чтобы его быстрее вернуть на курс. В этом случае ротор трансформатора МВТр нужно установить так, чтобы U2<U1.

Теперь ЛВТрР, имея более слабое возбуждение, должен повернуться на больший угол, чтобы напряжение U4 достигло величины U3 и машина выключилась. Перекладка руля теперь производится на больший угол. Так, изменяя КОС, производят регулирование чувствительности авторулевого.

Рассмотренная схема собрана на вращающихся трансформаторах подобно системам типов АБР, АР. Авторулевые типов АТР и «Аист» собирают полностью на базе сельсинов, но общий принцип работы остается прежним. На схеме не показаны дополнительные устройства, позволяющие эксплуатировать авторулевой в следящем или простом режиме управления (кроме рассмотренного автоматического), а также устройства сигнализации, защиты и т. д.

⇓ДОБАВИТЬ В ЗАКЛАДКИ⇓


⇒ВНИМАНИЕ⇐
  • Материал на блоге⇒ Весь материал предоставляется исключительно в ознакомительных целях! При распространении материала используйте пожалуйста ссылку на наш блог!
  • Ошибки⇒ Если вы обнаружили ошибки в статье, то сообщите нам через контакты или в комментариях к статье. Мы будем очень признательны!
  • Файлообменники⇒ Если Вам не удалось скачать материал по причине нерабочих ссылок или отсутствующих файлов на файлообменниках, то сообщите нам через контакты или в комментариях к статье.
  • Правообладателям⇒ Администрация блога отрицательно относится к нарушению авторских прав на www.electroengineer.ru. Поэтому, если Вы являетесь правообладателем исключительных прав на любой материал, предоставленный на ресурсе, то сообщите нам через контакты и мы моментально примем все действия для удаления Вашего материала.


⇓ОБСУДИТЬ СТАТЬЮ⇓
 

Сисадмин мнил себя богом сети, электрик грубо развеял этот миф. Научись развеивать мифы! © Electrical Engineer's blog [2010-2016].