第09章船舶甲板機械電力拖動及其電氣控制

1、第9章 船舶甲板機械電力拖動與電氣控制,§9.1 船舶甲板機械的特點及驅(qū)動與控制方法,§9.2 起貨機的電力拖動與控制的基本要求,§9.3 起貨機的電力拖動控制線路分析,§9.4 錨機和系纜設(shè)備的電力拖動與控制,內(nèi)容簡介,甲板機械主要指起貨機、錨機、絞纜機、艙蓋開關(guān)機、舷梯起落機和吊艇機等。本篇重點闡述電動錨機、電動絞纜機、電動起貨機及其控制系統(tǒng)。其次介紹電動液壓錨機、絞纜機和起貨機的基本工作原

2、理。,§9.1 船舶甲板機械的特點及驅(qū)動與控制方法,9.1.1 甲板機械的特點、驅(qū)動及控制方式,船舶甲板機械的驅(qū)動方式有電動式和液壓式兩大類，其相應(yīng)的控制回路為電氣控制回路和液壓控制回路。,在電氣控制回路中，當(dāng)代船舶已經(jīng)引入了可編程控制器和單片機；在液壓控制方式中，目前大多采用電子技術(shù)和液壓技術(shù)相結(jié)合的電液復(fù)合系統(tǒng)，使它在船舶甲板機械得到推廣應(yīng)用。,1 電動甲板機械,船舶甲板機械的工況特點,調(diào)速要求,工作的可靠性要求,對電氣

3、設(shè)備的要求,一般要求調(diào)速范圍在1∶8 ～1∶10左右,甲板機械及其機電設(shè)備的高可靠性,通用性 抗干擾性 環(huán)境條件,船舶甲板機械與船舶電站緊密聯(lián)系,2 液壓甲板機械,液壓起貨機、錨機和絞纜機優(yōu)點是：操作方便，工作比較平穩(wěn)，可實現(xiàn)無級調(diào)速，而且能吸收沖擊性負(fù)荷和自動防止過載，并具有良好的制動能力。它們對環(huán)境溫度和濕度不太敏感。其缺點是：加工精度要求較高，制造安裝比較復(fù)雜，維護(hù)管理工作量相對大。,9.1.2 船舶電力拖動系

4、統(tǒng)的分類,工作電流制式有直流和交流兩大類。,若以電力拖動中有無電流變換裝置劃分 ，則有單機拖動和調(diào)速拖動兩大類型。,直流電力拖動系統(tǒng)有并勵直流電動機或復(fù)勵直流電動機單機拖動系統(tǒng) 。,交流電力拖動系統(tǒng)則多為單機拖動系統(tǒng)，其中鼠籠式異步電動機拖動有恒速運行系統(tǒng)，或采用變極、變頻、調(diào)壓、電磁轉(zhuǎn)差離合器等方法的變速運行系統(tǒng)；而繞線式異步電動機則以轉(zhuǎn)子串電阻、調(diào)壓、晶閘管串級等方法實現(xiàn)調(diào)速運行。,§9.2 起貨機的電力拖動與控制的基本要

5、求,9.2.1 船舶起貨機的類型及特點,船用起貨機從機械機構(gòu)的型式主要分為吊桿式和回轉(zhuǎn)式起貨機兩大類。,船用起貨機按拖動方式分為蒸汽起貨機、電動液壓起貨機和電動起貨機等幾種類型。,吊桿式起貨機又分為單吊桿式和雙吊桿式。單吊桿電動起貨機是一種具有電動回轉(zhuǎn)和變幅的起貨機，雙桿式電動起貨機是采用兩臺起貨機在起貨過程中相互配合進(jìn)行工作的。,1） 吊桿式起貨機,單桿式電動起貨機結(jié)構(gòu)圖,雙桿式電動起貨機結(jié)構(gòu)圖,2）回轉(zhuǎn)式電動起貨機,回轉(zhuǎn)式起貨機(

6、克令吊)包括提升、變幅和回轉(zhuǎn)三個主要機構(gòu)。它可采用電動機拖動，也可以用電動液壓裝置拖動。,通?？刹僮鲀蓚€機構(gòu)同時運轉(zhuǎn)，也可以操作三個機構(gòu)同時工作。,9.2.3 起貨機對電力拖動控制的基本要求,提高生產(chǎn)率,對調(diào)速范圍的要求,生產(chǎn)率是起貨機的重要指標(biāo)，“重載低速、輕載高速”,一般直流起貨機調(diào)速范圍為10:1，調(diào)速性能良好；交流起貨機的調(diào)速范圍為7:1，基本上也能滿足起貨的調(diào)速要求。而液壓起貨機的調(diào)速由液壓控制實現(xiàn)，拖動電動機本身不需要調(diào)速

7、。,對電動機型式的要求,電動起貨機必須選用防水式、重復(fù)短期工作制的電動機以適應(yīng)甲板工作條件。,直流起貨機，一般采用起動力矩大而機械特性軟的復(fù)勵電動機以承受沖擊負(fù)載，并且能適應(yīng)輕載高速、重載低速的工況。,對交流起貨機，宜選用起動力矩大、轉(zhuǎn)差率高而起動電流較小的深槽式(或雙籠式)的變極調(diào)速籠式異步電動機，也可選用繞線式異步電動機。,對發(fā)電機—電動機（G—M）系統(tǒng)的起貨機，宜選用具有差復(fù)勵繞組的發(fā)電機，使電動機獲得適用于起貨機的下墜特性。,此

8、外，要選用轉(zhuǎn)動慣量(或飛輪慣量GD2)小的專用電動機，使起動和制動過程中的能耗降低。,對控制電路的要求,對液壓起貨機而言，控制電路對油泵電動機實施起／?？刂?，并對油泵電動機實施基本的保護(hù)。,對電動起貨機，控制電路應(yīng)設(shè)有自動起動和分級調(diào)速環(huán)節(jié)，并且根據(jù)拖動電機的類型和工作方式設(shè)置保護(hù)，如以恒功率的工作方式防止重載高速提升，或防止重載超速下降等保護(hù)環(huán)節(jié)，在系統(tǒng)發(fā)生故障或在危及安全的場合，能自動采取措施隔離電源，使系統(tǒng)停車。,9.2.4 電

9、動起貨機的運行特點及電路控制要求,電動起貨機采用三檔調(diào)速控制，并能實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)運行；,2 .對電動機設(shè)置短路、過載、繞組過熱、失壓欠壓、缺相保護(hù)環(huán)節(jié)等；,3 .采用主令控制器實現(xiàn)運行操作，以保證起貨機操作靈活，工作可靠；,4 .電動機要求有通風(fēng)機進(jìn)行強制冷卻，并設(shè)置風(fēng)道的風(fēng)門對風(fēng)機和起貨電動機之間的聯(lián)鎖控制 ；,5 .設(shè)置從零檔至上升（或下降）高速檔的自動延時起動控制，以防止快速操作引起電動機過大的沖擊電流以及起貨機過大的機械沖擊 ；,6

10、 .從高速檔回零檔停車時設(shè)置有三級自動制動控制：電氣制動（再生制動）、電氣與機械聯(lián)合制動以及機械制動 ；,7.對于恒功率調(diào)速的電動機，中、高速檔設(shè)置有重載不上高速的控制環(huán)節(jié)：當(dāng)額定負(fù)載（重載）時，既使主令手柄扳至上升高速檔，電動機也只能運行于中速檔；若電動機運行于高速檔時出現(xiàn)重載，則應(yīng)自動回到中速檔 ；,8 .設(shè)置“逆轉(zhuǎn)矩”控制環(huán)節(jié)，即首先實現(xiàn)從高速擋到零檔的自動制動停車，然后再實現(xiàn)從零檔到反向高速檔三級延時起動的自動過程 ；,9 .設(shè)

11、置有電磁制動器處于松閘的狀態(tài)下防止“貨物自由跌落”的保護(hù) ；,10 .設(shè)置有電磁制動器線圈處于剎車狀態(tài)下防止中、高速檔堵轉(zhuǎn)的保護(hù)。,§9.3 起貨機的電力拖動控制線路分析,9.3.1 交流恒功率變極調(diào)速起貨機的控制,HJD型交流變極調(diào)速起貨機控制原理電路圖。該起貨機的主要性能如下：起貨重量為1.5噸、3.0噸和5.0噸三種。對應(yīng)的起升速度為35米／分、40米／分和24米／分。1.5噸起貨機采用JZF-H5型15/15

12、/3千瓦三速交流異步電動機；3噸和5噸起貨機采用JZF-H6型26/26/5.5千瓦三速交流異步電動機。,M1 交流三速異步電動機M2 風(fēng)機電動機QS 隔離開關(guān)KMF 上升接觸器KMB 下降接觸器，KM1低速接觸器KM2中速接觸器KM3高速接觸器KM4 風(fēng)機接觸器KM5 制動器線圈限流控制接觸器KA1 零壓繼電器KA2 中間繼電器KA3 負(fù)載繼電器,ST 溫度繼電器S1 控制電源開關(guān)S2 風(fēng)門開關(guān)SB 應(yīng)

13、急強制運行按鈕，SA1-9 主令開關(guān)的觸點TA 電流互感器KT1、KT4、KT5 交流時間繼電器KT2、KT3 直流時間繼電器YB 直流電磁制動器線圈KB 制動接觸器,交流三速恒功率起貨機線路（全圖）,變極調(diào)速起貨電動機M1的三速繞組分別由KM1、KM2和KM3控制；KMF和KMB分別為正反轉(zhuǎn)接觸器，控制起貨機的升降。 起貨電動機由風(fēng)機M2進(jìn)行冷卻。 TA為電流互感器，向負(fù)載繼電器KA3提供電流分

14、量，KA3的電壓分量為控制電路中變壓器提供，保證測量有功電流。 負(fù)載繼電器：KA3—當(dāng)起吊貨物超過額定負(fù)載的一半時，不允許上高速。,負(fù)載繼電器分析,負(fù)載繼電器的接線可以測量起貨機的負(fù)載，由圖可見，IF不僅與IB的大小有關(guān)，而且與IB的相位有關(guān)。因此，可以用IF來反映起貨機提升負(fù)載的大小。 圖中，R5是一個可以改變阻值大小的電阻，可以用來適應(yīng)2檔和3檔時功率因數(shù)不同而造成IF大小的不一樣。,手柄零位,ST 溫度繼電

15、器S1 控制電源開關(guān)S2 風(fēng)門開關(guān)KM1閉合后，KT5線圈也通電,為剎車打開做準(zhǔn)備。KM1的常開觸點閉合自鎖，確保中速接通后才斷電。KT4常閉觸點斷開，使負(fù)載繼電器在高速起作用。,合上空氣開關(guān)QS，鑰匙開關(guān)和控制開關(guān)閉合（見控制線路），將主令手柄放在0檔位置上，若風(fēng)門已經(jīng)開，則風(fēng)機起動。 將主令手柄放在起貨1檔位置上，則正轉(zhuǎn)接觸器KMF和低速接觸器KM1有電，接通主電路，起貨電動機工作在低速運行狀態(tài)。 藍(lán)色表

16、示觸點斷開。,低速運行（主電路）,起貨1檔,KT1延時到,KM5線圈通電,并聯(lián)在R2的常閉觸點斷開，剎車線圈串入R2，使電流減小，起延長線圈壽命和省電作用。KMF吸合起貨機開始運轉(zhuǎn)。,起貨機已經(jīng)在低速運行時再將主令手柄放在起貨2檔位置上，則正轉(zhuǎn)接觸器KMF和中速接觸器KM2有電，接通主電路，起貨電動機工作在中速運行狀態(tài)。 中速運行時，負(fù)載繼電器KA3開始工作（經(jīng)KM1、KM2支路，未進(jìn)入高速，KT4不閉合）。,中速運行（主電

17、路）,起貨2檔,KM2通電后，其常閉觸點使KM1斷電。同時，其常閉觸電使KT3斷電開始延時。避免在轉(zhuǎn)速切換時，負(fù)載繼電器KA3動作不能升速。KT2通電吸合，為剎車做準(zhǔn)備。,起貨機在中速運行后，將主令手柄放到起貨3檔，則正轉(zhuǎn)接觸器KMF和高速接觸器KM3有電，接通主電路，進(jìn)入高速運行狀態(tài)。 高速運行時，負(fù)載繼電器TA有兩個工作狀態(tài)：KT4還沒有閉合，負(fù)載繼電器避開換檔電流；KT4延時閉合，負(fù)載繼電器正常檢測起貨機負(fù)載。

18、 若此時起吊重物超過半載，則KA3將動作，KM3斷開，KM2自動重新閉合，起貨機自動回到中速運行。,高速運行（主電路）,9.3.2 交流恒轉(zhuǎn)矩變極調(diào)速起貨機的控制,恒轉(zhuǎn)矩變極調(diào)速三相交流異步電動起貨機和前節(jié)所述的恒功率變極調(diào)速三相交流異步電動起貨機有所不同,恒轉(zhuǎn)矩變極調(diào)速三相交流異步電動起貨機起動力矩大，但起動電流也大，約為額定電流的5～6倍(恒功率調(diào)速電動起貨機約為額定電流的2倍)；,恒轉(zhuǎn)矩電動起貨機高速時的轉(zhuǎn)矩比恒功率調(diào)速電動起

19、貨機大；,恒轉(zhuǎn)矩電動起貨機高速時可提升額定負(fù)載而恒功率調(diào)速電動起貨機高速時只能提升半載；,恒轉(zhuǎn)矩電動起貨機無需超載保護(hù)環(huán)節(jié)，控制電路簡單，維修方便。,b1：應(yīng)急停止開關(guān)b12 ：風(fēng)門開關(guān) C11 ：正轉(zhuǎn)接觸器 C12 ：反轉(zhuǎn)接觸器 C13 ：低速接觸器 C14 ：中速接觸器 C15 ：高速接觸器 C16 ：風(fēng)機接觸器 C17 ：制動接觸器 S11 ：電磁制動器,d1 ：低速繞組過載繼電器 d2 ：中、高速繞組過載繼電

20、器 d11 ：失壓繼電器 d12 ：上升繼電器 d13 ：下降繼電器 d14 ：中、高速跳閘繼電器 d15 ：時間繼電器 d16 ：時間繼電器 d17 ：時間繼電器,,,,延時繼電器d15的常閉觸點延時斷開切斷再生制動回路,接觸器C13吸合同時,延時繼電器d15通電,C13常開閉合為制動接觸器C17通電做準(zhǔn)備.,C16常開觸點閉合為中(C14)高(C15)速接觸器通電做準(zhǔn)備只有在風(fēng)機運行時，才能進(jìn)高速,正常時低速繞組不

21、過載，d1通電吸合．d11常開觸點閉合，組成零壓保護(hù)電路．,主令控制器手柄在０位B11閉合,正常情況應(yīng)急停止開關(guān)b1閉合,中速C14和高速C15接觸器均為失電，低速接觸器C13吸合為低速繞組通電做準(zhǔn)備.,失壓保護(hù)繼電器d11閉合,d11閉合向控制電路供電,風(fēng)機接觸器C16吸合風(fēng)機通電運轉(zhuǎn)冷卻起貨電動機,打開風(fēng)門風(fēng)門開關(guān)b12閉合,在零位時,上升和下降繼電器d12/d13均失電,其常閉觸點閉合,則中高速跳閘繼電器d14通電

22、吸合(在中高速不過載時d2閉合),其常開觸點閉合自鎖.,d14觸點閉合,為中高速運行做準(zhǔn)備,在零位,,主令控制器b11-3接通,上升輔助繼電器d12通電吸合,d12常開閉合,使上升接觸器C11通電吸合,接通低速繞組電源,D16常開觸點延時閉合為向中高速接觸器通電作準(zhǔn)備。延時保證在手柄快速扳到中高速檔時，有足夠時間低速起動，防止直接進(jìn)入高速起動而造成對起貨機電機的沖擊。,d12通電吸合,常閉斷開,使下降輔助繼電器斷電,實現(xiàn)互鎖.,d12

23、和C11常開閉合,使電磁制動器接觸器C17通電吸合,電磁制動器S11通過整流器獲電動作,松開剎車,使起貨電機低速運行.C11與C17間組成程序連鎖，確保電動機低速繞組先通電，S11才能通電松閘，避免重物自行落下。,起貨一位,同時延時繼電器d16通電,,中速接觸器通電吸合，其主觸點閉合，接通中速繞組，起貨機中速運行。,主令手柄至2位，b11觸點9-09接通,起貨二位,,C15接觸器常閉觸點斷開，C14失電，中速繞組斷電，保證換檔不斷電。

24、,主令手柄至3位，b11觸點11-011接通,高速接觸器通電吸合，其主觸點閉合，接通高速繞組，起貨機高速運行。,起貨三位,,由上述分析，主令控制器手柄突然從零位扳到3位，起動過程與手柄的操作速度無關(guān)，而是通過時間繼電器d16和d17的延時控制，按時間原則自動起動并逐步加速到高速運行。不會出現(xiàn)中、高速繞組堵轉(zhuǎn)，也不會出現(xiàn)直接高速起動的情況。,零位快速到三位,,二、三位快速到零位,,,進(jìn)行三階段制動(1)再生制動(2)再生制動與機械制動(

25、3)機械制動,零位時，C16,d11,d14,C13,d15通電吸合，d12,d13,C11,C12,d16,C17,C14,d17,C15斷電釋放，與前同。,零位快速到落貨三位,手柄快速扳到落貨3位，d13,C12,d16(觸點延時閉合),C17依次通電(松開剎車) ，低速繞組接通電源，電機在反向低速運行。,D16觸點延時閉合,C14(中速繞組)d17(觸點延時閉合)通電，中速繞組接通電源，電機在反向中速運行。切斷低速繞組。,d17觸

26、點延時閉合,C15(高速繞組)通電，高速繞組接通電源，電機在反向高速運行。切斷低速和中速繞組。保持剎車通電。,,可見落貨各檔或從零位到落貨二、三，或從落貨二、三檔快速扳回零位與起貨時類似，不同的由的d13代替d12，C12代替C11，起貨機反轉(zhuǎn)。由于貨物是位能性負(fù)載，在落貨時使電動機處于再生制動狀態(tài)下運行，起貨電動機使貨物勻速下降。,從落貨二、三檔快速扳回零位與起貨時類似，進(jìn)行三階段制動，(1)再生制動(2)再生制動與機械制動(3)機

27、械制動,起貨三位快速扳到落貨三位(或相反),手柄從正三至倒三時，d12斷開，C17失電，剎車(S11)延時釋放。手柄從中速至過零時，使C13(低速繞組)和d15(觸點延時斷開)通電，使C11自鎖(d13不能通電)，電動機在起貨方向上減速(再生制動)。S11放電至釋放剎車，此時d15延時時間未到，再生制動與機械制動共存(聯(lián)合制動)。d15延時時間到，C11斷電，則再生制動結(jié)束，由機械制動至停車。實現(xiàn)三級制動。,其過程為首先三級制動停車，然

28、后按時間原則逐級起動。,起貨三位快速扳到落貨三位(或相反),C11失電，d13,C12依次通電吸合，C17通電松開剎車。低速繞組(C13)接通電路,電動機在落貨方向低速運轉(zhuǎn)。同時d16通電延時，d16延時時間到，C14通電(斷開C13)中速繞組接通電路，電動機在中速加速運轉(zhuǎn)，同時d17通電延時，d17延時時間到， C15通電(斷開C13,C14)高速繞組接通電路，電動機在高速運轉(zhuǎn)。實現(xiàn)按時間原則起動。,停車自動制動，自動延時起動。這種控

29、制方式稱“逆轉(zhuǎn)矩控制”,基本保護(hù)環(huán)節(jié),(1)“逆轉(zhuǎn)矩控制”,(2)防止貨物自由跌落,貨物下落時，電動機處于再生制動狀態(tài),在換檔時，始終有一個接觸器吸合，對應(yīng)繞組通電，保持貨物不會自由下落。,(3)應(yīng)急切斷：遇特殊情況，按下應(yīng)急按鈕b1切斷控制電路，使起貨機立即停止工作。,(4)失壓保護(hù)(零電壓保護(hù)):零壓繼電器和主令零位觸點實現(xiàn)保護(hù)。,(5)過載保護(hù)，通過安裝在低速和高速繞組內(nèi)部的熱敏電阻和繼電器d1和d2來實現(xiàn)。,低速 中高速,當(dāng)過

30、載時，熱敏電阻的阻值升高，負(fù)載繼電器電流減小，繼電器釋放，串聯(lián)在控制電路中的觸點斷開，使相應(yīng)的控制電路失電。,低速 中高速,若低速過載則d1失電起貨機停止工作。若中高速過載則的d2失電，則起貨機不能進(jìn)入高速運行，只能在低速運行。,低速 中高速,(6)風(fēng)機過載，通過熱繼電器實現(xiàn)保護(hù)。接觸器C16失電，串聯(lián)在高速控制電路的常開觸點斷開，則起貨機不能在中、高速運行而只能在低速運行。,(7)短路保護(hù)：由熔斷器e11—e13來實現(xiàn),(8)缺相

31、保護(hù)：電動機在缺相運行時，會使電動機過熱而損壞。由于本電路的控制電路由三相供電，在電源的任意一相失電的情況下都使控制電路失電，電動機都會停止運轉(zhuǎn)而起保護(hù)作用。,§9.4 錨機和系纜設(shè)備的電力拖動與控制,9.4.1 錨機運行特點,收起沉躺在水底的錨鏈,收緊錨鏈,拔錨出土,收起懸于水中的錨及錨鏈,拉錨入錨鏈孔中,1.根據(jù)我國《鋼質(zhì)海船建造規(guī)范》規(guī)定，錨機電力拖動裝置在規(guī)定的海區(qū)內(nèi)，應(yīng)能滿足單錨破土后起雙錨的要求。,2.電動機能在

32、最大負(fù)荷力矩下起動。要求錨機、絞纜機工作定額應(yīng)不小于30min，且應(yīng)滿足30min內(nèi)起動25次的要求。,9.4.2 錨機對電力拖動控制的要求,3.要求電動機有軟的或下墜的機械特性，其堵轉(zhuǎn)力矩應(yīng)為額定力矩的兩倍，以滿足拔錨出土和系纜開始時需要很大的拉力，以克服船舶慣性的要求。,4.電動機能在堵轉(zhuǎn)情況下工作1min左右。,6.為適應(yīng)甲板上的工作條件和短期工作狀態(tài)，應(yīng)選用防水式和短期（一般為30min）工作制電機。,5.電動機應(yīng)有一定的調(diào)速

33、范圍，要求破土后的起錨速度：單錨不小于12m/min；雙錨不小于8m/min；拉錨入孔時的速度為3～4m/min。,9.4.2 錨機和系纜設(shè)備的電力拖動控制線路,圖所示的是國產(chǎn)交流三速電動起錨機控制線路，用主令控制器控制錨機電動機的起動、制動、調(diào)速及反轉(zhuǎn)。錨機電動機是三速籠式電動機，有兩套繞組：一套為4極高速繞組；另一套是變極繞組，16極低速是D形接法。8極中速是YY形接法，從D形改接成YY形屬于恒功率調(diào)速。中、低速級采用直接起動的方

34、法，中速至高速級按時間原則自動延時起動。,高速：獨立的一套4極高速繞組采用星形接法，4U、4V、4W分別接電源，另一套繞組開路。,16/8/4極三速二繞組鼠籠式異步電動機有兩套獨立的繞組。一套為4極高速繞組，另一套繞組為中速和低速合用。,高速繞組,中速：采用雙星形接法為8極， 8U、8V、8W分別接電源，16U1、16U2、16V、16W 合并短接，4U、4V、4W開路。,中速繞組,低速：采用三角形接法為16極， 16U1、16U2連