第09章船舶甲板机械电力拖动及其电气控制

第9章 船舶甲板机械电力拖动与电气控制,9.1 船舶甲板机械的特点及驱动与控制方法,9.2 起货机的电力拖动与控制的基本要求,9.3 起货机的电力拖动控制线路分析,9.4 锚机和系缆设备的电力拖动与控制,内容简介,甲板机械主要指起货机、锚机、绞缆机、舱盖开关机、舷梯起落机和吊艇机等。本篇重点阐述电动锚机、电动绞缆机、电动起货机及其控制系统。其次介绍电动液压锚机、绞缆机和起货机的基本工作原理。,9.1 船舶甲板机械的特点及驱动与控制方法,9.1.1 甲板机械的特点、驱动及控制方式,船舶甲板机械的驱动方式有电动式和液压式两大类，其相应的控制回路为电气控制回路和液压控制回路。,在电气控制回路中，当代船舶已经引入了可编程控制器和单片机；在液压控制方式中，目前大多采用电子技术和液压技术相结合的电液复合系统，使它在船舶甲板机械得到推广应用。,1 电动甲板机械,船舶甲板机械的工况特点,调速要求,工作的可靠性要求,对电气设备的要求,一般要求调速范围在18 110左右,甲板机械及其机电设备的高可靠性,通用性 抗干扰性 环境条件,船舶甲板机械与船舶电站紧密联系,2 液压甲板机械,液压起货机、锚机和绞缆机 优点是：操作方便，工作比较平稳，可实现无级调速，而且能吸收冲击性负荷和自动防止过载，并具有良好的制动能力。它们对环境温度和湿度不太敏感。 其缺点是：加工精度要求较高，制造安装比较复杂，维护管理工作量相对大。,9.1.2 船舶电力拖动系统的分类,工作电流制式有直流和交流两大类。,若以电力拖动中有无电流变换装置划分 ，则有单机拖动和调速拖动两大类型。,直流电力拖动系统有并励直流电动机或复励直流电动机单机拖动系统 。,交流电力拖动系统则多为单机拖动系统，其中鼠笼式异步电动机拖动有恒速运行系统，或采用变极、变频、调压、电磁转差离合器等方法的变速运行系统；而绕线式异步电动机则以转子串电阻、调压、晶闸管串级等方法实现调速运行。,9.2 起货机的电力拖动与控制的基本要求,9.2.1 船舶起货机的类型及特点,船用起货机从机械机构的型式主要分为吊杆式和回转式起货机两大类。,船用起货机按拖动方式分为蒸汽起货机、电动液压起货机和电动起货机等几种类型。,吊杆式起货机又分为单吊杆式和双吊杆式。单吊杆电动起货机是一种具有电动回转和变幅的起货机，双杆式电动起货机是采用两台起货机在起货过程中相互配合进行工作的。,1） 吊杆式起货机,单杆式电动起货机结构图,双杆式电动起货机结构图,2）回转式电动起货机,回转式起货机(克令吊)包括提升、变幅和回转三个主要机构。它可采用电动机拖动，也可以用电动液压装置拖动。,通常可操作两个机构同时运转，也可以操作三个机构同时工作。,9.2.3 起货机对电力拖动控制的基本要求,提高生产率,对调速范围的要求,生产率是起货机的重要指标，“重载低速、轻载高速”,一般直流起货机调速范围为10:1，调速性能良好；交流起货机的调速范围为7:1，基本上也能满足起货的调速要求。而液压起货机的调速由液压控制实现，拖动电动机本身不需要调速。,对电动机型式的要求,电动起货机必须选用防水式、重复短期工作制的电动机以适应甲板工作条件。,直流起货机，一般采用起动力矩大而机械特性软的复励电动机以承受冲击负载，并且能适应轻载高速、重载低速的工况。,对交流起货机，宜选用起动力矩大、转差率高而起动电流较小的深槽式(或双笼式)的变极调速笼式异步电动机，也可选用绕线式异步电动机。,对发电机电动机（GM）系统的起货机，宜选用具有差复励绕组的发电机，使电动机获得适用于起货机的下坠特性。,此外，要选用转动惯量(或飞轮惯量GD2)小的专用电动机，使起动和制动过程中的能耗降低。,对控制电路的要求,对液压起货机而言，控制电路对油泵电动机实施起停控制，并对油泵电动机实施基本的保护。,对电动起货机，控制电路应设有自动起动和分级调速环节，并且根据拖动电机的类型和工作方式设置保护，如以恒功率的工作方式防止重载高速提升，或防止重载超速下降等保护环节，在系统发生故障或在危及安全的场合，能自动采取措施隔离电源，使系统停车。,9.2.4 电动起货机的运行特点及电路控制要求,电动起货机采用三档调速控制，并能实现正反转运行；,2 .对电动机设置短路、过载、绕组过热、失压欠压、缺相保护环节等；,3 .采用主令控制器实现运行操作，以保证起货机操作灵活，工作可靠；,4 .电动机要求有通风机进行强制冷却，并设置风道的风门对风机和起货电动机之间的联锁控制 ；,5 .设置从零档至上升（或下降）高速档的自动延时起动控制，以防止快速操作引起电动机过大的冲击电流以及起货机过大的机械冲击 ；,6 .从高速档回零档停车时设置有三级自动制动控制：电气制动（再生制动）、电气与机械联合制动以及机械制动 ；,7.对于恒功率调速的电动机，中、高速档设置有重载不上高速的控制环节：当额定负载（重载）时，既使主令手柄扳至上升高速档，电动机也只能运行于中速档；若电动机运行于高速档时出现重载，则应自动回到中速档 ；,8 .设置“逆转矩”控制环节，即首先实现从高速挡到零档的自动制动停车，然后再实现从零档到反向高速档三级延时起动的自动过程 ；,9 .设置有电磁制动器处于松闸的状态下防止“货物自由跌落”的保护 ；,10 .设置有电磁制动器线圈处于刹车状态下防止中、高速档堵转的保护。,9.3 起货机的电力拖动控制线路分析,9.3.1 交流恒功率变极调速起货机的控制,HJD型交流变极调速起货机控制原理电路图。 该起货机的主要性能如下： 起货重量为1.5吨、3.0吨和5.0吨三种。 对应的起升速度为35米分、40米分和24米分。 1.5吨起货机采用JZF-H5型15/15/3千瓦三速交流异步电动机； 3吨和5吨起货机采用JZF-H6型26/26/5.5千瓦三速交流异步电动机。,M1 交流三速异步电动机 M2 风机电动机 QS 隔离开关 KMF 上升接触器 KMB 下降接触器， KM1低速接触器 KM2中速接触器 KM3高速接触器 KM4 风机接触器 KM5 制动器线圈限流控制接触器 KA1 零压继电器 KA2 中间继电器 KA3 负载继电器,ST 温度继电器 S1 控制电源开关 S2 风门开关 SB 应急强制运行按钮， SA1-9 主令开关的触点 TA 电流互感器 KT1、KT4、KT5 交流时间继电器 KT2、KT3 直流时间继电器 YB 直流电磁制动器线圈 KB 制动接触器,交流三速恒功率起货机线路（全图）,变极调速起货电动机M1的三速绕组分别由KM1、KM2和KM3控制；KMF和KMB分别为正反转接触器，控制起货机的升降。 起货电动机由风机M2进行冷却。 TA为电流互感器，向负载继电器KA3提供电流分量，KA3的电压分量为控制电路中变压器提供，保证测量有功电流。 负载继电器：KA3当起吊货物超过额定负载的一半时，不允许上高速。,负载继电器分析,负载继电器的接线可以测量起货机的负载，由图可见，IF不仅与IB的大小有关，而且与IB的相位有关。因此，可以用IF来反映起货机提升负载的大小。 图中，R5是一个可以改变阻值大小的电阻，可以用来适应2档和3档时功率因数不同而造成IF大小的不一样。,手柄零位,ST 温度继电器 S1 控制电源开关 S2 风门开关 KM1闭合后，KT5线圈也通电,为刹车打开做准备。KM1的常开触点闭合自锁，确保中速接通后才断电。 KT4常闭触点断开，使负载继电器在高速起作用。,合上空气开关QS，钥匙开关和控制开关闭合（见控制线路），将主令手柄放在0档位置上，若风门已经开，则风机起动。 将主令手柄放在起货1档位置上，则正转接触器KMF和低速接触器KM1有电，接通主电路，起货电动机工作在低速运行状态。 蓝色表示触点断开。,低速运行（主电路）,起货1档,KT1延时到,KM5线圈通电,并联在R2的常闭触点断开，刹车线圈串入R2，使电流减小，起延长线圈寿命和省电作用。 KMF吸合起货机开始运转。,起货机已经在低速运行时再将主令手柄放在起货2档位置上，则正转接触器KMF和中速接触器KM2有电，接通主电路，起货电动机工作在中速运行状态。 中速运行时，负载继电器KA3开始工作（经KM1、KM2支路，未进入高速，KT4不闭合）。,中速运行（主电路）,起货2档,KM2通电后，其常闭触点使KM1断电。 同时，其常闭触电使KT3断电开始延时。 避免在转速切换时，负载继电器KA3动作不能升速。 KT2通电吸合，为刹车做准备。,起货机在中速运行后，将主令手柄放到起货3档，则正转接触器KMF和高速接触器KM3有电，接通主电路，进入高速运行状态。 高速运行时，负载继电器TA有两个工作状态：KT4还没有闭合，负载继电器避开换档电流；KT4延时闭合，负载继电器正常检测起货机负载。 若此时起吊重物超过半载，则KA3将动作，KM3断开，KM2自动重新闭合，起货机自动回到中速运行。,高速运行（主电路）,9.3.2 交流恒转矩变极调速起货机的控制,恒转矩变极调速三相交流异步电动起货机和前节所述的恒功率变极调速三相交流异步电动起货机有所不同,恒转矩变极调速三相交流异步电动起货机起动力矩大，但起动电流也大，约为额定电流的56倍(恒功率调速电动起货机约为额定电流的2倍)；,恒转矩电动起货机高速时的转矩比恒功率调速电动起货机大；,恒转矩电动起货机高速时可提升额定负载而恒功率调速电动起货机高速时只能提升半载；,恒转矩电动起货机无需超载保护环节，控制电路简单，维修方便。,b1：应急停止开关 b12 ：风门开关 C11 ：正转接触器 C12 ：反转接触器 C13 ：低速接触器 C14 ：中速接触器 C15 ：高速接触器 C16 ：风机接触器 C17 ：制动接触器 S11 ：电磁制动器,d1 ：低速绕组过载继电器 d2 ：中、高速绕组过载继电器 d11 ：失压继电器 d12 ：上升继电器 d13 ：下降继电器 d14 ：中、高速跳闸继电器 d15 ：时间继电器 d16 ：时间继电器 d17 ：时间继电器,延时继电器d15的常闭触点延时断开切断再生制动回路,接触器C13吸合同时,延时继电器d15通电,C13常开闭合为制动接触器C17通电做准备.,C16常开触点闭合 为中(C14)高(C15)速接触器通电做准备 只有在风机运行时，才能进高速,正常时低速绕组不过载，d1通电吸合 d11常开触点闭合，组成零压保护电路,主令控制器 手柄在位 B11闭合,正常情况 应急停止开关b1闭合,中速C14和高速C15接触器均为失电，低速接触器C13吸合为低速绕组通电做准备.,失压保护继电器d11闭合,d11闭合向控制电路供电,风机接触器C16吸合 风机通电运转 冷却起货电动机,打开风门 风门开关 b12闭合,在零位时,上升和下降继电器d12/d13均失电,其常闭触点闭合,则中高速跳闸继电器d14通电吸合(在中高速不过载时d2闭合),其常开触点闭合自锁.,d14触点闭合,为中高速运行做准备,在零位,主令控制器b11-3接通,上升辅助继电器d12通电吸合,d12常开闭合,使上升接触器C11通电吸合,接通低速绕组电源,D16常开触点延时闭合为向中高速接触器通电作准备。 延时保证在手柄快速扳到中高速档时，有足够时间低速起动，防止直接进入高速起动而造成对起货机电机的冲击。,d12通电吸合,常闭断开,使下降辅助继电器断电,实现互锁.,d12和C11常开闭合,使电磁制动器接触器C17通电吸合,电磁制动器S11通过整流器获电动作,松开刹车,使起货电机低速运行. C11与C17间组成程序连锁，确保电动机低速绕组先通电，S11才能通电松闸，避免重物自行落下。,起货一位,同时延时继电器d16通电,中速接触器通电吸合，其主触点闭合，接通中速绕组，起货机中速运行。,主令手柄至2位，b11触点9-09接通,起货二位,C15接触器常闭触点断开，C14失电，中速绕组断电，保证换档不断电。,主令手柄至3位，b11触点11-011接通,高速接触器通电吸合，其主触点闭合，接通高速绕组，起货机高速运行。,起货三位,由上述分析，主令控制器手柄突然从零位扳到3位，起动过程与手柄的操作速度无关，而是通过时间继电器d16和d17的延时控制，按时间原则自动起动并逐步加速到高速运行。不会出现中、高速绕组堵转，也不会出现直接高速起动的情况。,零位快速到三位,二、三位快速到零位,进行三阶段制动 (1)再生制动(2)再生制动与机械制动(3)机械制动,零位时，C16,d11,d14,C13,d15通电吸合，d12,d13,C11,C12,d16,C17,C14,d17,C15断电释放，与前同。,零位快速到落货三位,手柄快速扳到落货3位，d13,C12,d16(触点延时闭合),C17依次通电(松开刹车) ，低速绕组接通电源，电机在反向低速运行。,D16触点延时闭合,C14(中速绕组)d17(触点延时闭合)通电，中速绕组接通电源，电机在反向中速运行。切断低速绕组。,d17触点延时闭合,C15(高速绕组)通电，高速绕组接通电源，电机在反向高速运行。切断低速和中速绕组。保持刹车通电。,可见落货各档或从零位到落货二、三，或从落货二、三档快速扳回零位与起货时类似，不同的由的d13代替d12，C12代替C11，起货机反转。由于货物是位能性负载，在落货时使电动机处于再生制动状态下运行，起货电动机使货物匀速下降。,从落货二、三档快速扳回零位与起货时类似，进行三阶段制动， (1)再生制动(2)再生制动与机械制动(3)机械制动,起货三位快速扳到落货三位(或相反),手柄从正三至倒三时，d12断开，C17失电，刹车(S11)延时释放。手柄从中速至过零时，使C13(低速绕组)和d15(触点延时断开)通电，使C11自锁(d13不能通电)，电动机在起货方向上减速(再生制动)。S11放电至释放刹车，此时d15延时时间未到，再生制动与机械制动共存(联合制动)。d15延时时间到，C11断电，则再生制动结束，由机械制动至停车。实现三级制动。,其过程为首先三级制动停车，然后按时间原则逐级起动。,起货三位快速扳到落货三位(或相反),C11失电，d13,C12依次通电吸合，C17通电松开刹车。低速绕组(C13)接通电路,电动机在落货方向低速运转。同时d16通电延时，d16延时时间到，C14通电(断开C13)中速绕组接通电路，电动机在中速加速运转，同时d17通电延时，d17延时时间到， C15通电(断开C13,C14)高速绕组接通电路，电动机在高速运转。实现按时间原则起动。,停车自动制动，自动延时起动。这种控制方式称“逆转矩控制”,基本保护环节,(1)“逆转矩控制”,(2)防止货物自由跌落,货物下落时，电动机处于再生制动状态,在换档时，始终有一个接触器吸合，对应绕组通电，保持货物不会自由下落。,(3)应急切断：遇特殊情况，按下应急按钮b1切断控制电路，使起货机立即停止工作。,(4)失压保护(零电压保护):零压继电器和主令零位触点实现保护。,(5)过载保护，通过安装在低速和高速绕组内部的热敏电阻和继电器d1和d2来实现。,低速 中高速,当过载时，热敏电阻的阻值升高，负载继电器电流减小，继电器释放，串联在控制电路中的触点断开，使相应的控制电路失电。,低速 中高速,若低速过载则d1失电起货机停止工作。若中高速过载则的d2失电，则起货机不能进入高速运行，只能在低速运行。,低速 中高速,(6)风机过载，通过热继电器实现保护。接触器C16失电，串联在高速控制电路的常开触点断开，则起货机不能在中、高速运行而只能在低速运行。,(7)短路保护：由熔断器e11e13来实现,(8)缺相保护：电动机在缺相运行时，会使电动机过热而损坏。由于本电路的控制电路由三相供电，在电源的任意一相失电的情况下都使控制电路失电，电动机都会停止运转而起保护作用。,9.4 锚机和系缆设备的电力拖动与控制,9.4.1 锚机运行特点,收起沉躺在水底的锚链,收紧锚链,拔锚出土,收起悬于水中的锚及锚链,拉锚入锚链孔中,1.根据我国钢质海船建造规范规定，锚机电力拖动装置在规定的海区内，应能满足单锚破土后起双锚的要求。,2.电动机能在最大负荷力矩下起动。要求锚机、绞缆机工作定额应不小于30min，且应满足30min内起动25次的要求。,9.4.2 锚机对电力拖动控制的要求,3.要求电动机有软的或下坠的机械特性，其堵转力矩应为额定力矩的两倍，以满足拔锚出土和