ch8电动机的自动控制基础

船舶轮机模拟器船舶模拟电站实验用船舶发电机

主要内容第8章电动机的自动控制基础第9章船舶甲板机械电力拖动与控制第10章船舶舵机的电力拖动与控制第11章辅助机械的电力拖动与控制第12章船舶电力系统的组成第13章同步发电机的并车运行第14章同步发电机电压及无功功率自动调整第15章电力系统频率及有功功率自动调整第16章船舶电站自动化第17章船舶照明系统管理

第8章电动机的自动控制基础

电动机等用电设备通电运行时需要继电器、接触器、熔断器等辅助电器进行控制和保护。由控制电器组成的系统称为电器控制系统。一般电器控制系统常采用继电器和接触器，因此称为继电-接触器控制系统。PLC：可编程控制器。8.1控制电器的结构原理和功能8.1.1接触器接触器——利用电磁吸力原理用于频繁地接通和切断大电流电路（主电路）的开关电器。1）触头系统：

主触头：常开（动合）触头辅助触头：常开（动合），常闭（动断）触头弹簧：使触头闭合时能紧密接触。8.1.1接触器

图8-1交流接触器交流接触器一般采用双断点桥式触头结构，直流接触器为单断点指式结构8.1.1接触器交流接触器实物图2）灭弧装置当接触器触点切断电路时，如电路中电压超过10～12V和电流超过80～100mA，在拉开的两个触点之间将出现强烈火花，这实际上是一种气体放电的现象，通常称为“电弧”。欲使电弧熄灭，应设法降低电弧温度和电场强度。常用的灭弧装置有灭弧罩、灭弧栅和磁吹灭弧装置：a)电弧进入栅片的图形

1－静触头2－短电弧

3－灭弧栅片4－动触头

5－长电弧

（1）栅片灭弧当触头断开时，电弧在电动力（在铁栅片下，电弧产生的磁通力图从铁片中通过，使电弧受到吸引力而被拉入灭弧栅中）和热空气流的作用下迅速进入灭弧罩中，被相互绝缘的栅片分隔成多段短电弧，这些短电弧被周围介质迅速冷却。此外，由于维持一段电弧燃烧须有一定电压，被分割的短电弧增大了整个电弧压降，从而使电弧很快熄灭。适合于交流接触器。b)栅片灭弧原理（2）磁吹灭弧装置的工作原理图示为串励磁吹灭弧装置原理图。1－铁心2－绝缘管3－吹弧线圈4－导磁颊片5－灭弧罩6－熄弧角工作原理：灭弧线圈与触头串联，电弧在线圈磁场中受力向上运动。灭弧角与静触头连接，起到引导电弧的作用。电弧由静触头向上转移到灭弧角，被拖长扩散而迅速冷却熄灭。3）电磁机构

电磁机构包括动铁心（衔铁）、静铁心和电磁线圈三部分，在电磁线圈通以电流，产生电磁吸力带动触头动作。当线圈断电或电流小到一定程度时，由反力弹簧作用使衔铁释放。电磁系统的结构形式根据铁心形状和衔铁运动方式，可分为三种：衔铁绕棱角转动拍合式（a）、衔铁绕轴转动拍合式（b）、衔铁直线运动螺管式（c）。如图所示。

接触器电磁机构

电磁系统按铁心形状分为U形（如图a所示）和E形（如图b和c所示）。

电磁系统按电磁线圈的种类分为直流线圈和交流线圈两种。电磁系统的工作情况常用吸力特性和反力特性表示。

吸力特性——电磁系统的电磁吸力与气隙的关系曲线称为吸力持性。即F与气隙δ的关系。电磁吸力可近似地按下式求得：

F=4×105×B2S式中：F为电磁吸力，B为气隙磁场感应强度，S为铁心截面积。励磁电流的种类对吸力特性有很大影响，下面对交、直流电磁机构的吸力特性分别讨论。

①交流电磁机构的吸力特性

设线圈外加电压U不变，交流电磁线圈的阻抗主要决定于线圈的电抗，电阻忽略不计，则

U≈E=4.44fφN

φ=U/(4.44fN)式中：U为线圈外加电压；E为线圈感应电动势；f为电压频率，N为电磁线圈的匝数。交流电磁机构的吸力特性如图所示。

由于交流电磁机构的气隙磁通φ不变（恒磁链）(why?)，又：φ＝磁势/磁阻＝IN/Rm（Rm为气隙磁阻）安匝数IN随气隙磁阻（也即随气隙δ）的变化成正比变化，所以交流电磁线圈的电流I与气隙δ成正比变化。

交流接触器的吸引线圈是一只交流电压线圈，这种电磁机构在作用原理上属于恒磁链系统。磁链Nφ为恒定常数，因此线圈通电后与磁通的平方成正比的电磁力F恒定不变，与气隙大小无关。但是线圈电流与气隙成正比。因此交流接触器在线圈刚通电、衔铁未吸合的瞬间，电流很大，一旦衔铁吸合，电流自动下降到额定值。②直流电磁机构的吸力特性

因线圈外加电压U和线圈电阻不变，流过线圈的电流I也为常数（IN不变－恒磁势），即不受气隙δ变化的影响，根据磁路定律：φ＝IN/Rm=BS（Rm为气隙磁阻）即电磁吸力F与气隙δ的平方成反比。直流电磁机构的吸力特性如图所示。由分析可知，直流接触器的吸力在衔铁吸合前后变化很大，而线圈电流保持不变。为了减少线圈功耗和发热，一般在衔铁吸合后，需要在线圈的电气回路中串接经济电阻以减小线圈电流。图示为反力特性与吸力特性1－直流接触器吸力特性2－交流接触器吸力特性

3－反力特性反力特性——归算到工作气隙中心的所有反力Fｆ与工作气隙δ的关系，即：Fｆ＝ƒ（δ）。可能有的反力有：反力弹簧力(主要)、触头弹簧力、摩擦阻力、重力等。反力特性与吸力特性的配合

对于一个电磁铁，如果吸力特性与反力特性配合不好，将影响其工作可靠性、寿命、参数等。对于不同性能的电磁铁，其配合有些差别，但总的要求是：吸合时，吸力大于反力，释放时，反力大于吸力(或等于)。曲线2、3、4、5为吸力特性曲线1为反力特性

4)接触器的调整方法

接触器衔铁所受到的吸力大于其反力时，吸合小于其反力时，释放。衔铁的反力包括：反力弹簧的反作用力，可动部分的重力和摩擦力，触头闭合后触头弹簧的反力。通常引入一个接触器、继电器的主要技术参数－返回系数Kf，即

Kf＝Xf/Xx其中，Xx为吸合值Xf为释放值结论:Kf越接近1，电磁机构动作越灵敏对于接触器，吸引线圈输入量是电压，则Kf＝Uf/Ux接触器的动作值和释放值可通过整定反力弹簧的松紧、非磁性垫片的厚薄、气隙的大小来调整：增加非磁性垫片的厚度，相当于增加衔铁闭合后的气隙，使Xf提高，但Xx不变，故Kf提高；反之Kf减小。增加衔铁释放后的气隙，使Xx提高，但Xf不变，故Kf下降；反之Kf提高。增加反力弹簧预压力时，接触器的动作值和释放值增加的程度相同，但弹簧的预压力增加后，动作电流增加，使磁路饱和，造成Kf有所下降。5）交直流接触器在电磁机构上的区别（1）交流接触器的线圈铁芯和衔铁由硅钢片叠成；直流接触器的线圈铁芯和衔铁可用整块钢。（为什么有此区别？）

（2）交流接触器的吸引线圈因具有较大的交流阻抗，故线圈匝数比较少，采用较粗的漆包铜线绕制；直流接触器的线圈匝数较多，绕制的漆包线较细。

（3）交流接触器的电磁铁芯上必须装有短路环，以消除工作时的振动和噪声（工作原理是什么？）。直流接触器的电磁铁芯上无短路环。触头系统：主触点、辅助触点

常开触点（动合触点）常闭触点（动断触点）电磁系统：动、静铁芯，吸引线圈和反作用弹簧灭弧系统：灭弧罩及灭弧栅片灭弧交流接触器结构

总结：交流接触器结构图主触点常闭辅助触点常开辅助触点静铁心动铁心吸引线圈灭弧装置交流接触器的结构特征:

铁心用硅钢片冲压而成线圈绕成短而粗的圆筒状,有骨架由于交流电源频率的变化,衔铁产生强烈振动和噪声,甚至使铁心松散用途：远距离通断直流电路或控制直流电动机的频繁起停。结构：电磁机构、触头系统和灭弧装置。工作原理：与交流接触器基本相同。直流接触器

直流接触器的结构特征:

铁心用整块钢块线圈绕成细而长的圆筒状,无骨架﹥250A的直流接触器往往采用串联双绕组线圈直流接触器灭弧较困难，一般采用灭弧能力较强的磁吹灭弧装置。1-起动线圈2-保持线圈额定电压

交流接触器：127、220、380、500V直流接触器：110、220、440V交流接触器：5、10、20、40、60、100、150、250、400、600A

直流接触器：40、80、100、150、250、400、600A额定电流

吸引线圈额定电压交流接触器：36、110（127）、220、380V直流接触器：24、48、220、440V接触器的主要技术指标

额定电压:

接触器的额定电压是指主触头的额定电压略≥负载的额定电压。额定电流:

接触器的额定电流是指主触头的额定电流。它是在规定工作条件下（额定工作电压、使用类别、额定工作制和操作频率等），保证电器正常工作的电流值。

电磁线圈的额定电压:

电磁线圈的额定电压﹦控制回路的电源电压

根据电路中负载电流的种类选择接触器的类型接触器的额定电压应大于或等于负载回路的额定电压吸引线圈的额定电压应与所接控制电路的额定电压等级一致额定电流应大于或等于被控主回路的额定电流接触器的使用选择原则

额定触头数目接触器的触头数目应能满足控制线路的要求额定操作频率接触器额定操作频率是指每小时接通次数

约定发热电流接触器处于非封闭的状态下，按规定条件试验时，其各部件在8h工作制下的温升不超过值时所能承受的最大电流接通和分断能力指接触器主触点在规定条件下，能可靠接通和分断的电流值机械寿命和电寿命工作制接触器的使用选择原则（续）

接触器常见使用类别及其代号电流种类使用类别

典型应用AC交流AC1无感或微感负载，电阻炉AC2绕线式电动机的起动、停止AC3笼型异步电动机的起动、停止AC4笼型一般电动机的起动、反接制动、反向、点动DC直流DC1无感或微感负载，电阻炉DC3并励直流电动机起动、反接制动、电动DC5串励直流电动机起动、反接制动、电动交流接触器CJ20系列-1

CJ20系列交流接触器

用于交流50Hz，额定电压至660V(个别等级至1140V)，电流至630A的电力线路中供远距离频繁接通和分断电路以及控制交流电动机，并适宜于与热继电器或电子保护装置组成电磁起动器，以保护电路或交流电动机可能发生的过负荷及断相。交流接触器CJ19系列-3交流接触器CJ40系列-5交流接触器CJX5系列-2MOELLERDIL接触器（新）●分为感性负载、容性负载和阻性负载提供专用接触器。电气寿命超过1百万次换向操作

备有丰富的附件，易于与基本单元连接

先进的接线端子技术，指触安全，省时，可靠

过载继电器具有缺相敏感和温度补偿功能

热敏电阻过载继电器用于电动机的直接热保护

创新型电子过载继电器ZEV：

—用在1-820A的电动机上

—可在最困难的起动条件下提供保护

—操作简便、安全

—适配多种控制电压

—易于安装，节约安装空间8.1.2主令电器主令电器主要用来切换控制电路。包括按钮、行程开关、万能转换开关、主令控制器等。1）按钮按钮结构图

颜色含义红紧急黄异常绿安全蓝强制性的白未赋予特定含义灰黑按钮颜色的含义按钮的结构原理与符号1－按钮帽2－复位弹簧3－支柱连杆4－常闭静触头5－桥式动触头6－常开静触头7－外壳急停按钮钥匙操作式按钮

2）万能转换开关（多路多极开关）万能转换开关是一种多触头（从一档增至十六档，每档内有两对触头）；有自复位式和定位式：自复位式－当人手离开操作手柄时能自动回到原始位置；定位式则每隔300或450有一个定位。3）行程开关行程开关又称为限位开关，是利用机械运动部件的碰撞或接近来控制其触头动作的开关电器。接近开关，又称为无触点行程开关4）主令控制器主令控制器是一种多位置多回路的控制开关，适合于频繁操作并要求有多种控制状态的场合，如起货机、锚机的控制。主令控制器的结构原理、符号及型号1-方形转轴2-动触头3-静触头4-接线柱5-绝缘板6-支架7-凸轮块8-小轮9-转动轴10-复位弹簧主令控制器的型号例LK1——12/90LK14——12/96LK1－12/90型主令控制器在电路图中的符号8.1.3熔断器－短路保护电器熔体额定电流（1.5～2.5）电动机额定电流（轻载起动取下限，重载或全压起动取上限）

熔断器额定电流熔体额定电流。反时限特性8.1.4继电器用于接通或断开小容量的电路，即用于控制与保护电路。

按用途分：

控制继电器

保护继电器

按动作原理分：电磁式

感应式电动式电子式热继电器

按输入信号分：电压继电器

电流继电器

中间继电器

时间继电器

速度继电器

1）电磁式继电器：电压继电器、电流继电器、中间继电器

电磁式继电器的结构与工作原理结构和工作原理与接触器相似，是由电磁系统、触头系统和释放弹簧等组成。不需要灭弧装置。电磁式继电器的图形、文字符号

①电压继电器

电压继电器反映的是电压信号。使用时，电压继电器的线圈与负载并联，其线圈匝数多而线径细。常用的有欠（零）电压继电器和过电压继电器两种。②电流继电器电流继电器反映的是电流信号，在使用时，电流继电器的线圈和负载串联。其线圈匝数少而线径粗。这样，线圈上的压降很小，不会影响负载电路的电流。常用的电流继电器有欠电流继电器和过电流继电器两种。欠电流继电器：电路正常工作时，欠电流继电器吸合动作。当电路电流减小到某一整定值以下时，欠电流继电路释放，对电路起欠电流保护作用。过电流继电器：电路正常工作时，过电流继电器不动作。当电路电流超过某一整定值时，过电流继电路吸合动作，对电路起过电流保护作用。

2）时间继电器从得到输入信号（线圈的通电或断电）开始，经过一定的延时后才输出信号（触头的闭合或断开）的继电器，称为时间继电器。

时间继电器的延时方式有两种：通电延时：接受输入信号后延迟一定的时间，输出信号才发生变化。当输入信号消失后，输出瞬时复原。断电延时：接受输入信号时，瞬时产生相应的输出信号。当输入信号消失后，延迟一定的时间，输出才复原。表8－1延时触头的图形符号图8-12半导体继电器原理图（1）半导体继电器（VT1、VT2均为PNP型三极管）（2）空气阻尼式时间继电器图8-13空气阻尼式时间继电器JS7－A系列时间继电器

a）通电延时型b）断电延时型发热元件（1）结构：I常闭触点双金属片（2）工作原理：

发热元件接入电机主电路，若长时间过载，双金属片被烤热。因双金属片的下层膨胀系数大，使其向上弯曲，扣板被弹簧拉回，常闭触头断开。扣板3）热继电器功能：过载保护返回（3）热继电器的符号发热元件常闭触点FRFR串联在主电路中串联在控制电路中4）速度继电器（转速低于100r/min时触头复位）结构原理图8.1.5电磁制动器1）圆盘式电磁制动器2）抱闸式电磁制动器图8-16圆盘式电磁制动器抱闸式电磁制动器8.2电动机的基本保护环节船舶电力拖动控制系统中，继电接触控制系统通常用来完成电动机的起动、制动、反转、调速等自动控制功能。当系统发生各种故障时，控制线路有必要的保护环节，能及时切断主电路，保证电气设备安全。电动机基本保护：短路电流保护过载保护（过电流保护）欠电压保护（包括零电压保护）缺相保护（针对三相交流电机）8.2电动机的基本保护环节交流磁力起动器——直接起动图8-17交流磁力起动器8.2.1短路电流保护：由熔断器FU实现。8.2.2过载保护

长期过载保护由热继电器FR实现；短时过载保护由过电流继电器KA实现。（1）过电流保护常用于限流起动的直流电动机和绕线式异步电动机。（2）对于直接起动的鼠笼式异步电动机由于无法设置合适的过电流整定值，一般不用过电流保护，而采用热继电器FR实现长延时过载保护。起货机、锚机在重负荷高速档广泛采用过电流保护。

零电压和欠电压保护一般可由同一电器来实现。8.2.3零电压和欠电压保护在由按钮作为主令电器的控制线路中，一般由线路中的接触器兼作零压和欠压保护。

在由主令控制器作为主令电器的控制线路中，必须设置专用的零压和欠压保护电器。一般采用电压继电器来进行零电压和欠电压保护。用作零电压和欠电压保护的继电器和接触器，必须具备高返回系数，吸引线圈的吸合电压一般整定在额定电压的0.8～0.85之间，释放电压整定在额定电压的0.5～0.7之间。8.2.4缺相保护：一般由热继电器实现。8.3控制电路的基本控制环节1）点动控制2）连续控制（自锁控制）3）行程控制4）多地点控制5）互锁控制6）连锁控制7）双位控制8）时间控制8.3控制电路的基本控制环节1）点动控制2）连续控制8.3控制电路的基本控制环节3）行程控制4）多地点控制8.3控制电路的基本控制环节5）互锁控制—用于多状态机械或有相互约束的多机械。8.3控制电路的基本控制环节6）连锁控制（KM1得电后KM2才能得电，KM2断电后KM1才能断电）8.3控制电路的基本控制环节7）双位控制——船舶辅锅炉高低水位控制、食品冷库高低温度控制等。密封容器下部液体量、影响上部空间大小和气压，根据给定的上限液体产生的极限高压和下限液体产生的极限低压来进行自动控制，叫双位控制。特点：当水位低于HL时水泵电动机自动起动给水；当水位高于HH时水泵停止给水。可减少单位时间内电动机的起停次数。例如：海（淡）水柜水位自动控制电路和锅炉水位控制。两者实现的方法有区别：海（淡）水柜水位是通过压力的双位控制来实现的，但是在锅炉水位控制中一般不采用这种方法，而是通过电极式或浮子式液位继电器进行水位控制。Why？理由：在船上，为了保障船舶安全航行提高船舶稳定性，必须降低船舶的重心。因此船舶的海（淡）水柜都安装在机舱内部，而海（淡）水柜要向生活区提供海（淡）水，必须对水柜加压。也就是说，海（淡）水柜属于压力水柜，水柜的压力直接反映水柜内水量的多少，是保证水柜能否正常供水的决定性参数。所以，海（淡）水柜水位控制的实质是水柜的压力控制，海（淡）水柜水位自动控制电路就需要通过压力的双位控制来实现。而对于锅炉，锅炉内的水虽然有一定的压力，但影响锅炉内压力的因素既包含水的多少，还包含锅炉产生蒸汽量的多少，因此压力不能反映锅炉内水量的多少。因而锅炉水位控制不能采用压力的双位控制来实现。此外，锅炉内水量的多少还是影响锅炉安全运行的重要参数，若水量过少，水位过低，可能造成锅炉烧塌等重大事故。所以，在锅炉水位控制中一般不采用压力的双位控制方法，而是通过电极式或浮子式液位继电器进行水位控制。

8.3控制电路的基本控制环节7）双位控制——船舶辅锅炉高低水位控制、食品冷库高低温度控制等。双位控制由SP来实现，高低限大小由开关SP的死区大小决定。被控对象的高限对应于压力开关SP的高压触头的断开值，其低限对应于低压触头的闭合值压力继电器SP原理:气压使波纹管产生顶力，压力升高到低限，压力克服弹力使微动开关6动作；压力升高到高限，微动开关7动作；低于高限7复原；低于低限6复原。动合触点动断触点1）手动：SA→手动由SB2、SB1通过KM对M进行起停控制。2）自动：海、淡水压力柜控制水泵起停的是：KP（H）高于HH动作断、KP（L）低于HL动作闭；整定值前者太低、后者太高导致电机起停频繁。工作原理：SA→自动A．设开始水位高于HL、低于HH→KP（H）闭、KP（L）断→KM无电主触点断→M停。B．水位↓＜HL→KP（L）闭→KM通电→KM主触点闭→M起动水泵打水→KM常开辅触点闭→自锁C．水位↑＞HL→KP（L）断→KM自锁→M仍运转水泵继续打水D．水位↑＞HH→KP（H）断→KM断电主触点断→M停水泵停止打水E．水位↓＜HH（＞HL）→KP（H）闭、但KP（L）断KM仍不能通电F．水位↓＜HL→重复上述过程8.3控制电路的基本控制环节8）时间控制应用实例：船舶机舱泵所用的大容量交流电机起动，根据负载和电机容量大小，起动时间不同（5～10s）；燃油辅锅炉的点火时间控制。通电延时型时间控制断电延时型时间控制典型控制线路

图8-24吊艇机控制电路-电动机的正反转控制手摇传动连