《船舶电气》教案.docx

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《船舶电气》教案

第六章电力拖动控制电路及系统

一、继电—接触器控制

教学目的：

使学生掌握常用控制电器的结构、性能和特点，掌握电动机的基本控制电路、分析方法及控制原则和保护环节。

重点：

电器的基本性能和电动机的基本控制电路。

难点：

电器的特点和电动机控制电路的基本分析方法。

计划课时：

14节左右。

§1-1常用控制电器

基本概念

1.电器分类

a.手动电器：

人手操作的电器。

如闸刀（HK）、刀（HD与HS）、铁壳（HH）、倒顺（HZ132）、组合（HZ10）等负荷开关（通断大电流的主电路）及按纽（LA）、万能式转换开关（LW）等主令电器（通断小电流的控制电路）。

自动电器：

通过电量与非电量的变化通断电路的电器。

如继电器（J）、接触器（C）、自动开关（DZ与DW）。

b.配电电器：

用于配电装置。

如刀开关、熔断器和仪表等。

控制电器：

控制电动机运行的电器。

如继电器、接触器等。

2．开关分类

a.隔离开关：

隔离电源和负荷（保证安全）。

如刀开关等。

b.操作开关：

直接控制电器运行。

如接触器等。

一．负荷开关及组合开关

1．闸刀（HK）与铁壳（HH）开关

1）闸刀开关：

作隔离开关和小电流的操作开关；里面熔丝作过电流保护。

2）铁壳开关：

操作机构为弹簧储能式，能快速通断电路；联锁装置保证箱盖打开开关不能闭合，开关闭合不能箱盖打开。

作隔离开关和操作开关（容量大于闸刀）。

3）单投（HD）、双投（HS）开关：

只作大容量的隔离开关。

2．组合开关1）结构：

（见书）有动、静触点。

2）特点:

多触点、多位置通断负荷电路；切换电源和负载；控制小容量电动机正反转；测量三相电压等。

有状态表（每个触点、每个位置对应有“×”或“˙”通，无“×”或“˙”断）（见书）

3）倒顺开关：

属于组合开关，只有正、停、倒三个位置；控制小容量交流电动机正反转。

3．凸轮控制器：

多触点、多位置、频繁通断负荷电路；有灭弧装置；用于小容量电机的变向、变速等控制；有状态表。

二．交流接触器

1．结构：

（见书）由电磁系统、触点系统、灭弧装置（大于10A有）和附属机构等组成。

短路环：

减少振动和噪声；硅钢片叠成：

减少铁损（涡流和磁滞损耗）

触点：

交流多采用桥式，有主触点（通断负荷电路）三对、常开和常闭辅助触点（通断的控制电路）各二对。

灭弧：

交流多采用灭弧罩；直流多采用灭弧栅。

2．用途：

频繁通断电动机等主电路。

3．符号：

4．型号：

交流：

CJ10（10设计序号）CJ12CJ910CJ913（9船用）直流：

CZ

5．选用：

（主触点）额定电流（见书）≥负荷电流；（线圈）额定电压（见书）=控制电路电压（接触器有时兼欠失压保护）。

三．继电器

1．继电器（J）:

根据电量或非电量来通断小电流的控制（I＜5A）电路以实现自动控制和保护的电器。

常用:

热、时间、中间、速度和压力继电器等。

2．电磁式继电器:

结构和原理类似接触器（图形符号同接触器辅触点和线圈,无灭弧装置、只一种触点）。

分:

a.电压继电器（JY）:

根据电压变化进行的控制或保护。

其线圈匝数多,线径细（电压线圈,接触器同）,线圈与被监测的电压电路并联。

（文字符号:

KV或KA）

b.电流继电器（JL）:

根据电流的变化进行的控制或保护。

线圈匝数少,线径粗,线圈与被监测的电流电路串联。

（文字符号:

KI或KA）

c.中间继电器（JZ）:

是一种中间传递信号的继电器,本质属电压继电器、但触点多触点容量大。

实现多路控制和以小控大的信号“放大”作用。

附1：

三种电器的图形符号（I＞过流，U＜欠失压）（文字符号:

KA）

附2：

交、直流接触器、电磁式继电器的区别：

1）交流接触器、电磁式继电器的电磁铁是恒磁通（Φ）型的，衔铁吸合前后磁通和电磁吸力基本不变。

2）要求衔铁不能卡住。

因δ（气隙）大→µ小→L小→Xl小→I大

I长期过大、线圈过热。

3）直流是恒磁势（F=IN）型的，衔铁吸合前后励磁电流（I）基本不变。

4）因磁阻变小吸合后的磁通和电磁吸力,远大于可靠吸合所需的吸力，故吸合后可在线圈电路串入经济电阻，以减少线圈的温升和电能损耗。

5）线圈额定电压相同的交、直流接触器、电磁式继电器也不能互相替代使用。

直流接入交流会因铁损太大而烧毁，交流接入直流会因线圈电流太大而烧毁。

3．时间继电器（JS）

根据获得的信号，延时通断控制电路的电器；分空气式、电磁式、电动式和电子式等，空气式（JS7）结构见书。

符号：

（重点延时触点）

自动控制的时间原则是通过时间继电器进行控制。

3．速度继电器

以速度为控制信号来控制触点的通断转换的电器；主要用于电机的反接制动；分为感应式（见书、主要）、离心式。

感应式原理：

转子转动、定子产生感应电势、电流和受电磁力作用，当转速决定的力达一定值时，定子克服弹力偏转，从而控制触点通断。

4．热继电器1）性能：

根据电流的热效应通断控制电路的电器。

只作电动机等的过载及断相（单相）保护。

2）结构及原理：

热元件电阻丝（串联在电动机主电路）发热，弯曲，推动连杆机构，常闭触点（串联在接触器线圈的控制电路）断开。

3）型号和符号：

型号：

JR0（封闭式）JR15JR16如JR15—50/2JR16—20/3D符号：

4）特点：

整定电流应等于电动机额定电流；保护具有反时限性，整定电流等于电动机额定电流时应长期不动作，过载电流越大动作时间越短，过载电流超过20%、20min内动作；排除过载后起动电机应按下复位按纽。

5）为了进行断相（单相）保护，热元件串联在至少两相电动机主电路中。

四．主令电器及主令控制器

主令电器：

通断控制电路（发布指令）的电器。

1．按纽特点:

通断控制电路且自动复位。

符号:

2．万能式转换开关：

多触点、多位置通断控制电路；也用于通断信号和测量电路；还可直接用于小功率电机的起动、变速和变向控制；有状态表。

3．主令控制器：

多触点、多位置、频繁通断控制电路；和继电器、接触器等构成磁力控制屏，用于大容量电机的变向、变速等控制；有状态表。

4．行程开关：

它是通过空间位置的碰撞，通断控制电路的电路器。

自动控制的行程原则是通过行程开关进行位置控制。

符号：

五．熔断器

1．性能：

平常相当于一根导线串联在电路中，过电流熔断起保护作用。

电动机电路作短路保护；照明电路短路兼过载保护。

2．组成和分类：

（符号画）

由铅锡合金、铜和银等熔丝（片）与外壳构成熔体，底座等组成。

分瓷扦式（RC）、螺旋式（RL）、无填料管式（RM）和有填料封闭式（RTO）等。

3．选用照明：

I熔≥I负荷

电机：

按起动电流：

I熔≥I起/2.5；I熔=I起/（1.6～2.0）（频繁起动）

按额定电流：

I熔=（1.5～2.5）I额（单台机）

I熔=（1.5～2.5）I额m+ΣI额（多台机）

六．磁力制动器

1．制动：

使电机迅速减低转速的过程；

分类：

电气制动（电磁力变向）——反接、能耗、再生和电容等；

机械制动（加和转速相反的外力）——圆盘式、抱闸式[通电型、断电型（主要）]，

2．断电型抱闸（电磁制动器、电磁刹车）原理：

抱闸线圈通电，产生磁力克服弹簧反力使闸瓦、闸轮分开，电机自由旋转；电机及抱闸线圈断电，磁力消失，在弹力作用下闸瓦和闸轮紧紧抱住、电机制动停车。

适用于短时工作制较大容量的电机。

§1-2控制线路图示法（见书讲）

一．图文符号（P121附录一）旧符号按汉语拼音，新符号依据国际标准。

二．电气线路图1．原理图：

表明线路原理；2．安装图：

表明电器安装位置；3．一般电路只有原理图，复杂电路还有安装图

三．绘制电路图的规定（见书讲）

§1-3电动机的全压起动控制

一．点动、连续和多地控制1．电路：

2．概念

点动：

按下按纽、线圈通电、电机起动，松开按纽、线圈断电、电机停止。

连续控制：

按下按纽、线圈通电、电机起动，松开按纽、线圈仍通电、电机仍运行。

自锁：

将接触器常开辅触点、并联在起动按纽两端，保证按下按纽、线圈通电，松开按纽、线圈仍通电。

自锁是连续运行的基础。

3．电路原理：

（写）a.起动b.停止c.保护：

短路过载零（欠失）压（KM兼大功率电机专门设）

4．多地控制原则：

起动按纽并联；停止按纽串联。

电路：

二．正反转的控制线路

1．电路：

2．概念

互锁：

为防止正反转两个按纽同时按下，两个线圈同时通电，导致主电路短路。

将正（反）转接触器常闭触点或常闭按纽，串联在反（正）转接触器线圈电路。

确保一个线圈通电，另一个线圈断电。

3．原理：

（写双重互锁正转起动停止）

4．磁力起动器：

将按纽、接触器、热继电器组合在一个铁中，分单向连续、正反转两种控制，具有过载和欠压（无短路）保护的功能。

5．零位保护：

为防止主令控制器等手柄在高速档时，电机通电直接起动产生电流冲击，必须先将手柄板到零位，通过零压继电器等接通控制线路，保证电机从低速档开始起动。

（上图主令电路、还具有零压保护和互锁功能）

三．顺序起动联锁控制（联动控制）

用按纽、接触器控制两台及两台以上电机，使其按一定顺序依次起动或停止的控制。

图（a）（b）M1（滑油泵电机）先起动，同时停止或M2（主轴电机）先停止。

§1-4电动机的降压起动控制（U过高、过低，M的I都过大）

一．Y―Δ降压起动控制

性能：

起动时电机接成Y，运行时接成Δ，电压降到1/√3、电流降到1/3、但转矩也降到1/3，适用于380/660V、Δ接线的电机。

电路（画、主要主电路）原理（写、主要起动过程,通过KT按时间原则）

电路性能为重点。

二．自耦变压器降压起动控制

性能：

起动时电机从自耦变压器分压，运行时加全压，通过抽头有多种电压可供选择，适用于220/380V、Y接线的电机。

原理（写）

三．转子电路串电阻起动控制

性能：

绕线式电机起动时，转子电路串电阻（或频敏变阻器），可减少起动电流、增加起动力矩。

原理（写、通过KI按电流原则）

§1-5电动机的制动停车控制

一．能耗制动停车控制

能耗制动：

交流电动机断三相交流电，任何两相通直流电，旋转磁场变固定磁场，切割速度（转差率）变向，电机受制动力矩作用迅速停车。

原理1）起动2）停车（写）

二．反接制动停车控制

反接制动：

运行中的交流电动机改变相序，电机受反转制动力矩作用，转速迅速下降，在转速接近于零时切断电源，电机停止。

原理（按速度原则：

通过KS）1）起动2）停车（写）

附1：

转速与制动Δno=no-n＜0——制动1）no=-no＇——反接

2）no=0——能耗3）no↓（变极调速）n↑（重载落货、直流电机同）——再生

附2：

时间、电流、速度为自动控制三原则（主要，还有行程原则）。

§1-6直流电动机的起动控制

采用电枢串电阻限流起动，采用自动控制三原则（还有第四行程原则）。

1．按时间原则电路（见书讲）2．按电流原则电路（见书讲）

3．按速度原则电路（见书讲）

§1-7机舱电动辅机的自动控制

一．双位控制

1．压力继电器KP原理（见书图）

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。

2．双位控制

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。

用途：

船舶日用海、淡水柜电动给水泵的控制；空压机自动控制方式是出口管内气压的双位控制。

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。

3．电路

1）手动：

SA→手动由SB2、SB1通过KM对M进行起停控制。

2）自动：

性能海、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。

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。

→常开辅触点闭→自锁

B．水位↓＜HL→KP（L）闭→KM通电→主触点闭→M起动水泵打水

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

二．机组自动切换控制（两套机组、一套运行、一套备用，运行机组故障、备用机组自动起动）

（一）泵的自动控制

1．摇控（手动控制）SA1摇（闭）

1）起动合上QS1

按下SB12→KA10通电自锁→主电路边常开触点闭→KM1通电主触点闭→M1起动（1号泵起动）

2）停止按下SB11→KA10断电主电路边常开触点断→KM1断电主触点断→M1停止（1号泵停止）

2号泵相似

2．自控1）自起动（QS1、QS2合上）

SA1→自（闭）SA11→运（闭）SA22→备（闭）

A．合上QS1时：

KA11通电触点断→对KA20互锁

B．同时：

KT21通电触点延时闭→KA12通电→上面触点闭→KA10通电→a

→下面触点闭→b

→KA10上面触点闭自锁→常闭辅触点断

a→主电路边触点闭→KM1通电→主触点闭→M1起动1号泵打水→KPL1触点闭

→常开辅触点闭→c

C．b→KA13通电→常闭触点断→KA11由KPL1控制

c→KT31通电触点延时闭↗→常开触点闭自锁

2）自动切换

A．1号泵故障失压→KPL1断→KA11断电触点复原

KA21、KT22、KA22在合QS2时已依次通电→KA22触点闭→KA20通电主电路中常开触点闭→KM2通电→主触点闭→M2通电起动2号泵打水

→常闭辅触点断→KA12断电→KA10、KM1断电→M1停

B．SA21→运（闭）SA11→断SA22→断SA12→备（闭）

按下SB13→KA13断电解除自锁

（另外还有声光报警指示1、2号泵运行情况）

二．泵的顺序起动（见书讲）

重点掌握的基本电路为点动、自锁连续、点动连续、两地、电气互锁、双重互锁、顺序联锁、主令、Y―Δ降压和双位十个（前6个记电路、后6个掌握原理和性能）。

二、甲板机械（见书）电力拖动控制原理

教学目的：

使学生掌握锚机、起货机控制电路的性能、特点，理解锚机、起货机控制电路的原理、了解其分析方法。

重点：

锚机、起货机控制电路的性能。

难点：

锚机，交直流起货机控制电路的原理分析。

计划课时：

10节左右。

§2-1锚机的电力拖动与控制

性能：

一般锚机与绞缆机构成联动机

一．锚机运行工作特点（见书）

阶段一：

收起躺在海底的锚链——力矩不变；

二：

收紧锚链——力矩增加；

三：

拨锚出土——力矩大；

四：

收起悬于水中的锚及锚链——力矩减少；

五：

拉锚入锚链孔中——力矩回增。

二．对电力拖动及控制的要求

（一）对电力拖动的要求（见书讲、重点见书）

要点：

堵转1分钟、软或下坠的机械特性、30分钟短时工作制、防水式。

（二）对电动锚机控制线路的基本要求（见书讲、重点见书）

要点：

主令直接从0到高速、线路逐级加速、防电流冲击；抛锚为再生或能耗制动、回零为电气和机械制动，有短路、失压、过载、断相保护。

§2-2锚机控制线路

一．交流三速电动机

1．双速绕组（见书）n=（1-s）60f1/P

2．电机绕组

两套：

一套为4极（高速n0=1500r/min）；

另一套含8极（YY中速n0=750r/min）、16极（Δ低速n0=375r/min）。

二．控制线路原理

1.准备

合上QS、SA→HL1亮（表示电源有电）

SA（主令控制器）→0→SA→KA2（零压继电器）通电→KA2（7）闭→接通控制线路（零位、欠失压保护）→KT1通电→KT1（14）瞬时断

→KT2通电→KT2（4）瞬时闭

→KT3通电→KT3（22）瞬时闭

2．起锚一挡SA→起1

SA2通→KM1通电→KM1

（2）主触点闭→a

→KM1（9）断→对KM2互锁

→KM1（17）闭→b

SA4通→KM3通电→KM3

（1）主触点闭→c

→KM3（11）断→对KM4-1、KM4-2互锁

→KM3（13）断→对KM5互锁

SA7通→KM6通电→KM6（20）断→KT3断电→d

b↗→KM6（21）闭→YB通电抱闸松（R4、V2为续流电路）→e

a→M接成低速→M低速运转（YB电路极性：

上+、下-）

c↗e↗

d→KT3（22）延时断→经济电阻R3接入（减少线圈发热：

延长使用寿命、省电）

（YB不接经济电阻为强励松闸）

3.起锚二挡SA→起2

SA4断→KM3断电→KM3

（1）主触点断→a

→KM3（11）闭→b

→KM3（13）闭

SA5通→KM4-2通电→KM4-2

（1）主触点闭→c

b↗→KM4-2（10）断→对KM3互锁

→KM4-2（11）闭→KM4-1通电→KM4-1

（2）主触点闭→d

→KM4-1（10）断→对KM3互锁

→KM4-1（18）断→e

a↘

c→M由低速换成中速运转

d↗

e→KT1断电→KT1（14）延时闭→使低速直接到高速有中速运行的间隙（0.5～2s）

4．起锚三挡SA→起3

SA6通→KM5通电→KM5（3）主触点闭→aa↘

→KM5（10）断→对KM3互锁　　　↗主触点断→M换成高速运转　

→KM4-1、KM4-2断电→辅触点复原

→KM5（13）闭→自锁

→KM5（19）断→KT2断电→KT2（4）延时断→KA1接入　

5．抛锚

　同起锚、KM2通电、M反转；深水抛锚M为再生制动（也有能耗制动）、变加速为等速。

6．停止SA→0SA7断→KM6断电→YB断电为机械制动；

SA→3→2→1为再生电气制动→0。

7．保护　　高速运行的过载保护（其余保护略）

高速过载→KA1达动作值→KA1（16）闭→KA3通电→KA3（16）闭→自锁

→KA3（13）断→KM5断电→a

a→KM5（3）主触点断→bb↘

→KM5（10）闭→KM4-1、KM4-2通电→主触点闭→M转入中速

→KM5（13）断、KM5（19）闭

过载消失、KA1达释放值KA1（16）断、但KA3自锁仍通电；

　故要由3挡→（回）2挡→3挡（进）才能重新进入高速。

§2-3船舶起货机的电力拖动与控制

一．起货机运行工作的特点（见书图）

　分吊杆式（又分单吊和双吊）、旋转式

二．对电力拖动及控制的要求

要点：

过载能力强；起动转矩大；机械特性软（重载低速、轻载高速）；调速范围广nmax/nmin=7～10；转动惯量小；能防水和重复短期工作。

（见书讲）

三．对控制线路的要求

要点：

1）采用主令控制器操作，其操作手柄的正、反和调速各档具有明显的空间位置差异；起动、加速与操作速度无关。

2）手柄从零位快速扳到高速档，应能使转速由零自动逐级加速到高速，不发生由静止起动直接到中速或高速；

3）采用电气制动与电磁机械制动相配合的制动；不发生中速、高速反接制动，以避免在电流的冲击和损耗；高速超载时自动返回中速，采用再生或能耗或倒拉制动等速下放重物，控制线路设有防止重载高速提升和超速下落的保护环节；

4）不发生自由落体，电机绕组先通电后松闸，应先接通高（低）档绕组后断开低（高）档绕组的交替电路环节；

5）设强制低速下放重物的应急按纽；具有零位保护；设短路、过载、欠失压和起/落货互锁等保护。

§2-4直流电动起货机

一．双输出G—M系统起货机

1．G—M系统的工作原理（见书讲）

2．双输出直流发电机

（1）两个独立的励磁电路控制两个独立的电枢绕组输出电路；

（2）系统具有电机台数少、体积小、重量轻和装机容量小等优点。

3．控制线路原理

（1）．变流机组M（交）--G（直）--GE（直）的起动

起动过程：

合上QS→KM2通电主触点闭→a

按下SB2→KM1通电自锁→常开辅触点闭→KT1通电→b

→常闭辅触点断→对KM2互锁

→主触点闭→M（交）从自耦变压器分压降压起动

a↗

b→KT1触点延时闭→KA1通电→常闭触点断→KM1、KM2、KT1依次断电触点复原

→常开触点闭→KM3通电→c

c→主触点闭→M（交）加全压运转→GE、G带动转动

→KM4通电触点闭→GE发电→HL亮

（2）SA（主令控制器）→0

SA1通→KA2（零压继电器）触点闭→保护零位和欠失压保护

→KT2通电触点瞬时闭→短接RE（经济电阻）

（3）SA→上升1

SA1断

SA2通→KMH通电→常闭触点断→对KML互锁

→上方两个常开触点闭→a

→下方常开触点闭→b

a→G励磁绕组得直流（方向：

上下）→G（先转动）发电→M（直）电枢获电产生转矩（先有励磁）→cc↘

SA4通→KMB通电→常开触点闭→YB通电抱闸松→M起动

b↗→常闭触点断→KT2断电触点延时断→RE接入

（4）SA上升1→上升5各位

a.SA5～SA8依次通→R1～R4相继短接→G励磁电流依次↑→G输出电压依次↑→M转速依次↑

b.Tfz＞50%Te→M电枢电流大→KI（负载继电器）达动作值触点闭→短接Rp→机械特性变硬（Φ↑）→n↓

Tfz＜20%Te→M电枢电流小→KI达释放值触点断→接入Rp→机械特性变软（Φ↓）→n↑（见书）

（5）SA上升各位→0（停车）

a.SA2、SA4断→KMH、KMB断电触点复原→G励磁电流↓→0的时间Δt1很小→G发电↓→0→M因惯性处于再生制动状态；

b.YB电流经RBF、V3放电减少→磁力↓=弹力的时间为Δt2→在时间Δt1～Δt2内M电源无电在惯性下产生能耗制动；

c.YB电流↓↓→磁力↓↓＜弹力→电路除能耗制动外增加抱闸制动。

（6）SA下降各位：

类似下降，但重物下降为再生制动。

（7）SA上升各位→下降5（或相反）

KMH由通电变断电、KML由断电变通电→电机为反接制动冲击电流（力矩）大→FA（过流继电器）达动作值（整定2.5～3Ie）触点断→KA2断电→KML断电→G无励磁不发电→M不能变向运转避免冲击电流。

二．晶闸管直流电动起货机（见书讲）

§2-5交流电动起货机

一．交流三速起货机

（一）变极调速起货机简介

电机采用三套绕组：

P=2、4、14，n0=1500、750、214r/min

控制线路性能（见书讲）

（二）控制线路各挡位工作情况的分析

1．SA→0（准备）

合上QS、S→KM5通电主触点闭→1M（风扇）启动

SA→0↘→SA1通→KA1通电触点闭→接通控制线路（零位、欠失压保护）→a

合上SC↗→SA4通→KM1通电→KT5通电

a→KT3、KT4通电a↗

2．SA→起货1

SA1断

SA2通→KMH通电主触点闭→2M有低速正转转矩

KM1通电主触点闭↗

SA5通→KMB通电触点（26）闭→YB通电抱闸松→M低速运转

KT5（15）闭↗

KMB通电触点（16）闭→KT1通电触点延时闭→KM4通电触点（27）断→经济电阻R3接入

3.SA→起货2

（1）SA4断、SA7通→KM1断电、KM2通电→换成中速

（2）KM2（12）断→KM2先通电、KM1才断电，电机低速——中速供电不中断

（3）SA9闭→KT2通电触点（10）瞬时闭→KMH（9）、KML（11）串联构成“逆转矩控制电路”（见后）

4．SA→起货3

轻载→KI为释放值触点（20）断→KA2无电触点（21）闭↘

SA8通→KM3