船舶电气设备及系统-大连海事大学第09章船舶甲板机械电力拖动及其电气控制.ppt

第九章 船舶甲板机械电力拖动及其电气控制,本章概述 现代船舶一般都把锚机，绞缆机，起货机和甲板起重设备统称为甲板机械。 船舶的甲板机械大多采用电力拖动自动控制系统和电动液压控制系统。 船舶航行于海上，它处于与陆地完全不同的工作环境。机电设备运行的可靠性决定了船舶及海员的安全。因此要求船舶机电设备必须适应海上各种恶劣情况，如高温、潮湿和海水的侵蚀、风浪引起的撞击和摇摆。另外，还要求机电设备操作灵活，维修方便。本篇还将介绍甲板机电设备的日常维护要点，引入典型实例来介绍一些常见故障处理方法。,第九章 船舶甲板机械电力拖动及其电气控制,本章主要讲解内容 第一节 船舶甲板机械的特点及驱动与控制方法 第二节 起货机的电力拖动与控制的基本要求 第三节 起货机的电力拖动控制线路分析 第四节 锚机和系缆设备的电力拖动与控制,第一节 船舶甲板机械的特点及驱动与控制方法,当今各类运输船舶通常将锚机、绞缆机和起货机称为船舶甲板机械。当然各类工程船舶上的移船绞车，捕鱼船的拖网机，救捞船的尾拖缆机都属于运输船舶的绞车类和起货机类。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；在液压控制回路中，大多采用电子技术和液压技术相结合的电液复合系统，进一步提高了系统的自动化程度。,返回,一、电动甲板机械 1船舶甲板机械的工况特点 2调速要求 3工作的可靠性要求高 4对电气设备的要求,1船舶甲板机械的工况特点,船舶甲板机械与船舶电站紧密联系。甲板机械中某些电动机单机功率相对发电机的容量而言，占有了较大的权重，拖动电机的起动、制动、运行状态都会直接影响到船舶电网参数的变化。船舶电站的容量基本上是根据船舶机电设备的总容量来确定的。,2调速要求 甲板机械要求调速的主要有起货机、锚机和绞缆机 等，但这几种设备对于电力拖动的各项调速指标的 要求并不高。一般要求调速范围在1:8-1:10左 右。至于特性的硬度、静差率以及动态性能方面的 指标都没有特殊的要求。目前在船用交流调速系统 中，起货机、锚机大多采用变极调速系统。有的船 舶起货机把可编程控制器和单片机引入到控制系统 中来，使其调速系统更为可靠，性能更佳。,3工作的可靠性要求高 甲板机械及其机电设备的高可靠性运行，这是由船舶的特殊性所决定的。除了要求它们可靠运行外，还要方便日常管理和维护，一旦发生意外故障，则要求故障部分能迅速恢复和切除，尽最大可能保持供电和继续运行。,4对电气设备的要求 对船舶的甲板机电设备有以下几点要求： （1）通用性，同一用途的设备应具有同一规格，以保证良好的互换性。 （2）抗干扰性，目前电力电子器件在船舶中大量运用，必须抑制各种电磁干扰、提高电子设备和微机系统的电磁兼容性以保证这些系统的正常工作。 （3）环境条件，要求机电设备能承受船舶在航行中发生的振动和冲击力，以及环境温度的变化。,二、液压甲板机械 甲板起重机大多采用液压传动，锚机、系泊绞缆机和起货机也有不少是采用液压传动的。 液压起货机、锚机和绞缆机操作方便，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。但它们存在加工精度要求较高，制造安装比较复杂，维护管理工作量相对大。 表 9-1为甲板机械两种驱动方式的性能及有关情况。,表9-1 甲板机械两种驱动方式的比较,第二节 起货机的电力拖动与控制的基本要求,一、船舶起货机的类型及特点 船舶起货机的类型很多。依据拖动方式来分，有电力拖动起货机和电动液压起货机两种。从机械结构的形式来分，主要有吊杆式起货机、回转式起货机（克令吊）和行走（门吊）式起重机几种类型。 1.电动起货机的特点 2.电动液压起货机的特点,返回,1. 电动起货机的特点 电动起货机系统结构紧凑、振动、噪音较小，便于实现自动化和遥控；其缺点是电气线路较为复杂，在管理和维护方面有一定的要求。通常采用多电动机拖动或选用各种类型电动机的固有特性或人为特性来满足起货机对电力拖动提出的要求。,2. 电动液压起货机的特点 电动液压起货机能实现无级平滑调速，加速时间短，具有良好的制动能力，不需要电磁制动器。它的调速和换向是在液力机械中进行的，而电动机维持恒速不变，因此可采用普通鼠笼式异步电动机。它的缺点是工作效率低，制造精度要求高，油路系统复杂，一旦管路破损、漏油不易修复。,二、电动起货机的结构和运行特性 起货机与其他机电设备一样，由原动机，传动机构和执行机构三部分构成。电动起货机主要由以下三个部分构成：电动机；减速箱和离合器组成的传动机构及卷筒；电磁/机械刹车装置与吊杆等。,1吊杆式起货机 吊杆式起货机有单杆式和双杆式两种。单杆式电动起货机是一种具有电动回转和变幅的起货机，见图9-1。 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，见图9-2。 双杆吊货的工作过程见图9-3。,返回,单杆式电动起货机结构图,双杆式电动起货机结构图,图9-3双杆吊货时电动机负载图,返回,由图9-3可见，起货电动机是重复短期工作，所以起货电动机一般采用专用的重复短期制。这种工作制用百分数JC值表示，称为暂载率或通电持续率，它表示在一个周期内，工作时间与一个周期时间T之比。 式中：tg为一周期内工作时间， t1为一周内的停止时间。船舶起货机采用的电动机的暂载率一般为15%，20%，25%，40%。一个周期的时间一般不超过10分钟。,2回转式电动起货机 回转式起货机（克令吊）它包括提升、变幅和回转三个主要机构。其拖动方式可采用电动机拖动，也可以用电动液压装置拖动。 如图9-4，是克令吊结构示意图，图中1是提升机构电动机，2是变幅机构电动机，3是旋转机构电动机。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。 回转式起货机的吊货过程可以用简化的负载图来表示，见图9-5。图中纵坐标 ， ， 分别为提升机构，回转机构和变幅机构的电动机轴上的负载力矩，横坐标为时间t。,1 提升机构电动机 2 变幅机构电动机 3 旋转机构电动机,图9-4 克令吊结构示意图,返回,图9-5 各电动机轴上所受力矩的简化负载图,回转式电动起货机的工作过程为： （1）t1时间为吊起货物阶段，同时伸距由最小到最大。 （2）t2时间为继续吊货至需要高度，同时开始回转。 （3）t3时间为回转至需要位置，伸距同步由最小开始变大。 （4）t4时间伸距继续变化至最大，同时开始落货。 （5）t5时间继续落货，直至“到位”。 （6）t6时间卸货，此时各电动机停止工作。,（7）t7时间空钩吊上，同时伸距由最大至最小。 （8）t8时间继续吊至需要高度，同时开始回转。 （9）t9时间继续回转至需要位置，同时伸距由最小开始变大。 （10）t10时间伸距继续变化至最大，同时开始落空钩。 （11）t11时间继续落空钩，直至“到位”。 （12）t12时间为装货，各电动机停止工作。 t1 t12是一个工作周期，以后重复上述过程。,三、船舶起货机电力拖动的基本要求 1提高生产率 2对调速范围的要求 3对电动机型式的要求 4对控制电路的要求,1提高生产率 生产率是起货机的重要指标，以每小时的起货量(th)表示，加快提升货物的速度可提高起货机生产率，但从安全生产的角度来看，提升速度越高越不安全。为了提高生产率，必须合理确定额定起货速度。 提高空钩速度可以缩短起货周期、提高生产率。因为空钩高速时造成生产事故的可能性较小，一般起货机空钩运行速度比额定起货的速度高出许多。对电动起货机选用飞轮惯量（GD2）小的电动机以缩短系统的起动和制动时间也是提高生产率的一项有效措施。,“重载低速、轻载高速”,2 对调速范围的要求 调速范围是起货机的另一重要指标。起货电动机在运行过程中，既有空钩高速，又有重载低速，要求较广的调速范围。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。,3 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（G-M）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，要选用转动惯量小的专用电动机，使起动和制动过程中的能耗降低。,4 对控制电路的要求 （1）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。,第三节 起货机的电力拖动控制线路分析,一、交流恒功率变极调速起货机控制系统 图9-6是国产交流变极调速起货机控制电路原理图 （注意图中电气符号的表示方法）。 1.起货机控制电路的组成 2.控制电路分析,返回,返回,1. 起货机控制电路的组成 （1）利用主令控制器发出控制信号，使起货机按指令的要求工作。 （2）电机的起动和调速环节。 （3）制动环节。 （4）保护环节。,2. 控制电路分析 （1）准备（主令控制器置零位） （2）提升第一档 （3）提升第二档 （4）提升第三档 （5）主令控制器手柄从零位直接扳到第三档 （6）主令控制器手柄直接从二档或三档扳回零位 （7）落货 （8）主令控制器手柄从下降第三档直接扳到上升第三档或反之 （9）保护环节及其功能,二、恒转矩交流三速起货机的线路分析 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。,返回,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,C23吊杆电动机控制联锁,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 1、货物下落时，电动机处于再生制动状态 2、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。 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。 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。,第四节 锚机和系缆设备的电力拖动与控制,一、锚机、绞缆机的类型及运行特点 锚机系缆机械是船舶必需配备的重要甲板机械，它们主要用来使船舶安全地停泊于锚地或系泊于码头。锚机与绞缆机的型式根据船舶类型及布置有多种多样， 如卧式锚机（带系缆滚筒）、立式锚机、立式系缆绞机和卧式绞缆机等。,1锚； 2锚链筒； 3制链器； 4锚链； 5锚机； 6锚链管； 7弃链器； 8锚链舱。,锚设备的布置图,1锚； 2锚链筒； 3制链器； 4起锚机； 5锚链管； 6锚链舱。,锚和收锚用的动力机械，目前多用电动锚机和液压锚机两种。按链轮轴线布置不同可分为卧式锚机和立式锚机。,卧式锚机,锚机实例：,系缆机,船舶在水上做靠岸停泊的一种方式。 利用系缆设备，将船舶安全牢固地系结于码头、浮筒、船坞或其它船舶的一种停泊方法。系泊设备一般由缆索、系缆属和系缆机械三部分组成。,船舷系泊,船舶系缆的方式,船尾系泊,首尾系泊,单点系泊,组成： 1.缆索 2.带缆桩 （系缆器） 3.导缆器 （导缆孔、 导缆钳） 4.绞缆机械 5.缆索卷车,返回,图9-8 起锚过程示意图及作用力分析,第I阶段： 收起躺在水底的余链阶段，锚链的拉力是不变的；,全部起锚过程,返回,图9-8 起锚过程示意图及作用力分析,第阶段：随着悬链形状的改变，拉力变大，直到锚破土；,返回,图9-8 起锚过程示意图及作用力分析,第阶段：锚破土；,返回,图9-8 起锚过程示意图及作用力分析,第阶段：收锚出水，随着锚链长度减小，拉力成正比减小；,返回,图9-8 起锚过程示意图及作用力分析,第V阶段： 收锚入孔，是将锚拉入并紧固于锚链孔中。,返回,图9-9 典型的起锚阻力距曲线,起锚过程中电动机的典型负载图,二、锚机、绞缆机械对电力拖动系统的基本要求 1在锚机和绞缆机的控制系统中应设置自动逐级延时起动电路和应急保护电路。 2电动机应具有足够大的过载能力，应能满足任何一种起锚状态所需要的最大转矩，并且能在最大负载力矩 下起动（在30min内允许起动25次）。 3电动机在堵转情况下能承受堵转电流时间为1min堵转力矩为额定力矩的两倍），在堵转时，对直流而言，应能使电动机自动转到人为机械特性上运行，对交流而言，应能自动转换到低速运行。,4为满足必须的起锚速度和拉锚入孔时的低速，要求电动机有一定的调速范围，一般要求在5：13：1。 5在电动抛锚时，由于是位能性负载，所以要求控制系统必须具有稳定的制动抛锚功能，匀速抛锚。 6电动机起动次数不宜过于频繁，应能连续工作 30min，且要满足30min内起动25次的要求。,7采用电气和机械联合制动，以便满足快速停车及系缆时具有轻载高速性能。 8电力拖动装置应能满足在给定航区内，单锚破土后，能收起双锚。 9电动液压锚机来应具有独立的电动机驱动，其液压管路应不受其它甲板机械的管路影响。链轮与驱动轴之间应装有离合器，离合器应有可靠的锁紧装置；链轮或卷筒应装有可靠的制动器，制动器刹紧后应能承受锚链断裂负荷45%的静拉力；锚链轮上必须装有止链器。,三、交流三速锚机电气控制线路分析 交流电动锚机电气控制线路图见图9-10。 1.控制系统的特点 2.系统的工作原理,返回,1.控制系统的特点 控制系统中的主令控制器上正反转操作均有三档位置，分别来控制三档速度，拖动电动机采用交流三速鼠笼式电动机，其定子上有两套绕组：一套为4极，称为高速绕组；另一套是变极绕组，16极低速是三角形（）接法，8极中速是双星形（YY）接法，从改接成YY属于恒功率调速。系统设计低速与中速可直接起动，高速则要通过中速延时起动。正反转是对称控制线路，系统采用了可逆的对称控制，用主令控制器来控制锚机电动机的起动、调速、停止及反转。,当锚机电动机在高速档运行时，一旦由于某种原因过载，系统能自动瞬时转换到中速档运行。在负载减小后，为了重新回到高速档运行，则主令控制器手柄必须从第三档扳回到第二档的位置，然后再扳到第三档位置，锚机电动机才能重新进入高速运行。系统中设置有失压保护，在低速与中速档位置设置了热保护，在高速绕组回路设置了过载保护（过电流继电器GLJ的动作电流设置为高速档额定电流的110%）。方向主接触器ZC与FC之间以及1C与2C之间设置有机械联锁装置，目的是为了防止电源短路。控制电路采用熔断器作短路保护。,2.系统的工作原理 （1）起动及运行 主令控制器手柄扳到零位： 起锚第一档 起锚第二档 起锚第三档 停车 （2）抛锚,