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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，则要求鼓 掌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。,图9-1 单杆式电动起货机结构图,返回,图9-2 双杆式电动起货机结构图,返回,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。,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 恒转矩交流三速电动起货机的特点是，中高速之间为 恒转矩调速，并且高速也可以提升额定负载。防止重 载高速运行的保护装置可以省去，这样使得控制线路 变得更加简单，同时又提高了可靠性。目前，国外生产厂家及船东采用恒转矩型式交流三速 起货机也比较多，如图9-7，为西门子公司生产的恒 转矩交流三速起货机的控制电路原理图。,返回,1基本结构及参数 额定电压：440V，60Hz 极数：4/8/28极 额定转数：1760/870/200r/min；额定功率：38/19/4.4KW；负载持续率：25/25/25%；额定电流：69/55/38A；起重速度：改变减速齿轮箱传动比可提升2.5/5吨重 物，提升5吨货物时其速度为37.5/18.5/3.1 r/min，提升2.5吨货物时其速度为73/36/6.1 r/min。,2控制电路分析（1）手柄置零位（准备）（2）提升第一档（3）提升第二档（4）提升第三档（5）自动逐级延时起动过程（6）停车过程（7）逆转矩控制,3控制线路中的保护环节（1）短路保护（2）失压保护（3）起货电动机的过载保护（4）风机过载保护：（5）应急停车（6）吊杆电动机过载保护（7）联锁保护,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。全部起锚过程见图9-8。起锚过程中电动机的典型负载图见图9-9。,返回,在图9-9中：第I阶段：收起躺在水底的余链阶段，锚链的拉力是不 变的；第阶段：随着悬链形状的改变，拉力变大，直到锚破 土；第阶段：锚破土；第阶段：收锚出水，随着锚链长度减小，拉力成正比减 小；第V阶段：收锚入孔，是将锚拉入并紧固于锚链孔中。,返回,图9-8 起锚过程示意图及作用力分析,返回,图9-9 典型的起锚阻力距曲线,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,