船舶电机拖动下.docx

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船舶电机拖动下

船舶电机

及拖动

（下）

武汉船舶职业技术学院

宋谦编写

第九章常用低压电器--------------------------------------3

第一节电器的作用与分类------------------------------------------------3

第二节低压电器的电磁机构及执行机构-------------------------------------3

第三节常用控制电器-------------------------------------------------------------------------------9

思考题与习题

第十章继电—接触器控制电路基本环节---------------------15

第一节电气图---------------------------------------------------------15

第二节三相笼型感应电动机全压起动控制电路-----------------------------19

第三节三相笼型感应电动机减压起动控制电路-----------------------------22

第四节三相绕线转子感应电动机起动控制电路-----------------------------26

第五节三相感应电动机电制动控制电路-----------------------------------28

第六节三相感应电动调速控制电路---------------------------------------32

思考题与习题

第十一章船舶甲板机械电力拖动控制-----------------------35

第一节锚机的电力拖动与控制-------------------------------------------35

第二节锚机控制线路---------------------------------------------------36

第三节直流电动起货机-------------------------------------------------40

第四节交流电动起货机-------------------------------------------------41

第五节电动液压起货机-------------------------------------------------48

思考题与习题

第十二章船舶机舱辅机控制-------------------------------52

第一节船舶冷藏装置自动控制--------------------------------------------52

第二节空调设备电气控制------------------------------------------------57

第三节船舶辅助锅炉自动控制--------------------------------------------60

第四节船舶分油机电气系统----------------------------------------------65

思考题与习题

第十三章船舶舵机装置的自动控制系统------------------------------72

第一节舵与舵机装置-----------------------------------------------------------------------------72

第二节操舵方式及基本工作原理-----------------------------------------75

第三节自动舵的基本类型及其基本要求-----------------------------------78

第四节舵机自动控制系统实例-----------------------------------------------------------------80

思考题与习题

第九章常用低压电器

低压电器（Low-voltageApparatus）通常指工作在交、直流电压1200V以下的电路中起通断、控制、保护和调节作用的电气设备。

本章主要介绍常见的接触器、断电器、低压断路器、万能转换开关、熔断器等设备的基本结构、功能及工作原理。

第一节电器的作用与分类

电器就是广义的电气设备。

它可以很大、很复杂，比如一台彩色电视机或者一套自动化装置；它也可以很小、很简单，比如一个钮子开关或者一个熔断器。

在工业意义上，电器是指能根据特定的信号和要求，自动或手动地接通或断开电路，断续或连续地改变电路参数，实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节用的电气设备。

电器的种类繁多，构造各异，通常按以下分类方法分为几类。

1．按电压等级分：

高压电器（High-voltageApparatus）、低压电器（Low-voltageApparatus）；

2．按所控制的对象分：

低压配电电器（DistributingApparatus）、低压控制电器（ControlApparatus）。

前者主要用于配电系统，如刀开关、熔断器等；后者主要用于电力拖动自动控制系统和其他用途的设备中；

3．按使用系统分：

电力系统用电器、电力拖动及自动控制系统用电器、自动化通信系统用电器；

4．按工作职能分：

手动操作电器、自动控制电器（自动切换电器、自动控制电器、自动保护电器）、其他电器（稳压与调压电器、起动与调速电器、检测与变换电器、牵引与传动电器）；

5．按电器组合分：

单个电器、成套电器与自动化装置；

6．按有无触点分：

有触点电器、无触点电器、混合式电器；

7．按使用场合分：

一般工业用电器、特殊工矿用电器、农用电器、家用电器、其他场合（如航空、船舶、热带、高原）用电器。

本章主要涉及电力拖动自动控制系统用电器，如交直流接触器、各类继电器、自动空气断路器、行程开关、熔断器、主令电器等。

第二节低压电器的电磁机构及执行机构

从结构上来看，电器一般都具有两个基本组成部分，即感测部分与执行部分。

感测部分接受外界输入的信号，并通过转换、放大、判断，作出有规律的反应，使执行部分动作，输出相应的指令，实现控制的目的。

对于有触头的电磁式电器，感测部分大都是电磁机构，而执行部分则是触头。

对于非电磁式的自动电器，感测部分因其工作原理不同而各有差异，但执行部分仍是触头。

一、电磁机构

（一）、电磁机构的分类

电磁机构是各种自动化电磁式电器的主要组成部分之一，它将电磁能转换成机械能，带动触点使之闭合或断开。

电磁机构由吸引线圈和磁路两部分组成。

磁路包括铁心、衔铁、铁轭和空气隙。

电磁机构分类如下：

1、按衔铁的运动方式分类

（1）衔铁绕棱角转动：

如图9-1（a）所示，衔铁绕铁轭的棱角而转动，磨损较小。

铁心用软铁，适用于直流接触器、继电器；

（2）衔铁绕轴转动：

如图9-1（b）所示，衔铁绕轴转动，用于交流接触器。

铁心用硅钢片叠成；

（3）衔铁直线运动：

如图9-1（c）所示，衔铁在线圈内作直线运动。

多用于交流接触器中。

2、按磁系统形状分类

电磁机构可分为U形和E形，如图9-1所示。

3、按线圈的连接方式分类

可分为并联（电压线圈）和串联（电流线圈）两种。

4、按吸引线圈电流的种类分类

可分为直流线圈和交流线圈两种。

图9-1常用电磁机构的形式

（二）、吸力特性与反力特性

电磁机构的工作情况常用吸力特性与反力特性来表征。

电磁机构的吸力与气隙的关系曲线称为吸力特性。

它随励磁电流种类（交流或直流）、线圈连接方式（串联或并联）的不同而有所差异。

电磁机构转动部分的静阻力与气隙的关系曲线称为反力特性。

阻力的大小与作用弹簧、磨擦阻力以及衔铁质量有关。

下面分析吸力特性、反力特性和两者的配合关系。

电磁机构的吸力F可近似地按下式求得

　　　　　　（9．１）

式中：

μ0=4π×9-7H/m。

当S为常数时，F与B2成正比。

B为气隙磁感应强度。

对于具有电压线圈的直流电磁机构，因外加电压和线圈电阻不变，则流过线圈的电流为常数，与磁路的气隙大小无关。

根据磁路定律

　　　　　　　　　　（9．２）

则

　　　　　　　　（9．３）

吸力F与Rm2成反比，亦即与气隙δ2成反比，故吸力特性为二次曲线形状，如图9-2所示。

它表明衔铁闭合前后吸力变化很大。

对于具有电压线圈的交流电磁机构，其吸力特性与直流电磁机构有所不同。

设外加电压不变，交流吸引线圈的阻抗主要决定于线圈的电抗，电阻可忽略，则

（9．4）

（9．5）

图9-2直流电磁机构吸力特性图9-3交流电磁机构吸力特性

当频率ƒ、匝数N和电压U均为常数时，φ为常数，由式（9.3）知F亦为常数，说明F与δ大小无关。

实际上考虑到漏磁的作用，F随δ的减小略有增加。

当气隙δ变化时，I与δ呈线性关系，图9-3示出了F=ƒ（δ）与I=ƒ（δ）的关系曲线。

从上述结论还可看出：

于一般U形交流电磁机构，在线圈通电而衔铁尚未吸合瞬间，电流将达到吸合后额定电流的5～6倍，E形电磁机构将达到10～15倍。

如果衔铁卡住不能吸合或者频繁动作，就可能烧毁线圈。

这就对于可靠性高或频繁动作的控制系统采用直流电磁机构，而不采用交流电磁机构的原因。

反力特性与吸力特性之间的配合关系，如图9-4所示。

欲使接触器衔铁吸合，在整个吸合过程中，吸力需大于反力，这样触点才能闭合接通电路。

反力特性曲线如图9-4中曲线3所示，直流与交流接触器的吸力特性分别如曲线1和2所示．在δ1～δ2的区域内，反力随气隙减小略有增大。

到达δ2位置时，动触点开始与静触点接触，这时触点上的初压力作用到衔铁上，反力骤增，曲线突变。

其后在δ2到0的区域内，气隙越小，触点压得越紧，反力越大，线段较δ1～δ2段陡。

为了保证吸合过程中衔铁能正常闭合，吸力在各个位置上必须大于反力，但也不能过大，否则会影响电器的机械寿命。

反映在图9-4上就是要保证吸力特性高于反力特性。

上述特性对于继电器同样适用。

在使用中常常调整反力弹簧或触点初压力以改变反力特性，就是为了使之与吸合特性良好配合。

图9-4吸力特性和反力特性图图9-5加短路环后的磁通和电磁吸力图

1-直流接触器吸力特性；2-交流

接触器吸力特性；3-反力特性曲

对于单相交流电磁机构，由于磁通是交变的，当磁通过零时吸力也为零，吸合后的衔铁在反力弹簧的作用下将被拉开。

磁通过零后吸力增大，当吸力大于反力时，衔铁又吸合。

由于交流电源频率的变化，衔铁的吸力随之每个周波二次过零，因而衔铁产生强烈振动与噪声，甚至使铁心松散。

因此交流接触器铁心端面上都安装一个铜制的分磁环（或称短路环），使铁心通过2个在时间上不相同的磁通，矛盾就解决了。

图9-5中电磁机构的交变磁通穿过短路环所包围的截面S2，在环中产生涡流，根据电磁感应定律，此涡流产生的磁通φ2在相位上落后于截面S1中的磁通φ1，由φ1、φ2产生吸力ƒ1，ƒ2，如图9-5（b）所示。

作用在衔铁上的力是ƒ1+ƒ2，只要此合力始终超过其反力，衔铁的振动现象就消失了。

二、执行机构

低压电器的执行机构一般由主触点及其灭弧装置组成。

图9-6触点的三种接触形式

（一）、触点

触点用来接通或断开被控制的电路。

它的结构形式很多，按其接触形式可分为3种，即点接触、线接触和面接触，如图9-6所示。

图9-7指型触点的接触过程

图9-6（a）所示为点接触，它由两个半球形触点或一个半球形与一个平面形触点构成。

它常用于小电流的电器中，如接触器的辅助触点或继电器触点。

图9-6（b）所示为线接触，它的接触区域是一条直线。

触点在通断过程中是滚动接触，如图9-7所示。

开始接触时，静、动触点在A点接触，靠弹簧压力经B点滚动到C点。

断开时作相反运动。

这样，可以自动清除触点表面的氧化膜，同时长期工作的位置不是在易烧灼的A点而是在C点，保证了触点的良好接触。

这种滚动线接触多用于中等容量的触点，如接触器的主触点。

图9-6（c）所示为面接触，它可允许通过较大的电流。

这种触点一般在接触面上镶有合金，以减小触点接触电阻和提高耐磨性，多用作较大容量接触器或断路器的主触点。

由于触点表面的不平与氧化层的存在，两个触点的接触处有一定的电阻。

为了减小此接触电阻，需在触点间加一定压力。

未受激时的位置如图9-8（a）所示。

当动触点刚与静触点接触时，由于安装时弹簧被预先压缩了一段，因而产生一个初压力F1，如图9-8（b）所示。

触点闭合后由于弹簧在超行程内继续变形而产生一终压力F2，如图9-8（c）所示。

弹簧压缩的距离l称为触点的超行程，即从静、动触点开始接触到触点压紧，整个触点系统向前压紧的距离。

有了超行程，在触点磨损情况下仍具有一定压力，有利于保持良好接触。

当然，磨损严重时仍应及时更换。

图9-8触点的位置示意图

（二）、电弧的产生与灭弧装置

当断路器或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”。

所谓气体放电，就是气体中有大量的带电粒子作定向运动。

触点在分离瞬间，其间隙很小，电路电压大多降落在触点之间，在触点间形成很强的电场，阴极中的自由电子会逸出到气隙中并向正极加速运动。

前进途中撞击气体原子，该原子分裂成电子和正离子。

电子在向正极运动过程中又将撞击其他原子，这种现象叫撞击电离。

撞击电离的正离子向阴极运动，撞在阴极上会使阴极温度逐渐升高。

当阴极温度到达一定程度时，一部分电子将从阴极逸出再参与撞击电离，由于高温使电极发射电子的现象叫热电子发射。

当电弧的温度达到30000C或更高时，触点间的原子以很高的速度作不规则的运动并相互剧烈撞击，结果原子也将产生电离，这种因高温使原子撞击所产生的电离称为热游离。

撞击电离、热电子发射和热游离的结果，在两触点间呈现大量向阳极飞驰的电子流，这就是所谓的电弧。

应当指出，伴随着电离的进行也存在着消电离的现象。

消电离主要是通过正、负带电粒子的复合进行的。

温度越低，带电粒子运动越慢，越容易复合。

根据上述电弧产生的物理过程可知，欲使电弧熄灭，应设法降低电弧温度和电场强度，以加强消电离作用。

当电离速度低于消电离速度，则电弧熄灭。

根据上述灭弧原则，常用的灭弧装置有如下几种。

1、磁吹式灭弧装置

其原理如图9-9所示。

在触点电路中串入一个吹弧线圈3，它产生的磁通通过导磁颊片4引向触点周围，如图中“×”符号所示。

电弧产生后，其磁通方向如图中“”和“”符号所示。

由图9-9可见，在弧柱下吹弧线圈产生的磁通与电弧产生的磁通是相加的，而在弧柱上面则彼此相消，因此就产生一个向上运动的力将电弧拉长并吹入灭弧罩5中，熄弧角6和静触点连接，其作用是引导电弧和上运动，将热量传递给罩壁，促使电弧熄灭。

由于这种灭弧装置是利用电弧电流本身灭弧，因而电弧电流越大，吹弧的能力也越强。

它广泛应用于直流接触器中。

图9-9磁吹式灭弧装置图9-10灭弧栅灭弧原理

１-铁芯；2-绝缘管；3-吹弧线圈1-静触点；2-短电弧；3-灭弧栅片；

4-导磁颊片；5-灭弧罩；6-熄弧角4-动触点；5-长电弧

2、灭弧栅

灭弧栅灭弧原理如图9-10所示。

灭弧栅片3由许多镀铜薄钢片组成，片间距离为2～3mm，安放在触点上方的灭弧罩内。

一旦发生电弧，电弧周围产生磁场，使导磁的钢片上有涡流产生，将电弧吸入栅片，电弧被栅片分割成许多串联的短电弧，当交流电压过零时电弧自然熄灭，两栅片间必须有150～250V电压，电弧才能重燃。

这样一来，一方面电源电压不足以维持电弧，同时由于栅片的散热作用，电弧自然熄灭后很难重燃。

这是一种常用的交流灭弧装置。

3、灭弧罩

比灭弧栅更为简单的是采用一个用陶土和石棉水泥做的耐高温的灭弧罩，用以降温和隔弧，可用于交流和直流灭弧。

4、多断点灭弧

在交流电路中也可采用桥式触点，如图9-11所示。

有两处断开点，相当于两对电极，若有一处断点要使电弧熄灭后重燃需要150～250V，现有两处断点就需要2×（150～250）V，所以有利于灭弧。

若采用双极或三极触点控制一个电路时，根据需要可灵活地将二个极或三个极串联起来当

图9-11桥式触点

1-动触点；2-静触点；3-电弧

做一个触点使用，这组触点便成为多断点，加强了灭弧效果。

第三节常用控制电器

一、组合开关

图9-12组合开关结构图

图9-12组合开关结构图

图9-12组合开关结构图

组合开关的种类很多，常用的有HZ10系列，其结构如图9-12所示。

它有三对静触片，每个触片的一端固定在绝缘垫板上，另一端伸出盒外，联在接线柱上，以便与电源或负载连接。

三个动触片套在装有手柄的绝缘转动轴上，彼此相差一定角度。

转动手柄就可以将三个触片同时接通或断开。

二、接触器

接触器常用来频繁地接通或断开电动机或其他设备的主电路。

接触器按动作原理可分为电磁式、气动式和液压式。

后两种是特种电器。

电磁式接触器又可分为直流和交流两种。

1、接触器的基本结构和工作原理

从结构上讲，交流接触器和直流接触器都是由触头系统（包括灭弧装置）、电磁机构和释放弹簧三部分组成。

图9-13交流接触器结构示意图

图9-13为交流接触器的结构示意图。

接触器是利用电磁原理通过可动衔铁的运动带动触头通断的。

线圈通电后，吸引衔铁向下运动，带动触头5与触头6闭合，同时触头5与触头7断开。

当线圈断电后，衔铁及动触头在释放弹簧的作用下向上返回原位。

由此可见，接触器有两种基本工作状态。

根据用途不同，接触器的触头分主触头和辅助触头。

前者为常开触头，能通过较大的电流，接在电动机的主电路中。

由于通过的电流大，触头分断时会产生电弧而烧坏触头并拉长切断时间。

因此主触头均设有灭弧装置，如灭弧罩；后者分为常开和常闭两种触头，能通过较小的电流，常接在电动机的控制电路中。

2、接触器的主要技术参数

（1）线圈额定电压：

指接触器吸合线圈的额定工作电压。

（2）额定电流：

指主触头的额定工作电流。

它是在一定条件（额定电压、使用类别、额定工作制和操作频率等）下规定的，保证电器正常工作的电流值。

（3）动作值：

指接触器的吸合线圈电压和释放电压。

一般规定接触器在线圈额定电压85﹪及以上时，应可靠吸合。

释放电压不高于线圈额定电压70﹪。

三、继电器

继电器是传递信号的一种电器，根据输入信号电参数（如电压、电流等）的变化或者非电量参数（温度、压力、速度等）变化，改变输出信号状态（触头的闭合、断开），作用于控制电路，起到控制和保护作用。

继电器的结构是由接受输入信号的感觉元件（又称测量元件）和反应输出信号的执行元件所组成。

继电器的种类很多，按感觉元件的动作原理可分为电磁式、感应式、机械式、双金属片式、电子式、电动式等。

1、电磁式继电器

电磁式继电器由电磁铁和触头组成。

其动作原理与电磁式接触器相似，通过电磁力和反作用力来决定其衔铁的吸合或释放。

与接触器不同的地方是继电器无主、辅触头之分，动作灵敏。

它也有交流和直流之分。

（1）电压继电器：

其电压线圈匝数多、线径细，并联于电路中。

正常电压时，衔铁被吸合。

当电压低于某一整定值或为零时，衔铁被释放。

（2）电流继电器：

其电流线圈匝数少、线径粗，串联于电路中。

当电流达到某一整定值时，衔铁被吸合或释放。

（3）中间继电器：

是将一个输入信号变为一个或多个输出信号的继电器。

其作用是增加触头数量以扩大控制范围：

具有以弱控强的开关信号“放大”能力。

在较复杂的电路中用作程序控制元件。

2、时间继电器

图9-14空气阻尼式时间继电器（a）通电延时（b）断电延时

时间继电器是在电路中控制动作时间的继电器。

它的种类很多，可分为电磁式、电动式、电子式和机械式等。

下边主要介绍几种在船上常用的时间继电器。

（1）空气阻尼电磁式时间继电器

图9-14（a）为通电延时的空气阻尼交流电磁式时间继电器的结构示意图。

它是利用空气阻尼作用而达到动作延时的目的。

工作原理如下：

当线圈1通电后，将衔铁2吸下，使衔铁与活塞杆3之间有一段距离。

在释放弹簧4的作用下，活塞杆向下移动。

在伞形活塞5的表面固定有一层橡皮膜6。

因此当活塞向下移动时，在膜上面造成空气稀薄的空间，活塞受到下面空气的压力，不能迅速下移。

当空气由进气孔7进入时，活塞才逐渐下移。

移动到最后位置时，杠杆8使微动开关9动作。

延时时间即为自线圈通电时刻起到微动开关动作时为止的这段时间。

通过调节螺钉10调节进气孔的大小，就可调节延时时间。

这种通电延时时间继电器有两个延时触头：

一个是延时断开的常闭触头，一个是延时闭合的常开触头。

此外，还有两个瞬时动作触头。

线圈断电时，衔铁在恢复弹簧11的作用下复原。

空气经由出气孔12被迅速排出，各触头恢复原位。

若将图9-14（a）的铁芯倒装一下，就成了如图9-14（b）所示的断电延时继电器。

断电延时继电器线圈通电时各触头立即改变开闭状态，当线圈断电时各触头才延时复原，即常开的延时开，常闭的延时闭。

（2）电动式时间继电器

电动式时间继电器的种类较多。

例如JS-11型多回路时间继电器是由一个控制用同步电动机、六个标盘和几个电触头装置组成。

控制电机通电后，通过减速齿轮组带动标盘旋转，标盘就按事先调整好的时间顺序推动相应的电触头装置，使之断开或闭合，发出不同的控制信号。

（3）电子式时间继电器

由于电子技术的发展，电子式时间继电器应用得越来越广泛。

常用的有阻容式和数字式两种。

图9-15电子式时间继电器

阻容式的电路形式很多，但都是利用具有按指数函数进行充放电的RC电路作定时环节，经过晶体管放大器或触发器带动继电器或晶闸管动作的。

如图9-15所示，为由晶闸管及双基极二极管组成的时间继电器

图中虚线以左为主电路部分，负载是继电器KA的线圈，晶闸管V5在触发脉冲下导通。

虚线以右是触发电路部分，它是由双基极二极管V7组成的弛张振荡器。

当1、2两端接上电源时，晶闸管通过继电器的线圈和桥式整流电路而得到正向电压，同时通过R1对C2充电。

当C2两端电压达到双基极二极管峰点电压时，V7的eb1间电阻突然变小，C2上电压通过b1向R3放电，在R3上产生脉冲，加于V5的控制极使它导通。

于是继电器线圈获电动作，通过其触头输出控制信号。

由交流电源接通到继电器动作的时间便是延时时间。

数字式时间继电器采用计数器式延时电路，由输入的信号频率决定延时的时间。

3、速度继电器

按转速大小传递信号的继电器称为速度继电器。

按其结构的不同分为感应式、离心式等。

感应式速度继电器的结构原理如图9-16所示。

图9-16感应式速度继电器的结构原理图

转轴1与主轴（反映转速的轴）相连，转轴上装有永久磁铁2、圆环3与转轴1同心，并能独立转动，圆环与磁铁之间有一气隙，圆环上镶有鼠笼式绕组4。

当主轴转动时，带动永久磁铁转动，鼠笼环中感应电流，使圆环沿永久磁铁旋转方向转动（与鼠笼式电动机的转动原理相同），从而带动环上固定的胶木摆槌5转动一角度，促使触头7或8（取决于旋转方向）动作。

但圆环的转动力矩很小，当转速较低时，触头在反力弹簧6和胶木摆槌重力作用下恢复原位。

4、热继电器

热继电器是利用电流的热效应而动作的电器。

它主要作用是对电动机实现过载保护，以免电动机因长时间超负荷运行而损坏电机绝缘。

图9-17热继电器

如图9-17所示，双金属片2由热膨胀系数不同的两种金属材料轧压而成。

绕在双金属片上的发热元件1串联在电动机的主回路中，当通过发热元件的电动机电流超过允许值时，使双金属片受热变形向上弯曲而使扣板4脱扣，在拉簧5的作用下，通过连板6将常闭触头7打开。

由于热惯性，热继电器