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第一章 船舶常用电器 第二章 船舶电力拖动基本控制 第三章 船舶重要辅机的自动控制 第四章 甲板机械的电力拖动及自动控制 第五章 船舶舵机的电力拖动及自动控制 第六章 船舶电力系统 第七章 船舶同步发电机参数调节及运行控制 第八章 船舶电站自动化 第九章 船舶照明与通讯 第十章 机舱集中监视与报警系统 第十一章 船舶安全用电和安全管理 第十二章 船舶电气管理职责第一章 船舶常用电器1-1 电器基本知识现代商船大多采用内燃机作为主推进动力装置,所配备的绝大多数机械都采用电力拖动方式进行工作。其电能供给由独立的船舶电力系统予以实现。为了满足船舶正常运营的需要,该系统必须具备供电、配电、控制与保护等功能。因此,船舶电力系统是一个电气线路十分复杂的系统。任何复杂的电气线路都是由一些基本的单元电路组合而成,而基本单元电路又均为若干功能不同的电器元件的组合。所以,了解各类电器元件的结构、功能及工作原理,是掌握一个控制线路乃至一个系统工作原理的必然要求。所谓电器,即是根据外界的电信号或非电信号自动或手动地实现电路的接通、断开、控制、保护与调节的电路元件。简言之,电器就是电的控制元件。电力系统中所使用的电器,种类、数目非常之多,下面就扼要介绍一下它们的分类方法及相应类型。1.按工作电压分类1)高压电器交流大于1200V,直流大于1500V的电器。2)低压电器交流小于1200V,直流小于1500V的电器。船舶电力系统中常用电器均为低压电器。 2.按用途分类1)控制电器用于各种电气传动系统中,对电路及系统进行控制的电器。如接触器,各种控制继电器等。2)保护电器 用于电力系统中,对发电机电网与用电设备进行保护的电器。如:熔断器、热继电器等。3)主令电器 在电器控制系统中,发出指令,改变系统工作状态的电器。如:按钮、主令控制器等。4)执行电器 接受电信号以实现某种功能或完成某种动作的电器。如:电磁铁、制动器等。3.按动作方式分类1)手动控制电器依靠人工操作进行动作而执行指令的电器。如:按钮、转换开关等。2)自动控制电器感受电或非电信号,自动动作而执行指令的电器。如:接触器、继电器等。4.按工作原理分类1)电磁式电器利用电磁感应原理进行动作的电器。如:交、直流接触器和各种电磁式继电器等。2)非电量控制电器感受非电信号进行动作的电器。如:行程开关、速度继电器和压力、温度继电器等。 5.按执行元件分类1)有触点电器通过触头的接触与分离而通断电路的电器。如:刀开关、继电器等。2)无触点电器通过电子电路发出检测信号而实现(执行相应指令或通断电路)功能的电器。如:电子接近开关、晶闸管式时间继电器等。1-2 常用控制电器在本节中,我们将讲述在继电器一接触器控制系统中经常使用的各类主令电器及继电器、接触器等控制电器,以作为最终了解船舶电力系统的基础。一、主令电器主令电器为切换控制线路的单极或多极小电流开关电器,其触头容量小,不能用于主电路,而是用于控制电路控制其他电器的工作状态。主令电器发出指令改变其他电器的电磁线圈的得失电状态,以切换线路而改变被控装置的工作状态从而实现对系统的自动控制。主令电器应用广泛,种类繁多,主要包括按钮、万能转换开关、行程开关、主令控制器、接近开关等。1.按钮在控制电路中,按钮通过控制接触器、继电器等来通断电路而实现对电动机或其他电气设备的远距离控制。其外形见图1-la),结构见图1-lb),主要由按钮帽、复位弹簧、指式动触头、静触头与外壳等组成。工作原理为当按钮被按下时,其上面一对动断(常闭)触头先断开,然后接通下面一对动合(常开)触头,释放后,在复位弹簧作用下,按钮复原。其电路符号见图1-1c)。 图1-1按钮a)外形；b)结构；c)电路符号按钮通常有单式、复式或双联式、三联式。其触头数量一般为二常闭、二常开,亦可根据需要拼装为从一常闭、一常开至六常闭、六常开不等。其结构型式根据使用场合不同可分为安装式、防护式、防水式、防腐式和钥匙式等。为便于识别,避免误操作,通常采用不同颜色的按钮帽来区别起动、停止按钮。其中,绿色用于起动按钮,红色用于停止按钮。2.万能转换开关万能转换开关亦称多路多极开关,为一种多触头多位置式可以控制多个电气回路通断状态的主令开关。作为不作频繁操作的手动电器,万能转换开关一般用于各种配电装置的远距离控制和电气测量,如作为电压表、电流表的换相开关。图1-2a)为一种万能转换开关的外形图。转换开关由触头系统、操作机构、转轴、手柄、齿轮啮合机构等部件组成,用螺栓组装成一体。根据不同的使用要求,其触头系统可以从1档增至16档,每档内有两对触头,每对触头的通断规律取决于各相应凸轮的线型。如图12b)所示的触头闭合表表示了各触头的闭合规律。表中的“X”表示开关手柄在该位置时,该触头为闭合状态。转换开关的操作方式为自复位式和定位式两种:自复位式转换开关当人手离开手柄时,可自动回复原位;定位式转换开关则每隔或有一个定位。常见的船用万能转换开关有LW-92型、LW-95型等。图12万能转换开关 a)外形图； b)开关位置图 3.行程开关 行程开关又称限位开关,是一种根据行程位置实现线路切换的主令电器。其基本原理即是利用机械运动部件的碰撞或接近来控制触头动作而使电路通断。通过将机械(位移)信号转换为电信号而实现了对机械的运动方向、行程大小的控制和位置保护。在船上,行程开关常用作舵机、升降机等的限位开关。 行程开关种类很多,按结构可分为直动式、转动式和微动式;按复位方式可分为自动复位和非自动复位;按触头性质可分为有触点式和无触点式。1)直动式行程开关 图1-3行程开关直动式行程开关又称按钮式行程开关,其外形见 a)外形图 ;b)原理图图1-3a),其工作原理与按钮类似,见图1-3b),不同 1-顶杆;2-弹簧;3-触头弹簧;之处是触头通断状态的改变是通过机械运动部件上 4-常闭触头5-常开触头的挡块的碰撞而使推杆动作来实现的。直动式行程开关结构简单,成本较低。但其触头分合速度取决于挡块移动速度。若此速度过低,则触头不能瞬间断开,断弧困难而易使触头为电弧灼伤。为克服此缺陷,应采用转动式或微动式开关。2)转动式行程开关转动式行程开关又称转臂式或滚轮式行程开关,可分为单轮旋转式和双轮旋转式,其外形见图l-4a)、b)。单轮旋转式行程开关可以自动复位,而双轮旋转式不能自动复位。单轮旋转式行程开关采用了瞬时动作的滚轮旋转式机构,其工作原理见图1-5。当运动机械的挡块自右向左推动转臂时,上转臂绕中心支点向左转动,盘形弹簧带动下转臂右转而使得滑轮向右滚动,此时压缩弹簧被压缩储能,当下转臂转过中点而推动压板时,触点推杆在压缩弹簧作用下顺时针瞬时转动,从而使触头分合。挡块离开滚轮后,触头在恢复弹簧作用下复原。由此可知,由于盘形弹簧的作用,触头的分合为瞬间完成,而不取决于挡块的运动速度从而避免了其为电弧灼伤的危险。3)微动开关微动开关采用了弯形片状弹簧瞬时机构,当推杆被压下时,簧片变形储能并产生位移,当其形变至某一临界值时,势能将转化为动能,簧片与动触头间产生瞬间跳动从而改变触头状态。若推杆压力减小,由于恢复弹簧的作用,簧片将反向跳动从而使触头状态复原。由此可知,由于簧片的作用而使触头分合亦为瞬间完成,而与挡块运动速度无关,从而同样避免了触头为电弧灼伤的危害。图1-4 旋转式行程开关 图1-5 原理图a)单轮; b)双轮4.主令控制器主令控制器为一种多位置多回路的主令电器,用于操作频繁且要求有多种控制状态,尤其是有明确的方向性要求的场合,如货机、锚机等的控制。其外形见图1-6a)。主令控制器通常与接触器、继电器配合工作。采用桥式触头。其结构见图1-6b)。凸轮固定于方轴上,数目一般不超过12片。方轴上装有手柄用于手动操纵。桥式动触头装于转臂上,静触头装于绝缘板上。其工作原理为转动操作手柄时,方轴带动凸轮一起转动,当转臂上的滚轮位于凸轮凹处时,由于弹簧的作用,转臂使动触头与静触头闭合;反之,当凸轮转至其凸缘与滚轮接触的位置时,滚轮将被顶开,同时克服弹簧张力带动转臂向外张开从而使动、静触头分开而使受控回路断开;凸轮转至其他位置,动、静触头为闭合状态。由此可知,各对触头通断次序取决于相应凸轮线型。 图16 主令控制器a)外形；b)结构；c)电路符号；d)触头接通表1-方轴;2-凸轮;3-动触头;4-静触头;5-弹簧;6-滚轮;7-转臂;8-底座;9-罩壳;10-手柄;11-轴;12-接线柱 图16c)为主令控制器的电路符号与触头通断表。其中水平实线为受控支路,垂直虚线为主令控制器的手柄档位,左右各有3档,中间为零位。当手柄处于某档位时,各支路下方该档位处有黑点者表示此时该支路为接通状态,否则为断开状态。主令控制器的触头通断状态亦可用如图16d)所示的表格予以表示。表中SAlSA8为触头编号,正转和反转表示手柄从中间“O”位向相反两个方向各有4个档位。表中“”表示触头闭合,空格表示触头断开。船舶常用的主令控制器有LK911、LK913等型号。二、熔断器 熔断器为一种最常用、最简单的保护电器,主要用作短路保护和严重过载保护。其主要组成部分为熔体(保险丝)和安装熔体的熔管(熔座),熔管兼起灭弧作用。作为核心部件的熔体串联在被保护电路或设备的前面,当电路或设备发生短路或严重过载时,所产生的电流将使熔体熔化而分断电路从而起到保护作用。 熔断器的性能取决于熔体材料。根据(熔体材料)热惯性的不同,一般可分为三种类型:缓熔型,采用铅、锡等低熔点材料,热惯性较大,作成丝或片状,因熄弧困难,常用于小电流电路;中熔型,熔体采用锌、铝等材料,热惯性较小;速熔型,熔体采用铜、银等高熔点材料,热惯性极小,制成丝状,因熄弧较易,一般用于大电流电路。 熔体的熔断性能用其保护特性予以表征。所谓保护特性,即是熔断器熔体熔断所需时间与通过熔断器的工作电流之间的关系,又称为安秒特性,其曲线见图1-7。由图可知,该特性具有反时限特征,即当工作电流超过熔体额定电流时,工作电流越大,熔体熔断时间越短。其中熔体额定电流是指允许长期通过熔体而不熔断的电流。在实际工作中,为了确保对电路和用电设备的可靠保护,正确选择熔断器是非常重要的。熔断器的选择主要是对熔体的选择,主要参数是额定电流。基本原则为:根据负载和熔体材料进行选择。要求既能在短路或严重过载等故障状态下迅速、可靠熔断又不会影响电路和用电设备的正常工作如电动机的起动等。一般要求如下:1.保护无起动过程的平稳负载(如照明、线路电热器件等) 2.保护电动机1)轻载起动电动机Is/(2.53)2)重载起动电动机Is (1.62.O)3)多台电动机(1.52.5)十式中: 一熔体额定电流; 支路上所有负载工作电流之和; 电动机起动电流; 容量最大的电动机额定电流; 其余电动机额定电流之和。熔体选定后,即可选择熔断器(熔管)。其原则如下:(1)熔座额定电压线路工作电压;(2)熔座额定电流熔体额定电流。熔断器种类很多,常用的有螺旋式、管式等。其中管式又分无填料式和有填料式两种。其填料一般采用石英砂等材料以增强灭弧能力。其各自外形与结构分别见图1-81-11。图1-7 熔断器工作特性曲线 图18 瓷插式 图1-9 螺旋式熔断器 图1-10 无填料封闭管式熔断器结构图图111 有填料封闭管式熔断器 a、b)整体结构；c)工作熔体三、接融器接触器为一种利用电磁吸力的作用远距离频繁通断大电流电路(即主电路)的开关电器。其基本工作原理如图1-12所示。当吸引线圈通电时磁路中产生磁通,当由此而产生的电磁吸力大于反力弹簧等的反力时,衔铁吸合而使触头通断状态改变;当吸引线圈失电时,电磁吸力小于反作用力,衔铁释放而使触头状态复原。由此,通过对小功率电磁线圈得失电的控制使其触头通断状态相应改变即可实现对大功率主电路的通断控制。 接触器按触头控制的电流种类可分为直流接触器和交流接触器。其外形与结构分别如图1-13a)、b)所示,主要由触头系统、灭弧装置、电磁机构及其他辅助部件组成。1.触头系统触头系统主要由动触头、静触头、触头弹簧及支架等部件组成。其中作为通断电路的执行元件的触头根据用途可分为主触头和辅助触头。主触头用于主电路中以通断较大的负载电流;辅助触头用于控制电路中以通断较小的信号电流。当吸引线圈失电,衔铁未吸合时处于断开状态,而当吸引线圈得电时处于闭合状态的触头称为常开(动合)触头;反之则称为常闭(动断)触头。主触头一般为三极,亦可制成单极、双极、四极或五极,多 图1-12交流接触器原理为常开触头；辅助触头根据需要采用常开或常闭触头。如图1-14 所示。 为了满足工作需要,接触器的触头结构有多种型式,包括双断点桥式结构和单断点指式结构,如图1l5a)、b)所示。其中双断点桥式触头易灭弧,交流接触器常用;单断点指式触头在通断过程中为滚动接触,可自动清洁触点表面的氧化膜与污物,使接触良好,多用于通断较频繁和较大电流的电路当中,直流接触器常用。触头弹簧的作用是在动、静触头间产生必要的接触压力以使触头闭合时接触紧密而减少触头间的接触电阻和触头通断时产生的跳动。2.灭弧装置在接触器触头断开电路时,若电路电压超过1012V,电流超过80100mA,则动、静触头间将有“电弧”产生。电弧实质上为一种空气放电现象,即空气中大量带电粒子的定向运动。在触头断开瞬间,动、静触头间间隙很小,其压降接近电源电压,电场强度很大,阴极中自由电子逸出至气隙中。图1-13 接触器外形与结构a)交流接触器; b)直流接触器 图1-15 交流接触器的触头 a) 桥形 b) 指形图1-14 符号 1-动触头；2-静触头；3-触头弹簧；4-支架并向阳极加速运动。由于撞击电离,热电子发射和热游离,在动、静触头间产生的电子流不断增强直至形成电弧。电弧温度很高,可使触头受到烧灼,同时亦使电路切断时间延长从而对电气设备的安全运行和人身安全造成危害。为了提高接触器的可靠性,延长使用寿命,须采用灭弧装置以确保触头断开时电弧可靠熄灭。1)灭弧栅如图1-16a)、b)所示,灭弧栅由多片镀铜薄钢片(方口形、尖口形或矩形)组成并按一定间距(2-3mm)插装在触头上方的陶瓷灭弧罩内。当触头断开产生电弧时,电弧周围产生磁场,由于钢片导磁率较大,电弧在电磁力和热空气流的作用下迅速进人灭弧罩内,并被相互绝缘的栅片分割成若干段短电弧。由于栅片的散热作用,这些短电弧被周围介质迅速冷却。另外,维持一段电弧需要一定的电压,而这些短电弧增加了整个电弧压降,使电源电压不足以维持电弧燃烧而使电弧迅速熄灭。灭弧栅常用于交流接触器中,因为交流电过零后电弧不易重燃。2)磁吹式灭弧装置如图1-17所示,在触头电路中串接一只吹弧线圈,其所产生的磁通通过导磁颊片引向触点周围,其方向如“x”号所示,电弧产生的磁通方向如“”、“”号所示。因此电弧在电磁力作用下向上运动,并被拉长进入灭弧罩内。灭弧角与静触头相连接,引导电弧拖长扩散把热量传递给罩壁,使电弧迅速冷却而熄灭。由于磁吹力与电流的平方成正比,电弧电流越大,吹弧能力越强,因此该方法广泛用于中、大容量接触器中。在断开小电流时,因吹力减小而使灭弧困难。图116灭弧棚灭弧原理 图117 磁吹式灭弧装置a)栅片灭弧原理；b)电弧进人栅片的图形 l-铁心；2-绝缘管；3-吹弧线圈；4-导磁片；1-静触头；2-动触头；3-灭弧栅片； 5-灭弧罩；6-灭弧角4-长电弧；5-短电弧直流接触器广泛采用此种灭弧装置。3.电磁机构接触器的电磁机构用于控制触头的通断,主要由吸引线圈、铁芯、衔铁及反力弹簧等部件组成。交流接触器和直流接触器的电磁机构有所不同,下面分别予以介绍。1)交流接触器交流接触器的吸引线圈为一只交流电压线圈,交流阻抗较大,线圈匝数较少,线径较粗。其铁芯与衔铁为硅钢片叠成以减小铁损。接触器电磁机构的电磁吸力F随气隙的变化规律称为接触器的吸力特性。其线圈电流I随气隙的变化规律称为接触器的电流特性。交流接触器属于“恒磁链”系统(=常数,N为线圈匝数),其电磁吸力()与气隙大小无关,于衔铁吸合前后保持不变,其吸力特性曲线如图1-18a)所示。交流接触器的线圈电流I与气隙成正比(， 图1-18 电磁机构吸力特性 a)直流电磁机构的吸力特性； b)交流电磁机构的吸力特性为磁路磁阻),在线圈刚通电,衔铁尚未吸合的瞬间,电流很大,而吸合后,电流自动降至额定值。其电流特性曲线如图1-18a)所示。由此可知,对于交流接触器,当衔铁卡住不能吸合或吸合不紧密以及操作频率过高时,都会使线圈发热甚至烧坏。因为交流线圈直流电阻很小,若接入直流电,亦会因电流过大而烧坏。如图1-19a)所示,交流接触器的铁芯上均装有一个铜制的短路环(分磁环)以消除工作时的振动与噪声。 图119交流接触器铁芯的短路环 a)结构图； b)电磁吸力图单相交流电的磁通是交变的,频率为(为电源频率),其所产生的电磁吸力也是交变的,频率为2。在一个周期内,磁通两次过零时,吸力也为零,衔铁在反作用力下开始释放;随后,吸力渐增,直至大于反力时,衔铁开始吸合,由此,衔铁将以2的频率频繁动作即“抖动”而产生强烈振动和噪声,产生电弧而烧灼触头,使线圈发热,触头接触不良甚至使铁芯松散。消除这一现象的方法即是加装短路环。如图1-19a)所示,当交变磁通穿过短路环内截面时,在环中产生涡流。根据电磁感应定律,截面中磁通在相位上将滞后于截面中磁通。、所产生的电磁吸力如图1-19b)所示,即电磁吸力将始终大于释放反力,从而消除了“抖动现象。 图1-20 转动合式电磁机构2)直流接触器直流接触器电磁机构一般采用拍合式机构,如图120所示,直流接触器的吸引线圈为一只直流电压线圈,匝数较多,线径较细。其铁芯和衔铁用整块钢制成。直流接触器属于“恒磁势”系统(济:常数),其线圈电流I与气隙无关,在衔铁吸合过程保持不变。其电流特性曲线如图1-18b)所示。由于“恒磁势”系统的磁通与气隙成反比(),因此,直流接触器的电磁吸力F与气隙的平方成反比()。如图118b)所示。故直流接触器在衔铁吸合前后电磁吸力由小至大变化很大。为了减小吸引线圈由此而产生的功耗和发热量,一般在衔铁吸合后,在线圈电路中串人经济电阻以减小线圈电流。4.接触器的调整方法接触器衔铁所受到的吸力大于反力时吸合;反之则释放。衔铁的反力包括:反力弹簧的反作用力、可动部件的重力与摩擦力、触头闭合后触头弹簧的反作用力。接触器(包括继电器)动作的灵敏性用返回系数予以表征,其定义式为: 式中: -使衔铁可靠吸合的最小输人量,简称动作值(吸合值); -使衔铁可靠释放的最大输人量,简称释放值。显然, 1,且越大,表明电磁机构动作越灵敏。接触器动作值和释放值的整定通过反力弹簧预紧力(细调)、非磁性垫片厚度及气隙大小的调整予以实现。若非磁性垫片厚度增加，则衔铁闭合后气隙增大,从而提高,但不变,所以返回系数增大。若衔铁释放后气隙增大,则增大, 不变,所以减小。若反力弹簧预紧力增大,则接触器的动作值和释放值增大量相同。5.接触器的维护接触器的工作可靠性和使用寿命在很大程度上取决于对接触器的维护保养。日常维护工作主要有下列几点:1)定期检查接触器线圈的电源电压,并调整其在一定范围内；2)定期以干燥的压缩空气吹净接触器上的积尘；3)定期检查各紧固件是否松动。若导电零件上有氧化膜,应用细锉锉去,不宜用砂纸或砂布擦拭；4)通电运行前,应用手检查运动件是否运动灵活,定期于轴中注人润滑油；5)定期检查触头压力、开距、超行程,使之符合规定；6)定期检查线圈温升是否超值,用摇表检查线圈绝缘电阻,若小于O.5,应立刻处理；7)定期检查灭弧室以防短路。四、继电器继电器为一种根据某种特定信号的变化来控制小电流电路(控制电路)的通断状态以实现对电力拖动设备和系统的自动控制与保护的电器。其输人信号可以是电信号(如电流、电压等),亦可以是非电信号(如时间、温度、速度、压力等)。按照不同的分类方法,继电器可分为多种类型:1按输人信号分：电压继电器、电流继电器、时间继电器、速度继电器等；2按动作原理分：电磁式继电器、感应式继电器、电子式继电器、热继电器等；3按动作时间分：快速继电器(O.m5O.O5s)、瞬时继电器(O.05O.l5s)、延时继电器等；4按执行环节分：有触点继电器、无触点继电器等；5按用途分：控制用继电器、保护用继电器。下面就船舶电气系统中常用的电磁式继电器、时间继电器、热继电器及速度继电器作一个简要介绍。1）电磁式继电器电磁式继电器的结构与工作原理类似于接触器。不同之处只是没有装设灭弧装置(因其触头容量小)。根据吸引线圈的电流种类,电磁式继电器亦分为交流继电器与直流继电器。其中交流继电器的铁芯为硅钢片叠成,磁极端面装有短路环,而直流继电器的铁芯为整块钢制成,也不装设短路环。常用的电磁式继电器包括电流继电器、电压继电器、中间继电器等。(1)电流继电器电流继电器为保护继电器的一种,包括过电流继电器和欠电流继电器。其中过电流继电器主要用于对电动机负载过大引起的过电流进行保护,采用电流线圈并串接于主电路中。当电动机正常工作时,其线圈电流为正常工作电流,衔铁不动作,当出现短路或过载现象,流过其线圈的主电路电流增大至其动作电流整定值时,衔铁吸合,触头动作改变控制电路通断状态,从而实现对主电路的过流保护。电流继电器的线圈匝数少,线径粗,直流电阻小。(2)电压继电器电压继电器亦为保护继电器的一种,采用电压线圈并与电源并联。其线圈匝数多、线径细、阻抗大。电压继电器有过电压继电器与欠(零)电压继电器,分别实现对电路的过电压与欠 (零)电压保护。对于过电压继电器,当线路电压为正常工作电压时,衔铁释放,当线路电压增大至其动作值时,衔铁吸合,其常闭触头断开,实现对电气设备的过电压保护;对于欠(零)电压继电器,当线路电压为正常工作电压时,衔铁吸合。当电源电压低于释放值时,衔铁释放,触头复位,断开控制电路,实现对电气设备的欠(零)电压保护。(3)中间继电器中间继电器为将一个输人信号变为一个或多个输出信号的继电器,为控制继电器的一种。其实质是一种电压继电器。其触头容量较大,数目较多,因此扩大了控制范围,增大了控制功率,在复杂电路中常用作程序控制元件。中间继电器触头无主辅之分,所允许通过的电流大小相同。其触头容量较接触器要小。根据电磁原理,装有交流电压线圈的继电器属恒磁链系统,装有交流电流线圈或直流(电流或电压)线圈的继电器属“恒磁势”系统。其各自的吸力特性曲线与电流特性曲线见图1-18a)b)。继电器的吸合值,释放值及返回系数的定义同接触器。普通继电器的返回系数在0.10.4之间,某些灵敏继电器的返回系数较高,可达O.8。电磁式继电器的吸合值与释放值的整定方法也和接触器相同,详见接触器内容。2. 时间继电器时间继电器为一种接受输入信号后触头延时动作的控制继电器,主要用于时序控制电路。其类型很多,主要有电磁式、空气阻尼式、电动式、钟摆式、电子式等。(l)空气阻尼式时间继电器空气阻尼式时间继电器又称气囊式时间继电器,主要由电磁机构、工作触头(微动开关)、气室和传动机构等组成。其外形与结构如图1-21a)、b)所示。根据工作原理,空气阻尼式时间继电器分为通电延时与断电延时两种类型,其电路符号如图1-22b)所示。如图1-22a)所示为通电延时型的空气阻尼式时间继电器工作原理图。线圈通电时,衔铁吸合,带动上部微动开关瞬时动作,由于反力弹簧的作用和进气孔的节流作用,橡皮膜连同活塞杆虽开始上移,但动作缓慢,如此经过一段时间后方移动到位并带动杠杆压动下部微动开关,使其触头动作而实现了延时功能。线圈断电时,在衔铁的重力和拉紧弹簧的弹力作用下,活塞杆连同膜片下移,由于膜片下方空气经出气孔迅速释放,使得活塞杆经杠杆带动微动开关瞬时动作,触点迅速复位,不延时。 图1-21 JS7-A系列时间继电器外形及结构图 a)外形； b)结构调整调节螺钉改变进气孔的开度可整定延时时间,整定范围为0.4180s。 图1-22 空气阻尼式时间继电器 a)空气阻尼式时间继电器原理结构; b)时间继电器电路符号(2)电磁式时间继电器电磁式时间继电器有交、直流之分,如图1-23所示为直流电磁式时间继电器结构原理图。线圈通电后衔铁迅速吸合,触头瞬时动作,不延时。线圈断电时,主磁通减小,而加装于铁芯上的阻尼环(铜质或铝质)中因此而产生的感生电势与电流所产生的磁场将阻碍主磁通的变化,因此主磁通将逐渐衰减使触头滞后动作从而实现延时功能。另外还可不设阻尼环,而于线圈断电时将其两端短接,根据电磁感应原理,同样可实现延时功能。3. 热继电器热继电器为保护继电器的一种，根据电流的热累积效应而动作，常用于交流电动机的过载保护。其外形与结构见图1-24热继电器主要由热元件、触头、动作机构、复位按钮和电流整定装置等5部分组成。其中热元件目前应用最广泛的为双金属片，如图1-25所示。它为两种线胀系数不同 图1-23 直流电磁式时间继电器的金属片牢固轧焊而成。线胀系数大者称主动层，小者为被动层。当其受热时，由线胀原理，双金属片将向被动层一侧弯曲，其在热继电器中的应用如图1-26a) 热继电器工作原理图所示。当发生过载时,电路电流过大,温升超限,此时,接人主电路中的双金属片受热弯曲,并推动导板经温度补偿双金属片和推杆使接人控制电路中的触头状态改变,而实现了控制电路的通断控制,从而使主电路中的负载得到保护。热继电器动作后,须经过一段时间待双金属片冷却后再行手动或自动复位,而不能马上复位。热继电器的电路符号如图1-26b)所示。热继电器的动作值与环境温 图1-24 热继电器外形结构度有关,当环境发生变化时,热元件产 a)热继电器的外形；b)热继电器的结构生零点漂移,导致热继电器的动作时间出现偏差。而补偿双金属片的设置由于其与热元件的材质相同,电流的热效应相同,以致动作具有同步性而消除了这一误差。对于定子绕组为“Y”接法的电动机,若单相断电另两相过载,则使用普通的两相热继电器或无断相保护的三相热继电器均可实现过载保护。而对于定子绕组为“”接法的电动机,若单相断电,另两相过载则 图1-25 双金属片必须使用带断相保护的热继电器方可实现过载保护。热继电器的电流与动作时间的关系称为热继电器的工作特性,也称安秒特性,其曲线如图127所示。显然,此特性具有反时限特征。热继电器不能用作短路保护,在线路中不能取代熔断器。 图1-26 热继电器 a) 系列热继电器结构原理； b) 电路符号 图1-27热继电器工作特性曲线4. 速度继电器速度继电器为控制继电器的一种。它以转速作为输入信号来改变触头状态而实现对电路的通断控制。其外形与结构见图128a)、b)。速度继电器的工作原理如图128b)所示,转轴与主令轴(电动机轴)相连,转轴上装有永久磁铁,装有鼠笼式绕组的定子与轴同心且能独立偏转一角度。电动机旋转带动永久磁铁一起转动,与鼠笼式异步电动机原理相同,定子绕组切割磁通所产生的感生电流受永久磁铁磁场的作用产生转矩使定子按轴旋转方向偏摆,带动定子柄偏转一定角度使触头动作。当转速降至约lOOr/min时,触头在弹簧反力作用下复位。速度继电器电路符号如图1-29所示。五、电磁制动器 图1-28 速度继电器电磁制动器是将电磁力矩转变 a)外形；b)速度继电器结构原理图为机械力矩以实现电动机停车时的 1-电动机轴2-转子3-定子4-绕组5-定子柄机械制动的一种电器。常用的有 6-静触点7-动触点8-簧片圆盘式电磁制动器和抱闸式电磁制动器。1.圆盘式电磁制动器圆盘式电磁制动器结构如图1-30所示。其工作原理如下:电动机运转时,电磁刹车线圈通电产生吸力,克服弹簧力将静摩擦片(衔铁)吸住,使其与装于电动机轴端的动摩擦片脱开,电动机自由旋转。如图132b)所示。 图130 圆盘式电磁制动器图129电路符号 a)松闸时; b)制动时停车时,刹车线圈失电,静摩擦片被反作用弹簧压紧到动摩擦片上,产生摩擦力矩而使电动机制动停转。如图1-30b)所示。调整制动器外壳上的螺栓,即可调节反作用弹簧制动力矩。应保证螺栓均匀调整,以消除摩擦片歪斜、气隙不匀而产生的振动大、噪声大的现象。圆盘式电磁制动器工作时静、动摩擦片间的间隙通常为26mm。间隙过小,松闸时静、动摩擦片之间易擦碰;间隙过大则制动时易产生较大的机械碰撞。2.抱闸式电磁制动器抱闸式电磁制动器又称电磁抱闸,其结构如图1-31所示。它主要由包括铁芯、衔铁和线圈的制动电磁铁以及包括闸轮、闸瓦、杠杆和弹簧的闸瓦制动器组成,闸轮与电动机装于同一转轴上。工作原理为:电动机正常运转时,线圈通电,衔铁吸合,克服弹簧反力使制动杠杆向外侧运动,而使闸瓦离开闸轮,保证电机自由转动;停车时,线圈断电,衔铁释放,在反力弹簧作用下杠杆复位,闸瓦抱紧闸轮,使电机迅速制动停转。图1-31抱闸式电磁制动器l-线圈；2-铁芯；3-弹簧；4-闸轮；5-杠杆；6-闸瓦； 7-轴第二章 船舶电力拖动基本控制通常，一个生产机械装置是由原动机、传动机构、工作机构和控制设备等所组成，它构成一个完整的拖动系统。利用电动机作为原动机的生产机械装置，称为电力拖动系统。本章主要内容包括电力拖动的基本概念、电力拖动系统的调速和制动等的基本原理和方法。2-1电力拖动的基本概念一、电力拖动系统的运动方程最简单的电力拖动系统是电动机的轴与生产机械的工作机构直接相联，如泵、通风机等，被称为单轴电力拖动系统。若设定某一方向为电动机的正值转速方向(n0或0)，并取与正转速方向一致的电磁转矩为正值电磁转矩(T0)，与正转速方向相反的负载转矩为正值负载转矩(0)，则这种简单拖动系统的运动规律可用如下的运动方程来描述，即 （21 ）上式中,机械角速度=2n/ 60， J（Kg）为系统转动惯量，GD2N为系统的飞轮矩,这两者之间的关系为J=G/4g，并且取重力加速度常数g=9.81m/。许多实际的电力拖动系统，电动机是经传动机构与工作机械相联的，如图21（a）所示为有两级减速的三轴系统。其中每根轴的转速、转矩和飞轮矩都不相同。但这样一个多轴系统可折算为一个等效的单轴系统(图21b)。 图21多轴电力拖动系统简化为等敕的单轴系统根据功率平衡可进行转矩的等效折算。当忽略传动机构的损耗时，电动机轴上的功率应等于最后一级工作机构的功率。因此电动机轴上的等效负载转矩与工作机构的实际负载转矩的关系为根据系统储存的总动能不变的原则可进行等效飞轮矩的折算。电动机轴上总的等效动能应等于各轴的动能之和，对于图示系统的单轴等效动能为 从而可得折算到电动机轴上的单轴等效飞轮矩为以上的折算仅为了表明一个多轴拖动系统可以简化为一个等效的单轴系统，式2-1中的和都理解为折算到电动机轴上的量。运动方程表明：电动机所产生的电磁转矩T除用于克服稳态负载转矩外，还要平衡系统加速或减速时所产生的动态惯性阻转矩()，所以系统的运动状态是由电动机的电磁转矩和负载转矩共同决定的。当T=时,dn/ dt=0,系统以不变的转速稳定运行。只要T，则dn/ dt0,从而使系统处于加速或减速的变化状态。一个能稳定运行的电力拖动系统,受到短暂的扰动后，其加速或减速的动态变化过程是短暂的，最终总能达到T=的稳定运行条件。假如一个系统受到短暂的扰动后不能恢复到稳定的平衡运行条件,则该系统就不能稳定的运行。系统能否稳定运行与电动机和负载的机械特性有关。二、负载的机械特性负载的机械特性是指负载转矩与转速之间的关系特性。不同的生产机械有不同的机械特性，根据转矩随转速变化的情况，概括起来大致可归纳为恒转矩和变转矩两类。1恒转矩负载特性1) 反抗性恒转矩负载机械特性：负载转矩的作用方向总是与运动方向相反，始终是阻碍运动的。当运动方向改变时，负载阻转矩方向也随之改变,具有这种转矩特性的负载称为反抗性负载。如果这种负载转矩绝对值大小不随转速而变，则为反抗性恒转矩负载，如皮带传送、机床刀架的平移、行走机构等，以及由摩擦力产生的转矩均具有这种特性。按照在系统运动方程中所采用的转矩和转速的正值方向，反抗性恒转矩负载的机械特性曲线可表示在直角坐标图中的第1和第3象限中，如图22所示。图22 反抗性恒转矩负髋的机械特性 图23 位能性恒转矩负载的机械特性2) 位能性恒转矩负载机械特性：负载转矩是受重力作用而产生的，其负载转矩的大小和作用方向始终保持不变，不受转速大小和转动方向的影响。其机械特性曲线应在第1和第4象限内,如图23所示。起重机械提升和下放重物时的负载转矩就是这种特性。2变转矩负栽机械特性1）通风机型负载机械特性：通风机、离心泵和螺旋桨等，其转矩与转速的平方成正比，其转矩特性曲线如图24的曲线1所示。2) 恒功率型负载机械特性：转矩与转速成反比，而两者之积(功率)近似保持不变。如金属切削机床，刀的切削力不变，随着刀向切削端面的中心移动，其阻转矩减小而转速升高。这种负载机械特性曲线如图24曲线2所示。图24 变转矩负载机械特性 图25 含摩擦转矩的位能性负载的机械特性上述各种负载机械特性是从各种实际负载中概括出来的典型特性。而实际负载的机械特性可能是以某种典型特性为主,或是具有某几种典型特性的综合。例如船舶起货机，它的多级传动机构是反抗性摩擦转矩，因此当起升重物时电动机的负载阻转矩是位能转矩与反抗转矩之和，而下放重物时则是两者之差，故其实际的负载机械特性如图25中的实线所示。但起落空钩时则主要是摩擦转矩。三、系统运行的稳定性为便于电力拖动系统运动状态的分析,通常是把电动机的机械特性与负载的机械特性画在同一坐标平面上，如图26中曲线1和3分别为三相异步电动机额定电压和降低电压时的机械特性，曲线2是它所拖动的恒转矩负载的机械特性。根据这些特性曲线并结合运动方程 (式21)对系统的运行状态及其稳定性进行分析。系统稳定工作点都是两特性曲线的交点（),但两曲线的交点不一定都是稳定工作点。当系统受到诸如电压的波动，负载的变化等扰动时,将引起系统转速的变化。若转速升高所引起的电动机转矩小于负载阻转矩，或减速引起电动机转矩大于负载阻转矩,其作用都是力图阻止转速的偏离,因而扰动消逝后它将能够恢复到原平衡点,这是稳定工作点。如果两转矩的变化与上述的相反，则将促使转速进一步偏离,这种交点为不稳定工作点。如图中的曲线2和3的交点,若扰动引起瞬时减速（），则曲线上的电磁转矩小于曲线的负载转矩，从而使得系统进一 图6 电力拖动系统稳定工作点步减速，直到停车。若是引起瞬时加速(), 则使系统进一步加速,直到稳定的交点C，所以点为不稳定工作点。对恒转矩负载，异步电动机特性曲线临界转差率以下的部分，为不稳定工作区。22 电气线路的图示法一、控制线路中电器和元件的图形符号和文字符号继电接触器控制系统由各种继电器、接触器、按钮、开关、其他电器及电机组成。每个电器又包含若干个元件,如主触头、辅助触头、线圈等。将有关元件用导线接成一定的电气线路，便组成了一个控制系统。为分析、设计和维护时阅图方便,国家统一规定了电工系统图形符号和文字符号来表示各种电工元器件。本章后附录一列出国家标准GB4728一84、GB4728一85的部分电工图形符号和GB7159一87的部分标准文字符号。二、电气线路图电气线路图可以分为两部分：主电路和辅助(控制)电路。电动机、发电机等通过大电流的电路属于主电路,其他均属于辅助电路。电气线路图根据需要可以绘制成两种不同的形式：电路图和接线图。1电路图 是用图形符号,并按其工作顺序排列，详细表示电路、设备或全套装置的全部基本组成和电气连接关系，而不考虑其实际位置的一种简图。这种线路图能够清楚地表明电路的功能，对分析电气系统的工作原理是十分方便的。本书中均采用电路图。2接线图 又称安装图,用规定的符号既表明各电气元件在电路上的联系，又表明各元件相互间位置的图形。这种图是供施工与检修时使用的。三、绘制电路图的规定绘制电路图的规定也就是阅读电路图的方法。其主要规定归纳如下：1控制系统内的全部电机、电器和其他带电部分都应按国家标准规定的图形符号和文字符号绘制和标注。2电路图一般按主电路和控制电路两部分画出:主电路画在图的左边或上端，用粗线表示；控制电路画在图的右边或下端,用细线表示。3整个电路与电网断开，各电器都按没通电或不受外力作用时的正常状态画出。4属于同一电器的不同部件，按其在电路中的作用画在不同的电路部位上,标以相同的文字符号并用数字以资区别。5.电路图中，各元件一般按动作顺序从上到下，从左到右依次排开。有直接电联系的导线交叉连接点要用小圆圈或黑圆点表示。2-3 电动机的基本控制和保护环节一、点动、连续控制和多地点控制1点动控制 生产机械常常需要试车或调整，有些机械设备在运行过程中,必需有人监视,如机舱的盘图27电动机点动控制原理图 图28电动机磁力起动器控制线路车机、行车和甲板上的扶梯起落机等都需要有点动控制。图27为最简单的点动控制线路，按下起动按钮,接触器线圈通电，主触头闭合，,电动机起动运转，手松开,电动机停止运转。 2.连续控制大多数鼠笼式电动机的连续控制线路是采用磁力起动器进行控制。磁力起动器是用来远距离控制和保护鼠笼式电动机的最简单的成套电器。它由电源开关、熔断器、按钮、交流接触器和热继电器等组成。图28是单向(不可逆式)磁力起动器控制线路的电路图。起动电动机时，