第一章船舶電拖基本知識第一節概述在工業、農業、交通運輸、國防等各部門中，廣泛使用著各種各樣的機械設備。要使生產機械產生滿足不同工藝過程要求的運動，就需要有產生這種運動的原動機，如電動機、蒸氣機、內燃機、液壓機等。所謂拖動，就是運用各種原動機使生產機械產生直線運動或者旋轉運動，以完成一定的工作任務。自從十九世紀有了電動機以后，由于電力在傳輸、分配、使用和控制等方面都比其他動力要方便得多，如效率高、操作簡便、易于維護保養，尤其是運行比較經濟和對各種復雜操作及自動化提出的多種要求容易實現。因此以電動機作為原動機的拖動方式被廣泛應用。我們把電動機拖動生產機械稱為電力拖動，又稱電氣傳動。電氣傳動就是電動機把電能轉換成機械能，驅動生產機械的工作機構產生所需要的運動。在這里，工作機構是電動機的負載。電力拖動廣泛應用于各行各業中，與我們日常生活、工農業生產息息相關。人們常見的家用電器中就有許多電力拖動的例子，如電風扇、空調機、錄音機、錄放機的旋轉部分，洗衣機中電動機帶動水輪旋轉等，這都是大家所熟悉的。在工農業生產中用電動機驅動各種生產機械運轉，是最常見的極為普遍拖動方式，如各式吊車、各類機床、各種港口機械，從數瓦的電動刮胡刀到幾萬千瓦的大型鍋爐風機電動機，從天上衛星姿態調整到深水潛艇電力推進都是電力拖動的實例。在各類船舶上，常用電動機拖動各種工作機械，即各種輔機，如起貨機、錨機、舵機、壓縮機、通風機、絞盤機、拖纜機、各類泵等。不同行業、不同場合對電力拖動的要求不同。例如起貨機，其任務是提升或下放貨物。提升時，電動機正轉，貨物被提升起來；下放貨物，電動機先制動停止，然后再反向起動，電動機在制動狀態下下放貨物。這是基本工作過程，實際上還要調速來滿足更多的工藝要求等。盡管要求不同，實現的電拖控制線路也不同，但就電力拖動系統的研究對象和內容來說，都不外乎是研究各種類型的直流電動機與交流電動機的起動、制動、反轉、調速等各種工作狀態及它們的控制線路，其中包括控制線路的結構、工作原理以及線路中使用的各種控制電右器^等。船舶電力拖動系統通常由電動機、傳動裝置（或工作機構）、控制設備、工作機械和電源五個基本部分組成。控制設備是控制電動機起動運轉的設備，它是由各種控制電器（如開關、熔斷器、接觸器、繼電器、按鈕等）、控制電機、自動化元件或計算機等按照一定要求和規律組成控制線路和設備，用于控制電動機的運行，即控制電動機的起動、制動、反轉和調速。控制設備按其操作方式分為手動控制、半自動控制、全自動控制。目前普遍使用的是半自動控制，即包括新型器件組成的各種繼電器一接觸器控制系統。與過去不同的是，隨著科技發展，越來越多的自動化元件或各種傳感器及智能化裝置應用到電力拖動自動控制系統中，推動了科研的發展。一、船舶機械的基本特點及對電力拖動的要求船舶機械的種類是很多的，除了直接用作船舶推進的船舶主機外，還有完成各種特定任務的輔助機械，因此工程上一般把它們分為兩大類：船舶主機和船舶輔機。這些除了主機外的為數眾多、類型各異的輔機，包括船舶發電機在內，在船舶安全航行中起著必不可少的作用。根據服務對象的不同，船舶輔機分為：1、 為船舶主機服務的主要有：空氣壓縮機、燃油輸送泵、潤滑油泵、海水泵、淡水泵、油水分離機、盤車機等。2、 為船舶提供各種電源的有：柴油發電機組或汽輪發電機組、變流機組、變頻機組，還有變壓器組、整流裝置、逆變器等。3、 為船舶航行和安全服務的主要有：舵機裝置、起錨機、絞纜機、吊艇機、舷梯、可調螺距螺旋槳裝置、側推裝置、減搖裝置、消防總用泵、應急消防泵、壓載水泵、艙底水泵、機艙送風抽風機組、廢汽鍋爐等。4、 為船舶貨運服務的主要有：起貨機、艙口蓋機、通風機、裝載泵、駁油泵、洗艙泵、惰性氣體監控裝置等。5、 為船員與旅客生活服務的主要有：燃油輔助鍋爐、空調裝置、伙食冷藏制冷裝置、海水淡化裝置、淡水快速凈化裝置、淡水泵、衛生水泵、廚房機械、伙食吊、升降機等。6、 為船舶防污染服務的主要有：油水分離器、生活污水處理裝置、焚燒爐、污水艙的油含量微機監控處理系統等。由于船舶輔機服務對象的多樣性，特定要求復雜性，又由于可能以多種工作方式來完成所規定任務，再加上科學技術進步使各種機型與控制方法不斷發展，所以船舶輔機種類繁多。對船舶輔機電拖自控設備的要求，歸納起來有以下幾點：（1） 可靠性和可維修性根據船舶使用條件要求，船用電氣設備要做到壽命長且故障少，具有較高的可靠性與可維修性，以保證安全航行。設計時要有防止發生誤動作與防止發生誤操作的聯鎖機構，還要考慮到維護修理容易、更換零部件方便及適量的備品備件。因而船舶電力拖動自動控制設備和系統采用冗余設計，多數裝置具有備用設備和備用系統；遇到故障時，自動轉換備用系統并迅速切除、隔離故障部分；重要設備多路供電、多種工作方式保證持續供電和連續運轉；裝置設計有必要的參數、狀態、工況顯示和報警系統；為了提高其維修性，能簡單、快速地進行故障診斷，還要考慮設置必要的適用的維修通道等。（2） 環境適應性船用電氣設備應在下列環境條件下正常工作：1） 航行于無限航區，其封閉處所內0°C?45°C，敞開甲板一25°C?45°C。除熱帶海區以外的有限航區，其封閉處所內0C?40C，敞開甲板一25C?40C。2） 縱傾縱搖W±10°，橫傾橫搖W±22.5°。3） 正常航行中產生的振動和沖擊。4） 潮濕空氣、鹽霧、油霧、霉菌處所。（3） 標準化、通用性為保證設備完好率和盡量少備件，以減少體積和重量，要求設備及零部件通用性要好。應采用國家標準規定標準化產品系列，同一用途的設備具有同一規格，以保證良好的互換性，提高經濟效益。（4） 電源波動適應性船舶電網電壓或頻率偏離額定值時，在規定允許波動值范圍內應可靠地工作：1） 電壓穩態變化值：（+6%?一10%）UN。2） 電壓瞬態變化值：±20%Un，恢復時間1.5S。3） 頻率穩態變化值：±5%fN。4） 頻率瞬態變化值：±10%fN，恢復時間5S。（5） 電磁兼容性設備采用適當措施后，可限制所產生干擾電壓和電流不超過允許值；并保證電氣拖動系統中電子裝置在船舶電磁環境中正常工作。二、電力拖動系統分類與船舶電拖方案電力拖動的方式種類繁多，實現方法多種多樣。如表1-1，如果以電動機種類去劃分，可分為直流拖動系統、交流拖動系統兩大類。若以電力拖動控制設備有無電源變換裝置區分為調速拖動和單機拖動兩大類。電源變換裝置是為了調速而設計的，屬于調速拖動類型；但有些單機拖動也有有限的調速功能，例如交流鼠籠式異步電動機的變極調速只有二、三速且按電機極對數變換而成倍變換其速度。 表1-1電力拖動方式方法的分類 電拖方式 拖動類型 實現的方法

直流拖動交流拖動單機拖動直流拖動交流拖動單機拖動并激電動機拖動系統串激電動機拖動系統復激電動機拖動系統調速拖動簡單G-M系統三繞組G—M系統雙輸出G—M系統三輸出G—M系統電機放大機G—M系統磁放大器G—M系統SCR—M系統SCR—G—M系統單機拖動鼠籠式恒速拖動繞線式（串電阻、電抗、串頻敏）變極調速（恒功率、恒轉矩調速）調速拖動鼠籠式調壓調速系統變頻調速系統滑差電機調速系統繞線式調壓系統SCR—串級調速系統第二節電拖系統的基本運動方程式一、運動方程式電力拖動自動控制是電動機拖動工作機械運轉的機、電統一的系統，它必須涉及到許多力學問題和相關的基礎學科門類及應用科學技術問題。由物理知識可知，質量為m的物體位于磨擦力為Ff的平面上，當外力F大于磨擦力Ff時，該物體作加速度運動，如圖1-1（a）所示。按牛頓第二定律，則有：F一F=ma=m=Fdtf dt （1-1）式中：a——加速度；V——直線運轉速度；dVF-dt——慣性力F'dt="dt（a）（a）有：1-1（b）所示，則有：1-1（b）所示，則dt（1-2）式中：T—電動機發出的轉矩（牛?米）；tl一阻轉矩（牛-米）；J'轉動慣量（千克?米^）；①一電動機軸旋轉角速度（弧度/秒）。J-虹=T-dt這就是電力拖動系統的運動方程式。（1-2）式右邊部分： dt ，稱為慣性力矩。工程上常采用飛輪矩GD2（牛?米2）和轉速n（轉/分）較為方便。GD2與J的關系為：GDJ=mp2=—（—）2g2（1-3）GD2=4gJ式中：m一旋轉體的質量（千克）；g—重力加速度（米/秒2）；P一回轉半徑（米）；G一旋轉體重量（牛）；D—回轉直徑（米）。刃與n的關系為：3=2nn/60式（1-2）用GD2與n來表示，則GD2dnT-T= 一l375dt（1-4）GD2通常在機電產品目錄中給出，歷史上一般沿用工程單位制公斤?米2。需要按照國際單位制化成牛?米2，其二者之間關系為：1公斤?米2=9.8牛?米2式（1-4）就是工程上常用的電力拖動系統的運動方程式。必須注意：式中數字375具有加速度量綱。二、電力拖動系統運動狀態的分析方程式（1-2）清楚地表明，電力拖動系統的運動狀態不僅取決于電動機輸出的轉矩T，且與負載轉矩tl有關，即運動狀態取決于作用在電動機軸的轉矩的代數和。1） 當T=Tl時，則dn/dt=0，即n=0或n=常數。此時電力拖動系統處于靜止或勻速狀態；2） 當T>Tl時，則dn/dt>0，電力拖動系統處于加速度狀態；3） 當T<Tl時，則dn/dt<0，電力拖動系統處于減速狀態。應當明確，只有1）拖動狀態才處于穩定運動狀態，是為靜態；2）和3）兩種狀態電拖系統都處于過渡過程中，是為動態。為進一步理解運轉狀態，舉例說明如下：今有一電力拖動系統，原穩定運行于A點，此時電動機發出轉矩為TA，負載轉矩為Tla，由于Ta=Tla，所以dn/dt=0。若負載由Tla增加到Tlb，在增加負載初始瞬間，因機械慣性，轉速來不及變化，T仍為Ta，使T<Tlb，dn/dt<0，系統減速；隨著n的下降，電動機發出的轉矩不斷增加，當T=Tlb時，則T=TLB,dn/dt=0，減速過程結束，系統穩定運行于B點，如圖1-2所示。若系統原來穩定運行于B點，后因負載突然下降到Tla，則情況與上述過程相反，電拖系統將出現加速運轉狀態，直至穩定于A點運行。另外一種情況是電源電壓變動導致電磁轉矩的變化。例如原來穩定運行于如圖1-3中A點。當電源電壓突然降低，電動機的機械特性由1變成2,由于機械慣性，轉速不能突變，工作點由A（Ta，nA）變成B（Tb，nB）點，此時，電動機轉矩減少到Tb，使得Tb~Tl<0，

dn/dt<0,系統減速運轉。轉速沿特2下降，直到C點Tc=Tl，dn/dt=0,電動機到達新的穩定運行點C運轉。由以上分析可見：機械慣性比電磁慣性大得多，既轉速不能突變，電樞電流可以突變。所以，當負載或電源電壓突變時，轉速來不及變化，電動機轉矩產生突變。第三節電磁轉矩和負載轉矩與轉向的關系從上節分析中知道，我們運用運動方程式（1-4）時，是從dn/dt大于零、小于零或等于零來確定系統的運動狀態，它不僅與電磁轉矩T及負載轉矩tl的大小有關，而且與兩者的方向有關。一般原則規定某轉向為正（任意規定），則電動機的轉矩方向若與所規定的方向相同為正，相反為負。負載轉矩tl第三節電磁轉矩和負載轉矩與轉向的關系從上節分析中知道，我們運用運動方程式（1-4）時，是從dn/dt大于零、小于零或等于零來確定系統的運動狀態，它不僅與電磁轉矩T及負載轉矩tl的大小有關，而且與兩者的方向有關。一般原則規定某轉向為正（任意規定），則電動機的轉矩方向若與所規定的方向相同為正，相反為負。負載轉矩tl的方向，若與所規定的方向相反為正，相同為負。根據以上原則本教材預先規定如下：n一逆時針方向為正，順時針方向為負；T-逆時針方向為正，順時針方向為負；tl一順時針方向為正，逆時針方向為負。圖1-4表示電動機的電磁轉矩T與轉速n轉向的關系。從圖1-4可見：在第一象限和第三象限中，T與n方向相同，電動機工作在電動狀態，即電動機產生的轉矩T用來拖動其軸上的負載運行。在第二象限，T為負，n為正；在第四象限，T為正，n為負，所以第二和第四象限中T與n的方向相反，電動機工作在制動狀態，即電動機產生的轉矩T阻止其軸上的負載的運轉。關于制動狀態的詳細內容見第五章的分析討論。a）反抗性負載圖1-5負載轉矩與轉向的關系在恒定轉矩負載中，恒定反抗性負載轉矩與轉向的關系見圖1-5（a），從圖中可知，當轉向改變時，反抗性負載轉矩TL的方向也隨之改變；恒定位能性負載轉矩與轉向的關系如圖1-5（b）所示，從圖中可見，當轉矩方向改變時，位能性負載轉矩的作用方向仍然不變，起貨機吊起重物加在電動機軸上的負載力矩屬于這種類型工況。在圖1-6中標出了電磁矩T、負載轉矩Tl以及轉速n的轉向，下面利用運動方程式來分析其運動狀態。對于圖1-6（a），n與T均為逆時針方向，均為正；Tl為順時針方向，也為正值，而且Tl>T，根據式（1-4）則有：GD2dn〈0T-TL375dt對于圖GD2dn〈0T-TL375dt對于圖1-6（b），n與T均為順時針方向，dn〈0即dr ，系統處于減速運動狀態。皆為負值；Tl為順時針方向則為正值，而且tl>t，（1-4）則有：根據式GD2d(-n)375dt該式兩邊乘（一1）GD2dn〉0T+T則得l375dtb)dn〉0即dt ，系統處于加速運行狀態。圖1-6利用運動方程式分析運動狀態第四節折算到電動機軸上的轉動慣量和轉矩上面討論了電力拖動系統的運動方程式和負載轉矩特性。在運動方程式中，負載轉矩直接作用在電動機軸上。但實際傳動機構很復雜，一般情況下，電動機與生產機械間都有齒輪傳動及其他傳動機構，如圖1-7所示。顯然，該圖是通過四個軸把電動機的轉速n（角速度為3）轉變為生產機構所需要的轉速n（角速度為①）。每根軸上各有其本身的轉速和轉動慣量。因此，通常要把生產機械的轉矩T和轉動慣量（包括軸的轉動慣量）等效到電動機軸上，這項工作稱為折算。可見，折算就是把圖1-7（a）所示的實際拖動系統等效為圖1-7（b）的單軸系統，折算的原則是保持兩個系統傳送的功率及儲存的動能相同。一、旋轉運動傳動機構見圖1-7（a）。圖中：3、刃］、刃2、3為各軸的旋轉角速度（顯然3與3分別為電動機和工作機構的旋轉角速度），分別對應各軸的旋轉速度n、n1、n2、n。匕和J分別為電動機和工作機構的轉動慣量。J、J、J、J、J、J為各個齒輪的轉動慣量。g1 2 3 4 5 6

圖1-7 拖動系統示意圖圖1-7 拖動系統示意圖1、u%、為各對齒輪的速比。減速時，i>1,升速時，i<1。通常都是減速。很顯然，從電動機到工作機構的總速比ii?i?i。1 2 3b）于b）是：n■i—ng1、轉動慣量的折算設J為折算到電動機軸上的等效轉動慣量。根據儲存的動能相同的原理，得:—J④2=—（j+j）?22 2整理后得：1+一（J22+J）?（1-5—J④2=—（j+j）?22 2整理后得：1+一（J22（1-5）2、轉矩的折算把工作機構的轉矩T折算到電動機軸上，的原則，則有：++

ro

（一）2

ro

1=J++

ro

（一）2

ro

1=J+J+'2*’3+d1i2J+Jro（一）2ro2J4+J5i2-i2J+J（①）rogJ.+Ji2-i2-i2式中n2 2 2GD2 2 2GD2+GD2GD2+GD2d1 i2 i211傳動機構總功率。于是:GD2+GD2i2-i2-i2

1 2 3折算后的等效轉矩為TL,根據傳送功率相同TgTg=Tg_,ro、n-in（一）rog（1-6）若圖1-7所示系統為主軸傳動機構，設F為切削力（牛）、A為工件半徑（米）、則主軸所負擔的切削轉矩為：T=FR（牛?米）式（1-6）即為轉矩折算公式。可見，當傳動機構為減速時，折算到電動機軸上的等效轉矩大大減小。

二、直線運動在生產實踐中，常常有許多工作機構作直線運動。當然，仔細區分還有平移運動和升降運動之別，但折算的方法基本一樣，且船上常見的例子是起貨機，屬于升降運動。我們以提升運動為例，圖1-8所示為提升貨物時的情況。1、轉動慣量的折算下面計算直線運動部分折算到電動機軸上的等效轉動慣量J或等效飛輪矩曲2。作直線運動所具有的動能為mv2/2,如果折算到電機軸上，則動能為J①2/2,根據儲存動能相同的原則，則有：mv2J32誠理后得:J=m(V)2(1-7)因為GD2=4gJ、m=G'g、3=2兀n60，則上式變為，GV2GD2=365 n2（1-8）式中G——直線運動體的重量（牛）V——直線運動體的速度（米/秒）若整個拖動系統即有作直線運動的部件，又有作旋轉運動的部件，根據式（1-5）和式（1-8）可得折算到電動機軸上的總飛輪矩：GV2+365 n2GD2+GD2GDGV2+365 n2GD2=GD2+GD2+——2 +——4 +(1-9(1-9)上式2、轉矩的折算對上升運動，現在討論力的折算，阻力F就是重力6（牛），若傳動機構的總效率為〃n指提升效率（不同于下降效率），則根據功率相同原則，有：對上升運動，FV=GV=T-3-所以，得到折算到電動機軸上的等效轉矩為：FVGVT=3n3n由刃=2nn/60，則得FV GVT3n3n由刃=2nn/60，則得FV GVT=9.55——=9.55——nn nn(1—10)Tg若已知卷筒半徑為R按照功率相?