第九章 船舶电力拖动设备

第九章 船舶辅机电力拖动 第一节 船舶辅机电力拖动基本控制电路
船舶电力拖动是船舶电气设备的一个重要组成部分。

一般情况下电力拖动用电约占船舶电网的70％～90％，电力拖动的形式和性能在一定程度上反应船舶电气设备的水平。

船用辅机很多都是通过三相电动机进行拖动控制的，本节重点讲解异步电动机基本控制电路，我们了解了三相电动的控制也就大致了解了大部分辅机是如何拖动的。

为了使电动机能够按照设备的要求运转，需要对电动机进行控制。

电动机的控制电路通常由电动机、控制电器、保护电器与生产机械及传
动装置组成。

传统的电动机控制系统主要由各种低
压电器组成，如图9-1所示为一个最简单的三相电
动机控制电路。

用一个闸刀开关控制电动机的起动和停机，用
三相熔断器对电动机进行短路保护，这个简单的电
路就具有对电动机进行控制和保护的基本功能，但
只能进行手动控制。

自动控制电路由各种开关、继
电器、接触器等电器组成，它能够根据人所发出的
控制指令信号，实现对电动机的自动控制、保护和监测等功能。

➢学习目的
知识目标：
1、 初步了三相异步电动机的启动方式
2、 能看懂三相异步电动机的各种启动电路
3、 了解三相异步电动机的换向电路与手自动切换电路
4、 初步了解起货机、锚机、绞缆机对电力拖动的基本要求
5、 初步了解舵机对电力拖动的基本要求及操舵方法
能力目标：
1、 识别三相异步电动机的基本控制电路，懂得各控制元件的作用。

2、 能识别，判断三相异步电动的典型控制电路。

3、 初步对起货机、锚机、绞缆机、舵机的工作电气原理有所了解
图9-1 最简单三相电机控制电路
一、点动、连续控制和多地点控制
1、三相异步电动机的点动控制电路
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，必须要有人监视，如机舱盘车机、行车和甲板上的舷梯起落机等都
需要点动控制。

图9-2为最简单的点动控
制电路。

该电路只要按SB 启动按钮，接触器
线圈通电，主触头闭合，电动机启动转动，
松开按钮SB ，电动机停止运转，这种控
制称为点动控制。

2、三相异步电动机连续控制电路
大多数鼠笼式电动机的连续控制是
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9-3是单向（不
可逆式）磁力起动器控制线路图。

启动电动机时，先将电源开关QK 闭合。

当按下启动按钮SB 2时，交流接触器线圈KM
通电，吸合衔铁使KM 主触头闭合，电动机M 与三相电源接通启动。

同时，与SB 2并联的KM 辅助触头也闭合。

当松开SB 2时，接触器线圈仍然保持通电，电动机M 继续运转。

当需要停止电动机M 时，按下停止按钮SB 1，接触器线圈KM 失电，KM 主触头断开，电动机M 停转，控制线路恢复图上状态，准备下次工作。

在上图中，接触器动合辅助触点KM 在起动按钮SB2松开后，仍能保持闭合通电，这种功能叫做自锁。

这种具有自锁功能的控制电路叫自锁电路。

接触器中起自锁作用的触点（如KM ）叫做自锁触点。

该控制线路具有失压（欠压）保护、过载保护和短路保护等基本功能。

3、多地点控制
为了操作方便，某些设备往往要求在两个或两个以上地点对它都能进行操作，例如，机图9-3 三相异步电动机连续运转控制
(a) 接线示意图 (b) 电气原理图 M 3～ SB S FU KM M 3～ S FU KM KM SB 图 9-2 三相异步电动机点动控制
舱的许多泵要求既能在机旁操
纵，又能在集中控制室操纵。

实
现这一要求的就是多地点控制，
只要将两个或多个启动按钮和
停止按钮分别组成并联和串联
电路即可，如图9-4所示。

二、三相异步电动机正反转
控制
在生产上往往要求运动部
件可向正反两个方向运动。

例如，锚机的抛锚和起锚，起货机的提升和下降等。

为了实现正反转，只要将电动机电源的任意两相接线对调即可。

用两个接触器就能实现这一要求。

如图9-5所示，接触器KM 控制
电动机正转；接触器KM 控
制电动机反转。

如果两个接触器同时工
作，从主电路中可见，电源
将发生短路。

所以对这类控
制线路在设计方面最根本的
要求是：必须保证两个接触器不能同时工作。

能实现这图9-4 多地点控制电路图
图9-5 三相异步电动机的正反转控制1
图9-6 三相异步电动机的正反转2
一要求的控制线路称为互锁控制。

如图9-6所示，将KM 1和KM 2的常闭辅助触头分别串联到对方线圈电路中实现电气互锁。

除了电气互锁外，还常设有机械互锁。

如图9-6所示，采用双层按钮，进一步增强了互锁的可靠性和操作的灵活性。

三、三相异步电动机连锁控制
生产机械或生产自动
线都是由许多部件组成
的。

不同的运动部件之间
是互相联系的，但又是互
相制约的。

例如，船舶主
空压机正常工作时，需要
冷却水进行冷却，所以要
求冷却水压力建立后才能
启动空压机。

这种要求可
以用图9-7所示的连锁控
制线路来实现。

四、水柜典型自动控制电路
船用压力水柜随着用水量的变
化，水、气空间容积在变化，即液
位高度和气压都在变化。

水位上升，
气的空间高度减小，气压增加，如
果不考虑漏气损耗，气压大小显然
是与水位高低成正比例的，高限水
位对应着高限压力，底限水位对应
着低限压力。

因此，对于像这样的
密封容器式的双位液位高度的控制，可以采用双位压力的控制方式。

也就是说对于压力水泵来说，
要求当水位低于低限时，电动机起动，补水；当水位到达高限时，电动机停止。

那么我们可以通过密闭水柜，将水位高低转换为压力信号，通过压力继电器（SP ）实现水位自动控制图9-8 水柜自动控制电路 图9-7 两台电动机的连锁控制
（双位控制）。

如图9-8所示。

SP(H)为高限压力常闭触点，当水位高于高限时动作（断开）当水位低于高限时复位（闭合）；SP(L)为低限压力常开触点，当水位低于低限时动作（闭合）；当水位低于低限时复位（断开）。

第二节船舶甲板机械电力拖动及其电气控制
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。

一、起货机
（一）、起货机的类型及运行特点
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、回转式（克令吊）和行走（门吊）式起货机几种类型。

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，如图9-9（a）。

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，如图9-9（b）。

图9-9 单杆电动起货机（a）双杆电动起货机（b）
单杆电动起货机有三台电动绞车：一是提升和下降货物的升降绞车；二是吊杆升降的变幅绞车；三是吊杆回转的回转绞车。

有两个主令控制器：一个主令控制器用来提升和落货；
另一个主令控制器有特殊的结构，将变幅与回转控制合用在一个手柄上操作，可按要求同时控制吊杆的升降和回转。

这种起货机操作灵活平稳，并且可减少吊杆千斤索的伸缩次数，从而减轻工作强度，提高工作效率。

双杆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，在运行时，吊杆不动，货物水平移动。

起货电动机是重复短期工作，周期性有规律的运转，所以起货机电动机一般采用专用的重复短期制。

一个周期的工作时间一般不超过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9-10，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
图9-10 克令吊结构示意图
可操作两个机构同时运转，也可以操
作三个机构同时工作。

（二）、船舶起货机电力拖动的基本要求
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(t／h)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
⑴电动起货机采用三档调速控制，并能实现正反转运行。

⑵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。

⑶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。

⑷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。

⑸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。

⑹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。

⑺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。

⑻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。

⑼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。

⑽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。

二、锚机、绞缆机
（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。

全部起锚过程如图9-11（a）。

起锚过程中电动机的典型负载图如图9-11（b）。

过程分析：
第I阶段：收起躺在水底的余链阶段，锚链的拉力是不变的；
第Ⅱ阶段：随着悬链形状的改变，拉力变大，直到锚破土；
第Ⅲ阶段：锚破土；
第Ⅳ阶段：收锚出水，随着锚链长度减小，拉力成正比减小；
图9-11 起锚过程示意图（a）起锚阻力矩曲线（b）第V阶段：收锚入孔，是将锚拉入并紧固于锚链孔中。

关于定位锚机的起锚是由抛锚工作艇完成的，一般是利用该艇的主机推力来起锚。

（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5：1～3：1。

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
图9-12 交流电动锚机电气控制线路图
交流电动锚机电气控制线路图见图9-12
此控制系统的特点：
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（Δ）接法，8极中速是双星形（YY）接法，从Δ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。

三、舵机
（一）、舵机电力拖动与控制的基本要求
1、工作可靠
供电：采用双路供电，其中一路经应急配电板。

电动机：机械特性软（抗冲击），转矩大（从一舷最大舵角转至另一舷最大舵角的时间应不超过30(28)秒），能承受1分钟的堵转。

控制系统：至少两个操作站（由转换开关切换，防止同时操作）；有三种操舵方式（手动、随动、自动）。

2、保护和报警装置
舵叶偏转限位+35°—— - 35°；舵机总电源断电时，失压报警；舵机电机只有过载报警而无过载保护装置；自动操舵装置时，应设有航向超过允许偏差的偏航自动报警装置。

（二）、舵机的操纵方式、类型及工作原理
无论是电动还是液压舵机，其操作方式一般分为单动操舵、随动操舵和自动操舵三种。

1、单动操舵（应急操舵）
单动操舵是在自动
操舵及随动操舵都不能
使用的应急情况下提供
的一种操舵方式。

其结
构比自动操舵及随动操
舵简单、可靠。

操作方
法是把手柄向左右两个
图9-13 单动操舵方框图
方向中得一个方向扳
动，或按两个按钮，由此切换电路向左转舵或向右转舵，在操作的过程中要注意观察舵角指示器的指示。

如图9-13为单动操舵方框图。

2、随动操舵
随动操舵，又叫“舵轮操舵”。

随动是指舵叶随着舵轮转动。

只要操作人员给出一个操舵指令，系统就能自动地
按指令把舵叶转到所要
求的舵角上，并且自动
使舵叶停转。

如图9-14
为随动舵系统方框图。

它是按偏差原则进行调
节的。

信号的消除不是
通过人而是通过舵叶的
偏转来达到，即与舵柱机械地连接一个信号发送器。

舵叶转动时，发出反馈信号，如果反馈信号和控制信号相等时，就将控制信号抵消，使偏差信号等于零，舵叶停止转动。

3 自动操舵
自动操舵是按照船舶对航向的偏离角度来控制船舶的航向，自动舵系统是一个双闭环系统。

一般来说，自动舵是根据陀螺罗经送来的船舶实际航向与给定航向信号的偏差进行控制的。

在舵机投入自动工作时，如果船舶偏离了航向，不用人的干预，自动舵就能自动投入运行，转动舵叶，使船舶回到定航上来。

自动舵的使用越来越普遍，国内外生产了上百种产品，但其基本原理都是相同的。

船舶应用的自动舵类型众多，究其调节规律，有三种基本类型：以船舶偏航角的大小和方向进行调节的比例舵，以船舶偏航角和偏航角速度的大小和方向调节的比例—微分舵和以船舶偏航角、偏航角速度及偏航角积分的大小和方向来调节的比例—微分—积分舵。

⑴比例舵操舵的规律是：偏舵角β的大小与偏航角ϕ的大小成比例关系，即：
β ＝－K1 ϕ
其中：K1为比例系数，负号表示与偏航方向相反。

其特点：机构简单，航行保持精度较差，船舶营运经济性较差（会出现S 形航迹）。

比例舵的不足：偏航初期偏舵角较小，不能很快阻止船舶继续偏航；回航过程中船舶具有惯性，偏舵角不能及时减小，容易反向偏航。

⑵比例—微分舵操舵的规律是：偏舵角β的大小与偏航角ϕ的大小成比例-微分关系，即：
图9-14 随动舵系统方框图 ⎪⎭
⎫ ⎝⎛+-=dt d k k ϕϕβ21
说明：偏航初期，偏航角变化率大，比例—微分舵能及时给出大偏舵，有效地阻止船舶偏航（最大偏航角较小）；回航时，偏航角变化率变为负值，能适时给出反舵角，阻止船舶反向偏航，即能有效阻止反向偏航。

其特点：具有“超前校正”的控制作用，减小船舶航向的振荡，减轻舵机负担，增加航速，提高系统灵敏度和船舶的营运效益。

⑶比例—微分—积分舵：是在比例—微分舵基础上增加积分环节。

积分环节作用是克服不对称偏航。

K3是积分系数。

不对称偏航的产生：不对称偏航是某舷（侧）的偏航角持续时间比另一舷（侧）偏航角持续时间长。

原因：装载不对称，斜向风的持续影响，斜向海潮的持续影响。

对于具有双螺旋桨推进的船舶，螺旋桨推进的不平衡也会产生不对称偏航。

三者相比较可知：
比例舵：可以克服偏航，但容易形成S 形航迹，航程较长。

比例—微分舵：可以减小最大偏航角，克服回航时的反向偏航。

但微分系数不能太大，否则容易造成不稳定。

比例—微分—积分舵：能够产生“自动压舵”调节，克服不对称偏航。

（三）、自动操舵系统基本要求
在给定的航向上，为使船舶以足够的精度安全航行，自动舵必须满足以下的基本要求：
1、自动操舵性能良好
初始舵角应该有适当的数值，如果过大会降低船舶航行速度，过小则产生的转船力矩不足以使船舶回到正航向来。

如果给出初始偏航角后船舶仍然偏离预定的航向，自动舵必须保证有附加舵角。

2、具有必要的调节装置
为了使同一型号的自动舵装置能够适用于不同的排水量，装载量，航速及舵机拖动装置的船舶，并能适应各种天气、海况，在自动舵系统中应有如下的基本调节装置：
⑴灵敏度调节（俗称天气调节）
灵敏度指系统投入时的最小偏航角。

风平浪静时调高些，大风浪下调低以减少动舵次数。

⑵舵角比例调节（k1调节）
⎪⎭
⎫ ⎝⎛++-=⎰dt k dt d K K ϕϕϕβ321
⑶反舵角调节（k2调节）
⑷压舵调节（k3调节）
以上3种调节参数均应根据船型、装载、天气等情况进行调节。

⑸航向调节
应保证在自动舵不间断工作的情况下，通过航向调节来改变船舶的给定航向，使船舶在新的预定航向上航行。

3、应设有随动、单动等操舵设备
在船舶进出港口或遇紧急情况以及操舵失灵的时候，能立刻转换为其他形式的操舵，为此应设有双电源，双机组及换转装置。

第三节船舶信号、传讯与检测报警系统
一、船内部电话通信系统
常用的船用电话分为三种类型：船用声力电话、船用自动电话、船用指挥电话。

1、声力电话
声力电话也称直通电话或对讲电话，它是两个重要工作部位的专用电话，是保证快速通话的联络通信。

它由二台声力电话机直接连接在一起组成。

声力电话不需要电源，凭借人们讲话的声音使送话器的振膜随声音而振动，改变了磁路中气隙的大小，引起磁路中磁通的变化，从而在送话器线圈中产生感应电流，实现了声电之间的转换。

这个感应电流传输到收话方受话器的线圈中，从而引起磁通同样的变化，使受话器的振膜振动，发出声音。

主要特点：
⑴增音状态、声力状态用呼叫键和声响发生器代替传统的手摇发电机；
⑵多采用运算放大器代替原分离元件组成的放大器，性能稳定，维护方便。

增音状态呼叫和通话用DC24V，声力状态呼叫用机内干电池，通话由换能器实现。

⑶分为选通型和直通型两类，分别用以完成多用户的互选通话和两个用户之间的直接通话任务。

选通电话可多路同时工作。

2、船用自动电话
船用自动电话是为了有关舱室进行日常工作和生活上的联络通话而装设的。

它由一台无需人（话务员）值班的自动电话交换机（也称总机）和若干台带有拨号盘（或按键）的单机（也称自动电话机）组成。

通常总机安装于总机室或通道内，自动电话机分别安装于各工作舱室和生活舱室。

为了。