電拖基本知識

1、第一章 船舶電拖基本知識第一節(jié) 概述在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、國防等各部門中，廣泛使用著各種各樣的機(jī)械設(shè)備。要使生產(chǎn)機(jī)械產(chǎn)生滿足不同工藝過程要求的運(yùn)動，就需要有產(chǎn)生這種運(yùn)動的原動機(jī)，如電動機(jī)、蒸氣機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、液壓機(jī)等。所謂拖動，就是運(yùn)用各種原動機(jī)使生產(chǎn)機(jī)械產(chǎn)生直線運(yùn)動或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，以完成一定的工作任務(wù)。自從十九世紀(jì)有了電動機(jī)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(hù)保養(yǎng)，尤其是運(yùn)行比較經(jīng)濟(jì)和對各種復(fù)雜操作及自動化提出的多種要求容易實(shí)現(xiàn)。因此以電動機(jī)作為原動機(jī)的拖動方式被廣泛應(yīng)用。我們把電動機(jī)拖動生產(chǎn)機(jī)械稱為電力拖動，又稱電氣傳動。電氣傳動就是

2、電動機(jī)把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)產(chǎn)生所需要的運(yùn)動。在這里，工作機(jī)構(gòu)是電動機(jī)的負(fù)載。電力拖動廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中，與我們?nèi)粘Ｉ?、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)息息相關(guān)。人們常見的家用電器中就有許多電力拖動的例子，如電風(fēng)扇、空調(diào)機(jī)、錄音機(jī)、錄放機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，洗衣機(jī)中電動機(jī)帶動水輪旋轉(zhuǎn)等，這都是大家所熟悉的。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中用電動機(jī)驅(qū)動各種生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)，是最常見的極為普遍拖動方式，如各式吊車、各類機(jī)床、各種港口機(jī)械，從數(shù)瓦的電動刮胡刀到幾萬千瓦的大型鍋爐風(fēng)機(jī)電動機(jī)，從天上衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整到深水潛艇電力推進(jìn)都是電力拖動的實(shí)例。在各類船舶上，常用電動機(jī)拖動各種工作機(jī)械，即各種輔機(jī)，如起貨機(jī)、錨機(jī)、舵機(jī)、壓縮機(jī)、

3、通風(fēng)機(jī)、絞盤機(jī)、拖纜機(jī)、各類泵等。 不同行業(yè)、不同場合對電力拖動的要求不同。例如起貨機(jī)，其任務(wù)是提升或下放貨物。提升時，電動機(jī)正轉(zhuǎn)，貨物被提升起來；下放貨物，電動機(jī)先制動停止，然后再反向起動，電動機(jī)在制動狀態(tài)下下放貨物。這是基本工作過程，實(shí)際上還要調(diào)速來滿足更多的工藝要求等。盡管要求不同，實(shí)現(xiàn)的電拖控制線路也不同，但就電力拖動系統(tǒng)的研究對象和內(nèi)容來說，都不外乎是研究各種類型的直流電動機(jī)與交流電動機(jī)的起動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等各種工作狀態(tài)及它們的控制線路，其中包括控制線路的結(jié)構(gòu)、工作原理以及線路中使用的各種控制電器等。船舶電力拖動系統(tǒng)通常由電動機(jī)、傳動裝置（或工作機(jī)構(gòu)）、控制設(shè)備、工作機(jī)械和電源五

4、個基本部分組成?？刂圃O(shè)備是控制電動機(jī)起動運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備，它是由各種控制電器（如開關(guān)、熔斷器、接觸器、繼電器、按鈕等）、控制電機(jī)、自動化元件或計算機(jī)等按照一定要求和規(guī)律組成控制線路和設(shè)備，用于控制電動機(jī)的運(yùn)行，即控制電動機(jī)的起動、制動、反轉(zhuǎn)和調(diào)速。控制設(shè)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接觸器控制系統(tǒng)。與過去不同的是，隨著科技發(fā)展，越來越多的自動化元件或各種傳感器及智能化裝置應(yīng)用到電力拖動自動控制系統(tǒng)中，推動了科研的發(fā)展。一、船舶機(jī)械的基本特點(diǎn)及對電力拖動的要求船舶機(jī)械的種類是很多的，除了直接用作船舶推進(jìn)的船舶主機(jī)外，還有完

5、成各種特定任務(wù)的輔助機(jī)械，因此工程上一般把它們分為兩大類：船舶主機(jī)和船舶輔機(jī)。這些除了主機(jī)外的為數(shù)眾多、類型各異的輔機(jī)，包括船舶發(fā)電機(jī)在內(nèi)，在船舶安全航行中起著必不可少的作用。根據(jù)服務(wù)對象的不同，船舶輔機(jī)分為：1、為船舶主機(jī)服務(wù)的主要有：空氣壓縮機(jī)、燃油輸送泵、潤滑油泵、海水泵、淡水泵、油水分離機(jī)、盤車機(jī)等。2、為船舶提供各種電源的有：柴油發(fā)電機(jī)組或汽輪發(fā)電機(jī)組、變流機(jī)組、變頻機(jī)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(wù)的主要有：舵機(jī)裝置、起錨機(jī)、絞纜機(jī)、吊艇機(jī)、舷梯、可調(diào)螺距螺旋槳裝置、側(cè)推裝置、減搖裝置、消防總用泵、應(yīng)急消防泵、壓載水泵、艙底水泵、機(jī)艙送風(fēng)抽風(fēng)機(jī)組、廢汽

6、鍋爐等。4、為船舶貨運(yùn)服務(wù)的主要有：起貨機(jī)、艙口蓋機(jī)、通風(fēng)機(jī)、裝載泵、駁油泵、洗艙泵、惰性氣體監(jiān)控裝置等。5、為船員與旅客生活服務(wù)的主要有：燃油輔助鍋爐、空調(diào)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(wèi)生水泵、廚房機(jī)械、伙食吊、升降機(jī)等。6、為船舶防污染服務(wù)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(jī)監(jiān)控處理系統(tǒng)等。由于船舶輔機(jī)服務(wù)對象的多樣性，特定要求復(fù)雜性，又由于可能以多種工作方式來完成所規(guī)定任務(wù)，再加上科學(xué)技術(shù)進(jìn)步使各種機(jī)型與控制方法不斷發(fā)展，所以船舶輔機(jī)種類繁多。對船舶輔機(jī)電拖自控設(shè)備的要求，歸納起來有以下幾點(diǎn)：（1）可靠性和可維修性根據(jù)船舶

7、使用條件要求，船用電氣設(shè)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(shè)計時要有防止發(fā)生誤動作與防止發(fā)生誤操作的聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)，還要考慮到維護(hù)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(shè)備和系統(tǒng)采用冗余設(shè)計，多數(shù)裝置具有備用設(shè)備和備用系統(tǒng)；遇到故障時，自動轉(zhuǎn)換備用系統(tǒng)并迅速切除、隔離故障部分；重要設(shè)備多路供電、多種工作方式保證持續(xù)供電和連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；裝置設(shè)計有必要的參數(shù)、狀態(tài)、工況顯示和報警系統(tǒng)；為了提高其維修性，能簡單、快速地進(jìn)行故障診斷，還要考慮設(shè)置必要的適用的維修通道等。（2）環(huán)境適應(yīng)性船用電氣設(shè)備應(yīng)在下列環(huán)境條件下正常工作：1）航行于無限航區(qū)，其封閉

8、處所內(nèi)045，敞開甲板2545。除熱帶海區(qū)以外的有限航區(qū)， 其封閉處所內(nèi)040，敞開甲板2540。2）縱傾縱搖10，橫傾橫搖22.5。3）正常航行中產(chǎn)生的振動和沖擊。4）潮濕空氣、鹽霧、油霧、霉菌處所。（3）標(biāo)準(zhǔn)化、通用性為保證設(shè)備完好率和盡量少備件，以減少體積和重量，要求設(shè)備及零部件通用性要好。應(yīng)采用國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品系列，同一用途的設(shè)備具有同一規(guī)格，以保證良好的互換性，提高經(jīng)濟(jì)效益。（4）電源波動適應(yīng)性船舶電網(wǎng)電壓或頻率偏離額定值時，在規(guī)定允許波動值范圍內(nèi)應(yīng)可靠地工作：1）電壓穩(wěn)態(tài)變化值：（610）UN。2）電壓瞬態(tài)變化值：20UN，恢復(fù)時間1.5S。3）頻率穩(wěn)態(tài)變化值：5fN。4）頻

9、率瞬態(tài)變化值：10fN，恢復(fù)時間5S。（5）電磁兼容性設(shè)備采用適當(dāng)措施后，可限制所產(chǎn)生干擾電壓和電流不超過允許值；并保證電氣拖動系統(tǒng)中電子裝置在船舶電磁環(huán)境中正常工作。二、電力拖動系統(tǒng)分類與船舶電拖方案電力拖動的方式種類繁多，實(shí)現(xiàn)方法多種多樣。如表1-1，如果以電動機(jī)種類去劃分，可分為直流拖動系統(tǒng)、交流拖動系統(tǒng)兩大類。若以電力拖動控制設(shè)備有無電源變換裝置區(qū)分為調(diào)速拖動和單機(jī)拖動兩大類。電源變換裝置是為了調(diào)速而設(shè)計的，屬于調(diào)速拖動類型；但有些單機(jī)拖動也有有限的調(diào)速功能，例如交流鼠籠式異步電動機(jī)的變極調(diào)速只有二、三速且按電機(jī)極對數(shù)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

10、型實(shí)現(xiàn)的方法直流拖動單機(jī)拖動并激電動機(jī)拖動系統(tǒng)串激電動機(jī)拖動系統(tǒng)復(fù)激電動機(jī)拖動系統(tǒng)調(diào)速拖動簡單GM系統(tǒng)三繞組GM系統(tǒng)雙輸出GM系統(tǒng)三輸出GM系統(tǒng)電機(jī)放大機(jī)GM系統(tǒng)磁放大器GM系統(tǒng)SCRM系統(tǒng)SCRGM系統(tǒng)交流拖動單機(jī)拖動鼠籠式恒速拖動繞線式（串電阻、電抗、串頻敏）變極調(diào)速（恒功率、恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）調(diào)速拖動鼠籠式調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)滑差電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)繞線式調(diào)壓系統(tǒng)SCR串級調(diào)速系統(tǒng)第二節(jié) 電拖系統(tǒng)的基本運(yùn)動方程式一、運(yùn)動方程式電力拖動自動控制是電動機(jī)拖動工作機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)、電統(tǒng)一的系統(tǒng)，它必須涉及到許多力學(xué)問題和相關(guān)的基礎(chǔ)學(xué)科門類及應(yīng)用科學(xué)技術(shù)問題。由物理知識可知，質(zhì)量為m的物體位于磨擦力為Ff的平

11、面上，當(dāng)外力F大于磨擦力Ff時，該物體作加速度運(yùn)動，如圖1-1（a）所示。按牛頓第二定律，則有： (1 1)式中：a 加速度；V 直線運(yùn)轉(zhuǎn)速度； 慣性力 圖1-1 力的平衡和轉(zhuǎn)矩的平衡FFfnTLTM（a）（b）對于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的物體，例如電動機(jī)施動工作機(jī)械作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，如圖1-1（b）所示，則有： （1-2）式中：T電動機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)矩（牛米）；TL阻轉(zhuǎn)矩（牛米）；J轉(zhuǎn)動慣量（千克米2）；電動機(jī)軸旋轉(zhuǎn)角速度（弧度/秒）。這就是電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式。（1-2）式右邊部分： ，稱為慣性力矩。工程上常采用飛輪矩GD2（牛米2）和轉(zhuǎn)速n（轉(zhuǎn)/分）較為方便。GD2與J的關(guān)系為： （1-3）式中：m 旋轉(zhuǎn)體的

12、質(zhì)量（千克）；g 重力加速度（米/秒2）； 回轉(zhuǎn)半徑（米）；G 旋轉(zhuǎn)體重量（牛）；D 回轉(zhuǎn)直徑（米）。與n的關(guān)系為：2n/60式（1-2）用GD2與n來表示，則 （1-4）GD2通常在機(jī)電產(chǎn)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(guān)系為：1公斤米29.8牛米2式（1-4）就是工程上常用的電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式。必須注意：式中數(shù)字375具有加速度量綱。二、電力拖動系統(tǒng)運(yùn)動狀態(tài)的分析方程式（1-2）清楚地表明，電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)不僅取決于電動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩T，且與負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL有關(guān)，即運(yùn)動狀態(tài)取決于作用在電動機(jī)軸的轉(zhuǎn)矩的代數(shù)和。1）當(dāng)TTL時，則d

13、n/dt0，即n0或n常數(shù)。此時電力拖動系統(tǒng)處于靜止或勻速狀態(tài)；2）當(dāng)T TL時，則dn/dt0，電力拖動系統(tǒng)處于加速度狀態(tài)；3）當(dāng)T TL時，則dn/dt0，電力拖動系統(tǒng)處于減速狀態(tài)。應(yīng)當(dāng)明確，只有1）拖動狀態(tài)才處于穩(wěn)定運(yùn)動狀態(tài)，是為靜態(tài)；2）和3）兩種狀態(tài)電拖系統(tǒng)都處于過渡過程中，是為動態(tài)。為進(jìn)一步理解運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，舉例說明如下：今有一電力拖動系統(tǒng)，原穩(wěn)定運(yùn)行于A點(diǎn)，此時電動機(jī)發(fā)出轉(zhuǎn)矩為TA，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TLA，由于TATLA，所以dn/dt0。若負(fù)載由TLA增加到TLB，在增加負(fù)載初始瞬間，因機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)速來不及變化，T仍為TA，使T TLB，dn/dt0，系統(tǒng)減速；隨著n的下降，電動機(jī)發(fā)出的

14、轉(zhuǎn)矩不斷增加，當(dāng)TTLB時，則TTLB,dn/dt0，減速過程結(jié)束，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行于B點(diǎn)，如圖1-2所示。若系統(tǒng)原來穩(wěn)定運(yùn)行于B點(diǎn)，后因負(fù)載突然下降到TLA，則情況與上述過程相反，電拖系統(tǒng)將出現(xiàn)加速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，直至穩(wěn)定于A點(diǎn)運(yùn)行。另外一種情況是電源電壓變動導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩的變化。例如原來穩(wěn)定運(yùn)行于如圖1-3中A點(diǎn)。當(dāng)電源電壓突然降低，電動機(jī)的機(jī)械特性由1變成2，由于機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)速不能突變，工作點(diǎn)由A（TA，nA）變成B（TB，nB）點(diǎn)，此時，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩減少到TB，使得TBTL0，dn/dtT，根據(jù)式（1-4）則有： 即，系統(tǒng)處于減速運(yùn)動狀態(tài)。對于圖1-6（b），n與T均為順時針方向，皆為負(fù)值；TL為順

15、時針方向則為正值，而且TLT，根據(jù)式（1-4）則有：TTLnTTLna)b)圖1-6 利用運(yùn)動方程式分析運(yùn)動狀態(tài) 該式兩邊乘（1）則得 即，系統(tǒng)處于加速運(yùn)行狀態(tài)。第四節(jié) 折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)矩上面討論了電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性。在運(yùn)動方程式中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩直接作用在電動機(jī)軸上。但實(shí)際傳動機(jī)構(gòu)很復(fù)雜，一般情況下，電動機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械間都有齒輪傳動及其他傳動機(jī)構(gòu)，如圖1-7所示。顯然，該圖是通過四個軸把電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n（角速度為）轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)機(jī)構(gòu)所需要的轉(zhuǎn)速ng(角速度為g)。每根軸上各有其本身的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動慣量。因此，通常要把生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)矩Tg和轉(zhuǎn)動慣量（包括軸的轉(zhuǎn)動慣量）等效到電動機(jī)

16、軸上，這項(xiàng)工作稱為折算?？梢?，折算就是把圖1-7（a）所示的實(shí)際拖動系統(tǒng)等效為圖1-7（b）的單軸系統(tǒng)，折算的原則是保持兩個系統(tǒng)傳送的功率及儲存的動能相同。一、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳動機(jī)構(gòu)見圖1-7（a）。圖中：、1、2、g為各軸的旋轉(zhuǎn)角速度（顯然與g分別為電動機(jī)和工作機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角速度），分別對應(yīng)各軸的旋轉(zhuǎn)速度n、n1、n2、ng。Jd和Jg分別為電動機(jī)和工作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量。J1、J2、J3、J4、J5、J6為各個齒輪的轉(zhuǎn)動慣量。TTLn電動機(jī)負(fù) 載a)b)Tn電動機(jī)負(fù)載圖1-7 拖動系統(tǒng)示意圖n2GDd2GD12GD22GD32GD42GD52GD62GDg2n1ngi1、i2、i3、為各對齒輪的速比。

17、減速時，i1，升速時，i1。通常都是減速。很顯然，從電動機(jī)到工作機(jī)構(gòu)的總速比ii1i2i3。于是：ni ng1、轉(zhuǎn)動慣量的折算設(shè)J為折算到電動機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量。根據(jù)儲存的動能相同的原理，得：整理后得：因GD24gJ，所以折算到電動機(jī)軸上的等效飛輪矩為： （1-5）2、轉(zhuǎn)矩的折算把工作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩T折算到電動機(jī)軸上，折算后的等效轉(zhuǎn)矩為TL，根據(jù)傳送功率相同的原則，則有：式中 傳動機(jī)構(gòu)總功率。于是： （1-6）若圖1-7所示系統(tǒng)為主軸傳動機(jī)構(gòu)，設(shè)F為切削力（牛）、R為工件半徑（米）、則主軸所負(fù)擔(dān)的切削轉(zhuǎn)矩為：TgFR（牛米）式（1-6）即為轉(zhuǎn)矩折算公式?？梢?，當(dāng)傳動機(jī)構(gòu)為減速時，折算到電動機(jī)軸上

18、的等效轉(zhuǎn)矩大大減小。二、直線運(yùn)動在生產(chǎn)實(shí)踐中，常常有許多工作機(jī)構(gòu)作直線運(yùn)動。當(dāng)然，仔細(xì)區(qū)分還有平移運(yùn)動和升降運(yùn)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(jī)，屬于升降運(yùn)動。我們以提升運(yùn)動為例，圖1-8所示為提升貨物時的情況。1、轉(zhuǎn)動慣量的折算下面計算直線運(yùn)動部分折算到電動機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量J或等效飛輪矩GD2。作直線運(yùn)動所具有的動能為mv22，如果折算到電機(jī)軸上，則動能為J22，根據(jù)儲存動能相同的原則，則有：整理后得： （1-7）因?yàn)椤?，則上式變?yōu)?（1-）式中直線運(yùn)動體的重量（牛）V 直線運(yùn)動體的速度（米/秒）若整個拖動系統(tǒng)即有作直線運(yùn)動的部件，又有作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的部件，根據(jù)式（1-5）和式（1-8）可得折算到電動機(jī)軸上的總飛輪矩： （1-9）上式對于直線運(yùn)動部分，無論是平移運(yùn)動還是升降運(yùn)動，折算公式都適用。2、轉(zhuǎn)矩的折算現(xiàn)在討論力的折算，阻力F就是重力