船舶电气课件船舶电机.ppt

1.1直流电机,本章概述实现电能与机械能相互转换的设备称为电机。应用旋转的方式进行能量转换的电机叫旋转电机，把机械能转换为电能的旋转电机称作发电机，根据电磁原理把电能转换为机械能的旋转电机称为电动机。船用电机在船舶的整个电器设备中占有很大的比例。一般几千吨位以上的船舶，电机的总数量可超过百台以上，若为电力推动船舶，电机数量更多。根据电流种类电机分交流电机和直流电机。,直流电机是实现机械能和直流电能相互转换的一种旋转电器装置。直流电机是可逆的。一台直流电机既可作为发电机使用，也可以作为电动机使用。在作为电动机使用时，它将电能转换为机械能，并且具有良好调速性能，调速设备简单，有较大的起动转矩和制动转矩等优点，在现代船舶上有时被用在要求起动转矩大调速性能好和有较大的过载能力的起货机或电动舵机的电力拖动上。在作为发电机使用时，它把机械能转换为电能。,直流发电机早期作为主电源在船舶上普遍应用，与交流发电机比较，存在的主要缺点是：电压不能变换以及结构复杂，造价高和维护工作量大等。现在大多数船舶采用交流发电机替代直流发电机，但有些船舶仍用直流发电机作为变流机组向直流电力拖动系统提供直流电能。有些船舶主机轴带发电机也是直流发电机，如远洋捕捞船的拖网机。所以直流电机仍然是船舶电气设备的主要类型之一。本章主要介绍，直流电机的工作原理、结构特点、励磁方式和直流发电机、直流电动机的基本运行特性等。,1.1直流电机,本章主要讲解内容第一节直流电机的工作原理与结构第二节电枢绕组的感应电势和电磁转矩第三节直流发电机的运行特性第四节直流电动机的运行特性,第一节直流电机的工作原理与结构,一、直流电机的工作原理1.直流电机工作原理1）图1-1直流发电机的原理图2）图1-2电刷间的电势2.直流电机的电枢绕组1）图1-2电刷间的电势2）图1-3直流电机绕组示意图3）图1-4电枢绕组的连接电路图,(a)导体ab处于N极下(b)导体ab处于S极下图1-1直流发电机的原理图,图1-3直流电机绕组示意图,B,-,10,9,9,10,11,12,1,2,3,4,5,6,7,8,3,4,图1-4电枢绕组的连接电路图,图1-5电刷偏离几何中性线示意图,二、直流电动机的工作原理,(a)导体ab处于N极下(b)导体ab处于S极下图1-6直流电动机原理图,三、直流电机的结构直流电机主要由定子和转子两大部分组成。图1-7是直流电机的解体图。定子由主磁极、换向极、机座、端盖和电刷装置等组成，转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。,图1-7直流电机解体图,返回,图1-8换向器的结构,四、直流电机的额定值（1）额定功率（）（2）额定电流（3）额定电压（4）额定转速（5）额定励磁电压（6）额定工作方式,第二节电枢绕组的感应电势和电磁转矩,一、电枢绕组的感应电势无论是直流发电机还是直流电动机，当它们运行时，即电枢以一定的转速向一个方向旋转时，嵌在电枢铁心槽内的电枢绕组便切割主磁通，产生感应电势。图1-9表示直流电机在空载时，空气隙磁密B沿电枢圆周分布曲线及电枢绕组电势。图中只画出绕组元件的上层边，而电刷通过换向片与几何中性线的元件相连,当电枢旋转时，分布在电枢上的绕组元件便产生感应电势，根据电磁感应定律，距中性线x处导体的感应电势为：,式中,Bx表示距离中性线x处的气隙磁密；l表示电枢绕组导体的有效长度；v表示电枢旋转的线速度。也是导体切割主磁场的线速度。,正、负电刷间总的感应电势是由每个支路电势决定的，因此必须把任一瞬间构成一条支路的全部串联导体所感应的电势相加起来。若以图1-3环形绕组电机为例，设为电枢绕组总导体根数，则每条支路全部串励导体根数为N/2。总电势为:,实际上，由于气隙磁密沿电枢圆周分布是梯形的，因而在一条支路中，每根导体的感应电势也随其所在位置的磁密不同而不同。为了简化计算，我们将Bx等效为平均值B，其等效磁通为。经过整理计算，其感应电势的计算公式可以表示为：,二、电枢绕组的电磁转矩根据电磁力定律，无论是直流发电机还是直流电动机，当电枢绕组中流过电流时，导体便受到电磁力的作用，电磁力的方向根据左手定则确定。如图1-10所示。电磁力对于电枢轴心又形成转矩，该转矩即为电枢绕组的电磁转矩。,电磁转矩是由电磁力产生的，而电磁力与气隙中的磁密和电枢绕组电流成正比，所以电磁转矩T正比于电枢电流Ia及每极磁通，其计算公式为:,三、直流电机的电磁功率电磁转矩所对应的功率称为电磁功率Pm，根据功率的计算公式和电磁感应的公式可以推导出电磁功率表达式。电磁功率Pm即可以由电磁转矩T和角速度相乘而得，也可以由感应电势Ea和电枢电流Ia的乘积来求得，所以电磁功率是机械能与电能的转换环节。电磁功率的表达式为:,在能量转换的过程中必然有损耗。直流电机的损耗有以下几种：机械损耗PM、铁芯损耗PFe、励磁和电枢绕组的铜损耗PCu和附加损耗(杂散损耗)P等.附加损耗P（0.51）P2(P2为输出功率)。,当直流发电机带负载时，原动机在转轴上输入的机械功率P1应与输出的电功率P2和电机内部各种损相平衡.即：,其功率可用流程图表示。如图1-11所示。T1为原动机输入机械转矩，U、I分别为发电机的输出电压和电流。由功率流程图可见，电磁功率Pm为输出功率P2和铜损PCu之和。当直流电动机带负载运行时，输入的电功率P1应与轴上输出的机械功率P2和电机内部的各种损耗相平衡。电磁功率为输出功率和机械损耗功率、铁损、附加损耗之和。直流电动机的功率流程图如图1-12所示,图1-11直流发电机的功率流程图,图1-12直流电动机的功率流程图,第三节直流发电机的运行特性,一、直流发电机的励磁方式直流发电机的励磁方式分他励和自励，自励包括并励、串励和复励。图1-13为直流发电机4种励磁方式的电路图。（1）他励发电机：励磁绕组电路与电枢电路无关，励磁电流取自其它的直流电源。其励磁功率约为直流电机额定功率的13。（2）并励发电机：励磁绕组电路与电枢电路并联。并励绕组导线细、匝数多、电阻大，励磁电流小。并励发电机的电流关系为。励磁功率约为直流电机额定功率的210。,（3）串励发电机：励磁绕组与电枢绕组串联，电枢电流即为励磁电流。因此串励绕组匝数少、导线粗、电阻极小。串励发电机的电流关系为：。（4）复励发电机：主磁极上有两个励磁绕组，其中一个和电枢回路并连（称并励绕组），另一个和电枢回路串连（称串励绕组）。当串励绕组产生的磁势和并励绕组产生的磁势方向相同时，称为积复励；当串励绕组产生的磁势和并励绕组产生的磁势方向相反时，称为差复励。复励发电机还分长复励和短复励（长复励：电枢绕组与串励绕组串励后再与并励绕组并励；短复励：电枢绕组与并励绕组并励后再与串励绕组串联）。,图1-13发电机的励磁方式,二、直流发电机的空载特性当保持发电机的转速n不变，负载电流I=0时（发电机主开关处于断开状态），发电机的电枢电势（或空载电压U0）与励磁电流If之间的关系，即曲线称为空载特性。空载特性曲线如图1-14所示。空载特性曲线与磁化曲线相似，这时直流发电机的感应电势为，与励磁电流之间为磁化曲线关系。,图1-14直流发电机空载特性,三、自励发电机建压条件（1）发电机必须有剩磁。若剩磁消失可用外电源充磁。（2）励磁电流产生的磁场要与剩磁磁场方向相同。这与并励绕组和电枢电路的连接极性及电枢的转动方向有关。在固定转动方向下，主要决定于两并联电路的连接极性。（3）励磁回路的总电阻必须小于临界电阻。励磁电阻过大或发生断路时，不能自励建立正常电压。当然转速过低，空载特性曲线变低也使两曲线的交点变低，而无法建立起正常的电压。,如果一台并励发电机有剩磁但不能自励，可以用下列两种方法改正：（1）改变电枢绕组与励磁绕组的相对联接；（2）改变电枢的旋转方向。,注意,四、直流发电机的外特性直流发电机的外特性是指在保持额定转速和励磁回路总电阻不变的条件下，改变负载大小时，发电机的端电压随负载电流而变化的关系。图1-16为他励和并励发电机的外特性曲线。曲线1为他励发电机，曲线2为并励发电机。图1-17是复励发电机的外特性曲线。当供电线路较长时通常采用过复励发电机；而船舶主电源直流发电机多为平复励发电机。图1-18给出三种励磁方式的发电机的接线图。,第四节直流电动机的运行特性,按励磁绕组和电枢绕组连接方式的不同，直流电动机和直流发电机一样，也可分为四种：他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机。由于他励和并励电动机的励磁电路都是接到外电源上，励磁电流不受电枢电流变化的影响。因此，他励和并励电动机的特性基本相同。图1-19（a）、（b）、（c）分别为并励、串励和复励电动机的接线图。图中表示串入电枢电路的起动或调速用的电阻；表示调节励磁电流的外串电阻。,一、直流电动机的基本方程直流电动机的基本方程是指电动机稳定运行时，电系统的电势平衡方程；能量转换过程中的功率平衡方程；机械系统的转矩平衡方程。直流电动机接上直流电源时，电枢绕组中流过电流，电网便向电动机输入电功率，电枢受到电磁转矩的作用而旋转起来，电动机的轴上输出机械功率。,当电动机在电磁转矩T的作用下旋转时，电枢绕组切割磁场产生感应电势E，其方向与电枢电流方向相反，因此电动机的感应电势称为反电势，它将抵制电流的流入。电网要向电枢流进电路，必须克服反电势的作用，即要求电源电压,由于反电势的作用，电动机便从电网吸收电功率，通过电磁感应的作用，将一部分电功率转换为机械功率。,1.电势平衡方程参照图1-19，不考虑和，根据基尔霍夫电压定律，并励电动机带负载运行时的电势平衡方程为：其中，而,由于励磁电流要远远小于负载电流，所以并励发电机电枢电流近似等于负载电流，即。,或,2.功率平衡方程3.转矩平衡方程,二、直流电动机的机械特性直流电动机的转速与转矩之间的关系称为直流电动机的机械特性，它表明了直流电动机在一定的条件下，转速与电磁转矩两个机械量之间的对应关系。直流电动机的自然机械特性关系式：,图1-20直流电动机的机械特性,积复励,直流电动机的机械特性与励磁方式有关：(1)并(或他)励电动机：由于每极磁通、理想空载转速和系数均为常数，故转速随转矩的增加而降低，如图1-20所示；但由于电枢电阻很小，转速随负载的变化不大，其转速变化率仅为38，故为硬机械特性。适于要求恒转速拖动的生产机械。,(2)串励电动机：由于串励磁通随负载的增加而增知，从而使转速随负载的增加而迅速下降，如图1-20所示。该特性曲线的特点是：空载转速非常高，机械特性比较软。当负载转矩较小时，转速将很高，甚至会超出最高限度的数值，导致电机机械结构的损坏。所以，串励直流电动机绝对不允许空载起动及空载运行。它的软特性、起动力矩比较大，适用于起动困难的场合。,三、直流电机的电枢反应和直流电机的换向1直流电机的电枢反应当电机有负载后，便有电流流过电枢绕组，产生电枢磁场，此时电机的气隙磁场由主磁场和电枢两个磁场共同决定。电枢磁场对主磁极磁场的影响称为电枢反应。所示如图1-21（a）（b）、（c）所示,(a)(b)(c)图1-21电刷位置与电枢反应,1.2变压器,本章概述变压器是一种静止的电器，由绕在共同铁心上的两个或两个以上的绕组通过交变磁场而联系着，利用电磁感应原理从一个电路向另一个电路以磁场能量为中介传递电能或传输信号，把某一种等级的电压与电流转变成另外一种等级的电压与电流。工程上常用的最简单的变压器是由一个作为磁路的闭合铁心和两个作为独立的电路而有不同匝数的绕组组成的，如图2-1所示。其中一个绕组接到交流电源，称为原绕组，另一个绕组接到负载，称为副绕组。有关原、副绕组的各个物理量的下标皆分别以1和2表示。,图2-1单相变压器的原理图,1.2变压器,本章主要讲解内容第一节变压器的用途及分类第二节变压器的基本结构和铭牌第三节变压器的工作原理及运行特性第四节三相变压器的磁路系统第五节变压器的联接组及三相变压器的运行问题第六节自耦变压器及仪用互感器,第一节变压器的用途及分类,一、变压器的用途（1）从输电方面来说，采用高压输电较为经济，因为当输送功率一定时，电压越高，输电线上的电流越小，输电线截面小，可以节省有色金属；当输电距离、输电线材料及其截面大小一定时，线路上的损耗小。（2）在用电方面多采用低压电，这主要是为了安全，同时可以降低用电设备的绝缘等级、减少成本，为此必须要用降压变压器将输电线上的高压降低到配电系统所需要的电压。,（3）在交流船舶上，各种不同的用电设备需要大小不同等级的电压，因而需要有不同型式的变压器。（4）在船舶电力系统和控制系统中，变压器主要应用于主照明、应急照明、厨房照明、控制用电源以及各种仪用互感器中；在采用电力推进船舶中，变压器还用于升压和降压。,二、变压器的分类变压器的种类很多，可以从不同的角度来予以分类（1）根据变压器的用途来划分（2）根据变压器本身的结构来划分（3）按相数来划分（4）根据变压器的冷却条件来划分,第二节变压器的基本结构和铭牌,一、变压器的基本结构,二、变压器的铭牌数据1.额定视在功率2.额定线电压3.额定线电流4.频率f5.相数m6.接线图与联接组7.漏阻抗Z或短路电压8.运行方式（长期的或短期的）9.冷却方式10.变压器的总重量,变压器的额定电压与额定电流是这样规定的：原绕组额定电压是指电网（电源）加到原边的额定电压；而副绕组的额定电压是指在原边加上额定电压后，变压器处于空载状态，即副边开路电压。已知变压器的额定容量和原、副边绕组的额定电压，就可以求出原、副绕组的额定电流来。当变压器副边电流达到额定值时，这时的负载叫做变压器的额定负载。,第三节变压器的工作原理及运行特性,一、理想变压器的运行所谓理想的变压器是认为它满足下列条件：原绕组副绕组电阻都等于零；原副绕组间没有漏磁通，也就是它们完全耦合；铁心中没有损耗；铁心的导磁率为无穷大。,图（2-7）表示一台单相变压器（或三相变压器中的一个相）。为了正确地表示电压、电流、磁通等量之间的相位关系，必须规定它们的正的或负的方向。通常按电工惯例来规定正方向，并符合下列内容：,1.在同一支路内，电压与电流的正方向一致2.磁通量正方向与电流正方向之间符合右手螺旋关系3.由交变磁通产生的感应电动势正方向与产生该磁通的电流正方向一致，并有的关系（电磁感应定律）。,图2-7变压器在运行时的各物理量,需要说明的是，正方向并不是它们的实际方向，只是说明方向的相对关系，起到指路牌的作用。上面的规定只限于各量之间方向的问题，下面我们将进一步讨论它们之间的数量上关系。,说明,1电压关系在理想变压器中，端电压的比就等于电势的比一般习惯，取变比为高压匝数与低压匝数之比，因此总大于1。,2电流关系原副边电流的数值是不同的，它们的大小关系及相量关系是,3功率关系从式电压和电流的关系可以看出：也就是说理想变压器内部没有损耗，输入功率等于输出功率，效率是100%。,4阻抗折合关系变压器还具有阻抗变换作用，如图（2-9），副边接负载阻抗，根据欧姆定律，则由于副边接阻抗ZL,原边就有一电流I1输入。因此，由变压器的原边看上去，副边阻抗的影响相当于一等值阻抗ZL，它的数值是称为副边的阻抗折合到原边的数值，由此可见，当负载直接接电源时，阻抗为ZL，当通过变压器接电源时，相当于阻抗增加到ZL的k2倍。,在电子技术中，经常利用变压器的这一阻抗变换作用来实现“阻抗匹配”。对理想变压器的讨论突出了变压器的主要作用，就是变电压，变电流，和阻抗折合的关系，这些都和变比k有密切关系。由于忽略了内部损耗和漏阻抗，理想变压器的效率等于100%，带负载时副边端电压不变。要研究实际变压器的性能，就要涉及到内部损耗和漏阻抗，就必须考虑其他因素。,二、实际变压器的空载运行1.考虑铁心中的影响图2-102.考虑铁损耗的影响图2-113.考虑绕组漏阻抗的影响图2-124.空载时的向量图图2-135.变压器在空载时的等值电路图2-14,图2-12变压器的无载情况,（a）（b）图2-14空载时的等效电路,三、变压器的负载运行1.负载时电压和电流（1）原边电流和原边电势磁势：电势：电流：,（2）副边电势平衡关系,图2-15变压器的主磁通和漏磁通,（2-32）,2.变压器的等值电路原副边磁势平衡关系为或即原副边磁势平衡关系可以写成原副边电流平衡的关系，匝数已消去。原边电流的两个分量为:其中,即负载分量电流总与折合过后的副边相等而方向相反,原、副边的电势关系为：副边电势平衡关系依旧:总结折合过的变压器中各关系的联立方程式如下:,这些方程式中已经没有k，分析较简单，而且得出的原副边的电压或电流的数量级是一样的。更重要的是，根据这些等式，可以找出变压器的等值电路，如图2-16所示。图2-16为变压器的“T”形等值电路,返回,在分析变压器带负载时激磁电流是较小的，它对中的压降的影响是极小的，因此，在分析变压器负载时的问题时，可以把忽略，而将等值电路进一步简化成如图2-17所示的一个串联阻抗型式。图中（）变压器的全部漏阻抗，包括原边和副边的漏阻抗。也称为短路阻抗，因为可以用短路实验求出。用这个简化等值电路后，分析将十分简单，而结果的正确程度也能满足工程的要求。,总的说来，折合算法和等值电路是一个重要的分析方法，它是用来分析两个绕组之间通过电磁感应，存在能量传递时的相互关系的一个通用方法，不仅用于分析变压器的问题，也用于分析其它电机的问题中。要注意等值电路中所表示的都是一相的数值，用在三相变压器时是指对称运行时的一相的情况，所有阻抗都是每相的数值，变比也是相电压之比或每相匝数之比。,四、变压器的基本参数及实验等值电路中的阻抗和，称为变压器的参数，它们对变压器的运行性能有着直接的影响。一旦知道了变压器的参数，就能得到变压器的等值电路，也就能分析变压器的运行性能。另一方面，从生产变压器的角度来看，变压器所用材料的性质和各部分的结构尺寸都将影响它的参数，所以参数对变压器的生产成本也有相当大的影响。因此正确决定变压器的参数，不论对生产或使用变压器来说，都有重要的意义。,1.基本参数（1）短路电阻（2）短路电抗（3）激磁回路阻抗及激磁回路阻抗是一个等值阻抗，它反映了变压器的铁心中产生交变磁通时所消耗的有功功率与无功功率。,2变压器的空载实验变压器变比：励磁阻抗：励磁电阻：励磁电抗：如图：图2-18,3短路实验由图2-19可知：因UK=I1ZK,故漏阻抗或路阻抗为：输入功率，所以:短路电抗为：,五、变压器的运行特性1变压器带负载时副边端电压的变化外特性曲线，如图2-20所示,2变压器的效率,第四节三相变压器的磁路系统,一、三相变压器组的磁路如图2-21所示，三相变压器组的磁路特点是，三相磁通各有自己单独的磁路，互不相关。当原边外加三相电压对称时，各相的主磁通必然对称，各相的励磁电流，即空载电流也是对称的。其优点是制造和运输方便；备用的变压器容量较小（全组容量的三分之一）。但它有硅钢片用量较多、价钱较贵、效率较低、占地面积较大等缺点，所以一般不采用，仅用于大容量及超高压的变压器中。,二、三相变压器的磁路,第五节变压器的联接组及三相变压器的运行问题,一、变压器的联接1单相变压器的联接2三相变压器的磁路和绕组联接（1）三相变压器的磁路系统（2）三相绕组的联接（3）三相变压器的联接组别，原副边电压的相位移Y/Y连接Y/联接（4）标准连接组,图2-27三相的各种接法,X,Y,Z,a,b,c,x,y,z,图2-30Y/Y-6联结组,第六节自耦变压器及仪用互感器,一、自耦变压器,图2-32自耦变压器,二、仪用互感器1.电压互感器,2.电流互感器,3.钳形电流表,图2-36钳形电流表,被测电流的导体,可开合铁心,1.3异步电动机,本章概述交流电机主要分同步电机和异步电机。交流异步电动机的可将交流电能转换为机械能从而拖动机械负载。与直流电机及其他电动机相比较，异步电动机具有结构简单、起动方便、运行可靠、价格低廉、维护保养方便等优点。目前船舶上几乎所有的甲板机械及机舱辅机动力电动机都采用三相鼠笼式异步电动机，而对于一些需要进行变速控制的拖动设备，如起货机、锚机等，目前也正逐步采用三相异步电动机来替代其它动力设备。异步电动机的主要缺点是必须从电网吸收滞后的无功功率，而轻载时功率因数较低，这对船舶电网以及发电机的运行较为不利。本章主要介绍异步电动机的结构及工作原理。,1.3异步电动机,本章主要讲解内容第一节三相异步电动机结构与铭牌数据第二节异步电动机的旋转磁场与工作原理第三节异步电动机的定子与转子电路第四节三相异步电动机的电磁转矩与机械特性第五节三相异步电动机工作特性与选择第六节单相异步电动机,第一节三相异步电动机结构与铭牌数据,一、三相异步电动机的基本结构三相异步电动机按照转子结构形式不同分为鼠笼式和绕线式两种，船舶上大多采用鼠笼式。图3-1为一台三相鼠笼式异步电动机的结构分解图。鼠笼式异步电动机主要由两个基本部分组成：静止不动的定子和可以旋转的转子。定子和转子之间有一很窄的空气隙。此外还有支撑转子的端盖等。,图3-1三相鼠笼式异步电动机结构,1.定子三相异步电动机的定子主要是用来产生旋转磁场。它由机座（外壳）、定子铁心和定子绕组三部分组成。（1）机座与端盖：机座是用来安装定子铁心和固定整个电动机用的，一般用铸铁或铸钢制成。机座也是散热部件，其外表面有散热片。端盖固定在机座上，端盖上设有轴承室，以放置轴承并支撑转子。,（2）定子铁心：定子铁心是电动机磁路的一部分，由于异步电动机中产生的是旋转磁场，该磁场相对定子以一定的同步转速旋转，定子铁心中的磁通的大小及方向都是变化的。定子、转子铁芯如图3-2所示。异步电动机常用的定子铁心槽的形状如图3-3示。,图3-2异步电动机定子、转子铁芯形状,（3）定子绕组：定子绕组是定子中的电路部分。定子绕组为三相绕组，即三个完全相同的独立绕组，一般采用漆包线绕制。定子绕组的两种接线方法如图3-4所示。,2.转子转子是电动机的旋转部分，其作用是在旋转磁场的作用下获得一个转动力矩，以带动生产机械一同转动。异步电动机的转子有鼠笼式和绕线式两种型式。两种转子均包括转子铁心、转子绕组、转轴、轴承、滑环（仅限绕线式中有）等。（1）转子铁心：转子铁心用厚度为0.5mm硅钢片叠成，压装在转轴上，转子硅钢片形状如图3-2（b）所示。以此片叠成的铁心外圆的表面有均匀分布且与转轴平行的糟，槽内嵌放转子绕组。,（2）鼠笼式转子绕组：鼠笼式转子绕组是裸铜条或由铸铝制成。铜条绕组是把裸铜条插入转子铁心槽内，两端用两个端环焊成通路，参见图3-5。铸铝绕组是将铝熔化后浇铸到转子铁心槽内，两个端环及冷却用的风翼也同时铸成。一般小型笼式异步电动机都采用铸铝转子。,（3）绕线式转子绕组：绕线式转子绕组是由漆包铜线绕成的三个完全相同的线圈嵌放到转子铁心的槽口内。另一端分别接到固定在转轴上的三个滑环（也称集电环）上，滑环间和滑环与转轴间要绝缘。滑环上固定着电刷。通过滑环、电刷将转子绕组电路与外电路相连。通常外电路是呈星形连接的电阻，如图3-6所示。通过转子电路接入适当的附加电阻改善异步电动机的起动性能（增大起动转矩，减小起动电流）或调速性能（通过改变外接电阻的阻值改变异步电动机的转速）。图3-7为绕线式异步电动机的外形结构图。,图3-5鼠笼式转子,返回,图3-6绕线式异步电动机转子结构,图3-7绕线式异步电动机的外形结构,3.气隙异步电动机的定子与转子之间有一很窄的空气隙。中小型异步电动机的气隙一般为0.21.0mm。气隙的大小直接关系到电动机的运行性能。通常，气隙越小，电动机磁路中的磁阻越小，产生一定量磁通所需要的励磁电流就小，电动机运行性能越好。,二、三相异步电动机的铭牌数据在每台电动机的外壳上都有装有一块铭牌，该铭牌上标出这台电动机的主要技术数据。数据主要包括下列几项：1.型号2.额定电压3.额定电流4.额定功率因数5.额定功率6.额定频率7.额定转速8.工作方式9.接法,第二节异步电动机的旋转磁场与工作原理,一、三相异步电动机的旋转磁场1.定子旋转磁场的产生以两极三相异步电动机为例，如图3-8所示，三相异步电动机的定子绕组是结构完全相同的三相绕组，三相绕组的首、末端分别用U1-U2、V1-V2、W1-W2表示，在制作时三相绕组沿定子铁心内圆周均匀而对称地放置在内。所谓对称，即三相线圈的首端（或末端）在定子内圆周上彼此相隔120，图3-8（a）所示。为分析方便，每相绕组用一匝线圈代替，三相绕组将分布在六个槽口中。三相线圈根据需要可以接成星形或者三角形，图3-8（b）将它们作星形联接（把三个末端U2、V2、W2并接在一起）。,图3-8异步电动机的三相绕组与三相电流,当对称三相交流电源接入三相绕组的U1、V1、W1端后，三相定子绕组中便有三相对称电流iA、iB和iC流入，三相对称电流分别为其波形及相位关系如图3-8(c)所示。设三相电流的正方向是从绕组的首端流人（用表示），末端流出（用表示）。下面从几个不同瞬间来分析三相交流电流流过定子绕组所产生的合成磁场。,t=0时，iA=0，U相绕组中没有电流；iB是负值，即V相绕组中电流由V2端流进，V1端流出；iC为正值，即电流从W1端流进，W2端流出。根据右手螺旋定则，可确定合成磁场磁轴的方向如图3-9（a）所示。t=60时，iC=0；iA为正值，电流由U1端流进，U2端流出；iB为负值，电流由V2端流进，V1端流出，此时合成磁场如图3-9（b）所示。相比t=0时刻，合成磁场在空间按逆时针方向旋转了60。,t=90时，iA为正值，而iB、iC均为负值，同理可得合成磁场的方向如图3-9（c）所示。与t=0时刻相比，合成磁场在空间按逆时针方向旋转了90。由此可见，随着定子绕组中的三相电流随时间不断变化，它所产生的合成磁场则在空间不断地旋转，这就是旋转磁场。这种旋转磁场如同一对磁极在空间旋转所起得作用是一样的。,（a）t=0（b）t=60（c）t=90图3-9一对极旋转磁场的形成,产生旋转磁场必须满足两个条件：（1）至少要有两个定子绕组，这些绕组之间要有空间相位差；（2）通入这些绕组中的正弦交变电流之间要有时间相位差。,2.旋转磁场的转向将相序为ABC的三相电压对应接入三相绕组U、V、W后，三相绕组中电流达到最大值的顺序是：先是U相电流iA、其次是V相的电流iB，再次是W相的电流iC。由图3-9可看出：磁场旋转的转动方向是由U相线圈平面（U1-U2）经V相线圈平面（V1-V2）转向W相线圈平面（W1-W2）。由此可见，旋转磁场转向是与三相绕组中电流达到最大值的顺序是一致的，或者说旋转磁场转动方向是由三相绕组中所通入电流的相序决定的。若要改变旋转磁场的转向，只需把接入定子绕组的电源相序改变即可。,（a）t=0（b）t=60（c）t=90图3-9一对极旋转磁场的形成,3.旋转磁场的转速与磁极对数之间的关系在两极（一对磁极）旋转磁场的分析中我们知道，当定子绕组中电流变化一周时，旋转磁场转了一周，若电流的频率为f1，则电流每秒变化f1周，旋转磁场的转速为f1转/秒。通常转速是以每分钟转数(r/min)计算，若以n0表示旋转磁场的转速，则有当f150Hz,旋转磁场的转速为3000r/min。,图3-10四极异步电动机定子绕组,设电流的频率为f1，电流每分钟变化的周数为60f1,故每分钟旋转磁场转过（60f1）/p转，故旋转磁场的转速为：旋转磁场的转速n0又称异步电动机的同步转速，其单位为r/min。因为电源的频率和磁极对数通常是固定的，所以一台异步电动机的同步转速n0是一个不变的常数。表4-1列出了电源频率为50Hz和60Hz时异步电动机的同步转速与磁极对数的对应关系。,表4-1电源频率为50Hz和60Hz时异步电动机的同步转速n0与磁极对数的对应关系,二、异步电动机的转动原理异步电动机的转动原理可以用图3-12说明。转子转动的方向与旋转磁场方向相同，当旋转磁场方向反向时，电动机的转子也跟着反转。异步电动机的转动是基于电磁感应，故又称之为感应电动机。,三、异步电动机的转差率设旋转磁场和转子相对静止的空间的转速分别为n0、n，则旋转磁场对转子的的相对转速差为n=n0n,它与同步转速n0的比值称为异步电动机的转差率，用s表示，则有:转差率常用百分率表示，即有,计算转差率公式还可以改写为或或异步电动机还可能工作于其它非电动机状态，如转子转速nn0,转差率为s1的电磁制动状态。,一、定子电路中各电量的关系1.定子电路中感应电势由前一节可知三相定子绕组接通交流电源后，定子三相对称电流在电动机内的空气隙中形成旋转磁场。其磁场的磁通分两部分，其中大部分同时穿过定子和转子绕组，称为主磁通；另有少量漏磁通分别穿过定子绕组和转子绕组，如图3-14所示。主磁通在定子绕组感应电势相位上比主磁通滞后90，其有效值为,第三节异步电动机的定子与转子电路,2.定子电路电压平衡方程异步电动机的定子电路的电压平衡方程为式中是定子一相绕组漏阻抗。由于和很小，在定量分析时，常可忽略不计。因此,即：图3-15的左半部分是三相异步电动机定子的等效电路。,二、转子电路中各电量的关系三相异步电动机运行时闭合的转子绕组切割旋转磁场，且在转子上产生感应电势，产生转子电流，因转子中还存在转子漏感电势和转子绕组电阻压降，其等效电路与变压器副边短路时情况相同。如图3-14的右半部分电路所示。,1.转子电路电势频率当异步电动机转子以转速n旋转时，旋转磁场相对于转子的转速为n=n0n，即旋转磁场以n的转速切割转子绕组，因此在转子绕组中感应电势，该电势的频率为：,2.转子感应电势每极磁通切割转子绕组并在其中感应转子电势E2，其大小为:当n=0时，s=1，即f2=f1，设此时转子感应电势的有效值为:定值并且由前两式比较可得:,与定子漏磁通一样，转子电流所引起的漏磁通在转子绕组中也要产生漏磁感应电势。,3.转子电流I2及功率因数cos2转子电路中的电阻及电抗分别为、，因而转子电流的有效值为：由于转子电路为感性电路，所以其电流I2在相位上将滞后电势，转子电路的功率因数为,转子电流I2、功率因数cos2与s之间的关系曲线如图4-15所示。,4.鼠笼式转子的磁极对数绕线式异步电动机的转子绕组分布与定子绕组相同，则定、转子有相同的磁极对数。鼠笼式异步电动机的转子绕组是由导电条组成，其磁极对数由定子磁极对数决定，即恒等于定子的磁极对数。图3-16是2对极鼠笼式转子的展开图.,图3-18四极鼠笼转子展开图,三、定子和转子各量的相互关系1.定子磁场和转子磁场已知异步电动机定子旋转磁场的同步转速为n0，转子转速为n，这时转子电流也要产生旋转磁场，设该磁场相当于转子的转速为n2，则因为转子相对于定子的转速为n，所以转子旋转磁场相对静止空间的转速应是：,2.定子磁势与转子磁势定子磁势转子磁势空载运行磁势异步电动机的磁势平衡方程,3.定子电流和转子电流将磁势平衡方程各项同除k1N1后可以得到定、转子电流的平衡关系式，即,第四节三相异步电动机的电磁转矩与机械特性,一、电磁转矩三相异步电动机的电磁转矩是指电动机的转子受到电磁力的作用而产生的转矩，它由旋转磁场的每极磁通与转子电流相互作用产生的。异步电动机电磁转矩为:转矩的另一个表达式,二、三相异步电动机的转矩特性与机械特性1.电磁转矩特性T=f(s)在一定的转子电阻R2和电源电压U1下，电动机的电磁转矩与转差率的关系曲线称为一部电动机的转矩特性。,图3-17三相异步电动机T=f(s)曲线,图3-18三相异步电动机机械特性曲线,2.机械特性n=f(T)异步电动机的转子的转速n与电磁转矩T的关系称为机械特性。而机械特性很容易通过转矩特性获得。因为：故：三相异步电动机的机械特性曲线如图3-18所示。,机械特性曲线上有三点反映了它的基本性能和特点：（1）最大转矩Tmax，反映过载能力；（2）起动转矩Tst，反映起动性能；（3）额定转矩TN，反映稳定运行的负载能力和特点。,(1)额定转矩TN异步电动机在额定负载时轴上输出的转矩称为额定转矩TN。在异步电动机等速转动时，电动机的转矩T必须与阻转矩相平衡，阻转矩包括负载转矩和空载损耗转矩（电机本身的风阻、摩擦阻力等）T0，所以:由于T0很小一般可忽略，因此可得异步电动机中转矩平衡方程为：,由于转轴转动时输出机械功率等于角速度与转矩的乘积，因此电动机的输出转矩与输出功率P2的关系是：实用中，P2的单位常用千瓦（kW）,n的单位是转/分（r/min），则上式为:,第五节三相异步电动机工作特性与选择,一、异步电动机的工作特性三相异步电动机的主要工作特性是指电动机在额定电压和额定频率下运行时，电动机的定子电流、效率及定子绕组功率因数随输出功率P2的变化关系。图3-23是一台10kW的三相异步电动机的工作特性曲线。,1.定子电流特性I1=f(P2)异步电动机空载运行时，定子电流近似为励磁电流I0。随着输出功率P2的增加，转子电流增大，定子电流I1也相应增大。所以其特性曲线是一条从I0逐渐增大的曲线，当输出功率P2超过额定功率之后，转子电流增大较快，定子电流也相应增大很快。异步电动机空载和轻载时，定子电流较大，其空载电流I0与额定电流IN之比约为2050。这是因为电动机的磁路存在气隙，磁阻较大，所以产生一定量的磁通所需要的电流就大。,2.效率特性=f(P2)电动机轴上输出的机械功率P2与定子输入功率P1之比称为效率。即通常一般三相异步电动机的额定效率约为0.720.93。电动机容量越大效率相对越高。,3.功率因数特性因为电动机是电感性负载，定子相电流比相电压滞后一个角，cos就是电动机的功率因数。三相异步电动机的空载功率因数很低，约为0.2左右，当输出功率增加时，定子电流中有功分量增大，使功率因数提高，当接近额定功率时，功率因数达最大值。如果负载继续增大，由于转差率的增加，转子功率因数降低较大，定子功率因数开始逐渐减小。,二、三相异步电动机的选择在船舶上三相异步电动机的使用非常广泛，正确的选用电动机是关系到船舶安全运行和经济运行的重要保障。选择电动机应按照生产机械的实际要求，正确选择电动机的容量、种类、型式等。,1.功率的选择电动机的额定功率等于或稍大于生产机械的功率。若功率选择太小，电动机会因过载而损坏，甚至烧毁；选择得太大，则不但增加投资，而且电动机没有充分发挥它的作用，效率和功率因数都会降低。一般对连续运行的恒定负载，如果生产机械的功率为，则电动机的功率P可按下式算出：,2.种类的选择一般选择电动机种类主要从以下几方面考虑：交流还是直流、机械特性（硬特性或软特性）、调速与起动性能、维护及价格等。,3.结构型式的选择电动机的结构型式主要有：（1）开启式：这种电动机的带电部分和旋转部分没有任何防护装置。散热好，造价低。用于干燥无灰尘的场所。（2）防护式：在机壳或端盖下面有通风罩，可防水滴、铁屑等杂物从上面或与垂直方向成45角以内掉入电动机内部。（3）封闭式：有封闭外壳保护，电动机靠自身风扇或外部风扇冷却，外壳带有散热片。适用于潮湿、尘埃多、水土飞溅的场所。（4）防爆式：外壳完全封闭，适用于有爆炸气体的场所，例如船上的蓄电池室。,4.电压与转速的选择电动机电压的选择是根据使用地点的电源来决定的。电动机额定转速的选择应由生产机械的转速和传动设备的情况来决定，通常电动机的转速应尽量与生产机械的转速一致，以便直接传动，避免传动装置复杂化。,第六节单相异步电动机,用单相电源供电，且只有一相定子主绕组的异步电动机称为单相异步电动机。单相异步电动机也是由转子和定子两部分组成。转子全部采用普通的鼠笼式结构；而定子通常有两个绕组，一个为单相运行绕组（也称为主绕组）；另一个为起动绕组（又称为辅助绕组），在空间相隔90放置。通常起动绕组通过一个离心开关S与运行绕组并联接入单相电源，当转子转速达到额定转速的75左右，此开关在离心力的作用下把该电路切断。,一、单相异步电动机的工作原理1.脉动磁场单相异步电动机的定子运行绕组接入正弦交流电后产生一个振幅随时间作正弦变，磁极在绕组轴线方向的空间保持不变的脉动磁场，如图3-24所示。脉动磁场在转子绕组中产生感应电势和电流，此时转子电流与磁场作用产生的转矩大小相等，方向相反，因此作用在转子上的合成转矩为零。电动机不能转动。如加一外力预先推一下转子向任意方向转动，则接通电源后电动机即可沿着这个方向转动起来，并能带动一定的机械负载。,图3-24单相定子脉动磁场,2.电磁转矩特性脉动磁场分解的两个旋转磁场对转子的作用与三相异步电动机相同，分别会在转子上产生电磁转矩T+和T-，而总转矩为二者的合成。当电动机接通电源转子处于静止尚未转动时，T+与T-大小相等，方向相反，合成转矩为零，所以单相异步电动机没有起动转矩，不能自行起动。当转子借助外力沿某一方向（如正向旋转磁场的方向）转动时，转子相对于两个反向旋转磁场的转差率不同。转子对于与其同方向的旋转磁场的转差率为而,单相异步电动机没有固定转向，它的转动方向决定于起动初始外力矩的方向。,则与逆向旋转磁场的转差率则为，而,3.机械特性曲线单相异步电动机的机械特性曲线的绘制方法与三相异步电动机相同。先设只有正向旋转磁场，得到n+=f(T+)曲线，然后再设只有逆向旋转磁场，得到n-=f(T-)曲线。最后逐点合成转矩既可得到单相异步电动机的机械特性曲线如图3-25所示。,图3-25单相异步电动机曲线,二、各种类型的单相异步电动机单相异步电动机自身没有起动转矩，为了解决起动问题，一般在起动时先使定子产生一个旋转磁场，由此产生起动转矩。按起动方法的不同，单相异步电动机有以下几种类型。1.电容分相式异步电动机2.电阻分相式异步电动机3.罩极式单相异步电动机,1.电容分相式异步电动机电容分相式异步电动机定子上有两套绕组，空间相差90，在其起动绕组中串入一适当容量的电容器，然后与工作绕组并联接到单相交流电源上，如图3-27所示。此时起动绕组中的电流在时间相位上近似超前于工作绕组中的电流90。若要改变电容分相式异步电动机的转向，只需将工作绕组或起动绕组中的一个接线端对调即可。,图3-26电容分相异步电动机机,2.电阻分相式异步电动机还有一类单相异步电动机用增大起动绕组电阻的方法分相。由于与工作绕组并联的起动绕组电阻较大，则滞后电源电压的相位角比较小，而工作绕组电流的相位不变，这样，两个绕组中电流存在相位差而产生旋转磁场。电阻分相式异步电动机的分相角很小，约为2030。,3.罩极式单相异步电动机较小容量的异步电动机常采用罩极式结构。单相罩极式结构异步电动机的定子铁心由硅钢片叠成，通常做成凸极式。其工作绕组集中套在磁极上，铁心凸出的磁极上约三分之一处开槽，套上一铜制短路环，也称为罩极绕组，如图3-27所示。罩极式单相异步电动机只有一个固定的转向。,图3-27罩极式单相异步电动机,1.4控制电机,本章概述控制电机是自动控制系统中应用范围非常广泛的旋转电器。在船舶控制系统中也得到了广泛应用。例如船舶雷达的自动定位、方向舵的自动操纵与监测、传令用电车钟，调速装置等都要使用控制电机。控制电机种类很多，根据它们在自动控制系统中的作用，可分为执行元件和测量元件两大类。执行元件主要包括交、直流伺服电动机、步进电动机等，它的任务是将输入的电信号转换成轴上的角位移或角速度的变化；测量元件主要包括交、直流测速发电机、自整角机等，它可以用来测量机械转角、转角差和转速等。本章介绍几种船舶常用的控制电机的基本结构、工作原理、特性和用途。,1.4控制电机,本章主要内容第一节伺服电动机第二节测速发电机第三节自整角机,第一节伺服电动机,伺服电动机在控制系统中是用作驱动控制对象的执行元件，它的转矩和转速受信号电压的控制。特点：当有电信号（交流控制电压或直流控制电压）输入到伺服电动机的控制绕组时，它就马上拖动被控制的对象旋转；当电信号消失时，它就立即停止转动。伺服电动机分为交流和直流两种