第二章船舶电机与电力拖动系统.ppt

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1、1.1 直流电机的结构、励磁方式与运行特性1.2 变压器1.3 交流异步电动机1.4 控制电机及其在船舶上的应用1.5 船舶常用控制电器1.6 异步电动机常用控制电路1.7 锚机、绞缆机电力拖动控制系统1.8 起货机电力拖动控制系统1.9 船舶舵机控制系统,3.1 三相异步电动机的基本结构,一、定子部分,1、定子铁心导磁部分。定子铁心是电机磁路的一部分，并起固定定子绕组的作用。为了增强导磁能力和减小铁耗，定子铁心常选用0.5mm或0.35mm厚的硅钢片冲制叠压而成，片间涂上绝缘漆。定子铁心内圆均匀冲出许多形状相同的槽，用以嵌放定子绕组。,2、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内导电部分。定子绕组是异

2、步电动机的电路部分，其材料主要采用紫铜。小型异步电动机常采用三相单层绕组，大中型异步电动机常采用三相双层短矩叠绕组形式，三相绕组的六个出线端子均接在机座侧面的接线板上，可根据需要将三相绕组接成Y形或形。,3、机座 机座是电动机的外壳，支撑电机各部件，并通过机座的底脚将电机安装固定。全封闭式电机的定子铁心紧贴机座内壁，故机座外壳上的散热筋是电机的主要散热面。中小型电机采用铸铁机座。大型电机一般采用钢板焊接机座。,定子绕组,机 座,二、转子部分,1、转子铁心 转子铁心也是电机磁路的组成部分，并用来固定转子绕组。铁心材料也用0.5mm或0.35mm厚的硅钢片冲制叠压而成，故通常用冲制定子铁芯冲片剩余

3、下来的内圆部分制作。转子铁芯固定在转轴上，其外圆上开有槽，用来嵌放转子绕组。,2、转子绕组根据转子绕组的结构型式可分为 1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2）绕线式转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。,异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允许达到的最小值。,三、气隙,转 子,转子铁心,按转子结构分：,绕线型异步电动机,鼠笼型异步电动机,鼠笼型转子铁心和绕组结构示意图,三相绕线型转子结构图,3.2 三相异步电动机的基本工作原理,一、转动原理,1、电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。,2、磁生电：旋转磁场切割转子导体

4、感应电动势和电流。,3、电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。,异步电动机的三相绕组与三相电流,（a）t=0（b）t=60（c）t=90一对极旋转磁场的形成,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 60 f1,故每分钟旋转磁场转过（60 f1）/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。下表列出了电源频率为 50Hz 和60 Hz时异步电动机的同步转速 与磁

5、极对数的对应关系。,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、转差率,转差率是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种运行情况。,负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转速为：,额定运行时，转差率一般在0.010.06之间，即电机转速接近同步速。,同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用s表示，即：,三、异步电机的三种运行状态,根据转差率的大小和正负,异步电机有三种运行状态,3.3 名牌和额定值,一、铭牌,例:,二、额定值 额定功率-额定运行时输出的机械功率。额定电压-额定运行状

6、态时加在定子绕组上的线电压。额定电流-在额定运行状态下流入定子绕组的线电流。额定频率-50HZ额定转速-额定运行时电动机的转速。,三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电动机的定子部分完全相同。对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活地接成“Y”形或“D”形。,三、接线,3.4 三相异步电动机的电路分析,三相异步电动机的电磁关系与变压器类似。,变压器：变化 eU1 E1=4.44 f N1 E2=4.44 f N2,E1、E2 频率相同，都等于电源频率。,一、定子电路,1.旋转磁场的磁通,异步电动机：旋转磁场切割导体 e，U1 E1=4.44 f 1

7、N1,每极磁通,旋转磁场与定子导体间的相对速度为 n0，所以,2.定子感应电势的频率 f1,感应电势的频率与磁场和导体间的相对速度有关,f 1=电源频率 f,二、转子电路,1.转子感应电势频率 f 2,定子导体与旋转磁场间的相对速度固定，而转子导体与旋转磁场间的相对速度随转子的转速不同而变化,定子感应电势频率 f 1 转子感应电势频率 f 2,转子感应电势频率 f 2,旋转磁场切割定子导体和转子导体的速度不同,2.转子感应电动势E 2,E2=4.44 f 2N2=4.44s f 1N2,当转速 n=0(s=1)时，f 2最高，且 E2 最大，有,E20=4.44 f 1N2,转子静止时的感应电

8、势,即E2=s E20,转子转动时的感应电势,3.转子感抗X 2,当转速 n=0(s=1)时，f 2最高，且 X2 最大，有,X20=2 f1L2,即X2=sX20,4.转子电流 I2,5.转子电路的功率因数 cos2,转子绕组的感应电流,转子绕组的感应电流,转子电路的功率因数,结论：转子转动时，转 子电路中的各量均与转 差率 s有关，即与转速 n有关。,3.5 三相异步电动机转矩与机械特性,一、转矩公式,转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁力所形成的转矩之总和。,常数，与电机结构有关,旋转磁场每极磁通,转子电流,转子电路的功率因数,由此得电磁转矩公式,由公式可知,电磁转矩公式,1.T

9、 与定子每相绕组电压 成正比。U 1 T,2.当电源电压 U1 一定时，T 是 s 的函数。,3.R2 的大小对 T 有影响。绕线式异步电动机可外 接电阻来改变转子电阻R2，从而改变转距。,二、机械特性曲线,根据转矩公式,得特性曲线：,电动机在额定负载时的转矩。,1.额定转矩TN,额定转矩,(N m),如某普通机床的主轴电机(Y132M-4型)的额定功率为7.5kw,额定转速为1440r/min,则额定转矩为,2.最大转矩 Tmax,转子轴上机械负载转矩T2 不能大于Tmax，否则将造成堵转(停车)。,电机带动最大负载的能力。,临界转差率,将sm代入转矩公式，可得,当 U1 一定时，Tmax为

10、定值,过载系数(能力),一般三相异步电动机的过载系数为,工作时必须使T2 Tmax，否则电机将停转。,电机严重过热而烧坏。,3.起动转矩 Tst,电动机起动时的转矩。,起动时n=0 时，s=1,(2)Tst与 R2 有关，适当使 R2 Tst。对绕线式 电机改变转子附加电阻 R2,可使Tst=Tmax。,Tst体现了电动机带载起动的能力。若 Tst T2电机能起动，否则不能起动。,起动能力,4.电动机的运行分析,电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，这种能力称为自适应负载能力。,自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械的重要特点（如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大油门，才能带动新的

11、负载）。,此过程中，n、sE2,I2 I1 电源提供的功率自动增加。,T2,s,T2 T,T=T2,n,T,达到新的平衡,5.U1 和 R2变化对机械特性的影响,(1)U1 变化对机械特性的影响,T2,(2)R2 变化对机械特性的影响,R2,Tst,n,硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。,软特性：负载增加时转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好。,(2)R2 变化对机械特性的影响,不同场合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性电机；重载起动则选软特性电机。,3.6 三相异步电动机的起动,一、起动性能,起动问题：起动电流大，起动转矩小。一般中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的5 7

12、倍;电动机的起动转矩为额定转矩的(1.02.2)倍。,后果：,原因：,起动：n=0，s=1,接通电源。,二、起动方法,(1)直接起动 二、三十千瓦以下的异步电动机一般都采用直接起动。,（适用于鼠笼式电动机）,(3)转子串电阻起动,（适用于绕线式电动机）,以下介绍降压起动和转子串电阻起动。,设：电机每相阻抗为,1.降压起动,(1)Y 换接起动,降压起动时的电流为直接起动时的,Y 起动器接线简图,静触点,Y 起动器接线简图,Y起动,Y 起动器接线简图,工作,(a)仅适用于正常运行为三角形联结的电机。,Y 换接起动适合于空载或轻载起动的场合,Y-换接起动应注意的问题,(2)自耦降压起动,Q2下合：接

13、入自耦变 压器，降压 起动。,Q2上合：切除自耦变 压器，全压 工作。,合刀闸开关Q,Q2,自耦降压起动适合于容量较大的或正常运行时联成 Y形不能采用Y起动的鼠笼式异步电动机。,R,R,R,定子,转子,起动时将适当的R 串入转子电路中，起动后将R 短路。,起动电阻,2.绕线式电动机转子电路串电阻起动,若R2选得适当，转子电路串电阻起动既可以降低起动电流，又可以增加起动转矩。,常用于要求起动转矩较大的生产机械上。,R2 Tst,转子电路串电阻起动的特点,方法：任意调换电源的两根进线，电动机反转。,电动机正转,电动机反转,三相异步电动机的正、反转,一、变频调速(无级调速),频率调节范围：0.5几百

14、赫兹,3.7 三相异步电动机的调速,二、变极调速(有级调速),变频调速方法可实现无级平滑调速,调速性能优异，因而正获得越来越广泛的应用。,P=2,P=1,采用变极调速方法的电动机称作双速电机，由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对调速性能要求不高的场合，如铣床、镗床、磨床等机床上。,三、变转差率调速(无级调速),变转差率调速是绕线式电动机特有的一种调速方法。其优点是调速平滑、设备简单投资少，缺点是能耗较大。这种调速方式广泛应用于各种提升、起重设备中。,3.8 三相异步电动机的制动,一、能耗制动,制动方法,能耗制动反接制动发电反馈制动,在断开三相电源的同时，给电动机其中两相绕组通入直流电流，

15、直流电流形成的固定磁场与旋转的转子作用，产生了与转子旋转方向相反的转距（制动转距），使转子迅速停止转动。,二、反接制动,停车时，将接入电动机的三相电源线中的任意两相对调，使电动机定子产生一个与转子转动方向相反的旋转磁场，从而获得所需的制动转矩，使转子迅速停止转动。,三、发电反馈制动,当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速时，旋转磁场产生的电磁转距作用方向发生变化，由驱动转距变为制动转距。电动机进入制,动状态，同时将外力作用于转子的能量转换成电能回送给电网。,n n0,单相异步电动机主要应用于电动工具、洗衣机、电冰箱、空调、电风扇等小功率电器中。单相异步电动机的定子中放置单相绕组,转子一般用鼠笼式

16、。定子绕组中通入单相交流电后,形成脉动磁场，若不采取措施，将无法获得所需的起动转矩。,定子,定子绕组,转子,一、单相异步电动机的工作原理,3.9 单相异步电动机,定子绕组产生的脉动磁场，可用正、反两个旋转磁场合成来等效。即,脉动磁场的分解,正反向旋转磁场的合成转矩特性,合成转矩,(正向),(反向),鼠笼式转子导条及电流,当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋定则和左手定则，可知转子导条左、右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩。,A,A,为了获得所需的起动转矩，单相异步电动机的定子进行了特殊设计。常用的单相异步电动机有电容分相式异步电动机和罩极式异步电动机。他们都采用鼠笼式转子，但定子

17、结构不同。,二、电容分相式异步电动机,电容分相式异步电动机的定子中放置有两个绕组，一个是工作绕组 AA，另一个是起动绕组 BB,两个绕组在空间相隔90。起动时，BB 绕组经电容接电源，两个绕组的电流相位相差近90，即可获得所需的旋转磁场。,设两相电流为,两相电流,正弦波形如图所示。,工作绕组,起动绕组,两相旋转磁场,实现正反转的电路,改变电容C的串联位置，可使单相异步电动机反转。,将开关S合在位置1，电容C与B绕组串联，电流 iB较iA超前近90；当将S切换到位置2，电容C与A绕组串联，电流iA 较iB 超前近90。这样就改变了旋转磁场的转向，从而实现电动机的反转。,电动机转子转动起来后，利用离心力将开关S断开(S是离心开关)，使起动绕组BB断电。,M,三、罩极式单相异步电机,定子绕组,鼠笼式转子,短路环,极掌(极靴),罩极式单相异步电动机,