船舶电气船舶电机ppt课件

1、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。运用旋转的方式进展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。普通几千吨位以上的船舶，电机的总数量可超越百台以上，假设为电力推进船舶，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安装。直流电机是可逆的。一台直流电机既可作为发电机运用，也可以作为电动机运用。在作为电动机运用时，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

2、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才干的起货机或电动舵机的电力拖动上。在作为发电机运用时，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运用，与交流发电机比较，存在的主要缺陷是：电压不能变换以及构造复杂，造价高和维护任务量大等。如今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。所以直流电机依然是船舶电气设备的主要类型之一。本章主要引见，直流电机的任务原理、构造特点、励磁方式和直流发电机、直流电动机的根本运转特性等。1.1

3、直流电机本章主要讲解内容 第一节 直流电机的任务原理与构造 第二节 电枢绕组的感应电势和电磁转矩 第三节 直流发电机的运转特性 第四节 直流电动机的运转特性 第一节 直流电机的任务原理与构造 一、直流电机的任务原理1.直流电机任务原理 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 直流电机绕组表示图 3图1-4 电枢绕组的衔接电路图(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1-2 电刷间的电势图1-3 直流电机绕组表示图B-10991011121234567834A+图1-4 电枢绕

4、组的衔接电路图图1-5 电刷偏离几何中性线表示图二、直流电动机的任务原理(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、直流电机的构造 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、端盖和电刷安装等组成，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直流电机解体图前往图1-8 换向器的构造四、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额定任务方式第二节 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，当它们运转时， 即电

5、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，而电刷经过换向片与几何中性线的元件相连 图1-9主磁场磁密分布曲线及电枢绕组电势当电枢旋转时，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表示间隔中性线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议的，因此必需把任一瞬间构成一条支路的全部串联导体所感应

6、的电势相加起来。假设以图1-3环形绕组电机为例，设为电枢绕组总导体根数，那么每条支路全部串励导体根数为N/2。总电势为: 实践上，由于气隙磁密沿电枢圆周分布是梯形的，因此在一条支路中，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，导体便遭到电磁力的作用，电磁力的方向根据左手定那么确定。如图1-10所示。电磁力对于电枢轴心又构成转矩，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

7、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

8、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转时，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 直流发电机的运转特性 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

9、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

10、产生的磁势方向一样时，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 当坚持发电机的转速n不变，负载电流I=0时发电机主开关处于断开形状，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类似，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

11、件1发电机必需有剩磁。假设剩磁消逝可用外电源充磁。 2励磁电流产生的磁场要与剩磁磁场方向一样。这与 并励绕组和电枢电路的衔接极性及电枢的转动方向 有关。在固定转动方向下，主要决议于两并联电路 的衔接极性。3励磁回路的总电阻必需小于临界电阻。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。 假设一台并励发电机有剩磁但不能自励，可以用以下两种方法矫正： 1改动电枢绕组与励磁绕组的相对联接； 2改动电枢的旋转方向。留意四、直流发电机的外特性 直流发电机的外特性是指在坚持额定转速和励磁回路总电阻不变的条件下，改动负载大小

12、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。 图1-16 他激、并激发电机的 外特性曲线 图1-17 复激发电机的外 特性曲线第四节 直流电动机的运转特性按励磁绕组和电枢绕组衔接方式的不同，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

13、响。因此，他励和并励电动机的特性根本一样。图1-19a、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；表示调理励磁电流的外串电阻。一、直流电动机的根本方程 直流电动机的根本方程是指电动机稳定运转时，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 ，电枢遭到电磁转矩 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，它将抵抗电流的流入。电

14、网要向电枢流进电路，必需抑制反电势的作用，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，经过电磁感应的作用，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，不思索 和 ，根据基尔霍夫电压定律，并励电动机带负载运转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，它阐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

15、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，故转速随转矩的添加而降低，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消费机械。 (2)串励电动机：由于串励磁通随负载的添加而增知，从而使转速随负载的添加而迅速下降，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，导致电机机械构造的损坏。所以，串励直流电动机绝对不允许空载起动及空载运转。它的软特性、起动力

16、矩比较大，适用于起动困难的场所。三、直流电机的电枢反响和直流电机的换向1直流电机的电枢反响 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议。电枢磁场对主磁极磁场的影响称为电枢反响。所示 如图1-21 a b、c所示 (a) (b) (c)图 1-21 电刷位置与电枢反响 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经过交变磁场而联络着，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送电能或传输信号，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

17、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 变压器的根本构造和铭牌 第三节 变压器的任务原理及运转特性 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转问题 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，由于当 保送功率一定时，电压越高，输电线上的电流越

18、小，输电线截面小，可以节省有色金属；当输电距 离、输电线资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，这主要是为了平安，同 时可以降低用电设备的绝缘等级、减少本钱，为此 必需求用降压变压器将输电线上的高压降低到配电 系统所需求的电压 。3在交流船舶上，各种不同的用电设备需求大小不同 等级的电压，因此需求有不同型式的变压器。 4在船舶电力系统和控制系统中，变压器主要运用于 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

19、2根据变压器本身的构造来划分 3按相数来划分 4根据变压器的冷却条件来划分 第二节 变压器的根本构造和铭牌 一、变压器的根本构造 图 2-2 变压器的构造表示图及电路符号 + - N - + 原绕组副绕组铁柱铁轭图 2-3 单相心式变压器图 2-4 单相壳式变压器 图 2-5 三相心式变压器 铁轭绕组铁柱高压绕组低压绕组绕组图 2-6 三相壳式变压器铁柱铁轭绕组铁柱铁轭绕组二、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f 5.相数 m6.接线图与联接组7.漏阻抗 Z 或短路电压 8.运转方式长期的或短期的9.冷却方式10.变压器的总分量变压器的额定电压与额定电

20、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，变压器处于空载形状，即副边开路电压。 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。当变压器副边电流到达额定值时，这时的负载叫做变压器的额定负载。第三节 变压器的任务原理及运转特性 一、理想变压器的运转 所谓理想的变压器是以为它满足以下条件：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

21、需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，并符合以下内容： 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 变压器在运转时的各物理量 需求阐明的是，正方向并不是它们的实践方向，只是阐明方向的相对关系，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。阐明1电压关系 在理想变压器中，端电压的比就等于电势的比 普通习惯，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

22、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，那么 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 Z L，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，当经过变压器接电源时，相当于阻抗添加到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

23、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有亲密关系。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。要研讨实践变压器的性能，就要涉及到内部损耗和漏阻抗，就必需思索其他要素。 (a)等效前的电路(b)等效后的电路图2-9 变压器的阻抗变换二、实践变压器的空载运转 1.思索铁心中的影响 图2-102.思索铁损耗的影响 图2-113.思索绕组漏阻抗的影响 图2-12 4.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2-10 激磁电流的波形 图2-11 空载电流的向量图图2-12 变压器的无载情况图2-13 空载时的向量图

24、 a b 图2-14 空载时的等效电路三、变压器的负载运转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 2-322.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： 副边电势平衡关系照旧: 总结折合过的变压器中各关系的联立方程式如下: 这些方程式中曾经没有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

25、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 图2-16 变压器的T形等值电路前往 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，由于可以用短路实验求 出。用这个简化等值电路后，分析将非常简单，而结 果的正确程度也能满足工程的要求。 图2-17 变压器的简化等值电路 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经过电磁感应，存在 能

26、量传送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。 要留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转时的一相的情况，一切阻抗 都是每相的数值，变比也是相电压之比或每相匝数之比。 四、变压器的根本参数及实验 等值电路中的阻抗 和 ，称为变压器的参数，它们对变压器的运转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转性能。另一方面，从消费变压器的角度来看，变压器所用资料的性质和各部分的构造尺寸都将影响它的参数，所以参数对变压器的消费成本也有相当大的影响。因此正确决议变压器的参数，不论对消费或运

27、用变压器来说，都有重要的意义。1.根本参数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耗费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 图2-18 空载实验线路图 3短路实验 由图2-19可知： 因UK =I1 ZK ,故漏阻抗或路阻抗为： 输入功率 ，所以: 短路电抗为： 图2-19 短路实验线路图 五、变压器的运转特性 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 图2-20 变压器的外特性2变压器的效率 第四节 三相变压器的磁路系统 一、三相变

28、压器组的磁路 如图2-21所示，三相变压器组的磁路特点是，三相磁通各有本人单独的磁路，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、占地面积较大等缺陷，所以普通不采用，仅用于大容量及超高压的变压器中。 图2-21 三相变压器的磁路系统二、三相变压器的磁路 a)b)c)图2-22 三相变压器的磁路演化第五节 变压器的联接组及三相变压器的运转问题 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

29、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衔接 Y/ 联接 4规范衔接组ab图2-24 单相变压器的二种不同联接图 2-23 单相变压器的出线标志图2-25 实验测定极性图2-26 三铁心柱式铁心中的磁通图 2-27 三相的各种接法图2-28 三角接法时A相极性接反时的电势 图2-39 Y/Y-12结合组X Y Z a b c x y z X Y Z a b c x y z图 2-30 Y/Y-6结合组 X Y Z a b c x y z 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. 电压互感器电网图2-33 电压互感器的接线及

30、电路符号2. 电流互感器电网图2-35 电流互感器的接线及电路符号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，异步电动机具有构造简单、起动方便、运转可靠、价钱低廉、维护保养方便等优点。目前船舶上几乎一切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，而对于一些需求进展变速控制的拖动设备，如起货机、锚机等，目前也正逐渐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陷是必需从电网吸收滞后的无功功率，而轻载时功

31、率因数较低，这对船舶电网以及发电机的运转较为不利。本章主要引见异步电动机的构造及任务原理。1.3 异步电动机本章主要讲解内容第一节 三相异步电动机构造与铭牌数据第二节 异步电动机的旋转磁场与任务原理第三节 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 三相异步电动机任务特性与选择第六节 单相异步电动机第一节 三相异步电动机构造与铭牌数据 一、三相异步电动机的根本构造 三相异步电动机按照转子构造方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构造分解图。鼠笼式异步电 动机主要由两个根本部分组成：静止不动的定子和可 以旋

32、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构造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，普通用铸铁或铸钢制成。机座也是散热部件，其外外表有散热片。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外

33、形如图3-3示。 图3-3 定子槽形及槽内线圈布置图3-2 异步电动机定子、转子铁芯外形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，即三个完全一样的独立绕组，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。 接电源接电源图3-4 三相异步电动机接线盒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，以带动消费机械一同转动。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，转子硅钢片外形如图3-2b所示。以此片叠

34、成的铁心外圆的外表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。普通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一样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。经过滑环、电刷将转子绕组电路与外电路相连。通常外电路是呈星形衔接的电阻，如图3-6 所示。经过转子电路接

35、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经过改动外接电阻的阻值改动异步电动机的转速。 图3-7 为绕线式异步电动机的外形构造图。 图3-5 鼠笼式转子前往图3-6 绕线式异步电动机转子构造图3-7 绕线式异步电动机的外形构造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普通为0.21.0 mm 。气隙的大小直接关系到电动机的运转性能。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求的励磁电流就小，电动机运转性能越好。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

36、据。数据主要包括以下几项： 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.任务方式 9.接法 第二节 异步电动机的旋转磁场与任务原理一、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构造完全一样的三相绕组，三相绕组的首、末端分别用U1 - U2、V1 -V2、W1 -W2表示，在制造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3-8a所示。为分析方便，每相绕组用一匝线圈替代，三相绕组将分布在六个槽口

37、中。三相线圈根据需求可以接成星形或者三角形，图3-8b将它们作星形联接把三个末端U2、V2、W2并接在一同。 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， W

38、2端流出。根据右手螺旋定那么，可确定合成磁场磁轴的方向如图3-9a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3-9b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3-9c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那么在空间不断地旋转，这就是旋转磁场。这种旋转磁场好像一对磁极在空间旋转所起得作用是一样的

39、。at = 0 bt = 60 ct = 90图3-9 一对极旋转磁场的构成产生旋转磁场必需满足两个条件： 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，三相绕组中电流到达最大值的顺序是：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到达最大值的

40、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议的。 假设要改动旋转磁场的转向，只需把接入定子绕组的电源相序改动即可。at = 0 bt = 60 ct = 90图3-9 一对极旋转磁场的构成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，假设电流的频率为f1，那么电流每秒变化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，假设以n0表示旋转磁场的转速，那么有 当f1 50 Hz ,旋转磁场的转速为 3 000 r/min 。 图3-10 四极异步电动机定子绕组 设

41、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。由于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60 Hz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p123456n0 （f =50Hz）300015001000750600500n0 （f =60Hz）360018001200900720600

42、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阐明。 转子转动的方向与旋转磁场方向一样，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，那么旋转磁场对转子的的相对转速差为 n= n0 n,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，那么有: 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 异步电动机还能够任务于其它非电动机形状，如转子转速nn0 , 转差率为 s1的电磁制动形状。一、定子电路中各电量的关系1.定子电路中感应

43、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构成旋转磁场。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定子转子图3-14 主磁通和漏磁通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

44、运转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一样。如图3-14的右半部分电路所示。图3-14 异步电动机一相等效电路图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 = n0 n，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，

45、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 、 ，因此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，那么定、转子有一样的磁极对数。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议，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

46、1.定子磁场和转子磁场 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 ，那么 由于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转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k1 N1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遭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

47、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。而机械特性很容易经过转矩特性获得。由于： 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根本性能和特点： 1最大转矩Tmax，反映过载才干； 2起动转矩Tst ，反映起动性能； 3额定转矩TN

48、 ，反映稳定运转的负载才干和特 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必需与阻转矩相平衡，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很小普通可忽略，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： 适用中， P2的单位常用千瓦kW,n的单位是转/分r/min，那么上式为: 第五节 三相异步电动机任务特性与选择一、异步电动机的任务特性 三相异步电动机的主要任务特性是指电动机在额定电压和额定频率下运

49、转时，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任务特性曲线。 06图3-23 三相异步电动机的工 作特性曲线024681012246810121416182022. 0204.08.101.定子电流特性I1=f(P2) 异步电动机空载运转时，定子电流近似为励磁电流I0。随着输出功率P2的添加，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超越额定功率之后，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

50、2050。这是由于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 通常普通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 由于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，当输出功率添加时，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，由于转差率的添加，转子功率因数降低较大，定子功率因数开场逐渐减小。

51、二、三相异步电动机的选择 在船舶上三相异步电动机的运用非常广泛，正确的选用电动机是关系到船舶平安运转和经济运转的重要保障。选择电动机应按照消费机械的实践要求，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消费机械的功率。假设功率选择太小，电动时机因过载而损坏，甚至烧毁；选择得太大，那么不但添加投资，而且电动机没有充分发扬它的作用，效率和功率因数都会降低。 普通对延续运转的恒定负载，假设消费机械的功率为 ，那么电动机的功率P可按下式算出： 2.种类的选择 普通选择电动机种类主要从以下几方面思索：交流还是直流、机械特性硬特性或软特性、调速与起动性能、维护及价钱等。

52、3. 构外型式的选择电动机的构外型式主要有：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安装。散热好，造价低。用于枯燥无灰尘的场所。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封锁式：有封锁外壳维护，电动机靠本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：外壳完全封锁，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运用地点的电源来决议的。电动机额定转速的选择应由消费机械的转速和传动设备的情况来决议，通常电动机的转速应尽量与消费机械的转速一致，以便直

53、接传动，防止传动安装复杂化。第六节 单相异步电动机 用单相电源供电，且只需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构造；而定子通常有两个绕组，一个为单相运转绕组也称为主绕组；另一个为起动绕组又称为辅助绕组，在空间相隔90放置。通常起动绕组经过一个离心开关S与运转绕组并联接入单相电源，当转子转速到达额定转速的75左右，此开关在离心力的作用下把该电路切断。一、单相异步电动机的任务原理 1.脉动磁场 单相异步电动机的定子运转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坚持不变的脉动磁场，如图3-24

54、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恣意方向转动，那么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一样，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

55、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，它的转动方向决议于起动初始外力矩的方向。那么与逆向旋转磁场的转差率那么为 ，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一样。先设只需正向旋转磁场，得到n+ =f(T+)曲线，然后再设只需逆向旋转磁场，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 单相异步电动机本身没有起动转矩，为理处理起动问题，普通在起动时先使定子产生一个旋转磁场

56、，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，然后与任务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任务绕组中的电流90。 假设要改动电容分相式异步电动机的转向，只需将任务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。由于与任务绕组并联的

57、起动绕组电阻较大，那么滞后电源电压的相位角比较小，而任务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构造。单相罩极式构造异步电动机的定子铁心由硅钢片叠成，通常做成凸极式。其任务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需一个固定的转向。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运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运用。例如

58、船舶雷达的自动定位、方向舵的自动支配与监测、传令用电车钟，调速安装等都要运用控制电机。控制电机种类很多，根据它们在自动控制系统中的作用，可分为执行元件和丈量元件两大类。执行元件主要包括交、直流伺服电动机、步进电动机等，它的义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；丈量元件主要包括交、直流测速发电机、自整角机等，它可以用来丈量机械转角、转角差和转速等。本章引见几种船舶常用的控制电机的根本构造、任务原理、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

59、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；当电信号消逝时，它就立刻停顿转动。伺服电动机分为交流和直流两种类型。一、交流伺服电动机 1. 构造特点 交流伺服电动机实践上是两相异步电动机。其根本构造 和普通异步电动机类似。定子铁心上装有空间相隔90 的两个绕组：一个是励磁绕组，另一个是控制绕组。 定子的铁心分隐极式和凸极式，图4-1为凸极形定子铁心。隐极方式的定子铁心外形与三相异步电动机一样，但绕组是由两个空间相差90的绕组制成。 伺服电动机的转子有鼠笼式转子和杯形转子两种。 杯形转子伺服电动机的构造如图4-1

60、所示。图4-1 杯形转子伺服电动机的构造图前往2. 任务原理 1控制绕组加控制电压图4-2为交流伺服电动机的接线图。图4-3为向量图。图4-4为不同控制电压下的机械特性曲线。图4-2 交流伺服电动机的接线图图4-3 电压与电流相量 图图4-4 不同控制电压下 的机械特性曲线2控制电压 控制电压 的运转形状可分 两种情况讨论：第一种情况：伺服电动机在运转中控制电压消逝而变为零，电动时机立刻停转。此时电动机励磁绕组产生脉动磁场，由于伺服电动机的转子电阻足够大，其转矩特性右图所示。在伺服电动机正或反转转时，电磁转矩与转动方向相反，即产生制动电磁转矩，在此转矩的作用下电机立刻停转。图4-5交流伺服电动