船舶电机与电力拖动系统

（优选）船舶电机与电力拖动系统当前第1页\共有78页\编于星期六\18点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。当前第2页\共有78页\编于星期六\18点一、直流电机的工作原理(a)导体ab处于N极下(b)导体ab处于S极下直流电动机原理图当前第3页\共有78页\编于星期六\18点(a)导体ab处于N极下(b)导体ab处于S极下直流发电机的原理图当前第4页\共有78页\编于星期六\18点

直流电机主要由定子和转子两大部分组成。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。二、直流电机的结构当前第5页\共有78页\编于星期六\18点直流电机结构图

当前第6页\共有78页\编于星期六\18点直流电机解体图当前第7页\共有78页\编于星期六\18点直流电机横剖面示意图

当前第8页\共有78页\编于星期六\18点主磁极

当前第9页\共有78页\编于星期六\18点换向极

当前第10页\共有78页\编于星期六\18点电刷装置

当前第11页\共有78页\编于星期六\18点电枢铁心冲片(a)矩形槽；

(b)梨形槽

当前第12页\共有78页\编于星期六\18点电枢绕组在槽中的绝缘情况

当前第13页\共有78页\编于星期六\18点换向器

当前第14页\共有78页\编于星期六\18点换向器的结构当前第15页\共有78页\编于星期六\18点电刷间的电势当前第16页\共有78页\编于星期六\18点直流电枢绕组元件(a)、(b)叠绕组元件；(c)、(d)波绕组元件

当前第17页\共有78页\编于星期六\18点电枢绕组在槽内的放置当前第18页\共有78页\编于星期六\18点直流电机绕组示意图当前第19页\共有78页\编于星期六\18点B-10991011121234567834A+电枢绕组的连接电路图电刷偏离几何中性线示意图当前第20页\共有78页\编于星期六\18点

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）额定工作方式当前第21页\共有78页\编于星期六\18点直流电机的励磁方式

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。下图为直流发电机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1～3％。（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2～10％。当前第22页\共有78页\编于星期六\18点（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）。当前第23页\共有78页\编于星期六\18点发电机的励磁方式当前第24页\共有78页\编于星期六\18点1、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。

三、直流电机的运行特性

当前第25页\共有78页\编于星期六\18点直流发电机空载特性当前第26页\共有78页\编于星期六\18点2、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。当前第27页\共有78页\编于星期六\18点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。注意当前第28页\共有78页\编于星期六\18点3、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。下图a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。下图b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。下图给出三种励磁方式的发电机的接线图。当前第29页\共有78页\编于星期六\18点

图a他激、并激发电机的外特性曲线

图b复激发电机的外特性曲线当前第30页\共有78页\编于星期六\18点当前第31页\共有78页\编于星期六\18点4、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。下图（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。当前第32页\共有78页\编于星期六\18点当前第33页\共有78页\编于星期六\18点1）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。当前第34页\共有78页\编于星期六\18点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。当前第35页\共有78页\编于星期六\18点电势平衡方程参照上图，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。或当前第36页\共有78页\编于星期六\18点功率平衡方程转矩平衡方程

当前第37页\共有78页\编于星期六\18点2）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：

当前第38页\共有78页\编于星期六\18点直流电动机的机械特性积复励当前第39页\共有78页\编于星期六\18点

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3％～8％，故为硬机械特性。适于要求恒转速拖动的生产机械。当前第40页\共有78页\编于星期六\18点

(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。当前第41页\共有78页\编于星期六\18点5、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。当前第42页\共有78页\编于星期六\18点

(a)

(b)

(c)电刷位置与电枢反应当前第43页\共有78页\编于星期六\18点2）直流电机的换向

直流电机在运行时，电枢绕组从定子主磁极的一个极面下方进入另一个极面下方时，通过换向片与电刷连接，绕组中的电流将改变方向，这一过程称为直流电机的换向。理想的换向条件是换向时绕组中的电流及电势为零。而一般情况下，除了绕组本身原因换向绕组中感应电抗电势不为零外，电枢反应引起的气隙磁通的畸变，也使换向绕组产生感应电势。电抗电势和电枢反应电势都会阻碍电枢绕组的换向性能，导致电刷与换向片之间产生火花。当前第44页\共有78页\编于星期六\18点

为了改善换向性能，通常在定子主磁极之间放置换向极用于改善换向，换向极绕组与电枢绕组串联，由电枢电流所产生的换向极磁场与电枢绕组电流所产生的交轴电枢磁场方向相反。它不仅用来抵消或削弱电枢磁场，而且使处于换向的绕组切割换向极磁场以产生可抵消电流换向引起的感应电动势，达到减少换向火花的目的。一般在负载变化较大的中、大型电机中。在主磁极的极面下开槽嵌放补偿绕组也是用于改善换向的一种方法，补偿绕组与电枢绕组串联，其作用原理与换向极相同。此外，正确选用不同材料的电刷以及适当调整电刷位置等也可在一定程度上减小电刷下的火花。当前第45页\共有78页\编于星期六\18点起动对电流和转矩的要求电枢串电阻起动减压起动1.电枢起动电流应限制到允许值之内.2.具有足够量的起动转矩.四、直流电动机的起动、调速、制动当前第46页\共有78页\编于星期六\18点直流电动机的起动起动过程分析串入全部的电枢电阻通电起动，进入第一组起动当到达切换点A，第一级起动完成。切除第一级电阻r1，电枢电流增大，电磁转矩增大，进入第二级起动点B，转速沿BC继续上升，重复上述过程，到C点后完成第二组起动。­切除第二级电阻r2，进入第三级起动­点D，转速上升到E点后,完成第三级起动。切除第三级电阻r3，进入固有曲线F点，最后转速沿固有曲线上升到稳定运行点G。起动对电流和转矩的要求电枢串电阻起动减压起动当前第47页\共有78页\编于星期六\18点直流电动机减压起动直流电动机的起动，可以通过降低电枢电压的方式来限制起动电流。当前第48页\共有78页\编于星期六\18点直流电动机的调速所谓调速，是指用人为的方式，改变电动机的参数，使其转速改变，达到预定的转速运行。调速的技术指标调速范围调速的平滑性调速的稳定性调速的经济性调速电动机允许输出（1）调速范围调速范围是指电动机在额定负载（电动机的电枢电流保持在额定值不变），允许达到的最大转速与最小转速之比。即当前第49页\共有78页\编于星期六\18点直流电动机的调速（2）调速的平滑性通常有电动机的两个相邻调速级的转速之比来衡量调速的平滑性。K——称平滑系数ni——上一调速级转速

ni-1——相邻下一级调速转速所谓调速，是指用人为的方式，改变电动机的参数，使其转速改变，达到预定的转速运行。调速的技术指标调速范围调速的平滑性调速的稳定性调速的经济性调速电动机允许输出当前第50页\共有78页\编于星期六\18点直流电动机的调速（3）调速的稳定性调速的稳定性是指负载转矩发生变化时，电动机的转速随之变化的程度，工程上通常用静差度来衡量。它是指电动机运行于某一机械特性上时由空载增至满载时的转速降对理想空载转速之比所谓调速，是指用人为的方式，改变电动机的参数，使其转速改变，达到预定的转速运行。调速的技术指标调速范围调速的平滑性调速的稳定性调速的经济性调速电动机允许输出当前第51页\共有78页\编于星期六\18点直流电动机的调速（4）调速的经济性主要由调速设备的投资，电机运行时的能量损耗来决定所谓调速，是指用人为的方式，改变电动机的参数，使其转速改变，达到预定的转速运行。调速的技术指标调速范围调速的平滑性调速的稳定性调速的经济性调速电动机允许输出当前第52页\共有78页\编于星期六\18点直流电动机的调速5）调速时电动机的允许输出它指电动机得到允分利用情况下，在调速过程中所能输出的功率和转矩。所谓调速，是指用人为的方式，改变电动机的参数，使其转速改变，达到预定的转速运行。调速的技术指标调速范围调速的平滑性调速的稳定性调速的经济性调速电动机允许输出当前第53页\共有78页\编于星期六\18点直流电动机调速方法改变电枢电压调速过程分析调速的特点降低给电枢供电的电源电压时，电动机由原先稳定的特性曲线A点，切换到降压后的特性曲线A`点，通过减速过程，到B点处，电磁转矩与负载转矩达到新的平衡，于是就稳定运行于此。当前第54页\共有78页\编于星期六\18点直流电动机调速方法改变电枢电压调速过程分析调速的特点（1）属于恒转矩调速性质（2）由于电枢端压不允许超过其额定值，其转速就降低，固在调速范围内不会超过额定转速，一般称在基速以下调速。（3）随电压的降低而减小，但机械特性的硬度不变。（4）若恒转矩负载，调速前后的电流、转矩不变，随输入电压降低，输入功率减小，转速下降，输出功率减小，其损耗基本不变，所以调压调速的效率是较高的。当前第55页\共有78页\编于星期六\18点直流电动机调速方法弱磁调速过程分析调速特点按高效工作设计原则，直流电动机在额定工作状态时，其磁场是处于临界饱和，所以要通过改变磁通来进行调速，就只能在额定磁通以下进行调节，所以称其为弱磁调速。当前第56页\共有78页\编于星期六\18点直流电动机调速方法弱磁调速过程分析调速特点当磁通减弱时瞬时，其电磁转矩的大小不但取决于磁通，更与电枢电流密切相关，磁通减小，电枢反电势减小，电枢电流增大，所以电磁转矩反而增加，超过负载转矩（切换到弱磁特性A`点），电机作加速运动，转速沿特性上升到B，电磁转矩与负载转矩相等，进入稳定运行。当前第57页\共有78页\编于星期六\18点（1）弱磁调速属于恒功率调速性质。（2）由于弱磁升速的原因，调磁范围又只能在额定磁通以下调节，所以其转速超过额定转速，或说在基速以上调速。（3）

随磁通减小，则、、增大，硬度减小。（4）

若负载转矩恒定，由于电动机输入电压不变，弱磁后，电流增大，输入功率增加，但转速升高，则输出功率也增大了，所以电机运行效率较高。当前第58页\共有78页\编于星期六\18点直流电动机调速方法电枢回路串电阻调速过程分析串电枢电阻调速特点保持直流电机的输入电压不变，保持额定励不变，电枢回路串入附加电阻，其工作特性与机械特性为:当前第59页\共有78页\编于星期六\18点直流电动机调速方法设调速前电机稳定运行于固有特性A点，电磁转矩等于负载转矩，稳定动行于转速nA。串入电枢电阻R瞬间，转速不能突变，固电流、转矩减小切换到人为特性曲线上A`，由于这时的电磁转矩小于负载转矩，电机作减速运动，转速A`下降，随着转速降低，反电势下降，电流回升，电磁转矩回升，直到B点，电磁转矩与负载转矩相等，电机稳定到下降后的转速nB。若串入的电阻更大，则曲线越软，运行转速越低。电枢回路串电阻调速过程分析串电枢电阻调速特点当前第60页\共有78页\编于星期六\18点直流电动机调速方法（1）

属于恒转矩调速性质（2）由于串入电枢电阻，其转速就降低，固在调速范围内不会超过额定转速，一般称在基速以下调速。（3）理想空载转速不变，斜率随电阻的增在而增大，特性越软。若恒转矩负载，调速前后的电流、转矩不变，输入功率不变，但串入的电阻越大，则电枢电阻损耗越大，转速越低，转出机械功率越小，所以电机工作效率越低，其效率与速度成正比。电枢回路串电阻调速过程分析串电枢电阻调速特点当前第61页\共有78页\编于星期六\18点直流电动机的制动生产机械的制动，可以通机械和电气两种基本方式来实现，通常这两种方法配合使用。以下重点分析直流电动机的电气制动方法、特性及使用特点。电气制动是指电机运行时，当电磁转矩与转矩的方向相反时的工作状态。因为此时的电磁转矩对运动的电机而言，起到了阻碍的作用，故称为电气制动，或称制动工作状态。由于在电气制动工作状态下，电机是将机械能转换成了电能，所以也被称为发电状态。根据运行电路和能量传递的不同特点，可分为能耗制动、反接制动和回馈制动三种方式。当前第62页\共有78页\编于星期六\18点能耗制动的条件能耗制动过程能耗制动特点将直流电动机的电枢绕组从直流电源断开，即；保持额定励不变；将制动电阻与电枢绕组串联成回路，能耗制动当前第63页\共有78页\编于星期六\18点在电机运行于电动状态，电机以稳定的速度运行。进行能耗制动切除电枢电源，输入功率为零，但由于惯性的作用（电机贮存的动能作用），转子继续旋转，切割磁场，产生感应电动势，由电枢电势向闭合的电枢回路提供电流，电流方向与电枢电势方向相同，所以称其为发电状态，而磁场方向不为，而电流的方向变了，所以电磁转矩的方向变了，与转速方向相反，故称其为制动工作状态，能耗制动的条件能耗制动过程能耗制动特点能耗制动当前第64页\共有78页\编于星期六\18点（1）在能耗制动时，机械特性方程为：能耗制动的条件能耗制动过程能耗制动特点能耗制动当前第65页\共有78页\编于星期六\18点（2）电枢电流反向，其产生的转矩也反向，成制动转矩，所以此时的电枢电流称制动电流。其最大值在能耗制动的起点。为了保证能耗制动过程的安全，通常限制最大制动电流不超过2~2.5IN，所以能耗制动限流电阻的取值范围能耗制动的条件能耗制动过程能耗制动特点能耗制动当前第66页\共有78页\编于星期六\18点

（1）能量传递关系系统将本身贮存的动能发电，转换成电能，，消耗在电枢回路的电阻上。能耗制动的条件能耗制动过程能耗制动特点能耗制动当前第67页\共有78页\编于星期六\18点反接制动直流电动机反接制分为两种，一种是电源反接制动，另一种是倒拉反接制动电源反接制动倒接反接制动（1）电源反接制动的条件将电枢电源的极性接反，同时电枢中串入制动电阻，磁场方向不变当前第68页\共有78页\编于星期六\18点反接制动直流电动机反接制分为两种，一种是电源反接制动，另一种是倒拉反接制动电源反接制动倒接反接制动（2）电源反接动运行分析：假若电机原先处于电动运行状态，现将电源接反，从图1-46a中可知，其电枢电流反向，所以电磁力矩反向，与电机转速方向相反，成为制动力矩，所以称此状态为电源反接制动。这时的电流从电枢电势的正极流出，说明电机在输出电能，而电流也从电源的正极出来回到负极，故电源也在向电机提供电能，这时的电流将很大，必需串入电枢电阻，将电流限制在允许范围之内。当前第69页\共有78页\编于星期六\18点反接制动直流电动机反接制分为两种，一种是电源反接制动，另一种是倒拉反接制动电源反接制动倒接反接制动（3）电源反接的基本特点将直流电动机的工作特性方程及机械特性方程中的电压取反即可。在电源反接过程中，电机将系统动能发电，电源同时也在向电机输入电能，这些能量大都消耗在电枢回路电阻中。由于加有反向电源电压，在制动速度为零时，就标志着制动阶段结束，若不及时切除电源或进行机械抱闸，电机将要进入反向电动运行。当前第70页\共有78页\编于星期六\18点反接制动直流电动机反接制分为两种，一种是电源反接制动，另一种是倒拉反接制动电源反接制动倒接反接制动（1）倒拉反接制动的条件电动机带有的负载为位能性的，电枢回路串有较大的附加电阻。倒拉反接制动大都应用在吊车等提升拖动系统中当前第71页\共有78页\编于星期六\18点反接制动直流电动机反接制分为两种，一种是电源反接制动，另一种是倒拉反接制动电源反接制动倒接反接制动

当串入大的电枢电阻R后，特性变得很软，电枢电流减小，电磁力矩小于负载力矩，作减速运动，随着转速下降，反电势减小，电枢电流、转矩要回升，当转速降到零时，电磁转矩还是比负载转矩小，此时的电机就会在负载力矩的作用下反转于C点，转速方向与电磁转矩相反，电磁转矩成了制动转矩。由于转速反向，使得电枢电势反向，故也称发电工作状态。当前第72页\共有78页\编于星期六\18点反接制动直流电动机反接制分为两种，一种是电源反接制动，另一种是倒拉反接制动电源反接制动倒接反接制动（2）倒拉反接制动特点由于电源电压、电枢电势、电枢电流的方向相同，所以电源在向电机供电，电机也在利用机械能发电，能量大都消耗在电枢回路的电阻上。串入的反接电阻越大，则倒拉反接速度越大。其原因