船舶电气设备与系统 第四章分析

船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系第四章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。船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系第四章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船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系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4-1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。返回船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系图4-1三相鼠笼式异步电动机结构船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系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。船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系（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4-2所示。异步电动机常用的定子铁心槽的形状如图4-3示。船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系返回图4-3定子槽形及槽内线圈布置图4-2异步电动机定子、转子铁芯形状船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系（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4-4所示。接电源接电源图4-4三相异步电动机接线盒1U2U2W1W2V1V2W2U2V1U1U1V1V1W1W2W2U2V2W1U1W2V2U2U船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系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4-2（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。船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系（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4-5。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。船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系（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4-6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4-7为绕线式异步电动机的外形结构图。船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系返回图4-5鼠笼式转子船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系返回图4-6绕线式异步电动机转子结构船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系绕线式异步电动机返回图4-7绕线式异步电动机的外形结构船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系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0.2～1.0mm。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。船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系二、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.接法船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系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4-8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4-8（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4-8（b）将它们作星形联接（把三个末端U2、V2、W2并接在一起）。船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系图4-8异步电动机的三相绕组与三相电流船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系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4-8(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(Ii)t(IitIi120sin120sinsinmCmBmA船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系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4-9（a）所示。ωt=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4-9（b）所示。相比ωt=0时刻，合成磁场在空间按逆时针方向旋转了60°。船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系ωt=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4-9（c）所示。与ωt=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。船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系（a）ωt=0（b）ωt=60º（c）ωt=90º图4-9一对极旋转磁场的形成返回船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系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。船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系2.旋转磁场的转向将相序为A→B→C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4-9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。船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系（a）ωt=0（b）ωt=60º（c）ωt=90º图4-9一对极旋转磁场的形成船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系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f1＝50Hz,旋转磁场的转速为3000r/min。0160nf船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系图4-10四极异步电动机定子绕组船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系设电流的频率为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。1060fnp船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系表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船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系二、异步电动机的转动原理异步电动机的转动原理可以用图4-12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。船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系三、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=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，则有:转差率常用百分率表示，即有00nnsn%nnn%s10000%nnn%s10000船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系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s0的发电制动状态和转子转向与旋转磁场转向方向相反,s1的电磁制动状态。00nnsn01n(s)n船舶电气设备与系统课件2020/2/15轮机工程学院船电系一、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4-14所示