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第二章 船舶电机与电力拖动系统(1)


第二章 船舶电机与电力拖动系统
§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

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第二章 船舶电机与电力拖动系统 第一节 直流电机的结构、励磁方式与运行特性
? 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。

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? 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。

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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

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(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

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二、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。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。

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直流电机结构图

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直流电机解体图

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直流电机横剖面示意图

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主磁极

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换向极

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电刷装置

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电枢铁心冲片 (a) 矩形槽; (b) 梨形槽

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电枢绕组在槽中的绝缘情况

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换向器

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换向器的结构

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e

O
电刷间的电势

ωt

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直流电枢绕组元件 (a)、 (b) 叠绕组元件; (c)、 (d) 波绕组元件

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电枢绕组在槽内的放置

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直流电机绕组示意图

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10
?

11

12

1

2 3 4

B

10 9

-

9

3

A +

?

8

7

6

5

4

N

电枢绕组的连接电路图

S

电刷偏离几何中性线示意图

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直流电机的额定值 (1)额定功率 (KW ) (2)额定电流 PN (3)额定电压 I N ( A) (4)额定转速 U N (V ) (5)额定励磁电压 nN (r / min) (6)额定工作方式 U (V )
FN

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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 I ? I a - I f。励磁功率约为 直流电机额定功率的 2~10% 。

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(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: 。 I ? Ia ? If (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)。

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发电机的励磁方式

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三、直流电机的运行特性 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 E ? f ( I f )曲线 载电压U0)与励磁电流If之间的关系,即 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 Φ 为E ? Ce? n,与励磁电流 I f 之间为磁化曲线关系。

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U

?

E

?

E or

?

If
直流发电机空载特性

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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。

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注意 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。

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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。

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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

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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。

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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。
P2 ? 直流电动机接上直流电源时,电枢绕组中流过电流, P 1 T 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 。

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? 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 U ? E, 由于反电势的 反电势的作用,即要求电源电压 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。

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电势平衡方程 参照上图,不考虑 R 'f 和 R ,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:

U ? E + I a Ra
E ? U - I a Ra

I f ? U Rf, 由于励磁电流I f 要远远小于负 其中I a ? I - I ,而 f 载电流 I ,所以并励发电机电枢电流近似等于负载电流, Ia ? I 即 。

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功率平衡方程
UI a ? EIa + I a2 Ra

P 1 ? P M + pcu

转矩平衡方程
T ? T2 + T0

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2)直流电动机的机械特性 n ? f (T ) 称为直流 直流电动机的转速与转矩之间的关系 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:
n? U Ra T ? n0 - kT 2 Ce? CeCT?

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积复励

直流电动机的机械特性

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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。

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(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。

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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。

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(a)

(b)

(c)

电刷位置与电枢反应

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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。

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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。

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四、 直流电动机的起动、调速、制动
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.
2

U IS ? Ra

GD dn TS - TL ? 375 dt

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直流电动机的起动
起动对电流和转矩的要求

电枢串电阻起动
减压起动

UN
Ia
---

3K

2K

1K

M

Ra

r3

r2

r1

R3 R2 R1

?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。

第二章 船舶电机与电力拖动系统
直流电动机减压起动 n
n0

W
UN

I S1

U ? Ra

O

TL

TS1 ? CT ?I S ? CT ?

TS

U Ra

T

?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。

U I S1 ? ? 1.5 ~ 2.5I N Ra U TS 1 ? CT?I S ? CT ? ? 1.5 ~ 2.5TN Ra

第二章 船舶电机与电力拖动系统
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

nman D? nmin

第二章 船舶电机与电力拖动系统
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

?(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

ni K? ni -1

第二章 船舶电机与电力拖动系统
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

?(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

n0 - n ?n S? 100% ? 100% n0 n0

第二章 船舶电机与电力拖动系统
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

?( 4 )调速的经济



主要由调速设

备的投资,电机运 行时的能量损耗来

决定

第二章 船舶电机与电力拖动系统
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

?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。

第二章 船舶电机与电力拖动系统
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

n
A?
n0

A

UN

U1
U2 U3
O

?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。

U 3 ? U 2 ? U1 ? U N T TL

第二章 船舶电机与电力拖动系统
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。

n
A?
n0

A

UN

U1
U2 U3
O

?(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。

U 3 ? U 2 ? U1 ? U N T TL

第二章 船舶电机与电力拖动系统
直流电动机调速方法
弱磁调速 过程分析 调速特点

n
n02
n01
n0

? 2 ? ?1 ? ? N
C

?2
B A
A?

?1 ?N

?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。

O

T1

T

Ra U n? T C e ? C e CT ? 2

第二章 船舶电机与电力拖动系统
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。 n ? 2 ? ?1 ? ? N
n02
C

n01

?2
B A
A?

Ra U n? T C e ? C e CT ? 2

n0

?1 ?N

O

T1

T

第二章 船舶电机与电力拖动系统
?(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。

第二章 船舶电机与电力拖动系统
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

Ra + R U n? Ia Ce? Ce?

?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:

Ra + R U n? T C e ? C e CT ? 2

第二章 船舶电机与电力拖动系统
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

n
n0
A?

A

B

B

C
O

T

?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。

第二章 船舶电机与电力拖动系统
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

?(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。
A

n
n0
A?

B

B

C
O

T

?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。

第二章 船舶电机与电力拖动系统
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。

第二章 船舶电机与电力拖动系统
能耗制动
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,
+
1 2

+
1 2

RZ
Ea

RZ Ea

I T
F2 -

I

n

n
+
F1 F2

T

+

F1

-

第二章 船舶电机与电力拖动系统
能耗制动
能耗制动的条件 能耗制动过程 能耗制动特点

+
1

B
n0
nA
2

n

A

2

RZ Ea
- Tmax

I

- TL

TL

T

n
-

T

O
nc

+

F1

F2

-

C

?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, 1 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 T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,

第二章 船舶电机与电力拖动系统
能耗制动
能耗制动的条件 能耗制动过程 能耗制动特点

? ( 1 ) 在能耗制动时, 机械特性方程为 :

R n?I Ce?
n0
nA
2

+
1 2

n

B

A

1

R ?T 2 C e CT ?

RZ Ea
- Tmax

I

- TL

TL

T

n
-

T

O
nc

T
C

+

F1

F2

-

第二章 船舶电机与电力拖动系统
能耗制动
能耗制动的条件 能耗制动过程 能耗制动特点

-

+
1

B
RZ Ea

?( 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
n0
nA
2

n

A

1

2

I T

I

- TL

TL

n
- +
F1 F2

T

- Tmax

O
nc

T
C

F2

-

第二章 船舶电机与电力拖动系统
能耗制动
能耗制动的条件 能耗制动过程 能耗制动特点

-

+
1 2

B

?( 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。

n0
nA
2

n

A

1

RZ Ea
- Tmax

I T

I

- TL

TL

n
- +
F1 F2

T

O
nc

T
C

F2

-

第二章 船舶电机与电力拖动系统
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
KM 1
Ia
Ea

KM 2
M

Ra + RZ

n
b
n0

a

1
Ra

+
RZ

n
KM 1

-

2
d
f
- n0
O

?( 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

T

KM 2

+

-

c

第二章 船舶电机与电力拖动系统
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
KM 1
Ia
Ea

KM 2
M

Ra + RZ

n
b
n0

a

1
Ra

+
RZ

n
KM 1

-

2
d
f
- n0
O

T

KM 2

+

-

c

?(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。

第二章 船舶电机与电力拖动系统
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
KM 1
Ia
Ea

KM 2
M

Ra + RZ

n
b
n0

a

1
Ra

+
RZ

n
KM 1

-

2
d
f
- n0
O

T

KM 2

+

-

c

?( 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。

第二章 船舶电机与电力拖动系统
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
+
I a RZ

?( 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

U

T
Ea

n

-

+
Ia

U

R

T
Ea

n

-nB
B?

A
Ra

n
TL

n

+

G

TL

+

-

TL

O

T

R2
G

C R1

R1 ? R 2 C ?

第二章 船舶电机与电力拖动系统
?当串入大的电枢电阻R后, 特性变得很软,电枢电流 直流电动机反接制分为两种,一种是电源反接制 减小,电磁力矩小于负载 动,另一种是倒拉反接制动 力矩,作减速运动,随着 转速下降,反电势减小, 电源反接制动 电枢电流、转矩要回升, 倒接反接制动 当转速降到零时,电磁转 矩还是比负载转矩小,此 A n B + - + U U Ra 时的电机就会在负载力矩 n T T n I a RZ Ia 的作用下反转于 C 点,转 R B? Ea Ea 速方向与电磁转矩相反, n n 电磁转矩成了制动转矩。 TL TL + TL + - O T 由于转速反向,使得电枢 R2 C R1 电势反向,故也称发电工 作状态。 G G
R1 ? R 2 C ?

反接制动

第二章 船舶电机与电力拖动系统
?( 2 )倒拉反接制动特点 由于电源电压、电枢电势、 直流电动机反接制分为两种,一种是电源反接制 电枢电流的方向相同,所 动,另一种是倒拉反接制动 以电源在向电机供电,电 机也在利用机械能发电, 电源反接制动 能量大都消耗在电枢回路 倒接反接制动 的电阻上。
反接制动
+
I a RZ

U

T
Ea

n

-

+
Ia

U

R

T
Ea

n

-

n

B B?

A
Ra

n
TL

n

+

G

TL

+

-

TL

O

T

R2
G

C R1

R1 ? R 2 C ?

?串入的反接电阻越大,则 倒拉反接速度越大。其原 因是由于电阻消耗的能量 增大了(负载为恒转矩负 载),而电源提供的能量 不变(输入的电压、电流 不变),电机发出的电能 就增大,所以倒拉转速增 大。

第二章 船舶电机与电力拖动系统
回馈制动(再生发电制动)

- +
IS

U

n

ES
T

M

n
T fs

+

-

G

?回馈制动是指在外力的作用 下,电机的转速超过了理想空 n0 载速度,电枢电势大于了电源 电压,从而使电枢电流反向, 1 与电枢电势的方向相同,而与 d 电源极性相反,显然电机此时 O T 输出电能,电源则在吸收电能, 电机处于发电工作状态。电枢 g 电流的反向使得电磁转矩的方 - n0 R1 2 向改变,与转速的方向相反, R2 R1 ? R 2 成为制动转矩。 C

n

第二章 船舶电机与电力拖动系统
回馈制动(再生发电制动)

- +
IS

U

n
d

n
n0

?特点:
1

ES
T

M

n
T fs

+

R1 ? R 2

O
- n0
g R1
C

T

R2

2

?在 回 馈 制 动 过程中,电 机将机械能 转变成电能 并馈送回电 网。故称回 馈制

G

第二章 船舶电机与电力拖动系统
小结 直流电机实现直流电能与机械能相互转换的电气设备。有直 流电动与直流发电机两种基本类型,将直流电能转换成机械能的 的称直流电动机,将机械能转换成电能的称直流发电机。

直流电机的基本工作原理理论基础是电磁定律,利用旋转的
电枢导体切割磁场产生感应电电势,通电的电枢导体在磁场中受 到电磁力作用,从而完成电能与机械能的转换。

直流电机的磁场主磁场与电枢反应磁场两类,是直流电机能
量转换的基础。主磁极励磁的方式可分为三类,他励(并励)方 式的机械特性较硬,串励方式的直流电机机械特性较软,而复励

特性界于前两种特性之间。

第二章 船舶电机与电力拖动系统

电枢反应磁场使气隙磁场发生畸变,其磁场中心线偏离几何中 心线,另称其为物理中心线,在发电工作状态时,顺转向偏转了一 个角度,电动运行状态时,则逆转向偏转。为了改善换抽,电刷可 从几何中心线移到其物理中心线上。 换向问题是直流电机否能正常工作的关键,造成换向火花的主 要是电磁原因,换向电势和电枢反应电势是其根源。改善换向的主 要方法是安装换向极、补偿级,合理移刷,选择合适电刷。

第二章 船舶电机与电力拖动系统

电枢感应电势与电磁转矩是直流电机的两个重要参数。电压平衡

方程、转矩平衡方程、功率平衡方程是分析计算直流电机主要基础。
直流电机的工作特性、机械特性是直流电机拖动运行的基础,他 励直流电机固有特性较硬,改变特性的人为方法有三种,即电枢串电

阻人为特性,为一蔟放射曲线特性;改变电枢电压人为特性为一组与
固有特性平行曲线;改变磁通人为特性,特性曲线较软。 直流电动机的起动要限制起动电流在其允许值之内,常用的起动

方法有电枢串电阻起动与减压起动两种。

第二章 船舶电机与电力拖动系统

直流电动机的调速有三种,电枢串电阻调速,改变电枢端压调速,

弱磁调速。变电枢电阻调速与调电枢端压调速属于恒转矩调速性质,在
基速以下调速;弱磁调速属于恒功率调速性质,在基速以上调速。 直流电动机的电气制动方法有三种。能耗制动将动能转变成电能,

大部分消耗在电枢回路电阻上,能实现快速停车制动;反接制动包含了
电源反接制和倒接反接制动,其能量关系为,电机将机械能发电,电网 仍在供电,大部分能量消耗在回路电阻中;回馈制动则是电机的转速超

过理想空载转速,电机将机械能发电并馈送回电网。


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