船舶電力推進技術(shù)

第三章船舶推進電機

3.1船舶推進電機概述3.1.1推進電機的特點（1）高可靠性（2）大容量（3）低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩（4）高比功率（5）寬調(diào)速范圍和調(diào)速性能（6）高效率（7）振動和噪聲?。?）多工況運行（9）多電壓供電方式3.1船舶推進電機概述3.1.2船舶推進電機的要求對推進電動機的要求，除由推進電機的特點決定外，同時要考慮船舶工作時的環(huán)境條件如海水、鹽霧、霉菌等，戰(zhàn)術(shù)技術(shù)狀態(tài)如傾斜、搖擺和沖擊的影響等，還要考慮艙內(nèi)的布置、外形結(jié)構(gòu)尺寸、重量等要求。3.2船舶直流推進電機直流電動機具有良好的運行和控制特性，其調(diào)速系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟，從控制技術(shù)的角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本節(jié)主要分析直流電機的基本方程、運行特性和船用直流推進電機的特點。3.2船舶直流推進電機3.2.1直流電機的基本原理電磁轉(zhuǎn)矩方程直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩和外施轉(zhuǎn)矩動態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系穩(wěn)態(tài)運行轉(zhuǎn)矩關(guān)系電磁轉(zhuǎn)矩公式3.2船舶直流推進電機3.2.1直流電機的基本原理電動機電壓方程直流電機電勢關(guān)系電樞電流電壓平衡方程電動機反電勢3.2船舶直流推進電機3.2.1直流電機的基本原理功率方程為電動機總的功率損耗為空載損耗為空載損耗，為勵磁損耗，為銅耗為鐵心損耗，為機械損耗，3.2船舶直流推進電機電動機效率；；。

轉(zhuǎn)矩關(guān)系；；3.2船舶直流推進電機3.2.2直流他勵電動機數(shù)學(xué)模型船舶電力推進系統(tǒng)一般由螺旋槳、電動機、發(fā)電機、原動機以及控制設(shè)備組成。3.2船舶直流推進電機3.2.2直流他勵電動機數(shù)學(xué)模型忽略磁場回路渦流影響時的數(shù)學(xué)模型（1）勵磁繞組回路的數(shù)學(xué)模型3.2船舶直流推進電機（2）觸發(fā)器與整流器的數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確的近似的3.2船舶直流推進電機（3）勵磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型忽略磁場回路渦流影響時的動態(tài)模型結(jié)構(gòu)圖3.2船舶直流推進電機3.2.2直流他勵電動機數(shù)學(xué)模型考慮磁場回路渦流及磁化曲線非線性影響時的數(shù)學(xué)模型3.2船舶直流推進電機忽略

磁場回路等效電路3.2船舶直流推進電機

勵磁回路等值電路故故電動機磁化曲線3.2船舶直流推進電機

根據(jù)電動機磁場回路各量之間的相互關(guān)系可以得到勵磁系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.2船舶直流推進電機直流電動機的運行特性主要有兩條：一條是工作特性，另一條是機械特性，即轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性。分析表明，運行性能因勵磁方式不同而有很大差異，下面以并勵電動機為例加以研究。并勵電動機的接線圖3.2.3直流電動機的運行特性3.2船舶直流推進電機工作特性

轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)矩特性效率特性并勵（他勵）電動機的工作特性3.2船舶直流推進電機機械特性

并勵電動機的機械特性，常值時電動機的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系3.2船舶直流推進電機3.2.4船舶直流推進電機特點1．基本型式（1）單電樞單換向器（2）電樞雙換向器（3）雙電樞雙換向器（4）雙電樞四換向器2．機座3．定子磁路系統(tǒng)4．電樞5．換向器6．刷架裝置3.3交流推進電機在變頻調(diào)速技術(shù)成熟以前，由于交流電機調(diào)速性能的限制，交流推進電機主要用于機動性要求不高的船舶，或者作為某些船舶的一種輔助推進。隨著電力電子技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、現(xiàn)代控制理論特別是矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展，交流推進電機的調(diào)速性能已可與直流推進電機的調(diào)速性能相媲美。3.3交流推進電機交流電機優(yōu)點（1）交流推進電機的極限容量大。（2）降低了電機的總損耗，提高了效率。（3）可以采用較高的電壓。（4）交流推進電機結(jié)構(gòu)簡單，維護方便、成本低廉。3.3交流推進電機3.3.1多相異步電機數(shù)學(xué)模型理想條件多相異步電機各相繞組分布圖（1）鐵磁材料的飽和、磁滯以及渦流影響忽略不計；（2）忽略空間諧波磁場的影響，電機氣隙磁場按正弦分布；（3）定子內(nèi)表面光滑，忽略齒隙和通風(fēng)槽的影響；（4）電機參數(shù)為常數(shù)，即不受電流、溫度、轉(zhuǎn)速等條件變化的影響；3.3交流推進電機3.3.1多相異步電機數(shù)學(xué)模型多相異步電機轉(zhuǎn)子鼠籠等效示意圖3.3交流推進電機（1）電壓方程：（2）磁鏈方程：（4）轉(zhuǎn)矩方程：（3）運動方程：N相異步電機在自然坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型3.3交流推進電機N相異步電機在d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型（1）磁鏈方程：（2）電壓方程：（4）轉(zhuǎn)矩方程：（3）運動方程：3.3交流推進電機3.3.2多相同步電機數(shù)學(xué)模型基本假設(shè)條件（1）電機氣隙磁場按正弦分布，忽略空間諧波磁場的影響；（2）忽略電機鐵心的飽和、磁滯及渦流的影響；（3）定子內(nèi)表面是光滑的，即忽略齒隙和通風(fēng)槽的影響；（4）電機參數(shù)不變，不受電流、溫度、轉(zhuǎn)速的影響；（5）電機定子繞組采用集中整距的布線方式，轉(zhuǎn)子上的阻尼回路看成兩組等效的短路繞組－直軸阻尼繞組和交軸阻尼繞組。3.3交流推進電機磁鏈方程：機械方程：電磁轉(zhuǎn)矩：自然坐標(biāo)系下的多相同步電機模型電壓方程：3.3交流推進電機磁鏈方程：電磁轉(zhuǎn)矩：d-q坐標(biāo)系下的多相同步電機模型電壓方程：3.3交流推進電機3.3.3交流電機的運行特性異步電動機的工作特性在額定電壓、額定頻率下，異步電動機的轉(zhuǎn)差率

、效率

、功率因數(shù)

、定子電流

以及輸出轉(zhuǎn)矩

與輸出功率

的關(guān)系曲線。3.3交流推進電機3.3.3交流電機的運行特性同步電動機的工作特性定子電壓

、勵磁電流

時，電磁轉(zhuǎn)矩、電樞電流、效率、功率因數(shù)與輸出功率之間的關(guān)系3.3交流推進電機同步電動機的V形曲線定子電壓

，電磁功率為常值時，電樞電流與勵磁電流的關(guān)系恒功率、變勵磁時隱極同步電動機的相量圖3.3交流推進電機同步電動機的V形曲線3.3交流推進電機調(diào)節(jié)勵磁就可以調(diào)節(jié)電動機的無功電流和功率因數(shù)，這是同步電動機的主要優(yōu)點。通常同步電動機多在過勵狀態(tài)下運行，以便從電網(wǎng)吸收超前電流（即向電網(wǎng)輸出滯后電流），改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。但是過勵時，電動機的效率將有所降低。3.3交流推進電機3.3.4船舶交流推進電機特點電磁設(shè)計（1）主要尺寸與電磁參數(shù)的關(guān)系（2）磁路（3）參數(shù)（4）電磁方案電磁設(shè)計是在明確技術(shù)要求的前提下來確定電機的電磁負荷、有效部分尺寸、繞組數(shù)據(jù)及性能參數(shù)等，在交流推進電機電磁設(shè)計中需要考慮變頻電源及控制策略的影響，關(guān)注功率密度、噪聲振動和冗余設(shè)計等因素。3.3交流推進電機3.3.4船舶交流推進電機特點結(jié)構(gòu)設(shè)計（1）定子（2）轉(zhuǎn)子（3）軸承（4）風(fēng)路大型交流推進電機的結(jié)構(gòu)質(zhì)量在電機總質(zhì)量中占有大部分的比例，因此，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計對于減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、減小電機體積有著舉足輕重的作用。同時，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計對增強抗沖擊性、提高可靠性和減振降噪等方面也具有重要的作用。3.4船舶永磁推進電動機3.4.1基本原理、分類船舶永磁電機采用永磁材料勵磁，沒有勵磁繞組和勵磁損耗。與一般電勵磁電機相比，永磁電機具有效率高、體積小等優(yōu)點，特別適用于船舶推進電機。在船舶推進電機上使用的永磁材料主要為釹鐵硼和釤鈷兩種稀土永磁材料。釹鐵硼具有較高的磁能積，價格便宜，但溫度系數(shù)偏大，居里溫度低。釤鈷具有較高居里溫度，溫度系數(shù)小，但價格貴，磁能積低。3.4船舶永磁推進電動機按氣隙磁通方向，可以分為徑向磁通永磁電機、軸向磁通永磁電機和橫向磁通永磁電機。按電樞繞組反電勢波形，主要分為正弦波永磁電機和方波（矩形波）永磁電機。3.4船舶永磁推進電動機3.4.2多相永磁電機通用數(shù)學(xué)模型與交流推進電機類似，永磁推進電機的相數(shù)也不局限于三相。本處主要以徑向永磁同步電機為例，建立自然坐標(biāo)系下的多相永磁同步電機的通用數(shù)學(xué)模型，該模型可以方便地考慮電機中諧波磁場的作用，因此，不但能適用于正弦波永磁同步電機，而且也適用于矩形波永磁同步電機。3.4船舶永磁推進電動機假設(shè)與正方向（1）忽略磁路飽和、磁滯和渦流的影響以及導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)，并不考慮溫度及頻率對參數(shù)的影響。（2）轉(zhuǎn)子阻尼繞組等效為直軸和交軸兩個獨立的阻尼繞組，且轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對直、交軸對稱。多相永磁電機各相繞組分布圖3.4船舶永磁推進電動機自然坐標(biāo)系下的多相永磁同步電機模型磁鏈方程：電壓方程：3.4船舶永磁推進電動機N相永磁同步電機繞組電感定子繞組自感：定、轉(zhuǎn)子繞組互電感：定子繞組互感：若不考慮飽和的影響，永磁同步電機轉(zhuǎn)子上阻尼繞組電感為常數(shù)3.4船舶永磁推進電動機N相永磁同步電機電磁轉(zhuǎn)矩3.4船舶永磁推進電動機N相永磁同步電機轉(zhuǎn)子運動方程為負載轉(zhuǎn)矩；為機械摩擦轉(zhuǎn)矩；為轉(zhuǎn)動慣量；為電機的機械角速度。3.4船舶永磁推進電動機3.4.3多相正弦波永磁電機數(shù)學(xué)模型分析正弦波的永磁同步電機最常用的是dq坐標(biāo)系下的派克－戈列夫模型，盡管該模型忽略磁場的高次諧波分量，但可用于分析正弦波永磁同步電機的穩(wěn)態(tài)運行性能，同時為分析電機的瞬態(tài)性能提供了極大的便利。3.4船舶永磁推進電動機多相正弦波永磁同步電機的dq坐標(biāo)系模型3.4船舶永磁推進電動機即3.4船舶永磁推進電動機3.4船舶永磁推進電動機消去轉(zhuǎn)子量，則有：即：定子交、直繞組的超瞬變電感：3.4船舶永磁推進電動機3.4船舶永磁推進電動機電磁轉(zhuǎn)矩上式等號的右邊括號內(nèi)第一項是永磁體勵磁與定子q軸電流產(chǎn)生的勵磁轉(zhuǎn)矩，它是主要分量；括號內(nèi)第二、三項是定子d、q軸電流與阻尼條電流產(chǎn)生的阻尼轉(zhuǎn)矩，與前一項相比，其數(shù)量較??；括號內(nèi)第四項是由于轉(zhuǎn)子不對稱所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩3.4船舶永磁推進電動機若電機為常規(guī)的表面安裝永磁體結(jié)構(gòu)的永磁電動機，且轉(zhuǎn)子上無阻尼繞組，則轉(zhuǎn)子表面安裝永磁體結(jié)構(gòu)的無阻尼繞組永磁電動機其電磁轉(zhuǎn)矩僅與q軸電流有關(guān)，這類永磁電動機較易實現(xiàn)矢量控制。3.4船舶永磁推進電動機3.4.4船舶永磁推進電機特點船舶推進永磁電機屬調(diào)速永磁同步電機，與其配套的傳動系統(tǒng)和控制方式也與普通的永磁電機不同，因而對其技術(shù)及經(jīng)濟性能的要求大不相同。一般來說對推進永磁同步電機的主要要求是：調(diào)速范圍寬，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速平穩(wěn)（或者說轉(zhuǎn)矩紋波小），動態(tài)響應(yīng)快速準(zhǔn)確，單位電流轉(zhuǎn)矩大等。3.4船舶永磁推進電動機推進永磁同步電機的設(shè)計是與相匹配的功率系統(tǒng)的性能不可分的。設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)傳動系統(tǒng)的應(yīng)用場合和有關(guān)技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)要求，首先確定電動機的控制策略和逆變器的容量，然后根據(jù)電機設(shè)計的有關(guān)知識來設(shè)計電動機。3.4船舶永磁推進電動機推進永磁同步電機傳動系統(tǒng)的主要特性是它的調(diào)速范圍和動態(tài)響應(yīng)性能。調(diào)速范圍又分為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)和恒功率調(diào)速區(qū)。調(diào)速永磁電動機的調(diào)速范圍3.4船舶永磁推進電動機電動機的運行過程可以用工作周期來表示，推進永磁同步電機的動態(tài)響應(yīng)性能常常以從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速所需的加速時間來表示。調(diào)速永磁電動機的工作周期3.4船舶永磁推進電動機主要尺寸的選擇主要尺寸可以由所需的最大轉(zhuǎn)矩和動態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)確定3.4船舶永磁推進電動機轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的選擇當(dāng)電動機最高轉(zhuǎn)速不是很高時，可選用表面凸出式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)；反之則應(yīng)選取內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的永磁電動機的