船舶电气设备

绪论•一、课程性质与内容•1、性质•本课程是轮机管理专业的主要专业课。•专业课──则主要介绍与将来从事的工作有关的知识；主要──则应引起足够的重视。•2、特点理论性强、实践性强──理论要学；实验要做。•3、内容•由于船舶电气设备的驱动主要由电动机完成，而电动机的工作又必须由船舶电站提供能源。∴本课程内容包含：电机学、船舶电站以及主要船舶电气设备的控制线路和原理等。•4、重点与难点•本课程的重点、难点是异步电动机的调速、起动、制动方法及运行情况分析，同步发电机并联运行及功率调节，锅炉、起货机、自动舵控制线路分析，同步发电机的自动调压装置，同步发电机并联运行，电力系统的保护。二、课程目的和要求通过本课程的学习，获得电机学及船舶电气设备必要的基本理论和基本知识，掌握船舶电气设备基本操作技能，为学习后续课程及今后从事船舶电气设备管理工作打下理论基础和实践基础。三、如何学习本课程1、学习要求：1）．确实做到课前预习，课后复习。课前预习──才能在课堂里跟得上思路，课后复习──才能及时消化。2）．作业确实自己做，“COPY”者考试时将吃大亏。批改的作业一定要保存到期末。3）．答疑：有问题及时问，不要积累。尤其是作业上的问题。4）．注意每章节后的要点归纳。本课程为港监考证课，相信大家会引起足够的重视。2、考试初步商定：期末四个班统一复习。成绩计算：期末占80%；平时占20%。平时包括：作业和实验两部分。试题型式有两大部分：①．单项选择题；②．问答、计算题。3、关于考证据说考证题型以“单项选择题”和“关联题”（简单计算题）为主。∴应重视各个知识点的理解和学习。为此，每章节后的归纳更应重视。4、关于教材本教材编写的程度较为简单，有的部分可以自己参阅其它参考书。如，《电机学》、《电工学》等方面的参考书。电机学：许实章，[较深，但较权威]；船舶电机学：陆让之（大连编），[较合适]。电工学：秦曾煌。第一章磁路•§1—1．磁场基本物理量•一、磁感应强度和磁通•磁感应强度和磁通都是中学已经学过的、表述磁场的基本物理量。大家知道，“电能生磁，磁变生电”。可以这么理解：磁感应强度表示的是磁场感生电的能力的强弱；磁通和电量中的电流相似，表示磁场传递能量的大小，磁通传递的是磁能。磁通Ф是穿过某一截面S的磁感应强度B的通量（即，磁力线数）。截面与磁力线垂直时：B=Ф/S，或Ф=B·S•∴磁感应强度又称磁通密度，简称“磁密”，单位“特斯拉”。从“场”的观点看B是磁感应强度；从“路”的观点看B是磁密，但都是有方向的量，是矢量（“场”的角度为“空间矢量”；“路”的角度是“时间矢量”）。磁通的单位为韦伯，也是矢量。•[关键词]：磁通，磁密，矢量，单位，相互关系（见书P．1．，式1-1-1）。二、磁场强度磁场强度H也是表述磁场的基本物理量（与电场中的电场强度相对应），（见书P．1．，式1-1-2和式1-1-3），单位为：安/米，也是矢量。式1-1-2表示的积分回路是任意的，而式1-1-3则为均匀磁介质中取磁力线作积分回路。三、磁导率和电导率相似，表示介质导磁的能力（见书P．2．，式1-1-4），单位为：亨/米，所不同的是：不同电介质的电导率相差非常大，而不同磁介质的磁导率相差相比之下就小很多（只是相比之下，实际导磁材料的磁导率还是相差很大的）。[第一节要点]：物理量的含意、单位（国际单位制SI和电磁单位制）、相互关系。§1—2．铁磁材料及铁损两类：铁磁、非铁磁（差别主要是：磁导率的不同）。一、铁磁材料的磁性能铁磁材料：铁、钴、镍及其合金。1、高导磁特性铁磁材料的磁导率μ＞＞μ0，相对磁导率μr＞＞1，但与导体的电导率比“＞＞”还是不够大。2、磁饱和特性（B-H的关系曲线称“磁化曲线，见书P．3．，图1-2-1）可以这么理解：由于μr不够大，对于一定尺度的铁磁材料，当H足够大时，B却不能与H同步增大（跑到铁磁材料外，B-H关系为非线性）从而出现饱和，μ↓（下降）。3、磁滞和剩磁特性由于B、H非线性，H从一定值↓时，B↓的量较小，出现“磁滞”现象。由于“磁滞”，当H↓到0时，B≠0，于是出现“剩磁”。§1—2．铁磁材料及铁损二、铁磁材料的类型三种：①、软磁；②、硬磁；③、矩磁主要区别在B-H曲线）三、铁损铁心要传递能量，就必定会产生损耗。铁心的损耗简称铁损。（交变磁通才能不间断地传递能量）。铁损包含：磁滞损耗和涡流损耗两部分，磁滞损耗是为了克服剩磁所产生的损耗；涡流损耗则是铁磁材料感生电流在材料中产生的损耗的反映。铁损的计算：（见书P．4．，式1-2-1）对于一定尺寸大小的铁心，铁损与频率f和磁密B有关。直流磁通（f=0），不产生铁损；相同磁感强度H在不同材料的铁心中产生的铁损也不一样（∵材料不同，μ不同，产生的B也不同。∴铁损也不同）。[注意]：磁损耗与电损耗计算方法不一样，pFe≠Ф²·Rm（虽然pcu=I²·R，但∵R可认为是线性的，而Rm通常为非线性，[第二节要点]：磁性能（μ非线性，磁滞，剩磁，B-H曲线）；材料（软、硬、矩）；铁损耗（与f和B有关）§1—3．磁路一、磁路和磁路基本定律1、定义①、“路”的理解：所谓“路”—→“通路”，平坦的，路上无坑坑洼洼—→均匀的。（相对于“场”—→“场地”，通常不平—→不均匀的。）②、磁路的定义：（见书P．4．，-8行）主要由铁磁材料组成的、磁力线集中通过的闭合路径，工程上称为磁路。“路”—→是均匀的（忽略材料上各点的差异；不均匀的话也可“等效均匀”）。每段“路”中的量是，该段路中“各点的平均值”。③、注意点：“铁磁材料”，“集中通过”，“闭合路径”。④、联想：一条“路”可能是“宽窄不同”—→可“分段”考虑。⑤、作用：磁路是磁力线（磁通）通过的路径，传导磁能的路径—→传导磁能到需要的“工作区域”上，工作区域经常是“气隙”（即，“空气间隙”；非铁磁），∴“气隙”经常称为“工作气隙”。实用例子：（见书P．5．，图1-3-1）工作原理简介：(a).直流电机；(b).交流接触器；(c).变压器；(d).继电器。2、磁路的欧姆定律②、与电路比较F—→磁势（相对于：电势），单位“安培”，或“安•匝”。Ф—→磁通（相对于：电流），单位“韦伯”（或“麦克斯韦”Rｍ—→磁阻（相对于：电阻），单位“安/韦伯”（或“1/亨”，等）。书P．5．，式1-3-3中，∵μ不是常数，∴Rｍ也不是常数，—→与饱和程度有关；与材料有关；与频率还有关。[注意]：★电损耗可由i²•r计算（焦耳热），但磁损耗不可用Φ²•Rm计算。（∵电路中电阻r通常可认为是线性的，但磁路的磁阻Rm却是非线性的）。★掌握式1-3-2和式1-3-3（型式；F、Ф和Rm以及ｌ和S的单位），能计算。★理解Rm是非线性的，知道其影响因素。3、串联磁路的欧姆定律————磁路的基尔霍夫定律①、串联磁路总磁势=各段磁压降之和气隙——磁压降最大，如图1-3-1中(a)、(b)、(d)——工作气隙。无气隙的磁路则由反磁势消耗，图1-3-1中(c)——两线圈相互影响。②、分支磁路与并联电路相同——见书P．5．，式1-3-6。二、Ф求F（由磁路计算1、任务IN）或由F（IN）求Ф（已知条件：ｌ、S及B-H曲线等，——工作点接近饱和点）。2、步骤由Ф求F。（i——各段序号）Ф—→Bi—→查B-H曲线，得Hi—→求F（F=∑Hi·li）（见书P．8．，例1-1）[第三节要点]：磁路（概念，定律）；磁势（单位）；磁阻（非线性、影响因素；单位）§1—4．电磁铁一、电磁铁的工作原理1、组成：线圈、铁心、衔铁（连接执行机构）、及其它附件。2、原理：线圈通电，使铁心和衔铁磁化，产生吸力，带动执行机构动作。3、应用：（见书P．6．，图1-4-1）①、刹车：使电动机快速停车。（结构原理参见：书P．102．）分类：（从结构）：圆盘式、抱闸式；（从工作原理）：通电动作式；断电工作式。原理：（通电动作式）线圈通电—→吸合，打开刹车；断电—→靠弹簧，抱闸。②继电接触器：通电：衔铁吸合，带动触头动作；断电：弹簧使衔铁释放。二、电磁吸力1、吸力：公式（见书P．6．，式1-4-1。应知道：正比于—S、B²；反比于μ0）。2、交流电磁铁吸力：f=0.5S0·Bm²Sinωt/µ0=Fm(1-Cos2ωt)/2（P．6．，-1行）。每周期有两次过零点。在反力弹簧的作用下，将产生高频振荡。（50Hz时，100次/秒）。3、短路环（见书P．7．，图1-4-4）当铁心中B为交变时，则Ф2与B同相位，但Ф1所在的部分铁心，∵有短路环的存在，∴保证工作的任一时刻Ф1、Ф2至少有一个不为零，从而消除高频振荡。“三相电磁铁”∵工作时不会出现三相磁通都为零的时刻，∴不用设置短路环（注意：三相线圈不能同时一起安装在同一铁心上）。（但答题时应特别注意）二、电磁吸力电磁吸力的大小与经过气隙进入衔铁的磁力线的多少及分布有关，它与气隙的磁通Φ或磁密B0平方成正比，与气隙截面S0成正比。f=0.5B02S0/μ0=400000S0B02[N]对于交流电磁铁：B0=BmSinωt则瞬时吸力f=0.5S0B02Sin2ωt/μ0=Fm(1-Cos2ωt)/2i正弦，B0也是正弦，而f是在0到最大值Fm之间周期性的脉动，那么，一个周期的平均吸力：22]21[2)2cos1(21[1][200000412110000202000mTmTTTmmmmmTFtTFtdtCosdtTFdttFTNBSBSFfdtTF对于单相电磁铁，因为，f是脉动，当吸力变化到接近于零时，因对衔铁吸力不足而产生脉动和噪声，污染环境，影响寿命。为了使铁心端面产生一个合成吸力不力零，在端部嵌装一个闭合的铜环，称为短路环。如图1-4-4所示。由于短路环通过交变磁通，产生感应电势和楞次电流，以反抗磁通的变化，从而使穿过短路环的磁通Φ2的变化，由于这个磁通不会同时过零，又在铁心截面的不同部位，故任何瞬时对衔铁的吸力都不为零，从而减弱或消除振动和噪声。三相电磁铁，通常采用E形铁心，三相铁心线圈所产生的气隙磁通不会同时为零，因而不会产生振动和噪声，交流电磁铁制动器常用三相交流电磁铁。三、交流、直流电磁铁的特点1．交流电磁铁是由钢片叠成，直流电磁铁则由整块软钢制成铁心。2．励磁线圈为恒压型（或并联型）的交、直流电磁铁，它们的电路和磁路有着明显不同的特点。直流恒压电磁铁是恒磁势型交流恒压电磁铁是恒磁通型因为：11）直流励磁线圈电路：IN都是不变，与磁路的磁阻Rm无关，励磁电流只与电压有关，当电压一定∴F=IN=cosst而直流继电器铁心卡住，线圈不会烧坏可见，Φ与Rm成反比变化，Φ与Rm有关但f∝Φ2mδ↑→f↓直流电磁铁是恒磁势电磁铁2）交流励磁线圈电路因为铁心线圈的电感L》R，而eL》UR所以U≈eL=RUImRF)90()90()(00tSinECosXdXdSinXtSinNtSindtdNdtdNmmm感应电动势的有效值为：在相位上感应电动势滞后于磁通90º∵E∝ΦE≈U∴U≈4.44fNΦm当N、f为一定时，Φ∝U，当U一定，Φm也一定，故是恒磁通型，它与磁路的磁阻无关。mmmmfNNfNEE44.42222mfNjEE44.4900fNUm44.4因为在交流铁心的磁路中要保持Φm不变，所以磁势和励磁电流必须随磁阻的增减而增减。交流继电器衔铁被卡住，吸不动，长时间大电流就会使线圈烧坏。四、铁心线圈的电感在电路中，线圈的理想电感L是用通入单位电流所产生的磁链的多少来量度。而单位电流产生磁通则与线圈形状，几何尺寸及周围介质的磁导率μ有关。INLSlRlSNRNLRINRFmmmm22代入上式可见：铁心线圈的电感L与铁心磁路的磁阻成反比，或与铁心的磁导体率μ成正比，所以，铁心线圈的电感比真空心的电感大得多，但由于L随μ变化，也不是常数。铁心越饱和磁阻越大，而μ和L越小，所以，在分析变压器和交流电机中铁心线圈产生的正弦感应电动势，E一般不用感抗压降I·ωLm表示。E≠ω