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1、中文摘要1英文摘要21 绪论31.1 无刷双馈电机的发展和研究现状31.2 无刷双馈电机的应用前景62 无刷双馈电机的结构和基本原理92.1 无刷双馈电机基本结构92.2 无刷双馈发电机的运行原理123 船舶电力系统的分析、设计及保护183.1 船舶电力系统的基本参数183.2 船舶电力系统电源装置的选择193.3 船舶电力系统的短路电流计算233.4 船舶电力系统保护及断路器的选型313.5 船用电缆选型及敷设35结论40谢辞41参考文献42无刷双馈单机发电系统研究摘 要：目前交流励磁双馈电机在变速恒频发电系统中应用广泛，但多为有刷结构，而无刷双馈电机省去电刷和滑环结构，其维护方便，性能更加
2、可靠，因而具有广泛的应用前景。本文以无刷双馈电机为研究对象，主要研究其运行原理和方式，介绍了其在船舶上作为船舶轴带发电机的基本概况，并以福建自动化实训电站为例阐述了船舶电力系统的设计过程和元器件优化选型及保护。首先，分析了船舶电力系统的特点和基本参数，并对电源装置进行了选择；接着，对船舶电力系统短路电流进行计算，并对施耐德MerlinGerin品牌Compact NS系列塑壳式断路器的选型作了论述；最后，阐述了船用电缆的选型及敷设。关键词：无刷双馈电机 船用轴带发电 船舶电力系统 短路电流计算 继电保护Abstract：AC excitation current of doubly fed v
3、ariable speed constant frequency electrical power generation system has in the widely been used,but mostly with brush structure,which the BDFM eliminates brush and slip ring stucture. It has easy maintenance, more reliable, so it has broad application prospects.In this paper, BDFM as the research ob
4、ject, the main principles and methods of its operation, described the ship in the ship shaft generator as a basic overview and an example of Fujian power plant automation training ship power system described Optimization of the design process and component selection and protection. First, it analyze
5、s the characteristics of the ship power system and the basic parameters, and power supply units were selected; then the ship power system short-circuit current calculation, and Schneider MerlinGerin brand Compact NS Series MCCB selection made Discourse; Finally, described the selection and laying ma
6、rine cables.Keywords：Brushless Doubly-Fed Machion, Marine Shaft Generator System,Ship Power System, Short-circuit Current Calculation,Relay Protection显示对应的拉丁字符的拼音1 绪论无刷双馈电机是近年来发展起来的一种新型电机，它取消了电刷和滑片，不仅具有结构简单、运行可靠的优点，而且可以有效的降低变频装置的容量和电压等级，因此被认为在调速驱动和变速发电领域中有广泛的应用前景，通常用在孤岛系统中。本章回顾了无刷双馈电机的发展和研究现状，并分析了其应
7、用前景。1.1 无刷双馈电机的发展和研究现状1.1.1 无刷双馈电机的发展无刷双馈电机发展至今，经历了上百年的历史。20世纪初随着交流输电技术的发展，感应电机以其结构简单、坚固耐用等优点逐渐在工业中获得广泛的应用。但是在许多场合中，常常要求电机具有几种不同的转速或者在一定转速范围内可以连续地调节，因此感应电机的调速成为鱼待解决的一个问题。早期的感应电机调速主要是采用转子串电阻调速的方法，这种方法只适用于绕线转子感应电机，而且损耗大、效率低，容易使电动机的机械特性变软1。在这种背景下，串级感应电机应运而生。串级感应电机是一种将两台绕线式感应电机同轴相连，转子绕组同相序或者反相序连接的电机，有时候
8、也被称为级联感应电机。串级感应电机在串级运行时，一套定子绕组接工频电源，角速度为，另外一套通过可调电阻短接，若两台感应电机的极对数分别为和，则可以获得的同步转速(转子绕组反相序相连时取“+”，同相序相连时取“-”)，改变外接电阻的大小，可以实现一定转速范围内的调速。由于这种串级连接的方法可以取消绕线转子串电阻调速时的滑环和电刷，并在一定的转速范围内实现调速，因此曾引起人们的广泛注意。后来为了减小体积，提高性能，简化安装，人们尝试将两台电机的定转子安装在同一机座内，使得从外观上可将串级感应电机看成一台电机，但从结构上来说定转子绕组仍然是独立的。无刷双馈电机是在串级感应电机的基础上发展而成的。19
9、07年，L.J.Hunt提出了将同轴串级连接的两台感应电机合二为一的方案，形成了单一定转子铁心的自串级电机，不仅能满足串级感应电机调速的要求，而且能减少用铜量和相应的铜耗2，实际形成了无刷双馈电机的雏形。1920年，F.Creedy在L.J.Hunt的基础上，总结了一些极对数配合的规律，设计了一台6/2极的自串级感应电机并获得很大的成功，这种极数的配合一直延用至今，但是受到当时技术条件的限制，该电机未能投入实用研究。1966年B.H.Smith分析了串级感应电机的运行方式，第一次提出如果在第二套定子绕组上外接一个低频电源，串级感应电机将具有同步运行的方式，而且第二套定子绕组能吸收第一套定子绕组
10、提供的转差功率3。1970年A.R.W.Broadway和L.Burbridge改进了L.J.Hunt电机的转子结构，他们进一步扩大了极对数配合的范围，并且用导条取代了绕组线圈，提出了一种类似于鼠笼转子的巢形转子结构，也即特殊笼型转子结构，总结出了其“巢”数应该等于定子两套绕组的极对数之和。这种特殊笼型转子以其结构简单坚固成为现代无刷双馈电机的经典转子结构，被广为研究，成为无刷双馈电机研究的一个主要分支。1971年A.R.W.Broadway又提出可以用磁阻转子代替特殊笼型转子。1984年，C.J.Heyne和A.M.EI-Antably提出了一种双励磁磁阻电机并公布了样机的实验结果，该电机将
11、用于自串级电机的隐极式绕线转子用新型磁阻转子结构(ALA轴向叠片转子)代替，提高了电机的性能指标4。这种新型磁阻转子电机以其较高的效率和较好的同步性能成为无刷双馈电机研究的另外一个分支。至此，无刷双馈电机的结构发展趋于稳定，后续文献对无刷双馈电机的结构，特别是转子结构的改进甚少。上世纪80年代中期，美国的Oregon州立大学的学者对这种电机进行了一些研究，并且正式将它命名为无刷双馈电机(Brushiess Doubly-Fed Machine，简称BDFM)。自此，随着世界各国对绿色能源和可持续发展的日益重视，无刷双馈电机作为一种用途广泛、意义深远的新型电机成为国内外研究的一个热点。1.1.2
12、无刷双馈电机的研究现状上世纪70年代，无刷双馈电机的结构基本定型，特别是转子结构。此时，一批学者开始注意到了无刷双馈电机的潜在价值。80年代中期，出于商业利益的考虑，以A.K.Wallace，R.spee，G.C.Alexander等为代表的美国Oregon州立大学的学者开展了对无刷双馈电机的研究，取得了一系列的重要成果。1989年，A.K.Wa11ace等学者较早地阐述了这一新型电机在调速驱动(ASD)、变速发电(VSG)和抽水蓄能中的应用前景，并较早地以BDFM来命名这种新型电机，此外还从电路的观点对无刷双馈电机展开了建模和仿真。1991年，R.Li等人在文献中首次建立了一台6/2极、转子
13、24槽的特殊笼型转子无刷双馈电机的d-q轴数学模型，并成功地对该电机的起动和运行进行了仿真分析。随后，M.Boger等人推广了该d-q轴数学模型至任意极对数。1992年，R.Li等人研究了无刷双馈电机稳态运行时的特性，提出了无刷双馈电机同步运行时的等效电路，并绘制了相应的向量图。B.V.Gorti等人从该等效电路出发，分析了无刷双馈电机在不同运行状态下的能量平衡关系。与此同时，与电机本体相关的其它理论成果也比较丰硕。以D.Zhou为代表的学者对无刷双馈电机的控制方法展开了卓有成效的研究，他较早在1993年提出了一种所谓的标量控制方法，它包含两个PI控制器，实现了转速和功率绕组侧功率因数的闭环控
14、制。1994年，D.Zhou提出了一种基于双同步速旋转坐标系的d-q轴数学模型5，实现了功率绕组和控制绕组中电压和电流的d-q轴分量的常数化，并相应地提出了一种基于转子磁场定向的控制方法(RFOC)，在此基础上他又提出了一种简化的、无位置传感器的控制方法。此外，W.R.Brassfield等人于1996年提出了无刷双馈电机的直接转矩控制(DTC)6。进入二十世纪，英国剑桥大学的学者对无刷双馈电机的研究异常活跃。从收集的文献来看，S.Wiiliamson等人较早地概述总结了无刷双馈电机研究的理论成果和建模方法，利用有限元分析的方法研究了铁心的饱和与损耗，并结合实验，验证和分析了样机的性能7。P.
15、C.Roberts等学者对比分析了五种不同转子的无刷双馈电机的性能差异，并公布了实验数据8。他们还建立了无刷双馈电机的稳态等效电路，提出了基于目标函数优化的参数估算方法。在此基础上，文献9分析总结了无刷双馈电机作为发电机和电动机运行时的特性，包括转矩的计算，电磁负荷的选取，转子匝比的优选等，并与同等尺寸大小的双馈电机和串级感应电机进行了容量的对比。此外，他们还对相关的一些问题，比如转子电流的测量方法、变频器容量的选择、控制策略和电机的设计与优化等展开了广泛的探讨。与此同时，国外其它的一些学术机构也对无刷双馈电机或者串级感应电机开展了一些研究。值得说明的是，上述研究工作所涉及的电机一般采用的是特
16、殊笼型转子或者级联转子，以Ohio州立大学为代表的国外其它一些研究机构的学者也对采用磁阻转子的无刷双馈电机展了一些研究10。自从20世纪90年代开始，国内的重庆大学、沈阳工业大学、浙江大学、华南理工大学、湖南大学、华中科技大学以及其它一些高校或科研机构相续开展了一些研究工作，取得了一些创新成果11。总结目前国内外在无刷双馈电机研究方面的进展：(1)从电机的结构上来说，目前无刷双馈电机的定子绕组主要采用双绕组方案，与单绕组方案相比，其优点是接线灵活，可以消除环流，有效地减少谐波影响，可以灵活的调整两套绕组的节距和匝数，其缺点是，相对而言，导体利用率和槽满率较低。转子主要采用特殊笼型转子，常用的极
17、数配合为6/2，8/4等，与此同时，绕线转子设计思想和方法有了长足的进步，初步的实验不仅验证了绕线转子的合理性，而且表明采用绕线转子的无刷双馈电机会有更好的性能。(2)从研究的方法来看，主要的研究方法仍然是基于坐标变换理论的数学模型和基于电磁祸合的稳态模型。1991年，R.Li在他的论文中首次推导了一台6/2极、24槽特殊笼型转子无刷双馈电机的d-q轴数学模型，后来M.Boger等将这一模型推广至任意极对数。1994年，D.Zhou为了提高控制系统的响应速度，建立了无刷双馈电机在双同步速旋转坐标系下的数学模型。这一模型将无刷双馈电机分解为功率绕组子系统和控制绕组子系统，分别建立起在各自定子同步
18、速旋转坐标系下的数学模型。(3)从控制策略上说，20世纪80年代末到90年代初，d-q轴数学模型的建立为无刷双馈电机的动态仿真和控制性能的优化提供了坚实的理论基础。各种控制方法被广泛应用，如标量控制、磁场定向控制、直接转矩控制、模型参数自适应控制等。其中标量控制主要采用静态等效电路，控制对象一般是控制绕组电流的频率和大小，其算法比较简单，容易实现，但是响应速度一般，适用于对动态性能要求不高的场合。总之，无刷双馈电机控制策略计算量大，硬件实现困难，运行过程中转子参数的变化仍是影响控制准确性的一个问题，使得无刷双馈电机控制仍处于理论仿真和实验阶段，目前尚未在实际中应用。1.2 无刷双馈电机的应用前
19、景无刷双馈电机取消了滑环和电刷，结构简单，容易维护，可以实现多种运行方式，在作为电动机使用时可以有效降低变频转置的容量和电压等级，在作为发电机使用时有望解决制约传统交流电机在变速恒频发电领域存在的一些技术问题，因此被认为在调速驱动(ASD)和变速发电(VSG)中有广泛的应用。1.2.1 用于变频调速的无刷双馈电机在现代电力拖动领域中，采用异步电机的变频调速系统得到了广泛的应用。目前所采用的变频调速系统，尽管可以起到良好的节能效果，但是所需变频装置的容量一般大于电机的额定容量，造成系统的成本较高。此外，采用高压电机的变频调速系统尚存在一定技术性的难题。实现高压电机的变频调速一般有两种方法，一种是
20、直接采用高压变频器，另外一种是将高压电源降压后接到低压变频器，将输出电压升压以后再接到高压电机。采用第一种方法，需要配备相应的高压变频器，不仅技术难度大，可靠性差，而且价格比同等容量的低压变频器高很多;采用第二种方法，需要增加两个额外的变压器，不仅增加了成本，而且降低了系统的效率。这些缺点客观上提高了整个系统的成本，从而限制了该类变频调速系统在更大范围内的推广应用。近年来，有学者对绕线转子双馈异步电机，即有刷双馈电机进行了研究，该电机应用于变频调速系统时，只需要变频器提供“转差功率”，不仅所需要的变频装置容量较小，而且变频器还可以采用较低的电压等级。但是这种电机具有滑环和电刷，可靠性差，需要经
21、常维护，增加了运行费用。此外，_滑环接触容易产生火花，从而不适宜在含有易燃和易爆气体的环境中应用。无刷双馈电机应用于变频调速系统时，既具有有刷双馈电机的一系列优点，又实现了无刷化，提高了系统的可靠性。综合来说，无刷双馈电机应用于变频调速系统时将具有如下突出优点:(1)只需要变频器提供一部分“转差功率”，不仅降低了所需变频装置的容量，而且可以降低变频装置的电压等级，这对于高压大容量电机需要变频调速的场合非常重要，因为在电机容量大、电压等级高的场合，如果变频装置对全功率进行变换，将可能产生大量的电力谐波，给电网造成污染，而如果要进行谐波治理又会增大成本，系统效率将会降低;(2)通过调节控制绕组电流
22、的相位可以调节功率绕组的功率因数，因此可以改善功率绕组侧的功率因数;(3)同步运行时，转速仅与功率绕组和控制绕组的频率有关，因此无刷双馈电机将会有硬的机械特性;(4)取消了滑环和电刷，不仅提高了系统的可靠性，减少了维护费用，而且使得电机可以运行在含易燃和易爆气体的环境中。总而言之，无刷双馈电机在变频调速领域中具有广阔的应用前景。1.2.2用于变速恒频发电的无刷双馈电机无刷双馈发电机在变速恒频恒压发电领域有广阔的应用前景。随着煤炭、石油等资源的日益枯竭和世界各国对环境保护的日益重视，发展可再生能源已经是大势所趋。风能、水能等自然资源具有速度变化不定的特点，以风力发电为例，采用变速恒频恒压发电技术
23、可以随风速变化来调节机组转速，从而获得最佳叶尖速比和最大能量捕获，大大提高了系统的运行效率。目前应用于变速恒频恒压发电技术所用的变速发电机主要有双馈异步发电机、带功率变换转置的永磁同步发电机和鼠笼式异步发电机以及带转速补偿装置的同步发电机。双馈异步发电机的原理是通过滑环电刷在转子绕组中通入转差功率的、幅值相位可调的交流电流，保证定子输出恒频恒幅的电压。该技术己经在大型抽水蓄能电站、风力发电和船用轴带发电中得到应用，但是由于滑环和电刷容易出现故障，降低了系统的可靠性，对于大容量电机，特别是安装在塔架之上的风力发电机将难于维护。带功率变换转置的永磁同步发电机系统和鼠笼式异步发电机系统类似，均为无刷
24、式结构，运行安全可靠，其中永磁发电机无需外部提供励磁电源，效率较高。这两种恒频恒压发电系统具有变速恒频控制的一系列优点，但是由于变速恒频策略是在定子侧实现的，因此需要配置相同容量的功率变换装置，有的还需要相应的无功补偿和谐波治理装置，因此整个系统的成本较高，特别是对于大容量发电系统。此外永磁电机的永磁体还存在退磁的问题。带转速补偿装置的同步发电机是将同步发电机发出的频率可变的交流电整流后驱动直流电动机，再拖动另一台三相交流同步发电机发电。这种方法体积大，成本高，效率低，应用较少，目前主要用于船用轴带发电技术，而且正逐渐被淘汰。以上四种方法各有缺点，如果采用无刷双馈发电机作为变速发电机将具有极大
25、的优势。与双馈异步发电机相比，它取消了滑环，大大增加了系统的可靠性和维护性能;与带功率变换装置的永磁同步发电机和鼠笼式异步发电机相比，它不需要变频器提供全功率变换，只需要提供“转差功率”即可，大大降低了变频器的容量。目前无刷双馈发电机在风力发电系统中的应用已经成为一个学术研究的热点12，它在船用轴带发电系统、抽水蓄能发电系统中也必将大有可为。2 无刷双馈电机的结构和基本原理2.1 无刷双馈电机基本结构无刷双馈电机最初源于串级感应电机，即将两台绕线式异步电机同轴连接，转子绕组反相序相接，通过调节第二台电机定子绕组所串电阻来调速。这种特殊结构可以使电机获得较低速运行，并且可以实现一定范围的平滑调速
26、。后来有学者将这种电机结构不断进行改进，实现真正的无刷化。最具代表性的是Hunt和Greedy。到20世纪70年代后，电力电子器件出现日新月异的变化，使得交流电机的变频调速技术获得了很大的发展。无刷双馈电机的发展也非常迅速，由于定子绕组可以双馈，当作为交流调速电机时，仅须控制绕组提供滑差功率，大大减小变频器的容量，降低系统成本。选择合适的定转子极数可以是同步转速非常低，这特别适合风力、水力发电，在船用轴带柴油机发电也有广泛应用场合。目前成熟无刷双馈电机结构形式为:定子侧两套绕组，分别为功率绕组和控制绕组。转子侧是特殊构造的结构，一般有几种形式:特殊笼式和磁阻式和绕线式转子结构。1)定子结构无刷
27、双馈电机有两套绕组:功率绕组和控制绕组。一般将极数较多的功率绕组接电网，极数较少控制绕组接变频器，这样作为电动机调速或作为发电机运行都能够降低变频器的容量。总的来讲定子在设计时既要考虑在空间产生两种不同极对数磁场又要保证无刷双馈电机的定子功率绕组和控制绕组两套绕组不能有直接的电磁祸合。这就要求当某套组绕组通过电流时，其在另一套组绕组的出线端的产生合成感应电动势为零或出线端之间的线感应电动势为零。反过来也是这样，这样可以以避免功率绕组和控制绕组端口通电时引起附加电流。此外定子绕组在选择线圈节距和线圈组排列时，需要同时考虑如何尽可能消除两种极对数下有害谐波。无刷双馈电机定子绕组有两种常用方案:(l
28、)两套定子绕组方案:在定子铁芯上分别安排两套两种不同极对数的绕组;(2)单套绕组方案:无刷双馈电机的两套绕组共用一套绕组，通过合理排布使得电机定转子气隙中的产生两种不同极数的旋转磁场。两套定子绕组方案是无刷双馈电机在定子绕组设计中最为简单的一种方法，当定子功率绕组和控制绕组采用两套独立的绕组时，由于每套绕组各自线圈节距或排列方式均按照单套绕组设计原则，可以采用各自的分布和短距绕组，在设计时可以尽可能采取各自较高的绕组系数，以消除某些谐波的影响。这样绕组设计具有较大的选择空间，两套绕组的设计方式具有较好的灵活性。但是，采用该两套绕组方案时为了能够放置两套极对数绕组，有些槽中需要放置四层绕组，有些
29、槽放置两层。这样槽的利用率低，从而导致电机的有效材料利用率的降低。而采用单套绕组方案时，虽然可以大大提高电机槽的利用率，从而提高电机铁芯材料的有效利用率。但是单套绕组方案要兼顾功率绕组和控制绕组各自的的性能，不好兼顾到两套绕组都能有较好的绕组系数。另外要求单套绕组在排布后功率绕组和控制绕组要正交性，从而限制了绕组设计的灵活性，往往需要对比多个方案，折中选择最优。另外，绕组节距的选取也要受到限制。单绕组方案已在单绕组多速电机中得到了成功的应用，即采用同一套绕组经不同的出线端供电以产生出不同极对数磁场的方案，通常为使一套定子绕组采用两套电源供电时能够产生两种不同极对数的磁场并能保持两磁场激励源互相
30、独立，需要对定子绕组的构成做出特殊的安排。对于采用单套绕组无刷双馈电机来说，一般一套定子绕组应有6个出线端，分别为功率绕组(接电网)和控制绕组(接变频器)端口，当两个端口同时供电时，会产生两个独立的、不同极对数的旋转磁场。在设计时需要保证了使两套供电电源互相之间不产生干扰。此外绕组在选择线圈y距和线圈组排列时，须同时兼顾两种极对数下削弱不必要谐波的要求。无刷双馈电机在运行时，一般将多数极作为功率绕组，以降低控制绕组的电流，这样功率绕组的节距较小而控制绕组的节距较大，为嵌线的方便，一般将控制绕组置于槽底，而将功率绕组置于槽顶，但是这样会带来散热的不利影响。2)转子结构无刷双馈电机的转子是最重要的
31、部分，它祸合着极数不同的定子功率绕组和控制绕组，直接影响着电机的功率密度和运行性能。也就是说极数不同的定子主、副绕组是通过转子绕组来实现电磁能量传递。目前转子结构磁场调制机理有两种:笼形或绕线式转子的磁势谐波调制，磁阻式转子的磁导谐波调制。不同转子结构的无刷双馈电机在性能上有着很大差别，这里先介绍目前普通无刷双馈电机转子结构。转子有四种结构形式，一种是磁阻式结构，分为普通凸极磁阻转子、带磁障的磁阻转子和各向异性轴向叠片(ALA)磁阻转子，磁阻式结构转子具有较明显凸极转子个数，一共形成个凸极磁阻磁极，其中，式中为无刷双馈电机定子功率绕组的极对数，为无刷双馈电机定子控制绕组的极对数;磁阻式结构中的
32、凸极磁阻转子，其定转子之间气隙不均匀。这几种中尤其以ALA转子的祸合作用最强。第二种为笼型绕组结构，与鼠笼式异步电机转子类似。定转子之间气隙均匀，但其笼条之间连接为组同心圈结构()式中为定子功率绕组的极对数，为定子控制绕组的极对数，笼条端部连接可采用各回路独立的连接形式，亦可以采用公共导条的连接形式。第三种为笼形和磁阻转子的混合结构，笼形转子易于制造但运行性能不够理想，轴向叠片(ALA)磁阻转子运行性能好但转子难于制造，混合转子在笼形转子结构上设置适当磁障，工艺上复杂程度增加不多，但提高了笼形转子的磁场调制功能，兼具笼形和磁阻转子特点。第四种为绕线式转子结构。这种新型绕线式转子结构设计灵活，是
33、目前最有研究价值和应用前景的转子结构。前面所述三种结构转子无刷双馈电机，磁阻型由于依靠转子气隙磁导调制，其电机容量不易做大，应用前景有限。笼型绕组存在谐波含量大，运行性能不理想问题，目前也达不到工业应用水平。绕线转子的设计主要有“变极”法和“齿谐波”法，几种方法均能设计出较好的转子结构，其中“变极”法和“齿谐波”法尤为特殊，不仅设计灵活，而且能有效降低转子中的无用谐波，提高导体利用率，使得电机的效率提高，体积减小，容量增大。前三种类型转子结构其转子极对数的选择与定子绕组的极对数有关。如果定子功率绕组极对数分别为，控制绕组极对数时，电机转子极对数由下式计算: (2-1)当转子极对数时称为“和调制
34、”;当时称为“差调制”。一般大于。采用“差调制”的等效极数较少，电机自然同步速较高，两种极数的定子绕组电流产生的电磁转矩方向相反，电机的起动转矩较小，整个电机的电磁功率为定子两种极数绕组提供的电磁功率之差;而采用“和调制”时，等效极数较多，电机自然同步速转速较低，整个电机的电磁功率为定子两种极数绕组提供的电磁功率之和。由于“和调制”下的电机具有较好的特性，比较适合低速风力或水力发电，所以通常采用“和调制”方式。采用绕线式结构转子仍采用三相绕组，其特殊排布使转子绕组具有两种不同极对数分别与定子绕组p和。对极相藕合。可以把转子绕组看成两套反相序相接的两套绕组，因此不存在转子单一极对数概念。2.2
35、无刷双馈发电机的运行原理2.2.1 发电运行工作原理无刷双馈电机的源于级联感应电机，级联感应电机是将两台绕线式异步电机的机械轴相连，转子绕组按照反相序连接。采用级联电机的系统从第一台异步电机的定子侧输入功率，通过转子同轴传递一部分功率给第二台异步电机的转子绕组，第二台电机转子绕组与第二台定子绕组祸合，第二台异步电机的定子绕组外接三相电阻短接。这样可以通过改变外接电阻大小来改变电机的转速，整个系统省去了电刷滑环结构。下面先论述级联感应电机作为电动机调速运行原理，介绍无刷双馈电机运行相关的几个功率概念。这里我们假定第一台电机的定子输入的功率是，当转子运行于某一转速时，两台电机的转差分别为和，第一台
36、电机输出的机械功率为: (2-2)如果忽略了电机的其他损耗，第一台电机通过转子绕组传递给第二台电机的电功率，而第二台电机的电功率通过转子绕组获得，一部分传递给自己定子绕组，另一部分变为转轴机械功率。我们按照变压器原理，把第二台电机的转子按称为原边，第二台电机的定子称为副边。第二台电机轴上输出的机械功率是: (2-3)整个级联系统轴上的输出机械功率为(转子反相序相接时): (2-4)上式中是级联感应电机第二台异步电机定子外串电阻上消耗的功率。从功率平衡关系来看，如果系统输入功率保持恒定的前提下，改变第二台电机定子边电阻的阻值，其消耗的功率将发生变化。发生改变，即等效滑差发生改变，电机转速发生变化
37、实现调速目的。由于转差频率发生变化，第二台电机的定子电流频率也会随之变化。反过来如果我们能够改变第二台电机定子侧的电流频率，就会反过来影响电机的转速。而无刷双馈电机就变频器来替代级联电机模型中原来的外接电阻来，通过对第二台电机定子侧电流频率的调节来改变整个系统等效滑差，从而调节转速。仍以无刷双馈电动运行为例，假定转子电流频率为，第一台电机的定子电流频率是，第二台电机定子的电流频率是则电机的转速为: (2-5)第二台电机的转子转速是 (2-6)由于两台电机的机械轴同轴相连，转子电路相连，故两电机转子流过电流频率相同，转子转速也相同。即，由上三式可求得转速为: (2-7)上式中的“”号取决于两台电
38、机的转子相对相序，当转子反相序相连时取“+”，同相序取“-”。反相序接法也称为和调制。采用和调制时两台电机电磁转矩方向一致，是比较适合风力发电等转速较低发电场合。和调制时的转速表达式是(为转子机械旋转角速度): (2-8)无刷双馈发电机运行如下图原动机拖动无刷双馈发电机转子以转速旋转。两套定子绕组功率绕组和控制绕组之间没有直接电磁祸合，转子经特殊设计实现着两套定子绕组之间能量传递中介作用。无刷双馈电机作为发电机运行时，原动机提供功率输入，当转速较低时可以由控制绕组端提供一部分能量，保证功率绕组端电压恒定。原动机转速较高时，可由功率绕组端和控制绕组端同时向电网馈能。这种特性特别适合风力发电等场合
39、。图2.1 无刷双馈发电机系统示意图下面以齿谐波转子绕组无刷双馈电机为例，分析无刷双馈发电机实现变速恒频发电原理。原动机拖动转子绕组以转速旋转，在功率绕组中通入频率为的三相对称交流励磁电流，在转子绕组中会产生相应感应电流。转子感应电流频率: (2-9)根据齿谐波转子绕组设计特点，转子电流除产生对极磁场外，还产生对极反向旋转磁场。对极转子磁场在定子对极绕组中产生感应电势，该感应电势产生定子功率绕组电流也会在转子中产生感应电流，其频率为: (2-10) 采用齿谐波法设计绕线式转子结构电机，转子绕组流经同一电流，因此当电机稳定运行时感应的转子绕组电流频率有，因此由上面式子可得: (2-11)这样，对
40、应不同转子转速，通过调节控制绕组侧变频器输出频率就可以保持功率绕组发电频率的恒定。其中:功率绕组在电机气隙中产生的磁场同步转速: (2-12)控制绕组在电机气隙中产生的磁场同步转速: (2-13)由于，稳态时转子电流频率、定子功率绕组和控制绕组电流频率关系为: (2-14)2.2.2 电动运行方式无刷双馈电机作为电动机运行时有多种方式，这种电机具有自起动能力，可实现异步运行、同步运行和双馈调速等多种电动运行方式。1) 无刷双馈电机的异步运行无刷双馈电机可以当做普通异步运行时，此时将功率绕组接工频电源，控制绕组接三相对称电阻，通过调节电阻的大小就改变系统转速。他与一般绕线式异步电机相比，省掉了电
41、刷滑环，大大提高系统可靠性和维护性。异步运行时相当于一台作为对极异步电机，其转速为:图2.2 异步运行方式接线图无刷双馈电机当异步机运行时有较好的起动性能，可以直接调节控制绕组侧电阻大小来调节起动性能。电机起动后空载转速接近于异步运行时定子功率绕组绕组在接到三相电源时产生一个，极的旋转磁场，并且必须提供一个由极磁场感应的电动势的短接回路，这个回路可以在绕组内部短接，也可以通过电阻在外部短接。2) 同步运行方式如果电机功率绕组由工频电源供电而控制绕组短接或串接电阻，电机将进行异步自起动。当电机转速在接近同步速时，如将Y接的控制绕组改为两并一串的形式接到一直流电源，即可实现它的同步运行方式。当无刷
42、双馈电机转速在同步转速附近时，极磁场相对于定子的旋转磁场其转差较小接近0。如果此时在控制绕组通入一个直流电源或较低频率、一定电压的交流电，那么电机将被牵入同步速运行。同步运行时，可以改变控制绕组中直流电流的大小，来改变功率绕组的无功功率，从而改善电机的功率因数。同步运行方式相当于一台极的同步电动机，其同步转速为: (2-15)由于励磁绕组放在定子侧控制绕组，从而实现了无刷交流励磁。图2.3 同步运行方式接线图3)双馈运行方式双馈运行是真正体现无刷双馈电机性能的运行方式。双馈运行时接线图如下图2-4所示，电机功率绕组接工频交流电源，控制绕组接变频器。通过改变变频器的输出频率关即可调节电机转速。通
43、过改变控制绕组供电频率以及功率绕组和控制绕组的相序，可使电机的转速高于或低于同步速。与绕线型感应机的串级调速相比，省去了滑环电刷，运行更加可靠方便，并且变频器容量可以大大减小。图2.4 双馈运行方式接线图3 船舶电力系统的分析、设计及保护随着船舶电气化、自动化程度的日益提高，对船舶电力系统的供电可靠性和生命力提出了较高的要求。船舶电力系统在实际运行过程中，由于设备或操作等方面的原因，可能出现各种故障或非正常运行状态，它们会使电力系统的安全可靠运行受到威胁，严重者会导致设备的损坏或使整个电力系统的供电中断，影响传播的安全航行。为此，船舶电力系统必须设置简单可靠的保护装置。有了保护装置，一旦发生故
44、障，保护装置就迅速可靠的断开故障线路，不使故障蔓延扩大，保证非故障线路能正常连续供电；或者发出声光信号以使值班人员能及时采取适当措施排除故障。3.1 船舶电力系统的基本参数船舶电力系统包括船舶电站和船舶电力网两大部分，担负着将不同形式的能量转换成电能，并将电能输送分配给各用电设备的任务。船舶电能系统包括:原动机和发电机组成的发电机组;各种控制、监视和保护电器的配电设备;导线和电缆等组成的电网。船舶电力系统主要的参数，决定着船上主要电气设备的品种和规格。这些参数是:电制、电压、频率。3.1.1 电制船舶电力系统所采用的电流种类称为电制，存在两种电制，即交流和直流。目前无论是民用船舶或舰艇都采用交
45、流电。与直流电制相比，交流电制的优点是：(l)船舶电气设备各种电机和电器，交流电机没有整流子，结构简单、体积小、质量轻、运行可靠，鼠笼式异步电动机，起动控制设备少；(2)通过变压器，可以方便地将电压变换成各种负载所需要的电压等级，使照明网络与动力网络没有直接电的联系；(3)交流电的采用使岸电连接变得更加容易。3.1.2 电压普通船舶的电压等级是低压，船舶低压电力系统广泛采用50Hz、380V或60Hz、440V。中国船级社钢质海船入级与建造规范和内河船舶入级与建造规范规定:一般交流电网采用50Hz，380V;固定安装的电气设备电压采用380V或220V;可携电气设备电压选用24V。考虑到输电线
46、路引起的电压下降，低压电力系统的电源(发电机)电压比用电设备的高。陆地规定高5%，如系统电压为380V，发电机则电压为400V;440V则为460V。福建自动化实训电站，其选用的电压等级为:50Hz，电网电压380V。3.1.3 频率船舶交流电力系统现行的额定频率有50Hz和60Hz两种。使用60Hz的额定频率的同步发电机具有较高的同步转速，50Hz额定频率具有较低的电磁损耗。我国钢质海船入级与建造规范对船用电源频率的规定:交流配电系统的标准频率为50Hz或60Hz。新设计制造的船舶除出口船舶采用60Hz的频率外，国内船舶电源与陆用电源一律采用50Hz为标准频率。3.2 船舶电力系统电源装置的选择船舶电站由电源装置与配电设备组成。船舶电源分为主电源、应急电源和临时应急电源。电源通过配电设备的控制，再经过输电线路向用电设备供电。图3.1 典型船舶电力系统图(l)主电源是船舶正常情况下使用的电源，通过主配电板向全船所有设备配电。主电源是设在机舱的发动机组，至少
