船舶电气设备与系统.ppt

第五章船舶同步电机,本章概述同步电机是一种交流电机,它区别另一种交流电机异步电机的一个重要特征在于它的转速（r/min）与电流频率（Hz）之间保持着严格的关系，即式中p为电机的极对数。所以，当同步电机的极对数和转速一定时，感应电动势的频率也是一定的。同步电机和其他电机一样，具有可逆性，可做同步发电机也可做同步电动机用，还可以做同步补偿机用。但在船舶上主要是做同步发电机用，对于某些采用电力推进的船舶，推进电动机大部分采用同步电动机。,第五章船舶同步电机,本章主要讲解内容第一节三相同步发电机的基本类型和结构第二节同步发电机的电枢反应第三节同步发电机的电势方程和相量图第四节同步发电机的运行特性第五节同步电动机,第一节三相同步发电机的基本类型和结构,同步电机与其他电机一样，由定子和转子两大部分组成。三相同步发电机（转场式）定子与三相异步电机的相同，主要有嵌放在铁心槽中的三相对称绕组，转子上装有磁极和励磁绕组，如图5-1三相同步发电机结构原理图所示。当励磁绕组通以直流电流以后，电机内产转子磁场，如用原动机带动转子旋转，则转子磁场与三相定子绕组间有相对运动，就会在三相定子绕组中感应出交流电势。,返回,图5-1三相同步发电机结构原理图,返回,一、同步电机的基本结构1.同步发电机按其结构可以分为旋转电枢式和旋转磁极式。2.旋转磁极式按照磁极的形状，又可分为凸极式和隐极式。图5-2同步发电机的基本型式,返回,二、同步发电机的基本类型同步电机按用途分为发电机、电动机和补偿机三种；按冷却方式分为空气冷、氢气冷和水冷三种；按转子结构分为隐极式和凸极式两种。同步发电机按其原动机的种类可分为水轮发电机、汽轮发电机和柴油发电机三种。,同步发电机的基本类型：按同步发电机定子和转子的结构及作用不同有两种类型，即旋转磁极式和旋转电枢式。按同步发电机的励磁电源的不同有两种基本类型，即自励的图5-3自励同步发电机和他励的图5-4无刷同步发电机。,返回,转子,定子,交流励磁机,发电机,旋转,整流器,图5-4无刷同步发电机,AVR,返回,三、三相同步发电机额定值同步发电机和其他电机一样，制造厂将该电机正常运行的条件，各种规定的数据都印刷在铭牌上。这些数据称为同步发电机的额定值，也是使用管理电机人员必须遵守的技术规定。同步发电机的主要额定值有：额定容量SN或额定功率PN额定电压UN额定电流IN额定功率因数cosN额定频率fN额定转速nN额定励磁电压（额定励磁电流）,第二节同步发电机的电枢反应,三相同步发电机在运行中随着负载的大小、性质的变化，发电机内部的气隙磁场也在变化，三相同步发电机的输出电压和电流也随之变化。,返回,一、电枢电流与空载电势同相位（即）时的电枢反应=0时，同步发电机的内功率因数为，输出的负载电流与空载电势同相，发电机并不发出无功功率，将有功功率从发电机输至电网。具体电枢反应如图5-5。,a）某一瞬间的位置图b）相量图c）展开图图5-5=0时的电枢反应,返回,二、电枢电流滞后于空载电势900（即=900）时的电枢反应=90时，同步发电机的输出负载电流滞后于空载电势90（即），发电机发出的有功功率为零，仅输送感性无功功率至电网。具体电枢反应如图5-6。,图5-6=90时的电枢反应,返回,a）U相绕组电势最大时的位置,c）U相绕组电流最大时的位置,b）相量图,d）展开图,三、电枢电流滞后于空载电势900（即=-900）时的电枢反应=-90时，同步发电机的输出负载电流Ia超前于空载电势90（），发电机发出的有功功率为零，仅输送容性无功功率至电网。具体电枢反应如图5-7。,返回,a）U相绕组电势最大时的位置,c）U相绕组电流最大时的位置,b）相量图,d）展开图,图5-6=-90时的电枢反应,四、同步发电机实际运行时的电枢反应1.实际运行时，同步发电机的内功率因数角可以为-90到90之间的任意数值，即电枢磁势的轴线和主磁势的轴线可以有任意的相对位置。与直流电机一样。此时可以将电枢磁势分解为直轴分量和交轴分量，直轴分量起去磁作用或增磁作用。2.一般00，由于由转子磁场所激励，由合成磁场所产生，所以可以认为转子主极磁场轴线超前于定子内合成磁场轴线一个角。此时作用在转子上的电磁转矩为一制动转矩，由原动机驱动转子的机械转矩克服了转子的电磁转矩，便将机械能转变为电能。此时主极磁场、定子合成磁场位置及与相量关系如图5-25所示。,返回,图5-25同步发电机转变为电动机的过程a）发电机状态；b）空载状态；c）电动机状态,返回,二、同步电动机的相量同步电动机的相量图如图5-26所示。,a）b）,图5-26同步电动机的相量图a）在电动状态下规定的正方向b）同步电动机向量图,返回,三、同步电动机的特点同步电动机的主要特点是：转速不随负载的变化而改变；功率因数可以调节。同步电动机的相量图如图5-27所示。同步电动机的V形曲线如图5-28所示。,图5-27有功功率不变时，改变励磁大小的同步电动机向量图,图5-28同步电动机的V形曲线,四、同步补偿机同步补偿机是在空载情况下运行的同步电动机，它专门从电网吸取超前的无功电流，只要将同步电动机处于过励状态。当电网供给负载（异步电动机）滞后的电流时，同步补偿机在过励时从电网吸取超前的无功电流，则电网线路的电流为由于正好补偿了滞后的无功电流，所以电网的功率因数就得到了改善（理想时，线路电流与同相）如图5-29所示。,图5-29用同步补偿机改善电网的功率因数,返回,五、同步电动机的起动同步电动机本身没有起动转矩。若将同步电动机的三相定子绕组直接投入电网，由于定子电流产生旋转磁场，其同步转速为，而转子绕组通以直流电产生转子磁场静止不动，定、转子磁场之间存在相对运动，它们相互作用所产生的电磁转矩在一个周期内将两次变换方向，因而不能产生平均的同步电磁转矩，即转子上所受到的平均转矩为零，故同步电动机不能自行起动，如图5-30所示