船舶电气设备及系统课件 第四章

1、L/O/G/O集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统第四章小结第四章小结4-1 三相交流同步电机的基本结构及铭牌数据三相交流同步电机的基本结构及铭牌数据4-2同步发电机的基本工作原理和空载特性同步发电机的基本工作原理和空载特性4-6 同同步发电机功率调节步发电机功率调节4-3同步发电机的负载运行和电枢反应同步发电机的负载运行和电枢反应4-4同步发电机的电势方程和等效电路同步发电机的电势方程和等效电路4-5 同同步发电机运行特性步发电机运行特性4-8 同同步电动机步电动机4-7 同同

2、步发电机的短路与振荡步发电机的短路与振荡集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统本节的主要内容本节的主要内容 三相交流同步电机的基三相交流同步电机的基本结构本结构 三相交流同步发电机的三相交流同步发电机的基本工作原理基本工作原理 铭牌数据铭牌数据集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统4.1.1 三相交流同步电机三相交流同步电机(synchronous generator) 的基本结构的基本结构 基本结构：定子和转子。基本结构：定子和转子。 定子结构：定子结构： 一般是三相电枢绕组（一般是三相电枢绕组（转极式转极式） 结构

3、：结构：由铁心和绕组组成，与异步电机定子基由铁心和绕组组成，与异步电机定子基本相同。机座号相同时若与异步机互换仍可运行。本相同。机座号相同时若与异步机互换仍可运行。 区别区别：主要是尺寸方面，同步电机通常容量较主要是尺寸方面，同步电机通常容量较大，而异步机的容量相对较小。因此，从表面上看大，而异步机的容量相对较小。因此，从表面上看同步机机壳无散热片，异步机则有散热片。同步机机壳无散热片，异步机则有散热片。 接线：接线：发电机定子绕组通常采用发电机定子绕组通常采用Y 形连接形连接 减小减小三次谐波三次谐波影响影响。 集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统发电

4、机发电机 把机械能转换为电能把机械能转换为电能 电动机电动机 把电能转换为机械能把电能转换为机械能补偿机补偿机 没有有功功率的转换，只发出或吸没有有功功率的转换，只发出或吸 收无功功率收无功功率 同步电机运行状态，主要取决于定子合成磁同步电机运行状态，主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角场与转子主磁场之间的夹角 ， 称为功率角。称为功率角。 集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统同步电机同步电机旋转电枢式旋转电枢式 旋转磁极式旋转磁极式 隐极式隐极式(Salient-pole) 凸极式凸极式(Cylindrical-Rotor) 集美大学轮机工程学

5、院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 转子结构转子结构 一般是励磁绕组一般是励磁绕组转子：转子：励磁绕组是直流绕组。励磁绕组是直流绕组。 隐极式转子结构：隐极式转子结构：隐极式铁心隐极式铁心隐极式转子隐极式转子集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统大型机的转子支架大型机的转子支架转子铁心硅钢片转子铁心硅钢片一一对对极极隐隐极极式式示示意意图图 隐极式转子结构示意隐极式转子结构示意滑环滑环集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 两对极凸极式两对极凸极式转子立体示意图转子立体示意图电机截面示意图电机截

6、面示意图集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统4.1.2 三相交流同步发电机的基本工作原理三相交流同步发电机的基本工作原理 直流电流通入励磁绕组，主磁直流电流通入励磁绕组，主磁极产生励磁磁通。极产生励磁磁通。 主磁极被原动机拖动，以同步主磁极被原动机拖动，以同步转速旋转，其磁通密度沿气隙近似转速旋转，其磁通密度沿气隙近似正弦波形分布。正弦波形分布。 励磁磁场依次切割定子各相绕励磁磁场依次切割定子各相绕组（相当于绕组导体反向切割）。组（相当于绕组导体反向切割）。 定子三相电枢绕组就会感应出定子三相电枢绕组就会感应出大小和方向按周期性变化的交变正大小和方向按周

7、期性变化的交变正弦电动势。弦电动势。直流电源由滑环向转直流电源由滑环向转子提供励磁电流，产子提供励磁电流，产生磁场；原动机拖动生磁场；原动机拖动转子旋转，转子磁场转子旋转，转子磁场切割三相定子绕组，切割三相定子绕组，感应三相交流电。感应三相交流电。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 励磁绕组通入直流电后产生磁场，发电励磁绕组通入直流电后产生磁场，发电机转子由原动机拖着以恒定转速机转子由原动机拖着以恒定转速 n1 相对于定相对于定子顺时针方向旋转，定子导体相对磁场运动子顺时针方向旋转，定子导体相对磁场运动感应电动势，感应电动势可以由感应电动势，感应电动势

8、可以由 e=blv 决定。决定。当导体长度一定、转速一定时，导体感应电当导体长度一定、转速一定时，导体感应电动势由气隙磁通密度大小决定。动势由气隙磁通密度大小决定。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 每个磁回路包围的电流每个磁回路包围的电流都相同，因此作用在每个磁都相同，因此作用在每个磁回路上的磁动势都相同。回路上的磁动势都相同。根据安培环路定律：根据安培环路定律：集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 在磁极表面与定子铁心之间，气隙长度相等，在磁极表面与定子铁心之间，气隙长度相等，且气隙较小。气隙小，磁阻就小，相

9、同的磁动势且气隙较小。气隙小，磁阻就小，相同的磁动势产生的磁通密度就大；产生的磁通密度就大； 反之，相邻磁极之间的气隙大。气隙大，磁反之，相邻磁极之间的气隙大。气隙大，磁阻就大，相同的磁动势产生的磁通密度就小。阻就大，相同的磁动势产生的磁通密度就小。 因此，气隙周围的气隙磁通密度分布如下图因此，气隙周围的气隙磁通密度分布如下图所示：所示：mRF 集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统图图4-6 三相空载电势向量图三相空载电势向量图图图4-5 同步发电机主磁极下气同步发电机主磁极下气隙的磁通密度分布隙的磁通密度分布电动势瞬时值为电动势瞬时值为: :tEtlv

10、blvbemsin2sin111集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统)240sin()120sin(sin tEetEetEemwmvmu 集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 有关公式有关公式 式式4-2与变压器公式多了与变压器公式多了kw，称为绕组系数，称为绕组系数。是绕组短距和分布引起的。是绕组短距和分布引起的。4434(Hz)602444. 40000 式式式式式式nkEpnfkfNEew 电势、频率公式：电势、频率公式：集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统4.1.3

11、 4.1.3 铭牌数据铭牌数据 铭牌数据：铭牌数据：主要铭牌数据有：主要铭牌数据有： 额定容量（或功率）、额定容量（或功率）、额定电压、额定电流、额定功率因数、额定额定电压、额定电流、额定功率因数、额定频率、额定转速、绝缘等级、温升、励磁电频率、额定转速、绝缘等级、温升、励磁电压、励磁电流等。压、励磁电流等。 注意：注意：额定容量、额定电压、额定功率因额定容量、额定电压、额定功率因数和额定电流可能只标出三个（数和额定电流可能只标出三个（第四个参第四个参数可以求出）。数可以求出）。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 额定容量额定容量 SN 指额定运行时电

12、机的输出功率指额定运行时电机的输出功率 额定电压额定电压UN 指额定运行时定子的线电压指额定运行时定子的线电压 额定电流额定电流IN 指额定运行时定子的线电流指额定运行时定子的线电流 额定功率因数额定功率因数指额定运行时电机的功率因数指额定运行时电机的功率因数 额定频率额定频率fN 指额定运行时电枢的频率指额定运行时电枢的频率 额定转速额定转速nN 指额定运行时电机的转速，即为指额定运行时电机的转速，即为 同步转速同步转速 集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 结构（基本结构、组成、转极式和转枢式）；结构（基本结构、组成、转极式和转枢式）； 原理（原动机

13、转，磁场切割绕组产生电势，原理（原动机转，磁场切割绕组产生电势，在在空间互差空间互差120，所以是三相，所以是三相交流电势交流电势）；）； 额定参数（主要是容量、电压、电流、功率因额定参数（主要是容量、电压、电流、功率因数、频率）。数、频率）。第一节要点第一节要点集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统本节的主要内容本节的主要内容 同步发电机空载运行特性同步发电机空载运行特性 同步发电机对称负载运行同步发电机对称负载运行 三相交流同步发电机电压平衡方程和相量图三相交流同步发电机电压平衡方程和相量图 三相交流同步发电机的外特性及调节特性三相交流同步发电机的外特

14、性及调节特性 三相交流同步发电机的功角特性三相交流同步发电机的功角特性集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所建立的主极磁场。见图表示一台四极电机空载时建立的主极磁场。见图表示一台四极电机空载时的磁通示意图。从图可见，主极磁通分成主磁通的磁通示意图。从图可见，主极磁通分成主磁通 0和漏磁通和漏磁通 f 两部分，前者通过气隙并与定子两部分，前者通过气隙并与定子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁绕组相绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁绕组相交链。主磁通所经过的主磁路包括空气隙、电枢

15、交链。主磁通所经过的主磁路包括空气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭等五部分。齿、电枢轭、磁极极身和转子轭等五部分。空载运行空载运行集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统4.2.1 同步发电机空载运行特性同步发电机空载运行特性(no-load characteristic ) 保持保持 n=nN，空载电势，空载电势 E0与励磁电流与励磁电流 If 的关系曲线。的关系曲线。 P.54，+6行行的的k 是饱和系是饱和系数。等于总磁数。等于总磁势与不饱和磁势与不饱和磁势之比。也等势之比。也等于饱和电势与于饱和电势与不饱和电势之不饱和电势之比。比。 空载特性实空

16、载特性实质是磁化曲线。质是磁化曲线。k 一般为一般为1.11.25集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统空载特性实验：空载特性实验： 按如图所示接线，起动原动机拖动同步发电机转按如图所示接线，起动原动机拖动同步发电机转子旋转，将励磁回路电阻子旋转，将励磁回路电阻Rf调至最大，合上励磁回路调至最大，合上励磁回路电源开关。观察电流表电源开关。观察电流表 A 和电压表和电压表V 的数值并记录。的数值并记录。 空载特性实验注意空载特性实验注意注意：只能单方向调节电阻。注意：只能单方向调节电阻。方法：方法： 逐步将逐步将Rf调小，调小，使电流逐步增大，使电流逐步增大

17、，记录数据。然后逐记录数据。然后逐步将步将Rf调大再记录调大再记录数据。数据。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统4.2.2 4.2.2 同步发电机对称负载运行同步发电机对称负载运行 同步发电机负载后，三相电枢绕组也将产生旋转同步发电机负载后，三相电枢绕组也将产生旋转磁场（与异步电动机一样）；磁场（与异步电动机一样）； 稳定运行时，电枢磁场（电气磁场）与励磁磁场稳定运行时，电枢磁场（电气磁场）与励磁磁场（机械磁场）之间没有相对运动；（机械磁场）之间没有相对运动； 电枢磁场对转子磁场（气隙磁场）的影响称为电枢磁场对转子磁场（气隙磁场）的影响称为电电枢反应；

18、枢反应； 电枢反应的大小、性质与负载电流的大小、相位电枢反应的大小、性质与负载电流的大小、相位有关（与负载的大小、性质有关）。有关（与负载的大小、性质有关）。 内功率因数角内功率因数角 ： 0与与İ a 之间的相位角。之间的相位角。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 电枢电流与空载电势特殊关系有：电枢电流与空载电势特殊关系有：同相位、滞后同相位、滞后和超前和超前三种。与之对应的电枢反应的性质有：三种。与之对应的电枢反应的性质有：交轴、交轴、直轴去磁和直轴增磁直轴去磁和直轴增磁三种。发电机负载一般为感性三种。发电机负载一般为感性负载负载(inductiv

19、e load)。一般情况感性滞后的电流：一般情况感性滞后的电流： 电枢反应电枢反应-时空相矢量图时空相矢量图集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 交轴反应（同相位）交轴反应（同相位） 直轴去磁（滞后）直轴去磁（滞后） 直轴增磁（超前）直轴增磁（超前）集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场就电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场就称为电枢反应。电枢反应的性质（增磁、去磁或称为电枢反应。电枢反应的性质（增磁、去磁或交磁）取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对交磁）取决于电枢磁动势和主磁场

20、在空间的相对位置。分析表明，此相对位置取决于激磁电动势位置。分析表明，此相对位置取决于激磁电动势E0和负载电流和负载电流 Ia 之间的相角差之间的相角差 0（ 0称为内功称为内功率因数角）。下面分成两种情况来分析。率因数角）。下面分成两种情况来分析。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 转向：转向：转子沿着从转子沿着从A相绕组轴线到相绕组轴线到B 相绕组轴相绕组轴线，再到线，再到C相绕组轴线的方向转动，感应电动势相绕组轴线的方向转动，感应电动势和电流的方向为和电流的方向为A、B、C；产生基波电枢电动势；产生基波电枢电动势的转向也是由的转向也是由A相绕组轴

21、线向相绕组轴线向B相绕组轴线，再到相绕组轴线，再到C相绕组轴线，即与转子旋转一样。相绕组轴线，即与转子旋转一样。 磁动势：磁动势：哪一项电流达到最大值，三相合成基哪一项电流达到最大值，三相合成基波磁动势，波磁动势，Fa就和该项绕组轴线重合。就和该项绕组轴线重合。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 0与与İ 同相时：同相时：a) 定子绕组电动势、电流和磁动势的空间矢量图定子绕组电动势、电流和磁动势的空间矢量图相相轴轴线线AfFA0BXZYBCNSsnsnaFA集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 0与与İ 同相时：

22、同相时：b) 时间矢量图时间矢量图时时间间参参考考轴轴CE0 A0C0 BE0 AE0 B I1 00 B0 AICI 集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 0与与İ 同相时：同相时：c) 时时-空统一矢量图空统一矢量图轴轴dfF)(aqnFF )(00 B I0 E1 集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统其结果使得气隙的合成磁势的轴线的相比原其结果使得气隙的合成磁势的轴线的相比原转子磁势的轴线逆转子转向偏转一个锐角，并发转子磁势的轴线逆转子转向偏转一个锐角，并发生畸变。生畸变。 幅值增加幅值增加 集美大学轮机工程

23、学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统合成磁势合成磁势FfF集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 0与与İ 同相时：同相时：0BXZYBCNSsnaFAeT0BBd) 气隙合成磁场与主磁场的相对位置气隙合成磁场与主磁场的相对位置集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 0与与İ 不同相时：不同相时：a) İ 滞后于滞后于 0的空间矢量图的空间矢量图相相轴轴线线AfFAXZYBCNsnsnaqFASadFaF集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 0与与İ 不同

24、相时：不同相时：b) İ 滞后于滞后于 0的时的时-空统一矢量图空统一矢量图fFadFaFaqF I0 0 1 0 E集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 0与与İ 不同相时：不同相时：c) İ 超前超前 0的时的时-空统一矢量图空统一矢量图1 0 IfFadFaF0 0 E集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统4.2.3 三相交流同步发电机电压平衡方程和相量图三相交流同步发电机电压平衡方程和相量图 同步发电机负载运行时与电枢绕组交链的磁通有同步发电机负载运行时与电枢绕组交链的磁通有3个：个： 励磁磁通、电枢反应磁通

25、和漏磁通。励磁磁通、电枢反应磁通和漏磁通。 3个磁通都分别在电枢绕组感应电势：空载电势、个磁通都分别在电枢绕组感应电势：空载电势、电枢反应电势和漏磁电势。电枢反应电势和漏磁电势。 忽略磁路饱和，引入参数：电枢反应电抗。忽略磁路饱和，引入参数：电枢反应电抗。 同步电抗同步电抗Xs = Xa + X ，注意：注意：Xs XaX 。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统忽略电枢电阻忽略电枢电阻用电抗表示用电抗表示ea和和e 电枢绕组电路电枢绕组电路电压平衡方程：电压平衡方程： I)jX(RUIjXIjXRIUESaaa0 集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院

26、船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路一、不考虑磁饱和时一、不考虑磁饱和时同步发电机负载运行时物理量的关系：同步发电机负载运行时物理量的关系：fI主极主极fF 0 0E E aE aaF I电枢电枢 E)( XIjE集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 在时间相位上，在时间相位上， a滞后于滞后于 以以90电角度，若电角度，若不计定子铁耗，不计定子铁耗， 与与İ 同相位，则同相位，则 a将滞后于将滞后于İ 以以90电角度于是电角度于是 亦可写成负电抗压降的形式，即亦可写成负

27、电抗压降的形式，即 采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，电枢的电压方程为向时，电枢的电压方程为 UjXRIEE )(aa0 因为电枢反应电动势因为电枢反应电动势E Ea a正比于电枢反应磁通正比于电枢反应磁通 a a不不计磁饱和时，计磁饱和时， a a又正比于电枢磁动势又正比于电枢磁动势F Fa a和电枢电流和电枢电流I I，即即IFE aaaaaXI jE aa (46) (47) 集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统将式将式(46)代人式代人式(47)，可得，可得sXI jRIUXI jXI

28、jRIUE aaa0 (48) 式中：式中：Xs称为隐极同步电机的同步电抗，称为隐极同步电机的同步电抗，Xs=Xa+X ，它是对称稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两个它是对称稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两个效应的一个综合参数。不计饱和时，效应的一个综合参数。不计饱和时，Xs是一个常值。是一个常值。 图图42c表示与式表示与式(48)相应的等效电路。从图相应的等效电路。从图42c可以看出，隐极同步发电机的等效电路由激磁可以看出，隐极同步发电机的等效电路由激磁电动势和同步阻抗电动势和同步阻抗 Ra+jXs串联组成，其中串联组成，其中E0表示主磁表示主磁场的作用，场的作用，Xs表示电枢反应和

29、电枢漏磁场的作用。表示电枢反应和电枢漏磁场的作用。 集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理不再适用。此时，应先求出作用在主磁路上的合成不再适用。此时，应先求出作用在主磁路上的合成磁动势磁动势F F，然后利用电机的磁化曲线，然后利用电机的磁化曲线 ( (空载曲线空载曲线) )求求出负载时的气隙磁通出负载时的气隙磁通及相应的气隙电动势及相应的气隙电动势 。fFFaaFk E集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 再从气隙电动势再从气隙电动势

30、减去电枢绕组的电阻和漏抗减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，便得电枢的端电压压降，便得电枢的端电压 ，即，即UjXRIE )(a )(a jXRIUE 相应的矢量图、相量图既有电动势相量，又有磁相应的矢量图、相量图既有电动势相量，又有磁动势矢量。故称为电动势动势矢量。故称为电动势磁动势图。（不做要求）磁动势图。（不做要求）或或EU集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 电势公式电势公式 电势公式可应用三角计算公式从相量图得到：三角电势公式可应用三角计算公式从相量图得到：三角形构成形构成以以E0为斜边以为斜边以U相量及其延长线为一条直相量及其延长线为一条直角边，构

31、造一个直角三角形。与电流角边，构造一个直角三角形。与电流 I 有关相量变换有关相量变换（投影）到直角边都与功率因数角（投影）到直角边都与功率因数角 有关。有关。220)sincos()sincos( IRIXIXIRUEaSSa 220)cos()sin( IXIXUESS 集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 隐极机相量图隐极机相量图 根据电压平衡方程可画出相量图。但负载不同时，根据电压平衡方程可画出相量图。但负载不同时，相量图的形状也不同。相量图的形状也不同。感感性性负负载载忽忽略略电电枢枢电电阻阻电阻性负载电阻性负载容性负载容性负载集美大学轮机工程

32、学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 凸极机相量图说明凸极机相量图说明 不考虑磁路饱和，可以将电枢磁势单独分为直轴和交不考虑磁路饱和，可以将电枢磁势单独分为直轴和交轴两个分量，然后根据各自不同磁路的磁阻计算直轴和轴两个分量，然后根据各自不同磁路的磁阻计算直轴和交轴磁通，最后再将两个磁通合成气隙磁通。交轴磁通，最后再将两个磁通合成气隙磁通。 凸极机一相电枢绕组的电压平衡方程式为：凸极机一相电枢绕组的电压平衡方程式为：qqdda0aaqad0IjXIjXRIUERIUEEEE 或或 其中：其中：Xd = Xad+X ；Xq = Xaq+X ，分别称为交、直，分别称为交、直轴

33、同步电抗。轴同步电抗。İd=İsin ，İq=İcos ，分别是电枢电流，分别是电枢电流İ 在交、直轴方向上的分量。在交、直轴方向上的分量。 其相量图其相量图(见下页见下页)，就是书，就是书P.59，图，图4-17。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 凸极机相量图凸极机相量图气隙不均匀所以电气隙不均匀所以电抗分为直轴与交轴抗分为直轴与交轴凸极机的分析凸极机的分析计算较烦琐计算较烦琐集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直轴和交轴

34、电枢反应分别来处理的方法，就称为双成直轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，就称为双反应理论。反应理论。 凸极同步电机的气隙是不均匀的，极面下气隙较凸极同步电机的气隙是不均匀的，极面下气隙较小，两极之间气隙较大，故直轴下单位面积的气隙磁小，两极之间气隙较大，故直轴下单位面积的气隙磁导导 d ( d 0 / d) 要比交轴下单位面积的气隙磁导要比交轴下单位面积的气隙磁导 q ( q 0/ q) 大很多，如图大很多，如图43所示。所示。 当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时，由于当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时，由于 d较大，故在一定大小的磁动势下，直轴基波磁场的较大，故在一定大小的磁动势下，直轴

35、基波磁场的幅值幅值Bad1相对较大。相对较大。凸极同步发电机的电压方程和相量图（补充）凸极同步发电机的电压方程和相量图（补充）集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统凸极同步发电机的电压方程和相量图凸极同步发电机的电压方程和相量图 不考虑磁饱和时同步发电机负载运行时物理量的不考虑磁饱和时同步发电机负载运行时物理量的关系：关系：fIfF0 0 E Ead Ead adFaF Iaq aq EaqF E XI j集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 从气隙电动势减去电枢绕组的电阻和漏抗压从气隙电动势减去电枢绕组的电阻和漏抗

36、压降，便得电枢的端电压。采用发电机惯例，电枢降，便得电枢的端电压。采用发电机惯例，电枢的电压方程为：的电压方程为：UjXRIEEE )(aaqad0 qaqIE dadIE （4 - 9）不计磁饱和时不计磁饱和时集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 和和 可以用相应的负电抗压降来表示可以用相应的负电抗压降来表示adEaqEaddadXI jE aqqaqXI jE qqddaaqqaddaaqqadda0)()(XI jXI jRIUXXI jXXI jRIUXI jXI jXI jRIUE （4 10）将式将式(4-10)代入式代入式(4-9)，并考虑

37、，并考虑 ，可得，可得 qdIII 集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 式中，式中，Xd和和Xq分别称为直轴同步电抗和交轴同步分别称为直轴同步电抗和交轴同步电抗，它们是表征对称稳态运行时电枢漏磁和直轴或电抗，它们是表征对称稳态运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反应的一个综合参数。交轴电枢反应的一个综合参数。上式就是凸极同步发上式就是凸极同步发电机的电压方程。图电机的电压方程。图4-4表示与上式相对应的相量图。表示与上式相对应的相量图。引入虚拟电动势引入虚拟电动势 ，使，使qaqddqqdda)()(XI jRIUXXI jXI jXI jRIUEQ （4-

38、12） 由式（由式（4 -12）相量图如图）相量图如图4-5所示。由图所示。由图4-5不难确定不难确定aq0cossinarctanIRUIXU 由式由式4-12可得凸极同步发电机的等效电路，可得凸极同步发电机的等效电路，如图如图4-所示。所示。 )(qdd0XXI jEEQ QE集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统4.2.4 三相交流同步发电机外特性及调节特性三相交流同步发电机外特性及调节特性外特性：外特性：同步发电机外特性与变压器相似，但同步发电机外特性与变压器相似，但电压调电压调整率整率计算式计算式P.58P.58. .式（式（4-4-1212）与

39、）与P.23P.23. .式（式（2-2-1313）电压电压变化率变化率不同。不同。同步发电机的外特性同步发电机的外特性是指在转速额定值是指在转速额定值nN下运行，励磁电流下运行，励磁电流If不不变，负载功率因数一变，负载功率因数一定时，发电机端电压定时，发电机端电压和负载电流的关系，和负载电流的关系，即即U=f (Ia)曲线。曲线。 集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 特性：特性：为了保持电压不为了保持电压不变，在功率因数一定时，励变，在功率因数一定时，励磁电流应随电枢电流进行变磁电流应随电枢电流进行变化化调节的曲线调节的曲线。 不同的功率因数，电枢

40、不同的功率因数，电枢反应大小不一样，性质也可反应大小不一样，性质也可能不同。能不同。 调节特性调节特性(regulator curve)电枢反应去磁，则励磁电流应增加，反之则减小。电枢反应去磁，则励磁电流应增加，反之则减小。说明：书上说明：书上P.58的外特性没有画全，的外特性没有画全，P.59，图，图4-16的的调调节特性则存在错误，具体见下页说明。节特性则存在错误，具体见下页说明。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 外特性与调节特性说明外特性与调节特性说明( (补充补充) ) 容性负载的电枢反应具有增磁性质是指容性负载阻容性负载的电枢反应具有增磁性

41、质是指容性负载阻抗值比电枢绕组的同步电抗大时才具有。也就是说，抗值比电枢绕组的同步电抗大时才具有。也就是说，只有只有 0时，电枢反应性质是时，电枢反应性质是增磁的。增磁的。若容抗小于同若容抗小于同步电抗，虽然步电抗，虽然 0，但，但 0，此时电枢反应的作用，此时电枢反应的作用只能是减少去磁的作用而不是增磁。只能是减少去磁的作用而不是增磁。 保持保持cos 0不变，不变，容性负载增大则容抗减小，当容性负载增大则容抗减小，当容抗小于同步电抗后，电枢电流相位虽然仍然超前端容抗小于同步电抗后，电枢电流相位虽然仍然超前端电压，但却可能滞后空载电势，即：电压，但却可能滞后空载电势，即： 0， 0。也就是说

42、，也就是说，电枢反应的总体作用变成具有去磁性质。电枢反应的总体作用变成具有去磁性质。 因此带容性负载时，外特性达到最大值后将下降；因此带容性负载时，外特性达到最大值后将下降；带容性负载时，调节特性下降到最小值后也将上升。带容性负载时，调节特性下降到最小值后也将上升。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统一、功率方程和电磁功率一、功率方程和电磁功率 功率方程：功率方程：若转子励磁损耗由另外的直流电源供若转子励磁损耗由另外的直流电源供给，则发电机轴上输入的机械功率给，则发电机轴上输入的机械功率Pl扣除机械损扣除机械损耗耗 Pm和定子铁耗和定子铁耗PFe后，余下

43、的功率将通过旋转磁后，余下的功率将通过旋转磁场和电磁感应的作用，转换成定子的电功率，所场和电磁感应的作用，转换成定子的电功率，所以转换功率就是电磁功率以转换功率就是电磁功率PM，即，即 )(sFm1MePPPPP 再从电磁功率再从电磁功率PM中减去电枢铜耗中减去电枢铜耗Pcu可得电枢端可得电枢端点输出的电功率点输出的电功率P2 ；即；即 a2aMcuM23RIPPPP 4.2.5 三相交流同步发电机的功角特性三相交流同步发电机的功角特性(4-13) (4-14)集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 如果不计如果不计Ra影响：影响： P2PM 而从式（而从

44、式（4 -14）可知，电磁功率）可知，电磁功率PM为为)cos(cosaa2MIRUmIRmImUIP 0acoscoscos QEEIRU 0Mcoscos ImEmEIPQ 00Mcos ImEP 由图由图43可见可见故同步电机的电磁功率亦可写成故同步电机的电磁功率亦可写成 上式的第一部分与感应电机的电磁功率表达式相上式的第一部分与感应电机的电磁功率表达式相同，第二部分则是同步电机常用的。对于隐极同步同，第二部分则是同步电机常用的。对于隐极同步电机，由于电机，由于EQE0，故有，故有 集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统式中，式中，T1为原动机的驱动

45、转矩，为原动机的驱动转矩，Te为电磁转矩，为电磁转矩，T0为为空载转矩，分别为：空载转矩，分别为：eTTT 01sPT11 seePT sFeppT 0(4 -15) 把功率方程把功率方程(413)除以同步角速度，可得转矩方程除以同步角速度，可得转矩方程集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 功角：功角：是发电机磁极磁场与气隙合成磁场间的空间是发电机磁极磁场与气隙合成磁场间的空间相角，若忽略电枢绕组漏阻抗压降，可认为合成磁场相角，若忽略电枢绕组漏阻抗压降，可认为合成磁场产生端电压，则功角也等于产生端电压，则功角也等于E0与与U之间的相位角。之间的相位角。对

46、于凸极机，直交轴方向气隙不均匀，对于凸极机，直交轴方向气隙不均匀，XdXq，多了一个多了一个“反应转矩反应转矩” （书书P.P.5959）。）。若将功角特性两边若将功角特性两边除角转速除角转速 ，可得，可得转矩与功角之间的转矩与功角之间的关系，称为矩角特关系，称为矩角特性。性。seesXUEPUIPXEI sin3cos3sincos00 功功角角特特性性为为，集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统(a)隐极机隐极机 (b) 凸极机凸极机图图4-18 同步发电机的功角特性同步发电机的功角特性集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气

47、设备及系统 同步发电机有功功率调节同步发电机有功功率调节 单机运行（或与小电网并联）时单机运行（或与小电网并联）时，发电机输出的有、，发电机输出的有、无功功率完全由负载决定；无功功率完全由负载决定； 并联运行时并联运行时，若不增加油门只增加励磁电流，由于，若不增加油门只增加励磁电流，由于输入有功功率不变，输出的有功功率也不变（此时，输入有功功率不变，输出的有功功率也不变（此时，虽然虽然E0增加了，但增加了，但 角却减小）。因此，只有电枢电角却减小）。因此，只有电枢电流的相位发生变化，即输出无功功率发生变化。流的相位发生变化，即输出无功功率发生变化。 调节原动机油门可以改变输出的有功功率（或频调

48、节原动机油门可以改变输出的有功功率（或频率）；调节励磁电流则可改变输出的无功功率（或电率）；调节励磁电流则可改变输出的无功功率（或电压）。压）。 见见“补充说明（无功功率）补充说明（无功功率）”。 所谓所谓“过励过励”是指使发电机输出感性无功的励磁状是指使发电机输出感性无功的励磁状态，具体见态，具体见“补充说明（无功功率）补充说明（无功功率）” 。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 当励磁电流不变时，当励磁电流不变时，PM与功率角成正比。与功率角成正比。 当输入机械功率增加时当输入机械功率增加时转速增加转速增加转子磁场转子磁场轴线相对于合成磁场轴线的空

49、间角（功率角）增大轴线相对于合成磁场轴线的空间角（功率角）增大 PM增大；反之亦然增大；反之亦然有功功率的调节中功有功功率的调节中功率角起着自动平衡的调节作用。率角起着自动平衡的调节作用。 如果转子磁场轴线落后于合成磁场轴线的空间角如果转子磁场轴线落后于合成磁场轴线的空间角 PM负值负值电动机运行电动机运行逆功率保护。逆功率保护。SMMPT 电磁转矩与电磁功率成正比电磁转矩与电磁功率成正比sMXUEP sin30 集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 空载特性及其实质；空载特性及其实质； 电枢反应（电枢反应（3种典型、一般情况）；种典型、一般情况）； 平

50、衡方程与相量图（隐极机、不饱和）；平衡方程与相量图（隐极机、不饱和）； 外特性与外特性与 u；调节特性；调节特性； 功角特性与有、无功调节功角特性与有、无功调节第二节要点第二节要点集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 本节的主要内容本节的主要内容 同步电动机的基本原理同步电动机的基本原理 同步电动机的无功功率调节同步电动机的无功功率调节 同步电动机起动同步电动机起动 永磁同步电动机（教学大纲未要求，不介绍）永磁同步电动机（教学大纲未要求，不介绍）集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统4.3.1 同步电动机同步电动机(

51、synchronous generator)的的基本原理基本原理 由同步发电机的功角特性由同步发电机的功角特性可知：当同步发电机处于空载可知：当同步发电机处于空载状态并联在电网时，若将原动状态并联在电网时，若将原动 转动原理：转动原理： 结论：结论：功角功角 0 ，输出输出P 0 ，即输入即输入P，变成变成同步电动机。同步电动机。 转速仍然是同步转速。转速仍然是同步转速。机通过离合器脱开，此时转子在机械阻转矩的作用机通过离合器脱开，此时转子在机械阻转矩的作用下将减速，电机的功角下将减速，电机的功角 0 ，输出的有功功率为负输出的有功功率为负值，即表示从电网吸收有功功率。也就是说：同步值，即表示

52、从电网吸收有功功率。也就是说：同步发电机就变成了同步电动机。发电机就变成了同步电动机。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 同步发电机负载后，气隙合成磁场同步发电机负载后，气隙合成磁场F ，相当于在同步发电，相当于在同步发电机的定子上存在一个磁极。一般情况下，气隙磁场机的定子上存在一个磁极。一般情况下，气隙磁场F 滞后于滞后于励磁磁场励磁磁场Ff一个角度一个角度 (即电压即电压U滞后空载电动势滞后空载电动势E0的角度的角度 )，因此同步发电机负载时，相当于因此同步发电机负载时，相当于Ff 拖着拖着F 旋转。旋转。TM为制为制动转矩。动转矩。如果减小原动机

53、的机械功率，则电磁功率也减小如果减小原动机的机械功率，则电磁功率也减小当当 时，时， F 与与Ff 重合重合电磁转矩为零电磁转矩为零临界状态。临界状态。如果此时脱开原动机如果此时脱开原动机阻力阻力 Ff 滞后滞后F 一个一个 TM为为驱动转矩驱动转矩电动状态电动状态只能用变频才能调速。只能用变频才能调速。 负载时的气隙磁场负载时的气隙磁场集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统4.3.2 同步电动机的无功功率调节同步电动机的无功功率调节 有功功率：取决于负载转矩。若负载变励磁有功功率：取决于负载转矩。若负载变励磁If 不变，不变，则则 变，无功和功率因数也将

54、变化。变，无功和功率因数也将变化。E0sin =XsIcos ， 变，变，Icos 也变，也变，Isin 也变，即无功和功率因数变。也变，即无功和功率因数变。结论：有功变，无功与功率因数都变。结论：有功变，无功与功率因数都变。 无功功率：若负载转矩不变而励磁变，无功功率：若负载转矩不变而励磁变， If变，变，E0也也变，而变，而E0sin 保持不变（能量守恒）。因此有保持不变（能量守恒）。因此有结论：无结论：无功变，有功保持不变。功变，有功保持不变。 无功的调节与同步发电机无功调节情况一样。正常运无功的调节与同步发电机无功调节情况一样。正常运行时，同步电动机都工作在行时，同步电动机都工作在“过

55、励过励”状态，可向电网输状态，可向电网输出感性无功。出感性无功。 这是使用它的目的。这是使用它的目的。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 无功功率调节：无功功率调节：恒功率线恒功率线aa、恒定有功电流线、恒定有功电流线bb 与无穷大电网并联时，发电机与无穷大电网并联时，发电机电压不变。若保持油门不变，则电压不变。若保持油门不变，则Pe =3UIcos 不变，即不变，即Icos 和和E0sin 都都不变。此时，若调节不变。此时，若调节If ，励磁磁励磁磁通通 0 和空载电势和空载电势E0将发生变化。将发生变化。 由图可见，调节励磁电流由图可见，调节励磁电

56、流 If ，空载电势空载电势E0发生变化，功率发生变化，功率因数角因数角 也随之发生变化，输出无功功率发生变化。也随之发生变化，输出无功功率发生变化。 励磁电流小（欠励励磁电流小（欠励-I超前）时，超前）时， E0小，小， 0 ，输出超前，输出超前的无功功率；励磁电流增大，的无功功率；励磁电流增大， E0也增大，当也增大，当 =0 时，输出无功时，输出无功为零；继续增大励磁电流（过励为零；继续增大励磁电流（过励-I滞后）时，滞后）时， E0进一步增大，进一步增大， 0 ，输出落后的无功功率。，输出落后的无功功率。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统1、发

57、电机输出的有功和无功功率不直接决定于电、发电机输出的有功和无功功率不直接决定于电网的负载，需通过调节或控制来改变。网的负载，需通过调节或控制来改变。2、改变发电机输入的机械功率，可改变其输出的、改变发电机输入的机械功率，可改变其输出的有功功率，但不能改变电网频率。有功功率，但不能改变电网频率。3、改变发电机的励磁电流，可改变发电机输出的、改变发电机的励磁电流，可改变发电机输出的无功功率，但不能改变电网的电压。无功功率，但不能改变电网的电压。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 同步发电机与大电网并联运行时功率调节的结论同步发电机与大电网并联运行时功率调节

58、的结论1. 调节油门，可以调节发电机输出的有功功率大小；调节油门，可以调节发电机输出的有功功率大小；2. 调节励磁电流，可以调节发电机输出的无功功率调节励磁电流，可以调节发电机输出的无功功率大小；大小；3. 调节一台发电机的油门或者励磁电流，电网的频调节一台发电机的油门或者励磁电流，电网的频率和电压不会发生变化。率和电压不会发生变化。 与大电网并联与大电网并联集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统输出感性无功等于消耗容性无功；输出感性无功等于消耗容性无功；输出容性无功等于消耗感性无功。输出容性无功等于消耗感性无功。未接电容之前消耗感性，电容消耗容性无功后，

59、整未接电容之前消耗感性，电容消耗容性无功后，整个电路不消耗无功功率。个电路不消耗无功功率。集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 分析：分析：若直接将静止不动的同步电动机转子进行若直接将静止不动的同步电动机转子进行励磁，而在定子三相电枢绕组通入三相交流电，在气励磁，而在定子三相电枢绕组通入三相交流电，在气隙中将有励磁磁场（恒定不变）和电枢磁场（旋转）隙中将有励磁磁场（恒定不变）和电枢磁场（旋转）同时存在，当电枢磁场超前励磁磁场时，将拖动励磁同时存在，当电枢磁场超前励磁磁场时，将拖动励磁磁场转动，由于磁场转动，由于转子存在着惯性，转子存在着惯性，而电枢磁场转

60、速又而电枢磁场转速又很快，很快， 在在180内电枢磁场内电枢磁场不能及时将转子拉入同不能及时将转子拉入同步，步，而而 超过超过180后，电枢磁场与励磁磁场的相互后，电枢磁场与励磁磁场的相互作用力变成斥力，于是在一个周期内，电磁转矩的平作用力变成斥力，于是在一个周期内，电磁转矩的平均值为零。均值为零。因此，同步电动机不能直接起动。因此，同步电动机不能直接起动。4.3.3 同步电动机的起动同步电动机的起动集美大学轮机工程学院集美大学轮机工程学院船舶电气设备及系统船舶电气设备及系统 拉入同步、异步起动和变频起动法拉入同步、异步起动和变频起动法 拉入同步法：拉入同步法：又称间接起动法，是通过其它机械又