船舶电气设备及系统大连海事大学同步电机PPT课件

1、船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室旋转磁极式同步电动机旋转磁极式同步电动机 第1页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室定子部分定子部分 定子是由定子铁心、定子三相绕组、机座以及固定子是由定子铁心、定子三相绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。定这些部分的其他结构件组成。 定子铁心由硅钢片叠压而成。定子铁心由硅钢片叠压而成。 定子铁心槽内嵌放三相依次相差定子铁心槽内嵌放三相依次相差120电角度（或电角度（或120/P空间机械角度）的。绕组，称为三相电枢空间

2、机械角度）的。绕组，称为三相电枢绕组，是交流电路部分。绕组，是交流电路部分。 第2页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室转子部分转子部分 转子磁极有两种结构形式转子磁极有两种结构形式 隐极式隐极式 凸极式（也称显极式）凸极式（也称显极式） 第3页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室按同步发电机的励磁电源的不同有两种基本类型，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、他励的即自励的、他励的 图图5-3 5-3 自励同步发电机自励同步发电机第4

3、页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 转子转子 定子定子交流励磁机交流励磁机发电机发电机 旋转旋转整流器整流器 图图5-4 5-4 无刷同步发电机无刷同步发电机AVR第5页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室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 当转子由原动机以恒定转速驱动。极性相间的励当转子由原动机以恒定转速驱动。极性相间的励磁磁场随轴一起旋转，并依次切割定子各相绕组磁磁场随轴一起旋转，并依次切割定子各相绕组（相当于绕组

4、导体反向切割励磁磁场）。定子三（相当于绕组导体反向切割励磁磁场）。定子三相电枢绕组就会感应出大小和方向按周期性变化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弦电动势。由于三相电枢绕组在空间相的交变正弦电动势。由于三相电枢绕组在空间相差差120120电角度，三相电动势相位也相差电角度，三相电动势相位也相差120120。第6页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室其瞬时值为：其瞬时值为： )240sin()120sin(sintEetEetEemwmvmu第7页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机

5、学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室空载电动势的有效值为空载电动势的有效值为 EEkfNm002444/.式中式中 o为每极下的总磁通为每极下的总磁通. 空载电动势的频率空载电动势的频率 f 与转子的转速与转子的转速n和磁极对数和磁极对数p成正比成正比, 即即fpn60由以上两式可得由以上两式可得EKne00Ke为电势常数为电势常数第8页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 额定容量额定容量 ，连接方式，连接方式, , 线电压线电压 , , 额额定频率，磁极对数定频率，磁极对数, , 额定转速额定转速, , 采

6、用绝缘采用绝缘等级等级, , 冷却方式冷却方式, , 设计标准环境温度等。设计标准环境温度等。铭牌数据铭牌数据 第9页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室三相同步发电机额定值三相同步发电机额定值 同步发电机的主要额定值有：同步发电机的主要额定值有： q额定容量额定容量 SN 或额定功率或额定功率PN q额定电压额定电压 UNq额定电流额定电流 INq额定功率因数额定功率因数 cosNq额定频率额定频率 fNq额定转速额定转速 nNq额定励磁电压（额定励磁电流）额定励磁电压（额定励磁电流）第10页/共93页船舶电气设备及系统

7、 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室通常把同步发电机转子转速为同步额定转通常把同步发电机转子转速为同步额定转速条件下，空载电动势速条件下，空载电动势E E0 0与励磁电流的关与励磁电流的关系曲线称为同步发电机空载特性曲线系曲线称为同步发电机空载特性曲线E E0 0=f=f（I If f）或称开路特性曲线。）或称开路特性曲线。 E Er r：剩磁电压（在额定转速下使：剩磁电压（在额定转速下使I If f=0=0时所时所测得的电枢开路电压）。测得的电枢开路电压）。4. 2 三相交流同步发电机运行特性三相交流同步发电机运行特性第11页/共93页船舶电气设备

8、及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室第12页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室当同步发电机接通负载时当同步发电机接通负载时, 三相电枢绕组的三相电三相电枢绕组的三相电流将产生旋转磁场流将产生旋转磁场 a, 这种旋转磁场称为电枢反这种旋转磁场称为电枢反应磁场。电枢磁场对磁极主磁场的影响称为应磁场。电枢磁场对磁极主磁场的影响称为电枢电枢反应反应。同步发电机对称负载运行同步发电机对称负载运行 同步发电机定、转子之间的气隙同时出现两个旋同步发电机定、转子之间的气隙同时出现两个旋转

9、磁场。转磁场。 电枢反应效应与负载性质有关。电枢反应效应与负载性质有关。第13页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室a) 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AfFA0BXZYBCNSsnsnaF1 1）电枢电流与空载电势同相位时）电枢电流与空载电势同相位时( (即即=0)=0)的电枢反应的电枢反应交轴电枢反应交轴电枢反应直轴直轴(Direct Axis )：与主磁场同轴。：与主磁场同轴。交轴交轴(Quadrature Axis )：与主磁场相交的轴。：与主磁场

10、相交的轴。第14页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室b) b) 时间矢量图时间矢量图时时间间参参考考轴轴CE0 A0 C0 BE0 AE0 B I1 00B0 AICI 第15页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室c) c) 时时- -空统一矢量图空统一矢量图轴轴dfF)(aqnFF )(00 B I0 E1 直轴直轴(Direct Axis )：与主磁场同轴。：与主磁场同轴。交轴交轴(Quadrature Axis )：与主磁场相交的轴。：与主磁场

11、相交的轴。直轴直轴D轴轴交轴交轴Q轴轴第16页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室d)d)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aFeTAXZYBCNS0BBsn第17页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室2） 电枢电流落后于空载电动势电枢电流落后于空载电动势90 时的电枢反应时的电枢反应snaFAXZBCNSfFY 直轴去磁电枢反应直轴去磁电枢反应 ：电枢磁场电枢磁场 a a与磁极磁场与磁极磁场 o o在同一轴线上在同一轴线上,

12、 , 但方向相但方向相反反, , 起去磁效应使合成磁起去磁效应使合成磁场场 o o。)(00 B)(aaBCiAiBi)(uito第18页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室时时- -空统一矢量图空统一矢量图轴轴dfF)(adaFF)(00 B I0 E1 直轴直轴D轴轴交轴交轴Q轴轴)(aaB第19页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 直轴增磁电枢反应：直轴增磁电枢反应：电枢磁电枢磁场场 a与磁极磁场与磁极磁场 o在同一轴在同一轴线上线上,且方向相

13、同且方向相同,起增磁效应起增磁效应使合成磁场使合成磁场 大于主磁场大于主磁场 o。3） 电枢电流超前于空载电动势电枢电流超前于空载电动势90 的电枢反应的电枢反应CiAiBi)(uitosnaFAXZCNSfFY)(00 B)(aaB第20页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室轴轴dfF)(adaFF)(00 B I0 E1 直轴直轴D轴轴交轴交轴Q轴轴)(aaB时时- -空统一矢量图空统一矢量图第21页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室4） 通常情

14、况下通常情况下, 发电机的负载多为一般电感性负发电机的负载多为一般电感性负载载, 即电枢电流落后于空载电动势的角度即电枢电流落后于空载电动势的角度小于小于90 。一般电感性负载的电枢反应既有去磁效应又有一般电感性负载的电枢反应既有去磁效应又有交磁效应。交磁效应。第22页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 a) a) 滞后于滞后于 时的空间矢量图时的空间矢量图0 E IsnadF相相轴轴线线AAXZBCsnaFaqFNSfF4） 通常情况下通常情况下, 与与 不同相不同相0EI一般电感性负载一般电感性负载的电枢反应既有的电

15、枢反应既有去磁效应又有交去磁效应又有交磁效应。磁效应。第23页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 b) b) 滞后滞后 时的时时的时- -空统一矢量图空统一矢量图0 E IfFadFaFaqF I0 0 1 0 E一般电感性负载一般电感性负载的电枢反应既有的电枢反应既有去磁效应又有交去磁效应又有交磁效应。磁效应。第24页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 c) c) 超前超前 时得时时得时- -空统一矢量图空统一矢量图0 E I1 0 IfFadF

16、aF0 0 EaqF一般电容性负载一般电容性负载的电枢反应既有的电枢反应既有增磁磁效应又有增磁磁效应又有交磁效应。交磁效应。第25页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室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：一、一、隐极同步发电机隐极同步发电机fI主主极极NoImagefF 0 0E E aE aaF I电枢电枢 E)( XIjE三相交流同步发电机电压平衡方程和相量图 第26页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室正弦电动势正

17、弦电动势e0、ea和和e 是分别由是分别由转子旋转磁通转子旋转磁通 0、电枢旋转磁、电枢旋转磁通通 a和电枢绕组漏磁通和电枢绕组漏磁通 产生产生的的. Ra是电枢绕组的电阻是电枢绕组的电阻.其电压其电压平衡方程式为平衡方程式为电压平衡方程电压平衡方程iRueeea0第27页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室相量分别表示为相量分别表示为 EEEUI Ra.0X =E / I 称为电枢漏电抗称为电枢漏电抗; Xa=Ea / I 称为电枢反应电抗。称为电枢反应电抗。EjX Iaa. 相量分别表示为相量分别表示为 EjXI. 和

18、和第28页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室电枢电路的相量电压方程可写为电枢电路的相量电压方程可写为.0.)(IjXRUIjXIjXRIUEsaaa通常通常Ra R Rd d ，所以，所以X XadadXXaqaq，因此在凸极同，因此在凸极同步电机中，步电机中，X Xd dXXq q。 对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故X Xd dXXq qXXs s daRNX21qqRNX21第36页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动

19、化教研室凸极同步电机电枢反磁通及所经磁路及磁导凸极同步电机电枢反磁通及所经磁路及磁导adF)(adadR)(R)(aqaqRadF)(R直轴电枢磁导直轴电枢磁导交轴电枢磁导交轴电枢磁导第37页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性 表征同步发电机的运行特性有以下五种表征同步发电机的运行特性有以下五种 ：q同步发电机的空载特性同步发电机的空载特性 q同步发电机的短路特性同步发电机的短路特性 q同步发电机的外特性同步发电机的外特性 q同步发电机的调整特性同步发电机的调整特性 q同步发电机的

20、功角特性同步发电机的功角特性 第38页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室空载特性可以用空载试验测出。试验时，电枢空载特性可以用空载试验测出。试验时，电枢开路开路 ( (空载空载) )，用原动机把被试同步电机拖动，用原动机把被试同步电机拖动到同步转速，改变励磁电流到同步转速，改变励磁电流I If f，并记取相应的，并记取相应的电枢端电压电枢端电压U U0 0 ( (空载时即等于空载时即等于E E0 0，直到，直到U U0 01.25U1.25UN N左右，可得空载特性曲线左右，可得空载特性曲线1 1）同步发电机的空载特性）

21、同步发电机的空载特性)(0fIfU第39页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室同步电机的空载特性同步电机的空载特性NU00, EFIf,0fIo空空载载特特性性 NU气气隙隙线线第40页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室2 2）同步发电机的短路特性）同步发电机的短路特性 短路特性可由三相稳态短路试验测得，试短路特性可由三相稳态短路试验测得，试验线路如图所示。将被试同步电机的电枢验线路如图所示。将被试同步电机的电枢端点三相短路，用原动机拖动被试电机到端

22、点三相短路，用原动机拖动被试电机到同步转速，调节励磁电流同步转速，调节励磁电流I If f使电枢电流使电枢电流I I从从零起一直增加到零起一直增加到1.2I1.2IN N左右，便可得到短路左右，便可得到短路特性曲线，如图所示。特性曲线，如图所示。)(fkIfI 第41页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室短路实验接线图短路实验接线图A 励磁电枢AAA第42页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室短路特性短路特性INIOfkIfI短路特性第43页/共93页

23、船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室同步发电机的外特性是同步发电机的外特性是指在转速额定值指在转速额定值nN下运下运行，励磁电流行，励磁电流If不变，负不变，负载功率因数一定时，发载功率因数一定时，发电机端电压和负载电流电机端电压和负载电流的关系，即的关系，即Uf(Ia) 3) 同步发电机的外特性同步发电机的外特性 U=f(I)第44页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室IUNIONUcos=0.8滞后滞后cos=1cos=0.8超前超前外特性外特性第45页/共

24、93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室电压变化率电压变化率UUUUnn% 0100%同步发电机在同步发电机在cos=0.8 (滞后滞后)的负载时的负载时, 其电压变化率约为其电压变化率约为2040, 一般不超过一般不超过50。第46页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室不同负载相量图不同负载相量图 （根据电压方程做相量图）（根据电压方程做相量图）a. 电感性负载的简化相量图电感性负载的简化相量图相量相量E0和和U之间的相位差角之间的相位差角称为功率角称为功率

25、角第47页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室c.电容性负载的简化电容性负载的简化相量图相量图 b.电阻性负载的简化电阻性负载的简化相量图相量图第48页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 同步发电机在额定转速和同步发电机在额定转速和一定的负载功率因数下一定的负载功率因数下, 为为保持端电压基本不变保持端电压基本不变, 励磁励磁电流电流If随负载电流随负载电流I而变化而变化的关系的关系If =f(I)称为调节特称为调节特性。性。 4) 同步发电机调节特

26、性同步发电机调节特性 If =f(I)第49页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室IUcos=0.8滞后滞后cos=1cos=0.8超前超前ONU调节特性调节特性第50页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室5 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 1) 1) 功率特性功率特性 同步发电机由原动机拖动，输入给发电机的功同步发电机由原动机拖动，输入给发电机的功率为率为P P1 1，而通过电磁感应作用，转换为定子上，而通过电磁感应作

27、用，转换为定子上的电磁功率的电磁功率P Pe e。)(1sFemepppPPP Pm m为机械损耗；为机械损耗；p pFeFe为定子铁损耗；为定子铁损耗；p pS S为附加损耗。为附加损耗。 第51页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室输入输入功率功率P1机械损机械损耗耗p附加损附加损耗耗pS铁损铁损pFe电磁功电磁功率率Pe定子铜损定子铜损pcu输出功输出功率率P2ecueSFeePPPPPPPPPPP2011)(第52页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动

28、化教研室aaecueRIPPPP223P PCUCU定子绕组的铜损耗，定子绕组的铜损耗，P P2 2发电机输出功率发电机输出功率定子电枢绕组定子电枢绕组R Ra a很小，若不计很小，若不计R Ra a影响影响 MPP 2第53页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室凸极式同步发电机简化相量图凸极式同步发电机简化相量图凸极式同步发电凸极式同步发电机在磁路未饱和机在磁路未饱和且不计电枢绕组且不计电枢绕组电阻电阻R Ra a时的相量时的相量图图 内功率内功率因数角因数角功率角功率角第54页/共93页船舶电气设备及系统 2021-1

29、1-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室UIcosPPe32)(3)(32sinsincoscosUIUIcosPPeUsinXIqqUcosEXI0ddsinIIdcosIIq第55页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室2002)11(32133333)(3eedqddqdqePPsinXXUsinXUEsinXUcosEUcosXUsinUsinUIcosUIsinsincoscosUIPdeXsinUEP03基本电磁功率基本电磁功率 2)11(3212sinXXqUPde附加电磁功率附加电磁

30、功率 sinIIdcosIIqUsinXIqqUcosEXI0dd第56页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室Pe18000900PemaxeeePPPdeXsinUEP03基本电磁功率基本电磁功率 2)11(3212sinXXUPdqe附加电磁功率附加电磁功率 ePeP第57页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室由于隐极式同步发电机气隙均匀，即由于隐极式同步发电机气隙均匀，即X Xd d=X=Xq q=X=XS S，故有，故有P Pe e0 0，那么

31、，隐极式同步发电机的电磁功率，那么，隐极式同步发电机的电磁功率P Pe e为：为：seXUEPsin300900PePemax1800第58页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室6)6)、相同步发电机单机运行时的特点、相同步发电机单机运行时的特点1.1.发电机输出的有功和无功功率完全决定于负载。发电机输出的有功和无功功率完全决定于负载。首先是负载先发生变化，然后引起发电机的有功首先是负载先发生变化，然后引起发电机的有功功率和无功功率的变化。功率和无功功率的变化。2.2.用电负载不变，人为的改变原动机的输入（加大用电负载不变

32、，人为的改变原动机的输入（加大或关小油门），将使转速和频率发生相应的变化；或关小油门），将使转速和频率发生相应的变化；而人为的改变发电机的励磁电流，将使发电机的而人为的改变发电机的励磁电流，将使发电机的输出电压发生相应的变化。输出电压发生相应的变化。3.3.有功负载的变化可以引起发电机的频率的变化，有功负载的变化可以引起发电机的频率的变化，变化的程度与原动机调速器的特性有关；无功负变化的程度与原动机调速器的特性有关；无功负载的变化可以引起发电机的输出电压的变化，变载的变化可以引起发电机的输出电压的变化，变化的程度与发电机外特性或自动调压系统的特性化的程度与发电机外特性或自动调压系统的特性有关。

33、有关。 第59页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室当发电机投入电网后当发电机投入电网后, 通通过改变发电机的输入机过改变发电机的输入机械功率械功率,来改变发电机输来改变发电机输出的有功功率。出的有功功率。 假设经假设经过调节发电机已输出有过调节发电机已输出有功功率为功功率为: 7) 有功功率的调节有功功率的调节PUI 3cos第60页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室若忽略电枢电阻，发电机的电磁功率若忽略电枢电阻，发电机的电磁功率Pe=P 。PPU

34、EXes 30sin当励磁电流保持不变时，上式中除功率角当励磁电流保持不变时，上式中除功率角外均为外均为不变的常数。在有功功率的调节中功率角不变的常数。在有功功率的调节中功率角起着自起着自动平衡的调节作用。动平衡的调节作用。第61页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室电磁转矩与电磁功率成正比电磁转矩与电磁功率成正比, 即即 发电机的有功功率随功率发电机的有功功率随功率角的变化关系角的变化关系P=f(), 称为称为功角特性。功角特性。TUEXs 30sin矩角特性矩角特性T=f()曲线与功角特性曲线相似。曲线与功角特性曲线相

35、似。并联运行同步发电机应设逆功保护。并联运行同步发电机应设逆功保护。第62页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 8) 无功功率的调节无功功率的调节调节励磁电流可改变并联发电机输出的无功功率调节励磁电流可改变并联发电机输出的无功功率Q。U0EISXU0E0U第63页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室当当增加励磁电流增加励磁电流(过励磁过励磁)使使E0U, 发电机与电网之间发电机与电网之间出现了电压差和引起了电枢电流。根据电压方程出现了电压差和引起了电

36、枢电流。根据电压方程IEUjXUjXss.0在相位上电流在相位上电流I总是落后于同步感抗压降总是落后于同步感抗压降 U 900。发发电机输出落后无功功率。电机输出落后无功功率。U0EISXU第64页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室减少励磁电流减少励磁电流(欠励磁欠励磁)使使E0U ，电流，电流I落后于落后于 U 900而超前于电压而超前于电压U 900。发电机输出超前的无功功率。发电机输出超前的无功功率。U0EISXUIEUjXUjXss.0U第65页/共93页UItxI j0E01E1I1txjI102E2ItxjI

37、2203E3ItxI j33同步发电机不同运行方式时的相量图同步发电机不同运行方式时的相量图第66页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室4. 3 同步电动机同步电动机同步电动机定、转子结构和同步发电机一样，转子也有隐同步电动机定、转子结构和同步发电机一样，转子也有隐极式和凸极式两种，转子上除了嵌放励磁绕组外，还安装极式和凸极式两种，转子上除了嵌放励磁绕组外，还安装有帮助起动用的笼型绕组（阻尼绕组），一般中小同步电有帮助起动用的笼型绕组（阻尼绕组），一般中小同步电动机多采用凸极结构。动机多采用凸极结构。 同步电动机的基本原理

38、同步电动机的基本原理 同步电动机是由三相电枢绕组通过三相对称电流而产生的同步电动机是由三相电枢绕组通过三相对称电流而产生的旋转磁场拉着转子磁极以同步转速旋转，定子吸收电网有旋转磁场拉着转子磁极以同步转速旋转，定子吸收电网有功功率，通过定、转子电磁关系转换为机械转矩。功功率，通过定、转子电磁关系转换为机械转矩。 第67页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室n1S2N2S1N1n1S1N1n1n1S2N2S2N2S1N1n1n1同步电机由发电状态到电动状态过程示意图同步电机由发电状态到电动状态过程示意图发电机发电机补偿机补偿机

39、电动机电动机第68页/共93页 NNoNoNoNNSoSoSSSSoeT0 eTsnsnsneT主极主极主极主极发电机发电机补偿机补偿机电动机电动机同同步步电电机机的的三三种种运运行行状状态态第69页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室同步电动机的相量同步电动机的相量 U0EISXUsaXIjUE.0.同步发动机电压方程同步发动机电压方程 把同步电动机看成一输出负功率的的发动机。习把同步电动机看成一输出负功率的的发动机。习惯上，总是将电动机看成是电网的负载。惯上，总是将电动机看成是电网的负载。0.E.U.aIsaXIj.0

40、第70页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室U0EDISXsaXIjEU.0.同步电动机电压方程同步电动机电压方程.DI0.E.UsaXIj.DD第71页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室DdqDdmsinXXUsinXUEP2)11(321320同步电动机的电磁功率与发电机一样，可从相量图中同步电动机的电磁功率与发电机一样，可从相量图中推导出，不同的是，在电动机中功角为负值，在计算推导出，不同的是，在电动机中功角为负值，在计算电动机功率时，功角用负

41、值带入发电机功率公式。电动机功率时，功角用负值带入发电机功率公式。一般一般 ，隐极式同步电机不存在附加，隐极式同步电机不存在附加电磁功率。电磁功率。3020D第72页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室IdIqIUddxI jqqxI j0E02002)11(32133333)(3eeDdqDdDdDDqDdqDDePPsinXXUsinXUEsinXUcosEUcosXUsinUsinUIcosUIsinsincoscosUIP)(3)(32DDeUIcosUIcosPPDD第73页/共93页船舶电气设备及系统 2021

42、-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室同步电动机的特点同步电动机的特点 转速不随负载的变化而改变；与同步转速相同。转速不随负载的变化而改变；与同步转速相同。同步电动机的主要特点是：同步电动机的主要特点是：pfnn1060旋转磁场拉着转子磁极以同步转速旋转。旋转磁场拉着转子磁极以同步转速旋转。第74页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室功率因数可以调节（以隐极电机为例）功率因数可以调节（以隐极电机为例）在电压一定，同步电动机有功功率不变的时：在电压一定，同步电动机有功功率不变的时：常数UPID

43、coscosUIP DdmsinXUEP03常数UPXsinEmdD30第75页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室.DI0.E.UsaXIj.DABCD同步电动机处于过激状态，电流超前于电压，相当同步电动机处于过激状态，电流超前于电压，相当于电容性负载。于电容性负载。 常数UPIDcos常数UPXsinEmdD30第76页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室同步电动机处于正常励磁状态，电流与电压同相，同步电动机处于正常励磁状态，电流与电压同相，相当于

44、纯电阻性负载。相当于纯电阻性负载。 .DI0.E.UsaXIj.ABCD常数UPIDcos常数UPXsinEmdD30第77页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室.DI0.E.UsaXIj.DABCD同步电动机处于欠激状态，电流滞后于电压，相当同步电动机处于欠激状态，电流滞后于电压，相当于电感性负载。于电感性负载。 常数UPIDcos常数UPXsinEmdD30第78页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 调节同步电动机励磁从欠激到过激，电流相量调节同

45、步电动机励磁从欠激到过激，电流相量的端点始终沿着的端点始终沿着AB线，电动势相量的端点始终沿着线，电动势相量的端点始终沿着CD线变化。线变化。 同步电动机欠激时从电网吸收有功功率同时吸同步电动机欠激时从电网吸收有功功率同时吸收滞后的无功电流。收滞后的无功电流。 同步电动机过激时从电网吸收有功功率同时吸同步电动机过激时从电网吸收有功功率同时吸收超前的无功电流。收超前的无功电流。 通过调节同步电动机励磁电流，可调节无功电通过调节同步电动机励磁电流，可调节无功电流和功率因数。流和功率因数。 第79页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化

46、教研室三相同步电动机的三相同步电动机的V形曲线形曲线 在保持电压在保持电压U和负载和负载TL不变的条件下不变的条件下,电枢电电枢电流流ID与励磁电流与励磁电流If之间的之间的关系曲线关系曲线,即即ID= (If)；不；不同的负载对应相应的曲同的负载对应相应的曲线。线。V形曲线可通过试形曲线可通过试验测得。验测得。不稳定区不稳定区PM=0.5PNPM=PN(容性容性)(感性感性)第80页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室同步补尝机同步补尝机 由于电网上变压器、异步电动机都是感性负载，由于电网上变压器、异步电动机都是感性负载

47、，且功率因数且功率因数cos比较低，为了减小线电流，降低线比较低，为了减小线电流，降低线损功率，除了使用电容器进行无功功率补偿外，有损功率，除了使用电容器进行无功功率补偿外，有条件尽量使用同步电动机，使其处于过激状态，进条件尽量使用同步电动机，使其处于过激状态，进行无功补偿，使线路的功率因数行无功补偿，使线路的功率因数cos1。 轴上不带任何负载轴上不带任何负载专用于改善功率因数的同步专用于改善功率因数的同步电机称为同步补偿机。电机称为同步补偿机。第81页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室同步电动机起动同步电动机起动 同

48、步电动机不能产生起动转矩，必须通过同步电动机不能产生起动转矩，必须通过其他辅助方法，使其拉入同步进行起动，这是其他辅助方法，使其拉入同步进行起动，这是因为转子有转动惯量，合闸瞬间，转子磁极极因为转子有转动惯量，合闸瞬间，转子磁极极性无法紧跟定子旋转磁场的极性转动起来性无法紧跟定子旋转磁场的极性转动起来 同步电动机起动方法有拉入同步、异步起同步电动机起动方法有拉入同步、异步起动方法和变频起动方法动方法和变频起动方法 第82页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室NSNSTn1(a)逆时针NSSNTn1(b)顺时针合闸瞬间，转子

49、合闸瞬间，转子( (已经已经加励磁加励磁) )处于处于(a)(a)所示所示的位置，此时，电磁的位置，此时，电磁转矩转矩T T倾向于使转子逆倾向于使转子逆时钟转动；在另一个时钟转动；在另一个瞬间瞬间(b(b所示所示) )，定子，定子磁场已转过磁场已转过180180度，度，而转子由于机械惯性而转子由于机械惯性尚未启动，电磁转矩尚未启动，电磁转矩T T倾向于使转子顺时钟倾向于使转子顺时钟转动。转动。第83页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室NSNSTn1(a)逆时针NSSNTn1(b)顺时针由于定子磁场以同步由于定子磁场以同步

50、速旋转，作用于转子速旋转，作用于转子上的力矩随时间变化上的力矩随时间变化(f=50Hz)(f=50Hz)，那么转子，那么转子上受到的平均转矩为上受到的平均转矩为0 0。因此同步电动机是不因此同步电动机是不能自行起动的。能自行起动的。概括一下同步电动机没有启动转矩的原因是：概括一下同步电动机没有启动转矩的原因是：（1 1）定、转子磁场之间相对运动速度很快；）定、转子磁场之间相对运动速度很快；（2 2）转子本身转动惯量的存在。）转子本身转动惯量的存在。第84页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室同步电动机的缺点是没同步电动机的

51、缺点是没有自起动能力有自起动能力。同步电。同步电动机必须靠外力或辅助动机必须靠外力或辅助设备起动。设备起动。目前目前仍被广仍被广泛采用的起动方法是异泛采用的起动方法是异步起动法。步起动法。而变频起动而变频起动方法，是对于有调速要方法，是对于有调速要求的同步电动机拖动系求的同步电动机拖动系统使用。统使用。起动起动正常运行正常运行第85页/共93页船舶电气设备及系统 2021-11-19课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室其他类型同步电动机其他类型同步电动机 永磁同步电动机永磁同步电动机 永磁同步电动机采用永磁体作转子磁极，由于永磁同步电动机采用永磁体作转子磁极，由于它没有电刷装置、滑环，成为无刷同步电动机。它没有电刷装置、滑环，成为无刷同步电动机。 永磁式同步电动机与励磁式同步电动机的工作永磁式同步电动机与励磁式同步电动机的工作原理，电压平衡方程，功角特性和矩角特性都一原理，电压平衡