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 2022-6-30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第4章章 同同 步步 电电 机机 4.1 4.1 三相交流同步电机的根本构造、三相交流同步电机的根本构造、 任务原理及铭牌数据任务原理及铭牌数据 4. 2 4. 2 三相交流同步发电机运转特三相交流同步发电机运转特性性 4. 3 4. 3 同步电动机同步电动机 船舶电气设备及系统 2022-6-30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4.1.1 三相交流同步电机的根本构造三相交流同步电机的根本构造旋转电枢式同步电机图旋转电枢式同步电机图三相交流同步电机由定子部分和转子部分构成

2、三相交流同步电机由定子部分和转子部分构成 以转子绕组方式分类，有旋转电枢式和旋转磁极式。以转子绕组方式分类，有旋转电枢式和旋转磁极式。 船舶电气设备及系统 2022-6-30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 船舶电气设备及系统 2022-6-30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构造件组成。定这些部分的其他构造件组成。 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

3、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。 船舶电气设备及系统 2022-6-30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 转子磁极有两种构造方式转子磁极有两种构造方式 隐极式隐极式 凸极式也称显极式凸极式也称显极式 船舶电气设备及系统 2022-6-30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根本类型，按同步发电机的励磁电源的不同有两种根本类型，即自励的、他励的即自励

4、的、他励的 图图5-3 5-3 自励同步发电机自励同步发电机船舶电气设备及系统 2022-6-30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 定子定子交流励磁机交流励磁机发电机发电机 旋转整流器整流器 图5-4 无刷同步发电机AVR船舶电气设备及系统 2022-6-30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4.1.2 三相交流同步发电机的根本任务原理三相交流同步发电机的根本任务原理 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同旋转，并依次切割定子各相绕组磁磁场随轴一同旋转，并依次切割定子各相绕组相当

5、于绕组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。船舶电气设备及系统 2022-6-30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船舶电气设备及系统 2022-6-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及

6、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 EEkfNm0024 44/.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船舶电气设备及系统 2022-6-30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 ，衔接方式，衔接方式, , 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, , 采用绝缘采用绝缘等级等级, , 冷却方式冷却方式, ,

7、设计规范环境温度等。设计规范环境温度等。4.1.3 铭牌数据铭牌数据 船舶电气设备及系统 2022-6-30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三一样步发电机额定值三一样步发电机额定值 同步发电机的主要额定值有：同步发电机的主要额定值有： 额定容量额定容量 SN 或额定功率或额定功率PN 额定电压额定电压 UN额定电流额定电流 IN额定功率因数额定功率因数 cosN额定频率额定频率 fN额定转速额定转速 nN额定励磁电压额定励磁电流额定励磁电压额定励磁电流船舶电气设备及系统 2022-6-30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

8、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E0E0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E0=fE0=fIfIf或称开路特性曲线。或称开路特性曲线。 ErEr：剩磁电压在额定转速下使：剩磁电压在额定转速下使If=0If=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转特性三相交流同步发电机运转特性船舶电气设备及系统 2022-6-30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船舶电气设备及系统 2022-6-30课 件轮机学院电气及自动化教研室

9、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响磁场。电枢磁场对磁极主磁场的影响称为电枢响磁场。电枢磁场对磁极主磁场的影响称为电枢反响。反响。4.2.2 同步发电机对称负载运转同步发电机对称负载运转 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磁场。转磁场。 电枢反响效应与负载性质有关。电枢反响效应与负载性质有关。船舶电气设备及系统 2022-6-30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

10、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)的电枢反响的电枢反响交轴电枢反响交轴电枢反响直轴直轴(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。：与主磁场相交的轴。船舶电气设备及系统 2022-6-30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 A

11、E0 B I1 00B0 AICI 船舶电气设备及系统 2022-6-30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- -空一致矢量图空一致矢量图轴轴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。：与主磁场相交的轴。直轴直轴D轴轴交轴交轴Q轴轴船舶电气设备及系统 2022-6-30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aFeTAXZYBCNS0

12、BBsn船舶电气设备及系统 2022-6-30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时的电枢反响时的电枢反响snaFAXZBCNSfFY 直轴去磁电枢反响 ：电枢磁场a与磁极磁场o在同一轴线上, 但方向相反, 起去磁效应使合成磁场o。)(00 B)(aaBCiAiBi)(uito船舶电气设备及系统 2022-6-30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- -空一致矢量图空一致矢量图轴轴dfF)(adaFF)(00 B I0 E1 直轴直轴D轴轴交轴交轴Q轴轴)(aaB船舶电气设备及系统 202

13、2-6-30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 直轴增磁电枢反响：电枢磁场a与磁极磁场o在同一轴线上,且方向一样,起增磁效应使合成磁场大于主磁场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的电枢反响的电枢反响CiAiBi)(uitosnaFAXZCNSfFY)(00 B)(aaB船舶电气设备及系统 2022-6-30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- -空一致矢量图空一致矢量图船舶电气设备及系统 2022-6-30课 件轮机学院电气及自动

14、化教研室轮机学院电气及自动化教研室4 通常情况下通常情况下, 发电机的负载多为普通电感性负发电机的负载多为普通电感性负载载, 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。普通电感性负载的电枢反响既有去磁效应又有普通电感性负载的电枢反响既有去磁效应又有交磁效应。交磁效应。船舶电气设备及系统 2022-6-30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相轴线相轴线AAXZBCsnaFaqFNSfF4 通常情况下通常情况下, 与与 不同相不同相0EI普通电感性负载普通电感性负

15、载的电枢反响既有的电枢反响既有去磁效应又有交去磁效应又有交磁效应。磁效应。船舶电气设备及系统 2022-6-30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- -空一致矢量图空一致矢量图0 E IfFadFaFaqF I0 0 1 0 E普通电感性负载普通电感性负载的电枢反响既有的电枢反响既有去磁效应又有交去磁效应又有交磁效应。磁效应。船舶电气设备及系统 2022-6-30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- -空一致矢量图空一致矢量图0 E I1 0 IfFadFaF0 0 EaqF

16、普通电容性负载普通电容性负载的电枢反响既有的电枢反响既有增磁磁效应又有增磁磁效应又有交磁效应。交磁效应。船舶电气设备及系统 2022-6-30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转时物理量的关系：同步发电机负载运转时物理量的关系：一、隐极同步发电机一、隐极同步发电机fI主主极极NoImagefF 0 0E E aE aaF I电枢电枢 E)( XIjE4.2.3 三相交流同步发电机电压平衡方程和相量图 船舶电气设备及系统 2022-6-30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弦电动势e0、ea和和e是分别是分别由转子旋转磁

17、通由转子旋转磁通0、电枢旋转、电枢旋转磁通磁通a和电枢绕组漏磁通和电枢绕组漏磁通产生的产生的. Ra是电枢绕组的电阻是电枢绕组的电阻.其其电压平衡方程式为电压平衡方程式为电压平衡方程电压平衡方程iRueeea0船舶电气设备及系统 2022-6-30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 称为电枢反响电抗。称为电枢反响电抗。EjX Iaa. 相量分别表示为相量分别表示为 EjXI. 和和船舶电气设备及系统 2022-6-30课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学

18、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 Rd Rq Rd ，所以，所以XadXaqXadXaq，因此在凸极，因此在凸极同步电机中，同步电机中，XdXqXdXq。 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XdXqXs XdXqXs daRNX21qqRNX21船舶电气设备及系统 2022-6-30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)(aqaqRad

19、F)(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船舶电气设备及系统 2022-6-30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4.2.4同步发电机的运转特性同步发电机的运转特性 表征同步发电机的运转特性有以下五种表征同步发电机的运转特性有以下五种 ：同步发电机的空载特性同步发电机的空载特性 同步发电机的短路特性同步发电机的短路特性 同步发电机的外特性同步发电机的外特性 同步发电机的调整特性同步发电机的调整特性 同步发电机的功角特性同步发电机的功角特性 船舶电气设备及系统 2022-6-30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实验

20、测出。实验时，电枢空载特性可以用空载实验测出。实验时，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，改动励磁电流到同步转速，改动励磁电流IfIf，并记取相应的，并记取相应的电枢端电压电枢端电压U0 (U0 (空载时即等于空载时即等于E0E0，直到，直到U01.25UNU01.25UN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同步发电机的空载特性)(0fIfU船舶电气设备及系统 2022-6-30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,0

21、fIo空载特性空载特性 NU气隙线气隙线船舶电气设备及系统 2022-6-30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实验测得，实验线短路特性可由三相稳态短路实验测得，实验线路如下图。将被试同步电机的电枢端点三相短路，路如下图。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同步转速，调理励磁电用原动机拖动被试电机到同步转速，调理励磁电流流IfIf使电枢电流使电枢电流I I从零起不断添加到从零起不断添加到1.2IN1.2IN左右，左右，便可得到短路特性曲线，如下图。便可得到短路特性曲线，如下图。)

22、(fkIfI 船舶电气设备及系统 2022-6-30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船舶电气设备及系统 2022-6-30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短路特性船舶电气设备及系统 2022-6-30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下运下运转，励磁电流转，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

23、，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)船舶电气设备及系统 2022-6-30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船舶电气设备及系统 2022-6-30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, 普通不超越普通不超越50。船舶电气设备及系统 2022-6-30课 件轮机学院电气

24、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角船舶电气设备及系统 2022-6-30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船舶电气设备及系统 2022-6-30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一定的负载功率因数下, 为坚持端电压根本不变, 励磁电流If

25、随负载电流I而变化的关系If =f(I)称为调理特性。 4) 同步发电机调理特性同步发电机调理特性 If =f(I)船舶电气设备及系统 2022-6-30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调理特性调理特性船舶电气设备及系统 2022-6-30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P1P1，而经过电磁感应作用，

26、转换为定子上，而经过电磁感应作用，转换为定子上的电磁功率的电磁功率PePe。)(1sFemepppPPPmPm为机械损耗；为机械损耗；pFepFe为定子铁损耗；为定子铁损耗；pSpS为附加损耗。为附加损耗。 船舶电气设备及系统 2022-6-30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)(船舶电气设备及系统 2022-6-30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aaecueRI

27、PPPP223PCUPCU定子绕组的铜损耗，定子绕组的铜损耗，P2P2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RaRa很小，假设不计很小，假设不计RaRa影响影响 MPP 2船舶电气设备及系统 2022-6-30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RaRa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船舶电气设备及系统 2022-6-30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UIcosP

28、Pe32)(3)(32sinsincoscosUIUIcosPPeUsinXIqqUcosEXI0ddsinIIdcosIIq船舶电气设备及系统 2022-6-30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根本电磁功率根本电磁功率 2)11(3212sinXXqUPde附加电磁功率附加电磁功率 sinIIdcosIIqUsinXIqqUcosEXI0dd船舶电气设备及系统 2022-6

29、-30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根本电磁功率根本电磁功率 2)11(3212sinXXUPdqe附加电磁功率附加电磁功率 ePeP船舶电气设备及系统 2022-6-30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Xd=Xq=XSXd=Xq=XS，故有，故有PePe0 0，那么，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PePe为：为：seXUEPsin300900PePemax1800船舶电气设备及系统

30、2022-6-30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)、一样步发电机单机运转时的特点、一样步发电机单机运转时的特点发电机输出的有功和无功功率完全决议于负载。首发电机输出的有功和无功功率完全决议于负载。首先是负载先发生变化，然后引起发电机的有功功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。率和无功功率的变化。用电负载不变，人为的改动原动机的输入加大或用电负载不变，人为的改动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；关小油门，将使转速和频率发生相应的变化；而人为的改动发电机的励磁电流，将使发电机的而人为的改动发电机的励磁电流，将使发电

31、机的输出电压发生相应的变化。输出电压发生相应的变化。有功负载的变化可以引起发电机的频率的变化，变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；无功负载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，变化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有的程度与发电机外特性或自动调压系统的特性有关。关。 船舶电气设备及系统 2022-6-30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, 经经过改动发电机的输入机过改动发电机的输入机械功率械功率,来改

32、动发电机输来改动发电机输出的有功功率。出的有功功率。 假设经假设经过调理发电机已输出有过调理发电机已输出有功功率为功功率为: 7) 有功功率的调理有功功率的调理PUI 3cos船舶电气设备及系统 2022-6-30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假设忽略电枢电阻，发电机的电磁功率假设忽略电枢电阻，发电机的电磁功率Pe=P 。PPUEXes 30sin当励磁电流坚持不变时，上式中除功率角当励磁电流坚持不变时，上式中除功率角外均为外均为不变的常数。在有功功率的调理中功率角不变的常数。在有功功率的调理中功率角起着自起着自动平衡的调理作用。动平衡的调理作用。船舶电气设备及系统

33、 2022-6-30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类似。曲线与功角特性曲线类似。并联运转同步发电机应设逆功维护。并联运转同步发电机应设逆功维护。船舶电气设备及系统 2022-6-30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) 无功功率的调理调理励磁电流可改动并联发电机输出的无功功率调理励磁电流可改动并联发电机输出的

34、无功功率Q。U0EISXU0E0U船舶电气设备及系统 2022-6-30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添加励磁电流当添加励磁电流(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船舶电气设备及系统 2022-6-30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

35、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。发电机输出超前的无功功率。率。U0EISXUIEUjXUjXss.0UUItxI j0E01E1I1txjI102E2ItxjI2203E3ItxI j33同步发电机不同运转方式时的相量图同步发电机不同运转方式时的相量图船舶电气设备及系统 2022-6-30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、转子构造和同步发电机一样，转子也有隐同步电动机定、转子构造和同步发电机一样，转子也有隐极式和凸极式两种，转子上除了嵌放

36、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，还安装有协助起动用的笼型绕组阻尼绕组，普通中小同步电有协助起动用的笼型绕组阻尼绕组，普通中小同步电动机多采用凸极构造。动机多采用凸极构造。 4.3.1 4.3.1 同步电动机的根本原理同步电动机的根本原理 同步电动机是由三相电枢绕组经过三相对称电流而产生的同步电动机是由三相电枢绕组经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，经过定、转子电磁关系转换为机械转矩。功功率，经过定、转子电磁关系转换为机械转矩。 船舶电气设备及系统 2022-6-30课

37、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同步电机由发电形状到电动形状过程表示图同步电机由发电形状到电动形状过程表示图发电机发电机补偿机补偿机电动机电动机 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转转形形状状船舶电气设备及系统 2022-6-30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4.3.2 4.3.2 同步电动机的相量同步电动机的相量 U0EISXUsaXIjUE.0.同步发动机电

38、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船舶电气设备及系统 2022-6-30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船舶电气设备及系统 2022-6-30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，

39、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。普通普通 ，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船舶电气设备及系统 2022-6-30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)(3eeDdqDdDdDDqDdqDDePPsinXXUsinXUEsinXUcosEUcosXU

40、sinUsinUIcosUIsinsincoscosUIP)(3)(32DDeUIcosUIcosPPDD船舶电气设备及系统 2022-6-30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4.3.3 4.3.3 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动；与同步转速一样。转速不随负载的变化而改动；与同步转速一样。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。船舶电气设备及系统 2022-6-30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理以隐极电

41、机为例功率因数可以调理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UPIDcoscosUIP DdmsinXUEP03常数UPXsinEmdD30船舶电气设备及系统 2022-6-30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形状，电流超前于电压，相当同步电动机处于过激形状，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船舶电气设备及系统 2022-6-30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

42、动机处于正常励磁形状，电流与电压同相，同步电动机处于正常励磁形状，电流与电压同相，相当于纯电阻性负载。相当于纯电阻性负载。 .DI0.E.UsaXIj.ABCD常数UPIDcos常数UPXsinEmdD30船舶电气设备及系统 2022-6-30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形状，电流滞后于电压，相当同步电动机处于欠激形状，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船舶电气设备及系统 2022-6-30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

43、 调理同步电动机励磁从欠激到过激，电流相量调理同步电动机励磁从欠激到过激，电流相量的端点一直沿着的端点一直沿着AB线，电动势相量的端点一直沿着线，电动势相量的端点一直沿着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。 经过调理同步电动机励磁电流，可调理无功电经过调理同步电动机励磁电流，可调理无功电流和功率因数。流和功率因数。 船舶电气设备及系统 2022-6-30课 件轮机学院电气及自动

44、化教研室轮机学院电气及自动化教研室三一样步电动机的三一样步电动机的V形曲线形曲线 在坚持电压在坚持电压U和负载和负载TL不变的条件下不变的条件下,电枢电枢电流电流ID与励磁电流与励磁电流If之之间的关系曲线间的关系曲线,即即ID= (If)；不同的负载对应相应的不同的负载对应相应的曲线。曲线。V形曲线可经过形曲线可经过实验测得。实验测得。不稳定区不稳定区PM=0.5PNPM=PN(容性容性)(感性感性)船舶电气设备及系统 2022-6-30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4.3.4 4.3.4 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

45、变压器、异步电动机都是感性负载，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，除了运用电容器进展无功功率补偿外，有损功率，除了运用电容器进展无功功率补偿外，有条件尽量运用同步电动机，使其处于过激形状，进条件尽量运用同步电动机，使其处于过激形状，进展无功补偿，使线路的功率因数展无功补偿，使线路的功率因数cos1。 轴上不带任何负载公用于改善功率因数的同步轴上不带任何负载公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。船舶电气设备及系统 2022-6-30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4.3.5 4.3.5

46、 同步电动机起动同步电动机起动 同步电动机不能产生起动转矩，必需经过同步电动机不能产生起动转矩，必需经过其他辅助方法，使其拉入同步进展起动，这是其他辅助方法，使其拉入同步进展起动，这是由于转子有转动惯量，合闸瞬间，转子磁极极由于转子有转动惯量，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 船舶电气设备及系统 2022-6-30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

47、合闸瞬间，转子合闸瞬间，转子( (曾经曾经加励磁加励磁) )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。船舶电气设备及系统 2022-6-30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速旋转

48、，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，那么转子上遭到的平均转矩为上遭到的平均转矩为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缘由是：概括一下同步电动机没有启动转矩的缘由是：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。船舶电气设备及系统 2022-6-30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陷是没同步电动机的缺陷是没有自起动才干。同步电有自起动才

49、干。同步电动机必需靠外力或辅助动机必需靠外力或辅助设备起动。目前仍被广设备起动。目前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。而变频起动步起动法。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运用。统运用。起动起动正常运转正常运转船舶电气设备及系统 2022-6-30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4.3.6 4.3.6 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，由于它没有电刷安装、滑环，成为无刷同步电动机。它没有电刷安装、滑环，成为无刷同步