船舶电气设备及系统-大连海事大学 第04章 同步电机课件

第4章同步电机

§4.1三相交流同步电机的基本结构、工作原理及铭牌数据§4.2三相交流同步发电机运行特性§4.3同步电动机4.1.1三相交流同步电机的基本结构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

以转子绕组形式分类，有旋转电枢式和旋转磁极式。

旋转磁极式同步电动机

转子部分

转子磁极有两种结构形式

隐极式

凸极式（也称显极式）

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、他励的图5-3自励同步发电机

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其瞬时值为：

空载电动势的有效值为

式中o为每极下的总磁通.空载电动势的频率f与转子的转速n和磁极对数p成正比,即由以上两式可得Ke为电势常数额定容量，连接方式,线电压,额定频率，磁极对数,额定转速,采用绝缘等级,冷却方式,设计标准环境温度等。4.1.3铭牌数据

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E0与励磁电流的关系曲线称为同步发电机空载特性曲线E0=f（If）或称开路特性曲线。

Er：剩磁电压（在额定转速下使If=0时所测得的电枢开路电压）。§4.2三相交流同步发电机运行特性当同步发电机接通负载时,三相电枢绕组的三相电流将产生旋转磁场a,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电枢反应。4.2.2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转磁场。电枢反应效应与负载性质有关。b)时间矢量图c)时-空统一矢量图直轴(DirectAxis

)：与主磁场同轴。交轴(QuadratureAxis

)：与主磁场相交的轴。直轴D轴交轴Q轴d)气隙合成磁场与主磁场的相对位置时-空统一矢量图直轴D轴交轴Q轴

直轴增磁电枢反应：电枢磁场a与磁极磁场o在同一轴线上,且方向相同,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90的电枢反应o直轴D轴交轴Q轴时-空统一矢量图a)滞后于时的空间矢量图4）通常情况下,与不同相一般电感性负载的电枢反应既有去磁效应又有交磁效应。b)滞后时的时-空统一矢量图一般电感性负载的电枢反应既有去磁效应又有交磁效应。正弦电动势e0、ea和e是分别由转子旋转磁通0、电枢旋转磁通a和电枢绕组漏磁通产生的.Ra是电枢绕组的电阻.其电压平衡方程式为电压平衡方程相量分别表示为

X=E/I称为电枢漏电抗;Xa=Ea/I称为电枢反应电抗。相量分别表示为

和电枢电路的相量电压方程可写为通常Ra<<Xs,可忽略,最常用的简化电压方程为

同步电抗Xs=Xa+X,同步阻抗Zs=Ra+jXs.二、凸极同步发电机1、双反应理论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电枢反应分别来处理的方法，就称为双反应理论。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，故直轴下气隙磁阻要比交轴下气隙磁阻小许多。2、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关系：称为电枢漏电抗相量分别表示为

因为

式中，Xd和Xq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交轴电枢反应的一个综合参数。上式相对应的相量图功率角功率因数角内功率因数角3、直轴和交轴同步电抗的意义由于电抗与绕组匝数的平方成正比与所经磁路的磁阻成反比，所以如图所示。对于凸极电机，由于直轴下的气隙较交轴下小，Rq>Rd，所以Xad>Xaq，因此在凸极同步电机中，Xd>Xq。对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故Xd≈Xq≈Xs

凸极同步电机电枢反磁通及所经磁路及磁导直轴电枢磁导交轴电枢磁导4.2.4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：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外特性同步发电机的调整特性同步发电机的功角特性空载特性可以用空载试验测出。试验时，电枢开路(空载)，用原动机把被试同步电机拖动到同步转速，改变励磁电流If，并记取相应的电枢端电压U0(空载时即等于E0，直到U0≈1.25UN左右，可得空载特性曲线1）同步发电机的空载特性同步电机的空载特性2）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同步转速，调节励磁电流If使电枢电流I从零起一直增加到1.2IN左右，便可得到短路特性曲线，如图所示。短路实验接线图短路特性同步发电机的外特性是指在转速额定值nN下运行，励磁电流If不变，负载功率因数一定时，发电机端电压和负载电流的关系，即U＝f(Ia)

3)

同步发电机的外特性U=f(I)cosΦ=0.8滞后cosΦ=1cosΦ=0.8超前外特性电压变化率同步发电机在cosΦ=0.8(滞后)的负载时,其电压变化率约为20~40％,一般不超过50％。不同负载相量图（根据电压方程做相量图）a.电感性负载的简化相量图相量E0和U之间的相位差角θ称为功率角c.电容性负载的简化相量图

b.电阻性负载的简化相量图

同步发电机在额定转速和一定的负载功率因数下,为保持端电压基本不变,励磁电流If随负载电流I而变化的关系If=f(I)称为调节特性。

4)同步发电机调节特性If=f(I)cosΦ=0.8滞后cosΦ=1cosΦ=0.8超前调节特性5）三相交流同步发电机的功角特性1)功率特性

同步发电机由原动机拖动，输入给发电机的功率为P1，而通过电磁感应作用，转换为定子上的电磁功率Pe。Pm为机械损耗；pFe为定子铁损耗；pS为附加损耗。

输入功率P1机械损耗pΩ附加损耗pS铁损pFe电磁功率Pe定子铜损pcu输出功率P2PCU定子绕组的铜损耗，P2发电机输出功率定子电枢绕组Ra很小，若不计Ra影响凸极式同步发电机简化相量图凸极式同步发电机在磁路未饱和且不计电枢绕组电阻Ra时的相量图内功率因数角功率角基本电磁功率

附加电磁功率

δPe18000900Pemax基本电磁功率

附加电磁功率

由于隐极式同步发电机气隙均匀，即Xd=Xq=XS，故有Pe″＝0，那么，隐极式同步发电机的电磁功率Pe为：0δ900PePemax18006)、相同步发电机单机运行时的特点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功率和无功功率的变化。用电负载不变，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；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。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关。当发电机投入电网后,通过改变发电机的输入机械功率,来改变发电机输出的有功功率。假设经过调节发电机已输出有功功率为:7)有功功率的调节若忽略电枢电阻，发电机的电磁功率Pe=P。当励磁电流保持不变时，上式中除功率角θ外均为不变的常数。在有功功率的调节中功率角θ起着自动平衡的调节作用。电磁转矩与电磁功率成正比,即发电机的有功功率随功率角的变化关系P=f(θ),称为功角特性。矩角特性T=f(θ)曲线与功角特性曲线相似。并联运行同步发电机应设逆功保护。

8)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Q。当增加励磁电流(过励磁)使E0>U,发电机与电网之间出现了电压差和引起了电枢电流。根据电压方程在相位上电流I总是落后于同步感抗压降U900。发电机输出落后无功功率。减少励磁电流(欠励磁)使E0<U，电流I落后于U900而超前于电压U900。发电机输出超前的无功功率。φ1φ2φ3同步发电机不同运行方式时的相量图§4.3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），一般中小同步电动机多采用凸极结构。4.3.1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。n1S2N2S1N1n1S1N1n1n1S2N2S2N2S1N1n1n1同步电机由发电状态到电动状态过程示意图发电机补偿机电动机NNoNoNoNNSoSoSSSSo主极主极发电机补偿机电动机同步电机的三种运行状态4.3.2同步电动机的相量

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。习惯上，总是将电动机看成是电网的负载。同步电动机电压方程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，在计算电动机功率时，功角用负值带入发电机功率公式。一般，隐极式同步电机不存在附加电磁功率。4.3.3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。同步电动机的主要特点是：旋转磁场拉着转子磁极以同步转速旋转。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：ABCD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。同步电动机处于正常励磁状态，电流与电压同相，相当于纯电阻性负载。ABCDABCD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。调节同步电动机励磁从欠激到过激，电流相量的端点始终沿着AB线，电动势相量的端点始终沿着CD线变化。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。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。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。

三相同步电动机的V形曲线在保持电压U和负载TL不变的条件下,电枢电流ID与励磁电流If之间的关系曲线,即ID=(If)；不同的负载对应相应的曲线。V形曲线可通过试验测得。不稳定区PM=0.5PNPM=PN(容性)(感性)4.3.4同步补尝机

由于电网上变压器、异步电动机都是感性负载，且功率因数cosφ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cosφ＝1。轴上不带任何负载专用于改善功率因数的同步电机称为同步补偿机。4.3.5同步电动机起动

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NSNSTn1(a)逆时针NSSNTn1(b)顺时针合闸瞬间，转子(已经加励磁)处于(a)所示的位置，此时，电磁转矩T倾向于使转子逆时钟转动；在另一个瞬间(b所示)，定子磁场已转过180度，而转子由于机械惯性尚未启动，电磁转矩T倾向于使转子顺时钟转动。NSNSTn1(a)逆时针NSSNTn1(b)顺时针由于定子磁场以同步速旋转，作用于转子上的力矩随时间变化(f=50Hz)，那么转子上受到的平均转矩为0。因此同步电动机是不能自行起动的。概括一下同步电动机没有启动转矩的原因是：（1）定、转子磁场之间相对运动速度很快；（2）转子本身转动惯量的存在。同步电动机的缺点是没有自起动能力。同步电动机必须靠外力或辅助设备起动。目前仍被广泛采用的起动方法是异步起动法。而变频起动方法，是对于有调速要求的同步电动机拖动系统使用。起动正常运行4.3.6其他类型同步电动机

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原理，电压平衡方程，功角特性和矩角特性都一样，只是把有刷变为无刷，用永磁体作磁极。但永磁式同步电