第一节同步发电机

第一节同步发电机第一页，共三十八页，编辑于2023年，星期四同步电机1三相交流同步电机的基本结构、工作原理及铭牌数据1.1三相交流同步电机的基本结构1.2三相交流同步发电机的基本工作原理1.3铭牌数据2三相交流同步发电机运行特性2.1同步发电机空载运行特性2.2同步发电机对称负载运行2.3三相交流同步发电机电压平衡方程和相量图2.4三相交流同步发电机的外特性及调节特性2主要内容：同步发电机的主要结构、工作特点、运行特性和运行特点；

第二页，共三十八页，编辑于2023年，星期四3同步发电机同步电机第三页，共三十八页，编辑于2023年，星期四船舶柴油发动机组柴油原动机同步发电机第四页，共三十八页，编辑于2023年，星期四1三相交流同步电机的基本结构、工作原理及铭牌数据旋转磁极式：定子为三相绕组，转子为直流磁极5三相交流同步发电机的类型*旋转电枢式：转子为三相绕组，定子为直流磁极本章介绍只作励磁发电机应用第五页，共三十八页，编辑于2023年，星期四定子铁心：构成磁路、嵌放绕组61.1三相交流同步电机的基本结构1定子部分特点定子三相绕组只作Y联接定子绕组：三相对称绕组（分布绕组），输出三相交流电压机座，接线盒，等构成第六页，共三十八页，编辑于2023年，星期四U1U2V1V2W1W2L1L1L2L2L3L3同步发电机的定子三相绕组L1L2L3第七页，共三十八页，编辑于2023年，星期四隐极式：极对数较少，适用于高速（汽轮原动机等）81.1三相交流同步电机的基本结构2转子部分在外加直流励磁电流作用下，产生转子磁场作用分类凸极式：极对数较多，适用于低速（水轮、低中速柴油机等）构成转子铁心，励磁绕组，转轴，滑环等第八页，共三十八页，编辑于2023年，星期四910000kW水轮机转子三相交流同步电机的转子凸极式转子第九页，共三十八页，编辑于2023年，星期四10三相交流同步电机的转子隐极式转子第十页，共三十八页，编辑于2023年，星期四11转轴滑环碳刷直流励磁电压通过碳刷与滑环的滑动接触，接入转子励磁绕组三相交流同步电机的转子第十一页，共三十八页，编辑于2023年，星期四Φx02ππ1.2三相交流同步发电机的基本工作原理定转子之间的气隙与磁通关系第十二页，共三十八页，编辑于2023年，星期四1.2三相交流同步发电机的基本工作原理三相感应电势瞬时值为：13转子旋转磁场外力矩（机械能）直流励磁电压三相感应电势输出电压（电能）“切割”定子绕组每相感应电动势的有效值为：

第十三页，共三十八页，编辑于2023年，星期四ωt1.2三相交流同步发电机的基本工作原理三相交流电压的产生U1U2V1V2W1W2euevuωt0euevewωt=0：ωt=90º：ωt=150º：ωt=210º：eu=0，ev＜0，ew＞0eu＞0，ev＞0，ew=－Eeu＜0，ev=E，ew＜0eu=E，ev＜0，ew＜0U1U2V1V2W1W2第十四页，共三十八页，编辑于2023年，星期四定子绕组中三相感应电动势的讨论每相感应电动势的有效值为：

式中：f—频率，取决于同步发电机转子的转速n和磁极对数p，f=np/60N—每相绕组的总的串联匝数；Φ0—每极基波磁通，单位为韦伯（Wb）；kW—电枢绕组分布系数，kW<1；E0是由转子磁极的主磁通Φ0切割电枢绕

组而产生，故称为空载电势。发电机在制定后，

p、N、kW均为定值，用表示，则每相空载电动势可写成：

即：空载电动势E0的幅值与主磁通Φ0和转速n有关。15第十五页，共三十八页，编辑于2023年，星期四额定容量SN（VA，kVA，MVA）或额定功率PN（W，kW，MW）；额定电压UN（V，kV）：输出端的线电压；额定电流IN（A）：额定运行时定子输出端的线电流；额定功率因数cosφ

N：额定运行时电机的功率因数；额定频率fN（Hz）：电机电枢输出端电能的频率，我国标准工频为50Hz；额定转速nN（r/min）：额定运行时电机的转速即同步转速；绝缘等级：电机的绝缘材料的等级，船用一般为E级以上；励磁电压UfN：额定负载时，所加励磁电压；励磁电流IfN：额定负载时所加励磁电流等。161.2三相交流同步发电机的铭牌数据第十六页，共三十八页，编辑于2023年，星期四空载特性：空载电动势E0（定子绕组输出端电压）与励磁

电流If的关系,即2三相交流同步发电机运行特性空载运行：外力矩带动转子以额定转速旋转，n=nN

，定子

三相绕组输出端开路（负载电流IL=0）17If–线性→Ff（=NIf）–磁化曲线→Φ0–线性→E0（=keΦ0n）2.1同步发电机空载运行特性空载特性的获取：可通过实验方法测得空载特性的特征：为磁化曲线空载特性的作用：是发电机自励恒压装置设计的依据E0

=f(If)∣(n＝额定值)(IL=0)第十七页，共三十八页，编辑于2023年，星期四18If–线性→Ff（=NIf）–磁化曲线→Φ0–线性→E0（=keΦ0n）E0=f（If）2.1同步发电机空载运行特性第十八页，共三十八页，编辑于2023年，星期四2.2同步发电机负载运行

19定子三相绕组中的负载电流产生定子旋转磁场Φa，称为电枢磁场，其转速n1为：Φa与转子旋转磁场Φ0极对数相同，转速相同，且转向也相同，为同步旋转负载运行：输出端接三相对称负载ZL，定子绕组中有三相对称电流IL流过转子旋转磁场Φ0外力矩（机械能）直流励磁电压三相感应电势三相对称电流IL定子绕组三相对称负载定子旋转磁场Φa2三相交流同步发电机运行特性第十九页，共三十八页，编辑于2023年，星期四2.2同步发电机负载运行

20负载的性质cosφ和大小决定了Φa

与Φ0

相对夹角，从而决定了电枢反应的结果。电枢反应的存在将使气隙合成磁场改变同步发电机负载运行时的电枢反应

电枢反应：定子电枢磁场Φa对转子励磁磁场Φ0的影响转子旋转磁场Φ0外力矩（机械能）直流励磁电压三相感应电势三相对称电流IL定子绕组三相对称负载定子旋转磁场Φa电枢反应第二十页，共三十八页，编辑于2023年，星期四U1U2W1W2V1V2同步发电机负载运行时的电枢磁势与主磁极磁势的夹角21电枢磁场Fa的磁轴总与三相绕组中最大项电流的绕组的轴线Au重合；结论：转子主磁极磁势Ff与电枢磁势Fa之间夹角为：Ψ+90°U1U2W1W2V1V2主磁极磁场的轴线Ff超前于三相绕组中最大项感应电势的绕组轴线Au90°FfAuFaAu设：空载电势E0与负载电流Ia之间的夹角为内功角ΨE0UIaUΨE0UIaUFf→E0→Ia→Fa合成磁势Fδ=

Ff+Fa第二十一页，共三十八页，编辑于2023年，星期四Ia与E0同相位，Fa滞后Ff90º，为交轴电枢反应22结果：气隙的合成磁场发生畸变NSFfFaU1U2n磁场削弱磁场增强磁场削弱磁场增强FfFa1.Ψ=0时的电枢反应同步发电机负载运行时的电枢反应

第二十二页，共三十八页，编辑于2023年，星期四NSFfFaU1U2SNFfFaU1U22Ψ=90º时电枢反应3Ψ=－90º时电枢反应Ia落后E090º，Fa与Ff轴线重合，且反向为直轴去磁电枢反应Ia超前E090º，Fa与Ff轴线重合，且同向。为直轴增磁电枢反应23同步发电机负载运行时的电枢反应

第二十三页，共三十八页，编辑于2023年，星期四U1U240<Ψ<90º时电枢反应NSFfFaFadFaqIa滞后E0一个锐角Iaq→Faq→交轴电枢反应

→畸变Iap→Fad→

直轴电枢反应→

去磁Ia↗↘Iap为有功分量Iaq为无功分量发电机带电感性负载时，其电枢反应即有直轴去磁电枢反应，又有交轴电枢反应。结论24同步发电机负载运行时的电枢反应

第二十四页，共三十八页，编辑于2023年，星期四为交轴电枢反应，结果：气隙的合成磁场发生畸变1Ψ=0时的电枢反应2Ψ=90º时电枢反应为直轴去磁电枢反应，结果：气隙的合成磁场削弱3Ψ=－90º时电枢反应为直轴增磁电枢反应，结果：气隙的合成磁场增强40<Ψ<90º时电枢反应发电机带电感性负载（实际负载）结果：有交轴电枢反应，磁场畸变；有直轴去磁电枢反应，磁场削弱，电枢感应电势下降25同步发电机负载运行时的电枢反应

总结第二十五页，共三十八页，编辑于2023年，星期四定子三相绕组（电枢），取一相进行分析定子绕组中电动势及电压Ff→

E0Fδ→U（输出端电压）电压平衡方程式E0

+Ea

+Eσ=U+IaRa

E0

=U

+IaRa

－

Ea

－

Eσ漏磁通→Eσ=－jIaXσ

Fa→Ea

Ea=－jIaXa

=U+IaRa

+jIa（Xa

+Xσ

）XS=Xa+Xσ

：称为发电机的同步电抗，表征同步发电机电枢旋转磁场总效应的一个参数。=U+IaRa

+jIaXs

电枢绕组电阻压降IaRa262.3三相交流同步发电机电压平衡方程和相量图=U+IaRa

+jIaXa

+jIaXσ

第二十六页，共三十八页，编辑于2023年，星期四E0IaIaRajIaXsUΨθ等效电路及相量图E0=U+IaRa

+jIaXs

RaXsE0UIa电压平衡方程等效电路相量图27φ2.3三相交流同步发电机电压平衡方程和相量图第二十七页，共三十八页，编辑于2023年，星期四E0IaIaRajIaXsUΨθ相量图28φabcdE02=(U+a+c

)2+d2空载电势E0的计算（1）2.3三相交流同步发电机电压平衡方程和相量图第二十八页，共三十八页，编辑于2023年，星期四E0IaIaRajIaXsUΨθ相量图29φabcdE02=(Ucosφ+IaRa)2+

(Usinφ+IaXs

)

2空载电势E0的计算（2）E02=(a+b

)2+(

c+d)22.3三相交流同步发电机电压平衡方程和相量图第二十九页，共三十八页，编辑于2023年，星期四

感性负载电阻性负载电容性负载

同步发电机不同性质负载下的简化相量图

XsE0UIaE0=U+jIaXs

E0=U+IaRa

+jIaXs

忽略Ra，得E0IajIaXsUφE0IajIaXsUφ=0E0IajIaXsUφ＜030第三十页，共三十八页，编辑于2023年，星期四1同步发电机的外特性容性负载：为增磁的电枢反应，E0＜UNUI0UNINcosφ=1cosφ＜1(滞后)cosφ＜1(超前)感性负载：为去磁的电枢反应，E0＞UN定义：n＝nN

If=常数cosφ=常数U＝f（Ia）特点：电压的变化与电枢绕组电阻的压降漏电抗压降负载电流的大小负载电流性质均有关312.4三相交流同步发电机的外特性及调节特性第三十一页，共三十八页，编辑于2023年，星期四同步发电机的电压调整率ΔU%：电机机带额定负载（IaN、cosφN），且If、n为额定值，此时U=UN，而E0为空载时输出端电压定义：同步发电机带感性负载cosφN=0.8时，凸极式发电机ΔU%=（18～30）%，隐极式发电机同步电抗较大，ΔU%=（30～48）%。船舶电站要求静态电压调整率在±2.5%以内。322.4三相交流同步发电机的外特性及调节特性第三十二页，共三十八页，编辑于2023年，星期四IfI0If0INcosφ=1cosφ＜1(超前)cosφ＜1(滞后)2同步发电机的调节特性定义：n＝nNU=UNcosφ=常数If＝f（Ia）特点：为保持输出电压不变随着负载电流的变化励磁电流必须作相应的调节感性负载：为去磁电枢反应Ia↑→I

f↑容性负载：为增磁电枢反应Ia↑→I

f↓332.4三相交流同步发电机的外特性及调节特性第三十三页，共三十八页，编辑于2023年，星期四UI0UNINcosφ=1cosφ＜1(滞后)cosφ＜1(超前)IfI0If0INcosφ=1cosφ＜1(超前)cosφ＜1(滞后)同步发电机的外特性和调节特性综合分析当发电机带感性负载运行时，随着电流增大，输出端电压将下降；结论当发电机带感性负载运行时，随着电流增大，为保持电压不变，则必须增大励磁电流34外特性调节特性2.4三相交流同步发电机的外特性及调节特性第三十四页，共三十八页，编辑于2023年，星期四35同步发电机的功率平衡关系式P2≈PMP1－转子吸收的机械功率pm

－机械损耗pFe－铁损（铁心的磁滞和涡流损耗）ps

－附加损耗

PM－从转子传输到定子的电磁功率pCu－铜损（定子绕组损耗）P2－输出电功率2.5三相交流同步发电机的功角特性第三十五页，共三十八页，编辑于2023年，星期四定义：电磁功率PM（输出功率）与功率角θ的关系1）功角特性感性负载相量图φE0IajIaXsUθφaP2=f(θ)P2=3UIacos

φa=E0sinθ=IaXs

cosφ

P2=3E0UsinθXs

当电网电压、频率f、E0恒定时，同步发电机的电磁功率PM只取决于E0与U之间的相位角θ，即主磁极磁场Ff与气隙合成磁场Fδ之间的夹角。362.5三相交流同步发电机的功角特性第三十六页，共三十八页