船舶电机与拖动 第2版 课件 5 同步电机

第五章同步电机

主要内容1三相交流同步发电机的构造与工作原理2同步发电机的空载运行及空载特性3同步发电机的负载运行及电枢反应4同步发电机的外特性及调节特性5同步电动机机

1．三相交流同步发电机的构造同步电机由定子和转子两大部分组成。定子铁心、转子铁心和定、转子间的气隙构成同步电机的磁路。以转子绕组形式分类，有旋转电枢式和旋转磁极式。索引第一节三相交流同步发电机的构造与工作原理

三相交流同步发电机结构原理

转枢式结构与转极式结构：

三相交流同步发电机结构原理（1）

定子：转极式同步发电机的定子为电枢，主要由定子铁心和电枢绕组组成。与普通异步电动机的定子铁心和绕组没有本质上的区别。同步发电机三相电枢绕组通常接成Y连接，其目的是为了减少三次谐波电流产生的额外损耗。

三相交流同步发电机结构原理

（2）转子转极式同步发电机的转子磁极有两种形式：凸极式和隐极式。凸极式机制造简单，但其不气隙均匀，性能较差；隐极式机气隙均匀，但工艺麻烦。

凸极式机适用于额定转速较低的场合，常用于船用同步发电机。隐极式机则适用于额定转速较高的场合。2．三相交流同步发电机的工作原理

当同步发电机的转子在原动机的拖动下达到同步转速n0时，由于转子绕组是由直流电流If励磁，所以转子绕组在气隙中所建立的磁场相对于定子来说是一个与转子旋转方向相同，转速大小相等的旋转磁场。该磁场切割定子上开路的三相对称绕组，在三相对称绕组中产生三相对称空载感应电动势E0。若改变励磁电流的大小则可相应地改变感应电动势的大小，此时同步发电机处于空载运行。

空载电动势与主磁通和转速的变化有关3．三相交流同步发电机的励磁方式

有：自励和他励船舶同步发电机常采用无刷同步发电机，实际上是由一台转极式(主发电机)和一台转枢式(励磁机)同轴安装组合而成的。运行时，调节励磁机励磁电流，可改变励磁机在转子的电枢电枢绕组的电压，经过旋转整流器，就可改变主发电机在转子的励磁电流。旋转电枢旋转磁极阻尼绕组有些磁极铁心顶面圆周槽内还嵌放短路的鼠笼条，称为阻尼绕组。阻尼绕组对暂态过程中可能引起的转子振荡起阻尼作用，有增强同步发电机并联运行的稳定性、抑制柴油机的谐波转矩和加大自整步力矩等作用，同时它也能提高发电机承担不对称负载的能力。对于同步电动机阻尼绕组也是作为异步起动的“起动绕组”。4．三相交流同步发电机的铭牌参数额定值主要有：①.额定功率PN，指发电机输出的额定有功功率。②.额定电压UN，额定运行时发电机输出端的线电压。③.额定电流IN，额定运行时定子输出端的线电流。④.额定功率因数cosφN，⑤.额定效率ηN，⑥.额定频率fN。

SN为额定视载功率，单位为kVA，通常用于发电机；PN为额定有功功率，通常用于电动机。此外，与其他电机一样，还有额定励磁电压、电流，额定温升，绝缘等级（E级以上)等。第二节同步发电机的空载运行及空载特性

1、自励起压：当发电机组启动时,发电机定子绕组将感生剩磁电压Er，Er加在自励回路上,经过整流，在发电机励磁绕组L中产生一定的励磁电流IL1；IL1将在转子中产生对应的磁通,这一磁通在发电机定子绕组中感生更大的电压U1；通过自励回路又在L中产生IL2，IL2又感生更高的电压U2……。如此循环，构成正反馈，逐渐提高发电机的空载电压，最后到达稳定点A,此时发电机电压即为空载电压U0。空载特性自励回路理想励磁特性

2、自励起压必须具备下列条件（1）发电机必须有足够的剩磁,这是自励的必要条件。新造的发电机无剩磁,长期不运行的发电机剩磁也会消失,这时可用其他直流电源进行充磁，注意直流电源充磁的磁场要与原剩磁一致。（2）要使自励过程构成正反馈,由剩磁电势所产生的电流建立的励磁磁势必须与剩磁方向相同。所以整流装置直流侧的极性与励磁绕组所要求的极性必须一致。（3）适当整定励磁回路阻抗，使励磁特性与空载特性配合恰当，获得空载电压Uo。3.自励起压存在的实际问题及措施(1)提高发电机的剩磁电压。即给励磁回路充磁,当发电机靠本身建压失败时,按下主配电板发电机控制屏上充磁按钮,临时充磁来提高剩磁电压,从而实现起压。(2)降低伏安特性。实际工作中采取措施减少碳刷与滑环的接触电阻，以降低励磁回路电阻，使得剩磁产生的电压能够产生足够的电流以进一步提高电压。(3)利用复励电流帮助起压。在起压时临时短接一下主电路,利用短路产生的复励电流帮助起压；或利用升压变压器来向励磁回路供电起压。这两种方法,电压一旦建立应立即切除升压变压器或打开主电路，但操作不容易，实际上很少使用。4．空载运行与空载特性分析

空载特性：为了保持频率恒定，同步发电机的转速n应保持额定转速不变，且n=n1=nN=60fN/p。因此，E0只与励磁电流If产生的空载磁通Φ0有关。

E0与If的关系曲线称为同步发电机的空载特性。由于E0正比Φ0=B/S，If=Hl/N。∴空载特性的实质是磁路的B-H曲线(磁化曲线)。反映饱和程度的参数是饱和系数Kf（不饱和/饱和）。自励回路理想励磁特性空载特性1、运行特点：电枢电流为三相交流，产生的磁场与转子同速的旋转磁场(转子与磁场同速为同步)。电枢磁场不仅与主磁极磁场速度相等，且方向相同，两者相对静止，做同步旋转。电枢磁场对气隙磁场的影响为电枢反应。反应的结果相当于：励磁磁场拖着气隙磁场旋转，它们之间存在的夹角θ，与负载功率有关，因此θ称为功率角。索引第三节同步发电机的负载运行及电枢反应2、电枢反应

发电机负载后，电枢绕组电流的相位由负载的性质决定。不同的负载，每相电枢电流与电枢绕组感应的空载电势的相位关系将发生变化，因此电枢反应的结果也不一样。因此，电枢反应的性质决定于发电机所带电负载的性质；电枢反应的大小决定于发电机所带电负载的大小。空载电势与电枢电流的夹角ψ称为内功率因数角。根据ψ的不同，有三种典型的电枢反应：①.ψ=0；②.ψ=90°；③.ψ=-90°(I超前)。

相量图：同步电机的相量图常采用时-空相量图或一相电量相量图。时-空相量图是在一相电量相量图的基础上，绘制出磁通相量而成。在时-空相量图中电势相量滞后磁通90°电角度。磁通相量为磁极N极对应方向，交链磁通为0，感应电势最大，因此滞后90°。

（1）

与

同相时的电枢反应

ψ=0时，即纯电阻性时，电枢反应称为交轴电枢反应，结果使发电机电压略有下降。

（2）

超前90°时的电枢反应

纯电感的电枢反应：

ψ=90°时，电枢反应为直轴去磁电枢反应，使发电机电压大为降低。

（3）

落后90°时的电枢反应

纯电容的电枢反应：

ψ=-90°时，电枢反应为直轴增磁电枢反应，使发电机电压不降反升。

（4）实际负载(电感性)时的电枢反应

同步发电机一般情况下所带负载为感性负载，0＜Ψ＜90°，则电枢电流滞后空载电势的角度大于0，小于90°。因此，电枢反应磁场由直轴Фad和交轴Фaq两部分组成。而且Фad是具有去磁性质，也就是说，实际电感性负载的电枢反应既有去磁效应又有交磁效应。为保持端电压不变，负载电流增大时应增加励磁电流。第四节同步发电机的外特性及调节特性

1、外特性外特性表示发电机的转速为同步转速,励磁电流和负载功率因数保持不变时,发电机的端电压(相电压)与电枢电流之间的关系。发电机端电压变化主要原因：①.电枢反应对气隙磁场的影响；②.电枢绕组电阻产生压降。∵不同功率因数，去助磁性质不同，∴曲线各异。索引发电机的电压调整率

凸极同步发电机的通常在18%～30%范围内；隐极同步发电机由于电枢反应较强,通常在30%～48%这一范围内。2、调节特性

保持转子转速n为额定转速nN、负载功率因数cos

等于常数时，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)，称为同步发电机调节特性。调节特性是发电机负载运行时，保证端电压恒定不变的调节依据。船舶同步发电机的静态电压变化率，主发电机为±2．5％，应急发电机为±3．5％。索引3．同步发电机的效率特性4．同步电机的运行方式θ>0），表明转子磁势拖着定子磁势转动，作用于转子上的电磁转矩TM为制动转矩，原动机输入的驱动转矩T1要克服TM做功，将输入的机械能转换为电能输出。电磁转矩TM正比于当PM＝0时,θ也下降为0，轴线与合成磁势轴线重合，电磁转矩为零，电机处于为发电机与电动机之间的临界状态。当θ＜0时，PM＜0，电机从电网吸收有功功率,TM变为驱动转矩，成为电动状态。这时是定子磁势拉着转子磁势以同步转速运行，变成同步电动机。5．三相交流同步发电机无功功率的调节三相同步发电机输出有功为：P=3UIPcos

=3UE0sinθ/Xs

上式说明：在负载和电压都不变时，无功功率发生变化，即负载功率因素变化时，负载电流

会相应变化，以使得

为常数。造成电枢反应会使输出电压变化，此时

需要E0相应变化来确保电压稳定，而E0的调整需要励磁电流If的调节，即调节励磁可以调节无功功率

。特性说明在多台发电机并联运行时，无功均衡分配是非常重要的。如上所述，改变一台的励磁电流，就会调节该台发电机的无功功率，从而改变多台发电机之间无功的分配。如果电机运行在同步电动机状态，同样可以通过调节励磁电流来改变功率因数，甚至可以由感性负载改变成纯阻性负载或容性负载。这在需要调节电网的功率因数时，非常有效，有些场合需要专门的无功补偿电机来向电网提供无功功率。6．三相交流同步发电机有功功率的调节发电机向电网输出有功功率时，同步发电机转子受到一个制动性质的电磁转矩TM作用，原动机除要克服发电机空载损耗转矩T0外，还要克服TM而做功，将机械能转换为电能。当电网电压、频率f、E0恒定时，由于电磁转矩TM正比于

，同步发电机的电磁功率PM也只取决于

和

间相位角θ。

当PM＝0，θ=0，总磁动势与励磁磁动势同相位，发电机对外不输出有功功率P2。

若处于并联运行状态时增加某发电机的励磁电流，使该发电机处于过激状态，就有电流输出，但由于功率为0，所以该发电机只是发出感性无功功率。要使发电机输出有功功率P2，则必须加大原动机输出给发电机的功率P1，使发电机转速升高，使

超前于

一个θ角，则PM>0，发电机开始向电网输出有功功率。此时，同步发电机转速受到一个制动性质的电磁转矩TM的作用，原动机克服TM而做功，将机械能转换为电能。调节任务

有功负载增大时，发电机的电磁转矩增加，为了保持发电机转速(频率)不变，应增加原动机油门以增加输入功率。

无功负载增大时，电枢反应去磁作用增加，为了保持发电机端电压不变，应增加发电机励磁绕组的直流励磁电流。同步发电机调节任务主要有两方面：①.转速调节(输出有功功率调节)；②.励磁调节(输出无功功率调节)。1、调节油门可以调节发电机的频率2、调节励磁电流可以调节发电机的端电压并联运行单机运行1、调节油门可以调节发电机的频率和有功功率2、调节励磁电流可以调节发电机的端电压和无功功率第五节同步电动机

同步电机和其它电机一样是可逆的，既可当发电机用又可当电动机用，当发电机用时，转轴由原动机（汽轮机、柴油机等）驱动，给发电机输入有功功率，定子端输出电功率；做电动机用时，定子接电网，吸收电网的功率