船舶电气设备与系统(PPT 55页).ppt

1、第五章 船舶同步电机,本章概述 同步电机是一种交流电机,它区别另一种交流电机异 步电机的一个重要特征在于它的转速（r/min）与电流频 率（Hz）之间保持着严格的关系，即 式中p为电机的极对数。所以，当同步电机的极对数和 转速一定时，感应电动势的频率也是一定的。 同步电 机和其他电机一样，具有可逆性，可做同步发 电机也可做同步电动机用，还可以做同步补偿机用。但在 船舶上主要是做同步发电机用，对于某些采用电力推进的 船舶，推进电动机大部分采用同步电动机。,第五章 船舶同步电机,本章主要讲解内容 第一节 三相同步发电机的基本类型和结构 第二节 同步发电机的电枢反应 第三节 同步发电机的电势方程和相

2、量图 第四节 同步发电机的运行特性 第五节 同步电动机,第一节 三相同步发电机的基本类型和结构,同步电机与其他电机一样，由定子和转子两大部分 组成。三相同步发电机（转场式）定子与三相异步电机 的相同，主要有嵌放在铁心槽中的三相对称绕组，转子 上装有磁极和励磁绕组，如图5-1三相同步发电机结构 原理图所示。当励磁绕组通以直流电流以后，电机内产 转子磁场，如用原动机带动转子旋转，则转子磁场与三 相定子绕组间有相对运动，就会在三相定子绕组中感应 出交流电势。,返回,图5-1 三相同步发电机结构原理图,返回,一、同步电机的基本结构 1. 同步发电机按其结构可以分为旋转电枢式和旋转磁极 式。 2. 旋转

3、磁极式按照磁极的形状，又可分为凸极式和隐极 式。 图5-2 同步发电机的基本型式,返回,二、同步发电机的基本类型 同步电机按用途分为发电机、电动机和补偿机三种 ；按冷却方式分为空气冷、氢气冷和水冷三种 ；按转子结构分为隐极式和凸极式两种 。 同步发电机按其原动机的种类可分为水轮发电机、汽轮发电机和柴油发电机三种。,同步发电机的基本类型： 按同步发电机定子和转子的结构及作用不同有两种类型，即旋转磁极式和旋转电枢式。 按同步发电机的励磁电源的不同有两种基本类型，即自励的图5-3 自励同步发电机和他励的图5-4 无刷同步发电机。,返回,转子,定子,交流励磁机,发电机,旋转,整流器,图5-4 无刷同步

4、发电机,AVR,返回,三、三相同步发电机额定值 同步发电机和其他电机一样，制造厂将该电机正常运 行的条件，各种规定的数据都印刷在铭牌上。这些数据 称为同步发电机的额定值，也是使用管理电机人员必须 遵守的技术规定。 同步发电机的主要额定值有： 额定容量 SN 或额定功率PN 额定电压 UN 额定电流 IN 额定功率因数 cosN 额定频率 fN 额定转速 nN 额定励磁电压（额定励磁电流）,第二节 同步发电机的电枢反应,三相同步发电机在运行中随着负载的大小、性质的变 化，发电机内部的气隙磁场也在变化，三相同步发电机的 输出电压和电流也随之变化。,返回,一、电枢电流 与空载电势 同相位（即 ）时的

5、 电枢反应 =0时，同步发电机的内功率因数为 ，输 出的负载电流 与空载电势 同相，发电机并不发出无功 功率，将有功功率从发电机输至电网。 具体电枢反应如图5-5。,a）某一瞬间的位置图 b）相量图 c）展开图 图5-5 =0 时的电枢反应,返回,二、电枢电流 滞后于空载电势 900（即=900）时的 电枢反应 =90时，同步发电机的输出负载电流 滞后于空 载电势 90（即 ），发电机发出的有功功率 为零，仅输送感性无功功率至电网。 具体电枢反应如图5-6。,图5-6 =90时的电枢反应,返回,a）U相绕组电势最大时的位置,c）U相绕组电流最大时的位置,b）相量图,d）展开图,三、电枢电流 滞

6、后于空载电势 900（即 =- 900）时 的电枢反应 =-90时，同步发电机的输出负载电流Ia超前于空 载电势 90（ ），发电机发出的有功功率为 零，仅输送容性无功功率至电网 。 具体电枢反应如图5-7。,返回,a）U相绕组电势最大时的位置,c）U相绕组电流最大时的位置,b）相量图,d）展开图,图5-6 = -90时的电枢反应,四、同步发电机实际运行时的电枢反应 1. 实际运行时，同步发电机的内功率因数角可以为- 90到90之间的任意数值，即电枢磁势的轴线和 主磁势的轴线可以有任意的相对位置。与直流电机一 样。此时可以将电枢磁势分解为直轴分量和交轴分 量，直轴分量起去磁作用或增磁作用。 2

7、. 一般090是同步发电机最常见的运行情况， 此时发电机的输出负载电流落后于空载电势角，发电机 将向电网输送一部分有功功率和一部分感性无功功率。,a） b） c） 图5-10 不同性质负载时电枢反应磁场与转子电流的作用 a）=00；b） =900 ；c） =-900,返回,第三节 同步发电机的电势方程和相量图,同步发电机负载运行时，气隙中存在两个旋转磁场， 即电枢磁场和主极磁场。这两个磁场各自在定子绕组中感 应电势，这些电势的总和减去定子漏阻抗压降后，就可得 到发电机的端电压。,返回,一、凸极式同步发电机 当凸极式同步发电机负载运行时，由于其气隙不均 匀，因此当同一电枢磁势作用在直轴将比作用在

8、交轴时得 到较大的电枢磁势。当电枢磁势作用在直轴与交轴之间的 任意位置时，需要将电枢磁势分解成直轴分量和交轴分 量。直轴及交轴电枢磁场是同主极磁场相互独立地存在于 同一磁路中，它们将各自产生对应的磁通，并在定子绕组 里感应对应的电势 。,凸极式同步发电机的电势方程为： 将凸极式同步发电机的电枢反应分解为直轴分量和交 轴分量，从而导出两个同步电抗，再分别求出每一同步电 抗所产生的电压降，这一方法称为双反应法。 凸极式同步发电机的相量图参见图5-11。,图5-11 感性负载时凸极式同步发电机电势相量图,返回,二、隐极式同步发电机 隐极式同步发电机的电势方程为： 隐极式同步发电机的相量图，如图5-1

9、2所示，在忽 略定子内电阻时，便可得到简化相量图，如图5-13所示。,返回,图5-12 隐极式同步发电机相量,图5-13 隐极式同步发电机简 化向量,第四节 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,返回,一、同步发电机的空载特性 原动机拖动发电机转子旋转，在发电机的转子绕组上 加直流励磁，定子电枢绕组开路（发电机主开关处于 断开）状态，称为同步发电机的空载运行。 空载时，发电机的转速n等于同步转速、电枢电流 Ia=0，空载电压U0与励磁电流If的关系称为空载特 性，

10、表示为 。 空载特性曲线可参见图5-14 空载特性可以通过实验方法测得。实验接线如图5-15所示,返回,二、同步发电机的短路特性 原动机拖动发电机转子旋转，在发电机的转子绕组加上直流励磁，定子三相电枢绕组端点短路，即为同步发电机的短路运行。短路运行时，发电机的输出端电压为零，此时电枢绕组中通过的电流即为短路电流。当同步发电机的转速为同步转速，电枢端点三相短路，电枢短路电流与励磁电流的关系称为短路特性，表示为,短路时同步发电机相量图如图5-16所示。 断路特性曲线如图5-17所示。 短路实验接线图如图5-18所示。,图5-16 短路时同步发电机相量图,图5-17 断路特性曲线,图5-18 短路实

11、验接线图,三、同步发电机的外特性 原动机拖动发电机转子旋转，在发电机的转子绕组加上直流励磁，在定子三相电枢绕组端点接一负载，电枢回路中有负载电流通过，并由此产生电枢磁势，致使发电机中气隙磁场（相对于空载时的）发生变化，引起发电机输出端电压变化。当同步发电机的转速为同步转速、励磁电流与负载功率因数一定时，发电机的端电压与负载电流的关系称为外特性，表示为,同步发电机外特性曲线如图5-19所示。 不同负载时同步发电机的向量图如图5-20所示。,图5-19 外特性曲线,返回,图5-20 不同负载时同步发电机的相量图,（a）,(b),(感性),(c),(容性),四、同步发电机的调整特性 当同步发电机的负

12、载变化时，为保持端电压不变，必须同时调节发电机的励磁电流，以补偿电枢反应的去磁、增磁作用和阻抗压降。当同步发电机的转速为同步转速、输出端电压和负载性质一定时，励磁电流随负载电流的变化的关系称为调整特性，表示为 调整特性的曲线形状取决于负载的性质，如图5-21所示。,图5-21 调整特性曲线,返回,五、同步发电机的功角特性 当发电机接通三相对称负载后，同步发电机就将转轴上输入的机械功率，通过电磁感应作用转换成电功率输出，其功率流程如图5-22所示。 凸极式同步发电机的向量图如图5-23所示。 的关系称为同步发电机的功角特性，如图5-24所示,图5-22 同步发电机的功率流程图 图5-23 凸极式

13、同步发电机相量图,返回,六、三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。,第五节 同步电动机,一、由发电到电动的物理过程 当一隐极式同步电机工作于发电机状态时，向电网输 送一定

14、的有功功率。由同步发电机的相量图可知，此 时 超前于 一个功角 角，即 0，由式（5-21） 知，PM0，由于 由转子磁场所激励， 由合成磁场所 产生，所以可以认为转子主极磁场轴线超前于定子内合 成磁场轴线一个 角。此时作用在转子上的电磁转矩 为一制动转矩，由原动机驱动转子的机械转矩克服了转 子的电磁转矩，便将机械能转变为电能。此时主极磁 场、定子合成磁场位置及 与 相量关系如图5-25 所示。,返回,图5-25 同步发电机转变为电动机的过程 a）发电机状态；b）空载状态；c）电动机状态,返回,二、同步电动机的相量 同步电动机的相量图如图5-26所示。,a） b）,图5-26 同步电动机的相量

15、图 a）在电动状态下规定的正方向 b）同步电动机向量图,返回,三、同步电动机的特点 同步电动机的主要特点是：转速不随负载的变化而改变；功率因数可以调节。 同步电动机的相量图如图5-27所示。 同步电动机的V形曲线如图5-28所示。,图5-27 有功功率不变时，改变励磁大小的同步电动机向量图,图5-28 同步电动机的V形曲线,四、同步补偿机 同步补偿机是在空载情况下运行的同步电动机，它专门从电网吸取超前的无功电流，只要将同步电动机处于过励状态。当电网供给负载（异步电动机）滞后的电流时，同步补偿机在过励时从电网吸取超前的无功电流，则电网线路的电流为 由于正好补偿了滞后的无功电流，所以电网的功率因数 就得到了改善（理想时，线路电流与同相）如图5-29 所示。,图5-29 用 同步补偿机改善电网的功率因数,返回,五、同步电动机的起动 同步电动机本身没有起动转矩。若将同步电动机的三相定子绕组直接投入电网，由于定子电流产生旋转磁场，其同步转速为，而转子绕组通以直