1、船舶電氣設備及系統第04章同步電機船舶電氣設備及系統第04章同步電機4.1.1 三相交流同步電機的基本結構旋轉電樞式同步電機圖三相交流同步電機由定子部分和轉子部分構成 以轉子繞組形式分類，有旋轉電樞式和旋轉磁極式。 4.1.1 三相交流同步電機的基本結構旋轉電樞式同步電機圖旋轉磁極式同步電動機 旋轉磁極式同步電動機 定子部分 定子是由定子鐵心、定子三相繞組、機座以及固定這些部分的其他結構件組成。 定子鐵心由硅鋼片疊壓而成。 定子鐵心槽內嵌放三相依次相差120電角度（或120/P空間機械角度）的。繞組，稱為三相電樞繞組，是交流電路部分。 定子部分 定子是由定子鐵心、定子三相繞組、機座以及固定這些

2、部轉子部分 轉子磁極有兩種結構形式 隱極式 凸極式（也稱顯極式） 轉子部分 轉子磁極有兩種結構形式 隱極式 凸極式（也稱顯極式按同步發電機的勵磁電源的不同有兩種基本類型，即自勵的、他勵的 圖5-3 自勵同步發電機按同步發電機的勵磁電源的不同有兩種基本類型， 圖5-3 轉子 定子交流勵磁機發電機 旋轉整流器 圖5-4 無刷同步發電機AVR 轉子 定子交流勵磁機發電機 旋轉整流器 4.1.2 三相交流同步發電機的基本工作原理 當轉子由原動機以恒定轉速驅動。極性相間的勵磁磁場隨軸一起旋轉，并依次切割定子各相繞組（相當于繞組導體反向切割勵磁磁場）。定子三相電樞繞組就會感應出大小和方向按周期性變化的交變

3、正弦電動勢。由于三相電樞繞組在空間相差120電角度，三相電動勢相位也相差120。4.1.2 三相交流同步發電機的基本工作原理 當轉子由原動機其瞬時值為： 其瞬時值為： 空載電動勢的有效值為 式中o為每極下的總磁通. 空載電動勢的頻率 f 與轉子的轉速n和磁極對數p成正比, 即由以上兩式可得Ke為電勢常數空載電動勢的有效值為 式中o為每極下的總磁通. 空載電動勢 額定容量 ，連接方式, 線電壓 , 額定頻率，磁極對數, 額定轉速, 采用絕緣等級, 冷卻方式, 設計標準環境溫度等。4.1.3 銘牌數據 額定容量 ，連接方式, 線電壓 , 額定頻率，磁極對三相同步發電機額定值 同步發電機的主要額定值

4、有： 額定容量 SN 或額定功率PN 額定電壓 UN額定電流 IN額定功率因數 cosN額定頻率 fN額定轉速 nN額定勵磁電壓（額定勵磁電流）三相同步發電機額定值 通常把同步發電機轉子轉速為同步額定轉速條件下，空載電動勢E0與勵磁電流的關系曲線稱為同步發電機空載特性曲線E0=f（If）或稱開路特性曲線。 Er：剩磁電壓（在額定轉速下使If=0時所測得的電樞開路電壓）。4. 2 三相交流同步發電機運行特性通常把同步發電機轉子轉速為同步額定轉速條件下，空載電動勢E0船舶電氣設備及系統第04章同步電機當同步發電機接通負載時, 三相電樞繞組的三相電流將產生旋轉磁場a, 這種旋轉磁場稱為電樞反應磁場。

5、電樞磁場對磁極主磁場的影響稱為電樞反應。4.2.2 同步發電機對稱負載運行 同步發電機定、轉子之間的氣隙同時出現兩個旋轉磁場。 電樞反應效應與負載性質有關。當同步發電機接通負載時, 三相電樞繞組的三相電流將產生旋轉磁a) 定子繞組電動勢、電流和磁動勢的空間矢量圖1）電樞電流與空載電勢同相位時(即=0)的電樞反應交軸電樞反應直軸(Direct Axis )：與主磁場同軸。交軸(Quadrature Axis )：與主磁場相交的軸。a) 定子繞組電動勢、電流和磁動勢的空間矢量圖1）電樞電流與b) 時間矢量圖b) 時間矢量圖c) 時-空統一矢量圖直軸(Direct Axis )：與主磁場同軸。交軸(

6、Quadrature Axis )：與主磁場相交的軸。直軸D軸交軸Q軸c) 時-空統一矢量圖直軸(Direct Axis )：與主d)氣隙合成磁場與主磁場的相對位置d)氣隙合成磁場與主磁場的相對位置2） 電樞電流落后于空載電動勢90時的電樞反應 直軸去磁電樞反應 ：電樞磁場a與磁極磁場o在同一軸線上, 但方向相反, 起去磁效應使合成磁場o。o2） 電樞電流落后于空載電動勢90時的電樞反應 直軸去磁電時-空統一矢量圖直軸D軸交軸Q軸時-空統一矢量圖直軸交軸 直軸增磁電樞反應：電樞磁場a與磁極磁場o在同一軸線上,且方向相同,起增磁效應使合成磁場大于主磁場o。3） 電樞電流超前于空載電動勢90的電樞

7、反應o 直軸增磁電樞反應：電樞磁場a與磁極磁場o在同一軸線上,直軸D軸交軸Q軸時-空統一矢量圖直軸交軸時-空統一矢量圖4） 通常情況下, 發電機的負載多為一般電感性負載, 即電樞電流落后于空載電動勢的角度小于90。一般電感性負載的電樞反應既有去磁效應又有交磁效應。4） 通常情況下, 發電機的負載多為一般電感性負載, 即電 a) 滯后于 時的空間矢量圖4） 通常情況下, 與 不同相一般電感性負載的電樞反應既有去磁效應又有交磁效應。 a) 滯后于 時的空間矢量圖4） 通常情況下, b) 滯后 時的時-空統一矢量圖一般電感性負載的電樞反應既有去磁效應又有交磁效應。 b) 滯后 時的時-空統一矢量圖一

8、般電感性負載的 c) 超前 時得時-空統一矢量圖一般電容性負載的電樞反應既有增磁磁效應又有交磁效應。 c) 超前 時得時-空統一矢量圖一般電容性負載的電同步發電機負載運行時物理量的關系：一、隱極同步發電機4.2.3 三相交流同步發電機電壓平衡方程和相量圖 同步發電機負載運行時物理量的關系：一、隱極同步發電機4.2.正弦電動勢e0、ea和e是分別由轉子旋轉磁通0、電樞旋轉磁通a和電樞繞組漏磁通產生的. Ra是電樞繞組的電阻.其電壓平衡方程式為電壓平衡方程正弦電動勢e0、ea和e是分別由轉子旋轉磁通0、電樞旋轉相量分別表示為 X=E / I 稱為電樞漏電抗; Xa=Ea / I 稱為電樞反應電抗。

9、相量分別表示為 和相量分別表示為 X=E / I 稱為電樞漏電抗; 相量分電樞電路的相量電壓方程可寫為通常RaXs, 可忽略, 最常用的簡化電壓方程為 同步電抗Xs=Xa+X,同步阻抗Zs=Ra+jXs.電樞電路的相量電壓方程可寫為通常Ra Rd ，所以XadXaq，因此在凸極同步電機中，XdXq。 對于隱極電機，由于氣隙是均勻的，故XdXqXs 3、直軸和交軸同步電抗的意義 由于電抗與繞組匝數的平方凸極同步電機電樞反磁通及所經磁路及磁導直軸電樞磁導交軸電樞磁導凸極同步電機電樞反磁通及所經磁路及磁導直軸電樞磁導交軸電樞磁4.2.4同步發電機的運行特性 表征同步發電機的運行特性有以下五種 ：同步

10、發電機的空載特性 同步發電機的短路特性 同步發電機的外特性 同步發電機的調整特性 同步發電機的功角特性 4.2.4同步發電機的運行特性 表征同步發電機的運行特性有以空載特性可以用空載試驗測出。試驗時，電樞開路 (空載)，用原動機把被試同步電機拖動到同步轉速，改變勵磁電流If，并記取相應的電樞端電壓U0 (空載時即等于E0，直到U01.25UN左右，可得空載特性曲線1）同步發電機的空載特性空載特性可以用空載試驗測出。試驗時，電樞開路 (空載)，用原同步電機的空載特性同步電機的空載特性2）同步發電機的短路特性 短路特性可由三相穩態短路試驗測得，試驗線路如圖所示。將被試同步電機的電樞端點三相短路，用

11、原動機拖動被試電機到同步轉速，調節勵磁電流If使電樞電流I從零起一直增加到1.2IN左右，便可得到短路特性曲線，如圖所示。2）同步發電機的短路特性 短路實驗接線圖短路實驗接線圖短路特性短路特性同步發電機的外特性是指在轉速額定值nN下運行，勵磁電流If不變，負載功率因數一定時，發電機端電壓和負載電流的關系，即Uf(Ia) 3) 同步發電機的外特性 U=f(I)同步發電機的外特性是指在轉速額定值nN下運行，勵磁電流If不cos=0.8滯后cos=1cos=0.8超前外特性cos=0.8滯后cos=1cos=0.8超前外特性電壓變化率同步發電機在cos=0.8 (滯后)的負載時, 其電壓變化率約為2

12、040, 一般不超過50。電壓變化率同步發電機在cos=0.8 (滯后)的負載時, 不同負載相量圖（根據電壓方程做相量圖）a. 電感性負載的簡化相量圖相量E0和U之間的相位差角稱為功率角不同負載相量圖（根據電壓方程做相量圖）a. 電感性負載的簡化c.電容性負載的簡化相量圖 b.電阻性負載的簡化相量圖c.電容性負載的簡化相量圖 b.電阻性負載的簡化相量圖 同步發電機在額定轉速和一定的負載功率因數下, 為保持端電壓基本不變, 勵磁電流If隨負載電流I而變化的關系If =f(I)稱為調節特性。 4) 同步發電機調節特性 If =f(I) 同步發電機在額定轉速和一定的負載功率因數下, 為保持端電壓co

13、s=0.8滯后cos=1cos=0.8超前調節特性cos=0.8滯后cos=1cos=0.8超前調節特性5）三相交流同步發電機的功角特性 1) 功率特性 同步發電機由原動機拖動，輸入給發電機的功率為P1，而通過電磁感應作用，轉換為定子上的電磁功率Pe。Pm為機械損耗；pFe為定子鐵損耗；pS為附加損耗。 5）三相交流同步發電機的功角特性 1) 功率特性 同步發電輸入功率P1機械損耗p附加損耗pS鐵損pFe電磁功率Pe定子銅損pcu輸出功率P2輸入機械損附加損耗pS鐵損pFe電磁功定子銅損pcu輸出功PCU定子繞組的銅損耗，P2發電機輸出功率定子電樞繞組Ra很小，若不計Ra影響 PCU定子繞組的

14、銅損耗，P2發電機輸出功率定子電樞繞組Ra很凸極式同步發電機簡化相量圖凸極式同步發電機在磁路未飽和且不計電樞繞組電阻Ra時的相量圖 內功率因數角功率角凸極式同步發電機簡化相量圖凸極式同步發電機在磁路未飽和且不計船舶電氣設備及系統第04章同步電機基本電磁功率 附加電磁功率 基本電磁功率 附加電磁功率 Pe18000900Pemax基本電磁功率 附加電磁功率 Pe18000900Pemax基本電磁功率 附加電磁功率 由于隱極式同步發電機氣隙均勻，即Xd=Xq=XS，故有Pe0，那么，隱極式同步發電機的電磁功率Pe為：0900PePemax1800由于隱極式同步發電機氣隙均勻，即Xd=Xq=XS，故

15、有Pe6)、相同步發電機單機運行時的特點發電機輸出的有功和無功功率完全決定于負載。首先是負載先發生變化，然后引起發電機的有功功率和無功功率的變化。用電負載不變，人為的改變原動機的輸入（加大或關小油門），將使轉速和頻率發生相應的變化；而人為的改變發電機的勵磁電流，將使發電機的輸出電壓發生相應的變化。有功負載的變化可以引起發電機的頻率的變化，變化的程度與原動機調速器的特性有關；無功負載的變化可以引起發電機的輸出電壓的變化，變化的程度與發電機外特性或自動調壓系統的特性有關。 6)、相同步發電機單機運行時的特點當發電機投入電網后, 通過改變發電機的輸入機械功率,來改變發電機輸出的有功功率。 假設經過調

16、節發電機已輸出有功功率為: 7) 有功功率的調節當發電機投入電網后, 通過改變發電機的輸入機械功率,來改變發若忽略電樞電阻，發電機的電磁功率Pe=P 。當勵磁電流保持不變時，上式中除功率角外均為不變的常數。在有功功率的調節中功率角起著自動平衡的調節作用。若忽略電樞電阻，發電機的電磁功率Pe=P 。當勵磁電流保持不電磁轉矩與電磁功率成正比, 即 發電機的有功功率隨功率角的變化關系P=f(), 稱為功角特性。矩角特性T=f()曲線與功角特性曲線相似。并聯運行同步發電機應設逆功保護。電磁轉矩與電磁功率成正比, 即 發電機的有功功率隨功率角的變 8) 無功功率的調節調節勵磁電流可改變并聯發電機輸出的無

17、功功率Q。 8) 無功功率的調節調節勵磁電流可改變并聯發電機輸出的無當增加勵磁電流(過勵磁)使E0U, 發電機與電網之間出現了電壓差和引起了電樞電流。根據電壓方程在相位上電流I總是落后于同步感抗壓降U 900。發電機輸出落后無功功率。當增加勵磁電流(過勵磁)使E0U, 發電機與電網之間出現了減少勵磁電流(欠勵磁)使E0U ，電流I落后于U 900而超前于電壓U 900。發電機輸出超前的無功功率。減少勵磁電流(欠勵磁)使E0U ，電流I落后于U 900123同步發電機不同運行方式時的相量圖123同步發電機不同運行方式時的相量圖4. 3 同步電動機同步電動機定、轉子結構和同步發電機一樣，轉子也有隱

18、極式和凸極式兩種，轉子上除了嵌放勵磁繞組外，還安裝有幫助起動用的籠型繞組（阻尼繞組），一般中小同步電動機多采用凸極結構。 4.3.1 同步電動機的基本原理 同步電動機是由三相電樞繞組通過三相對稱電流而產生的旋轉磁場拉著轉子磁極以同步轉速旋轉，定子吸收電網有功功率，通過定、轉子電磁關系轉換為機械轉矩。 4. 3 同步電動機同步電動機定、轉子結構和同步發電n1S2N2S1N1n1S1N1n1n1S2N2S2N2S1N1n1n1同步電機由發電狀態到電動狀態過程示意圖發電機補償機電動機n1S2N2S1N1n1S1N1n1n1S2N2S2N2NNoNoNoNNSoSoSSSSo主極主極發電機補償機電動機

19、同步電機的三種運行狀態NNoNoNoNNSoSoSSSSo主極主極發電機補償機電動4.3.2 同步電動機的相量 同步發動機電壓方程 把同步電動機看成一輸出負功率的的發動機。習慣上，總是將電動機看成是電網的負載。4.3.2 同步電動機的相量 同步發動機電壓方程 同步電動機電壓方程同步電動機電壓方程同步電動機的電磁功率與發電機一樣，可從相量圖中推導出，不同的是，在電動機中功角為負值，在計算電動機功率時，功角用負值帶入發電機功率公式。一般 ，隱極式同步電機不存在附加電磁功率。同步電動機的電磁功率與發電機一樣，可從相量圖中推導出，不同的船舶電氣設備及系統第04章同步電機4.3.3 同步電動機的特點 轉

20、速不隨負載的變化而改變；與同步轉速相同。同步電動機的主要特點是：旋轉磁場拉著轉子磁極以同步轉速旋轉。4.3.3 同步電動機的特點 轉速不隨負載的變化而改變；與功率因數可以調節（以隱極電機為例）在電壓一定，同步電動機有功功率不變的時：功率因數可以調節（以隱極電機為例）在電壓一定，同步電動機有功ABCD同步電動機處于過激狀態，電流超前于電壓，相當于電容性負載。 ABCD同步電動機處于過激狀態，電流超前于電壓，相當于電容性同步電動機處于正常勵磁狀態，電流與電壓同相，相當于純電阻性負載。 ABCD同步電動機處于正常勵磁狀態，電流與電壓同相，相當于純電阻性負ABCD同步電動機處于欠激狀態，電流滯后于電壓

21、，相當于電感性負載。 ABCD同步電動機處于欠激狀態，電流滯后于電壓，相當于電感性 調節同步電動機勵磁從欠激到過激，電流相量的端點始終沿著AB線，電動勢相量的端點始終沿著CD線變化。 同步電動機欠激時從電網吸收有功功率同時吸收滯后的無功電流。 同步電動機過激時從電網吸收有功功率同時吸收超前的無功電流。 通過調節同步電動機勵磁電流，可調節無功電流和功率因數。 調節同步電動機勵磁從欠激到過激，電流相量的端點三相同步電動機的V形曲線 在保持電壓U和負載TL不變的條件下,電樞電流ID與勵磁電流If之間的關系曲線,即ID= (If)；不同的負載對應相應的曲線。V形曲線可通過試驗測得。不穩定區PM=0.5

22、PNPM=PN(容性)(感性)三相同步電動機的V形曲線 在保持電壓U和負載TL不變4.3.4 同步補嘗機 由于電網上變壓器、異步電動機都是感性負載，且功率因數cos比較低，為了減小線電流，降低線損功率，除了使用電容器進行無功功率補償外，有條件盡量使用同步電動機，使其處于過激狀態，進行無功補償，使線路的功率因數cos1。 軸上不帶任何負載專用于改善功率因數的同步電機稱為同步補償機。4.3.4 同步補嘗機 由于電網上變壓器、異4.3.5 同步電動機起動 同步電動機不能產生起動轉矩，必須通過其他輔助方法，使其拉入同步進行起動，這是因為轉子有轉動慣量，合閘瞬間，轉子磁極極性無法緊跟定子旋轉磁場的極性轉

23、動起來 同步電動機起動方法有拉入同步、異步起動方法和變頻起動方法 4.3.5 同步電動機起動 同步電動機不能產生起動NSNSTn1(a)逆時針NSSNTn1(b)順時針合閘瞬間，轉子(已經加勵磁)處于(a)所示的位置，此時，電磁轉矩T傾向于使轉子逆時鐘轉動；在另一個瞬間(b所示)，定子磁場已轉過180度，而轉子由于機械慣性尚未啟動，電磁轉矩T傾向于使轉子順時鐘轉動。NSNSTn1(a)逆時針NSSNTn1(b)順時針合閘瞬間NSNSTn1(a)逆時針NSSNTn1(b)順時針由于定子磁場以同步速旋轉，作用于轉子上的力矩隨時間變化(f=50Hz)，那么轉子上受到的平均轉矩為0。因此同步電動機是不

24、能自行起動的。概括一下同步電動機沒有啟動轉矩的原因是：（1）定、轉子磁場之間相對運動速度很快；（2）轉子本身轉動慣量的存在。NSNSTn1(a)逆時針NSSNTn1(b)順時針由于定子同步電動機的缺點是沒有自起動能力。同步電動機必須靠外力或輔助設備起動。目前仍被廣泛采用的起動方法是異步起動法。而變頻起動方法，是對于有調速要求的同步電動機拖動系統使用。起動正常運行同步電動機的缺點是沒有自起動能力。同步電動機必須靠外力或輔助4.3.6 其他類型同步電動機 永磁同步電動機 永磁同步電動機采用永磁體作轉子磁極，由于它沒有電刷裝置、滑環，成為無刷同步電動機。 永磁式同步電動機與勵磁式同步電動機的工作原理，電壓平衡方程，功角特性和矩角特性都一樣，只是把有刷變為無刷，用永磁體