第6章

同步電機6.1三相交流同步電機的構造與工作原理6.2同步發電機的運行及特性6.5船用同步電機的應用6.1三相交流同步電機的構造與工作原理同步電機是由定子和轉子兩大部分組成.定子鐵心、轉子鐵心和定、轉子間的氣隙構成同步電機的磁路。作為電力發電機基本上都采用Ｙ聯接。6.1.1三相交流同步電機的構造1）定子電樞構造定子為電樞的同步電機，定子鐵心是由硅鋼片疊成。定子鐵心槽內嵌放的三相對稱繞組也是依次相差120空間電角度或120/p空間機械角度。三相繞組又稱電樞繞組。

結構：由鐵心和繞組組成，與異步電機定子基本相同。——相同機座號時，若與異步機互換定子，則仍然可以運行。

區別：主要是尺寸方面，同步電機通常容量較大，而異步機的容量相對較小。因此，從表面上看同步機機殼無散熱片，異步機則有散熱片。

接線：發電機定子繞組通常采用Y形連接。定子結構比較：

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。

旋轉磁極式同步電機

旋轉電樞式同步電機圖

旋轉磁極式同步電機轉子是直流磁極,產生恒定的磁極主磁通.轉子磁極有兩種結構形式,即隱極式和凸極式或稱顯極式。

勵磁繞組的兩個出線端分別接到固定在轉軸上的兩個滑環上。兩個滑環彼此絕緣并對軸絕緣。通過固定的電刷裝置與滑環的滑動接觸將直流電流引入勵磁繞組中。2）轉子隱極式轉子轉子鐵心硅鋼片轉子軸上的滑環一對極隱極式兩對極凸極式轉子：有凸極式和隱極式兩種。轉子繞組是直流繞組。大型機的轉子支架

按同步發電機定子和轉子的結構及作用不同有兩種類型,即旋轉磁極式和旋轉電樞式。按同步發電機的勵磁電源的不同有兩種基本類型,即自勵的和他勵的。以發電機本身的電樞繞組(或輔助繞組)為勵磁電源的是自勵的。設有專用勵磁電源的稱為他勵的。同步發電機的基本類型6.1.2三相交流同步電機的工作原理工作原理簡介：外部直流電源通過滑環向轉子提供直流勵磁電流，并產生磁場；原動機拖動轉子旋轉，轉子磁極磁場切割三相定子繞組，感應三相交流電。

在三相電樞繞組中產生對稱的三相正弦空載電動勢（即開路相電壓），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為電勢常數電動勢的頻率：可見：空載電動勢與主磁通和轉速的變化有關銘牌數據：

主要銘牌數據有：額定容量、額定電壓、額定頻率、額定功率因數、定子繞組連接、絕緣等級（溫升）、冷卻方式、勵磁電壓、勵磁電流等。3.銘牌數據額定容量

保持發電機額定轉速不變時,空載電動勢隨勵磁電流變化的關系曲線稱為空載特性曲線.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）。6.2三相交流同步發電機運行特性6.2.1同步發電機空載運行特性自勵發電機的建壓條件

自勵發電機靠剩磁建立電壓。非線性的空載特性曲線(E=f(If))與線性的場阻線(Zf=E/If)的交點即為自勵的穩定電壓。自勵發電機的自勵起壓過程EE=IfZfE=f（If）Er0Ifα2.要使自勵過程構成正反饋。自勵發電機的自勵起壓條件:1.發電機要有足夠大的剩磁；EE=IfRfE=f（If）Er0Ifα3.必須適當整定自勵回路阻抗。

當同步發電機接負載時,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。電樞反應：電樞磁場對磁極（勵磁）主磁場的影響電樞反應效應與負載性質有關。6.2.2同步發電機的負載運行及電樞反應同步發電機對稱負載運行時，同步發電機定、轉子之間的氣隙同時出現兩個旋轉磁場。

交軸電樞反應：使合成磁場的軸線從主磁極軸線方向往后偏斜了一個角度。1）電樞電流與空載電勢同相位時的電樞反應

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。2)電樞電流落后于空載電動勢90時的電樞反應故：要加大勵磁——過激輸送電感性無功至電網

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的電樞反應故：要減少勵磁——欠激輸送電容性無功至電網

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ψ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)實際負載的電樞反應

為保持端電壓不變，應增加勵磁電流，發電機處于過激狀態。

當保持額定轉速不變、保持一定的負載功率因數和勵磁電流不變時,發電機的端電壓隨電樞電流變化的特性U=f(I),稱為外特性。1）外特性U=f(I)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20~40％,一般不超過50％。6.2.4三相交流同步發電機的外特性及調節

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。2）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。2）調節特性If=f(I)外特性調節特性船舶電力系統中，同步發電機作為電源，負載主要為電感性動力負載。無功功率的變化是引起發電機端電壓變化的直接原因，因為無功分量產生直軸去磁電樞反應。2.電壓與無功功率的調節3.頻率與有功功率調節fNSnT

定子電流I電磁力f轉子阻力矩TIT維持轉速增大輸入功率，即油門6.6船舶同步電機的應用常規船舶同步發電機勵磁電流，需通過碳刷和滑環引入到發電機勵磁繞組，碳刷與滑環轉動接觸，會出現電火花產生干擾電磁波，對同步發電機是十分不利的。

碳刷與滑環磨損的碳粉既臟又會導致發電機絕緣下降，嚴重時將影響發電機的安全運行，因此需要經常進行維護、保養。無刷勵磁的設計思想是：把常規發電機定、轉子間的直接電的聯接改為磁的聯系。這就需要一個勵磁機(Exciter)與發電機相配合，6.6.1無刷同步發電機旋轉磁極式同步電機

旋轉電樞式同步電機圖以轉子繞組形式分類兩臺同步發電機同軸安裝：一臺主發電機為旋轉磁極式，G為三相電樞、轉子L為直流勵磁一臺勵磁機為旋轉電樞式。定子LL為直流勵磁繞組、轉子LG為三相電樞無刷同步電機勵磁系統特點：優點：

1.經濟高效；2.改善環境；3.減小維修。缺點：1.只能定速航行時工作；2.控制較復雜；3.初投資大。6.6.2船舶軸帶發電機一、主機軸帶發電機的特點組成：主機直接（或通過變速機構）帶動軸帶發電機SC發電。可充分利用主機的“儲備余量”（一般主機額定功率+余量=主機可長期運行功率）。二、船舶軸帶發電機主要類型主要類型：

1.直流軸帶機；2.交流軸帶機。說明：

1.雖然直流軸帶機電壓穩定，轉速的影響相對較小。但由于直流電機維護工作量大，目前在船上的應用非常有限。因此，直流軸帶發電機較少用。若將直流電逆變成交流電，則逆變麻煩。

2.交流軸帶機為了減小頻率隨主機轉速變化的影響，其控制較復雜。——

有定、變距漿2種。變距槳系統特點：轉速不變，改變螺距可改變螺旋槳推力大小和方向。控制：

——

需要兩方面的控制

1.主機油門控制；

2.螺旋槳螺距控制。而且要求螺距與油門的控制相互配合（才能使轉速恒定）。存在的問題：

1.風浪對轉速的波動有影響；

2.需要解決主機低速問題（傳動機構）。三、變螺距螺旋槳船舶的軸帶發電機系統特點：主機轉速和轉向是可變的。——

只有在船舶定速航行時才是不變的。因此，要求船舶定速航行時才能讓軸帶發電機并網投入工作。同時，由于風浪等對轉速可造成影響，因此，必須采取措施穩定轉速，從而穩定頻率。總體措施：

——

具體措施下面分別討論

1.轉速補償；

2.頻率補償。四、定螺距槳的主機軸帶發電機方法：1.變流機組穩定供電頻率；2.行星齒輪傳動系統；3.軸帶異步發電機；4.電磁滑差離合器恒速系統。變流機組：控制可控硅導通角穩定電壓，可穩定發電機轉速。行星齒輪：液壓系統提供附加傳動，穩定發電機轉速。異步發電機：與變流機組相似，也是穩定電動機和發電機轉速。滑差離合器：勵磁電流大小可控制轉矩，從而穩定轉速。轉速補償[第三節要點]：特點；類型（直、交流）；變距槳系統（特點）；定距槳系統（恒頻方法）。方法：采用整流—

逆變裝置作為中間環節的系統。非恒定頻率交流電經整流后，供給晶閘管三相逆變器變換為恒定頻率三相交流電，三相逆變器提供有功功率，而無功功率由同步補償機來提供。同步補償機勵磁電流根據負載變化進行控制，具有自動電壓調整器功能。可專設同步補償機。通常采用輔助發電機替代，通過柴油機拖入同步后，用離合器脫開。頻率補償38寫在最后成功的