第6章

同步電機(jī)6.1三相交流同步電機(jī)的構(gòu)造與工作原理6.2同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行及特性6.5船用同步電機(jī)的應(yīng)用6.1三相交流同步電機(jī)的構(gòu)造與工作原理同步電機(jī)是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成.定子鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心和定、轉(zhuǎn)子間的氣隙構(gòu)成同步電機(jī)的磁路。作為電力發(fā)電機(jī)基本上都采用Ｙ聯(lián)接。6.1.1三相交流同步電機(jī)的構(gòu)造1）定子電樞構(gòu)造定子為電樞的同步電機(jī)，定子鐵心是由硅鋼片疊成。定子鐵心槽內(nèi)嵌放的三相對(duì)稱繞組也是依次相差120空間電角度或120/p空間機(jī)械角度。三相繞組又稱電樞繞組。

結(jié)構(gòu)：由鐵心和繞組組成，與異步電機(jī)定子基本相同。——相同機(jī)座號(hào)時(shí)，若與異步機(jī)互換定子，則仍然可以運(yùn)行。

區(qū)別：主要是尺寸方面，同步電機(jī)通常容量較大，而異步機(jī)的容量相對(duì)較小。因此，從表面上看同步機(jī)機(jī)殼無散熱片，異步機(jī)則有散熱片。

接線：發(fā)電機(jī)定子繞組通常采用Y形連接。定子結(jié)構(gòu)比較：

三相交流同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)電樞式同步電機(jī)圖三相交流同步電機(jī)由定子部分和轉(zhuǎn)子部分構(gòu)成

以轉(zhuǎn)子繞組形式分類，有旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式。

旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)

旋轉(zhuǎn)電樞式同步電機(jī)圖

旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)轉(zhuǎn)子是直流磁極,產(chǎn)生恒定的磁極主磁通.轉(zhuǎn)子磁極有兩種結(jié)構(gòu)形式,即隱極式和凸極式或稱顯極式。

勵(lì)磁繞組的兩個(gè)出線端分別接到固定在轉(zhuǎn)軸上的兩個(gè)滑環(huán)上。兩個(gè)滑環(huán)彼此絕緣并對(duì)軸絕緣。通過固定的電刷裝置與滑環(huán)的滑動(dòng)接觸將直流電流引入勵(lì)磁繞組中。2）轉(zhuǎn)子隱極式轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子鐵心硅鋼片轉(zhuǎn)子軸上的滑環(huán)一對(duì)極隱極式兩對(duì)極凸極式轉(zhuǎn)子：有凸極式和隱極式兩種。轉(zhuǎn)子繞組是直流繞組。大型機(jī)的轉(zhuǎn)子支架

按同步發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)及作用不同有兩種類型,即旋轉(zhuǎn)磁極式和旋轉(zhuǎn)電樞式。按同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源的不同有兩種基本類型,即自勵(lì)的和他勵(lì)的。以發(fā)電機(jī)本身的電樞繞組(或輔助繞組)為勵(lì)磁電源的是自勵(lì)的。設(shè)有專用勵(lì)磁電源的稱為他勵(lì)的。同步發(fā)電機(jī)的基本類型6.1.2三相交流同步電機(jī)的工作原理工作原理簡介：外部直流電源通過滑環(huán)向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁電流，并產(chǎn)生磁場；原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁極磁場切割三相定子繞組，感應(yīng)三相交流電。

在三相電樞繞組中產(chǎn)生對(duì)稱的三相正弦空載電動(dòng)勢（即開路相電壓），其瞬時(shí)值為：空載電動(dòng)勢的有效值為

式中:o為每極下的總磁通.空載電動(dòng)勢的頻率f與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n和磁極對(duì)數(shù)p成正比,即由以上兩式可得：Ke為電勢常數(shù)電動(dòng)勢的頻率：可見：空載電動(dòng)勢與主磁通和轉(zhuǎn)速的變化有關(guān)銘牌數(shù)據(jù)：

主要銘牌數(shù)據(jù)有：額定容量、額定電壓、額定頻率、額定功率因數(shù)、定子繞組連接、絕緣等級(jí)（溫升）、冷卻方式、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流等。3.銘牌數(shù)據(jù)額定容量

保持發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速不變時(shí),空載電動(dòng)勢隨勵(lì)磁電流變化的關(guān)系曲線稱為空載特性曲線.Er：剩磁電壓（在額定轉(zhuǎn)速下使If=0時(shí)所測得的電樞開路電壓）。6.2三相交流同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性6.2.1同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行特性自勵(lì)發(fā)電機(jī)的建壓條件

自勵(lì)發(fā)電機(jī)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(diǎn)即為自勵(lì)的穩(wěn)定電壓。自勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)起壓過程EE=IfZfE=f（If）Er0Ifα2.要使自勵(lì)過程構(gòu)成正反饋。自勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)起壓條件:1.發(fā)電機(jī)要有足夠大的剩磁；EE=IfRfE=f（If）Er0Ifα3.必須適當(dāng)整定自勵(lì)回路阻抗。

當(dāng)同步發(fā)電機(jī)接負(fù)載時(shí),電樞繞組的三相電流將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場a,這種旋轉(zhuǎn)磁場稱為電樞反應(yīng)磁場。電樞反應(yīng)：電樞磁場對(duì)磁極（勵(lì)磁）主磁場的影響電樞反應(yīng)效應(yīng)與負(fù)載性質(zhì)有關(guān)。6.2.2同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行及電樞反應(yīng)同步發(fā)電機(jī)對(duì)稱負(fù)載運(yùn)行時(shí)，同步發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場。

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

直軸去磁電樞反應(yīng)：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(yīng)使合成磁場<o。2)電樞電流落后于空載電動(dòng)勢90時(shí)的電樞反應(yīng)故：要加大勵(lì)磁——過激輸送電感性無功至電網(wǎng)

直軸增磁電樞反應(yīng)：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(yīng)使合成磁場大于主磁場o。3)電樞電流超前于空載電動(dòng)勢90的電樞反應(yīng)故：要減少勵(lì)磁——欠激輸送電容性無功至電網(wǎng)

通常情況下,發(fā)電機(jī)的負(fù)載多為一般電感性負(fù)載,即電樞電流落后于空載電動(dòng)勢的角度ψ小于90

一般電感性負(fù)載的電樞反應(yīng)既有去磁效應(yīng)又有交磁效應(yīng)。4)實(shí)際負(fù)載的電樞反應(yīng)

為保持端電壓不變，應(yīng)增加勵(lì)磁電流，發(fā)電機(jī)處于過激狀態(tài)。

當(dāng)保持額定轉(zhuǎn)速不變、保持一定的負(fù)載功率因數(shù)和勵(lì)磁電流不變時(shí),發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)在cos=0.8(滯后)的負(fù)載時(shí),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(fā)電機(jī)的外特性及調(diào)節(jié)

同步發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速和一定的負(fù)載功率因數(shù)下,為保持端電壓基本不變,勵(lì)磁電流If隨負(fù)載電流I而變化的關(guān)系If=f(I)稱為調(diào)節(jié)特性。2）調(diào)節(jié)特性If=f(I)

同步發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速和一定的負(fù)載功率因數(shù)下,為保持端電壓基本不變,勵(lì)磁電流If隨負(fù)載電流I而變化的關(guān)系If=f(I)稱為調(diào)節(jié)特性。2）調(diào)節(jié)特性If=f(I)外特性調(diào)節(jié)特性船舶電力系統(tǒng)中，同步發(fā)電機(jī)作為電源，負(fù)載主要為電感性動(dòng)力負(fù)載。無功功率的變化是引起發(fā)電機(jī)端電壓變化的直接原因，因?yàn)闊o功分量產(chǎn)生直軸去磁電樞反應(yīng)。2.電壓與無功功率的調(diào)節(jié)3.頻率與有功功率調(diào)節(jié)fNSnT

定子電流I電磁力f轉(zhuǎn)子阻力矩TIT維持轉(zhuǎn)速增大輸入功率，即油門6.6船舶同步電機(jī)的應(yīng)用常規(guī)船舶同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，需通過碳刷和滑環(huán)引入到發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組，碳刷與滑環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)接觸，會(huì)出現(xiàn)電火花產(chǎn)生干擾電磁波，對(duì)同步發(fā)電機(jī)是十分不利的。

碳刷與滑環(huán)磨損的碳粉既臟又會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)絕緣下降，嚴(yán)重時(shí)將影響發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行，因此需要經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)、保養(yǎng)。無刷勵(lì)磁的設(shè)計(jì)思想是：把常規(guī)發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子間的直接電的聯(lián)接改為磁的聯(lián)系。這就需要一個(gè)勵(lì)磁機(jī)(Exciter)與發(fā)電機(jī)相配合，6.6.1無刷同步發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)

旋轉(zhuǎn)電樞式同步電機(jī)圖以轉(zhuǎn)子繞組形式分類兩臺(tái)同步發(fā)電機(jī)同軸安裝：一臺(tái)主發(fā)電機(jī)為旋轉(zhuǎn)磁極式，G為三相電樞、轉(zhuǎn)子L為直流勵(lì)磁一臺(tái)勵(lì)磁機(jī)為旋轉(zhuǎn)電樞式。定子LL為直流勵(lì)磁繞組、轉(zhuǎn)子LG為三相電樞無刷同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：

1.經(jīng)濟(jì)高效；2.改善環(huán)境；3.減小維修。缺點(diǎn)：1.只能定速航行時(shí)工作；2.控制較復(fù)雜；3.初投資大。6.6.2船舶軸帶發(fā)電機(jī)一、主機(jī)軸帶發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)組成：主機(jī)直接（或通過變速機(jī)構(gòu)）帶動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)SC發(fā)電。可充分利用主機(jī)的“儲(chǔ)備余量”（一般主機(jī)額定功率+余量=主機(jī)可長期運(yùn)行功率）。二、船舶軸帶發(fā)電機(jī)主要類型主要類型：

1.直流軸帶機(jī)；2.交流軸帶機(jī)。說明：

1.雖然直流軸帶機(jī)電壓穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速的影響相對(duì)較小。但由于直流電機(jī)維護(hù)工作量大，目前在船上的應(yīng)用非常有限。因此，直流軸帶發(fā)電機(jī)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(jī)為了減小頻率隨主機(jī)轉(zhuǎn)速變化的影響，其控制較復(fù)雜。——

有定、變距漿2種。變距槳系統(tǒng)特點(diǎn)：轉(zhuǎn)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(jī)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(zhuǎn)速恒定）。存在的問題：

1.風(fēng)浪對(duì)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)有影響；

2.需要解決主機(jī)低速問題（傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）。三、變螺距螺旋槳船舶的軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)：主機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向是可變的。——

只有在船舶定速航行時(shí)才是不變的。因此，要求船舶定速航行時(shí)才能讓軸帶發(fā)電機(jī)并網(wǎng)投入工作。同時(shí)，由于風(fēng)浪等對(duì)轉(zhuǎn)速可造成影響，因此，必須采取措施穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，從而穩(wěn)定頻率。總體措施：

——

具體措施下面分別討論

1.轉(zhuǎn)速補(bǔ)償；

2.頻率補(bǔ)償。四、定螺距槳的主機(jī)軸帶發(fā)電機(jī)方法：1.變流機(jī)組穩(wěn)定供電頻率；2.行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)；3.軸帶異步發(fā)電機(jī)；4.電磁滑差離合器恒速系統(tǒng)。變流機(jī)組：控制可控硅導(dǎo)通角穩(wěn)定電壓，可穩(wěn)定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。行星齒輪：液壓系統(tǒng)提供附加傳動(dòng)，穩(wěn)定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。異步發(fā)電機(jī)：與變流機(jī)組相似，也是穩(wěn)定電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。滑差離合器：勵(lì)磁電流大小可控制轉(zhuǎn)矩，從而穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速補(bǔ)償[第三節(jié)要點(diǎn)]：特點(diǎn)；類型（直、交流）；變距槳系統(tǒng)（特點(diǎn)）；定距槳系統(tǒng)（恒頻方法）。方法：采用整流—

逆變裝置作為中間環(huán)節(jié)的系統(tǒng)。非恒定頻率交流電經(jīng)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(bǔ)償機(jī)來提供。同步補(bǔ)償機(jī)勵(lì)磁電流根據(jù)負(fù)載變化進(jìn)行控制，具有自動(dòng)電壓調(diào)整器功能。可專設(shè)同步補(bǔ)償機(jī)。通常采用輔助發(fā)電機(jī)替代，通過柴油機(jī)拖入同步后，用離合器脫開。頻率補(bǔ)償38寫在最后成功的