第五节三相交流同步电机

1、5.5 交流同步电动机交流同步电动机教学要求：教学要求： 熟悉三相交流发步发电机的构造和工熟悉三相交流发步发电机的构造和工作原理，理解电枢反应的概念，能说明不作原理，理解电枢反应的概念，能说明不同性质的负载对发电机外特性的影响，掌同性质的负载对发电机外特性的影响，掌握空载特性、外特性和调节特性。握空载特性、外特性和调节特性。柴油发电机柴油发电机返回返回一、三相交流同步发电机的结构、铭牌数据一、三相交流同步发电机的结构、铭牌数据1、结构：、结构：1同步电机的结构同步电机的结构定子（电枢）：定子（电枢）：定子铁芯、机座、三相定子铁芯、机座、三相绕组绕组(接星形接星形)。定子绕组与三相电网连定子绕组

2、与三相电网连接，产生感应电动势，接，产生感应电动势，并电网输送电能。并电网输送电能。（旋转磁极式三相同步（旋转磁极式三相同步发电机的定子也称发电机的定子也称“电枢电枢”）137转子（磁极）：转子铁芯、直流励磁绕组、滑环与电转子（磁极）：转子铁芯、直流励磁绕组、滑环与电刷刷励磁绕组通直流电，产生恒定的主磁通，在原动机带励磁绕组通直流电，产生恒定的主磁通，在原动机带动下旋转。动下旋转。转子磁极结构形式转子磁极结构形式 凸极式：有凸出的磁极，凸极式：有凸出的磁极，简单简单,适用于船用柴油适用于船用柴油机、水轮机作原动机的机、水轮机作原动机的发电机。发电机。转速：转速：500-1500r/min隐极式

3、：隐极式：呈圆柱形，呈圆柱形，结构较复杂、用于结构较复杂、用于高速发电机（汽轮高速发电机（汽轮发电机）发电机）转速：转速：1500r/min励磁方式：给磁极的励磁绕组提供直流电励磁方式：给磁极的励磁绕组提供直流电的装置励磁系统的装置励磁系统自励式：半导体励磁自励式：半导体励磁同步发电机的励磁电流是由发电机自已提供同步发电机的励磁电流是由发电机自已提供电枢绕组电枢绕组转子励磁绕组转子励磁绕组三相桥式整流三相桥式整流辅助绕组辅助绕组原理图原理图结构图结构图他励：他励：设有专用励磁电源的称为他励。设有专用励磁电源的称为他励。 直流发电机直流发电机无刷同步发电机无刷同步发电机他励：他励：设有专用励磁电

4、源的称为他励。设有专用励磁电源的称为他励。 直流发电机直流发电机无刷同步发电机无刷同步发电机结构图结构图原理图原理图2、铭牌数据、铭牌数据额定容量：同步发电机输出的电功率。额定容量：同步发电机输出的电功率。额定电压：额定运行时定子输出端的线电压。额定电压：额定运行时定子输出端的线电压。额定电流：额定运行时定子输出端的线电流。额定电流：额定运行时定子输出端的线电流。额定频率：额定运行时电枢输出端电能的频额定频率：额定运行时电枢输出端电能的频率。率。额定转速：额定运行时电机的转速。额定转速：额定运行时电机的转速。温升（绝缘等级）：电枢额定负载运行时温升（绝缘等级）：电枢额定负载运行时允许最高温升。

5、允许最高温升。同步发电机工作原理同步发电机工作原理励励磁磁系系统统原动机原动机主发电机主发电机转子磁极转子磁极定子电枢定子电枢同步发电机工作原理同步发电机工作原理原动机原动机主发电机主发电机励磁系统励磁系统定子电枢定子电枢转子磁极转子磁极二、同步发电机的工作原理及空载特性二、同步发电机的工作原理及空载特性1发电原理发电原理a转子绕组通过滑环、电刷外加直流电产生磁场转子绕组通过滑环、电刷外加直流电产生磁场b转子在原动机的带动下变成旋转的磁极磁场转子在原动机的带动下变成旋转的磁极磁场c定子绕组切割磁力线产生感应电势定子绕组切割磁力线产生感应电势d定子三相绕组在空间上互差定子三相绕组在空间上互差12

6、0，故产生三相感应，故产生三相感应电势电势eA=Emsint eB=Emsin(t120)eC=Emsin（t+120）空载电动势有效值：空载电动势有效值：Eo4.44fN2.交流电动势的频率交流电动势的频率f同步发电机电动势频率由原动机的转速同步发电机电动势频率由原动机的转速n和电和电机极对数机极对数P决定。决定。 f=pn/60得空载电动势为：得空载电动势为：EoKen即：空载电动势的大小与主磁通即：空载电动势的大小与主磁通和转速和转速n成正比。成正比。2空载特性空载特性E0=f（If）（）（ 相似磁化曲线）相似磁化曲线）EoKen 保持额定转速不变，空保持额定转速不变，空载电势载电势E0

7、与空载励磁与空载励磁电流电流I f的关系曲线。的关系曲线。 E00 If ； 空载特性的实质就空载特性的实质就是磁化曲线。是磁化曲线。同步发电机的空载额定电压一般处于空载特同步发电机的空载额定电压一般处于空载特性曲线的部分（接近饱和点）性曲线的部分（接近饱和点）1423.“同步同步”电机的转速电机的转速n与旋转磁场转速与旋转磁场转速no发电机接负载，定子（电枢）绕组有三相对发电机接负载，定子（电枢）绕组有三相对称电流通过，产生旋转磁场称电流通过，产生旋转磁场n0=60f/p；因转子转速在原动机带动下达因转子转速在原动机带动下达 n=n0 故为同故为同步，磁极磁场步，磁极磁场0与电枢磁场与电枢磁

8、场a同步，且相对同步，且相对静止。静止。电枢电流电枢电流三、同步发电机负载运行及电枢反应三、同步发电机负载运行及电枢反应发电机接负载，定子（电枢）绕组有三相对称发电机接负载，定子（电枢）绕组有三相对称电流通过电枢电流电流通过电枢电流IaIa，电枢磁场电枢磁场a1、电枢磁场对磁极磁场的影响叫电枢反应。、电枢磁场对磁极磁场的影响叫电枢反应。当所接的负载性质不同产生的电枢反应结果当所接的负载性质不同产生的电枢反应结果也不一样，可能产生对电枢主磁场的不同作也不一样，可能产生对电枢主磁场的不同作用效果。用效果。电枢电流电枢电流2、不同相位的电枢反应、不同相位的电枢反应 电枢电流影响电枢反应的性质：电枢电

9、流电枢电流影响电枢反应的性质：电枢电流IaIa与空载电势与空载电势Eo的关系有：同相位、滞后的关系有：同相位、滞后和超前三种。与之对应的电枢反应的性质和超前三种。与之对应的电枢反应的性质有：交轴、直轴去磁和直轴增磁三种。有：交轴、直轴去磁和直轴增磁三种。 IaIa与与Eo的夹角为内功率因数角的夹角为内功率因数角 前极靴（左）去磁、后极靴增磁，合成磁前极靴（左）去磁、后极靴增磁，合成磁场场扭斜扭斜角，为交轴电枢反应。角，为交轴电枢反应。 交轴反应（同相位）交轴反应（同相位）1. 0 0 IaIa与与E Eo o同相同相（阻性负载）（阻性负载）a与与o方向相反，合成磁场方向相反，合成磁场减少，为直

10、轴减少，为直轴去磁电枢反应。去磁电枢反应。 直轴去磁（滞后）直轴去磁（滞后）2. 9090IaIa滞后滞后E Eo o9090（感性负载）（感性负载）a与与o同向，合成磁场同向，合成磁场增强，为直轴增增强，为直轴增磁电枢反应。磁电枢反应。 直轴增磁（超前）直轴增磁（超前）2. 9090IaIa超前超前E Eo o9090（容性负载）（容性负载）一般负载多为感性，电枢电流滞一般负载多为感性，电枢电流滞后电动势后电动势Eo （0 090）电枢电流电枢电流IaIa分成两个量分成两个量IqIq与与Eo同相交轴电枢反应同相交轴电枢反应IdId与与Eo垂直直轴去磁电枢反应。垂直直轴去磁电枢反应。结果：一般

11、性负载既有交磁反应，结果：一般性负载既有交磁反应，又有去磁反应，且负载的功率又有去磁反应，且负载的功率因数越低，去磁反应越严重。因数越低，去磁反应越严重。一般情况一般情况四、同步发电机的外特性及调节特性四、同步发电机的外特性及调节特性1外特性外特性U=f（I） 电阻性负载，交轴电电阻性负载，交轴电枢反应，电流增加，端枢反应，电流增加，端电压电压稍有下降稍有下降； 感性负载，交轴和去感性负载，交轴和去磁电枢反应，电流增加，磁电枢反应，电流增加，端电压下降端电压下降； 容性负载，交轴和增容性负载，交轴和增磁电枢反应，电流增加，磁电枢反应，电流增加，端电压增加端电压增加。负载的功率因数越低，去负载的

12、功率因数越低，去磁反应越严重，端电压下磁反应越严重，端电压下降越利害。降越利害。电压下降率：电压下降率：U%=(Uo-UU%=(Uo-UN N)/U)/UN N100%100%2调节特性调节特性If=f（I）为保持端电压基本为保持端电压基本不变，励磁电流不变，励磁电流随负载电流变化。随负载电流变化。电枢反应去磁，则励磁电流应增加，反之则减小。电枢反应去磁，则励磁电流应增加，反之则减小。五、同步发电机有功功五、同步发电机有功功率、无功功率的调节率、无功功率的调节同步发电机的转矩与功率的平衡：同步发电机的转矩与功率的平衡：空载空载 带负载带负载原动机输入转矩原动机输入转矩Tin=To Tin=To

13、+T阻阻（电磁转矩）（电磁转矩）原动机输入功率原动机输入功率Pin=Po Pin=Po +Pe （电磁功率）（电磁功率）原动机原动机励磁系统励磁系统主发电机主发电机发电机输出的功率包括：有功功率和无功功率发电机输出的功率包括：有功功率和无功功率由于一般负载均为感性负载：既有功功率和无功功率由于一般负载均为感性负载：既有功功率和无功功率无功功率的影响：感性负载的直轴去磁反应使主磁无功功率的影响：感性负载的直轴去磁反应使主磁通下降，端电压下降。通下降，端电压下降。有功功率的影响：因有功功率的影响：因IaIa与与E Eo o同相同相交磁反应，交磁反应， IaIa受受电磁力作用，使电磁力作用，使T阻阻

14、（电磁转矩）（电磁转矩）Tin，Pin=Po +Pe （电磁功率）发生变化，转速（电磁功率）发生变化，转速n下降，端下降，端电压下降，频率也下降。电压下降，频率也下降。同步发电机负载运行时的调节：同步发电机负载运行时的调节：1046改变无功功率：调节励磁电流改变无功功率：调节励磁电流改变有功功率：改变原动机的油门开度改变有功功率：改变原动机的油门开度 同步发电机独立运行有同步发电机独立运行有3个特点：个特点： 1.有功功率和无功功率完全由负载决定；有功功率和无功功率完全由负载决定； 2.频率随转速而变化，电压随励磁电流频率随转速而变化，电压随励磁电流而变化；而变化； 3.负载变化将引起频率（有

15、功）或电压负载变化将引起频率（有功）或电压（无功）的相应变化。（无功）的相应变化。同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行与无穷大电网并联与无穷大电网并联: 电网与单机容量比非常大，电网与单机容量比非常大，U、f不受单机调节影响。不受单机调节影响。并联运行：是指两台以上发电机同时向同一电并联运行：是指两台以上发电机同时向同一电网供电的工作状态。网供电的工作状态。并联条件：三个相等（电压、频率、相位）并联条件：三个相等（电压、频率、相位）U1=U2 f1=f2 1=2一个一致（相序）一个一致（相序）同步发电机的并联同步发电机的并联:有功功率的调节：减小原运行机的油门，增有功功率的调节：减小原运行机的油门，增加新并机油门，要同时调节。加新并机油门，要同时调节。155无功功率的调节：减小原运行机励磁电流，无功功率的调节：减小原运行机励磁电流，增加新并机励磁电流，要同时调节。增加新并机励磁电流，要同时调节。156同步发电机的解列：同步发电机的解列：同步发电机退出运行同步发电机退出运行解列解列减小解列机油门，增加继续运行机的油门，减小解列机油门，增加继续运行机的油门，要同时调节。要同时调节。减小解列机的励磁电流，增加继续运行机的