第三章 同步电机

1、船舶电机与电气控制系统船舶电机与电气控制系统机电系机电系 电气教研室电气教研室电力拖动电力拖动电力拖动电力拖动本章要求本章要求: (demand)1.掌握同步发电机的结构和工作原理。掌握同步发电机的结构和工作原理。2.会分析同步发电机的电枢反应。会分析同步发电机的电枢反应。3.能根据同步发电机的电枢反应解释发电能根据同步发电机的电枢反应解释发电机的外特性和调节特性。机的外特性和调节特性。电力拖动电力拖动电力拖动电力拖动同步电机同步电机是一种交流电机，火力发电、水利发电或柴油机发电,船舶交流电站等，几乎全部采用同步发电机。同步电机除主要作为发电机外，还可用作电动机。电力拖动电力拖动 主要内容主要

2、内容：(main content) 同步电机的定子同步电机的定子(stator)(stator)主要掌握：主要掌握：定子结构定子结构 同步电机的转子同步电机的转子 (rotor)(rotor)主要掌握：主要掌握：转子结构转子结构 同步电机的分类同步电机的分类主要掌握：主要掌握：无刷发电机无刷发电机电力拖动电力拖动同步电机是由同步电机是由定子定子和和转子转子两大部分组成：两大部分组成：定定子铁心、转子铁心子铁心、转子铁心和和定、转子间的气隙定、转子间的气隙构成同步构成同步电机的电机的磁路磁路。作为电力发电机基本上都采用作为电力发电机基本上都采用联接。联接。一、同步电机的结构一、同步电机的结构(s

3、tructure) 1.定子定子(stator)电枢电枢(armature)构造构造定子为定子为的同步电机：定子铁心是由硅钢的同步电机：定子铁心是由硅钢片叠成。定子铁心槽内嵌放的三相对称绕组，他们片叠成。定子铁心槽内嵌放的三相对称绕组，他们依次相差依次相差120 空间电角度或空间电角度或 120 /p 空间机械角度。空间机械角度。 三相绕组又称三相绕组又称电枢绕组电枢绕组。电力拖动电力拖动旋转磁极式同步电机转子是旋转磁极式同步电机转子是直流直流磁极磁极, 产生恒定的产生恒定的磁极主磁通磁极主磁通. 2.转子构造转子构造(rotor structure)转子磁极有两种结构形式转子磁极有两种结构形

4、式, 即即隐极式隐极式(immerge pole)和和 凸极式凸极式(salient pole)（或称显极式）。（或称显极式）。 电力拖动电力拖动励磁绕组的两个出线端分别接到固定在转轴上的励磁绕组的两个出线端分别接到固定在转轴上的两个滑环上。两个滑环上。 两个滑环两个滑环(slip ring)彼此绝缘并对彼此绝缘并对轴绝缘。通过固定的电刷装置与滑环的滑动接触轴绝缘。通过固定的电刷装置与滑环的滑动接触将将直流电流直流电流引入引入励磁绕组励磁绕组中。中。电力拖动电力拖动电力拖动电力拖动 转子结构转子结构(rotor structure) 隐极式转子隐极式转子转子铁心转子铁心硅钢片硅钢片转子轴上的滑

5、环转子轴上的滑环一对一对极隐极隐极式极式两对极凸极式两对极凸极式转子：有转子：有凸极式凸极式和和隐极式隐极式两种。两种。转子绕组是直流绕组。转子绕组是直流绕组。电力拖动电力拖动 二二. 同步发电机的基本类型同步发电机的基本类型(type)1.按同步发电机定子和转子的结构及作用不同有两按同步发电机定子和转子的结构及作用不同有两种类型种类型, 即即旋转磁极式和旋转电枢式旋转磁极式和旋转电枢式。2.按同步发电机的励磁电源的不同有两种基本类型按同步发电机的励磁电源的不同有两种基本类型, 即即自励自励(self excitation)的和他励的和他励(other excitation)的的。设有专用励磁

6、电源的称为他励的。设有专用励磁电源的称为他励的。以发电机本身的电枢以发电机本身的电枢绕组绕组(或辅助绕组或辅助绕组)为为励磁电源的是自励的。励磁电源的是自励的。 电力拖动电力拖动无刷同步发电机无刷同步发电机(non-brush generator)（他励）（他励）大多采用转枢式小型同步大多采用转枢式小型同步发电机为励磁机。发电机为励磁机。 这种这种励磁机的旋转电枢发出三励磁机的旋转电枢发出三相交流电相交流电, 通过与之同轴通过与之同轴旋转的二极管整流器整成旋转的二极管整流器整成直流后直接引入到发电机直流后直接引入到发电机转子励磁绕组中。转子励磁绕组中。 额定容量额定容量 ，连接方式，连接方式,

7、 线电压线电压 , 额定频率，磁极额定频率，磁极对数对数, 额定转速额定转速, 采用绝缘等级采用绝缘等级, 冷却方式冷却方式, 设计标准环设计标准环境温度等。境温度等。三三. 国产船用柴油同步发电机系列部分产品国产船用柴油同步发电机系列部分产品的基本数据简介的基本数据简介电力拖动电力拖动 主要内容主要内容: (main content) 同步电机的空载特性同步电机的空载特性( (no-load characteristic ) )主要掌握：主要掌握：电动势与励磁电流的关系电动势与励磁电流的关系 同步电机的电枢反映同步电机的电枢反映 ( (armature reaction) )主要掌握：主要掌

8、握：不同负载性质的电枢反映不同负载性质的电枢反映 同步电机的外特性和调节特性同步电机的外特性和调节特性 ( (external and regulating characteristic ) )主要掌握：主要掌握：外特性和调节特性与电枢的关系外特性和调节特性与电枢的关系电力拖动电力拖动 在三相电枢绕组中产生对称的三相正弦空载电动在三相电枢绕组中产生对称的三相正弦空载电动势（即开路电压），其瞬时值势（即开路电压），其瞬时值(instant value)为：为：eEteEteEtAmBmCmsinsin()sin()120120空载电动势的有效值为空载电动势的有效值为 EEkfNm0024 44/

9、.式中式中 o为每极下的总磁通为每极下的总磁通. 空载电动势的频率空载电动势的频率 f 与转与转子的转速子的转速n和磁极对数和磁极对数p成正比成正比, 即即一一. 空载特性空载特性(non load characteristics)电力拖动电力拖动fpn60由以上两式可得由以上两式可得EKne00Ke为电势常数为电势常数(constant)Ef If0()保持发电机额定转速不变时保持发电机额定转速不变时, 空载电动势随励磁电流变化空载电动势随励磁电流变化的关系的关系 曲线称为曲线称为空载特性曲线空载特性曲线.Er：剩磁：剩磁(residual magnetism)电压电压（在额定转速下使（在额

10、定转速下使If=0时所测得的电枢时所测得的电枢开路电压）。开路电压）。电力拖动电力拖动（1）K断开时，转子旋转，有断开时，转子旋转，有剩磁剩磁(residual magnetism) 电压电压Er。（2）空载额定相电压一般处在曲线的）空载额定相电压一般处在曲线的弯曲弯曲(bend)部分。部分。（3）空载特性曲线实质上是电机磁路的磁化特性）空载特性曲线实质上是电机磁路的磁化特性 。)(0fFf电力拖动电力拖动二二. 电枢反应电枢反应(armature reaction)同步发电机接通负载同步发电机接通负载三相电枢绕组产生三相电流三相电枢绕组产生三相电流产生旋转磁场产生旋转磁场 a（电枢电枢反应反

11、应磁场磁场）电枢磁场对磁极主磁场电枢磁场对磁极主磁场 0 的影响称为电枢反应的影响称为电枢反应Pfn60060Pnf而即转子主磁场与电枢磁场同速旋转，故称即转子主磁场与电枢磁场同速旋转，故称同步电机同步电机 (synchronous machine)电力拖动电力拖动 电枢反应效应与负载性质电枢反应效应与负载性质 (load property)有关。有关。电枢磁场对转子主磁场的影响称为电枢磁场对转子主磁场的影响称为电枢反应电枢反应。 电枢磁场电枢磁场 电枢电流电枢电流取决于负载性质取决于负载性质由于转子主磁场与电枢磁场相对静止，所以只需由于转子主磁场与电枢磁场相对静止，所以只需研究研究某一时刻某

12、一时刻的电枢反应即可。的电枢反应即可。在这里，取在这里，取A相电流达到最大值这一时刻相电流达到最大值这一时刻电力拖动电力拖动A、画出定子、画出定子A相剖面图，电流方向未知。相剖面图，电流方向未知。B、确定、确定A相电势达到最大值时转子磁极的位置。此时与相电势达到最大值时转子磁极的位置。此时与A相匝链相匝链的磁通为的磁通为0，但导体切割磁场的磁通变化率最大。，但导体切割磁场的磁通变化率最大。C、确定电动势的方向（右手定则）。、确定电动势的方向（右手定则）。D、由于同相。此时电流也达到最大值。、由于同相。此时电流也达到最大值。 空载电势空载电势 E0 同同相位相位(same phase)时的电枢时

13、的电枢反应反应1、电枢电流、电枢电流 Ia 与与(a)x00iEnNSA电力拖动电力拖动 交轴电枢反应交轴电枢反应 ：(q axis armature reaction)使合成磁场使合成磁场 的轴线从主磁极的轴线从主磁极轴线方向往后偏轴线方向往后偏斜了一个角度斜了一个角度 。前面的结论：前面的结论：当某相电流为最大值时，合成磁场当某相电流为最大值时，合成磁场位置恰好在该相线圈所在平面的轴线上。即位置恰好在该相线圈所在平面的轴线上。即磁场磁场方向与最大电流绕组的轴线一致方向与最大电流绕组的轴线一致。(a)x Aa00aiEnNS电力拖动电力拖动A、画出定子、画出定子A相剖面图，电流方向未知。相剖

14、面图，电流方向未知。2、电枢电流落后、电枢电流落后于空载电动势于空载电动势90 时的电枢反应时的电枢反应(armature reaction)B、确定、确定A相电势达到最大值时转子磁极的位置。此时与相电势达到最大值时转子磁极的位置。此时与A相匝链相匝链的磁通为的磁通为0，但导体切割磁场的磁通变化率最大。，但导体切割磁场的磁通变化率最大。C、确定电动势的方向（右手定则）。、确定电动势的方向（右手定则）。D、由于电流滞后。只有转子再转、由于电流滞后。只有转子再转90度度，电流才达到最大值。，电流才达到最大值。(a) x00iEnNSA电力拖动电力拖动 直轴去磁电枢反应直轴去磁电枢反应 ：(dire

15、ct axis armature reaction)电枢磁场电枢磁场 a与磁极磁场与磁极磁场 o在同一轴线上在同一轴线上, 但方向但方向相反相反, 起去磁效应使合成磁场起去磁效应使合成磁场 o。 x0iEnNSa0aA电力拖动电力拖动A、画出定子、画出定子A相剖面图，电流方向未知。相剖面图，电流方向未知。3.电枢电流超前电枢电流超前于空载电动势于空载电动势90 的电枢反应的电枢反应(armature reaction)B、确定、确定A相电势达到最大值时转子磁极的位置。此时与相电势达到最大值时转子磁极的位置。此时与A相匝链相匝链的磁通为的磁通为0，但导体切割磁场的磁通变化率最大。，但导体切割磁场

16、的磁通变化率最大。C、确定电动势的方向（右手定则）。、确定电动势的方向（右手定则）。D、由于电流超前。电流已超前、由于电流超前。电流已超前90度度达到最大值。达到最大值。 x00iEnNS x电力拖动电力拖动 直轴增磁电枢反应直轴增磁电枢反应: (inceasing magnetism armature reaction)电枢磁场电枢磁场 a与磁极磁场与磁极磁场 o在在同一轴线上同一轴线上,且方向相同且方向相同,起增磁效应使合成磁起增磁效应使合成磁场场 大于主磁场大于主磁场 o。 A0iEnNSa0a X电力拖动电力拖动通常情况下通常情况下, 发电机的负载多为一般电感性负载发电机的负载多为一般

17、电感性负载, 即电即电枢电流落后于空载电动势的角度枢电流落后于空载电动势的角度小于小于90 。一般电感一般电感性负载的电枢反应既有去磁效应又有交磁效应。性负载的电枢反应既有去磁效应又有交磁效应。)90sin(20tNfeml电力拖动电力拖动三三.外特性和调节特性外特性和调节特性(regulating characteristics)当保持额定转速不变、保持当保持额定转速不变、保持一定的负载功率因数和励磁一定的负载功率因数和励磁电流不变时电流不变时, 发电机的端电压发电机的端电压随电枢电流变化的特性随电枢电流变化的特性U=f(I), 称为外特性。称为外特性。1.外特性外特性U=f(I) 电压变化

18、率电压变化率(variety ratio) UUUUnn%01 0 0 %同步发电机在同步发电机在cos=0.8 (滞后滞后)的负载时的负载时, 其电压变其电压变化率约为化率约为2040, 一般不超过一般不超过50。 ？为何在船上起动大容量异步电动机时，电网电压为何在船上起动大容量异步电动机时，电网电压下降较大？下降较大？电力拖动电力拖动 同步发电机在额定转速和同步发电机在额定转速和一定的负载功率因数下一定的负载功率因数下, 为为保持端电压基本不变保持端电压基本不变, 励磁励磁电流电流If随负载电流随负载电流I而变化而变化的关系的关系If =f(I)称为调节特称为调节特性。性。 2.调节特性调

19、节特性If =f(I) 一般，调整同步发电机的端电压一般，调整同步发电机的端电压(terminal voltage)都是采用都是采用自动电压调整器自动电压调整器(AVR)电力拖动电力拖动 主要内容主要内容： 同步电动机的转动原理同步电动机的转动原理( (rotating principle ) )主要掌握：主要掌握：转动与起动转动与起动 同步电机例题同步电机例题 主要掌握：主要掌握： 会分析电机的工作关系会分析电机的工作关系 电力拖动电力拖动 电力拖动电力拖动 以电动机状态运行时，转子与旋转磁场之间是靠异以电动机状态运行时，转子与旋转磁场之间是靠异极相吸的作用转子被旋转磁场拉着转动极相吸的作用

20、转子被旋转磁场拉着转动, 所以所以转子的转子的转速是同步转速转速是同步转速n=60f/p. 由于转子的转速总是等于旋由于转子的转速总是等于旋转磁场的同步转速转磁场的同步转速, 故同步电动机有故同步电动机有绝对硬机械特性绝对硬机械特性.一、转动原理与起动一、转动原理与起动rotating principle and start同步电动机的缺点：同步电动机的缺点：没有自起动能力没有自起动能力.同步电动机必须靠外力或辅助设备起动同步电动机必须靠外力或辅助设备起动. 目前目前仍被广泛采用的起动方法是仍被广泛采用的起动方法是异步起动法异步起动法。电力拖动电力拖动 同步电动机的缺点是没有自起动能力。当转子

21、静止而电枢接通电网时，电枢旋转磁场以很高的同步转速相对于主磁极旋转，因转子有惯性，靠旋转磁场和转子磁极的异极相吸的作用不能拉动转子转动。例如当旋转磁场的N极与磁极的S极相作用力图拉动转子随其转动，但转子还未动时旋转磁场的S极已转了过来，两极又产生相斥的作用而阻止转子转动，所以不能自起动。因此同步电动机必须靠外力或辅助设备起动。目前仍被广泛采用的起动方法是异步起动法。 电力拖动电力拖动分分）转转/( 6010pfn 电力拖动电力拖动采用异步起动的同步电动机必须设有阻尼绕组（也称起动绕组），即在铁心磁极的圆周面的槽中嵌人短路的鼠笼条。起动时同步电动机的励磁绕组不加励磁电流，当电枢绕组接通三相电源时

22、，如同三相异步电动机一样先将转子起动起来；当转子的转速接近于同步转速时再接通直流励磁电流，这时靠异极相吸的作用足以将转子拉人同步。电力拖动电力拖动 为避免在起动过程中旋转磁场切割励磁绕组产生高压而损坏绝缘或危及人身安全，所以起动时励磁绕组不能开路；另外励磁绕组也不能直接短路，而要串联一个适当的外接电阻R构成闭合回图,以避免产生过大的短路电流。外接电阻约为励磁绕组电阻的（510）倍。其操作方法是起动前用开关先将R接通励磁绕组（开关在1的位置)，然后将电枢接通三相电源开始起动，待转速接近于同步转速时用开关断开R并接通励磁电源（开关在2的位置) ，如图3-4-1所示。 电力拖动电力拖动同步电动机从电网吸收的电功率同步电动机从电网吸收的电功率P1决定于其轴上输出的决定于其轴上输出的机械功率机械功率P, 它的无功功率可通过调节励磁电流来改变它的无功功率可通过调节励磁电流来改变.可可使电枢电流超前电压或落后于电压或与电压同相位，其使电枢电流超前电压或落后于电压或与电压同相位，其原理与发电机基本相同。当过励磁时电流超前于电压，原理与发电机基本相同。当过励磁时电流