第三章 同步电机

船舶电机与电气控制系统机电系电气教研室第3章同步电机Synchronousgenerator3.1同步电机的结构3.2同步发电机的基本特性3.3同步发电机的电压、转矩和功率的平衡3.4同步发电机的并联运行3.5同步发电机的短路与振荡3.6同步电动机思考题第3章同步电机Synchronousgenerator本章要求:(demand)1.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。3.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。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。

主要内容：(maincontent)

同步电机的定子(stator) 主要掌握：定子结构

同步电机的转子

(rotor) 主要掌握：转子结构

同步电机的分类 主要掌握：无刷发电机3.1同步电机的结构

structureofsynchronousgenerator3.1同步电机的结构同步电机是由定子和转子两大部分组成：定子铁心、转子铁心和定、转子间的气隙构成同步电机的磁路。作为电力发电机基本上都采用Ｙ联接。一、同步电机的结构(structure)

1.定子(stator)电枢(armature)构造定子为电枢的同步电机：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，他们依次相差120空间电角度或120/p空间机械角度。三相绕组又称电枢绕组。旋转磁极式同步电机转子是直流磁极,产生恒定的磁极主磁通.2.转子构造(rotorstructure)转子磁极有两种结构形式,即隐极式(immergepole)和

凸极式(salientpole)（或称显极式）。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(slipring)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将直流电流引入励磁绕组中。转子结构(rotorstructure)隐极式转子转子铁心硅钢片转子轴上的滑环一对极隐极式两对极凸极式转子：有凸极式和隐极式两种。转子绕组是直流绕组。

二.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种类型,即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,即自励(selfexcitation)的和他励(otherexcitation)的。设有专用励磁电源的称为他励的。以发电机本身的电枢绕组(或辅助绕组)为励磁电源的是自励的。无刷同步发电机(non-brushgenerator)（他励）大多采用转枢式小型同步发电机为励磁机。这种励磁机的旋转电枢发出三相交流电,通过与之同轴旋转的二极管整流器整成直流后直接引入到发电机转子励磁绕组中。额定容量，连接方式,线电压,额定频率，磁极对数,额定转速,采用绝缘等级,冷却方式,设计标准环境温度等。三.国产船用柴油同步发电机系列部分产品

的基本数据简介

主要内容:(maincontent)

同步电机的空载特性(no-loadcharacteristic

) 主要掌握：电动势与励磁电流的关系

同步电机的电枢反映

(armaturereaction) 主要掌握：不同负载性质的电枢反映

同步电机的外特性和调节特性(externalandregulatingcharacteristic) 主要掌握：外特性和调节特性与电枢的关系3-2同步发电机的基本特性

basiccharacteristic

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(instantvalue)为：空载电动势的有效值为

式中o为每极下的总磁通.空载电动势的频率f与转子的转速n和磁极对数p成正比,即一.空载特性(nonloadcharacteristics)由以上两式可得Ke为电势常数(constant)保持发电机额定转速不变时,空载电动势随励磁电流变化的关系曲线称为空载特性曲线.Er：剩磁(residualmagnetism)电压（在额定转速下使If=0时所测得的电枢开路电压）。（1）K断开时，转子旋转，有剩磁(residualmagnetism)

电压Er。（2）空载额定相电压一般处在曲线的弯曲(bend)部分。（3）空载特性曲线实质上是电机磁路的磁化特性。二.电枢反应(armaturereaction)同步发电机接通负载三相电枢绕组产生三相电流产生旋转磁场a（电枢反应磁场）电枢磁场对磁极主磁场0的影响称为电枢反应即转子主磁场与电枢磁场同速旋转，故称同步电机(synchronousmachine)∴电枢反应效应与负载性质(loadproperty)有关。电枢磁场对转子主磁场的影响称为电枢反应。∵电枢磁场←电枢电流←取决于负载性质由于转子主磁场与电枢磁场相对静止，所以只需研究某一时刻的电枢反应即可。在这里，取A相电流达到最大值这一时刻A、画出定子A相剖面图，电流方向未知。B、确定A相电势达到最大值时转子磁极的位置。此时与A相匝链的磁通为0，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）。D、由于同相。此时电流也达到最大值。空载电势E0同相位(samephase)时的电枢反应1、电枢电流Ia与(a)xΦ0Φ0inNSA

交轴电枢反应：(qaxisarmaturereaction)使合成磁场的轴线从主磁极轴线方向往后偏斜了一个角度。前面的结论：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。即磁场方向与最大电流绕组的轴线一致。(a)x

AΦaΦ0Φ0ΦaΦiθnNSA、画出定子A相剖面图，电流方向未知。2、电枢电流落后于空载电动势90时的电枢反应(armaturereaction)B、确定A相电势达到最大值时转子磁极的位置。此时与A相匝链的磁通为0，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）。D、由于电流滞后。只有转子再转90度，电流才达到最大值。(a)xΦ0Φ0inNSA

直轴去磁电枢反应：(directaxisarmaturereaction)电枢磁场a与磁极磁场o在同一轴线上,但方向相反,起去磁效应使合成磁场<o。

xΦ0inNSΦaΦ0ΦaAA、画出定子A相剖面图，电流方向未知。3.电枢电流超前于空载电动势90的电枢反应(armaturereaction)B、确定A相电势达到最大值时转子磁极的位置。此时与A相匝链的磁通为0，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）。D、由于电流超前。电流已超前90度达到最大值。

xΦ0Φ0inNSx

直轴增磁电枢反应:(inceasingmagnetismarmaturereaction)电枢磁场a与磁极磁场o在同一轴线上,且方向相同,起增磁效应使合成磁场大于主磁场o。AΦ0inNSΦaΦ0ΦaX通常情况下,发电机的负载多为一般电感性负载,即电枢电流落后于空载电动势的角度ψ小于90。一般电感性负载的电枢反应既有去磁效应又有交磁效应。三.外特性和调节特性(regulatingcharacteristics)当保持额定转速不变、保持一定的负载功率因数和励磁电流不变时,发电机的端电压随电枢电流变化的特性U=f(I),称为外特性。1.外特性U=f(I)

电压变化率(varietyratio)同步发电机在cos=0.8(滞后)的负载时,其电压变化率约为20~40％,一般不超过50％。？为何在船上起动大容量异步电动机时，电网电压下降较大？

同步发电机在额定转速和一定的负载功率因数下,为保持端电压基本不变,励磁电流If随负载电流I而变化的关系If=f(I)称为调节特性。

2.调节特性If=f(I)一般，调整同步发电机的端电压(terminalvoltage)都是采用自动电压调整器(AVR)

主要内容：

同步电动机的转动原理(rotatingprinciple

) 主要掌握：转动与起动

同步电机例题

主要掌握：会分析电机的工作关系3.6同步电动机

synchronousmotor

同步电动机在结构上比异步机复杂，但比直流机简单。同步电机作为电动机运行时它的电枢接三相电源，轴上拖动机械负载；它从电源吸收电功率并将其转换成转子的机械功率。同步电动机广泛用于拖动恒速大容量的生产机械，如空气压缩机、粉碎机、鼓风机和水泵等。电力推进船舶也有采用同步电动机拖动螺旋桨的。

同步电动机

(synchronousmotor)

同步调速系统的缺点（1）同步机需在转子侧加一套励磁装置，其维护量增加。（2）同步机的控制比异步机的复杂。

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,所以转子的转速是同步转速n=60f/p.由于转子的转速总是等于旋转磁场的同步转速,故同步电动机有绝对硬机械特性.一、转动原理与起动rotatingprincipleandstart同步电动机的缺点：没有自起动能力.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。同步电动机的缺点是没有自起动能力。当转子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。

同步机的定子（电枢）和三相异步电动机的一样；而它的转子是磁极，由直流励磁。同步电动机的工作原理1.转动原理(rotatingprinciple)定子三相绕组通入三相交流电(threephasealternatingcurrent)旋转磁场转子转速接近n0时，对转子励磁。转子磁场因受定子磁场磁拉力的作用而随定子磁场同步旋转，达到同步转速。若转子磁场的磁极对数与定子磁场的磁极对数相等。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，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。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（5～10）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。同步电动机从电网吸收的电功率P1决定于其轴上输出的机械功率P,它的无功功率可通过调节励磁电流来改变.可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，电动机相当于电容性负载；欠励磁时相当于电感性负载。由于用户大量的负载是电感性的，为改善供电线路的功率因数，常使同步电动机工作于功率因数等于1或稍超前的功率因数下运行。

二.电动机的电流轴上不带任何负载专用于改善功率因数的同步电机称为同步补偿机。应用：2.7.2机械特性曲线根据转速公式(torqueformula)可知