船舶电气设备及系统课件 第四章

第四章同步电机第四章同步电机第四章小结§4-1三相交流同步电机的基本结构及铭牌数据§4-2同步发电机的基本工作原理和空载特性§4-6同步发电机功率调节§4-3同步发电机的负载运行和电枢反应§4-4同步发电机的电势方程和等效电路§4-5同步发电机运行特性§4-8同步电动机§4-7同步发电机的短路与振荡§4-1三相交流同步电机的基本结构、工作原理及铭牌数据本节的主要内容三相交流同步电机的基本结构三相交流同步发电机的基本工作原理铭牌数据4.1.1三相交流同步电机(synchronousgenerator)

的基本结构基本结构：定子和转子。定子结构：——

一般是三相电枢绕组（转极式）

结构：由铁心和绕组组成，与异步电机定子基本相同。机座号相同时若与异步机互换仍可运行。

区别：主要是尺寸方面，同步电机通常容量较大，而异步机的容量相对较小。因此，从表面上看同步机机壳无散热片，异步机则有散热片。

接线：发电机定子绕组通常采用Y形连接

——减小三次谐波影响。同步电机的运行状态发电机——把机械能转换为电能

电动机

——把电能转换为机械能补偿机

——没有有功功率的转换，只发出或吸收无功功率同步电机运行状态，主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角，称为功率角。同步电机旋转电枢式

旋转磁极式

隐极式(Salient-pole)

凸极式(Cylindrical-Rotor)

基本结构转子结构——一般是励磁绕组转子：励磁绕组是直流绕组。隐极式转子结构：隐极式铁心隐极式转子大型机的转子支架转子铁心硅钢片一对极隐极式示意图隐极式转子结构示意滑环两对极凸极式转子立体示意图电机截面示意图4.1.2三相交流同步发电机的基本工作原理直流电流通入励磁绕组，主磁极产生励磁磁通。主磁极被原动机拖动，以同步转速旋转，其磁通密度沿气隙近似正弦波形分布。励磁磁场依次切割定子各相绕组（相当于绕组导体反向切割）。定子三相电枢绕组就会感应出大小和方向按周期性变化的交变正弦电动势。直流电源由滑环向转子提供励磁电流，产生磁场；原动机拖动转子旋转，转子磁场切割三相定子绕组，感应三相交流电。导体感应电动势励磁绕组通入直流电后产生磁场，发电机转子由原动机拖着以恒定转速n1相对于定子顺时针方向旋转，定子导体相对磁场运动感应电动势，感应电动势可以由e=bδlv决定。当导体长度一定、转速一定时，导体感应电动势由气隙磁通密度大小决定。感应磁力线如图所示：每个磁回路包围的电流都相同，因此作用在每个磁回路上的磁动势都相同。根据安培环路定律：由公式:在磁极表面与定子铁心之间，气隙长度相等，且气隙较小。气隙小，磁阻就小，相同的磁动势产生的磁通密度就大；反之，相邻磁极之间的气隙大。气隙大，磁阻就大，相同的磁动势产生的磁通密度就小。因此，气隙周围的气隙磁通密度分布如下图所示：图4-6三相空载电势向量图图4-5同步发电机主磁极下气隙的磁通密度分布电动势瞬时值为:由于三相电枢绕组在空间相差120º电角度，三相电动势相位也相差120º。——P.53，式4-1即有关公式式4-2与变压器公式多了kw，称为绕组系数。是绕组短距和分布引起的。

电势、频率公式：4.1.3铭牌数据

铭牌数据：主要铭牌数据有：额定容量（或功率）、额定电压、额定电流、额定功率因数、额定频率、额定转速、绝缘等级、温升、励磁电压、励磁电流等。

注意：额定容量、额定电压、额定功率因数和额定电流可能只标出三个（∵第四个参数可以求出）。额定容量

SN——指额定运行时电机的输出功率

额定电压UN——指额定运行时定子的线电压

额定电流IN——指额定运行时定子的线电流

额定功率因数——指额定运行时电机的功率因数额定频率fN——指额定运行时电枢的频率额定转速nN——指额定运行时电机的转速，即为同步转速

额定值：结构（基本结构、组成、转极式和转枢式）；原理（原动机转，磁场切割绕组产生电势，在空间互差120°，所以是三相交流电势）；额定参数（主要是容量、电压、电流、功率因数、频率）。第一节要点§4-2三相交流同步发电机运行特性本节的主要内容同步发电机空载运行特性同步发电机对称负载运行三相交流同步发电机电压平衡方程和相量图三相交流同步发电机的外特性及调节特性三相交流同步发电机的功角特性空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所建立的主极磁场。见图表示一台四极电机空载时的磁通示意图。从图可见，主极磁通分成主磁通0和漏磁通f两部分，前者通过气隙并与定子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁绕组相交链。主磁通所经过的主磁路包括空气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭等五部分。空载运行4.2.1同步发电机空载运行特性(no-loadcharacteristic

)保持n=nN，空载电势E0与励磁电流If的关系曲线。

P.54，+6行的k是饱和系数。等于总磁势与不饱和磁势之比。也等于饱和电势与不饱和电势之比。空载特性实质是磁化曲线。k一般为1.1～1.25空载特性实验：按如图所示接线，起动原动机拖动同步发电机转子旋转，将励磁回路电阻Rf调至最大，合上励磁回路电源开关。观察电流表A和电压表V

的数值并记录。空载特性实验注意注意：只能单方向调节电阻。方法：逐步将Rf调小，使电流逐步增大，记录数据。然后逐步将Rf调大再记录数据。4.2.2同步发电机对称负载运行同步发电机负载后，三相电枢绕组也将产生旋转磁场（与异步电动机一样）；稳定运行时，电枢磁场（电气磁场）与励磁磁场（机械磁场）之间没有相对运动；电枢磁场对转子磁场（气隙磁场）的影响称为电枢反应；电枢反应的大小、性质与负载电流的大小、相位有关（与负载的大小、性质有关）。

内功率因数角

：Ė0与İa之间的相位角。电枢电流与空载电势特殊关系有：同相位、滞后和超前三种。与之对应的电枢反应的性质有：交轴、直轴去磁和直轴增磁三种。发电机负载一般为感性负载(inductiveload)。一般情况感性滞后的电流：电枢反应---时空相矢量图交轴反应（同相位）直轴去磁（滞后）直轴增磁（超前）对称负载时的电枢反应电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场就称为电枢反应。电枢反应的性质（增磁、去磁或交磁）取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。分析表明，此相对位置取决于激磁电动势E0和负载电流Ia之间的相角差0（

0称为内功率因数角）。下面分成两种情况来分析。以电角度表示的空间角度后，转子在空间上转过一个电角度，电动势相量在时间上也转过同样的角度。转向：转子沿着从A相绕组轴线到B相绕组轴线，再到C相绕组轴线的方向转动，感应电动势和电流的方向为A、B、C；产生基波电枢电动势的转向也是由A相绕组轴线向B相绕组轴线，再到C相绕组轴线，即与转子旋转一样。磁动势：哪一项电流达到最大值，三相合成基波磁动势，Fa就和该项绕组轴线重合。Ė0与İ同相时：a)定子绕组电动势、电流和磁动势的空间矢量图Ė0与İ同相时：b)时间矢量图Ė0与İ同相时：c)时-空统一矢量图根据螺旋定则：主磁极前半部的磁场因两磁场的磁力线方向相反而被削弱；

主磁极后半部的磁场因两磁场的磁力线方向相同而被加强。其结果使得气隙的合成磁势的轴线的相比原转子磁势的轴线逆转子转向偏转一个锐角，并发生畸变。幅值增加合成磁势SNFfFaFδĖ0与İ同相时：d)气隙合成磁场与主磁场的相对位置Ė0与İ不同相时：a)İ滞后于Ė0的空间矢量图AĖ0与İ不同相时：b)İ滞后于Ė0的时-空统一矢量图Ė0与İ不同相时：c)İ超前Ė0的时-空统一矢量图4.2.3三相交流同步发电机电压平衡方程和相量图同步发电机负载运行时与电枢绕组交链的磁通有3个：励磁磁通、电枢反应磁通和漏磁通。3个磁通都分别在电枢绕组感应电势：空载电势、电枢反应电势和漏磁电势。忽略磁路饱和，引入参数：电枢反应电抗。同步电抗Xs=Xa+X，注意：Xs

＞Xa＞X

。忽略电枢电阻用电抗表示ea和e电枢绕组电路电压平衡方程：隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路一、不考虑磁饱和时同步发电机负载运行时物理量的关系：在时间相位上，Ėa滞后于以90°电角度，若不计定子铁耗，与İ同相位，则Ėa将滞后于İ以90°电角度于是亦可写成负电抗压降的形式，即采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，电枢的电压方程为因为电枢反应电动势Ea正比于电枢反应磁通a不计磁饱和时，a又正比于电枢磁动势Fa和电枢电流I，即

(4—6)

(4—7)

将式(4—6)代人式(4—7)，可得

(4—8)

式中：Xs称为隐极同步电机的同步电抗，Xs=Xa+X，它是对称稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两个效应的一个综合参数。不计饱和时，Xs是一个常值。图4—2c表示与式(4—8)相应的等效电路。从图4—2c可以看出，隐极同步发电机的等效电路由激磁电动势和同步阻抗Ra+jXs串联组成，其中E0表示主磁场的作用，Xs表示电枢反应和电枢漏磁场的作用。二、考虑磁饱和时考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理不再适用。此时，应先求出作用在主磁路上的合成磁动势F，然后利用电机的磁化曲线(空载曲线)求出负载时的气隙磁通及相应的气隙电动势。再从气隙电动势减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，便得电枢的端电压，即相应的矢量图、相量图既有电动势相量，又有磁动势矢量。故称为电动势—磁动势图。（不做要求）或电势公式电势公式可应用三角计算公式从相量图得到：三角形构成——以E0为斜边以U相量及其延长线为一条直角边，构造一个直角三角形。与电流I有关相量变换（投影）到直角边都与功率因数角有关。隐极机相量图根据电压平衡方程可画出相量图。但负载不同时，相量图的形状也不同。感性负载忽略电枢电阻电阻性负载容性负载凸极机相量图说明不考虑磁路饱和，可以将电枢磁势单独分为直轴和交轴两个分量，然后根据各自不同磁路的磁阻计算直轴和交轴磁通，最后再将两个磁通合成气隙磁通。凸极机一相电枢绕组的电压平衡方程式为：

其中：Xd=Xad+X；Xq=Xaq+X，分别称为交、直轴同步电抗。İd=İsin，İq=İcos

，分别是电枢电流İ在交、直轴方向上的分量。

其相量图(见下页)，就是书P.59，图4-17。凸极机相量图气隙不均匀所以电抗分为直轴与交轴凸极机的分析计算较烦琐考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，就称为双反应理论。凸极同步电机的气隙是不均匀的，极面下气隙较小，两极之间气隙较大，故直轴下单位面积的气隙磁导d(d＝0/d)要比交轴下单位面积的气隙磁导q(q＝0/q)大很多，如图4—3所示。当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时，由于d较大，故在一定大小的磁动势下，直轴基波磁场的幅值Bad1相对较大。一、双反应理论凸极同步发电机的电压方程和相量图（补充）凸极同步发电机的电压方程和相量图

不考虑磁饱和时同步发电机负载运行时物理量的关系：二、凸极同步发电机的电压方程和相量图

从气隙电动势减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，便得电枢的端电压。采用发电机惯例，电枢的电压方程为：，（4-9）不计磁饱和时

和可以用相应的负电抗压降来表示（4–10）将式(4-10)代入式(4-9)，并考虑，可得

式中，Xd和Xq分别称为直轴同步电抗和交轴同步电抗，它们是表征对称稳态运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反应的一个综合参数。上式就是凸极同步发电机的电压方程。图4-4表示与上式相对应的相量图。引入虚拟电动势，使（4-12）由式（4-12）相量图如图4-5所示。由图4-5不难确定由式4-12可得凸极同步发电机的等效电路，如图4-６所示。4.2.4三相交流同步发电机外特性及调节特性外特性：同步发电机外特性与变压器相似，但电压调整率计算式P.58.式（4-12）与P.23.式（2-13）电压变化率不同。同步发电机的外特性是指在转速额定值nN下运行，励磁电流If不变，负载功率因数一定时，发电机端电压和负载电流的关系，即U=f(Ia)曲线。

特性：为了保持电压不变，在功率因数一定时，励磁电流应随电枢电流进行变化调节的曲线。不同的功率因数，电枢反应大小不一样，性质也可能不同。调节特性(regulatorcurve)电枢反应去磁，则励磁电流应增加，反之则减小。说明：书上P.58的外特性没有画全，P.59，图4-16的调节特性则存在错误，具体见下页说明。外特性与调节特性说明(补充)容性负载的电枢反应具有增磁性质是指容性负载阻抗值比电枢绕组的同步电抗大时才具有。也就是说，只有＜0时，电枢反应性质是增磁的。若容抗小于同步电抗，虽然＜0，但＞0，此时电枢反应的作用只能是减少去磁的作用而不是增磁。保持cos

＜0不变，容性负载增大则容抗减小，当容抗小于同步电抗后，电枢电流相位虽然仍然超前端电压，但却可能滞后空载电势，即：

＜0，＞0。也就是说，电枢反应的总体作用变成具有去磁性质。因此带容性负载时，外特性达到最大值后将下降；带容性负载时，调节特性下降到最小值后也将上升。一、功率方程和电磁功率

功率方程：若转子励磁损耗由另外的直流电源供给，则发电机轴上输入的机械功率Pl扣除机械损耗Pm和定子铁耗PFe后，余下的功率将通过旋转磁场和电磁感应的作用，转换成定子的电功率，所以转换功率就是电磁功率PM，即

再从电磁功率PM中减去电枢铜耗Pcu可得电枢端点输出的电功率P2

；即4.2.5三相交流同步发电机的功角特性(4-13)

(4-14)如果不计Ra影响：P2≈PM

而从式（4-14）可知，电磁功率PM为由图4—3可见故同步电机的电磁功率亦可写成上式的第一部分与感应电机的电磁功率表达式相同，第二部分则是同步电机常用的。对于隐极同步电机，由于EQ＝E0，故有二、转矩方程式中，T1为原动机的驱动转矩，Te为电磁转矩，T0为空载转矩，分别为：(4-15)

把功率方程(4—13)除以同步角速度，可得转矩方程功角：是发电机磁极磁场与气隙合成磁场间的空间相角，若忽略电枢绕组漏阻抗压降，可认为合成磁场产生端电压，则功角也等于E0与U之间的相位角。对于凸极机，直交轴方向气隙不均匀，Xd≠Xq，∴多了一个“反应转矩”（书P.59）。若将功角特性两边除角转速，可得转矩与功角之间的关系，称为矩角特性。PM决定于E0和U之间的相角。=90时PM最大，以后递减。

考虑过载能力，一般要求在2535。

加大激磁电流和减小同步电抗

——提高Pmax

——提高过载能力和稳定性。(a)隐极机(b)凸极机图4-18同步发电机的功角特性同步发电机有功功率调节

单机运行（或与小电网并联）时，发电机输出的有、无功功率完全由负载决定；

并联运行时，若不增加油门只增加励磁电流，由于输入有功功率不变，输出的有功功率也不变（此时，虽然E0增加了，但角却减小）。因此，只有电枢电流的相位发生变化，即输出无功功率发生变化。调节原动机油门可以改变输出的有功功率（或频率）；调节励磁电流则可改变输出的无功功率（或电压）。——见“补充说明（无功功率）”。所谓“过励”是指使发电机输出感性无功的励磁状态，具体见“补充说明（无功功率）”。当原动机正好克服各种损耗时，发电机PM

=０当励磁电流不变时，PM与功率角成正比。当输入机械功率增加时——转速增加——转子磁场轴线相对于合成磁场轴线的空间角（功率角）增大——PM增大；反之亦然——有功功率的调节中功率角起着自动平衡的调节作用。如果转子磁场轴线落后于合成磁场轴线的空间角——PM负值——电动机运行——逆功率保护。电磁转矩与电磁功率成正比空载特性及其实质；电枢反应（3种典型、一般情况）；平衡方程与相量图（隐极机、不饱和）；外特性与u；调节特性；功角特性与有、无功调节第二节要点§4-3同步电动机本节的主要内容同步电动机的基本原理同步电动机的无功功率调节同步电动机起动永磁同步电动机（教学大纲未要求，不介绍）4.3.1同步电动机(synchronousgenerator)的基本原理由同步发电机的功角特性可知：当同步发电机处于空载状态并联在电网时，若将原动

转动原理：结论：功角＜0，输出P＜0，即输入P，变成同步电动机。——转速仍然是同步转速。机通过离合器脱开，此时转子在机械阻转矩的作用下将减速，电机的功角＜0，输出的有功功率为负值，即表示从电网吸收有功功率。也就是说：同步发电机就变成了同步电动机。同步发电机负载后，气隙合成磁场F

，相当于在同步发电机的定子上存在一个磁极。一般情况下，气隙磁场F

滞后于励磁磁场Ff一个角度

(即电压U滞后空载电动势E0的角度

)，因此同步发电机负载时，相当于Ff拖着F

旋转。——TM为制动转矩。如果减小原动机的机械功率，则电磁功率也减小——当

＝０时，F

与Ff重合——电磁转矩为零——临界状态。如果此时脱开原动机——阻力——Ff滞后F

一个

——TM为驱动转矩——电动状态——只能用变频才能调速。负载时的气隙磁场4.3.2同步电动机的无功功率调节有功功率：取决于负载转矩。若负载变励磁If不变，则变，无功和功率因数也将变化。∵E0sin=XsIcos，变，Icos也变，∴Isin也变，即无功和功率因数变。结论：有功变，无功与功率因数都变。无功功率：若负载转矩不变而励磁变，∵If变，E0也变，而E0sin保持不变（能量守恒）。因此有结论：无功变，有功保持不变。无功的调节与同步发电机无功调节情况一样。正常运行时，同步电动机都工作在“过励”状态，可向电网输出感性无功。——这是使用它的目的。无功功率调节：恒功率线aa、恒定有功电流线bb与无穷大电网并联时，发电机电压不变。若保持油门不变，则Pe

=3UIcos不变，即Icos和E0sin都不变。此时，若调节If

，励磁磁通0和空载电势E0将发生变化。由图可见，调节励磁电流If，空载电势E0发生变化，功率因数角也随之发生变化，输出无功功率发生变化。励磁电流小（欠励---I超前）时，E0小，

＜0，输出超前的无功功率；励磁电流增大，E0也增大，当=0时，输出无功为零；继续增大励磁电流（过励---I滞后）时，E0进一步增大，＞0，输出落后的无功功率。与无穷大电网并联运行，有如下特点：1、发电机输出的有功和无功功率不直接决定于电网的负载，需通过调节或控制来改变。2、改变发电机输入的机械功率，可改变其输出的有功功率，但不能改变电网频率。3、改变发电机的励磁电流，可改变发电机输出的无功功率，但不能改变电网的电压。同步发电机与大电网并联运行时功率调节的结论1.调节油门，可以调节发电机输出的有功功率大小；2.调节励磁电流，可以调节发电机输出的无功功率大小；3.调节一台发电机的油门或者励磁电流，电网的频率和电压不会发生变化。——与大电网并联——输出感性无功等于消耗容性无功；——输出容性无功等于消耗感性无功。未接电容之前消耗感性，电容消耗容性无功后，整个电路不消耗无功功率。分析：若直接将静止不动的同步电动机转子进行励磁，而在定子三相电枢绕组通入三相交流电，在气隙中将有励磁磁场（恒定不变）和电枢磁场（旋转）同时存在，当电枢磁场超前励磁磁场时，将拖动励磁磁场转动，由于转子存在着惯性，而电枢磁场转速又很快，在180°内电枢磁场不能及时将转子拉入同步，而超过180°后，电枢磁场与励磁磁场的相互作用力变成斥力，于是在一个周期内，电磁转矩的平均值为零。因此，同步电动机不能直接起动。4.3.3同步电动机的起动拉入同步、异步起动和变频起动法

拉入同步法：又称间接起动法，是通过其它机械（原动机）将同步电动机起动至额定转速后，定子绕组通电，转子励磁绕组通励磁电流，同时机械离合器脱开原动机并带上机械负载，同步电动机进入正常的电动运行状态工作。变频起动法：采用变频器起动，有调速要求才使用。起动方法：主要有拉入同步法（间接起动）、异步起动法和变频起动法三种——主要掌握异步法。异步起动法：依靠同步电动机磁极上的起动绕组（类似鼠笼绕组）起动。起动时，将转子绕组串联一个5～10倍励磁绕组电阻值的电阻，定子接入三相交流电，起动绕组以异步机的原理起动，当转子转速接近同步转速时，励磁绕组通过转换开关断开串联的电阻，接入正常励磁电流，此时由于电枢磁场与励磁磁场的相对转速很小，转子在电枢磁场的作用下将被拉入同步。拉入同步后的电动机就可带动机械负载正常工作。——异步起动法是最常见的起动方法。拉入同步、异步起动和变频起动法起动方法：主要有拉入同步法（间接起动）、异步起动法和变频起动法三种——主要掌握异步法。异步法起动时注意：励磁绕组既不能开路也不能短路，而应在转子绕组回路中串联一个5～10倍励磁绕组电阻值的电阻。这是因为：由于励磁绕组的匝数很多，起动时，若开路则会感应出很高的电压，造成设备损坏等后果。若直接短路，则短路电流较大，会烧坏励磁绕组。

转子回路电阻的作用：即降压又限流。异步起动法注意图4-21同