第05章p 船舶同步电机

第5章船舶同步电机

第一节三相同步发电机的基本类型和结构第二节同步发电机的电枢反应第三节同步发电机的电势方程和相量图第四节同步发电机的运行特性第五节同步电动机第一节三相同步发电机的基本类型和结构以转子绕组形式分类，有旋转电枢式和旋转磁极式。

同步电机与其他电机一样，由定子和转子两大部分组成。旋转磁极式同步发电机旋转电枢式同步发电机三相同步发电机（旋转磁极式）定子与三相异步电机的相同，主要有嵌放在铁心槽中的三相对称绕组，转子上装有磁极和励磁绕组。当励磁绕组通以直流电流以后，电机内产生转子磁场，如用原动机带动转子旋转，则转子磁场与三相定子绕组间有相对运动，就会在三相定子绕组中感应出交流电势。定子部分

定子是由定子铁心、定子三相绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。定子铁心由硅钢片叠压而成。定子铁心槽内嵌放三相依次相差120º电角度（或120º/P空间机械角度）的绕组，称为三相电枢绕组，是交流电路部分。转子部分

转子磁极有两种结构形式

隐极式

凸极式（也称显极式）

自励同步发电机无刷同步发电机励磁系统

主发电机G和励磁机LG都是三相同步发电机

TYQ相复励调压装置机械端口转子定子绕组定子铁心电端口ABC汽轮发电机结构600MW汽轮发电机国产300MW汽轮发电机国产200MW汽轮发电机定子国产200MW汽轮发电机定子铁心柴油机发电机三相交流同步发电机的基本工作原理

当转子由原动机以恒定转速驱动。极性相间的励磁磁场随轴一起旋转，并依次切割定子各相绕组（相当于绕组导体反向切割励磁磁场）。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。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。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,即由以上可得Ke为电势常数额定容量，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。铭牌数据

额定容量：指额定运行时电机的输出功率额定电压：指额定运行时定子的线电压额定电流：指额定运行时定子的线电流额定转速：指额定运行时电机的转速额定功率因数：指额定运行时电机的功率因数额定频率：指额定运行时电枢的频率通常把同步发电机转子转速为同步额定转速条件下，空载电动势E0与励磁电流的关系曲线称为同步发电机空载特性曲线E0=f（If）或称开路特性曲线。

第二节同步发电机的电枢反应同步发电机空载运行

Er：剩磁电压（在额定转速下使If=0时所测得的电枢开路电压）。同步发电机对称负载运行

同步发电机定、转子之间的气隙同时出现两个旋转磁场。当同步发电机接通负载时,三相电枢绕组的三相电流将产生旋转磁场a,这种旋转磁场称为电枢反应磁场。电枢反应电枢磁场对磁极主磁场的影响称为电枢反应直轴directaxis称d轴交轴quadratureaxis称q轴

将空间分成直轴、交轴后再进行分析电枢反应效应与负载性质有关空载电势电枢电流1）电枢电流与空载电势同相位时（即Ψ=0）的电枢反应

交轴电枢反应：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。d轴q轴U1U2

W2V1W1V2NS电枢反应性质：交轴电枢反应

直轴去磁电枢反应：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。2）电枢电流落后于空载电动势90时的电枢反应d轴q轴U1U2

W2V1W1V2NS电枢反应性质：直轴去磁电枢反应

直轴增磁电枢反应：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。3）电枢电流超前于空载电动势90的电枢反应d轴q轴U1U2

W2V1W1V2NS电枢反应性质：直轴增磁电枢反应4）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。d轴q轴U1U2

W2V1W1V2NS电枢反应性质：既有交轴,还有直轴去磁电枢反应第三节同步发电机的电势方程和相量图同步发电机负载运行时，气隙中存在两个旋转磁场，即电枢磁场和主极磁场。这两个磁场各自在定子绕组中感应电势，这些电势的总和减去定子漏阻抗压降后，就可得到发电机的端电压。正弦电动势e0、ea和eσ是分别由转子旋转磁通0、电枢旋转磁通a和电枢绕组漏磁通σ产生的，Ra是电枢绕组的电阻。其电压平衡方程式为相量分别表示为

X=E/I称为电枢漏电抗;Xa=Ea

/I称为电枢反应电抗。相量分别表示为

和电枢电路的相量电压方程可写为同步电抗Xs=Xa+X,同步阻抗Zs=Ra+jXs.通常Ra<<Xs,可忽略,最常用的简化电压方程为

电感性负载的简化相量图相量E0和U之间的相位差角θ称为功率角电阻性负载的简化相量图电容性负载的简化相量图

直轴directaxis称d轴交轴quadratureaxis称q轴

将空间分成直轴、交轴后再进行分析当凸极式同步发电机负载运行时，由于其气隙不均匀，因此当同一电枢磁势作用在直轴将比作用在交轴时得到较大的电枢磁势。1凸极式同步发电机当电枢磁势作用在直轴与交轴之间的任意位置时，需要将电枢磁势分解成直轴分量和交轴分量。直轴及交轴电枢磁场是同主极磁场相互独立地存在于同一磁路中，它们将各自产生对应的磁通，并在定子绕组里感应对应的电势。将凸极式同步发电机的电枢反应分解为直轴分量和交轴分量，从而导出两个同步电抗。双反应法再分别求出每一同步电抗所产生的电压降，这一方法称为双反应法。不计磁饱和时，根据双反应理论，把电枢磁动势Fa分解成直轴和交轴磁动势Fad、Faq，分别求出其所产生的直轴、交轴电枢磁通、和电枢绕组中相应的电动势、，再与主磁通所产生的激磁电动势相量相加，便得一相绕组的合成电动势(通常称为气隙电动势)。直轴directaxis交轴quadratureaxis上述关系可表示如下：不计磁饱和时可以用相应的负电抗压降来表示并考虑式中，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。凸极式同步发电机的电势方程为：图5-11感性负载时凸极式同步发电机电势相量图凸极式同步发电机简化相量图2隐极式同步发电机

隐极式同步发电机的电势方程为：隐极式同步发电机相量隐极式同步发电机简化向量第四节同步发电机的运行特性1同步发电机的空载特性

2同步发电机的外特性

3同步发电机的调节特性

4同步发电机的短路特性

5同步发电机的功角特性6三相同步发电机单机运行时的特点1同步发电机的空载特性U0=f(If)

原动机拖动发电机转子旋转，在发电机的转子绕组上加直流励磁，定子电枢绕组开路（发电机主开关处于断开）状态，称为同步发电机的空载运行。空载时，发电机的转速n等于同步转速、电枢电流Ia=0，空载电压U0与励磁电流If的关系称为空载特性，表示为：空载特性曲线0VAABCSU+空载特性可以通过实验方法测得当同步发电机的负载变化时，为保持端电压不变，必须同时调节发电机的励磁电流，以补偿电枢反应的去磁、增磁作用和阻抗压降。2

同步发电机的外特性U=f(I)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(I)

电压变化率同步发电机在cosΦ=0.8(滞后)的负载时,其电压变化率约为20~40％,一般不超过50％。不同负载时同步发电机的相量图3同步发电机调节特性If=f(I)当同步发电机的负载变化时，为保持端电压不变，必须同时调节发电机的励磁电流，以补偿电枢反应的去磁、增磁作用和阻抗压降。当同步发电机的转速为同步转速、输出端电压和负载性质一定时，励磁电流随负载电流的变化的关系称为调整特性，表示为If=f(I)4同步发电机的短路特性

原动机拖动发电机转子旋转，在发电机的转子绕组加上直流励磁，定子三相电枢绕组端点短路，即为同步发电机的短路运行。短路运行时，发电机的输出端电压为零，此时电枢绕组中通过的电流即为短路电流。当同步发电机的转速为同步转速，电枢端点三相短路，电枢短路电流与励磁电流的关系称为短路特性，表示为

短路实验接线断路特性曲线当发电机接通三相对称负载后，同步发电机就将转轴上输入的机械功率，通过电磁感应作用转换成电功率输出。5同步发电机的功角特性Pm=f(θ)1)功率特性

同步发电机由原动机拖动，输入给发电机的功率为P1，而通过电磁感应作用，转换为定子上的电磁功率PM。pm为机械损耗；pFe为定子铁损耗；pS为附加损耗。

pcu定子绕组的铜损耗，P2发电机输出功率定子电枢绕组ra很小，若不计ra影响凸极式同步发电机在磁路未饱和且不计电枢绕组电阻ra时的相量图Xd直轴电抗Xq直轴电抗凸极式同步发电机简化相量图基本电磁功率

2)功角特性附加电磁功率

由于隐极式同步发电机气隙均匀，即Xd=Xq=XS，故有PM″＝0，那么，隐极式同步发电机的电磁功率PM为：同步发电机的功角特性曲线0隐极式凸极式06三相同步发电机单机运行时的特点发电机输出的有功和无功功率完全决定于负载。首先是负载先发生变化，然后引起发电机的有功功率和无功功率的变化。6三相同步发电机单机运行时的特点用电负载不变，人为的改变原动机的输入（加大或关小油门），将使转速和频率发生相应的变化。人为的改变发电机的励磁电流，将使发电机的输出电压发生相应的变化。6三相同步发电机单机运行时的特点有功负载的变化可以引起发电机的频率的变化，变化的程度与原动机调速器的特性有关。无功负载的变化可以引起发电机的输出电压的变化，变化的程度与发电机外特性或自动调压系统的特性有关。当发电机投入电网后,通过改变发电机的输入机械功率,来改变发电机输出的有功功率。假设经过调节发电机已输出有功功率为:1)有功功率的调节若忽略电枢电阻，发电机的电磁功率PM=P。当励磁电流保持不变时，上式中除功率角θ外均为不变的常数。在有功功率的调节中功率角θ起着自动平衡的调节作用。发电机的有功功率随功率角的变化关系P=f(θ),称为功角特性。电磁转矩与电磁功率成正比,即矩角特性T=f(θ)曲线与功角特性曲线相似

2)无功功率的调节调节励磁电流可改变并联发电机输出的无功功率Q。当发电机刚并入电网时，I=0。（a）当增加励磁电流(过励磁)使E0>U,发电机与电网之间出现了电压差和引起了电枢电流。根据电压方程在相位上电流I总是落后于同步感抗压降U900。发电机输出落后无功功率。减少励磁电流(欠励磁)使E0<U

，电流I落后于U900而超前于电压U900。发电机输出超前的无功功率。第五节同步电动机同步电动机定、转子结构和同步发电机一样，转子也有隐极式和凸极式两种。转子上除了嵌放励磁绕组外，还安装有帮助起动用的笼型绕组（阻尼绕组）。一般中小同步电动机多采用凸极结构。1同步电动机的基本原理

同步电动机是由三相电枢绕组通过三相对称电流而产生的旋转磁场拉着转子磁极以同步转速旋转，定子吸收电网有功功率，通过定、转子电磁关系转换为机械转矩。同步电机运行于发电机状态时，如图所示。转子磁极轴线超前定子合成磁极轴线，θ>0，电机把机械能转变成电能。逐步减少发电机的输入功率，转子将瞬时减速，θ角减小，相应的电磁功率也减少。当发电机的输入功率只能满足空载损耗时，发电机处于空载运行状态。继续减少发电机的输入功率，则θ和PM变为负值。卸掉原动机，电机从电网吸收功率满足空载损耗，成为空转的电动机。电机轴上加上机械负载，负值的θ增大，由电网向电机输入的电功率和相应的电磁功率增大，转子磁极轴线落后定子合成磁极轴线，转子受到驱动性质的电磁转矩作用。同步电机由发电状态到电动状态过程n1S2N2S1N1n1S1N1n1n1S2N2S2N2S1N1n1n1θ

>0θ=0θ<0同步电动机的调速方法:只能通过变频方法来实现同步电动机的无功功率调节

同步电动机处于过激状态，相当于容性负载，从电网吸收超前无功功率。同步电动机处于欠激状态，相当于感性负载，从电网吸收滞后无功功率。由于电