[工学]第04章 同步电机.ppt
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船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室第4章 同 步 电 机 §4.1 三相交流同步电机的基本结构、工作原理及铭牌数据 §4. 2 三相交流同步发电机运行特性 §4. 3 同步电动机 船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室4.1.1 三相交流同步电机的基本结构旋转电枢式同步电机图三相交流同步电机由定子部分和转子部分构成 以转子绕组形式分类，有旋转电枢式和旋转磁极式 船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室旋转磁极式同步电动机 船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室定子部分 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 船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室转子部分 转子磁极有两种结构形式 隐极式 凸极式（也称显极式） 船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室按同步发电机的励磁电源的不同有两种基本类型， 即自励的、他励的图5-3 自励同步发电机船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室转子定子交流励磁机发电机旋转 整流器图5-4 无刷同步发电机AVR船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室4.1.2 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船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室其瞬时值为： 船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室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, 即由以上两式可得Ke为电势常数船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室额定容量 ，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4.1.3 铭牌数据 船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室三相同步发电机额定值 同步发电机的主要额定值有： q额定容量 SN 或额定功率PN q额定电压 UNq额定电流 INq额定功率因数 cosΦNq额定频率 fNq额定转速 nNq额定励磁电压（额定励磁电流）船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室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。
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）§4. 2 三相交流同步发电机运行特性船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室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 应磁场电枢磁场对磁极主磁场的影响称为电枢 反应4.2.2 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 电枢反应效应与负载性质有关船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室a) 定子绕组电动势、电流和磁动势的空间矢量图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直轴(Direct Axis )：与主磁场同轴交轴(Quadrature Axis )：与主磁场相交的轴船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室b) 时间矢量图船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室c) 时-空统一矢量图直轴(Direct Axis )：与主磁场同轴交轴(Quadrature Axis )：与主磁场相交的轴直轴 D轴交轴 Q轴船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室d)气隙合成磁场与主磁场的相对位置船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室2） 电枢电流落后于空载电动势90时的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 Rd ，所以XadXaq，因此在凸极同 步电机中，XdXq。
对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故 Xd≈Xq≈Xs 船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室凸极同步电机电枢反磁通及所经磁路及磁导直轴电枢磁导交轴电枢磁导船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室4.2.4同步发电机的运行特性 表征同步发电机的运行特性有以下五种 ：q同步发电机的空载特性 q同步发电机的短路特性 q同步发电机的外特性 q同步发电机的调整特性 q同步发电机的功角特性 船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室空载特性可以用空载试验测出试验时，电枢 开路 (空载)，用原动机把被试同步电机拖动 到同步转速，改变励磁电流If，并记取相应的 电枢端电压U0 (空载时即等于E0，直到 U0≈1.25UN左右，可得空载特性曲线1）同步发电机的空载特性船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室同步电机的空载特性船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室2）同步发电机的短路特性 短路特性可由三相稳态短路试验测得，试 验线路如图所示将被试同步电机的电枢 端点三相短路，用原动机拖动被试电机到 同步转速，调节励磁电流If使电枢电流I从 零起一直增加到1.2IN左右，便可得到短路 特性曲线，如图所示。
船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室短路实验接线图船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室短路特性船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室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) 3) 同步发电机的外特性 U=f(I)船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室cosΦ=0.8滞后cosΦ=1cosΦ=0.8超前外特性船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室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％船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室不同负载相量图 （根据电压方程做相量图）a. 电感性负载的简化相量图相量E0和U之间的相位差角θ称为功率角船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室c.电容性负载的简化 相量图 b.电阻性负载的简化 相量图船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室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。
4) 同步发电机调节特性 If =f(I)船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室cosΦ=0.8滞后cosΦ=1cosΦ=0.8超前调节特性船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室5）三相交流同步发电机的功角特性 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PePm为机械损耗；pFe为定子铁损耗；pS为附加损耗 船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室输入功率P1机械损 耗pΩ附加损 耗pS铁损pFe电磁功率Pe定子铜损 pcu输出功率P2船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室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 船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室凸极式同步发电机简化相量图凸极式同步发电 机在磁路未饱和 且不计电枢绕组 电阻Ra时的相量 图 内功率 因数角功率角船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室基本电磁功率 附加电磁功率 船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室δPe18000900Pemax基本电磁功率 附加电磁功率 船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室由于隐极式同步发电机气隙均匀，即Xd=Xq=XS，故有 Pe″＝0，那么，隐极式同步发电机的电磁功率Pe为：0δ 900PePemax1800船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室6)、相同步发电机单机运行时的特点1.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2.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 ；而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3.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 船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室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: 7) 有功功率的调节船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室若忽略电枢电阻，发电机的电磁功率Pe=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 衡的调节作用船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室电磁转矩与电磁功率成正比, 即 发电机的有功功率随功率角 的变化关系P=f(θ), 称为功 角特性矩角特性T=f(θ)曲线与功角特性曲线相似。
并联运行同步发电机应设逆功保护船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室8) 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船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室当增加励磁电流(过励磁)使E0U, 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U 900发 电机输出落后无功功率船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室减少励磁电流(欠励磁)使E0U ，电流I落后于U 900 而超前于电压U 900发电机输出超前的无功功率φ1φ2φ3同步发电机不同运行方式时的相量图船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室§4. 3 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 4.3.1 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。
船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室n1S2N2S1N1n1S1N1n1n1S2N2S2N2S1N1n1n1同步电机由发电状态到电动状态过程示意图发电机补偿机电动机NNoNoNoNNSoSoSSSSo主极主极发电机补偿机电动机同 步 电 机 的 三 种 运 行 状 态船舶电气设备及系统 * 课 件轮机学院电气及自动化教研室4.3.2 同步电动机的相量 同步发动机电压方。
