第五節(jié)三相交流同步電機(jī)

1、5.5 交流同步電動(dòng)機(jī)交流同步電動(dòng)機(jī)教學(xué)要求：教學(xué)要求： 熟悉三相交流發(fā)步發(fā)電機(jī)的構(gòu)造和工熟悉三相交流發(fā)步發(fā)電機(jī)的構(gòu)造和工作原理，理解電樞反應(yīng)的概念，能說明不作原理，理解電樞反應(yīng)的概念，能說明不同性質(zhì)的負(fù)載對發(fā)電機(jī)外特性的影響，掌同性質(zhì)的負(fù)載對發(fā)電機(jī)外特性的影響，掌握空載特性、外特性和調(diào)節(jié)特性。握空載特性、外特性和調(diào)節(jié)特性。柴油發(fā)電機(jī)柴油發(fā)電機(jī)返回返回一、三相交流同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、銘牌數(shù)據(jù)一、三相交流同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、銘牌數(shù)據(jù)1、結(jié)構(gòu)：、結(jié)構(gòu)：1同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)定子（電樞）：定子（電樞）：定子鐵芯、機(jī)座、三相定子鐵芯、機(jī)座、三相繞組繞組(接星形接星形)。定子繞組與三相電網(wǎng)連定子繞組

2、與三相電網(wǎng)連接，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，接，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，并電網(wǎng)輸送電能。并電網(wǎng)輸送電能。（旋轉(zhuǎn)磁極式三相同步（旋轉(zhuǎn)磁極式三相同步發(fā)電機(jī)的定子也稱發(fā)電機(jī)的定子也稱“電樞電樞”）137轉(zhuǎn)子（磁極）：轉(zhuǎn)子鐵芯、直流勵(lì)磁繞組、滑環(huán)與電轉(zhuǎn)子（磁極）：轉(zhuǎn)子鐵芯、直流勵(lì)磁繞組、滑環(huán)與電刷刷勵(lì)磁繞組通直流電，產(chǎn)生恒定的主磁通，在原動(dòng)機(jī)帶勵(lì)磁繞組通直流電，產(chǎn)生恒定的主磁通，在原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)。動(dòng)下旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)形式 凸極式：有凸出的磁極，凸極式：有凸出的磁極，簡單簡單,適用于船用柴油適用于船用柴油機(jī)、水輪機(jī)作原動(dòng)機(jī)的機(jī)、水輪機(jī)作原動(dòng)機(jī)的發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)。轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)速：500-1500r/min隱極式

3、：隱極式：呈圓柱形，呈圓柱形，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、用于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、用于高速發(fā)電機(jī)（汽輪高速發(fā)電機(jī)（汽輪發(fā)電機(jī)）發(fā)電機(jī)）轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)速：1500r/min勵(lì)磁方式：給磁極的勵(lì)磁繞組提供直流電勵(lì)磁方式：給磁極的勵(lì)磁繞組提供直流電的裝置勵(lì)磁系統(tǒng)的裝置勵(lì)磁系統(tǒng)自勵(lì)式：半導(dǎo)體勵(lì)磁自勵(lì)式：半導(dǎo)體勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流是由發(fā)電機(jī)自已提供同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流是由發(fā)電機(jī)自已提供電樞繞組電樞繞組轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組三相橋式整流三相橋式整流輔助繞組輔助繞組原理圖原理圖結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖他勵(lì)：他勵(lì)：設(shè)有專用勵(lì)磁電源的稱為他勵(lì)。設(shè)有專用勵(lì)磁電源的稱為他勵(lì)。 直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)無刷同步發(fā)電機(jī)無刷同步發(fā)電機(jī)他勵(lì)：他勵(lì)：設(shè)有專用勵(lì)磁電

4、源的稱為他勵(lì)。設(shè)有專用勵(lì)磁電源的稱為他勵(lì)。 直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)無刷同步發(fā)電機(jī)無刷同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖原理圖原理圖2、銘牌數(shù)據(jù)、銘牌數(shù)據(jù)額定容量：同步發(fā)電機(jī)輸出的電功率。額定容量：同步發(fā)電機(jī)輸出的電功率。額定電壓：額定運(yùn)行時(shí)定子輸出端的線電壓。額定電壓：額定運(yùn)行時(shí)定子輸出端的線電壓。額定電流：額定運(yùn)行時(shí)定子輸出端的線電流。額定電流：額定運(yùn)行時(shí)定子輸出端的線電流。額定頻率：額定運(yùn)行時(shí)電樞輸出端電能的頻額定頻率：額定運(yùn)行時(shí)電樞輸出端電能的頻率。率。額定轉(zhuǎn)速：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。額定轉(zhuǎn)速：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。溫升（絕緣等級）：電樞額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)溫升（絕緣等級）：電樞額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)允許最高溫升。

5、允許最高溫升。同步發(fā)電機(jī)工作原理同步發(fā)電機(jī)工作原理勵(lì)勵(lì)磁磁系系統(tǒng)統(tǒng)原動(dòng)機(jī)原動(dòng)機(jī)主發(fā)電機(jī)主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)子磁極定子電樞定子電樞同步發(fā)電機(jī)工作原理同步發(fā)電機(jī)工作原理原動(dòng)機(jī)原動(dòng)機(jī)主發(fā)電機(jī)主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁系統(tǒng)定子電樞定子電樞轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)子磁極二、同步發(fā)電機(jī)的工作原理及空載特性二、同步發(fā)電機(jī)的工作原理及空載特性1發(fā)電原理發(fā)電原理a轉(zhuǎn)子繞組通過滑環(huán)、電刷外加直流電產(chǎn)生磁場轉(zhuǎn)子繞組通過滑環(huán)、電刷外加直流電產(chǎn)生磁場b轉(zhuǎn)子在原動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下變成旋轉(zhuǎn)的磁極磁場轉(zhuǎn)子在原動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下變成旋轉(zhuǎn)的磁極磁場c定子繞組切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電勢定子繞組切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電勢d定子三相繞組在空間上互差定子三相繞組在空間上互差12

6、0，故產(chǎn)生三相感應(yīng)，故產(chǎn)生三相感應(yīng)電勢電勢eA=Emsint eB=Emsin(t120)eC=Emsin（t+120）空載電動(dòng)勢有效值：空載電動(dòng)勢有效值：Eo4.44fN2.交流電動(dòng)勢的頻率交流電動(dòng)勢的頻率f同步發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢頻率由原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速同步發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢頻率由原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和電和電機(jī)極對數(shù)機(jī)極對數(shù)P決定。決定。 f=pn/60得空載電動(dòng)勢為：得空載電動(dòng)勢為：EoKen即：空載電動(dòng)勢的大小與主磁通即：空載電動(dòng)勢的大小與主磁通和轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速n成正比。成正比。2空載特性空載特性E0=f（If）（）（ 相似磁化曲線）相似磁化曲線）EoKen 保持額定轉(zhuǎn)速不變，空保持額定轉(zhuǎn)速不變，空載電勢載電勢E0

7、與空載勵(lì)磁與空載勵(lì)磁電流電流I f的關(guān)系曲線。的關(guān)系曲線。 E00 If ； 空載特性的實(shí)質(zhì)就空載特性的實(shí)質(zhì)就是磁化曲線。是磁化曲線。同步發(fā)電機(jī)的空載額定電壓一般處于空載特同步發(fā)電機(jī)的空載額定電壓一般處于空載特性曲線的部分（接近飽和點(diǎn)）性曲線的部分（接近飽和點(diǎn)）1423.“同步同步”電機(jī)的轉(zhuǎn)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速no發(fā)電機(jī)接負(fù)載，定子（電樞）繞組有三相對發(fā)電機(jī)接負(fù)載，定子（電樞）繞組有三相對稱電流通過，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場稱電流通過，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場n0=60f/p；因轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下達(dá)因轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下達(dá) n=n0 故為同故為同步，磁極磁場步，磁極磁場0與電樞磁場與電樞磁

8、場a同步，且相對同步，且相對靜止。靜止。電樞電流電樞電流三、同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行及電樞反應(yīng)三、同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行及電樞反應(yīng)發(fā)電機(jī)接負(fù)載，定子（電樞）繞組有三相對稱發(fā)電機(jī)接負(fù)載，定子（電樞）繞組有三相對稱電流通過電樞電流電流通過電樞電流IaIa，電樞磁場電樞磁場a1、電樞磁場對磁極磁場的影響叫電樞反應(yīng)。、電樞磁場對磁極磁場的影響叫電樞反應(yīng)。當(dāng)所接的負(fù)載性質(zhì)不同產(chǎn)生的電樞反應(yīng)結(jié)果當(dāng)所接的負(fù)載性質(zhì)不同產(chǎn)生的電樞反應(yīng)結(jié)果也不一樣，可能產(chǎn)生對電樞主磁場的不同作也不一樣，可能產(chǎn)生對電樞主磁場的不同作用效果。用效果。電樞電流電樞電流2、不同相位的電樞反應(yīng)、不同相位的電樞反應(yīng) 電樞電流影響電樞反應(yīng)的性質(zhì)：電樞電

9、流電樞電流影響電樞反應(yīng)的性質(zhì)：電樞電流IaIa與空載電勢與空載電勢Eo的關(guān)系有：同相位、滯后的關(guān)系有：同相位、滯后和超前三種。與之對應(yīng)的電樞反應(yīng)的性質(zhì)和超前三種。與之對應(yīng)的電樞反應(yīng)的性質(zhì)有：交軸、直軸去磁和直軸增磁三種。有：交軸、直軸去磁和直軸增磁三種。 IaIa與與Eo的夾角為內(nèi)功率因數(shù)角的夾角為內(nèi)功率因數(shù)角 前極靴（左）去磁、后極靴增磁，合成磁前極靴（左）去磁、后極靴增磁，合成磁場場扭斜扭斜角，為交軸電樞反應(yīng)。角，為交軸電樞反應(yīng)。 交軸反應(yīng)（同相位）交軸反應(yīng)（同相位）1. 0 0 IaIa與與E Eo o同相同相（阻性負(fù)載）（阻性負(fù)載）a與與o方向相反，合成磁場方向相反，合成磁場減少，為直

10、軸減少，為直軸去磁電樞反應(yīng)。去磁電樞反應(yīng)。 直軸去磁（滯后）直軸去磁（滯后）2. 9090IaIa滯后滯后E Eo o9090（感性負(fù)載）（感性負(fù)載）a與與o同向，合成磁場同向，合成磁場增強(qiáng)，為直軸增增強(qiáng)，為直軸增磁電樞反應(yīng)。磁電樞反應(yīng)。 直軸增磁（超前）直軸增磁（超前）2. 9090IaIa超前超前E Eo o9090（容性負(fù)載）（容性負(fù)載）一般負(fù)載多為感性，電樞電流滯一般負(fù)載多為感性，電樞電流滯后電動(dòng)勢后電動(dòng)勢Eo （0 090）電樞電流電樞電流IaIa分成兩個(gè)量分成兩個(gè)量IqIq與與Eo同相交軸電樞反應(yīng)同相交軸電樞反應(yīng)IdId與與Eo垂直直軸去磁電樞反應(yīng)。垂直直軸去磁電樞反應(yīng)。結(jié)果：一般

11、性負(fù)載既有交磁反應(yīng)，結(jié)果：一般性負(fù)載既有交磁反應(yīng)，又有去磁反應(yīng)，且負(fù)載的功率又有去磁反應(yīng)，且負(fù)載的功率因數(shù)越低，去磁反應(yīng)越嚴(yán)重。因數(shù)越低，去磁反應(yīng)越嚴(yán)重。一般情況一般情況四、同步發(fā)電機(jī)的外特性及調(diào)節(jié)特性四、同步發(fā)電機(jī)的外特性及調(diào)節(jié)特性1外特性外特性U=f（I） 電阻性負(fù)載，交軸電電阻性負(fù)載，交軸電樞反應(yīng)，電流增加，端樞反應(yīng)，電流增加，端電壓電壓稍有下降稍有下降； 感性負(fù)載，交軸和去感性負(fù)載，交軸和去磁電樞反應(yīng)，電流增加，磁電樞反應(yīng)，電流增加，端電壓下降端電壓下降； 容性負(fù)載，交軸和增容性負(fù)載，交軸和增磁電樞反應(yīng)，電流增加，磁電樞反應(yīng)，電流增加，端電壓增加端電壓增加。負(fù)載的功率因數(shù)越低，去負(fù)載的

12、功率因數(shù)越低，去磁反應(yīng)越嚴(yán)重，端電壓下磁反應(yīng)越嚴(yán)重，端電壓下降越利害。降越利害。電壓下降率：電壓下降率：U%=(Uo-UU%=(Uo-UN N)/U)/UN N100%100%2調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性If=f（I）為保持端電壓基本為保持端電壓基本不變，勵(lì)磁電流不變，勵(lì)磁電流隨負(fù)載電流變化。隨負(fù)載電流變化。電樞反應(yīng)去磁，則勵(lì)磁電流應(yīng)增加，反之則減小。電樞反應(yīng)去磁，則勵(lì)磁電流應(yīng)增加，反之則減小。五、同步發(fā)電機(jī)有功功五、同步發(fā)電機(jī)有功功率、無功功率的調(diào)節(jié)率、無功功率的調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與功率的平衡：同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與功率的平衡：空載空載 帶負(fù)載帶負(fù)載原動(dòng)機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩原動(dòng)機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩Tin=To Tin=To

13、+T阻阻（電磁轉(zhuǎn)矩）（電磁轉(zhuǎn)矩）原動(dòng)機(jī)輸入功率原動(dòng)機(jī)輸入功率Pin=Po Pin=Po +Pe （電磁功率）（電磁功率）原動(dòng)機(jī)原動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁系統(tǒng)主發(fā)電機(jī)主發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)輸出的功率包括：有功功率和無功功率發(fā)電機(jī)輸出的功率包括：有功功率和無功功率由于一般負(fù)載均為感性負(fù)載：既有功功率和無功功率由于一般負(fù)載均為感性負(fù)載：既有功功率和無功功率無功功率的影響：感性負(fù)載的直軸去磁反應(yīng)使主磁無功功率的影響：感性負(fù)載的直軸去磁反應(yīng)使主磁通下降，端電壓下降。通下降，端電壓下降。有功功率的影響：因有功功率的影響：因IaIa與與E Eo o同相同相交磁反應(yīng)，交磁反應(yīng)， IaIa受受電磁力作用，使電磁力作用，使T阻阻

14、（電磁轉(zhuǎn)矩）（電磁轉(zhuǎn)矩）Tin，Pin=Po +Pe （電磁功率）發(fā)生變化，轉(zhuǎn)速（電磁功率）發(fā)生變化，轉(zhuǎn)速n下降，端下降，端電壓下降，頻率也下降。電壓下降，頻率也下降。同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的調(diào)節(jié)：同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的調(diào)節(jié)：1046改變無功功率：調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流改變無功功率：調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流改變有功功率：改變原動(dòng)機(jī)的油門開度改變有功功率：改變原動(dòng)機(jī)的油門開度 同步發(fā)電機(jī)獨(dú)立運(yùn)行有同步發(fā)電機(jī)獨(dú)立運(yùn)行有3個(gè)特點(diǎn)：個(gè)特點(diǎn)： 1.有功功率和無功功率完全由負(fù)載決定；有功功率和無功功率完全由負(fù)載決定； 2.頻率隨轉(zhuǎn)速而變化，電壓隨勵(lì)磁電流頻率隨轉(zhuǎn)速而變化，電壓隨勵(lì)磁電流而變化；而變化； 3.負(fù)載變化將引起頻率（有

15、功）或電壓負(fù)載變化將引起頻率（有功）或電壓（無功）的相應(yīng)變化。（無功）的相應(yīng)變化。同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)與無窮大電網(wǎng)并聯(lián): 電網(wǎng)與單機(jī)容量比非常大，電網(wǎng)與單機(jī)容量比非常大，U、f不受單機(jī)調(diào)節(jié)影響。不受單機(jī)調(diào)節(jié)影響。并聯(lián)運(yùn)行：是指兩臺(tái)以上發(fā)電機(jī)同時(shí)向同一電并聯(lián)運(yùn)行：是指兩臺(tái)以上發(fā)電機(jī)同時(shí)向同一電網(wǎng)供電的工作狀態(tài)。網(wǎng)供電的工作狀態(tài)。并聯(lián)條件：三個(gè)相等（電壓、頻率、相位）并聯(lián)條件：三個(gè)相等（電壓、頻率、相位）U1=U2 f1=f2 1=2一個(gè)一致（相序）一個(gè)一致（相序）同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián):有功功率的調(diào)節(jié)：減小原運(yùn)行機(jī)的油門，增有功功率的調(diào)節(jié)：減小原運(yùn)行機(jī)的油門，增加新并機(jī)油門，要同時(shí)調(diào)節(jié)。加新并機(jī)油門，要同時(shí)調(diào)節(jié)。155無功功率的調(diào)節(jié)：減小原運(yùn)行機(jī)勵(lì)磁電流，無功功率的調(diào)節(jié)：減小原運(yùn)行機(jī)勵(lì)磁電流，增加新并機(jī)勵(lì)磁電流，要同時(shí)調(diào)節(jié)。增加新并機(jī)勵(lì)磁電流，要同時(shí)調(diào)節(jié)。156同步發(fā)電機(jī)的解列：同步發(fā)電機(jī)的解列：同步發(fā)電機(jī)退出運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)退出運(yùn)行解列解列減小解列機(jī)油門，增加繼續(xù)運(yùn)行機(jī)的油門，減小解列機(jī)油門，增加繼續(xù)運(yùn)行機(jī)的油門，要同時(shí)調(diào)節(jié)。要同時(shí)調(diào)節(jié)。減小解列機(jī)的勵(lì)磁電流，增加繼續(xù)運(yùn)行機(jī)的