第三章 同步電機(jī)

船舶電機(jī)與電氣控制系統(tǒng)機(jī)電系電氣教研室第3章同步電機(jī)Synchronousgenerator3.1同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)3.2同步發(fā)電機(jī)的基本特性3.3同步發(fā)電機(jī)的電壓、轉(zhuǎn)矩和功率的平衡3.4同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行3.5同步發(fā)電機(jī)的短路與振蕩3.6同步電動(dòng)機(jī)思考題第3章同步電機(jī)Synchronousgenerator本章要求:(demand)1.掌握同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。2.會(huì)分析同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)。3.能根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)解釋發(fā)電機(jī)的外特性和調(diào)節(jié)特性。同步電機(jī)是一種交流電機(jī)，火力發(fā)電、水利發(fā)電或柴油機(jī)發(fā)電,船舶交流電站等，幾乎全部采用同步發(fā)電機(jī)。同步電機(jī)除主要作為發(fā)電機(jī)外，還可用作電動(dòng)機(jī)。

主要內(nèi)容：(maincontent)

同步電機(jī)的定子(stator) 主要掌握：定子結(jié)構(gòu)

同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子

(rotor) 主要掌握：轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

同步電機(jī)的分類(lèi) 主要掌握：無(wú)刷發(fā)電機(jī)3.1同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)

structureofsynchronousgenerator3.1同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)同步電機(jī)是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成：定子鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心和定、轉(zhuǎn)子間的氣隙構(gòu)成同步電機(jī)的磁路。作為電力發(fā)電機(jī)基本上都采用Ｙ聯(lián)接。一、同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)(structure)

1.定子(stator)電樞(armature)構(gòu)造定子為電樞的同步電機(jī)：定子鐵心是由硅鋼片疊成。定子鐵心槽內(nèi)嵌放的三相對(duì)稱(chēng)繞組，他們依次相差120空間電角度或120/p空間機(jī)械角度。三相繞組又稱(chēng)電樞繞組。旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)轉(zhuǎn)子是直流磁極,產(chǎn)生恒定的磁極主磁通.2.轉(zhuǎn)子構(gòu)造(rotorstructure)轉(zhuǎn)子磁極有兩種結(jié)構(gòu)形式,即隱極式(immergepole)和

凸極式(salientpole)（或稱(chēng)顯極式）。勵(lì)磁繞組的兩個(gè)出線(xiàn)端分別接到固定在轉(zhuǎn)軸上的兩個(gè)滑環(huán)上。兩個(gè)滑環(huán)(slipring)彼此絕緣并對(duì)軸絕緣。通過(guò)固定的電刷裝置與滑環(huán)的滑動(dòng)接觸將直流電流引入勵(lì)磁繞組中。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(rotorstructure)隱極式轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子鐵心硅鋼片轉(zhuǎn)子軸上的滑環(huán)一對(duì)極隱極式兩對(duì)極凸極式轉(zhuǎn)子：有凸極式和隱極式兩種。轉(zhuǎn)子繞組是直流繞組。

二.同步發(fā)電機(jī)的基本類(lèi)型(type)1.按同步發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)及作用不同有兩種類(lèi)型,即旋轉(zhuǎn)磁極式和旋轉(zhuǎn)電樞式。2.按同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源的不同有兩種基本類(lèi)型,即自勵(lì)(selfexcitation)的和他勵(lì)(otherexcitation)的。設(shè)有專(zhuān)用勵(lì)磁電源的稱(chēng)為他勵(lì)的。以發(fā)電機(jī)本身的電樞繞組(或輔助繞組)為勵(lì)磁電源的是自勵(lì)的。無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)(non-brushgenerator)（他勵(lì)）大多采用轉(zhuǎn)樞式小型同步發(fā)電機(jī)為勵(lì)磁機(jī)。這種勵(lì)磁機(jī)的旋轉(zhuǎn)電樞發(fā)出三相交流電,通過(guò)與之同軸旋轉(zhuǎn)的二極管整流器整成直流后直接引入到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中。額定容量，連接方式,線(xiàn)電壓,額定頻率，磁極對(duì)數(shù),額定轉(zhuǎn)速,采用絕緣等級(jí),冷卻方式,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度等。三.國(guó)產(chǎn)船用柴油同步發(fā)電機(jī)系列部分產(chǎn)品

的基本數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

主要內(nèi)容:(maincontent)

同步電機(jī)的空載特性(no-loadcharacteristic

) 主要掌握：電動(dòng)勢(shì)與勵(lì)磁電流的關(guān)系

同步電機(jī)的電樞反映

(armaturereaction) 主要掌握：不同負(fù)載性質(zhì)的電樞反映

同步電機(jī)的外特性和調(diào)節(jié)特性(externalandregulatingcharacteristic) 主要掌握：外特性和調(diào)節(jié)特性與電樞的關(guān)系3-2同步發(fā)電機(jī)的基本特性

basiccharacteristic

在三相電樞繞組中產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)的三相正弦空載電動(dòng)勢(shì)（即開(kāi)路電壓），其瞬時(shí)值(instantvalue)為：空載電動(dòng)勢(shì)的有效值為

式中o為每極下的總磁通.空載電動(dòng)勢(shì)的頻率f與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n和磁極對(duì)數(shù)p成正比,即一.空載特性(nonloadcharacteristics)由以上兩式可得Ke為電勢(shì)常數(shù)(constant)保持發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速不變時(shí),空載電動(dòng)勢(shì)隨勵(lì)磁電流變化的關(guān)系曲線(xiàn)稱(chēng)為空載特性曲線(xiàn).Er：剩磁(residualmagnetism)電壓（在額定轉(zhuǎn)速下使If=0時(shí)所測(cè)得的電樞開(kāi)路電壓）。（1）K斷開(kāi)時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，有剩磁(residualmagnetism)

電壓Er。（2）空載額定相電壓一般處在曲線(xiàn)的彎曲(bend)部分。（3）空載特性曲線(xiàn)實(shí)質(zhì)上是電機(jī)磁路的磁化特性。二.電樞反應(yīng)(armaturereaction)同步發(fā)電機(jī)接通負(fù)載三相電樞繞組產(chǎn)生三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)a（電樞反應(yīng)磁場(chǎng)）電樞磁場(chǎng)對(duì)磁極主磁場(chǎng)0的影響稱(chēng)為電樞反應(yīng)即轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)與電樞磁場(chǎng)同速旋轉(zhuǎn)，故稱(chēng)同步電機(jī)(synchronousmachine)∴電樞反應(yīng)效應(yīng)與負(fù)載性質(zhì)(loadproperty)有關(guān)。電樞磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)的影響稱(chēng)為電樞反應(yīng)。∵電樞磁場(chǎng)←電樞電流←取決于負(fù)載性質(zhì)由于轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)與電樞磁場(chǎng)相對(duì)靜止，所以只需研究某一時(shí)刻的電樞反應(yīng)即可。在這里，取A相電流達(dá)到最大值這一時(shí)刻A、畫(huà)出定子A相剖面圖，電流方向未知。B、確定A相電勢(shì)達(dá)到最大值時(shí)轉(zhuǎn)子磁極的位置。此時(shí)與A相匝鏈的磁通為0，但導(dǎo)體切割磁場(chǎng)的磁通變化率最大。C、確定電動(dòng)勢(shì)的方向（右手定則）。D、由于同相。此時(shí)電流也達(dá)到最大值?？蛰d電勢(shì)E0同相位(samephase)時(shí)的電樞反應(yīng)1、電樞電流Ia與(a)xΦ0Φ0inNSA

交軸電樞反應(yīng)：(qaxisarmaturereaction)使合成磁場(chǎng)的軸線(xiàn)從主磁極軸線(xiàn)方向往后偏斜了一個(gè)角度。前面的結(jié)論：當(dāng)某相電流為最大值時(shí)，合成磁場(chǎng)位置恰好在該相線(xiàn)圈所在平面的軸線(xiàn)上。即磁場(chǎng)方向與最大電流繞組的軸線(xiàn)一致。(a)x

AΦaΦ0Φ0ΦaΦiθnNSA、畫(huà)出定子A相剖面圖，電流方向未知。2、電樞電流落后于空載電動(dòng)勢(shì)90時(shí)的電樞反應(yīng)(armaturereaction)B、確定A相電勢(shì)達(dá)到最大值時(shí)轉(zhuǎn)子磁極的位置。此時(shí)與A相匝鏈的磁通為0，但導(dǎo)體切割磁場(chǎng)的磁通變化率最大。C、確定電動(dòng)勢(shì)的方向（右手定則）。D、由于電流滯后。只有轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)90度，電流才達(dá)到最大值。(a)xΦ0Φ0inNSA

直軸去磁電樞反應(yīng)：(directaxisarmaturereaction)電樞磁場(chǎng)a與磁極磁場(chǎng)o在同一軸線(xiàn)上,但方向相反,起去磁效應(yīng)使合成磁場(chǎng)<o。

xΦ0inNSΦaΦ0ΦaAA、畫(huà)出定子A相剖面圖，電流方向未知。3.電樞電流超前于空載電動(dòng)勢(shì)90的電樞反應(yīng)(armaturereaction)B、確定A相電勢(shì)達(dá)到最大值時(shí)轉(zhuǎn)子磁極的位置。此時(shí)與A相匝鏈的磁通為0，但導(dǎo)體切割磁場(chǎng)的磁通變化率最大。C、確定電動(dòng)勢(shì)的方向（右手定則）。D、由于電流超前。電流已超前90度達(dá)到最大值。

xΦ0Φ0inNSx

直軸增磁電樞反應(yīng):(inceasingmagnetismarmaturereaction)電樞磁場(chǎng)a與磁極磁場(chǎng)o在同一軸線(xiàn)上,且方向相同,起增磁效應(yīng)使合成磁場(chǎng)大于主磁場(chǎng)o。AΦ0inNSΦaΦ0ΦaX通常情況下,發(fā)電機(jī)的負(fù)載多為一般電感性負(fù)載,即電樞電流落后于空載電動(dòng)勢(shì)的角度ψ小于90。一般電感性負(fù)載的電樞反應(yīng)既有去磁效應(yīng)又有交磁效應(yīng)。三.外特性和調(diào)節(jié)特性(regulatingcharacteristics)當(dāng)保持額定轉(zhuǎn)速不變、保持一定的負(fù)載功率因數(shù)和勵(lì)磁電流不變時(shí),發(fā)電機(jī)的端電壓隨電樞電流變化的特性U=f(I),稱(chēng)為外特性。1.外特性U=f(I)

電壓變化率(varietyratio)同步發(fā)電機(jī)在cos=0.8(滯后)的負(fù)載時(shí),其電壓變化率約為20~40％,一般不超過(guò)50％。？為何在船上起動(dòng)大容量異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，電網(wǎng)電壓下降較大？

同步發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速和一定的負(fù)載功率因數(shù)下,為保持端電壓基本不變,勵(lì)磁電流If隨負(fù)載電流I而變化的關(guān)系If=f(I)稱(chēng)為調(diào)節(jié)特性。

2.調(diào)節(jié)特性If=f(I)一般，調(diào)整同步發(fā)電機(jī)的端電壓(terminalvoltage)都是采用自動(dòng)電壓調(diào)整器(AVR)

主要內(nèi)容：

同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理(rotatingprinciple

) 主要掌握：轉(zhuǎn)動(dòng)與起動(dòng)

同步電機(jī)例題

主要掌握：會(huì)分析電機(jī)的工作關(guān)系3.6同步電動(dòng)機(jī)

synchronousmotor

同步電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上比異步機(jī)復(fù)雜，但比直流機(jī)簡(jiǎn)單。同步電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)它的電樞接三相電源，軸上拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載；它從電源吸收電功率并將其轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的機(jī)械功率。同步電動(dòng)機(jī)廣泛用于拖動(dòng)恒速大容量的生產(chǎn)機(jī)械，如空氣壓縮機(jī)、粉碎機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和水泵等。電力推進(jìn)船舶也有采用同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)螺旋槳的。

同步電動(dòng)機(jī)

(synchronousmotor)

同步調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)（1）同步機(jī)需在轉(zhuǎn)子側(cè)加一套勵(lì)磁裝置，其維護(hù)量增加。（2）同步機(jī)的控制比異步機(jī)的復(fù)雜。

以電動(dòng)機(jī)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間是靠異極相吸的作用轉(zhuǎn)子被旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)拉著轉(zhuǎn)動(dòng),所以轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是同步轉(zhuǎn)速n=60f/p.由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速總是等于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速,故同步電動(dòng)機(jī)有絕對(duì)硬機(jī)械特性.一、轉(zhuǎn)動(dòng)原理與起動(dòng)rotatingprincipleandstart同步電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)：沒(méi)有自起動(dòng)能力.同步電動(dòng)機(jī)必須靠外力或輔助設(shè)備起動(dòng).目前仍被廣泛采用的起動(dòng)方法是異步起動(dòng)法。同步電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是沒(méi)有自起動(dòng)能力。當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止而電樞接通電網(wǎng)時(shí)，電樞旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以很高的同步轉(zhuǎn)速相對(duì)于主磁極旋轉(zhuǎn)，因轉(zhuǎn)子有慣性，靠旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁極的異極相吸的作用不能拉動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。例如當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的N極與磁極的S極相作用力圖拉動(dòng)轉(zhuǎn)子隨其轉(zhuǎn)動(dòng)，但轉(zhuǎn)子還未動(dòng)時(shí)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的S極已轉(zhuǎn)了過(guò)來(lái)，兩極又產(chǎn)生相斥的作用而阻止轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，所以不能自起動(dòng)。因此同步電動(dòng)機(jī)必須靠外力或輔助設(shè)備起動(dòng)。目前仍被廣泛采用的起動(dòng)方法是異步起動(dòng)法。

同步機(jī)的定子（電樞）和三相異步電動(dòng)機(jī)的一樣；而它的轉(zhuǎn)子是磁極，由直流勵(lì)磁。同步電動(dòng)機(jī)的工作原理1.轉(zhuǎn)動(dòng)原理(rotatingprinciple)定子三相繞組通入三相交流電(threephasealternatingcurrent)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近n0時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)因受定子磁場(chǎng)磁拉力的作用而隨定子磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，達(dá)到同步轉(zhuǎn)速。若轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)與定子磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)相等。采用異步起動(dòng)的同步電動(dòng)機(jī)必須設(shè)有阻尼繞組（也稱(chēng)起動(dòng)繞組），即在鐵心磁極的圓周面的槽中嵌人短路的鼠籠條。起動(dòng)時(shí)同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組不加勵(lì)磁電流，當(dāng)電樞繞組接通三相電源時(shí)，如同三相異步電動(dòng)機(jī)一樣先將轉(zhuǎn)子起動(dòng)起來(lái)；當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速時(shí)再接通直流勵(lì)磁電流，這時(shí)靠異極相吸的作用足以將轉(zhuǎn)子拉人同步。為避免在起動(dòng)過(guò)程中旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割勵(lì)磁繞組產(chǎn)生高壓而損壞絕緣或危及人身安全，所以起動(dòng)時(shí)勵(lì)磁繞組不能開(kāi)路；另外勵(lì)磁繞組也不能直接短路，而要串聯(lián)一個(gè)適當(dāng)?shù)耐饨与娮鑂構(gòu)成閉合回圖,以避免產(chǎn)生過(guò)大的短路電流。外接電阻約為勵(lì)磁繞組電阻的（5～10）倍。其操作方法是起動(dòng)前用開(kāi)關(guān)先將R接通勵(lì)磁繞組（開(kāi)關(guān)在1的位置)，然后將電樞接通三相電源開(kāi)始起動(dòng)，待轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速時(shí)用開(kāi)關(guān)斷開(kāi)R并接通勵(lì)磁電源（開(kāi)關(guān)在2的位置)，如圖3-4-1所示。同步電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收的電功率P1決定于其軸上輸出的機(jī)械功率P,它的無(wú)功功率可通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)改變.可使電樞電流超前電壓或落后于電壓或與電壓同相位，其原理與發(fā)電機(jī)基本相同。當(dāng)過(guò)勵(lì)磁時(shí)電流超前于電壓，電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于電容性負(fù)載；欠勵(lì)磁時(shí)相當(dāng)于電感性負(fù)載。由于用戶(hù)大量的負(fù)載是電感性的，為改善供電線(xiàn)路的功率因數(shù)，常使同步電動(dòng)機(jī)工作于功率因數(shù)等于1或稍超前的功率因數(shù)下運(yùn)行。

二.電動(dòng)機(jī)的電流軸上不帶任何負(fù)載專(zhuān)用于改善功率因數(shù)的同步電機(jī)稱(chēng)為同步補(bǔ)償機(jī)。應(yīng)用：2.7.2機(jī)械特性曲線(xiàn)根據(jù)轉(zhuǎn)速公式(torqueformula)可知