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1、船舶电气设备及系统航海学院第四章第四章 同步电机同步电机41 41同步电机的结构、同步电机的结构、铭牌数据、工作铭牌数据、工作原理原理42 42同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性4 43 3同步电动机同步电动机船舶电气设备及系统航海学院4 41.1.同步电机的结构同步电机的结构本节的主要内容本节的主要内容l l基本结构：基本结构：主要点：类型与转子的结构主要点：类型与转子的结构 （同步电机的定子结构与异步机（同步电机的定子结构与异步机 相似）。相似）。l l铭牌数据：铭牌数据：主要点：额定容量表示（两主要点：额定容量表示（两 种），额定电压和额定电流。种），额定电压和额定电流。船舶电气设
2、备及系统航海学院一、同步电机结构一、同步电机结构结构：结构：由铁心和绕组组成，与异步电机定子基本由铁心和绕组组成，与异步电机定子基本 相同。相同。 相同机座号时，相同机座号时，若与异步机互换定子，则若与异步机互换定子，则 仍然可以运行仍然可以运行。区别：区别：主要是尺寸方面，同步电机通常容量较大主要是尺寸方面，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，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，异步机则有机机壳无散热片，异步机则有接线：接线：发电机定子绕组通常采用发电机定子绕组通常采用Y Y 形连接形连接，减小减小 三次谐波影响三次谐波影响。定子结
3、构：定子结构：船舶电气设备及系统航海学院转子结构转子结构隐极式转子隐极式转子大型机的大型机的 转子支架转子支架转子铁心转子铁心 硅钢片硅钢片转子轴上的滑环转子轴上的滑环一对极一对极 隐极式隐极式两对极凸极式两对极凸极式转子：有转子：有凸极式凸极式和和隐极式隐极式两种。两种。转子绕组是直流绕组。转子绕组是直流绕组。船舶电气设备及系统航海学院类型与励磁方式类型与励磁方式l l类型：类型：同步发电机有转枢式和转极式两种。同步发同步发电机有转枢式和转极式两种。同步发 电机主要采用转极式，电机主要采用转极式，磁极在转子时，通过滑环引磁极在转子时，通过滑环引 导的电流较小。导的电流较小。l l自励：自励：
4、凡以发电机本身的电枢绕组或辅助绕组为励凡以发电机本身的电枢绕组或辅助绕组为励 磁电源的励磁方式称为自励。磁电源的励磁方式称为自励。l l他励：他励：凡设有专用励磁电源的称为他励。即，采用凡设有专用励磁电源的称为他励。即，采用 励磁机进行励磁的就是他励。无刷同步发电机是他励励磁机进行励磁的就是他励。无刷同步发电机是他励 的一种形式。的一种形式。船舶电气设备及系统航海学院无刷同步发电机是将这两种形无刷同步发电机是将这两种形 式的两台电机同时安装在同一根轴式的两台电机同时安装在同一根轴 上，是两台电机的组合。上，是两台电机的组合。船上不采用直流励磁机进行励船上不采用直流励磁机进行励 磁。磁。无刷励磁
5、也是靠剩磁起压的。无刷励磁也是靠剩磁起压的。无刷同步发无刷同步发 电机实际上是两电机实际上是两 台机同轴工作。台机同轴工作。定子：定子：1 1和和2 2，转子：，转子：3 3和和4 4；主发电机：；主发电机：2 2和和4 4，励磁发电机：，励磁发电机：1 1和和3 3。说明说明船舶电气设备及系统航海学院铭牌数据：铭牌数据：主要铭牌数据有：主要铭牌数据有： 额定容量、额定电压、额定频率、额额定容量、额定电压、额定频率、额 定功率因数、定子绕组连接、绝缘等级、冷却方式等。定功率因数、定子绕组连接、绝缘等级、冷却方式等。注意：注意： 额定容量、额定电压、额定功率因数和额定电流额定容量、额定电压、额定
6、功率因数和额定电流 可能只标出三个（可能只标出三个（第四个参数可以求出）。第四个参数可以求出）。工作原理简介：工作原理简介：外部直流电源通过滑环向转子提供外部直流电源通过滑环向转子提供 直流励磁电流，并产生磁场；原动机拖直流励磁电流，并产生磁场；原动机拖 动转子旋转，转子磁极磁场切割三相定动转子旋转，转子磁极磁场切割三相定 子绕组，感应三相交流电。子绕组，感应三相交流电。E0=4.44fN f= pn /60 (Hz)船舶电气设备及系统航海学院 4 42.2.同步发电机的同步发电机的运行运行特性特性本节的主要内容有三大部分本节的主要内容有三大部分：l l空载特性：空载特性：主要点：掌握空载特性
7、的实质，分析工作过程知道空载主要点：掌握空载特性的实质，分析工作过程知道空载 电势的计算式。电势的计算式。l l电枢反应：电枢反应：主要点：分析负载后，负载大小和性质不同时，电枢磁主要点：分析负载后，负载大小和性质不同时，电枢磁 场对气隙磁场的影响。场对气隙磁场的影响。l l外特性和调节特性：外特性和调节特性：主要点：知道特性的形状和随负载的变化情况。主要点：知道特性的形状和随负载的变化情况。船舶电气设备及系统航海学院一、空载特性一、空载特性电势计算式：电势计算式：由工作过程分析知道同由工作过程分析知道同 步发电机空载电势步发电机空载电势E E0 0：E E0 0= = 4.44kfN4.44
8、kfN0 0 空载特空载特性：性：保持额定转速不变，空保持额定转速不变，空 载电势载电势E E0 0与空载励磁电流与空载励磁电流I I f f的关系曲线。的关系曲线。 E E0 00 0B B，I If fH H ；空载特性的实质就空载特性的实质就 是磁化曲线是磁化曲线。船舶电气设备及系统航海学院空载特性实验：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，将励磁回路电阻子旋转，将励磁回路电阻R Rf f调至最大，合上励磁回路调至最大，合上励磁回路 电源开关。观察电流表电源开关。观察电流表A A和电压表和电压表V V的数值并记录。的数
9、值并记录。空载特性实验空载特性实验注意：只能单方向调节电阻。注意：只能单方向调节电阻。方法：方法：逐步将逐步将R Rf f调小调小 ，使电流逐步增大，使电流逐步增大 ，记录数据。然后，记录数据。然后 逐步将逐步将R Rf f调大再记调大再记 录数据。录数据。船舶电气设备及系统航海学院二、电枢反应二、电枢反应定义：定义：负载时由三相电枢绕组产生的旋转磁场称为负载时由三相电枢绕组产生的旋转磁场称为电枢电枢 反应磁场反应磁场。电枢反应磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应电枢反应。电枢电流影响电枢反应的性质：电枢电流影响电枢反应的性质：电枢电流与电枢电流与空载电势空载电势的
10、的 关系有：关系有：同相位同相位、滞后滞后和和超前超前三种。与之对应的电枢反应的三种。与之对应的电枢反应的 性质有：性质有：交轴交轴、直轴去磁直轴去磁和和直轴增磁直轴增磁三种。三种。交轴反应（同相位）交轴反应（同相位）直轴去磁（滞后）直轴去磁（滞后）直轴直轴增增磁（超前）磁（超前）一般情况一般情况感性滞后感性滞后 的电流的电流船舶电气设备及系统航海学院同步发电机负载运行时与电枢绕组交链的磁通有同步发电机负载运行时与电枢绕组交链的磁通有3 3个：个： 励磁磁通励磁磁通、电枢电流产生的、电枢电流产生的电枢反应磁通电枢反应磁通和和漏磁通漏磁通。3 3个磁通都在电枢绕组感应电势分别为：个磁通都在电枢绕
11、组感应电势分别为：空载电势空载电势、电枢反应电势电枢反应电势和和漏磁电势漏磁电势。 忽略磁路饱和，引入参数忽略磁路饱和，引入参数 ：电枢反应电抗电枢反应电抗。同步电抗同步电抗X Xs s= = X Xa a+ X + X ，注意注意：X Xs sX Xa aX X 。忽略忽略 电枢电枢 电阻电阻用电用电 抗表抗表 示示e ea a电枢电枢 绕组绕组 电路电路三、电压方程及相量图三、电压方程及相量图船舶电气设备及系统航海学院电势公式电势公式电势电势公式可应用三角计算公式从相量图得到：三公式可应用三角计算公式从相量图得到：三 角形构成角形构成以以E E0 0为斜边以为斜边以U U相量及其延长线为一
12、条相量及其延长线为一条 直角边，构造一个直角三角形。与电流直角边，构造一个直角三角形。与电流 I I 有关相量变有关相量变 换（投影）到直角边都与功率因数角换（投影）到直角边都与功率因数角 有关。有关。电压平衡方程：电压平衡方程：电势电势公式：公式： P.57.P.57.式（式（4-4-1010），忽略电枢电阻后：），忽略电枢电阻后：船舶电气设备及系统航海学院相量图相量图根据电压平衡方程可画出相量图。根据电压平衡方程可画出相量图。 负载分别为：感性、阻性和容性时：负载分别为：感性、阻性和容性时：感感 性性 负负 载载忽略忽略 电枢电枢 电阻电阻电阻性负载电阻性负载容性负载容性负载船舶电气设备及
13、系统航海学院四、外特性和调节特性四、外特性和调节特性外特性外特性：同步发电机外特性与变压器相似，同步发电机外特性与变压器相似，同步发电机的电压变化率的大小、同步发电机的电压变化率的大小、 正负与发电机所带的负载的大小和正负与发电机所带的负载的大小和 性质有关。因为负载大小影响了电性质有关。因为负载大小影响了电 枢反应作用的大小，枢反应作用的大小，负载性质决定了电枢反应的去磁、增磁性质。若电枢反应去磁负载性质决定了电枢反应的去磁、增磁性质。若电枢反应去磁 ，电压变化率为正；，电压变化率为正；若电枢反应增磁若电枢反应增磁，则，则电压变化率为负电压变化率为负。此。此 时，外特性为时，外特性为上翘的特
14、性上翘的特性。电枢反应越强，电压变化率的值就。电枢反应越强，电压变化率的值就 越大（反之亦然）。越大（反之亦然）。船舶电气设备及系统航海学院特性：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 可能也可能不同。要点：空载特性实质；电枢反应3种；外特性与u； 调节特性。 调节特性调节特性曲线电枢反应去磁，则励磁电流应增加，反之则减小。船舶电气设备及系统航海学院五、五、功角特性功角特性功率平衡：功率平衡：功率平衡关系就是能量平衡关系。功率平衡关系就是能量平衡关系。P P1 1= =P Pe e+ +P P0 0其中，电磁
15、功率：其中，电磁功率：P Pe e= 3 E= 3 E0 0I I coscos，内功率内功率 因数角因数角 ；空载损耗；空载损耗P P0 0( (主要是机械损耗主要是机械损耗) )。PeP PeP2 2=3U I =3U I coscos ( p59 4-15)( p59 4-15)转矩平衡：转矩平衡：公式：公式：T= 3ET= 3E0 0I I coscos/。船舶电气设备及系统航海学院功角及功角特性功角及功角特性功角：功角：是发电机磁极磁场与气隙合成磁场之间的是发电机磁极磁场与气隙合成磁场之间的 空间角度，也正好等于电势空间角度，也正好等于电势E E0 0与电压与电压U U之间的相位角之
16、间的相位角 。 I I coscos =E=E0 0sin/ sin/ XsXs，P Pe e=3U I =3U I coscos ， P Pe e=3UE=3UE0 0sin/ Xs sin/ Xs ，即：即： 功角特性功角特性。P60 4-19P60 4-19 凸极机凸极机直交轴方向气隙不均匀直交轴方向气隙不均匀. .多一个多一个“ “反应转矩反应转矩” ”。矩角特性矩角特性： 与功角特性相似与功角特性相似 。船舶电气设备及系统航海学院功率的调节功率的调节若保持油门不变，则输出电磁功若保持油门不变，则输出电磁功 率率P Pe e =3U I =3U I coscos ，即即I I coscos 等于等于 常数。此时
