船舶电气第四章同步电机

隐极式转子
大型机的 转子支架
转子轴上的滑环
转子铁心 硅钢片
一对极 隐极式
两对极凸极式
二、同步发电机的基本类型
类型与励磁方式
类型：同步发电机有转枢式和转极式两种。 类型：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， 磁极在转子时， 电机主要采用转极式，∵磁极在转子时，通过滑环引 导的电流较小。 导的电流较小。 自励： 自励：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。 他励：凡设有专用励磁电源的称为他励。 他励：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。 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。
转矩和功率的平衡： 转矩和功率的平衡：
主要理清能量转换关系。 主要理清能量转换关系。
独立运行特点： 独立运行特点：
独立运行特点单独作为一点讨论，目的是要求给予重 独立运行特点单独作为一点讨论， 视，与后续特点进行比较。 与后续特点进行比较。
一、电压方程及相量图
同步发电机负载运行时与电枢绕组交链的磁通有3个 同步发电机负载运行时与电枢绕组交链的磁通有 个： 励磁磁通、电枢电流产生的电枢反应磁通 漏磁通。 电枢反应磁通和 励磁磁通、电枢电流产生的电枢反应磁通和漏磁通。 3个磁通都在电枢绕组感应电势分别为：空载电势、 个磁通都在电枢绕组感应电势分别为： 个磁通都在电枢绕组感应电势分别为 空载电势、 电枢反应电势和漏磁电势。 忽略磁路饱和，引入参数： 电枢反应电势和漏磁电势。 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X 注意： 同步电抗 s = Xa + Xσ ，注意：Xs ＞Xa＞Xσ 。
二、电枢反应
定义：负载时由三相电枢绕组产生的旋转磁场称为电枢 定义：负载时由三相电枢绕组产生的旋转磁场称为电枢 反应磁场。电枢反应磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应 电枢反应。 反应磁场。电枢反应磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应。 电枢电流影响电枢反应的性质：电枢电流与空载电势 空载电势的 电枢电流影响电枢反应的性质：电枢电流与空载电势的 关系有：同相位、滞后和超前三种 三种。 关系有：同相位、滞后和超前三种。与之对应的电枢反应的 性质有：交轴、直轴去磁和直轴增磁三种 三种。 性质有：交轴、直轴去磁和直轴增磁三种。
交 轴 反 应 （同 相 位 ） 直 轴 去 磁 （滞 后 ） 直 轴 去 磁 （超 前 ）
性滞后 的电流
三、外特性和调节特性
同步发电机外特性与变压器相似， 外特性：同步发电机外特性与变压器相似，但电压 变化率计算式P.49.式(4-2-5)与P.17.式(2-3-3) 不同。 式 不同。 变化率计算式 与 式 注意：P.50思考题 注意： 思考题(4-2-4) 。 思考题
∵ E0∝Φ0∝B ，If∝H； ； ∴空载特性的实质就是 磁化曲线。 磁化曲线。
空载特性实验
空载特性实验： 空载特性实验： 按如图所示接线， 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R 调至最大， 子旋转，将励磁回路电阻 f调至最大，合上励磁回路 电源开关。观察电流表A和电压表 的数值并记录。 和电压表V的数值并记录 电源开关。观察电流表 和电压表 的数值并记录。 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R 调小， 逐步将 f调小， 使电流逐步增大， 使电流逐步增大， 记录数据。 记录数据。然后逐 步将R 步将 f调大再记录 数据。 数据。
谐波内容 不做要求
三次谐波解释
三次谐波： 三次谐波：由于三 相绕组的每个线圈边产 生的磁势为矩形波， 生的磁势为矩形波，可 分解成基波和一系列奇 次谐波。 次谐波。通过合理选择 短距绕组,可削弱 可削弱5、 短距绕组 可削弱 、7 次谐波。 次谐波。 三相绕组的3次谐 三相绕组的 次谐 波刚好同相位， 波刚好同相位，可以通 形和△ 过Y形和△连接削弱。 形和 连接削弱。
一、同步电机结构
定子结构： 定子结构：
结构：由铁心和绕组组成， 结构：由铁心和绕组组成，与异步电机定子基本 相同。 相同机座号时，若与异步机互换定子， 相同。—— 相同机座号时，若与异步机互换定子，则 仍然可以运行。 仍然可以运行。 区别：主要是尺寸方面，同步电机通常容量较大， 区别：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， 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， 机壳无散热片，异步机则有 接线：发电机定子绕组通常采用Y 形连接， 接线：发电机定子绕组通常采用 形连接，减小 三次谐波影响。 三次谐波影响。
思考题(4-2-4)：同步发电机的电压 思考题 ： 变化率的大小、 变化率的大小、正负与发电机所带 的负载的大小和性质有关。 的负载的大小和性质有关。因为负 载大小影响了电枢反应作用的大小， 载大小影响了电枢反应作用的大小， 负载性质决定了电枢反应的去磁、增磁性质。 负载性质决定了电枢反应的去磁、增磁性质。若电枢反应去 电压变化率为正；若电枢反应增磁， 电压变化率为负。 磁，电压变化率为正；若电枢反应增磁，则电压变化率为负。 此时，外特性为上翘的特性 电枢反应越强， 上翘的特性。 此时，外特性为上翘的特性。电枢反应越强，电压变化率的 值就越大（反之亦然）。 值就越大（反之亦然）。
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 步发电机空载电势E 步发电机空载电势 0：—— 书P.47 式（4-2-2） ） E0 = 4.44kfNΦ0 空载 特性： 特性： 保持额定转速不变， 保持额定转速不变，空 载电势E 与空载励磁电流I 载电势 0与空载励磁电流 f 的关系曲线。 的关系曲线。
同步发电机的电压、 §4—3.同步发电机的电压、 同步发电机的电压 转矩和功率的平衡 转矩和功率的平衡
本节的主要内容有三部分： 本节的主要内容有三部分：
电压方程及相量图： 电压方程及相量图：
主要掌握：电枢电路的等效、相量图和重要参数 —— 主要掌握：电枢电路的等效、 同步电抗和功率角、功率因数角、内功率因数角等概念。 同步电抗和功率角、功率因数角、内功率因数角等概念。
§4—2.同步发电机的基本特性 同步发电机的基本特性
本节的主要内容有三大部分： 本节的主要内容有三大部分：
空载特性： 空载特性： 主要点：掌握空载特性的实质， 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。 载电势的计算式。 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， 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。 磁场对气隙磁场的影响。 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。
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 直流励磁电流，并产生磁场； 直流励磁电流，并产生磁场；原动机拖 动转子旋转， 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。
[第一节要点 ：结构、原理、类型、额定参数。 第一节要点]：结构、原理、类型、额定参数。 第一节要点
调节特性
特性：为了保持电压 特性： 调节特性曲线 不变，在功率因数一定时， 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。 行变化调节的曲线。 不同的功率因数， 不同的功率因数，电 枢反应大小不一样，性质 枢反应大小不一样， 可能也可能不同。 可能也可能不同。 电枢反应去磁，则励磁电流应增加，反之则减小。 电枢反应去磁，则励磁电流应增加，反之则减小。 [第二节要点 ：空载特性实质；电枢反应 种；外特性 第二节要点]：空载特性实质；电枢反应3种 第二节要点 与∆u；调节特性。 ；调节特性。
§4—1.同步电机的结构 同步电机的结构
本节的主要内容有两部分 基本结构： 基本结构：
主要点：类型与转子的结构 主要点： （同步电机的定子结构与异步机 相似）。 相似）。
铭牌数据： 铭牌数据：
主要点：额定容量表示（ 主要点：额定容量表示（两 ），额定电压和额定电流 额定电压和额定电流。 种），额定电压和额定电流。
磁势矩形波
三相 绕组 的三 次谐 波刚 好同 相位
△连接时，虽然无3次谐 连接时，虽然无3 波电势输出，但是， 波电势输出，但是，却 在其三相绕组上有3 在其三相绕组上有3次谐 环流” 会造成额 波 “环流”，会造成额 外损耗。 采用Y连接。 外损耗。∴采用Y连接。
转子结构
转子： 凸极式和隐极式两种 转子绕组是直流绕组。 两种。 转子：有凸极式和隐极电 抗表 示 ea 忽略 电枢 电阻
电势公式
电压平衡方程： 电压平衡方程：
E 0 = U + I 0 Ra + jX a I + jX 0 I = U + (Ra + jX S ) I
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电势公式可应用三角计算公式从相量图得到： 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 角形构成——以E0为斜边以 相量及其延长线为一条 角形构成 以 为斜边以U相量及其延长线为一条 直角边，构造一个直角三角形。 直角边，构造一个直角三角形。与电流 I 有关相量变 投影）到直角边都与功率因数角φ有关 有关。 换（投影）到直角边都与功率因数角 有关。
说明
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 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 无刷励磁也是靠剩磁起压的。 磁。无刷励磁也是靠剩磁起压的。
P.46的图 的图4-1-4就是 的图 就是 P.199的图 的图12-2-2。 的图 。
无刷同步发 电机实际上是两 台机同轴工作。 台机同轴工作。
第四章 同步电机
§4—1．同步电机的结构 §4—2．同步发电机的基本特性 同步发电机的电压、 §4—3．同步发电机的电压、转矩和功率的平衡 §4—4．同步发电机的并联运行 §4—5．同步发电机的短路与振荡 §4—6．同步电动机