第四章同步电机

第十一章三相交流同步发电机

在使用交流电制的船舶中，均采用三相交流同步发电机作为主电源设备。交流同步发电机是一种能量转换装置，它将原动装置发出的机械能转换成电能。根据原动机的形式，通常有中速柴油机发电机组，有的也配有转速较高的汽轮机发电机组。随着现代船舶的大型化，船用发电机的单机容量不断增大，船舶自动化程度大幅提高，对发电机运行的稳定性及可靠性提出了更高的要求。

4.1三相交流同步电机的构造与工作原理

4.1.1三相交流同步电机的构造

三相交流同步电机是由定子部分及转子部分组成。定子铁芯、转子铁芯和定转子间的气隙构成同步电机的磁路。以转子绕组形式分类，有旋转电枢式和旋转磁极式。对于高压、大容量的同步电机，通常采用旋转磁极式结构，即主磁极装设在转子上，电枢装设在定子上。由于励磁部分的容量和电压较电枢少得多，电刷和集电环的负载就大为减轻，工作条件得以改善。目前，旋转磁极式结构已经成为包括船舶发电机在内的中、大型同步电机的基本结构形式。

1 定子电枢构造：

定子电枢的同步电机，定子铁心是由硅钢片叠成。定子铁心槽内嵌放的三相对称绕组也是依次相差120空间电角度或120空间机械角度，其中p为极对数。三相绕组又称电枢绕组，电力发电机基本上都采用Ｙ联接。

定子结构由铁芯、电枢三相绕组、机座和端盖等部件所组成，与异步电机定子基本相同。甚至相同机座号时，若与异步机互换定子，仍然可以运行。与异步电机的主要区别是尺寸方面，相同外形情况下，同步电机通常容量较大，而同步机的容量相对较小。从表面上看，同步机机壳表面较光，无散热片，而异步机表面带有散热槽。

2 转子：

旋转磁极式同步电机的转子有两种结构形式：一种有明显的磁极，成为凸极式，另一种转子为一个圆柱体，表面上开有槽，无明显的磁极，称为隐极式。而这两种转子绕组均时直流绕组，通以直流电流，产生恒定的磁极主磁通，并随原动机的运转而形成旋转磁动势。

同步发电机的转子可以采用凸极式和隐极式。由于水轮机、低速柴油机的转速较低（1000r/min及以下），通常把发电机的转子做成凸极式的；对于汽轮发电机，包括中高速柴油机发电机，由于转速较高（1500r/min乃至3000r/min以上），为了很好地固定励磁绕组，通常把发电机的转子做成隐极式的。无论是隐极式转子还是凸极式转子，其磁极均以N—S —N—S机顺序排放，励磁绕组的两个出线端分别接到固定的转轴上彼此绝缘的两个滑环上或旋转整流器的直流侧上，以产生磁极主磁通。对应的励磁供电可以通过固定的电刷装置与滑环的滑动接触将直流电流引入励磁绕组中，或通过自带的励磁机整流后向励磁绕组供电。

为了降低转子表面线速度，隐极式转子通常制成细长的圆柱体。隐极式转子的磁极一般为一对极或二对极。通常凸极式同步发电机的转子可制成一对极、二对极、三对极等，每个磁极上套放励磁绕组。

4.1.2三相交流同步电机的工作原理

当同步发电机的转子在原动机的拖动下达到同步转速n0时，由于转子绕组是由直流电流I f励磁，所以转子绕组在气隙中所建立的磁场相对于定子来说是一个与转子旋转方向相同、转速大小相等的旋转磁场。该磁场切割定子上开路的三相对称绕组，在三相对称绕组中产生三相对称空载感应电动势E0。若改变励磁电流的大小则可相应地改变感应电动势的大小，此时同步发电机处于空载运行。

当同步发电机带负载后，定子绕组构成闭合回路，产生定子电流，该电流是三相对称电

流，因而要在气隙中产生与转子旋转方向相同、转速大小相等的旋转磁场。此时定、转子间旋转磁场相对静止，气隙间的磁场是定、转子旋转磁场的合成。由于气隙中磁场的改变，定子绕组中感应电动势的大小也会发生相应变化。

在三相电枢绕组中产生对称的三相正弦空载电动势（即开路相电压），其顺势值为

e A=E m sinωt

e B=E m sin(ωt−120°)

e C=E m sin(ωt+120°)

空载电动势的有效值为

E0=E m2=4.44f NΦ0κw

H Z;

式中，f—频率，取决于同步发电机转子的转速n和磁极极对数p，f=pn

60 N—每相绕组的总的串联匝数；

Φ0—每极基波磁通，Wb；

κw—电枢绕组分布系数，κw<1；

E0是由励磁磁极的主磁通φf切割电枢绕组而产生，故称为励磁电动势（也称主电势、空载电势、转子电势）。

发电机在制成后，p、N、κw均为定值，用C e=4.44Nκw p

表示，则每相空载电动势可写

60

成C e为电势常数。可见空载电动势与主磁通和转速的变化有关。

4.1.3三相交流同步发电p机的励磁方式

按同步发电机的励磁电源的不通有两种基本类型，即他励和自励。设有专用励磁电源的称为他励方式。目前船舶同步发电机都采用自励形式，其直流励磁电流由自身输出的交流电经过整流并调节后获得。个磁极励磁线圈连接后构成同步电机的直流电路，各励磁线圈之间的连接极性应使得所产生的磁极极性N、S相邻。为从外部将直流励磁电流引入旋转的励磁线圈中，须将励磁绕组的两个出线端分别接到固定在转轴上的两个滑环上。两个滑环彼此绝缘并对轴绝缘。通过固定的电刷装置与滑环接触将直流电流引入励磁线圈。

为降低滑环和碳刷装置带来的维护保养问题，近年来无刷发电机得到推广和使用。与普通发电机组相比，除具有相同的同步主发电机外，无刷发电机还由中频交流励磁机和旋转整流器组成。交流励磁机的转子和旋转整流器与发电机转子连在同一根轴上，故无刷发电机的轴向尺寸较长。通常同步发电机采用旋转磁极式，交流励磁机采用旋转电枢式。由于是同轴旋转，这样交流励磁机发出的中频交流电经同轴的旋转整流器整流成直流电，再送至同轴的主发电机励磁绕组，因此取代了炭刷与滑环。

有些磁极铁芯顶面圆周槽内还嵌放短路的鼠笼条，称为阻尼绕组。阻尼绕组对暂态过程中可能引起的转子振荡起阻尼作用，有增强同步发电机并联运行的稳定性、抑制柴油机的谐波转矩和加大自整步力矩等作用，同时它能提高发电机承担不对称负载的能力。对于同步电动机阻尼绕组也是作为异步启动的“启动绕组”。

4.1.4三相交流同步发电机的铭牌参数

（1）额定功率P N(W,kW,MW)：指发电机输出的额定有功功率。而船舶发电机常用额定容量S N(VA,kVA,MVA)来表示发电机的输出能力。

（2）额定电压U N(V,kV):额定运行时发电机输出端的线电压。

（3）额定电流I N(A,kA):额定运行时定子输出端的线电流。

（4）额定功率因数cosφN：额定运行时电机的功率因数。

（5）额定频率f N(H Z)：电机电枢输出端电能的频率，我国标准工频为50H Z。

（6）额定转速n N(r/min)：额定运行时电机的转速即同步转速。