第5章 船舶同步电机

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三、同步发电机的外特性
• 原动机拖动发电机转子旋转，在发电机的转子绕组加上直 流励磁，在定子三相电枢绕组端点接一负载，电枢回路中 有负载电流通过，并由此产生电枢磁势，致使发电机中气 隙磁场（相对于空载时的）发生变化，引起发电机输出端 电压变化。当同步发电机的转速为同步转速、励磁电流与 负载功率因数一定时，发电机的端电压与负载电流的关系 称为外特性，表示为
• 调整特性的曲线形状取决于负载的性质，如图5-21所示。 I f f (I )
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图5-21 调整特性曲线
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五、同步发电机的功角特性
• 当发电机接通三相对称负载后，同步发电机就将转轴上输 入的机械功率，通过电磁感应作用转换成电功率输出，其 功率流程如图5-22所示。
第三节
同步发电机的电势方程和相量图
同步发电机负载运行时，气隙中存在两个旋转磁场， 即电枢磁场和主极磁场。这两个磁场各自在定子绕组中感 应电势，这些电势的总和减去定子漏阻抗压降后，就可得 到发电机的端电压。
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一、凸极式同步发电机 当凸极式同步发电机负载运行时，由于其气隙不均 匀，因此当同一电枢磁势作用在直轴将比作用在交轴时得 到较大的电枢磁势。当电枢磁势作用在直轴与交轴之间的 任意位置时，需要将电枢磁势分解成直轴分量和交轴分 量。直轴及交轴电枢磁场是同主极磁场相互独立地存在于 同一磁路中，它们将各自产生对应的磁通，并在定子绕组 里感应对应的电势 。
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三、电枢电流 滞后于空载电势 900（即ψ =- 900）时 的电枢反应 ψ=-90°时，同步发电机的输出负载电流 Ia超前于空 I E a 0 载电势 90°（ ），发电机发出的有功功率 为 零，仅输送容性无功功率至电网 。 cos 0 E0 具体电枢反应如图5-7。
Ik f (I f )
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• 短路时同步发电机相量图如图5-16所示。 • 断路特性曲线如图5-17所示。 • 短路实验接线图如图5-18所示。
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图5-16 短路时同步 发电机相量图
图5-17 断路特性曲线
图5-18 短路实验接线图
2.
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W1
V2
W1
V2
W1
V2
S
U2
N
U1 U2 U1
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U2
N
V1 W2 V1 W2 V1
S
W2
c） c 图5-10 不同性质负载时电枢反应磁场与转子电流的作用 a）ψ=00；b） ψ=900 ；c） ψ=-900
a) a）
b b）
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图5-3 自励同步发电机
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定子
AVR
交流励磁机 转子 旋转 整流器
发电机
图5-4 无刷同步发电机
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三、三相同步发电机额定值 • 同步发电机和其他电机一样，制造厂将该电机正常运 行的条件，各种规定的数据都印刷在铭牌上。这些数据 称为同步发电机的额定值，也是使用管理电机人员必须 遵守的技术规定。 同步发电机的主要额定值有： • 额定容量 SN 或额定功率PN • 额定电压 UN • 额定电流 IN • 额定功率因数 cosΦN • 额定频率 fN • 额定转速 nN • 额定励磁电压（额定励磁电流）
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F
f
Fa W1
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U2 N S U1 n V1 U2
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U1 N W2
V1
n
W2
a）U相绕组电势最大时的位置
EU IV
c）U相绕组电流最大时的位置
U2 IU N EV EW IW n
U1 S
b）相量图
d）展开图
图5-6 ψ = -90°时的电枢反应 返回
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孙玉伟
能源与动力工程学院轮机工程系 ywsun@whut.edu.cn
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第五章
船舶同步电机
本章概述 同步电机是一种交流电机,它区别另一种交流电机－异 步电机的一个重要特征在于它的转速（r/min）与电流频 率（Hz）之间保持着严格的关系，即
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凸极式同步发电机的电势方程为：
U I r jI X jI X E 0 a a ad d aq q
将凸极式同步发电机的电枢反应分解为直轴分量和 交 轴分量，从而导出两个同步电抗，再分别求出每一同步电 抗所产生的电压降，这一方法称为双反应法。 凸极式同步发电机的相量图参见图5-11。
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第五章
船舶同步电机
本章主要讲解内容 第一节 三相同步发电机的基本类型和结构 第二节 同步发电机的电枢反应
第三节 同步发电机的电势方程和相量图
第四节 同步发电机的运行特性
第五节 同步电动机
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第一节
三相同步发电机的基本类型和结构
同步电机与其他电机一样，由定子和转子两大部 分 组成。三相同步发电机（转场式）定子与三相异步电机 的相同，主要有嵌放在铁心槽中的三相对称绕组，转子 上装有磁极和励磁绕组，如图5-1三相同步发电机结构 原理图所示。当励磁绕组通以直流电流以后，电机内产 转子磁场，如用原动机带动转子旋转，则转子磁场与三 相定子绕组间有相对运动，就会在三相定子绕组中感应 出交流电势。
U 0 f (I f )
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U0
C
A
V
B
S
+
If
0
图5-14 空载特性曲线
U
A
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图5-15 空载实验原理接线图
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二、同步发电机的短路特性 • 原动机拖动发电机转子旋转，在发电机的转子绕组加上直 流励磁，定子三相电枢绕组端点短路，即为同步发电机的 短路运行。短路运行时，发电机的输出端电压为零，此时 电枢绕组中通过的电流即为短路电流。当同步发电机的转 速为同步转速，电枢端点三相短路，电枢短路电流与励磁 电流的关系称为短路特性，表示为
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图5-1 三相同步发电机结构原理图
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一、同步电机的基本结构 1. 同步发电机按其结构可以分为旋转电枢式和旋转磁极 式。 2. 旋转磁极式按照磁极的形状，又可分为凸极式和隐极 式。 图5-2 同步发电机的基本型式
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第二节
同步发电机的电枢反应
三相同步发电机在运行中随着负载的大小、性质的变 化，发电机内部的气隙磁场也在变化，三相同步发电机的 输出电压和电流也随之变化。
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一、电枢电流 与空载电势 同相位（即 ）时的 电枢反应 0 ψ =0°时，同步发电机的内功率因数为 ， 0 I E a 0 输 出的负载电流 与空载电势 同相，发电机并不发出无功 cos 1 功率，将有功功率从发电机输至电网。 I E a 0 具体电枢反应如图5-5。
• 同步发电机按其原动机的种类可分为水轮发电机、汽轮发 电机和柴油发电机三种。
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同步发电机的基本类型：
1. 按同步发电机定子和转子的结构及作用不同有两种类型， 即旋转磁极式和旋转电枢式。 2. 按同步发电机的励磁电源的不同有两种基本类型，即自 励的图5-3 自励同步发电机和他励的图5-4 无刷同步发 电机。
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图5-11 感性负载时凸极式同步发电机电势相量图
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二、隐极式同步发电机 隐极式同步发电机的电势方程为：
U I r jI X E 0 a a a t
隐极式同步发电机的相量图，如图5-12所示，在忽 略定子内电阻时，便可得到简化相量图，如图5-13所示。
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图5-12 隐极式同步发电机相量
图5-13 隐极式同步发电机简 化向量
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第四节
同步发电机的运行特性
表征同步发电机的运行特性有以下五种 ： • 同步发电机的空载特性 • 同步发电机的短路特性 • 同步发电机的外特性 • 同步发电机的调整特性 • 同步发电机的功角特性
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一、同步发电机的空载特性 • 原动机拖动发电机转子旋转，在发电机的转子绕组上 加直流励磁，定子电枢绕组开路（发电机主开关处于 断开）状态，称为同步发电机的空载运行。 • 空载时，发电机的转速n等于同步转速、电枢电流 Ia=0，空载电压U0与励磁电流If的关系称为空载特 性，表示为 。 • 空载特性曲线可参见图5-14 • 空载特性可以通过实验方法测得。实验接线如图5-15所示
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四、同步发电机实际运行时的电枢反应 1. 实际运行时，同步发电机的内功率因数角Φ可以为90°到90°之间的任意数值，即电枢磁势的轴线和 主磁势的轴线可以有任意的相对位置。与直流电机 一 样。此时可以将电枢磁势分解为直轴分量和交轴分 量，直轴分量起去磁作用或增磁作用。 一般0°<Φ<90°是同步发电机最常见的运行情况， 此时发电机的输出负载电流落后于空载电势角，发电 机 将向电网输送一部分有功功率和一部分感性无功功率。
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Ea E W1 U2 N
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U
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a）某一瞬间的位置图
b）相量图
c）展开图
图5-5 ψ =0 时的电枢反应
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二、电枢电流 滞后于空载电势 900（即ψ=900）时的 电枢反应 ψ =90°时，同步发电机的输出负载电流 滞后于空 I E a 0 载电势 90°（即 ），发电机发出的有功功 率 I a 为零，仅输送感性无功功率至电网。 cos 0 E 0 具体电枢反应如图5-6。
(c) cos 0.8 (容性)
图5-20 不同负载时同步发电机的相量图
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四、同步发电机的调整特性 • 当同步发电机的负载变化时，为保持端电压不变，必须同 时调节发电机的励磁电流，以补偿电枢反应的去磁、增磁 作用和阻抗压降。当同步发电机的转速为同步转速、输出 端电压和负载性质一定时，励磁电流随负载电流的变化的 关系称为调整特性，表示为
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Fa W1 W1 S
V2 U2 U1
V2
U2
N
S
U1 N
V1
n
W2
V1 Ff
W2
a）U相绕组电势最大时的位置
EU IW
c）U相绕组电流最大时的位置
U2 IU EV EW IV N S
U1
f
a
n
b）相量图
d）展开图
图5-6 ψ =90°时的电枢反应
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U f (I )
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• 同步发电机外特性曲线如图5-19所示。 • 不同负载时同步发电机的向量图如图5-20所示。
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图5-19 外特性曲线
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cos 1 0.8
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（a） cos 1
(b) cos 0.8 (感性)
式中p为电机的极对数。所以，当同步电机的极对数和 60 f 转速一定时，感应电动势的频率也是一定的。 n p 同步电 机和其他电机一样，具有可逆性，可做同步发 电机也可做同步电动机用，还可以做同步补偿机用。但在 船舶上主要是做同步发电机用，对于某些采用电力推进的 船舶，推进电动机大部分采用同步电动机。
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1
1 3
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a）
b）
图5-2 同步发电机的基本型式 1-定子；2-凸极转子；3-隐极转子；4-滑环 返回
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二、同步发电机的基本类型
• 同步电机按用途分为发电机、电动机和补偿机三种 ；按 冷却方式分为空气冷、氢气冷和水冷三种 ；按转子结构 分为隐极式和凸极式两种 。