第05章p 船舶同步電機(jī)

第5章船舶同步電機(jī)

第一節(jié)三相同步發(fā)電機(jī)的基本類(lèi)型和結(jié)構(gòu)第二節(jié)同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)第三節(jié)同步發(fā)電機(jī)的電勢(shì)方程和相量圖第四節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性第五節(jié)同步電動(dòng)機(jī)第一節(jié)三相同步發(fā)電機(jī)的基本類(lèi)型和結(jié)構(gòu)以轉(zhuǎn)子繞組形式分類(lèi)，有旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式。

同步電機(jī)與其他電機(jī)一樣，由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)電樞式同步發(fā)電機(jī)三相同步發(fā)電機(jī)（旋轉(zhuǎn)磁極式）定子與三相異步電機(jī)的相同，主要有嵌放在鐵心槽中的三相對(duì)稱(chēng)繞組，轉(zhuǎn)子上裝有磁極和勵(lì)磁繞組。當(dāng)勵(lì)磁繞組通以直流電流以后，電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，如用原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，則轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與三相定子繞組間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就會(huì)在三相定子繞組中感應(yīng)出交流電勢(shì)。定子部分

定子是由定子鐵心、定子三相繞組、機(jī)座以及固定這些部分的其他結(jié)構(gòu)件組成。定子鐵心由硅鋼片疊壓而成。定子鐵心槽內(nèi)嵌放三相依次相差120o電角度（或120o/P空間機(jī)械角度）的繞組，稱(chēng)為三相電樞繞組，是交流電路部分。轉(zhuǎn)子部分

轉(zhuǎn)子磁極有兩種結(jié)構(gòu)形式

隱極式

凸極式（也稱(chēng)顯極式）

自勵(lì)同步發(fā)電機(jī)無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)

主發(fā)電機(jī)G和勵(lì)磁機(jī)LG都是三相同步發(fā)電機(jī)

TYQ相復(fù)勵(lì)調(diào)壓裝置機(jī)械端口轉(zhuǎn)子定子繞組定子鐵心電端口ABC汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)600MW汽輪發(fā)電機(jī)國(guó)產(chǎn)300MW汽輪發(fā)電機(jī)國(guó)產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機(jī)定子國(guó)產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心柴油機(jī)發(fā)電機(jī)三相交流同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理

當(dāng)轉(zhuǎn)子由原動(dòng)機(jī)以恒定轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)。極性相間的勵(lì)磁磁場(chǎng)隨軸一起旋轉(zhuǎn)，并依次切割定子各相繞組（相當(dāng)于繞組導(dǎo)體反向切割勵(lì)磁磁場(chǎng)）。定子三相電樞繞組就會(huì)感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的交變正弦電動(dòng)勢(shì)。由于三相電樞繞組在空間相差120o電角度，三相電動(dòng)勢(shì)相位也相差120o?？蛰d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,即由以上可得Ke為電勢(shì)常數(shù)額定容量，連接方式,線電壓,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。銘牌數(shù)據(jù)

額定容量：指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的輸出功率額定電壓：指額定運(yùn)行時(shí)定子的線電壓額定電流：指額定運(yùn)行時(shí)定子的線電流額定轉(zhuǎn)速：指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速額定功率因數(shù)：指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的功率因數(shù)額定頻率：指額定運(yùn)行時(shí)電樞的頻率通常把同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為同步額定轉(zhuǎn)速條件下，空載電動(dòng)勢(shì)E0與勵(lì)磁電流的關(guān)系曲線稱(chēng)為同步發(fā)電機(jī)空載特性曲線E0=f（If）或稱(chēng)開(kāi)路特性曲線。

第二節(jié)同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行

Er：剩磁電壓（在額定轉(zhuǎn)速下使If=0時(shí)所測(cè)得的電樞開(kāi)路電壓）。同步發(fā)電機(jī)對(duì)稱(chēng)負(fù)載運(yùn)行

同步發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)同步發(fā)電機(jī)接通負(fù)載時(shí),三相電樞繞組的三相電流將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)a,這種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)稱(chēng)為電樞反應(yīng)磁場(chǎng)。電樞反應(yīng)電樞磁場(chǎng)對(duì)磁極主磁場(chǎng)的影響稱(chēng)為電樞反應(yīng)直軸directaxis稱(chēng)d軸交軸quadratureaxis稱(chēng)q軸

將空間分成直軸、交軸后再進(jìn)行分析電樞反應(yīng)效應(yīng)與負(fù)載性質(zhì)有關(guān)空載電勢(shì)電樞電流1）電樞電流與空載電勢(shì)同相位時(shí)（即Ψ=0）的電樞反應(yīng)

交軸電樞反應(yīng)：使合成磁場(chǎng)的軸線從主磁極軸線方向往后偏斜了一個(gè)角度。d軸q軸U1U2

W2V1W1V2NS電樞反應(yīng)性質(zhì)：交軸電樞反應(yīng)

直軸去磁電樞反應(yīng)：電樞磁場(chǎng)a與磁極磁場(chǎng)o在同一軸線上,但方向相反,起去磁效應(yīng)使合成磁場(chǎng)<o。2）電樞電流落后于空載電動(dòng)勢(shì)90時(shí)的電樞反應(yīng)d軸q軸U1U2

W2V1W1V2NS電樞反應(yīng)性質(zhì)：直軸去磁電樞反應(yīng)

直軸增磁電樞反應(yīng)：電樞磁場(chǎng)a與磁極磁場(chǎng)o在同一軸線上,且方向相同,起增磁效應(yīng)使合成磁場(chǎng)大于主磁場(chǎng)o。3）電樞電流超前于空載電動(dòng)勢(shì)90的電樞反應(yīng)d軸q軸U1U2

W2V1W1V2NS電樞反應(yīng)性質(zhì)：直軸增磁電樞反應(yīng)4）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)。d軸q軸U1U2

W2V1W1V2NS電樞反應(yīng)性質(zhì)：既有交軸,還有直軸去磁電樞反應(yīng)第三節(jié)同步發(fā)電機(jī)的電勢(shì)方程和相量圖同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，氣隙中存在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，即電樞磁場(chǎng)和主極磁場(chǎng)。這兩個(gè)磁場(chǎng)各自在定子繞組中感應(yīng)電勢(shì)，這些電勢(shì)的總和減去定子漏阻抗壓降后，就可得到發(fā)電機(jī)的端電壓。正弦電動(dòng)勢(shì)e0、ea和eσ是分別由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁通0、電樞旋轉(zhuǎn)磁通a和電樞繞組漏磁通σ產(chǎn)生的，Ra是電樞繞組的電阻。其電壓平衡方程式為相量分別表示為

X=E/I稱(chēng)為電樞漏電抗;Xa=Ea

/I稱(chēng)為電樞反應(yīng)電抗。相量分別表示為

和電樞電路的相量電壓方程可寫(xiě)為同步電抗Xs=Xa+X,同步阻抗Zs=Ra+jXs.通常Ra<<Xs,可忽略,最常用的簡(jiǎn)化電壓方程為

電感性負(fù)載的簡(jiǎn)化相量圖相量E0和U之間的相位差角θ稱(chēng)為功率角電阻性負(fù)載的簡(jiǎn)化相量圖電容性負(fù)載的簡(jiǎn)化相量圖

直軸directaxis稱(chēng)d軸交軸quadratureaxis稱(chēng)q軸

將空間分成直軸、交軸后再進(jìn)行分析當(dāng)凸極式同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，由于其氣隙不均勻，因此當(dāng)同一電樞磁勢(shì)作用在直軸將比作用在交軸時(shí)得到較大的電樞磁勢(shì)。1凸極式同步發(fā)電機(jī)當(dāng)電樞磁勢(shì)作用在直軸與交軸之間的任意位置時(shí)，需要將電樞磁勢(shì)分解成直軸分量和交軸分量。直軸及交軸電樞磁場(chǎng)是同主極磁場(chǎng)相互獨(dú)立地存在于同一磁路中，它們將各自產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的磁通，并在定子繞組里感應(yīng)對(duì)應(yīng)的電勢(shì)。將凸極式同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)分解為直軸分量和交軸分量，從而導(dǎo)出兩個(gè)同步電抗。雙反應(yīng)法再分別求出每一同步電抗所產(chǎn)生的電壓降，這一方法稱(chēng)為雙反應(yīng)法。不計(jì)磁飽和時(shí)，根據(jù)雙反應(yīng)理論，把電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa分解成直軸和交軸磁動(dòng)勢(shì)Fad、Faq，分別求出其所產(chǎn)生的直軸、交軸電樞磁通、和電樞繞組中相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)、，再與主磁通所產(chǎn)生的激磁電動(dòng)勢(shì)相量相加，便得一相繞組的合成電動(dòng)勢(shì)(通常稱(chēng)為氣隙電動(dòng)勢(shì))。直軸directaxis交軸quadratureaxis上述關(guān)系可表示如下：不計(jì)磁飽和時(shí)可以用相應(yīng)的負(fù)電抗壓降來(lái)表示并考慮式中，Xd和Xq分別稱(chēng)為直軸同步電抗和交軸同步電抗，它們是表征對(duì)稱(chēng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電樞漏磁和直軸或交軸電樞反應(yīng)的一個(gè)綜合參數(shù)。凸極式同步發(fā)電機(jī)的電勢(shì)方程為：圖5-11感性負(fù)載時(shí)凸極式同步發(fā)電機(jī)電勢(shì)相量圖凸極式同步發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)化相量圖2隱極式同步發(fā)電機(jī)

隱極式同步發(fā)電機(jī)的電勢(shì)方程為：隱極式同步發(fā)電機(jī)相量隱極式同步發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)化向量第四節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性1同步發(fā)電機(jī)的空載特性

2同步發(fā)電機(jī)的外特性

3同步發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)特性

4同步發(fā)電機(jī)的短路特性

5同步發(fā)電機(jī)的功角特性6三相同步發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行時(shí)的特點(diǎn)1同步發(fā)電機(jī)的空載特性U0=f(If)

原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組上加直流勵(lì)磁，定子電樞繞組開(kāi)路（發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)）狀態(tài)，稱(chēng)為同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行?？蛰d時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n等于同步轉(zhuǎn)速、電樞電流Ia=0，空載電壓U0與勵(lì)磁電流If的關(guān)系稱(chēng)為空載特性，表示為：空載特性曲線0VAABCSU+空載特性可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載變化時(shí)，為保持端電壓不變，必須同時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，以補(bǔ)償電樞反應(yīng)的去磁、增磁作用和阻抗壓降。2

同步發(fā)電機(jī)的外特性U=f(I)同步發(fā)電機(jī)的外特性是指在轉(zhuǎn)速額定值nN下運(yùn)行，勵(lì)磁電流If不變，負(fù)載功率因數(shù)一定時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓和負(fù)載電流的關(guān)系，即U＝f(I)

電壓變化率同步發(fā)電機(jī)在cosΦ=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％。不同負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的相量圖3同步發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)特性If=f(I)當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載變化時(shí)，為保持端電壓不變，必須同時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，以補(bǔ)償電樞反應(yīng)的去磁、增磁作用和阻抗壓降。當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、輸出端電壓和負(fù)載性質(zhì)一定時(shí)，勵(lì)磁電流隨負(fù)載電流的變化的關(guān)系稱(chēng)為調(diào)整特性，表示為If=f(I)4同步發(fā)電機(jī)的短路特性

原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組加上直流勵(lì)磁，定子三相電樞繞組端點(diǎn)短路，即為同步發(fā)電機(jī)的短路運(yùn)行。短路運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出端電壓為零，此時(shí)電樞繞組中通過(guò)的電流即為短路電流。當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，電樞端點(diǎn)三相短路，電樞短路電流與勵(lì)磁電流的關(guān)系稱(chēng)為短路特性，表示為

短路實(shí)驗(yàn)接線斷路特性曲線當(dāng)發(fā)電機(jī)接通三相對(duì)稱(chēng)負(fù)載后，同步發(fā)電機(jī)就將轉(zhuǎn)軸上輸入的機(jī)械功率，通過(guò)電磁感應(yīng)作用轉(zhuǎn)換成電功率輸出。5同步發(fā)電機(jī)的功角特性Pm=f(θ)1)功率特性

同步發(fā)電機(jī)由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，輸入給發(fā)電機(jī)的功率為P1，而通過(guò)電磁感應(yīng)作用，轉(zhuǎn)換為定子上的電磁功率PM。pm為機(jī)械損耗；pFe為定子鐵損耗；pS為附加損耗。

pcu定子繞組的銅損耗，P2發(fā)電機(jī)輸出功率定子電樞繞組ra很小，若不計(jì)ra影響凸極式同步發(fā)電機(jī)在磁路未飽和且不計(jì)電樞繞組電阻ra時(shí)的相量圖Xd直軸電抗Xq直軸電抗凸極式同步發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)化相量圖基本電磁功率

2)功角特性附加電磁功率

由于隱極式同步發(fā)電機(jī)氣隙均勻，即Xd=Xq=XS，故有PM″＝0，那么，隱極式同步發(fā)電機(jī)的電磁功率PM為：同步發(fā)電機(jī)的功角特性曲線0隱極式凸極式06三相同步發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行時(shí)的特點(diǎn)發(fā)電機(jī)輸出的有功和無(wú)功功率完全決定于負(fù)載。首先是負(fù)載先發(fā)生變化，然后引起發(fā)電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率的變化。6三相同步發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行時(shí)的特點(diǎn)用電負(fù)載不變，人為的改變?cè)瓌?dòng)機(jī)的輸入（加大或關(guān)小油門(mén)），將使轉(zhuǎn)速和頻率發(fā)生相應(yīng)的變化。人為的改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，將使發(fā)電機(jī)的輸出電壓發(fā)生相應(yīng)的變化。6三相同步發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行時(shí)的特點(diǎn)有功負(fù)載的變化可以引起發(fā)電機(jī)的頻率的變化，變化的程度與原動(dòng)機(jī)調(diào)速器的特性有關(guān)。無(wú)功負(fù)載的變化可以引起發(fā)電機(jī)的輸出電壓的變化，變化的程度與發(fā)電機(jī)外特性或自動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)的特性有關(guān)。當(dāng)發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)后,通過(guò)改變發(fā)電機(jī)的輸入機(jī)械功率,來(lái)改變發(fā)電機(jī)輸出的有功功率。假設(shè)經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)已輸出有功功率為:1)有功功率的調(diào)節(jié)若忽略電樞電阻，發(fā)電機(jī)的電磁功率PM=P。當(dāng)勵(lì)磁電流保持不變時(shí)，上式中除功率角θ外均為不變的常數(shù)。在有功功率的調(diào)節(jié)中功率角θ起著自動(dòng)平衡的調(diào)節(jié)作用。發(fā)電機(jī)的有功功率隨功率角的變化關(guān)系P=f(θ),稱(chēng)為功角特性。電磁轉(zhuǎn)矩與電磁功率成正比,即矩角特性T=f(θ)曲線與功角特性曲線相似

2)無(wú)功功率的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流可改變并聯(lián)發(fā)電機(jī)輸出的無(wú)功功率Q。當(dāng)發(fā)電機(jī)剛并入電網(wǎng)時(shí)，I=0。（a）當(dāng)增加勵(lì)磁電流(過(guò)勵(lì)磁)使E0>U,發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間出現(xiàn)了電壓差和引起了電樞電流。根據(jù)電壓方程在相位上電流I總是落后于同步感抗壓降U900。發(fā)電機(jī)輸出落后無(wú)功功率。減少勵(lì)磁電流(欠勵(lì)磁)使E0<U

，電流I落后于U900而超前于電壓U900。發(fā)電機(jī)輸出超前的無(wú)功功率。第五節(jié)同步電動(dòng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和同步發(fā)電機(jī)一樣，轉(zhuǎn)子也有隱極式和凸極式兩種。轉(zhuǎn)子上除了嵌放勵(lì)磁繞組外，還安裝有幫助起動(dòng)用的籠型繞組（阻尼繞組）。一般中小同步電動(dòng)機(jī)多采用凸極結(jié)構(gòu)。1同步電動(dòng)機(jī)的基本原理

同步電動(dòng)機(jī)是由三相電樞繞組通過(guò)三相對(duì)稱(chēng)電流而產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)拉著轉(zhuǎn)子磁極以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，定子吸收電網(wǎng)有功功率，通過(guò)定、轉(zhuǎn)子電磁關(guān)系轉(zhuǎn)換為機(jī)械轉(zhuǎn)矩。同步電機(jī)運(yùn)行于發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)，如圖所示。轉(zhuǎn)子磁極軸線超前定子合成磁極軸線，θ>0，電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。逐步減少發(fā)電機(jī)的輸入功率，轉(zhuǎn)子將瞬時(shí)減速，θ角減小，相應(yīng)的電磁功率也減少。當(dāng)發(fā)電機(jī)的輸入功率只能滿足空載損耗時(shí)，發(fā)電機(jī)處于空載運(yùn)行狀態(tài)。繼續(xù)減少發(fā)電機(jī)的輸入功率，則θ和PM變?yōu)樨?fù)值。卸掉原動(dòng)機(jī)，電機(jī)從電網(wǎng)吸收功率滿足空載損耗，成為空轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)。電機(jī)軸上加上機(jī)械負(fù)載，負(fù)值的θ增大，由電網(wǎng)向電機(jī)輸入的電功率和相應(yīng)的電磁功率增大，轉(zhuǎn)子磁極軸線落后定子合成磁極軸線，轉(zhuǎn)子受到驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩作用。同步電機(jī)由發(fā)電狀態(tài)到電動(dòng)狀態(tài)過(guò)程n1S2N2S1N1n1S1N1n1n1S2N2S2N2S1N1n1n1θ

>0θ=0θ<0同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法:只能通過(guò)變頻方法來(lái)實(shí)現(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率調(diào)節(jié)

同步電動(dòng)機(jī)處于過(guò)激狀態(tài)，相當(dāng)于容性負(fù)載，從電網(wǎng)吸收超前無(wú)功功率。同步電動(dòng)機(jī)處于欠激狀態(tài)，相當(dāng)于感性負(fù)載，從電網(wǎng)吸收滯后無(wú)功功率。由于電