船舶和配電系統(tǒng)-三相交流同步發(fā)電機(jī)和軸帶發(fā)電機(jī)

任務(wù)一三相交流同步發(fā)電機(jī)和軸帶發(fā)電機(jī)本節(jié)主要內(nèi)容主要內(nèi)容：一.三相交流同步發(fā)電機(jī)的構(gòu)造與工作原理；二.同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行及空載特性；

三.同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行及電樞反應(yīng)；

四.同步發(fā)電機(jī)的外特性與調(diào)節(jié)特性；

五.船用軸帶發(fā)電機(jī)。學(xué)習(xí)要求：

1.要求知道同步發(fā)電機(jī)的構(gòu)造與工作原理；

2.了解同步發(fā)電機(jī)的工作特性；3.了解軸帶發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)及使用方法。Three-phaseACsynchronousgeneratorandshaftgenerator一、三相交流同步發(fā)電機(jī)的構(gòu)造與工作原理（一）三相交流同步發(fā)電機(jī)的構(gòu)造定子鐵芯(core)：構(gòu)成磁路、嵌放繞組;1定子(stator)部分特點(diǎn)定子三相繞組只作Y聯(lián)接與三相交流異步電機(jī)的定子構(gòu)造相同。定子繞組(winding)：三相對(duì)稱繞組（電樞繞組），輸出三相交流電壓;機(jī)座，端蓋，風(fēng)扇等。構(gòu)成U1U2V1V2W1W2L1L1L2L2L3L3同步發(fā)電機(jī)的定子三相繞組L1L2L3隱極式：極對(duì)數(shù)較少，適用于高速（汽輪原動(dòng)機(jī)等）2轉(zhuǎn)子(rotor)部分在外加直流勵(lì)磁電流作用下，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)作用分類(lèi)凸極式：極對(duì)數(shù)較多，適用于低速（水輪、低中速柴油機(jī)等）構(gòu)成轉(zhuǎn)子鐵心，勵(lì)磁繞組，轉(zhuǎn)軸，滑環(huán)等10000kW水輪機(jī)轉(zhuǎn)子凸極式轉(zhuǎn)子隱極式轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸滑環(huán)碳刷直流勵(lì)磁電壓通過(guò)碳刷與滑環(huán)的滑動(dòng)接觸，接入轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組三相交流同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子三相交流同步電機(jī)的基本類(lèi)型旋轉(zhuǎn)磁極式：定子為三相繞組，轉(zhuǎn)子為直流磁極按同步發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)果及作用分類(lèi)*旋轉(zhuǎn)電樞式：轉(zhuǎn)子為三相繞組，定子為直流磁極按同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源的不同有兩種基本類(lèi)型，即自勵(lì)的、他勵(lì)的圖6-1-1自勵(lì)同步發(fā)電機(jī)

轉(zhuǎn)子定子交流勵(lì)磁機(jī)發(fā)電機(jī)

旋轉(zhuǎn)整流器

圖6-1-2無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)AVR三相感應(yīng)電勢(shì)瞬時(shí)值為：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)外力矩（機(jī)械能）直流勵(lì)磁電壓三相感應(yīng)電勢(shì)輸出電壓（電能）“切割”定子繞組每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值為：

（二）三相交流同步發(fā)電機(jī)的工作原理三相交流電壓的產(chǎn)生U1U2V1V2W1W2euevewuωt0euevewωt=0：ωt=90o：ωt=150o：ωt=210o：eu=0，ev＜0，ew＞0eu＜0，ev=E，ew＜0eu=E，ev＜0，ew＜0eu＞0，ev＞0，ew=－E定子繞組中三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的討論每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值為：

式中：f—頻率，取決于同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n和磁極對(duì)數(shù)p，f=np/60N—每相繞組的總的串聯(lián)匝數(shù)；Φ0—每極基波磁通，單位為韋伯（Wb）；kW—電樞繞組分布系數(shù)，kW<1；E0是由轉(zhuǎn)子磁極的主磁通Φ0切割電樞繞

組而產(chǎn)生，故稱為空載電勢(shì)。發(fā)電機(jī)在制定后，

p、N、kW均為定值，用表示，則每相空載電動(dòng)勢(shì)可寫(xiě)成：

即：空載電動(dòng)勢(shì)E0與主磁通Φ0和轉(zhuǎn)速n有關(guān)。額定容量SN（VA，kVA，MVA）或額定功率PN（W，kW，MW）；額定電壓UN（V，kV）：輸出端的線電壓；額定電流IN（A）：額定運(yùn)行時(shí)定子輸出端的線電流；額定功率因數(shù)cosφ

N：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的功率因數(shù)；額定頻率fN（Hz）：電機(jī)電樞輸出端電能的頻率，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)工頻為50Hz；額定轉(zhuǎn)速nN（r/min）：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速即同步轉(zhuǎn)速；絕緣等級(jí)：電機(jī)的絕緣材料的等級(jí)，船用一般為E級(jí)以上；勵(lì)磁電壓UfN：額定負(fù)載時(shí)，所加勵(lì)磁電壓；勵(lì)磁電流IfN：額定負(fù)載時(shí)所加勵(lì)磁電流等。（三）三相交流同步發(fā)電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)空載特性：空載電動(dòng)勢(shì)E0（定子繞組輸出端電壓）與勵(lì)磁

電流If的關(guān)系,即空載運(yùn)行：外力矩帶動(dòng)轉(zhuǎn)子以額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，n=nN

，定子

三相繞組輸出端開(kāi)路（負(fù)載電流IL=0）If–線性→Ff（=NIf）–磁化曲線→Φ0–線性→E0（=keΦ0n）二、同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行及空載特性空載特性的獲?。嚎赏ㄟ^(guò)試驗(yàn)方法測(cè)得空載特性的特征：為磁化曲線空載特性的作用：是發(fā)電機(jī)自勵(lì)恒壓裝置設(shè)計(jì)的依據(jù)E0

=f(If)∣(n＝額定值)(IL=0)If–線性→Ff（=NIf）–磁化曲線→Φ0–線性→E0（=keΦ0n）E0=f（If）

定子三相繞組中的負(fù)載電流產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)Φa，稱為電樞磁場(chǎng)，其轉(zhuǎn)速n1為：Φa與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Φ0轉(zhuǎn)速相同，且轉(zhuǎn)向也相同，為同步旋轉(zhuǎn)負(fù)載運(yùn)行：輸出端接三相對(duì)稱負(fù)載ZL，定子繞組中有三相對(duì)稱

電流IL流過(guò)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Φ0外力矩（機(jī)械能）直流勵(lì)磁電壓三相感應(yīng)電勢(shì)三相對(duì)稱電流IL定子繞組三相對(duì)稱負(fù)載定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Φa三、同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行及電樞反應(yīng)

電樞反應(yīng)的存在將使氣隙合成磁場(chǎng)改變同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電樞反應(yīng)

電樞反應(yīng)：定子電樞磁場(chǎng)Φa對(duì)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)Φ0的影響轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Φ0外力矩（機(jī)械能）直流勵(lì)磁電壓三相感應(yīng)電勢(shì)三相對(duì)稱電流IL定子繞組三相對(duì)稱負(fù)載定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Φa電樞反應(yīng)U1U2W1W2V1V2同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電樞磁勢(shì)與主磁極磁勢(shì)的夾角電樞磁場(chǎng)Fa的磁軸總與三相繞組中最大項(xiàng)電流的繞組的軸線Au重合；結(jié)論：轉(zhuǎn)子主磁極磁勢(shì)Ff與電樞磁勢(shì)Fa之間夾角為：Ψ+90°U1U2W1W2V1V2主磁極磁場(chǎng)的軸線Ff超前于三相繞組中最大項(xiàng)感應(yīng)電勢(shì)的繞組軸線Au90°FfAuFaAu設(shè)：空載電勢(shì)E0與負(fù)載電流Ia之間的夾角為內(nèi)功角ΨE0UIaUΨE0UIaUFf→E0→Ia→Fa合成磁勢(shì)Fδ=

Ff+FaIa與E0同相位，F(xiàn)a滯后Ff90o，為交軸電樞反應(yīng)結(jié)果：氣隙的合成磁場(chǎng)發(fā)生畸變NSFfFaU1U2n磁場(chǎng)削弱磁場(chǎng)增強(qiáng)磁場(chǎng)削弱磁場(chǎng)增強(qiáng)FfFa1.Ψ=0時(shí)的電樞反應(yīng)同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電樞反應(yīng)

NSFfFaU1U2SNFfFaU1U22Ψ=90o時(shí)電樞反應(yīng)3Ψ=－90o時(shí)電樞反應(yīng)Ia落后E090o，F(xiàn)a與Ff軸線重合，且反向?yàn)橹陛S去磁電樞反應(yīng)Ia超前E090o，F(xiàn)a與Ff軸線重合，且同向。為直軸增磁電樞反應(yīng)同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電樞反應(yīng)

U1U240<Ψ<90o時(shí)電樞反應(yīng)NSFfFaFadFaqIa滯后E0一個(gè)銳角Iap→Faq→交軸電樞反應(yīng)

→畸變Iaq→Fad→

直軸電樞反應(yīng)→

去磁Ia↗↘Iap為有功分量Iaq為無(wú)功分量發(fā)電機(jī)帶電感性負(fù)載時(shí)，其電樞反應(yīng)即有直軸去磁電樞反應(yīng)，又有交軸電樞反應(yīng)。結(jié)論同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電樞反應(yīng)

為交軸電樞反應(yīng)，結(jié)果：氣隙的合成磁場(chǎng)發(fā)生畸變1Ψ=0時(shí)的電樞反應(yīng)2Ψ=90o時(shí)電樞反應(yīng)為直軸去磁電樞反應(yīng)，結(jié)果：氣隙的合成磁場(chǎng)削弱3Ψ=－90o時(shí)電樞反應(yīng)為直軸增磁電樞反應(yīng)，結(jié)果：氣隙的合成磁場(chǎng)增強(qiáng)40<Ψ<90o時(shí)電樞反應(yīng)發(fā)電機(jī)帶電感性負(fù)載（實(shí)際負(fù)載）結(jié)果：有交軸電樞反應(yīng)，磁場(chǎng)畸變；有直軸去磁電樞反應(yīng)，磁場(chǎng)削弱，電樞感應(yīng)電勢(shì)下降同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電樞反應(yīng)

總結(jié)1、

同步發(fā)電機(jī)的外特性容性負(fù)載：為增磁的電樞反應(yīng)，E0＜UNUI0UNINcosφ=1cosφ＜1(滯后)cosφ＜1(超前)感性負(fù)載：為去磁的電樞反應(yīng)，E0＞UN定義：n＝nN

If=常數(shù)cosφ=常數(shù)U＝f（Ia）特點(diǎn)：電壓的變化與電樞繞組電阻的壓降漏電抗壓降負(fù)載電流的大小負(fù)載電流性質(zhì)均有關(guān)四、同步發(fā)電機(jī)的外特性及調(diào)節(jié)特性同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率ΔU%：電機(jī)機(jī)帶額定負(fù)載（IaN、cosφN），且If、n為額定值，此時(shí)U=UN，而E0為空載時(shí)輸出端電壓定義：同步發(fā)電機(jī)帶感性負(fù)載cosφN=0.8時(shí)，凸極式發(fā)電機(jī)ΔU%=（18～30）%，隱極式發(fā)電機(jī)同步電抗較大，ΔU%=（30～48）%。船舶電站要求靜態(tài)電壓調(diào)整率在±2.5%以內(nèi)。IfI0If0INcosφ=1cosφ＜1(超前)cosφ＜1(滯后)2、

同步發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)特性定義：n＝nNU=UNcosφ=常數(shù)If＝f（Ia）特點(diǎn)：為保持輸出電壓不變隨著負(fù)載電流的變化勵(lì)磁電流必須作相應(yīng)的調(diào)節(jié)感性負(fù)載：為去磁電樞反應(yīng)Ia↑→I

f↑容性負(fù)載：為增磁電樞反應(yīng)Ia↑→I

f↓UI0UNINcosφ=1cosφ＜1(滯后)cosφ＜1(超前)IfI0If0INcosφ=1cosφ＜1(超前)cosφ＜1(滯后)同步發(fā)電機(jī)的外特性和調(diào)節(jié)特性綜合分析當(dāng)發(fā)電機(jī)帶感性負(fù)載運(yùn)行時(shí)，隨著電流增大，輸出端電壓將下降；結(jié)論當(dāng)發(fā)電機(jī)帶感性負(fù)載運(yùn)行時(shí)，隨著電流增大，為保持電壓不變，則必須增大勵(lì)磁電流外特性調(diào)節(jié)特性同步發(fā)電機(jī)的功率平衡關(guān)系式P2≈PMP1－轉(zhuǎn)子吸收的機(jī)械功率pm

－機(jī)械損耗pFe－鐵損（鐵心的磁滯和渦流損耗）ps

－附加損耗

PM－從轉(zhuǎn)子傳輸?shù)蕉ㄗ拥碾姶殴β蕄Cu－銅損（定子繞組損耗）P2－輸出電功率3、

同步發(fā)電機(jī)的效率特性

無(wú)功Q=UIsinφ

去磁電樞反應(yīng)

E0↓輸出電功率S=UI

有功P=UIcosφ

電磁阻力矩

n↓4、同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行輸出無(wú)功Q↑，將使E0↓，從而導(dǎo)致端電壓下降為維持端電壓不變，則需增大勵(lì)磁電流If若輸出無(wú)功Q

不變，增大勵(lì)磁電流If

，則端電壓U上升輸出有功P

↑

，將使

n↓

，從而導(dǎo)致端電壓頻率f

下降為維持f不變，則需增大原動(dòng)機(jī)輸入功率（柴油機(jī)油門(mén)）若輸出有功P不變，增大油門(mén)，則端電壓頻率f

上升輸出無(wú)功Q

，勵(lì)磁電流If

，端電壓U輸出有功P，油門(mén)，頻率f

（一）軸帶發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)動(dòng)力來(lái)源于船舶主機(jī)的發(fā)電機(jī)稱為軸帶發(fā)電機(jī)（ShaftGenerator簡(jiǎn)稱SG），由軸帶發(fā)電機(jī)向船上電網(wǎng)饋送電能的系統(tǒng)稱為軸帶發(fā)電系統(tǒng)。圖6-1-3表示軸帶發(fā)電機(jī)（SG）和船舶主機(jī)（ME）之間的關(guān)系。圖6-1-3軸帶發(fā)電機(jī)和船舶主機(jī)之間的關(guān)系圖

四、船用軸帶發(fā)電機(jī)

1.軸帶發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

（1）能有效利用主機(jī)能源（2）利于能量綜合利用。（3）能減少潤(rùn)滑油消耗及副機(jī)維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。（4）節(jié)約費(fèi)用，節(jié)省空間。

2.軸帶發(fā)電裝置的類(lèi)型根據(jù)螺旋槳型式不同，軸帶發(fā)電機(jī)可分為定距槳（FPP）和變距槳（CPP）軸帶發(fā)電兩種裝置。

3.軸帶發(fā)電機(jī)的功率輸出特性變轉(zhuǎn)速的軸帶發(fā)電機(jī)允許輸出的功率，因受電樞電流和勵(lì)磁電流額定值的限制，在不同的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)是有所不同的，其典型功率輸出特性如圖6-1-4所示。圖6-1-4軸帶發(fā)電機(jī)的功率輸出特性（二）軸帶發(fā)電