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1、船舶电气设备及系统 2022/11/21课 件船舶电气设备及系统课件同步电机4.1.1 三相交流同步电机三相交流同步电机(synchronous generator)的基本结构的基本结构 基本结构：定子和转子。基本结构：定子和转子。定子结构：定子结构：一般是三相电枢绕组（一般是三相电枢绕组（转极式转极式）结构：结构：由铁心和绕组组成，与异步电机定子基由铁心和绕组组成，与异步电机定子基本相同。机座号相同时若与异步机互换仍可运行。本相同。机座号相同时若与异步机互换仍可运行。区别区别：主要是尺寸方面，同步电机通常容量较大，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，从表面上看
2、同步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，异步机则有散热片。机机壳无散热片，异步机则有散热片。接线：接线：发电机定子绕组通常采用发电机定子绕组通常采用Y 形连接形连接 减小减小三次谐波三次谐波影响影响。同步电机同步电机旋转电枢式旋转电枢式 旋转磁极式旋转磁极式 隐极式隐极式(Salient-pole)凸极式凸极式(Cylindrical-Rotor)基本结构基本结构旋转磁极式同步电机类型：旋转磁极式同步电机类型：发电机发电机 把机械能转换为电能把机械能转换为电能 电动机电动机 把电能转换为机械能把电能转换为机械能补偿机补偿机 没有有功功率的转换，只发出或吸没有有功功率的转
3、换，只发出或吸 收无功功率收无功功率 同步电机运行状态，主要取决于定子合成磁场同步电机运行状态，主要取决于定子合成磁场同步电机运行状态，主要取决于定子合成磁场同步电机运行状态，主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角与转子主磁场之间的夹角与转子主磁场之间的夹角与转子主磁场之间的夹角 ，称为功率角。称为功率角。称为功率角。称为功率角。定子结构定子结构定子：定子是由铁芯、定子三相绕组、机座及定子：定子是由铁芯、定子三相绕组、机座及固定这些部分的其他结构件组成，中小型同步固定这些部分的其他结构件组成，中小型同步发电机的定子部分与三相交流异步电机的定子发电机的定子部分与三相交流异步电机的定子结构部
4、分基本相同。结构部分基本相同。转子结构转子结构 一般是励磁绕组一般是励磁绕组转子：转子：励磁绕组是直流绕组。励磁绕组是直流绕组。隐极式转子结构：隐极式转子结构：隐极式铁心隐极式铁心隐极式转子隐极式转子大型机的转子支架大型机的转子支架转子铁心硅钢片转子铁心硅钢片一一对对极极隐隐极极式式示示意意图图 隐极式转子结构示意隐极式转子结构示意滑环滑环 两对极凸极式两对极凸极式转子立体示意图转子立体示意图电机截面示意图电机截面示意图4.1.2 三相交流同步发电机的基本工作原理三相交流同步发电机的基本工作原理 直流电流通入励磁绕组，主磁直流电流通入励磁绕组，主磁极产生励磁磁通。极产生励磁磁通。主磁极被原动机
5、拖动，以同步主磁极被原动机拖动，以同步转速旋转，其磁通密度沿气隙近似转速旋转，其磁通密度沿气隙近似正弦波形分布。正弦波形分布。励磁磁场依次切割定子各相绕励磁磁场依次切割定子各相绕组（相当于绕组导体反向切割）。组（相当于绕组导体反向切割）。定子三相电枢绕组就会感应出定子三相电枢绕组就会感应出大小和方向按周期性变化的交变正大小和方向按周期性变化的交变正弦电动势。弦电动势。直流电源由滑环向转直流电源由滑环向转子提供励磁电流，产子提供励磁电流，产生磁场；原动机拖动生磁场；原动机拖动转子旋转，转子磁场转子旋转，转子磁场切割三相定子绕组，切割三相定子绕组，感应三相交流电。感应三相交流电。导体感应电动势导体
6、感应电动势 励磁绕组通入直流电后产生磁场，发电励磁绕组通入直流电后产生磁场，发电机转子由原动机拖着以恒定转速机转子由原动机拖着以恒定转速 n1 相对于定相对于定子顺时针方向旋转，定子导体相对磁场运动子顺时针方向旋转，定子导体相对磁场运动感应电动势，感应电动势可以由感应电动势，感应电动势可以由 e=blv 决定。决定。当导体长度一定、转速一定时，导体感应电当导体长度一定、转速一定时，导体感应电动势由气隙磁通密度大小决定。动势由气隙磁通密度大小决定。图图4-6 三相空载电势向量图三相空载电势向量图图图4-5 同步发电机主磁极下气同步发电机主磁极下气隙的磁通密度分布隙的磁通密度分布电动势瞬时值为电动
7、势瞬时值为:由于三相电枢绕组在空间相差由于三相电枢绕组在空间相差由于三相电枢绕组在空间相差由于三相电枢绕组在空间相差120120电角度，三相电电角度，三相电电角度，三相电电角度，三相电动势相位也相差动势相位也相差动势相位也相差动势相位也相差120120。P.53 P.53，式，式，式，式4-14-1即即即即 有关公式有关公式 式式4-2与变压器公式多了与变压器公式多了kw，称为绕组系数，称为绕组系数。是。是绕组短距和分布引起的。绕组短距和分布引起的。电势、频率公式：电势、频率公式：4.1.3 4.1.3 铭牌数据铭牌数据 铭牌数据：铭牌数据：主要铭牌数据有：主要铭牌数据有：额定容量（或功率）、
8、额定容量（或功率）、额定电压、额定电流、额定功率因数、额定额定电压、额定电流、额定功率因数、额定频率、额定转速、绝缘等级、温升、励磁电频率、额定转速、绝缘等级、温升、励磁电压、励磁电流等。压、励磁电流等。注意：注意：额定容量、额定电压、额定功率因额定容量、额定电压、额定功率因数和额定电流可能只标出三个（数和额定电流可能只标出三个（第四个参第四个参数可以求出）。数可以求出）。额定容量额定容量 SN 指额定运行时电机的输出功率指额定运行时电机的输出功率 额定电压额定电压UN 指额定运行时定子的线电压指额定运行时定子的线电压 额定电流额定电流IN 指额定运行时定子的线电流指额定运行时定子的线电流 额
9、定功率因数额定功率因数指额定运行时电机的功率因数指额定运行时电机的功率因数 额定频率额定频率fN 指额定运行时电枢的频率指额定运行时电枢的频率额定转速额定转速nN 指额定运行时电机的转速，即为指额定运行时电机的转速，即为 同步转速同步转速 额定值：额定值：结构（基本结构、组成、转极式和转枢式）；结构（基本结构、组成、转极式和转枢式）；原理（原动机转，磁场切割绕组产生电势，原理（原动机转，磁场切割绕组产生电势，在在空间互差空间互差120，所以是三相，所以是三相交流电势交流电势）；）；额定参数（主要是容量、电压、电流、功率因额定参数（主要是容量、电压、电流、功率因数、频率）。数、频率）。4-2 三
10、相交流同步发电机运行特性三相交流同步发电机运行特性本节的主要内容本节的主要内容 同步发电机空载运行特性同步发电机空载运行特性 同步发电机对称负载运行同步发电机对称负载运行 三相交流同步发电机电压平衡方程和相量图三相交流同步发电机电压平衡方程和相量图 三相交流同步发电机的外特性及调节特性三相交流同步发电机的外特性及调节特性 三相交流同步发电机的功角特性三相交流同步发电机的功角特性 空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所建立的主极磁场。主极磁通分成主磁通建立的主极磁场。主极磁通分成主磁通 0和漏磁和漏磁通通 f 两部分，前者通过气隙并与定子绕组相交链，两部分，
11、前者通过气隙并与定子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁绕组相交链。主磁通后者不通过气隙，仅与励磁绕组相交链。主磁通所经过的主磁路包括空气隙、电枢齿、电枢轭、所经过的主磁路包括空气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭等五部分。磁极极身和转子轭等五部分。空载运行空载运行4.2.1 同步发电机空载运行特性同步发电机空载运行特性(no-load characteristic)保持保持 n=nN，空载电势，空载电势 E0与励磁电流与励磁电流 If 的关系曲线。的关系曲线。P.54，+6行行的的k 是饱和系是饱和系数。等于总磁数。等于总磁势与不饱和磁势与不饱和磁势之比。也等势之比。也等于饱和电势与于饱和
12、电势与不饱和电势之不饱和电势之比。比。空载特性实空载特性实质是磁化曲线。质是磁化曲线。k 一般为一般为1.11.254.2.2 4.2.2 同步发电机对称负载运行同步发电机对称负载运行 同步发电机负载后，三相电枢绕组也将产生旋转同步发电机负载后，三相电枢绕组也将产生旋转磁场（与异步电动机一样）；磁场（与异步电动机一样）；稳定运行时，定子电枢磁场（电气磁场）与励磁稳定运行时，定子电枢磁场（电气磁场）与励磁磁场（机械磁场）之间没有相对运动；磁场（机械磁场）之间没有相对运动；定子电枢磁场对转子磁场（气隙磁场）的影响称定子电枢磁场对转子磁场（气隙磁场）的影响称为为电枢反应；电枢反应；电枢反应的大小、性
13、质与负载电流的大小、相位电枢反应的大小、性质与负载电流的大小、相位有关（与负载的大小、性质有关）。有关（与负载的大小、性质有关）。内功率因数角内功率因数角 ：0与与İ a 之间的相位角。之间的相位角。电枢电流与空载电势特殊关系有：电枢电流与空载电势特殊关系有：同相位、滞后同相位、滞后和超前和超前三种。与之对应的电枢反应的性质有：三种。与之对应的电枢反应的性质有：交轴、交轴、直轴去磁和直轴增磁直轴去磁和直轴增磁三种。发电机负载一般为感性三种。发电机负载一般为感性负载负载(inductive load)。一般情况感性滞后的电流：一般情况感性滞后的电流：电枢反应电枢反应-时空相矢量图时空相矢量图对称
14、负载时的电枢反应对称负载时的电枢反应 电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场就电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场就称为电枢反应。电枢反应的性质（增磁、去磁或称为电枢反应。电枢反应的性质（增磁、去磁或交磁）取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对交磁）取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。分析表明，此相对位置取决于激磁电动势位置。分析表明，此相对位置取决于激磁电动势E0和负载电流和负载电流 Ia 之间的相角差之间的相角差 0（0称为内功称为内功率因数角）。率因数角）。根据螺旋定则：主磁极前半部的磁场因两磁根据螺旋定则：主磁极前半部的磁场因两磁根据螺旋定则：主磁极前半部的磁场因两磁根据螺旋定则：主
15、磁极前半部的磁场因两磁场的磁力线方向相反而被削弱；场的磁力线方向相反而被削弱；场的磁力线方向相反而被削弱；场的磁力线方向相反而被削弱；主磁极后半部的磁场因两磁场的磁力线方向主磁极后半部的磁场因两磁场的磁力线方向主磁极后半部的磁场因两磁场的磁力线方向主磁极后半部的磁场因两磁场的磁力线方向相同而被加强。相同而被加强。相同而被加强。相同而被加强。其结果使得气隙的合成磁势的轴线的相比原其结果使得气隙的合成磁势的轴线的相比原转子磁势的轴线逆转子转向偏转一个锐角，并发转子磁势的轴线逆转子转向偏转一个锐角，并发生畸变。生畸变。幅值增加幅值增加 0与与İ 同相位时：同相位时：İ落后落后 0 90度时：度时：İ
16、 超前超前 0 90度时：度时：İ滞后滞后 0一个锐角时：一个锐角时：4.2.3 三相交流同步发电机电压平衡方程和相量图三相交流同步发电机电压平衡方程和相量图 同步发电机负载运行时与电枢绕组交链的磁通有同步发电机负载运行时与电枢绕组交链的磁通有3个：个：励磁磁通、电枢反应磁通和漏磁通。励磁磁通、电枢反应磁通和漏磁通。3个磁通都分别在电枢绕组感应电势：空载电势、电个磁通都分别在电枢绕组感应电势：空载电势、电枢反应电势和漏磁电势。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。忽略磁路饱和，引入参数：电枢反应电抗。同步电抗同步电抗Xs=Xa+X，注意：注意：Xs XaX 。忽略电枢电阻
17、忽略电枢电阻用电抗表示用电抗表示ea和和e 电枢绕组电路电枢绕组电路电压平衡方程：电压平衡方程：在时间相位上，在时间相位上，a滞后于滞后于 以以90电角度，若不电角度，若不计定子铁耗，计定子铁耗，与与İ 同相位，则同相位，则 a将滞后于将滞后于İ 以以90电角电角度于是度于是 亦可写成负电抗压降的形式，即亦可写成负电抗压降的形式，即 采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，电枢的电压方程为向时，电枢的电压方程为 因为电枢反应电动势因为电枢反应电动势E Ea a正比于电枢反应磁通正比于电枢反应磁通 a a不不计磁饱和时，计磁饱和时，a a又正
18、比于电枢磁动势又正比于电枢磁动势F Fa a和电枢电流和电枢电流I I，即即 (46)(47)将式将式(46)代人式代人式(47)，可得，可得 (48)式中：式中：Xs称为隐极同步电机的同步电抗，称为隐极同步电机的同步电抗，Xs=Xa+X，它是对称稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两个它是对称稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两个效应的一个综合参数。不计饱和时，效应的一个综合参数。不计饱和时，Xs是一个常值。是一个常值。图图42c表示与式表示与式(48)相应的等效电路。从图相应的等效电路。从图42c可以看出，隐极同步发电机的等效电路由激磁可以看出，隐极同步发电机的等效电路由激磁电动势和同步阻抗
19、电动势和同步阻抗 Ra+jXs串联组成，其中串联组成，其中E0表示主磁表示主磁场的作用，场的作用，Xs表示电枢反应和电枢漏磁场的作用。表示电枢反应和电枢漏磁场的作用。再从气隙电动势再从气隙电动势 减去电枢绕组的电阻和漏抗压减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，便得电枢的端电压降，便得电枢的端电压 ，即，即 相应的矢量图、相量图既有电动势相量，又有磁相应的矢量图、相量图既有电动势相量，又有磁动势矢量。故称为电动势动势矢量。故称为电动势磁动势图。（不做要求）磁动势图。（不做要求）或或 电势公式电势公式 电势公式可应用三角计算公式从相量图得到：三角电势公式可应用三角计算公式从相量图得到：三角形构成形构成以以
20、E0为斜边以为斜边以U相量及其延长线为一条直相量及其延长线为一条直角边，构造一个直角三角形。与电流角边，构造一个直角三角形。与电流 I 有关相量变换有关相量变换（投影）到直角边都与功率因数角（投影）到直角边都与功率因数角 有关。有关。隐极机相量图隐极机相量图 根据电压平衡方程可画出相量图。但负载不同时，根据电压平衡方程可画出相量图。但负载不同时，相量图的形状也不同。相量图的形状也不同。感感性性负负载载忽忽略略电电枢枢电电阻阻电阻性负载电阻性负载容性负载容性负载4.2.4 三相交流同步发电机外特性及调节特性三相交流同步发电机外特性及调节特性外特性：外特性：同步发电机外特性与变压器相似，但同步发电
21、机外特性与变压器相似，但电压调电压调整率整率计算式计算式P.58P.58.式（式（4-4-1212）与）与P.23P.23.式（式（2-2-1313）电压电压变化率变化率不同。不同。同步发电机的外特性同步发电机的外特性是指在转速额定值是指在转速额定值nN下运行，励磁电流下运行，励磁电流If不不变，负载功率因数一变，负载功率因数一定时，发电机端电压定时，发电机端电压和负载电流的关系，和负载电流的关系，即即U=f(Ia)曲线曲线。特性：特性：为了保持电压不为了保持电压不变，在功率因数一定时，励变，在功率因数一定时，励磁电流应随电枢电流进行变磁电流应随电枢电流进行变化化调节的曲线调节的曲线。不同的功
22、率因数，电枢不同的功率因数，电枢反应大小不一样，性质也可反应大小不一样，性质也可能不同。能不同。调节特性调节特性(regulator curve)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。说明：书上说明：书上P.58的外特性没有画全，的外特性没有画全，P.59，图，图4-16的的调调节特性则存在错误，具体见下页说明。节特性则存在错误，具体见下页说明。一、功率特性一、功率特性 功功率率方方程程：若若转转子子励励磁磁损损耗耗由由另另外外的的直直流流电电源源供供给给，则则发发电电机机轴轴上上输输入入的的机机械械功功率率Pl扣扣除除机机械械损损耗耗 Pm和
23、和定定子子铁铁耗耗PFe后后，余余下下的的功功率率将将通通过过旋旋转转磁磁场场和和电电磁磁感感应应的的作作用用，转转换换成成定定子子的的电电功功率率，所所以以转转换功率就是电磁功率换功率就是电磁功率PM，即，即 再从电磁功率再从电磁功率PM中减去电枢铜耗中减去电枢铜耗Pcu可得电枢端可得电枢端点输出的电功率点输出的电功率P2 ；即；即 4.2.5 三相交流同步发电机的功角特性三相交流同步发电机的功角特性(4-13)(4-14)如果不计如果不计Ra影响：影响：P2PM 而从式（而从式（4-14）可知，电磁功率）可知，电磁功率PM为为由由图图43可见可见故同步电机的电磁功率亦可写成故同步电机的电磁
24、功率亦可写成 上式的第一部分与感应电机的电磁功率表达式相上式的第一部分与感应电机的电磁功率表达式相同，第二部分则是同步电机常用的。对于隐极同步同，第二部分则是同步电机常用的。对于隐极同步电机，由于电机，由于EQE0，故有，故有 二、转矩方程二、转矩方程二、转矩方程二、转矩方程式中，式中，T1为原动机的驱动转矩，为原动机的驱动转矩，Te为电磁转矩，为电磁转矩，T0为为空载转矩，分别为：空载转矩，分别为：(4-15)把功率方程把功率方程(413)除以同步角速度，可得转矩方程除以同步角速度，可得转矩方程 功角：功角：是发电机磁极磁场与气隙合成磁场间的空间是发电机磁极磁场与气隙合成磁场间的空间相角，若
25、忽略电枢绕组漏阻抗压降，可认为合成磁场相角，若忽略电枢绕组漏阻抗压降，可认为合成磁场产生端电压，则功角也等于产生端电压，则功角也等于E0与与U之间的相位角。之间的相位角。对于凸极机，直交轴方向气隙不均匀，对于凸极机，直交轴方向气隙不均匀，XdXq，多了一个多了一个“反应转矩反应转矩”（书书P.P.5959）。）。若将功角特性两边若将功角特性两边除角转速除角转速，可得，可得转矩与功角之间的转矩与功角之间的关系，称为矩角特关系，称为矩角特性。性。P PMM决定于决定于决定于决定于E E0 0和和和和U U之间的相角。之间的相角。之间的相角。之间的相角。=90=90 时时时时P PMM最大，最大，最
26、大，最大，以后递减。以后递减。以后递减。以后递减。考虑过载能力，一般要求在考虑过载能力，一般要求在考虑过载能力，一般要求在考虑过载能力，一般要求在25 25 3535 。加大激磁电流和减小同步电抗加大激磁电流和减小同步电抗加大激磁电流和减小同步电抗加大激磁电流和减小同步电抗 提高提高提高提高P Pmaxmax 提高过载能力和稳定性。提高过载能力和稳定性。提高过载能力和稳定性。提高过载能力和稳定性。(a)隐极机隐极机 (b)凸极机凸极机图图4-18 同步发电机的功角特性同步发电机的功角特性 同步发电机有功功率调节同步发电机有功功率调节 单机运行（或与小电网并联）时单机运行（或与小电网并联）时，发
27、电机输出的有、，发电机输出的有、无功功率完全由负载决定；无功功率完全由负载决定；并联运行时并联运行时，若不增加油门只增加励磁电流，由于，若不增加油门只增加励磁电流，由于输入有功功率不变，输出的有功功率也不变（此时，输入有功功率不变，输出的有功功率也不变（此时，虽然虽然E0增加了，但增加了，但 角却减小）。因此，只有电枢电角却减小）。因此，只有电枢电流的相位发生变化，即输出无功功率发生变化。流的相位发生变化，即输出无功功率发生变化。调节原动机油门可以改变输出的有功功率（或频率）调节原动机油门可以改变输出的有功功率（或频率）；调节励磁电流则可改变输出的无功功率（或电压）。；调节励磁电流则可改变输出
28、的无功功率（或电压）。见见“补充说明（无功功率）补充说明（无功功率）”。所谓所谓“过励过励”是指使发电机输出感性无功的励磁状是指使发电机输出感性无功的励磁状态，具体见态，具体见“补充说明（无功功率）补充说明（无功功率）”。当原动机正好克服各种损耗时，发电机当原动机正好克服各种损耗时，发电机当原动机正好克服各种损耗时，发电机当原动机正好克服各种损耗时，发电机 P PMM =当励磁电流不变时，当励磁电流不变时，PM与功率角成正比。与功率角成正比。当输入机械功率增加时当输入机械功率增加时转速增加转速增加转子磁场转子磁场轴线相对于合成磁场轴线的空间角（功率角）增大轴线相对于合成磁场轴线的空间角（功率角
29、）增大 PM增大；反之亦然增大；反之亦然有功功率的调节中功有功功率的调节中功率角起着自动平衡的调节作用。率角起着自动平衡的调节作用。如果转子磁场轴线落后于合成磁场轴线的空间角如果转子磁场轴线落后于合成磁场轴线的空间角 PM负值负值电动机运行电动机运行逆功率保护。逆功率保护。电磁转矩与电磁功率成正比电磁转矩与电磁功率成正比44-3 -3 同步电动机同步电动机 本节的主要内容本节的主要内容 同步电动机的基本原理同步电动机的基本原理 同步电动机的无功功率调节同步电动机的无功功率调节 同步电动机起动同步电动机起动 永磁同步电动机（了解即可）永磁同步电动机（了解即可）4.3.1 同步电动机同步电动机(s
30、ynchronous generator)的的基本原理基本原理 由同步发电机的功角特性由同步发电机的功角特性可知：当同步发电机处于空载可知：当同步发电机处于空载状态并联在电网时，若将原动状态并联在电网时，若将原动 转动原理：转动原理：结论：结论：功角功角 0，输出输出P 0，即输入即输入P，变成变成同步电动机。同步电动机。转速仍然是同步转速。转速仍然是同步转速。机通过离合器脱开，此时转子在机械阻转矩的作用下机通过离合器脱开，此时转子在机械阻转矩的作用下将减速，电机的功角将减速，电机的功角 0，输出的有功功率为负值，输出的有功功率为负值，即表示从电网吸收有功功率。也就是说：同步发电机即表示从电网
31、吸收有功功率。也就是说：同步发电机就变成了同步电动机。就变成了同步电动机。同步发电机负载后，气隙合成磁场同步发电机负载后，气隙合成磁场F ，相当于在同步发电，相当于在同步发电机的定子上存在一个磁极。一般情况下，气隙磁场机的定子上存在一个磁极。一般情况下，气隙磁场F 滞后于滞后于励磁磁场励磁磁场Ff一个角度一个角度 (即电压即电压U滞后空载电动势滞后空载电动势E0的角度的角度 )，因此同步发电机负载时，相当于因此同步发电机负载时，相当于Ff 拖着拖着F 旋转。旋转。TM为制为制动转矩。动转矩。如果减小原动机的机械功率，则电磁功率也减小如果减小原动机的机械功率，则电磁功率也减小当当 时，时，F 与
32、与Ff 重合重合电磁转矩为零电磁转矩为零临界状态。临界状态。如果此时脱开原动机如果此时脱开原动机阻力阻力 Ff 滞后滞后F 一个一个 TM为为驱动转矩驱动转矩电动状态电动状态只能用变频才能调速。只能用变频才能调速。负载时的气隙磁场负载时的气隙磁场4.3.2 同步电动机的无功功率调节同步电动机的无功功率调节 有功功率：取决于负载转矩。若负载变励磁有功功率：取决于负载转矩。若负载变励磁If 不变，不变，则则 变，无功和功率因数也将变化。变，无功和功率因数也将变化。E0sin =XsIcos，变，变，Icos 也变，也变，Isin 也变，即无功和功率因数也变，即无功和功率因数变。变。结论：有功变，无
33、功与功率因数都变。结论：有功变，无功与功率因数都变。无功功率：若负载转矩不变而励磁变，无功功率：若负载转矩不变而励磁变，If变，变，E0也也变，而变，而E0sin 保持不变（能量守恒）。因此有保持不变（能量守恒）。因此有结论：无结论：无功变，有功保持不变。功变，有功保持不变。无功的调节与同步发电机无功调节情况一样。正常运无功的调节与同步发电机无功调节情况一样。正常运行时，同步电动机都工作在行时，同步电动机都工作在“过励过励”状态，可向电网输状态，可向电网输出感性无功。出感性无功。这是使用它的目的。这是使用它的目的。无功功率调节：无功功率调节：恒功率线恒功率线aa、恒定有功电流线、恒定有功电流线
34、bb 与无穷大电网并联时，发电机与无穷大电网并联时，发电机电压不变。若保持油门不变，则电压不变。若保持油门不变，则Pe=3UIcos 不变，即不变，即Icos 和和E0sin 都都不变。此时，若调节不变。此时，若调节If，励磁磁通励磁磁通 0 和空载电势和空载电势E0将发生变将发生变化。化。由图可见，调节励磁电流由图可见，调节励磁电流 If，空载电势空载电势E0发生变化，功率发生变化，功率因数角因数角 也随之发生变化，输出无功功率发生变化。也随之发生变化，输出无功功率发生变化。励磁电流小（欠励励磁电流小（欠励-I超前）时，超前）时，E0小，小，0，输出超前，输出超前的无功功率；励磁电流增大，的
35、无功功率；励磁电流增大，E0也增大，当也增大，当 =0 时，输出无功时，输出无功为零；继续增大励磁电流（过励为零；继续增大励磁电流（过励-I滞后）时，滞后）时，E0进一步增大，进一步增大，0，输出落后的无功功率。，输出落后的无功功率。与无穷大电网并联运行，有如下特点：与无穷大电网并联运行，有如下特点：1、发电机输出的有功和无功功率不直接决定于电、发电机输出的有功和无功功率不直接决定于电网的负载，需通过调节或控制来改变。网的负载，需通过调节或控制来改变。2、改变发电机输入的机械功率，可改变其输出的、改变发电机输入的机械功率，可改变其输出的有功功率，但不能改变电网频率。有功功率，但不能改变电网频率
36、。3、改变发电机的励磁电流，可改变发电机输出的、改变发电机的励磁电流，可改变发电机输出的无功功率，但不能改变电网的电压。无功功率，但不能改变电网的电压。同步发电机与大电网并联运行时功率调节的结论同步发电机与大电网并联运行时功率调节的结论1.调节油门，可以调节发电机输出的有功功率大小；调节油门，可以调节发电机输出的有功功率大小；2.调节励磁电流，可以调节发电机输出的无功功率调节励磁电流，可以调节发电机输出的无功功率大小；大小；3.调节一台发电机的油门或者励磁电流，电网的频调节一台发电机的油门或者励磁电流，电网的频率和电压不会发生变化。率和电压不会发生变化。与大电网并联与大电网并联输出感性无功等于
37、消耗容性无功；输出感性无功等于消耗容性无功；输出容性无功等于消耗感性无功。输出容性无功等于消耗感性无功。未接电容之前消耗感性，电容消耗容性无功后，整未接电容之前消耗感性，电容消耗容性无功后，整个电路不消耗无功功率。个电路不消耗无功功率。分析：分析：若直接将静止不动的同步电动机转子进行若直接将静止不动的同步电动机转子进行励磁，而在定子三相电枢绕组通入三相交流电，在气励磁，而在定子三相电枢绕组通入三相交流电，在气隙中将有励磁磁场（恒定不变）和电枢磁场（旋转）隙中将有励磁磁场（恒定不变）和电枢磁场（旋转）同时存在，当电枢磁场超前励磁磁场时，将拖动励磁同时存在，当电枢磁场超前励磁磁场时，将拖动励磁磁场
38、转动，由于磁场转动，由于转子存在着惯性，转子存在着惯性，而电枢磁场转速又而电枢磁场转速又很快，很快，在在180内电枢磁场内电枢磁场不能及时将转子拉入同步，不能及时将转子拉入同步，而而 超过超过180后，电枢磁场与励磁磁场的相互作用力后，电枢磁场与励磁磁场的相互作用力变成斥力，于是在一个周期内，电磁转矩的平均值为变成斥力，于是在一个周期内，电磁转矩的平均值为零。零。因此，同步电动机不能直接起动。因此，同步电动机不能直接起动。4.3.3 同步电动机的起动同步电动机的起动 拉入同步、异步起动和变频起动法拉入同步、异步起动和变频起动法 拉入同步法：拉入同步法：又称间接起动法，是通过其它机械又称间接起动
39、法，是通过其它机械（原动机）将同步电动机起动至额定转速后，定子绕（原动机）将同步电动机起动至额定转速后，定子绕组通电，转子励磁绕组通励磁电流，同时机械离合器组通电，转子励磁绕组通励磁电流，同时机械离合器脱开原动机并带上机械负载，同步电动机进入正常的脱开原动机并带上机械负载，同步电动机进入正常的电动运行状态工作。电动运行状态工作。变频起动变频起动法：法：采用变频器起动，有调速要求才使用采用变频器起动，有调速要求才使用。起动方法：起动方法：主要有主要有拉入同步法（间接起动）拉入同步法（间接起动）、异步起异步起动法动法和和变频起动法变频起动法三种三种 主要掌握异步法。主要掌握异步法。异步起动法：异步
40、起动法：依靠同步电动机磁极上的起动绕组依靠同步电动机磁极上的起动绕组（类似鼠笼绕组）起动。起动时，将转子绕组串联一（类似鼠笼绕组）起动。起动时，将转子绕组串联一个个510倍励磁绕组电阻值的电阻，定子接入三相交流倍励磁绕组电阻值的电阻，定子接入三相交流电，起动绕组以异步机的原理起动，当转子转速接近电，起动绕组以异步机的原理起动，当转子转速接近同步转速时，励磁绕组通过转换开关断开串联的电阻，同步转速时，励磁绕组通过转换开关断开串联的电阻，接入正常励磁电流，此时由于电枢磁场与励磁磁场的接入正常励磁电流，此时由于电枢磁场与励磁磁场的相对转速很小，转子在电枢磁场的作用下将被拉入同相对转速很小，转子在电枢
41、磁场的作用下将被拉入同步。拉入同步后的电动机就可带动机械负载正常工作。步。拉入同步后的电动机就可带动机械负载正常工作。异步起动法是最常见的起动方法。异步起动法是最常见的起动方法。拉入同步、异步起动和变频起动法拉入同步、异步起动和变频起动法起动方法：起动方法：主要有拉入主要有拉入同步法（间接起动）同步法（间接起动）、异步起异步起动法动法和和变频起动法变频起动法三种三种 主要掌握异步法。主要掌握异步法。异步法起动时注意：励磁异步法起动时注意：励磁绕组既不能开路也不能短路，绕组既不能开路也不能短路，而应在转子绕组回路中串联而应在转子绕组回路中串联一个一个510倍励磁绕组电阻倍励磁绕组电阻值的电阻。这
42、是因为：由于值的电阻。这是因为：由于励磁绕组的匝数很多，起动励磁绕组的匝数很多，起动时，时，若开路若开路则会感应出很高则会感应出很高的电压，造成设备损坏等后的电压，造成设备损坏等后果。果。若直接短路若直接短路，则短路电，则短路电流较大，会烧坏励磁绕组。流较大，会烧坏励磁绕组。转子回路电阻的作用：即转子回路电阻的作用：即降压又限流。降压又限流。异步起动法注意异步起动法注意图图4-21 同步电动机的异步起动同步电动机的异步起动法接线原理图（改画）法接线原理图（改画）4.3.4 永磁同步电动机（了解即可）永磁同步电动机（了解即可）结构：结构：与普通转子由励磁绕组励磁的同步电动机与普通转子由励磁绕组励
43、磁的同步电动机不同，没有励磁绕组、滑环，不要励磁电源。不同，没有励磁绕组、滑环，不要励磁电源。原理：原理：主要是同步电抗数值不同（永磁材料的导主要是同步电抗数值不同（永磁材料的导磁率低，电抗小），其它与普通同步电动机一样。磁率低，电抗小），其它与普通同步电动机一样。了解即可。了解即可。特点：特点：结构简单、转速恒定（或与电源频率严格结构简单、转速恒定（或与电源频率严格成正比）。成正比）。用途：用途：要求转速恒定的控制系统中作为执行电动要求转速恒定的控制系统中作为执行电动机及船舶电力推进电机（还未推广）。机及船舶电力推进电机（还未推广）。转动原理（电流的有功分量与发电机时相反，转动原理（电流的有
44、功分量与发电机时相反，电磁转矩方向变反，但转向不变）；电磁转矩方向变反，但转向不变）；功率的调节（有功变，无功与功率的调节（有功变，无功与cos 也变；无也变；无功变，有功不受影响功变，有功不受影响）；）；起动方法（重点是异步起动法：原理过程，转起动方法（重点是异步起动法：原理过程，转子回路为什么不能既不能开路也不能短路）；子回路为什么不能既不能开路也不能短路）；永磁同步电动机（了解特点即可）。永磁同步电动机（了解特点即可）。船舶电气设备及系统 2022/11/21课 件第四章第四章 小小 结结q主要内容：知道同步发电机工作原理；掌握同步发主要内容：知道同步发电机工作原理；掌握同步发电机分析方
45、法；熟练运用平衡方程和基本特性进行电机分析方法；熟练运用平衡方程和基本特性进行计算。知道同步电动机的适用场合与异步起动法。计算。知道同步电动机的适用场合与异步起动法。是是“计算点之一计算点之一”。q电枢反应是本章的相对难点。电枢反应是本章的相对难点。q计算任务主要是：利用电磁关系、功率关系、并联计算任务主要是：利用电磁关系、功率关系、并联运行时的特点和有关特性进行有无功功率和其它电运行时的特点和有关特性进行有无功功率和其它电路参数的计算。本章的计算任务是本课程的主要计路参数的计算。本章的计算任务是本课程的主要计算任务之一。算任务之一。船舶电气设备及系统 2022/11/21课 件第四章第四章
46、各节要点各节要点第一节：结构、原理、额定参数。第一节：结构、原理、额定参数。第二节：空载特性及实质、电枢反应（三种典型情第二节：空载特性及实质、电枢反应（三种典型情况）平衡方程与相量图（隐极机）、特性（外特况）平衡方程与相量图（隐极机）、特性（外特性、调节特性）、功率调节（功角特性、有性、调节特性）、功率调节（功角特性、有/无功无功调节）。调节）。第三节：转动原理、功率调节、起动机方法、永磁第三节：转动原理、功率调节、起动机方法、永磁式的特点。式的特点。隐极式平面图隐极式平面图NS+隐极式隐极式凸极式平面图凸极式平面图NSNS+凸极式凸极式同步机与异步机的定子比较同步机与异步机的定子比较船舶电气设备及系统 2022/11/21课 件此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢