船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系第五章第五章 船舶同步电机船舶同步电机 本章概述本章概述 同步电机是一种交流电机同步电机是一种交流电机,它区别另一种交流电机异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（步电机的一个重要特征在于它的转速（r/min）与电流频）与电流频 率（率（Hz）之间保持着严格的关系，即）之间保持着严格的关系，即 式中式中p为电机的极对数。所以，当同步电机的极对数和为电机的极对数。所以，当同步电机的极对数和转速一定时，感应电动势的频率也是一定的。转速一定时，感应电动势的频率也是一定的。 同步电同步电 机和其他电机一样，具有可逆性，可做同步发机和其他电机一样，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。船舶，推进电动机大部分采用同步电动机。2021/9/151船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系第五章第五章 船舶同步电机船舶同步电机本章主要讲解内容本章主要讲解内容第一节第一节 三相同步发电机的基本类型和结构三相同步发电机的基本类型和结构第二节第二节 同步发电机的电枢反应同步发电机的电枢反应第三节第三节 同步发电机的电势方程和相量图同步发电机的电势方程和相量图第四节第四节 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性第五节第五节 同步电动机同步电动机2021/9/152船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系第一节第一节 三相同步发电机的基本类型和结构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，如上装有磁极和励磁绕组，如图图5-1三相同步发电机结构三相同步发电机结构原理图原理图所示。当励磁绕组通以直流电流以后，电机内产所示。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。出交流电势。 返回2021/9/153船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 图图5-1 三相同步发电机结构原理图三相同步发电机结构原理图返回2021/9/154船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系一、同步电机的基本结构一、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同步发电机按其结构可以分为旋转电枢式和旋转磁极 式。式。2. 旋转磁极式按照磁极的形状，又可分为凸极式和隐极旋转磁极式按照磁极的形状，又可分为凸极式和隐极 式。式。 图图5-2 同步发电机的基本型式同步发电机的基本型式 2021/9/155船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 图图5-2 5-2 同步发电机的基本型式同步发电机的基本型式 1-1-定子；定子；2-2-凸极转子；凸极转子；3-3-隐极转子；隐极转子；4-4-滑环滑环a） b） 124143返回2021/9/156船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系二、同步发电机的基本类型二、同步发电机的基本类型o同步电机按用途分为发电机、电动机和补偿机三种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冷却方式分为空气冷、氢气冷和水冷三种 ；按转子；按转子结构分为隐极式和凸极式两种结构分为隐极式和凸极式两种 。o同步发电机按其原动机的种类可分为水轮发电机、汽轮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。发电机和柴油发电机三种。 2021/9/157船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系同步发电机的基本类型：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。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，即自励的自励的图图5-3 自励同步发电机自励同步发电机和他励的和他励的图图5-4 无刷同无刷同步发电机步发电机。2021/9/158船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 图图5-3 5-3 自励同步发电机自励同步发电机返回2021/9/159船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 转子转子 定子定子交流励磁机交流励磁机发电机发电机 旋转旋转整流器整流器 图图5-4 5-4 无刷同步发电机无刷同步发电机AVR返回2021/9/1510船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系三、三相同步发电机额定值三、三相同步发电机额定值 o同步发电机和其他电机一样，制造厂将该电机正常运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。遵守的技术规定。 同步发电机的主要额定值有：同步发电机的主要额定值有： o额定容量额定容量 SN 或额定功率或额定功率PN o额定电压额定电压 UNo额定电流额定电流 INo额定功率因数额定功率因数 cosNo额定频率额定频率 fNo额定转速额定转速 nNo额定励磁电压（额定励磁电流）额定励磁电压（额定励磁电流） 2021/9/1511船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系第二节第二节 同步发电机的电枢反应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。输出电压和电流也随之变化。返回2021/9/1512船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系一、电枢电流一、电枢电流 与空载电势与空载电势 同相位（即同相位（即 ）时的时的 电枢反应电枢反应 =0时，同步发电机的内功率因数为时，同步发电机的内功率因数为 ，输，输出的负载电流出的负载电流 与空载电势与空载电势 同相，发电机并不发出无功同相，发电机并不发出无功功率，将有功功率从发电机输至电网。功率，将有功功率从发电机输至电网。 具体电枢反应如具体电枢反应如图图5-5。2021/9/1513船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系a）某一瞬间的位置图 b）相量图 c）展开图 图图5-5 =0 时的电枢反应时的电枢反应返回2021/9/1514船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系二、电枢电流二、电枢电流 滞后于空载电势滞后于空载电势 900（即（即=900）时的时的 电枢反应电枢反应 =90时，同步发电机的输出负载电流时，同步发电机的输出负载电流 滞后于空滞后于空载电势载电势 90（即（即 ），发电机发出的有功功率），发电机发出的有功功率为零，仅输送感性无功功率至电网。为零，仅输送感性无功功率至电网。 具体电枢反应如具体电枢反应如图图5-6。2021/9/1515船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 图图5-6 =90时的电枢反应时的电枢反应返回NSSNFaFfEUIUNSEWEVIWIVnfanU1U2V1V2W1W2U1U2V1V2W1W2U1U2a）U相绕组电势最大时的位置c）U相绕组电流最大时的位置b）相量图d）展开图2021/9/1516船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系三、电枢电流三、电枢电流 滞后于空载电势滞后于空载电势 900（即（即 =- 900）时时 的电枢反应的电枢反应 =-90时，同步发电机的输出负载电流时，同步发电机的输出负载电流Ia超前于空超前于空载电势载电势 90（ ），发电机发出的有功功率为），发电机发出的有功功率为零，仅输送容性无功功率至电网零，仅输送容性无功功率至电网 。 具体电枢反应如具体电枢反应如图图5-7。2021/9/1517船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系返回NSSNEUIUNSEWEVIVnFfFaIWnnU1U2V1V2W1W2U1U2V1V2W1W2U1U2a）U相绕组电势最大时的位置c）U相绕组电流最大时的位置b）相量图d）展开图 图图5-6 = -90时的电枢反应时的电枢反应2021/9/1518船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系四、同步发电机实际运行时的电枢反应四、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实际运行时，同步发电机的内功率因数角可以为可以为- 90到到90之间的任意数值，即电枢磁势的轴线和之间的任意数值，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。量，直轴分量起去磁作用或增磁作用。2. 一般一般00 0，由式（，由式（5-215-21） 知，知，P PM M00，由于，由于 由转子磁场所激励，由转子磁场所激励， 由合成磁场所由合成磁场所 产生，所以可以认为转子主极磁场轴线超前于定子内合产生，所以可以认为转子主极磁场轴线超前于定子内合 成磁场轴线一个成磁场轴线一个 角。此时作用在转子上的电磁转矩角。此时作用在转子上的电磁转矩 为一制动转矩，由原动机驱动转子的机械转矩克服了转为一制动转矩，由原动机驱动转子的机械转矩克服了转 子的电磁转矩，便将机械能转变为电能。此时主极磁子的电磁转矩，便将机械能转变为电能。此时主极磁 场、定子合成磁场位置及场、定子合成磁场位置及 与与 相量关系如相量关系如图图5-255-25 所示。所示。返回2021/9/1543船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系图图5-25 同步发电机转变为电动机的过程同步发电机转变为电动机的过程a）发电机状态；b）空载状态；c）电动机状态返回2021/9/1544船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系二、同步电动机的相量二、同步电动机的相量 o同步电动机的相量图如同步电动机的相量图如图图5-26所示。所示。2021/9/1545船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系a） b）图图5-26 5-26 同步电动机的相量图同步电动机的相量图a）在电动状态下规定的正方向 b）同步电动机向量图返回2021/9/1546船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系三、同步电动机的特点三、同步电动机的特点 o同步电动机的主要特点是：转速不随负载的变化而改变；同步电动机的主要特点是：转速不随负载的变化而改变；功率因数可以调节。功率因数可以调节。o同步电动机的相量图如同步电动机的相量图如图图5-27所示。所示。o同步电动机的同步电动机的V形曲线如形曲线如图图5-28所示。所示。2021/9/1547船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系图图5-27 有功功率不变时，改变励磁大小的同步电动机向量图有功功率不变时，改变励磁大小的同步电动机向量图2021/9/1548船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系图图5-28 同步电动机的同步电动机的V形曲线形曲线2021/9/1549船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系四、同步补偿机四、同步补偿机 o同步补偿机是在空载情况下运行的同步电动机，它专门同步补偿机是在空载情况下运行的同步电动机，它专门从电网吸取超前的无功电流，只要将同步电动机处于过从电网吸取超前的无功电流，只要将同步电动机处于过励状态。当电网供给负载（异步电动机）励状态。当电网供给负载（异步电动机）滞后的电流滞后的电流时，同步补偿机在过励时从电网吸取时，同步补偿机在过励时从电网吸取超前的无功电流，超前的无功电流，则电网线路的电流为则电网线路的电流为 由于正好补偿了滞后的无功电流，所以电网的功率因数由于正好补偿了滞后的无功电流，所以电网的功率因数 就得到了改善（理想时，线路电流与同相）如就得到了改善（理想时，线路电流与同相）如图图5-29 所示。所示。2021/9/1550船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系图图5-29 用用 同步补偿机改善电网的功率因数同步补偿机改善电网的功率因数返回2021/9/1551船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系五、同步电动机的起动五、同步电动机的起动 o同步电动机本身没有起动转矩。若将同步电动机的三相同步电动机本身没有起动转矩。若将同步电动机的三相定子绕组直接投入电网，由于定子电流产生旋转磁场，定子绕组直接投入电网，由于定子电流产生旋转磁场，其同步转速为，而转子绕组通以直流电产生转子磁场静其同步转速为，而转子绕组通以直流电产生转子磁场静止不动，定、转子磁场之间存在相对运动，它们相互作止不动，定、转子磁场之间存在相对运动，它们相互作用所产生的电磁转矩在一个周期内将两次变换方向，因用所产生的电磁转矩在一个周期内将两次变换方向，因而不能产生平均的同步电磁转矩，即转子上所受到的平而不能产生平均的同步电磁转矩，即转子上所受到的平均转矩为零，故同步电动机不能自行起动，如均转矩为零，故同步电动机不能自行起动，如图图5-30所示。所示。o同步电动机的起动方法有异步起动法，即在同步电动机同步电动机的起动方法有异步起动法，即在同步电动机的转子极靴上装阻尼绕组（起动绕组），并通过其获得的转子极靴上装阻尼绕组（起动绕组），并通过其获得起动转矩。同步电动机的起动线路如起动转矩。同步电动机的起动线路如图图5-31所示。所示。2021/9/1552船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 a） b）图图5-30 同步电动机起动瞬间分析同步电动机起动瞬间分析a）前半周； b）后半周返回2021/9/1553船舶电气设备与系统 课 件2024/9/2轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系图图5-31 同步电动机的起动线路同步电动机的起动线路返回2021/9/1554