(精品)船舶电气设备及系统-大连海事大学第04章同步电机.ppt

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1、船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室第第4章章 同同 步步 电电 机机 4.1 4.1 三相交流同步电机的基本结构、三相交流同步电机的基本结构、工作原理及铭牌数据工作原理及铭牌数据 4.2 三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 4.3 同步电动机同步电动机 船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室4.1.1 三相交流同步电机的基本结构三相交流同步电机的基本结构旋转电枢式同步电机图旋转电枢式同步电机图三相交流同步电机由定子部分和转子部分构成三相交流同步电机由定子部分和转

2、子部分构成 以转子绕组形式分类，有旋转电枢式和旋转磁极式。以转子绕组形式分类，有旋转电枢式和旋转磁极式。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室旋转磁极式同步电动机旋转磁极式同步电动机 船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室定子部分定子部分 定子是由定子铁心、定子三相绕组、机座以及固定子是由定子铁心、定子三相绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。定这些部分的其他结构件组成。定子铁心由硅钢片叠压而成。定子铁心由硅钢片叠压而成。定子铁心槽内嵌放三相依次相差定子铁心槽内嵌放三相依次相差

3、120电角度（或电角度（或120/P空间机械角度）的。绕组，称为三相电枢空间机械角度）的。绕组，称为三相电枢绕组，是交流电路部分。绕组，是交流电路部分。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室转子部分转子部分 转子磁极有两种结构形式转子磁极有两种结构形式 隐极式隐极式 凸极式（也称显极式）凸极式（也称显极式）船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室按同步发电机的励磁电源的不同有两种基本类型，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、他励的即自励的、他励的 图图5-3 5-3

4、自励同步发电机自励同步发电机船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 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船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室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 当转子由原动机以恒定转速驱动。极性相间的励当转子由原动机以恒定转速驱动。极性相间的励磁磁场随轴一起旋转，并依次切割定子各相绕组磁磁场随轴一起旋转，并依次切割定子各相绕组（相当于

5、绕组导体反向切割励磁磁场）。定子三（相当于绕组导体反向切割励磁磁场）。定子三相电枢绕组就会感应出大小和方向按周期性变化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弦电动势。由于三相电枢绕组在空间相的交变正弦电动势。由于三相电枢绕组在空间相差差120120 电角度，三相电动势相位也相差电角度，三相电动势相位也相差120120。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室其瞬时值为：其瞬时值为：船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室空载电动势的有效值为空载电动势的有效值为 式式中中 o为

6、为每每极极下下的的总总磁磁通通.空空载载电电动动势势的的频频率率 f 与转子的转速与转子的转速n和磁极对数和磁极对数p成正比成正比,即即由以上两式可得由以上两式可得Ke为电势常数为电势常数船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 额额定定容容量量 ，连连接接方方式式,线线电电压压 ,额额定定频频率率，磁磁极极对对数数,额额定定转转速速,采采用用绝绝缘缘等级等级,冷却方式冷却方式,设计标准环境温度等。设计标准环境温度等。4.1.3 铭牌数据铭牌数据 船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室

7、三相同步发电机额定值三相同步发电机额定值 同步发电机的主要额定值有：同步发电机的主要额定值有：q额定容量额定容量 SN 或额定功率或额定功率PN q额定电压额定电压 UNq额定电流额定电流 INq额定功率因数额定功率因数 cosNq额定频率额定频率 fNq额定转速额定转速 nNq额定励磁电压（额定励磁电流）额定励磁电压（额定励磁电流）船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室通常把同步发电机转子转速为同步额定转通常把同步发电机转子转速为同步额定转速条件下，空载电动势速条件下，空载电动势E E0 0与励磁电流的关系与励磁电流的关系曲线称为同步发

8、电机空载特性曲线曲线称为同步发电机空载特性曲线E E0 0=f=f（I If f）或称开路特性曲线。或称开路特性曲线。E Er r：剩磁电压（在额定转速下使剩磁电压（在额定转速下使I If f=0=0时所时所测得的电枢开路电压）。测得的电枢开路电压）。4.2 三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船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室当当同同步步发发电电机机接接通通负负载载时时,三三相相电电枢枢绕绕组组的的三三相相电电流流将将产产生

9、生旋旋转转磁磁场场 a,这这种种旋旋转转磁磁场场称称为为电电枢枢反反应应磁磁场场。电电枢枢磁磁场场对对磁磁极极主主磁磁场场的的影影响响称称为为电电枢枢反反应应。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 同步发电机定、转子之间的气隙同时出现两个旋同步发电机定、转子之间的气隙同时出现两个旋转磁场。转磁场。电枢反应效应与负载性质有关。电枢反应效应与负载性质有关。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室a)a)定子绕组电动势、电流和磁动势的空间矢量图定子绕组电动势、电流和磁动势的空间矢量图1 1）电枢电流与空载电势同相位时）电枢电流

10、与空载电势同相位时(即即=0)=0)的电枢反应的电枢反应交轴电枢反应交轴电枢反应直轴直轴(Direct Axis)：与主磁场同轴。与主磁场同轴。交轴交轴(Quadrature Axis)：与主磁场相交的轴。与主磁场相交的轴。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室b)b)时间矢量图时间矢量图船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室c)c)时时-空统一矢量图空统一矢量图直轴直轴(Direct Axis)：与主磁场同轴。与主磁场同轴。交轴交轴(Quadrature Axis)：与主磁场相交的

11、轴。与主磁场相交的轴。直轴直轴D轴轴交轴交轴Q轴轴船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室d)d)气隙合成磁场与主磁场的相对位置气隙合成磁场与主磁场的相对位置船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室2）电枢电流落后于空载电动势电枢电流落后于空载电动势90 时的电枢反应时的电枢反应 直轴去磁电枢反应直轴去磁电枢反应 ：电电枢枢磁磁场场 a a与与磁磁极极磁磁场场 o o在在同同一一轴轴线线上上,但但方方向向相相反反,起起去去磁磁效效应应使使合合成成磁磁场场 o o。o船舶电气设备及系统 2

12、023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室时时-空统一矢量图空统一矢量图直轴直轴D轴轴交轴交轴Q轴轴船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 直直轴轴增增磁磁电电枢枢反反应应：电电枢枢磁磁场场 a与与磁磁极极磁磁场场 o在在同同一一轴轴线线上上,且且方方向向相相同同,起起增增磁磁效效应应使使合合成成磁磁场场 大大于于主主磁磁场场 o。3）电枢电流超前于空载电动势电枢电流超前于空载电动势90 的电枢反应的电枢反应o船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室直轴直

13、轴D轴轴交轴交轴Q轴轴时时-空统一矢量图空统一矢量图船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室4）通通常常情情况况下下,发发电电机机的的负负载载多多为为一一般般电电感感性性负负载载,即即电电枢枢电电流流落落后后于于空空载载电电动动势势的的角角度度小小于于90。一一般般电电感感性性负负载载的的电电枢枢反反应应既既有有去去磁磁效效应应又又有有交磁效应。交磁效应。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 a)a)滞后于滞后于 时的空间矢量图时的空间矢量图4）通常情况下通常情况下,与与 不同相不同

14、相一一般般电电感感性性负负载载的的电电枢枢反反应应既既有有去去磁磁效效应应又又有有交交磁效应。磁效应。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 b)b)滞后滞后 时的时时的时-空统一矢量图空统一矢量图一一般般电电感感性性负负载载的的电电枢枢反反应应既既有有去去磁磁效效应应又又有有交交磁效应。磁效应。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 c)c)超前超前 时得时时得时-空统一矢量图空统一矢量图一一般般电电容容性性负负载载的的电电枢枢反反应应既既有有增增磁磁磁磁效效应应又又有有交磁效应。

15、交磁效应。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室同步发电机负载运行时物理量的关系：同步发电机负载运行时物理量的关系：一、一、隐极同步发电机隐极同步发电机4.2.3 三相交流同步发电机电压平衡方程和相量图 船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室正正弦弦电电动动势势e0、ea和和e 是是分分别别由由转转子子旋旋转转磁磁通通 0、电电枢枢旋旋转转磁磁通通 a和和电电枢枢绕绕组组漏漏磁磁通通 产产生生的的.Ra是是电电枢枢绕绕组组的的电电阻阻.其其电电压平衡方程式为压平衡方程式为电压平衡方程

16、电压平衡方程船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室相量分别表示为相量分别表示为 X=E /I 称为电枢漏电抗称为电枢漏电抗;Xa=Ea/I 称为电枢反应电抗。称为电枢反应电抗。相量分别表示为相量分别表示为 和和船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室电枢电路的相量电压方程可写为电枢电路的相量电压方程可写为通常通常Ra R Rd d ，所以所以X Xadad X Xaqaq，因此在凸极同因此在凸极同步电机中，步电机中，X Xd d X Xq q。对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故对于隐极

17、电机，由于气隙是均匀的，故X Xd dXXq qXXs s 船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室凸极同步电机电枢反磁通及所经磁路及磁导凸极同步电机电枢反磁通及所经磁路及磁导直轴电枢磁导直轴电枢磁导交轴电枢磁导交轴电枢磁导船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室4.2.4同步发电机的运行特性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表征同步发电机的运行特性有以下五种 ：q同步发电机的空载特性同步发电机的空载特性 q同步发电机的短路特性同步发电机的短路特性 q同步发电机的外

18、特性同步发电机的外特性 q同步发电机的调整特性同步发电机的调整特性 q同步发电机的功角特性同步发电机的功角特性 船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室空载特性可以用空载试验测出。试验时，电枢空载特性可以用空载试验测出。试验时，电枢开路开路 (空载空载)，用原动机把被试同步电机拖动，用原动机把被试同步电机拖动到同步转速，到同步转速，改变励磁电流改变励磁电流I If f，并记取相应的并记取相应的电枢端电压电枢端电压U U0 0(空载时即等于空载时即等于E E0 0，直到直到U U0 01.25U1.25UN N左右，可得空载特性曲线左右，可得

19、空载特性曲线1 1）同步发电机的空载特性）同步发电机的空载特性船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室同步电机的空载特性同步电机的空载特性船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室2 2）同步发电机的短路特性）同步发电机的短路特性 短路特性可由三相稳态短路试验测得，试短路特性可由三相稳态短路试验测得，试验线路验线路如图如图所示。将被试同步电机的电枢所示。将被试同步电机的电枢端点三相短路，用原动机拖动被试电机到端点三相短路，用原动机拖动被试电机到同步转速，调节励磁电流同步转速，调节励磁电流I

20、 If f使电枢电流使电枢电流I I从从零起一直增加到零起一直增加到1.2I1.2IN N左右，便可得到短路左右，便可得到短路特性曲线，特性曲线，如图如图所示。所示。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室短路实验接线图短路实验接线图船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室短路特性短路特性船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室同同步步发发电电机机的的外外特特性性是是指指在在转转速速额额定定值值nN下下运运行行，励励磁磁电电流流If不

21、不变变，负负载载功功率率因因数数一一定定时时，发发电电机机端端电电压压和和负负载载电电流流的的关关系系，即即Uf(Ia)3)同步发电机的外特性同步发电机的外特性 U=f(I)船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室cos=0.8滞后滞后cos=1cos=0.8超前超前外特性外特性船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室电压变化率电压变化率同同步步发发电电机机在在cos=0.8(滞滞后后)的的负负载载时时,其其电电压压变变化化率率约约为为2040,一一般般不不超超过过50。船舶电气设备及系

22、统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室不同负载相量图不同负载相量图（根据电压方程做相量图）（根据电压方程做相量图）a.电感性负载的简化相量图电感性负载的简化相量图相量相量E0和和U之间的相位差角之间的相位差角称为功率角称为功率角船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室c.电容性负载的简化电容性负载的简化相量图相量图 b.电阻性负载的简化电阻性负载的简化相量图相量图船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 同同步步发发电电机机在在额额定定转转速速和和

23、一一定定的的负负载载功功率率因因数数下下,为为保保持持端端电电压压基基本本不不变变,励励磁磁电电流流If随随负负载载电电流流I而而变变化化的的关关系系If=f(I)称称为为调调节特性。节特性。4)同步发电机调节特性同步发电机调节特性 If=f(I)船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室cos=0.8滞后滞后cos=1cos=0.8超前超前调节特性调节特性船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室5 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 1)1)功率特性功率特性

24、同步发电机由原动机拖动，输入给发电机的功同步发电机由原动机拖动，输入给发电机的功率为率为P P1 1，而通过电磁感应作用，转换为定子上而通过电磁感应作用，转换为定子上的电磁功率的电磁功率P Pe e。P Pm m为机械损耗；为机械损耗；p pFeFe为定子铁损耗；为定子铁损耗；p pS S为附加损耗。为附加损耗。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室输入输入功率功率P1机械损机械损耗耗p附加损附加损耗耗pS铁损铁损pFe电磁功电磁功率率Pe定子铜损定子铜损pcu输出功输出功率率P2船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自

25、动化教研室轮机学院电气及自动化教研室P PCUCU定子绕组的铜损耗，定子绕组的铜损耗，P P2 2发电机输出功率发电机输出功率定子电枢绕组定子电枢绕组R Ra a很小，若不计很小，若不计R Ra a影响影响 船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室凸极式同步发电机简化相量图凸极式同步发电机简化相量图凸极式同步发电凸极式同步发电机在磁路未饱和机在磁路未饱和且不计电枢绕组且不计电枢绕组电阻电阻R Ra a时的相量时的相量图图 内功率内功率因数角因数角功率角功率角船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自

26、动化教研室船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室基本电磁功率基本电磁功率 附加电磁功率附加电磁功率 船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室Pe18000900Pemax基本电磁功率基本电磁功率 附加电磁功率附加电磁功率 船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室由于隐极式同步发电机气隙均匀，即由于隐极式同步发电机气隙均匀，即X Xd d=X Xq q=X=XS S，故有故有P Pe e0 0，那么，隐极式同步发电机的电磁功率那么，隐

27、极式同步发电机的电磁功率P Pe e为：为：0900PePemax1800船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室6)6)、相同步发电机单机运行时的特点、相同步发电机单机运行时的特点1.1.发电机输出的有功和无功功率完全决定于负载。发电机输出的有功和无功功率完全决定于负载。首先是负载先发生变化，然后引起发电机的有功首先是负载先发生变化，然后引起发电机的有功功率和无功功率的变化。功率和无功功率的变化。2.2.用电负载不变，人为的改变原动机的输入（加大用电负载不变，人为的改变原动机的输入（加大或关小油门），将使转速和频率发生相应的变化；或关小油

28、门），将使转速和频率发生相应的变化；而人为的改变发电机的励磁电流，将使发电机的而人为的改变发电机的励磁电流，将使发电机的输出电压发生相应的变化。输出电压发生相应的变化。3.3.有功负载的变化可以引起发电机的频率的变化，有功负载的变化可以引起发电机的频率的变化，变化的程度与原动机调速器的特性有关；无功负变化的程度与原动机调速器的特性有关；无功负载的变化可以引起发电机的输出电压的变化，变载的变化可以引起发电机的输出电压的变化，变化的程度与发电机外特性或自动调压系统的特性化的程度与发电机外特性或自动调压系统的特性有关。有关。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院

29、电气及自动化教研室当当发发电电机机投投入入电电网网后后,通通过过改改变变发发电电机机的的输输入入机机械械功功率率,来来改改变变发发电电机机输输出出的的有有功功功功率率。假假设设经经过过调调节节发发电电机机已已输输出出有功功率为有功功率为:7)有功功率的调节有功功率的调节船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室若若忽略电枢电阻，发电机的电磁功率忽略电枢电阻，发电机的电磁功率Pe=P。当当励磁电流保持不变时，上式中除功率角励磁电流保持不变时，上式中除功率角外均为不外均为不变的常数。在有功功率的调节中功率角变的常数。在有功功率的调节中功率角起着自

30、动平起着自动平衡的调节作用。衡的调节作用。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室电磁转矩与电磁功率成正比电磁转矩与电磁功率成正比,即即 发电机的有功功率随功率角发电机的有功功率随功率角的变化关系的变化关系P=f(),称为功称为功角特性。角特性。矩角特性矩角特性T=f()曲线与功角特性曲线相似。曲线与功角特性曲线相似。并联运行同步发电机应设逆功保护。并联运行同步发电机应设逆功保护。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 8)无功功率的调节无功功率的调节调节励磁电流可改变并联发电机输出的

31、无功功率调节励磁电流可改变并联发电机输出的无功功率Q。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室当当增加励磁电流增加励磁电流(过励磁过励磁)使使E0U,发电机与电网之发电机与电网之间出现了电压差和引起了电枢电流。根据电压方程间出现了电压差和引起了电枢电流。根据电压方程在相位上电流在相位上电流I总是落后于同步感抗压降总是落后于同步感抗压降 U 900。发发电机输出落后无功功率。电机输出落后无功功率。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室减减少少励励磁磁电电流流(欠欠励励磁磁)使使E0U，电

32、电流流I落落后后于于 U 900而超前于电压而超前于电压U 900。发电机输出超前的无功功率。发电机输出超前的无功功率。123同同步步发发电电机机不不同同运运行行方方式式时时的的相相量量图图船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室4.3 同步电动机同步电动机同步电动机定、转子结构和同步发电机一样，转子也有隐极同步电动机定、转子结构和同步发电机一样，转子也有隐极式和凸极式两种，转子上除了嵌放励磁绕组外，还安装有帮式和凸极式两种，转子上除了嵌放励磁绕组外，还安装有帮助起动用的笼型绕组（阻尼绕组），一般中小同步电动机多助起动用的笼型绕组（阻尼绕组

33、），一般中小同步电动机多采用凸极结构。采用凸极结构。4.3.1 4.3.1 同步电动机的基本原理同步电动机的基本原理 同步电动机是由三相电枢绕组通过三相对称电流而产生的同步电动机是由三相电枢绕组通过三相对称电流而产生的旋转磁场拉着转子磁极以同步转速旋转，定子吸收电网有旋转磁场拉着转子磁极以同步转速旋转，定子吸收电网有功功率，通过定、转子电磁关系转换为机械转矩。功功率，通过定、转子电磁关系转换为机械转矩。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室n1S2N2S1N1n1S1N1n1n1S2N2S2N2S1N1n1n1同步电机由发电状态到电动状态

34、过程示意图同步电机由发电状态到电动状态过程示意图发电机发电机补偿机补偿机电动机电动机NNoNoNoNNSoSoSSSSo主极主极主极主极发电机发电机补偿机补偿机电动机电动机同同步步电电机机的的三三种种运运行行状状态态船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室4.3.2 4.3.2 同步电动机的相量同步电动机的相量 同步发动机电压方程同步发动机电压方程 把同步电动机看成一输出负功率的的发动机。习把同步电动机看成一输出负功率的的发动机。习惯上，总是将电动机看成是电网的负载。惯上，总是将电动机看成是电网的负载。船舶电气设备及系统 2023/4/6课

35、 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室同步电动机电压方程同步电动机电压方程船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室同步电动机的电磁功率与发电机一样，可从相量图中同步电动机的电磁功率与发电机一样，可从相量图中推导出，不同的是，在电动机中功角为负值，在计算推导出，不同的是，在电动机中功角为负值，在计算电动机功率时，功角用负值带入发电机功率公式。电动机功率时，功角用负值带入发电机功率公式。一般一般 ，隐极式同步电机不存在附加，隐极式同步电机不存在附加电磁功率。电磁功率。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动

36、化教研室轮机学院电气及自动化教研室船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室4.3.3 4.3.3 同步电动机的特点同步电动机的特点 转速不随负载的变化而改变；与同步转速相同。转速不随负载的变化而改变；与同步转速相同。同步电动机的主要特点是：同步电动机的主要特点是：旋转磁场拉着转子磁极以同步转速旋转。旋转磁场拉着转子磁极以同步转速旋转。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室功率因数可以调节（以隐极电机为例功率因数可以调节（以隐极电机为例）在电压一定，同步电动机有功功率不变的时：在电压一定

37、，同步电动机有功功率不变的时：船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室ABCD同步电动机处于过激状态，电流超前于电压，相当同步电动机处于过激状态，电流超前于电压，相当于电容性负载。于电容性负载。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室同步电动机处于正常励磁状态，电流与电压同相，同步电动机处于正常励磁状态，电流与电压同相，相当于纯电阻性负载。相当于纯电阻性负载。ABCD船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室ABCD同步电动机处于欠激状

38、态，电流滞后于电压，相当同步电动机处于欠激状态，电流滞后于电压，相当于电感性负载。于电感性负载。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室 调节同步电动机励磁从欠激到过激，电流相量的调节同步电动机励磁从欠激到过激，电流相量的端点始终沿着端点始终沿着AB线，电动势相量的端点始终沿着线，电动势相量的端点始终沿着CD线变化。线变化。同步电动机欠激时从电网吸收有功功率同时吸收同步电动机欠激时从电网吸收有功功率同时吸收滞后的无功电流。滞后的无功电流。同步电动机过激时从电网吸收有功功率同时吸收同步电动机过激时从电网吸收有功功率同时吸收超前的无功电流。超前

39、的无功电流。通过调节同步电动机励磁电流通过调节同步电动机励磁电流，可调节无功电流可调节无功电流和功率因数。和功率因数。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室三相同步电动机的三相同步电动机的V形曲线形曲线 在保持电压在保持电压U和负载和负载TL不变的条件下不变的条件下,电枢电电枢电流流ID与励磁电流与励磁电流If之间的之间的关系曲线关系曲线,即即ID=(If)；不不同的负载对应相应的曲同的负载对应相应的曲线。线。V形曲线可通过试形曲线可通过试验测得。验测得。不稳定区不稳定区PM=0.5PNPM=PN(容性容性)(感性感性)船舶电气设备及系统

40、 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室4.3.4 4.3.4 同步补尝机同步补尝机 由于电网上变压器、异步电动机都是感性负载，由于电网上变压器、异步电动机都是感性负载，且功率因数且功率因数cos比较低，为了减小线电流，降低线比较低，为了减小线电流，降低线损功率，除了使用电容器进行无功功率补偿外，有损功率，除了使用电容器进行无功功率补偿外，有条件尽量使用同步电动机，使其处于过激状态，进条件尽量使用同步电动机，使其处于过激状态，进行无功补偿，使线路的功率因数行无功补偿，使线路的功率因数cos1。轴上不带任何负载轴上不带任何负载专用于改善功率因数的同步专用于改善

41、功率因数的同步电机称为同步补偿机。电机称为同步补偿机。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室4.3.5 4.3.5 同步电动机起动同步电动机起动 同步电动机不能产生起动转矩，必须通过同步电动机不能产生起动转矩，必须通过其他辅助方法，使其拉入同步进行起动，这是其他辅助方法，使其拉入同步进行起动，这是因为转子有转动惯量，合闸瞬间，转子磁极极因为转子有转动惯量，合闸瞬间，转子磁极极性无法紧跟定子旋转磁场的极性转动起来性无法紧跟定子旋转磁场的极性转动起来 同步电动机起动方法有拉入同步、异步起同步电动机起动方法有拉入同步、异步起动方法和变频起动方法

42、动方法和变频起动方法 船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室NSNSTn1(a)逆时针NSSNTn1(b)顺时针合闸瞬间，转子合闸瞬间，转子(已经已经加励磁加励磁)处于处于(a)(a)所示所示的位置，此时，电磁的位置，此时，电磁转矩转矩T T倾向于使转子逆倾向于使转子逆时钟转动；在另一个时钟转动；在另一个瞬间瞬间(b(b所示所示)，定子磁，定子磁场已转过场已转过180180度，而转度，而转子由于机械惯性尚未子由于机械惯性尚未启动，电磁转矩启动，电磁转矩T T倾向倾向于使转子顺时钟转动。于使转子顺时钟转动。船舶电气设备及系统 2023/4/

43、6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室NSNSTn1(a)逆时针NSSNTn1(b)顺时针由于定子磁场以同步由于定子磁场以同步速旋转，作用于转子速旋转，作用于转子上的力矩随时间变化上的力矩随时间变化(f=50Hz)(f=50Hz)，那么转子那么转子上受到的平均转矩为上受到的平均转矩为0 0。因此同步电动机是不因此同步电动机是不能自行起动的。能自行起动的。概括一下同步电动机没有启动转矩的原因是：概括一下同步电动机没有启动转矩的原因是：（1 1）定、转子磁场之间相对运动速度很快；）定、转子磁场之间相对运动速度很快；（2 2）转子本身转动惯量的存在。）转子本身转动惯量的存在。船

44、舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室同同步步电电动动机机的的缺缺点点是是没没有有自自起起动动能能力力。同同步步电电动动机机必必须须靠靠外外力力或或辅辅助助设设备备起起动动。目目前前仍仍被被广广泛泛采采用用的的起起动动方方法法是是异异步步起起动动法法。而而变变频频起起动动方方法法，是是对对于于有有调调速速要要求求的的同同步步电电动动机机拖拖动动系系统使用。统使用。起动起动正常运行正常运行船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室4.3.6 4.3.6 其他类型同步电动机其他类型同步电动机

45、永磁同步电动机永磁同步电动机 永磁同步电动机采用永磁体作转子磁极，由于永磁同步电动机采用永磁体作转子磁极，由于它没有电刷装置、滑环，成为无刷同步电动机。它没有电刷装置、滑环，成为无刷同步电动机。永磁式同步电动机与励磁式同步电动机的工作永磁式同步电动机与励磁式同步电动机的工作原理，电压平衡方程，功角特性和矩角特性都一原理，电压平衡方程，功角特性和矩角特性都一样，只是把有刷变为无刷，用永磁体作磁极。但样，只是把有刷变为无刷，用永磁体作磁极。但永磁式同步电动机就不能作为补偿机。永磁式同步电动机就不能作为补偿机。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教

46、研室磁阻同步电动机磁阻同步电动机 磁阻电动机是一种转子上没有装设励磁绕组的凸极磁阻电动机是一种转子上没有装设励磁绕组的凸极同步电动机，它依靠直轴和交轴两条磁路上磁阻不等而同步电动机，它依靠直轴和交轴两条磁路上磁阻不等而产生电磁转矩，所以称为磁阻同步电动机。产生电磁转矩，所以称为磁阻同步电动机。对凸极转子，且当对凸极转子，且当X Xd dXXd d时，即使转子上不装设励时，即使转子上不装设励磁绕组，也会存在电磁功率和对应的电磁转矩，其大磁绕组，也会存在电磁功率和对应的电磁转矩，其大小为小为船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室PM18000

47、900当当=90度时，转矩等于零；度时，转矩等于零；=45度时，转矩最大；度时，转矩最大；=45度时，转矩又会变为零，这种情况可由下页来度时，转矩又会变为零，这种情况可由下页来说明。说明。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室图图(a)是磁阻电是磁阻电动机的空载情况，动机的空载情况，不计机械损耗时，不计机械损耗时，电机产生的电磁电机产生的电磁转矩转矩TM0，故定故定子磁场轴线与磁子磁场轴线与磁极轴线重合（即极轴线重合（即=0），），磁力线磁力线不发生扭弯。不发生扭弯。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机

48、学院电气及自动化教研室当电动机加上负当电动机加上负载时，转子直轴载时，转子直轴将落后于定子旋将落后于定子旋转磁场轴线转磁场轴线角，角，如图如图b可见，这个可见，这个磁场被扭歪了。磁场被扭歪了。由于磁通具有使其所经路径的磁阻为最小的性质，从而由于磁通具有使其所经路径的磁阻为最小的性质，从而力图使转子直轴方向与定子磁场轴线取得一致力图使转子直轴方向与定子磁场轴线取得一致,因此产因此产生与定子旋转磁场同转向的磁阻转矩生与定子旋转磁场同转向的磁阻转矩T TM M和负载转矩相平和负载转矩相平衡。衡。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室当当角增大到

49、角增大到9090时，由图时，由图c c可见，可见，气隙磁场又对称气隙磁场又对称分布，其合成转分布，其合成转矩又变成零。矩又变成零。磁阻同步电动机只存在电枢反应磁场，故又磁阻同步电动机只存在电枢反应磁场，故又称为称为反应式同步电动机反应式同步电动机。船舶电气设备及系统 2023/4/6课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室磁阻电动机一般靠磁阻电动机一般靠实心转子的感应涡实心转子的感应涡流并借助于铝或铜流并借助于铝或铜所起笼型绕组的作所起笼型绕组的作用起动。当转子接用起动。当转子接近同步速时，借助近同步速时，借助凸极效应产生的磁凸极效应产生的磁阻转矩，转子会自阻转矩，转子会自动拉入同步。动拉入同步。磁阻电动机转子上既无励磁绕组也没有集电环而磁阻电动机转子上既无励磁绕组也没有集电环而使得结构简单，工作可靠，在控制系统、自动记录装使得结构简单，工作可靠，在控制系统、自动记录装置、电钟等需要保持恒速的场合获得了广泛的应用。置、电钟等需要保持恒速的场合获得了广泛的应用。