船舶電氣系統(tǒng)全套課程課件一四

第四章同步電機§4—1．同步電機的結構§4—2．同步發(fā)電機的基本特性§4—3．同步發(fā)電機的電壓、轉矩和功率的平衡§4—4．同步發(fā)電機的并聯(lián)運行§4—5．同步發(fā)電機的短路與振蕩§4—6．同步電動機學習第四章應該注意的點第四章學習應注意的幾個問題：1.同步發(fā)電機負載后電樞磁場對氣隙磁場有何影響(電樞反應)？2.同步發(fā)電機空載特性的實質是什么？3.影響同步發(fā)電機的外特性的因素是什么？4.同步發(fā)電機的平衡方程式有那些？5.同步發(fā)電機并聯(lián)運行時有什么特點？本章的計算任務主要是：利用同步發(fā)電機的功率平衡方程和有關特性進行電量（電勢、電壓、電流、功率）計算；并聯(lián)運行時有功功率和無功功率的計算。比較難理解的點：1.同步發(fā)電機的電樞反應；2.同步發(fā)電機的突然短路分析。§4—1.同步電機的結構本節(jié)的主要內容有兩部分基本結構：

主要點：類型與轉子的結構（同步電機的定子結構與異步機相似）。銘牌數(shù)據(jù)：

主要點：額定容量表示（兩種），額定電壓和額定電流。一、同步電機結構

結構：由鐵心和繞組組成，與異步電機定子基本相同?！嗤瑱C座號時，若與異步機互換定子，則仍然可以運行。

區(qū)別：主要是尺寸方面，同步電機通常容量較大，而異步機的容量相對較小。因此，從表面上看同步機機殼無散熱片，異步機則有

接線：發(fā)電機定子繞組通常采用Y形連接，減小三次諧波影響。

定子結構：

三次諧波：由于三相繞組的每個線圈邊產生的磁勢為矩形波，可分解成基波和一系列奇次諧波。通過合理選擇短距繞組,可削弱5、7次諧波。

三相繞組的3次諧波剛好同相位，可以通過Y形和△連接削弱。諧波內容不做要求三次諧波解釋△連接時，雖然無3次諧波電勢輸出，但是，卻在其三相繞組上有3次諧波“環(huán)流”，會造成額外損耗。∴采用Y連接。磁勢矩形波三相繞組的三次諧波剛好同相位轉子結構隱極式轉子大型機的轉子支架轉子鐵心硅鋼片轉子軸上的滑環(huán)一對極隱極式兩對極凸極式轉子：有凸極式和隱極式兩種。轉子繞組是直流繞組。二、同步發(fā)電機的基本類型

類型與勵磁方式

類型：同步發(fā)電機有轉樞式和轉極式兩種。同步發(fā)電機主要采用轉極式，∵磁極在轉子時，通過滑環(huán)引導的電流較小。

自勵：凡以發(fā)電機本身的電樞繞組或輔助繞組為勵磁電源的勵磁方式稱為自勵。

他勵：凡設有專用勵磁電源的稱為他勵。即，采用勵磁機進行勵磁的就是他勵。無刷同步發(fā)電機是他勵的一種形式。

無刷同步發(fā)電機是將這兩種形式的兩臺電機同時安裝在同一根軸上，是兩臺電機的組合。船上不采用直流勵磁機進行勵磁。無刷勵磁也是靠剩磁起壓的。

無刷同步發(fā)電機實際上是兩臺機同軸工作。定子：1和2，轉子：3和4；主發(fā)電機：2和4，勵磁發(fā)電機：1和3。說明P.46的圖4-1-4就是P.199的圖12-2-2。三、同步發(fā)電機的基本數(shù)據(jù)

銘牌數(shù)據(jù)：

主要銘牌數(shù)據(jù)有：額定容量、額定電壓、額定頻率、額定功率因數(shù)、定子繞組連接、絕緣等級、冷卻方式等。

注意：額定容量、額定電壓、額定功率因數(shù)和額定電流可能只標出三個（∵第四個參數(shù)可以求出）。

工作原理簡介：

外部直流電源通過滑環(huán)向轉子提供直流勵磁電流，并產生磁場；原動機拖動轉子旋轉，轉子磁極磁場切割三相定子繞組，感應三相交流電。[第一節(jié)要點]：結構、原理、類型、額定參數(shù)?！?—2.同步發(fā)電機的基本特性

本節(jié)的主要內容有三大部分：

空載特性：

主要點：掌握空載特性的實質，分析工作過程知道空載電勢的計算式。

電樞反應：

主要點：分析負載后，負載大小和性質不同時，電樞磁場對氣隙磁場的影響。

外特性和調節(jié)特性：

主要點：知道特性的形狀和隨負載的變化情況。一、空載特性電勢計算式：

由工作過程分析知道同步發(fā)電機空載電勢E0：——書P.47式（4-2-2）

E0=4.44kfNΦ0空載特性：

保持額定轉速不變，空載電勢E0與空載勵磁電流If的關系曲線。∵E0∝Φ0∝B

，If∝H；∴空載特性的實質就是磁化曲線?？蛰d特性實驗：

按如圖所示接線，起動原動機拖動同步發(fā)電機轉子旋轉，將勵磁回路電阻Rf調至最大，合上勵磁回路電源開關。觀察電流表A和電壓表V的數(shù)值并記錄?？蛰d特性實驗注意：只能單方向調節(jié)電阻。方法：

逐步將Rf調小，使電流逐步增大，記錄數(shù)據(jù)。然后逐步將Rf調大再記錄數(shù)據(jù)。二、電樞反應

定義：負載時由三相電樞繞組產生的旋轉磁場稱為電樞反應磁場。電樞反應磁場對氣隙磁場的影響稱為電樞反應。

電樞電流影響電樞反應的性質：電樞電流與空載電勢的關系有：同相位、滯后和超前三種。與之對應的電樞反應的性質有：交軸、直軸去磁和直軸增磁三種。交軸反應（同相位）直軸去磁（滯后）直軸去磁（超前）一般情況感性滯后的電流三、外特性和調節(jié)特性

外特性：同步發(fā)電機外特性與變壓器相似，但電壓變化率計算式P.49.式(4-2-5)與P.17.式(2-3-3)不同。

注意：P.50思考題(4-2-4)。思考題(4-2-4)：同步發(fā)電機的電壓變化率的大小、正負與發(fā)電機所帶的負載的大小和性質有關。因為負載大小影響了電樞反應作用的大小，負載性質決定了電樞反應的去磁、增磁性質。若電樞反應去磁，電壓變化率為正；若電樞反應增磁，則電壓變化率為負。此時，外特性為上翹的特性。電樞反應越強，電壓變化率的值就越大（反之亦然）。

特性：為了保持電壓不變，在功率因數(shù)一定時，勵磁電流應隨電樞電流進行變化調節(jié)的曲線。不同的功率因數(shù)，電樞反應大小不一樣，性質可能也可能不同。[第二節(jié)要點]：空載特性實質；電樞反應3種；外特性與Δu；調節(jié)特性。調節(jié)特性調節(jié)特性曲線電樞反應去磁，則勵磁電流應增加，反之則減小?！?—3.同步發(fā)電機的電壓、轉矩和功率的平衡本節(jié)的主要內容有三部分：電壓方程及相量圖：主要掌握：電樞電路的等效、相量圖和重要參數(shù)——同步電抗和功率角、功率因數(shù)角、內功率因數(shù)角等概念。轉矩和功率的平衡：主要理清能量轉換關系。獨立運行特點：獨立運行特點單獨作為一點討論，目的是要求給予重視，與后續(xù)特點進行比較。同步發(fā)電機負載運行時與電樞繞組交鏈的磁通有3個：勵磁磁通、電樞電流產生的電樞反應磁通和漏磁通。3個磁通都在電樞繞組感應電勢分別為：空載電勢、電樞反應電勢和漏磁電勢。忽略磁路飽和，引入?yún)?shù)：電樞反應電抗。同步電抗Xs=Xa+Xσ，注意：Xs

＞Xa＞Xσ。忽略電樞電阻用電抗表示ea電樞繞組電路一、電壓方程及相量圖電勢公式電勢公式可應用三角計算公式從相量圖得到：三角形構成——以E0為斜邊以U相量及其延長線為一條直角邊，構造一個直角三角形。與電流I有關相量變換（投影）到直角邊都與功率因數(shù)角φ有關。電壓平衡方程：電勢公式：——P.51.式（4-6-3），忽略電樞電阻后：相量圖根據(jù)電壓平衡方程可畫出相量圖。負載分別為：感性、阻性和容性時：感性負載忽略電樞電阻電阻性負載容性負載二、轉矩和功率的平衡

功率平衡：

功率平衡關系就是能量平衡關系。P.52式(4-3-8)：Pin=Pe+P0，應寫成：P1=Pe+△P0

其中，電磁功率：Pe=3E0Icosψ，內功率因數(shù)角ψ；空載損耗△P0(主要是機械損耗)。

轉矩平衡：

公式：P.52式(4-3-10)：T=3E0Icosψ/Ω。同步寶發(fā)電翼機獨念立運速行有杏3個扯特點殖：1.有道功功率慢和無功擊功率完釀全由負筑載決定彩；2.頻感率隨轉灑速而變顫化，電企壓隨勵圾磁電流賺而變化獸；3.負常載變化蛇將引起項頻率（固有功）啄或電壓幕（無功龜）的相節(jié)應變化糕。[第三節(jié)殲要點]咱：電壓艙方程及喜相量圖涼；轉矩侵；獨立籌運行的孕特點。發(fā)電反機獨種立運銷行的忍特點注意：笛將獨立節(jié)運行特蜘點與后友面的并容聯(lián)運行粥特點相蒙比較?！?—4.同祥步發(fā)電淚機的并少聯(lián)運行本節(jié)的滿主要內鄰容有兩腳部分：與無窮置大電網(wǎng)影并聯(lián)：主要筆掌握腥：并關聯(lián)運蕉行概雀念、失有功鹿功率莊和無產功功妖率的中計算儀與調電節(jié)、余功角千特性叼矩角聯(lián)特性傲等概魔念和陳并聯(lián)彎特點賊。同容灰量發(fā)縣電機穩(wěn)并聯(lián)：主要掌呼握：特溫點。一、與獨無窮大同電網(wǎng)并富聯(lián)無窮宮大電網(wǎng)網(wǎng)：電網(wǎng)與毒單機容察量比非豬常大，U、主f不受單也機調節(jié)奸影響。并聯(lián)所運行匆：是指群兩臺浸以上關發(fā)電禮機同緊時向木同一桐電網(wǎng)駱供電黃的工讓作狀女態(tài)。并聯(lián)條渣件：三個裕相等雨（電快壓、糠頻率適、相活位）溫、一紛個（匙相序惕）一宇致。有功疾功率僵的調聞節(jié)：調節(jié)發(fā)鈴電機的氣油門，導轉子瞬橡時加速籃，功角筐瞬時增來大，輸耕出有功已功率增耍加，電坡磁轉矩頓增大達圣到轉矩錦平衡（竿轉速恒疲定）。典——θ＞1抖80央°失吳步。槳——注意嘴：功碌角的痕概念交。功角及去功角特饞性功角：是發(fā)電愛機磁極激磁場與嚼氣隙合絞成磁場角之間的確空間角涼度，也挪正好等帳于電勢E0與電槳壓U之間的型相位角莊?！逫co章sφ=E0si底nθ找/雨Xs枝，Pe=3鼻U扛Icosφ，∴Pe=3擔UE0sin產θ/餅Xs顯，即：功角特允性。凸極喉機∵售直交蓮軸方鄭向氣擺隙不甜均勻爬.多攜一個舞“反免應轉家矩”蒜。矩角特傍性：與功角爐特性相異似。—刑—書P.糾53式（4哀-4-怨2）。無功功角率的調投節(jié)與無窮陵大電網(wǎng)滑并聯(lián)時京，發(fā)電菊機電壓加不變。析若保持基油門不禿變，則忌輸出電紀磁功率Pe=3箱U銳Icosφ，即Ico拍sφ等于粥常數(shù)祖。此季時，喝如果潑調節(jié)胡勵磁研電流If，勵磁磁念通Φ0和空載咸電勢E0將發(fā)生匹變化。由圖可適見，調聽節(jié)勵磁蹈電流If，空載電戲勢E0發(fā)生申變化絲式，功肅率因福數(shù)角φ也隨之滔發(fā)生變唯化，輸蘇出無功插功率發(fā)犬生變化浴。勵磁電湖流?。蚯穭睿╊B時，E0小，φ＜0圈，輸出辦無功為穗容性無屯功；勵渠磁電流反增大，E0也增撕大，合當φ=0時，鼠輸出露無功孩為零看；繼暑續(xù)增辱大勵典磁電鍋流，E0進一步警增大，φ＞0哥，徐輸出泛無功勞為感陷性無鍬功。1.役調遲節(jié)油荷門，社可以諒調節(jié)殲發(fā)電釘機輸機出的種有功詳功率光大小郊；2.梅調辭節(jié)勵廚磁電概流，潛可以各調節(jié)班發(fā)電巴機輸誰出的充無功京功率藏大小宵；3.源調蔥節(jié)一襲臺發(fā)冶電機旱的油招門或皂者勵盛磁電覽流，烈電網(wǎng)蹤蝶的頻勿率和川電壓倦不會袍發(fā)生化變化怪。結論輸出慌感性洋無功炮等于趴消耗件容性查無功礦；輸昌出容撇性無若功等真于消姓耗感浸性無寺功?！獢D通過附成圖可以稍理解。未接敏電容鏈之前取消耗爸感性允，電敏容輸鈴出容窩性無灘功后沉，整奇?zhèn)€電領路不孕消耗緒無功或功率亦。二、同盾容量同膨步發(fā)電蜘機的并犧聯(lián)并聯(lián)運活行特點口：1.曬各季并聯(lián)舞運行男發(fā)電緒機輸揪出的纏總有闊功功多率和后無功著功率尋分別銀等于脆負載用的有收功功芳率和陜無功至功率植。P=毀P1+P2；Q益=Q1+Q2。2.單獨調許節(jié)一臺討發(fā)電機典的油門妹（輸入矩功率）今，負載棗不變時豆，電網(wǎng)偏的頻率貓將發(fā)生軌變化。3.貍單獨調姜節(jié)一臺規(guī)發(fā)電機戀的勵磁失電流，禿負載不甜變時，炮電網(wǎng)的車電壓將企發(fā)生變章化。理解饑：一蝴臺油舒門增牢加，捏負載盡不變悟，另影一臺饞輸出櫻有功思減少況，電智網(wǎng)總處輸入添增加喚、有串功輸集出不峰變，永頻率娛增加救。（敗無功喬同理智）[第取四節(jié)他要點廊]：慰理想蠶合閘殿條件鉗；功著角特勺性；坐并聯(lián)賀運行性特點湖（無看窮大饒，同憑容量晨）?！?-5.同猛步發(fā)電均機的短牧路與振怖蕩本節(jié)內揪容主要掙知道：1.雹知戲道突裙然短復路的頌危害鑄、突息然短串路時剩同步尾電抗碧的大染小變猾化，抵了解騰突然豬短路換的過匯程；2.蠅振棕蕩的胞種類乘和?？?。突然對短路符時，燥電樞割電流境將增寄大，注氣隙刷磁通覽將增縣加，烘與磁豈通交禽鏈的窯繞組植將感暢應電協(xié)勢產瘋生電究流和租磁勢釀阻止簽短路鍵電流嗓產生表的磁跑通的泥增加昏，迫輕使該狹磁通唇以氣耽隙為紋磁路礙。因健此磁脖路的溜磁阻耗很大挖，相途當于閑此時巡壽的同蝦步電穴抗很多小。丸隨著伍阻礙傘磁通捎變化編的繞爸組電脂流的勞衰減斯，短救路磁脊通逐敵步恢答復原就來的禍磁路檔，同滋步電捏抗也失才逐秩步增該大到憑原來共的數(shù)糾值。雜——宣超忌瞬變維電抗躍、瞬揉變電斬抗、踐正常肚的同要步電慢抗。注意：Xσ＜Xd’’餃＜Xd’之＜Xs。∵Xd’’娛=Xσ+Xad’’一、訂三相波突然嶺短路二、戲并聯(lián)養(yǎng)運行紐奉發(fā)電膽機的驚振蕩種類初：并聯(lián)運猶行時的半振蕩有張，1.把自由振孟蕩；2恭.強迫脾振蕩。危害仿：嚴重喪時會砌損壞丙設備只。自由執(zhí)振蕩旦：——盲只妙有并鼻聯(lián)運瓦行時查才有混，單祖機運損行時駕沒有錦?！哒{鎮(zhèn)節(jié)或傭者負漂載變括化使毒機械肝轉矩露（輸齡入）忍和電跡磁轉鍛矩（摔輸出練）失仰去平堡衡，揭發(fā)電炕機n將發(fā)夾生變所化。數(shù)而∵夫轉子刑慣性罩會出潤現(xiàn)以席振蕩融。—倚—稱一般課是衰成減振蛛蕩，幻玉問題恨不大困。強迫振厲蕩：——詞單哀機和宣并聯(lián)磚運行軟時都矩有?；钊截堅瓌訖C持（四個司沖程中映既有做乞功沖程況，也有異不做功獸沖程）溝造成的腹振蕩。悟——核一般在勾設計時維已經(jīng)避劍開臨界歸轉速。解決辦嗚法：發(fā)現(xiàn)滴長時捧間振繁蕩可仿通過瞇適當亡改變謀頻率升使振域蕩衰電減。[第五艦節(jié)要點盡]：突剝然短路陜（各電傷抗大小剪及關系泛）；振刻蕩（種費類，危們害）?！?-6.同綁步電動敘機本節(jié)駝的主雀要內塌容有變兩部應分：轉動躁原理油與起你動：主要俊點：博同步鑄電動稻機如能何轉鳴動、全怎樣冰轉動鋼。電動等機的廉電流：主要點說：影響霞同步電揀動機電各樞電流毅的因素懸。同步電培動機的梯內容不是重把點，主要要求遲了解與基本梅點。一、駱轉動肺原理旺與起忙動轉動兇原理：由并聯(lián)爆運行同磚步發(fā)電平機的功疊角特性玩可知：撤當同步澇發(fā)電機頃處于空卸載狀態(tài)豆并聯(lián)在賭電網(wǎng)時粒，若將克原動機盛通過離包合器脫紙開，此指時轉子暖在機械拉阻轉矩紛的作用日下將減牙速，電妻機的功紅角θ＜0藏，輸出貍的有麻功功部率為恢負值貨，即止表示禍從電呢網(wǎng)吸診收有雜功功妥率。對也就儀是說菊：同熱步發(fā)狐電機香就變慰成了創(chuàng)同步抄電動肅機。結論睬：功角θ＜歌0儲，輸出P＜媽0，即輸供入P，變成同牽步電動斧機。—森—轉代速仍然遵是同步給轉速。同步遇電動楚機的盤起動分析：若直巖接將勞靜止丑不動源的同英步電蒸動機晉轉子裳進行洞勵磁般，而姜在定太子三肆相電臉樞繞率組通盾入三貨相交腹流電到，在映氣隙名中將巡壽有勵竄磁磁賺場（址恒定控不變芽）和膨電樞準磁場義（旋刑轉）革同時周存在屋，當失電樞對磁場觀超前醬勵磁俱磁場臂時，氣將拖固動勵男磁磁固場轉首動，演由于轉子存烘在著慣脫性，而電仆樞磁場捏轉速又股很快，θ在1鄭80吃°內領電樞醋磁場不能口及時殃將轉采子拉唯入同況步，而θ超過斯18灣0°寬后，割電樞韻磁場印與勵預磁磁用場的彼相互鳳作用連力變地成斥爭力，脅于是在一魂個周槍期內撤，電廢磁轉頃矩的飄平均粉值為雷零。因此紫，同步電價動機不匪能直接凡起動。起動方緒法：主要有間接起預動和異賽步起動布。間接起仙動和異搖步起動間接起娛動：通過臘其它它機械癢（原愉動機折）將礙同步超電動疲機起變動至叮額定惱轉速有，然牽后定茶子電骨樞繞嫩組接游三相鴿交流弄電，干轉子膊勵磁更繞組感通入悄勵磁稻電流挽，通狗過機規(guī)械離危合器混脫開殘原動鋸機并攜帶上近機械奸負載頃，同崖步電踢動機抹進入簡正常租的電用動運蛙行狀啦態(tài)工巡壽作。異步起熄動：依靠蠻同步乖電動脈機磁疏極上視的起榮動繞俊組（障類似罪鼠籠駕繞組流）起枯動。起動時紡，將轉妙子繞組察串聯(lián)一否個5～眾10倍泛勵磁繞獻組電阻頂值的電夢阻，定港子接入絨三相交歇流電，貼起動繞鋸組以異悉步機的舊原理起犧動，當軟轉子轉趨速接近卡同步轉她速時，續(xù)勵磁繞烤組通過錄轉換開龜關斷開萄串聯(lián)的翠電阻，競接入正織常勵磁辰電流，節(jié)此時由掀于電樞姐磁場與晚勵磁磁動場的相蔥對轉速更很小，燈轉子在歸電樞磁流場的作業(yè)用下將冒被拉入戶同步。張拉入同結步后的臟電動機簽就可帶糧動機械深負載正百常工作做。異步饞法起姨動時悠注意笑：勵磁繞費組既不沾能開路災也不能爺短路，而應禍在轉子辦繞組回炒路中串自聯(lián)一個釣5～1撿0倍勵副磁繞組迫電阻值坑的電阻財。這是因楚為：由枝于勵磁蟲繞組的飽匝數(shù)很嘉多，起蓮動時，若開路則會留感應廣出很辣高的趟電壓淚，造御成設關備損涉壞等廣后果僚。而若直接類短路，則短冒路電流鐵較大，婦會燒壞丹勵磁繞益組。轉子鈔回路恰電阻抖的作約用：認即降坐壓又償限流撿。注意同步妖電動聯(lián)機電況流的油性質衫：與發(fā)電羽機類似欲，同步古電動機謹過勵時枯（勵磁壯電流增戀大，使嫁空載電碌勢大于悄額定電級壓一定菜數(shù)值）艘，輸出弓感性無勾功；欠紗勵則輸料出容性莊無功。左同步電冊動機一數(shù)般工作遙在過勵井狀態(tài)，跑以改善渠電網(wǎng)的施功率因果數(shù)。使用場牧合：大功邀率不橫經(jīng)常丈且可唐空載愿起動泡的設竹備使紙用