第一節(jié)同步發(fā)電機

第一節(jié)同步發(fā)電機第一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四同步電機1三相交流同步電機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及銘牌數(shù)據(jù)1.1三相交流同步電機的基本結(jié)構(gòu)1.2三相交流同步發(fā)電機的基本工作原理1.3銘牌數(shù)據(jù)2三相交流同步發(fā)電機運行特性2.1同步發(fā)電機空載運行特性2.2同步發(fā)電機對稱負載運行2.3三相交流同步發(fā)電機電壓平衡方程和相量圖2.4三相交流同步發(fā)電機的外特性及調(diào)節(jié)特性2主要內(nèi)容：同步發(fā)電機的主要結(jié)構(gòu)、工作特點、運行特性和運行特點；

第二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四3同步發(fā)電機同步電機第三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四船舶柴油發(fā)動機組柴油原動機同步發(fā)電機第四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四1三相交流同步電機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及銘牌數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)磁極式：定子為三相繞組，轉(zhuǎn)子為直流磁極5三相交流同步發(fā)電機的類型*旋轉(zhuǎn)電樞式：轉(zhuǎn)子為三相繞組，定子為直流磁極本章介紹只作勵磁發(fā)電機應用第五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四定子鐵心：構(gòu)成磁路、嵌放繞組61.1三相交流同步電機的基本結(jié)構(gòu)1定子部分特點定子三相繞組只作Y聯(lián)接定子繞組：三相對稱繞組（分布繞組），輸出三相交流電壓機座，接線盒，等構(gòu)成第六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四U1U2V1V2W1W2L1L1L2L2L3L3同步發(fā)電機的定子三相繞組L1L2L3第七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四隱極式：極對數(shù)較少，適用于高速（汽輪原動機等）81.1三相交流同步電機的基本結(jié)構(gòu)2轉(zhuǎn)子部分在外加直流勵磁電流作用下，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場作用分類凸極式：極對數(shù)較多，適用于低速（水輪、低中速柴油機等）構(gòu)成轉(zhuǎn)子鐵心，勵磁繞組，轉(zhuǎn)軸，滑環(huán)等第八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四910000kW水輪機轉(zhuǎn)子三相交流同步電機的轉(zhuǎn)子凸極式轉(zhuǎn)子第九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四10三相交流同步電機的轉(zhuǎn)子隱極式轉(zhuǎn)子第十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四11轉(zhuǎn)軸滑環(huán)碳刷直流勵磁電壓通過碳刷與滑環(huán)的滑動接觸，接入轉(zhuǎn)子勵磁繞組三相交流同步電機的轉(zhuǎn)子第十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四Φx02ππ1.2三相交流同步發(fā)電機的基本工作原理定轉(zhuǎn)子之間的氣隙與磁通關(guān)系第十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四1.2三相交流同步發(fā)電機的基本工作原理三相感應電勢瞬時值為：13轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場外力矩（機械能）直流勵磁電壓三相感應電勢輸出電壓（電能）“切割”定子繞組每相感應電動勢的有效值為：

第十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四ωt1.2三相交流同步發(fā)電機的基本工作原理三相交流電壓的產(chǎn)生U1U2V1V2W1W2euevuωt0euevewωt=0：ωt=90o：ωt=150o：ωt=210o：eu=0，ev＜0，ew＞0eu＞0，ev＞0，ew=－Eeu＜0，ev=E，ew＜0eu=E，ev＜0，ew＜0U1U2V1V2W1W2第十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四定子繞組中三相感應電動勢的討論每相感應電動勢的有效值為：

式中：f—頻率，取決于同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n和磁極對數(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。發(fā)電機在制定后，

p、N、kW均為定值，用表示，則每相空載電動勢可寫成：

即：空載電動勢E0的幅值與主磁通Φ0和轉(zhuǎn)速n有關(guān)。15第十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四額定容量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）：額定運行時定子輸出端的線電流；額定功率因數(shù)cosφ

N：額定運行時電機的功率因數(shù)；額定頻率fN（Hz）：電機電樞輸出端電能的頻率，我國標準工頻為50Hz；額定轉(zhuǎn)速nN（r/min）：額定運行時電機的轉(zhuǎn)速即同步轉(zhuǎn)速；絕緣等級：電機的絕緣材料的等級，船用一般為E級以上；勵磁電壓UfN：額定負載時，所加勵磁電壓；勵磁電流IfN：額定負載時所加勵磁電流等。161.2三相交流同步發(fā)電機的銘牌數(shù)據(jù)第十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四空載特性：空載電動勢E0（定子繞組輸出端電壓）與勵磁

電流If的關(guān)系,即2三相交流同步發(fā)電機運行特性空載運行：外力矩帶動轉(zhuǎn)子以額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，n=nN

，定子

三相繞組輸出端開路（負載電流IL=0）17If–線性→Ff（=NIf）–磁化曲線→Φ0–線性→E0（=keΦ0n）2.1同步發(fā)電機空載運行特性空載特性的獲?。嚎赏ㄟ^實驗方法測得空載特性的特征：為磁化曲線空載特性的作用：是發(fā)電機自勵恒壓裝置設(shè)計的依據(jù)E0

=f(If)∣(n＝額定值)(IL=0)第十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四18If–線性→Ff（=NIf）–磁化曲線→Φ0–線性→E0（=keΦ0n）E0=f（If）2.1同步發(fā)電機空載運行特性第十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.2同步發(fā)電機負載運行

19定子三相繞組中的負載電流產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場Φa，稱為電樞磁場，其轉(zhuǎn)速n1為：Φa與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場Φ0極對數(shù)相同，轉(zhuǎn)速相同，且轉(zhuǎn)向也相同，為同步旋轉(zhuǎn)負載運行：輸出端接三相對稱負載ZL，定子繞組中有三相對稱電流IL流過轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場Φ0外力矩（機械能）直流勵磁電壓三相感應電勢三相對稱電流IL定子繞組三相對稱負載定子旋轉(zhuǎn)磁場Φa2三相交流同步發(fā)電機運行特性第十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四2.2同步發(fā)電機負載運行

20負載的性質(zhì)cosφ和大小決定了Φa

與Φ0

相對夾角，從而決定了電樞反應的結(jié)果。電樞反應的存在將使氣隙合成磁場改變同步發(fā)電機負載運行時的電樞反應

電樞反應：定子電樞磁場Φa對轉(zhuǎn)子勵磁磁場Φ0的影響轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場Φ0外力矩（機械能）直流勵磁電壓三相感應電勢三相對稱電流IL定子繞組三相對稱負載定子旋轉(zhuǎn)磁場Φa電樞反應第二十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四U1U2W1W2V1V2同步發(fā)電機負載運行時的電樞磁勢與主磁極磁勢的夾角21電樞磁場Fa的磁軸總與三相繞組中最大項電流的繞組的軸線Au重合；結(jié)論：轉(zhuǎn)子主磁極磁勢Ff與電樞磁勢Fa之間夾角為：Ψ+90°U1U2W1W2V1V2主磁極磁場的軸線Ff超前于三相繞組中最大項感應電勢的繞組軸線Au90°FfAuFaAu設(shè)：空載電勢E0與負載電流Ia之間的夾角為內(nèi)功角ΨE0UIaUΨE0UIaUFf→E0→Ia→Fa合成磁勢Fδ=

Ff+Fa第二十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四Ia與E0同相位，F(xiàn)a滯后Ff90o，為交軸電樞反應22結(jié)果：氣隙的合成磁場發(fā)生畸變NSFfFaU1U2n磁場削弱磁場增強磁場削弱磁場增強FfFa1.Ψ=0時的電樞反應同步發(fā)電機負載運行時的電樞反應

第二十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四NSFfFaU1U2SNFfFaU1U22Ψ=90o時電樞反應3Ψ=－90o時電樞反應Ia落后E090o，F(xiàn)a與Ff軸線重合，且反向為直軸去磁電樞反應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23同步發(fā)電機負載運行時的電樞反應

第二十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四U1U240<Ψ<90o時電樞反應NSFfFaFadFaqIa滯后E0一個銳角Iaq→Faq→交軸電樞反應

→畸變Iap→Fad→

直軸電樞反應→

去磁Ia↗↘Iap為有功分量Iaq為無功分量發(fā)電機帶電感性負載時，其電樞反應即有直軸去磁電樞反應，又有交軸電樞反應。結(jié)論24同步發(fā)電機負載運行時的電樞反應

第二十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四為交軸電樞反應，結(jié)果：氣隙的合成磁場發(fā)生畸變1Ψ=0時的電樞反應2Ψ=90o時電樞反應為直軸去磁電樞反應，結(jié)果：氣隙的合成磁場削弱3Ψ=－90o時電樞反應為直軸增磁電樞反應，結(jié)果：氣隙的合成磁場增強40<Ψ<90o時電樞反應發(fā)電機帶電感性負載（實際負載）結(jié)果：有交軸電樞反應，磁場畸變；有直軸去磁電樞反應，磁場削弱，電樞感應電勢下降25同步發(fā)電機負載運行時的電樞反應

總結(jié)第二十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四定子三相繞組（電樞），取一相進行分析定子繞組中電動勢及電壓Ff→

E0Fδ→U（輸出端電壓）電壓平衡方程式E0

+Ea

+Eσ=U+IaRa

E0

=U

+IaRa

－

Ea

－

Eσ漏磁通→Eσ=－jIaXσ

Fa→Ea

Ea=－jIaXa

=U+IaRa

+jIa（Xa

+Xσ

）XS=Xa+Xσ

：稱為發(fā)電機的同步電抗，表征同步發(fā)電機電樞旋轉(zhuǎn)磁場總效應的一個參數(shù)。=U+IaRa

+jIaXs

電樞繞組電阻壓降IaRa262.3三相交流同步發(fā)電機電壓平衡方程和相量圖=U+IaRa

+jIaXa

+jIaXσ

第二十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四E0IaIaRajIaXsUΨθ等效電路及相量圖E0=U+IaRa

+jIaXs

RaXsE0UIa電壓平衡方程等效電路相量圖27φ2.3三相交流同步發(fā)電機電壓平衡方程和相量圖第二十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四E0IaIaRajIaXsUΨθ相量圖28φabcdE02=(U+a+c

)2+d2空載電勢E0的計算（1）2.3三相交流同步發(fā)電機電壓平衡方程和相量圖第二十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四E0IaIaRajIaXsUΨθ相量圖29φabcdE02=(Ucosφ+IaRa)2+

(Usinφ+IaXs

)

2空載電勢E0的計算（2）E02=(a+b

)2+(

c+d)22.3三相交流同步發(fā)電機電壓平衡方程和相量圖第二十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四

感性負載電阻性負載電容性負載

同步發(fā)電機不同性質(zhì)負載下的簡化相量圖

XsE0UIaE0=U+jIaXs

E0=U+IaRa

+jIaXs

忽略Ra，得E0IajIaXsUφE0IajIaXsUφ=0E0IajIaXsUφ＜030第三十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四1同步發(fā)電機的外特性容性負載：為增磁的電樞反應，E0＜UNUI0UNINcosφ=1cosφ＜1(滯后)cosφ＜1(超前)感性負載：為去磁的電樞反應，E0＞UN定義：n＝nN

If=常數(shù)cosφ=常數(shù)U＝f（Ia）特點：電壓的變化與電樞繞組電阻的壓降漏電抗壓降負載電流的大小負載電流性質(zhì)均有關(guān)312.4三相交流同步發(fā)電機的外特性及調(diào)節(jié)特性第三十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四同步發(fā)電機的電壓調(diào)整率ΔU%：電機機帶額定負載（IaN、cosφN），且If、n為額定值，此時U=UN，而E0為空載時輸出端電壓定義：同步發(fā)電機帶感性負載cosφN=0.8時，凸極式發(fā)電機ΔU%=（18～30）%，隱極式發(fā)電機同步電抗較大，ΔU%=（30～48）%。船舶電站要求靜態(tài)電壓調(diào)整率在±2.5%以內(nèi)。322.4三相交流同步發(fā)電機的外特性及調(diào)節(jié)特性第三十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四IfI0If0INcosφ=1cosφ＜1(超前)cosφ＜1(滯后)2同步發(fā)電機的調(diào)節(jié)特性定義：n＝nNU=UNcosφ=常數(shù)If＝f（Ia）特點：為保持輸出電壓不變隨著負載電流的變化勵磁電流必須作相應的調(diào)節(jié)感性負載：為去磁電樞反應Ia↑→I

f↑容性負載：為增磁電樞反應Ia↑→I

f↓332.4三相交流同步發(fā)電機的外特性及調(diào)節(jié)特性第三十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四UI0UNINcosφ=1cosφ＜1(滯后)cosφ＜1(超前)IfI0If0INcosφ=1cosφ＜1(超前)cosφ＜1(滯后)同步發(fā)電機的外特性和調(diào)節(jié)特性綜合分析當發(fā)電機帶感性負載運行時，隨著電流增大，輸出端電壓將下降；結(jié)論當發(fā)電機帶感性負載運行時，隨著電流增大，為保持電壓不變，則必須增大勵磁電流34外特性調(diào)節(jié)特性2.4三相交流同步發(fā)電機的外特性及調(diào)節(jié)特性第三十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四35同步發(fā)電機的功率平衡關(guān)系式P2≈PMP1－轉(zhuǎn)子吸收的機械功率pm

－機械損耗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2.5三相交流同步發(fā)電機的功角特性第三十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期四定義：電磁功率PM（輸出功率）與功率角θ的關(guān)系1）功角特性感性負載相量圖φE0IajIaXsUθφaP2=f(θ)P2=3UIacos

φa=E0sinθ=IaXs

cosφ

P2=3E0UsinθXs

當電網(wǎng)電壓、頻率f、E0恒定時，同步發(fā)電機的電磁功率PM只取決于E0與U之間的相位角θ，即主磁極磁場Ff與氣隙合成磁場Fδ之間的夾角。362.5三相交流同步發(fā)電機的功角特性第三十六頁，共三十八頁