同步电机

船舶电气设备及系统2020/2/28课件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2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室旋转磁极式同步电动机船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室定子部分定子是由定子铁心、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120º电角度（或120º/P空间机械角度）的。绕组，称为三相电枢绕组，是交流电路部分。船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室转子部分转子磁极有两种结构形式隐极式凸极式（也称显极式）船舶电气设备及系统2020/2/28课件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，即自励的、他励的图5-3自励同步发电机船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室转子定子交流励磁机发电机旋转整流器图5-4无刷同步发电机AVR船舶电气设备及系统2020/2/28课件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（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的交变正弦电动势。由于三相电枢绕组在空间相差120º电角度，三相电动势相位也相差120º。船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室其瞬时值为：)240sin()120sin(sintEetEetEemwmvmu船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室空载电动势的有效值为EEkfNm002444/.式中o为每极下的总磁通.空载电动势的频率f与转子的转速n和磁极对数p成正比,即fpn60由以上两式可得EKne00Ke为电势常数船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室额定容量，连接方式,线电压,额定频率，磁极对数,额定转速,采用绝缘等级,冷却方式,设计标准环境温度等。4.1.3铭牌数据船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室三相同步发电机额定值同步发电机的主要额定值有：额定容量SN或额定功率PN额定电压UN额定电流IN额定功率因数cosΦN额定频率fN额定转速nN额定励磁电压（额定励磁电流）船舶电气设备及系统2020/2/28课件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速条件下，空载电动势E0与励磁电流的关系曲线称为同步发电机空载特性曲线E0=f（If）或称开路特性曲线。Er：剩磁电压（在额定转速下使If=0时所测得的电枢开路电压）。§4.2三相交流同步发电机运行特性船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室当同步发电机接通负载时,三相电枢绕组的三相电流将产生旋转磁场a,这种旋转磁场称为电枢反应磁场。电枢磁场对磁极主磁场的影响称为电枢反应。4.2.2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转磁场。电枢反应效应与负载性质有关。船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室a)定子绕组电动势、电流和磁动势的空间矢量图相轴线AfFA0BXZYBCNSsnsnaF1）电枢电流与空载电势同相位时(即Ψ=0)的电枢反应交轴电枢反应直轴(DirectAxis)：与主磁场同轴。交轴(QuadratureAxis)：与主磁场相交的轴。船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室b)时间矢量图时间参考轴CE0A0C0BE0AE0BI100B0AICI船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室c)时-空统一矢量图轴dfF)(aqnFF)(00BI0E1直轴(DirectAxis)：与主磁场同轴。交轴(QuadratureAxis)：与主磁场相交的轴。直轴D轴交轴Q轴船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室d)气隙合成磁场与主磁场的相对位置aFeTAXZYBCNS0BBsn船舶电气设备及系统2020/2/28课件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90时的电枢反应snaFAXZBCNSfFY直轴去磁电枢反应：电枢磁场a与磁极磁场o在同一轴线上,但方向相反,起去磁效应使合成磁场o。)(00B)(aaBCiAiBi)(uito船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室时-空统一矢量图轴dfF)(adaFF)(00BI0E1直轴D轴交轴Q轴)(aaB船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室直轴增磁电枢反应：电枢磁场a与磁极磁场o在同一轴线上,且方向相同,起增磁效应使合成磁场大于主磁场o。3）电枢电流超前于空载电动势90的电枢反应CiAiBi)(uitosnaFAXZCNSfFY)(00B)(aaB船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室轴dfF)(adaFF)(00BI0E1直轴D轴交轴Q轴)(aaB时-空统一矢量图船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室4）通常情况下,发电机的负载多为一般电感性负载,即电枢电流落后于空载电动势的角度ψ小于90。一般电感性负载的电枢反应既有去磁效应又有交磁效应。船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室a)滞后于时的空间矢量图0EIsnadF相轴线AAXZBCsnaFaqFNSfF4）通常情况下,与不同相0EI一般电感性负载的电枢反应既有去磁效应又有交磁效应。船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室b)滞后时的时-空统一矢量图0EIfFadFaFaqFI0010E一般电感性负载的电枢反应既有去磁效应又有交磁效应。船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室c)超前时得时-空统一矢量图0EI10IfFadFaF00EaqF一般电容性负载的电枢反应既有增磁磁效应又有交磁效应。船舶电气设备及系统2020/2/28课件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：一、隐极同步发电机fI主极fF00EEaEaaFI电枢E)(XIjE4.2.3三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2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室正弦电动势e0、ea和e是分别由转子旋转磁通0、电枢旋转磁通a和电枢绕组漏磁通产生的.Ra是电枢绕组的电阻.其电压平衡方程式为电压平衡方程iRueeea0船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室相量分别表示为EEEUIRa.....0X=E/I称为电枢漏电抗;Xa=Ea/I称为电枢反应电抗。EjXIaa..相量分别表示为EjXI..和船舶电气设备及系统2020/2/28课件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......0.)(IjXRUIjXIjXRIUEsaaa通常RaXs,可忽略,最常用的简化电压方程为同步电抗Xs=Xa+X,同步阻抗Zs=Ra+jXs.EUjXIs...0船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室0qI0E0UdIqdXIjIaRIddXIj船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室二、凸极同步发电机1、双反应理论考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，就称为双反应理论。凸极同步电机的气隙是不均匀的，极面下气隙较小，两极之间气隙较大，故直轴下气隙磁阻要比交轴下气隙磁阻小许多。船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室2、凸极同步发电机的电压方程和相量图不考虑磁饱和时同步发电机负载运行时物理量的关系：fIfF00EEadEadadFaFIaqaqEaqFEXIj船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室aqadaEEE...aaqadRIUEEEE.....0.IEX称为电枢漏电抗EjXI..adadIEaqaqIE相量分别表示为因为..adadadIjXEaqaqaqIjXE..船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室qqddaaqqaddaqaqdadaXIjXIjRIUjXXIjjXXIjRIUIjXIjXIjXRIUE.............0.)()(式中，Xd和Xq分别称为直轴同步电抗和交轴同步电抗，它们是表征对称稳态运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反应的一个综合参数。船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室0qI0E0UdIqqXIjIaRIddXIjsXIj上式相对应的相量图功率角功率因数角内功率因数角0船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室3、直轴和交轴同步电抗的意义由于电抗与绕组匝数的平方成正比与所经磁路的磁阻成反比，所以如图所示。对于凸极电机，由于直轴下的气隙较交轴下小，RqRd，所以XadXaq，因此在凸极同步电机中，XdXq。对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故Xd≈Xq≈XsdaRNX21qqRNX21船舶电气设备及系统2020/2/28课件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adF)(adadR)(R)(aqaqRadF)(R直轴电枢磁导交轴电枢磁导船舶电气设备及系统2020/2/28课件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表征同步发电机的运行特性有以下五种：同步发电机的空载特性同步发电机的短路特性同步发电机的外特性同步发电机的调整特性同步发电机的功角特性船舶电气设备及系统2020/2/28课件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，电枢开路(空载)，用原动机把被试同步电机拖动到同步转速，改变励磁电流If，并记取相应的电枢端电压U0(空载时即等于E0，直到U0≈1.25UN左右，可得空载特性曲线1）同步发电机的空载特性)(0fIfU船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室同步电机的空载特性NU00,EFIf,0fIo空载特性NU气隙线船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室2）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，试验线路如图所示。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同步转速，调节励磁电流If使电枢电流I从零起一直增加到1.2IN左右，便可得到短路特性曲线，如图所示。)(fkIfI船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室短路实验接线图A励磁电枢AAA船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室短路特性INIOfkIfI短路特性船舶电气设备及系统2020/2/28课件轮机学院电气及自动化教研室同步发电机的外特性是指在转速额定值nN下运行，励磁电流If不变，负载功率因数一定时，发电机端电压