船舶电气设备与系统

船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系第五章船舶同步电机本章概述同步电机是一种交流电机,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（r/min）与电流频率（Hz）之间保持着严格的关系，即式中p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。同步电机和其他电机一样，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。pfn60船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系第五章船舶同步电机本章主要讲解内容第一节三相同步发电机的基本类型和结构第二节同步发电机的电枢反应第三节同步发电机的电势方程和相量图第四节同步发电机的运行特性第五节同步电动机船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系第一节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，转子上装有磁极和励磁绕组，如图5-1三相同步发电机结构原理图所示。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。返回船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系图5-1三相同步发电机结构原理图返回船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系一、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式。2.旋转磁极式按照磁极的形状，又可分为凸极式和隐极式。图5-2同步发电机的基本型式船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系图5-2同步发电机的基本型式1-定子；2-凸极转子；3-隐极转子；4-滑环a）b）124143返回船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系二、同步发电机的基本类型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；按转子结构分为隐极式和凸极式两种。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。船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系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，即自励的图5-3自励同步发电机和他励的图5-4无刷同步发电机。船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系图5-3自励同步发电机返回船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系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返回船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系三、三相同步发电机额定值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。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）船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系第二节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。返回船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系一、电枢电流与空载电势同相位（即）时的电枢反应ψ=0°时，同步发电机的内功率因数为，输出的负载电流与空载电势同相，发电机并不发出无功功率，将有功功率从发电机输至电网。具体电枢反应如图5-5。aI0E001cosaI0E船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系NSEaqdqNFadSnEfEUIUEVEWIWIVnU1U2V1V2W1W2U2U1a）某一瞬间的位置图b）相量图c）展开图图5-5ψ=0时的电枢反应返回船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系二、电枢电流滞后于空载电势900（即ψ=900）时的电枢反应ψ=90°时，同步发电机的输出负载电流滞后于空载电势90°（即），发电机发出的有功功率为零，仅输送感性无功功率至电网。具体电枢反应如图5-6。aI0E0cos0EaI船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系图5-6ψ=90°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）展开图船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系三、电枢电流滞后于空载电势900（即ψ=-900）时的电枢反应ψ=-90°时，同步发电机的输出负载电流Ia超前于空载电势90°（），发电机发出的有功功率为零，仅输送容性无功功率至电网。具体电枢反应如图5-7。aI0E0cos0E船舶电气设备与系统课件2019/8/8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5-6ψ=-90°时的电枢反应船舶电气设备与系统课件2019/8/8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1.实际运行时，同步发电机的内功率因数角Φ可以为-90°到90°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。2.一般0°Φ90°是同步发电机最常见的运行情况，此时发电机的输出负载电流落后于空载电势角，发电机将向电网输送一部分有功功率和一部分感性无功功率。船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系NSa)bcSNNSU2U1V1W2W1V2U2U1V1W2W1V2U2U1V1W2W1V2a）b）c）图5-10不同性质负载时电枢反应磁场与转子电流的作用a）ψ=00；b）ψ=900；c）ψ=-900返回船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系第三节同步发电机的电势方程和相量图同步发电机负载运行时，气隙中存在两个旋转磁场，即电枢磁场和主极磁场。这两个磁场各自在定子绕组中感应电势，这些电势的总和减去定子漏阻抗压降后，就可得到发电机的端电压。返回船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系一、凸极式同步发电机当凸极式同步发电机负载运行时，由于其气隙不均匀，因此当同一电枢磁势作用在直轴将比作用在交轴时得到较大的电枢磁势。当电枢磁势作用在直轴与交轴之间的任意位置时，需要将电枢磁势分解成直轴分量和交轴分量。直轴及交轴电枢磁场是同主极磁场相互独立地存在于同一磁路中，它们将各自产生对应的磁通，并在定子绕组里感应对应的电势。船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系凸极式同步发电机的电势方程为：将凸极式同步发电机的电枢反应分解为直轴分量和交轴分量，从而导出两个同步电抗，再分别求出每一同步电抗所产生的电压降，这一方法称为双反应法。凸极式同步发电机的相量图参见图5-11。qaqdadaaXIjXIjrIUE0船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系IIadIaUEojIadXaqjIaXqjIaqXqIaraaq图5-11感性负载时凸极式同步发电机电势相量图fadaq返回船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系二、隐极式同步发电机隐极式同步发电机的电势方程为：隐极式同步发电机的相量图，如图5-12所示，在忽略定子内电阻时，便可得到简化相量图，如图5-13所示。taaaXIjrIUE0船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系返回图5-12隐极式同步发电机相量图5-13隐极式同步发电机简化向量船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系第四节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返回船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系一、同步发电机的空载特性原动机拖动发电机转子旋转，在发电机的转子绕组上加直流励磁，定子电枢绕组开路（发电机主开关处于断开）状态，称为同步发电机的空载运行。空载时，发电机的转速n等于同步转速、电枢电流Ia=0，空载电压U0与励磁电流If的关系称为空载特性，表示为。空载特性曲线可参见图5-14空载特性可以通过实验方法测得。实验接线如图5-15所示)(0fIfU船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系0图5-14空载特性曲线VA图5-15空载实验原理接线图ABCSU+0UfIfR返回船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系二、同步发电机的短路特性原动机拖动发电机转子旋转，在发电机的转子绕组加上直流励磁，定子三相电枢绕组端点短路，即为同步发电机的短路运行。短路运行时，发电机的输出端电压为零，此时电枢绕组中通过的电流即为短路电流。当同步发电机的转速为同步转速，电枢端点三相短路，电枢短路电流与励磁电流的关系称为短路特性，表示为)(fkIfI船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系短路时同步发电机相量图如图5-16所示。断路特性曲线如图5-17所示。短路实验接线图如图5-18所示。船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系图5-16短路时同步发电机相量图图5-17断路特性曲线图5-18短路实验接线图船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系三、同步发电机的外特性原动机拖动发电机转子旋转，在发电机的转子绕组加上直流励磁，在定子三相电枢绕组端点接一负载，电枢回路中有负载电流通过，并由此产生电枢磁势，致使发电机中气隙磁场（相对于空载时的）发生变化，引起发电机输出端电压变化。当同步发电机的转速为同步转速、励磁电流与负载功率因数一定时，发电机的端电压与负载电流的关系称为外特性，表示为)(IfU船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系同步发电机外特性曲线如图5-19所示。不同负载时同步发电机的向量图如图5-20所示。船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系图5-19外特性曲线返回船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系图5-20不同负载时同步发电机的相量图1cos1cos1cos1cos8.0cos8.0cos（a）1cos8.0cos(b)(感性)(c)8.0cos(容性)船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系四、同步发电机的调整特性当同步发电机的负载变化时，为保持端电压不变，必须同时调节发电机的励磁电流，以补偿电枢反应的去磁、增磁作用和阻抗压降。当同步发电机的转速为同步转速、输出端电压和负载性质一定时，励磁电流随负载电流的变化的关系称为调整特性，表示为调整特性的曲线形状取决于负载的性质，如图5-21所示。)(IfIf船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系图5-21调整特性曲线返回船舶电气设备与系统课件2019/8/8轮机工程学院船电系五、同步发电机的功角特性当发电机接通三相对称负载后，同步发电机就将转轴上输入的机械功率，通过电磁感应作用转换成电功率输出，其功率流程如图5-22所示。凸极式同步发电机的向量图如图5-23所示。的关系称为同步发电机的功角特性，如图5-24所示)