第四章同步电机

第十一章三相交流同步发电机

在使用交流电制的船舶中，均采用三相交流同步发电机作为主电源设备。交流同步发电机是一种能量转换装置，它将原动装置发出的机械能转换成电能。根据原动机的形式，通常有中速柴油机发电机组，有的也配有转速较高的汽轮机发电机组。随着现代船舶的大型化，船用发电机的单机容量不断增大，船舶自动化程度大幅提高，对发电机运行的稳定性及可靠性提出了更高的要求。

4.1三相交流同步电机的构造与工作原理

4.1.1三相交流同步电机的构造

三相交流同步电机是由定子部分及转子部分组成。定子铁芯、转子铁芯和定转子间的气隙构成同步电机的磁路。以转子绕组形式分类，有旋转电枢式和旋转磁极式。对于高压、大容量的同步电机，通常采用旋转磁极式结构，即主磁极装设在转子上，电枢装设在定子上。由于励磁部分的容量和电压较电枢少得多，电刷和集电环的负载就大为减轻，工作条件得以改善。目前，旋转磁极式结构已经成为包括船舶发电机在内的中、大型同步电机的基本结构形式。

1 定子电枢构造：

定子电枢的同步电机，定子铁心是由硅钢片叠成。定子铁心槽内嵌放的三相对称绕组也是依次相差120空间电角度或 120空间机械角度，其中p 为极对数。 三相绕组又称电枢绕组，电力发电机基本上都采用Ｙ联接。

定子结构由铁芯、电枢三相绕组、机座和端盖等部件所组成，与异步电机定子基本相同。甚至相同机座号时，若与异步机互换定子，仍然可以运行。与异步电机的主要区别是尺寸方面，相同外形情况下，同步电机通常容量较大，而同步机的容量相对较小。从表面上看，同步机机壳表面较光，无散热片，而异步机表面带有散热槽。

2 转子：

旋转磁极式同步电机的转子有两种结构形式：一种有明显的磁极，成为凸极式，另一种转子为一个圆柱体，表面上开有槽，无明显的磁极，称为隐极式。而这两种转子绕组均时直流绕组，通以直流电流，产生恒定的磁极主磁通，并随原动机的运转而形成旋转磁动势。 同步发电机的转子可以采用凸极式和隐极式。由于水轮机、低速柴油机的转速较低（1000r/min及以下），通常把发电机的转子做成凸极式的；对于汽轮发电机，包括中高速柴油机发电机，由于转速较高（1500r/min乃至3000r/min以上），为了很好地固定励磁绕组，通常把发电机的转子做成隐极式的。无论是隐极式转子还是凸极式转子，其磁极均以N —S —N —S 机顺序排放，励磁绕组的两个出线端分别接到固定的转轴上彼此绝缘的两个滑环上或旋转整流器的直流侧上，以产生磁极主磁通。对应的励磁供电可以通过固定的电刷装置与滑环的滑动接触将直流电流引入励磁绕组中，或通过自带的励磁机整流后向励磁绕组供电。 为了降低转子表面线速度，隐极式转子通常制成细长的圆柱体。隐极式转子的磁极一般为一对极或二对极。通常凸极式同步发电机的转子可制成一对极、二对极、三对极等，每个磁极上套放励磁绕组。

4.1.2三相交流同步电机的工作原理

当同步发电机的转子在原动机的拖动下达到同步转速n 0时，由于转子绕组是由直流电流I f 励磁，所以转子绕组在气隙中所建立的磁场相对于定子来说是一个与转子旋转方向相同、转速大小相等的旋转磁场。该磁场切割定子上开路的三相对称绕组，在三相对称绕组中产生三相对称空载感应电动势E 0。若改变励磁电流的大小则可相应地改变感应电动势的大小，此时同步发电机处于空载运行。

当同步发电机带负载后，定子绕组构成闭合回路，产生定子电流，该电流是三相对称电

流，因而要在气隙中产生与转子旋转方向相同、转速大小相等的旋转磁场。此时定、转子间旋转磁场相对静止，气隙间的磁场是定、转子旋转磁场的合成。由于气隙中磁场的改变，定子绕组中感应电动势的大小也会发生相应变化。

在三相电枢绕组中产生对称的三相正弦空载电动势（即开路相电压），其顺势值为 e A =E m sin ωt

e B =E m sin(ωt −120°)

e C =E m sin(ωt +120°)

空载电动势的有效值为

E 0=E m =4.44f NΦ0κw

式中，f—频率，取决于同步发电机转子的转速n 和磁极极对数p ，f=60H Z ;

N —每相绕组的总的串联匝数；

Φ0—每极基波磁通，Wb ；

κw —电枢绕组分布系数，κw

E 0是由励磁磁极的主磁通φf 切割电枢绕组而产生，故称为励磁电动势（也称主电势、空载电势、转子电势）。

发电机在制成后，p 、N 、κw pn 均为定值，用C e =4.44N κw p 60表示，则每相空载电动势可写

成C e 为电势常数。可见空载电动势与主磁通和转速的变化有关。

4.1.3三相交流同步发电p 机的励磁方式

按同步发电机的励磁电源的不通有两种基本类型，即他励和自励。设有专用励磁电源的称为他励方式。目前船舶同步发电机都采用自励形式，其直流励磁电流由自身输出的交流电经过整流并调节后获得。个磁极励磁线圈连接后构成同步电机的直流电路，各励磁线圈之间的连接极性应使得所产生的磁极极性N 、S 相邻。为从外部将直流励磁电流引入旋转的励磁线圈中，须将励磁绕组的两个出线端分别接到固定在转轴上的两个滑环上。两个滑环彼此绝缘并对轴绝缘。通过固定的电刷装置与滑环接触将直流电流引入励磁线圈。

为降低滑环和碳刷装置带来的维护保养问题，近年来无刷发电机得到推广和使用。与普通发电机组相比，除具有相同的同步主发电机外，无刷发电机还由中频交流励磁机和旋转整流器组成。交流励磁机的转子和旋转整流器与发电机转子连在同一根轴上，故无刷发电机的轴向尺寸较长。通常同步发电机采用旋转磁极式，交流励磁机采用旋转电枢式。由于是同轴旋转，这样交流励磁机发出的中频交流电经同轴的旋转整流器整流成直流电，再送至同轴的主发电机励磁绕组，因此取代了炭刷与滑环。

有些磁极铁芯顶面圆周槽内还嵌放短路的鼠笼条，称为阻尼绕组。阻尼绕组对暂态过程中可能引起的转子振荡起阻尼作用，有增强同步发电机并联运行的稳定性、抑制柴油机的谐波转矩和加大自整步力矩等作用，同时它能提高发电机承担不对称负载的能力。对于同步电动机阻尼绕组也是作为异步启动的“启动绕组”。

4.1.4三相交流同步发电机的铭牌参数

（1）额定功率P N (W,kW,MW)：指发电机输出的额定有功功率。而船舶发电机常用额定容量S N (VA,kVA,MVA)来表示发电机的输出能力。

（2）额定电压U N (V,kV):额定运行时发电机输出端的线电压。

（3）额定电流I N (A,kA):额定运行时定子输出端的线电流。

（4）额定功率因数cos φN ：额定运行时电机的功率因数。

（5）额定频率f N(HZ ) ：电机电枢输出端电能的频率，我国标准工频为50H Z 。

（6）额定转速n N (r/min)：额定运行时电机的转速即同步转速。

（7）绝缘等级：电机的绝缘材料的等级，船用一般为E 级以上。

（8）温升：指电机在额定负载运行时允许最高温升。

（9）励磁电源U fN ：额定负载时所加励磁电压。

（10）励磁电流I fN ：额定负载时所加励磁电流。

4.2同步发电机的空载运行及空载特性

4.2.1同步发电机的自励起压

自励同步发电机是目前船舶上使用最多的交流发电机。这种同步发电机的励磁电流不是由外来的直流电源供给的，而是取自于同步发电机本身输出功率的一部分，经过适当地整流变换后供给的，这类同步发电机称为自励同步发电机。根据负载电流的大小及相位共同对发电机励磁进行调整的同步发电机称为相复励自励恒压同步发电机。自励同步发电机的自励回路的单相原理如图。由于维护管理简便，增加了可靠性，在船舶上得到了广泛的应用。

自励发电机（在转速达到额定值、输出端断开的情况下）利用本身的剩磁，通过磁电作用而建立起电压的过程称为发电机的自励起压。由于磁滞现象，在转子磁极上留有剩磁。如图所示，曲线1为同步发电机空载特性曲线，即同步发电机空载运行时，其定子绕组输出端电压U0（E0）与励磁电流If 的关系称为同步发电机的空载特性；曲线2为自励回路的理想励磁特性曲线，即励磁电流与当前发电机提供的电压之间的关系。当发电机组启动时，发电机定子绕组将感生剩磁电压E r ，E r 加在自励回路上，经过整流，在发电机励磁绕组L 中产生一定的励磁电流I L1；I L1将在转子中产生对应的磁通，这一磁通在发电机定子绕组中感生更大的电压U 1；通过自励回路又在L 中产生I L2，I L2又感生更高的电压U 2„„如此循环，构成正反馈，逐渐提高发电机的空载电压，最后到达稳定点A ，此时发电机电压即为空载电压U 0。

4.2.2自励起压条件

同步发电机自励起压过程是一种正反馈过程，整个过程并无外来输入量。要完成自励起压，必须举报下列条件：

（１）．发电机必须有足够的剩磁，这是自励的必要条件。新造的发电机无剩磁，长期不运行的发电机剩磁也会消失，这时可用别的直流电源进行充磁，注意直流电源充磁的磁场与原剩磁一致。

（２）．要使自励系统成为正反馈系统，由剩磁电势所产生电流建立的励磁磁势必须与剩磁方向相同。所以整流装置直流侧的极性与对励磁绕组所要求的极性必须一致。 （３）．适当整定励磁回路阻抗，使励磁特性与空载特性配合恰当，获得空载电压U 0。

4.2.3自励起压存在的实际问题及措施

对于自励同步发电机，上述自励起压过程只是一种理想状况。实际上，由于自励回路是一个非线性电路，在起压过程中其阻抗是变化的，是由整流二极管的正向导通电阻、炭刷与滑环的接触电阻及励磁绕组的直流电阻所组成的。起压初始阶段因剩磁电压所产生的励磁电流很小，故整理二极管的正向电阻和炭刷与滑环的接触电阻都呈高阻状态；以后随着电压增加，励磁电流增大时，回路呈低阻状态。所以时间励磁在起压时，由于初始电压不够高，可能无法克服高阻状态，励磁电流不能提高，发电机不能起压，此时通常可采用如下方法： （１）提高发电机的剩磁电压，即给励磁回路充磁，当发电机靠本身建压失败时，按下主配电板发电机控制屏上的充磁按钮，临时充磁来提高剩磁电压，从而实现起压。

（２）降低伏安特性。实际工作中采取措施减少炭刷与滑环的接触电阻，以降低励磁回路电阻，使得剩磁产生的电压能够产生足够的电流以进一步提高电压。

（３）利用复励电流帮助起压。在起压时临时短接一下主电路，利用短路产生的复励电流帮助起压；或利用升压变压器来向励磁回路供电起压。这两种方法，电压一旦建立应立即切除升压变压器或打开主电路，但操作不容易，实际上很少使用。

4.2.4同步发电机的空载运行与空载特性分析

若定子绕组输出端开路，即为同步发电机的空载运行。如图

曲线为同步发电机的空载特性，由于E 0与Φ0成正比，而Φ0由

I f 励磁产生，这两者之间关系即为磁化曲线，故E 0与I f 之间的

空载特性曲线与磁化曲线具有相同的形状。E r ：剩磁电压（在额

定转速下使I f =0时所测得的电枢开路电压）。

空载特性曲线不仅反映了发电机空载时输出端电压与励磁

电流之间的关系，而且当发电机负载运行时，同样可以通过这一

曲线及励磁电流来推算出电枢感应电势的数值。此外，空载特性

曲线在研究、分析发电机自励起压的过程中也有着重要作用。空载特性曲线可通过实验方法测出。

4.1.3同步发电机的负载运行及电枢反应

1、同步发电机的负载运行特点：Φa

当同步发电机输出端接上三相对称负载后，在定子三相电枢绕组及负载中将产生三相对称电流。而通有三相对称电流的三相对称绕组将产生一个圆形旋转磁场，在同步发电机中称为电枢旋转磁通Φa 。电枢磁通通过穿过定子铁芯、转子铁芯及其气隙而构成闭合磁回路，其旋转速度与转子磁极一致，即为电枢磁场的旋转方向取决于三相定子绕组中的负载电流的相序，因此电枢磁场不仅与主磁极磁场相等，且方向相同，两者相对静止，做同步旋转。但两者在空间位置却不一定相同，可能是一在前，一在后，同速旋转。同步发电机负载运行时，其旋转磁场实际上是由转子主磁极磁通Φ0和定子电枢磁Φa 通合成而得的。合成磁通Φ的磁轴及大小与主磁极磁通Φ0相比都发生一定的变化。这种电枢磁场对磁极磁场的影响，称为电枢反应。空间上两个磁场矢量叠加，形成一个气隙磁场。这种旋转的电枢磁场对磁极（励磁）主磁场的影响称为电枢反应。

2、同步发电机的电枢反应分析

由异步电动机工作原理分析可知，三相对称电流所产生的旋转磁场的轴线与电流达到最大值的绕组的轴线是重合的，即电枢磁通Φa 的相位取决于负载电流的相位，而磁极磁通Φ0的相位又始终超前于空载感应电势90°电角度。因此，当负载性质变化时，即Φa 与Φ0不同时，或Φa 与Φ0之间的相位差发生变化时，都会造成不同结果的电枢反应。

E 同相时的电枢反应 （1）I与

如图（a ）所示当前瞬间，磁极磁场的轴线与U 相

绕组平面重合，穿过U 相绕组的主磁极磁通为最大值。

U 相绕组以最快速度切割磁力线，使U 相绕组中感应电

E 同相，所以此时U 势达最大值。又因为纯电阻性时I与

相中电流达到最大值。图示U 相绕组电动势方向（同时

也是电流方向）表明，电枢磁场的轴线垂直与A 相绕组

平面垂直，即Φa 与Φf 是正交的，或者说电枢磁场落后

主磁场90°。Φa 与Φf 正交时的电枢反应称为交轴电枢反应，其结果是使合成磁场Φ的轴线相比Φf 逆转动方向倾斜了一个角度θ。因为磁路饱

和等因素，Φ略有减小，使发电机电压缩略有下降。

前90°时的电枢反应 （2）E 0比I超

在图（b ）所示的瞬间，虽然U 相绕组中感应电势E 0为

前90°，故此时绕组中的电流最小值0，但因E 0比I超

却为图示状态的最大值。转子磁极在当前90°位置，此

时电枢磁场的轴线恰好与主磁极磁场的轴线重合，但方

向相反。其结果使得合成磁通Φ相比Φf

减小。因此，

前90°时的电枢反应为直轴去磁电枢反应，当E 0比I超

使发电机电压大为降低。

后90°时的电枢反应 （3）E 0比I落

如图（c ）所示，在转子磁极转到U 相绕组中电势

最大值位置前90°时，U 相绕组中电流已达到最大值，

因而电磁磁场与主磁极磁场不仅轴线重合，且方向相同。

后90°其结果使合成磁通Φ大为增加。因此当E 0比I落

时的电枢反应为直轴增磁电枢反应，使发电机电压不降

反升。

（4）实际负载（电感性）时的电枢防御

位超前0°～90°。若将I分同步发电机实际运行时其负载多为感应性的，此时E 0较I相

及滞后于E 090°的Id 两个分量，则Iq 将形成Φaq , 产生交轴的电枢反应，Id 解成与E 0相同的Iq

形成磁通Φad ，产生直轴去磁电枢反应，如图所示。因此，发电机带电感性负载时的电枢反应结果将使磁通Φ较Φf 不仅在相位上逆转速方向偏移，而且量值上又有减小；反之，若发电机带电容性负载时，其电枢反应结果将使Φ较Φf 在相位上顺转速方向偏移，且量值上有所增大。

实际电感性负载的电枢反应既有去磁效应又有交磁效应。为保持端电压不变，负载电流增大时增加励磁电流。

4.1.4同步发电机的外特性及调节特性

同步发电机的稳态运行特性包括外特性、调节特性和效率特性。从这些特性中可以确定发电机的电压调整率、额定励磁电流和额定效率，这些都是标志同步发电机性能的基本数据。

1. 同步发电机的外特性

外特性表示发电机的转速为同步转速，励磁电流和负载功率因数保持不变时，发电机的端电压（相电压）与电枢电流之间的关系，及n=ns ，I f =常值，

cos φ=常值时，U= f（I ）.

图表示带有不同功率因数的负载时，同步发电机的外特性。

由图可见，有感性负载和纯电阻负载时，外特性是下降的，这

是由电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降这两个因素所引起的。

在容性负载或功率因数超前时，主要由于电枢反应的增磁作用，

发电机的外特性是上升的。

从外特性可以求出发电机的电压调整率。调节发电机的励磁电流，使电枢电流为额定电流、功率因数为额定功率因数、端电压为额定电压U N ，此时的励磁电流I fN 称为发电机的额定励磁电流。然后保持励磁电流为I fN ，转速为同步转速，卸去负载（即I=0），此时端电压升高的百分值即为同步发电机的电压调整率，用δu 表示，即δu =E 0−U N

U N f =IfN ) ×100%

凸极同步发电机的δu 通常在18%～30%范围内；隐极同步发电机由于电枢反应较强，δu 通常在30%～48%这一范围内。

2. 同步发电机的调节特性

静态电压变化率是同步发电机运行的一个重要指标，根据

《钢质海船入级规范》，船舶同步发电机的静态电压变化率，主

发电机为±2.5%，应急发电机为±3.5%。显然前述发电机外特

性不能满足要求，实际使用中需要不断地调整励磁电流，以使

发电机输出电压稳定。同步发电机在额定转速和一定的负载功

率因数下，为保持端电压基本不变，励磁电流I f 随负载电流

I

而变化的关系I f = f（I ）称为调节特性，即n=nN ，U=UN,, cos φ=常值时，I f = f（I ）。

如图所示为带有不同功率因数的负载时同步发电机的调整特性。由图可见，在感性负载和纯电阻负载时，为补偿电枢电流所产生的区磁性电枢反应和漏阻抗压降，随着电枢电流的增加，必须相应地增加励磁电流，此时调整特性是上升的。在容性偏小时，调整特性仍是略有上升的。但假如较大时，调整特性如图所示为下降的，即为保证电压恒定，要逐渐减小励磁电流。

3. 同步发电机的效率特性

效率特性是指同步转速、端电压为额定电压、功率因数为额定功率因数时，发电机的效率与输出功率的关系，即n=ns ，U=UN,, cos φ=cos φN 时，η = f（P 2）。

同步电机的基本损耗包括电枢的基本铁耗P Fe 、铜损耗P Cu （包括电枢基本铜耗P Cua 、励磁损耗P Cuf ）和机械损耗P m 。电枢基本铁耗是指主磁通在电枢铁芯齿部和轭部中交变所引起的损耗。电枢基本铜耗是换算到基准工作温度时，电枢绕组的直流电阻损耗。励磁损耗包括励磁绕组的基本铜耗、变阻器内的损耗、电刷的电损耗已经励磁设备的全部损耗。机械损耗P m 包括轴承、电刷的摩擦损耗和通风损耗。杂散损耗P s （也称附加损耗）包括电枢漏磁通在电枢绕组和其他金属结构部件中所引起的涡流损耗、高次谐波磁场掠过主极表面所引起的表面损耗等。总损耗等于基本损耗和杂散损耗两项之和。

总损耗∑P 求出后，效率即可确定，η =（1-P ∑P 2+∑P 100%

如图所示，原动机输入给发电机的机械功率P 1，扣除损耗，转换为定子上的电磁功率P M ，即= P1-(Pm +PFe +Ps )

2P M 减去定子绕组的铜损耗P Cu ，为发电机输出功率。P 2=PM -P Cu =PM -3I a R a ≈P M

4、同步电机的运行方式

或如图所示，发电机带电感性负载运行时，空载电势E 0（或励磁磁通Φf ）超前于电压U （

气隙合成磁通Φ）一个角度θ，即转子磁极轴线沿转向超前气隙合成磁极轴线的角度θ(θ>0°) ，表明转子磁势F f 拖着定子磁势F 转动，作用于转子上的电磁转矩T M 为制动转矩，原动机输入的驱动转矩T 1要克服T M 做功, 将输入的机械能转换为电能输出。可以证明，电磁转矩T M 正比于E 0sin θ.

当原动机的输出机械功率下降时，驱动转矩T 1下降，引起发电机的电磁转矩T M 下降，原动机速度减小，使得角度θ同时减小，当与负载力矩平衡时，转速再次稳定。

当P M =0时，θ也下降为0，F f 轴线与合成磁势轴线F 重合，电磁转矩为零，电机处于电机与电动机之间的临界状态。

当θ

假诺同步发电机的负载和频率保持不变，即发电机的电磁转矩T M 不变。由于T M 正比于E 0sin θ，则E 0sin θ保持不变。这说明此时改变励磁电流I f 时，电动势E 0的大小会相应变化，θ也会跟着改变，以满足上式的关系。

5、三相交流同步发电机无功功率的调节

同步发电机的输出功率P 2=3Up I p cos φ，U p 是一相绕组的相电压；I p 为该相的相电流；cos φ是发电机的功率因素。在负载和电压都不变时，I p cos φ为常数，即同步电机定子绕组中电流的有功分量保持不变。

以隐极同步发电机为例，其输出电压方程为U p =E 0+jI P X c

在负载和电压都不变时，无功功率发生变化，即负载功率因素变化时，负载电流I p 会相应变化，以使得为I p cos φ常数。I p 造成电枢反应会使输出电压变化，此时需要E 0相应变化来确保电压稳定，而E 0的调整需要励磁电流I f 的调节，即调节励磁可以调节无功功率。

在多台发电机并联运行时，无功均衡分配是非常重要的。如上所述，改变一台的励磁电流，就会调节该台发电机的无功功率，从而改变多台发电机之间无功的分配。

如果电机运行在同步电动机状态，同样可以通过调节励磁电流来改变功率因数，甚至可以由感性负载改变成纯阻性负载或容性负载。这在需要调节电网的功率因数时非常有效，有些场合需要专门的无功补偿电机来向电网提供无功功率。

6、三相交流同步发电机有功功率的调节

发电机向电网输出有功功率时，同步发电机转子受到制动性质的电磁转矩T M 作用，原动机除要克服发电机空载损耗转矩T 0外，还要克服而做功，将机械能转换为电能.

当电网电压U 0、频率f、发电机电动势恒定时，由于电磁转矩T M 正比于E 0sin θ，同步发电机的电磁功率P M 也只取决于E 0和U 间相位角θ。

当P M =0，θ=0，总磁动势F 与励磁磁动势F f 同相位，发电机对外不输出有功功率P 2。若处于并联运行状态时增加某发电机的励磁电流，使该发电机处于过激状态，根据公式，就有电流输出，但由于功率为0，所以该发电机只是发出感性无功功率。

要使发电机输出有功功率P 2，则必须加大原动机输出给发电机的功率P 1，使发电机转速升高，使F f 超前于F 一个θ角，则P M >0，发电机开始向电网输出有功功率。此时，同步发电机转速受到一个制动性质的电磁转矩T M 的作用，原动机克服T M 而做功，将机械能转换为电能。

为维持发电机转速不变，当输出有功增加时，产生制动的电磁转矩T M 也同时增加，此时，必须同时增加输入转矩以克服制动转矩，即需要提高发电机的输出功率，也就是增加柴油机的供油量。