將機(jī)械能、化學(xué)能等能源轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。船舶電源主要是指發(fā)電機(jī)和蓄電池。

1.船舶電源裝置柴油機(jī)發(fā)電機(jī)一、主配電板并車(chē)屏負(fù)載屏發(fā)電機(jī)控制屏第四章船舶同步電機(jī)

本章概述同步電機(jī)是一種交流電機(jī),它區(qū)別另一種交流電機(jī)－異步電機(jī)的一個(gè)重要特征在于它的轉(zhuǎn)速（r/min）與電流頻率（Hz）之間保持著嚴(yán)格的關(guān)系，即

式中p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。所以，當(dāng)同步電機(jī)的極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)速一定時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率也是一定的。同步電機(jī)和其他電機(jī)一樣，具有可逆性，可做同步發(fā)電機(jī)也可做同步電動(dòng)機(jī)用，還可以做同步補(bǔ)償機(jī)用。但在船舶上主要是做同步發(fā)電機(jī)用，對(duì)于某些采用電力推進(jìn)的船舶，推進(jìn)電動(dòng)機(jī)大部分采用同步電動(dòng)機(jī)。第四章船舶同步電機(jī)本章主要講解內(nèi)容第一節(jié)三相同步發(fā)電機(jī)的基本類(lèi)型和結(jié)構(gòu)第二節(jié)同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)第三節(jié)同步發(fā)電機(jī)的電勢(shì)方程和相量圖第四節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性第五節(jié)同步電動(dòng)機(jī)第一節(jié)三相同步發(fā)電機(jī)的基本類(lèi)型和結(jié)構(gòu)

同步電機(jī)與其他電機(jī)一樣，由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。三相同步發(fā)電機(jī)（旋轉(zhuǎn)磁極式。）定子與三相異步電機(jī)的相同，主要有嵌放在鐵心槽中的三相對(duì)稱(chēng)繞組，也稱(chēng)電樞繞組。轉(zhuǎn)子上裝有磁極和勵(lì)磁繞組，如圖5-1三相同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖所示。當(dāng)勵(lì)磁繞組通以直流電流以后，電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，如用原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，則轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與三相定子繞組間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就會(huì)在三相定子繞組中感應(yīng)出交流電勢(shì)。返回

圖5-1三相同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖返回一、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1.同步發(fā)電機(jī)按其結(jié)構(gòu)可以分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式。2.旋轉(zhuǎn)磁極式按照磁極的形狀，又可分為凸極式和隱極式。

圖5-2同步發(fā)電機(jī)的基本型式

圖5-2同步發(fā)電機(jī)的基本型式

1-定子；2-凸極轉(zhuǎn)子；3-隱極轉(zhuǎn)子；4-滑環(huán)a）

b）

124143返回同步發(fā)電機(jī)的基本類(lèi)型：按同步發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)及作用不同有兩種類(lèi)型，即旋轉(zhuǎn)磁極式和旋轉(zhuǎn)電樞式。按同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源的不同有兩種基本類(lèi)型，即自勵(lì)的自勵(lì)同步發(fā)電機(jī)和他勵(lì)的無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)。三、三相同步發(fā)電機(jī)額定值

同步發(fā)電機(jī)和其他電機(jī)一樣，制造廠將該電機(jī)正常運(yùn)行的條件，各種規(guī)定的數(shù)據(jù)都印刷在銘牌上。這些數(shù)據(jù)稱(chēng)為同步發(fā)電機(jī)的額定值，也是使用管理電機(jī)人員必須遵守的技術(shù)規(guī)定。同步發(fā)電機(jī)的主要額定值有：額定容量SN

或額定功率PN

額定電壓UN額定電流IN額定功率因數(shù)cosΦN額定頻率fN額定轉(zhuǎn)速nN額定勵(lì)磁電壓（額定勵(lì)磁電流）第二節(jié)同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)

三相同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中隨著負(fù)載的大小、性質(zhì)的變化，發(fā)電機(jī)內(nèi)部的氣隙磁場(chǎng)也在變化，三相同步發(fā)電機(jī)的輸出電壓和電流也隨之變化。由負(fù)載電流產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)對(duì)主磁極磁場(chǎng)的影響稱(chēng)之為電樞反應(yīng)。返回4.2.1同步發(fā)電機(jī)的空載特性原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組上加直流勵(lì)磁，定子電樞繞組開(kāi)路（發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)）狀態(tài)，稱(chēng)為同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行。空載時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n等于同步轉(zhuǎn)速、電樞電流

Ia=0，空載電壓U0與勵(lì)磁電流If的關(guān)系稱(chēng)為空載特性，表示為?？蛰d特性曲線可參見(jiàn)圖5-14空載特性可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得。實(shí)驗(yàn)接線如圖5-15所示0圖5-14空載特性曲線VA圖5-15空載實(shí)驗(yàn)原理接線圖ABCSU+返回4.2.2同步發(fā)電機(jī)的對(duì)稱(chēng)負(fù)載運(yùn)行原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組加上直流勵(lì)磁，在定子三相電樞繞組端點(diǎn)接一負(fù)載，電樞回路中有負(fù)載電流通過(guò)，并由此產(chǎn)生電樞磁勢(shì)，致使發(fā)電機(jī)中氣隙磁場(chǎng)（相對(duì)于空載時(shí)的）發(fā)生變化，引起發(fā)電機(jī)輸出端電壓變化。一、電樞電流與空載電勢(shì)同相位（即）時(shí)的電樞反應(yīng)

ψ=0°時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)功率因數(shù)為，輸出的負(fù)載電流與空載電勢(shì)同相，發(fā)電機(jī)并不發(fā)出無(wú)功功率，將有功功率從發(fā)電機(jī)輸至電網(wǎng)。具體電樞反應(yīng)如圖5-5。a）某一瞬間的位置圖

b）相量圖

c）展開(kāi)圖

圖5-5ψ=0

時(shí)的電樞反應(yīng)返回二、電樞電流滯后于空載電勢(shì)900（即ψ=900）時(shí)的電樞反應(yīng)

ψ=90°時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的輸出負(fù)載電流滯后于空載電勢(shì)90°（即），發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率為零，僅輸送感性無(wú)功功率至電網(wǎng)。具體電樞反應(yīng)如圖5-6。

圖5-6ψ=90°時(shí)的電樞反應(yīng)返回NSSNFaFfEUIUNSEWEVIWIVnfanU1U2V1V2W1W2U1U2V1V2W1W2U1U2a）U相繞組電勢(shì)最大時(shí)的位置c）U相繞組電流最大時(shí)的位置b）相量圖d）展開(kāi)圖三、電樞電流超前于空載電勢(shì)900（即ψ=-900）時(shí)的電樞反應(yīng)

ψ=-90°時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的輸出負(fù)載電流Ia超前于空載電勢(shì)90°（），發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率為零，僅輸送容性無(wú)功功率至電網(wǎng)。具體電樞反應(yīng)如圖5-7。返回NSSNEUIUNSEWEVIVnFfFaIWnnU1U2V1V2W1W2U1U2V1V2W1W2U1U2a）U相繞組電勢(shì)最大時(shí)的位置c）U相繞組電流最大時(shí)的位置b）相量圖d）展開(kāi)圖

圖5-6ψ=-90°時(shí)的電樞反應(yīng)四、同步發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的電樞反應(yīng)1.實(shí)際運(yùn)行時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)功率因數(shù)角Φ可以為-90°到90°之間的任意數(shù)值，即電樞磁勢(shì)的軸線和主磁勢(shì)的軸線可以有任意的相對(duì)位置。與直流電機(jī)一樣。此時(shí)可以將電樞磁勢(shì)分解為直軸分量和交軸分量，直軸分量起去磁作用或增磁作用。2.一般0°<Φ<90°是同步發(fā)電機(jī)最常見(jiàn)的運(yùn)行情況，此時(shí)發(fā)電機(jī)的輸出負(fù)載電流落后于空載電勢(shì)角，發(fā)電機(jī)將向電網(wǎng)輸送一部分有功功率和一部分感性無(wú)功功率。a）b）c）圖5-10不同性質(zhì)負(fù)載時(shí)電樞反應(yīng)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子電流的作用

a）ψ=00；b）ψ=900；c）ψ=-900返回三、同步發(fā)電機(jī)的外特性原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組加上直流勵(lì)磁，在定子三相電樞繞組端點(diǎn)接一負(fù)載，電樞回路中有負(fù)載電流通過(guò)，并由此產(chǎn)生電樞磁勢(shì)，致使發(fā)電機(jī)中氣隙磁場(chǎng)（相對(duì)于空載時(shí)的）發(fā)生變化，引起發(fā)電機(jī)輸出端電壓變化。當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電流與負(fù)載功率因數(shù)一定時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓與負(fù)載電流的關(guān)系稱(chēng)為外特性，表示為同步發(fā)電機(jī)外特性曲線如圖5-19所示。不同負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的向量圖如圖5-20所示。圖5-19外特性曲線返回四、同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載變化時(shí)，為保持端電壓不變，必須同時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，以補(bǔ)償電樞反應(yīng)的去磁、增磁作用和阻抗壓降。當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、輸出端電壓和負(fù)載性質(zhì)一定時(shí)，勵(lì)磁電流隨負(fù)載電流的變化的關(guān)系稱(chēng)為調(diào)整特性，表示為調(diào)整特性的曲線形狀取決于負(fù)載的性質(zhì)，如圖5-21所示。圖5-21調(diào)整特性曲線返回六、三相同步發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行時(shí)的特點(diǎn)發(fā)電機(jī)輸出的有功和無(wú)功功率完全決定于負(fù)載。首先是負(fù)載先發(fā)生變化，然后引起發(fā)電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率的變化。用電負(fù)載不變，人為的改變?cè)瓌?dòng)機(jī)的輸入（加大或關(guān)小油門(mén)），將使轉(zhuǎn)速和頻率發(fā)生相應(yīng)的變化；而人為的改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，將使發(fā)電機(jī)的輸出電壓發(fā)生相應(yīng)的變化。有功負(fù)載的變化可以引起發(fā)電機(jī)的頻率的變化，變化的程度與原動(dòng)機(jī)調(diào)速器的特性有關(guān)；無(wú)功負(fù)載的變化可以引起發(fā)電機(jī)的輸出電壓的變化，變化的程度與發(fā)電機(jī)外特性或自動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)的特性有關(guān)。第五節(jié)同步電動(dòng)機(jī)

一、由發(fā)電到電動(dòng)的物理過(guò)程當(dāng)一隱極式同步電機(jī)工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)，向電網(wǎng)輸送一定的有功功率。由同步發(fā)電機(jī)的相量圖可知，此時(shí)超前于一個(gè)功角角，即>0，由式（5-21）知，PM>0，由于由轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)所激勵(lì)，由合成磁場(chǎng)所產(chǎn)生，所以可以認(rèn)為轉(zhuǎn)子主極磁場(chǎng)軸線超前于定子內(nèi)合成磁場(chǎng)軸線一個(gè)角。此時(shí)作用在轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩為一制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)矩克服了轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩，便將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。此時(shí)主極磁場(chǎng)、定子合成磁場(chǎng)位置及與相量關(guān)系如圖5-25

所示。返回圖5-25同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)的過(guò)程a）發(fā)電機(jī)狀態(tài)；b）空載狀態(tài)；c）電動(dòng)機(jī)狀態(tài)返回二、同步電動(dòng)機(jī)的相量同步電動(dòng)機(jī)的相量圖如圖5-26所示。a）b）圖5-26同步電動(dòng)機(jī)的相量圖a）在電動(dòng)狀態(tài)下規(guī)定的正方向b）同步電動(dòng)機(jī)向量圖返回三、同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)同步電動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)是：轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載的變化而改變；功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)。同步電動(dòng)機(jī)的相量圖如圖5-27所示。同步電動(dòng)機(jī)的V形曲線如圖5-28所示。圖5-27有功功率不變時(shí)，改變勵(lì)磁大小的同步電動(dòng)機(jī)向量圖圖5-28同步電動(dòng)機(jī)的V形曲線四、同步補(bǔ)償機(jī)

同步補(bǔ)償機(jī)是在空載情況下運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，它專(zhuān)門(mén)從電網(wǎng)吸取超前的無(wú)功電流，只要將同步電動(dòng)機(jī)處于過(guò)勵(lì)狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)供給負(fù)載（異步電動(dòng)機(jī)）—滯后的電流時(shí)，同步補(bǔ)償機(jī)在過(guò)勵(lì)時(shí)從電網(wǎng)吸取—超前的無(wú)功電流，則電網(wǎng)線路的電流為

由于正好補(bǔ)償了滯后的無(wú)功電流，所以電網(wǎng)的功率因數(shù)就得到了改善（理想時(shí)，線路電流與同相）如圖5-29

所示。圖5-29用同步補(bǔ)償機(jī)改善電網(wǎng)的功率因數(shù)返回五、同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

同步電動(dòng)機(jī)本身沒(méi)有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。若將同步電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組直接投入電網(wǎng)，由于定子電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其同步轉(zhuǎn)速為，而轉(zhuǎn)子繞組通以直流電產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)靜止不動(dòng)，定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，它們相互作用所產(chǎn)