《船舶电气》课程

1. 船舶电力拖动 [11415~6] Created by Kairry
第四章 同步电机
课程教学要求：
☆掌握同步电机的基本结构及工作原理
☆掌握同步发电机运行原理及电枢反应的概念
☆了解同步电动机的启动过程、同步发电机并联运行及调相机的作用。
同步电机是又一类非常重要的交流电机，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与电流频率之间保持着严格的关系，即
60 f
n =
p
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。和其他电机一样，同步电机具有可逆性，即可做同步发
电机也可做同步电动机用，此外还可以做同步补偿机用。也就是说，同步电机
有三种运行方式：发电机、电动机、补偿机。与异步电机应用不同的是，同步
电机主要用作发电机，用来生产交流电能。现代电力网中的巨大的电能几乎全
部由同步发电机提供。在船舶上主要是做发电机用，但对于某些采用电力推进
的船舶，推进电动机大部分采用则同步电动机。
§ 4.1 同步电机的基本结构与工作原理
同步电机与其他电机一样，由定子和转子两大部分组成。定子结构与异步电
机相似。也是由铁芯、定子绕组、机座、端盖等部分组成，定子绕组也是三相
对称绕组。但同步电机的转子结构有着自己的特点，有固定的磁极，通过电刷
和滑环引入直流励磁电流励磁，产生固定极性的磁极。其转子通常有两种结构
类型：凸极式和隐极式。

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凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和
集中励磁绕组。绕组的连接使 N 极和 S
极在圆周上交替排列，这种结构生产工艺
较为简单，制造容易，但机械强度较低，
故适用于低速、多极电机，所以凸极同步发电机常与转速较低的水轮机相配套。
凸极式的结构决定了其特点：气隙不均匀，气隙磁阻变化大，对应的电抗参数
也不一致。
隐极式转子上没有凸出的磁极。气隙均匀，气隙磁阻变化小。转子本体表面
开有槽，槽中嵌放励磁绕组。隐极转子适合于 2 极高速电机，常与大容量高转
速汽轮机配套。考虑到转子冷却和强度方面的要求，隐极式转子的结构和加工
工艺较为复杂。
此外，同步电机转子磁极表面都装有类似鼠笼异步机转子的短路绕阻。在发
电机中称阻尼绕组起同步稳定运行作用；在电动机中称起动绕组，起帮助起动
和同步稳定运行作用。
一、同步电机工作原理
根据的可逆原理，同步电机的发电运行原理和电动运行原理是互逆的。同步
发电机和同步电动机的结构也基本相似。但同步发电机还有其自身的一些特点，
这将会在另一课程《船舶电站》中进行更深入的学习。前面讲到，不管是汽轮

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机发电或水轮机发电，还是柴油机发电，现在用于发电的电机几乎都是
同步发电机。只是根据原动机及应用场合的不同选择适应的不同结构，如汽轮
机用隐极式而水轮机一般用凸极式。
通过集电环（电刷和滑环）向转子直流绕组送入直流励磁电流后，形成固定
极性的磁场，转子被原动机带动旋转，使这个磁场与定子三相绕组产生相对运
动，磁场被定子三相绕组切割将感应出三相对称电动势从而成为三相交流电源。
由 f= pn1 /60 可知，为保证电源频率为我国的工频 50Hz，pn1≡3000，因此对应
极对数 p 为 1、 3 的同步发电机，
2、 必须要保证 n1 分别为 3000、1500、1000r/min
同步转速。
同步电动机定子绕组接入三相电源，对称的定子三相绕组流过三相对称电流，
产生旋转磁场；转子励磁绕组接入直流励磁电流后产生固定极性的磁场，旋转
磁场磁极对转子磁场的异性磁极的磁拉力，牵引转子与旋转磁场同速旋转。故
而称同步电动机。
同步电动机转子的转速必定与旋转磁场的转速相等。若不
然，定、转子磁极的相对位置会不断变化，使得在一周期内，
异性相吸、同性相斥交替出现，转子所受平均力矩为零，电机
就不能转动。
二、同步发电机的基本类型
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。仅少数小容量或特殊用途的采用旋转电枢式。
按同步发电机的励磁电源的不同有两种基本类型，即自励同步发电机和他励

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同步发电机。
凡以发电机本身的电枢绕组或辅助绕组为励磁电源的励磁方式称为自励。
凡设有专用励磁电源的称为他励。如：采用励磁机进行励磁的就是他励。无刷
同步发电机是他励的一种形式。
【问】自励式在初始是如何建压的？无刷式有何特点？
§ 4.2 同步电机的基本特性
一、空载特性
三相同步发电机通入一定的直流励磁电流并以额定转速空载运行，此时三相
电枢绕组中产生对称的三相正弦空载电动势。其有效值为： E0 = 4.44 kNf F 0
而其频率与转速有关系式 f = pn / 60 ，可得 E0 = K e F 0 n
空载特性—保持额定转速不变，空载电势 E0 与空载励磁电流 I f 的关系曲线。
∵ E0∝Φ0∝B；If∝H；物质中的磁场强度 H 与所
感应的磁感应强度 B 之间的关系正是 B­H 磁化曲线
∴空载特性的实质就是磁化曲线。
二、电枢反应
定义：负载时由三相电枢绕组中的电枢电流所产生的旋转磁场称为电枢反应磁
场 Φa。电枢反应磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应。
电枢反应磁场 Φa 的转速取决于电枢电流的频率及极对数 p，即 na=60f/p

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而电枢电流的频率 f=n1p/60，所以 na=n1。
Φa 的转向取决于电枢电流的相序，而电枢电流的相序依主磁场 Φ0 转向而定，
所以 Φa 与 Φ0 同转向。可见 Φa 与 Φ0 在空间是彼此静止的。
既然电枢反应起因于电枢电流，那必会与电枢电流的大小和相位有关；而电枢
电流又取决于负载。所以，可以肯定电枢反应的效应与负载大小及性质有关。
电枢电流与空载电势的关系有：同相位、滞后和超前三种。与之对应的电枢
反应的性质有：交轴、直轴去磁和直轴增磁三种。
习惯上称转子磁场方向为直轴（d 轴）；垂直于转子磁场方向为横轴（q 轴）。
电枢电流 I 与空载电势 E0 同相位
I 与 E0 的相位差角称内功率因数角，发电机将有
功功率从发电机输至电网，并不发出无功功率。
电枢电流 I 滞后于空载电势 E0 90°
发电机发出的有功功率为零，仅输送感性无功功率至电网。
电枢电流 I 超前于空载电势 E0 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。
一般内功率因数角为 0°~90°是同步发电机最常见的运行情况，此时发电机将
向电网输送一部分有功功率和一部分感性无功功率。

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三、同步发电机的外特性和调节特性
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 Uf=f(IL)。
发电机的端电压不仅与负载电流大小有关，而且与负载的功率因素有关。不
同性质的负载所产生的电枢反应效应不同，对电枢感应电势及端电压的影响也
不同，交轴反应和直轴去磁效应都会使端电压随负载
电流的增加而降低；直轴增磁效应则相反。外特性曲
线见左图。
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
称为调节特性 If=f(IL)。
§ 4.3 同步电机的运行
一、同步电动机的起动
若直接将静止不动的同步电动机转子进行励磁，而在定子三相电枢绕组通入
三相交流电，在气隙中将有励磁磁场（恒定不变）和电枢磁场（旋转）同时存
在，当电枢磁场超前励磁磁场时，磁拉力将拖动励磁磁场转动，由于转子存在

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惯性，而电枢磁场转速又很快，在 180°内电枢磁场若不能及时将转子
拉入同步，而超过 180°后，电枢磁场与励磁磁场的相互作用力变成斥力，于是
在一个周期内，电磁转矩的平均值为零。因此，同步电动机不能直接起动。
起动方法：主要有间接起动、异步起动和变频起动。
间接起动：通过其它机械（原动机）将同步电动机起动至额定转速，然后定
子电枢绕组接三相交流电，转子励磁绕组通入励磁电流，通过机械离合器脱开
原动机并带上机械负载，同步电动机进入正常的电动运行状态工作。
异步起动：依靠同步电动机磁极上的起动绕组（类似鼠笼绕组）起动。起动
时，将转子绕组串联一个 5～10 倍励磁绕组电阻值的电阻，定子接入三相交流
电，起动绕组以异步机的原理起动，当转子转速接近同步转速时，励磁绕组通
过转换开关断开串联的电阻，接入正常励磁电流，此时由于电枢磁场与励磁磁
场的相对转速很小，转子在电枢磁场的作用下将被拉入同步。拉入同步后的电
动机就可带动机械负载正常工作。
异步法起动时注意：励磁绕组既不能开路也不能短路，这是因为：由于励磁绕
组的匝数很多，起动时，若开路则会感应出很高的电压，造成设备损坏等后果。
而若直接短路，则短路电流较大，会烧坏励磁绕组。转子回路电阻的作用：即
降压又限流。
变频起动：在起动前，转子通入直流电，然后使变频调的输出频率从零缓慢
上升，旋转磁场牵引转子缓慢地同步加速直至额定转速。这是一种性能很好的
起动方法，起动电流小，对电网冲击小。目前得到广泛应用。

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二、同步发电机并联运行
单台同步发电机在电网上运行时，发电机输出的功率完全取决于负载，意即
发电机所带负载发生变化，就会引起发电机输出的变化。进一步说：
无功负载变化将引起发电机输出电压的变化；有功负载变化将引起发电机输
出电压的频率变化。
而实际期望的是，电网的电压及频率要保持恒定不变，故须设置自动恒压装
置和自动调速装置来实现。
两台或两台以上同步发动机并联在同一电网上同时运行的情况，较单机运行
时更为复杂。简单地说要考虑下面几个问题：
运行条件问题；
稳定性问题；
电压、频率控制及功率分配问题；
有关这方面的知识将在另一课程《船舶电站》中得以更详细的学习。
三、同步补偿机（调相机）
同步调相机，是一台不带机械负载的同步电动机，专门用于发出无功功率。
用以提高电网的功率因素，改善电网的供电质量。
同步调相机除本身损耗外，它并不从电网吸收更多的有功功率，因此同步调
相机总是在接近于零的电磁功率和零功率因数的情况下进行。若忽略调相机的
全部损耗，则电枢电流全是无功分量。 U = E + jX t I&
& &
过励时：If 为过励（励磁电流增大，使空载电势大于额定
电压一定数值），由相量图可见，I 超前 U 90°，向电网索

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取容性无功功率，即向电网发出感性无功功率。
欠励时： If 为欠励，I 滞后 U 90°，即向电网发出容性无功功率。
这样，只需调节励磁电流 If，就能灵活地调节它的无功性质和大小。由于电
力系统大多数情况下带感性负载，故调相机通常工作在过励状态。其额定容量
也是指其在过励时的视在功率，此时的励磁电流称为额定励磁电流。
在船舶电力系统中，有一种称为轴带发电机系统就应用了同步电机的这一特
性。在《船舶电站》课程中将会有讲解。