第4章 同步电机(徐)

1、2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 1第五节第五节 同步电机的基本特性同步电机的基本特性第四章第四章 同步电机同步电机第二节第二节 同步电机的基本作用原理同步电机的基本作用原理第三节第三节 同步电机的基本构造同步电机的基本构造第四节第四节 同步电机的基本分析方法同步电机的基本分析方法第一节第一节 同步电机的基本功能及用途同步电机的基本功能及用途第二节第二节 同步电机的基本作用原理同步电机的基本作用原理第三节第三节 同步电机的基本构造同步电机的基本构造第五节第五节 同步电机的基本特性同步电机的基本特性第一节第一节 同步电机的基本功能及用途同步电机的基本功能及

2、用途第四节第四节 同步电机的基本分析方法同步电机的基本分析方法第六节第六节 同步发电机的不对称运行同步发电机的不对称运行第六节第六节 同步发电机的不对称运行同步发电机的不对称运行2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 2本章基本要求本章基本要求4. 理解同步电机电枢反应的物理概念，掌握电枢反理解同步电机电枢反应的物理概念，掌握电枢反应的性质与哪些因素有关；应的性质与哪些因素有关；5. 熟练掌握同步发电机的电压平衡方程式和相应的熟练掌握同步发电机的电压平衡方程式和相应的相量图的画法。熟练掌握同步发电机的功角特性。相量图的画法。熟练掌握同步发电机的功角特性。 9.

3、 了解同步电动机和同步调相机的工作原理。了解同步电动机和同步调相机的工作原理。6. 了解同步发电机的功率和转矩方程式、工作特性。了解同步发电机的功率和转矩方程式、工作特性。 8. 掌握同步发电机有功功率和无功功率的调节。掌握同步发电机有功功率和无功功率的调节。 7. 了解同步发电机并联运行的条件及其整步方法。了解同步发电机并联运行的条件及其整步方法。 1. 了解同步电机的构造，特别注意同步电机的转子了解同步电机的构造，特别注意同步电机的转子结构形式。结构形式。2. 了解同步电机的工作原理、分类。了解同步电机的工作原理、分类。3. 熟练掌握同步电机的额定值的计算。熟练掌握同步电机的额定值的计算。

4、2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 3同步电机和直流电机、异步电机一样，也是根据电磁同步电机和直流电机、异步电机一样，也是根据电磁感应原理而工作的一种旋转电机，它是交流电机。感应原理而工作的一种旋转电机，它是交流电机。第一节第一节 同步电机的基本功能及用途同步电机的基本功能及用途同步电机主要用作发电机，现在全世界的发电量几同步电机主要用作发电机，现在全世界的发电量几乎都是由同步发电机发出，对于需要直流电流的地乎都是由同步发电机发出，对于需要直流电流的地方，如今的趋势也多从交流通过整流装置而获得。方，如今的趋势也多从交流通过整流装置而获得。异步电动机因结构简

5、单，运行可靠而得到广泛应用，异步电动机因结构简单，运行可靠而得到广泛应用，但它需从电网上吸取滞后的无功电流作为励磁电流，但它需从电网上吸取滞后的无功电流作为励磁电流，使电网功率因数降低，发电站的装机容量得不到充分使电网功率因数降低，发电站的装机容量得不到充分利用；利用； 当同步电机作为电动机时，可通过调节其励磁电流当同步电机作为电动机时，可通过调节其励磁电流来改善电网的功率因数，因此对于不需调速的大型来改善电网的功率因数，因此对于不需调速的大型电动机，一般采用同步电动机。电动机，一般采用同步电动机。 2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 4同步电机的基本类型

6、同步电机的基本类型同步电机可以按运行方式和结构形式进行分类。同步电机可以按运行方式和结构形式进行分类。1. 按运行方式和功率转换方式按运行方式和功率转换方式同步同步电机电机机械能转换成电能机械能转换成电能电能转换为机械能电能转换为机械能发电机发电机电动机电动机调相机调相机专门用来调节电网的无功功专门用来调节电网的无功功率，改善电网的功率因数率，改善电网的功率因数 2. 按结构形式按结构形式同步同步电机电机小容量同步电机中得到某小容量同步电机中得到某些应用些应用旋转电枢式旋转电枢式旋转磁极式旋转磁极式应用比较广泛，并成为同应用比较广泛，并成为同步电机的基本结构形式步电机的基本结构形式2022年5

7、月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 5按照磁极的形状又可分为隐极式和凸极式按照磁极的形状又可分为隐极式和凸极式气隙特性气隙特性转子形状转子形状结构结构特性特性采用条件采用条件实例实例凸极式不均匀，极弧底下气隙较小，极间部气隙较大圆柱形结构制造简单n11500r/min（2p4）水轮发电机，同步电动机及由内燃机拖动的同步发电机和调相机隐极式均匀圆柱形转速较高汽轮机NS+3 3 +NS2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 6励磁机励磁机发电机发电机水轮机水轮机卧式、立式。卧式、立式。按原动机的不同：按原动机的不同：汽轮发电机、水轮发电机

8、。汽轮发电机、水轮发电机。按安装方式的不同：按安装方式的不同：2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 7三峡电站首台机组安装三峡电站首台机组安装2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 8水力发电厂水力发电厂2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 9火力发电厂火力发电厂励励磁磁机机发发电电机机汽汽轮轮机机2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 10燃燃烧烧室室燃燃料料锅炉的锅炉的炉膛炉膛循环水循环水汽轮机汽轮机发电机发电机3000 r/min升压变升压变压器压器

9、超热高压蒸汽超热高压蒸汽电能输出电能输出电能的产生电能的产生2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 11第二节第二节 同步电机的基本作用原理同步电机的基本作用原理一、同步发电机的工作原理一、同步发电机的工作原理同步电机定子上有同步电机定子上有AX、BY、CZ三相对称绕组，转三相对称绕组，转子上有磁极。如图所示。子上有磁极。如图所示。BYZCAXNS定子定子+UfIf转子转子励磁励磁绕组绕组如用原动机拖动发电机沿如用原动机拖动发电机沿顺时针方向恒速旋转，则顺时针方向恒速旋转，则磁极的磁力线将切割定子磁极的磁力线将切割定子绕组的导体，在定子导体绕组的导体，在定子导

10、体中就会感应出交变电势；中就会感应出交变电势；设主极磁场的磁密沿气隙设主极磁场的磁密沿气隙圆周按正弦规律分布，则圆周按正弦规律分布，则导体内电势也随时间按正导体内电势也随时间按正弦规律变化。弦规律变化。2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 12设设A相电势的初相位为零，则三相电势的瞬时值为相电势的初相位为零，则三相电势的瞬时值为cosAmeEtcos(120 )BmeEtcos(120 )CmeEt二、电势频率的确定二、电势频率的确定 当转子为一对极时，转子转一周，绕组中的感应电当转子为一对极时，转子转一周，绕组中的感应电势正好交变一次，当电机中有势正好交变

11、一次，当电机中有p对极时，则转子转一对极时，则转子转一周，绕组中的感应电势变化周，绕组中的感应电势变化p次，而转子每分钟转次，而转子每分钟转n圈，因此电势的频率为圈，因此电势的频率为 60pnf 如果作为电动机运行，则需要在定子绕组中通过如果作为电动机运行，则需要在定子绕组中通过三相交流电流，产生旋转磁场，磁场转速三相交流电流，产生旋转磁场，磁场转速 三、同步电动机的工作原理三、同步电动机的工作原理2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 13这时转子绕组加上直流励磁，则转子将在定子旋转这时转子绕组加上直流励磁，则转子将在定子旋转磁场的带动下，沿定子磁场的旋转方

12、向以相同的转磁场的带动下，沿定子磁场的旋转方向以相同的转速旋转。速旋转。s60fnnp四、同步电机的特点四、同步电机的特点:（1）转子的转速）转子的转速n与电网频率与电网频率f之间具有固定不变的之间具有固定不变的关系，转速关系，转速n称为同步转速。称为同步转速。（2）若电网的频率不变，则同步电机的转速恒为常）若电网的频率不变，则同步电机的转速恒为常值而与负载的大小无关。值而与负载的大小无关。160sfnp2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 14第三节第三节 同步电机的基本结构同步电机的基本结构2. 转子转子(隐极式隐极式)由硅钢片叠成。由硅钢片叠成。对称三

13、相绕组。对称三相绕组。定子铁心：定子铁心：定子绕组：定子绕组：机座和端盖等。机座和端盖等。转子铁心：转子铁心： 由整块铸（锻）钢制成。由整块铸（锻）钢制成。励磁绕组：励磁绕组： 工作时施加直流励磁。工作时施加直流励磁。阻尼绕组和转轴等。阻尼绕组和转轴等。阻尼绕组阻尼绕组1. 定子（电枢）定子（电枢） 转子转子(凸极式凸极式)磁极、磁轭、转子支架、阻尼绕组等组成磁极、磁轭、转子支架、阻尼绕组等组成2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 15一、隐极同步电机的基本结构一、隐极同步电机的基本结构1. 定子定子隐极同步电机都采用卧式结构隐极同步电机都采用卧式结构隐极式

14、的定子与异步电机的基本相同。隐极式的定子与异步电机的基本相同。2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 16汽轮发电机结构汽轮发电机结构 定子铁心2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 172022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 182. 转子：由转子铁心、励磁绕组、护环、中心环、转子：由转子铁心、励磁绕组、护环、中心环、滑环及风扇等部件组成。滑环及风扇等部件组成。转子铁心的材料：既要求有良好的导磁性能，又需转子铁心的材料：既要求有良好的导磁性能，又需要有很高的机械强度，一般都采用整块的高机械强

15、要有很高的机械强度，一般都采用整块的高机械强度和良好导磁性能的合金钢锻成，与转轴锻成一个度和良好导磁性能的合金钢锻成，与转轴锻成一个整体。整体。沿转子铁心表面铣有槽以放置励磁绕组。在一个极沿转子铁心表面铣有槽以放置励磁绕组。在一个极距内约有距内约有1/3部分没有开槽，叫大齿。大齿的中心实部分没有开槽，叫大齿。大齿的中心实际上就是磁极中心。际上就是磁极中心。励磁绕组：是由扁铜线绕成的同心式线圈。由于隐励磁绕组：是由扁铜线绕成的同心式线圈。由于隐极电机转速很高，因此励磁绕组在槽内需用不导磁极电机转速很高，因此励磁绕组在槽内需用不导磁高强度的硬铝槽楔压紧。端部套上用高强度非磁性高强度的硬铝槽楔压紧。

16、端部套上用高强度非磁性钢锻成的护环。钢锻成的护环。2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 192022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 20汽轮发电机的转子汽轮发电机的转子2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 212022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 22凸极同步凸极同步电机电机卧式结构卧式结构立式结构立式结构除立式结构外的绝大多数的凸除立式结构外的绝大多数的凸极同步电机极同步电机低速、大容量的水轮发电机和低速、大容量的水轮发电机和大型水泵用的同步电动机大型

17、水泵用的同步电动机推力轴承装在转推力轴承装在转子上边的上机架子上边的上机架上，整个转子是上，整个转子是以一种悬吊状态以一种悬吊状态转动转动推力轴承装在转子下推力轴承装在转子下边的机架上，整个转边的机架上，整个转子是以一种被托架着子是以一种被托架着的状态转动的状态转动悬悬式式伞伞式式悬式悬式伞式伞式1推力轴承推力轴承 2导轴承导轴承二、凸极同步电机的基本结构二、凸极同步电机的基本结构2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 23运转时机械稳定运转时机械稳定性性机组的轴向高机组的轴向高度度采用条件采用条件悬式好大转速较高的电机（150r/min以上）伞式差小，厂房的

18、高度和造价低转速较低的电机（125r/min以下）1. 定子定子定子结构一般和隐极同步电机相同。定子结构一般和隐极同步电机相同。大容量的水轮发电机，由于定子直径太大，通常把大容量的水轮发电机，由于定子直径太大，通常把它分成几瓣，分别制造后，再运到电站拼装成一整它分成几瓣，分别制造后，再运到电站拼装成一整体。体。2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 24发电机定子总装配发电机定子总装配发电机定子铁芯2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 25定子绕组设计为定子绕组设计为三相双层波形绕三相双层波形绕组，每相组，每相5支路支路并联

19、，共并联，共1080根罗贝尔线棒组根罗贝尔线棒组成。绕组轮换数成。绕组轮换数为为1814，每，每极每相槽数为极每相槽数为9/4，合成节距，合成节距为为13 发电机定子总装发电机定子总装2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 26发电机定子总装配发电机定子总装配 发电机定子绕组2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 272. 转子转子凸极同步电机的转子主要由磁极、励磁绕组、阻尼凸极同步电机的转子主要由磁极、励磁绕组、阻尼绕组和转轴组成。绕组和转轴组成。磁极：由厚磁极：由厚1-1.5mm的钢板冲成磁极冲片，用铆钉的钢板冲成磁极冲片

20、，用铆钉装成一体，磁极上套装有励磁绕组。装成一体，磁极上套装有励磁绕组。励磁绕组：由扁铜线绕成，各励磁绕组串联后接到励磁绕组：由扁铜线绕成，各励磁绕组串联后接到集电环上。集电环上。磁极的极靴上一般还装有阻尼绕组。磁极的极靴上一般还装有阻尼绕组。阻尼绕组：由插入极靴阻尼槽内的裸铜条和端部铜阻尼绕组：由插入极靴阻尼槽内的裸铜条和端部铜环焊接而成。环焊接而成。磁极固定在磁轭上，磁轭常用整块钢板或铸钢做成。磁极固定在磁轭上，磁轭常用整块钢板或铸钢做成。2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 28水轮发电机结构转子结构（水轮发电机结构转子结构（10000kW）2022年

21、5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 29左江左江24MW24MW发电机转子在吊装发电机转子在吊装2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 30发电机转子发电机转子2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 31发电机转子磁极发电机转子磁极2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 32三、冷却问题简述三、冷却问题简述在中、小型电机中，都采用空气作为冷却介质。当在中、小型电机中，都采用空气作为冷却介质。当电机的容量很大时，电机内部的损耗及发热量迅速电机的容量很大时，电机内部的损

22、耗及发热量迅速增加，冷却问题显得格外重要，此时必须加强通风增加，冷却问题显得格外重要，此时必须加强通风或采用其他的冷却方式。或采用其他的冷却方式。在大型汽轮发电机中，为了提高其冷却效率，往往在大型汽轮发电机中，为了提高其冷却效率，往往用氢气冷却，但氢气与空气混合后，有爆炸危险，用氢气冷却，但氢气与空气混合后，有爆炸危险，必须有一套控制设备来保证外界空气不会渗入到电必须有一套控制设备来保证外界空气不会渗入到电机内部。机内部。目前在更大容量的发电机中，可以采用导线内部直目前在更大容量的发电机中，可以采用导线内部直接冷却。例如采用空心导体，冷却介质直接在导体接冷却。例如采用空心导体，冷却介质直接在导

23、体中流通而把热量带走，这样能更有效地降低电机的中流通而把热量带走，这样能更有效地降低电机的温升。所采用的冷却介质一般有氢气及水等。温升。所采用的冷却介质一般有氢气及水等。2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 33四、同步电机的励磁方式四、同步电机的励磁方式(1) 直流励磁机励磁直流励磁机励磁 励磁绕组由小型直流发电机供电。励磁绕组由小型直流发电机供电。(2) 静止整流器励磁静止整流器励磁 交流励磁机交流励磁机整流整流直流电直流电(3) 旋转整流器励磁旋转整流器励磁 交流励磁机交流励磁机整流整流直流电直流电励磁绕组。励磁绕组。电刷电刷集电环集电环励磁绕组。励磁

24、绕组。 2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 34五、同步电机的额定值及主要系列五、同步电机的额定值及主要系列（一）同步电机的额定值（一）同步电机的额定值1. 额定容量额定容量SN（单位为（单位为kVA）或额定功率）或额定功率PN（单（单位为位为kW）指输出功率的保证值。）指输出功率的保证值。对同步发电机来说，额定容量对同步发电机来说，额定容量SN是指出线端的额定是指出线端的额定视在功率，一般以视在功率，一般以kVA或或MVA为单位；为单位； 而额定功率而额定功率PN是指发电机发出的有功功率，单位为是指发电机发出的有功功率，单位为kW或或MW； 对同步电动机

25、对同步电动机PN是指轴上输出的机械功率，单位为是指轴上输出的机械功率，单位为kW或或MW； 对同步调相机则用线端的额定无功功率来表示其容对同步调相机则用线端的额定无功功率来表示其容量，单位量，单位kVar、MVar。2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 352. 额定电压额定电压UN：是指额定运行时加在定子的三相：是指额定运行时加在定子的三相线电压，单位线电压，单位V或或kV； 3. 额定电流额定电流IN：是指额定运行时流过定子的线电：是指额定运行时流过定子的线电流，单位流，单位A ；4. 额定功率因数额定功率因数cos N,电机额定运行时的功率因数；电机额

26、定运行时的功率因数； 5. 额定效率额定效率 N：电机额定运行时的效率；：电机额定运行时的效率； 6. 额定频率额定频率fN 我国标准工频为我国标准工频为50Hz；7. 额定励磁电压额定励磁电压UfN和额定励磁电流和额定励磁电流IfN；8. 额定温升。额定温升。对发电机来说对发电机来说 NNNNNNSIUPcoscos3对电动机来说对电动机来说 NNNNNIUPcos32022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 36（二）同步电机的主要系列（二）同步电机的主要系列1. TF三相同步发电机；三相同步发电机；T同步；同步；F发电机发电机2QFQ、QFN、QFS不同冷却

27、方式的同步发电机不同冷却方式的同步发电机QF汽轮发电机，第三个字母表示冷却方式汽轮发电机，第三个字母表示冷却方式Q氢氢外冷，外冷，N氢内冷，氢内冷，S双水内冷。双水内冷。 例例QFN10023. TS三相同步水轮发电机，三相同步水轮发电机，T同步，同步，S水轮；水轮； TS1264/16048表示三相同步水轮发电机；表示三相同步水轮发电机；定子铁心外径为定子铁心外径为1264cm，铁心长，铁心长160cm，极数为，极数为48，即，即n=125rpm。4. TD三相同步电动机；三相同步电动机；D电动机电动机5. TT三相同步调相机，第二个三相同步调相机，第二个T表示调相机。表示调相机。表示容量为

28、表示容量为100MW的的2极的氢内冷汽轮发电机。极的氢内冷汽轮发电机。 2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 37第四节第四节 同步发电机的基本分析方法同步发电机的基本分析方法一、同步电机的运行用原理一、同步电机的运行用原理 1. 两种旋转磁场两种旋转磁场 当对称三相电流流过对称三相绕组时，将在气隙中当对称三相电流流过对称三相绕组时，将在气隙中产生一个旋转磁场，基波磁势有下列特性：产生一个旋转磁场，基波磁势有下列特性：振幅恒定是单相绕组最大振幅的振幅恒定是单相绕组最大振幅的1.5倍，转速为同步倍，转速为同步转速转速ns，旋转方向是从电流超前的相转向电流滞后，

29、旋转方向是从电流超前的相转向电流滞后的相，当某相电流达到最大值时，旋转磁场的振幅的相，当某相电流达到最大值时，旋转磁场的振幅恰好在该相绕组的轴线上。恰好在该相绕组的轴线上。 同步电机无论作为发电机运行还是作为电动机运行，同步电机无论作为发电机运行还是作为电动机运行，和异步电机一样，只要它们的定子三相绕组中流过三和异步电机一样，只要它们的定子三相绕组中流过三相对称电流，都将在气隙中产生上述的旋转磁场。相对称电流，都将在气隙中产生上述的旋转磁场。2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 38因该磁场是交流励磁的，故称为交流励磁的旋转磁因该磁场是交流励磁的，故称为交流

30、励磁的旋转磁场，同步电机的定子绕组又称为电枢绕组，因此又场，同步电机的定子绕组又称为电枢绕组，因此又称为电枢磁场。称为电枢磁场。如果在转子上装有由直流励磁的磁极，且用原动机如果在转子上装有由直流励磁的磁极，且用原动机把转子带到同步转速，就像同步电机那样，则在气把转子带到同步转速，就像同步电机那样，则在气隙中同样出现一个圆形旋转磁场，这样获得的旋转隙中同样出现一个圆形旋转磁场，这样获得的旋转磁场又称直流励磁的旋转磁场或称机械旋转磁场。磁场又称直流励磁的旋转磁场或称机械旋转磁场。 同步发电机空载时，定子绕组中的电流为零，在气同步发电机空载时，定子绕组中的电流为零，在气隙中只有直流励磁的旋转磁场，在

31、负载的情况下，隙中只有直流励磁的旋转磁场，在负载的情况下，两种旋转磁场均存在。两种旋转磁场均存在。 2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 39在同步电机的气隙中存在着两种不同的旋转磁场，只要在同步电机的气隙中存在着两种不同的旋转磁场，只要这两个旋转磁场在空间有位移，它们之间便会有电磁力，这两个旋转磁场在空间有位移，它们之间便会有电磁力，犹如两块磁铁之间存在相互作用力一样。犹如两块磁铁之间存在相互作用力一样。3. 同步电机的运行方式同步电机的运行方式 同步电机在工作时，由于两种旋转磁场之间没有相对同步电机在工作时，由于两种旋转磁场之间没有相对运动，因此它们之间

32、的相互位置决定着同步电机的运运动，因此它们之间的相互位置决定着同步电机的运行情况：行情况： 如转子磁场在前，则当转子旋转时，便拉着定子磁场如转子磁场在前，则当转子旋转时，便拉着定子磁场旋转，这时转子磁场超前电枢磁场，这便是发电机运旋转，这时转子磁场超前电枢磁场，这便是发电机运行；行； 反之定子磁场旋转拉着转子磁场旋转，便是电动机反之定子磁场旋转拉着转子磁场旋转，便是电动机运行情况。运行情况。 2. 同步电机的作用力同步电机的作用力 2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 404. 同步电机的电路方程及等效电路同步电机的电路方程及等效电路 在正常运行时，同步电机

33、的定子磁场与转子绕组之间在正常运行时，同步电机的定子磁场与转子绕组之间没有相对运动，因而不能在转子绕组中感应电势，转没有相对运动，因而不能在转子绕组中感应电势，转子回路中只有直流励磁电流，故从电路的观点来看，子回路中只有直流励磁电流，故从电路的观点来看，同步电机要比变压器或异步电机更为简单，可不考虑同步电机要比变压器或异步电机更为简单，可不考虑转子支路，而只为定子电路单独写出电压方程式。转子支路，而只为定子电路单独写出电压方程式。 同步电机正常运行时的等效电路是一个没有副方回同步电机正常运行时的等效电路是一个没有副方回路与原方耦合的独立回路，求解时也不用联立方程，路与原方耦合的独立回路，求解时

34、也不用联立方程，非常简单。同步发电机各物理量的正方向规定如图非常简单。同步发电机各物理量的正方向规定如图所示。所示。 同步发电机等效电路如图所示。同步发电机等效电路如图所示。2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 41如不考虑饱和现象，利用迭加原理：如不考虑饱和现象，利用迭加原理： )(0jxrIUEEaa转子磁场在定子绕组中的感应电势转子磁场在定子绕组中的感应电势 ，也称励，也称励磁电势；磁电势； 0E定子磁场在定子绕组中的感应电势，称为电定子磁场在定子绕组中的感应电势，称为电枢反应电势。枢反应电势。 aEra定子绕组的电阻，定子绕组的电阻， x 定子绕组漏

35、抗。定子绕组漏抗。 定子绕组端电压定子绕组端电压 U定子绕组输出电流定子绕组输出电流 IE0 Ea E U1I10aaEEEUIr或或5. 同步电机的气隙合成磁场同步电机的气隙合成磁场 将气隙中的定子和转子磁场合并为一合成气隙磁场来将气隙中的定子和转子磁场合并为一合成气隙磁场来考虑，这种分析方法更符合同步电机的实际情况。考虑，这种分析方法更符合同步电机的实际情况。 2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 42由于定、转子磁场均以同步转速旋转，气隙中合成旋由于定、转子磁场均以同步转速旋转，气隙中合成旋转磁场便也按同步转速旋转，和转子绕组之间仍无相转磁场便也按同步

36、转速旋转，和转子绕组之间仍无相对运动；对运动； 因此同步电机作为发电机运行时，转子磁场轴线便超因此同步电机作为发电机运行时，转子磁场轴线便超前于气隙合成磁场轴线；而同步电机作为电动机运行前于气隙合成磁场轴线；而同步电机作为电动机运行时，转子磁场轴线将滞后于气隙合成磁场的轴线。时，转子磁场轴线将滞后于气隙合成磁场的轴线。 同步电机的运行方式，也常用合成旋转磁场与转子磁同步电机的运行方式，也常用合成旋转磁场与转子磁场之间的相对位置来确定；场之间的相对位置来确定；当转子磁场超前于定子磁场时，合成的气隙磁场便当转子磁场超前于定子磁场时，合成的气隙磁场便滞后于转子磁场，当转子磁场滞后于定子磁场时，滞后于

37、转子磁场，当转子磁场滞后于定子磁场时，合成的气隙磁场便将超前于转子磁场；合成的气隙磁场便将超前于转子磁场；2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 43电枢（定子）：电枢（定子）： I1 (Fa ) = 0转子每极磁通：转子每极磁通： 0 空载电动势：空载电动势： E0 = 4.44 f1 kw1 N10 或或电枢相电压：电枢相电压： U0P = E0电枢线电压（电枢线电压（Y 形联结）：形联结）：E0 = j4.44 f1 kw1 N10U0L =3 E0 E0 的频率：的频率：f1 =pn60二、同步电机的空载运行二、同步电机的空载运行 同步发电机被原动机拖

38、动至同步转速，转子绕组通入同步发电机被原动机拖动至同步转速，转子绕组通入直流励磁电流，定子绕组开路时称为空载运行。直流励磁电流，定子绕组开路时称为空载运行。 2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 44三、同步发电机的电枢反应三、同步发电机的电枢反应 空载时，同步电机中只有一个以同步旋转的转子磁空载时，同步电机中只有一个以同步旋转的转子磁场，即励磁磁场，它在三相绕组中感应出对称的三场，即励磁磁场，它在三相绕组中感应出对称的三相电势，每一相为相电势，每一相为E0，称为励磁电势，定子每相电，称为励磁电势，定子每相电压为压为E0=U。 当定子绕组接上对称的负载后，气

39、隙合成磁势由电当定子绕组接上对称的负载后，气隙合成磁势由电枢磁势与转子磁势相互作用共同建立，并建立负载枢磁势与转子磁势相互作用共同建立，并建立负载时的气隙磁场；时的气隙磁场；尽管励磁电流未变，但气隙磁场已不同于原来的励尽管励磁电流未变，但气隙磁场已不同于原来的励磁磁场，所以感应电势已不再是磁磁场，所以感应电势已不再是E0了。了。 对于功率因数滞后的感性负载，此时电势将明显地对于功率因数滞后的感性负载，此时电势将明显地低于空载电势低于空载电势E0，再计入电枢绕组中的电阻和漏抗，再计入电枢绕组中的电阻和漏抗压降后，这就使压降后，这就使U更加低于更加低于E0。 2022年5月8日星期日山东理工大学电

40、工电子教研室weipeiyu 制作 45对称负载时电枢磁动势的基波对主极磁场基波的影对称负载时电枢磁动势的基波对主极磁场基波的影响，简称对称负载时的电枢反应。响，简称对称负载时的电枢反应。电枢反应的性质主要取决于电枢反应的性质主要取决于E0与与I之间的相位差之间的相位差 ，亦即主要取决于负载的性质。亦即主要取决于负载的性质。下面就下面就 角的几种情况，分别讨论电枢反应的性质。角的几种情况，分别讨论电枢反应的性质。 叫做内功率因数角，电压与电流的相位差叫做内功率因数角，电压与电流的相位差 叫做外叫做外功率因数角。功率因数角。注意内功率因数角注意内功率因数角 无法测量，外功率因数角可以测无法测量，

41、外功率因数角可以测量。量。情况下，才能测到电势情况下，才能测到电势E0，负载，负载时测到的是电压。时测到的是电压。为什么？为什么？2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 46AXBYZCNSn当当 =0 时，图中所时，图中所示瞬间，示瞬间，A相绕组的相绕组的轴线与主磁极的交轴轴线与主磁极的交轴（q轴）重合；轴）重合；此时此时A相绕组励磁电相绕组励磁电动势为最大值，其方动势为最大值，其方向按右手定则确定。向按右手定则确定。（一）（一）E0和和I 同相（同相（ =0）时的电枢反应时的电枢反应因为因为 =0 ，所以此瞬间，所以此瞬间A绕组中的电流也达到最大绕组中的电

42、流也达到最大值。值。2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 47AXBYZCNSnFfFaF 三相电流联合产生三相电流联合产生的电枢磁势的基波的电枢磁势的基波振幅便落在振幅便落在A相绕相绕组轴线上；组轴线上； d 轴超前于轴超前于A相相相轴相轴 90，励磁，励磁磁势的基波相量磁势的基波相量在在d 轴上；轴上； Fa的基波分量在的基波分量在q轴上（称为转子交轴），它们和轴上（称为转子交轴），它们和转子一起以同步转速旋转，产生合成磁势转子一起以同步转速旋转，产生合成磁势F 。 qd2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 48这种电

43、枢磁动势称为交轴电枢磁动势，用这种电枢磁动势称为交轴电枢磁动势，用Faq表示，表示，相应的电枢反应称为交轴电枢反应。相应的电枢反应称为交轴电枢反应。对于气隙磁场交轴电枢反应将使合成磁场的轴线位对于气隙磁场交轴电枢反应将使合成磁场的轴线位置置从空载时的直轴处逆转向后移了一个锐角，且幅从空载时的直轴处逆转向后移了一个锐角，且幅值也有所增加。但因磁路的饱和现象，交轴电枢反值也有所增加。但因磁路的饱和现象，交轴电枢反应使幅值增加的很小。应使幅值增加的很小。对主磁场而言，交轴电枢反应在前极尖将起去磁作对主磁场而言，交轴电枢反应在前极尖将起去磁作用，在后极尖则起增磁作用。用，在后极尖则起增磁作用。时时空相

44、量图空相量图已知气隙合成磁势，并产生气隙合成磁密和磁通，该已知气隙合成磁势，并产生气隙合成磁密和磁通，该磁通在电枢绕组中产生合成电势。磁通在电枢绕组中产生合成电势。2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 49同理若忽略铁心饱和的影响：同理若忽略铁心饱和的影响： 这时应有这时应有 可从励磁磁势和电枢磁势分别求出励磁电势和电枢可从励磁磁势和电枢磁势分别求出励磁电势和电枢反应电势，即反应电势，即100ffFBE 11aaaaFBE a0相应地有相应地有 EEEa0应注意：这里所述的所有的时间相量都是属于定子中应注意：这里所述的所有的时间相量都是属于定子中某一相中的物

45、理量。某一相中的物理量。时轴：若取某轴为时间参考轴时，则旋转相量时轴：若取某轴为时间参考轴时，则旋转相量 I2在该轴上的投影即为电流的瞬时值，即当相量与该轴在该轴上的投影即为电流的瞬时值，即当相量与该轴重合时，正弦量达到最大值。重合时，正弦量达到最大值。 相轴：绕组的轴线。当某相电流达到最大值时，旋转相轴：绕组的轴线。当某相电流达到最大值时，旋转磁势的幅值就落在该相绕组的轴线上。磁势的幅值就落在该相绕组的轴线上。 2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 50(1)磁通相量磁通相量(时间相量时间相量)应与产生它的磁密相量应与产生它的磁密相量(空间空间相量相量)重

46、合；重合； 相量图的画法：相量图的画法：(2)忽略铁心中的损耗影响时，磁通相量应与产生它忽略铁心中的损耗影响时，磁通相量应与产生它的电流相量同相位；的电流相量同相位；(3)当磁通与感应电势正方向符合右手螺旋法则时，当磁通与感应电势正方向符合右手螺旋法则时，电势滞后于产生它的磁通电势滞后于产生它的磁通90。 而磁势与产生它的电流重合。而磁势与产生它的电流重合。(时轴与相轴取在一起时轴与相轴取在一起)根据这些基本关系，便可画出时空相量图如下图所示。根据这些基本关系，便可画出时空相量图如下图所示。 当各相时轴和相轴都取在绕组的轴线上时，时当各相时轴和相轴都取在绕组的轴线上时，时空空相量图存在下列关系

47、。相量图存在下列关系。 2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 51FaF 0I aE E0Ea Ff =0时的时的时时空相量图空相量图就是说就是说A相电流达到最大值时，转子已向前转过相电流达到最大值时，转子已向前转过90 。（二）当（二）当E0超前超前I 90 （ =90 ）时的电枢反应）时的电枢反应当当 =90 时，在图示瞬间，此时时，在图示瞬间，此时A相励磁电动势为最相励磁电动势为最大值，但定子大值，但定子A相电流为零。相电流为零。2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 52AXBYZCNSnFfFaF AXBYZCNS

48、n2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 53可见可见 =90 时直轴电枢反应的性质是纯粹去磁的。时直轴电枢反应的性质是纯粹去磁的。电枢磁动势的幅值恰好位于励磁磁动势的轴线上，电枢磁动势的幅值恰好位于励磁磁动势的轴线上，但方向相反。但方向相反。此时的电枢磁动势称为直轴电枢磁动势，用此时的电枢磁动势称为直轴电枢磁动势，用Fad表表示，相应的电枢反应称为直轴电枢反应，示，相应的电枢反应称为直轴电枢反应，（三）当（三）当E0滞后滞后I90 （ =-90 ）时的电枢反应）时的电枢反应当当 =-90 时，在图示瞬间，此时时，在图示瞬间，此时A相励磁电动势为最相励磁电动势

49、为最大值，但定子大值，但定子A相电流为零。相电流为零。若保证电压不变，即气隙的合成磁场不变，必须加若保证电压不变，即气隙的合成磁场不变，必须加大直流励磁，这种电机叫做过激状态的同步电机。大直流励磁，这种电机叫做过激状态的同步电机。2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 54就是说就是说A相电流达到最大值时，转子已向后转过相电流达到最大值时，转子已向后转过90;AXBYZCNSnFfFaF AXBYZCNSn电枢磁动势的幅值也恰好位于励磁磁动势的轴线上，电枢磁动势的幅值也恰好位于励磁磁动势的轴线上，但方向相同。但方向相同。2022年5月8日星期日山东理工大学电工

50、电子教研室weipeiyu 制作 55可见可见 =-90 时直轴电枢反应的性质是纯粹助磁的。时直轴电枢反应的性质是纯粹助磁的。此时的电枢磁动势称为直轴电枢磁动势，用此时的电枢磁动势称为直轴电枢磁动势，用Fad表示，表示，相应的电枢反应称为直轴电枢反应。相应的电枢反应称为直轴电枢反应。（四）一般情况下（四）一般情况下（0 xq所以所以E0EQ（感性）感性）2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 76UI ra Ij xqIEQjxdIdE0jxqIqUIra Ijxq IEQjxdIdjxq IqE0UIra Ijxq IEQjxd Idjxq IqE0 (c)

51、 电电容容性性(a) 电电感感性性(b) 电电阻阻性性 忽略忽略 ra 时时UI jxqIEQjxdIdE0jxq IqUIjxq IEQjxdIdjxq IqE0UIjxqIEQjxd Idjxq IqE0 2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 77 忽略电枢电阻，相量图重画如下忽略电枢电阻，相量图重画如下UI jxqIEQjxdIdE0jxqIq NOG IdIq线段线段ON的长度为的长度为cosONU所以励磁电势所以励磁电势E0 由相量图可得由相量图可得 1sincosqIxUtgU0cosddEUI x2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研

52、室weipeiyu 制作 78例：例：某三相同步发电机，已知某三相同步发电机，已知UN = 11kV，Y形联结，形联结，IN =460A，cos = 0.8（感性），（感性），xd = 16，xq = 8，ra 忽略不计。求忽略不计。求 、 、E0 。 U = UN 3= = 6 351 V 111031.732Vtan = Usin xqIUcos 6 3510.68460 6 3510.8=V = 1.474 = arctan1.474 = 55.85o = = 55.85o 36.87o = 18.98o E0 = Ucos xdId = (6351cos18.98o16460sin 5

53、5.85o )V = 12096.63 V解：解：2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 79第五节第五节 同步发电机的功率、转矩和功角特性同步发电机的功率、转矩和功角特性一、功率平衡一、功率平衡(1) 输入功率输入功率(2) 空载损耗空载损耗(3) 电磁功率电磁功率(4) 铜损耗铜损耗(5) 输出功率输出功率(6) 功率关系功率关系P1 = T1p0 = pFepmecpadPe = P1p0pCu = 3raI2 P2 = Pepcua = 3UIcos P1 = p0Pe = pFepmecpadpCuaP2 2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子

54、教研室weipeiyu 制作 80(7) 功率流程图和效率功率流程图和效率P1p0PepCuP2 = 100% P2P1二、转矩二、转矩(1) 输入转矩输入转矩(2) 空载转矩空载转矩(3) 电磁转矩电磁转矩(4) 转矩方程转矩方程T1 = P1sT0 = p0sTe = PesT1 = Te + T0= P1 n602 = p0 n602 = Pe n602 2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 81三、稳态的功角特性三、稳态的功角特性功角特性：保持功角特性：保持 n、If 、U 不变时，电磁功率不变时，电磁功率Pe与功与功率角率角 的关系，即的关系，即

55、Pe = f ( ) 。同步电机的电磁功率除了可用电势、电枢电流以及它同步电机的电磁功率除了可用电势、电枢电流以及它们之间的夹角来表示外，还可以用便于计算、调节和们之间的夹角来表示外，还可以用便于计算、调节和更能显示电机内部物理过程的一些物理量来表示，即更能显示电机内部物理过程的一些物理量来表示，即励磁电势励磁电势E0、端电压、端电压U和功率角和功率角 等。等。 正如转差率是异步电机的基本变量一样，对于并联运正如转差率是异步电机的基本变量一样，对于并联运行于电网的同步电机来说，功率角是它的一个基本物行于电网的同步电机来说，功率角是它的一个基本物理量。理量。 2022年5月8日星期日山东理工大学

56、电工电子教研室weipeiyu 制作 821. 隐极式同步发电机的功角特性隐极式同步发电机的功角特性 Pe = P2 = 3UIcos = 3 E0Icos 因在同步发电机中因在同步发电机中ra Te + T0有功功率的调节方法如下：有功功率的调节方法如下： = 0，T1 = T0 nnsTe n n = ns稳定稳定T1 = Te + T02022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 110原动机输入功率的增加也不是无限制的。原动机输入功率的增加也不是无限制的。对于隐极发电机，当对于隐极发电机，当 =90 时，电磁功率达到最大值时，电磁功率达到最大值Pmax时，若

57、再增加输入功率，则时，若再增加输入功率，则 90 ，这时电磁功，这时电磁功率将随着率将随着 的增大而减小；的增大而减小；输入功率扣掉空载损耗和减小了的电磁功率后还有剩输入功率扣掉空载损耗和减小了的电磁功率后还有剩余，剩余的功率将使转子继续加速，余，剩余的功率将使转子继续加速， 角继续增大，角继续增大，电磁功率电磁功率Pe继续减小，功率再不能保持平衡，发电机继续减小，功率再不能保持平衡，发电机将将“失去同步失去同步”，或叫做失去，或叫做失去“静态稳定静态稳定”。（二）静态稳定（二）静态稳定指电网或原动机方面出现某些微小扰动时，发电机能指电网或原动机方面出现某些微小扰动时，发电机能在这种瞬时扰动消

58、除后，继续保持原来的平衡运行状在这种瞬时扰动消除后，继续保持原来的平衡运行状态。就称这时的同步发电机是态。就称这时的同步发电机是“静态稳定静态稳定”的，否则的，否则就是静态不稳定。就是静态不稳定。同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 1110Pe/T 90o a0Pe/T 90o aT T1= T + T0a 点点： 干扰使干扰使 T1 T 抑制了抑制了 进一步增大进一步增大 b 点。点。bT1 = T + T0 干扰消失后，较大的干扰消失后，较大的 T，使机组恢复到使机组恢复到 a 点运行。点运行。a 点点： 干扰使

59、干扰使 T1 n T n T 失步失步。 干扰消失后，干扰消失后，n 不可能恢不可能恢复到复到 n1，即工作点不可能，即工作点不可能恢复到恢复到 a 点运行。点运行。稳定稳定运行区运行区同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 112结论：凡处于功角特性曲线上升部分的工作点，都是结论：凡处于功角特性曲线上升部分的工作点，都是静态稳定的，下降部分的工作都是静态不稳定的。或静态稳定的，下降部分的工作都是静态不稳定的。或者说在功角特性曲线上电磁功率和功率角同时增大，者说在功角特性曲线上电磁功率和功率角同时增大，或同时减小的那一部

60、分是静态稳定的。或同时减小的那一部分是静态稳定的。同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行静态稳定的判断依据：比整步功率静态稳定的判断依据：比整步功率(kW/rad)0ecxdPPd对隐极发电机，比整步功率为对隐极发电机，比整步功率为:0cosecxsdPE UPmdx 电机稳定区域内，电机稳定区域内，Pcx 越大，电机稳定增长性越好。越大，电机稳定增长性越好。Pcx可以表示发电机运行稳定度。可以表示发电机运行稳定度。2022年5月8日星期日山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作 113当当 =90 时，时，Pcx=0，正处在，正处在稳定的交界。稳定的交界。如图，当如图，当 =0时，