电机学第6章同步电机

第6章同步电机6.1同步电机的基本结构和运行状态6.2空载和负载时同步发电机的磁场6.3隐极同步发电机电压方程相量图等效电路6.4凸极同步发电机的电压方程、相量图6.5同步发电机的功率方程和转矩方程6.6同步电抗的测定6.7定子漏抗和电枢等效磁动势的测定6.8同步发电机的运行特性6.9同步发电机与电网的并联运行同步发电机的基本工作原理大小：频率：

励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动转子以转速旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势

.相序：由转子的转向决定。波形：由可知，波形取决于的空间分布。U2U1W2V1W1V2发电机的物理过程可用图示表示旋转示意图1旋转示意图2

现代社会中的交流电能几乎全部由同步发电机产生。如汽轮发电机（火电和核电）和水轮发电机（水电站）单机容量均已超过100万KW

同步电动机主要驱动一些不要求调速的大功率生产机械。

调相机实际是并联在电网上空转的同步发电机。对电网的无功功率进行调节

同步电机是交流旋转电机的一种,因其转速恒等于同步速机时得名。同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和补偿机。6.1

同步电机的基本结构和运行状态

按运行方式，同步电机分发电机、电动机和补偿机。按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。按原动机类别,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为2极，转速为3000转/分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。同步电动机、柴油发电机和补偿机一般作成凸极式。旋转磁极式同步电机的类型NS+隐极式返回NSNS+凸极式返回1同步电机的基本结构按转子结构的不同,可分为隐极同步电机和凸极同步电机隐极同步电机（汽轮发电机）定子铁心：硅钢片叠成。机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。电枢绕组：三相对称绕组——铜线制成定子(电枢)转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出励磁绕组：铜线制成滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动转子返回汽轮发电机结构定子铁心返回汽轮发电机结构国产200MW汽轮发电机定子汽轮发电机结构国产200MW汽轮发电机定子铁心汽轮发电机结构返回汽轮发电机结构机械端口转子定子绕组定子铁心电端口ABC返回汽轮发电机结构汽轮发电机结构返回国产300MW汽轮发电机汽轮发电机结构引进600MW汽轮发电机汽轮发电机结构水轮发电机结构水轮发电机结构转子结构10000kW水轮机转子水轮发电机结构(1)立式水轮发电机(2)卧式水轮发电机现场运行的水轮发电机水轮发电机结构2同步电机的运行状态发电机——把机械能转换为电能

电动机——把电能转换为机械能补偿机——没有有功功率的转换，只发出或吸收无功功率

同步电机运行状态，主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角δ，δ称为功率角

NNoNoNoNNSoSoSSSSo主极主极同步电机的三种运行状态发电机补偿机电动机返回3同步电机的励磁方式直流励磁机励磁——直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或他励接法。整流器励磁————静止式旋转式分为电励磁方式和永磁励磁方式

直流发电机产生直流电通过集电环和电刷加到同步机的励磁绕组，换向器易产生火花现已经被永磁励磁方式和整流器的励磁方式取代。交流励磁机静止整流器励磁方式产生直流电通过集电环和电刷加到同步机的励磁绕组，转轴长度增长，轴的刚度的稳定性受影响。自励静止整流器励磁方式在发电机的出线端接励磁变压器，然后在经整流器产生直流电通过集电环和电刷加到同步机的励磁绕组，在大型发电机中应用非常广泛。旋转整流器（无刷）励磁方式。永磁励磁方式，特别是一些高速运行电机。常用的：直流励磁机、交流励磁机、静止整流器励磁、旋转整流器励磁带副励磁机的励磁系统GG副励磁机主励磁机同步发电机返回静止整流器励磁系统交流副励磁机交流主励磁机不可控整流起器电压调整器主发电机电压互感器电流互感器可控整流起器自励恒压器返回4同步电机的额定值对同步发电机额定值之间关系为：额定运行时加在三相定子绕组上的线电压。指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输出的额定视在功率或有功功率，单位是KVA或KW。电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是KW。调相机用KVA或Kvar表示。在额定运行状态下三相定子绕组的线电流.

空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所建立的主极磁场。表示一台四极电机空载时的磁通示意图。从图可见，主极磁通分成主磁通Φ0和漏磁通Φfσ两部分，前者通过气隙并与定子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁绕组相交链。主磁通所经过的主磁路包括空气隙电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭等五部分。6.2空载和负载时同步发电机的磁场一、空载运行同步发电机的空载运行同步发电机转子由原动机拖动到同步转速，转子绕组通以恒定的直流励磁电流，定子电枢绕组开路，这种运行状态，称为同步发电机的空载运行。励磁电流If单独建立的励磁磁动势Ff产生的主、漏磁通。主、漏磁通均随转子旋转，在气隙中形成旋转磁场。主磁通交链电枢绕组，在电枢绕组中感应电动势；漏磁通不交链电枢绕组，不在电枢绕组中感应电动势，不参与定、转子之间的能量转换.空载时电磁关系：空载特性：空载电动势大小：空载特性曲线：气隙线时空相矢量图时间相量E和空间相量F和B二、对称负载时的电枢反应

电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场就称为电枢反应。电枢反应的性质(增磁、去磁或交磁)取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。分析表明，此相对位置取决于激磁电动势E0和扭载电流I之间的相角差Ψ0(Ψ0称为内功率因数角)。下面分成两种情况来分析6.2空载和负载时同步发电机的磁场电枢反应的性质，取决于电枢磁动势基波和励磁磁动势基波之间的相对位置，即与空载电动势和电枢电流之间的夹角有关.励磁磁势和电枢磁势的区别基波波形大小位置转速转向励磁磁动势正弦波恒定，由励磁电流决定由转子位置决定由原动机的转速决定由原动机决定电枢反应磁动势正弦波恒定，由电枢电流决定由电流瞬时值决定由磁极对数和电流频率决定由电流相序决定准备工作三个角四个轴

1

时的电枢反应d轴q轴A轴AX

ZBCYNSC轴B轴电枢反应性质：交轴电枢反应空载电动势和电枢电流同相位.a)定子绕组电动势、电流和磁动势的空间矢量图b)时间矢量图c)时-空统一矢量图d)气隙合成磁场与主磁场的相对位置

a)滞后于时的空间矢量图

b)滞后时的时-空统一矢量图

c)超前时得时-空统一矢量图返回d轴q轴A轴AX

ZBCYNSC轴V轴2

时的电枢反应空载电动势超前电枢电流电枢反应性质：直轴去磁电枢反应d轴q轴A轴AX

ZBCYNSC轴B轴3

时的电枢反应空载电动势滞后电枢电流

电枢反应性质：直轴助磁电枢反应d轴q轴A轴AX

ZBCYNSC轴B轴4

一般情况下的电枢反应空载电动势超前电枢电流角,电枢反应性质：既有交轴,还有直轴去磁电枢反应此种情况下---直轴分量---交轴分量---直轴分量电流产生的合成磁动势---交轴分量电流产生的合成磁动势一般情况下的电枢反应小结上升下降

上升下降下降下降不变不变下降R、C增强交轴直轴助磁d、q轴R、L削弱交轴直轴去磁d、q轴C增强直轴助磁d轴L削弱直轴去磁d轴R波形畸变交轴q轴

负载性质对电机的影响电枢反应性质记作夹角

位置隐极(Cylindrical-rotor)发电机的电磁过程:不考虑磁饱和6.3隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路在时间相位上，滞后于以90°电角度，若不计定子铁耗,与同相位，则将滞后于以90°电角度于是亦可写成负电抗压降的形式，即采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，电枢的电压方程为

因为电枢反应电动势Ea正比于电枢反应磁通Φa不计磁饱和时，Φa又正比于电枢磁动势Fa和电枢电流I，即

(6—5)

(6—6)

将式(6—6)代人式(6—5)，可得

(6—7)

式中，Xs称为隐极同步电机的同步电抗，Xs=Xa+Xσ，它是对称稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两个效应的一个综合参数。不计饱和时，Xs是一个常值。图6—15a和b表示与式(6—5)和式(6—7)相对应的相量图，图6—15c表示与式(6—7)相应的等效电路。从图6—15c可以看出，隐极同步发电机的等效电路由激磁电动势和同步阻抗Ra+jXs串联组成，其中E0表示主磁场的作用，Xs表示电枢反应和电枢漏磁场的作用。隐极同步发电机的向量图返回隐极同步发电机的向量（图b）返回隐极同步发电机的等效电路返回隐极发电机的电势方程式其中同步电抗的物理意义：表征地对称负载下单位电枢电流三相联合产生的电枢总磁场在电枢每相绕组中感应电势简化方程式隐极发电机的相量图已知发电机的端电压、负载电流和功率因数cosφ及参数R

、xsφψδ当功率因数cos

φ滞后时的相量图考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理不再适用。此时，应先求出作用在主磁路上的合成磁动势F，然后利用电机的磁化曲线

(空载曲线)求出负载时的气隙磁通及相应的气隙电动势。二、考虑磁饱和时再从气隙电动势减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，使得电枢的端电压，即相应的矢量图、相量图和F～E间的关系如图6—16a和6—16b所示。图6-16a中既有电动势相量，又有磁动势矢量。故称为电动势—磁动势图。或返回一、双反应理论：考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，就称为双反应理论。凸极同步电机的气隙是不均匀的，极面下气隙较小，两极之间气隙较大，故直轴下单位面积的气隙磁导λd(λd＝μ0／λd)要比交轴下单位面积的气隙磁导λq(λq＝μ0／λq)大很多，当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时，由于λd较大，故在一定大小的磁动势下，直轴基波磁场的幅值Bad1相对较大。6.4凸极同步发电机的电压方程和相量图图6—18双反应理论双反应理论图6—18双反应理论返回双反应理论双反应理论（布朗戴尔双反应法）

在磁路不饱和的条件下采用叠加定理，先把电枢磁动势Fa分解为两个磁动势：一个作用在直轴上，叫直轴电枢反应磁动势Fad，一个作用在交轴上，称交轴电枢反应磁动势Faq，两者分别产生与其相位相同的直、交轴基波气隙磁通密度，分别在绕组中产生电枢反应磁动势Ead和Eaq，在加上基波励磁磁动势Ff1产生空载电动势E0。三者叠加就得到气隙磁动势

不考虑磁饱和时同步发电机负载运行时物理量的关系：二、凸极同步发电机的电压方程和相量图6.4凸极同步发电机的电压方程和相量图凸极同步发电机的电动势方程和相量图凸极同步发电机的电动势方程电磁关系：不计磁路饱和时有下列关系由于且令--直轴同步电抗--交轴同步电抗则电动势平衡方程分别表征在对称负载下，单位直轴或交轴三相电流产生的总电枢磁场在电枢每一相绕组中感应的电动势。直轴和交轴同步电抗的意义由于电抗与绕组匝数的平方和所经磁路的磁导成正比，所以所示。对于凸极电机，由于直轴下的气隙较交轴下小，>，所以Xad>Xaq，因此在凸极同步电机中，Xd>Xq。对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故Xd≈Xq≈Xs

返回

式中，Xd和Xq分别称为直轴同步电抗和交轴同步电抗，它们是表征对称稳态运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反应的一个综合参数。上式就是凸极同步发电机的电压方程。引入虚拟电动势，使可得

和可以用相应的负电抗压降来表示若正方向按图规定，则有代入得到凸极发电机的电动势方程或注意：方程式中的电压、电动势和电流均为相值。凸极同步发电机的向量图返回角的确定返回凸极同步发电机的等效电路图返回凸极同步电机电枢磁通及所经磁路及磁导返回直轴电枢磁导交轴电枢磁导返回凸极同步发电机的相量图作图步骤若内功率因数角不知，可从以下公式求取6.5同步发电机的功率方程和转矩方程一、功率方程和电磁功率

功率方程

若转子励磁损耗由另外的直流电源供给，则发电机轴上输入的机械功率Pl扣除机械损耗和定子铁耗后，余下的功率将通过旋转磁场和电磁感应的作用，转换成定子的电功率，所以转换功率就是电磁功率Pe，即

再从电磁功率Pe中减去电枢铜耗可得电枢端点输出的电功率P2；即

电磁功率

上式的第一部分与感应电机的电磁功率表达式相同，第二部分则是同步电机常用的。对于隐极同步电机，由于EQ＝E0，故有二、转矩方程返回电磁转矩

同步发电机带上负载后，电枢电流建立电枢反应磁场，它与励磁电流作用产生电磁力，在某些情况下形成电磁转矩，实现机电能量转换。输出的有功功率越大，有功分量电流就越大，交轴电枢反应越强，电磁转矩越大，为了保持电机的转速不变，要求原动机输入更大的驱动转矩——调节有功功率。1.有功电流产生电磁力,形成电磁转矩当发电机带有功负载(阻性负载)时,可以近似认为即，电枢绕组流过有功电流时,产生交轴电枢反应磁场。励磁绕组载流体在该磁场作用产生电磁力，并形成制动性质的电磁转矩。2.无功电流产生电磁力但不形成转矩

说明发电机带感性(或容性)无功负载时,不需要原动机增加能量。

但是直轴去磁（或助磁）电枢反应对气隙磁场有去磁（或助磁）作用，致使发电机端电压下降（或上升）。为维持电压恒定，励磁电流需要相应增加（或减小）——调节无功功率。发电机带电感或电容负载(无功负载)时,可以认为产生直轴去磁(或助磁)电枢反应磁场。励磁绕组载流体在该磁场作用产生电磁力，但不形成电磁转矩。有功电流产生电磁力，并形成电磁转矩无功电流产生电磁力，不形成电磁转矩当忽略电机本身参数,ψ≈φ=00,有功电流产生电磁力,并形成电磁转矩Temn1Temψ≈φ=900,无功电流产生电磁力,不形成电磁转矩

n1nΦadIfAZBXCYNS6.6同步电机参数的测定一、用空载特性和短路特性确定Xd

空载特性可以用空载试验测出。试验时，电枢开路(空载)，用原动机把被试同步电机拖动到同步转速，改变励磁电流If，并记取相应的电枢端电压U0(空载时即等于E0，直到U0≈1.25UN左右，可得空载特性曲线。

短路特性可由三相稳态短路试验测得，试验线路如图6-24a所示。将被试同步电机的电枢端点三相短路，用原动机拖动被试电机到同步转速，调节励磁电流If使电枢电流I从零起一直增加到1.2IN左右，便可得到短路特性曲线，如图6—24b所示。

短路时，，故，，而

所以

因为短路试验时磁路为不饱和，所以这里的E0(每相值)应从气隙线上查出，如图6—25所示，求出的Xd值为不饱和值。

(6—19)(6—20)

Xd的饱和值与主磁路的饱和情况有关。主磁路的饱和程度取决于实际运行时作用在主磁路上的合成磁动势，因而取决于相应的气隙电动势；如果不计漏阻抗压降，则可近似认为取决于电枢的端电压，所以通常用对应于额定电压时的Xd值作为其饱和值。为此，从空载曲线上查出对应于额定端电压UN时的励磁电流If0，再从短路特性上查出与该励磁电流相应的短路电流，如图6—26所示，这样即可求出Xd(饱和)例题返回短路实验接线图返回短路特性返回用空载和短路特性来确定返回

(饱和)的确定返回6.7同步发电机特性、短路特性及同步电抗的测定1.空载特性定义：

空载特性是发电机的基本特性之一。它一方面表征了磁路的饱和情况，另一方面把它和短路特性、零功率因数负载特性配合，可确定电机的基本参数、额定励磁电流和电压变化率等。

实际生产中，它还可以检查三相电枢绕组的对称性、匝间短路、判断励磁绕组和定子铁心有无故障等。定义：短路时的等效电路2.短路特性短路时,电枢反应为直轴去磁气隙电动势很小,感应气隙电动势的气隙磁通量很小,所以磁路不饱和.所以短路特性是一条过原点的直线.此时是常数,有先短路后励磁，短路电流小3.同步电抗的求取隐极发电机三相绕组短路电流时电压方程式忽略电阻R时如果已知漏电抗，则电枢反应电抗为3.同步电抗的求取短路时Iq=0，Id=Ik求xd不饱和值时,首先给定一励磁电流If，在空载特性的不饱和段或气隙线上确定对应If的E0值，然后在短路特性曲线上确定对应If的短路电流Ik的值,则

求取xd饱和值时，首先在空载特性上取对应额定电压UN的励磁电流If0，再从短路特性上取出对应If0的短路电流Ik，则

交轴同步电抗

凸极发电机6.8同步发电机的运行特性一、同步发电机的运行特性同步发电机的稳态运行特性包括外特性、调整特性和效率特性。

外特性——外特性表示发电机的转速为同步转速，且励磁电流和负载功率因数不变时，发电机的端电压与电枢电流之间的关系：即n＝nS，If=常值，cosφ=常值时，U=f(I)。

图6—30

表示带有不同功率因数的负载时，同步发电机的外特性。

调整特性——调整特性表示发电机的转速为同步转速、端电压为额定电压、负载的功率因数不变时，励磁电流与电枢电流之间的关系；即n＝nS，U=UNΦ，cosφ=常值时，If=f(I)。

图6—31表示带有不同功率因数的负载时，同步发电机的调整特性

效率特性——效率特性是指转速为同步转速、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=UNΦ，cosφ=cosφN时，η=f(P2)。

返回同步发电机的外特性cosΦ=0.8滞后cosΦ=1cosΦ=0.8超前返回图6—31同步发电机的调整特性cosΦ=0.8滞后cosΦ=1cosΦ=0.8超前返回1.负载特性2.零功率因数负载特性：功率因数为零时的负载特性目的：求电枢绕组的漏电抗同步发电机的零功率因数负载特性和保梯电抗的测定IfE0U气隙线空载特性试验曲线取额定点n,取与横轴两线的距离到L3处,作气隙线的平行线交空载特性与K点,过K点作垂线交m.km即为对应漏电抗电动势nL3km同步发电机的电压调整特性和调整特性定义：1.同步发电机的电压调整特性即外特性

当发电机带阻性和感性负载时，外特性是下降的，原因是电枢反应的去磁作用和电枢漏阻抗产生了电压降；带容性负载时且（发电机负载的容抗大于同步电抗）时，外特性是上升的，原因是电枢反应的助磁作用和容性电流在漏抗上的压降。为了在不同功率因数下时能得到额定电压，感性负载时要增大励磁电流，容性负载时应减小励磁电流。

2.调节特性

在感性和阻性负载时，随着负载电流的增加，必须增加励磁电流，补偿电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降，保持端电压恒定；对容性负载，随着负载电流的增加，必须减小励磁电流。

在功率因数一定情况下,根据调整特性曲线,可确定在负载变化范围内,维持电压不变所需的励磁电流的变化范围。运行人员可利用调整特性曲线,使系统中无功功率的分配更合理一些。并联运行的含义6.9同步发电机与电网的并联运行1、提高供电的可靠性；2、提高供电的经济性；3、提高电能的质量。无穷大电网的含义

将两台或更多台发电机分别接在电力系统对应母线上，或通过变压器、输电线接在电力系统的公共母线上，共同向负荷供电.并联运行的优点并列方法1.准同步法2.自同步法准同期并列的条件1.待并发电机的电压与电网电压大小相等；2.待并发电机电压相位与电网电压相位相同；3.待并发电机电压频率与电网电压频率相同；4.待并发电机的相序与电网的相序相同。

上述条件（4）一般在安装发电机时，根据发电机的转向确定了发电机的相序而满足，因此运行人员在并列时只需调节发电机使其满足其它三个条件即可。

不满足任一条件的并列称为非同期并列，将对电机产生严重的危害。重点内容条件不满足时对电机的影响1、电机和电网之间有环流，定子绕组端部受力变形。2、产生拍振电流和电压，引起电机内功率振荡。3、电机和电网之间有高次谐波环流，增加损耗，温度升高，效率降低。4、电网和电机之间存在巨大的电位差而产生无法消除的环流，危害电机安全运行。1.电压大小不等此时,S两端有电位差

在电位差的作用下发电机产生冲击电流，即

冲击电流为无功分量，不会加重原动机的负担，但会在电枢绕组中产生很大的冲击力，使电枢绕组端部受冲击力的作用而变形。由于xd’’

很小，所以即使△U不大，冲击电流也会很大

电网2.相位不同此时,ab两端有电位差

电位差可达发电机电压的两倍，若此时并列，会产生很大的冲击电流，发电机会因遭受巨大的冲击力而损坏。冲击电流的影响

1)电枢绕组端部受力变形;2)转轴上受冲击转矩的作用,使机轴扭曲变形;

3)电枢绕组发热.3.频率不同转轴上时而产生制动转矩、时而产生驱动转矩，结果是电机振动。拍振电流使电枢绕组端部受力变形，使电枢绕组发热。4.相序不同

发电机实际并列时，除了相序必须一致外，其它条件允许有一定的偏差，如△U不超过10%，相位差不超过10%，频率偏差不超过0.2%～0.5%（0.1～0.25Hz)。二、自同期法

相序正确前提下，起动未加励磁的发电机，当其转速接近同步速时，合上同步开关，将发电机并网，然后加上发电机励磁将发电机牵入同步。并网前，励磁绕组需经限流电阻闭合。并列时会较大有冲击电流和转矩,一般用于紧急状态下的并列操作.相序不同的发电机不能并列，因为此时和恒差，恒等于，它将产巨大的冲击电流危害电机及系统。同步发电机的并联运行分析1.调节励磁电流增大励磁电流，Ff1变大,E0相位不变幅值变大，U不变，发电机输出滞后的无功功率，产生去磁作用。反之合闸后减少If，则产生增磁的电枢反应。发电机的励磁电流只能产生超前或滞后的纯无功电流。不能产生有功功率

发电机并网前的电压不等其它都相等，在合闸时。除产生冲击电流，还会产生无功电流，向电网输功功率。2.调节原动机的转矩

通过调节汽轮机的汽门，水轮机的水门，内燃机的油门实现。当并联在