第七章 同步电机

杭州电子科技大学《电机学》自动化学院第七章同步电机同步电机：交流电流的频率

f

与电机极对数

p和转速

n1

相关。同步电机分为：同步发电机：大部分同步电机作为同步发电机运行。同步电动机：优点：始终同步转速，与负载大小无关。功率因数可调。

缺点：结构相对复杂，造价高，运行维护复杂。同步补偿机：调节电网的无功功率。7.1同步电机的基本结构和运行状态同步电机中机电能量转换的关键枢纽为定子绕组，将定子绕组称为电枢绕组。同步电机的磁极是旋转的，而电枢是固定的。凸极式转子：凸出的磁极，气隙不均匀，极弧下较小，极间较大。隐极式转子：圆柱形，表面开槽，励磁绕组嵌入槽内，

气隙沿圆周分布均匀。7.1.1隐极同步电机的结构汽轮发电机转速较高（3000r/min以上），转子外形细长。汽轮发电机结构汽轮发电机结构3D动画7.1.2凸极同步电机的结构水轮发电机转速较低（1000r/min以下），转子圆盘状外形。水轮发电机结构水轮发电机结构3D动画轴流式水轮机的运转动画7.1.3同步电机的运行状态同步电机的运行状态主要取决于电枢合成磁场与转子励磁磁场之间的夹角θ

。

θ

角称为功率角。7.1.4额定值同步电机的额定值，又称铭牌值。额定容量SN：额定运行时电机出线端的视在功率，单位kV·A。额定功率

PN：额定运行时输出功率，单位W或kW。额定电压

UN：额定运行时定子绕组线电压，单位V或kV。额定电流

IN：额定运行时，定子绕组线电流，单位A。额定功率因数cosφN：额定运行时定子绕组功率因数。额定频率

fN：额定运行时定子绕组中电流与电压的工作频率(Hz)。

我国工频为50Hz。额定转速

nN：额定运行时，其转子转速，单位为r/min。额定效率

ηN：额定运行时输出功率与输入功率之比。额定励磁电压

UfN和额定励磁电流

IfN：额定运行时加到励磁绕组上的直流电压和电流。同步发电机同步电动机杭州电子科技大学《电机学》自动化学院7.2同步发电机的空载磁场和电枢反应

同步电机的转子励磁绕组通入直流励磁电流后，会产生一个随着转子同步旋转的磁场，称为机械旋转磁场。该磁场切割定子槽内的定子绕组，从而在定子绕组上感应出电动势。若在定子输出端接上三相对称负载，则定子绕组内产生三相对称的电流。

定子绕组的三相对称交流电流会产生一个在空间中旋转的磁场。该旋转磁场由交流电激励而产生的，称电气旋转磁场，或者电枢磁场。7.2.1空载磁场同步发电机的空载运行：同步发电机由原动机拖动到同步转速运行，励磁绕组中通以直流励磁电流，电枢绕组开路（定子电流为零）。空载磁通。空载电动势。1.同步发电机的励磁磁动势（1）凸极同步发电机集中式励磁绕组。每一个气隙磁动势Ff=NfIf/2。矩形波。基波磁动势称励磁磁动势波形因数（2）隐极同步发电机励磁绕组是同心线圈。每一个气隙磁动势Ff=NfIf/2。阶梯波。基波磁动势基波励磁磁动势

：(1)幅值(2)极对数与转子的磁极对数一致；(3)转向与转子转向相同，转速相等，均为同步转速。2.基波励磁磁动势空间相量基波励磁磁动势在空间中按正弦分布，因此可以用相量表示。以同步电角速度ω=(2πn1p)/60沿α正方向旋转。3.基波气隙磁通密度空间相量

与方向一致，且以相同的电角速度ω沿空间参考轴+A轴旋转。4.定子一相绕组的基波感应电动势相量时空相量图：将空间参考轴+A轴与时间参考轴+j轴重合。

、

、

一起以电角速度ω沿逆时针方向旋转，且无论转子旋转至何位置，均有

滞后90°电角度。杭州电子科技大学《电机学》自动化学院7.2.2电枢反应当发电机带负载后，三相对称电枢绕组中流过三相对称电流，产生三相合成磁动势，即电枢磁动势，用

表示。基波电枢磁动势对基波励磁磁动势的影响称电枢反应，即对的影响。1.隐极同步发电机的电枢反应1）ψ＝0°直轴（

d轴）：通过磁极中心线的轴线；交轴（

q轴）：通过两个磁极之间，与直轴相差90°空间电角度的轴线。交轴电枢反应磁动势

使合成磁动势后移了一个电角度，幅值增加。ψ为内功率因数角，与的夹角，决定于负载性质。3)ψ＝-90°

直轴增磁电枢反应磁动势使合成磁动势增大，方向不变。2)ψ＝90°

直轴去磁电枢反应磁动势使合成磁动势减小，方向不变。ψ＝90°ψ＝-90°4)ψ＝任意角一般情况下，电枢磁动势既不在直轴，也不在交轴。可分解为两个分量：一个是直轴方向的分量，称为直轴电枢反应磁动势

；另一个是交轴方向的分量，称为交轴电枢反应磁动势

。2.凸极同步发电机的电枢反应双反应理论：把电枢磁动势

分解为直轴分量

和交轴分量

，分别进行分析和计算，最后再把它们的效果叠加起来，就是电枢反应。杭州电子科技大学《电机学》自动化学院7.3同步发电机的电压方程、相量图和等效电路7.3.1隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路1.不考虑磁路饱和负载运行时，电枢电流。电枢反应电动势（或）滞后（）90°电角度。电枢反应磁通以同步转速切割定子绕组并感应出电动势，称电枢反应电动势。Xa称为电枢反应电抗。交流电流在一个电感线圈中产生了电动势

，而该电感线圈就是电枢绕组。Xa反应了一定电枢电流下，电枢反应的强弱。漏磁通

在电枢绕组中产生感应电动势Xs称隐极同步电机的同步电抗，是定子电枢反应电抗与电枢漏电抗之和。它反应一定电枢电流下，在电枢绕组中所产生的感应电动势的强弱。在电枢绕组有三相对称电流后，磁通为

和

与定子绕组交链，两者在电枢绕组中所产生的全部电动势为Xσ称定子绕组的电枢漏电抗。Zσ=R+jXσ

称每相绕组的漏阻抗。定子一相绕组的电压方程式气隙电动势正方向规定2.考虑磁路饱和

当磁路饱和时，磁路非线性，叠加原理不再适用。应当求出作用于主磁路上的合成磁动势，利用电机的空载特性曲线求出负载时的气隙磁通以及气隙电动势。定子一相的电压方程式可表示为7.3.2凸极同步发电机的电压方程、相量图在凸极电机中，气隙不均匀。磁动势与电动势之间的定量分析要借助于双反应理论。将电枢磁动势

分解为直轴分量

和交轴分量

。和所经路径与转子位置无关。不考虑磁路饱和时，无论转子转到什么位置，和对应的磁阻不变。

凸极同步发电机，直轴磁路的气隙小，交轴磁路的气隙大，一般Xad＞Xaq。Xad——直轴电枢反应电抗；Xaq——交轴电枢反应电抗Xad和Xaq

表示三相直、交轴电枢电流产生的总磁通（包括基波气隙磁通与漏磁通）在一相绕组中感应产生的基波电动势与一相绕组电流直、交轴分量的比值，是等效电抗。表示在对称负载下单位直流或交流电枢电流产生的总磁场（包括电枢反应磁场和漏磁场）在电枢每相绕组中感应的电动势。由于

Xad＞Xaq，所以

Xd＞Xq。定子一相的电压方程式为Xd——直轴同步电抗Xq——交轴同步电抗采用双反应理论进行分析，必须知道空载电动势与电枢电流之间的内功率因数角

。在已知凸极发电机的参数和外部情况下，

可通过凸极发电机的电动势相量图求得。杭州电子科技大学《电机学》自动化学院7.4同步发电机的功率方程、转矩方程和功角特性P2=PM－pCu=P1－pm－pFe－pCu7.4.1功率方程对于大、中型同步发电机，通常

pCu<1%PN，可忽略。

PM

=P2=mUIa

cos7.4.2功角特性设空载电动势与端电压之间的夹角为同步发电机并网运行时，U与同步电抗都为常数。不调节励磁电流，E0也为常数。由于电磁功率的大小由

角决定，我们将

角称为功率角。同步发电机的功角特性：励磁电动势E0和端电压U保持不变时，电磁功率PM与功率角之间的关系。7.4.3转矩方程

同步发电机总是运行在同步转速。基本电磁转矩附加电磁转矩杭州电子科技大学《电机学》自动化学院7.5.1用空载特性和短路特性确定电机参数1.空载特性同步发电机空载运行：转子同步速旋转，电枢绕组开路（电枢电流为零）。空载特性指：电机空载运行时，励磁电流和所产生的空载电动势之间的关系曲线，即

E0=f（

If

）。7.5

同步发电机参数的测定空载特性曲线与电机的磁化特性曲线形状完全相同。2.短路特性同步发电机短路运行时，转子以同步速旋转，电枢绕组持续稳态短路，U0=0。短路特性：短路运行时，短路电流

Ik

与励磁电流

If

的关系，即

Ik

=f(If)。（1）隐极同步发电机（2）凸极同步发电机同步发电机短路特性是一条通过原点的直线。均忽略电枢电阻同步发电机稳态短路没有危险，电枢反应起去磁作用，短路电流不致过大。3.同步电抗求同步电抗的饱和值，先找额定电压下的励磁电流，再从短路特性上找出与该励磁电流下的短路电流。(C点)求同步电抗的不饱和值，应避开空载特性饱和部分(弯曲部分)。凸极同步发电机的交轴同步电抗

Xq，可根据经验公式求得，Xq≈0.65Xd7.5.2短路比同步发电机的短路比：指产生空载额定电压所需的励磁电流

If0

与产生短路额定电流所需的励磁电流Ifk

之比。影响过载能力、电机成本与尺寸。一般，汽轮发电机短路比0.4~1.0，水轮发电机短路比0.8~1.8。杭州电子科技大学《电机学》自动化学院7.6同步发电机的运行特性同步发电机单机运行时，电机同步速旋转，保持励磁电流和功率因数cosφ恒定，端电压U与负载电流的关系，即U=f(I)。(1)负载性质影响外特性曲线形状；感性负载1，曲线尾部下降；

容性负载3，曲线尾部上翘；（电枢反应：去磁、增磁）(2)感性负载时，空载电压大于满载电压UN；(3)容性负载时，空载电压可能小于满载电压UN

。7.6.1外特性负载改变时，发电机的端电压

U也会随之改变。用电压调整率ΔU来衡量电压变化的大小。从空载到额定负载，电压调整率为同步发电机的电压调整率较大，一般为20%~40%。7.6.2调整特性同步发电机的调整特性：发电机的转速为同步转速、保持端电压为额定电压、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If=f(I)。（电枢反应：去磁、增磁）1237.6.3效率特性同步发电机运行在同步转速、额定电压、额定功率因数时，效率与输出功率P2

之间的关系，即额定效率：现代空气冷却的大型水轮发电机大约为95%~98.2%。汽轮发电机空气冷却时大约为94%~97.8%，氢气冷却时可提高0.8%，水冷却时还可提高0.5%。基本损耗：电枢基本铁耗、基本铜耗、励磁损耗、机械损耗杂散损耗杭州电子科技大学《电机学》自动化学院7.7同步发电机并联运行7.7.1并联合闸的条件和方法最基本的两个判断方法：暗灯法、灯光旋转法

三相交流电系统不能产生大的电流冲击。若要理想并联合闸，则发电机端电压

与电网电压

需同时满足：（1）频率相同；（2）波形相同，幅值相等；（3）相序一致；（4）相位相同。1.暗灯法只有四个并联条件都满足时，才有电压差ΔUa=ΔUb=ΔUc=0，全部相灯才完全熄灭，此时才可进行并联合闸，该方法称为暗灯法。（1）频率不等两侧电压相位差在0°和360°之间变化。三个相灯同暗、同亮交替变化。相灯布置（2）幅值不等相灯总在最亮和最暗之间变化，没有完全熄灭的时候。相序接错时相灯电压相量图（3）相序不同（假设B和C相接错）（4）相位不等相灯缓慢地亮暗变化。β

=0°时，1灯灭，2和3灯亮且亮度相同。β

=120°时，2灯灭，1和3灯亮且亮度相同。β

=240°时，3灯灭，1和2灯亮且亮度相同。发电机频率低于电网频率时，相灯熄灭顺序1，2，3，1，灯光顺时针旋转。发电机频率高于电网频率时，相灯熄灭顺序1，3，2，1，灯光逆时针旋转。2.灯光旋转法若把并联合闸的相灯故意接在不同相之间，使它们在正确的相序下出现旋转灯光。这种并联合闸的方法，称为灯光旋转法。相灯1熄灭，相灯2和相灯3都亮着，且亮度一样时，β=0°，即可合闸。3.自同步法事先检验好发电机的相序，将发电机转速升高到接近同步速时，不加励磁（励磁绕组经限流电阻短路），合上并联开关，再立即加励磁，靠定、转子间的电磁力自动牵入同步。优点是操作简单、迅速，不需增加复杂的并联装置。缺点是合闸时有电流冲击。7.7.2有功功率的调节调节汽门增加输入机械功率；输入功率

>输出功率，转子加速；转子磁极轴线与合成磁场间夹角

增大；电磁功率增加；电磁功率=输入机械功率，稳态运行。隐极同步发电机的功角特性在调节无功功率时，忽略电枢电阻和磁饱和的影响，并假定原动机输入的有功功率保持不变，发电机输出的有功功率保持不变。7.7.3无功功率的调节和V形曲线输出功率基本电磁功率以隐极同步发电机为例，正常励磁过励磁欠励磁电压方程改变同步发电机的励磁电流会引起电枢电流大小和相位的变化。正常励磁电流时，电枢电流最小；增大或减小励磁电流时，电枢电流都变大。关系曲线Ia=f(If)可由电机的负载试验确定。因曲线形似字母“V”，故称为同步发电机的V形曲线。杭州电子科技大学《电机学》自动化学院7.8同步电动机原理7.8.1同步电机运行的可逆原理假设主磁路未饱和且线性，只考虑基波磁动势。7.8.2同步电动机的电压方程和相量图1.电压方程凸极同步电动机，双反应理论。2.相量图容量较大的同步电动机可以忽略。凸极同步电动机隐极同步电动机7.8.3同步电动机的功率方程和转矩方程1.功率方程2.转矩方程7.8.4同步电动机的工作特性同步电动机的工作特性是指在额定电压、额定励磁电流时，电磁转矩、电枢电流、效率、功率因数与输出功率之间的关系，即、、、与的函数关系。同步电动机是定转子双边励磁的电动机，励磁电流的大小能够影响同步电动机的功率因数。励磁电流：1<2<37.8.5功率因数调节和V形曲线电网的负载主要是感性负载，既消耗有功功率，还要从电网吸收滞后性的无功功率，降低电网功率因数，电能质量变差。

当同步电动机励磁电流不同时，其功率因数会发生变化。因此，通过改变同步电动机的励磁电流，可以调节功率因数。当同步电动机接在交流电源上，假设电源电压、频率都保持不变，同步电动机的输出功率也保持为常数。在分析过程中，忽略同步电动机的各种损耗。1.功率因数调节由于电源电压、电源频率以及同步电动机的同步电抗都是常数，因此励磁电流变化时，励磁电动势随之变化，但必须满足此式。定子侧有功电流维持不变。不管如何改变励磁电流的大小，的轨迹总是处在与平行的虚线上，的轨迹总是处在与垂直的虚线上。（1）正常励磁状态：同步电动机从电网中仅吸收有功功率，不吸收任何无功功率，此时的同步电动机就像个纯电阻负载，功率因数；（2）欠励磁状态：电枢电流落后电压角度。此时，同步电动机从电网中除了吸收有功功率外，还要吸收滞后性的无功功率。这种情况下运行的同步电动机像个电阻电感负载；（3）过励磁状态：电枢电流超前电压角度。此时，同步电动机从电网中除了吸收有功功率外，还要吸收超前性的无功功率。这种情况可改善电网的功率因数。2.V形曲线同步电动机的V形曲线是指在保持电源电压和同步电动机输出功率不变的条件下，电枢电流与励磁电流之间的关系曲线，即。V形曲线可以通过实验测得。杭州电子科技大学《电机学》自动化学院7.9同步电动机的起动同步电动机仅在转子以同步转速运行时才能产生恒定的电磁转矩。起动时，如果直接把定子绕组接到三相交流电源，转子接到直流励磁电源，则定子磁场以同步转速旋转，但是由于转子及其机械负载的惯性比较大，转子磁场静止不动，定、转子磁场之间具有相对运动，作用在转子上的电磁转矩正、负交变，使其平均转矩为零，因此，同步电动机不能自行起动。起动方法：辅助电动机起动、变频起动、异步起动。1.辅助电动机起动用一台极数与同步电动机相同的小容量感应电动机（容量为主机的10%~15%）作为辅助电动机。当辅助电动机把同步电动机拖动到接近同步转速时，同步电动机转子励磁绕组加直流励磁，定子接入交流电源，依靠同步电动机的同步转矩将转子牵入同步，然后切断辅助电动机