同步电机原理

电机学邱忠才西南交通大学电气工程学院同步电机同步电机基本理论和运行特性同步发电机在大电网上运行同步发电机的不对称运行同步电机的突然短路与振荡定子通入三相电流→产生转速为n1的旋转磁场→切割转子导体→在转子导体中产生感应电动势→形成感应电流→与定子磁场作用产生力矩→转子旋转回顾异步电机的原理主要作电动机用同步电机原理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

同步电机的基本理论和运行特性

同步电机的结构

同步电机一、同步电机的基本结构

形式旋转电枢式

旋转磁极式

隐极式（如汽轮发电机）

凸极式（如水轮发电机）

磁极放在定子上

旋转磁极式同步电机的类型NS+隐极式NSNS+凸极式同步电机由定子、转子、端盖和轴承等部件构成同步电机的结构

二、同步电机的结构特点1.定子定子绕组：三相对称，一般采用三相双层短距叠绕组，也称电枢绕组定子铁芯：一般由厚0.35mm或0.5mm的电工钢片叠成定子机座：支撑定子铁芯3.气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。2.转子汽轮发电机：隐极式，卧式结构注重通风和冷却水轮发电机：凸极式，立式结构，

分悬式和伞式，包括轴、转子支架、磁轭、磁极及励磁绕组、阻尼绕组等。另：凸极同步发电机也有卧式（横式）结构。如同步电动机、同步补偿机等同步电机的结构三、同步电机的额定值直流励磁机励磁——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————静止式旋转式同步电机的直流励磁系统励磁系统供给励磁电流→建立磁场，分以下两类:用整流装置将交流变成直流后供给励磁

换向困难

火花严重励磁容量增加引起集电环严重过热直流并励励磁系统直流励磁系统1、小型电机可以手动调节Rf来调整励电流来保证同步发电机恒压。一般均利用自动电压调节器来调节。

2、当电网电压突然下降时，采用强励磁方式，开关K闭合，Rf短接，励磁电压上升，励磁电流If增大。

3、直流励磁机与同步发电机同轴连接。特点他励式静止整流励磁系统1、发电机2、交流主励磁机3、交流副励磁机4、不可控硅整流器5、可控硅整流器6、自动电压调整器空载运行：原动机带动发电机在同步转速下运行，励磁绕组通过适当的励磁电流，电枢绕组不带任何负载时。空载运行是同步发电机最简单的运行方式，其气隙磁场由转子磁势单独建立，分析较为简单

同步电机空载运行激磁电动势的有效值在同步转速下，激磁电动势E0与励磁电流If之间的关系曲线E0=f(

If)，称为同步电机的空载特性。1、空载时的电磁关系2、空载特性0

E0=f(

If)E0,Φ0

If,Ff气隙线空载特性

If0

UNΦ电机的磁化曲线————Φ0=f(

Ff)E0空载额定电压时主磁路饱和系数

I'f0一、隐极同步电机的空载磁势励磁磁势在空间的分布为一个阶梯形，谐波分析法—>基波分量合理地选择大齿的宽度可以使气隙磁密的分布接近正弦波。一般，仅考虑磁通密度的基波分量

二、凸极同步电机的空载磁势气隙沿整个电枢圆周分布不均匀，极面下气隙较小，磁阻较小；极间气隙较大，极间磁阻很大。同一个极面下，气隙径向磁通密度的分布近似于平顶的帽形。极靴以外的气隙磁通密度减少很快，相邻两极中线上的磁通密度为零。气隙磁密用付立叶谐波分析分解出空间基波和一系列谐波。

励磁绕组—>集中绕组—>磁势波为矩形波结论感应电势的波形和大小与气隙磁密的分布形状及幅值大小紧密相关。在设计和制造电机时，应采取适当的措施，以获得尽可能接近正弦分布的气隙磁密，从而得到较高品质的感应电势。

三、同步电机中的时空量两极间中心线时间相量—单相绕组的感应电势、电压和电流，匝链的磁通空间矢量—三相绕组合成磁势和磁通密度（随时间变化）转子绕组轴线将相绕组轴线作为空间矢量参考轴（相轴）令时间相量参考轴（时轴）与空间矢量参考轴重合四、空载电势三相电势对称主磁通

0漏磁通

只有主磁通才在定子绕组中产生感应电势★空载时，励磁磁势Ff—随轴同转(称为机械旋转磁势)

，电枢绕组感应三相对称交流电势，励磁电势，即空载电势E0。★当电枢绕组接上三相对称负载后—>三相对称的电流—>同步速度旋转磁势—电枢磁势Fa—称为电气旋转磁势。★两个磁势：转速相同，转向一致，空间相对静止，矢量合成为一个合成磁势。★气隙磁场—由合成磁势在电机的气隙中建立起来的磁场。负载以后，电机磁势、磁场、绕组感应电势发生变化，由电枢磁势的出现所致。—电枢反应同步电机电枢反映内功率因数角ψE0I

解释：时间相量I与空间矢量Fa同向电枢磁势Fa——三相电流产生的合成磁势，哪一相电流达最大值，则位置在其绕组的轴线上；A相电流Ia——如Ia最大，则Ia在相轴上，此时Fa正好在交轴上ψ=0时电枢反应输出电流和空载电势同相，有功功率从电机输至电网——发电机状态。ψ＝0，cosψ＝1，sinψ＝0，不发出无功功率。转子磁势在直轴上，电枢磁势作用在交轴上，电枢反应的结果使得合成磁势的轴线位置产生一定的偏移，幅值发生一定的变化。作用在交轴上的电枢反应称为交轴电枢反应，简称交磁作用交轴电枢反应Fa滞后于Ff1发电机ψ=π/2时电枢反应输出电流滞后于空载电势90°，cosψ＝0，sinψ＝1，有功功率等于零，仅发出电感性无功功率。直轴电枢反应转子磁势和电枢磁势均作用在直轴上，方向相反，电枢反应为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小——直轴去磁电枢反应。为保持电压不变，应增大励磁，即为过激状态，将输出电感性无功功率ψ=π时电枢反应I与E0反相。cosψ＝-1，sinψ＝0，有功功率将从电网输送到电机——电动机运行状态。sinψ＝0，不发出无功功率。交轴电枢反应Fa超前于Ff1电动机转子磁势作用在直轴上，电枢磁势作用在交轴上，电枢反应使合成磁势的轴线位置产生一定的偏移，幅值发生一定的变化。ψ=-π/2时的电枢反应分析输出电流超前空载电势90°，cosψ＝0，sinψ＝-1，有功功率等于零，仅发出电容性无功功率，或吸收电感性无功功率。转子磁势和电枢磁势均作用在直轴上，方向一致，合成磁势的幅值加大，电枢反应为纯增磁作用——直轴助磁电枢反应。为保持电压不变，应减少励磁，即为欠激状态，将输出电容性无功功率

直轴电枢反应y为任意角度时的电枢反应将电枢磁势分解为直轴和交轴两个分量。交轴分量Faq滞后于Ff1为发电机运行，超前于Ff1为电动机运行，分别对应于输出和输入有功功率。直轴分量Fad可能是磁化或去磁作用，当去磁作用时，处于过激状态。当直轴电枢磁势起磁化作用时，接在电网上的同步电机处于欠激状态。电枢反应分析同步发电机运行情况：（-90o，90o）同步电动机运行情况：（90o，270o）电枢反应是实现能量转换的关键同步电机空载运行时，定子绕组开路，没有负载电流：不存在电枢反应，不存在由转子到定子的能量传递。当同步发电机带有负载时，就产生了电枢反应。不同负载性质时，电枢磁场与转子电流产生不同性质的电磁力和电磁转矩。实现能量的传递

（a)：电枢反应交轴作用，电磁力与旋转方向相反，为了维持发电机的转速不变，必须随着有功负载的变化调节原动机的输入功率（b）（c）：电枢反应直轴作用，b为去磁，c为助磁，为保持发电机的端电压不变，必须随着无功负载的变化相应地调节转子的激磁电流。同步发电机负载运行时物理量的关系：一、不考虑磁饱和时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，即上式代入电压平衡方程，可得式中，xs称为隐极同步电机的同步电抗，Xs=Xa+Xσ，Xa为电枢反应电抗xs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。Xa>>Xσ所以Xs≈Xa隐极同步发电机的等效电路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（a）过励发电机（b）欠励发电机考虑磁饱和时，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(要比交轴下单位面积的气隙磁导λq大很多，如图所示。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。一、双反应理论第五节凸极同步发电机的电压方程和相量图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凸极同步发电机的电压方程和相量图

从气隙电动势减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，便得电枢的端电压。采用发电机惯例，电枢的电压方程为：，

（1）不计磁饱和时

和可以用相应的负电抗压降来表示（2）将式(2)代入式(1)，并考虑，可得式中，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（3）由式（3）相量图电阻压降很小可以忽略凸极同步发电机的等效电路图三、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

第八节同步发电机空载、短路和负载特性前面所学链接第九节同步发电机的参数与测定一.1.1不饱和时同步电抗测定第十节同步发电机的稳态运行特性