电机与电力拖动 第9章 同步电机

输入的机械转矩T （ 电磁转矩TM （PM / ） 空载转矩T （ 1 P 1 / ） 0 P 0 / )；
二、同步发电机的功角特性
功角特性：当空载电势E0和端电压U保持不变时，发电机的电磁功率PM与
功角 之间的关系：PM f ( )
M
U E0 标幺值表示：P m sin , m相数， Xs
I d F ad ad E ad , E ad j I d X ad , I d I a sin ; X ad : 直轴电枢反应电抗； I a I q F aq aq E aq , E aq j I q X aq , I q I a cos ; X aq : 交轴电枢反应电抗；
60 f N p
，称为同步转速；定子旋转磁场
或转子的旋转方向决定于通入定子绕组的三相电流相序，改变其相序 即可改变同步电动机的旋转方向。
9.4 同步发电机的运行
一、空载磁场 原动机拖动同步发电机以同步转速旋转，励磁绕组通入直流励磁电流
，形成一个机械旋转磁动势 F f ，产生转子磁通 f ，在定子每相中
注意： 定子星形连接时，I a I N , U U N / 3;
用cos N 0.8, 求出；
;
I d I a sin ;
I q I a cos ;
相量： U E 0 jX d I d jX q I q

角度： ;
9.10 同步电动机
一、同步电动机的电势方程式和相量图（凸极）
相量： U E 0 jX d I d jX q I q

角度： ; 模：I d I a sin ;
模：I q I a cos ;
模：E0 X d I d U cos ;
同步电动机原理：
同步电动机工作时，定子的三相绕组中通入三相对称电流，转子的励 磁绕组通入直流电流。 同步电动机原理：在定子三相对称绕组中通入三相交变电流时，将在 气隙中产生旋转磁场；在转子励磁绕组中通入直流电流时，将产生极 性恒定的静止磁场；若转子磁场的磁极对数与定子磁场的磁极对数相 等，转子磁场因受定子磁场磁拉力作用而随定子旋转磁场同步旋转， 即转子以等同于旋转磁场的速度、方向旋转。 定子旋转磁场与转子的速度为

忽略电阻Ra压降且在感性负载时，内功率因数角的计算公式：
U sin I a X s ; U cos U sin I a X q 凸极同步电动机： arctan ; U cos 隐极同步电动机： arctan
: U与I a的交角，即外功率因数角；
U sin I a X s arctan ; U cos
SN：视在功率；PN：有功功率；QN：无功功率
9.7 同步发电机的参数测定和稳态运行特性
通过空载实验和短路实验可测得同步发电机的空载特性、短路特性；
利用这些特性可以求得同步电机参数Xd;
同步发电机的运行特性:外特性、调整特性和效率特性。
X d X ad X : 直轴同步电抗； 凸极同步电机：X d X q ;
X q X aq X : 交轴同步电抗； 隐极同步电机：X d X q X s ;
9.6 同步发电机的电势方程式和相量图
同步发电机的分析计算主要应用：电势平衡方程式和相量图；
不考虑定子电阻Ra，电势平衡方程式 (考虑定子电阻Ra时，在每个式子后加上 I a Ra即可，一般不要求）： 隐极同步发电机： E0 U j I a X s; 凸极同步发电机： E0 U j I d X d j I q X q; E 0 ：空载电动势； U ：发电机端电压； I a ：电枢电流； 以上方程式中的量和参数都是每相值；
N：额定效率；
(3) 调相机(三相）：输出的无功功 率 PN 3U N I N sin N；
2、额定电压UN——指额定运行时定子的线电压。 3、额定电流IN——指额定运行时定子的线电流。 额定频率fN（50Hz），额定转速nN（对同步电机而言为同步转速
60 f N ） p
9.3 同步电机的工作原理
感应出电动势 E 0 。同步电机在空载时只有此磁场， E 0 又叫空载电 势或励磁电势。 二、负载时电机的磁场和电枢反应 1、负载时电机的磁场



同步电机负载运行时，同时存在转子的机械旋转磁场和定子绕组产生
的电气旋转磁场，均以同步转速同向旋转，彼此相对静止。所以同步 电机在负载时，气隙中的磁场是两个磁场的合成磁场。




E j I a X , j表示 E 滞后 I a 90度； X ：每相的漏电抗；
X s X a X : X s同步电抗； X s，X a随磁饱和程度的增大而 减少；
2、凸极电机的Байду номын сангаас枢反应电抗和同步电抗 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处理然后叠加的方法。
2、电枢反应（重点） 同步电机带上负载后，三相绕组流过电枢电流 I a ，产生电气旋转磁 动势 F a ，产生旋转磁通 a ，它使气隙中磁场的大小及位置发生变 化，称为电枢反应。 几个必须掌握的重要概念

（1）内功率因数角 ：是 E 0 与 I 的时间相位角，与电机参数及负载有关； （2）外功率因数角 ：是 U 与 的时间相位角，与负载有关； I （3）功率角 ：是 E 0 与 U 的时间相位角，简称为功角； （4）三个角的关系 ： （5）直轴（纵轴、d轴）：主磁极轴线的位置； （6）交轴（横轴，q轴）：与直轴成90度电角度的位置；
定子，转子称为磁极。
同步电机一般采用旋转磁极式结构，根据磁极形状可分为 隐极和凸极两种型式。
隐极同步电 机在不考虑 齿槽效应时， 气隙均匀， 适合于高速 旋转。
凸极同步电 机气隙不均 匀，适合于 中速或低速 旋转场合。
同步电机结构特点： 转子：磁极（直流激磁） 定子：电枢（三相对称绕组） 磁极： （1）凸极式：有明显磁极，集中绕组，气隙不均匀。 （2）隐极式：圆柱形，气隙均匀，分布绕组。
模：I d I a sin ;
用E0 X d I d U cos 求出X d ;
用X q I q U sin 求出X q ;
模：I q I a cos ;
模：E0 X d I d U cos ;
模：X q I q U sin ;
本题的求解与9-14的求解步



电枢反应的性质：电枢反应对空载磁场的不同作用（增磁、去磁、交
磁）称为电枢反应的性质；它取决于内功率因数角。
内功率角不同时的电枢反应（记准，可考问答题） 电枢反应性质
交磁 直轴、去磁 直轴、增磁 直轴、去磁、交磁 直轴、增磁、交磁
对电机的影响
n(f) 下降 不变 不变 下降 下降 U 不变 下降 上升 下降 上升
第9章 同步电机
9.1 同步电机的类型和构造
1 同步电机的定义 转子转速（n）与电枢绕组感应电动势的频率（f）严格成正比的电机。 2 同步电机的分类 旋转电枢式 按结构分类 旋转磁极式 凸极式 同步发电机：机械能→电能 按用途分类 同步电动机：电能→机械能 同步调相机（改善电网功率因数） 隐极式
同步电机的定子还是转子称为电枢？
轴，采用并励或他励接法。 2、整流器励磁——静止式、旋转式
三、同步电机的额定值 1、额定容量SN(或额定功率PN)—指额定运行时电机的输出功率。
(1) 发电机(三相）：输出的电功率 PN 3U N I N cos N；
N : 额定功率因素；
(2) 电动机(三相）：输出的机械功 率 PN 3U N I N cos N N；
9.8 同步发电机的并网及并联运行时的功率调节
并网条件：
(1)幅值相同； (2)频率相同； (3)相位相同； (4)波形相同； (5)相序
并网的方法：
（1）准确整步法： 将发电机调到完全符合投入并联条件，然后投入电网。
（2）自整步法：
先验证发电机相序，拖到同步转速，然后直接加入电网。 无穷大电网：电网的频率和电压不受负载变化或其他扰动的影 响而保持为常数的电网。
隐极发电机的计算
常用公式（滞后）
常用公式
I d I a sin ; I q I a cos ;
E0 U j I a X s;



; E0 U cos I d X d ; U PN sin I q X q ; arctan
U sin I a X q U cos ;
模：E0 X d I d U cos ;
模：X q I q U sin ;
负载性质
纯阻性 纯感性 纯容性 感性 容性
9.5 电枢反应电抗和同步电抗
1、隐极电机的电枢反应电抗和同步电抗
I a F a a E a ; E a j I a X a , j表示 E a 滞后 I a 90度； X a :电枢反应电抗；

I a E ; 漏磁通和漏电动势
外特性: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； 调整特性: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； 效率特性: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；
P2 3UI cos ; PCu 3I 2 Ra
Pm+ Ps
PCu
P1：输入的机械功率；
PM 3UI cos 3I Ra 3I (U cos IRa );