同步发电机的基本电磁关系
同步发电机结构及工作原理PPT
火电厂和核电站的汽轮机拖动的发电机，转
速高，转子宜作成细而长的隐极式，这种发电机通 常称为汽轮发电机。
核电站用的汽轮发电机在构造上与常规火电站
用的大同小异，所不同的是由于蒸汽压力和温度都 较低，所以同等功率机组的汽轮机体积比常规火电 站的大。
水轮机拖动的发电机，转速低，因而要求有较 多的磁极，转子宜作成短而胖的凸极式。
在火电厂，发电机用汽轮机作原动机，称为汽 轮发电机；在核电站是以核反应堆来代替火电站的 锅炉，原动机仍然是汽轮机；
在水电厂，发电机用水轮机作原动机，称为水 轮发电机；
有的地方用柴油机用作原动机，称为柴油发电 机。
18.06.2020
7
三相同步发电机的基本工作原理
N
If
n
Sቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
18.06.2020
• 同步发电机基本工作原理：导 体切割磁力线感应电动势。
磁势Fa
Fa
18.06.2020
nn11
6600 ff pp
nnnn1 1
(同步电机) 10
三相同步发电机的基本工作原理
定子绕组三相感应电势
eOAEmsi nt
eOB E msi nt (12 )0 eOC E ms（ in t24 ） 0
定子外接负载，形成回路，有三相电流。 机械能转化为电能
18.06.2020
14
同步电机的类型
• 按运行方式不同分为：发电机、电动机和调相机。
• 按结构形式不同分为：电枢旋转式（简称转枢式） 和磁极旋转式（简称转场式）。磁极旋转式按转 子结构不同又分为凸极式和隐极式。
• 按安装方式不同分为：卧式和立式。
• 按原动机类型不同分为：汽轮发电机、水轮发电 机、燃气轮发电机、柴油发电机、风力发电机、 太阳能发电机等等。
第13章同步电机基本电磁关系
+A
Y C
A
X
Ff 1
Ff 1
3 2
+A
A
n1
z 00
B
2
0
2
B0
+A
A
Y
C +A
+A
X
N
+A
Ff 1
0 6 3
5 6
11 6
S
Ff 1
3
z
00 B
B0
4 定子相绕组的感应电动势、时间相量
气隙磁密旋转切割定子三相绕组，定子绕组感 应随时间正弦变化的电动势，用时间相量来表示。 由于空间坐标选A相绕组轴线+A为参考轴，所以时 间相量也分析A相。 +A
2
(A)
（2） 转速：和转子转速一样为同步速； （3） 转向：和转子转向一致；
（4） 极对数：和转子磁极的极对数相同。
结论：
定子绕组的基波电枢磁动势和转子的基波励磁 磁动势，它们的转速、转向、极对数均相同，彼此 之间相对静止，因此两者的合成磁动势将是一个同 样转向、转速、极对数的旋转磁动势，由它们合成 在电机中产生气隙磁场。
2)
900（落后），cos 0 的情况
Fa 与 Ff 1 相差 1800 ， Fa对 Ff 1起去磁作用， 此时的 叫直轴去磁电枢反应磁动势。 Fa
直轴去磁电枢反应使合成磁 动势 F 比 Ff 1 减小，气隙 磁密比空载时减小，感应电 动势相应减小， F 与 Ff 1 同 相位，即 θ 00
2
基波电枢磁动势对基波励磁磁动势的作用
电机带负载后， I 0 ，由于所带负载性质 不同，使 E0 和 I 之间相位角Ψ不同，电枢反应 的性质也不同。 设 t 0 时，转子S极中心 在空间坐标轴超前 90 0 的位置， 即 0 900 的位置。
同步发电机的原理
同步发电机的原理
发电机的工作原理是利用电磁感应，将电能转换成机械能。
在发电机内，定子绕组通入三相交流电后，在定子铁芯中形成闭合磁路，在转子的内部，定子绕组通入三相交流电后，在转子内部形成闭合磁路。
电机工作时，随着转子旋转，在定子铁芯中产生感应电流，并在转子绕组中感应出电压。
同步发电机是一种以电力电子技术为基础的新型电机。
它的转子上装有两组互相正交的同步旋转的励磁装置，分别称为励磁电路。
当用一定频率的交流电通过励磁电路时，可使两个线圈产生感应电动势。
当再给励磁机加上一定频率的交流电时，转子产生感应电流。
感应电流产生磁场，使得励磁电路中的磁极相对于电网中其它相的电轴产生相对位移。
电轴和磁极相对于电网中其它相发生相对位移时，电轴和磁极之间便产生了一个电动势（电压），这个电动势（电压）就是发电机的工作电压。
发电机是根据电磁感应原理制成的。
在旋转磁场中有两个相互垂直、且同速转动的定子绕组。
—— 1 —1 —。
同步发电机的运行原理
Xa（隐）>Xad（凸）>Xaq（凸）
二、凸极同步发电机
3、相量图 以发电机端电压为参考相量，作带阻感负载
的相量图如下：
E0 U cos( ) Id xd U cos Ixd sin
tan Ixq U sin U cos
二、凸极同步发电机
一、隐极同步发电机
由于电枢绕组的电阻ra很小，可以忽略不计， 则隐极同步发电机的电动势平衡方程式可写 成：
一、隐极同步发电机
3、等效电路和相量图
根据隐极同步发电机的电动势平衡方程式 （忽略电枢电阻）可做出如下隐极同步发电 机的等效电路图： Xt
•
I
•
U
一、隐极同步发电机
以发电机端电压为参考相量，作带阻感负载 的相量图如下：
三、电枢反应
3、ψ=-90° 时的电枢反应
F
d轴 B0 ( 0 )
1
Ff
Fa ( Fad )
I
时空矢量图 E0
三、电枢反应
3、ψ=-90° 时的电枢反应
• 直轴增磁电枢反应。 • 电磁力f1在转子上不产生的电磁转矩。 • 合成磁动势Fδ增大，使发电机的端电压上升。 • 要想保持发电机的端电压不变，需减小发电
负载运行时，同步电机内的主磁场由 励磁磁动势和电枢磁动势共同建立。
三、电枢反应
空载：气隙磁动势 F Ff 负载：气隙磁动势 F Ff Fa 同步发电机对称负载时，电枢磁动势Fa
对励磁磁动势Ff的影响，称为电枢反应。
三、电枢反应
两种磁动势性质比较：
励磁磁 动势
基波 波形
大小
正弦波
恒定，由励 磁电流决定
同步发电机的运行原理概要
二、凸极同步发电机
图6.11 凸极同步电机的磁路 (a)直轴；(b)交轴
二、凸极同步发电机
二、凸极同步发电机
现在只讨论磁路不饱和情况。
同步发电机内的电磁关系如下：
If
Ff
0
E0
I
Id Iq
Fad
Faq
ad
aq
E ad
E aq
U Ira
E
二、凸极同步发电机
三、电枢反应
1、ψ=0° 时的电枢反应
F
Fa ( Faq )
1 d轴
E0
I
Ff
B0 (0 )
时空矢量图
三、电枢反应
1、ψ=0° 时的电枢反应 电枢磁势Fa滞 后励磁磁势Ff 90°，合成磁 势Fδ的大小略 有增加，分布 滞后励磁磁势 Ff一个锐角， 此时电枢反应 性质为交轴电 枢反应。
三、电枢反应
一、空载运行时的主磁通
从图可见，主极 磁通分成主磁通 Φ 0和漏磁通Φ fσ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。
0
f
一、空载运行时的主磁通
空载时： I=0 ，If≠0 , n=nN
空载时发电机内部电磁关系
0 E0 4.44 fNkN 10 I f Ff I f N f f 只增加磁极部分
同步发电机在对称负载下稳定运行时，维 持转速(频率)和功率因数为常数的条件下， 发电机的端电压U、负载电流I、励磁电 流If是3个主要的运行参数，它们都可以 在运行中被测量。 它们之间互有联系，当保持其中一个量为 常数，另外两个量之间的函数关系称为运 行特性。
第3章三相同步电机
cos ϕ N
f N 单位为Hz n N单位为r/min θN
• 额定励磁电流和电压 IfN 、UfN
3-2 同步发电机的磁场
一、空载运行 n s If I=0
1、空载磁场——主磁场
I f → F f → B0 → φ 0
→ 电枢齿 路径：气隙 →电枢齿 → 电枢轭 → 磁极 主磁通 → 极身 → 转子轭 作用：在三相绕组中感应 对称电动势
k w1 N 1φ a k w1 N 1 Fa Λa (k w1 N 1 ) 2 kIΛa La = = = = = k (k w1 N 1 ) 2 Λa I I I I
ψa
二、考虑磁路饱和时 非线性，迭加原理不适用
Ff & & → F → B →Φ → E Fa
& U
& IRa
3、等效电路
& & & & & & & & E0 =U + I Ra + jIXσ + jIXa =U + I Ra + jIXs
4、同步电抗
X s = X a + Xσ
a) 反映了Φa和Φσ的作用 b) 磁路不饱和时为常数 c)
∝ f X a = ωLa ∝ (k w1 N 1 ) 2 ∝ Λ 主磁路的磁导 a
& 图示瞬间，A相绕组电动势 E0 A 达正的最大值，方向从X入，A 出。
•从导体切割磁力线分析。
(交轴)
• 从磁通的变化来分析。 A相磁通为零，电动势滞后磁 通90度。
& & B相绕组 E0 B、C相绕组电动势 E0 C 滞后A相电动势120度和240度。
同步电机结构
•n
•a •b
•1
•c
•F •Ff0 •0 •g •d
•If(Ff)
3C7.B.Zeng •空载特性的工程应 用
① 将设计好的电机的空载特性与常规空载特性相比 较，如果两者接近，说明电机设计合理，反之，则说 明该电机的磁路过于饱和或者材料没有充分利用。
如太饱和，将使励磁绕组用铜过多，且电
压调节困难
（3） 转向：和转子转向一致 （4） 极对数：和转子磁极的极对数相同
4C2.B.Zeng
•励磁磁势和电枢磁势的区别
4C3.B.Zeng
4C4.B.Zeng
•
•准备工作
三个角
• 四个轴
4C5.B.Zeng
•2. 电枢反应的性质
• 电枢反应的性质(助磁、去磁或交磁）取决于 电枢磁势基波与励磁磁势基波的空间位置； 这一相对位置与励磁电势E0和电枢电流I之间 的相位差，即角度有关
同步电机结构
2C.B.Zeng
第十六章 同步发电机的基本电磁关系
16-1 同步电机的基本工作原理
•同步电机的基本结构
•N
•If
•n
•S
•定子上嵌放有对称 三相绕组a-x、b-y、
•c转-z子绕组通以直流电流 形成分布磁场，
•匝链定子上的各相绕组 。
3C.B.Zeng
•同步电机与异步电机的根本区别是旋转的转子通入直流电流励磁
•d轴
•相轴 •时轴
•q轴
•
• •
•
•
•的直轴分量（无功分量 ）
•的交轴分量（有功分量 ）
6C0.B.Zeng
• 电枢磁势和电枢电流分量
6C1.B.Zeng
•当ψ角为不同值的电枢反应
三相同步发电机工作原理
三相同步发电机工作原理
三相同步发电机是一种将机械能转化为电能的设备。
它基本上由转子和定子两部分组成。
转子是旋转部分，通常由强磁性材料制成，如永磁体或电磁体。
转子上的磁极与定子上的磁极相匹配，以产生磁场。
定子是静止部分，通常由绕组和磁极组成。
绕组通常是由绝缘电线绕成的线圈，每个线圈代表一个相位。
在三相同步发电机中，一共有三个线圈，分别对应三个相位。
工作原理如下：
1. 初始状态下，转子上的磁极和定子上的磁极相互吸引，使得转子开始旋转。
2. 当转子旋转时，转子上的磁极经过定子绕组时，会在绕组中产生电流。
3. 根据法拉第电磁感应定律，当电流通过定子绕组时，会产生一个磁场，该磁场与转子上的磁场相互作用，产生一个力矩，将转子继续推动。
4. 因为绕组被划分为三个相位，所以当转子旋转时，三个相位的绕组会分别产生电流。
这三个相位的电流之间存在120度的相位差，这使得输出的电流是三相交流电。
5. 通过适当的连接方式，可以将输出的三相交流电进行整流和变压处理，以满足各种应用的电能需求。
总体而言，三相同步发电机的工作原理是利用磁场相互作用和电磁感应的原理，将机械能转化为电能输出。
简述同步发电机的工作原理
简述同步发电机的工作原理同步发电机是一种用于发电的关键机械设备，能够将机械能转换为电能。
它是一种闭环发电装置，由发电机和调节设备组成，受到负荷变化及稳定电网输入功率的控制。
它由一台电动机和一个发电机组成，通过发电机驱动电动机转动，从而产生电动力，从而实现发电的目的。
同步发电机的原理可以简单地概括为“电磁耦合”，它包括以下部分：发电机内有两个相互联系的部分，一部分是静止的磁铁，另一部分是移动的磁铁，这两部分将施加一种被称为“电磁耦合”的力。
简单地说，当磁铁运动时，它产生的磁场感应出另一部分磁铁，而另一部分磁铁也产生了相应的感应，这就是电磁耦合的原理。
通过调节发电机的旋转速度，这种耦合力得以实现，从而产生电能。
电磁耦合的原理是同步发电机的基本原理，但它并不能实现发电的目的。
一台同步发电机必须有一个发电调节设备，以确保它的输出功率稳定不变，也就是说，它必须能够根据电网的负荷变化而自动调节负荷。
此外，还需要通过一定的设备来防止发电机发生电涌，从而确保发电机和电网能够正常工作。
发电机调节设备一般由主控器、励磁系统及转子部分三个主要部分组成，主控器用于控制发电机的负荷，以确保发电机的负荷始终在稳定的范围内。
励磁系统用于控制发电机的转子，并通过调节控制输出功率，以实现发电机的输出功率的稳定。
转子部分是发电机的核心部分，由一套磁铁和电机转子组成，负责产生旋转磁场，以及将机械能转换为电能的功能。
运用同步发电机在电网中发电，其原理很简单，就是通过磁铁耦合、发电机调节设备以及转子部分三部分，将机械能转换为电能，从而实现发电的目的。
同步发电机广泛应用在我们生活中，为工业发电、居家发电等提供了可靠的发电能源，起到了极大的作用。
综上所述，同步发电机的工作原理主要是利用电磁耦合的原理，将机械能转换为电能。
它的运行原理比较复杂，还要通过发电机调节设备以及转子部分来实现发电的目的。
它在实际应用中发挥着重要作用，为各种发电需求提供了可靠的能源。
电机学 第13章 同步电机的基本电磁关系
240
2）定子三相对称绕组产生的 电枢磁动势
基波电枢磁动势的特点： •性质：圆形旋转磁动势
A
Y
C
+A
B
n
Z
X
0
+A
N1 I •幅值： Fa 1.35 kdp1 p
•转向：沿通电相序A、B、C的方向 与转子转向一致
0 n
F f1
F
F a
60 f 60 pn n •转速：n1 p p 60 与转子转速相同
if
F f1
F a
F
B
三相对称电动势
三相对称电流
、E 、E E A B C
、I 、I I A B C
电枢磁动势的存在使得负载时的气隙磁场与空载时有所不
同，直接影响电枢绕组的电动势和端电压。 电枢反应：电枢磁动势对励磁磁动势的影响。
1.磁动势分析 1）转子绕组产生的励磁磁动势
A
Y
1
2
A
N
C
1
2
X
3
3
4
S
4
B
1 Ff N f i f 2
每极基波励磁磁动势的幅值为
Z
0
f
A
F f 1 k f Ff
通过实际总槽数 Q2 与沿转子 表面开的等距槽的总槽数 Q2 的比值 查表可得 k f 。
90
n
34
0
90
4 3 2 1
90电 滞后空间矢量 F •在时空相-矢量图中，时间相量 E f1 0 角度，是由于+A与+j轴重合造成的，这一关系也没有实际
同步发电机的基本电磁关系
同步发电机的基本电磁关系
§10-2 三相同步发电机的电枢反应
同步电机的空间矢量是指整个电机的量，没有三相之分， 而同步电机的时间相量却有三相之分。由于研究电机带 三相对称负载运行，所以，为了简便，在今后的相量图 中，仅画A相时间相量，而且在相量符号中不加注脚A。 其它相的量可根据互差120 度画出来。
同步发电机空载特性分析
讨论：空载特性反映了发电机的磁化特性，而磁化特 性不管空载或负载都适用，所以从这个意义上看，励 磁电动势与励磁电流的关系不仅适用于空载情况，负 载情况也是适用的。
同步发电机的基本电磁关系
§10-2 三相同步发电机的电枢反应
基本概念
电枢磁动势：同步发电机空载时，电机中只有一个同步 旋转的励磁磁动势，带上负载以后，由于电枢绕组有电 流通过，就出现第二个磁动势——电枢磁动势。如果绕 组对称，三相负载亦对称，电枢磁动势的基波就将为一 同步旋转的旋转磁动势，励磁磁动势的基波和电枢磁动 势基波二者之和，就构成了负载时的合成磁动势，从而 决定了气隙合成磁场。 电枢反应：负载时电枢磁动势的基波对主极磁通基波的 影响，就称为电枢反应，因此，电枢磁动势又称为电枢 反应磁动势。
轴线称为直轴或d轴，与它垂直的极间中心线称为
交轴或q轴。当 ψ =0 时，Fa 位于交轴上，这种情 况称为交轴电枢反应，这种情况的 Fa称为交轴电
枢反应磁动势，常用 Faq表示。
同步发电机的基本电磁关系
§10-2 三相同步发电机的电枢反应
交轴电枢反应的作用：
1）对主磁极而言，交轴电枢反应磁动势在前极端(顺 转向看、极靴的前部) 起去磁作用，在后极端（顺转向 看，极靴的后部)起加磁作用。定子合成磁动势 扭斜了 θ ’ 角，幅值也有所增加，从而使气隙磁场的大小也有 所增加。 2）同步电机的电磁转矩和能量转换与交轴电枢反应密 切相关。只有具有交轴电枢反应，定子合成磁动 势和 主磁极之间才会形成一定的 θ ’ 角，从而实现机、电 能量转换，所以交轴电枢反应是实现机、电能量转换 的必要条件。
同步发电机的基本电磁关系和运行规律
同步发电机的基本电磁关系
§10-1 同步发电机的空载运行
➢同步发电机空载运行分析
空载特性：改变励磁电流 if ，就可得到不同的 Φ0 和励 磁电动势E0，曲线E0＝f(if )表示在同步转速下，空载电 动势 E0与励磁电流 if 之间的关系，称为发电机的空载 特性。如图所示。由于E0∝ if ，if ∝ Ff ，所以，空载曲 线实质上就反映了电机的磁化曲线。
主磁通
漏磁通
同步发电机的基本电磁关系
§10-1 同步发电机的空载运行
➢基本概念
主磁通（励磁磁通）：既链过转子，又通过气隙并与 电枢绕组交链的磁通Φ0，称为主磁通，它就是空载时 的气隙磁通，或称励磁磁通。
主极漏磁通：只交链励磁绕组的磁通Φfσ称为主极漏磁 通，它不参与电机的机电能量转换过程。
同步发电机的基本电磁关系
同步发电机的基本电磁关系
§10-2 三相同步发电机的电枢反应
➢基本概念
旋转电机实现机电能量转换的基本条件：同步电机的电 枢磁动势的基波与励磁磁动势转速相同，转向一致，因 此它们在空间保持相对静止。正由于这种相对静止，才 使它们之间的相互关系保持不变，从而建立稳定的气隙 磁场、产生平均电磁转距，实现机电能量转换。实际上， 定转子磁动势相对静止是一切电磁感应型旋转电机正常 运行的基本条件。
§10-1 同步发电机的空载运行
➢同步发电机空载运行分析
励磁电动势：将发电机用原动机拖动，使转子以同步速 旋转，则主磁通Φ0将在气隙内形成一个旋转磁场，如 果定子绕组是对称的，则主磁通切割电枢绕组感应出频 率为f的三相对称电动势，称为励磁电动势，不计谐波， 三相励磁电动势为：
E AE 0 0;E BE 0 12 ;E 0 CE 0 24 E 04.4f4w w 1 k0
电力系统暂态分析—同步发电机的基本电磁关系
§10-2 三相同步发电机的电枢反应
➢三、不同ψ角时的电枢反应
1. I 与 E0 同相位时的电枢反应－交轴电枢反应
d轴 q轴 F Ff 1 Fa
AБайду номын сангаасt
f
F
E 0
称为励磁磁动势和励磁磁场。
图10-1 同步发电机的空载磁路
§10-2 三相同步发电机的电枢反应
➢一、基本概念
旋转电机实现机电能量转换的基本条件：同步电机的电枢磁 动势的基波与励磁磁动势转速相同，转向一致，因此它们在 空间保持相对静止。正由于这种相对静止，才使它们之间的 相互关系保持不变，从而建立稳定的气隙磁场和产生平均电 磁转距，实现机电能量转换。实际上，定转子磁动势相对静 止是一切电磁感应型旋转电机正常运行的基本条件。
方向与电流正方向一致时，A相感电动势为正的最大，所以 E0
位于时间轴线上。如图(b)所示。电动势相量的角频率与转子旋
转的角速度都是ω。
A
电枢电流 I 也是时间相量，它 的相位决定于电机内部的阻抗
和负载的性质。电机内部的阻
抗和负载的性质决定了电枢电 Ff 1 N
t
E0
I
流和空载电动势之间的相位差
角ψ， ψ称为内功率因数角。
N
B0
图10-6 时空相矢图
3.时空相矢图：
结论：在时空相矢图上E0 总是落后于 Ff1 以90度，Fa 总是与I 重 合。E0与 I 之间相位差 随着负载的性质不同而改变。而 Fa 与Ff1 之间相对位置又完全取决于ψ角 (它们之间的空间相位差为90 角)，所以电枢反应的性质是由ψ角决定的，也就是说单机运行 时电枢反应的性质是由负载的性质决定的。
直驱永磁同步式发电机原理
直驱永磁同步式发电机原理
直驱永磁同步式发电机是一种利用永磁材料和直驱技术的发电机，其原理基于电磁学和磁学的基本原理。
以下是直驱永磁同步式发电机的基本工作原理：
1.永磁同步发电机结构：直驱永磁同步式发电机通常由转子和定
子两部分组成。
转子上嵌有永磁体，这些永磁体通常是稀土磁体，如钕
铁硼（NdFeB）。
定子上则布置有线圈。
2.永磁场产生：当转子旋转时，永磁体在转子上产生一个稳定的
磁场。
这个永磁场是由永磁体的磁性质所提供的，它可以保持在整个转
子旋转过程中不变。
3.电磁感应：定子上的线圈被永磁体的磁场穿过，根据法拉第电
磁感应定律，感应出电动势。
线圈上的导体通过这个感应电动势产生电
流。
4.直驱技术：直驱指的是发电机的转子直接与风力发电机的转子
（通常是风力涡轮机）相连接，而不需要传统的齿轮箱。
这减少了机械
部件，提高了传动效率，并减少了维护成本。
5.输出电能：通过调节定子上的电流，可以获得所需的输出电
能。
输出电流的交流特性可以通过逆变器进行转换，以匹配电网或存储
系统的要求。
直驱永磁同步式发电机的主要优点包括效率高、维护成本低、启动转矩大等特点。
这种发电机常用于风力发电系统，其中直驱技术可以提高整个风力涡轮系统的可靠性和效率。
同步发电机的基本原理
同步发电机的基本原理与应用同步发电机是现代发电设备中应用十分广泛的一种发电机。
在电力系统中，同步发电机起着至关重要的作用。
本文将介绍同步发电机的基本原理和应用。
同步发电机是指在转速固定的情况下，与电网频率同步工作的发电机。
同步发电机主要由转子、定子、励磁系统和保护系统等部分构成。
其中，励磁系统是控制同步发电机发电电压的关键。
同步发电机的工作原理是利用磁场相互作用来发电。
当外加励磁磁场与定子磁场同步时，就能发生电磁感应，从而产生电能输出。
同步发电机在电力系统中有着广泛的应用。
它可以作为主发电机或备用发电机，以保证电力系统的可靠性和稳定性。
同时，同步发电机还可以作为无功补偿的手段，通过调节励磁电流大小来调节电力系统中的无功功率，并提高系统的功率因数。
同步发电机的使用需要注意以下几点。
首先，同步发电机必须与电网频率同步。
其次，应严格按照规定的励磁条件来设置励磁电路，以确保发电机的电气性能。
最后，为了保护同步发电机，应该设置完善的保护系统。
总之，同步发电机是电力系统中必不可少的设备，其基本原理和应用需要掌握。
我们应该认真学习和研究同步发电机的工作原理和保护方法，以更好地保障电力系统的安全运行。
第六章学习指南
第六章学习指南熊永前一、内容及要求同步电机的结构型式，励磁方式，冷却方式、额定值。
同步电机的运行原理。
同步电机的电枢反应，隐极同步发电机的负载运行。
凸极同步电机的负载运行。
同步发电机的空载特性，零功率因数负载特性，短路比，外特性。
稳态参数的测定。
投入并联运行的条件和方法。
同步发电机的功率和转矩平衡方程式。
同步发电机的功角特性。
同步发电机与大电网并联运行时有功功率的调节和静态稳定。
无功功率的调节和V形曲线。
同步电动机的基本方程式矢量图和功角特性，无功功率的调节，同步电动机起动方法，同步调相机。
同步发电机不对称运行时的各相序阻抗和等效电路，三相同步发电机的不对称稳定短路。
不对称运行对电机的影响。
1.了解同步电机的主要结构型式及其应用特点、励磁方式和冷却方式；掌握同步电机的额定值。
2.了解同步发电机空载运行的原理，掌握空载运行时的时空矢量图。
掌握同步电机电枢反应的特点。
了解双反应理论。
3.掌握隐极和凸极同步发电机负载运行时的方程式和相量图以及同步电抗等参数。
掌握不饱和时同步发电机的计算。
4.掌握同步发电机各特性的原理和方法。
掌握利用各特性测量有关参数的方法。
掌握低转差法测量同步电抗的原理和方法。
5.掌握并联运行的条件，并网的方法。
掌握同步发电机的功率平衡和转矩平衡，功角特性。
掌握静态稳定，有功调节和无功调节的方法。
6.了解同步电动机的基本电磁关系。
了解同步电动机的起动和调速方法。
掌握同步调相机的原理和特点。
7.掌握各相序阻抗的物理概念极其大小关系，了解不对称稳定短路的分析方法，掌握稳定短路电流大小，了解负序和零序参数的测量方法，了解不对称运行的影响。
二、学习指导同步电机的一个基本特点是电枢电流的频率与转速之间的严格关系。
汽轮发电机由于转速高和容量大等特点必须采用隐极结构且转子直径不能太大，各零部件机械强度要求高。
水轮发电机则由于水轮机多为立式低转速，因此一般采用凸极结构，且极数很多，直径较大。
在分析同步电机内部的物理情况时，电枢反应占有重要地位。
同步发电机 工作原理
同步发电机工作原理
同步发电机是一种常见的发电设备，其工作原理如下：
1. 电磁感应：同步发电机利用电磁感应的原理来产生电能。
当发电机的转子与定子相对旋转时，会在定子的线圈中产生磁场，这个磁场会穿过线圈，导致线圈内的导体产生感应电流。
2. 动态磁场：发电机的转子上通常有一组励磁线圈，当这些线圈通过电流时，会在转子上产生一个磁场。
这个磁场与定子上的磁场相互作用，导致转子相对定子旋转。
3. 同步：当转子旋转并且频率与电源频率相匹配时，转子上的励磁磁场与定子的磁场同步。
这个同步状态允许电能从转子传输到定子，产生输出电能。
4. 无刷式同步发电机：许多现代的同步发电机是无刷式的，即转子上没有刷子和滑环。
这些发电机通过在转子上嵌入永磁体，产生一个恒定的磁场。
这种无刷式的设计减少了能量损耗和维护成本。
总的来说，同步发电机的工作原理是利用电磁感应和磁场相互作用，将机械能转化为电能。
通过控制励磁电流和转子的旋转速度，可以调节发电机的输出电压和频率。
这使得同步发电机成为一种重要的发电设备，广泛应用于发电站、风力发电和水力发电等领域。
电机学5.2_同步电机的运行原理
同步电机的构造特点
定子 同步电机的定子大体上和异步电机相同， 是由铁芯、绕组、机座以及固定这些部分的其 他构件组成。 转子 （以同步发电机为例）
1、汽轮发电机转子结构 现代汽轮发电机一般都是二极 的，同步转速为3000或3600r/min。这是因为提高转速 可以提高汽轮机的运行效率，减小整个机组的尺寸、降 低机组的造价。转子不能做得过大，所以汽轮发电机的 直径较小，长度较长。汽轮发电机均为卧式结构。 2、水轮发电机转子结构 大型水轮发电机通常都是立式 结构，它的转速低、极数多，要求转动惯量大，故其特 点是直径大、长度短。
81
（1）饱和时的电磁关系
82
（1）饱和时的电磁关系
83
1.考虑饱和时的情况
84
（2）饱和时的电压方程式、相量图
85
（2）饱和时的电压方程式、相量图
86
1.考虑饱和时的情况
87
（3）饱和时的时空相矢量图
88
（3）饱和时的时空相矢量图
89
（3）考虑饱和时的时空相矢量图
90
隐极同步发电机的时空相矢量图和相量图
PN SN cosN 3U N I N cosN PN PNN 3UN I N cosNN 1
( P N --额定输入功率） 1
额定转速 nN 和额定频率 f N 是指同步电机运行时的转速 （r/min）和定子绕组中电流与电压的工作频率（Hz）。 额定励磁电压 U fN 和额定励磁电流 I fN 是指同步电机额 定运行时加到励磁绕组上的直流电压和电流。
18
同步电机的额定值
19
同步电机的额定值
20
小 结
电机学知识点
3.直流电机由定子和转子两大部分组成，定子部分包括主磁 极、机座、换向极、电刷装置、端盖等。转子部分包括转轴 、电枢铁心、电枢绕组、换向器等。定子的作用是建立主磁 场和进行机械固定。转子的作用是产生电动势，流过电流， 产生电磁转矩。
4.直流电机的额定值
电机的额定值是电机长期运行时允许的各物理量的值。直流 电机的额定值主要有额定功率、额定电压、额定电流、额定 转速等。 •额定功率PN(kW)：额定运行状态下电机的 输出功率 。 •额定电压UN(V) ：额定运行状态下电机出线端的平均电压。
1）电枢绕组的节距
第一节距y1：每个元件的两个元件边在电枢表面的跨距， 用虚槽数计算。
y1
Qu 2p
整数
式中： —小于1的分数。
第二节距y2：相串联的两个元件中，第一个元件的下层边 与第二个元件的上层边在电枢表面上所跨的距离，用虚槽
数计算。
合成节距y：相串联的两个元件对应边在电枢表面上所跨
电机学
第一篇 变压器 第二篇 直流电机 第三篇 交流电机的绕组电动势和磁动势 第四篇 同步电机 第五篇 异步电机
第一章 变压器的用途、分类与结构
1.变压器的基本作用原理
变压器是根据__电__磁__感__应___原理，将一种电压等级的交流电能 变换为同频率的另一种电压等级的的交流电能的静止电机。
2.变压器的主要额定值
第二章 变压器的运行分析
1.变压器的磁场
为了便于研究，根据变压器内部磁场的实际分布和所起作 用的不同，通常把磁通分为___主__磁__通___和_漏__磁__通____。
主磁通的性质和作用：主磁通沿铁心闭合，其磁路是一 种非线性磁路，m与I0 呈非线性关系，主磁通在一、二次 绕组中分别感应电势E1和E2，将电磁功率从一次绕组传递 到二次绕组，起__传__递__能__量_______的作用。
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jIq xaq
jIx
E
Ira
kaq
Faq
cos
kaq Fa
U
E0 E0 E d
Eaq cos
kad Fad
以上可以确定d轴，进一步确定
0 kaq Fa Fd Ff
Ff
I
E0 Ed Id xad
Ff Fd kad Fad
Fad
Iq
Fad I d
F d
Ff 1
§10-6 空载和短路特性
一、空载特性
定义：xs xa x 为同步电机的同步电抗。
5、相量图和等效电路 向量图
E0
jIxa
E
jIx
Ira U
I
等效电路
xs
xa
x
E a
E
～ E0
E
ra
I U
问：各角度的物理意义是什么？
二、考虑饱和时的磁动势－电动势相矢图 1、电磁关系：
if 励磁电流 （I 定子三相电流）
Ff 1
非线性
F
Fa
E
与U Ira平衡
时空相矢图 1.空间矢量：沿空间按正弦分布的量。
f
A
Y C
A
Ff 1
N B0
n1 Z
举例：励磁磁动势Ff 1;磁通密度B0;电枢磁动势Fa 。
2.时间相量：随时间按正弦规律变化的量。
f
S X
B
t
t
举例：空载电动势 E0 和电枢电流 I 。
3. 空间矢量与时间向量的关系：
A
Y C
A Ff 1
B0 N
解： cos1 0.8 36.8
E0
tg 1
I xq U sin U cos
tg 1 1 0.6 1 0.6 1 0.8
56.3
56.3 36.8 19.5
jId xd jIxq jI qxq U
I
d
I sin
1 sin 56.3
0.832
I
E0
U
cos
I
d
xd
1.0 cos19.5
d轴 q轴 f
F
E0
Fa
fa N
f f1
S
n1
I
Y AZ BX C
Ff 1
N
交轴电枢反应的作用：
1）交轴电枢反应磁动势在前极端起去磁作用，在后极端起加磁作用。合成 磁动势 F 较 Ff 1扭斜了 角，幅值也有所增加。 2）交轴电枢反应是实现机、电能量转换的必要条件。
2. 900 时的电枢反应（直轴电枢反应）
双反应理论的基本思想：
Fad
ad
Ead
Fa
Faq
aq
Eaq
d轴
q轴
d轴
Faq
Fa Fad
n1
应用前提：不考虑饱和。
§10-5 凸极同步发电机的电动势方程式、 同步电抗和相量图
一、不考虑饱和时 1、电磁关系：
if 励磁电流
Ff 1
0
E0
（I 定子三相电流）
Id
Fad
ad
Iq
Faq
aq
Ead
与U Ira平衡
A t E0
Fa I
F
Ff 1 90
d轴 q轴
f
f f1
N
S
n1
fa
Y AZ BX C
直轴电枢反应的作用：
1）直轴电枢反应磁动势起加磁作用，使得气隙合成磁场增强。 2）合成磁动势投有扭斜现象，所以不产生电磁转距，不能进行机电能量 转换。
4.一般情况下的电枢反应 0 90
Fa Fad Faq
第二篇 同步电机
第七章 同步电机的基本知识及结构 第八章 交流电机的绕组和电动势 第九章 交流绕组的磁动势 第十章 同步发电机的基本电磁关系 第十一章 同步发电机的并联运行 第十二章 同步电动机和同步调相机 第十三章 同步发电机的不对称运行 第十四章 同步发电机的三相突然短路
§10-1 同步发电机的空载运行
E
定义： F Ff 1 Fa 为气隙基波合成磁动势；
2、电动势方程式：
E U Ira jIx
3、磁动势－电动势相矢图：根据磁动势方程式和电动势方程式作出的相矢 图。
绘制磁动势－电动势相矢图
已知U、I、cosφ、ra和xσ以及空载特性，以感性负载为例。
注意：
U
1）空载特性求得的磁势为阶梯波
Eaq
E
2、电动势方程式：
E0 Ead Eaq E U Ira
∵ Ead ad Fad Id Eaq aq Faq Iq
定义： Ead jId xad Eaq jIq xaq
xad、 xaq分别为直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗。
xad N 2ad
xaq N 2aq
0.8321.0 1.77
二、考虑饱和时的相量图
已知U、I、cosφ和参数ra、xσ、kad、kaq以及空载特性。 1）首先作出P点： E U Ira jIx
2）确定ψ角：
E0 Q
PQ
Ixaq
Iq xaq
cos
Eaq
cos
jId xad
jIxaq
P
将基波磁势转化成阶梯波磁势 Ed 才能利用空载特性。
Id Fad
I Id Iq
Iq I cos Id I sin
§10-3 隐极同步发电机的电动势方程式、 同步电抗和相量图
一、不考虑饱和时的电动势方程式、同步电抗和相量图
1、电磁关系：
if 励磁电流
Ff 1
0
（I 定子三相电流）
Fa
a
E0
E
Ea
与U Ira平衡
E
问题：励磁电流除了产生主磁通之外还产生漏磁通，为何没有出现在电磁 关系中？
jIx jIq xaq
Ira
U
令： EQ U Ira jIxq
则： E0 EQ jId xd xq
结合向量图观察 E0 、EQ 、jId xd xq 三个向量
Iq
d轴
I
Id
有何特点？
绘图：
E0
jId xd -xq
EQ
jIxq
jId xd
jIq xq Ira U
Iq
d轴
A t
d轴 q轴
E0
N
S
n1
Fa
F
90
Ff 1
B0
I Fa
Y AZ BX C
f fa
f f1
直轴电枢反应的作用：
1）直轴电枢反应磁动势起去磁作用，使得气隙合成磁场减小。 2）直轴电枢反应磁场与励磁磁场正对，不产生切向力和电磁转矩，不能进 行机电能量转换。
3. 900 时的电枢反应（直轴电枢反应）
1）凸极电机： ∵ ad aq ∴ xad xaq 2）隐极电机： ∵ ad aq ∴ xad xaq xa
电动势方程式可以进一步写成：
E0 U Ira jIx jId xad jIq xaq U Ira jId xad x jIq xaq x
定义： xd xad x 为凸极同步电机的直轴同步电抗； xq xaq x 为凸极同步电机的交轴同步电抗。
空载特性： n=n1，I=0时，U0=f(if) 测取方法：
V
VV
U0
UN
U 1.3U N
U
* 0
1.0
定子
＋
转子
－
A
0
if if 0
if
0
空载特性是发电机的基本特性之一：
一、双反应理论
思考：1) 凸极同步发电机的气隙特点是什么？ 2) 这样的气隙对电机磁场有什么影响？
d轴
q轴
Baq
Bad1 Bad
Fad Baq1
Faq
结论：相同的电枢磁势置于不同位置时，形成不同的电枢反应磁通。
发电机运行过程中Fa相对于转子的位置时变（ψ角），面对不确定的
气隙长度，磁场计算困难，如何解决？
同步发电机的空载磁路
同步发电机空载运行分析
转子
定子 ff
Ff
Ff 1
隐极同步发电机励磁磁动势
空载特性：空载电动势E0与励磁电流if 之间的关系E0＝f(if ) 。
E0 0 U N a
气隙线
G
b
c
空载特性是同步发电机的基 本特性之一。 E0∝Φ0，if ∝Ff ，空载曲线 反映了电机的磁化曲线。
由图可求得：
tg 1 Ixq U sin Ira U cos
近似等效电路：
ra
xq
I
～ EQ E0
U
I
Id
例：一台凸极同步发电机直轴和交轴同步电抗分别等于 xd 1.0 ，xq 0.6 ， 电枢电阻略去不计。试计算发电机发出额定电压、额定千伏安 cos 0.8 (滞
后)时的励磁电动势(不计饱和)。
ad x
aq x
q
xd
xad d
2
2
xq
xaq
d
q
E0 U Ira jId xd jIqxq
比较：xd、xq 哪个大？
相量图 两种表达方式：
E0 jId xad
jIx jIq xaq
Ira
U
I
Iq d轴
Id
E0 U Ira jIx jId xad jIq xaq
E0 jId xd
0
Ff Ff 0
i f
if 0
Ff if
电机的饱和因数：
k
ac ab
if0 i f
同步电机的 kμ值一般在1.1～1.25左右。
§10-2 对称负载时的电枢反应