电机学第六章同步电机

交流副励磁机（中频）
交流主励磁机（100Hz）
～
自励 恒压器
可控 整流器
～
不可控 整流器
主发电机 ～
电流互感器
电压互感器
静止整流器励磁
电压 调整器
优点：运行、维护方便，没有直流励磁机，使励磁容量得以提高，因而在大 容量汽轮发电机 中得到了广泛的应用。
缺点：存在电刷、集电环的滑动接触（薄弱环节）。
• 自励式 主发电机发出的功率经静止整流器整流为直流，然后通过电刷和集电环通入到主发电机的励磁 绕组中。
当ψ角为不同值的电枢反应
Ψ=00 Ψ=900 Ψ=-900 00<Ψ<900 -900<Ψ<00
位置 q轴 d轴 d轴 d、q轴 d、q轴
电枢反应性质 交轴
直、去 直、增 交、直去 交、直增
负载性质 R L C
R、L R、C
励磁磁动势和电枢磁动势的区别
基波波形
幅值大小
位置
转速
励磁 磁动势
正弦波
恒定，由励磁电流决 由转子位置决定 由原动机的转速
Z
N
ns S
B
X
Fa
Y n s A相轴线 C Faq
电流超前电动势的向量图
FaqFacoψs 交磁
Fad Fa sin ψ 与Ff同 向，对 d轴磁场有加 强作用称之为助磁。
直轴电枢反应的影响 • 电机单机运行时，直轴电枢反应将直接影响端电压的大小。去磁时，端电压降低；助磁时 端电压升高。
• 并网运行时，直轴电枢反应影响电机输出的无功功率。
D2 5 ~ 7 L2
• 励磁绕组为集中绕组
• 立式结构
• 阻尼绕组
水轮发电机的转子结构
阻尼绕组的结构与笼型感应电机的转子的笼型绕组相似。
阻尼绕组的作用
水轮发电机的磁极
同步发电机中：阻尼绕组中感应电流产生 转速振荡。
电磁转矩，抑制
同步电动机和同步补偿机中：起动绕组
与感应电机一样同步电机定、转子极数应相同。
定子绕组电动势、电流和磁通的时间相量图
•
E 0C
•
0A
•
IC
s
ψ 0 •
E 0A
•
0B
•
IB
E 0B
定子绕组电动势、电流和磁通的时间相量图
各相电动势、电流和磁通间 的相位关系是相同的，所以 后边只画出一相。
时-空统一矢量图
Ff
•
B0 ( 0 )
s
d轴
Fa ( Faq)
凸极、隐极。 卧式、立式。 电励磁式、永磁式同步电机 。 空冷、氢冷、水冷、混合冷却。
6.1 同步电机的基本结构和运行状态 1. 基本结构
旋转电枢式
隐极式
旋转电枢式：电枢装在转子上，主极装在定子上。 只用于小容量同步电机中
凸极式 旋转磁极式
旋转磁极式：磁极装在转子上，为大中型同步电机的基本形式
旋转磁极式同步电机的结构
定子
铁心 : 0.5或0.35m的m冷轧硅钢片 绕组 : 三相对称绕组
转子
铁心凸 隐极 极::气 气隙 隙不 均均 匀 整 ，整 匀 ， 块体高或强低度碳合钢金片钢迭。成。
直流励磁绕: 同 组心式绕组或集中 。绕组
同步电机又分为隐极式和凸极式两种。
N +
S
N
S
S
+
N
隐极式
凸极式
同步电机的基本类型
a
I
Ea jIXa
整理前式可得：
E 0 U I R a j I X j I X a U I R a j I X s
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。
Xs
•
•
I
E0
时-空统一矢量图
在时 - 空统一矢量图中，电枢
磁动势Fa（空间矢量）与电 枢电流 （时间相量）同相位；
空载磁通 同相位。
与励磁磁动势Ff
I
0
气隙合成磁场与主磁场的相对位置
B0
B
相对于主磁场，气隙合成磁场的轴线偏 移了一个角度，且幅值有所增加。这是
由于电枢磁动势（Fa=Faq）的作用造成 的，称之为交磁作用。
气隙线
空载特性
• 气隙线：不计铁心磁磁饱和的空载特性曲 线。
• 空载特性是同步电机的一条基本特性。
o
If0
同步电机的空载特性
If , Ff
二、对称三相负载时的电枢反应 空载时，同步电机的气隙磁场是由励磁磁动势所产生的主磁场B0。
1.接三相对称负载时的物理过程
I Fa
基波合成磁动势Fnas16.30p5fNp1kw1I
• 补偿机运行状态
δ = 0 时，电磁转矩为0，不进行能量 转换，仅发出或吸收无功功率。
• 电动机运行状态
δ < 0 时，Te为驱动转矩，带动负载运 行。转子输出机械功率，定子吸收电 功率。
电动机补偿机运行状态示意图
3.同步电机的励磁方式
（1）电励磁 1）直流励磁机励磁 • 并励直流发电机（与同步电机同轴）
（2）永磁励磁 永磁励磁采用永磁材料建立同步电机的磁场。
优点：转子上无励磁绕组和励磁电流，取消了电刷和滑环，结构简单，运行可靠，效率高， 维护工作量小；转子上永磁材料的形状和尺寸可以灵活多样，尤其适合于低速和 高速电机。
目前永磁励磁在小型和微型同步电机中获得了广泛应用。 永磁励磁的缺点是其磁场不能根据电机的运行状态进行方便和有效的调节。
水轮发电机的定子结构
320MW水轮发电机
思考题
• 1.一台频率f=50Hz，转速n=3000r/min的汽轮发电机的极数是多少？ • 2.一台频率f=50Hz，极数2p=100的水轮发电机的转速是多少？
2. 同步电机的运行状态
同步电机有发电机、电动机、补偿机三种运行状态。 运行状态取决于磁场的相对位置
• 采用隐极结构
• 基本采用卧式结构
• 转子细而长
L2 2 ~ 6 D2
隐极发电机的剖面图
转子高速旋转，对铁心的强度要求很高，就目前材料，转子直径一般不超过1.1m。
同步电机的外形图
汽轮发电机的转子结构
水轮发电机 由水轮机驱动的同步发电机 n = 几十~ 几百r/min • 极对数多 •采用凸极结构 • 转子粗而短
Xs ＝ X ＋Xa
2、考虑磁饱和时
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 。
Φ
E
Ff
ka Fa
•
•
FΦ E
从气隙电动势
E 减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，使得电枢的端电压 ，即：
• 额定电流IN 单位为A, kA
• 额定功率因数
cosN
6.2 同步发电机的空载运行
一、空载运行 ns If I=0
1.空载磁场——主磁场
If F f B 00
Φ0
Φ f
主 磁 通 在 三 相 绕 组 中 感 应 对 称 电 动 势
If f 漏磁通
同步电机的空载磁场
若主磁场B0 在气隙中正弦分布，且以同步速ns旋转，则在定子绕组中产生对称三相电动势
3）旋转整流器励磁 优点：取消了电刷和集电环，运行比较可靠，适合大容量发电机，尤其适合于要求防爆、防燃
的特殊场合。 无刷励磁多用于大、中容量的汽轮发电机、补偿机以及在特殊环境下的同步发电机。
目前我国新装发电机容量一般为 30万kW 、60万kW、90万kW等。多采用整流器励磁系统。
一般地，单机容量越大， 电机效率越高。
4. 同步电机的额定值
• 额定容量 SN 或额定功率PN 单位为 kW, kVA 同步发电机是指额定运行时输出的电功率；同步电动机是指额定运行时轴上输出的机械功率； 补偿机是指额定运行时输出的无功功率。
• 额定电压UN 单位为kV • 额定频率 f N 单位为Hz • 额定转速n N 单位为r/min • 额定励磁电流和电压 IfN 、UfN
Xa
X
Ra
隐极同步发电机的等效电路：
•
I
•
•
•
E0
E
U
隐极同步发电机的相量图
•
Φ0
•
Φa •
•
Φ
E0
•
jI Xa
•
90
Ea
•
E•
jI X
•
•
U
•
I Ra
I
E 0 U I R a j I X j I X a U I R a j I X s
隐极同步发电机的相量
•
E0
•
U
0
•
转子主极磁场 转子通入直流励磁电流产生，与转子同步旋转。
定子合成磁场 定子三相对称绕组流过三相对称电流产 于转子转速）。
生，以同步速旋转（等
• 发电机运行状态 功率角δ 转子磁场轴线领先定子合成 磁场轴线的夹角。
发电机运行状态示意图 δ > 0时，Te为制动转矩，原动机的驱动转矩与电磁转矩Te 平衡 。转子吸收机械功率，定子 发出电功率。
E 0E aI(R ajX ) U
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:
EaΦ aFaI
在时间相位上， 滞后于 以90°电角度，若不计
E Φ 定子铁耗, 与 同相位，则 将滞后a于 以90°电 a
角度,亦可写成负电抗压降的形式，即:
Φ I E a
I Ra
•
jI Xs
E 0 U I R a j I X j I X a U I R a j I X s
•Xa 为电枢反应电抗, 是反映电枢反应磁通（由电枢电流产生的合成磁动势产生）在一相绕组中 感应电动势的电抗。 •Xs 为同步电抗，表征电枢反应磁通和漏磁通一起在一相绕组中感应电动势的电抗，即代表电枢 电流引起的总电抗。
气 隙 合 成 磁 场 B
Ba电枢反应磁场}
B0(空载磁场）
2. 电枢反应
电枢磁动势的基波对气隙磁场的影响
• 电枢反应使气隙磁场空间位置发生变化，直接关系到电机的 机电能量转换。
• 电枢反应的去磁或增磁，对电机的运行性能产生影响。 电枢反应的性质（交磁，去磁或增磁）取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。
A
Te
Y
Z
N
ns
Fa
BS
C
X
气隙合成磁场与主磁场的相对位置图
2）Ψ0 ≠0时 电流滞后电动势
Ff
A
Z
N
ns S
B
F
X
ad
Y
A相轴线
ns C Faq
Fa
电流滞后电动势的向量图
FaqFacoψs 交磁
Fad Fa sin ψ与Ff 反 向，对 d轴磁场有削 弱作用称之为去磁。
电流超前电动势
Ff
A Fad
电机学第六章同步电机
同步电机
同步电机的用途
同步发电机 （火电厂、水电厂、核电厂）
同步电动机 （主要用于驱动不要求调速的大功率机械， 优点是通过调节励磁改善电网的功率因数）
同步补偿机（调相机） （空转的电动机，补偿电网的无功）
同步电机的分类
按用途分：
发电机、电动机和补偿机。
按结构特点分：
按励磁方式分： 按冷却方式分：
E 0 A E 0 0 E 0 B E 0 12 E 0 C 0 E 0 24
空载电动势，即激磁电动势。
E 0A
有效值： E 04 .4 4fN 1kw 1 0
频率：
f pns
60
E 0C
E 0B
三相对称电动势
2.空载特性
E0 = f (I f)
E0,0
U N
• 0较小时，磁路不饱和，空载曲线的下部是一 条直线；随 o的增大，铁心逐渐饱和，空 载 曲 线弯曲。
G 并励直流发电机
直流发电机励磁
~ 同步发电机
• 并励 + 他励直流发电机励磁
与并励直流发电机励磁相比，可提高励磁系统的反应速度，并使励磁机在较低的电压下也能稳 定运行。
副励磁机
主励磁机
同步发电机
G
G
~
带副励磁机的励磁系统 直流电机存在电刷和换向器，可靠性差，受换向限制，容量受限。
2) 静止整流器励磁 • 他励式
转子圆柱形，气隙均匀，转子机械强度高， 励磁绕组固定容易。
有明显的凸出的磁极，气隙不均 匀，制作简单。
适合于高速发电机
适合于低速发电机
同步 发电机
汽轮发电机 水轮发电机
隐极结构 凸极结构
汽轮发电机 由汽轮机驱动的同步发电机
• p=1
n = 3000r/min (50Hz)
n=
3600r/min (60Hz)
这一相对位置决定于空载电动势 和负载电流 0
之间E的0 的相位差
I ，称为内功率因数角。
1） 0 = 0 时 定子绕组电动势、电流及磁动势
Ff
A B0
Z
N
ns
B
S
X
Y A相轴线
ns
Fa
C
同步发电机的交轴电枢反应
在此时刻，A相电动势、电流达到最 大值，电枢磁动势的轴线与A相绕组 轴线重合，同时也与q轴重合，即 Faq=Fa，称为交轴电枢反应磁动势。
U
E I(R ajX )U
或
E U I(R ajX )
Ff
k a Fa
电动势—磁动势图：
F
•
I
•
E
•
•
•
jI X
定
决定
电枢 磁动势
正弦波
恒定，由电枢电流决 由电流瞬时值决定 由电流的 f 和p
定
决定
6.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图 和等效电路
1、不考虑磁饱和时
同步发电机负载运行时物理量的关系：
主极I f F f
•
电枢 I F a
•
•
Φ0
E0
•
E
•
•
Φa
Ea
•
Φ
•
•
•
E (E jI X)
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: