同步电机
详细了解一下同步电机的优缺点及工作原理
详细了解一下同步电机的优缺点及工作原理同步电机和感应电机（即异步电机）一样是一种常用的交流电机。
同步电机是电力系统的心脏，它是一种集旋转与静止、电磁变化与机械运动于一体，实现电能与机械能变换的元件，其动态性能十分复杂，而且其动态性能又对全电力系统的动态性能有极大影响。
特点：稳态运行时，转子的转速和电网频率之间有不变的关系n=ns=60f/p，其中f为电网频率，p为电机的极对数，ns称为同步转速。
若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。
同步电机分为同步发电机和同步电动机。
现代发电厂中的交流机以同步发电机为主。
同步电动机的优点：1、功率因数超前，一般额定功率因数为0.9，有利于改善电网的功率因数，增加电网容量。
2、运行稳定性高，当电网电压突然下降到额定值的80%时，其励磁系统一般能自动调节实行强行励磁，保证电动机的运行稳定。
3、过载能力比相应的异步电动机大。
4、运行效率高，尤其是低速同步电动机。
同步电机缺点：成本相比较与异步电机而言较高。
同步电机工作原理主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。
载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。
切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。
交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。
通过引出线，即可提供交流电源。
交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。
标签:同步电机。
同步电机原理
(4) 按安装方式的不同：
卧式、立式。 (5) 按原动机的不同：
汽轮发电机、水轮发电机。
汽 发励 轮 电磁 机机机
励磁机
发电机 水轮机
安装结构
立式
低速、大型 大转子直径
卧式
中小型 电动机 调相机 高速 小转子直径 支撑：悬式、伞式
同步发电机的悬式和伞式结构
水轮发电机组转动部分 的能量和水流的推力， 总计可达数千吨， 全部由推力轴承支撑， 因此推力轴承十分关键。 按照推力轴承的位置：
发电机 电
S
N
机
的
n0
No
Te 0
三
So
种
补偿机 运
S
N
行
n0
Te
No
状
态
So 电动机
1.9 同步电机的应用
小浪底电站水轮机组安装
三峡电站首台机组安装
水力发电
火力发电厂
火力发电
电能输出
超热高压蒸汽
3 600 r/min
燃
升压变
烧
压器
室
发电机
汽轮机
燃 料
锅炉的 炉膛
循环水
电能的产生
同步电机的冷却方式主要有以下几种
空气冷却 氢气冷却 水冷却 超导发电机
在中、小型电机中，都采用空气作为冷却介质。当电 机的容量很大时，损耗及发热量迅速增加，必须加强 通风或采用其他的冷却方式。
1）大型汽轮发电机往往用氢气冷却，但氢气与空气混 合后有爆炸危险，须保证外界空气不会渗入电机内部。
凸极同步电机气隙不均匀合于 高速旋转
①隐极同步电机结构实物图
大型汽轮发电机定子铁心槽
汽轮发电机完工后的定子
汽轮发电机转子加工
电机学第六章同步电机
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
电机学-同步电机
表征气隙合成磁场的等效磁极
ns
S
N
δ
ns
N0
Te
S0
主极
发电机旋转时，原动机必须输入驱动转矩来克服制动电磁转
矩，从而将机械能转变成电能，所以交轴电枢反应与电磁转 矩的产生和机电能量转换直接相关。
29
(2)、电枢电流 I 滞后激磁电动势 E 0 90 (0 = 90) 时
同步电机
同步电机和感应电机同属于交流电机，与感应电机
的区别是同步电机的转子转速 n 与电网频率 f 之间
具有固定不变的关系 子转速 n≠ns。
n
ns
60 f p
，而感应电机的转
本章主要讲述同步发电机的工作原理、电磁关系，
导出基本方程、等效电路和相量图；
同时分析同步发电机的运行特性，以及与电网的并 联运行和功率调节问题。
相量重合；
(2)、忽略磁滞和涡流损耗时，旋转磁场的磁密矢量
与产生它的磁动势矢量重合；
(3)、该相绕组交链的磁通相量与产生它的磁密矢量
重合。
a
s
Ba
FIa
同步发电机的时空矢量图
25
2、对称负载时的电枢反应
s
E 0 Fa
0 I
Ff1
B0
0
N
一般情况下同步发电机的时空矢量图
电枢反应的性质（增磁、去磁或交磁）取决于电枢磁动势 基波 Fa与励磁磁动势基波 Ff1 的空间相对位置。
f
pns 60
。
同步电机转速与电网频率有着严格不变的关系，
即电网频率一定时，同步电机转速不变。
22
2、空载特性
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。
同步电动机
假设在合闸瞬间，转子 已经加励磁 处于图18.5a所示的位置，此时，电磁转矩 倾 已经加励磁)处于 的位置， 假设在合闸瞬间，转子(已经加励磁 处于 的位置 此时，电磁转矩T 向于使转子逆时钟转动；在另一个瞬间(图18.5b所示)，定子磁场已转过 逆时钟转动 向于使转子逆时钟转动；在另一个瞬间 ，定子磁场已转过180度，而转 度 电磁转矩 倾向于使转子顺时钟转动。 子由于机械惯性尚未启动，电磁转矩T倾向于使转子顺时钟转动。由于定子磁场以 子由于机械惯性尚未启 倾向于使转子顺时钟转动 同步速旋转，作用于转子上的力矩随时间以f 作交变， 同步速旋转，作用于转子上的力矩随时间以 = 50Hz作交变，那么转子上受到的平均 作交变 转矩为0。因此同步电动机是不能自行起动的。概括一下同步电动机没有启动转矩的 转矩为 。因此同步电动机是不能自行起动的。概括一下同步电动机没有启动转矩的 原因是： 原因是：（1）定、转子磁场之间相对运动速度很快；（2）转子本身转动惯量的存 在。
电机学 第四篇 同步电机
S U2 Fa
直轴去磁电枢反应 V轴
W2 V1
W轴
三、 时90的0 电枢反应
空载电动势 枢电流 I
E 0滞后电
900
Ff 与Fa之 间 夹
角 为 900
q轴 U轴
V2 W1
记Fa为Fad
d轴
Fa N
电枢反应性质：
Ff
U1
直轴助磁电枢反应 V轴
W2
S U2
V1
W轴
四、一般情况下的电枢反应
空 枢载电电流动势I角 E,超0 前电
六、 同步电机的额定值
同步电机的额定值有： 1）额定电压：是指在正常运行时，按照制造厂的规定，
定子三相绕组上的线电压。电压的单位用V或kV表示。 2）额定电流：流过定子绕组的线电流 。 3）额定功率：是指在正常运行时，电机的输出功率 。
A：对于发电机而言：输出的是电功率。
PN 3UN IN cosN
（二）静止的交流整流励磁系统
同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。副 励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励(有 时采用永磁发电机)。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励 磁机，而主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发 电机的励磁绕组。
1
c c'
当E0=UN 时：
F
Ff0
Ks
Ff0 F
ac ab
dn dc
(K
s
1.1
~
1.25)
0
gd
电机运行于曲线刚好弯曲处： 1、充分利用材料； 2、不会过分饱ห้องสมุดไป่ตู้;
E00 n
同步电机的基本知识及结构
同步电机的基本知识及结构同步电机是一种采用交流电源供电、定子感应电动势与转子磁场同步工作的电动机。
它具有结构简单、功率因数高、转速恒定等优点，广泛应用于工业生产线、空调、电力系统等领域。
一、基本原理：同步电机的工作原理是通过感应电动势与转子磁场的同步运动来实现转子运转。
当同步电机的定子绕组通电时，在定子绕组内产生一个旋转磁场。
而当转子上的匝数大于定子，转子上也会感应出一个电动势，使转子上的磁场也具有旋转特性。
由于两者是同步发展的，所以称之为同步电机。
二、基本结构：1.定子：2.转子：3.端环和碳刷：同步电机转子上的绕组通过端环连接，以便于外部电源的接驳。
转子上还设有碳刷，用于保持转子绕组的绝缘。
4.外壳：三、工作方式：同步电机的工作方式可以分为饱和同步、欠饱和同步和过磁同步三种。
其中，饱和同步是指定子绕组的磁场与转子磁场完全同步，欠饱和同步是指定子绕组的磁场与转子磁场不完全同步，过磁同步则是指定子绕组的磁场与转子磁场超前一定角度。
四、应用领域：同步电机具有功率因数高、转速恒定等优点，广泛应用于工业生产线、空调、电力系统等领域。
在工业生产线中，同步电机常用于驱动各种机械设备，如风机、泵等。
在空调中，同步电机作为风机的驱动装置，能够提供稳定的风流，并降低噪音。
在电力系统中，同步电机作为发电机使用，可以将机械能转换为电能，并通过同步工作产生的电动势向电网输送能量。
总结起来，同步电机是一种采用交流电源供电、定子感应电动势与转子磁场同步工作的电动机。
它的主要结构包括定子、转子、端环、碳刷和外壳等。
同步电机具有结构简单、功率因数高、转速恒定等优点，被广泛应用于工业生产线、空调、电力系统等领域。
同步电动机的基本理论
THANKS
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低能耗和碳排放。
高效能同步电动机的应用领域
高效能同步电动机广泛应用于工业自动化、电力、交通、新能源等领域。在工业自动化 领域，高效能同步电动机能够提高生产效率和降低运营成本；在电力和交通领域，高效 能同步电动机能够提高能源利用效率和减少环境污染；在新能源领域，高效能同步电动
机能够助力可再生能源的利用和发展。
同步电动机的调速与控制
调速
同步电动机的调速可以通过改变电机的输入电压或电流来实现，也可以通过改变电机的极数或频率来实现。
控制
同步电动机的控制可以通过控制系统来实现，控制系统可以根据实际需求对电机的运行状态进行实时监测和控制， 以保证电机的正常运行。
同步电动机的故障诊断与处理
故障诊断
同步电动机的故障诊断可以通过监测电机的运行状态和参数来实现，如电机温度、振动、声音等，一 旦发现异常，立即进行故障诊断。
同步电动机的特点
效率高
同步电动机的效率一般在90%以 上，比异步电动机高出10%左右。
调速性能好
同步电动机的转速与电源的频率成 正比，可以通过调整电源的频率来 实现调速，调速范围广，精度高。
维护方便
同步电动机的结构简单，维护方便， 使用寿命长。
同步电动机的应用场景
大型工业设备
如轧钢机、造纸机等需要大功率驱动的设备。
同步电动机的智能化控制技术
智能化控制技术
随着信息技术和人工智能的发展，智能 化控制技术成为同步电动机的重要发展 方向。通过引入传感器、控制器和优化 算法，实现同步电动机的实时监测、智 能诊断和自动控制，提高电机的运行稳 定性和可靠性。
VS
智能化控制技术的应用
智能化控制技术广泛应用于同步电动机的 控制系统中。通过智能化控制技术，可以 实现同步电动机的远程监控、故障预警和 自动修复等功能，提高电机的运行效率和 安全性。
同步电机原理
第四章 同步电机
一、同步电机原理与结构 二、同步电机磁场分析 三、同步电机的电磁关系与等效电路 四、同步电机运行特性
第一节 同步电机的原理与结构
同步电机的原理与结构
• 基本工作原理 • 主要结构 • 运行状态
• 额定值
一、同步电机的基本原理
• 转子直流励磁 • 原动机拖动转子磁场以 速度n0旋转 • 定子导体感生电动势,定 子带负载则有电流流过 • 定子电流产生旋转磁场， 速度为n0 • 转子导体受电磁力，形 成电磁转矩，和拖动转 矩平衡
其中：xd xad x
称为直轴同步电抗 称为交轴同步电抗
xq xaq x
思考：xd与xq有何不同，大小关系？
7、凸极发电机的相量图
已知端电压、负载电流和功率因数及ra 、xd、xq。
已知内功率因数角ψ 按照电势方程式的关系作出相量图 未知内功率因数角ψ
E Q U ra I j I xq E 0 j I d ( xd xq ) 1）利用方程式求出ψ：
几个概念
①内功率因数角Ψ：E0和Ia之间的夹角，与 电机本身参数和负载性质有关； ②外功率因数角φ：与负载性质有关； ③功率角（功角）θ：E0和U之间的夹角； 且有Ψ=φ+ θ （电感性负载） ④直轴（d轴）：主磁极轴线（纵轴）； ⑤交轴（q轴）：转子相临磁极轴线间的中 心线为交轴（横轴）
下面从三种极限情况出发进行研究，即 （1） Ia和E0同相位，即ψ=0；
2）利用公式求出ψ：
arctan
xq I U sin ra I U cos
E 0 U ra I j I d xd j I q xq
2 同步电机
US
E0
UG
US
G S
Ic
X (a)
(b)
图11-2
电压不相等时的并联合闸
二、不满足并联投入条件的后果(2)
２、电压相等，相序一致，但发电机频率和电网频率不相等。
US UG U S
UG U Ic
U
US
G S U G
与 同相 1. E0 I
(1)定子绕组内的电动势,电流和磁动势的空间矢量图
Ff
A
Z
B0
Y
A相轴线
ns
ns
B
N
S
C
X
Fa
(2)时间矢量图
E 0C 0A
IC
1
0 0 时间参考轴 IA
0C
E 0A
IB
0B
E 0B
(3)时-空统一矢量图
Ff
B0 ( 0 )
降，只是大容量系统中，电压和频率的变动很小而已。
三、研究并联运行时所用的规定正方向
A
发 电 机 一 相 绕 组
IG
E0
IS UG U S 电网
X
图11-1
研究并联运行的正方向
2.7.2 同步发电机并联投入的条件和方法
一、并联投入条件
为了避免并联合闸时引起电流、功率以及由此引起的发电机 内部的机械应力的冲击，将要投入电网的发电机应满足下列条件： 1. 发电机的电压幅值等于电网电压幅值，而且波形一致。 2.投入时，发电机的电压相位与电网电压相位一致，即 3.发电机的频率等于电网的频率，即
E0
《同步电机》PPT课件
精选ppt
10
5、饱和系数： 饱和电机中E0一定时，气隙线
上的横坐标为气隙磁动势空载特性上的横坐标
为为励磁磁动势
饱和系数k=励磁磁动势/气隙磁动势=ac/ab= E0/UN
三、空载运行时空矢量图（见图6-7）
1、凸极机中： d轴-----直轴，转子磁极轴线
q轴-----交轴，N、S之间的中心线，与d轴垂直。
空载运行：原动机带动发电机在同步转速下运行,励磁（转子）绕组通过适 当的励磁电流,电枢（定子）绕组不带任何负载（开路）时的运行情况，称 为空载运行。
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Ff（励 磁磁势）单独建立，称励磁磁场。又经气隙与定子交链的磁通。为一以同步转 速旋转的旋转磁场，磁密波形沿气隙圆周近似作正弦分布，其基波分量的 每极磁通用0表示， 0参与电机的机电能量转换。
E0
3、 E0 = f(Ff)：改变If，可改变0 及E0，由此得空载特性曲线如图66。 空载特性与电机磁路的磁化曲线 具有类似的变化规律。
☆励磁电流较小时，由于磁通 较小，电机磁路没有饱和，空载特 性呈直线（将其延长后的射线称气 隙线）。
精选ppt 图6-6 空载特性曲线 9
随着励磁电流的增大，磁路逐渐饱和，磁化曲线开始进入饱和段。为合理 利用材料，空载额定电压一般设计在空载特性的弯曲处，如图中的c点。
2、时空矢量图（取定子绕组的时间参考轴即时轴与相轴重合）
Ff中的基波分量Ff1 (空间矢量）与由它产生的Bf1 (空间矢量）
☆空载特性可以通过计算或试验得到。试验测定的方法与直流发电机 类似。同步电机的空载特性也常用标么值表示，空载电势以额定电压为基 值，此时的励磁电流 (称为额定励磁电流)为励磁电流的基值。用标么值表 示的空载特性具有典型性，不论电机容量的大小，电压的高低，其空载特 性彼此非常接近。
同步电动机
第十二章 同步电机的基本类型和基本结构（一）本章重点1. 同步电机的定义。
2. 同步电机的额定值。
（二）自学指导1. 同步电机的分类和基本结构（1）电动势的频率1f 与转子转速n 之比为恒定值的电机称为同步电机，定义表述了同步电机的主要特点。
即p f n 160。
（2）同步电机按转子结构不同，可分为隐极式和凸极式两类。
①汽轮发电机：由高速原动机汽轮机拖动，转速较高，离心力较大，一般采用隐极式同步电机，是卧式的。
②水轮发电机：由低速原动机水轮机拖动，转速较低，离心力较小，一般采用结构和制造上比较简单的凸极式同步电机，小容量水轮发电机多采用卧式。
大容量的则广泛采用立式。
③同步电动机和调相机一般都做成凸极式。
（3）不同类型、不同容量、不同冷却方式的同步电机结构各不相同，但工作原理所必需的结构部件都是定子和转子两大部分。
定子—是同步电机产生感应电动势和产生旋转磁场的部件，由定子铁芯、电枢绕组和起支撑和固定作用的机座。
转子——转子的作用是产生一个强磁场，并且可以由励磁绕组进行调节。
对转子的要求是导磁性能好、机械强度高。
主要有转子铁心、励磁绕组、滑环等。
另外，在凸极式转子磁极上还装有鼠笼形绕组(在发电机里称阻尼绕组，在电动机里称起动绕组)。
2. 同步电机的额定值（1）额定容量N S 或额定功率N P ：对同步发电机来说，额定容量N S 是指出线端的额定视在功率，—般以干伏安（kV A ）、兆伏安(MV A)为单位；额定功率N P 是指发电机输出的额定有功功率，一般以干瓦（kW ）或兆瓦（MW ）为单位。
对同步电动机来说，N P 是指轴上输出的有效机械功率。
对同步调相机，用线端的额定无功功率来表示其容量。
（2）额定电压、额定电流、额定功率因数、额定效率的定义与异步电动机的相同。
第十三章 同步发电机（一）本章重点1. 同步发电机的电枢反应。
2. 同步发电机的的电势平衡方程式和相量图。
3. 同步发电机的并联运行的条件。
同步电机名词解释
同步电机名词解释
同步电机名词解释
概述
同步电机是一种交流电动机，其转子的运动速度与交流电源的频率相同，因此被称为“同步”。
同步电机常用于工业和家庭中的大型设备，如风扇、水泵和空调等。
结构
同步电机由定子和转子两部分组成。
定子是由线圈和磁铁组成的，它
们产生一个旋转磁场。
转子是由永磁体或线圈构成的，并且通过定位
轴与定子相连。
当交流电源通入定子时，它会产生一个旋转磁场。
这
个旋转磁场会引起转子中的永磁体或线圈也开始旋转。
工作原理
同步电机的工作原理基于磁场互作用。
当交流电源通入定子时，它会
产生一个旋转磁场。
这个旋转磁场会引起转子中的永磁体或线圈也开
始旋转。
由于定子和转子之间存在一些摩擦力和惯性阻力，因此在启
动时可能需要一些额外的帮助。
分类
同步电机可以分为几类：单相、三相、永磁式、感应式等。
单相同步
电机通常用于小型设备，而三相同步电机则用于大型设备。
永磁式同
步电机使用永磁体作为转子，而感应式同步电机则使用线圈作为转子。
应用
同步电机广泛应用于工业和家庭中的大型设备。
它们可以用于风扇、水泵、空调、制冷设备等。
由于它们具有高效率和可靠性，因此它们也被广泛应用于汽车和船舶等交通工具中。
维护
同步电机需要定期维护以确保其正常运行。
这包括清洁、润滑和更换磨损的部件等。
在维护时，必须遵循相关安全规定，并且必须断开电源并检查是否有残留电流。
同步电机的工作原理及结构特点
03
在能源领域中，同步电 机用于发电和输电，特 别是在大型电站中作为 发电机使用。
04
在交通领域中，同步电 机用于驱动地铁、动车、 有轨电车等轨道交通车 辆。
同步电机的结构
02
转子
01
02
03
转子铁芯
通常由硅钢片叠压而成， 用于产生磁场。
转子绕组
缠绕在转子铁芯上的线圈， 通过电流产生磁场。
转轴
连接电机和负载，传递扭 矩。
定子
定子铁芯
由硅钢片叠压而成，具有 较高的导磁性能。
定子绕组
缠绕在定子铁芯上的线圈， 用于产生三相交流电。
机座
固定和支撑定子铁芯和绕 组，通常由铸铁或钢板制 成。
机座和端盖
机座
支撑和保护电机内部元件，通常 由铸铁或钢板制成。
端盖
固定电机两端的轴承，并起到保 护电机内部元件的作用。
其他部件
轴承
用于支撑转轴，减少摩擦和磨损。
功率因数控制
总结词
功率因数控制是通过调节电机的输入电压或电流的相位角，以实现功率因数的优化控制。
详细描述
功率因数控制通常采用闭环调节系统，通过检测电机的输入电压和电流，计算出功率因 数，并与设定值进行比较，自动调节电压或电流的相位角，以使电机的功率因数与设定 值保持一致。功率因数控制能够提高电力系统的效率，减少无功损耗，广泛应用于电力
功率因数可调
同步电机的功率因数可以通过调节励磁电流来调整，使其保持在较高的水平上， 从而提高电网的功率因数。
通过调整同步电机的功率因数，可以改善电网的电能质量，减少无功功率的消耗 ，提高电力系统的稳定性。
对电网无冲击
同步电机在启动和停车时，对电网的冲击较小，不会产生较 大的电流峰值，从而避免了电网电压的波动和闪变。
第6章 同步电机
即
1.功率方程和电磁功率
由图6—27可见 故同步电机的电磁功率亦可写成
上式的第一部分与感应电机的电磁功率 表达式相同，第二部分则是同步电机常用的。 对于隐极同步电机，由于EQ＝E0，故有
图6-27 从相量图导出 Ecosψ=Ucosφ+IRa
2.转矩方程
把功率方程(6—18)除以同步角速度，可得转矩方程
和 E 可以用相应的负电抗压降来表示 E ad aq
（6-15） 式中，Xad和Xaq分别称为直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗，将 I I ，可得 式(6-15)代入式(6-13)，并考虑I
d q
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。图6-20表示与上式相对应的相量图。
1.不考虑磁饱和
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 (6—6) 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
与I 滞后于 Φ 以90°电角度，若不计定子铁耗,Φ 在时间相位上， E a a a 以90°电角度，于是亦可写成负电抗压降的 同相位，则 E 将滞后于 I a 形式，即
1.双反应理论
图6-19 凸极同步电机的气隙比磁导和直轴、交轴电枢反应 a)电枢表面不同位置处的气隙比磁导 b)直轴电枢磁动势所产生的直轴 电枢反应 c)交轴电枢磁动势所产生的交轴电枢反应
2.不考虑磁饱和时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：
If
1.同步电机概述
1.1 基本概念及分类
一.同步电机的概念 二.同步电机的运行原理 三.同步电机的用途 四.同步电机的分类
一. 同步电机的概念
什么是同步电机？
有三种等价的说法： 1.电机转子磁场的转速等于定子磁场的转速。 2.电机转子转速和定子电流的频率有固定不 变的关系。 3.转子转速恒等于同步转速。
发电机定子总装配
ALSTOM发电机
ALSTOM 发电机定子是由定子机座、定子铁芯和定子绕 组等主要部件组成。
定子机座由定子 铁芯支撑环、20 个垂直的斜元件、 垂直筋板以及机 座外壁等组成。 机座分6瓣，现 场组装
发电机定子总装配
•
定子铁芯由硅钢片、齿压板、 压指、压紧螺栓等组成。硅 钢片厚度为0.5mm，两面均 涂有F级绝缘漆，叠成总高 度为3130mm，共46段叠片堆， 47个通风槽；铁芯拉紧螺栓 位于铁芯叠片中部，用绝缘 套管与铁芯叠片绝缘，与传 统的位于铁芯叠片尾部相比 拉紧效果好，有利于防止叠 片翘曲变形和运行过程中松 动。
公司、德国西门子公司、通用电气加拿大国际公司
三家联营体，简称VGS生产制造；
b. 4#、5#、6#、10#、11#、12#、13#、14#为
ALSTOM公司生产制造
左岸发电机简介
三峡左岸电站水轮发电机组为混流式，采用立轴半伞式 三导轴承结构，下导与推力采用推导联合轴承。
机组额定转速75r/min，额定工作水头为80.6m。
发电机冷却方式采用半水冷，即定子绕组采用直接水冷， 定子铁芯和转子绕组采用空冷的发电机。 发电机与主变连接采用联合单元接线，发电机出口不设 断路器，发电机中性点通过接地变压器接地。
机组制动采用电气/机械制动的方式。
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r I&Fra
F
&a E&a & E&
感应电动势的正方向与产生它的磁通
r Frf1Fr & E& Fa
的正方向不符合右手螺旋关系。与电
流方向相反，为反电势。
E&0 j 4 .4 4 f1 N 1 k w1&0
E&a j 4 .4 4 f1 N 1k w1&a
对吗？
E& j 4 .4 4 f1 N 1k w1&
E& j 4 .4 4 f1 N 1k w1&
为便于分析，假设磁路不饱和，r 不考虑铁耗，转子为隐极，则电r
枢反应决定于电枢磁动势基波F
在空间中的相对位置。
a
的大小及其与励磁磁动势基波F
f1
r 在时空矢量图中，电枢磁动势矢量F a
与产r 生它的电枢电流 I&
同相位，
而若不计铁耗，则基波励磁磁动势矢量F f 1 与励磁磁通 & 0 同相位，
而由励磁磁通产生的励磁电动势 E& 0 则超前90度电角度。
电枢电流与励磁电动势之间的相位差
就决定了电枢磁动势与励磁磁动势在空
间中的相对位置。
r Fa
r F f1
E& 0 I&
& 0
与直流电机相同，主磁极的轴线为直轴，称为d轴，与主磁极轴线 正交的轴线为交轴，称为q轴，一般来说，规定q轴滞后于d轴90度 电角度。
(5)额定转速nN 是指同步电机的同步转速，单位r/min (6)额定效率ηN 额定运行时的效率 (7)额定功率因数cosφN 额定运行时的同步电机的功率因数
对于三相同步发电机：
P N S N c o sN3 U N IN c o sN
对于三相同步电动机：
P N 3UNINNcosN
§6-2 同步电机的电枢反应
发电机简化模型
B
Z
n1
S
X
N
C
Y
Ea 2E0 sin t Eb 2E0 sin(t 120o) Ec 2E0 sin(t 120o)
E0 ?
A E 04.44f1N 1kw 1 m
2
n1p 60
2
f1
当发电机端接上三相对称负载，
定子就有三相电流流通，发电机就
将轴上输入的机械能转ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ成电能向
第六章 同步电机
什么是同步电机？
同步是相对于异步而言，是指这种电机在正常工作时，电机的转 速始终保持同步速不变。而不是像异步电机一样，转速随负载的 变化而变化。
为什么要学习同步电机？
➢我们目前所用的电能，99%以上是同步发电机发出来的。 ➢电励磁的同步电机可以通过改变励磁来调节功率因数，可以运行 于功率因数为1的状态，甚至可以超前。
但与旋转磁极所建立的磁动势在大小
C
Y
和相位上已不同。这种变化称为电枢
反应。
二、基本结构
定子、气隙、转子，一般都采用转极式。定子的结构和绕组形式 与感应电机定子基本一样。铁芯也是由硅钢片叠成。
定 子
转子有隐极式和凸极式两种。
隐极式是指转子磁极铁芯表面是个圆，气隙均匀，而凸极式，则气 隙不均匀。前者转子铁芯用整块合金钢锻造而成，适用于高转速的 汽轮发电机，轴长，电机外径小，转子励磁线圈匝数少，导线粗， 电流大。
下好线的转子
大型汽轮发电机完工后的转子
为什么可以用整块钢而不是用硅钢片来用作转子铁芯？
电机稳定运行时，转子铁芯
中的主磁通不变。不会产生
涡流和磁滞损耗。
B
Z
n1
S
X
A
N
C
Y
凸极同步电机的转子由主磁极、磁轭、励磁绕组、滑环和转轴构 成。通常在转子极靴槽内还嵌放阻尼绕组，阻尼绕组由槽内的铜 条和端部短路铜环焊接而成，防止运行中的振荡和用作起动绕组。
这种负载时电枢磁动势对主极基波磁场的影响称为电枢反应。
电枢反应与电流的大小、主磁路的饱和程度有关，与电枢磁动势与 励磁磁动势在空间中的相对位置有关，还与转子结构有关。
正方向的规定：
U & 与 I& 为关联参考方向；
电流与由其产生的磁动势符合右手
螺旋关系，磁动势与磁通方向相同。
F rf1 & 0E & 0
感应电动机增加负载以后，转速会下降，重新达到平衡。同步电动 机转速不下降，如何达到新的平衡？
电磁转矩的大小与两磁场夹角有关。
n1
N
N
N
N
S
S
S
S
N
N
S
S
N
N
N
S
N
真实的同步电动机，两个旋转磁场分别由真实的旋转磁极和三相对 称绕组中通入三相对称电流产生。即定子结构与感应电机完全一 致，转子磁极是由直流电励磁或永磁磁极。
所谓电枢反应，就是电枢电流产生的磁动势对气隙中的主磁场 产生的影响。
负载时，对称三相电枢绕组中流过对称三相电流
r 圆形旋转的基波磁动势F a ，转向与转子磁极相同，转速为同步速
r
r
F a 会改r 变由r主磁极励磁磁动势F f 形成的气隙磁场的分布，气隙磁
场由F a 与的F 磁f 合场成不的同气，隙磁磁场动产势生建的立感，应与电转动子势励也磁不磁同动。势所产生
主磁极铁心的构成
一般用作水轮发电 机，转速慢，极对 数多，轴短，电机 外径大。
三、同步机的额定值
(1) 额定容量SN和额定功率PN 额定容量SN是指同步发电机输出的额定视在功率，单位kVA或MVA PN是指输出的额定有功功率，对发电机而言是输出的额定有效电功 率，对电动机而言，是指轴上输出的有效机械功率。单位kW或MW (2)额定电压UN 额定运行时，加在定子绕组上的线电压，单位V或kV (3)额定电流IN 额定运行时，流过定子绕组的线电流，单位A (4)额定频率fN 额定运行时的频率，我国为50Hz。
注意，轴线关系是根据统一矢量重合的先后顺序定的，而物理量的
相位关系则是由它们在空间中的前后关系决定。
d
d
B
Z
与直流电机不同
负载输出。
电枢
将机电能量转换的枢纽，称为电枢。与主磁极相对应。直流电机、 感应电机、同步电机不相同。
电枢电流在三相对称绕组中流通，
B
Z
会不会形成一个旋转磁场？转速
如何？转向如何？
n1
S
电枢产生的旋转磁动势与磁极的励
X
A 磁磁动势以相同的转速和转向旋转，
在空间中相对静止。可以合成。
N
合成气隙磁动势也是以同步速旋转，
➢永磁同步电机不需励磁，没有励磁损耗，也不需从电网吸收无 功，效率和功率密度非常高，是一种非常有潜力的电机。
不足： 成本较高，难起动，存在失步问题，永磁存在失磁问题，电励磁 存在滑环和电刷，可靠性不如感应电机。
§6-1 基本工作原理和结构
一、基本工作原理 电动机简化模型
N
N
S
S
N
N
S
S
只有同步时才能产生平稳的电磁转矩，即正常运行时转 子处于同步转速。