第十二章 同步电机的基本理论和运行特性
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同步发电机基本工作原理及运行特性
同步发电机基本工作原理及运行特性一、基本工作原理及结构同步发电机是利用电磁感应原理，将机械能转变为电能的装置。
所谓电磁感应就是导体切割磁力线的能产生感应电势，将导体连接成闭合回路，就有电流通过的现象。
导体镶嵌在铁芯的槽里，铁芯是固定不动的称为定于（静子）。
磁极是转动的，称为转子。
它是由励磁绕组和铁芯组成的。
励磁绕组通过滑环与外部励磁回路相连，定子和转子是发电机的基本组成部分。
那么，三相交流电是如何产生的呢？直流电通入转子绕组后，就产生了稳恒的磁场，沿定于铁芯内圆，每相隔120度，分别安放三相绕组A－X、B－Y、C－Z。
当转子被汽轮机拖动以3000r/min旋转时，定子绕组便切割磁力线，产生感应电势，感应电势的方向可由右手定则来确定。
由于转子产生的磁场是旋转磁场，所以定子绕组切割磁力线的方向不断变化，在其中感应的电势方向就不断变化，因而形成交变电势即交流电势。
交流电势的额定频率为f，它决定于发电机的极对数P和转速n，其计算公式为:f=np/60HZ，我国规定交流电的频率为50HZ。
即：p=1，n=3000r/min交流电势的相位关系：转子以3000r/min的转速不停地旋转A、B、C三相绕组先后切割转子磁场的磁力线，所以三相绕组中电势的相位是不同的，因为定子绕组在安放时，空间角度相差120°相序为A－B－C。
何为同步呢？当发电机并列带负荷后，三相绕组中的定子电流（电枢电流）将合成一个旋转磁场，交流磁场与转子同速度，同方向旋转，这就是同步。
二、同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性，一般是指发电机的空载特性、短路特性、负载特性、外特性和调整特性等五种。
其中，外特性和调整特性是主要的运行特性，根据这些特性，运行人员可以判断发电机的运行状态是否正常，以便及时调整，保证高质量安全发电。
而空载特性、短路特性、负载特性则是检验发电机基本性能的特性，用于测量，计算发电机的各项基本参数。
1、外特性所谓外特性，就是励磁电流、转速、功率因数为常数的条件下，负荷变化时发电机端电压U的变化曲线。
第十二章 同步电机的基本理论和运行特性2
If 图12-29 由空载特性和零功率因数特性确定饱和同步电抗
o
a'
b
二、短路比
三、漏抗的测定和保梯电抗
1. 漏抗的测定
E 0, U a a' b' a'' o b'' c'' (a) If o e (b) If d b c' OCC c ZPF UN E 0, U a db agl OCC c ZPF
d jI dx d c Iq o Id I
图12-23 例12-3相量图
b jIx q
E0
U a
jI qx q
12-7 电枢绕组的漏抗 12-
12-8 同步发电机的空载、短路 12- 同步发电机的空载、 和负载特性
空载特性OCC 一、空载特性OCC
E 0* agl 1.0 OCC
E r* 0 1.0
0.5
0
o
e
0.5 1.0 1.5 2.0f
I*f
图12-38(c) 例12-4的特性曲线图
I*
U*
agl
OCC
a
2.0 1.0
d b i
c
SCC
1.0
0.5
0
o
e
0.5 1.0 1.5 2.0f
I*f
图12-38(d) 例12-4的特性曲线图
I*
U*
agl
OCC
a
2.0 1.0
' E 0*
d b i
N
IN
If 图12-36(1) 用磁动势法求 U
o
U I E UN
N
agl
OCC
E
SCC IN
同步电机的基本理论和运行特性
扁铜线绕制而成,采用成型线圈 —用钢板焊接而成 —隔振结构、电刷等
精品课件
精品课件
隐极机定子
(隐)内定子插入外机座
(隐)外机座加工
精品课件
凸极精机品定课件子机座
2、转子 汽轮发电机转子(隐极)
最大直径限制在1m左右 瘦长型：采用增大长度来增大容量（l/D=5~7) 形式：整块式、组合式 其它部件：转轴、风扇、集电环 大齿：小齿=1：2
汽轮发电机组
精品课件
三、同步电机的额定值（铭牌）
• 额定容量SN(或功率PN)：额定运行时的输出容量（或功率）
• 额定电压UN ——定子的线电压
• 额定电流IN ——定子的线电流
• 额定功率因数cosθN ——额定运行时电机的功率因数
• 额定频率fN ——我国标准工频50Hz
• 额定转速nN ——即为同步转速
• 额定效率ηN
（发电机： P NSNco N s3 U N INco N s
)
（电动机： P N S N co NN s3 U N IN co NN s )
• 额定励磁电压UfN和额定励精磁品电课件流IfN
课时小结
• 同步电机命名的由来？同步电机的基本特点和主 要用途？
• 电机产生旋转磁场的机理有哪些？它们间有什么 异共同点？
• 隐极机和凸极极的各自的结构特点比较？ • 同步电机运行方式？判别依据？ • 同步电机的额定值间的关系？
精品课件
§12.2 同步电机的励磁系统
励磁系统—为同步电机提供励磁电流(直流)的整个系统
一、励磁系统应满足的条件:
➢能稳定提供发电机从空载到满载(及过载)所需的If ➢当电网电压减小时,能快速强行励磁,提高系统稳定性.
转子
精品课件
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隐极机定子
(隐)内定子插入外机座
(隐)外机座加工
精品课件
凸极精机品定课件子机座
2、转子 汽轮发电机转子(隐极)
最大直径限制在1m左右 瘦长型：采用增大长度来增大容量（l/D=5~7) 形式：整块式、组合式 其它部件：转轴、风扇、集电环 大齿：小齿=1：2
汽轮发电机组
精品课件
三、同步电机的额定值（铭牌）
• 额定容量SN(或功率PN)：额定运行时的输出容量（或功率）
• 额定电压UN ——定子的线电压
• 额定电流IN ——定子的线电流
• 额定功率因数cosθN ——额定运行时电机的功率因数
• 额定频率fN ——我国标准工频50Hz
• 额定转速nN ——即为同步转速
• 额定效率ηN
（发电机： P NSNco N s3 U N INco N s
)
（电动机： P N S N co NN s3 U N IN co NN s )
• 额定励磁电压UfN和额定励精磁品电课件流IfN
课时小结
• 同步电机命名的由来？同步电机的基本特点和主 要用途？
• 电机产生旋转磁场的机理有哪些？它们间有什么 异共同点？
• 隐极机和凸极极的各自的结构特点比较？ • 同步电机运行方式？判别依据？ • 同步电机的额定值间的关系？
精品课件
§12.2 同步电机的励磁系统
励磁系统—为同步电机提供励磁电流(直流)的整个系统
一、励磁系统应满足的条件:
➢能稳定提供发电机从空载到满载(及过载)所需的If ➢当电网电压减小时,能快速强行励磁,提高系统稳定性.
转子
同步发电机的运行特性.ppt
频率闪光法测速
轴上面一块 白色扇形片
旋转后出现四 块阴影图像
实验目的
掌握三相同步发电机对称运行时作特性曲线的测量方法 掌握磁势-电势法求取电压变化率和额定励磁电流
实验内容
实物接线图
注意事项
励磁滑线电阻为500Ω;1A 电枢滑线电阻为40Ω;6A 连接直流电动机时，必须看 清电机旋转方向
实验步骤和方法
实验步骤和方法
实验步骤和方法
实验报告
思考题
谢 谢！
同步发电机的运行特性同步发电机Fra bibliotek 频率闪光法测速
频率闪光法(频闪法)测速原理
把一定闪光频率的光源照射到转轴上，当闪光频率与转 轴的转速一致时(或为整数分之一时)，则转轴看起来好像是 静止的。
例：使用日光灯作为频闪法测速的光源 50周/秒的工频电源，日光灯每秒亮100次灭100次，每次 间隔时间为0.01秒。由于人的视觉存在暂留印象，并不感到 日光灯在闪烁。电机的转速如为1500转/分，即每秒25转， 每转0.04秒；就是说电机转一转，日光灯亮了四次。若在轴 上画一块白色扇形片，日光灯照到轴上，电机旋转后，将出 现四块扇形的阴影。
同步发电机运行特性及应用
发电机在额定负载时（I=IN,cosφ =cosφ N）, 得到额定电压所需的励磁电流称为额定励磁电 流IfN。若保持IfN及转速nN不变，卸去负载，即 得到外特性上I=0对应的电压E0，这一过程中端 电压升高的百分数，就称为发电机的电压变化 率，即
E U △U U
0 N
N
100 %
二、调整特性 发电机在n=nN,U=UN,cosФ =常数时, If=f(I)曲线。
E0 Ф0
2
h
UN
a
b
c
1
E
' 0
Fδ
O
g
Ff0 d
If Ff
图17-1 同步发电机的空载特性
二、短路特性
1、定义：当同步发电机运行于n=nN，U=0，
即电枢三相绕组持续稳定短路时，测得短路 电流Ik随励磁电流If变化的关系曲线Ik=f(If)， 称为短路特性。
2、曲线：短路特性是一条直线，如图17-1(a)
≈
AB I
N
"ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
"
三、用转差法求稳态xd和xq不饱和值
1、转差实验：将同步电机转子拖到接近同步转速(转差率小 于0.01),转子励磁绕组开路（If=0）,然后在定子绕组加额定 频率的三相对称低电压,其值为(0.05 ～ 0.15)UN,使其产生的旋 转磁场,转向与转子转向一致,并保持转子不被牵如同步。
n n1 U 0 I k f ( I f )
n n1 I I N
If C
3、零功率因数负载特性：
cos C U f ( I f )
U f (I )
4、外特性：
n n1
cos C
5、调整特性： n n1
E U △U U
0 N
N
100 %
二、调整特性 发电机在n=nN,U=UN,cosФ =常数时, If=f(I)曲线。
E0 Ф0
2
h
UN
a
b
c
1
E
' 0
Fδ
O
g
Ff0 d
If Ff
图17-1 同步发电机的空载特性
二、短路特性
1、定义：当同步发电机运行于n=nN，U=0，
即电枢三相绕组持续稳定短路时，测得短路 电流Ik随励磁电流If变化的关系曲线Ik=f(If)， 称为短路特性。
2、曲线：短路特性是一条直线，如图17-1(a)
≈
AB I
N
"ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
"
三、用转差法求稳态xd和xq不饱和值
1、转差实验：将同步电机转子拖到接近同步转速(转差率小 于0.01),转子励磁绕组开路（If=0）,然后在定子绕组加额定 频率的三相对称低电压,其值为(0.05 ～ 0.15)UN,使其产生的旋 转磁场,转向与转子转向一致,并保持转子不被牵如同步。
n n1 U 0 I k f ( I f )
n n1 I I N
If C
3、零功率因数负载特性：
cos C U f ( I f )
U f (I )
4、外特性：
n n1
cos C
5、调整特性： n n1
同步电动机的基本理论
THANKS
感谢观看
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。
电机学同步电机部分知识点总结
隐极机一般用汽轮机拖动，凸极机用水轮机拖动。
二、 对称负载时的电枢反应
1. 同步电机空载时，气隙磁场就是由励磁磁动势所产生的同步旋转的主磁场， 在定子绕组中只感应有空载电动势，因为定子电流为 0，所以端电压就等于 空载电动势。带上对称负载以后，定子绕组流过负载电流时，电枢绕组就会 产生电枢磁动势以及相应的电枢磁场，若仅考虑其基波，则它与转子同向、 同速旋转，它的存在使空气隙磁动势分布发生变化，从而使空气隙磁场以及 绕组中的感应电动势发生变化，这种现象称为电枢反应。
因此，与之对应有直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗，再把电枢反应电 抗与漏抗相加，可得直轴同步电抗和交轴同步电抗。
四、同步发电机的参数及测定 1.不饱和同步电抗和饱和同步电抗：不饱和同步电抗的数值要比饱和同步电抗的 数值大得多。（因为饱和时，磁阻大，电抗就小）（有一规律：气隙大，磁阻就大， 电抗就小） 2.漏抗的测定和保梯电抗（电抗三角形） （1）负载特性：当电枢电流及功率因数均为常数时，端电压与励磁电流之间的 关系曲线 U=f(If)称为负载特性。
同步电机的基本原理和运行特性
一、 同步电机（电机转子的转速和旋转磁场转速相同）的结构
转子上装有磁极和励磁绕组。当励磁绕组通以直流电流后，电机内就产生转 子磁场。同步电机的磁极通常装在转子上，而电枢绕组放在定子上，通常称为旋 转磁极式电机。
旋转磁极式同步电机的转子有隐极和凸极两种结构，隐极电机的气隙均匀， 凸极电机的气隙不均匀（极弧下较小，而极间较大）。
6. 由内功率因数角判断同步电机的运行方式。
三、 隐极+凸极同步发电机的分析方法
1.电枢反应电抗的物理意义：电枢反应磁场在定子每相绕组中所感应的电枢反应 电动势 ，可以把它看作相电流所产生的一个电抗电压降，这个电抗便是电枢 反应电抗 。 2.同步电抗： = + ,包含两部分，一部分对应于定子绕组的漏磁通，另 一部分对应于定子电流所产生的电枢反应磁通。在实用上，我们通常不把它们分 开，而是把 + 当作一个同步电抗来处理。
二、 对称负载时的电枢反应
1. 同步电机空载时，气隙磁场就是由励磁磁动势所产生的同步旋转的主磁场， 在定子绕组中只感应有空载电动势，因为定子电流为 0，所以端电压就等于 空载电动势。带上对称负载以后，定子绕组流过负载电流时，电枢绕组就会 产生电枢磁动势以及相应的电枢磁场，若仅考虑其基波，则它与转子同向、 同速旋转，它的存在使空气隙磁动势分布发生变化，从而使空气隙磁场以及 绕组中的感应电动势发生变化，这种现象称为电枢反应。
因此，与之对应有直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗，再把电枢反应电 抗与漏抗相加，可得直轴同步电抗和交轴同步电抗。
四、同步发电机的参数及测定 1.不饱和同步电抗和饱和同步电抗：不饱和同步电抗的数值要比饱和同步电抗的 数值大得多。（因为饱和时，磁阻大，电抗就小）（有一规律：气隙大，磁阻就大， 电抗就小） 2.漏抗的测定和保梯电抗（电抗三角形） （1）负载特性：当电枢电流及功率因数均为常数时，端电压与励磁电流之间的 关系曲线 U=f(If)称为负载特性。
同步电机的基本原理和运行特性
一、 同步电机（电机转子的转速和旋转磁场转速相同）的结构
转子上装有磁极和励磁绕组。当励磁绕组通以直流电流后，电机内就产生转 子磁场。同步电机的磁极通常装在转子上，而电枢绕组放在定子上，通常称为旋 转磁极式电机。
旋转磁极式同步电机的转子有隐极和凸极两种结构，隐极电机的气隙均匀， 凸极电机的气隙不均匀（极弧下较小，而极间较大）。
6. 由内功率因数角判断同步电机的运行方式。
三、 隐极+凸极同步发电机的分析方法
1.电枢反应电抗的物理意义：电枢反应磁场在定子每相绕组中所感应的电枢反应 电动势 ，可以把它看作相电流所产生的一个电抗电压降，这个电抗便是电枢 反应电抗 。 2.同步电抗： = + ,包含两部分，一部分对应于定子绕组的漏磁通，另 一部分对应于定子电流所产生的电枢反应磁通。在实用上，我们通常不把它们分 开，而是把 + 当作一个同步电抗来处理。
12第12章 同步发电机的基本理论概述
X ad X aq
Xd Xq
一般 X q 0.6 X d
第12章 同步发电机的基本理论
三、相量图
已知量： U
cos I a
Xd
X q Ra 0
I 为了画相量图，应先求出 I d q
U jI X jI X jI X jI X E 0 d d q q d q d q
气隙合成磁通 δ 0 a
第12章 同步发电机的基本理论
将
jI X E a a a
jI X E a
E E U I R 代入 E 0 a a a
U I R jI (X X ) 得 E 0 a a a a
jI X jI (X X ) U a q d d q
jI X E jI (X X ) U a q 0 d d q
I E 0 d
与 jI ( X X )重合 E 0 d d q
jI X )即为E 位置 I I 相量(U a q 0 d q I X q U sin 1 a 由相量图： tan U cos
滞后E Ψ角） 1. 0 90 ( I a 0
最大，I 0 当磁极转到水平位置时，U相 E 0 a 才达到最大 当磁极再转过 时， U相 I a
分 解 法
Fa 处在U相轴线上（如图）
交磁电枢反应. 直轴去磁电枢反应.
I I Fa Fad Faq I a d q
f (I f )
E0 f ( I f ) 空载特性
E0 0
I f Ff
Xd Xq
一般 X q 0.6 X d
第12章 同步发电机的基本理论
三、相量图
已知量： U
cos I a
Xd
X q Ra 0
I 为了画相量图，应先求出 I d q
U jI X jI X jI X jI X E 0 d d q q d q d q
气隙合成磁通 δ 0 a
第12章 同步发电机的基本理论
将
jI X E a a a
jI X E a
E E U I R 代入 E 0 a a a
U I R jI (X X ) 得 E 0 a a a a
jI X jI (X X ) U a q d d q
jI X E jI (X X ) U a q 0 d d q
I E 0 d
与 jI ( X X )重合 E 0 d d q
jI X )即为E 位置 I I 相量(U a q 0 d q I X q U sin 1 a 由相量图： tan U cos
滞后E Ψ角） 1. 0 90 ( I a 0
最大，I 0 当磁极转到水平位置时，U相 E 0 a 才达到最大 当磁极再转过 时， U相 I a
分 解 法
Fa 处在U相轴线上（如图）
交磁电枢反应. 直轴去磁电枢反应.
I I Fa Fad Faq I a d q
f (I f )
E0 f ( I f ) 空载特性
E0 0
I f Ff
12章 同步发电机的基本理论 课后答案
2
动势，电枢绕组匝数不可能太少，为了减小励磁安匝数，气隙应尽可能小，所以同步电抗不可能做得较 小。 （1）电枢绕组匝数增加，同步电抗增大； （2）铁心饱和程度提高，铁心磁导率降低，同步电抗减小； （3）气隙加大，同步电抗减小； （4）励磁绕组匝数增加，同步电抗不变。 12.9 同步发电机带上 0 的对称负载后，端电压为什么会下降，试从电路和磁路两方面来分析。
*
的相位关系，或者说取决于负载的性质。 与励磁电动势 E 答：电枢反应的性质取决于负载电流 I 0
（1）带电阻负载时，由于同步电抗的存在，负载性质呈阻感性，故电枢反应起交磁和直轴去磁作用；
* （2）带电容负载 X s 0.8 时，由于它小于同步电抗（ X s ，总电抗仍为感抗，电枢电阻很小，因 1.0 ）
或者说，因为发电机的直轴同步电抗较大，起限制短路电流的作用，所以短路电流不大。 12.11 列出隐极和凸极同步发电机在纯电容性负载下的电势方程式，并绘出其相量图。
U jI X E s 0 答： 隐极发电机的电势方程式和相量图： U jIX C
（ X C X s 时）
Xd
12.13 有一台三相隐极汽轮发电机，定子绕组 Y 接法，额定功率 PN 25000kW ，额定电压
U N 10.5kV ，额定电流 I N 1720A ，同步电抗 X s 2.3 ，不计电阻压降，用作图法求：
（1） I a I N ， cos 0.8 （滞后）时的 E0 ； （2） I a I N ， cos 0.8 （超前）时的 E0 。 解： （1） X s
由于凸极同步电机的气隙不均匀直轴处气隙小磁阻小交轴处气隙大磁阻大同样的电枢磁动势作用在不同位置时遇到的磁阻不同产生的电枢反应磁通不同对应的电枢反应电抗也不同即电枢磁动势电枢电流与电枢反应磁通电枢电动势之间不是单值函数关系因此分析凸极同步电机时要采用双反应理论
动势，电枢绕组匝数不可能太少，为了减小励磁安匝数，气隙应尽可能小，所以同步电抗不可能做得较 小。 （1）电枢绕组匝数增加，同步电抗增大； （2）铁心饱和程度提高，铁心磁导率降低，同步电抗减小； （3）气隙加大，同步电抗减小； （4）励磁绕组匝数增加，同步电抗不变。 12.9 同步发电机带上 0 的对称负载后，端电压为什么会下降，试从电路和磁路两方面来分析。
*
的相位关系，或者说取决于负载的性质。 与励磁电动势 E 答：电枢反应的性质取决于负载电流 I 0
（1）带电阻负载时，由于同步电抗的存在，负载性质呈阻感性，故电枢反应起交磁和直轴去磁作用；
* （2）带电容负载 X s 0.8 时，由于它小于同步电抗（ X s ，总电抗仍为感抗，电枢电阻很小，因 1.0 ）
或者说，因为发电机的直轴同步电抗较大，起限制短路电流的作用，所以短路电流不大。 12.11 列出隐极和凸极同步发电机在纯电容性负载下的电势方程式，并绘出其相量图。
U jI X E s 0 答： 隐极发电机的电势方程式和相量图： U jIX C
（ X C X s 时）
Xd
12.13 有一台三相隐极汽轮发电机，定子绕组 Y 接法，额定功率 PN 25000kW ，额定电压
U N 10.5kV ，额定电流 I N 1720A ，同步电抗 X s 2.3 ，不计电阻压降，用作图法求：
（1） I a I N ， cos 0.8 （滞后）时的 E0 ； （2） I a I N ， cos 0.8 （超前）时的 E0 。 解： （1） X s
由于凸极同步电机的气隙不均匀直轴处气隙小磁阻小交轴处气隙大磁阻大同样的电枢磁动势作用在不同位置时遇到的磁阻不同产生的电枢反应磁通不同对应的电枢反应电抗也不同即电枢磁动势电枢电流与电枢反应磁通电枢电动势之间不是单值函数关系因此分析凸极同步电机时要采用双反应理论
福州大学_电机学_12同步电机的基本理论和运行特性
q
I sin I cos
F sin F ad a F cos F aq a
小结
Ψ= -90°～0° 发电机 P>0 Q<0 直轴助磁、交磁 欠励
直轴 交轴 A相相轴
E0
Fa I I Fa
Ψ
Fa I Fad I Fa
Ψ= 0°～90° 发电机 P>0 Q>0 直轴去磁、交磁 过励
第四篇 同 步 电 机
第十六章 同步电机的基本理论和运行特性
电气工程与自动化学院 主讲 黄灿水
2016.3
配套教材：《电机学》，林荣文（福州大学），中国电力出版社，2014.1
目 录
第十六章 同步电机的基本理论和运行特性 16.1 同步发电机的空载运行 16.2 对称负载时同步电机的电枢反应
16.3 隐极同步发电机的分析方法
功率交换：仅从电网吸收有功功率（ P<0，Q=0）。 图12-19 时的电枢反应 电枢反应性质：交轴电枢反应。 励磁情况：正常励磁。
超前 四、 I
90º ( 90)时的电枢反应 E 0
A 相轴 q 时轴 E E0 Ea
相轴 轴
IB
d
E 0B
F f1 F
考虑：如何改善同步发电机的电压波形？
五、时间相量和空间矢量
空间矢量：在空间按正弦规律分布的量 气隙磁动势基波分量 气隙磁密基波分量
F f1 B f1
时间相量：随时间按正弦规律变化的量 定子绕组所匝链的磁通 定子绕组感应电动势
0
思考：相量 图和矢量图 的区别？
E 0
时空矢量图的定义：将具有相同角速度的空间矢量和 时间相量画在同一坐标即为时空矢量图。
I sin I cos
F sin F ad a F cos F aq a
小结
Ψ= -90°～0° 发电机 P>0 Q<0 直轴助磁、交磁 欠励
直轴 交轴 A相相轴
E0
Fa I I Fa
Ψ
Fa I Fad I Fa
Ψ= 0°～90° 发电机 P>0 Q>0 直轴去磁、交磁 过励
第四篇 同 步 电 机
第十六章 同步电机的基本理论和运行特性
电气工程与自动化学院 主讲 黄灿水
2016.3
配套教材：《电机学》，林荣文（福州大学），中国电力出版社，2014.1
目 录
第十六章 同步电机的基本理论和运行特性 16.1 同步发电机的空载运行 16.2 对称负载时同步电机的电枢反应
16.3 隐极同步发电机的分析方法
功率交换：仅从电网吸收有功功率（ P<0，Q=0）。 图12-19 时的电枢反应 电枢反应性质：交轴电枢反应。 励磁情况：正常励磁。
超前 四、 I
90º ( 90)时的电枢反应 E 0
A 相轴 q 时轴 E E0 Ea
相轴 轴
IB
d
E 0B
F f1 F
考虑：如何改善同步发电机的电压波形？
五、时间相量和空间矢量
空间矢量：在空间按正弦规律分布的量 气隙磁动势基波分量 气隙磁密基波分量
F f1 B f1
时间相量：随时间按正弦规律变化的量 定子绕组所匝链的磁通 定子绕组感应电动势
0
思考：相量 图和矢量图 的区别？
E 0
时空矢量图的定义：将具有相同角速度的空间矢量和 时间相量画在同一坐标即为时空矢量图。
12同步电机的基本理论和运行特性
其他：反映迅速，运行可靠，结构简单，损耗 小，成本低，体积小等
强励指标
励磁电流增长幅度
强励倍数 K
强励时顶值电压 正常工作电压
励磁电流增长速度
电压上升速度
v
0.5s内增长电压 正常工作电压
一般值，K=1.5-2，v=0.5-1.0
励磁方式
它励 由另外电源供电——直流发电机，带整流的 交流发电机 运动方式——同轴，独立工作
转子——转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极， 磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机 的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也 称主磁场、转子磁场)。
气隙——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。
发电机原理示意
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。
在求分数槽绕组的分布因数时，应考虑极对与极对之 间的分布。将各极对重叠，化成一台等效二极机，然 后求出分布因数。
同步电机铭牌
电我机国生型产号的汽轮发电机有QFQ、QFN、QFS等系列。 额等前氢定)两外：个 冷容指字 ，量电母NS表机表N示示输(V氢汽出A内,轮k功V冷发率A，电,M的S机表V保A；示证等第双值)三水或。个内额字冷定母。功表率示P冷N却(方W式,kW，,QM表W示 额定电压 (V,kV等) ：额定时定子输出端线电压。 额系定列：电T流S系(A列) ，：T指表额示定同运步，行S时表定示子水的轮线。电流。 额举定例：功Q率F因S-3数00-2：表额示定容运量行为时30输0M出W电双功水率内的冷2功极率汽因轮数发。电机。 额标T铁S定准心S1长频工26为率业4/11频66：00率厘-4额8规米表定，定示运极为双行数5水时0为内H电4z冷8。机。水电轮枢发输电机出，端定电子能外的径频为率12，64我厘国米， 额外定同步转电速动：机额系列定有运T行D时、T电D机L等的，转T速D表，示即同同步步电转动速机。，后面同的步
强励指标
励磁电流增长幅度
强励倍数 K
强励时顶值电压 正常工作电压
励磁电流增长速度
电压上升速度
v
0.5s内增长电压 正常工作电压
一般值，K=1.5-2，v=0.5-1.0
励磁方式
它励 由另外电源供电——直流发电机，带整流的 交流发电机 运动方式——同轴，独立工作
转子——转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极， 磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机 的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也 称主磁场、转子磁场)。
气隙——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。
发电机原理示意
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。
在求分数槽绕组的分布因数时，应考虑极对与极对之 间的分布。将各极对重叠，化成一台等效二极机，然 后求出分布因数。
同步电机铭牌
电我机国生型产号的汽轮发电机有QFQ、QFN、QFS等系列。 额等前氢定)两外：个 冷容指字 ，量电母NS表机表N示示输(V氢汽出A内,轮k功V冷发率A，电,M的S机表V保A；示证等第双值)三水或。个内额字冷定母。功表率示P冷N却(方W式,kW，,QM表W示 额定电压 (V,kV等) ：额定时定子输出端线电压。 额系定列：电T流S系(A列) ，：T指表额示定同运步，行S时表定示子水的轮线。电流。 额举定例：功Q率F因S-3数00-2：表额示定容运量行为时30输0M出W电双功水率内的冷2功极率汽因轮数发。电机。 额标T铁S定准心S1长频工26为率业4/11频66：00率厘-4额8规米表定，定示运极为双行数5水时0为内H电4z冷8。机。水电轮枢发输电机出，端定电子能外的径频为率12，64我厘国米， 额外定同步转电速动：机额系列定有运T行D时、T电D机L等的，转T速D表，示即同同步步电转动速机。，后面同的步
同步发电机的运行特性
应用领域的拓展
分布式发电
随着分布式发电技术的发展，同步发电机在分布式发电系统中的 应用将更加广泛，满足对能源的分散式生产和个性化需求。
海洋能源利用
结合海洋能发电技术，同步发电机可用于海洋能发电领域，为海洋 资源的开发利用提供新的能源解决方案。
工业自动化
在工业自动化领域，同步发电机将发挥重要作用，为机器人、自动 化设备等提供稳定可靠的能源供应。
稳定特性
总结词
描述同步发电机在运行过程中的稳定 性
详细描述
稳定特性是指同步发电机在运行过程 中的稳定性。通过合理的调节励磁电 流和负载分配，可以保证发电机在各 种工况下的稳定运行，避免发生振荡 或失步现象。
03
CHAPTER
同步发电机的效率与性能
效率分析
效率计算
同步发电机的效率是其输出功率 与输入功率之比，通常以百分比 表示。效率越高，能源利用越充
THANKS
谢谢
同步发电机的应用场景
01
02
03
电力系统
作为主要的电源设备，为 电力系统提供可靠的电能。
工厂自备电源
工厂自备的同步发电机组， 在停电或电网故障时保障 生产线的连续运行。
备用电源
作为备用电源，在主电源 故障时迅速启动，确保重 要设施的供电。
02
CHAPTER
同步发电机的运行特性
静态特性
总结词
描述同步发电机在稳态运行时的输出特性
同步发电机的运行特性
目录
CONTENTS
• 同步发电机概述 • 同步发电机的运行特性 • 同步发电机的效率与性能 • 同步发电机的故障与维护 • 同步发电机的未来发展与趋势
01
CHAPTER
ch12同步电机的基本理论和运行特性PPT课件
行（见图11）
22.11.2020
第一节 同步电机的结构
图6-1 异步电动机同步运行的接线图
22.11.2020
第一节 同步电机的结构
二.同步电机的基本结构 1.定子 与异步电机定子没什么区别 2.转子 凸极式（见图1），可用于同步电动机，也可用
于同步发电机
隐极式（见图2），既可用于同步电动机， 也可用于同步发电机
场载转-状->子态产转。生速当感上定应升子电至绕动n组势0--接E>电0上(励枢负磁绕载电组，动和则势转发）子电，有机此相处时对于发运负电动载机-状-建处态立于，磁空 此时进行机电能量的转换 物理模型（见图4） 概念：空载特性
22.11.2020
同步发电机的空载特性
在（性同用（步曲见转线图3速E）0下＝。，f(I励f)表磁示电）动，势称E为0 和同励步磁发电电流机I的f 的空关载系特
22.11.2020
第一节 同步电机的结构
一、三相异步电动机同步运行
22.11.2020
第一节 同步电机的结构
异步电机的同步化
将三相异步电动机转子绕组供电方式加以改变， 直接由直流电源供电，使其由原先流过低频交流电
流改变为直流电流， 所形成的磁通势及其磁场的极对数与定子旋转磁场
的极对数一致， 三相异步电动机就可变成三相同步电动机而稳定运
第十二章 同步电机的基本理论和 运行特性
本章主要讨论同步电机的工作原理，运行特性。
1同步电机基本结构 2同步电机的励磁系统 3同步电机的空载运行
4对称负载时的电枢反应 5隐极同步发电机的分析方法 6凸极同步发电机的分析方法 7电枢绕组的漏抗 8同步发电机的空载、短路和负载运行 9同步发电机的参数测定 10同步发电机的稳定运行特殊
22.11.2020
第一节 同步电机的结构
图6-1 异步电动机同步运行的接线图
22.11.2020
第一节 同步电机的结构
二.同步电机的基本结构 1.定子 与异步电机定子没什么区别 2.转子 凸极式（见图1），可用于同步电动机，也可用
于同步发电机
隐极式（见图2），既可用于同步电动机， 也可用于同步发电机
场载转-状->子态产转。生速当感上定应升子电至绕动n组势0--接E>电0上(励枢负磁绕载电组，动和则势转发）子电，有机此相处时对于发运负电动载机-状-建处态立于，磁空 此时进行机电能量的转换 物理模型（见图4） 概念：空载特性
22.11.2020
同步发电机的空载特性
在（性同用（步曲见转线图3速E）0下＝。，f(I励f)表磁示电）动，势称E为0 和同励步磁发电电流机I的f 的空关载系特
22.11.2020
第一节 同步电机的结构
一、三相异步电动机同步运行
22.11.2020
第一节 同步电机的结构
异步电机的同步化
将三相异步电动机转子绕组供电方式加以改变， 直接由直流电源供电，使其由原先流过低频交流电
流改变为直流电流， 所形成的磁通势及其磁场的极对数与定子旋转磁场
的极对数一致， 三相异步电动机就可变成三相同步电动机而稳定运
第十二章 同步电机的基本理论和 运行特性
本章主要讨论同步电机的工作原理，运行特性。
1同步电机基本结构 2同步电机的励磁系统 3同步电机的空载运行
4对称负载时的电枢反应 5隐极同步发电机的分析方法 6凸极同步发电机的分析方法 7电枢绕组的漏抗 8同步发电机的空载、短路和负载运行 9同步发电机的参数测定 10同步发电机的稳定运行特殊
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12.7 电枢绕组的漏抗
12.8 同步发电机的空载、短路和负载特性 12.9 同步发电机的参数及测定
12.10 同步发电机的稳态运行特性
12.1 同步电机的结构
1、基本特点
①根据电磁感应原理工作的交流旋转电机
②转子转速固定为同步转速
60 f n n1 p
当f=50Hz时，p=1、2、3、4、5… 则： n=n1=3000、1500、1000、750、600…
4、下导轴承
5、下机架 悬式 伞式
伞式：
优—减小电机的轴向高度和厂房高度，节约投资 缺—机械稳定性稍差，用于低速
悬式：
优—减小振动和增加机械稳定性，用于高速 缺—轴向高度大，投资成本高
总结对比
隐极式 （Salient-pole） 凸极式 （Cylindrical-Rotor）
N S
N S N S
+
义？
• 空间矢量和时间相量的物理意义有何区别？同步电机中哪 些量是空间矢量，哪些量是时间相量？ • 何谓时空矢量图？同步发电机空载时的时空矢量图？ • 电压波形正弦畸变率的定义是什么？
§12.4 对称负载时的电枢反应
电枢反应的概念 电机带负载后，电枢电流产生的磁场将使空载气隙磁 场的分布发生变化，从而使绕组中的感应电动势发生 变化，这种现象称为电枢反应。 三个特殊角
可见：无论是同步发电机还是同步电动机，恒有：
n n1 60 f p
电枢磁场 Fa
两 种 旋 转 磁 场 (交流励磁的旋转磁场)
转子磁极磁场 Ff
(直流励磁的机械旋转磁场)
★思考：区别（产生机理、转速、分布）？
同步机的三种运行方式: 发电机
转子磁场Ff超前于电枢磁场Fa Te与n1反向 N1
F f1
0
E0 E
N S X E 0C
IA E 0B
d
F
a F a
I
B相轴 Z B
C 相轴
IB 时间矢量图
Ea
A 相时空矢量图
图12-18 时的电枢反应
直轴去磁电枢反应
此时同步电机处于补偿机运行状态，仅输出感性无功功率 到电网。 0( P 0),sin 1(Q 0), cos
交流主励磁机100Hz
旋转电枢绕组
主发电机
自动电压调节器
交流副励磁机500Hz
图12-12 旋转整流励磁系统
§12.3 同步电机的空载运行
空载的定义 If=IfN，n=nN 定子绕组开路的状态 空载电动势E0
沿气 隙 分布
空载电动势E0随时间变
化规律与转子磁场沿空 间分布规律相同。
绕组 磁通
感应 电动势
四、空载电动势相量
气隙磁场由转子磁极建立
磁通：主磁通和漏磁通 主磁路：气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身、转子轭
E0 A E00 E0 B E0 120 E0C E0120
E0 4.44 fN1kw10
五、电压波形的正弦畸变率 定义：
kv
U
2 m2
特点：Fa 滞后 F 180º ，作用在直轴，是直轴电枢反应。 f1
电枢反应起去磁作用。
过励状态：当电枢反应起去磁作用时，为保持电网电压不 变，必须增大励磁电流，增大励磁电流后的运行状态称为过
励状态。
结论：过励运行状态的同步电机将向电网输送感性无功功率。
+
类型
定子 转子磁极 转子绕组 气隙 速度 应用
隐极式
铁芯+三相对称绕组 细长圆柱形，圆周上铣有 大齿、小齿（1：2） 分布 均匀 离心力小—高速 汽轮发电机（p≤2)
凸极式
铁芯+三相对称绕组 矮胖凸极形状 集中 极弧下小、极间大 离心力大—低速 水轮发电机(p≥3)
水 轮 发 电 机 组
汽轮发电机组
一、隐极式同步电机的空载磁动势
基波分量
F f1 Ff
实际波形
Ff I f N f
x
转子磁极
图12-13 隐极同步电机转子磁势
定义：励磁磁动势波形系数
转子绕组
k f Ff 1 Ff
kf取决于r（小齿齿距之和/极距）
二、凸极式同步电机的空载磁动势
f Ff
实际波形
F f1
基波分量
U
2 m3
U U m1
2 mk
U
n2
2 mn
U m1
额定容量为10VA到1MVA的交流发电机，其线电压波形允许的 正弦畸变率不超过10% 额定容量为1MVA以上的交流发电机，其线电压波形允许的正 弦畸变率不超过5%
课时小结
• 同步发电机励磁可分为哪几类？ • 同步发电机空载时气隙磁动势是定子还是转子产生的？磁 动势实际波形是什么波（隐极和凸极）？波形系数如何定
（发电机： PN S N cos N 3U N I N cos N （电动机： PN S N cos N N 3U N I N cos N N • 额定励磁电压UfN和额定励磁电流IfN ) )
课时小结
• 同步电机命名的由来？同步电机的基本特点和主 要用途？ • 电机产生旋转磁场的机理有哪些？它们间有什么 异共同点？ • 隐极机和凸极极的各自的结构特点比较？ • 同步电机运行方式？判别依据？ • 同步电机的额定值间的关系？
1、直流励磁机励磁系统
直流励磁机与同步发电机同轴 最常用直流并励发电机;也有采用它励直流发电机 一般带有自动电压调节器
注：红色为转动部件
2 、交流励磁机整流励磁系统
交流励磁机与整流装置相配合 又可分为静止整流励磁和旋转整流励磁 无电刷和集电环，系统运行可靠，励磁容量高
1）静止整流励磁系统(他励)
定子铁心
由扇型片拼成，省材，便于运输
矩形开口槽,径向,轴向通风道
定子绕组
—三相对称双层绕组(电枢） 扁铜线绕制而成,采用成型线圈
机
座
—用钢板焊接而成
其他部件
—隔振结构、电刷等
隐极机定子
(隐机定子机座
2、转子
汽轮发电机转子(隐极)
最大直径限制在1m左右
瘦长型：采用增大长度来增大容量（l/D=5~7) 形式：整块式、组合式
60
转子加 直流励磁
原动机 拖动转子
转子磁场 切割定子绕组
感应 三相交流电势
B、同步电动机：
• 定子：三相绕组通入三相交流电→产生气隙旋转磁场
60 f I ABC a n1 p
• 转子：磁极的励磁绕组通入直流电产生转子磁场
If
• 定子、转子相互吸引，转子跟随定子旋转磁场旋转
60 f n n1 p
§12.2 同步电机的励磁系统
励磁系统—为同步电机提供励磁电流(直流)的整个系统 一、励磁系统应满足的条件:
能稳定提供发电机从空载到满载(及过载)所需的If
当电网电压减小时,能快速强行励磁,提高系统稳定性. 发电机突然甩负荷时能快速减磁，限制电压过高 当电机内部发生短路故障时,能快速灭磁. 运行可靠,维护方便,简单,经济. 多台并联运行时，能够成组配合调节无功功率. 二、励磁系统分类 直流励磁机励磁系统 静止整流励磁 交流励磁机整流励磁系统 旋转整流励磁
旋转电枢式 用于小容量或特殊用途同步电机
如同步电机的交流励磁机
Back
同步电机的组成：定子、(气隙)、转子
定子
转子
转子磁极铁芯
B C
定子铁芯 定子绕组 电刷 S N
C B
转子励磁绕组
集电环 （滑环）
A
N
S
+
A
气隙
1、定子
（同一般的交流电机相似；尺寸大，常采用拼装）
组成：铁芯、绕组、机座及其他部件 0.35～0.5mm硅钢片，叠压
说明
1 时间相角有明确的物理意义，空间相角也有明确的
物理意义，但是时、空之间的“相角”无物理意义。 2 参考轴可以任意选择，但一般选择在相绕组轴线 3 空间矢量是由三相电枢或主极的共同作用产生的， 如磁动势和磁通密度。而时间相量仅指一相的量，
表示其电动势、电压、电流及绕组匝链的磁通。
4 空间矢量相对于转子而言是静止的，由于转子以同 步速旋转，所以空间矢量相对于气隙而言就是以同 步速旋转的。
2、主要用途 ①主要作发电机 ②电动机（无需调速、低速大功率机械、改善功率因数） ③补偿机（空转的同步电动机，向电网输送无功功率）
一、同步电机的基本工作原理
A、同步发电机 定子 铁芯 电枢绕组 (交流) 转子 铁芯 励磁绕组(直流)
★与异步机比较
相电势大小：
E 4.44 fNK wm
频率： f pn
a
I Fa Ea
d
B相轴 Z B
C 相轴
时间矢量图
A 相时空矢量图
图12-17 时的电枢反应
交轴电枢反应
此时同步电机处于发电机运行状态，仅输出有功功率到
电网。即：cos 1( P 0), sin 0(Q 0),
特点： a 滞后 F f 190º ，作用在交轴，是交轴电枢反应 F
负载时的时空矢量图
F
Ψ
E
负载时的时空矢量图
Ea
空载时空矢量图
一、I 和 E0 同相(
A 相轴 时轴 q Y n d A N S X C
0 )时的电枢反应
A 相轴 时轴 E 0A
A 相轴 q 时轴 E0 E F F f1
0
IC E 0C
IA IB E 0B
阻力
定子
n1 n1 n1
S2 N1
Te
补偿机
定子
S2
N1