同步发电机的基本电磁关系(1)
电机学 第14章 同步发电机的运行特性
E 0 jIk X d
Id Ik, Iq 0
E0jIdXdjIqXq jIk X d
F ad F
Ik
直轴同步电抗
F f1
Xd (不饱和值)
E0 Ik
X d (不饱和值）
E0 Ik
第11页，共40页。
例14-1 有一台三相水轮发电机，星形联结，SN=7500kVA，UN=10.5kV，cosN (滞后) ，空载、短路试验数据如下： （1）空载特性（E0为线电动势）
100
150
200
250
E0 / V 3460
6300
7250
7870
8370
Ik /A
180
360
540
720
900
解：当励磁电流if =250A时，由气隙线可查得空载线电动势为
E0
if i f
E 0
25034608398(V) 103
由短路特性可查得，当if =250A时，短路电流为
Xd 的不饱和值为
电机学 第14章 同步发电机的运 行特性
第1页，共40页。
第十四章 同步发电机的运行特性
基本要求： 同步发电机的空载特性、短路特性、零功率因数负载特性的定义及各特性曲线的特点 空载特性、短路特性测量同步电抗的方法 空载特性、零功率因数负载特性测量定子漏电抗的方法
同步发电机的外特性和调整特性
第2页，共40页。
Ff
Ff
原因：零功率因数负载时，主极漏磁通较大，磁极饱和程度较空载时高，主磁路的磁阻变大，因此同样的气隙合成磁动势 产生的气隙磁通和气隙电动势时较空载时略有减小。
第24页，共40页。
14-3 同步发电机的外特性和调整特性
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。
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
与E 同相位时的电枢反应－交轴电枢反应 1. I 0
A t
F Ff 1 Fa
f f1
d轴
q轴
fa
f
F
E 0 Fa I N Y
N
A Z B
S
X C
n1
Ff 1
图10-7 0时的电枢反应
不同ψ 角时的电枢反应 4.一般情况下的电枢反应
0 90
Fa Fad Faq 式中 Fad＝Fa sin Faq＝Fa cos
A t F E 0 F Fa A
直轴电枢反应磁动势 交轴电枢反应磁动势 A
Y C
Ff 1
Faq I I q N F I B0 d ad
§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
同相位时的电枢反应－交轴电枢反应 1. I 与 E 0
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、 极靴的前都) 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 较 扭斜了 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 角，从而才能实现机、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。
§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
以 90时的电枢反应－去磁性质的直轴电枢反应 2. I 落后 E 0
A t E 0
同步发电机的基本电磁关系
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
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
同步发电机结构及工作原理
电源频率固定，采用转子结构与转速有关。
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。
• 有足够的刚度。 • 大型同步电机，由于端部漏磁通较大，所以固定端
盖的螺栓宜加以绝缘，以防止漏磁通引起的涡流流 过螺栓而使其发热。
2021/4/11
电力工程技术（china-dianli）
汽轮发电机结构
（2）定子铁心
定子铁心由0.35mm、0.5mm或其它厚度的电工钢 片叠成。各段叠片间有宽约10mm的通风槽，以改善 定子铁心散热。
ff 6p6p0n0n eeOcBEEmmcsoisn(tt112200 )0
ec
eb
三相对称负 载运行时
三相对称电 枢电流 iabc
旋磁转势基Fa波Fa
2021/4/11
n n 电力工程技n术n11（ch6i6n0pa0p-dffianli） n n1 1 (同步电机)
三相同步发电机的基本工作原理
2021/4/11
定子端部 电力工程技术（china-dianli）
汽轮发电机结构
2．转子
转子组成 ✓ 转子铁芯 ✓ 励磁绕组 ✓ 阻尼绕组 ✓ 紧固件 ✓ 风扇
功能：传递原动机供给的机械能、支撑旋转的励磁 线圈、形成良好的磁通路径和转子散热通道，因此 对转子结构、材料和加工工艺要求较高。
2021/4/11
气隙不均匀，极弧 底下气隙较小，极间部 分较大。
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。
2009_29电机学-同步发电机的基本电磁关系04
凸极同步发电机的电动势方程式：q q d d a aq q ad d a x I j x I j r I U x x I j x x I j r I U E &&&&&&&&&+++=+++++=)()(0σσσσx x x x x x aq q ad d +=+=分别称为凸极同步电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗。
其物理意义为当对称三相直轴或交轴电枢电流每相为1 安时，三相联合产生的电枢总磁场在电枢每一相绕组中感应的电动势。
讨论：1）由于xad> x aq，所以x d> x q。
2）对于隐极电机，由于x ad＝x aq＝x a，所以x d＝xq ＝xs。
§10-6 从空载特性、短路特性求同步电抗的不饱和值和短路比¾空载特性n=n1，I=0时，E0＝U0=f(i f)¾短路特性n=n1，U=0时，I k=f(i f)以隐极电机为例s ks ka ks ax I jx I jr Ix I j r IU E&&&& && &≈+=+ +=90≈ψ如果被试电机是凸极电机，由于短路时ψ≈90∘，此时电枢反应为直轴电枢反应，因此求出的同步电抗为直轴同步电抗xd的不饱和值。
q kq aQxI jx I j r IU E&& && &≈+ +=090≈ψ短路比的数值对电机性能影响很大。
短路比小，说明同步电抗大，这时短路电流小，但负载变化时发电机机端电压变化较大，并联运行时稳定性较差，但电机的成本较低；反之，短路比大则电机性能较好，但成本高，因为短路比大表示同步电抗小，故气隙大，使励磁电流增大、转子用铜量增大，所以短路比的选择要合理地统筹兼顾运行性能和电机造价这两方面地要求。
汽轮发电机的K c ＝0.47-0.63 ，水轮发电机的K c ＝1.0-1.4，水轮发电机的短路比较大是由于水轮发电机为凸极结构，气隙较大。
同步发电机的工作原理
同步发电机的工作原理
同步发电机是一种常用于发电的电机，其工作原理基于电磁感应和电流激励的相互作用。
首先，同步发电机的转子由直流激励线圈和交流绕组组成。
直流激励线圈通过外部直流电源提供直流电流，形成一个磁场。
交流绕组则与电网相连，接受电网中的电压。
当同步发电机的转子旋转时，直流激励线圈产生的磁场也随之旋转。
这个旋转的磁场将与交流绕组中的电流相互作用，产生电磁感应力。
根据法拉第电磁感应定律，电磁感应力会导致交流绕组中的电流发生变化。
这个电流变化又会产生额外的磁场，与直流激励线圈产生的磁场叠加在一起。
如果两者的磁场方向一致，它们将相互增强，使得感应力增大。
反之，如果磁场方向相反，它们将相互抵消，使得感应力减小。
当感应力达到一个平衡时，同步发电机的转速将与电网的频率完全同步。
这是因为电网的频率是固定的，而同步发电机的旋转速度取决于直流激励线圈提供的直流电源电流。
因此，在感应力的作用下，同步发电机的转子将转向与电网频率相同的速度。
最后，同步发电机通过交流绕组将同步旋转的磁场转化为交流电能，输出给电网。
这样，同步发电机就实现了将机械能转化为电能的功能。
总结起来，同步发电机的工作原理是通过电磁感应力和电流激励的相互作用，使得转子转速与电网频率同步，并将机械能转化为电能输出到电网中。
永磁同步发电机的工作原理
永磁同步发电机的工作原理一、基本原理从6.2节可见，永磁同步发电机是由定子与转子两部分组成，定子、转子之间有气隙。
永磁同步发电机的定子与普通交流电机相同，转子采用永磁材料。
其主磁通路径如图6-28所示。
图6-28 永磁同步发电机主磁通路径图6-29（a）为一台两极永磁同步发电机，定子三相绕组用3个线圈AX、BY、旋转，永磁磁极产生旋转的气隙磁场，其CZ表示，转子由原动机拖动以转速ns基波为正弦分布，其气隙磁密为——气隙磁密的幅值；式中B1θ——距坐标原点的电角度，坐标原点取转子两个磁极之间中心线的位置。
图6-29 两极永磁同步发电机在图6-29（a）位置瞬间，基波磁场与各线圈的相对位置如图6-29（b）所示。
定子导体切割该旋转磁场产生感应电动势，根据感应电动势公式e=Blv可知，导体中的感应电动势e将正比于气隙磁密B，其中l为导体在磁场中的有效长度。
基波磁场旋转时，磁场与导体间产生相对运动且在不同瞬间磁场以不同的气隙磁密B切割导体，在导体中感应出与磁密成正比的感应电动势。
设导体切割N极磁场时感应电动势为正，切割S极磁场时感应电动势为负，则导体内感应电动势是一个交流电动势。
对于A相绕组，线圈的两个导体边相互串联，其产生的感应电动势大小相等，方向相反，为一个线圈边内感应电动势的2倍（短距绕组需要乘短距系数，见第3章）。
将转子的转速用每秒钟内转过的电弧度ω表示，ω称为角频率。
在时间0～t内，主极磁场转过的电角度θ=ωt，则A相绕组的感应电动势瞬时值为——感应电动势的有效值。
式中E1三相对称情况下，B、C相绕组的感应电动势大小与A相相等，相位分别滞后于A相绕组的感应电动势120°和240°电角度，即可以看出，永磁磁场在三相对称绕组中产生三相对称感应电动势。
关于定子绕组中感应电动势的详细计算可参照第2章。
导体中感应电动势的频率与转子的转速和极对数有关。
若电机为两极电机，周，则导体中电动势交转子转1周，感应电动势交变1次，设转子每分钟转ns/60。
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
同步发电机的并联运行知识讲解
3、电机和电网之间有高次谐波环流，增加损 耗，温度升高，效率降低。
4、电网和电机之间存在巨大的电位差而产生 无法消除的环流，危害电机安全运行。
第三节 同步电机并网运行的理论基础
无限大电网：
电网的容量相对于并联的同步发电机容量来说要大得 多，如果对并联在电网上的同步发电机进行有功功率和无 功功率调节时，对电网的电压和频率不会有什么影响。无 限大电网的特点是端电压和频率均可认为是恒定的。
时，电磁转矩 T 也增加一个 T ，去掉干扰后， 因 + T >T ，使T1 电机自动回到原工作点
（ T T1），稳定。
（2）凸极机： 凸极机与隐极机相似，额定运行点一般在
200 ~ 300 电角度范围。
（电能3）磁 力最，转大用矩转kT矩mN（表T或示max（额：或定最电大磁电功磁率功PN率）P之M m比ax称）为与过额载定
3.发电机的电压相序与电网的电压相序相同（发电机相序决 定于原动机的转向，一般是固定的）
4.在合闸时，发电机的电压相角与电网电压的相角一样
二、方法：
1. 准确同步法：将同步发电机调整到符合并联 条件后进行并网操作，分为暗灯法和旋转灯光法 两种。
(1)暗灯法： 电网与同步发电机之间的三相并联开关两
侧接灯泡，称相灯，若三相相灯同明同暗，说 明相序正确；当三组相灯同时熄灭时，表示电 压差 U A UB UC 0 ，即可并网合闸。
输入 功率P1
电磁功 率Pem
输出功 率P2
机械损 耗pmec
附加损铁损pFe 耗pad
定子铜损 pcu1
2. 自同步法：
自同步法的投入步骤为： （1）校验发电机相序把发电机拖动到接近同步 速，励磁绕组经限流电阻短路。
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。
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
同步电机的基本电磁关系
n
A
N
+A
S
0
+A
Fxf 1
X
B0
0
+j
E0
1、F f 1 及 B0 均与+A轴重合，A相绕组的有效边处于极间
磁密为零处，A相绕组感应电势瞬时值为零，即E0 在+j 时间轴的投影为零 。
2、A相绕组边处于磁极中心线，磁密最大，A相绕 组感应电动势瞬时值为正最大。
+A
+j
n
A N ＋AS Xຫໍສະໝຸດ 第一节 同步发电机空载运行
空载运行：当原动机带动发电机在同步转速 下运行，励磁绕组通过适当的励磁电流，电 枢绕组不带任何负载时的运行情况。
一、基波励磁磁动势
当励磁绕组中通入直流电流后，产生随转子一起旋转 的磁动势，称为励磁磁动势。因为它随转子一起转动，从 定子上看，它也是一个旋转磁动势，所以同电枢绕组磁动 势的分析方法一样。
N1I1kdp1 p
(A)
（2）
（3）
转速： n1
60 f1 p
(r/min)
转向：沿通电相序A、B、C的方向，它与转子转向相同
（4）极对数：和转子极对数Ｐ相同，决定于绕组的节距 y1
2、转子绕组通入直流产生每极基波励磁磁动势 Ff1
（1） 大小：
Ff 1
1 2
kf
N
f
if
(A)
（2） 转速：和转子转速一样为同步速
＋A,+j
＋A,+j
Ff1
B0
0 E0
E0
Ff1 B 0
注意：时间相量与空间矢量的物理意义截然不同，放在一 起无实际意义，只是为了方便找出向量的相对位置
同步电机原理法拉第电磁感应定律 ...
同步电机是交流旋转电机的一种同步电机是交流旋转电机的一种,,因其转速恒等于同步速机时得名。
同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和调相机。
一 同步电机的基本工作原理与结构（一） 同步电机的基本结构以汽轮发电机为例:定子铁心：硅钢片叠成。
机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。
电枢绕组：三相对称绕组——铜线制成定子定子((电枢电枢))转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出励磁绕组：铜线制成滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动转子机械端口转子定子绕组定子铁心电端口A BC返回返回1、汽轮发电机结构（1）定子铁心返回返回1、汽轮发电机结构返回2、水轮发电机结构(1)立式水轮发电机(2)卧式水轮发电机2、水轮发电机结构转子结构10000kW水轮机转子1.发电环节——各种电机引进600MW汽轮发电机国产300MW汽轮发电机国产200MW汽轮发电机定子国产200MW汽轮发电机定子铁心现场运行的水轮发电机电磁感应定律•电磁感应现象 1820年，奥斯特的发现第一次揭示了电流能够产生磁，从而开辟了一个全新的研究领域。
当时不少物理家想到：既然电能够产生磁，磁是否也能产生电呢？法拉第坚信磁能够产生电，并以他精湛的实验技巧和敏锐的捕捉现象的能力，经过十年不懈的努力，终于在1831年8月29日第一次观察到电流变化时产生的感应现象。
紧接着，他做了一系列实验，用来判明产生感应电流的条件和决定感应电流的因素，揭示了感应现象的奥秘。
将线圈与电流计接成闭合回路。
由于回路中不含电源，所以电流计的指针不偏转，现将一条形磁铁插入线圈，通过插入、停止、拔出的过程，通过电流计指针的变化可归纳出：只有当磁铁棒与线圈有相对运动时，线圈中才会有电流，相对速度越大，所产生的电流就越强，停止相对运动，电流随之消失。
•一个通电线圈和一根磁棒相当，那末，使通电线圈和另一线圈作相对运动，我们将看到完全相同的现象。
《电机学(下)》同步电机复习提纲
《电机学（下）》同步电机复习提纲第二十章 同步电机概述1.同步电机的定子——称电枢，电枢铁心嵌放三相对称绕组；转子——称主磁极，由直流电励磁，分为隐极式和凸极式【P193图20-2】；隐极转子：气隙均匀，多用于高速电机，如：汽轮发电机，通常极对数p=1，由于转速高，汽轮发电机直径较小、长度较长；凸极转子：气隙不均匀，多用于低速电机，如：水轮发电机均采用凸极式，特点是直径大、长度短；转子除励磁绕组外，还常装有与感应电机笼型绕组相似的闭合绕组，在发电机称为阻尼绕组，在电动机称为起动绕组。
2.同步电机定子三相对称绕组通进三相对称电流产生的旋转磁场，与转子旋转磁极的转速恒为同步速s n ， 定、转子旋转磁场轴线之间的夹角为转矩角sr δ，通常认为sr δδ≈【P195图20-6】δ——称为功率角，是转子磁场轴线超前于定、转子合成磁场轴线的夹角；当0δ>，相当于转子磁极拖着定、转子合成旋转磁场转，转子输入的机械功率转变为定子输出的电功率——发电机运行状态；此时机械转矩为驱动转矩、电磁转矩为制动转矩；当0δ<，相当于定、转子合成旋转磁场拖着转子磁极转，定子输入的电功率转变为转子输出的机械功率——电动机运行状态；此时电磁转矩为驱动转矩、机械转矩为制动转矩；当0δ=，相当于转子与合成旋转磁场轴线重合，电机内没有有功功率转换——空载运行状态；电磁转矩为零。
3.同步电机的励磁系统有：直流励磁机励磁、交流整流励磁、晶闸管自励恒压励磁等 4.同步电机的额定值（铭牌数据）： N U 、N I ——指电枢（定子）线电压、线电流；N S ——发电机的额定容量，指三相视在功率；N P ——指额定运行时的输出三相有功功率，故对发电机是电功率、对电动机是机械功率；∴N N NS I =单位：VA 、KVA发电机：cos N N N N P I ϕ电动机： cos NN N N N P I ϕη= 单位：KW同步电机的转子转速n 与电枢电流频率f 、电机极对数p 存在严格不变的关系：60s fn n p=@——称为同步速，单位：/min r （转/分钟）； 我国电网频率 50f Hz =，故：p=1，n S =3000r/min ；p=2，n S =1500r/min ；p=3，n S =1000r/min .......第二十一章 同步发电机运行原理（一）同步发电机空载运行和负载时的电枢反应1.同步发电机空载运行——励磁绕组通入直流励磁电流f I ，原动机拖动转子磁极以同步速n S 旋转，定子电枢绕组开路。
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① 励磁磁势： F f 1 （B0）
大小：正比于励磁安匝数 位置：位于转子磁极轴线
A
Y C
指向： N极方向
转速： n1()
A Ff 1
N B0
Z
n1
S X
B
第十章 同步发电机的基本电磁关系 （对称稳态运行）
主要内容：
1. 同步发电机的电枢反应。 2．隐极发电机的方程式、相量图、等效电路。 3．凸极发电机的方程式、相量图、等效电路。 4．同步发电机的运行特性及参数测定。
§10-1 同步发电机的空载运行
空载运行：（定子绕组开路， I=0）
n n1 ，转子励磁。 励磁电流产生的磁通
主磁通
漏磁通
If
Ff
1 (0
fLeabharlann )0 ：励磁磁通E A E0 0 E B E0 120
EC E0 240 E0 ：励磁电动势（空载电动势）
E0 4.44 fwKw10
n n1 时， E0 f (if ) ——空载特性。
n n1 时，E0 f (if ) ——空载特性。 空载特性反映了电机的磁化曲线 0 f (Ff )
直轴以及交轴电枢反应的作用
§10-2 三相同步发电机的电枢反应
一、电枢反应的定义
i f Ff 1(n1) E0 I Fa (n1)
气隙磁动势： F F f 1 Fa E
Fa ——电枢反应磁动势 E ——气隙电动势
二、时空相矢图 ⒈ 空间矢量：在空间上按余弦规律分布的量
基波物理量 （对整个电机而言）
所以也适用于负载情况。
E0
标幺值：基值 U UN
i f i f0
U N a
气隙线 G bc
（1，1）
K
if 0
if ：饱和系数
0
Ff
Ff 0
i f
if 0
Ff if
§10-2 三相同步发电机的电枢反应
主要内容：
1、电枢反应的概念 2、时空相矢图
时空相矢图上，各物理量之间的相位关系 3、电枢反应的性质