第六章-同步电机
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《电力系统分析理论》课件第6章 同步发电机的基本方程
由于两个绕组的空间位置相 差120度，a相绕组的证磁通 交链到b相绕组就成了负磁 通，因此互感系数为负。
第六章 同步发电机的基本方程
用傅里叶系数表示，取基波：
LabLba[m0 m2co2s(a300)] LbcLcb[m0 m2co2s(a900)] LcaLac[m0 m2co2s(a1500)]
d q
i 0
32cso1iansa
coas(120)
sina(120)
1
coas(120)
sina(120)
1
ia ib ic
2
2
2
或缩记为：
id0 qPaibc
(61)7
第六章 同步发电机的基本方程
利用逆变换，可以得到：
coas coas(120)
sina sina(120)
电流的正方向与磁链的正方向符
a
dy
+
a
+
D
Q
D
ω
fQ
c +D +x
合右手螺旋定则，定子各绕组中 b
D
c
电流的正方向与磁链的正方向符
+z
b
合右手螺旋定则
q
第六章 同步发电机的基本方程
➢ 感应电势：与电流正方向 一致
➢ 定子电流：中性点流向机 v f 端
➢ 定子电压：电流流出端为 正
➢ 转子电压：提供正向电流 的励磁电压是正的
vf
f
Rf
0
0
if
00
D Q
0
0 0
RD 0
0 RQ
iD iQ
v为各绕组端电i为 压各 ；绕组电流；
(61)
第六章 同步发电机的基本方程
用傅里叶系数表示，取基波：
LabLba[m0 m2co2s(a300)] LbcLcb[m0 m2co2s(a900)] LcaLac[m0 m2co2s(a1500)]
d q
i 0
32cso1iansa
coas(120)
sina(120)
1
coas(120)
sina(120)
1
ia ib ic
2
2
2
或缩记为：
id0 qPaibc
(61)7
第六章 同步发电机的基本方程
利用逆变换，可以得到：
coas coas(120)
sina sina(120)
电流的正方向与磁链的正方向符
a
dy
+
a
+
D
Q
D
ω
fQ
c +D +x
合右手螺旋定则，定子各绕组中 b
D
c
电流的正方向与磁链的正方向符
+z
b
合右手螺旋定则
q
第六章 同步发电机的基本方程
➢ 感应电势：与电流正方向 一致
➢ 定子电流：中性点流向机 v f 端
➢ 定子电压：电流流出端为 正
➢ 转子电压：提供正向电流 的励磁电压是正的
vf
f
Rf
0
0
if
00
D Q
0
0 0
RD 0
0 RQ
iD iQ
v为各绕组端电i为 压各 ；绕组电流；
(61)
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
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
第六章同步电机1PPT课件
E E 0 E a d E a q E E E U I R a
Ead jIdXad Eaq jIqXaq E jIX
E 0 U IR a E a d E a q E
E 0 U I R a jI d X a d + jI q X a q + jI X
I=Id +Iq E 0U IR ajIdX d+ jIqX q
6.2 同步电机的运行原理
6.2.1 同步发电机的空载运行
空载运行时，电机内的 磁场仅由励磁电流建立， 分为主磁通和漏 磁通。
主磁通：与定、转子同时铰链的基波磁通 漏磁通：仅与励磁绕组铰链以及主磁通的谐波分量
E04.44fN kN 1 0
返回
同步发电机空载运行的时——空矢量图
时间矢量和空间矢量
6.2.4 凸极同步发电机的负载运行
1、凸极同步发电机电枢反应的特点
双反应理论：当电枢磁动势作用在交、直轴间的任 意位置时，可以将其分解为交轴分量和直轴分量， 分别求出交、直轴电枢反应，最后再把它们的效果 叠加起来。
Fad Fa sin Faq Fa cos
2、不考虑饱和凸极同步发电机负载运行
把时间矢量图和空间矢量图画在一起，如果各相时间矢量的时间 轴都取在各自的相轴线上，这样相电流矢量和三相合成磁动势基 波矢量就重合了。
6.2.2 同步发电机的电枢反应
当发电机带上负载运行，定子绕组中出现电流，该电流产生 旋转磁动势，影响励磁磁场，称之为电枢反应。
气隙磁场有励磁磁场和电枢磁场共同建立，并且两个 磁场均以同步速旋转，在空间上相对静止，在同步电 机中，无论是励磁磁场或电枢磁场都是指基波磁场
同步电机有旋转电枢式和旋转磁极式两种，主要以旋转 磁极式为主
Ead jIdXad Eaq jIqXaq E jIX
E 0 U IR a E a d E a q E
E 0 U I R a jI d X a d + jI q X a q + jI X
I=Id +Iq E 0U IR ajIdX d+ jIqX q
6.2 同步电机的运行原理
6.2.1 同步发电机的空载运行
空载运行时，电机内的 磁场仅由励磁电流建立， 分为主磁通和漏 磁通。
主磁通：与定、转子同时铰链的基波磁通 漏磁通：仅与励磁绕组铰链以及主磁通的谐波分量
E04.44fN kN 1 0
返回
同步发电机空载运行的时——空矢量图
时间矢量和空间矢量
6.2.4 凸极同步发电机的负载运行
1、凸极同步发电机电枢反应的特点
双反应理论：当电枢磁动势作用在交、直轴间的任 意位置时，可以将其分解为交轴分量和直轴分量， 分别求出交、直轴电枢反应，最后再把它们的效果 叠加起来。
Fad Fa sin Faq Fa cos
2、不考虑饱和凸极同步发电机负载运行
把时间矢量图和空间矢量图画在一起，如果各相时间矢量的时间 轴都取在各自的相轴线上，这样相电流矢量和三相合成磁动势基 波矢量就重合了。
6.2.2 同步发电机的电枢反应
当发电机带上负载运行，定子绕组中出现电流，该电流产生 旋转磁动势，影响励磁磁场，称之为电枢反应。
气隙磁场有励磁磁场和电枢磁场共同建立，并且两个 磁场均以同步速旋转，在空间上相对静止，在同步电 机中，无论是励磁磁场或电枢磁场都是指基波磁场
同步电机有旋转电枢式和旋转磁极式两种，主要以旋转 磁极式为主
电机学教材
第六章同步电机 (272)6.1 概述 (272)6.1.1 同步电机的结构型式 (272)6.1.2 同步电机的励磁方式 (278)6.1.3 同步电机的冷却方式 (278)6.1.4 同步电机的额定值 (278)6.2 同步电机的运行原理 (279)6.2.1 同步发电机的空载运行 (279)6.2.2 同步电机的电枢反应 (282)6.2.3 隐极同步发电机的负载运行 (286)6.2.4 凸极同步发电机的负载运行 (291)6.3 同步发电机的运行特性 (295)6.3.1 同步发电机的运行特性 (296)6.3.2 特性曲线在参数计算中的应用 (299)6.3.3 同步发电机稳态参数的测定 (306)6.4 同步发电机的并联运行 (307)6.4.1 投入并联的条件和方法 (308)6.4.2 功率和转矩平衡方程 (311)6.4.3 功角特性 (312)6.4.4 有功功率调节与静态稳定 (314)6.4.5 无功功率调节和V形曲线 (318)6.5 同步电动机和调相机 (319)6.5.1 基本电磁关系 (319)6.5.2 无功功率调节 (322)6.5.3 起动与调速 (323)6.5.4 调相机 (326)6.6 同步发电机的不对称运行 (327)6.6.1 相序阻抗和等效电路 (327)6.6.2 不对称稳态短路 (330)6.6.3 负序和零序参数测定 (334)6.6.4 不对称运行的影响 (336)6.7 同步电机的突然短路 (337)6.7.1 超导回路磁链守恒原理 (337)6.7.2 三相突然短路过程中的基本电磁关系 (338)6.7.3 同步电机的瞬态参数 (343)6.7.4 突然短路电流及其衰减时间常数 (347)6.7.5 突然短路对电机的影响 (351)6.8 特殊用途的同步电机 (352)6.8.1 磁阻同步电动机 (352)6.8.2 磁滞同步电动机 (354)6.8.3 反应式步进电动机 (356)习题 (358)电机学第六章同步电机272第六章同步电机同步电机是交流电机的一种。
06第六章 同步电机
由相量图还可得
= U cosψ 0 cosϕ + U sinψ 0 sin ϕ + IRa cosψ 0 + IX d sinψ 0
cosψ 0 =
(U cosϕ + IRa )2 + (U sin ϕ + IX q )2
E0 =
U cosϕ + IRa
sinψ 0 =
(U cosϕ + IRa )2 + (U sinϕ + IX q )2
得证第一式
U sin ϕ + IX q
代入前式得
(U cosϕ + IRa )2 + (U sinϕ + IX d )(U sinϕ + IX q ) (U cosϕ + IRa )2 + (U sin ϕ + IX q )2
IR IX cosϕ + a + sin ϕ + d U U
∗ 2 a 2 ∗ d ∗ q ∗ 2 a ∗ d ∗ 2 q ∗ a ∗2 a ∗ q ∗ d ∗ q ∗ 2 a ∗ 2 q
2 IX q IR sin ϕ + cosϕ + a + U U
∗ ∗ d Xq
)
得证第二式
∗ ∗ ∗ = Xq = Xs ，所以上两式简化为 对于隐极同步发电机，由于 X d = X q = X s 、 X d
E0 =
∗ E0 =
(U cosϕ + IRa )2 + (U sin ϕ + IX s )2
(U
∗
∗ cosϕ + Ra
) + (U
= U cosψ 0 cosϕ + U sinψ 0 sin ϕ + IRa cosψ 0 + IX d sinψ 0
cosψ 0 =
(U cosϕ + IRa )2 + (U sin ϕ + IX q )2
E0 =
U cosϕ + IRa
sinψ 0 =
(U cosϕ + IRa )2 + (U sinϕ + IX q )2
得证第一式
U sin ϕ + IX q
代入前式得
(U cosϕ + IRa )2 + (U sinϕ + IX d )(U sinϕ + IX q ) (U cosϕ + IRa )2 + (U sin ϕ + IX q )2
IR IX cosϕ + a + sin ϕ + d U U
∗ 2 a 2 ∗ d ∗ q ∗ 2 a ∗ d ∗ 2 q ∗ a ∗2 a ∗ q ∗ d ∗ q ∗ 2 a ∗ 2 q
2 IX q IR sin ϕ + cosϕ + a + U U
∗ ∗ d Xq
)
得证第二式
∗ ∗ ∗ = Xq = Xs ，所以上两式简化为 对于隐极同步发电机，由于 X d = X q = X s 、 X d
E0 =
∗ E0 =
(U cosϕ + IRa )2 + (U sin ϕ + IX s )2
(U
∗
∗ cosϕ + Ra
) + (U
电机学答案第6章《同步电机》
第六章 同步电机6．1 同步电机和异步电机在结构上有哪些区别？同步电机：转子直流励磁，产生主磁场，包括隐极和凸极异步电机：转子隐极，是对称绕组，短路，绕组是闭合的，定子两者都一样。
6．2 什么叫同步电机？怎样由其极数决定它的转速？试问75r/min 、50Hz 的电机是几极的？同步电机：频率与电机转速之比为恒定的交流电机601f pn =，16060507540f n P ⨯===（极）6．3 为什么现代的大容量同步电机都做成旋转磁极式？∵励磁绕组电流相对较小，电压低，放在转子上引出较为方便，而电枢绕组电压高 ，电流大，放在转子上使结构复杂，引出不方便，故大容量电机将电枢绕组作为定子，磁极作为转子，称为旋转磁极式。
6．4汽轮发电机和水轮发电机的主要结构特点是什么？为什么有这样的特点？气轮发电机：转速高，一般为一对极，min 3000r n =，考虑到转子受离心力的作用，为很好的固定励磁绕组，转子作成细而长的圆柱形，且为隐极式结构。
转子铁心一般由高机械强度和磁导率较高的合金钢锻成器与转轴做成一个整体，铁心上开槽，放同心式励磁绕组。
水轮发电机：n 低，2P 较多，直径大，扁平形，且为立式结构，为使转子结构和加工工艺简单，转子为凸极式，励磁绕组是集中绕组，套在磁极上，磁极的极靴行装有阻尼绕组。
6．6 为什么水轮发电机要用阻尼绕组，而汽轮发电机却可以不用？水轮发电机一般为凸极结构，为使转子产生异步转矩，即能异步起动，加阻尼绕组。
汽轮发电机一般为隐极结构，它起动时的原理与异步机相同，∴不必加起动绕组。
6．7 一台转枢式三相同步发电机，电枢以转速n 逆时针方向旋转，对称负载运行时，电枢反应磁动势对电枢的转速和转向如何？对定子的转速又是多少？对电枢的转速为n ，为定子的转速为0，方向为顺时针。
原因是：要想产生平均转矩，励磁磁势与电枢反应磁势必然相对静止，而现在励磁磁势不变。
∴电枢反应磁势对定子也是相对静止的，而转子逆时针转，∴它必须顺时针转，方能在空间静止。
电机学第6章同步电机1
(6—6)
将式(6—6)代人式(6—5)，可得 (6—7) 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。 图6—15a和b表示与式(6—5)和式(6—7)相对应的相量 图，图6—15c表示与式(6—7)相应的等效电路。从图6—15c 可以看出，隐极同步发电机的等效电路由激磁电动势和同步 阻抗Ra+jXs串联组成，其中E0表示主磁场的作用，Xs表示电 枢反应和电枢漏磁场的作用。
Ff
B0 ( 0 )
1
d轴
Fn ( Faq )
I
E0
E0与I同相时
d)气隙合成磁场与主磁场的相对位置
B0
A
Te
B
Y
Z
ns
N
B
S
C
X
Fa
E0与I不同相时
a) I 滞后于 E 0时的空间矢量图
Ff
A
Z
B
N
ns
A相轴线
ns
S
Fad
Faq
C
Fa
X
E0与I不同相时
由式6-12可得凸极同步发电机的等效电路，如图6-21所 示。
三、直轴和交轴同步电抗的意义
由于电抗与绕组匝数的平方和所经磁路 的磁导成正比，所以 所示。对于凸极电机，由于直轴下的气 隙较交轴下小， ad > aq ，所以Xad>Xaq，因 此在凸极同步电机中，Xd>Xq。 对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故 Xd≈Xq≈Xs
按原动机类别,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴 油发电机等。 汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为2极，转速 为3000转/分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。 同步电动机、柴油发电机和补偿机一般作成凸极式。
华中科技大学_电机学_第六章_同步电机(完美解析)概要
汽轮发电机完工后的定子
汽轮发电机转子加工
5
凸极同步电机
凸极同步电机的定子结构与隐极同步电机或异步电机的 基本相同，所不同的只是转子结构。
凸极同步电机转子由磁极、励磁线圈、磁轭和阻尼绕 组等部分构成。
6
凸极同步电机结构实物图
带阻尼绕组的凸极同步电机转子 水轮发电机定子分段铁心
7
三、 同步电机的励磁方式
21
双反应理论：
当 处于任意位置且不计饱和时：
分解
I Fa
E Fad ad ad
E Faq aq aq
或
I
分解
I d Fad ad Ead
I q Faq aq Eaq
气隙合成磁场：
B
E E E E ad aq 0
U＝U Nφ，必须增加 If △AEF称为特性三角形，其中：
AE IX σ AF I f 为等效励磁电流
I 不变， 特性三角形不变
33
四、外特性及电压调整率
n=nN、If=常数、cos =常数时， U= f (I) 的关系曲线称为外特性。 电流 I 引起电压 U 变化的原因： 定子漏阻抗压降影响 电枢反应影响 电压调整率：
34
五、同步发电机稳态参数的计算与测定方法
1. 由空载和零功率因数特性确定定子Xδ,Ifa(Ffa)
由空载与零功率因数特性两特性之间存 在特性三角形的关系，确定Xσ, Ifa (Ffa)
IX σ Ffa
UN
磁路不饱和时， I X σ在线性段： 1）作直线OB； 2）过UN作直线平行于x轴，交零功 率因素曲线于A'，取A'O'=AO 3）过O'作OB的平行线O'B'， 三角形A' B' C'为所求的特性三角形。
电机第liu章习题答案
第六章 同步电机
5. 同步发电机与无穷大电网并联运行，过励时向电网输出 感性无功功率，欠励时向电网输出容性无功功率。
6. 一台汽轮发电机并联于无穷大电网运行，欲增加有功功 率输出，应增大进汽量，欲增加感性无功功率输出，应增加励 磁电流。（填如何调节）
7. 汽轮发电机气隙增稳定性能增加。
第六章 同步电机
（三）选择题：
1. 同步发电机带容性负载时，其调整特性是一条：（ ③ ） ① 上升的曲线； ② 水平直线； ③ 下降的曲线。
2. 同步发电机的V形曲线在其欠励时有一不稳定区域，而 对同步电动机的V形曲线，这一不稳定区应该在（ ③ ）区域。
① If>If0；
② If=If0；
③ If<If0。
3. 同步发电机过励运行较欠励运行稳定，满载运行较轻载 运行稳定。（ × ）
4. 同步发电机采用准同期法并车，当其他条件已满足，只 有频率不同时，调节发电机的转速，使其频率与电网频率相等 时，合上并联开关，即可并车成功。（ × ）
5. 汽轮同步发电机与无穷大电网并联运行，只调节气门开 度，既可改变有功功率又可改变无功功率输出。（ √ ）
3. 工作于过励状态的同步调相机，其电枢反应主要是： （②）
① 交轴电枢反应；
② 去磁的直轴电枢反应；
③ 增磁的直轴电枢反应。
第六章 同步电机
4. 与无穷大容量电网并联运行的同步发电机，过励时欲增 加励磁电流，则（ ② ）。
① 发出的容性无功功率增加，功角减小；
② 发出的感性无功功率增加，功角减小；
6.16 一台50MW，13.8kV，Y联结，cosφ= 0.8（滞后）的 水轮发电机并联于一无穷大电网上，其参数Ra≈0，Xd*=1.15， Xq*=0.7，不计饱和的影响，试求：当输出功率为10000kW， cosφ= 1.0时发电机的励磁电动势E0*及功角δ；（2）若保持此 输入有功功率不变，当发电机失去励磁时的δ，此时发电机还 能稳定运行吗？ （答案）
《同步电机》PPT课件
精选ppt
15
..
Ia
E0
★y=(0~900 ) (参图6-9） 滞后 一个锐角
Id=Iasiny Iq=Iacosy
A、直轴分量Id直轴去磁作用
Ff1
B、交轴分量 Iq交磁作用， F，
其轴线位置从空载时直轴处逆转
子转向后移一个锐角
Iq F Faq
. E0 .
Ia Fa
(Id)Fad
图6-9
精选ppt
图6-4 凸极式转子
精选ppt
6
同步电机的运行原理
一、同步发电机工作原理
参考同步电机结构模型图6-5
1、定子上：三相绕组，空间互 差1200电角度，匝数相等
转子上：If,由转子N极出 来气隙定子铁心气隙转 子S极
原动机n逆时针恒速旋转定子 上导体切割磁力线产生e
图6-5
精选ppt
7
6.2 同步发电机的空载运行
.
E . .
EE
.. . E =E0+Ea
=U.+I.Ra+jI.X
a0
.
E 基波
.
U
精选ppt
17
图6-10
. . .. . .
..
. . . E0=-Ea+U+IRa +jIX =U+IRa +jIX+jIXa
=U+IRa+jIXt
Xt =X+ Xa
大小：E0=4.44f1NKN10
Xt--隐极机同步电抗，表征对称稳态运行时电枢反应基波磁场和漏磁场 .
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）
第六章 同步电机
电枢反应：电枢磁动势对主极磁场的影响。 电枢反应除使气隙磁场发生畸变，从而直接关 联到机电能量转换外，还有去磁或增磁作用， 对同步电机的运行性能产生重要的影响。同步 电动机的励磁系统分为直流发电机励磁系统和 半导体 励磁系统。 电枢反应的性质取决与电枢磁动势和主磁场在 空间的相对位置。分析表明，这一相对位置与 激磁电动势
即
P M
m ax
UE 0 m Xs
它正比于E0（即励磁电流）,反比于同步电 抗。从功角特性可以决定电磁转矩与功角 之间的关系，由此可以得出相应的电磁 转矩，为 mUE 0 PM T s in 1 1 X s 式 中 ， 单 位 是 W； 单 位 是 rad/s； 单 位 是 N· m。
PM mUI a cos muI a cos( ) mUI a cos cos mUI a sin sin
从图得：
U sin I a X s cos
E0 U cos I a X s sin
U sin I a cos Xs 所以有 E 0 U cos I a sin Xs
6.1.3 冷却问题简述 ： 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，电机内部的损耗及发热 量迅速增加，冷却问题显得格外重要，此时必 须加强通风或采用其他的冷却方式。 1）在大型汽轮发电机中，为了提高其冷却效 率，往往用氢气冷却，是氢气与空气混合后， 有爆炸危险，必须有一套控制设备来保证外界 空气不会渗入到电机内部。 目前在更大容量的发电机中，可以采用导线内 部直接冷却。例如采用空心导体（如图），冷 却介质直接在导体中流通而把热量带走，这样 能更有效地降低电机的温升。所采用的冷却介 质一般有氢气 及水等。
同步电机(第六章)
列出电压方程：
E 0 E ad E aq U I Ra j I X
Fad Fa sin 0 Faq Fa cos 0
I f Ff 0 E 0
I
Id
Fad ad E ad Faq aq E aq
U E I ( Ra jX )
Ea a Fa I
所以：
Ea j I Xa
Xa是电枢反应磁通相应的电抗，称为电枢反应电抗。 （电枢电流产生电枢反应磁场，在定子每相绕组中感应 电势可以表示为电枢绕组相电流与电枢反应电抗的乘积） 所以：
E 0 U E a I ( Ra jX ) U I Ra jI ( X X a ) U I Ra j I X s
(3) 灯泡贯流式水轮发电机
(4)转子结构
10000kw水轮机转子
凸极极通常有卧式和立式两种结构，通常同步电动机、 同步补偿机、内燃机和冲击式水轮机拖动同步发电机采用 卧式结构，而大型水轮发电机采用立式结构，立式水轮发 电机的推力轴承是关键部件。
除了转子励磁绕组，通常在转子上还装有阻尼绕组。 起抑制转子转速的作用。在同步电动机和补偿机中，主要
汽轮发电机一般采用细长结构
（国产200MW汽轮发电机）
（国产600MW汽轮发电机）
Stator of Turbo-dynamo with 330MW Made in China （国产330MW汽轮发电机）
Stator Core of Turbo-dynamo with 330MW Made in China （国产330MW汽轮发电机定子铁心）
同步发电机的数学模型
11
二、转子阻尼绕组及各绕组磁轴、电流和电 压的规定正方向
在空间正向的选取 • 1）定子三相绕组磁轴的 正方向分别与各绕组的正 向电流所产生磁通的方向 相反； • 转子各绕组磁轴的正方向 分别与其正向电流所产生 磁通的方向相同； • 2） 各绕组轴线方向即磁 链正方向。
d
a
b
q
c
12
在等值电路中： 定子电流正方向为由绕组中性点流向端点的方向；
d q 0 id i 0 q q d 0 i0 d 0 0 0 if dt f 0 0 iD 0 D Rd 0 iQ Q
d * * 1 * dt*
2 d * d* 1 1 [ ( P P ) D ] m* e* * 2 dt* dt * TJ* *
10
第二节 abc坐标系下的同步电机方程
一、理想同步电机的简化假设 ①忽略磁饱和现象，认为电机铁心的导磁系数为 常数； ②绕组都是对称的，（实际制作中并不对称）； ③定子磁势在空间按正弦规律变化； ④忽略高次谐波（忽略沟槽的作用）。 按理想电机进行分析得到的结果与实际电机十分 相近。
5
M m M e M D Pm Pe PD TJ d M* MN M N N dt
考虑机械角速度与电角速度间有关系式
p
TJ d M* N dt
d N M* dt TJ
N 2πfN * 1 TJ d M* Pm* Pe* PD* N dt
2 2WK JΩN TJ SN SN
4
转子的机械惯性时间常数
二、转子阻尼绕组及各绕组磁轴、电流和电 压的规定正方向
在空间正向的选取 • 1）定子三相绕组磁轴的 正方向分别与各绕组的正 向电流所产生磁通的方向 相反； • 转子各绕组磁轴的正方向 分别与其正向电流所产生 磁通的方向相同； • 2） 各绕组轴线方向即磁 链正方向。
d
a
b
q
c
12
在等值电路中： 定子电流正方向为由绕组中性点流向端点的方向；
d q 0 id i 0 q q d 0 i0 d 0 0 0 if dt f 0 0 iD 0 D Rd 0 iQ Q
d * * 1 * dt*
2 d * d* 1 1 [ ( P P ) D ] m* e* * 2 dt* dt * TJ* *
10
第二节 abc坐标系下的同步电机方程
一、理想同步电机的简化假设 ①忽略磁饱和现象，认为电机铁心的导磁系数为 常数； ②绕组都是对称的，（实际制作中并不对称）； ③定子磁势在空间按正弦规律变化； ④忽略高次谐波（忽略沟槽的作用）。 按理想电机进行分析得到的结果与实际电机十分 相近。
5
M m M e M D Pm Pe PD TJ d M* MN M N N dt
考虑机械角速度与电角速度间有关系式
p
TJ d M* N dt
d N M* dt TJ
N 2πfN * 1 TJ d M* Pm* Pe* PD* N dt
2 2WK JΩN TJ SN SN
4
转子的机械惯性时间常数
大型同步发电机运行——第六章
第六章次同步谐振
本章要研究汽轮机和发电机大轴的低于同步频率的扭转振荡。它是由于同步发电机和 电容补偿的输电线间的电气谐振引起的。这种现象被称为次同步谐振 ( Subsynchrono-us Resonance 或简记 SSR)。
6-1 概述
最早研究次同步谐振的文章发表于 1937 年。当时由于机组比较小，机械扭振作用不明 显， 引起次同步谐振的主要原因是输电线串联电容引起的感应发电机效应。 该效应对电力系 统的影响并不十分严重，而且在同步机转子极面上嵌人的阻尼绕组可以抑制该效应。但是 70 年代以后，由于大机组的发展，汽轮发电机轴系的长度可达几十米，质量可达几百吨， 发生次同步谐振会造成大轴的严重损伤，危害电力系统的安全运行。自从 I970 年和 1971 年 美国莫哈夫(Mohave)电厂由于发生次同步谐振首次造成两个大轴损坏事故后， 引起了人们的 广泛注意，进行了大量研究工作。研究表明，大型汽轮发电机组的轴系已下能再像通常的电 力系统稳定研究中所处理的那样—仅视为一个集中的质点， 而应该看做为一种弹簧质量结构 二这种结构的机械轴系与电气部分相互作用会产生不稳定的次同多谐振，称为扭矩互作用 (Torsional Interaction)。 关于这个间题的大多数研究工作， 是把它做为小干扰稳定间题来处理 的。 在有串联电容补偿的系统中，若发生网络故障，特别是自动重合闸等大千扰情况，机 电相互作用也会引起轴系扭振，造成大轴损坏，这类同题称为暂态力矩放大现象(Transient Torque Application)。这类问题的研究方法主要是时域仿真法。 在电力系统中所发现的频率低于同步频率的机电谐振中，除上述由串联电容补偿所引 起的次同步谐振(SSR)外，还有由有源电力设备引起的，通常把它称为与装置有关的次同步 振荡(Device Dependent Subsynchronous Osillation);简称次同步振荡（5SO） 。 有源电力设备包括直流输电系统、电力系统稳定器、静止无功补偿器等功率控制没备。 与 SSR 样，SSO 主要也是研究与大轴扭振有关的扭振相互作用和暂态力邻放大两方面的问 题。由于篇幅所限，本章重点讨论由串联电容引起的 SSR 间题。现就上边提到的术语和部 分机理简述于下。
本章要研究汽轮机和发电机大轴的低于同步频率的扭转振荡。它是由于同步发电机和 电容补偿的输电线间的电气谐振引起的。这种现象被称为次同步谐振 ( Subsynchrono-us Resonance 或简记 SSR)。
6-1 概述
最早研究次同步谐振的文章发表于 1937 年。当时由于机组比较小，机械扭振作用不明 显， 引起次同步谐振的主要原因是输电线串联电容引起的感应发电机效应。 该效应对电力系 统的影响并不十分严重，而且在同步机转子极面上嵌人的阻尼绕组可以抑制该效应。但是 70 年代以后，由于大机组的发展，汽轮发电机轴系的长度可达几十米，质量可达几百吨， 发生次同步谐振会造成大轴的严重损伤，危害电力系统的安全运行。自从 I970 年和 1971 年 美国莫哈夫(Mohave)电厂由于发生次同步谐振首次造成两个大轴损坏事故后， 引起了人们的 广泛注意，进行了大量研究工作。研究表明，大型汽轮发电机组的轴系已下能再像通常的电 力系统稳定研究中所处理的那样—仅视为一个集中的质点， 而应该看做为一种弹簧质量结构 二这种结构的机械轴系与电气部分相互作用会产生不稳定的次同多谐振，称为扭矩互作用 (Torsional Interaction)。 关于这个间题的大多数研究工作， 是把它做为小干扰稳定间题来处理 的。 在有串联电容补偿的系统中，若发生网络故障，特别是自动重合闸等大千扰情况，机 电相互作用也会引起轴系扭振，造成大轴损坏，这类同题称为暂态力矩放大现象(Transient Torque Application)。这类问题的研究方法主要是时域仿真法。 在电力系统中所发现的频率低于同步频率的机电谐振中，除上述由串联电容补偿所引 起的次同步谐振(SSR)外，还有由有源电力设备引起的，通常把它称为与装置有关的次同步 振荡(Device Dependent Subsynchronous Osillation);简称次同步振荡（5SO） 。 有源电力设备包括直流输电系统、电力系统稳定器、静止无功补偿器等功率控制没备。 与 SSR 样，SSO 主要也是研究与大轴扭振有关的扭振相互作用和暂态力邻放大两方面的问 题。由于篇幅所限，本章重点讨论由串联电容引起的 SSR 间题。现就上边提到的术语和部 分机理简述于下。
同步电机PPT
下面我们分四种情况考虑：
交轴q
•
•
1、 I 和 E0 同相（ 0 0)
交轴电枢反应使合成磁动
势从空载时的直轴处逆转
向后移了一个锐角 ，幅
值有所增加。
直轴d
F
磁极位置
Ff
Bf
•
0
•
E0
•
I
Fa
•
•
2、I 滞后 E 0 90（0 0 90 0 )
直轴去磁性电枢反应
直轴d Ff
交轴q
•
E0
磁极位置
1、定子部分
发电机定子铁芯由导磁良好的 硅钢片叠成，在铁芯内圆均匀 分布着许多槽，用来嵌放定子 线圈 ，每相绕组由多个整体成 型的线圈组成 ，按一定规律排 列。
大型水轮发电机通常都是立式 结构，整个机组传动部分的重 量以及作用在水轮机转轮上的 水推力均有推力轴承支撑，并 通过机架和机座传递到地基上
3、补偿机状态： δ=0
S
N
ns
No
Te 0
So
补偿机状态时电磁转矩为零，电机内无有功功率的转换。
五、同步电机的励磁方式
供给同步电机励磁的装置，称为励磁系统 。 1、直流励磁机励磁
2、整流器励磁
整流器励磁又分为静止式和旋转式两种。
静止式指的是整流 装置外放静止状态
旋转式指的是整流装置 随主轴一同旋转
3、相量图及等效电路
已知发电机的端电压、负载电流和功率因数cosφ及参数
Ra 、Xs，当功率因数滞后时的相量图：
其等效电路：
E&0
jIX s
IRa
U&
其中E0表示主磁场的作用，Xs表示电枢反
应和电枢漏磁场的作用
许晓峰《电机拖动》第六章习题答案
6.12答：当转速降为0.95nN时，对空载特性而言，同一励磁电流下所建立的空载电动势降低，故空载特性曲线下降；而对短路特性而言，由于空载电动势和同步电抗同时降低，使得同一励磁电流下的短路电流基本不变。故短路特性不变化。
6.13答：因为同步发电机带感性负载时，将产生去磁性质的电枢反应，而且负载电流越大，电枢反应去磁作用越强，发电机端电压越低，再加之漏阻抗压降的影响，也使端电压下降，故外特性曲线是下降的。
6.18解：故障前后输出的有功功率不变，则：
6.19解：（1）取电压相量为基准，即：
发电机输出的功率：视在功率：Βιβλιοθήκη 有功功率：无功功率
空载电动势：
所以：
功角：
（2）以为基准相量
额定时功率和电流：
额定功率增至额定情况下110%时：
功角：
所以
增加有功功率后，为：
由电动势方程得：
增加有功功率后的功率或电流：
即无功功率：
无功功率：
功率因数：
（3）电磁功率：
功角：
无功功率：
功率因数：
定子电流：
6.20
解：
电动机的输入功率：
母线上总有功功率：
同步电动机补偿有无功功率：
解上式得：
同步电动机的功率因数：
同步电动机的定子电流：
6.22解：
（1）换机前，水泵站需从电网吸收的视在功率和功率因数：
（2）换机后，水泵站从电网吸收的视在功率和功率因数：
两台异步电动机：
两台同步电动机：
两台异步电动机：
两台同步电动机：
视在功率：
功率因数：
（3）不更换电动机，装设一台同步调相机，将功率因数提高到0.9（滞后），调相机的容量为：
解得：
6.13答：因为同步发电机带感性负载时，将产生去磁性质的电枢反应，而且负载电流越大，电枢反应去磁作用越强，发电机端电压越低，再加之漏阻抗压降的影响，也使端电压下降，故外特性曲线是下降的。
6.18解：故障前后输出的有功功率不变，则：
6.19解：（1）取电压相量为基准，即：
发电机输出的功率：视在功率：Βιβλιοθήκη 有功功率：无功功率
空载电动势：
所以：
功角：
（2）以为基准相量
额定时功率和电流：
额定功率增至额定情况下110%时：
功角：
所以
增加有功功率后，为：
由电动势方程得：
增加有功功率后的功率或电流：
即无功功率：
无功功率：
功率因数：
（3）电磁功率：
功角：
无功功率：
功率因数：
定子电流：
6.20
解：
电动机的输入功率：
母线上总有功功率：
同步电动机补偿有无功功率：
解上式得：
同步电动机的功率因数：
同步电动机的定子电流：
6.22解：
（1）换机前，水泵站需从电网吸收的视在功率和功率因数：
（2）换机后，水泵站从电网吸收的视在功率和功率因数：
两台异步电动机：
两台同步电动机：
两台异步电动机：
两台同步电动机：
视在功率：
功率因数：
（3）不更换电动机，装设一台同步调相机，将功率因数提高到0.9（滞后），调相机的容量为：
解得：
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
习题答案同步电机
A ；B ；
C ；D 。
答 D
三、判断
1.一并联在无穷大电网上的同步电机，要想增加发电机ห้องสมุดไป่ตู้输出功率，必须增加原动机的输入功率，因此原动机输入功率越大越好。（）
答错
2.改变同步发电机的励磁电流，只能调节无功功率。（）
答错
3.★同步发电机电枢反应的性质取决于负载的性质。（）
答错
4.★同步发电机的短路特性曲线与其空载特性曲线相似。（）
答错
5.同步发电机的稳态短路电流很大。（）
答错
6.利用空载特性和短路特性可以测定同步发电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗。（）
答错
7.★凸极同步电机中直轴电枢反应电抗大于交轴电枢反应电抗。（）
答对
8.★在同步发电机中，当励磁电动势 与 电枢电流同相时，其电枢反应的性质为直轴电枢反应。（）
答错
9.★负载运行的凸极同步发电机，励磁绕组突然断线，则电磁功率为零。（）
第六章 同步电机
一、填空
1.★在同步电机中，只有存在电枢反应才能实现机电能量转换。
答交轴
2.同步发电机并网的条件是：（1）；（2）；（3）。
答发电机相序和电网相序要一致，发电机频率和电网频率要相同，发电机电压和电网电压大小要相等、相位要一致
3.★同步发电机在过励时从电网吸收，产生电枢反应；同步电动机在过励时向电网输出，产生电枢反应。
答超前无功功率，直轴去磁，滞后无功功率，直轴增磁
4.★同步电机的功角δ有双重含义，一是和之间的夹角；二是和空间夹角。
答主极轴线，气隙合成磁场轴线，空载电动势，端电压
5.凸极同步电机气隙增加使 和 将。
答减小
6.★凸极同步发电机与电网并联，如将发电机励磁电流减为零，此时发电机电磁转矩为。
C ；D 。
答 D
三、判断
1.一并联在无穷大电网上的同步电机，要想增加发电机ห้องสมุดไป่ตู้输出功率，必须增加原动机的输入功率，因此原动机输入功率越大越好。（）
答错
2.改变同步发电机的励磁电流，只能调节无功功率。（）
答错
3.★同步发电机电枢反应的性质取决于负载的性质。（）
答错
4.★同步发电机的短路特性曲线与其空载特性曲线相似。（）
答错
5.同步发电机的稳态短路电流很大。（）
答错
6.利用空载特性和短路特性可以测定同步发电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗。（）
答错
7.★凸极同步电机中直轴电枢反应电抗大于交轴电枢反应电抗。（）
答对
8.★在同步发电机中，当励磁电动势 与 电枢电流同相时，其电枢反应的性质为直轴电枢反应。（）
答错
9.★负载运行的凸极同步发电机，励磁绕组突然断线，则电磁功率为零。（）
第六章 同步电机
一、填空
1.★在同步电机中，只有存在电枢反应才能实现机电能量转换。
答交轴
2.同步发电机并网的条件是：（1）；（2）；（3）。
答发电机相序和电网相序要一致，发电机频率和电网频率要相同，发电机电压和电网电压大小要相等、相位要一致
3.★同步发电机在过励时从电网吸收，产生电枢反应；同步电动机在过励时向电网输出，产生电枢反应。
答超前无功功率，直轴去磁，滞后无功功率，直轴增磁
4.★同步电机的功角δ有双重含义，一是和之间的夹角；二是和空间夹角。
答主极轴线，气隙合成磁场轴线，空载电动势，端电压
5.凸极同步电机气隙增加使 和 将。
答减小
6.★凸极同步发电机与电网并联，如将发电机励磁电流减为零，此时发电机电磁转矩为。
第六章 三相同步电机
可见，在同步电动机中，励磁磁势F0、 电枢磁势Fa和合成磁势F在空间的相对位置 如图（a）所示。 F0的方向是由S极指向N极的。Fa超前 于F0，使得F也超前于F0θ角。 它们在以同步转速旋转时，励磁磁势 F0和合成磁势F将分别在定子每相绕组中产 生励磁电动势E0和合成电动势E1。 当F转到U相绕组时，U相绕组中的合 成电动势达到最大值，转子再转过θ角时， 励磁电动势E0达到最大值。
若图（a）中，用外面的一对N极和S极 代表旋转磁场，只要旋转磁场的极对数与 转子磁极的极对数相同，按照磁极间同性 相斥，异性相吸的原理，会产生电磁转矩， 旋转磁场会牵引着转子磁极以相同的转速 旋转。所以，同步电动机的转子转速与旋 转磁场的转速相同，即 n=n0=60f1/p 这就是“同步”名称的来历。
如大型同步发电机的励磁电流可达数 千安，通过电刷和滑环引入转子励磁绕组 有困难，所以可以采用这种励磁方式。 3．主要种类 同步电机按相数的不同，可分为单相 同步电机和三相同步电机。 按能量转换的不同，可分为同步电动 机和同步发电机。 按转子结构的不同，可分为隐极式和 凸极式。
隐极式转子如图（a）所示。铁心成圆 柱形，其上开槽，槽内嵌放励磁绕组。它 与定子铁心之间的气隙较均匀。 凸极式转子如图（b）所示。励磁绕组 集中绕在两磁极之间的铁心柱上，它与定 子铁心之间的气隙是不均匀的。 转子磁极的中心轴线称为纵轴或直轴， 相邻两磁极之间的轴线称为横轴或交轴。
（2）静止整流器励磁 这种励磁方式是将同轴的交流励磁机 （小型同步发电机）发出的交流电经静止 的整流器整流成直流电后，再供给同步发 电机作励磁电流。 （3）旋转整流器励磁 这种励磁方式是将整流器装在同步电 机的转轴上，随同步电机一起旋转，将同 轴旋转的交流励磁发电机电枢输出的交流 电整流后，直接供给励磁绕组，这样可以 省去滑环和电刷等装置。
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而由励磁磁通产生的励磁电动势 E0 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。
Fa
Ff 1
E0 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。
交轴电枢反应对电磁转矩的贡献
B
Z
B
C
Y
C
此时，电机吸收还是发出无功？
E0
E0
E0
助磁，肯定是从电网吸收无功；关联参考方向下的电流滞后于 电压降。
电机从电网吸收无功，也吸收有功。
三、电枢电流超前于励磁电动势一个锐角时的电枢反应
交轴电枢反应与前面一样，助磁，产生驱动性质电磁转矩。 直轴电枢反应起去磁作用，尽管不直接产生电磁转矩，但它的去磁 作用会对电磁转矩产生间接影响。 去磁，应向电网发出无功，从图中也可以看出。
将轴上输入的机械能转换成电能向
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。
第六章 同步电机
中国石油大学（华东）信控学院
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。
直轴电枢电流对电磁转矩的贡献
B
Z
B
C
Y
C
Id在A轴上的投影为0，此时尽管A相导体处于磁密最大位置，但不 产生电磁转矩。
Id在B、C轴上的投影为不为0，但产生的电磁转矩之和为零。是不 是意味着对电磁转矩没有贡献？
直轴电枢电流不直接产生电磁转矩，但影响磁场，通过影响磁场影 响电磁转矩。
直轴电枢电流与励磁磁动势方向相同，起助磁作用。 如果主磁路不饱和，磁密增大，在相同交轴电流情况下，电磁转矩 增大。但如果主磁路已接近饱和，磁密增加很小，直轴电流对电磁 转矩贡献很小。
N
合成气隙磁动势也是以同步速旋转，
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。
气隙磁动势是由电枢磁动势与励磁磁动势的合成，当电机为隐极， 气隙均匀，若不计饱和，可根据气隙磁动势求出气隙磁场的分布。
F H
B
0H
0
F
当电机为凸极，气隙不均匀，无法用解析表达式来求解。双反应理 论应运而生。
利用合成磁动势的方法走不通，在不计磁路饱和的情况下，先把 交直轴电枢磁动势及励磁磁动势各自形成的磁场分别求出来，然后 把我们所关心的基波磁场的效果进行叠加。这种分别计算交轴和直 轴电枢反应的方法，就是双反应理论。
I
Fa
a
Ea
F E
Ff
1
F
E
Fa
感应电动势的正方向与产生它的磁通 的正方向不符合右手螺旋关系。与电 流方向相反，为反电势。
E0 j4.44 f1N1kw10 Ea j4.44 f1N1kw1a
对吗？
E j4.44 f1N1kw1
E j4.44 f1N1kw1
为便于分析，假设磁路不饱和，不考虑铁耗，转子为隐极，则电
枢反应决定于电枢磁动势基波 在空间中的相对位置。
Fa
的大小及其与励磁磁动势基波Ff
1
在时空矢量图中，电枢磁动势矢量Fa 与产生它的电枢电流 I 同相位，
而若不计铁耗，则基波励磁磁动势矢量Ff 1与励磁磁通 0同相位，
因为三相参考轴不正交，所以在三相ABC
坐标系下描述三相对称正弦量的统一时间
相量在时空矢量图中的运动，很不方便。
通常用两种直角坐标系来描述统一时间相 q
量。一种是静止直角坐标系(αβ坐标系)， B
一种是同步旋转直角坐标系(dq坐标系)。
在两相静止坐标系中，统一相量在两轴上分 量仍为交流。但在同步旋转坐标系中，两个 分量是直流。
发电机简化模型
B
Z
n1 S
X
N
C
Y
Ea 2E0 sin t Eb 2E0 sin(t 120 ) Ec 2E0 sin(t 120 )
E0 ?
A E0 4.44 f1N1kw1m
2
n1 p 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
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。dIm A
C
交流电机之所以难分析、难控制，就是
j
因为我们面对的是交流量，不仅仅要考 虑物理量的大小关系，而且还要考虑相
q
B
位关系。
T
CM
1
m
I
' 2
cos
2
T CM Ia
如果通过选择合适的参考坐标系，将交流 量的复杂关系变成直流量的简单的大小关
d
Im 1
A
系，对于分析交流电机的运行及对其进行
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
圆形旋转的基波磁动势Fa ，转向与转子磁极相同，转速为同步速
Fa 会改变由主磁极励磁磁动势Ff 形成的气隙磁场的分布，气隙磁 场由Fa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
当电枢电流与励磁电动势之间的夹角为锐角时，电枢磁动势超前于 励磁磁动势，电机交轴电枢电流产生驱动性质电磁转矩，电机处于 电动状态。
何时处于发电状态？
当电枢电流与励磁电动势之间的夹角为钝角时，电枢磁动势滞后于 励磁磁动势，电机交轴电枢电流将产生制动性质的电磁转矩，电机 处于发电状态。
四、双反应理论
电压平衡方程式
U E0 Ea E I Ra E E I Ra
E0
E jIX E与 I 参考方向相反
Fa
Fad
Faq
Fad Fa sin
Faq
Fa
cos
I Id Iq
Id I sin
Iq
I
cos
Fa
1.35
N1kw1 p
I
Fad
Fa
sin
1.35
N1kw1 p
I sin
1.35
N1kw1 p
Id
Faq
Fa
cos
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。
Ff 1 0 E0
(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：
PN SN cosN 3UN IN cosN
对于三相同步电动机：
PN 3UN INN cosN
§6-2 同步电机的电枢反应
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。
类似于电路中的叠加原理。
课堂练习：6-1，6-3， 6-4 ， 6-5
§6-3 同步电动机的电动势平衡方程式、同步 电抗和相量图
一、隐极同步电动机的电动势平衡方程式、同步电抗和相量图
If
Ff 1
0
E0