电机学第6章 同步电机

• 额定电流IN 单位为A, kA • 额定功率因数
cos N
• 额定励磁电流和电压 IfN 、UfN
6.2 同步发电机的空载运行
一、空载运行 n s If I = 0 1.空载磁场——主磁场
I f Ff B0 0
主磁通 在三相绕组中感应对称电动势
Φ0
Φ f
I f f
漏磁通
1） 0 = 0 时
定子绕组电动势、电流及磁动势
在此时刻，A相电动势、 电流达到最大值，电枢
Ff
A
磁动势的轴线与A相绕
B0
组轴线重合，同时也与
Y
Z
ns
N
ns
C
A相轴线
q轴重合，即 Faq=Fa， 称为交轴电枢反应磁动
B
S
X
Fa
势。
同步发电机的交轴电枢反应
定子绕组电动势、电流和磁通的时间相量图
同步发电机
（火电厂、水电厂、核电厂）
同步电机
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： 凸极、隐极。
卧式、立式。

按励磁方式分： 电励磁式、永磁式同步电机 。
E 0C
E 0B
频率：
pns f 60
三相对称电动势
2.空载特性
E0 , 0
E0 = f (I f)
气隙线
空载特性
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。
• 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。
当ψ角为不同值的电枢反应
位置 Ψ=00 Ψ=900 Ψ=-900 q轴 d轴 d轴 电枢反应性质 交轴 直、去 直、增 负载性质 R L C
00<Ψ<900
-900<Ψ<00
d、q轴
d、q轴
交、直去
交、直增
R、L
R、C
励磁磁动势和电枢磁动势的区别
基波波形 励磁 磁动势 正弦波 幅值大小 恒定，由励磁 电流决定 位 置 转 速
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 电磁转矩，抑制转速振荡。 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。
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？
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）
G
并励直流发电机
~
同步发电机
直流发电机励磁
• 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
整块高强度合金钢。 隐极 : 气隙均匀， 铁心 整体或低碳钢片迭成。 转子 凸极 : 气隙不均匀， 直流励磁绕组: 同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
隐极式
+
N
S S
+
N
凸极式
同步电机的基本类型
转子圆柱形，气隙均匀，转子机
有明显的凸出的磁极，气 隙不均匀，制作简单。 适合于低速发电机
成的，称之为交磁作用。
气隙合成磁场与主磁场的相对位置图
2） Ψ 0 ≠ 0 时
电流滞后电动势
Faq Fa cosψ 交磁
Ff
A
Y
Z
N
ns
B
ns
C
A相轴线
Fad Fa sinψ与Ff 反 向，对d轴磁场有削 弱作用称之为去磁。
S
X
Faq
Fad
Fa
电流滞后电动势的向量图
电流超前电动势
Ff
A



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:
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:
滞后于 Φ 以90°电角度，若不计 在时间相位上， E a a 同相位，则 E 以90°电 与 I 将滞后于 I 定子铁耗, Φ a a 角度,亦可写成负电抗压降的形式，即:
o
If0
I f , Ff
同步电机的空载特性
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
60 f n s p 基波合成磁动势 F 1.35 N1 k I a w1 p Ba电枢反应磁场 B0 (空载磁场）
F I a
}
气隙合成磁场B
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。
之间的 和负载电流 I 这一相对位置决定于空载电动势 E 0 的相位差 0 ，称为内功率因数角。
由转子位置 决定
由原动机的 转速决定
电枢 磁动势
正弦波
恒定，由电枢 电流决定
由电流瞬时 值决定
由电流的 f 和p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
电枢 I

Ff
Φ0 Φa


E0 Ea


E

Fa
Φ

E (E j I X )
（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
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
E 0 E E 120 E E 240 E 0A 0 0B 0 0C 0
空载电动势，即激磁电动势。 有效值： E
E 0A
0
4.44 f N1 kw1 0
按冷却方式分： 空冷、氢冷、水冷、混合冷却。
6.1
1. 基本结构
同步电机的基本结构和运行状态
旋转电枢式
隐极式
凸极式 旋转磁极式
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
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
的冷轧硅钢片 铁心 : 0.5 或 0.35mm 定子 绕组 : 三相对称绕组
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 。 及相应的气隙电动势 E 通Φ
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
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 生，以同步速旋转（等于转子转速）。
• 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。
s
与电枢电流 I （时
间相量）同相位； 空载磁通 与励
0
d轴
Fa ( Faq )
磁磁动势Ff同相位。
E0

I
时-空统一矢量图

气隙合成磁场与主磁场的相对位置
B0
A
Z
ns
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
N
Te
Y
加。这是由于电枢磁动
B
S
C
X
Fa
势（Fa=Faq）的作用造
整理前式可得：
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
X
Ra
I

隐极同步发电机 的等效电路：
U

隐极同步发电机的相量图
Φ0

Φa

Φ
Ea
j I X


E0


j I Xa

90
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。
• 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。
E


I

U IR a


隐极同步发电机的相量
E0



0
U
I Ra


j I Xs

•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。
方便和有效的调节。
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
E 0C

0A
IC

各相电动势、电 流和磁通间的相
s
ψ 0 时间参考轴
位关系是相同的，
IA
所以后边只画出 一相。
0C
E 0B


E 0A

IB



0B
定子绕组电动势、电流和磁通的时间相量图
时-空统一矢量图
Ff
B0 ( 0 )

在时 - 空统一矢量 图中，电枢磁动 势Fa（空间矢量）
Z
Fad
Fa
Y
Faq Fa cosψ 交磁
N
ns
B
S
X
C
ns A相轴线 Faq
Fad Fa sinψ 与Ff同 向，对d轴磁场有加 强作用称之为助磁。
电流超前电动势的向量图
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。
械强度高，励磁绕组固定容易。
适合于高速发电机
汽轮发电机
同步 发电机
隐极结构
水轮发电机
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)
• 采用隐极结构 • 基本采用卧式结构
L2 2~6 • 转子细而长 D2
隐极发电机的剖面图
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
交流副励磁机（中频） 交流主励磁机（100Hz） 主发电机 电流互感器
～
自励 恒压器
～
可控 整流器 不可控 整流器
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
第6章 同步电机
同步电机转子转速是常值且与同步速相等，与负载的
大小无关。转子的转速与气隙磁场转速保持严格同步。
60 f n ns (r/ min) p
同步电机主要用作发电机，也可以用作电动机和补偿机。
同步发电机的稳态对称运行
主要内容
同步电动机和补偿机
同步发电机的不对称运行和三相突然短路
同步电机的用途
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。
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。
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
D2 • 转子粗而短 L 5 ~ 7 2
• 励磁绕组为集中绕组 • 立式结构 • 阻尼绕组