第四章同步电机

2、三相交流同步发电机运行特性
同步发电机空载运行特性
转子以同步转速转动，励磁线圈加适当励磁电流 定子三相电枢绕组感生出感应电动势EU0\ EV0 \ EW0
空载电动势E0，取决于转速和励磁电流 发电机转速是额定转速，空载电动势E0与励磁电流的关 系曲线【E0 = f（If）】称为同步发电机空载特性曲线
接线：同步发电机定子绕组通常采用Y 形连接，使三相绕 组间不形成三次谐波短路环流，电压更接近于正弦波。
△接常用于小型三相同步电动机，产生的三次谐波电动势 在自身绕组中消耗掉，不送往电网，减少对电网干扰。
谐波内容 不做要求
三次谐波解释
三次谐波：由于三 相绕组的每个线圈边产 生的磁势为矩形波，可 分解成基波和一系列奇 次谐波。通过合理选择 短距绕组,可削弱5、7 次谐波。
三相交流同步发电机电压平衡 方程和相量图
同步发电机负载运行时与电枢绕组交链的磁通有3个： 励磁磁通、电枢电流产生的电枢反应磁通和漏磁通。
3个磁通都在电枢绕组感应电势分别为：空载电势、 电枢反应电势和漏磁电势。 忽略磁路饱和，引入参数： 电枢反应电抗。
同步电抗Xs = Xa + Xσ ，注意：Xs ＞Xa＞Xσ 。
电气旋转磁场和机械旋转磁场以相同的速率在旋转，两者之间没有 相对运动，转子中不会感生电动势。但定转子间的气隙处有两个旋 转磁场，即空载时的励磁磁场变为负载时的综合磁场。
同步发电机对称负载运行
定子电枢磁场的存在，使气隙中磁场的大小及位 置发生变化，通常把定子电枢磁场对转子励磁磁 场的影响称为电枢反应。电枢反应直接影响发电 机端电压，电枢反应的性质主要取决于空载电势 E0与电枢电流Ia之间的夹角Ψ（内功角）以及电 枢电流Ia的大小，换言之，取决于负载的性质和 大小。
三相绕组的3次谐 波刚好同相位，可以通 过Y形和△连接削弱。
磁势矩形波
三相 绕组 的三 次谐 波刚 好同 相位
△连接时，虽然无3次谐 波电势输出，但是，却 在其三相绕组上有3次谐 波 “环流”，会造成额 外损耗。∴采用Y连接。
转子结构
转子：有凸极式和隐极式两种。转子绕组是直流绕组。
隐极式转子
大型机的 转子支架
电枢 绕组 电路
用电 抗表 示ea
忽略 电枢 电阻
电压平衡方程：
电压平衡方程
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E0 U I a Ra jX a Ia jXσIa U (Ra jX S ) Ia
E0 (U RaIa cos X S Ia sin)2 (X S Ia cos RaIa sin)2
电势公式：忽略电枢电阻后
有效磁通
无效磁通
磁通密度沿气隙做接近于 正弦分布
三相空载电势相量
E0称为励磁电动势、主电势、 空载电势
K e = 4.44Nkwp/60 空载电动势与励磁电流的 大小成线性关系
铭牌数据
1. SN/PN 指示发电机输出的额定容量或额定功率 2. UN 额定运行时定子输出端的线电压 3. IN 额定运行时定子输出端的线电流 4. CosφN 额定运行时的电机功率因数 5. fn 额定运行时输出电能的频率 6. nN 额定运行时转速 7. UfN 额定负载时所加励磁电压 8. IfN 额定负载时所加励磁电流
转子轴上的滑环
转子铁心 硅钢片
一对极 隐极式
两对极凸极式
转子分类及其特点
隐极式转子，极对数少、结构 细长，能承受较大离力。适用 于高速运行同步电机，作为汽 轮发电机和高速柴油发电机
凸极式转子，磁极凸出，磁极 对数多，直径大、凸极产生的 离心力大，一般用于中低速柴 油发电机。近几年，使用增多
三相交流同步发电机的基本工作原理
第四章 同步电机
§4—1．三相交流同步电机的结构、工作 原理、铭牌数据
§4—2．三相交流同步发电机运行特性 §4—3．同步电动机
学习第四章应该注意的点
第四章学习应注意的几个问题： 1.同步发电机负载后电枢磁场对气隙磁场有何影响(电枢反应)？ 2.同步发电机空载特性的实质是什么？ 3.影响同步发电机的外特性的因素是什么？ 4.同步发电机的平衡方程式有那些？ 5.同步发电机并联运行时有什么特点？
同步发电机对称负载运行
1.电枢电流Ia与空载电势E0同相位时的电枢反应
同步发电机对称负载运行
2.电枢电流Ia滞后于空载电势E090°时的电枢反应
同步发电机对称负载运行
3.电枢电流Ia超前于空载电势E090°时的电枢反应
同步发电机对称负载运行
4.电枢电流Ia滞后于空载电势E0一个锐角时的电枢反应
以转子绕组分类 旋转磁极式
三相交流同步电机分类
在船舶中作为无刷励磁 同步发电机的励磁机
主要用于同步发电机、同步 电动机、功率因数补偿机
同步电机基本结构
定子结构：
结构：由定子铁心和定子绕组组成，与异步电机定子构造 基本相同。—— 相同机座号时，若与异步电机互换定子，则 仍然可以运行。
区别：主要是尺寸方面，同步电机通常容量较大，而异步 电机的容量相对较小。因此，从表面上看同步机机壳无散热片， 异步电机则有。
本章的计算任务主要是： 利用同步发电机的功率平衡方程和有关特性进行电量（电势、电
压、电流、功率）计算；并联运行时有功功率和无功功率的计算。 比较难理解的点：
1.同步发电机的电枢反应；2.同步发电机的突然短路分析。
1、三相交流同步电机的结构工作原理、铭牌数据
基本结构：
由定子部分和转子部分构成。 旋转电枢式
同步发电机空载运行特性
同步发电机对称负载运行
同步发电机主磁极以同步转速随轴旋转，这时气隙中存在一个 以同步转速旋转的直流励磁磁场，称为机械旋转磁场Ff 。该旋 转磁场切割定子电枢绕组，感应出三相对称电动势E0。当发电 机输出端接上三相对称负载，便有三相对称电流流过定子的三 相绕组，它也产生一个旋转磁场Fa，它是由交流电激励而产生 的，故称为交流激磁的旋转磁场或称为电气旋转磁场。
E0 (U X S I sin )2 ( X S I cos)2
相量图
根据电压平衡方程可画出相量图。 负载分别为：感性、阻性和容性时：
三相交流同步发电机的外特性
外特性：U = f ( Ia ) 。不管 负载性质如何，发电机端电压 U随负载电流Ia 变化而变化。 电压变化不仅取决于电枢电流 在电枢绕组电阻的压降及漏电 抗压降，而且还取决于负载的 性质。