第六章同步电机6.1
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同步电机PPT课件
隐极机：气隙均匀、结构牢固， 主要应用于汽轮发电机； 凸极机：气隙不均匀、结构简 单，主要应用于水轮发电机；
300MW水氢冷发电机结构
二、隐极同步发电机的结构
隐极同步发电机主要用于汽轮发电机，由转子与定子组 成。由于汽轮机的转速很高，故汽轮发电机的转子只有一对 磁极，在额定转速每分钟3000转时输出50赫兹的三相交流电。
由于大型汽轮发电机转速高，转子磁极表面线速度达 150m/s以上，离心力很大，故转子直径不能过大，大型发电 机转子都为细长型。一般转子的L/D=2.5~6.5,容量愈大，比 值愈大。
1、定子部分 铁心：采用0.5mm厚 的硅钢片叠压而成。 作用是构成电机主 磁路。
绕组：采用多股导 线整体成型。作用 是产生电枢磁场并 感应电枢电动势。
国产200MW汽轮发电机定子
2、转子部分
转子铁芯与轴用高强 度高磁导率的合金钢 材整体制作，在转子 铁芯部分有一些轴向 与径向的孔隙，用来 通风冷却。作用构成 主磁路。
转子励磁绕组由多 个线圈组成，嵌放 在转子铁芯的槽中， 多个线圈串联起来 组成转子绕组，作 用通入直流电形成 主极磁场。
集电环
பைடு நூலகம்
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。
同步电机的基本工作原理与结构
励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁
场，原动机拖动转子以转速 n旋转时，其
磁场切割定子绕组而感应交流电动势 E 0.
频率： f p n 60
大小： E04.44fN 1kw10
波形：由e B( x可)l知v ，波形取决 于 的B空( x间) 分布。
相序：由转子的转向决定。
第６章 同步电机
发电机的物理过 程可用图示表示
(4)根 据 E0 U IRa jIdXd jIqXq, 从M点 依 次jI作 qXq出 及jIdXd,得 到 末 端G,连 接 OG 线 段 即 E0.得
第６章 同步电机
6.4.2隐极同步发电机的电动势方程、相量图和等效电路
一、电动势方程
电磁关系：
Φ f
If
Ff
Φ 0
I
Fa
Φ a
Φ
不计磁路饱和时有下列关系
但是直轴去磁（或助磁）电枢反应对气隙 磁场有去磁（或助磁）作用，致使电压下降 （或上升）。为维持电压恒定所需的励磁电流 也需要相应增加（或减小）。
第６章 同步电机
一般情况下，发电机既带有功负载，又带感性无功负 载，有功电流的变化影响发电机的转速及频率，无功电流 的变化影响发电机的电压。
为了保持发电机的频率和电压的稳定，必须随负载变 化及时调节发电机的输入功率和励磁电流。
I fN U fN
第６章 同步电机
６.2 同步发电机的空载运行
同步发电机被原动机拖动到同步转速，励磁绕组中通入直流
电流 I ，f 定子绕组开路的运行称为空载运行。
电磁关系：
Φ f
If
Ff
Φ0
E0
空载电动势 E大0 小：
E04.44fN 1kw10
空载特性： nn N,I0,E 0f(If)
场，原动机拖动转子以转速 n旋转时，其
磁场切割定子绕组而感应交流电动势 E 0.
频率： f p n 60
大小： E04.44fN 1kw10
波形：由e B( x可)l知v ，波形取决 于 的B空( x间) 分布。
相序：由转子的转向决定。
第６章 同步电机
发电机的物理过 程可用图示表示
(4)根 据 E0 U IRa jIdXd jIqXq, 从M点 依 次jI作 qXq出 及jIdXd,得 到 末 端G,连 接 OG 线 段 即 E0.得
第６章 同步电机
6.4.2隐极同步发电机的电动势方程、相量图和等效电路
一、电动势方程
电磁关系：
Φ f
If
Ff
Φ 0
I
Fa
Φ a
Φ
不计磁路饱和时有下列关系
但是直轴去磁（或助磁）电枢反应对气隙 磁场有去磁（或助磁）作用，致使电压下降 （或上升）。为维持电压恒定所需的励磁电流 也需要相应增加（或减小）。
第６章 同步电机
一般情况下，发电机既带有功负载，又带感性无功负 载，有功电流的变化影响发电机的转速及频率，无功电流 的变化影响发电机的电压。
为了保持发电机的频率和电压的稳定，必须随负载变 化及时调节发电机的输入功率和励磁电流。
I fN U fN
第６章 同步电机
６.2 同步发电机的空载运行
同步发电机被原动机拖动到同步转速，励磁绕组中通入直流
电流 I ，f 定子绕组开路的运行称为空载运行。
电磁关系：
Φ f
If
Ff
Φ0
E0
空载电动势 E大0 小：
E04.44fN 1kw10
空载特性： nn N,I0,E 0f(If)
第6章 同步电机
6.1.2 同步电机的励磁方式
励磁系统是指为同步发电机提供可调励磁电流
所需设备组成的系统。 – 直流发电机励磁系统（在10MW以上的机组） – 交流发电机励磁系统：由一台与发电机同轴 的交流发电机产生交流电，经整流变成直流 电，给发电机转子励磁。又分为静止式交流 整流励磁系统和旋转交流整流励磁系统。 – 无励机励磁系统：将来自发电机机端的交流 电经变压器降压，再整流变成直流电，作为 发电机转子的励磁。
空载特性是同步电机的一条基本特性。 空载特性曲线E0= f ( If ) 如右图。 电机磁路的饱和系数 ：
E0 k UN
通常同步发电机的 kμ大约为1.1～1.25。
6.2.1空载和负载运行时同步发电机的磁场
E0= 4.44fN1KN1Φ0 ，其空载特性曲线
E0= f(If) 和电机的磁化曲线相似，但还是有
6.2.1空载和负载运行时同步发电机的磁场
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。
6.2.2 电枢反应
几个概念 ①内功率因数角ψ：空载电动势E0和电枢电 流 I 之间的夹角，与电机本身参数和负载 的大小、性质有关； ②功率因数角 ：与负载性质有关； ③功率角（功角）θ：E0和U之间的夹角； 且有 （电感性负载） ④直轴（d轴）：主磁极轴线（纵轴）； ⑤交轴（q轴）：转子相邻磁极轴线间的中 心线为交轴（横轴）
述
6.1 概
述
励磁绕组中通以直流电流励磁，产生 恒定的磁场。当原动机拖动转子以转速n旋 转时，定子绕组导体将切割磁力线，在定 子绕组中将感应出交变电动势。 当导体经过一对磁极，导体中的感应 电势就变化了一个周波，若转子极对数为p， 转子旋转一周，导体感应电势就变化了p个 周波，设转子转速为 n，则感应电势的频率 为：f = pn/60
运动控制系统-第6章 同步电动机变压变频调速系统
2
当负载转矩加大为 TL4时，转子减速使角θ 增加，电磁转矩 Te减4 小，导致θ继续，最 终，同步电动机转速偏离同步转速，这种 现象称为“失步”。
2
在 的范围 内，2 同步电动机不 能稳定运行，将产 生失步现象。
Te
Te3
Te4
0
3 4
2
图6-4 在 的范围内，
2
Te1
TL1
3U s Es
m xd
sin1
0
2
当负载转矩加大为 时，转子减速使角θ增加，
当 衡，
，电磁 转 2矩 2
和TL负2 载转矩
Te 2
又达到平
TL2
Te 2
TL2
3U s Es
m xd
s in 2
同步电动机仍以同步转速稳定运行。
0
2
若负载转矩又恢复
为 TL1，则角 恢 复
3. 梯形波永磁自控变频同步电动机即无刷直 流电动机——以梯形波永磁同步电动机为 核心的自控变频同步电动机，由于输入方 波电流，气隙磁场呈梯形波分布，性能更 接近于直流电动机，但没有电刷，故称无 刷直流电动机。
无刷直流电动机实质 上是一种特定类型的
iA eA eA
同步电动机，气隙磁 场和感应电动势是梯
第6章
同步电动机变压变频 调速系统
同步电动机直接投入电网运行时，存在 失步与起动两大问题，曾一直制约着同 步电动机的应用。同步电动机的转速恒 等于同步转速，所以同步电动机的调速 只能是变频调速。
变频调速的发展与成熟不仅实现了同步 电动机的调速问题，同时也解决了失步 与起动问题，使之不再是限制同步电动 机运行的障碍。
永磁同步电动机的转子用永磁材料制 成，无需直流励磁。
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。
电动机及拖动基础件课件第6章同步电动机
调相机和发电机。
9
6.3 同步电动机的电磁关系 6.3.1 同步电动机的电枢(定子)反应 1、什么叫电枢反应？ 同时将电枢电流I的磁场对同步电动机恒定
不变磁场在气隙中的影响，称为该同步 电动机的电枢反应。 2、电枢反应的作用和影响 1）设电枢电流为I，电枢反应产生的电动 势与每相电枢绕组的合成气隙的电动势 为E0，
（C）瞬时将开关SA置“2”。转子加上直 流电压，靠同步转矩将转子拉入同步转 速而运行。 启动转矩变化如图6-12所示。同步电 动机启动时气隙磁场与绕组中感应的电 流（称为单相电流，）相互作用产生的 转矩：称为单轴转矩。
34
35
28F040 (a)整片擦除过程；(b)块擦除过程
36
(4) 应用 ① 用作外存贮器。 ② 用于内存。
13
2、磁场F和磁通Φ F Faq Ff 1 Fad aq 0 ad
arc tan I N X q U sin U c os
E0 E0 I d X d U c os
14
6.4 同步电动机的功率和转矩 1、同步电动机的功率平衡和转矩平衡的关系
Pem 0
;T2
P2 0
;
T0
PFe
Pmec 0
P
20
上式整理得：Tem
m1
(E0 )I 0
cos
忽略铜损PCu
:
Tem
m1
(E0 )I 0 X t
sin
N
N
arctan(U N (U N
/ /
3) IN Xt
3) cosN
arctanN
9
6.3 同步电动机的电磁关系 6.3.1 同步电动机的电枢(定子)反应 1、什么叫电枢反应？ 同时将电枢电流I的磁场对同步电动机恒定
不变磁场在气隙中的影响，称为该同步 电动机的电枢反应。 2、电枢反应的作用和影响 1）设电枢电流为I，电枢反应产生的电动 势与每相电枢绕组的合成气隙的电动势 为E0，
（C）瞬时将开关SA置“2”。转子加上直 流电压，靠同步转矩将转子拉入同步转 速而运行。 启动转矩变化如图6-12所示。同步电 动机启动时气隙磁场与绕组中感应的电 流（称为单相电流，）相互作用产生的 转矩：称为单轴转矩。
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28F040 (a)整片擦除过程；(b)块擦除过程
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(4) 应用 ① 用作外存贮器。 ② 用于内存。
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2、磁场F和磁通Φ F Faq Ff 1 Fad aq 0 ad
arc tan I N X q U sin U c os
E0 E0 I d X d U c os
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6.4 同步电动机的功率和转矩 1、同步电动机的功率平衡和转矩平衡的关系
Pem 0
;T2
P2 0
;
T0
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Pmec 0
P
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上式整理得：Tem
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N
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/ /
3) IN Xt
3) cosN
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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）
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一、同步电机分类：
旋转电枢式：电枢旋转，主极固定，因电枢 功率不易由滑动部分送出，只适于较小容量 发电机，实用少。
同步电机
旋转磁极式：磁极旋转，电枢固定，电枢 功率由静止部分送出，可传送较大功率， 实用广，是同步发电机的基本结构型式。
《电机学》 第六章 同步电机
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旋转磁极式
隐极式转子：不计齿槽时气隙均匀；机械强度 高，适用于高转速；一般用于汽轮发电机；外 形细长。
扇形冲片
《电机学》 第六章 同步电机
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《电机学》 第六章 同步电机
16
《电机学》 第六章 同步电机
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(2)转子
采用隐极式转子，外形常做成一个细长的圆柱体。 •转子铁心：铬镍钼合金钢锻制而成，与转轴锻为一个整体。 •励磁绕组：励磁绕组为同心式绕组，以特制扁铜线绕制，并 用不导磁的槽楔将绕组紧固在槽内。 •护环、中心环和滑环：护环为一金属圆筒，共两只，用于保 护励磁绕组的两个端部，采用高强度非导磁合金钢制成。中 心环用于支撑护环，阻止励磁绕组的轴向移动。滑环实现励 磁绕组与励磁电源的连接，一方经引线接励磁绕组，另一方 经电刷接励磁电源。
n 60 f p
《电机学》 第六章 同步电机
8
f与n之间这种固定关系，是同步电机的一个特征。 若定子三相电枢绕组与三相负载相连，则三相定子绕
组中流通三相电流，产生三相合成旋转电枢磁势，基 波转速n1
60 f n1 p n
即，电枢磁势与转子同转速、同转向——同步。 即，电枢磁势与转子磁势二者同步、相对静止。
《电机学》 第六章 同步电机
32
6.1.3 同步电机的冷却方式
大容量的电机发热问题严重，为了使温升不超过允许限 度，就要采用有效的冷却方法。对冷却方法的要求是能 够输送足够的冷却介质到各个发热的部位去，使电机各 部分温度比较均匀，而且不超过允许温升，同时所用的 冷却系统应尽可能结构简单，并且耗能小。
《电机学》 第六章 同步电机
6
同步发电机的工作原理：
同步电机的构造图，在定子铁芯上开槽槽内放置导线， 转子上装有磁极及励磁绕组。当励磁绕组通以直流电 流时，电机内就会产生磁场，如果转动转子使磁场与 定子导线之间有相对运动，就会在定子导线中感应出 交流电势。加把这些导线按一定规律联成三相的电枢 绕组，即可以从该绕组中引出三相交流电势。
~
《电机学》 第六章 同步电机
7
这个交流电势的频率f决定于电机的极对数p和转子每 分钟的转数n(r/min)。由于每一转对应p对磁极，转 子每秒钟转数为n／60，因此每秒钟有pn/60个对磁极 切割定子导线，使它的感应电势交变pn/60个周期， 换句话说，该电势的频率为： f pn 60
当电机的极对数和转速一定时、它发出交流电势的频 率也是一定的。 我国电力系统规定，交流电的频率为50Hz，例：电机 为一对极，它的转速必定是3000r/min。
6.1 同步电机的基本结构和运行状态 6.2 空载和负载时同步发电机的磁场 6.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路 6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图 6.5 同步发电机的功率方程和转矩方程 6.6 同步电抗的测定 6.7 定子漏抗和电枢等效磁动势的测定 6.8 同步发电机的运行特性 6.9 同步发电机与电网的并联运行
35
同步电机的额定值
额定功率因数 cos N 是指同步电机在额定运行时的功率 因数。
额定效率 N 是指额定运行时的效率。
发电机 PN SN cosN 3UN IN cosN
电动机 PN P1NN 3UN IN cosNN
(P1N --额定输入功率）
额定转速 nN 和额定频率 f N 是指同步电机运行时的转速
磁系统。
《电机学》 第六章 同步电机
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二、 直流励磁机励磁
直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励、他励 或永磁励磁方式。采用他励接法时，励磁机的励磁电 流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。
《电机学》 第六章 同步电机
30
三、 静止整流器励磁： 同一轴上有三台交流发电机，即主发 电机、交流主励磁机和交流副励磁机。副励磁机的励磁电流开 始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励(有 时采用永磁发电机)。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整 流器整流后供给主励磁机，而主励磁机的交流输出电流经过静 止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。
《电机学》 第六章 同步电机
14
3、汽轮发电机
主要结构部件有：定子、转子、端盖和轴承。 (1)定子
定子大体上与异步电机相同，定子铁心由0.35mm,0.5mm 或其它厚度的硅钢片叠成。
定子外径较小时，采用圆形冲片，当定子外径大于1m 时，采用扇形冲片。定子铁心固定在机座上，机座常由 钢板焊接而成，它必须有足够的强度和刚度，同时还必 须满足通风和散热的需要。汽轮发电机的电压较高，要 求定子绕组有足够的绝缘强度，一般采用 B 级或 F 级绝 缘。
2、水轮发电机的特点：极数多，直径大，轴向长度短。
立式
卧式
《电机学》 第六章 同步电机
24
灯泡贯流式水轮机是贯流式水轮机的主要类型之一。1919年初，美
国工程师哈尔扎(Harza)首先提出其设计理念。经过瑞士爱舍维斯公 司(Escher Wyss)公司近20年的研究，于1936年研制成功，并开始生
➢ 同步电机的特点与用途 ➢ 同步电机的结构形式 ➢ 同步电机的励磁方式 ➢ 同步电机的冷却方式 ➢ 同步电机的额定值
4
同步电机也是一种常用的交流电机。 与感应电机相比较，特点是，稳态运行时，转子的转
速n与极对数p和频率f之间具有固定不变的关系：
n 60 f p
同步转速 从原理上看，同步电机既可用作为发电机，也可用作
《电机学》 第六章 同步电机
9
同步电机做电动机：
三相定子绕组与电源接通，产生三相合成基波磁势，
转速为同步速：
n1
60 f p
同时转子直流励磁产生恒定主极磁场；
两个磁场间有相互电磁力作用，使得电枢磁场拖着主 极磁场同步转动，转子转速n=n1。
《电机学》 第六章 同步电机
10
§6.1 概述 6.1.1 同步电机的结构型式
同步发电机
同步电动机
同步调相机
额定 容量
额定 功率
发电机出线端的额 定视在功率（VA）
发电机输出的额定 转轴上输出的有 发电机出线端输出 有功功率（电功率） 效机械功率（W） 的无功功率（Var） （W）
额定电压UN 是指同步电机在额定运行时其定子三相的 线电压
额定电流 I N 是指同步电机在额定运行时流过其定子绕 组的线电流
《电机学》 第六章 同步电机
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2.同步电机的运行状态
同步电机的三种运行状态 a)发电机(δ>0)b)补偿机(δ=0)c)电动机(δ<0)
6.1.2 同步电机的励磁方式
一、励磁方式分类
获得励磁电流的方法称为励磁方式。
目前采用的励磁方式分为两大类：
1.用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统； 2.用硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励
（r/min）和定子绕组中电流与电压的工作频率（Hz）。
额定励磁电压 U fN 和额定励磁电流 I fN 是指同步电机额
定运行时加到励磁绕组上的直流电压和电流。
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同步电机的额定值
37
同步电机的额定值
38
小结
39
小结
40
(3)端盖和轴承
《电机学》 第六章 同步电机
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图6-3典型汽轮发电机转子结构散件示意图
《电机学》 第六章 同步电机
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《电机学》 第六章 同步电机
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定子
汽轮发电机组
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三、凸极同步电机
《电机学》 第六章 同步电机
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1、支撑：卧式、立式支撑。大多数同步电动机、调相机 和内燃机或冲击式水轮机拖动的发电机采用卧式结构。低 速、大型水轮发电机采用立式结构。
1
电能输出
超热高压蒸汽
3 000 r/min
燃
升压变
烧
压器
室
发电机
汽轮机
燃 料
锅炉的 炉膛
循环水
电能的产生
热电厂
1 煤传送带 2 加煤机 3 粉碎机 4 锅炉 5 煤渣 6 空气预热器 7 静电除尘 8 烟囱 9 汽轮机 10 冷凝器 11变压器 12 冷却塔 13 发电机 14 输电线
6.1 同步电机的工作原理及结构特点
凸极式转子：气隙不均匀，极弧下较小，极间 较大；机械强度比隐极机低，适用于低转速； 一般用于水轮发电机，外形扁盘形。
《电机学》 第六章 同步电机
12
二、隐极同步电机 （只有卧式支撑）
1、隐极式转子结构： 隐极式转子上没有凸出的磁极。沿着转 子本体圆周表面上，开有许多槽，槽中嵌放励磁绕组。在转 子表面约1/3部分没有开槽，构成所谓大齿，是磁极的中心区。 励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也会出现 N 极和 S 极。
转子铁心：由厚度为1～3mm的钢片叠成；磁极两端有磁 极压板，用来压紧磁极冲片和固定磁极绕组。有些发电机磁 极的极靴上开有一些槽，槽内放上铜条，并用端环将所有铜 条连在一起构成阻尼绕组，其作用是用来抑制短路电流和减 弱电机振荡，在电动机中作为起动绕组用。
《电机学》 第六章 同步电机
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10000kw水轮机转子
与传统直流系统的区别：变直流励磁机为交流主磁机，解决了 换向器火花问题。
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四、 旋转整流器励磁： 静止整流器的直流输出必须经电刷和 集电环输送到旋转的励磁绕组，对大容量的同步发电机其励磁 电流达到数千安培，使得集电环严重过热。因此，在大容量的 同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁 系统。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交 流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电 机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副 励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统 取消了集电环和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。
旋转电枢式：电枢旋转，主极固定，因电枢 功率不易由滑动部分送出，只适于较小容量 发电机，实用少。
同步电机
旋转磁极式：磁极旋转，电枢固定，电枢 功率由静止部分送出，可传送较大功率， 实用广，是同步发电机的基本结构型式。
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旋转磁极式
隐极式转子：不计齿槽时气隙均匀；机械强度 高，适用于高转速；一般用于汽轮发电机；外 形细长。
扇形冲片
《电机学》 第六章 同步电机
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《电机学》 第六章 同步电机
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《电机学》 第六章 同步电机
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(2)转子
采用隐极式转子，外形常做成一个细长的圆柱体。 •转子铁心：铬镍钼合金钢锻制而成，与转轴锻为一个整体。 •励磁绕组：励磁绕组为同心式绕组，以特制扁铜线绕制，并 用不导磁的槽楔将绕组紧固在槽内。 •护环、中心环和滑环：护环为一金属圆筒，共两只，用于保 护励磁绕组的两个端部，采用高强度非导磁合金钢制成。中 心环用于支撑护环，阻止励磁绕组的轴向移动。滑环实现励 磁绕组与励磁电源的连接，一方经引线接励磁绕组，另一方 经电刷接励磁电源。
n 60 f p
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f与n之间这种固定关系，是同步电机的一个特征。 若定子三相电枢绕组与三相负载相连，则三相定子绕
组中流通三相电流，产生三相合成旋转电枢磁势，基 波转速n1
60 f n1 p n
即，电枢磁势与转子同转速、同转向——同步。 即，电枢磁势与转子磁势二者同步、相对静止。
《电机学》 第六章 同步电机
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6.1.3 同步电机的冷却方式
大容量的电机发热问题严重，为了使温升不超过允许限 度，就要采用有效的冷却方法。对冷却方法的要求是能 够输送足够的冷却介质到各个发热的部位去，使电机各 部分温度比较均匀，而且不超过允许温升，同时所用的 冷却系统应尽可能结构简单，并且耗能小。
《电机学》 第六章 同步电机
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同步发电机的工作原理：
同步电机的构造图，在定子铁芯上开槽槽内放置导线， 转子上装有磁极及励磁绕组。当励磁绕组通以直流电 流时，电机内就会产生磁场，如果转动转子使磁场与 定子导线之间有相对运动，就会在定子导线中感应出 交流电势。加把这些导线按一定规律联成三相的电枢 绕组，即可以从该绕组中引出三相交流电势。
~
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这个交流电势的频率f决定于电机的极对数p和转子每 分钟的转数n(r/min)。由于每一转对应p对磁极，转 子每秒钟转数为n／60，因此每秒钟有pn/60个对磁极 切割定子导线，使它的感应电势交变pn/60个周期， 换句话说，该电势的频率为： f pn 60
当电机的极对数和转速一定时、它发出交流电势的频 率也是一定的。 我国电力系统规定，交流电的频率为50Hz，例：电机 为一对极，它的转速必定是3000r/min。
6.1 同步电机的基本结构和运行状态 6.2 空载和负载时同步发电机的磁场 6.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路 6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图 6.5 同步发电机的功率方程和转矩方程 6.6 同步电抗的测定 6.7 定子漏抗和电枢等效磁动势的测定 6.8 同步发电机的运行特性 6.9 同步发电机与电网的并联运行
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同步电机的额定值
额定功率因数 cos N 是指同步电机在额定运行时的功率 因数。
额定效率 N 是指额定运行时的效率。
发电机 PN SN cosN 3UN IN cosN
电动机 PN P1NN 3UN IN cosNN
(P1N --额定输入功率）
额定转速 nN 和额定频率 f N 是指同步电机运行时的转速
磁系统。
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二、 直流励磁机励磁
直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励、他励 或永磁励磁方式。采用他励接法时，励磁机的励磁电 流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。
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三、 静止整流器励磁： 同一轴上有三台交流发电机，即主发 电机、交流主励磁机和交流副励磁机。副励磁机的励磁电流开 始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励(有 时采用永磁发电机)。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整 流器整流后供给主励磁机，而主励磁机的交流输出电流经过静 止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。
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3、汽轮发电机
主要结构部件有：定子、转子、端盖和轴承。 (1)定子
定子大体上与异步电机相同，定子铁心由0.35mm,0.5mm 或其它厚度的硅钢片叠成。
定子外径较小时，采用圆形冲片，当定子外径大于1m 时，采用扇形冲片。定子铁心固定在机座上，机座常由 钢板焊接而成，它必须有足够的强度和刚度，同时还必 须满足通风和散热的需要。汽轮发电机的电压较高，要 求定子绕组有足够的绝缘强度，一般采用 B 级或 F 级绝 缘。
2、水轮发电机的特点：极数多，直径大，轴向长度短。
立式
卧式
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灯泡贯流式水轮机是贯流式水轮机的主要类型之一。1919年初，美
国工程师哈尔扎(Harza)首先提出其设计理念。经过瑞士爱舍维斯公 司(Escher Wyss)公司近20年的研究，于1936年研制成功，并开始生
➢ 同步电机的特点与用途 ➢ 同步电机的结构形式 ➢ 同步电机的励磁方式 ➢ 同步电机的冷却方式 ➢ 同步电机的额定值
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同步电机也是一种常用的交流电机。 与感应电机相比较，特点是，稳态运行时，转子的转
速n与极对数p和频率f之间具有固定不变的关系：
n 60 f p
同步转速 从原理上看，同步电机既可用作为发电机，也可用作
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同步电机做电动机：
三相定子绕组与电源接通，产生三相合成基波磁势，
转速为同步速：
n1
60 f p
同时转子直流励磁产生恒定主极磁场；
两个磁场间有相互电磁力作用，使得电枢磁场拖着主 极磁场同步转动，转子转速n=n1。
《电机学》 第六章 同步电机
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§6.1 概述 6.1.1 同步电机的结构型式
同步发电机
同步电动机
同步调相机
额定 容量
额定 功率
发电机出线端的额 定视在功率（VA）
发电机输出的额定 转轴上输出的有 发电机出线端输出 有功功率（电功率） 效机械功率（W） 的无功功率（Var） （W）
额定电压UN 是指同步电机在额定运行时其定子三相的 线电压
额定电流 I N 是指同步电机在额定运行时流过其定子绕 组的线电流
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2.同步电机的运行状态
同步电机的三种运行状态 a)发电机(δ>0)b)补偿机(δ=0)c)电动机(δ<0)
6.1.2 同步电机的励磁方式
一、励磁方式分类
获得励磁电流的方法称为励磁方式。
目前采用的励磁方式分为两大类：
1.用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统； 2.用硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励
（r/min）和定子绕组中电流与电压的工作频率（Hz）。
额定励磁电压 U fN 和额定励磁电流 I fN 是指同步电机额
定运行时加到励磁绕组上的直流电压和电流。
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同步电机的额定值
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同步电机的额定值
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小结
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小结
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(3)端盖和轴承
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图6-3典型汽轮发电机转子结构散件示意图
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定子
汽轮发电机组
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三、凸极同步电机
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1、支撑：卧式、立式支撑。大多数同步电动机、调相机 和内燃机或冲击式水轮机拖动的发电机采用卧式结构。低 速、大型水轮发电机采用立式结构。
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电能输出
超热高压蒸汽
3 000 r/min
燃
升压变
烧
压器
室
发电机
汽轮机
燃 料
锅炉的 炉膛
循环水
电能的产生
热电厂
1 煤传送带 2 加煤机 3 粉碎机 4 锅炉 5 煤渣 6 空气预热器 7 静电除尘 8 烟囱 9 汽轮机 10 冷凝器 11变压器 12 冷却塔 13 发电机 14 输电线
6.1 同步电机的工作原理及结构特点
凸极式转子：气隙不均匀，极弧下较小，极间 较大；机械强度比隐极机低，适用于低转速； 一般用于水轮发电机，外形扁盘形。
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二、隐极同步电机 （只有卧式支撑）
1、隐极式转子结构： 隐极式转子上没有凸出的磁极。沿着转 子本体圆周表面上，开有许多槽，槽中嵌放励磁绕组。在转 子表面约1/3部分没有开槽，构成所谓大齿，是磁极的中心区。 励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也会出现 N 极和 S 极。
转子铁心：由厚度为1～3mm的钢片叠成；磁极两端有磁 极压板，用来压紧磁极冲片和固定磁极绕组。有些发电机磁 极的极靴上开有一些槽，槽内放上铜条，并用端环将所有铜 条连在一起构成阻尼绕组，其作用是用来抑制短路电流和减 弱电机振荡，在电动机中作为起动绕组用。
《电机学》 第六章 同步电机
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10000kw水轮机转子
与传统直流系统的区别：变直流励磁机为交流主磁机，解决了 换向器火花问题。
《电机学》 第六章 同步电机
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四、 旋转整流器励磁： 静止整流器的直流输出必须经电刷和 集电环输送到旋转的励磁绕组，对大容量的同步发电机其励磁 电流达到数千安培，使得集电环严重过热。因此，在大容量的 同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁 系统。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交 流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电 机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副 励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统 取消了集电环和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。