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
PFe
Pmec 0
P
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上式整理得：Tem
m1
(E0 )I 0
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:
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N
N
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/ /
3) IN Xt
3) cosN
arctanN
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
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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。
同步电动机基本工作原理和结构
定子旋转磁场与转子的速度为 转速。它的大小只决定于电源频率
f
n1
1
60 f1，称为同步 的大p 小和定、转
子的极对数p，不会因负载变化而改变。定子旋转磁场
或转子的旋转方向决定于通入定子绕组的三相电流相
序，改变其相序即可改变同步电动机的旋转方向。
气隙不均匀。隐极式多用于要求
（a）凸极式 （b）隐极式
高转速的场合，其转子细而长， 气隙均匀。
图6.1 同步电动机的结构示意图
同步电机与其他旋转电机一样，由定子和转子两大
部分组成。旋转磁极式同步电机的定子主要由机座、铁 心和定子绕组构成。为减小磁滞和涡流损耗，定子铁心 采用薄硅钢片叠装而成，定子铁心的内表面嵌有在空间 上对称的三相绕组。转子主要由转轴、滑环、铁心和转 子绕组构成。为兼顾导磁性能和机械强度的要求，转子 铁心常采用高强度合金钢锻制而成。转子铁心上装有励 磁绕组，其两个出线端与两个滑环分别相接。为便于启 动，凸极式转子磁极的表面还装有用黄铜制成的导条， 在磁极的两个端面分别用一个铜环将导条连接起来构成 一个不完全的笼形启动绕组。
6.1 同步电动机的基本工作原理和结构
6.1.1 结构
同步电机有旋转磁极式和旋
转电枢式两种结构形式。由于旋
转磁极式具有转子重量小、制造
工艺较简单、通过电刷和滑环的
电流较小等优点，大中容量的同
步电动机多采用旋转磁极式结构。
根据极式和隐极式两种， 如图6.1所示。凸极式多用于要 求低转速的场合，其转子粗而短，
6.1.2 工作原理
同步电动机工作时，定子的三相绕组中通入三相 对称电流，转子的励磁绕组通入直流电流。
在定子三相对称绕组中通入三相交变电流时，将
在气隙中产生旋转磁场。在转子励磁绕组中通入直流 电流时，将产生极性恒定的静止磁场。若转子磁场的 磁极对数与定子磁场的磁极对数相等，转子磁场因受 定子磁场磁拉力作用而随定子旋转磁场同步旋转，即 转子以等同于旋转磁场的速度、方向旋转，这就是同 步电动机的基本工作原理。
第6章同步电机的电力拖动
大连理工大学电气工程系
6.1 三相同步电动机的机械特性
同步电动机的过载能力 当 I1L = IN 时，满载。 当 I1L＞IN 时，过载。 不允许长期过载，允许短时过载。短时过载 时要求 TL＋T0＜TM 。 过载能力（当U1L = UN，If = IfN时）： TM αMT = T = 2 ~ 2.5 N TM 1 ※ 三相隐极同步电动机： = TN sinN
大连理工大学电气工程系
6.3 三相同步电动机的调速
3. 调速性能 n a (1) 调速范围广。 ' n0 f1' (2) 调速方向： b " n0 f1 " f1 → n ， f1 → n 。 O TL T (3) 调速的平滑性好，为无级调速。 (4) 调速的稳定性好，静差率 = 0。 (5) 调速的经济性：初期投资大，运行费用不大。 (6) 调速时的允许负载：f1＜fN 时为恒转矩调速， f1＞fN 时为恒功率调速。
大连理工大学电气工程系
6.3 三相同步电动机的调速
整理后得 pkw1N1 U1 3 TM = Φ0 Ls f1 2 2 结论： U1 ① 在恒定励磁时， 若保持 = 常数， f1 则可以保持调速时过载能力不变。 ② 调节 If 实现过载能力和功率因数的调节。 ③ 当 f1 降得较低时，R1的影响不可忽略， TM 将 随着 f1 的降低而降低。为了保持过载能力不 变，应适当提高 U1 与 f1 的比值。
大连理工大学电气工程系
＜
6.3 三相同步电动机的调速
二、自控式变频调速
采用自控式变频调速的同步电动机称为自控 式同步电动机，又称为无换向器电动机。 (1) 直流自控式同步电动机 (直流无换向器电动机) (2) 交流自控式同步电动机 (交流无换向器电动机)
6.1 三相同步电动机的机械特性
同步电动机的过载能力 当 I1L = IN 时，满载。 当 I1L＞IN 时，过载。 不允许长期过载，允许短时过载。短时过载 时要求 TL＋T0＜TM 。 过载能力（当U1L = UN，If = IfN时）： TM αMT = T = 2 ~ 2.5 N TM 1 ※ 三相隐极同步电动机： = TN sinN
大连理工大学电气工程系
6.3 三相同步电动机的调速
3. 调速性能 n a (1) 调速范围广。 ' n0 f1' (2) 调速方向： b " n0 f1 " f1 → n ， f1 → n 。 O TL T (3) 调速的平滑性好，为无级调速。 (4) 调速的稳定性好，静差率 = 0。 (5) 调速的经济性：初期投资大，运行费用不大。 (6) 调速时的允许负载：f1＜fN 时为恒转矩调速， f1＞fN 时为恒功率调速。
大连理工大学电气工程系
6.3 三相同步电动机的调速
整理后得 pkw1N1 U1 3 TM = Φ0 Ls f1 2 2 结论： U1 ① 在恒定励磁时， 若保持 = 常数， f1 则可以保持调速时过载能力不变。 ② 调节 If 实现过载能力和功率因数的调节。 ③ 当 f1 降得较低时，R1的影响不可忽略， TM 将 随着 f1 的降低而降低。为了保持过载能力不 变，应适当提高 U1 与 f1 的比值。
大连理工大学电气工程系
＜
6.3 三相同步电动机的调速
二、自控式变频调速
采用自控式变频调速的同步电动机称为自控 式同步电动机，又称为无换向器电动机。 (1) 直流自控式同步电动机 (直流无换向器电动机) (2) 交流自控式同步电动机 (交流无换向器电动机)
同步电机原理及应用技术第6章 同步电动机和调相机
同步电动机运行时，从电网吸取的有 功功率的大小基本上由负载制动转矩来决 定。与发电机类似，当励磁电流不变时， 有功功率的改变将引起功率角的改变。由 相量图可知，此时，势必也会引起无功功 率的变化。
6.2.2 同步电动机的Ｖ形曲线
上述分析表明，同步电动机在有功功率恒 定、励磁电流变化时，调节曲线的形状， 使之仍为“Ｖ”字，称为同步电动机的Ｖ 形曲线，如图6.7所示。由于减小励磁电流 时，下降，减小，过载能力降低，对应的 功率角增大。故在欠励区，当励磁电流减 小到一定数值时，电动机将失步，不能稳 定运行。图6.7中的左边虚线表示电动机不 稳定区域的界限。
6.1.2 电动势平衡方程与相量图
以上分析都是以发电机惯例为基础的，因此， 当电机运行于电动机状态时，就有了负值和 的结果，且[见图6.1(c)]。这对于同步电动 机的分析显然很不方便。为此，按常规处理 方法，同步电动机分析时要改用电动机惯例， 这只要将发电机惯例时的电流方向改变即可，
6.2 同步电动机功角特性和功率平衡方程
6.1.1 从发电机状态过渡到电动机状态
设一台隐极同步电机并联运行于无穷 大电网，处于发电机状态，其相量图如图 6.1(a)所示。此时超前，功率角和相应的电 磁功率都是正值，也为正值，即转子主极 轴线沿转向超前于气隙合成磁场轴线，因 而作用于转子上的电磁转矩为制动性质。 原动机输入驱动性质的机械转矩克服起制 动作用的电磁转矩，将机械能转变为电能。
6.4.1 调相机的原理和用途
同步调相机实为不带机械负载的同步 电动机，它利用同步电动机改变励磁可以 调节功率因数的原理并联运行于电网上。 因为同步调相机吸收的有功功率仅供给电 机本身的损耗，因此它总是在接近于零电 磁功率和零功率因数的情况下运行。
6.4.2 调相机的特点
6.2.2 同步电动机的Ｖ形曲线
上述分析表明，同步电动机在有功功率恒 定、励磁电流变化时，调节曲线的形状， 使之仍为“Ｖ”字，称为同步电动机的Ｖ 形曲线，如图6.7所示。由于减小励磁电流 时，下降，减小，过载能力降低，对应的 功率角增大。故在欠励区，当励磁电流减 小到一定数值时，电动机将失步，不能稳 定运行。图6.7中的左边虚线表示电动机不 稳定区域的界限。
6.1.2 电动势平衡方程与相量图
以上分析都是以发电机惯例为基础的，因此， 当电机运行于电动机状态时，就有了负值和 的结果，且[见图6.1(c)]。这对于同步电动 机的分析显然很不方便。为此，按常规处理 方法，同步电动机分析时要改用电动机惯例， 这只要将发电机惯例时的电流方向改变即可，
6.2 同步电动机功角特性和功率平衡方程
6.1.1 从发电机状态过渡到电动机状态
设一台隐极同步电机并联运行于无穷 大电网，处于发电机状态，其相量图如图 6.1(a)所示。此时超前，功率角和相应的电 磁功率都是正值，也为正值，即转子主极 轴线沿转向超前于气隙合成磁场轴线，因 而作用于转子上的电磁转矩为制动性质。 原动机输入驱动性质的机械转矩克服起制 动作用的电磁转矩，将机械能转变为电能。
6.4.1 调相机的原理和用途
同步调相机实为不带机械负载的同步 电动机，它利用同步电动机改变励磁可以 调节功率因数的原理并联运行于电网上。 因为同步调相机吸收的有功功率仅供给电 机本身的损耗，因此它总是在接近于零电 磁功率和零功率因数的情况下运行。
6.4.2 调相机的特点
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：
华中科技大学_电机学_第六章_同步电机(完美解析)
对电动机是轴上输出的额定机械功率
PN 3U N I N cos N N
额定转速nN：电机额定运行时的转速
额定频率f (Hz) 额定励磁电流IfN(A) 额定励磁电压UfN(V)
10
6.2 同步电机的运行原理
同步发电机空载运行 同步电机的电枢反应 隐极同步发电机的负载运行
凸极同步发电机的负载运行
Ra I
E
U
由 得到：
Xd=Xσ+Xad Xq=Xσ+Xaq
27
四、凸极同步发电机的负载运行
2. 考虑饱和
计及饱和后，叠加原理不能应用，气隙合成磁场由合成磁动 势来决定，即交、直轴各自的合成磁动势及感应电动势可分别根 据实际饱和情况由空载特性求取。 ' E If Fd Ff d d ' F I d ad E I ' F E I q aq aq aq
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：
1. 定义
If Ff 随转子旋转 转速为 n
基波
E0（
）
接三相对称负载
三相对称电流 iabc(f)
旋转磁势基波 (电枢磁势)
与
在空间相对静止，联合建立气隙磁场 Bδ 电枢绕组感应电动势 E δ
Фδ
电枢反应：电枢电流产生的磁动势对励磁磁场的影响
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
电机学课件第6章 同步电机
，整体或低碳钢片迭成。
直流励磁绕组
:
同心式绕组或集中绕组
。
电刷和集电环
同步电机又分为隐极式和凸极式两种。
N
+
S
N
SS
+
N
隐极式
转子圆柱形，气隙均匀，转子机 械强度高，励磁绕组固定容易。
适合于高速发电机
凸极式
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
汽轮发电机 由汽轮机驱动的同步发电机
• 极对数多
•采用凸极结构
• 转子粗而短
D2 5 ~ 7 L2
• 励磁绕组为集中绕组
• 立式结构
• 阻尼绕组
阻尼绕组的结构与笼型感应电机的转子的笼型绕组相似。
阻尼绕组的作用作用 同步发电机中：抑制转子机械振荡 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。
二、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
• 额定电压UN 单位为kV • 额定电流IN 单位为A, kA
• 额定频率 f N 单位为Hz • 额定功率因数 cos N
• 额定转速n N 单位为r/min • 额定温升θN • 额定励磁电流和电压 IfN 、UfN
6.2 同步发电机的空载磁场和电枢反应
一、空载运行
ns If I=0
1.空载磁场——主磁场
第六章 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。
n ns
60 f p
(r/ min)
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 同步电动机和调相机
6.1 概述
图6-7 静止整流器励磁
与传统直流系统的区别： 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。 主磁机，解决了换向器火花问题。
图6-7
静止整流器励磁
四、 旋转整流器励磁
旋转整流器励磁系统
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， 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， 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 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。 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， 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， 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。 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。 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 无刷励磁系统。 环和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。
PN = 3U N I N cos ϕ N
PN = 3U N I N cos ϕ Nη N
6.1.3 同步电机的冷却方式
一、冷却方式主要有以下几种： 冷却方式主要有以下几种： 主要有以下几种 空气冷却 氢外冷却 水冷却 超导发电机
≤50MW
二、国产同步电机型号
我国生产的汽轮发电机有QFQ、QFN、QFS 我国生产的汽轮发电机有 、 、 等系列， 前两个字母表示汽轮发电机； 等系列， 前两个字母表示汽轮发电机；第三个字 表示氢外冷， 表示氢内冷 表示氢内冷， 母表示冷却方式， 表示氢外冷 母表示冷却方式，Q表示氢外冷，N表示氢内冷， S表示双水内冷。 表示双水内冷。 表示双水内冷 大型水轮发电机为TS系列，T表示同步，S表 表示同步， 表 大型水轮发电机为 系列， 表示同步 系列 示水轮。 示水轮。 同步电动机系列有TD、 同步电动机系列有 、TDL等，TD表示同 等 表示同 步电动机，后面的字母指出其主要用途。如TDG 步电动机，后面的字母指出其主要用途。 表示高速同步电动机； 表示立式同步电动机。 表示高速同步电动机；TDL表示立式同步电动机。 表示立式同步电动机 同步补偿机为TT系列 系列。 同步补偿机为 系列。
与传统直流系统的区别： 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。 主磁机，解决了换向器火花问题。
图6-7
静止整流器励磁
四、 旋转整流器励磁
旋转整流器励磁系统
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， 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， 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 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。 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， 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， 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。 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。 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 无刷励磁系统。 环和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。
PN = 3U N I N cos ϕ N
PN = 3U N I N cos ϕ Nη N
6.1.3 同步电机的冷却方式
一、冷却方式主要有以下几种： 冷却方式主要有以下几种： 主要有以下几种 空气冷却 氢外冷却 水冷却 超导发电机
≤50MW
二、国产同步电机型号
我国生产的汽轮发电机有QFQ、QFN、QFS 我国生产的汽轮发电机有 、 、 等系列， 前两个字母表示汽轮发电机； 等系列， 前两个字母表示汽轮发电机；第三个字 表示氢外冷， 表示氢内冷 表示氢内冷， 母表示冷却方式， 表示氢外冷 母表示冷却方式，Q表示氢外冷，N表示氢内冷， S表示双水内冷。 表示双水内冷。 表示双水内冷 大型水轮发电机为TS系列，T表示同步，S表 表示同步， 表 大型水轮发电机为 系列， 表示同步 系列 示水轮。 示水轮。 同步电动机系列有TD、 同步电动机系列有 、TDL等，TD表示同 等 表示同 步电动机，后面的字母指出其主要用途。如TDG 步电动机，后面的字母指出其主要用途。 表示高速同步电动机； 表示立式同步电动机。 表示高速同步电动机；TDL表示立式同步电动机。 表示立式同步电动机 同步补偿机为TT系列 系列。 同步补偿机为 系列。
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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
11
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
15
《电机学》 第六章 同步电机
16
《电机学》 第六章 同步电机
17
(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
29
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
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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。
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
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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。
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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
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。