华中科技大学_电机学_第六章_同步电机(完美解析)概要

If∝I，即Ik= f (If)是直线
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三、零功率因数负载特性
负载特性U=f(If) ：在n=nN、I=常数、 =常数的条件下，端
电压U与励磁电流If之间的关系曲线 其中，当 特性 ＝0时U= f (If)
的关系称为零功率因数负载
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Fa＝Fad 纯去磁作用
空载时，
负载 I 增加， Fa´增加， 要保持
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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。
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
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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：
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)
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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
Fa Ba a Ea E Ff 1 B f 1 0 0
E E E a 0
饱和时，磁场不满足线性叠加条件，但是磁动势可以叠加
先由 F Ff 1 Fa 求得合成气隙磁动势，再由 F 求出 或 E 。
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(2) 凸极同步电机－双反应理论 凸极电机气隙不均匀， 处于不同位置，产生 的气隙磁场Ba不同，处于d，q轴上时，分别产生出 如图所示的磁动势：
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五、同步电机的额定值
额定电压UN：电机额定运行时定子的线电压（V或kV） 额定电流IN：电机额定运行时定子的线电流（A）
额定功率因数
：电机额定运行时的功率因数
额定效率ηN：电机额定运行时的效率 额定功率PN：电机额定运行时的输出功率（kW或MW） 对发电机为额定输出有功电功率
PN 3U N I N cos N
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三、隐极同步发电机的负载运行
假设条件：不考虑饱和 转子励磁电流
If
Ff 1
0
E0
不考虑饱和

定子三相电流 I
0 a
Fa

a
Ea jIX a
E jIX
E E0 Ea
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1. 电路图
三相对称
o
If
取一相分析
Xa：电枢反应电抗， Xσ：漏电抗
功角特性
有功功率调节与静态特性 无功功率调节与V形曲线
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一、投入并联的条件和方法
1. 并联条件
发电机端电压与电网电压满足以下条件： (1) (2) (3) (4) (5)
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2. 并联方法
准确同步法－直接接法
接线图 向量图
直接接法：电机各端与电网同相端对应，三灯泡同时亮、
暗，当灯泡亮、暗频率很低并且灯泡变暗的瞬间为合闸的 最佳时机。
Xt：隐极同步电机的同步电抗
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2. 相量图
考虑饱和时，F Ff 1 Fa



求解方法：先求合成磁势（折算到励磁磁势） F Ff 1 Fa ，
E ( E0 Ea )
再利用空载特性（磁化曲线）求 E
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四、凸极同步发电机的负载运行
1.不计饱和
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与隐极同步电机相似，可以得到一相等效电路为：
pFe pad
铁 耗
pCu1 3I Ra
定 子 绕 组 铜 耗
输 出 电 功 率 2
1. 功率平衡方程
附 加 损 耗
P em P 1 ( pmec pFe pad ) P2 Pem pCu1
对于隐极同步发电机：
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2. 转矩平衡方程
空载损耗： p0 则：
pmec pFe pad
随转子旋转 角速度ω 不计磁滞效应
n
磁动势 Ff (基波分量)
用空间矢量 Ff 1表示 与定子某相交链磁通 Ff 1、B f 1 同相位
ω
0
Ff 1
Bf 1
E0

相时 轴轴
直轴 (d 轴)
o
0
选取相轴为时轴
0 可以用时间向量表示为 0
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感应电动势 E0
二、 同步电机的电枢反应
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
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2. 电枢反应的性质
当取任一相绕组轴线作为时间参考轴，设三相对称负载时，
电机学 Electric Machinery
（第6章 同步电机）
6.1 同步电机的工作原理及结构特点
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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一、同步电机的特点与用途
同步电机与异步电机的根本区别：旋转的转子通入直流电流励磁 同步电机的运行特点：是转子的旋转速度必须与定子磁场的旋转 速度严格同步。 同步电机主要用途：发电机。此外还可作为调相机，补偿电网中 的无功功率。 ea
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2. 空载电动势与励磁电流的关系
当转子以恒定转速n旋转时， E0 0
E0 f ( Ff ) 与 0 f ( I f )
曲线相似(成比例)
为磁路的磁化特性
电机磁路的饱和系数
ac dh k ab oa
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3. 相位关系
若转子以恒定速度旋转，取转子与某相相 轴相交时作参考， 励磁电流 If
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B
2. 利用空载特性和短路特性确定Xd的不饱和值
已知U0= f (If) , Ik= f (If) , 短路时，Fδ 很小，因此磁路不饱和，这样可由 气隙线确定E0´。 当Ra≈0时， 因为：
（不饱和值）
在图中，由任意Ifk
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3. 短路比
空载额定电压所对应的励磁电流If0励磁下三相 稳态短路时的短路电流Ik0与额定电流IN之比。
同步电机运行时，必须在励磁绕组中通入直流电 流，建立励磁磁场。将供给励磁电流的整个装置称为 励磁系统。 直流发电机励磁系统 静止式交流整流励磁系统 旋转式交流整流励磁系统
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四、 同步电机的冷却方式
随着单机容量的不断提高，大型同步电机的发 热和冷却问题日趋严重，冷却方式也不断改进。同步 电机的冷却方式主要有以下几种。 空气冷却 氢气冷却 水冷却 超导发电机
汽轮发电机完工后的定子
汽轮发电机转子加工
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凸极同步电机பைடு நூலகம்
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。
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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
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三、 同步电机的励磁方式
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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
2）原理：在If＝0时，E0=0
Ra≈0
电枢磁场轴线与 Iq＝0, Id＝ I 转子直轴重合
n≠n1
电枢磁场轴线与 转子交轴重合 Id＝0, Iq＝ I
不同时刻，Xd > Xq,
Id < Iq
因为此时外加电压U 很小，磁路不饱和， 此法测得的Xd、Xq为不饱和值。
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6.4 同步发电机的并联运行
投入并联的条件和方法 功率和转矩平衡方程
相电流 I 滞后于
矢量如图所示。
相角
。若在t＝0时，转子励磁磁动势正
向轴线（d轴）超前参考相轴线 90o（电角度），则各时－空
根据交流电机绕组理论磁动势原理，电枢三相电流产生的 合成旋转磁动势基波矢量 与 重合。
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(1)ψ=0o时(负载为纯阻性) Fa=Faq,与Ff1正交，为交磁性质
I
(2)ψ=90o时(负载为纯感性) Fa=－Fad,与Ff1反向，为去磁性质

E
磁动势平衡方程式 Fd Ff 1 Fad
电动势平衡方程式
E E
d
Eaq E E E U IRa
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6.3 同步电机的基本运行特性
空载特性 短路特性 零功率因数负载特性 外特性及电压调整率 同步发电机稳态参数的计算与测定方法
Kc是同步发电机一个重要的性能、经济指标
△U大，稳定性差
当Kc小时，ku小，Xd大
气隙小，造价低，经济性好 当气隙增加，Xd减小，Kc增加,电机性能变好，造价增高
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六、 Xd、Xq 的低转差测试法
1）方法：将被测试同步发电机拖动到接近同步转速（转差率小于0.01
），将励磁绕组开路，在定子侧加额定频率的相序与转子转向一致的 三相对称低电压（0.02UN），测量定子电压、电流与励磁绕组电压。
Ra I


E

U
由 得到：
Xd=Xσ+Xad Xq=Xσ+Xaq
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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
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一、同步发电机空载运行
同步发电机空载运行是指同步发 电机被原动机拖动到同步转速， 转子励磁绕组通入直流励磁电流
而定子绕组开路时的运行工况。
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1. 空载感应电动势的大小与频率
励磁电流 磁动势
n速旋转
主磁通Φ0
定子感应电势 eabc n
漏磁通Φfσ
基波电动势：E0=4.44fNkN1Φ0
感应电势
I I
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(3) 0<ψ< 90o时(负载为感性)
Fad，与Ff1反向，去磁性质 Fa Faq，与Ff1正交，交磁性质
I aq

I
I ad


(4) －90o<ψ< 0o时(负载为容性)
Fad，与Ff1同向，助磁性质 Fa
Faq，与Ff1正交，交磁性质
I
I ad


I aq

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3. 分析方法
(1) 隐极同步电机 气隙均匀， 处于任意位置上，产生的气隙磁 场Ba大小相同，故可直接由： 求出 不饱和时，
N
If
S
n
ec
eb
3
二、同步电机的结构形式
同步电机有旋转电枢式和旋转磁极式两种结构。一般多采用 旋转磁极式结构，根据磁极形状可分为隐极和凸极两种型式。
凸极同步电机气隙不均匀，适合于中速或低速旋转场合
隐极同步电机在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，适合于 高速旋转场合
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隐极同步电机结构实物图
大型汽轮发电机定子铁心槽
P 1 p0 P em
两边除以机械角速度Ω
T1 T0 Tem
驱动转矩 空载转矩
电磁转矩
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三、功角特性
忽略定子电阻时，
Pem P2 mUI cos mUI cos( )
mUI q cos mUI d sin
Xd、Xq 的低转差测试法
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一、空载特性
Ia =0，n=nN时， U0＝f (If ) 曲线
和
f (I ) 相似
0 f
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二、短路特性
n = nN，U = 0(三相稳态短路)时,
短路电流Ik与与励磁电流If的关系 Ik= f (If)
Fad∝Fa∝I
Fδ∝Eδ∝I
Ff = Fδ´+Fad´∝ I
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准确同步法－交叉接法
接线图 向量图
交叉接法：一相灯泡同端连接，另外两组交叉连接，三组
灯泡依次亮、暗，当三组灯泡亮度旋转速度很慢且第一组 灯泡变暗的瞬间为合闸的最佳时机。
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二、同步发电机的功率和转矩平衡方程
n
P2
原动机 P1
(电磁功率) P ( 输入功率 ) P em 1
pmec
机 械 损 耗