同步发电机的稳态运行原理和运行特性
同步发电机基本工作原理及运行特性
同步发电机基本工作原理及运行特性一、基本工作原理及结构同步发电机是利用电磁感应原理，将机械能转变为电能的装置。
所谓电磁感应就是导体切割磁力线的能产生感应电势，将导体连接成闭合回路，就有电流通过的现象。
导体镶嵌在铁芯的槽里，铁芯是固定不动的称为定于（静子）。
磁极是转动的，称为转子。
它是由励磁绕组和铁芯组成的。
励磁绕组通过滑环与外部励磁回路相连，定子和转子是发电机的基本组成部分。
那么，三相交流电是如何产生的呢？直流电通入转子绕组后，就产生了稳恒的磁场，沿定于铁芯内圆，每相隔120度，分别安放三相绕组A－X、B－Y、C－Z。
当转子被汽轮机拖动以3000r/min旋转时，定子绕组便切割磁力线，产生感应电势，感应电势的方向可由右手定则来确定。
由于转子产生的磁场是旋转磁场，所以定子绕组切割磁力线的方向不断变化，在其中感应的电势方向就不断变化，因而形成交变电势即交流电势。
交流电势的额定频率为f，它决定于发电机的极对数P和转速n，其计算公式为:f=np/60HZ，我国规定交流电的频率为50HZ。
即：p=1，n=3000r/min交流电势的相位关系：转子以3000r/min的转速不停地旋转A、B、C三相绕组先后切割转子磁场的磁力线，所以三相绕组中电势的相位是不同的，因为定子绕组在安放时，空间角度相差120°相序为A－B－C。
何为同步呢？当发电机并列带负荷后，三相绕组中的定子电流（电枢电流）将合成一个旋转磁场，交流磁场与转子同速度，同方向旋转，这就是同步。
二、同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性，一般是指发电机的空载特性、短路特性、负载特性、外特性和调整特性等五种。
其中，外特性和调整特性是主要的运行特性，根据这些特性，运行人员可以判断发电机的运行状态是否正常，以便及时调整，保证高质量安全发电。
而空载特性、短路特性、负载特性则是检验发电机基本性能的特性，用于测量，计算发电机的各项基本参数。
1、外特性所谓外特性，就是励磁电流、转速、功率因数为常数的条件下，负荷变化时发电机端电压U的变化曲线。
电机学 第14章 同步发电机的运行特性
E 0 jIk X d
Id Ik, Iq 0
E0jIdXdjIqXq jIk X d
F ad F
Ik
直轴同步电抗
F f1
Xd (不饱和值)
E0 Ik
X d (不饱和值）
E0 Ik
第11页，共40页。
例14-1 有一台三相水轮发电机，星形联结，SN=7500kVA，UN=10.5kV，cosN (滞后) ，空载、短路试验数据如下： （1）空载特性（E0为线电动势）
100
150
200
250
E0 / V 3460
6300
7250
7870
8370
Ik /A
180
360
540
720
900
解：当励磁电流if =250A时，由气隙线可查得空载线电动势为
E0
if i f
E 0
25034608398(V) 103
由短路特性可查得，当if =250A时，短路电流为
Xd 的不饱和值为
电机学 第14章 同步发电机的运 行特性
第1页，共40页。
第十四章 同步发电机的运行特性
基本要求： 同步发电机的空载特性、短路特性、零功率因数负载特性的定义及各特性曲线的特点 空载特性、短路特性测量同步电抗的方法 空载特性、零功率因数负载特性测量定子漏电抗的方法
同步发电机的外特性和调整特性
第2页，共40页。
Ff
Ff
原因：零功率因数负载时，主极漏磁通较大，磁极饱和程度较空载时高，主磁路的磁阻变大，因此同样的气隙合成磁动势 产生的气隙磁通和气隙电动势时较空载时略有减小。
第24页，共40页。
14-3 同步发电机的外特性和调整特性
同步发电机的运行原理及运行特性
性E质0 主与要I取决间于的相E0位与差I
( 称为内功率因数角)。电枢反应的 之间的相位差 ，亦即主要取决于负载
的性质。下面就 角的几种情况，分别讨论电枢反应的性质。
第8章 同步发电机的运行原理及运行特性
1. I E0
(ψ＝0°)时的电枢反应
当ψ=0°时，见图8-3，其中图(a)是一台同步发电机原理图。
状态，此时铁芯部分所消耗的磁压降与气隙所需磁压降相比较，
可略去不计，因此可认为绝大部分磁动势消耗于气隙中，由于
Φ∝Ff，因此空载曲线(磁化曲线)下部是一条直线。把它延长后所 得直线 OG(图8-2曲线2)称为气隙线。随着Φ0的增大，铁芯逐 渐饱和，它所消耗的磁压降不可忽略，此时空载曲线就逐渐变弯
曲。
起增磁作用。对于气隙磁场交轴电枢反应将使合成磁场的轴线位
置从空载时的直轴处逆转向后移了一个锐角δ，且幅值也有所增加，
但因磁路的饱和现象，交轴电枢反应有去磁作用。
第8章 同步发电机的运行原理及运行特性
图8-3 ψ=0°时的电枢反应
第8章 同步发电机的运行原理及运行特性
2. I
E0 90°(ψ=90°)时的电枢反应
的体温调节中枢调节神经和体液的作用，使产热和 散热保持动态平衡。
第8章 同步发电机的运行原理及运行特性
一、体表温度与深部温度
1.深部温度
2.体表温度
第8二章、同测步温发方电机法的运行原理及运行特性
1、玻璃体温计：最常见的体温计 2、电子体温计 3、耳温体温计 4、多功能红外体温计
第8三章、同测步温发部电机位的运行原理及运行特性
物理降温作为治疗措施
第8章 同步发电机的运行原理及运行特性
作业 1、发热的类型有哪几种 ? 2、发热常用的处置方法有哪些 ?
同步发电机的稳态运行特性及
同步发电机在稳态运行时存在功率极限和稳定极限，这些极限决定了发电机的运 行范围和稳定性。
详细描述
功率极限包括额定功率和最大允许功率，分别表示发电机在正常工作条件下的输 出能力和承受的最大功率。稳定极限则表示发电机在受到扰动后恢复稳态运行的 能力。
同步发电机的运行状态与调整范围
总结词
同步发电机的运行状态可分为正常运行状态、异常运行状态 和停机状态，每种状态都有相应的调整范围。
详细描述
正常运行状态下，发电机根据负载需求在一定范围内调整输 出功率和电压。异常运行状态下，发电机可能需要采取措施 来恢复稳定或避免损坏。停机状态下，发电机停止运行并进 行维护检查。
03
CHAPTER
同步发电机的稳态运行分析
同步发电机的有功功率与无功功率调节
有功功率调节
有功功率的调节主要通过原动机输入 功率的改变来实现，包括对汽轮机或 水轮机的控制。调节有功功率可以稳 定电网频率，满足系统负荷需求。
大型火力发电厂通常配备多台同步发电机组，以满足高峰用电需求和备用容量的需 求。
水力发电站中的应用
水力发电站利用水流驱动水轮机 带动同步发电机旋转，产生电能。
同步发电机在水力发电站中起到 将水能转化为电能的作用，同时
保持电力系统的稳定运行。
水力发电站通常在河流、水库等 水资源丰富的地区建设，以满足
当地及周边地区的用电需求。
当发电机向系统提供有功功率并吸收一定的无功功率时，称为滞相运行。滞相运行会导致发电机端电压下降，需 通过增加励磁电流来维持电压稳定。
同步发电机的调压与调频
调压
同步发电机的调压方式主要有两种，一是通过调节励磁电流改变机端电压；二是通过调 节原动机的输入功率改变频率，进而影响机端电压。调压的主要目的是维持发电机端电
电机与拖动 三相同步发电机的稳态分析、三相同步发电机的功率和转矩
电机与拖动 三相同步发电机的稳态分析、三相同步发电机的功率和转矩、三相同步发电机的运行特性主 题：同步电机的辅导文章——三相同步发电机的稳态分析、三相同步发电机的功率和转矩、三相同步发电机的运行特性、同步发电机与电网的并联运行、三相同步电动机与同步补偿机学习时间：2016年11月28日--12月4日内 容：我们这周主要还是学习课件第5章同步电机的相关内容。
希望通过下面的内容能使同学们加深对同步电机相关知识的理解。
学习时，请同学根据老师标注的侧重点选择性学习。
其中三相同步电机的功率、转矩与运行特性、同步电机的并网运行与功率调节需要重点掌握。
一、三相同步发电机的稳态分析（掌握相关定义即可）同步电机的分析方法因转子结构的不同而不同，但是，可以将隐极同步电机看成是凸极同步电机的特例。
凸极同步电机采用“双反应理论”分析，在分析中一般也不考虑磁路饱和的影响。
通过分析同步发电机的电磁关系，并用各种电抗表征磁场对电路的影响后，可以列写出同步发电机的电路方程，进而得到等效电路和相量图。
同步电抗是同步电机的重要参数，其大小直接影响到同步电机的性能。
隐极同步电机的同步电抗为s a X X X σ=+，即同步电抗由两部分组成：一部分是与电枢反应磁通a Φ相对应的电枢反应电抗a X ，另一部分是与电枢漏磁通相对应的漏电抗X σ。
电枢旋转磁场在电枢绕组中感应产生的相电动势称为电枢反应电动势a E ，显示a E 正比于a Φ，忽略磁路饱和影响时，a Φ正比于电枢磁动势a F 和电枢电流1I ,因此，a E 正比于1I ，即1a a E jX I =-。
凸极同步电机的同步电抗分为直轴同步电抗d X 和交轴同步电抗q X ，其中d ad X X X σ=+，q aq X X X σ=+，式中ad X 和aq X 分别为直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗。
隐极同步发电机的电压方程为:1011()s U E R jX I =-+凸极同步发电机的电压方程为：1011d d q q U E R I jX I jX I =---或用虚拟电动势表示：111()Q q U E R jX I =-+0()Q d q d E E j X X I =--根据同步发电机的相量图，可得如下关系：1101111sin tan ,cos cos q d d U X I E U X I U R I ϕψθϕ+==++二、三相同步电机的功率、转矩与运行特性（需要学生重点掌握的内容） 三相同步发电机的功率平衡方程式为：1210210fw ad Fe Cu Cu e P P P P P P P P P P P P P =++++=++=+图1 三相同步电机的功率流程图三相同步发电机的转矩平衡方程为:10e T T T =+ 隐极同步发电机 凸极同步发电机电磁功率 013cos e P E I ψ= 13cos 3e Q Q q P E I E I ψ==功角特性 013sin e s E U P X θ= 2011113sin 3()sin 22e d q dE U U P X X X θθ=+- 矩角特性 0113sin e s E U T X θ=Ω 201111113sin 3()sin 22e d q dE U U T X X X θθ=+-ΩΩ凸极同步发电机的功角特性比隐极同步发电机多一个因凸极效应（q d X X ≠）而产生的磁阻分量（附加分量）。
同步发电机的运行原理
Xa（隐）>Xad（凸）>Xaq（凸）
二、凸极同步发电机
3、相量图 以发电机端电压为参考相量，作带阻感负载
的相量图如下：
E0 U cos( ) Id xd U cos Ixd sin
tan Ixq U sin U cos
二、凸极同步发电机
一、隐极同步发电机
由于电枢绕组的电阻ra很小，可以忽略不计， 则隐极同步发电机的电动势平衡方程式可写 成：
一、隐极同步发电机
3、等效电路和相量图
根据隐极同步发电机的电动势平衡方程式 （忽略电枢电阻）可做出如下隐极同步发电 机的等效电路图： Xt
•
I
•
U
一、隐极同步发电机
以发电机端电压为参考相量，作带阻感负载 的相量图如下：
三、电枢反应
3、ψ=-90° 时的电枢反应
F
d轴 B0 ( 0 )
1
Ff
Fa ( Fad )
I
时空矢量图 E0
三、电枢反应
3、ψ=-90° 时的电枢反应
• 直轴增磁电枢反应。 • 电磁力f1在转子上不产生的电磁转矩。 • 合成磁动势Fδ增大，使发电机的端电压上升。 • 要想保持发电机的端电压不变，需减小发电
负载运行时，同步电机内的主磁场由 励磁磁动势和电枢磁动势共同建立。
三、电枢反应
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。
三、电枢反应
两种磁动势性质比较：
励磁磁 动势
基波 波形
大小
正弦波
恒定，由励 磁电流决定
同步发电机的运行原理概要
二、凸极同步发电机
图6.11 凸极同步电机的磁路 (a)直轴；(b)交轴
二、凸极同步发电机
二、凸极同步发电机
现在只讨论磁路不饱和情况。
同步发电机内的电磁关系如下：
If
Ff
0
E0
I
Id Iq
Fad
Faq
ad
aq
E ad
E aq
U Ira
E
二、凸极同步发电机
三、电枢反应
1、ψ=0° 时的电枢反应
F
Fa ( Faq )
1 d轴
E0
I
Ff
B0 (0 )
时空矢量图
三、电枢反应
1、ψ=0° 时的电枢反应 电枢磁势Fa滞 后励磁磁势Ff 90°，合成磁 势Fδ的大小略 有增加，分布 滞后励磁磁势 Ff一个锐角， 此时电枢反应 性质为交轴电 枢反应。
三、电枢反应
一、空载运行时的主磁通
从图可见，主极 磁通分成主磁通 Φ 0和漏磁通Φ fσ两 部分，前者通过 气隙并与定子绕 组相交链，后者 不通过气隙，仅 与励磁绕组相交 链。
0
f
一、空载运行时的主磁通
空载时： I=0 ，If≠0 , n=nN
空载时发电机内部电磁关系
0 E0 4.44 fNkN 10 I f Ff I f N f f 只增加磁极部分
同步发电机在对称负载下稳定运行时，维 持转速(频率)和功率因数为常数的条件下， 发电机的端电压U、负载电流I、励磁电 流If是3个主要的运行参数，它们都可以 在运行中被测量。 它们之间互有联系，当保持其中一个量为 常数，另外两个量之间的函数关系称为运 行特性。
同步电机工作原理
同步电机工作原理同步电机和感应电机一样是一种常用的交流电机。
同步电机分为同步发电机和同步电动机。
现代发电厂中的交流机以同步电机为主。
同步电机的特点是稳态运行时，转子的转速和电网频率之间有不变的关系n=ns=60f/p，ns成为同步转速。
若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。
同步电机的基本结构同步电机在结构上是定子铁心上嵌放三相对称绕组，转子铁心上装置直流励磁绕组。
主磁场的建立励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。
载流导体三相对称的电枢绕组充当功率绕组，减速箱成为感应电势或者感应电流的载体。
切割运动原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组。
交变电势的产生由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。
通过引出线，即可提供交流电源。
同步电机的工作原理如下：1、主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。
2、载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。
3、切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组。
4、交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。
通过引出线，即可提供交流电源。
5、交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。
同步电动机工作原理图解同步电动机的结构与同步发电机相同，其转子一般都采用凸极式结构。
使用时，同步电动机的定子绕组中要通入三相交流电流，同时转子励磁绕组中通入直流电励磁。
如图所示是同步电动机的工作原理示意图。
定子三相绕组（也称电枢绕组）接至三相交流电源后，便有三相对称电流流过，并产生电枢旋转磁场。
同步发电机的参数测定和运行特性课件
同步发电机的参数测定和运行特性
在纯感性负载时
E0 UIxs
•磁路饱和决定于空气隙中的 合成磁场，忽略漏阻抗压降， 则决定于端电压。
•不同的端电压时，xs不同 •当磁路不饱和时，同步电抗 电压为c’a’，比ca大。不饱 和同步电抗的数值比饱和同步 电抗的数值大。
xs
xs UN
IN xs UN
ca ab
同步发电机的参数测定和运行特性课件
电机学
同步发电机的参数测定和运行特性
同步发电机的空载特性
ab
•当励磁电流较小时，由于磁通较 小，电机磁路没有饱和，空载特性 呈直线（将其延长后的射线称为 （气隙线）磁势主要消耗在气隙上
•随着励磁电流的增大，磁路逐渐 饱和，磁化曲线开始进入饱和段。 （向下弯曲）
•铁磁饱和后，需磁势迅速增大， 横向距离bc为铁磁部分的磁压
•
0
短路特性
IO INΒιβλιοθήκη •jI Xs•
••
•
E U I Ra j I X
•
•
I Ra j I X
•
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•
•
E j I X
•
E0
O
•
I
90
•
jI Xs
纯去磁
Fa
短路特性不饱和
If Ifk
同步发电机的参数测定和运行特性课件
电机学
凸极同步发电机 的短路特性分析
同步发电机的参数测定和运行特性
IN
同步发电机的参数测定和运行特性课件
同步发电机的参数测定和运行特性
电机学
转差率试验，测定xd、xq
同步电机由原动机带动，转速接近于同步转速，转子激 磁绕组开路（不加激磁），在定子端子上外施—对称三 相电压。为了避免转子被牵入同步，外施电压约为额定 电压的1/4左右，且使其相序能保证电枢旋转磁场的转 向与转子的转向—致。
电机学同步电机部分知识点总结
二、 对称负载时的电枢反应
1. 同步电机空载时，气隙磁场就是由励磁磁动势所产生的同步旋转的主磁场， 在定子绕组中只感应有空载电动势，因为定子电流为 0，所以端电压就等于 空载电动势。带上对称负载以后，定子绕组流过负载电流时，电枢绕组就会 产生电枢磁动势以及相应的电枢磁场，若仅考虑其基波，则它与转子同向、 同速旋转，它的存在使空气隙磁动势分布发生变化，从而使空气隙磁场以及 绕组中的感应电动势发生变化，这种现象称为电枢反应。
因此，与之对应有直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗，再把电枢反应电 抗与漏抗相加，可得直轴同步电抗和交轴同步电抗。
四、同步发电机的参数及测定 1.不饱和同步电抗和饱和同步电抗：不饱和同步电抗的数值要比饱和同步电抗的 数值大得多。（因为饱和时，磁阻大，电抗就小）（有一规律：气隙大，磁阻就大， 电抗就小） 2.漏抗的测定和保梯电抗（电抗三角形） （1）负载特性：当电枢电流及功率因数均为常数时，端电压与励磁电流之间的 关系曲线 U=f(If)称为负载特性。
同步电机的基本原理和运行特性
一、 同步电机（电机转子的转速和旋转磁场转速相同）的结构
转子上装有磁极和励磁绕组。当励磁绕组通以直流电流后，电机内就产生转 子磁场。同步电机的磁极通常装在转子上，而电枢绕组放在定子上，通常称为旋 转磁极式电机。
旋转磁极式同步电机的转子有隐极和凸极两种结构，隐极电机的气隙均匀， 凸极电机的气隙不均匀（极弧下较小，而极间较大）。
6. 由内功率因数角判断同步电机的运行方式。
三、 隐极+凸极同步发电机的分析方法
1.电枢反应电抗的物理意义：电枢反应磁场在定子每相绕组中所感应的电枢反应 电动势 ，可以把它看作相电流所产生的一个电抗电压降，这个电抗便是电枢 反应电抗 。 2.同步电抗： = + ,包含两部分，一部分对应于定子绕组的漏磁通，另 一部分对应于定子电流所产生的电枢反应磁通。在实用上，我们通常不把它们分 开，而是把 + 当作一个同步电抗来处理。
同步发电机原理
同步发电机原理一、引言同步发电机是电力系统中最常用的发电机类型之一，其原理基于旋转磁场和感应电动势。
本文将详细介绍同步发电机的工作原理。
二、同步发电机的结构同步发电机由转子和定子两部分组成。
转子通常采用永磁体或者电枢绕组，定子则是由三相绕组和铁芯构成。
三、旋转磁场的产生当三相交流电源加在定子上时，会在定子中产生一个旋转磁场。
这个旋转磁场的频率与供电频率相同，通常为50Hz或60Hz。
四、感应电动势的产生当旋转磁场与转子中的永磁体或者电枢绕组相互作用时，会在转子中产生感应电动势。
这个感应电动势会驱动转子旋转，并将机械能转化为电能输出。
五、同步速度同步速度是指当旋转磁场与永磁体或者电枢绕组完全匹配时，所需要达到的旋转速度。
同步速度可以通过下面公式计算：n = f / p其中n表示同步速度（单位：r/min），f表示供电频率（单位：Hz），p表示极对数。
六、同步发电机的稳态运行当同步发电机达到同步速度后，会产生一个与供电频率相同的感应电动势。
这个感应电动势会与供电端子上的电压相平衡，使得发电机可以稳态运行。
七、励磁系统为了保持同步发电机的稳态运行，需要在转子中加入励磁系统。
励磁系统通常由直流发生器和整流器组成，它们可以为转子提供所需的磁场。
八、调节系统当负载变化时，需要通过调节系统来控制同步发电机的输出功率。
调节系统通常由自动调压器和自动调频器组成，它们可以自动调整输出功率和频率。
九、总结同步发电机是一种基于旋转磁场和感应电动势原理工作的发电机。
其结构包括转子和定子两部分，通过旋转磁场产生感应电动势来驱动转子旋转并输出电能。
为了保持稳态运行，需要加入励磁系统和调节系统来控制输出功率和频率。
第十二章+同步电机的基本理论和运行特性
定子
转子
转子磁极铁芯
B C
定子铁芯 定子绕组 电刷 S N
C B
转子励磁绕组
集电环 （滑环）
A
N
S
+
A
气隙
09级学习部资料
09级学习部资料
Back
1、定子
（同一般的交流电机相似；尺寸大，常采用拼装）
组成：铁芯、绕组、机座及其他部件 0.35～0.5mm硅钢片，叠压
定子铁心
由扇型片拼成，省材，便于运输
4 空间矢量相对于转子而言是静止的，由于转子以同 步速旋转，所以空间矢量相对于气隙而言就是以同 步速旋转的。
09级学习部资料
四、空载电动势相量
气隙磁场由转子磁极建立
磁通：主磁通和漏磁通 主磁路：气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身、转子轭
E0 A E00 E0 B E0 120 E0C E0120
同轴连接 电压输出
交流主励磁机100Hz
旋转电枢绕组
主发电机
自动电压调节器
交流副励磁机500Hz
09级学习部资料
图12-12 旋转整流励磁系统
§12.3 同步电机的空载运行
空载的定义 If=IfN，n=nN 定子绕组开路的状态 空载电动势E0
沿气 隙 分布
空载电动势E0随时间变
化规律与转子磁场沿空 间分布规律相同。
60 f n n1 p
当f=50Hz时，p=1、2、3、4、5… 则： n=n1=3000、1500、1000、750、600…
2、主要用途 ①主要作发电机 ②电动机（无需调速、低速大功率机械、改善功率因数） ③补偿机（空转的同步电动机，向电网输送无功功率）
一、同步电机的基本工作原理
同步发电机运行特性
图6—30 表示带有不同功率因数的负载时，同 步发电机的外特性。
调整特性 —— 调整特性表示发电机的转速为同 步转速、端电压为额定电压、负载的功率因数不变 时，励磁电流与电枢电流之间的关系；即 n ＝ nS ， U =UNΦ，cosφ=常值时，If=f(I)。 图6—31表示带有不同功率因数的负载时，同步 发电机的调整特性 效率特性 —— 效率特性是指转速为同步转速、 端电压为额定电压、功率因数为额定功率因数时， 发电机的效率与输出功率的关系；即 n＝nS，U =UNΦ， cosφ= cosφN时，η=f(P2)。
课前复习
1.同步发电机的空载特性：图6-28 2.同步发电机的短路特性：图6-29
6.7 同步发电机的运行特性
一、同步发电机的运行特性
同步发电机的稳态运行特性包括外特性、调整 特性和效率特性。 外特性——外特性表示发电机的转速为同步转 速，且励磁电流和负载功率因数不变时，发电机的 端电压与电枢电流之间的关系：即n＝nS，If=常值， cosφ=常值时，U=f(I)。
返
IN I
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图6—31同步发电机的调整特性
U
UN
O
I
返回
同步电机的空载特性
E0 , 0
空载特性
气隙线
U N
UN
o
If0
I f ,F
返回
短路特性
I
短路特性
IN
O
I fk
If
返回
第十二章 同步电机的基本理论和运行特性
义？
• 空间矢量和时间相量的物理意义有何区别？同步电机中哪 些量是空间矢量，哪些量是时间相量？ • 何谓时空矢量图？同步发电机空载时的时空矢量图？ • 电压波形正弦畸变率的定义是什么？
§12.4 对称负载时的电枢反应
电枢反应的概念 电机带负载后，电枢电流产生的磁场将使空载气隙磁 场的分布发生变化，从而使绕组中的感应电动势发生 变化，这种现象称为电枢反应。 三个特殊角
第四篇同步电机福州大学电气工程与自动化学院电机学教研组电机学多媒体课件系列20068第十二章同步电机的基本理论和运行特性第十二章同步电机的基本理论和运行特性121同步电机的结构122同步电机的励磁系统123同步电机的空载运行124对称负载时的电枢反应125隐极同步发电机的分析方法126凸极同步发电机的分析方法127电枢绕组的漏抗128同步发电机的空载短路和负载特性129同步发电机的参数及测定1210同步发电机的稳态运行特性121同步电机的结构1基本特点根据电磁感应原理工作的交流旋转电机转子转速固定为同步转速2主要用途主要作发电机电动机无需调速低速大功率机械改善功率因数补偿机空转的同步电动机向电网输送无功功率一同步电机的基本工作原理a同步发电机原动机拖动转子转子磁场切割定子绕组感应三相交流电势转子加直流励磁定子铁芯电枢绕组交流转子铁芯励磁绕组直流相电势大小
0
E0
思考：相量 图和矢量图 的区别？
时空矢量图的定义：将具有相同角速度的空间矢量和 时间相量画在同一坐标即为时空矢量图。
同步电机空载时的时空矢量图
时间相量和空间矢量都以相绕组轴线作为参考轴。
A相轴/时轴/交轴
Z
B
ω1=2πf
E0
A
N
S
直轴
X
Ff
φ0
2 同步电机
US
E0
UG
US
G S
Ic
X (a)
(b)
图11-2
电压不相等时的并联合闸
二、不满足并联投入条件的后果(2)
２、电压相等，相序一致，但发电机频率和电网频率不相等。
US UG U S
UG U Ic
U
US
G S U G
与 同相 1. E0 I
(1)定子绕组内的电动势,电流和磁动势的空间矢量图
Ff
A
Z
B0
Y
A相轴线
ns
ns
B
N
S
C
X
Fa
(2)时间矢量图
E 0C 0A
IC
1
0 0 时间参考轴 IA
0C
E 0A
IB
0B
E 0B
(3)时-空统一矢量图
Ff
B0 ( 0 )
降，只是大容量系统中，电压和频率的变动很小而已。
三、研究并联运行时所用的规定正方向
A
发 电 机 一 相 绕 组
IG
E0
IS UG U S 电网
X
图11-1
研究并联运行的正方向
2.7.2 同步发电机并联投入的条件和方法
一、并联投入条件
为了避免并联合闸时引起电流、功率以及由此引起的发电机 内部的机械应力的冲击，将要投入电网的发电机应满足下列条件： 1. 发电机的电压幅值等于电网电压幅值，而且波形一致。 2.投入时，发电机的电压相位与电网电压相位一致，即 3.发电机的频率等于电网的频率，即
E0
同步电机(第六章)
列出电压方程：
E 0 E ad E aq U I Ra j I X
Fad Fa sin 0 Faq Fa cos 0
I f Ff 0 E 0
I
Id
Fad ad E ad Faq aq E aq
U E I ( Ra jX )
Ea a Fa I
所以：
Ea j I Xa
Xa是电枢反应磁通相应的电抗，称为电枢反应电抗。 （电枢电流产生电枢反应磁场，在定子每相绕组中感应 电势可以表示为电枢绕组相电流与电枢反应电抗的乘积） 所以：
E 0 U E a I ( Ra jX ) U I Ra jI ( X X a ) U I Ra j I X s
(3) 灯泡贯流式水轮发电机
(4)转子结构
10000kw水轮机转子
凸极极通常有卧式和立式两种结构，通常同步电动机、 同步补偿机、内燃机和冲击式水轮机拖动同步发电机采用 卧式结构，而大型水轮发电机采用立式结构，立式水轮发 电机的推力轴承是关键部件。
除了转子励磁绕组，通常在转子上还装有阻尼绕组。 起抑制转子转速的作用。在同步电动机和补偿机中，主要
汽轮发电机一般采用细长结构
（国产200MW汽轮发电机）
（国产600MW汽轮发电机）
Stator of Turbo-dynamo with 330MW Made in China （国产330MW汽轮发电机）
Stator Core of Turbo-dynamo with 330MW Made in China （国产330MW汽轮发电机定子铁心）
同步发电机的稳态运行特性及
2020/3/30
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第三节 稳态参数的实验测定
转差法测量同步电抗的实验步骤：
• 励磁绕组开路（或经大电阻短路，以防过电压）， If=0；
• 用外力拖动转子转动，使n接近n1，转差率s <1%； • 定子绕组外加额定频率三相对称电压(低压0.02～
0.15UN)，测量定子电压及对应电流。用示波器拍摄 转子励磁绕组开路电压、定子电压和电流波形。
• 旋转磁场轴线与d 轴一致时，磁阻最小，xd最大，定 子电流最小Imin，由于供电线路压降最小，故定子每 端电压为最大Umax，忽略定子电阻，则
E0 IK
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短路的等效电路
16
xd的不饱和值的求取
同步电抗简单测量方法：
➢ 同步机在同步转速下运转，测开路和短路特性。
➢ 在同一坐标纸上绘成曲线，并作出气隙线。
➢ 选一固定的If，求对应 的Ik和对应于气隙线上 的E0，则同步电抗：
xd(不饱和)= E0/Ik
U 0，I E0
E0 UN
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20
短路比的确定
kC
Ik IN
I
f（0 U0
U
）
N
I f（N Ik
I
）
N
短路比又可定义成：
空载时使空载电压为额定值的励磁电流If0与短路 时使短路电流为额定值的励磁电流IfN的比值。
短路比与不饱和电抗的关系
Ik E0 / xd
kc
E0 / xd IN
E0 /U N IN xd /U N
零功率因数负载特性：
n n1; I IN ;cos 0;U f (I f )
同步发电机的运行特性
应用领域的拓展
分布式发电
随着分布式发电技术的发展，同步发电机在分布式发电系统中的 应用将更加广泛，满足对能源的分散式生产和个性化需求。
海洋能源利用
结合海洋能发电技术，同步发电机可用于海洋能发电领域，为海洋 资源的开发利用提供新的能源解决方案。
工业自动化
在工业自动化领域，同步发电机将发挥重要作用，为机器人、自动 化设备等提供稳定可靠的能源供应。
稳定特性
总结词
描述同步发电机在运行过程中的稳定 性
详细描述
稳定特性是指同步发电机在运行过程 中的稳定性。通过合理的调节励磁电 流和负载分配，可以保证发电机在各 种工况下的稳定运行，避免发生振荡 或失步现象。
03
CHAPTER
同步发电机的效率与性能
效率分析
效率计算
同步发电机的效率是其输出功率 与输入功率之比，通常以百分比 表示。效率越高，能源利用越充
THANKS
谢谢
同步发电机的应用场景
01
02
03
电力系统
作为主要的电源设备，为 电力系统提供可靠的电能。
工厂自备电源
工厂自备的同步发电机组， 在停电或电网故障时保障 生产线的连续运行。
备用电源
作为备用电源，在主电源 故障时迅速启动，确保重 要设施的供电。
02
CHAPTER
同步发电机的运行特性
静态特性
总结词
描述同步发电机在稳态运行时的输出特性
同步发电机的运行特性
目录
CONTENTS
• 同步发电机概述 • 同步发电机的运行特性 • 同步发电机的效率与性能 • 同步发电机的故障与维护 • 同步发电机的未来发展与趋势
01
CHAPTER
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q轴 U轴
V2 W1
Ff 与Fa之 间 夹
角 为 900 d轴
900
Fa
N
S
电枢反应性质：
Ff
U1
既有交轴,还有直轴
去磁电枢反应
V轴
U2
W2 V1
W轴
此种情况下
I& I&d I&q I d I sin Iq I cos
---直轴分量 I d与E0成900 ---交轴分量 Iq与E0同相位
直轴
F ad 去磁
900
d轴 900 F ad
直轴 助磁
00 900 d、q
轴
Fad Faq
交轴直 轴去磁
90000 d、q
轴
Fad Faq
转子
转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成 励磁绕组：铜线制成 护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出 中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动 滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组
转子
C A
定子绕组
B
机械端口 电端口 定子铁心
返回
返回
1、汽轮发电机结构 （1）定子铁心
返回
返回
1、汽 轮发电 机结构
I fN U fN
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
Φ& 0
E& 0
空载电动势 E大0 小：
E04.44fN 1kw10
空载特性：
nn N,I0,E 0f(If)
６.3 同步电机的电枢反应
汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为2极，转速 为3000转/分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。
同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。
６.1.3 同步电机的额定值
额定容 SN量 额定功 PN率
指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输 出的额定视在功率或有功功率，单位是KVA或KW。电动机额定 容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是KW。调相 机用KVA或Kvar表示。
势
波 磁电流决定 决定
决定
决定
电枢反应 正弦 恒定，由电 由电流瞬时 由磁极对数和电 由电流相
磁动势 波 枢电流决定 值决定
流频率决定
序决定
６.3.1 0 0 时的电枢反应
空载电动势 E0和
电枢电流 位.
同I相
F
q轴 U轴
Fa
V2 W1
Ff 与Fa之 间 夹
角 为 900
d轴
记Fa为Faq
Ff
W轴
6.3.3 900时的电枢反应
空载电动势 E0滞后电 枢电流 I90 0
q轴 U轴
Ff 与Fa之 间 夹
角 为 900
V2 W1
记Fa为Fad
d轴
Fa N
S
Ff
U1
电枢反应性质：
直轴助磁电枢反应
V轴
U2
W2 V1
W轴
6.3.4 一般情况下的电枢反应
空载电动势 E超0 前电
枢电流 I角,
电枢反应性质：
900
N U1
S U2
V轴
交轴电枢反应
W2 V1
W轴
６.3.2 90 0时的电枢反应
空载电动势 E超0 前 电枢电流 I90 0
q轴 U轴
Ff 与Fa之 间 夹
角 为 900
V2 W1
记Fa为Fad
d轴
Ff
N U1
S U2 F a
电枢反应性质：பைடு நூலகம்
直轴去磁电枢反应 V轴
W2 V1
6.3 同步发电机的电枢反应
6.4 同步发电机的负载运行
6.5 同步发电机的并联运行
6.6 同步电动机和同步调相机 思考题与习题
６.1同步电机的基本工作原理与结构
６.1.1 同步电机的基本结构
以汽轮发电机为例:
定子铁心：硅钢片叠成。 定子(电枢) 电枢绕组：三相对称绕组——铜线制成
机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。
额定电UN 压 (kV)
额定运行时加在 三相定子绕组上 的线电压。
额定电I流 N(A)
在额定运行状 态下三相定子 绕组的线电流.
额定功率因数 额额额额定定定定励转效频磁速率率电流nfNNN
对同步发电机额定值之间关系为：
额定励磁电压
P N S N c o sN 3 U N IN c o sN
cos N
F a F ad F aq F a d F a s i n ---直轴分量电流产生的合成磁动势 F a q F a c o s ---交轴分量电流产生的合成磁动势
6.3.4 一般情况下的电枢反应（总结）
00
Fa F fFa
位置 夹角
q轴
Fa
记作
F aq
电枢反 应性质
交轴
900 d轴
电枢反应:电机带上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙 磁通的大小及位置均发生变化, 这种影响称为电枢反应.
电 之枢间反的应相的对性位质置，，取即决与于空电载枢电磁动动势势E& 和0 基电波枢F a电和流励磁之I&磁间动的势夹基角波
F
有
f
关.
励磁磁势和电枢磁势的区别
基波 波形
大小
位置
转速
转向
励磁磁动 正弦 恒定，由励 由转子位置 由原动机的转速 由原动机
６.1.2 同步电机的基本工作原理与分类
一、同步发电机的基本工作原理
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。
同步发电机的稳态运行原 理和运行特性
同步电机是交流旋转电机的一种,因其转速恒等于同步速机 时得名。同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和调相机。 本章主要分析同步发电机的稳态运行原理和运行特性，简要分 析同步电动机和调相机的运行状态。
6.1 同步电机的基本工作原理与结构
6.2 同步发电机的空载运行
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2、水轮发电机结构
(1)立式水轮发电机
(2)卧式水轮发电机
2、水轮发电机结构转子结构
10000kW水轮机转子
1.发电环节——各种电机 引进600MW汽轮发电机
国产300MW汽轮发电机
国产200MW汽轮发电机定子
国产200MW汽轮发电机定子铁心
现场运行的水轮发电机
６.1同步电机的基本工作原理与结构
相序：由转子的转向决定。
发电机的物理过 程可用图示表示
U1
•
W2 •
N
n
•
S
V1
U2
• V2
W1
旋转示意图1 旋转示意图2
二、同步电机的分类
按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。 按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。
旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。 按原动机类别,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油 发电机等。