第5章 同步电机 《Electric Machinery 电机学(英汉双语)》课件

0 90，直轴去磁电枢反应
使气隙磁场被削弱
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(3)、电枢电流 I超前激磁电动势 E 0 90 (0 = -90) 时
q轴 A轴
Y
C
d轴
A
N
Ff 1 Fa
B轴
Z
SX
IA
ns
B
C轴 E 0C
时轴
E 0A IB
q轴
A轴
s
时轴 E 0
IC
E 0B dF轴f1(B0)Fa(Ba) 0
I
(a) 空间矢量图
B
为流入 为流出
设转子 逆时针旋转
A
N
ns
S
C
0
f
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主极磁通 主磁通φ0 主极漏磁通φfσ
(f 0.1~0.2) 0
主磁路包括气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身
和转子轭五部分。
1、空载时 的电磁关系
If
Ff 1
B0
0
E 0
激磁电动势的有效值 E04.4f4N 1kw10
转子以同步速 ns 旋转，激磁电动势频率为
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(2)、电枢电流 I滞后激磁电动势 E 0 90 (0 = 90) 时
Y
d轴 A
N
Ff 1 B0
B轴
Z
q轴
A轴
时轴
C
E 0A IC
s
S X
ns
Ba Fa
B
C轴 E 0C IB
IA
E 0B
d轴 Ff 1
B0
0
q轴 A轴
时轴 E 0
I
Ba
Fa
(a) 空间矢量图
(b) 时间相量图
(c) 时空矢量图
E
2、电压方程： I
E 0 E a E
U E 0 E a E I R a U
E a j4 .4f4 N 1 k w 1a E j4 .4f4 N 1 k w 1
同步发电机正方向的规定
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为简化计算，引入一个反映电枢反应磁通 a 的参数，
将电枢反应电动势 Ea 与电枢电流 I 直接联系起来 。
机电能量转换的关键。
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第三节 同步发电机的电压方程、 相量图和等效电路
一、隐极同步发电机的电压方程、 相量图和等效电路
二、凸极同步发电机的电压方程 和相量图
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一、隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路
(一) 、不考虑饱和时 (磁路线性，可应用叠加原理)
1II、f 负载时FF各fa1 物理量之a0间的电EE磁a0 关系：E
IB E 0B
d轴 Ff 1
B0
0
q轴 A轴
时轴 E 0
Fa
BIa
(a) 空间矢量图
(b) 时间相量图
(c) 时空矢量图
0 0，交轴电枢反应
使气隙磁场轴线从空载时的直轴处逆转向后移了一个锐角，
主极上受到制动的电磁转矩，实现了机电能量转换。
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交轴电枢反应使气隙磁场轴线从空载时的直轴处逆转向后移
0
Fa
0
I
0 90，增磁
三种典型的电枢反应
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取主极轴线超前 A 相轴线 90 的时刻绘图
(1)、电枢电流 I与激磁电动势 E 0 同相 (0 = 0) 时
q轴
A轴
Fa
Y Ba
C
为流入 为流出
设电流尾进 首出为正
d轴 A
N
Ff 1 B0
B轴
Z
SX
ns
E 0C IC
B C轴
时轴
E 0A
s
IA
B
1
二、同步电机的基本结构
(一)、隐极同步电机（卧式） 1、定子：包括定子铁心、定子绕组、机座、端盖等。 (1)、定子铁心：由0.5mm厚的硅钢片叠成，沿轴 向分成好几叠，每叠3~6cm，叠与叠之间留有宽 0.8~1cm的通风沟。
(2)、定子绕组：由许多线圈按一定规律连接而成。 大容量电机由于尺寸大，制成半匝式（线棒）， 每个线棒由若干铜线并在一起，分成一排或两排， 两个线棒的一端焊在一起，即成一个线圈。
不计饱和，磁路线性化，可用气隙线代替空载特性
忽略 B a 与 F E a a同 铁 a 相 Fa a与 耗 I I同 ， ， E a相 j则 IXa
Xa—电枢反 应X电 a E抗 Ia 同E 理 jIX X— 电枢绕组漏电
E 0 U IRajIXajIX U IRajIXs
X s— 同步X s 电 X a 抗 X
(2)、忽略磁滞和涡流损耗时，旋转磁场的磁密矢量 与产生它的磁动势矢量重合；
(3)、该相绕组交链的磁通相量与产生它的磁密矢量
重合。
a
s
Ba
FIa
同步发电机的时空矢量图
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2、对称负载时的电枢反应
s
E 0 Fa
0 I
Ff 1 B0
0
N
一般情况下同步发电机的时空矢量图
电枢反应的性质（增磁、去磁或交磁）取决于电枢磁动势
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重点：
1、同步发电机的工作原理。 2、汽轮发电机和水轮发电机的结构特点。 3、同步电机的额定值。
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第二节 同步发电机的 空载和负载运行
一、同步发电机的空载运行——空载特性 二、同步发电机的负载运行——电枢反应
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一、同步发电机的空载运行
同步发电机被原动机拖动以同步转速旋转，励磁绕组通入 直流励磁电流，电枢绕组开路或电枢电流为零的情况。
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3、相量图和等效电路：
E 0 E a jIXa
E 0
jIXS
a
0
E E jIX
U IRa
0
I
相量图
U IRa
0
I
激磁电动势 E 0 与端电压U 的夹角称为功率角δ
= 0 －
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Xa
E a
~ E 0
X
E E
Ra
I
U
XS
Ra
I
~ E 0
U
等效电路
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(二) 、考虑饱和时 (磁路非线性，不能应用叠加原理)
(3)、机座：固定和支撑定子铁心，并形成风道。
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6
2、转子：包括转子铁心、励磁绕组、护环、风扇等。
(1)、转子铁心：一般用整块的导磁性好的高强度合金 钢锻成，转子表面约2/3部分铣有轴向凹槽，用于嵌放 励磁绕组，不铣槽的约1/3部分形成大齿，即磁极。
(2)、励磁绕组：用扁铜线绕成同心式线圈，嵌放在大 齿两侧的转子槽中，并用非磁性硬铝槽楔压紧。
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三、同步发电机的工作原理
定子上装有三相对称绕组互差120°电角度。 转子上安放直流励磁绕组。
B
A
C
为流入 为流出
集电环 电刷
N
设转子
ns
逆时针旋转
S
+-
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(1)、转子励磁绕组通入直流电流，建立恒定主磁场； (2)、同步发电机被原动机拖动以同步速旋转，恒定
主磁场变为以同步速旋转的气隙旋转磁场； (3)、定子导体切割气隙旋转磁场，产生交流电动势。
(2)、定子绕组：大、中容量凸极电机采用波绕组， 小容量凸极电机采用叠绕组。
(3)、机座：固定和支撑定子铁心，并形成风道。 因直径大，通常采用分瓣机座。
9
10
2、转子：包括转子铁心、转轴、励磁绕组、阻尼绕组等。 (1)、转子铁心：即磁极，采用T尾或鸠尾与磁轭连接， 磁轭与转轴间用转子支架支撑着，转子支架固定在转 轴上。 (2)、转轴：用高强度钢锻成。因转速低，转子铁心与 转轴分开锻造。
(一)、直流励磁机励磁系统：用同轴直流发电机供给励磁。 (二)、整流器励磁系统： (用晶闸管取代直流发电机电刷和换向器) 1、静止整流器励磁系统： (1)、他励式：用同轴交流主励磁机发出交流电，经静止半导体整 流器整流后供给励磁。 (2)、自励式：(取消了交流励磁机) 取自同步发电机输出的交流电，经晶闸管整流后供给励磁。 2、旋转整流器励磁系统： (取消了同步发电机集电环和电刷) 用同轴转枢式交流主励磁机发出交流电，经同步发电机转子上的 半导体整流器整流后供给励磁，称为无刷励磁系统。
若定子绕组带有负载，发电机将输出电功率， 从而完成机械能向电能的转换。
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四、同步电机的铭牌数据
1、额定容量SN (或额定功率PN ) ：额定运行时电机的输出功率。 同步发电机SN (kVA)或PN (kW)；同步电动机PN (kW)； 同步补偿机SN (kvar)。
2、额定电压UN：额定运行时定子绕组的线电压，单位为伏(V)。 3、额定电流IN：额定运行时定子绕组中的线电流， 单位为安(A)。
(b) 时间相量图
(c) 时空矢量图
0 90，直轴增磁电枢反应
使气隙磁场被增强
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(4)、一般情况下
电枢电流 I滞后激磁电动势Βιβλιοθήκη E 0 一个锐角 (0＜0＜90 )时
Y
d轴 A
N
Ff 1 B0
B轴
Z
q轴
A轴
时轴
C
Ba
Fa
SX
IC
ns
B
C轴E 0C IB
E 0A
0 IA
E 0B
d轴 Ff 1
B0
f
pn s 60
。
同步电机转速与电网频率有着严格不变的关系，
即电网频率一定时，同步电机转速不变。
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2、空载特性
在同步转速下，激磁电动势E0与励磁电流 If 之间的 关系曲线E0= f ( If )，称为同步电机的空载特性。
E0,Φ0 E0
UNΦ
气隙线 空载特性 E0= f ( If )
电机的磁化曲线 ————Φ0= f ( Ff )