第六章 同步电机
第六章-同步发电机
同步电机知识点（整理：王子铟、包振）1.同步电机概述：主要用于发电机，也可用于电动机，其定子结构与异步电机相同，区别主要在转子侧。
同步电机的转子装有磁极，通入直流电流励磁，具有确定的极性。
“同步”的体现：转子旋转的速度必须严格和定子磁场同步。
2.同步电机的转速与负载的大小无关，计算公式为pfn 60=，当同步电机并入无穷大电网时，其转速固定，无法通过各类调节来改变。
3.同步电机的结构和分类：同步电机有旋转电枢式（磁极装在定子上，用于小容量同步电机中）和旋转磁极式（磁极装在转子上，为大中型同步电机的基本形式）两种，主要以旋转磁极式为主。
旋转磁极式同步电机又分为隐极式和凸极式两种隐极式电机的代表：汽轮发电机；凸极式代表：水轮发电机。
4.同步发电机的额定值①额定电压UN （V 、kV ）：额定运行时定子三相绕组上的线电压。
②额定电流IN （A 、kA ）：额定运行时流过定子绕组的线电流。
③额定功率因数cos φN:额定运行时输出有功功率和视在功率比值。
④额定效率ηN ：额定运行时的效率⑤额定容量S N =NN I U 3对发电机是出线端额定视在功率，单位为VA ，kVA 或MVA 对调相机是出线端额定无功功率，单位为var ，kvar 或Mvar ⑥额定功率P N对发电机是额定输出有功电功率P N =S N cos ϕN =N N I U 3cos ϕN对电动机是轴上输出额定机械功率P N =S N cos ϕN ηN =N N I U 3cos ϕN ηN5.同步发电机的空载运行（1）过程建立：转子励磁绕组通以直流励磁电流→形成静止磁场→转子由原动机拖动以同步转速旋转→静止磁场跟随转子一起转动，形成运动的磁场→交变的磁场在定子的三相对称绕组中感应出电动势。
因为定子电枢绕组开路，电枢电流为零，磁场全部由转子电流建立，因此漏磁通仅与转子励磁绕组交链。
感应电动势的计算：若主磁场B0在气隙中正弦分布，且以同步速n1旋转，则在定子绕组中产生对称三相电动势：︒∙︒∙︒∙∠=∠=∠=240,120,0000000E E E E E E C B A 有效值：0111044.4φN k N f E =(601pn f =)隐极机的励磁磁动势是矩形波，凸极机的励磁磁动势是阶梯波。
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。
电机学第六章同步电机
交流主励磁机（100Hz）
～
自励 恒压器
可控 整流器
～
不可控 整流器
主发电机 ～
电流互感器
电压互感器
静止整流器励磁
电压 调整器
优点：运行、维护方便，没有直流励磁机，使励磁容量得以提高，因而在大 容量汽轮发电机 中得到了广泛的应用。
缺点：存在电刷、集电环的滑动接触（薄弱环节）。
• 自励式 主发电机发出的功率经静止整流器整流为直流，然后通过电刷和集电环通入到主发电机的励磁 绕组中。
当ψ角为不同值的电枢反应
Ψ=00 Ψ=900 Ψ=-900 00<Ψ<900 -900<Ψ<00
位置 q轴 d轴 d轴 d、q轴 d、q轴
电枢反应性质 交轴
直、去 直、增 交、直去 交、直增
负载性质 R L C
R、L R、C
励磁磁动势和电枢磁动势的区别
基波波形
幅值大小
位置
转速
励磁 磁动势
正弦波
恒定，由励磁电流决 由转子位置决定 由原动机的转速
Z
N
ns S
B
X
Fa
Y n s A相轴线 C Faq
电流超前电动势的向量图
FaqFacoψs 交磁
Fad Fa sin ψ 与Ff同 向，对 d轴磁场有加 强作用称之为助磁。
直轴电枢反应的影响 • 电机单机运行时，直轴电枢反应将直接影响端电压的大小。去磁时，端电压降低；助磁时 端电压升高。
• 并网运行时，直轴电枢反应影响电机输出的无功功率。
D2 5 ~ 7 L2
• 励磁绕组为集中绕组
• 立式结构
• 阻尼绕组
水轮发电机的转子结构
同步电机的基本工作原理与结构
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)
第六章讲义同步电机
同步电动机的内容不是重点，主要要求了解基本点。
一、转动原理与起动
转动原理：
由并联运行同步发电机的功角特性可知：当同步 发电机处于空载状态并联在电网时，若将原动机通过 离合器脱开，此时转子在机械阻转矩的作用下将减速， 电机的功角θ＜0 ，输出的有功功率为负值，即表示从 电网吸收有功功率。也就是说：同步发电机就变成了 同步电动机。
磁极式结构。根据转子形状的
不同，旋转磁极式又可分为凸
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，气隙
不均匀。隐极式多用于要求高 （a）凸极式 （b）隐极式
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
2. 同步电动机的基本原理
1.恒速性当定子绕组中通入三相电流后，便产生了旋转磁场 ，其转速为n1。旋转磁场的磁极对转子的异性磁极产生较强的 吸力，吸住转子，使其按旋转磁场的转向并以同步转速而旋转 。在规定的负载范围内，同步电动机的转速为恒定值 。
1、同步电机结构
定子结构：
结构：由铁心和绕组组成，与异步电机定子基本 相同。—— 相同机座号时，若与异步机互换定子，则 仍然可以运行。
区别：主要是尺寸方面，同步电机通常容量较大， 而异步机的容量相对较小。因此，从表面上看同步机 机壳无散热片，异步机则有
接线：发电机定子绕组通常采用Y 形连接，减小 三次谐波影响。
第六章同步电机
精品
第一节 同步电动机
同步电动机是一种交流电动机， 它的主要特点是转子转速等
于同步转速， 即
n1
60 f1 p
同步发电机在电力工业中有着很广泛的应用：火力发电、 水力发电、 原子能发电等，几乎全部应用三相同步发电机 同步电动机虽然不像异步电动机那样应用广泛，但由于它 的功率因数可以调节，并且大多调节在容性状态下运行， 这样可以补偿采用异步电动机所需的感性电流，从而提高 电力网的功率因数。 同步电动机常用在中等功率(50kW)以 上，不需调速且转速要求恒定的生产机械中，如大型的空 压机、水压机等。
第六章同步电机1PPT课件
隐极同步电机结构
隐极同步发电机定子
隐极同步发电机转子
凸极同步电机结构
凸极同步发电机转子
同步电机的励磁方式
1）直流发电机励磁系统 2）静止式交流整流励磁系统 3）旋转式交流整流励磁系统
同步电机的额定值
1）额定电压 2）额定电流 3）额定功率因数 4）额定效率 5）额定容量 6）额定功率
E E 0 E a E E E U I R a
Ea jIXa
Xa称为电枢反应电抗，在物理意义上表示对称三相电流产生 的合成磁动势（电枢反应磁场）在定子一相绕组中感应电动 势的能力。
E jIX
E E 0 E a E E E U I R a
E 0 U I R a E a E U I R a j I ( X a X )
电枢反应的性质（助磁、去磁或交磁）
Fa =Fad +Faq
Fad Fa sin
Faq
Fa
cos
F Ff1 Fa
I = Id + Iq
Id பைடு நூலகம்I sin
I
q
I
cos
6.2.3 隐极同步发电机的负载运行
1、不考虑饱和
E E 0 E a E E E
E E 0 E a E E E U I R a
XaX Xt
E0UIRajIXt
2、考虑饱和
当考虑饱和时，叠加原理不再适用。
F Ff1Fa E E E U I R a
如何由Fδ求得Eδ？
空载时，可以利用空载特性。负载时还能用空载特性么？
kaFkaFf1kaFa
F'
Ff
F' a
06第六章 同步电机
= U cosψ 0 cosϕ + U sinψ 0 sin ϕ + IRa cosψ 0 + IX d sinψ 0
cosψ 0 =
(U cosϕ + IRa )2 + (U sin ϕ + IX q )2
E0 =
U cosϕ + IRa
sinψ 0 =
(U cosϕ + IRa )2 + (U sinϕ + IX q )2
得证第一式
U sin ϕ + IX q
代入前式得
(U cosϕ + IRa )2 + (U sinϕ + IX d )(U sinϕ + IX q ) (U cosϕ + IRa )2 + (U sin ϕ + IX q )2
IR IX cosϕ + a + sin ϕ + d U U
∗ 2 a 2 ∗ d ∗ q ∗ 2 a ∗ d ∗ 2 q ∗ a ∗2 a ∗ q ∗ d ∗ q ∗ 2 a ∗ 2 q
2 IX q IR sin ϕ + cosϕ + a + U U
∗ ∗ d Xq
)
得证第二式
∗ ∗ ∗ = Xq = Xs ，所以上两式简化为 对于隐极同步发电机，由于 X d = X q = X s 、 X d
E0 =
∗ E0 =
(U cosϕ + IRa )2 + (U sin ϕ + IX s )2
(U
∗
∗ cosϕ + Ra
) + (U
第6章-同步发电机基本方程
二、同步发电机的原始方程
• 磁链、电压、电流正方向确定
④ 定子回路 定子电流的正方向——绕组中性点流向端点的方向 各相感应电势的正方向与相电流的相同 向负荷侧看，电压降的正方向与相电流正方向一致。
⑤ 转子回路 各个绕组感应电势的正方向与本绕组电流的正方向相同 向励磁绕组提供正向励磁电流的外加励磁电压是正的 两个阻尼回路的外加电压为零
id
2 3 [ia
cos
ibcos(Fra bibliotek 120 ) ic
cos(
120
)
iq
2 3 [ia
sin
ib
sin(
120 ) ic
sin(
120 )
三、同步发电机的基本方程
3.1、派克变换
• 通过这种变换，将三相电流ia、ib、ic变换成了等效的两相电流
② 转子极中心线用d表示，纵（直）轴；极 间轴q横（交）轴。按转子旋转方向，q轴 超前d轴90°。
励磁绕组ff轴线与d轴重合；阻尼绕组 用相互正交短接线路表示；DD纵轴阻尼 绕组轴线与d轴重合；QQ横轴阻尼绕组 与q轴重合。
隐极机转子涡流效应可用阻尼绕组等效 ，外形不同，凸极机特例。
③ Ψ正方向——i正方向——轴线正方向
个绕组，气隙中产生正弦分布的磁势； ④ 定子绕组沿定子均匀分布，电机空载，转子恒速旋转时，转子绕组的磁
动势在定子绕组所感应的空载电势是时间的正弦函数； ⑤ 电机的定子和转子具有光滑的表面。（即不考虑定转子槽、通风沟等）。
二、同步发电机的原始方程
• 磁链、电压、电流正方向确定
① 定子三相绕组ax、by、cz中心轴线a、b、 c彼此相差120°。c相滞后a相轴线120°， b相轴线滞后a相240°。
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。
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。
浙江大学同步电机 ppt课件
（Xd>Xq）
U jIdXadjIqXaqj(IdIq)XIRa
U jIdXdjIqXqIRa
二、同步发电机的相量图
隐极同步机： E 0U IR ajIX t
E 0
I
U
IRa
jIXt
凸极同步机：
jId Xd jIq Xq
E 0 U jI d X d jI q X q I R a
n
d轴 N
A
q轴
S×
X
• 主极轴线与电枢A相绕组的轴线正交； • A相励磁电动势的瞬时值达最大值； • 电枢电流与励磁电动势同相位， 达最大值。 • 基波电枢磁势Fa的轴线与A相绕组轴线重合。
q轴 A • 电枢磁势的轴线与转子的交轴重合；
F()
FEa0(a•)在任意瞬间， 电枢磁势的轴线恒与转子交轴
q轴
F()
A
Fa(a)
Faq
d轴 Ff1(0)
Fad
Faq：交轴电枢反应；
Fa Fad Faq
Fad Fa s in Faq Fa cos
Fad：直轴电枢反应（去磁）
Ia Id Iq I d I sin I q I cos
F a 1 . 35
N 1k w1 I p
对称负载时的电枢反应
❖空载时，同步电机中只有一个以同步转速旋转的励磁磁势；
❖当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组和负载一起构成闭 合通路，通路中流过的是三相对称的交流电流，当三相对称电 流流过三相对称绕组时，将会形成一个以同步速度旋转的旋转 磁势；
❖同步发电机接上三相对称负载以后，电机中除了随轴同转的转 子磁势 (称为机械旋转磁势)外，又多了一个电枢旋转磁势 (称为 电气旋转磁势) 。
电机学(辜承林)第6章 同步电机
同步电机主要用作发电机，世界上的电力几乎全都由同步发电机发出。同步电机也作电 动机运行，其特点是可以通过调节励磁电流来改变功率因数。正因为如此，同步电动机有一 种特殊运行方式，即接于电网作空载运行，称之为调相机，专门用于电网的无功补偿，以提 高功率因数，改善供电性能。
设产生定子侧旋转磁场的交流电流的频率为 f，电机的极对数为 p，则同步电机转速 n 与
电流频率 f 和极对数 p 的基本关系为
n = 60 f
(6.1)
p
我国规定交流电网的标准工作频率(简称工频)为 50Hz，即同步速与极对数成反比，最 高为 3000r/min，对应于 p=1。极对数愈多，转速愈低。
第六章 同步电机...............................
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）
电机与拖动大学课程 第六章 同步电机
Fa
a
Ea
F E
Ff
1
F
E
Fa
感应电动势的正方向与产生它的磁通 的正方向不符合右手螺旋关系。与电 流方向相反，为反电势。
E0 j4.44 f1N1kw10 Ea j4.44 f1N1kw1a
对吗？
E j4.44 f1N1kw1
E j4.44 f1N1kw1
为便于分析，假设磁路不饱和，不考虑铁耗，转子为隐极，则电
Ea与
a
符合左手螺旋关系，Ea超前
90
a
度电角度，即超前 I 90度电角度。
Fa
a
Ea
I
Ea jIa X a
Xa为电枢反应电抗，相当于感应电机的励磁电抗，当磁路不饱和
气隙磁动势是由电枢磁动势与励磁磁动势的合成，当电机为隐极， 气隙均匀，若不计饱和，可根据气隙磁动势求出气隙磁场的分布。F HB0H0F
当电机为凸极，气隙不均匀，无法用解析表达式来求解。双反应理 论应运而生。
利用合成磁动势的方法走不通，在不计磁路饱和的情况下，先把 交直轴电枢磁动势及励磁磁动势各自形成的磁场分布求出来，然后 把我们所关心的基波磁场的效果进行叠加。这种分别计算交轴和直 轴电枢反应的方法，就是双反应理论。
(5)额定转速nN 是指同步电机的同步转速，单位r/min (6)额定效率ηN 额定运行时的效率 (7)额定功率因数cosφN 额定运行时的同步电机的功率因数
对于三相同步发电机：
PN SN cosN 3UN IN cosN
对于三相同步发电机：
PN 3UN INN cosN
§6-2 同步电机的电枢反应
这种负载时电枢电动势对主极基波磁场的影响称为电枢反应。
电枢反应与电流的大小、主磁路的饱和程度有关，与电枢磁动势与 励磁磁动势在空间中的相对位置有关，还与转子结构有关。
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
第六章 三相同步电机
可见，在同步电动机中，励磁磁势F0、 电枢磁势Fa和合成磁势F在空间的相对位置 如图（a）所示。 F0的方向是由S极指向N极的。Fa超前 于F0，使得F也超前于F0θ角。 它们在以同步转速旋转时，励磁磁势 F0和合成磁势F将分别在定子每相绕组中产 生励磁电动势E0和合成电动势E1。 当F转到U相绕组时，U相绕组中的合 成电动势达到最大值，转子再转过θ角时， 励磁电动势E0达到最大值。
若图（a）中，用外面的一对N极和S极 代表旋转磁场，只要旋转磁场的极对数与 转子磁极的极对数相同，按照磁极间同性 相斥，异性相吸的原理，会产生电磁转矩， 旋转磁场会牵引着转子磁极以相同的转速 旋转。所以，同步电动机的转子转速与旋 转磁场的转速相同，即 n=n0=60f1/p 这就是“同步”名称的来历。
如大型同步发电机的励磁电流可达数 千安，通过电刷和滑环引入转子励磁绕组 有困难，所以可以采用这种励磁方式。 3．主要种类 同步电机按相数的不同，可分为单相 同步电机和三相同步电机。 按能量转换的不同，可分为同步电动 机和同步发电机。 按转子结构的不同，可分为隐极式和 凸极式。
隐极式转子如图（a）所示。铁心成圆 柱形，其上开槽，槽内嵌放励磁绕组。它 与定子铁心之间的气隙较均匀。 凸极式转子如图（b）所示。励磁绕组 集中绕在两磁极之间的铁心柱上，它与定 子铁心之间的气隙是不均匀的。 转子磁极的中心轴线称为纵轴或直轴， 相邻两磁极之间的轴线称为横轴或交轴。
（2）静止整流器励磁 这种励磁方式是将同轴的交流励磁机 （小型同步发电机）发出的交流电经静止 的整流器整流成直流电后，再供给同步发 电机作励磁电流。 （3）旋转整流器励磁 这种励磁方式是将整流器装在同步电 机的转轴上，随同步电机一起旋转，将同 轴旋转的交流励磁发电机电枢输出的交流 电整流后，直接供给励磁绕组，这样可以 省去滑环和电刷等装置。
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第六章同步电机6.1 同步电机的气隙磁场，在空载时是如何激励的？在负载时是如何激励的？[答案见后]6.2 为什么大容量同步电机采用磁极旋转式而不采用电枢旋转式？[答案见后]6.3 在凸极同步电机中，为什么要采用双反应理论来分析电枢反应？[答案见后]6.4 凸极同步电机中，为什么直轴电枢反应电抗X ad大于交轴电枢反应电抗X aq？[答案见后]6.5 测定同步发电机的空载特性和短路特性时，如果转速降为原来0.95n N，对试验结果有什么影响？[答案见后]6.6 一般同步发电机三相稳定短路，当I k=I N时的励磁电流I fk和额定负载时的励磁电流I fN都已达到空载特性的饱和段，为什么前者X d取不饱和值而后者取饱和值？为什么X q一般总是采用不饱和值？[答案见后]6.7 为什么同步发电机突然短路，电流比稳态短路电流大得多？为什么突然短路电流大小与合闸瞬间有关？[答案见后]6.8 在直流电机中，E>U还是U>E是判断电机作为发电机还是作为电动机运行的依据之一，在同步电机中，这个结论还正确吗？为什么？[答案见后]6.9 当同步发电机与大容量电网并联运行以及单独运行时，其cosφ是分别由什么决定的？为什么？[答案见后]6.10 试利用功角特性和电动势平衡方程式求出隐极同步发电机的V形曲线。
[答案见后]6.11 两台容量相近的同步发电机并联运行，有功功率和无功功率怎样分配和调节？[答案见后]6.12 同步电动机与感应电动机相比有何优缺点？[答案见后]6.13 凸极式同步发电机在三相对称额定负载下运行时，设其负载阻抗为R+jX，试根据不考虑饱和的电动势相量图证明下列关系式[答案见后]6.14 试述直流同步电抗X d、直轴瞬变电抗X´d、直轴超瞬变电抗X"d的物理意义和表达式，阻尼绕组对这些参数的影响？[答案见后]6.15 有一台三相汽轮发电机，P N＝25000kW，U N＝10.5kV，Y接法，cosφN＝0.8（滞后），作单机运行。
由试验测得它的同步电抗标么值为X*t＝2.13。
电枢电阻忽略不计。
每相励磁电动势为7520V，试分析下列几种情况接上三相对称负载时的电枢电流值，并说明其电枢反应的性质：（1）每相是7.52Ω的纯电阻；（2）每相是7.52Ω的纯感抗；（3）每相是15.04Ω的纯容抗；（4）每相是(7.52－j7.52)Ω的电阻电容性负载。
[答案见后]6.16 有一台P N＝25000kW，U N＝10.5kV，Y接法，cosφN＝0.8（滞后）的汽轮发电机，X*t＝2.13，电枢电阻略去不计。
试求额定负载下励磁电动势E0及E*0与I*的夹角ψ。
[答案见后]6.17 一台隐极同步发电机，在额定电压下运行，X*t＝2，R a≈0，试求：（1）调节励磁电流使定子电流为额定电流时，cosφN＝1，空载电动势E*0是多少？（2）保持上述E*0不变，当cosφN＝0.866（滞后）时，I*是多少？[答案见后]6.18 试验某台S N＝30000kVA，线电压U N＝11000V，I N＝1570A，功率因数cosφ＝0.8（滞后），n N＝3000r/min，f N＝50Hz，Y接法三相汽轮发电机，得到下列数据：（1）空载特性（线值）E0=kI f，k=100V/A ；（2）短路特性I k=24I f；（3）电机额定运行时漏磁电动势，电枢电阻R a=0，试求：（1）运行在额定状态时的励磁电流为多少？（2）求额定负载下的电压变化率。
[答案见后]6.19 一台三相隐极发电机与大电网并联运行，电网电压为380V，Y接法，忽略定子电阻，同步电抗X t=1.2Ω，定子电流I=69.51A，相电势E0=278V，cosφ=0.8（滞后）。
试求：（1）发电机输出的有功功率和无功功率；（2）功率角。
[答案见后]6.20 一台汽轮发电机额定功率因数为cosφ=0.8（滞后），同步电抗X*t＝0.8，该机并联于大电网，如励磁不变，输出有功功率减半，求电枢电流及功率因数。
[答案见后]6.21 一台三相Y接隐极同步发电机与无穷大电网并联运行，已知电网电压U ＝400V，发电机的同步电抗X t=1.2Ω ，当cosφ=1时，发电机输出有功功率为80kW。
若保持励磁电流不变，减少原动机的输出，使发电机输出有功功率为20kW，忽略电枢电阻，求功率角、功率因数、定子电流、输出的无功功率及其性质。
[答案见后]6.22 试推导凸极同步电机无功功率的功角特性。
[答案见后]6.23 一台隐极发电机，S N＝7500kVA，cosφN=0.8（滞后），U N＝3150V，Y接，同步电抗为1.6Ω。
不计定子阻抗，试求：（1）当发电机额定负载时，发电机的电磁功率P em、功角θ、比整步功率P syn及静态过载能力。
（2）在不调整励磁情况下，当发电机输出功率减到一半时，发电机的电磁功率P em、功角θ、比整步功率P syn及负载功率因数cosφ。
[答案见后]6.24 三相隐极同步发电机，Y接法，S N＝60kVA，U N＝380V，同步电抗X t＝1.55 ，电枢电阻略去不计。
试求：（1）当S＝37.5kVA、cosφ=0.8（滞后）时的E0和θ；（2）拆除原动机，不计损耗，求电枢电流。
[答案见后]6.25 三相凸极同步电动机X q＝0.6X d，电枢绕组电阻不计，接在电压为额定值的大电网上运行。
已知该电机自电网吸取功率因数为0.80（超前）的额定电流。
在失去励磁时，尚能输出的最大电磁功率为电机的输入容量（视在功率）的37％，求该电机在额定功率因数为0.8（超前）时的励磁电动势E0（标么值）和功率角θ。
[答案见后]6.26 设有一台三相、Y接法凸极同步发电机，测得各种参数如下：X d=1.45Ω, X q=1.05Ω,X-=0.599Ω, X0=0.20Ω。
电机每相空载电势E0=220V时，试求：(1) 三相稳态短路电流；(2) 两相稳态短路电流；(3) 单相对中点稳态短路电流；[答案见后]参考答案见后6.1 答：空载时，定子绕组中没有电流，气隙磁场是转子绕组中直流电流激励的。
负载以后，定子三相电流产生旋转磁动势，其基波以同步速度旋转，与转子相对静止。
气隙磁场是由转子绕组中直流电流和定子绕组中三相交流电流共同激励的。
6.2 答：由于励磁绕组电流相对较小，电压低，放在转子上引出较为方便。
电枢绕组电压高、电流大、容量大，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，为磁极旋转式。
6.3 答：在凸极同步电机中，采用双反应理论，即当电枢磁动势的轴线既不和直轴也不和交轴重合时，可以将它分解为直轴分量F ad和交轴分量F aq两部分，再由Φad和Φaq分然后分别求出直轴电枢反应磁通Φad和交轴电枢反应磁通Φaq，别求出直轴电枢反应电动势E ad和交轴电枢反应电动势E aq，最后再将它们叠加。
6.4 答：在凸极同步电机中沿电枢圆周的气隙不是很均匀的，分析其电枢反应时，要用双反应理论，即把电枢反应磁动势分解成垂直和平行于电动势E0的两个分量F ad和F aq，它们分别产生直轴电枢反应磁通Φad和交轴电枢反应磁通Φaq，相应的电流也分解成两个分量。
因此，或，，或，由于直轴磁路的磁导比交轴磁路的磁导要大得多，同样大小的电流产生的磁通和相应的电动势也都大得多，所以电抗X ad > X aq。
6.5 答：因空载电势和转速成正比，如果转速降为0.95 n N, 则空载电势也降到额定转速下的0.95n N。
同步电抗与频率成正比，也降低到0.95倍，所以短路电流I k=E0/X d不变。
但当转速再降低时，由于E0和X d都与转速成正比的减小，而电枢电阻R a与转速无关，因此IR a在电动势方程式所占分量已较大，不能忽略不计，随着转速的降低，短路电流减小。
6.6 答：短路时由于电枢反应的去磁作用使气隙磁通很小，电机磁路处于不饱和状态，此时对应的X d是不饱和值。
额定负载运行时，气隙磁通较大，直轴磁路处于饱和状态，此时对应的X d是饱和值。
交轴磁路气隙大，磁路不饱和，故X q一般取不饱和值。
6.7 答：同步发电机三相突然短路瞬间，各绕组均要保持磁链不变。
电枢反应磁通的突然变化。
将在转子绕组感应出电流来抵制电枢反应磁通，迫使电枢反应磁通只能从转子绕组外的漏磁通闭合，磁阻增加使电抗减小，短路电流受超瞬态电抗X"d限制。
稳态短路时，电枢反应磁通穿过转子绕组磁路，磁阻小电抗大，短路电流受同步电抗X d限制。
因为X"d<<X d，故突然短路电流比稳态短路电流大得多。
转子各个绕组有电阻，所以短路电流会衰减，阻尼绕组的电抗与电阻的比值比励磁绕组的电抗与电阻的比值小得多，阻尼绕组电流衰减完毕，短路电流受瞬态电抗X´d限制。
励磁绕组电流衰减完毕，短路电流受同步电抗限制，即为稳态短路电流，突然短路电流可达额定电流的10～20倍。
突然短路电流与合闸瞬间有关，考虑一下两种情况：（1）合闸瞬间，短路绕组中磁链ψ0=0，此时绕组感应电动势最大；短路电流为感性电流，滞后电动势90°，此时短路电流中只有交流分量而没有直流分量。
短路电流起始之受X"d限制，幅值为I"m，如无阻尼绕组，则短路电流起始值受X´d限制，幅值为I´m，稳定短路电流幅值为I m。
突然短路电流的表达式为i k=E om[(1/X"d-1/X´d)exp(-(t/T"d))+(1/X´d-1/X d)exp(-(t/T´d)+1/X d]sinωt（2）合闸瞬间，短路绕组中磁链最大，ψ0=ψmax，此时绕组感应电动势为零，短路电流滞后电动势90°，为负的最大值。
为了保证磁链守恒，短路电流中除交流分量外还有直流分流，直流分量的初始值和交流分量的初始值相等，使总的瞬间电流为零。
突然短路电流表达式为i k=E om[(1/X"d-1/X´d)exp(-(t/T"d))+(1/X´d-1/X d)exp(-(t/T´d)+1/X d]sin(ωt-90o)+(E om /X"d)exp(-(t/T a)由此可见，直流分量与短路初瞬间该绕组中磁链的大小有关，即与合闸瞬间有关，短路电流应为交流分量（周期性分量）和直流分量（非周期性分量）之和。
6.8 答：在同步电机中，励磁电动势和电机端电压都是向量，不能根据它们的大小来判断电机的运行状态，而应该根据气隙合成磁场与主磁极轴线的相对位置来决定。
当主磁极场轴线超前气隙合成磁场轴线时，为发电机状态；重合时为调相机状态；滞后时为电动机状态。