同步电机结构原理
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F f 与 Fa 之间夹 角为 90 0
同步电机
q轴 U 轴
00 时的电枢反应
F
V2
900
d轴
Fa W1
N
S U2 V1
W轴
记Fa为Faq
电枢反应性质：
Ff
V轴
U1
交轴电枢反应
W2
第６章
同步电机
超 E 0 I 900
q轴 U 轴
0 90 ６.3.2 时的电枢反应
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。 综上所述，交轴电枢反应的存在是实现机——电能量转 换的关键。
第６章
同步电机
额定功率因数cos N 额定频率f N 额定效率 N 额定转速nN 额定励磁电流I fN 额定励磁电压U fN
PN SN cos N 3U N I N cos N
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。
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 Φ 0
Φ a Φ
令 X t X a X
E 0
If
Ff
电动势平衡方程
E a E
I
Fa
U IR jIX E 0 a t
X t --同步电抗
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 E0 .
pn f 60 大小： E 4.44 fN k 0 1 w1 0
频率： 波形：由e B( x )lv 可知，波 B( x ) 的空间分布。 形取决于
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。 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。
第６章
同步电机
６.1.3 同步电机的额定值
额定容量 同步电机
成90 0 的I 产生 当 90 0 ( 或 90 0） 时 , 直轴电枢反应磁动势是与E 0 d 是I 的无功分量. 的 , 可以认为I
直轴电枢反应磁场与励磁 电流共同作用,在励磁绕组上产 生电磁力,但不能形成电磁转矩.
说明发电机带感性(或容性)无 功负载时,不需要原动机增加能量. 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）。
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。
额定电压U N (kV )
额定电流I N ( A)
在额定运行状 额定运行时加在 态下三相定子 三相定子绕组上 绕组的线电流. 的线电压。 对同步发电机额定值之间关系为：
当 0 0 时 , 交 轴 电 枢 反 应 磁 动 势 与 是空 载 电 动 同相的 产 生 的, I 可以认为是 的 有 功 分 量 势E I I .
0 q q
交轴的电枢反应磁场与 励磁电流共同作用 ，在 转轴上产生制动性质的 电磁转矩 Tem .
输出的有功功率越大，有功分量电流就越 Tem 越大，这就 大，交轴电枢反应越强， 要求原动机输入更大的驱动转矩，维持电 机的转速不变。
第６章
二、短路特性
同步电机
定义： n n1 ,U 0, I S f ( I f ) 短路时的等效电路 短路特性曲线 短路特性与 空载特性配合可 以求出电机的同 步电抗。
不计磁路饱和时有下列关系
jIX E a a jIX E
表征在对称负载下，单位三相电流 产生的电枢总磁场在电枢每一相绕组中 感应的电动势。
第６章
等效电路
同步电机
相量图
二、等效电路和相量图
根据相量图可求出
E0
U cos Ra I U sin X t I
６.4 同步电机的负载运行
6.4.1 凸极同步发电机的电动势方程和相量图 一、凸极同步发电机的电动势方程 I I 由于 I d q 电磁关系： Φ X d X ad X f 且令 If Φ X q X aq X E 0 F 0
f
I
I d I
转子
第６章
同步电机
转子
C A
定子绕组
B
机械端口 电端口 定子铁心
返回
第６章
同步电机
返回
第６章
同步电机
（1）定子铁心
1、汽轮发电机结构
返回
第６章
同步电机
返回
第６章
1、汽 轮发电 机结构
同步电机
返回
第６章
同步电机
(2)卧式水轮发电机
2、水轮发电机结构
(1)立式水轮发电机
第６章
同步电机
2、水轮发电机结构转子结构
6.4 6.5
6.6
第６章
同步电机
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。 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
第６章
同步电机
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
6.3
同步发电机的空载运行
同步发电机的电枢反应 同步发电机的负载运行 同步发电机的并联运行 同步电动机和同步调相机 思考题与习题
相序：由转子的转向决定。
第６章
同步电机
U1
发电机的物理过 程可用图示表示
W2
n
N
V2
V1
S
U2
W1
旋转示意图1 旋转示意图2
第６章
同步电机
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。
Fad
Φ 不计磁路饱和时有下列关系
jI X E ad d ad jI X E aq q aq jIX E
q
Faq
Φ ad Φ
aq
E ad E
则电动势平衡方程
U IR jI X jI X E 0 a d d q q
2
2
X t I U sin arctan Ra I U cos
第６章
同步电机
当忽略电枢回路电阻时得到的等效电路称为简化等 效电路,对应的相量图称为简化相量图
思 考 题
分别作出汽轮同步发电机带阻性、 纯感性、纯容性、电感性、电容性负 载时的简化相量图？并说明各种情况 下电枢反应的性质？
第６章
一、空载特性
同步电机
6.4.3 同步发电机特性 定义： n n1 , I 0,U0 E0 f ( I f ) 空载特性是发电机的基本特性 之一。它一方面表征了磁路的饱和 情况，另一方面把它和短路特性、 零功率因数负载特性配合，可确定 电机的基本参数、额定励磁电流和 电压变化率等。 实际生产中，它还可以检查三 相电枢绕组的对称性、匝间短路、 判断励磁绕组和定子铁心有无故障 等。
X d --直轴同步电抗 X q --交轴同步电抗
aq
E
分别表征在对称负载下，单位直轴或 交轴三相电流产生的总电枢磁场在电 枢每一相绕组中感应的电动势。
第６章
作图步骤
同步电机
二、凸极同步发电机的相量图
和I ; ( 1 )根据已知条件绘出 U
U I R jI X 作出E 及E ( 2 )根据E Q a q Q Q 的夹角 ; 与I
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 势 电枢反应 磁动势
正弦 波 正弦 波
恒定，由励 由转子位置 由原动机的转速 磁电流决定 决定 决定 恒定，由电 由电流瞬时 由磁极对数和电 枢电流决定 值决定 流频率决定
由原动机 决定 由电流相 序决定
第６章
６.3.1
空载电动势 E 0 和电枢电流 I 同相位.
第６章
6.3.4
同步电机
负载 性质
一般情况下的电枢反应（总结）
F f Fa
夹角 电枢反 应性质 对电机的影响
Fa
00
900
位置
Fa
记作
F
波形 畸变
n( f )
U
q轴 d轴
F aq
交轴
直轴 去磁
下降
R L
F ad
900
削弱 不变 下降
90
0
d轴
F ad
00 900 d、q 轴
N
S
U2 V1
Fa
电枢反应性质：
Ff
V轴
U1
既有交轴,还有直轴 去磁电枢反应
W2
W轴
第６章
此种情况下
同步电机
I I I d q
与E 成900 I d I sin ---直轴分量 I d 0 与E 同相位 I q I cos ---交轴分量 I q 0
Fa Fad Faq Fad Fa sin ---直轴分量电流产生的合成磁动势 Faq Fa cos ---交轴分量电流产生的合成磁动势
V2
W1
记Fa为Fad
电枢反应性质：
d轴
Fa
Ff
U1
V轴
N
S
U2 V1
W轴
直轴助磁电枢反应
W2
第６章
6.3.4
同步电机
q轴 U 轴
一般情况下的电枢反应
超前 空载电动势 E 0 电枢电流 I 角, 00 900
V2
F f 与 Fa 之间夹 角为 90
0
W1
d轴
900
F ad F aq
直轴 增强 助磁 交轴直 削弱 轴去磁
轴助磁
不变 上升
C
下降 下降 R、L
900 00 d、q
轴
F ad F aq 交轴直 增强 下降 上升 R、C
第６章
6.3.5
同步电机
电枢反应与机--电能量转换
电枢反应是同步电机在负载运行时的重要物理现象，它不 仅是引起端电压变化的主要原因，而且也是电机实现机---电能 量转换的枢纽。
10000kW水轮机转子
第６章
同步电机
1.发电环节——各种电机
引进600MW汽轮发电机
第６章
同步电机
国产300MW汽轮发电机
第６章
同步电机
国产200MW汽轮发电机定子
第６章
同步电机
国产200MW汽轮发电机定子铁心
第６章
同步电机
现场运行的水轮发电机
第６章
同步电机
６.1同步电机的基本工作原理与结构
分解成 和I ; ( 3 )根据 角将I I d q
U I R jI X jI X , ( 4 )根 据E 0 a d d q q X 及jI X ,得 到 末 从M点 依 次 作 出 jI q q d d . 端G , 连 接OG线 段 即 得 E 0
电磁关系：
If
Ff
Φ f Φ 0
E 0
空载电动势 E0大小：
E0 4.44 fN1kw10
空载特性：
n nN ,I 0,E0 f ( I f )
第６章
同步电机
６.3 同步电机的电枢反应
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. 电枢反应的性质，取决于电枢磁动势基波 Fa 和励磁磁动势基波 F f 和电枢电流 I 之间的夹角 之间的相对位置，即与空载电动势E 0 有关.
空载电动势 前电枢电流
F f 与 Fa 之间夹 角为 90
0
V2
W1
记Fa为Fad
电枢反应性质：
d轴
N
S
Ff
U1
V轴
U2 V1
Fa
W轴
直轴去磁电枢反应
W2
第６章
6.3.3
同步电机
q轴 U 轴
900时的电枢反应
滞后 空载电动势 E 0 电枢电流 I 900
F f 与 Fa 之间夹 角为 90 0
同步电机
q轴 U 轴
00 时的电枢反应
F
V2
900
d轴
Fa W1
N
S U2 V1
W轴
记Fa为Faq
电枢反应性质：
Ff
V轴
U1
交轴电枢反应
W2
第６章
同步电机
超 E 0 I 900
q轴 U 轴
0 90 ６.3.2 时的电枢反应
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。 综上所述，交轴电枢反应的存在是实现机——电能量转 换的关键。
第６章
同步电机
额定功率因数cos N 额定频率f N 额定效率 N 额定转速nN 额定励磁电流I fN 额定励磁电压U fN
PN SN cos N 3U N I N cos N
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。
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 Φ 0
Φ a Φ
令 X t X a X
E 0
If
Ff
电动势平衡方程
E a E
I
Fa
U IR jIX E 0 a t
X t --同步电抗
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 E0 .
pn f 60 大小： E 4.44 fN k 0 1 w1 0
频率： 波形：由e B( x )lv 可知，波 B( x ) 的空间分布。 形取决于
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。 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。
第６章
同步电机
６.1.3 同步电机的额定值
额定容量 同步电机
成90 0 的I 产生 当 90 0 ( 或 90 0） 时 , 直轴电枢反应磁动势是与E 0 d 是I 的无功分量. 的 , 可以认为I
直轴电枢反应磁场与励磁 电流共同作用,在励磁绕组上产 生电磁力,但不能形成电磁转矩.
说明发电机带感性(或容性)无 功负载时,不需要原动机增加能量. 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）。
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。
额定电压U N (kV )
额定电流I N ( A)
在额定运行状 额定运行时加在 态下三相定子 三相定子绕组上 绕组的线电流. 的线电压。 对同步发电机额定值之间关系为：
当 0 0 时 , 交 轴 电 枢 反 应 磁 动 势 与 是空 载 电 动 同相的 产 生 的, I 可以认为是 的 有 功 分 量 势E I I .
0 q q
交轴的电枢反应磁场与 励磁电流共同作用 ，在 转轴上产生制动性质的 电磁转矩 Tem .
输出的有功功率越大，有功分量电流就越 Tem 越大，这就 大，交轴电枢反应越强， 要求原动机输入更大的驱动转矩，维持电 机的转速不变。
第６章
二、短路特性
同步电机
定义： n n1 ,U 0, I S f ( I f ) 短路时的等效电路 短路特性曲线 短路特性与 空载特性配合可 以求出电机的同 步电抗。
不计磁路饱和时有下列关系
jIX E a a jIX E
表征在对称负载下，单位三相电流 产生的电枢总磁场在电枢每一相绕组中 感应的电动势。
第６章
等效电路
同步电机
相量图
二、等效电路和相量图
根据相量图可求出
E0
U cos Ra I U sin X t I
６.4 同步电机的负载运行
6.4.1 凸极同步发电机的电动势方程和相量图 一、凸极同步发电机的电动势方程 I I 由于 I d q 电磁关系： Φ X d X ad X f 且令 If Φ X q X aq X E 0 F 0
f
I
I d I
转子
第６章
同步电机
转子
C A
定子绕组
B
机械端口 电端口 定子铁心
返回
第６章
同步电机
返回
第６章
同步电机
（1）定子铁心
1、汽轮发电机结构
返回
第６章
同步电机
返回
第６章
1、汽 轮发电 机结构
同步电机
返回
第６章
同步电机
(2)卧式水轮发电机
2、水轮发电机结构
(1)立式水轮发电机
第６章
同步电机
2、水轮发电机结构转子结构
6.4 6.5
6.6
第６章
同步电机
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。 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
第６章
同步电机
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
6.3
同步发电机的空载运行
同步发电机的电枢反应 同步发电机的负载运行 同步发电机的并联运行 同步电动机和同步调相机 思考题与习题
相序：由转子的转向决定。
第６章
同步电机
U1
发电机的物理过 程可用图示表示
W2
n
N
V2
V1
S
U2
W1
旋转示意图1 旋转示意图2
第６章
同步电机
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。
Fad
Φ 不计磁路饱和时有下列关系
jI X E ad d ad jI X E aq q aq jIX E
q
Faq
Φ ad Φ
aq
E ad E
则电动势平衡方程
U IR jI X jI X E 0 a d d q q
2
2
X t I U sin arctan Ra I U cos
第６章
同步电机
当忽略电枢回路电阻时得到的等效电路称为简化等 效电路,对应的相量图称为简化相量图
思 考 题
分别作出汽轮同步发电机带阻性、 纯感性、纯容性、电感性、电容性负 载时的简化相量图？并说明各种情况 下电枢反应的性质？
第６章
一、空载特性
同步电机
6.4.3 同步发电机特性 定义： n n1 , I 0,U0 E0 f ( I f ) 空载特性是发电机的基本特性 之一。它一方面表征了磁路的饱和 情况，另一方面把它和短路特性、 零功率因数负载特性配合，可确定 电机的基本参数、额定励磁电流和 电压变化率等。 实际生产中，它还可以检查三 相电枢绕组的对称性、匝间短路、 判断励磁绕组和定子铁心有无故障 等。
X d --直轴同步电抗 X q --交轴同步电抗
aq
E
分别表征在对称负载下，单位直轴或 交轴三相电流产生的总电枢磁场在电 枢每一相绕组中感应的电动势。
第６章
作图步骤
同步电机
二、凸极同步发电机的相量图
和I ; ( 1 )根据已知条件绘出 U
U I R jI X 作出E 及E ( 2 )根据E Q a q Q Q 的夹角 ; 与I
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 势 电枢反应 磁动势
正弦 波 正弦 波
恒定，由励 由转子位置 由原动机的转速 磁电流决定 决定 决定 恒定，由电 由电流瞬时 由磁极对数和电 枢电流决定 值决定 流频率决定
由原动机 决定 由电流相 序决定
第６章
６.3.1
空载电动势 E 0 和电枢电流 I 同相位.
第６章
6.3.4
同步电机
负载 性质
一般情况下的电枢反应（总结）
F f Fa
夹角 电枢反 应性质 对电机的影响
Fa
00
900
位置
Fa
记作
F
波形 畸变
n( f )
U
q轴 d轴
F aq
交轴
直轴 去磁
下降
R L
F ad
900
削弱 不变 下降
90
0
d轴
F ad
00 900 d、q 轴
N
S
U2 V1
Fa
电枢反应性质：
Ff
V轴
U1
既有交轴,还有直轴 去磁电枢反应
W2
W轴
第６章
此种情况下
同步电机
I I I d q
与E 成900 I d I sin ---直轴分量 I d 0 与E 同相位 I q I cos ---交轴分量 I q 0
Fa Fad Faq Fad Fa sin ---直轴分量电流产生的合成磁动势 Faq Fa cos ---交轴分量电流产生的合成磁动势
V2
W1
记Fa为Fad
电枢反应性质：
d轴
Fa
Ff
U1
V轴
N
S
U2 V1
W轴
直轴助磁电枢反应
W2
第６章
6.3.4
同步电机
q轴 U 轴
一般情况下的电枢反应
超前 空载电动势 E 0 电枢电流 I 角, 00 900
V2
F f 与 Fa 之间夹 角为 90
0
W1
d轴
900
F ad F aq
直轴 增强 助磁 交轴直 削弱 轴去磁
轴助磁
不变 上升
C
下降 下降 R、L
900 00 d、q
轴
F ad F aq 交轴直 增强 下降 上升 R、C
第６章
6.3.5
同步电机
电枢反应与机--电能量转换
电枢反应是同步电机在负载运行时的重要物理现象，它不 仅是引起端电压变化的主要原因，而且也是电机实现机---电能 量转换的枢纽。
10000kW水轮机转子
第６章
同步电机
1.发电环节——各种电机
引进600MW汽轮发电机
第６章
同步电机
国产300MW汽轮发电机
第６章
同步电机
国产200MW汽轮发电机定子
第６章
同步电机
国产200MW汽轮发电机定子铁心
第６章
同步电机
现场运行的水轮发电机
第６章
同步电机
６.1同步电机的基本工作原理与结构
分解成 和I ; ( 3 )根据 角将I I d q
U I R jI X jI X , ( 4 )根 据E 0 a d d q q X 及jI X ,得 到 末 从M点 依 次 作 出 jI q q d d . 端G , 连 接OG线 段 即 得 E 0
电磁关系：
If
Ff
Φ f Φ 0
E 0
空载电动势 E0大小：
E0 4.44 fN1kw10
空载特性：
n nN ,I 0,E0 f ( I f )
第６章
同步电机
６.3 同步电机的电枢反应
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. 电枢反应的性质，取决于电枢磁动势基波 Fa 和励磁磁动势基波 F f 和电枢电流 I 之间的夹角 之间的相对位置，即与空载电动势E 0 有关.
空载电动势 前电枢电流
F f 与 Fa 之间夹 角为 90
0
V2
W1
记Fa为Fad
电枢反应性质：
d轴
N
S
Ff
U1
V轴
U2 V1
Fa
W轴
直轴去磁电枢反应
W2
第６章
6.3.3
同步电机
q轴 U 轴
900时的电枢反应
滞后 空载电动势 E 0 电枢电流 I 900
F f 与 Fa 之间夹 角为 90 0