同步电机原理

结构相关
• 旋转结构
–转枢式：电枢旋转 –转场式：磁场旋转
• 结构形式
–隐极式：气隙均匀 –凸极式：气隙不均匀
磁极冲片 凸极同步电机磁极装配 1—阻尼绕祖；2—磁极铁心； 3—励磁绕组；4—磁轭； 5—磁极T形尾固定部分。
定子
滑环
转子（励磁）
隐极、凸极比较
• 凸极转子：制造方便，但机械强度较差， 因此多用在离心力较小，转速较低的中小 型电机中或用在水轮发电机中。 • 隐极转子：机械强度好，但制造工艺较复 杂，因此多用在离心力较大、转速较高的 电机中。例如汽轮发电机多采用隐极结构。
Pem 3UI cos 3UI cos( ) 3UI cos cos 3UI sin sin 3UI q cos 3UI d sin ( E0 U cos ) U sin 3U cos 3U sin Xq Xd E0U 1 1 2 3 sin 3U ( ) cos sin Xd Xq Xd E0U U2 1 1 3 sin 3 ( ) sin 2 Xd 2 Xq Xd
电磁转矩：
mE0U U2 1 1 Tem sin m ( )sin 2 X d 0 20 X q X d
无功功率：
mE0U 1 1 2 2 Q cos mU ( cos sin 2 )（凸极电机） Xd Xd Xq
mE0U mU Q cos Xt Xt
mE0U U2 1 1 Tem sin m ( )sin 2 X d 0 20 X q X d
对隐极式同步电动机，Xd=Xq=Xt
3E0U Pem sin Xt
3E0U Tem sin X t 0
凸极电机的有功功率功角特性：
Pem P2 mUI cos
E 0 U I ra E a E U j I xt
其中
xt xa x 并且有 称为同步电抗

xt xa x
同步电抗的物理意义：表征地对称负载下电枢 电流产生的电枢总磁场在电枢每相绕组中的 电磁效应。
3、隐极发电机的等效电路：
E 0 U I ra j I xt ra xt
第四章 同步电机
第四章 同步电机
一、同步电机原理与结构 二、同步电机磁场分析 三、同步电机的电磁关系与等效电路 四、同步电机运行特性
第一节 同步电机的原理与结构
同步电机的原理与结构
• 基本工作原理 • 主要结构 • 运行状态
• 额定值
一、同步电机的基本原理
• 转子直流励磁 • 原动机拖动转子磁场以 速度n0旋转 • 定子导体感生电动势,定 子带负载则有电流流过 • 定子电流产生旋转磁场， 速度为n0 • 转子导体受电磁力，形 成电磁转矩，和拖动转 矩平衡
n1
Tem T1 n N
S Fδ θ S N
Ff
功角θ是转子磁极轴 线和定子合成磁极轴 线的空间夹角
一、功角特性
同步发电机功率关系：
P1
Pem P2
pmec
pad
pFe
pcu1
Pem P1 ( Pmec PFe Pad ) P1 P0 P2 Pem Pcu1 Pem
mUI cos mUI cos cos mUI sin sin mUI q cos mUI d sin
I q xq U sin I d xd E0 U cos
E0U U2 1 1 Pem m sin m sin 2 xd 2 xq xd
60 f 磁场转速： n p
空载磁场： F Ff 负载磁场： F F f Fa
电枢反应 **实质：研究同步发电机负载时内部的电磁情况。
电枢反应
负载以后，除转子磁势外，定子三相电流也 产生电枢磁势。电枢磁势的存在，将使气 隙中磁场的大小及位置发生变化，这种现 象称之为电枢反应。电枢反应的性质主要 决定于空载电势和负载电流之间的夹角ψ ， 亦即决定于负载的性质。
旋转励磁，无电刷
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 冷却
五、同步电机的运行状态
功角
0
0
发电机状态
理想空载
调相机
电动机状态
同步发电机 不同运行方式

E 01
2
（隐极电机）
有功功率功角特性
并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和 频率恒定、参数（xd、xq、xt）为常数、空载电 势E0不变（即 If 不变）时，Pem=f (θ)为有功功 率功角特性。 隐极电机的有功功率功角特性：
E0U P sin em mUI cos m xt
矩角特性

jI 1 x
jI x



E U I ra j I x U j I x

E0

U
I


E02
I3



jI 2 x

I1

I2

φ2
φ3
φ1
E 03
j I3 x
六、额定值
• • • • • • 额定容量SN(kVA)或额定功率PN 额定电压UN 额定电流IN 额定功率因数cosN 额定效率η N 额定频率fN、额定转速nN、额定励磁电流IfN、 额定励磁电压UfN等
几个概念
①内功率因数角Ψ：E0和Ia之间的夹角，与 电机本身参数和负载性质有关； ②外功率因数角φ：与负载性质有关； ③功率角（功角）θ：E0和U之间的夹角； 且有Ψ=φ+ θ （电感性负载） ④直轴（d轴）：主磁极轴线（纵轴）； ⑤交轴（q轴）：转子相临磁极轴线间的中 心线为交轴（横轴）
下面从三种极限情况出发进行研究，即 （1） Ia和E0同相位，即ψ=0；
• 凸极电机
mE0U U2 1 1 Pem sin m ( ) sin 2 Xd 2 Xq Xd
3U1E0 ① Pem' = sin —— 基本分量 Xd Pem' ∝E0 ，当转子有励磁即 If ≠0 时存在。 3U12 1 1 (X －X ) sin2 —— 附加分量 ② Pem" = 2 d q （磁阻分量） Pem" 是由于 Xd ≠Xq 而引起的，与 If 是否存在无关。 特点： ① Pe" 使 PeM。 o ② PeM 产生在θ＜90 处。 ③ 功角特性与矩角特性 不再是正弦波。
发电机： PN 3U N I N cos N
电动机： PN 3U N I NN cos N
第二节 同步电机的磁场分析 －电枢反应
同步电机运行分析
1 、空载运行：
• 额定转速n，电机极对数p
• 转子励磁绕组通直流电流If，产生磁通0
• 定子绕组感应电势E0，定子开路，电流Ia＝0
• 电机中仅存在直流励磁电流If
思考：电动机与发电机有何区别？
忽略同步电动机定子电阻Ra上的损耗
从相量图中可知，
P UI cos em P 1 3

Pem 3UI cos 3UI cos( ) 3UI cos cos 3UI sin sin
I d I sin I q I cos I d X d E0 U cos I q X q U sin
Ia

Ff
I d Iq

0
F ad

E0

ad



F aq
aq

E ad E aq
E


E

I ra

6、凸极发电机的电势方程式
Ead j I d xad



Eaq j I q xaq



E j I x


E 0 U ra I j I d xd j I q xq
2）利用公式求出ψ：
arctan
xq I U sin ra I U cos
E 0 U ra I j I d xd j I q xq



Hale Waihona Puke Baidu

第四节 同步电机的运行特性
同步电机的运行特性
• 同步电机功率关系及功角特性 • 同步电机功率因数调节特性 • 同步发电机特性 • 同步发电机并联运行 • 同步电动机的起动
电枢磁势产生增磁作用，称为直轴增 磁电枢磁势。
（4）I与E0相差锐角相位时的电枢反应
• 电枢反应不仅存在交轴分量，还存在直轴分量
Faq Fa cos
Fa Fad Faq
Fad Fa sin
Iaq I cos
I I I ad aq
Iad I sin
电枢磁势按ψ角分解成作用在直轴磁路的磁势 及作用在交轴磁路的磁势。


E0
I

U

注：去掉 ra 即可得到简化等效电路
4、隐极发电机的相量图
已知发电机的端电压、负载电流和功率因数cosφ 及参数ra 、xt

j I xt
当功率因数 cosφ滞后时 的相量图
E0

I ra
δU


思考：隐极 同步电动机 有何不同？

ψ φ
I
5、凸极发电机的电磁过程
If
• 凸极机的磁通分布图
第三节 同步发电机的电磁关系 与等效电路
同步发电机电磁过程与电势方程 1、隐极发电机的电磁过程
If
I I a

Ff
Fa
0 a


E0

Ea
E


E



I ra

E a j I xa


E j I x


2、隐极发电机的电势平衡方程
（2） Ia滞后E0 90电角度，即ψ=90 °；
（3） Ia超前E0 90电角度，即ψ=-90 °；
凸极电机的双反应理论
• 双反应理论：Fa的轴线既不和直轴也不和 交轴重合时，可以把Fa 分解为直轴分量 Fad和交轴分量Faq ，之后求出直轴和交 轴各自的电枢反应值，最后把它们的效果 叠加起来。
pn 感应电势频率： f 60
感应电势有效值：E0
4.44 f N 1k N 10
0
f
凸极同步发电机的空载磁场
2、空载特性
• 空载特性
E0 f ( I f )
• 磁化曲线
0 f ( F f )
3 、负载运行（电枢反应）
负载对称 三相电流对称 产生圆形旋转磁场
（1） Ia和 E0同相位（ψ =0）时的电枢反应
• 感应电势为最大值。
• 电流也在此瞬间到达最大值。
• 电枢磁势与A相绕组中心线相重合。
• 电枢磁势滞后于转子磁势90 交轴电枢反应。
（2）Ia滞后E090电角度（ψ=90 °）时的电枢反应
电枢磁势产生去磁作用，称为直轴去 磁电枢磁势。
（2）Ia超前E090电角度（ψ=90 °）时的电枢反应
其中：xd xad x
称为直轴同步电抗 称为交轴同步电抗
xq xaq x
思考：xd与xq有何不同，大小关系？
7、凸极发电机的相量图
已知端电压、负载电流和功率因数及ra 、xd、xq。
已知内功率因数角ψ 按照电势方程式的关系作出相量图 未知内功率因数角ψ

E Q U ra I j I xq E 0 j I d ( xd xq ) 1）利用方程式求出ψ：
n0
n0
同步发电机模型
同步电机特点： • 转子转速与磁场转速相等（同步）； • 转子电流频率为零（直流） • 用途
–发电 –无功调节 –电动机
二、同步电机的基本结构
• 定子
–铁心：0.5mm硅钢片 –绕组：电枢绕组，产生感应电势和电磁转矩 –机座及固定部件 –端盖
• 转子（凸极、隐极）
–转子铁心 –励磁绕组 –阻尼绕组 –轴承 –护环、中心环、滑环和风扇等
汽轮发电机定子结构
• 同步电动机的转子结构图
三、同步电机的励磁方式
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。
(1) 直流励磁机励磁 励磁绕组由小型直流发电机供电 (2) 静止整流器励磁 交流励磁机→整流→直流电→励磁绕组
(3) 旋转整流器励磁 交流励磁机→整流→直流电→励磁绕组
凸极电机的向量图
θ 的双重物理含义： ①励磁电动势 E0 与定子所加相电压 U 之间的 夹角（时间电角度） ②励磁磁动势 Ff 与气隙合成磁动势 F 之间的 夹角（空间电角度）
F Ff Fa
功角θ 意义的图示A：
Ff
0

F




Ea

a

U

E0

Ea

Fa
I

功角θ 意义的图示B