第06章 同步电机《电机学》课件
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第六章 同步电机
6.1 同步电机的基本结构和运行状态
6.2 同步发电机的空载磁场和电枢反应 6.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路 6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图 6.5 同步发电机的功率方程、转矩方程和功角特性 6.6 同步电机参数的测定
第六章 同步电机
6.7 同步发电机的运行特性 6.8 同步发电机与电网的并联运行 6.9 同步电动机与同步补偿机 6.10 同步发电机的不对称运行 6.11 同步发电机的三相突然短路 6.12 永磁同步电机
优点：转子上无励磁绕组和励磁电流，取消了电刷和滑环， 结构简单，运行可靠，效率高，维护工作量小；转 子上永磁材料的形状和尺寸可以灵活多样，尤其适 合于低速和高速电机。
目前永磁励磁在小型和微型同步电机中获得了广泛应用。 永磁励磁的缺点是其磁场不能根据电机的运行状态进行 方便和有效的调节。
四、额定值
• 额定容量 SN 或额定率PN 单位为 kW, kVA 同步发电机是指额定运行时输出的电功率；同步电动机是 指额定运行时轴上输出的机械功率；补偿机是指额定运行 时输出的无功功率。
Φ0
I f Ff B0 0
Φ f
路径：气隙电枢齿 电枢轭
电枢齿 气隙 极靴
系统的特点是系统简单，便于维护，电压稳定性好，动态 性能好，目前在同步发电机中已经采用。
（3）旋转整流器励磁
副励磁机 → 主励磁机 → 主发电机 （转极式） （转枢式） （转极式）
旋转部分
副励磁机
不可控 主励磁机 整流器
～
~
无刷，适合大容量发电机。
主发电机 电流 互感器
~
电压 互感器
电压 调整器
பைடு நூலகம்
优点：取消了电刷和集电环，运行比较可靠，尤其适合于 要求防爆、防燃的特殊场合。
• p=1 n = 3000r/min (50Hz) n = 3600r/min (60Hz)
• 采用隐极结构
• 基本采用卧式结构 • 转子细而长 L2 2 ~ 6
D2
转子高速旋转，对铁心的强度要求很高，就目前材料，转 子直径不能超过1.1m。
水轮发电机 由水轮机驱动的同步发电机 n = 几十~ 几百r/min
• 补偿机运行状态
δ = 0 时，不进行能量 转换，仅发出或吸收无 功功率，补偿机。
• 电动机运行状态 δ < 0 时，Te为驱动转 矩，带动负载运行。转 子输出机械功率，定子 吸收电功率。
三、同步电机的励磁方式 1.电励磁
（1）直流励磁机励磁 • 并励直流发电机（与同步电机同轴）
G
并励直流发电机
第六章 同步电机
同步电机转子转速是常值且与同步速相等，与负载的大 小无关。
n ns
60 f p
(r/ min)
同步电机主要用作发电机，也可以用作电动机和补偿机。
同步发电机的稳态对称运行 主要内容 同步电动机和调相机
同步发电机的不对称运行和三相突然短路
6.1 同步电机的基本结构和运行状态
一、基本结构
• 极对数多
•采用凸极结构
• 转子粗而短
D2 5 ~ 7 L2
• 励磁绕组为集中绕组
• 立式结构
• 阻尼绕组
阻尼绕组的结构与笼型感应电机的转子的笼型绕组相似。
阻尼绕组的作用作用 同步发电机中：抑制转子机械振荡 同步电动机和同步补偿机中：起动绕组 与感应电机一样同步电机定转子极数应相同。
二、同步电机的运行状态 同步电机有发电机、电动机、补偿机三种运行状态。 运行状态取决于磁场的相对位置
~
同步发电机
• 并励 + 他励直流发电机励磁
与并励直流发电机励磁相比，可提高励磁系统的反应速度，并使励磁 机在较低的电压下也能稳定运行。
副励磁机
主励磁机
同步发电机
G
G
~
带副励磁机的励磁系统 直流电机存在电刷和换向器，可靠性差，受换向限制，容量受限。
(2) 静止整流器励磁
• 他励式
交流副励磁机（中频） 交流主励磁机（100Hz）
，整体或低碳钢片迭成。
直流励磁绕组
:
同心式绕组或集中绕组
。
电刷和集电环
同步电机又分为隐极式和凸极式两种。
N
+
S
N
SS
+
N
隐极式
转子圆柱形，气隙均匀，转子机 械强度高，励磁绕组固定容易。
适合于高速发电机
凸极式
有明显的凸出的磁极，气 隙不均匀，制作简单。
适合于低速发电机
汽轮发电机 由汽轮机驱动的同步发电机
• 额定电压UN 单位为kV • 额定电流IN 单位为A, kA
• 额定频率 f N 单位为Hz • 额定功率因数 cosN
• 额定转速n N 单位为r/min • 额定温升θN • 额定励磁电流和电压 IfN 、UfN
6.2 同步发电机的空载磁场和电枢反应
一、空载运行
ns If I=0
1.空载磁场——主磁场
转子磁场 转子通入直流励磁电流产生，与转子同步旋转。 定子磁场 定子三相对称绕组流过三相对称电流产生，以
同步速旋转（等于转子转速）。
合成磁场 定子磁场和转子磁场的合成，以同步速旋转。
• 发电机运行状态 功率角δ 转子磁场轴线 领先合成磁场轴线的夹 角。
δ > 0时，Te为制动转矩，原动机的驱动转矩与电磁转矩Te 平衡 。转子吸收机械功率，定子发出电功率。
～
～
主发电机 电流互感器
～
自励 恒压器
可控 整流器
不可控 整流器
电压互感器
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：存在电刷滑环的滑动接触（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 电刷和滑环通入到主发电机的励磁绕组中。
缺点：发电机励磁回路的灭磁时间常数较大，不利于迅速 消除主发电机的内部故障。
无刷励磁多用于大、中容量的汽轮发电机、补偿机以及在特 殊环境下的同步发电机。
目前我国新装发电机容量一般为 30万kW 、60万kW、90万 kW等。多采用整流器励磁系统。
单机容量越大， 电机效率越高。
2.永磁励磁
永磁励磁采用永磁材料建立同步电机的磁场。
同步电机分为
旋转电枢式 旋转磁极式
旋转电枢式：磁极装在定子上，用于小容量同步电机中。
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。
旋转磁极式同步电机的结构
定子
铁心 : 绕组 :
0.5或 0.35mm的冷轧硅钢片 三相对称绕组
转子
铁心
隐极 : 气隙均匀，整块高强度合金钢。
凸极
:
气隙不均匀
6.1 同步电机的基本结构和运行状态
6.2 同步发电机的空载磁场和电枢反应 6.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路 6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图 6.5 同步发电机的功率方程、转矩方程和功角特性 6.6 同步电机参数的测定
第六章 同步电机
6.7 同步发电机的运行特性 6.8 同步发电机与电网的并联运行 6.9 同步电动机与同步补偿机 6.10 同步发电机的不对称运行 6.11 同步发电机的三相突然短路 6.12 永磁同步电机
优点：转子上无励磁绕组和励磁电流，取消了电刷和滑环， 结构简单，运行可靠，效率高，维护工作量小；转 子上永磁材料的形状和尺寸可以灵活多样，尤其适 合于低速和高速电机。
目前永磁励磁在小型和微型同步电机中获得了广泛应用。 永磁励磁的缺点是其磁场不能根据电机的运行状态进行 方便和有效的调节。
四、额定值
• 额定容量 SN 或额定率PN 单位为 kW, kVA 同步发电机是指额定运行时输出的电功率；同步电动机是 指额定运行时轴上输出的机械功率；补偿机是指额定运行 时输出的无功功率。
Φ0
I f Ff B0 0
Φ f
路径：气隙电枢齿 电枢轭
电枢齿 气隙 极靴
系统的特点是系统简单，便于维护，电压稳定性好，动态 性能好，目前在同步发电机中已经采用。
（3）旋转整流器励磁
副励磁机 → 主励磁机 → 主发电机 （转极式） （转枢式） （转极式）
旋转部分
副励磁机
不可控 主励磁机 整流器
～
~
无刷，适合大容量发电机。
主发电机 电流 互感器
~
电压 互感器
电压 调整器
பைடு நூலகம்
优点：取消了电刷和集电环，运行比较可靠，尤其适合于 要求防爆、防燃的特殊场合。
• p=1 n = 3000r/min (50Hz) n = 3600r/min (60Hz)
• 采用隐极结构
• 基本采用卧式结构 • 转子细而长 L2 2 ~ 6
D2
转子高速旋转，对铁心的强度要求很高，就目前材料，转 子直径不能超过1.1m。
水轮发电机 由水轮机驱动的同步发电机 n = 几十~ 几百r/min
• 补偿机运行状态
δ = 0 时，不进行能量 转换，仅发出或吸收无 功功率，补偿机。
• 电动机运行状态 δ < 0 时，Te为驱动转 矩，带动负载运行。转 子输出机械功率，定子 吸收电功率。
三、同步电机的励磁方式 1.电励磁
（1）直流励磁机励磁 • 并励直流发电机（与同步电机同轴）
G
并励直流发电机
第六章 同步电机
同步电机转子转速是常值且与同步速相等，与负载的大 小无关。
n ns
60 f p
(r/ min)
同步电机主要用作发电机，也可以用作电动机和补偿机。
同步发电机的稳态对称运行 主要内容 同步电动机和调相机
同步发电机的不对称运行和三相突然短路
6.1 同步电机的基本结构和运行状态
一、基本结构
• 极对数多
•采用凸极结构
• 转子粗而短
D2 5 ~ 7 L2
• 励磁绕组为集中绕组
• 立式结构
• 阻尼绕组
阻尼绕组的结构与笼型感应电机的转子的笼型绕组相似。
阻尼绕组的作用作用 同步发电机中：抑制转子机械振荡 同步电动机和同步补偿机中：起动绕组 与感应电机一样同步电机定转子极数应相同。
二、同步电机的运行状态 同步电机有发电机、电动机、补偿机三种运行状态。 运行状态取决于磁场的相对位置
~
同步发电机
• 并励 + 他励直流发电机励磁
与并励直流发电机励磁相比，可提高励磁系统的反应速度，并使励磁 机在较低的电压下也能稳定运行。
副励磁机
主励磁机
同步发电机
G
G
~
带副励磁机的励磁系统 直流电机存在电刷和换向器，可靠性差，受换向限制，容量受限。
(2) 静止整流器励磁
• 他励式
交流副励磁机（中频） 交流主励磁机（100Hz）
，整体或低碳钢片迭成。
直流励磁绕组
:
同心式绕组或集中绕组
。
电刷和集电环
同步电机又分为隐极式和凸极式两种。
N
+
S
N
SS
+
N
隐极式
转子圆柱形，气隙均匀，转子机 械强度高，励磁绕组固定容易。
适合于高速发电机
凸极式
有明显的凸出的磁极，气 隙不均匀，制作简单。
适合于低速发电机
汽轮发电机 由汽轮机驱动的同步发电机
• 额定电压UN 单位为kV • 额定电流IN 单位为A, kA
• 额定频率 f N 单位为Hz • 额定功率因数 cosN
• 额定转速n N 单位为r/min • 额定温升θN • 额定励磁电流和电压 IfN 、UfN
6.2 同步发电机的空载磁场和电枢反应
一、空载运行
ns If I=0
1.空载磁场——主磁场
转子磁场 转子通入直流励磁电流产生，与转子同步旋转。 定子磁场 定子三相对称绕组流过三相对称电流产生，以
同步速旋转（等于转子转速）。
合成磁场 定子磁场和转子磁场的合成，以同步速旋转。
• 发电机运行状态 功率角δ 转子磁场轴线 领先合成磁场轴线的夹 角。
δ > 0时，Te为制动转矩，原动机的驱动转矩与电磁转矩Te 平衡 。转子吸收机械功率，定子发出电功率。
～
～
主发电机 电流互感器
～
自励 恒压器
可控 整流器
不可控 整流器
电压互感器
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：存在电刷滑环的滑动接触（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 电刷和滑环通入到主发电机的励磁绕组中。
缺点：发电机励磁回路的灭磁时间常数较大，不利于迅速 消除主发电机的内部故障。
无刷励磁多用于大、中容量的汽轮发电机、补偿机以及在特 殊环境下的同步发电机。
目前我国新装发电机容量一般为 30万kW 、60万kW、90万 kW等。多采用整流器励磁系统。
单机容量越大， 电机效率越高。
2.永磁励磁
永磁励磁采用永磁材料建立同步电机的磁场。
同步电机分为
旋转电枢式 旋转磁极式
旋转电枢式：磁极装在定子上，用于小容量同步电机中。
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。
旋转磁极式同步电机的结构
定子
铁心 : 绕组 :
0.5或 0.35mm的冷轧硅钢片 三相对称绕组
转子
铁心
隐极 : 气隙均匀，整块高强度合金钢。
凸极
:
气隙不均匀