同步电机的基本理论和运行特性
同步发电机基本工作原理及运行特性
同步发电机基本工作原理及运行特性一、基本工作原理及结构同步发电机是利用电磁感应原理，将机械能转变为电能的装置。
所谓电磁感应就是导体切割磁力线的能产生感应电势，将导体连接成闭合回路，就有电流通过的现象。
导体镶嵌在铁芯的槽里，铁芯是固定不动的称为定于（静子）。
磁极是转动的，称为转子。
它是由励磁绕组和铁芯组成的。
励磁绕组通过滑环与外部励磁回路相连，定子和转子是发电机的基本组成部分。
那么，三相交流电是如何产生的呢？直流电通入转子绕组后，就产生了稳恒的磁场，沿定于铁芯内圆，每相隔120度，分别安放三相绕组A－X、B－Y、C－Z。
当转子被汽轮机拖动以3000r/min旋转时，定子绕组便切割磁力线，产生感应电势，感应电势的方向可由右手定则来确定。
由于转子产生的磁场是旋转磁场，所以定子绕组切割磁力线的方向不断变化，在其中感应的电势方向就不断变化，因而形成交变电势即交流电势。
交流电势的额定频率为f，它决定于发电机的极对数P和转速n，其计算公式为:f=np/60HZ，我国规定交流电的频率为50HZ。
即：p=1，n=3000r/min交流电势的相位关系：转子以3000r/min的转速不停地旋转A、B、C三相绕组先后切割转子磁场的磁力线，所以三相绕组中电势的相位是不同的，因为定子绕组在安放时，空间角度相差120°相序为A－B－C。
何为同步呢？当发电机并列带负荷后，三相绕组中的定子电流（电枢电流）将合成一个旋转磁场，交流磁场与转子同速度，同方向旋转，这就是同步。
二、同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性，一般是指发电机的空载特性、短路特性、负载特性、外特性和调整特性等五种。
其中，外特性和调整特性是主要的运行特性，根据这些特性，运行人员可以判断发电机的运行状态是否正常，以便及时调整，保证高质量安全发电。
而空载特性、短路特性、负载特性则是检验发电机基本性能的特性，用于测量，计算发电机的各项基本参数。
1、外特性所谓外特性，就是励磁电流、转速、功率因数为常数的条件下，负荷变化时发电机端电压U的变化曲线。
同步发电机的运行原理及运行特性
性E质0 主与要I取决间于的相E0位与差I
( 称为内功率因数角)。电枢反应的 之间的相位差 ，亦即主要取决于负载
的性质。下面就 角的几种情况，分别讨论电枢反应的性质。
第8章 同步发电机的运行原理及运行特性
1. I E0
(ψ＝0°)时的电枢反应
当ψ=0°时，见图8-3，其中图(a)是一台同步发电机原理图。
状态，此时铁芯部分所消耗的磁压降与气隙所需磁压降相比较，
可略去不计，因此可认为绝大部分磁动势消耗于气隙中，由于
Φ∝Ff，因此空载曲线(磁化曲线)下部是一条直线。把它延长后所 得直线 OG(图8-2曲线2)称为气隙线。随着Φ0的增大，铁芯逐 渐饱和，它所消耗的磁压降不可忽略，此时空载曲线就逐渐变弯
曲。
起增磁作用。对于气隙磁场交轴电枢反应将使合成磁场的轴线位
置从空载时的直轴处逆转向后移了一个锐角δ，且幅值也有所增加，
但因磁路的饱和现象，交轴电枢反应有去磁作用。
第8章 同步发电机的运行原理及运行特性
图8-3 ψ=0°时的电枢反应
第8章 同步发电机的运行原理及运行特性
2. I
E0 90°(ψ=90°)时的电枢反应
的体温调节中枢调节神经和体液的作用，使产热和 散热保持动态平衡。
第8章 同步发电机的运行原理及运行特性
一、体表温度与深部温度
1.深部温度
2.体表温度
第8二章、同测步温发方电机法的运行原理及运行特性
1、玻璃体温计：最常见的体温计 2、电子体温计 3、耳温体温计 4、多功能红外体温计
第8三章、同测步温发部电机位的运行原理及运行特性
物理降温作为治疗措施
第8章 同步发电机的运行原理及运行特性
作业 1、发热的类型有哪几种 ? 2、发热常用的处置方法有哪些 ?
电机学 第四篇 同步电机
S U2 Fa
直轴去磁电枢反应 V轴
W2 V1
W轴
三、 时90的0 电枢反应
空载电动势 枢电流 I
E 0滞后电
900
Ff 与Fa之 间 夹
角 为 900
q轴 U轴
V2 W1
记Fa为Fad
d轴
Fa N
电枢反应性质：
Ff
U1
直轴助磁电枢反应 V轴
W2
S U2
V1
W轴
四、一般情况下的电枢反应
空 枢载电电流动势I角 E,超0 前电
六、 同步电机的额定值
同步电机的额定值有： 1）额定电压：是指在正常运行时，按照制造厂的规定，
定子三相绕组上的线电压。电压的单位用V或kV表示。 2）额定电流：流过定子绕组的线电流 。 3）额定功率：是指在正常运行时，电机的输出功率 。
A：对于发电机而言：输出的是电功率。
PN 3UN IN cosN
（二）静止的交流整流励磁系统
同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。副 励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励(有 时采用永磁发电机)。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励 磁机，而主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发 电机的励磁绕组。
1
c c'
当E0=UN 时：
F
Ff0
Ks
Ff0 F
ac ab
dn dc
(K
s
1.1
~
1.25)
0
gd
电机运行于曲线刚好弯曲处： 1、充分利用材料； 2、不会过分饱ห้องสมุดไป่ตู้;
E00 n
电机学同步电机部分知识点总结
二、 对称负载时的电枢反应
1. 同步电机空载时，气隙磁场就是由励磁磁动势所产生的同步旋转的主磁场， 在定子绕组中只感应有空载电动势，因为定子电流为 0，所以端电压就等于 空载电动势。带上对称负载以后，定子绕组流过负载电流时，电枢绕组就会 产生电枢磁动势以及相应的电枢磁场，若仅考虑其基波，则它与转子同向、 同速旋转，它的存在使空气隙磁动势分布发生变化，从而使空气隙磁场以及 绕组中的感应电动势发生变化，这种现象称为电枢反应。
因此，与之对应有直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗，再把电枢反应电 抗与漏抗相加，可得直轴同步电抗和交轴同步电抗。
四、同步发电机的参数及测定 1.不饱和同步电抗和饱和同步电抗：不饱和同步电抗的数值要比饱和同步电抗的 数值大得多。（因为饱和时，磁阻大，电抗就小）（有一规律：气隙大，磁阻就大， 电抗就小） 2.漏抗的测定和保梯电抗（电抗三角形） （1）负载特性：当电枢电流及功率因数均为常数时，端电压与励磁电流之间的 关系曲线 U=f(If)称为负载特性。
同步电机的基本原理和运行特性
一、 同步电机（电机转子的转速和旋转磁场转速相同）的结构
转子上装有磁极和励磁绕组。当励磁绕组通以直流电流后，电机内就产生转 子磁场。同步电机的磁极通常装在转子上，而电枢绕组放在定子上，通常称为旋 转磁极式电机。
旋转磁极式同步电机的转子有隐极和凸极两种结构，隐极电机的气隙均匀， 凸极电机的气隙不均匀（极弧下较小，而极间较大）。
6. 由内功率因数角判断同步电机的运行方式。
三、 隐极+凸极同步发电机的分析方法
1.电枢反应电抗的物理意义：电枢反应磁场在定子每相绕组中所感应的电枢反应 电动势 ，可以把它看作相电流所产生的一个电抗电压降，这个电抗便是电枢 反应电抗 。 2.同步电抗： = + ,包含两部分，一部分对应于定子绕组的漏磁通，另 一部分对应于定子电流所产生的电枢反应磁通。在实用上，我们通常不把它们分 开，而是把 + 当作一个同步电抗来处理。
第12章 同步电机的
第三节 同步电机的基本原理
一、同步电机的基本原理：
当同步发电机的转子在原动机的拖动下达到同步转速n1 时，由于转子绕组是由直流电流If 励磁， 所以转子绕组在气 隙中所建立的磁场相对于定子来说是一个与转子旋转方向相 同，转速大小相等的旋转磁场。该磁场切割定子上开路的三 相对称绕组， 在三相对称绕组中产生三相对称空载感应电 动势E0 。若改变励磁电流的大小则可相应地改变感应电动 势的大小，此时同步发电机处于空载运行。 当同步发电机带负载后，定子绕组构成闭合回路，产 生定子电流，该电流是三相对称电流，因而要在气隙中产生 与与转子旋转方向相同，转速大小相等的旋转磁场。此时定、 转子间旋转磁场相对静止，气隙中的磁场是定、转子旋转磁 场的合成。由于气隙中磁场的改变，定子绕组中感应电动势 的大小也将发生变化。
2、交流励磁机旋转整流系统
2、交流励磁机旋转整流系统
静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能 输送到旋转的励磁绕组，对于大容量的同步发电机，其 励磁电流达到数千安培，使得集电环严重过热。 旋转电枢式 在大容量的同步发电机中常采用不需要电刷和集电 环的旋转整流器励磁系统。 主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电 枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直 接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁 电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流 后供给。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置— —无刷励磁系统。
二、隐极同步电机的空载磁势
励磁绕组（分布绕组）埋于转子槽内，沿转子圆周气隙 近似均匀。
波形系数 kf Ff 1 Ff
阶梯形波幅值： Ff=IfNf
励磁磁势在空间的分布为一个阶梯形，受齿槽的影响,气 隙磁密呈现出波动变化。 用傅里叶极数可求出其基波分量 合理地选择大齿的宽度可以使气隙磁密的分布接近正弦 波。如无特殊说明，以后仅考虑磁通密度的基波分量
同步发电机的运行特性
同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性有（空载特性、短路特性、负载特性）合称电机基本特性、（外特性和调整特性）主要是运行特性等五种。
外特性和调整特性是主要的运行特性，根据这些特性，可以判断发电机的运行状态是否正常，以便及时调整，保证高质量安全发电。
空载特性、短路特性和负载特性是检验发电机基本性能的特性，用于测量、计算发电机的各项基本参数一、发电机的空载特性（Eo与IL关系）所谓发电机空载运行是指发电机以额定转速运转，定子不带负荷时的运行。
此时，空载电势Eo与励磁电流IL之间的关系叫做空载特性。
当发电机处于空载运行状态，其端电压U就等于电势Eo,因此，端电压U与励磁电流的关系曲线就是空载特性。
如图所示空载特性曲线E0=f(I),做空载特性试验时，应维持发电机转速不变，逐渐增加励磁电流，直至端电压等于额定电压的130%时为止。
在增加励磁电流的过程中，读取励磁电流值及与其对应的端电压值，便可以得到空载特性的上升分支。
接着减小励磁电流，按上面方法读取数值；便得到下降分支，如图2-1-2（a）所示。
由于两曲线的平均，如图中虚线所示。
空载特性曲线是发电机的一条最基本的特曲线。
可用来求发电机的电压变化率、不饱和的同步电抗值等参数。
二、发电机的短路特性（定子绕组的稳态电流I与励磁电流Ii的关系曲线）所谓发电机的短路特性，系指发电机在额定转速下，定子绕组短路时，定子绕组的稳态电流I与励磁电流Ii的关系曲线。
如图2-1-3所示。
短路试验测得的短路特性曲线，不但可以用来求取同步发电机的重要参数饱和的同步电抗与短路比外，在发电厂中，常用它来判断励磁绕组有无匝间短路等故障。
显然，励磁绕组存在匝间短路时，因安匝数的减少，短路特性曲线是会降低的。
三、发电机的外特性（负荷与端电压）所谓发电机的外特性，就是指励磁电流、转速、功率因数为常数的条件下，变更定子负荷电流时，端电压U的变化曲线，即U=f(I)曲线。
在滞后的功率因数情况下cos(θ),当定子电流增加时，电压降落较大，就是由于此时电枢反应是去磁的。
同步电机的三种运行状态及特点
同步电机的三种运行状态及特点
同步电机是一种电动机，具有与交流电源同步运行的特性。
同步电机的运行状态可以分为三种：同步运行状态、失步运行状态和过励磁运行状态。
同步运行状态是指电机的转速与交流电源的频率相等，这时电机的转速和电源频率之间的比值就是同步速度。
同步电机运行时转矩稳定，性能稳定可靠，但是启动时需要外部助力。
失步运行状态是指电机的转速低于同步速度，这时电机的转矩会减小，性能不稳定。
失步运行常常发生在电机负载过重或者启动阻力较大的情况下。
过励磁运行状态是指电机的励磁电流超过额定值，会导致电机过热甚至烧毁。
过励磁运行常常发生在电机负载突然减小或者电源电压波动较大的情况下。
综上所述，同步电机的三种运行状态各具特点，需要根据不同的使用情况进行选择和控制，以保证电机的正常工作和安全运行。
- 1 -。
电机学—同步电机的基本运行特性
➢ 空载时，
负载 I 增加， Fa´增加， 要保持 U＝U Nφ，必须增加 If
△AEF称为特性三角形，其中：
AE IX σ
AF If为等效励磁电流
➢ I 不变，
特性三角形不变
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
六、 Xd、Xq 的低转差测试法
1）方法：将被测试同步发电机拖动到接近同步转速（转差率小于0.01
），将励磁绕组开路，在定子侧加额定频率的相序与转子转向一致的 三相对成低电压（0.02UN），测量定子电压、电流与励磁绕组电压。
2）原理：在If＝0时，E0=0 Ra≈0
电枢磁场轴线与
转子直轴重合 Iq＝0, Id＝ I
n≠n1
电枢磁场轴线与
转子交轴重合 Id＝0, Iq＝ I
不同时刻，Xd > Xq,
Id < Iq
Hale Waihona Puke 因为此时外加电压U 很小，磁路不饱和， 此法测得的Xd、Xq为不饱和值。
（不饱和值）
在图中，由任意Ifk
3. 短路比
空载额定电压所对应的励磁电流If0励磁下三相 稳态短路时的短路电流Ik0与额定电流IN之比。
➢ Kc是同步发电机一个重要的性能、经济指标
△U大，稳定性差
当Kc小时，ku小，Xd大
气隙小，造价低，经济性好
当气隙增加，Xd减小，Kc增加,电机性能变好，造价增高
B
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。
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精品课件
精品课件
隐极机定子
(隐)内定子插入外机座
(隐)外机座加工
精品课件
凸极精机品定课件子机座
2、转子 汽轮发电机转子(隐极)
最大直径限制在1m左右 瘦长型：采用增大长度来增大容量（l/D=5~7) 形式：整块式、组合式 其它部件：转轴、风扇、集电环 大齿：小齿=1：2
汽轮发电机组
精品课件
三、同步电机的额定值（铭牌）
• 额定容量SN(或功率PN)：额定运行时的输出容量（或功率）
• 额定电压UN ——定子的线电压
• 额定电流IN ——定子的线电流
• 额定功率因数cosθN ——额定运行时电机的功率因数
• 额定频率fN ——我国标准工频50Hz
• 额定转速nN ——即为同步转速
• 额定效率ηN
（发电机： P NSNco N s3 U N INco N s
)
（电动机： P N S N co NN s3 U N IN co NN s )
• 额定励磁电压UfN和额定励精磁品电课件流IfN
课时小结
• 同步电机命名的由来？同步电机的基本特点和主 要用途？
• 电机产生旋转磁场的机理有哪些？它们间有什么 异共同点？
• 隐极机和凸极极的各自的结构特点比较？ • 同步电机运行方式？判别依据？ • 同步电机的额定值间的关系？
精品课件
§12.2 同步电机的励磁系统
励磁系统—为同步电机提供励磁电流(直流)的整个系统
一、励磁系统应满足的条件:
➢能稳定提供发电机从空载到满载(及过载)所需的If ➢当电网电压减小时,能快速强行励磁,提高系统稳定性.
转子
转子磁极铁芯
转子励磁绕组
集电环 （滑环）
定子
定子铁芯
B
S
A
C
N
S
A
N
定子绕组 电刷
+
C
B
精品课件
气隙
1、定子 （同一般的交流电机相似；尺寸大，常采用拼装）
组成：铁芯、绕组、机座及其他部件
定子铁心
定子绕组
机座 其他部件
0.35～0.5mm硅钢片，叠压 由扇型片拼成，省材，便于运输 矩形开口槽,径向,轴向通风道 —三相对称双层绕组(电枢）
电机学多媒体课件系列
第四篇 同 步 电 机
第十二章 同步电机的基本理论和运行特性
福州大学 电气工程与自动化学院
电机学教研组
2006.8
目录
第十二章 同步电机的基本理论和运行特性
12.1 同步电机的结构 12.2 同步电机的励磁系统 12.3 同步电机的空载运行 12.4 对称负载时的电枢反应 12.5 隐极同步发电机的分析方法 12.6 凸极同步发电机的分析方法 12.7 电枢绕组的漏抗 12.8 同步发电机的空载、短路和负载特性 12.9 同步发电机的参数及测定 12.10 同步发电机的稳态运行特性
精品课件
水轮发电机转子(凸极)
结构：凸极、极靴、阻尼绕组、转子支架 形式：矮胖，直径大（>10m） 安装：悬式、伞式(见下图)
吊装中的水轮发电机转子(320MW)
精品课件
转子其它部件：
磁极铁芯、转子轭、支撑筋、转轴 阻尼绕组及作用
精品课件
悬式
伞式
1、上导轴承 2、上机架 3、推力轴承 4、下导轴承 5、下机架
注：红色精为品转课动件 部件
2 、交流励磁机整流励磁系统
➢交流励磁机与整流装置相配合 ➢又可分为静止整流励磁和旋转整流励磁 ➢无电刷和集电环，系统运行可靠，励磁容量高
1）静止整流励磁系统(他励)
同轴连接
电压输出
交流副励磁机500Hz
12.1 同步电机的结构
1、基本特点 ①根据电磁感应原理工作的交流旋转电机 ②转子转速固定为同步转速
n
n1
60 f p
当f=50Hz时，p=1、2、3、4、5… 则： n=n1=3000、1500、1000、750、600…
2、主要用途
①主要作发电机
②电动机（无需调速、低速大功率机械、改善功率因数）
定子
S2
二、同步电机的构造特点
电机
旋转磁极式
隐极式 （Salient-pole）
凸极式 （Cylindrical-Rotor）
电枢：高电压、大电流，装在定子便于引出 磁极(励磁)：电流小，通过电刷可以引入转子
旋转电枢式
用于小容量或特殊用途同步电机 如同步电机的交流励磁机
精品课件
精品课件
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同步电机的组成：定子、(气隙)、转子
伞式： 优—减小电机的轴向高度和厂房高度，节约投资 缺—机械稳定性稍差，用于低速
悬式： 优—减小振动和增加机械稳定性，用于高速 缺—轴向高度大，投资成本高
精品课件
总结对比
隐极式 （Salient-pole）
N S
凸极式
（Cylindrical-Rotor） N
+
SS +
N
精品课件
水 轮 发 电 机 组
(直流励磁的机械旋转磁场)
★思考：区别（产生精机品理课件、转速、分布）？
同步机的三种运行方式:
发电机
转子磁场Ff超前于电枢磁场Fa Te与n1反向
补偿机
N1
定子
n 1 S2
n1
n1
S2
Te 0
电动机
转子磁场Ff滞后于电枢磁场Fa
Te与n1同向
精品课件
n1
T 驱动力 e
N1
n1
IABCa
n1
60f p
• 转子：磁极的励磁绕组通入直流电产生转子磁场
I f
• 定子、转子相互吸引，转子跟随定子旋转磁场旋转
n
n1
60 f p
可见：无论是同步发电机还是同步电动机，恒有：
n
精n品1 课件
60 f p
电枢磁场 Fa
两 (交流励磁的旋转磁场) 种 旋 转 磁 场 转子磁极磁场 F f
③补偿机（空转的同步电动机，向电网输送无功功率）
一、同步电机的基本工作原理
A、同步发电机
定子 铁芯 电枢绕组 (交流)
转子 铁芯 励磁绕组(直流)
转子加 直流励磁
★与异步机比较
相电势大小：
E4.44 fNw Km
频率： f pn
60
原动机
转子磁场
拖动转子 精品切课件割定子绕组
感应 三相交流电势
B、同步电动机： • 定子：三相绕组通入三相交流电→产生气隙旋转磁场
➢发电机突然甩负荷时能快速减磁，限制电压过高
➢当电机内部发生短路故障时,能快速灭磁.
➢运行可靠,维护方便,简单,经济.
➢多台并联运行时，能够成组配合调节无功功率.
二、励磁系统分类
直流励磁机励磁系统
静止整流励磁
交流励磁机整流励磁系统 旋转整流励磁
1、直流励磁机励磁系统
➢直流励磁机与同步发电机同轴 ➢最常用直流并励发电机;也有采用它励直流发电机 ➢一般带有自动电压调节器