【2019-2020年整理】福州大学-电机学-12同步电机的基本理论和运行特性
第十二章 同步电机的基本理论和运行特性2
If 图12-29 由空载特性和零功率因数特性确定饱和同步电抗
o
a'
b
二、短路比
三、漏抗的测定和保梯电抗
1. 漏抗的测定
E 0, U a a' b' a'' o b'' c'' (a) If o e (b) If d b c' OCC c ZPF UN E 0, U a db agl OCC c ZPF
d jI dx d c Iq o Id I
图12-23 例12-3相量图
b jIx q
E0
U a
jI qx q
12-7 电枢绕组的漏抗 12-
12-8 同步发电机的空载、短路 12- 同步发电机的空载、 和负载特性
空载特性OCC 一、空载特性OCC
E 0* agl 1.0 OCC
E r* 0 1.0
0.5
0
o
e
0.5 1.0 1.5 2.0f
I*f
图12-38(c) 例12-4的特性曲线图
I*
U*
agl
OCC
a
2.0 1.0
d b i
c
SCC
1.0
0.5
0
o
e
0.5 1.0 1.5 2.0f
I*f
图12-38(d) 例12-4的特性曲线图
I*
U*
agl
OCC
a
2.0 1.0
' E 0*
d b i
N
IN
If 图12-36(1) 用磁动势法求 U
o
U I E UN
N
agl
OCC
E
SCC IN
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 ?
同步电机的基本理论和运行特性
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
同步电机的运行特性
同步发电机的运行特性同步发电机对称稳态运行时，保持转速为额定转速，端电压、电枢电流和励磁电流的变化关系。
一、空载特性1. 定义电枢绕组开路(空载)，保持转子转速为额定转速，电枢端电压U0(空载时即激磁电动势E0)随励磁电流If的变化曲线。
.2. 空载特性曲线见图6-113. 原因：交流绕组电动势公式。
4. 作用：判断同步发电机定子铁心的性能与故障。
二、短路特性1.定义：电枢绕组三相短接(短路，端电压U=0)，保持转子转速为额定转速，电枢电流I随励磁电流If的变化曲线。
2.短路特性曲线：见图6-243.原因：忽略电枢绕组的电阻Ra ，可认为短路电流为纯感性，即，则即此时，电枢反应的性质为直轴去磁的电枢反应，使气隙磁场不饱和，即。
所以，。
4.作用：配合空载特性求xd见图6-25，求xd 不饱和值，见图6-26，求xd 的饱和值，三、外特性及电压变化率1.定义保持转子转速为额定转速，且励磁电流 If 和负载功率因数cosφ不变，发电机端电压U随负载电流I的变化曲线，即U=f (I ) 。
2.外特性曲线见图6-30，负载功率因数不同，外特性曲线不同3.原因感性负载(cosφ =0.8滞后)和纯电阻负载时，外特性曲线是下降的。
这是由于电枢反应去磁作用和漏阻抗压降所引起的。
容性负载(cosφ=0.8超前)时，外特性曲线可能上升。
这是由于电枢反应助磁作用抵消漏阻抗压降使端电压下降的影响使端电压上升。
4.电压调整率调节发电机的励磁电流，使电枢电流为额定电流、功率因数为额定功率因数，端电压为额定电压，此时的励磁电流为额定励磁电流IfN。
保持励磁电流为IfN，转子转速为额定转速，卸去负载(即I=0)，此时端电压的升高的百分值即为电压调整率，用Δu表示，即Δu= 100%同步电机的电压调整率较大，汽轮发电机通常在(30~48)%，水轮发电机通常在(18~30)%;而变压器的仅有(5~8)%。
四、整特性1.定义保持转子转速为额定转速，发电机端电压为额定电压和负载功率因数cosφ不变，励磁电流If随负载电流I的变化曲线，即If = f(I)。
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。
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。
电机学知识点总结
电机学知识点总结电机，作为现代工业和日常生活中不可或缺的设备，其背后的电机学知识体系庞大而复杂。
下面我们来对电机学的重要知识点进行一番梳理。
首先，电机的分类是我们需要了解的基础。
电机主要分为直流电机和交流电机两大类。
直流电机结构相对简单，调速性能好，常用于对调速要求较高的场合，比如早期的电车和一些工业生产中的调速系统。
交流电机则又包括异步电机和同步电机。
异步电机结构简单、价格低廉、运行可靠，在工农业生产中应用广泛，像常见的风机、水泵大多采用异步电机驱动。
同步电机的转速与电源频率严格同步，具有功率因数可调等优点，常用于大型发电厂以及需要高精度转速控制的场合。
电机的工作原理是电机学的核心内容之一。
直流电机是依靠通电导体在磁场中受到电磁力的作用而转动。
其电磁转矩的大小与电枢电流和磁通成正比。
对于交流电机，异步电机是基于电磁感应原理工作的，定子绕组中通以三相交流电产生旋转磁场，转子绕组中的导体在旋转磁场的作用下产生感应电流，从而受到电磁力使转子转动。
同步电机则是通过转子磁场与定子旋转磁场的相互作用实现同步运行。
在电机的结构方面，无论是直流电机还是交流电机，都由定子和转子两大部分组成。
定子是电机的固定部分，主要包括定子铁芯、定子绕组等。
转子是电机的旋转部分，其结构形式则因电机类型的不同而有所差异。
例如，直流电机的转子有电枢铁芯、电枢绕组和换向器等；异步电机的转子有鼠笼式和绕线式两种，鼠笼式转子结构简单，绕线式转子则可以通过外接电阻来调节转速。
电机的参数也是非常重要的知识点。
比如，直流电机的主要参数有电枢电阻、电枢电感、励磁电阻和励磁电感等。
这些参数对于分析电机的性能和设计控制系统都有着至关重要的作用。
交流电机的参数则包括定子电阻、定子电感、转子电阻、转子电感以及互感等。
电机的运行特性是我们关注的重点之一。
直流电机的运行特性包括转速特性、转矩特性和效率特性等。
通过对这些特性的分析，可以了解电机在不同负载下的性能表现。
电机学-同步电机的最基本知识和结构
检查电机紧固情况
定期检查电机各部件的紧固情况， 包括地脚螺丝、端盖、轴承盖等， 确保没有松动或脱落现象。
润滑轴承
根据电机使用情况和要求，定 期对电机轴承进行润滑，保证 轴承运转灵活、无异常声响。
监测电机运行参数
定期监测电机的电压、电流、 温度等运行参数，确保电机在
允许范围内运行。
常见故障类型及原因分析
应用领域及重要性
应用领域
同步电机广泛应用于电力、冶金、石油、化工、纺织、造纸 等工业领域，以及交通运输、国防、航空航天等领域。
重要性
同步电机在国民经济和国防建设中占有重要地位。作为电动 机，它可驱动各种机械设备，实现生产过程自动化和电气化 ；作为发电机，它是电力系统中的重要组成部分，为工农业 生产和人民生活提供电能。
电机不能启动或启动困难
可能原因包括电源故障、电机内部故 障（如绕组短路或开路）、负载过重 等。括 轴承磨损、转子不平衡、气隙不均匀 等。
电机过热
可能原因包括过载、散热不良（如风 扇故障或散热片堵塞）、环境温度过 高等。
电机绝缘性能下降
可能原因包括绝缘老化、潮湿、污染 等，会导致电机漏电、匝间短路等故 障。
04
同步电机运行特性及性能 指标
空载运行特性
空载电压波形
同步电机在空载运行时，其端电 压波形应为正弦波，且波形畸变
率小。
空载电流
空载电流较小，通常为额定电流的 20%～30%，主要用于电机铁芯的 磁化。
空载损耗
主要包括铁损耗和机械损耗，用于 衡量电机在空载状态下的效率。
负载运行特性
负载电压波形
02
同步电机结构组成与部件 功能
定子部分
定子铁芯
构成电机磁路的一部分，并嵌放定子 绕组。一般采用0.5mm厚的硅钢片 冲制叠压而成，以减少涡流引起的热 量。
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一、隐极式同步电机的空载磁动势
基波分量
F f1 Ff
实际波形
Ff I f N f
x
N
S
定义：励磁磁动势波形系数
图12-13 隐极同步电机转子磁势
k f Ff 1 Ff
kf取决于r动势
f F f1 Ff
实际波形
基波分量
x
图12-14 凸极同步电机转子磁势 定义：励磁磁动势波形系数
表示其电动势、电压、电流及绕组匝链的磁通。
4 空间矢量相对于转子而言是静止的，由于转子以同 步速旋转，所以空间矢量相对于气隙而言就是以同 步速旋转的。
第二节 对称负载时同步电机的电枢反应
电枢反应的概念 电机带负载后，电枢电流产生的磁场将使空载气隙磁 场的分布发生变化，从而使绕组中的感应电动势发生 变化，这种现象称为电枢反应。 三个特殊角
考虑：如何改善同步发电机的电压波形？
五、时间相量和空间矢量
空间矢量：在空间按正弦规律分布的量 气隙磁动势基波分量 气隙磁密基波分量
F f1 B f1
时间相量：随时间按正弦规律变化的量 定子绕组所匝链的磁通 定子绕组感应电动势
0
思考：相量 图和矢量图 的区别？
E 0
时空矢量图的定义：将具有相同角速度的空间矢量和 时间相量画在同一坐标即为时空矢量图。
第四篇 同 步 电 机
第十六章 同步电机的基本理论和运行特性
电气工程与自动化学院 主讲 黄灿水
2016.3
配套教材：《电机学》，林荣文（福州大学），中国电力出版社，2014.1
目 录
第十六章 同步电机的基本理论和运行特性 16.1 同步发电机的空载运行 16.2 对称负载时同步电机的电枢反应
16.3 隐极同步发电机的分析方法
16.4 凸极同步发电机的分析方法
16.5 同步发电机对称运行时的特性
16.6 同步发电机的参数测定和短路比
第一节 同步发电机的空载运行
空载的定义 励磁绕组加直流：If=IfN，n=n1 电枢绕组开路：Ia=0 → Fa=0 → E0≠0 空载电动势E0 随 时间变化规律与 转子磁场沿空间
分布规律相同。
F
a
Fa I
Ea
A 相时空矢量图
图
结论：过励运行状态的同步电机将向电网输送感性无功功率。
电枢反应
滞后 E 180º 三、I ( 0
180
E E0
)时的电枢反应
A 相轴 时轴
A 相轴 q 时轴
E 0A IC
F f1
0
d
E 0B
A
Ea
a
量图
F
Fa I
A 相时空矢量图 运行状态：Fa 超前Ff1，处于电动机运行状态。
功率交换：仅从电网吸收有功功率（ P<0，Q=0）。 图12-19 时的电枢反应 电枢反应性质：交轴电枢反应。 励磁情况：正常励磁。
超前 四、 I
同步电机空载时的时空矢量图
时间相量和空间矢量都以相绕组轴线作为参考轴。
A相轴/时轴 交轴
Z B
ω1=2πf
E0A
A
N
S
直轴
X
Ff1 φ0A
Bf1
Y
C
交轴
同步电机空载时的时空矢量图
说明
1 时间相角有明确的物理意义，空间相角也有明确的
物理意义，但是时、空之间的“相角”无物理意义。 2 参考轴可以任意选择，但一般选择在相绕组轴线 3 空间矢量是由三相电枢或主极的共同作用产生的， 如磁动势和磁通密度。而时间相量仅指一相的量，
这是为了分析电 机特性而引入的 角度
的时间相位角，与电 内功率因数角 ：是 I 到E 0 机参数及负载有关 的时间相位角，与负 到U 外功率因数角 ：是 I 载有关 功率角（功角） ：是 U 与E 的时间相位角 0 三者关系： = +
四个轴：直轴、交轴、相轴、时轴 负载时的时空矢量图
功率交换：仅向电网输出有功功率（P>0，Q=0）。
励磁情况：正常励磁。
电枢反应性质：交轴电枢反应。 时的电枢反应
滞后 E 90º 二、I ( 90 )时的电枢反应 0
A 相轴 q 时轴
相轴 轴
IA E 0B
E0 E
d
F f1
0
F
a
Fa I
图
Ea 运行状态：Fa 与Ff1 相位相反，处于补偿机运行状态。 A 相时空矢量图
F
Ψ
E
E a
负载时的时空矢量图
空载时空矢量图
直轴电枢磁场：无功分量
交轴电枢磁场：有功分量
同相( 和E 一、I 0
A 相轴 时轴 E 0A IA IB E 0B
0)时的电枢反应
A 相轴 q 时轴 E0 E
F
d
F f1 0
a
I Fa Ea
A 相时空矢量图 特点：以A相绕组轴线作为空间矢量和时间相量的参考 间矢量图
四、电压波形的正弦畸变率 定义：
2 2 2 Um U U 2 m3 mk kv U m1
2 U mn n2
U m1
额定容量为10VA到1MVA的交流发电机，其线电压波形允许的
正弦畸变率不超过10%
额定容量为1MVA以上的交流发电机，其线电压波形允许的正 弦畸变率不超过5%
功率交换：仅向电网输出感性无功功率（P=0，Q>0）。 电枢反应性质：直轴去磁电枢反应。 励磁情况：为保持输出电压不变，必须增大励磁电流（过励）。
电枢反应
滞后 E 90º 二、I ( 90 )时的电枢反应 0
A 相轴 q 时轴
相轴 轴
IA E 0B
E0 E
d
F f1
0
Ff 1
4
F f sin
2
kf
4
sin
2
三、同步电机空载电动势相量
气隙磁场由转子磁极建立
磁通：主磁通和漏磁通
主磁路：气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身、转子轭
E 0 E 0A 0 E 120 E
0B 0
E 240 E 0C 0
E0 4.44 fN1k N 1 0
轴，则在时空矢量图上Φ0A与Ff1同相位，Fa与 I 同相位。
时的电枢反应
同相( 和E 一、I 0
A 相轴 时轴 E 0A IA IB E 0B
0)时的电枢反应
A 相轴 q 时轴 E0 E
F
d
F f1 0
a
I Fa Ea
间矢量图
运行状态：Fa 滞后Ff1，处于发电机运行状态。 A 相时空矢量图