第六篇同步电机
同步电机原理
同步电机原理
同步电机是通过电磁场的作用使转子与电磁场同步转动的电动机。
它的转速与电源频率保持恒定，通过调节电源频率可以改变电机的转速。
同步电机的工作原理基于磁场作用力和转子磁场相互作用。
当电机通电时，定子绕组产生的磁场会诱导转子内部产生磁场，使得转子与定子的磁场相互作用。
由于转子与定子磁场的相互作用，使得转子受到一定的作用力，从而开始旋转。
当转子和定子的磁场达到同步状态时，转子就能够稳定地与电磁场同步转动。
同步电机的转速取决于电源的频率，通常以每分钟转数（rpm）表示。
当电源的频率增加时，转子的速度也会相应增加；反之，当电源频率减小时，转子的速度也会减小。
这种关系是由电磁感应定律决定的，即电源频率的改变会影响磁场的变化速度，从而影响到转子的旋转速度。
同步电机具有稳定的转速和较高的效率，常用于要求稳定转速的应用，如时钟、计时器等。
此外，同步电机还广泛应用于工业生产中的压缩机、风机、泵等设备，以及轨道交通系统中的列车牵引、供电等方面。
电机学第六章同步电机
交流主励磁机（100Hz）
～
自励 恒压器
可控 整流器
～
不可控 整流器
主发电机 ～
电流互感器
电压互感器
静止整流器励磁
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、集电环的滑动接触（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，然后通过电刷和集电环通入到主发电机的励磁 绕组中。
当ψ角为不同值的电枢反应
Ψ=00 Ψ=900 Ψ=-900 00<Ψ<900 -900<Ψ<00
位置 q轴 d轴 d轴 d、q轴 d、q轴
电枢反应性质 交轴
直、去 直、增 交、直去 交、直增
负载性质 R L C
R、L R、C
励磁磁动势和电枢磁动势的区别
基波波形
幅值大小
位置
转速
励磁 磁动势
正弦波
恒定，由励磁电流决 由转子位置决定 由原动机的转速
Z
N
ns S
B
X
Fa
Y n s A相轴线 C Faq
电流超前电动势的向量图
FaqFacoψs 交磁
Fad Fa sin ψ 与Ff同 向，对 d轴磁场有加 强作用称之为助磁。
直轴电枢反应的影响 • 电机单机运行时，直轴电枢反应将直接影响端电压的大小。去磁时，端电压降低；助磁时 端电压升高。
• 并网运行时，直轴电枢反应影响电机输出的无功功率。
D2 5 ~ 7 L2
• 励磁绕组为集中绕组
• 立式结构
• 阻尼绕组
水轮发电机的转子结构
第六章同步电机1PPT课件
Ead jIdXad Eaq jIqXaq E jIX
E 0 U IR a E a d E a q E
E 0 U I R a jI d X a d + jI q X a q + jI X
I=Id +Iq E 0U IR ajIdX d+ jIqX q
6.2 同步电机的运行原理
6.2.1 同步发电机的空载运行
空载运行时，电机内的 磁场仅由励磁电流建立， 分为主磁通和漏 磁通。
主磁通：与定、转子同时铰链的基波磁通 漏磁通：仅与励磁绕组铰链以及主磁通的谐波分量
E04.44fN kN 1 0
返回
同步发电机空载运行的时——空矢量图
时间矢量和空间矢量
6.2.4 凸极同步发电机的负载运行
1、凸极同步发电机电枢反应的特点
双反应理论：当电枢磁动势作用在交、直轴间的任 意位置时，可以将其分解为交轴分量和直轴分量， 分别求出交、直轴电枢反应，最后再把它们的效果 叠加起来。
Fad Fa sin Faq Fa cos
2、不考虑饱和凸极同步发电机负载运行
把时间矢量图和空间矢量图画在一起，如果各相时间矢量的时间 轴都取在各自的相轴线上，这样相电流矢量和三相合成磁动势基 波矢量就重合了。
6.2.2 同步发电机的电枢反应
当发电机带上负载运行，定子绕组中出现电流，该电流产生 旋转磁动势，影响励磁磁场，称之为电枢反应。
气隙磁场有励磁磁场和电枢磁场共同建立，并且两个 磁场均以同步速旋转，在空间上相对静止，在同步电 机中，无论是励磁磁场或电枢磁场都是指基波磁场
同步电机有旋转电枢式和旋转磁极式两种，主要以旋转 磁极式为主
06第六章 同步电机
= U cosψ 0 cosϕ + U sinψ 0 sin ϕ + IRa cosψ 0 + IX d sinψ 0
cosψ 0 =
(U cosϕ + IRa )2 + (U sin ϕ + IX q )2
E0 =
U cosϕ + IRa
sinψ 0 =
(U cosϕ + IRa )2 + (U sinϕ + IX q )2
得证第一式
U sin ϕ + IX q
代入前式得
(U cosϕ + IRa )2 + (U sinϕ + IX d )(U sinϕ + IX q ) (U cosϕ + IRa )2 + (U sin ϕ + IX q )2
IR IX cosϕ + a + sin ϕ + d U U
∗ 2 a 2 ∗ d ∗ q ∗ 2 a ∗ d ∗ 2 q ∗ a ∗2 a ∗ q ∗ d ∗ q ∗ 2 a ∗ 2 q
2 IX q IR sin ϕ + cosϕ + a + U U
∗ ∗ d Xq
)
得证第二式
∗ ∗ ∗ = Xq = Xs ，所以上两式简化为 对于隐极同步发电机，由于 X d = X q = X s 、 X d
E0 =
∗ E0 =
(U cosϕ + IRa )2 + (U sin ϕ + IX s )2
(U
∗
∗ cosϕ + Ra
) + (U
电机学同步电机1-11页文档资料
20.1 同步电机的基本结构
旋转电枢式
同步电机
旋转磁极式
隐极式：细长 凸极式：短粗
(a) 凸极式
(b) 隐极式
1-定子； 2-凸极转子；3-隐极转子；4-滑环
20.2 同步电机的运行状态和励磁方式
20.3 同步电机的冷却方式
1. 空气冷却 空气冷却主要采用内扇式轴向和径向混合通风系统，适用于容量为50MW以下的汽轮 发电机。 2. 氢气冷却 氢气冷却的效果明显优于空气冷却，在汽轮发电机中被广泛应用，并从外冷式发展为 内冷式，应用中注意防漏和防爆问题。 3.水冷却 水的冷却效果优于氢气。主要方式为内冷式，并且以定子绕组内冷的应用为多，但面 临泄露和积垢堵塞问题。
1. 运行状态 同步电机运行状态，取决于定子合成磁场与转子主极磁场之间的夹角，即功率
角δ 发电机——转子主极磁场超前于定子合成磁场，δ>0, 把机械能转换为电能 电动机——转子主极磁场滞后于定子合成磁场，δ<0, 把电能转换为机械能 补偿机——转子主极磁场轴线与定子合成磁场轴线重合，δ=0, 没有有功功率的转换，只发出或吸收无功功率。
21.1 同步发电机的空载运行
同步发电机的空载运行: 即电枢电流为零时的运行情况。 空载时电机磁场由励磁电流产生。 左下图为4极直流电机磁路的一部分。整个主磁路分气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁 极及定子磁轭五个组成部分；漏磁路不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定 子铁轭形成闭合回路。
空载时直流电机内的磁场
同步电机的 基本结构
第六篇 同步电机
同步发电 机的运行 原理
同步电机的工作原理
同步机电的工作原理一、引言同步机电是一种常见的电动机，广泛应用于工业生产中。
了解同步机电的工作原理对于理解其性能和应用具有重要意义。
本文将详细介绍同步机电的工作原理，包括结构、原理和工作方式。
二、同步机电的结构同步机电由定子和转子组成。
定子是由三相绕组构成的，通常采用星型连接。
转子由磁体构成，通过轴承与机电的轴连接。
三、同步机电的工作原理1. 磁场产生同步机电通过定子绕组中的电流产生磁场。
当三相交流电通过绕组时，会形成旋转磁场。
这个旋转磁场是由电流在绕组中的相位差所决定的。
2. 磁场与转子的交互作用转子上的磁体与定子产生的旋转磁场相互作用。
由于磁体的磁性，转子会受到磁力的作用，导致转子开始旋转。
3. 同步运行由于定子产生的旋转磁场的频率与电源频率相同，转子的旋转速度与旋转磁场的速度保持同步。
因此，同步机电被称为同步机电。
四、同步机电的工作方式同步机电有两种常见的工作方式：同步发电和同步驱动。
1. 同步发电在同步发电中，同步机电作为发机电使用。
电源通过绕组提供电流，使得定子产生旋转磁场，而转子则被机械能驱动旋转。
旋转的转子通过感应产生电势，将电能转化为机械能。
2. 同步驱动在同步驱动中，同步机电作为驱动器使用。
电源通过绕组提供电流，使得定子产生旋转磁场，而转子则被外部机械装置驱动旋转。
同步机电通过转子的旋转产生磁场，将电能转化为机械能，从而驱动外部机械装置。
五、同步机电的优点和应用同步机电具有以下优点：1. 高效率：同步机电的效率较高，能够有效地转化电能为机械能。
2. 稳定性好：同步机电的转速稳定，能够保持与电源频率同步。
3. 调速性能好：同步机电可以通过调节电源频率或者改变绕组的连接方式来实现调速。
同步机电广泛应用于以下领域：1. 工业生产：同步机电常用于驱动工业生产中的机械装置，如泵、风机、压缩机等。
2. 发电厂：同步机电作为发机电使用，将机械能转化为电能。
3. 交通运输：同步机电在电动车、电车和高铁等交通工具中得到广泛应用。
同步电机的工作原理及应用
同步电机的工作原理及应用1. 同步电机的概述同步电机是一种将旋转磁场与电动机的转子转速同步的电动机。
它通过控制电源的频率和相位来实现稳定的工作,适用于多种应用领域。
2. 同步电机的工作原理同步电机采用磁通相互作用原理实现旋转。
当电流通过定子绕组时，会在定子上产生旋转磁场，而转子上的永磁体或电磁体则会受到这个旋转磁场的作用而旋转。
3. 同步电机的分类同步电机可以分为永磁同步电机和感应同步电机两种类型。
3.1 永磁同步电机永磁同步电机是指转子上带有永磁体的同步电机。
其转子磁场与定子磁场同步，通过调整电源频率和相位，可以实现对电机的转速控制。
3.2 感应同步电机感应同步电机是指转子上没有永磁体，而是通过感应磁场的方式来实现同步。
感应同步电机需要外加磁场激励，通常通过外部提供的励磁电流来实现转子的同步旋转。
4. 同步电机的应用同步电机由于其高效率、高功率因数和良好的控制性能，在工业领域有着广泛的应用。
4.1 工业驱动同步电机常用于工业驱动系统，包括压缩机、泵、风机、机床等。
其稳定的转速和精确的控制能力使其特别适合需要稳定输出转矩和精确控制转速的应用。
4.2 交通运输同步电机广泛应用于轨道交通系统，包括电动列车、城市轨道交通等。
同步电机在交通运输中具有高效率和快速响应的特点，能够提供稳定而可靠的动力。
4.3 可再生能源同步电机在可再生能源领域也有重要的应用，如风力发电机和水力发电机。
同步电机能够通过控制转子转速来匹配风力或水力资源的变化，从而提高能源的利用效率。
5. 同步电机的优势和局限性同步电机具有以下优势： - 高效率：同步电机由于无刷子结构和磁体转子的设计，具有较高的效率。
- 高功率因数：同步电机具有较高的功率因数，使得电源能够更有效地提供电能。
- 精确控制：同步电机的控制性能较好，可以实现精确的转速和转矩控制。
然而，同步电机也有一些局限性：- 同步电机较复杂：同步电机的结构较复杂，需要较高的工程设计和制造成本。
华中科技大学_电机学_第六章_同步电机(完美解析)概要
汽轮发电机完工后的定子
汽轮发电机转子加工
5
凸极同步电机
凸极同步电机的定子结构与隐极同步电机或异步电机的 基本相同，所不同的只是转子结构。
凸极同步电机转子由磁极、励磁线圈、磁轭和阻尼绕 组等部分构成。
6
凸极同步电机结构实物图
带阻尼绕组的凸极同步电机转子 水轮发电机定子分段铁心
7
三、 同步电机的励磁方式
21
双反应理论：
当 处于任意位置且不计饱和时：
分解
I Fa
E Fad ad ad
E Faq aq aq
或
I
分解
I d Fad ad Ead
I q Faq aq Eaq
气隙合成磁场：
B
E E E E ad aq 0
U＝U Nφ，必须增加 If △AEF称为特性三角形，其中：
AE IX σ AF I f 为等效励磁电流
I 不变， 特性三角形不变
33
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 电枢反应影响 电压调整率：
34
五、同步发电机稳态参数的计算与测定方法
1. 由空载和零功率因数特性确定定子Xδ,Ifa(Ffa)
由空载与零功率因数特性两特性之间存 在特性三角形的关系，确定Xσ, Ifa (Ffa)
IX σ Ffa
UN
磁路不饱和时， I X σ在线性段： 1）作直线OB； 2）过UN作直线平行于x轴，交零功 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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已知发电机的端电压、负载电流和功率因数及参数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
•
•
••
1.利用方程式求出ψ： EQ U ra I j I xq
2.利用公式求出ψ： arctan xq I U sin ra I U cos
•
0
•
Iq
U0≈1.25UN左右，可得空载特性曲线
。
短路特性可由三相稳态短路试验测得，试验线路如下页
图a）所示。将被试同步电机的电枢端点三相短路，用原动机
拖动被试电机到同步转速，调节励磁电流If使电枢电流I从零起 一直增加到1.2IN左右，便可得到短路特性曲线，如下页图b） 所示。
a)短路试验接线图
b)短路特性
短路时， 0 900，故 Iq ，0 I Id，而
所以
因为短路试验时磁路为不饱和，所以这里的E0(每相值)应从 气隙线上查出，如下图所示，求出的Xd值为不饱和值。
E0, I
气隙线
E0
空载特性
短路特性
I
o
Xd的饱和值与主磁路的饱和 情况有关。主磁路的饱和程度
取决于实际运行时作用在主磁
路上的合成磁动势，因而取决 E0,I 于相应的气隙电动势；如果不 计漏阻抗压降，则可近似认为 E0
额定转速nN ——指额定运行时电机的转速，对同步电机而言，即 为同步转速
6.3 空载和负载时同步发电机的磁场
一. 空载运行时同步发电机的磁场 空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所建立的主极磁
场。 图（a）表示一台四极电机空载时的磁通示意图。从图可见，主 极磁通分成主磁通Φ0和漏磁通Φδ两部分，前者通过气隙并与 定子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁绕组相交链。主磁 通所经过的主磁路包括空气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转 子轭等五部分。
•
E 03
j I 3 xt
V形曲线:并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率不 变时，表示电枢电流 I 和励磁电流 If 的关系曲线 I = f（If）
I Pe"m' Pe"m Pe'm
cos 1
不稳定 900
区域
Pe"m' Pe"m
Pe'm
Pem 0
超前
0 欠励
正 常
励
磁
滞后 I f
Q0
Q m U 2 xt
励磁电流改变时的有功功率和无功功率功角特性:
Pem Q
增 大 励 磁 电 流
b
a
a b
Q2
Pem2 Pe m1 P1
Q1
同步发电机不同运行方式时的相量图:
•
E01
•
jI1 xt
•
•
E0
•
j I xt
U
•
•
E02
jI 2 xt •
I
•
I1
•
I3
•
I2
•
φ2 φ φ3 1
B0
B
A
Te
Y
Z
N
ns
B
S
Fa
C
X
2. E0与 不I同相 （1） I滞后于 E时0 的空间矢量图
Ff
A
Z
N
B ns S Fad
X
A相轴线
ns
Faq
C Fa
（2） I滞后于 E时0 的时-空统一矢量图
Ff
•
0
1
Faq
0 •
I
•
E0
Fad
Fa
（2） I超前 E时0 的时-空统一矢量图
Ff
•
1
0
Fad
•
•
Ead j I d xad
•
•
Eaq j I q xaq
•
•
•
•
•
E 0 U ra I j I d xd j I q xq
•
•
E j I x
其中： xd xad x 称为直轴同步电抗 xq xaq x 称为交轴同步电抗
并且有 xd xq x
二.凸极发电机的相量图
NY
组，依次感应电势如下：
ns
eA Em sin t eB Em sin( t 120) eC Em sin( t 240)
B
S
C
X
2. 电动机工作原理
当同步电机的三相对称绕组通入对称三相电流时，在定子
中产生旋转磁场。该磁场与主极磁场互相作用，产生电磁力
矩，使转子跟着旋转磁场旋转。其原理图如下：
2
隐极电机的有功功率功角特性：
Pem
mUI cos
m
E0U xt
sin
P* em
U *I *
cos
E *0U * x*t
sin
发电机有功功率功角特性曲线：
Pem
Pemmax
Pem Pemmax
δ
0
900
1800
0
功率极限值(隐极)
Pem max
m E0U xt
δ
900
1800
两种电机功角特性的区别
第六章 同步电机
6.1 同步电机概述 6.2 同步电机的主要结构及基本工作原理 6.3 空载和负载时同步发电机的磁场 6.4 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路 6.5 凸极同步发电机的电压方程和相量图 6.6 同步发电机的功率平衡和转矩平衡 6.7 同步电机参数的测定 6.8 同步发电机的运行特性
n1 Ff Tem
N T1
n
S Fδ
δ
S
N
静态稳定的概念： 指电网或原动机方面出现某些微小扰动时，同步发电机能在这 种干扰消失后，继续保持原来的平衡运行状态。
判据： dPem 0
d
隐极发电机的判据：比整步功率(kW/rad)
Psyn
dPem
d
m E0U cos
xt
0
过载能力 Pem max
•
Fa
I
0
•
E0
6.4 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路
一.隐极同步发电机的电压方程
•
•
•
•
E 0 U ra I j I xt
•
•
•
简化方程式 E 0 U j I xt
其中 xt xa x 称为同步电抗
并且有 xt xa x
同步电抗的物理意义：表征对称负载下单位电枢电流三相 联合产生的电枢总磁场在电枢每相绕组中感应电势。
磁场。
2. 隐极式同步电机的结构 （1）定子部分:同凸极式 （2）转子部分
铁心 由电工钢片冲叠而成圆柱体铁心，外围有磁槽，槽 内安放励磁绕组，构成磁路。
绕组 励磁绕组，经电刷和滑环引入直流电，以形成主极 磁场。
二. 基本工作原理
1. 发电机工作原理
A
转子的主极磁场在原动机的
拖动下旋转，切割定子的三相绕 Z
0
•
U
•
Id
•
I
•
jIq Xq
•
I Ra
•
E0
•
j Id Xd
6.6 同步发电机的功率平衡和转矩平衡
一.有功功率
输入 功率P1
电磁功 率Pem
输出功 率P2
机械损 耗pmec
铁损pFe 附加损耗 pad
定子铜损 pcu1
Pem P1 (Pmec PFe Pad ) P1 P0 P2 Pem Pcu1 Pem
S
n1
No
n
N
n1
So
n
三. 额定值
额定容量SN(或额定功率PN )——指额定运行时电机的输辅出功率 额定电压UN —— 指额定运行时定子的线电压 额定电流IN —— 指额定运行时定子的线电流 额定功率因数cosΦ —— 指额定运行时电机的功率因数
额定频率fN ——指额定运行时电枢的频率。我国标准工频规定为 50Hz
1. E0与 I同相
(1)定子绕组内的电动势,电流和磁动势的空间矢量图
Ff
A B0
Z
N
ns
B
S
X
Y
ns
C
A相轴线
Fa
(2)时间矢量图
•
E 0C
•
IC
•
0C
•
E0B
•
0A
1
0
0• IA
时间参考轴
•
E0A
•
•
0B
IB
(3)时-空统一矢量图
Ff
•
B0 (0 )
1
d轴
Fn ( Faq )
•
•
I
E0
(4)气隙合成磁场与主磁场的相对位置
1.有功功率功角特性
定义：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 (δ)为有功功率功角特性。
凸极电机的有功功率功角特性：
Pem
P2
mUI cos
m
E0U xd
sin
U2 m
2
1 xq
1 xd
sin
旋转磁极式又可分为凸极式和隐极式两种。 1. 凸极式同步电机的结构 （1）定子部分
铁心 由电工钢片冲叠而成，其上安放三相对称绕组，构 成磁路。
绕组 三相对称绕组，通入三相对称电流，以产生旋转磁 场。
（2）转子部分 铁心 由电工钢片冲成凸极叠压而成，其上安放励磁绕
组，构成磁路。 绕组 励磁绕组，经电刷和滑环引入直流电，以形成主极