电机学第六章同步电机
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《电机学同步电机》课件
同步电机的运行
1
同步电机的起动和饱和
解释同步电机的起动过程，包括对饱和现象的讨论。
2
同步电机与电源的同步性
探究同步电机与电源之间的同步性要求和影响因素。
3
同步电机的转速控制
探讨同步电机转速控制方法，包括定子电压和转子电流的控制。
同步电机的应用
同步电机在空调中的应用
讲解同步电机在空调系统中的作 用和优势。
《电机学同步电机》PPT课件
# 电机学同步电机PPT课件 ## 概述 - 什么是同步电机？ - 同步电机的工作原理 - 同分析永磁同步电机的内部组成和工作原理。
交流电动机的结构
讲解交流电动机的构造和工作原理。
同步电机的特点
介绍同步电机与其他电机的不同之处和特点。
同步电机在风机中的应用
介绍同步电机在风机系统中的应 用案例和效果。
同步电机在泵站中的应用
解释同步电机在水泵站系统中的 运行和应用场景。
同步电机的维护与保养
1
同步电机的检修
2
讲解同步电机故障排查和维修过程。
3
同步电机的保养
介绍同步电机的定期保养工作和注意事 项。
同步电机的故障排除
解决常见的同步电机故障问题，并提供 解决方案。
总结
同步电机的优缺点
分析同步电机的优点和局限性。
同步电机的发展趋势
探讨同步电机在未来的技术和市场发展趋势。
同步电机的未来发展前景
展望同步电机在工业和家用领域的未来应用和前景。
第六章同步电机1PPT课件
E E 0 E a d E a q E E E U I R a
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
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
电机学 第6章 同步电机 - 2
阻尼绕组对突然短路电流和励磁电流的影响：
转子装上阻尼绕组后，A相电流的表达式为：
iA
1 2E0[ X d
( 1 Xd
1 Xd
t
)e Td
( 1 X d
1 Xd
t
)e Td ]cos(t
0 )
2E0 X d
t
cos0e Ta
由于阻尼绕组的“屏蔽作用”，励磁绕组中直流感应电流的 初始幅值和峰值，将比无阻尼绕组时稍小。
5.同步补偿机
同步补偿机: 实质是一台不带任何机械负载 、专门用以改 善功率因数的同步电动机。
工作原理(按电动机惯例叙述) 正常励磁时，电枢电流很小，接近0 过励磁时，电流超前电压，即补偿机从电网 吸收超前的无功 欠励磁时，电流滞后电压，即补偿机从电网 吸收滞后的无功
过励补偿的工作原理
电力系统中大部分复杂为感性的，从电网吸收 一定的滞后无功，使电网功率因数很低。传输 一定功率时，电流偏大，线路损耗增加。
2E0
sin
t
e Ta
Xd
2. 无阻尼绕组时突然短路电流的表达式
突然短路时，电枢的短路电流中有交流分量和直流分量两部 分，即：
i i i
2E0[
1 Xd
( 1 Xd
1 Xd
t
)e Td ]sin(t )
2E0
sin
t
e Ta
Xd
突然短路时，定、转子电流的对应关系：
➢ 励磁电流的稳态分量If0将产生稳态短路电流；励磁电流的直 流瞬态分量△if=，与定子的瞬态交流分量相对应，两者均以 瞬态时间常数Td＇衰减；励磁电流中的交流分量，则与定子 电流中的直流自由分量相对应，两者均以电枢时间常数Ta衰 减。
转子装上阻尼绕组后，A相电流的表达式为：
iA
1 2E0[ X d
( 1 Xd
1 Xd
t
)e Td
( 1 X d
1 Xd
t
)e Td ]cos(t
0 )
2E0 X d
t
cos0e Ta
由于阻尼绕组的“屏蔽作用”，励磁绕组中直流感应电流的 初始幅值和峰值，将比无阻尼绕组时稍小。
5.同步补偿机
同步补偿机: 实质是一台不带任何机械负载 、专门用以改 善功率因数的同步电动机。
工作原理(按电动机惯例叙述) 正常励磁时，电枢电流很小，接近0 过励磁时，电流超前电压，即补偿机从电网 吸收超前的无功 欠励磁时，电流滞后电压，即补偿机从电网 吸收滞后的无功
过励补偿的工作原理
电力系统中大部分复杂为感性的，从电网吸收 一定的滞后无功，使电网功率因数很低。传输 一定功率时，电流偏大，线路损耗增加。
2E0
sin
t
e Ta
Xd
2. 无阻尼绕组时突然短路电流的表达式
突然短路时，电枢的短路电流中有交流分量和直流分量两部 分，即：
i i i
2E0[
1 Xd
( 1 Xd
1 Xd
t
)e Td ]sin(t )
2E0
sin
t
e Ta
Xd
突然短路时，定、转子电流的对应关系：
➢ 励磁电流的稳态分量If0将产生稳态短路电流；励磁电流的直 流瞬态分量△if=，与定子的瞬态交流分量相对应，两者均以 瞬态时间常数Td＇衰减；励磁电流中的交流分量，则与定子 电流中的直流自由分量相对应，两者均以电枢时间常数Ta衰 减。
电机学同步电机第六章第7讲
4.2 V形曲线
（6）V形曲线左侧存在着一个不稳定区(对应于θ>90°)， 且与欠励状态相连，因此，同步发电机不宜在 欠励状态下运行。
同步发电机的功角特性 同步发电机的有功功率调节
重点内容
同步发电机的无功功率调节和v形曲线
mE0UsinmUIcos常 数
Xt
E0sinIcos常数
Xt
4.1无功功率调节
E0sinIcos常数
Xt
当调节励磁电流使E0变化时 （1）Icosφ=常数，定子电流相量I的末端在一条与U垂直的
直线上（AB）
4.1无功功率调节
E0sinIcos常数
Xt
当调节励磁电流使E0变化时 （2）E0sinθ=常数，E0的末端在一条与U平行的直线上（DC）
3.2静态稳定
比整步转矩（整步转矩系数）： Tsyn=Psyn/Ω
3.2静态稳定 过载能力(静态过载倍数)----最大电磁功率与额定功率之比，用kM表示。
kM
Pem max PN
隐极电机：
3.2静态稳定
kM
1
sin N
实际电机，要求kM>1.7，即额定负载时最大允许的功率角θN≈35° 设计：25°<θN<35°
3.2静态稳定 静态稳定：
当电网或原动机偶然发生微小扰动时，若在扰动消失后发电机能自行回复到原运行状态稳 定运行；
静态不稳定： 不是静态稳定
3.2静态稳定 A:输入功率为PT，稳态运行，功率角θ A:输入功率波动，ΔPT, 功率角增加 Δ θ B点：稳态运行，PT + ΔPT = PemB
3.2静态稳定
电机学同步电机第六章第7 讲
上讲内容
电压调整率和额定励磁磁势的求法 同步发电机稳态参数的测定 同步发电机的并联运行 功率关系
06第六章 同步电机
由相量图还可得
= 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
= 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 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 20.4 同步电机的额定值
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
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
电机学答案第6章《同步电机》
第六章 同步电机6．1 同步电机和异步电机在结构上有哪些区别？同步电机：转子直流励磁，产生主磁场，包括隐极和凸极异步电机：转子隐极，是对称绕组，短路，绕组是闭合的，定子两者都一样。
6．2 什么叫同步电机？怎样由其极数决定它的转速？试问75r/min 、50Hz 的电机是几极的？同步电机：频率与电机转速之比为恒定的交流电机601f pn =，16060507540f n P ⨯===（极）6．3 为什么现代的大容量同步电机都做成旋转磁极式？∵励磁绕组电流相对较小，电压低，放在转子上引出较为方便，而电枢绕组电压高 ，电流大，放在转子上使结构复杂，引出不方便，故大容量电机将电枢绕组作为定子，磁极作为转子，称为旋转磁极式。
6．4汽轮发电机和水轮发电机的主要结构特点是什么？为什么有这样的特点？气轮发电机：转速高，一般为一对极，min 3000r n =，考虑到转子受离心力的作用，为很好的固定励磁绕组，转子作成细而长的圆柱形，且为隐极式结构。
转子铁心一般由高机械强度和磁导率较高的合金钢锻成器与转轴做成一个整体，铁心上开槽，放同心式励磁绕组。
水轮发电机：n 低，2P 较多，直径大，扁平形，且为立式结构，为使转子结构和加工工艺简单，转子为凸极式，励磁绕组是集中绕组，套在磁极上，磁极的极靴行装有阻尼绕组。
6．6 为什么水轮发电机要用阻尼绕组，而汽轮发电机却可以不用？水轮发电机一般为凸极结构，为使转子产生异步转矩，即能异步起动，加阻尼绕组。
汽轮发电机一般为隐极结构，它起动时的原理与异步机相同，∴不必加起动绕组。
6．7 一台转枢式三相同步发电机，电枢以转速n 逆时针方向旋转，对称负载运行时，电枢反应磁动势对电枢的转速和转向如何？对定子的转速又是多少？对电枢的转速为n ，为定子的转速为0，方向为顺时针。
原因是：要想产生平均转矩，励磁磁势与电枢反应磁势必然相对静止，而现在励磁磁势不变。
∴电枢反应磁势对定子也是相对静止的，而转子逆时针转，∴它必须顺时针转，方能在空间静止。
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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交流副励磁机（中频）
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
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
水轮发电机的磁极
同步发电机中：阻尼绕组中感应电流产生 转速振荡。
电磁转矩，抑制
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。
定子绕组电动势、电流和磁通的时间相量图
•
E 0C
•
0A
•
IC
s
ψ 0 •
E 0A
•
0B
•
IB
E 0B
定子绕组电动势、电流和磁通的时间相量图
各相电动势、电流和磁通间 的相位关系是相同的，所以 后边只画出一相。
时-空统一矢量图
Ff
•
B0 ( 0 )
s
d轴
Fa ( Faq)
凸极、隐极。 卧式、立式。 电励磁式、永磁式同步电机 。 空冷、氢冷、水冷、混合冷却。
6.1 同步电机的基本结构和运行状态 1. 基本结构
旋转电枢式
隐极式
旋转电枢式：电枢装在转子上，主极装在定子上。 只用于小容量同步电机中
凸极式 旋转磁极式
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 : 0.5或0.35m的m冷轧硅钢片 绕组 : 三相对称绕组
转子
铁心凸 隐极 极::气 气隙 隙不 均均 匀 整 ，整 匀 ， 块体高或强低度碳合钢金片钢迭。成。
直流励磁绕: 同 组心式绕组或集中 。绕组
同步电机又分为隐极式和凸极式两种。
N +
S
N
S
S
+
N
隐极式
凸极式
同步电机的基本类型
a
I
Ea jIXa
整理前式可得：
E 0 U I R a j I X j I X a U I R a j I X s
式中，Xs称为隐极同步电机的同步电抗，Xs=Xa+Xσ，它是对称稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两 个效应的一个综合参数。不计饱和时，Xs是一个常值。
Xs
•
•
I
E0
时-空统一矢量图
在时 - 空统一矢量图中，电枢
磁动势Fa（空间矢量）与电 枢电流 （时间相量）同相位；
空载磁通 同相位。
与励磁磁动势Ff
I
0
气隙合成磁场与主磁场的相对位置
B0
B
相对于主磁场，气隙合成磁场的轴线偏 移了一个角度，且幅值有所增加。这是
由于电枢磁动势（Fa=Faq）的作用造成 的，称之为交磁作用。
气隙线
空载特性
• 气隙线：不计铁心磁磁饱和的空载特性曲 线。
• 空载特性是同步电机的一条基本特性。
o
If0
同步电机的空载特性
If , Ff
二、对称三相负载时的电枢反应 空载时，同步电机的气隙磁场是由励磁磁动势所产生的主磁场B0。
1.接三相对称负载时的物理过程
I Fa
基波合成磁动势Fnas16.30p5fNp1kw1I
• 补偿机运行状态
δ = 0 时，电磁转矩为0，不进行能量 转换，仅发出或吸收无功功率。
• 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。
电动机补偿机运行状态示意图
3.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）
（2）永磁励磁 永磁励磁采用永磁材料建立同步电机的磁场。
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。
水轮发电机的定子结构
320MW水轮发电机
思考题
• 1.一台频率f=50Hz，转速n=3000r/min的汽轮发电机的极数是多少？ • 2.一台频率f=50Hz，极数2p=100的水轮发电机的转速是多少？
2. 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
• 采用隐极结构
• 基本采用卧式结构
• 转子细而长
L2 2 ~ 6 D2
隐极发电机的剖面图
转子高速旋转，对铁心的强度要求很高，就目前材料，转子直径一般不超过1.1m。
同步电机的外形图
汽轮发电机的转子结构
水轮发电机 由水轮机驱动的同步发电机 n = 几十~ 几百r/min • 极对数多 •采用凸极结构 • 转子粗而短
Xs ＝ X ＋Xa
2、考虑磁饱和时
考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理不再适用。此时，应先求出作用在主磁路上的合成磁动势F， 然后利用电机的磁化曲线 (空载曲线) 求出负载时的气隙磁通 及相应的气隙电动势 。
Φ
E
Ff
ka Fa
•
•
FΦ E
从气隙电动势
E 减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，使得电枢的端电压 ，即：
• 额定电流IN 单位为A, kA
• 额定功率因数
cosN
6.2 同步发电机的空载运行
一、空载运行 ns If I=0
1.空载磁场——主磁场
If F f B 00
Φ0
Φ f
主 磁 通 在 三 相 绕 组 中 感 应 对 称 电 动 势
If f 漏磁通
同步电机的空载磁场
若主磁场B0 在气隙中正弦分布，且以同步速ns旋转，则在定子绕组中产生对称三相电动势
3）旋转整流器励磁 优点：取消了电刷和集电环，运行比较可靠，适合大容量发电机，尤其适合于要求防爆、防燃
的特殊场合。 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。
一般地，单机容量越大， 电机效率越高。
4. 同步电机的额定值
• 额定容量 SN 或额定功率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。
• 额定电压UN 单位为kV • 额定频率 f N 单位为Hz • 额定转速n N 单位为r/min • 额定励磁电流和电压 IfN 、UfN
Xa
X
Ra
隐极同步发电机的等效电路：
•
I
•
•
•
E0
E
U
隐极同步发电机的相量图
•
Φ0
•
Φa •
•
Φ
E0
•
jI Xa
•
90
Ea
•
E•
jI X
•
•
U
•
I Ra
I
E 0 U I R a j I X j I X a U I R a j I X s
隐极同步发电机的相量
•
E0
•
U
0
•
转子主极磁场 转子通入直流励磁电流产生，与转子同步旋转。
定子合成磁场 定子三相对称绕组流过三相对称电流产 于转子转速）。
生，以同步速旋转（等
• 发电机运行状态 功率角δ 转子磁场轴线领先定子合成 磁场轴线的夹角。
发电机运行状态示意图 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。
E 0E aI(R ajX ) U
因为电枢反应电动势Ea正比于电枢反应磁通Φa不计磁饱和时，Φa又正比于电枢磁动势Fa和电枢电流I，即:
EaΦ aFaI
在时间相位上， 滞后于 以90°电角度，若不计
E Φ 定子铁耗, 与 同相位，则 将滞后a于 以90°电 a
角度,亦可写成负电抗压降的形式，即:
Φ I E a
I Ra
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
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
水轮发电机的磁极
同步发电机中：阻尼绕组中感应电流产生 转速振荡。
电磁转矩，抑制
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。
定子绕组电动势、电流和磁通的时间相量图
•
E 0C
•
0A
•
IC
s
ψ 0 •
E 0A
•
0B
•
IB
E 0B
定子绕组电动势、电流和磁通的时间相量图
各相电动势、电流和磁通间 的相位关系是相同的，所以 后边只画出一相。
时-空统一矢量图
Ff
•
B0 ( 0 )
s
d轴
Fa ( Faq)
凸极、隐极。 卧式、立式。 电励磁式、永磁式同步电机 。 空冷、氢冷、水冷、混合冷却。
6.1 同步电机的基本结构和运行状态 1. 基本结构
旋转电枢式
隐极式
旋转电枢式：电枢装在转子上，主极装在定子上。 只用于小容量同步电机中
凸极式 旋转磁极式
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 : 0.5或0.35m的m冷轧硅钢片 绕组 : 三相对称绕组
转子
铁心凸 隐极 极::气 气隙 隙不 均均 匀 整 ，整 匀 ， 块体高或强低度碳合钢金片钢迭。成。
直流励磁绕: 同 组心式绕组或集中 。绕组
同步电机又分为隐极式和凸极式两种。
N +
S
N
S
S
+
N
隐极式
凸极式
同步电机的基本类型
a
I
Ea jIXa
整理前式可得：
E 0 U I R a j I X j I X a U I R a j I X s
式中，Xs称为隐极同步电机的同步电抗，Xs=Xa+Xσ，它是对称稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两 个效应的一个综合参数。不计饱和时，Xs是一个常值。
Xs
•
•
I
E0
时-空统一矢量图
在时 - 空统一矢量图中，电枢
磁动势Fa（空间矢量）与电 枢电流 （时间相量）同相位；
空载磁通 同相位。
与励磁磁动势Ff
I
0
气隙合成磁场与主磁场的相对位置
B0
B
相对于主磁场，气隙合成磁场的轴线偏 移了一个角度，且幅值有所增加。这是
由于电枢磁动势（Fa=Faq）的作用造成 的，称之为交磁作用。
气隙线
空载特性
• 气隙线：不计铁心磁磁饱和的空载特性曲 线。
• 空载特性是同步电机的一条基本特性。
o
If0
同步电机的空载特性
If , Ff
二、对称三相负载时的电枢反应 空载时，同步电机的气隙磁场是由励磁磁动势所产生的主磁场B0。
1.接三相对称负载时的物理过程
I Fa
基波合成磁动势Fnas16.30p5fNp1kw1I
• 补偿机运行状态
δ = 0 时，电磁转矩为0，不进行能量 转换，仅发出或吸收无功功率。
• 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。
电动机补偿机运行状态示意图
3.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）
（2）永磁励磁 永磁励磁采用永磁材料建立同步电机的磁场。
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。
水轮发电机的定子结构
320MW水轮发电机
思考题
• 1.一台频率f=50Hz，转速n=3000r/min的汽轮发电机的极数是多少？ • 2.一台频率f=50Hz，极数2p=100的水轮发电机的转速是多少？
2. 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
• 采用隐极结构
• 基本采用卧式结构
• 转子细而长
L2 2 ~ 6 D2
隐极发电机的剖面图
转子高速旋转，对铁心的强度要求很高，就目前材料，转子直径一般不超过1.1m。
同步电机的外形图
汽轮发电机的转子结构
水轮发电机 由水轮机驱动的同步发电机 n = 几十~ 几百r/min • 极对数多 •采用凸极结构 • 转子粗而短
Xs ＝ X ＋Xa
2、考虑磁饱和时
考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理不再适用。此时，应先求出作用在主磁路上的合成磁动势F， 然后利用电机的磁化曲线 (空载曲线) 求出负载时的气隙磁通 及相应的气隙电动势 。
Φ
E
Ff
ka Fa
•
•
FΦ E
从气隙电动势
E 减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，使得电枢的端电压 ，即：
• 额定电流IN 单位为A, kA
• 额定功率因数
cosN
6.2 同步发电机的空载运行
一、空载运行 ns If I=0
1.空载磁场——主磁场
If F f B 00
Φ0
Φ f
主 磁 通 在 三 相 绕 组 中 感 应 对 称 电 动 势
If f 漏磁通
同步电机的空载磁场
若主磁场B0 在气隙中正弦分布，且以同步速ns旋转，则在定子绕组中产生对称三相电动势
3）旋转整流器励磁 优点：取消了电刷和集电环，运行比较可靠，适合大容量发电机，尤其适合于要求防爆、防燃
的特殊场合。 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。
一般地，单机容量越大， 电机效率越高。
4. 同步电机的额定值
• 额定容量 SN 或额定功率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。
• 额定电压UN 单位为kV • 额定频率 f N 单位为Hz • 额定转速n N 单位为r/min • 额定励磁电流和电压 IfN 、UfN
Xa
X
Ra
隐极同步发电机的等效电路：
•
I
•
•
•
E0
E
U
隐极同步发电机的相量图
•
Φ0
•
Φa •
•
Φ
E0
•
jI Xa
•
90
Ea
•
E•
jI X
•
•
U
•
I Ra
I
E 0 U I R a j I X j I X a U I R a j I X s
隐极同步发电机的相量
•
E0
•
U
0
•
转子主极磁场 转子通入直流励磁电流产生，与转子同步旋转。
定子合成磁场 定子三相对称绕组流过三相对称电流产 于转子转速）。
生，以同步速旋转（等
• 发电机运行状态 功率角δ 转子磁场轴线领先定子合成 磁场轴线的夹角。
发电机运行状态示意图 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。
E 0E aI(R ajX ) U
因为电枢反应电动势Ea正比于电枢反应磁通Φa不计磁饱和时，Φa又正比于电枢磁动势Fa和电枢电流I，即:
EaΦ aFaI
在时间相位上， 滞后于 以90°电角度，若不计
E Φ 定子铁耗, 与 同相位，则 将滞后a于 以90°电 a
角度,亦可写成负电抗压降的形式，即:
Φ I E a
I Ra