第六章 同步电机
《电力系统分析理论》课件第6章 同步发电机的基本方程
第六章 同步发电机的基本方程
用傅里叶系数表示，取基波：
LabLba[m0 m2co2s(a300)] LbcLcb[m0 m2co2s(a900)] LcaLac[m0 m2co2s(a1500)]
d q
i 0
32cso1iansa
coas(120)
sina(120)
1
coas(120)
sina(120)
1
ia ib ic
2
2
2
或缩记为：
id0 qPaibc
(61)7
第六章 同步发电机的基本方程
利用逆变换，可以得到：
coas coas(120)
sina sina(120)
电流的正方向与磁链的正方向符
a
dy
+
a
+
D
Q
D
ω
fQ
c +D +x
合右手螺旋定则，定子各绕组中 b
D
c
电流的正方向与磁链的正方向符
+z
b
合右手螺旋定则
q
第六章 同步发电机的基本方程
➢ 感应电势：与电流正方向 一致
➢ 定子电流：中性点流向机 v f 端
➢ 定子电压：电流流出端为 正
➢ 转子电压：提供正向电流 的励磁电压是正的
vf
f
Rf
0
0
if
00
D Q
0
0 0
RD 0
0 RQ
iD iQ
v为各绕组端电i为 压各 ；绕组电流；
(61)
第六章-同步发电机
同步电机知识点（整理：王子铟、包振）1.同步电机概述：主要用于发电机，也可用于电动机，其定子结构与异步电机相同，区别主要在转子侧。
同步电机的转子装有磁极，通入直流电流励磁，具有确定的极性。
“同步”的体现：转子旋转的速度必须严格和定子磁场同步。
2.同步电机的转速与负载的大小无关，计算公式为pfn 60=，当同步电机并入无穷大电网时，其转速固定，无法通过各类调节来改变。
3.同步电机的结构和分类：同步电机有旋转电枢式（磁极装在定子上，用于小容量同步电机中）和旋转磁极式（磁极装在转子上，为大中型同步电机的基本形式）两种，主要以旋转磁极式为主。
旋转磁极式同步电机又分为隐极式和凸极式两种隐极式电机的代表：汽轮发电机；凸极式代表：水轮发电机。
4.同步发电机的额定值①额定电压UN （V 、kV ）：额定运行时定子三相绕组上的线电压。
②额定电流IN （A 、kA ）：额定运行时流过定子绕组的线电流。
③额定功率因数cos φN:额定运行时输出有功功率和视在功率比值。
④额定效率ηN ：额定运行时的效率⑤额定容量S N =NN I U 3对发电机是出线端额定视在功率，单位为VA ，kVA 或MVA 对调相机是出线端额定无功功率，单位为var ，kvar 或Mvar ⑥额定功率P N对发电机是额定输出有功电功率P N =S N cos ϕN =N N I U 3cos ϕN对电动机是轴上输出额定机械功率P N =S N cos ϕN ηN =N N I U 3cos ϕN ηN5.同步发电机的空载运行（1）过程建立：转子励磁绕组通以直流励磁电流→形成静止磁场→转子由原动机拖动以同步转速旋转→静止磁场跟随转子一起转动，形成运动的磁场→交变的磁场在定子的三相对称绕组中感应出电动势。
因为定子电枢绕组开路，电枢电流为零，磁场全部由转子电流建立，因此漏磁通仅与转子励磁绕组交链。
感应电动势的计算：若主磁场B0在气隙中正弦分布，且以同步速n1旋转，则在定子绕组中产生对称三相电动势：︒∙︒∙︒∙∠=∠=∠=240,120,0000000E E E E E E C B A 有效值：0111044.4φN k N f E =(601pn f =)隐极机的励磁磁动势是矩形波，凸极机的励磁磁动势是阶梯波。
同步电机PPT课件
隐极机：气隙均匀、结构牢固， 主要应用于汽轮发电机； 凸极机：气隙不均匀、结构简 单，主要应用于水轮发电机；
300MW水氢冷发电机结构
二、隐极同步发电机的结构
隐极同步发电机主要用于汽轮发电机，由转子与定子组 成。由于汽轮机的转速很高，故汽轮发电机的转子只有一对 磁极，在额定转速每分钟3000转时输出50赫兹的三相交流电。
由于大型汽轮发电机转速高，转子磁极表面线速度达 150m/s以上，离心力很大，故转子直径不能过大，大型发电 机转子都为细长型。一般转子的L/D=2.5~6.5,容量愈大，比 值愈大。
1、定子部分 铁心：采用0.5mm厚 的硅钢片叠压而成。 作用是构成电机主 磁路。
绕组：采用多股导 线整体成型。作用 是产生电枢磁场并 感应电枢电动势。
国产200MW汽轮发电机定子
2、转子部分
转子铁芯与轴用高强 度高磁导率的合金钢 材整体制作，在转子 铁芯部分有一些轴向 与径向的孔隙，用来 通风冷却。作用构成 主磁路。
转子励磁绕组由多 个线圈组成，嵌放 在转子铁芯的槽中， 多个线圈串联起来 组成转子绕组，作 用通入直流电形成 主极磁场。
集电环
பைடு நூலகம்
1、定子部分
发电机定子铁芯由导磁良好的 硅钢片叠成，在铁芯内圆均匀 分布着许多槽，用来嵌放定子 线圈 ，每相绕组由多个整体成 型的线圈组成 ，按一定规律排 列。
大型水轮发电机通常都是立式 结构，整个机组传动部分的重 量以及作用在水轮机转轮上的 水推力均有推力轴承支撑，并 通过机架和机座传递到地基上
3、补偿机状态： δ=0
S
N
ns
No
Te 0
So
补偿机状态时电磁转矩为零，电机内无有功功率的转换。
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。
浙江大学同步电机 ppt课件
（Xd>Xq）
U jIdXadjIqXaqj(IdIq)XIRa
U jIdXdjIqXqIRa
二、同步发电机的相量图
隐极同步机： E 0U IR ajIX t
E 0
I
U
IRa
jIXt
凸极同步机：
jId Xd jIq Xq
E 0 U jI d X d jI q X q I R a
n
d轴 N
A
q轴
S×
X
• 主极轴线与电枢A相绕组的轴线正交； • A相励磁电动势的瞬时值达最大值； • 电枢电流与励磁电动势同相位， 达最大值。 • 基波电枢磁势Fa的轴线与A相绕组轴线重合。
q轴 A • 电枢磁势的轴线与转子的交轴重合；
F()
FEa0(a•)在任意瞬间， 电枢磁势的轴线恒与转子交轴
q轴
F()
A
Fa(a)
Faq
d轴 Ff1(0)
Fad
Faq：交轴电枢反应；
Fa Fad Faq
Fad Fa s in Faq Fa cos
Fad：直轴电枢反应（去磁）
Ia Id Iq I d I sin I q I cos
F a 1 . 35
N 1k w1 I p
对称负载时的电枢反应
❖空载时，同步电机中只有一个以同步转速旋转的励磁磁势；
❖当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组和负载一起构成闭 合通路，通路中流过的是三相对称的交流电流，当三相对称电 流流过三相对称绕组时，将会形成一个以同步速度旋转的旋转 磁势；
❖同步发电机接上三相对称负载以后，电机中除了随轴同转的转 子磁势 (称为机械旋转磁势)外，又多了一个电枢旋转磁势 (称为 电气旋转磁势) 。
电机学(辜承林)第6章 同步电机
同步电机主要用作发电机，世界上的电力几乎全都由同步发电机发出。同步电机也作电 动机运行，其特点是可以通过调节励磁电流来改变功率因数。正因为如此，同步电动机有一 种特殊运行方式，即接于电网作空载运行，称之为调相机，专门用于电网的无功补偿，以提 高功率因数，改善供电性能。
设产生定子侧旋转磁场的交流电流的频率为 f，电机的极对数为 p，则同步电机转速 n 与
电流频率 f 和极对数 p 的基本关系为
n = 60 f
(6.1)
p
我国规定交流电网的标准工作频率(简称工频)为 50Hz，即同步速与极对数成反比，最 高为 3000r/min，对应于 p=1。极对数愈多，转速愈低。
第六章 同步电机...............................
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第六章 同步电机习题课一、填空1. ★在同步电机中，只有存在 电枢反应才能实现机电能量转换。
答 交轴2. 同步发电机并网的条件是：（1） ；（2） ；（3） 。
答 发电机相序和电网相序要一致，发电机频率和电网频率要相同，发电机电压和电网电压大小要相等、相位要一致3. ★同步发电机在过励时从电网吸收 ，产生 电枢反应；同步电动机在过励时向电网输出 ，产生 电枢反应。
答 超前无功功率，直轴去磁，滞后无功功率，直轴增磁4. ★同步电机的功角δ有双重含义，一是 和 之间的夹角；二是 和 空间夹角。
答 励磁电动势，电压，主极轴线，气隙合成磁场轴线5. 凸极同步电机转子励磁匝数增加使q X 和d X 将 。
答 不变6. 凸极同步电机气隙增加使q X 和d X 将 。
7. 答 减小8. ★凸极同步发电机与电网并联，如将发电机励磁电流减为零，此时发电机电磁转矩为 。
答21qdm U11()s i n 22X X δ-Ω 二、选择1. 同步发电机的额定功率指（ ）。
A 转轴上输入的机械功率；B 转轴上输出的机械功率；C 电枢端口输入的电功率；D 电枢端口输出的电功率。
答 D2. ★同步发电机稳态运行时，若所带负载为感性8.0cos =ϕ，则其电枢反应的性质为（ ）。
A 交轴电枢反应；B 直轴去磁电枢反应；C 直轴去磁与交轴电枢反应；D 直轴增磁与交轴电枢反应。
答 C3. 同步发电机稳定短路电流不很大的原因是（ ）。
A 漏阻抗较大；B 短路电流产生去磁作用较强；C 电枢反应产生增磁作用；D 同步电抗较大。
答 B4. ★对称负载运行时，凸极同步发电机阻抗大小顺序排列为（ ）。
A q aq d ad X X X X X >>>>σ；B σX X X X X q aq d ad >>>>；C σX X X X X ad d aq q >>>>；D σX X X X X aq q ad d >>>>。
答 D5. 同步补偿机的作用是（ ）。
A 补偿电网电力不足；B 改善电网功率因数；C 作为用户的备用电源；D 作为同步发电机的励磁电源。
答 B三、判断1. ★负载运行的凸极同步发电机，励磁绕组突然断线，则电磁功率为零 。
（ ） 答 错2. 同步发电机的功率因数总是滞后的 。
（ ） 答 错3. 一并联在无穷大电网上的同步电机，要想增加发电机的输出功率，必须增加原动机的输入功率，因此原动机输入功率越大越好 。
（ ） 答 错4. 改变同步发电机的励磁电流，只能调节无功功率。
（ ） 答 错5. ★同步发电机静态过载能力与短路比成正比，因此短路比越大，静态稳定性越好。
（ ） 答 错6. ★同步发电机电枢反应的性质取决于负载的性质。
（ ） 答 错7. ★同步发电机的短路特性曲线与其空载特性曲线相似。
（ ） 答 错8. 同步发电机的稳态短路电流很大。
（ ）答 错9. 利用空载特性和短路特性可以测定同步发电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗。
（ ） 答 错10. ★凸极同步电机中直轴电枢反应电抗大于交轴电枢反应电抗。
（ ）答 对11. 与直流电机相同，在同步电机中，U E >还是U E <是判断电机作为发电机还是电动机运行的依据之一。
（ ） 答 错12. ★在同步发电机中，当励磁电动势0E 与I 电枢电流同相时，其电枢反应的性质为直轴电枢反应 。
（ ）答 错五、计算1. ★有一台三相汽轮发电机，kW P N 25000=，kV U N 5.10=，Y 接法，8.0cos =N ϕ（滞后），作单机运行。
由试验测得它的同步电抗标么值为13.2*=s X 。
电枢电阻忽略不计。
每相励磁电动势为V 7520，试求分下列几种情况接上三相对称负载时的电枢电流值，并说明其电枢反应的性质：(1) 每相是Ω52.7纯电阻； (2) 每相是Ω52.7纯电感；(3) 每相是Ω-)52.752.7(j 电阻电容性负载。
解 阻抗基值 Ω=Ω⨯⨯⨯====Φ53.31025000108.05.10cos 33622NN NNNNN N P UI UI U Z ϕ同步电抗 Ω=Ω⨯==52.753.313.2*N s s Z X X（1） 纯电阻负载时 电枢电流 A A j jXR E I s4570752.752.7075200-∠=+∠=+=电流滞后于0E 的角度为 45=ψ,故电枢反应是直轴去磁兼交磁作用。
（2） 纯电感负载时电枢电流 A A j X Xj E I s90500)52.752.7(07520)(0-∠=+∠=+=此时为 90=ψ,故电枢反应是直轴去磁作用。
（3） 阻容性负载且s X X =时，电枢电流 A A X Xj R E I s0100052.707520)(0∠=∠=-+=此时为0=ψ,故电枢反应是交磁作用。
2. ★有一台kW P N 25000=，kV U N 5.10=，Y 联接，8.0cos =ϕ（滞后）的汽轮发电机，13.2*=sX，电枢电阻略去不计。
试求额定负载下励磁电动势0E 及0E 与I 的夹角ψ。
解 845.2)13.216.0(8.0)sin ()cos (222***2**0=⨯++=++=s X I U U E ϕϕ故 kVkV E E 25.1735.10845.235.10*0=⨯==4425.187.36cos 87.36sin 1554.01cos sin tan =⨯+⨯=+=NNU U IX ϕϕψ因 281.0845.28.0c o s c o s *===EU ϕψ得 67.73=ψ3. ★有一台kW P N 725000=，kV U N 5.10=，Y 接法，8.0cos =N ϕ（滞后）的水轮发电机，0*=a R ，1*=dX，554.0*=q X ，试求在额定负载下励磁电动势0E 及0E 与I 的夹角。
解 8.0c o s =N ϕ 87.36=ϕ 故 27.55=ψ有 822.027.55sin 1sin **=⨯==ψI I d令 01*∠=I87.361*∠=U 则73.34822.09027.55822.0*-∠=-∠=dI 又 57.027.55cos 1cos **=⨯==ψI I q则27.5557.0*∠=q I*****0qq d d X I j X I j U E ++= 544.027.5557.073.34822.0187.361⨯∠+-∠⨯+∠= j j 27.55771.1∠= 故 kV kV U E E N 74.1035.10771.1*00=⨯==4.1887.3627.55=-=-=ϕψθ4. ★★有一台三相1500kW 水轮发电机，额定电压是6300V ，Y 接法，额定功率因数8.0cos =N ϕ（滞后），已知额定运行时的参数：Ω=2.21d X ，Ω=7.13qX，电枢电阻可略去不计。
试计算发电机在额定运行时的励磁电势。
解：Ω===17.21cos 321NN NNNN P UI UZ ϕ11**==NddZ XX646.01**==NqqZ X X43.20481.1)87.3690(646.01****∠=-∠+=+=qQ X I j U E 则3.5743.20=+=N ϕϕ将参考向量改为QE ，则有 349.0937.043.201*j U-=-∠=90842.0sin *-∠=-=ϕj I d54.0cos *==ϕq I则 ******0qq d d X I j X I j U E ++= 78.1646.054.0842.0349.0937.0=⨯++-=j j故 V V UE E N4.64743630078.13*0=⨯==5. ★★有一台凸极同步发电机，其直轴和交轴同步电抗标幺值分别等于1.0,0.6d q X X **==，电枢电阻可以忽略不计。
试计算发电机的额定电压，额定容量，cos 0.8φ=（滞后）时发电机励磁电动势*0E 。
解：（方法一） 令 *1.00U =∠ 1*cos0.836.871.036.87I φ-==∴=∠-计算电动势**** 1.00 1.036.870.60.48 1.44219.44Q qE E jI X j j =+=∠+∠-⨯=1.36+=∠ 019.4436.8756.31I E ψ =+=与的夹角直轴电枢电流 **sin 1sin 56.310.832d I I ψ==⨯=励磁电动势 *****0()1.4420.832(10.6)1.775Q d d qE E I X X =+-=+-= （方法二） ***sin 0.60.6arctan arctan arctan 1.556.31cos 0.8q I X U U φψφ++====直轴电枢电流 **sin 1sin 56.31d I I ψ==⨯励磁电动势****0c o s ()1.0c o s (56.3136.87)0.83211.775d d E U I X ψφ=-+=⨯-+⨯ =0.943+0.832=。