第四章 同步电机
永磁同步电机的设计与控制
永磁同步电机的设计与控制第一章：绪论永磁同步电机是一种新型的高效率、高功率密度的电机，已经在电动汽车、风力发电机、工业自动化等领域得到了广泛的应用。
本文将详细介绍永磁同步电机的设计和控制方法。
第二章：永磁同步电机的结构及原理永磁同步电机分为表面永磁式和内置永磁式两种结构，本文主要介绍表面永磁式永磁同步电机。
表面永磁式永磁同步电机由定子、转子和永磁体三个部分组成。
其中，定子装有三个相位的绕组，电流流经绕组时产生旋转磁场。
转子则由带有永磁体的铁芯构成，永磁体的磁场与定子旋转磁场形成磁矩，从而产生转矩。
第三章：永磁同步电机的设计永磁同步电机的设计包括选型、计算和仿真三个方面。
选型时需要根据具体的应用场景，选择合适的功率、转速等参数。
计算方面需要根据电机的结构参数，如磁极数、绕组匝数等，计算电机的性能参数，如转子电感、定子电阻等。
仿真则是通过电机仿真软件进行的，可以进行电机性能模拟、相位电流控制仿真等。
第四章：永磁同步电机的控制永磁同步电机的控制包括电压源控制和电流源控制两种方式。
电压源控制是通过控制电机的电网侧电压，控制电机的转速和转矩，需要控制电机的反电动势。
电流源控制则是通过控制电机的电机侧电流，控制电机的转速和转矩。
电流源控制不需要控制反电动势，可以提高电机的控制精度。
第五章：永磁同步电机的应用永磁同步电机在电动汽车、风力发电机、工业自动化等领域得到了广泛应用。
在电动汽车中，永磁同步电机具有高效率、高功率密度、质量轻等优点。
在风力发电机中，永磁同步电机可以通过尽可能地提高风力机的利用率，提高风力发电机的发电效率。
在工业自动化中，永磁同步电机可以被应用于各种机械传动系统中，提高传动效率，降低能耗。
第六章：结论永磁同步电机是一种新型的高效率、高功率密度的电机，在电动汽车、风力发电机、工业自动化等领域有广泛的应用前景。
掌握永磁同步电机的设计和控制方法，对于电机的工程应用具有重要的意义。
同步发电机励磁控制系统及特性分析
第二节 同步发电机的励磁控制系统
三、静止励磁系统（发电机自并励系统）
300MW及以上机组励磁系统一般采用
发电机
无刷励磁和自并励方式。
TA
IEF
G ~
静止励磁系统(发电机自并励系统)中
一、直流励磁机系统
采用同轴的直流发电机作为励磁机，通过励磁调节器改变直流励磁机电 流，从而改变供给发电机转子的励磁电流，达到调节发电机电压和无功 的目的。
主要问题： （1）直流励磁机受换向器所限，其制造容量不大。 （2）整流子、电刷及滑环磨损，降低绝缘水平，运行维护麻烦。 （3）励磁调节速度慢，可靠性低。 按照励磁机励磁绕组的供电方式不同，可分为自励式和他励式两种。
负荷的无功电流是造成 E 与U 数值差的主要原因，
q
G
发电机的无功电流越大 ，差值越大。
第一节 概述
同步发电机的外特性必然是下降的，当励磁电流一定时，发电机端电压随无 功负荷增大而下降，必须通过不断的调节励磁电流来维持机端电压维持在给 定水平。
第一节 概述
(二)控制无功功率的分配
1.同步发电机与无穷大系统母线并联运行问题
第二节 同步发电机的励磁控制系统
同步发电机励磁控制系统的分类：
（1）直流励磁机系统：自励式直流励磁机系统、他励式直 流励磁机系统。 （2）交流励磁机系统：他励可控整流式交流励磁机系统、 自励式交流励磁机系统、具有副励磁机交流励磁机系统、 无刷励磁系统； （3）静止励磁系统
第二节 同步发电机的励磁控制系统
第四章 同步发电机励磁控制系统及特性分析
第一节：概 述:励磁控制系统的作用（重点） 第二节：同步发电机的励磁控制系统 第三节：励磁调节器 第四节：同步发电转子磁场的强励与灭磁
电力系统分析第四章(3)
4.4.1同步电机参数 本章以后各节如无特殊说明，所有量都为标幺值。对于时间t，有的文献采用标 幺值，也有采用有名值的，两种情况下，所有方程的形式基本相同，只是当时 间t 取有名值时，时间常数参数亦为有名值。本章介绍的时间常数为标幺值。 在同步电机基本方程式(4-44)和式(4-46)中，涉及的参数有Ra、Rf 、RD、 Rg、RQ、Xd、Xq、X0、Xf、XD、Xg、XQ、Xaf、XaD、Xag、XaQ、XfD、 XgQ，共18个，称作同步电机的原始参数，一般要获取同步电机这些原始参 数的准确值是比较困难的。
X ad Xσ f Xσ D
是同步电机的固有参数
(4-57)
4.4电机参数表示的同步电机方程 4.4电机参数表示的同步电机方程
4.4.2同步电机参数与其原始参数的关系 1. 电机参数的定义
iD
id
ψD
+
−
X σ D if
ψf
+
−
X σf
X ad
+ −
X σa
ψd
由于磁链与电流之间呈线性关系，X”d也可以看成是：当id增加一个单位， ΨD和Ψf皆保持不变情况下，d绕组所产生的磁链增量。 4) d轴开路暂态时间常数 轴开路暂态时间常数T’d0： 为当d、D绕组都开路时，f绕组电流if 的衰减 轴开路暂态时间常数 时间常数。在图中，令d、D绕组开路，可得 ′ Td0 = X f Rf (4-58) 注意图中并没有出现Rf 5) d轴开路次暂态时间常数 轴开路次暂态时间常数T”d0：为当d绕组开路，f绕组磁链保持为零且忽略 轴开路次暂态时间常数 f绕组电阻时，D 绕组电流iD的衰减时间常数。在图中，令d组开路，可得
船电单选题及简答有删减(有答案)
第四章、同步电机（60题）4 - 1、同步电机额定转速 b 理想空载转速。
A、大于B、等于C、小于D、小于等于4 - 2、对称稳定运行时，同步电机气隙中的主磁场是一个 c 磁场。
A、直流B、脉振C、圆形旋转D、椭圆形旋转4 - 3、同步发电机磁极中的鼠笼绕组称为 c 绕组。
A、阻尼B、起动C、励磁D、电枢4 - 4、同步电动机磁极中的鼠笼绕组称为绕组。
A、阻尼B、起动C、励磁D、电枢4 - 5、凸极式同步电机气隙磁密为： c 分布；隐极式为：分布。
A、正弦；正弦B、正弦；矩形C、矩形；正弦D、矩形；矩形4 - 6、与电网并联的同步发电机；其 c 子绕组通常采用接法。
A、转；YB、转；ΔC、定；YD、定；Δ4 - 7、同步发电机的“电枢反应”是由 c 引起的。
A、电枢电压B、电枢频率C、电枢电流D、励磁电流4 - 8、同步发电机电枢电流与空载电势同相位时的电枢反应是 a 电枢反应。
A、交轴B、交、直轴C、直轴去磁D、直轴增磁4 - 9、同步发电机单机带载运行时，端电压由负载电流的 c 决定。
A、大小B、性质C、大小和性质D、大小、性质和频率4 - 10、同步发电机运行时，通常要求随着负载的变化，其电压变化率最好 d 。
A、有规律变化B、保持最大C、保持最小D、恒定不变4 - 11、同步发电机运行时，通常要求随着负载的变化，其端电压最好 d 。
A、有规律变化B、保持最大C、保持最小D、恒定不变4 - 12、同步发电机的 b 随负载变化而变化的特性称为调节特性。
A、端电压B、励磁电流C、电磁转矩D、电磁功率4 - 13、根据调节特性对同步发电机进行调节的目的是保持 a 不变。
A、端电压B、励磁电流C、电磁转矩D、电磁功率4 - 14、同步发电机以额定转速运行，当励磁电流为零时，空载电压为 b 。
A、额定电压B、剩磁电压C、理想空载电压D、零4 - 15、同步发电机的同步电抗是由磁通引起的。
A、电枢反应B、电枢反应及主C、电枢反应及漏D、电枢反应及主、漏4 - 16、同步发电机的功率角是相量 b 之间的夹角。
电机学第四篇同步电机
电机学第四篇同步电机第四章同步电机一、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。
答主极轴线，气隙合成磁场轴线，励磁电动势，电压5. 凸极同步电机转子励磁匝数增加使Xq和Xd将。
答增加6. 凸极同步电机气隙增加使Xq和Xd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mU(211?)sin?2 XqXd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cos??0.8，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 X??Xad?Xd?Xaq?Xq；B Xad?Xd?Xaq?Xq?X?；C Xq?Xaq?Xd?Xad?X?；D Xd?Xad?Xq?Xaq?X?。
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。
电机第四章《电机设计(第2版)——高等学校教材》陈世坤 主编
2 2 IB RR I R RR IR 2 RR ( ) RR IB
4.1 绕组电阻的计算
二、感应电机 2、感应电机转子绕组每相电阻 （2）鼠笼绕组
IR 2p 如何求 的关系：每相邻导条电流之间相位差等于槽距电角 Z2 IB
相邻两段端环的电流相位差也等于
ⅰ）端环电阻 → 导条
4.4 漏电抗计算
一、槽漏抗的计算
1、单层整距绕组的槽漏抗 槽高部分（ h 1） （2）矩形开口槽单层整距绕组的槽漏抗
2 I 2 IN S
x F s2 h 1
F s2 dx b s dxl 0 ef x d d N x xh s 1 h h 2 1 2I 1 d l N x s2 0 0 ef s 3b s
交流电阻： 绕组通以交流时，由于集肤效应，电阻值较通直流时增大。
Rc K F R
K F 电阻增加系数( K F 1) R 电流电阻
4.1 绕组电阻的计算
一、直流电机
N a lc Ra w Ac (2a ) 2
N a 导体总数 lc 线圈或元件平均半匝长 Ac 导体截面积 2a 并联支路数
IB IR
∴导条电流等于相邻两端环电流之差（∵
很小）
Z IR 2 I B 2 p
IR
IR
IB 2sin
2
IB 2sin源自p 2IB
p
Z2 Z2 Z I RR ( R )2 RR ( 2 )2 RR IB 2 p
4.1 绕组电阻的计算
二、感应电机 2、感应电机转子绕组每相电阻 （1）鼠笼绕组
二、异步电机励磁电抗的计算方法
自动装置-第四章-同步发电机自动并列
第四童同步发电机自动并列装置第一节概述—、同期（并列）的概念：1、概念：同步发电机（包括同步调相机或另一系统）投入系统并列运行的操作过程称为同期（或并列）检查同期ZCH属于一种同期操作；发电机同期实质指合发电机出口DL2、意义：同期操作具有频繁性——正常运行（负荷大小-机组台数）事故情况（备用机组的投入）（1）提高供电可靠性和供电质量（2）减少备用容量（3）合理分配负荷，达到经济运行3、同期（并列）条件：系统母线电压u = U n, sin（6wr +其中：―、u）（fX <p——状态量理想条件：Us二0fs 二06=0 （合闸瞬间）实际允许条件：U s<5~10%U efsS0.2~0.5%fe 二0.1~0.25HZ6<10°二、同期方式：准同期自同期1、准同期（先励磁，后并车）:概念：将待并发电机先行励磁,调节发电机电压、频率、相位，使匕、f“6符合并列条件,将发电机DL合上,并入系统运行优点：icH小，对系统影响不大缺点：同期时间长；手动误操作会引起非同期并列分类：按操作自动化程度一手动自动半自动（手动调频、调压，自动合闸）应用：大容量发电机一应尽量采用自动或半自动准同期以手动准同期作为备用2、自同期（先并车，后励磁）概念：将接近同步转速（n二95%% ）而未加励磁的发电机投入系统，然后再加励磁，发电机借助电磁力矩被拉入同步（对4、6无要求，对fs要求亦较宽）优点：并列快；操作简单，避免误操作;事故下可迅速投入机组缺点：Lh大-威胁发电机线圈绝缘；振动大T影响机组端部固定应用：事故情况下投入水轮机组三、自动并列意义P38第二节自动准同期—、自动准同期装置功能①均频②均压③合闸(保证DL在6二0并列)半自动准同期：①、②手动，③自动二、脉动电压性质分析脉动电压：两个频率不同的电压向量差可用来检测fs、Us、81、脉动电压旋转向量分析4=几-5假设：①S不动,几则以3s ( co s=u)M-u)N=2nf s)相对几转动② 1% 1 = 1 久I 二Um则U s=2U m sin-2W廿-6 H &J丄3 Ie zk H 2x >1>k H 2<Jw -OO H OUSHOOO U T CUSH2um6H2TTU S H O尸竟常耳為卑亠冊«-©C 3-M"um ・NHUm®u o母、e l u e 2H 0.. £HUMSinooMiSN HUNSincoNtnUm (sincoMt —sincoNt )rcos+0N(50HZ )HusmCos3+$f 2(湘SH彗)、ffi fif ()击冃鬪、台®書。
电机及其拖动基础选择题
第二章变压器第三张异步电动机第四章同步电机第五章直流电机第六章控制电机第七章电力拖动基础1.电动机的输出功率的大小取决于____。
（d22）A．电动机的额定功率B．负载转矩C．电动机的转速D．电动机的转速及负载转矩2.直流发电机输出电压是从____两端输出的。
（b42）A．换向器B．电刷C．励礠线圈D．都不是3.直流发电机中感应电势与____成比例。
（d42）A．励磁电流B．主磁极磁通C．转子转速D．转速与主磁极磁通4.并励直流电动机可通过____使其反转。
（b42）A．该变电源电压极性B．改变电枢绕组两端电压极性C．同时改变励磁电流及电枢电流的方向D．改变负载转矩的方向5.直流电动机通常用____方法启动。
（b42）A．直接起动B．电枢回路串电阻C．励磁回路串电阻D．空载启动6.____式直流电动机当负载转矩增大时，转速降最大（c42）A．他励B．并励C.串励D. 复励7.直流电动机电枢绕组中的电流是____。
（b42）A．直流的B．交流的C．脉动的D．恒定的8.并励直流电动机轴上负载转矩增大时，转速____.（b22）A．恒定不变B．略有下降C．大大下降D．略有上升9.电动机的额定功率是指额定运行时____。
（b21）A．消耗的电功率B．转速与转矩的乘积C．电压与电流的乘积E．输入，输出功率的平均值10.直流发电机额定功率是指其额定运行时____。
（4b1）A．原动机输入给它的功率B．输出端电压与电流的乘积C．电磁转矩与转速的乘积D．感应电势与电枢电流的乘积11.并励直流电动机轻载运行时，若励磁绕组断开，会引起____。
（b42）A．电动机停车B．电动机“飞车”C．转速达到理想空载转速D．转速不稳定12.并励直流电动机转速降低时，其电磁转矩____。
（a42）A．增大B．减小C．不变D．由负载决定13.变压器的铁芯用硅钢片叠成，是为了____。
（b11）A．防止铁芯振动B．减小涡流损耗C．安装方便D．节省铁芯材料14.变压器具有____作用。
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同步电机可以按运行方式和结构形式进行分类。
1）按运行方式和功率转换方式
发电机
机械能转换成电能
同步电机 电动机
电能转换为机械能
调相机 2）按结构形式
专门用来调节电网的无功功率，改 善电网的功率因数，在调相机内基 本上不转换有功功率。
同步电机
旋转电枢式 旋转磁极式
小容量同步电机中得到某些应用
电动势的频率: f pn 60
式中 p——电机的极对数； n——转速，单位为r/min； f——频率，单位为Hz。
极同步电机的构造原理图
电机的极对数、转速一定，电机发出的交流电动动势的频率一定
2) 作为同步电动机运行
则需要在定子绕组上施以三相交流电压，电机内部便产生一
个旋转磁场。
旋转转速n1
60 f p
上，整个转子是
悬
以一种悬吊状态
转动转动
式
除立式结构外的绝大多数的凸 极同步电机
低速、大容量的水轮发电机和 大型水泵用的同步电动机
推力轴承装在转子下
伞
边的机架上，整个转
子是以一种被托架着
式
的状态转动
悬式
1－推力轴承 2－导轴承
伞式
悬式
运转时机械稳定性 好
机组的轴向高度 大
伞式
差
一）定子
定子结构一般和隐 极同步电机相同。
按照磁极的形状又可分为隐极式和凸极式
凸极式 隐极式
气隙特性
不均匀，极 弧底下气隙 较小，极间 部气隙较大
均匀
转子形 状 圆柱形
结构 特性 结构 制造 简单
采用条件 nm1i≤n1500r/ （2p≥4） 转速较高
实例
水轮发电机，同步 电动机及由内燃机 拖动的同步发电机 和调相机
汽轮机
凸极式
旋转磁极式同步电 机
这时转子绕组加上直流励磁，则转子将在定子旋转磁场的带动
下，沿定子磁场的旋转方向以相同的转速旋转
转子的转速：n
n1
60 f p
1－定子 2－凸极转子 3－隐极转子 4－集电环
隐极式
以常见的旋转磁极式同步电机为例，说明同步电机的基本结 构 隐极同步电机都采用卧式结构，有定子和转子两大部分
一）定子 定子：由定子铁心、定 子绕组、机座、端盖、 挡风装置等部件组成。
定子铁心：由厚0.5mm 的硅钢片叠成，整个铁 心则固定于机座上。
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发生 变化。
发电机的物理过 程可用图示表示
磁极的极靴上 一般还装有阻 尼绕组。阻尼
阻尼绕组
阻尼绕组 磁极铁心
磁极钢板
绕组：由插入
极靴阻尼槽内 的裸铜条和端
励磁绕组
部铜环焊接而
T尾
成
磁极固定在磁轭上，磁轭常用整块钢板或铸钢做成
同步电机的额定值
1）额定容量SN（单位为kV·A）或额定功率PN（单位为kW） 指南输出功率的保证值。对发电机通过额定容量可确定额定 电流，通过PN数可以确定配套原动机的容量。电动机的额定 容量一般都用kW表示。调相机则用kV·A表示。
应用比较广泛，并成为同步电 机的基本结构形式
同步电机的基本结构
转子
C A
定子绕组
机械端口
B 电端口定子铁心 Nhomakorabea1、汽轮发电机结构
定子铁心
2、水轮发电机结构 (1)立式水轮发电机
(2)卧式水轮发电机
3）水轮发电机结构转子结构 10000kW水轮机转子
4）现场运行的水轮发电机
旋转磁极式结构
大容量的水轮发电 机，由于定子直径 太大，通常把它分 成几瓣，分别制造 后，再运到电站拼 装成一整体。
小，厂房的高度 和造价低
采用条件
转速较高的电机 （150r/min以上）
转速较低的电机 （125r/min以下）
二）转子
凸极同步电机的转子主要由磁极、励磁绕组和转轴组成。
磁极：由厚1-15mm的钢板冲成磁极冲片，用铆钉装成一体 磁极上套装有励磁绕组 励磁绕组：由扁铜线绕成，各励磁绕组串联后接到集电环上
定子铁心的内圆槽内安 放定子绕组。
二）转子
转子由转子铁心、励磁绕组、护环、中心环、滑环及风扇等部 件组成
转子铁心的材料：既要求有良好的导磁性能，又需要有很高 的机械强度一般都采用整块的高机械强度和良好导磁性能的合 金钢锻成，与转轴锻成一个整体
沿转子铁心表面铣有槽以安放励磁绕组（见右图）。由图可 见在一个极距内约有1/3部分没有开槽，叫大齿。大齿的中 心实际上就是磁极中心。
U1
•
W2 •
V1
N
n •
S
U2
• V2
W1
旋转示意图1 旋转示意图2
3. 同步电机的运行方式
通常三相同步电机的定子是电枢，在定子铁心上开有槽，槽内 安置三相绕组（图中只画出了一相），转子上装有磁极和励磁 绕组。当励磁绕组通以直流电流后，转子即建立恒定磁场。
1) 作为发电机，当用原动机拖 动施转时，定子导体由于与此磁 场有相对运动而感生交流电动势，
1. 同步电机的物理模型
转子 q 轴
B轴 A
转子d 轴
Z
Y
1
B
C
X
A轴
C轴
图8-2 同步电机的物理模型
2. 同步电机的工作原理
现以同步发电机为例来说明同步电机的工作原理。当同步 发电机的转子在原动机的拖动下达到同步转速n0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。
2）额定电压UN（单位为V） 电机在额定运行时定子三相的 线电压
3）额定电流IN（单位为A） 电机在额定运行时定子的线电 流。
4）额定频率fN 我国标准工频为50Hz。 5）额定功率因数。
6）额定转速nN（单位为r/min）。 7）额定励磁电压UfN和额定励磁电流IfN。 8）额定温升。
同步电机的基本工作原理
励磁绕组：是由扁铜线绕成的同心式线 圈。由于隐极电机转束速很高，因此励 磁绕组在槽内需用不导磁高强度的硬铝 槽楔压紧。端部套上用高强度非磁性钢 锻成的护环。
隐极机的转速较高，所以转子的直径较
小而长度较长。
隐极发电机转子铁心
凸极同步电机的基本结构
凸极同步电机
卧式结构 立式结构
推力轴承装在转
子上边的上机架