电机学第6章 同步电机
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电机学第五版课件汤蕴璆编著 第6章3同步发电机的电压方程、相量图和等效电路
X
E
0
0
～
E
E
I
U
E
I Ra jI X
s
0
U
a
E E0 E
I
7
E U I R a jX
电机学
隐极同步发电机 相量图的求解方法
d
已知：U, I, φ, Ra, Xs 求：E0, δ
E
0
c
0
U
I Ra
jI X
s
I
为了确定 ψ0，画出相量图，定义一个虚拟电动势： 与E0同相
d
EQ E0 j I
X
d
d
X
q
q
jI
d
d
X
d
X
q
U I Ra j I
X
d
jI
d
X
q
jI
X
d
X
q
E
U
E
Q
0
U I Ra j I q I
：
A
0
d
q
隐
11
极
凸
极
电机学
凸极同步发电机的电枢磁场
ψ0=90°
d轴 Fad Bad1 Bad Baq1 ψ0=0° q轴
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
凸极同步发电机的相量图
U sin IX q 0 arctan U cos IRa
第六章 同步电机
kV，Y 形联结，I1 = 460 A， = 0.8（电感性），Xd = 16 Ω，Xq = 8 Ω，Ra忽略不计。求Ψ、δ、E0 。
【例题】 某三相同步发电机， 已知 U1L = 11
－
3. 相量图 根据负载的功率因数和电路方程作相量图。
并设： U1 = U1 0 。
o
第六章 同步电机
忽略 R1 时： (a) 电 感 性 E0
θ Ψ
E0
jXs I1
jXs I1
I1
U1 R1I1 E0
θ Ψ
U1
E0
I1
(b) 电 阻 性
(c) 电 容 性
Ψ
θ
jXs I1 U1 R1I1 E0
I1 →Fa →Φa →Ea Φ→E R1I1
Ea E
U1 = E0＋Ea＋E－R1I1 因为 Ea ∝Φa ∝Fa ∝I1 ， Ea 滞后于Φa 90o ， 不计电枢铁耗，Φa 与 I1 同相位。 不计磁饱和
第六章 同步电机
Ea =－j Xa I1
E =－j X I1
※ Xa —— 电枢反应电抗。
第六章 同步电机
4. 主要种类
(1) 按能量转换的方式不同： 同步发动机、同步电动机。 (2) 按相数的不同: 三相、单相。 (3) 按转子结构的不同：隐极式、凸极式。 3~ 3~
+ －
N
×
+
S
－
·N · · ·S ·
× × × × ×
第六章 同步电机
(4) 按安装方式的不同： 卧式、立式。
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
《同步电机》课件
总结词：关键角色
详细描述：同步电机在电力系统中扮演着至关重要的角色。作为发电机，它可以将机械能转化为电能 ，为电力系统提供电源。作为电动机，它可以将电能转化为机械能，驱动各种设备和机械。此外，同 步电机还用于调节电力系统中的无功功率、稳定系统电压和改善电能质量。
CHAPTER 02
同步电机的结构与工作原理
同步电机的故障诊断与维护
同步电机的常见故障及原因分析
故障一
振动过大：可能原因是转子不 平衡、轴承损坏、气隙不均等
。
故障三
声音异常：可能原因是转子松 动、轴承损坏、气隙不均等。
故障二
温度过高：可能原因是负载过 大、通风不良、绕组短路等。
故障四
输出功率不足：可能原因是绕 组短路、转子断路等。
同步电机的故障诊断方法
同步电机的结构组成
01
02
03
转子
同步电机的主要旋转部分 ，通常由励磁绕组和铁芯 组成。
定子
固定部分，包括三相绕组 和机座。
气隙
转子和定子之间的间隙， 对电机性能有重要影响。
同步电机的工作原理
励磁绕组通电产生磁场
励磁绕组通电后产生磁场，该磁场与转子相互作用产生转矩。
旋转磁场与转子的相互作用
旋转的磁场与转子上的导体相互作用，产生转矩，使转子旋转。
智能化
未来同步电机技术将更加注重智能化，实现电机 的远程监控和智能控制。
绿色化
未来同步电机技术将更加注重绿色化，推动电机 的环保和可持续发展。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
直接控制
通过控制电机的输入电 压或电流，实现对电机 转矩和转速的直接控制
。
间接控制
通过控制电机的输入频 率或极数，实现对电机 转矩和转速的间接控制
详细描述：同步电机在电力系统中扮演着至关重要的角色。作为发电机，它可以将机械能转化为电能 ，为电力系统提供电源。作为电动机，它可以将电能转化为机械能，驱动各种设备和机械。此外，同 步电机还用于调节电力系统中的无功功率、稳定系统电压和改善电能质量。
CHAPTER 02
同步电机的结构与工作原理
同步电机的故障诊断与维护
同步电机的常见故障及原因分析
故障一
振动过大：可能原因是转子不 平衡、轴承损坏、气隙不均等
。
故障三
声音异常：可能原因是转子松 动、轴承损坏、气隙不均等。
故障二
温度过高：可能原因是负载过 大、通风不良、绕组短路等。
故障四
输出功率不足：可能原因是绕 组短路、转子断路等。
同步电机的故障诊断方法
同步电机的结构组成
01
02
03
转子
同步电机的主要旋转部分 ，通常由励磁绕组和铁芯 组成。
定子
固定部分，包括三相绕组 和机座。
气隙
转子和定子之间的间隙， 对电机性能有重要影响。
同步电机的工作原理
励磁绕组通电产生磁场
励磁绕组通电后产生磁场，该磁场与转子相互作用产生转矩。
旋转磁场与转子的相互作用
旋转的磁场与转子上的导体相互作用，产生转矩，使转子旋转。
智能化
未来同步电机技术将更加注重智能化，实现电机 的远程监控和智能控制。
绿色化
未来同步电机技术将更加注重绿色化，推动电机 的环保和可持续发展。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
直接控制
通过控制电机的输入电 压或电流，实现对电机 转矩和转速的直接控制
。
间接控制
通过控制电机的输入频 率或极数，实现对电机 转矩和转速的间接控制
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。
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• 额定电流IN 单位为A, kA • 额定功率因数
cos N
• 额定励磁电流和电压 IfN 、UfN
6.2 同步发电机的空载运行
一、空载运行 n s If I = 0 1.空载磁场——主磁场
I f Ff B0 0
主磁通 在三相绕组中感应对称电动势
Φ0
Φ f
I f f
漏磁通
1） 0 = 0 时
定子绕组电动势、电流及磁动势
在此时刻，A相电动势、 电流达到最大值，电枢
Ff
A
磁动势的轴线与A相绕
B0
组轴线重合，同时也与
Y
Z
ns
N
ns
C
A相轴线
q轴重合，即 Faq=Fa， 称为交轴电枢反应磁动
B
S
X
Fa
势。
同步发电机的交轴电枢反应
定子绕组电动势、电流和磁通的时间相量图
同步发电机
（火电厂、水电厂、核电厂）
同步电机
同步电动机
（主要用于驱动不要求调速的大功率机械， 优点是通过调节励磁改善电网的功率因数）
同步补偿机（调相机）
（空转的电动机，补偿电网的无功）
同步电机的分类
按用途分：
发电机、电动机和补偿机。
按结构特点分： 凸极、隐极。
卧式、立式。
按励磁方式分： 电励磁式、永磁式同步电机 。
E 0C
E 0B
频率：
pns f 60
三相对称电动势
2.空载特性
E0 , 0
E0 = f (I f)
气隙线
空载特性
U N
•
0较小时，磁路不饱和，空
载曲线的下部是一条直线；随 o的增大，铁心逐渐饱和， 空 载 曲线弯曲。
• 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。
当ψ角为不同值的电枢反应
位置 Ψ=00 Ψ=900 Ψ=-900 q轴 d轴 d轴 电枢反应性质 交轴 直、去 直、增 负载性质 R L C
00<Ψ<900
-900<Ψ<00
d、q轴
d、q轴
交、直去
交、直增
R、L
R、C
励磁磁动势和电枢磁动势的区别
基波波形 励磁 磁动势 正弦波 幅值大小 恒定，由励磁 电流决定 位 置 转 速
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 电磁转矩，抑制转速振荡。 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。
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？
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）
G
并励直流发电机
~
同步发电机
直流发电机励磁
• 并励 + 他励直流发电机励磁
与并励直流发电机励磁相比，可提高励磁系统的反应速度，并使励磁 机在较低的电压下也能稳定运行。
副励磁机
主励磁机 同步发电机
整块高强度合金钢。 隐极 : 气隙均匀， 铁心 整体或低碳钢片迭成。 转子 凸极 : 气隙不均匀， 直流励磁绕组: 同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
隐极式
+
N
S S
+
N
凸极式
同步电机的基本类型
转子圆柱形，气隙均匀，转子机
有明显的凸出的磁极，气 隙不均匀，制作简单。 适合于低速发电机
成的，称之为交磁作用。
气隙合成磁场与主磁场的相对位置图
2） Ψ 0 ≠ 0 时
电流滞后电动势
Faq Fa cosψ 交磁
Ff
A
Y
Z
N
ns
B
ns
C
A相轴线
Fad Fa sinψ与Ff 反 向，对d轴磁场有削 弱作用称之为去磁。
S
X
Faq
Fad
Fa
电流滞后电动势的向量图
电流超前电动势
Ff
A
采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向 时，电枢的电压方程为:
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:
滞后于 Φ 以90°电角度，若不计 在时间相位上， E a a 同相位，则 E 以90°电 与 I 将滞后于 I 定子铁耗, Φ a a 角度,亦可写成负电抗压降的形式，即:
o
If0
I f , Ff
同步电机的空载特性
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
60 f n s p 基波合成磁动势 F 1.35 N1 k I a w1 p Ba电枢反应磁场 B0 (空载磁场）
F I a
}
气隙合成磁场B
2. 电枢反应 电枢磁动势的基波对气隙磁场的影响 • 电枢反应使气隙磁场空间位置发生变化，直接关系到电机的 机电能量转换。 • 电枢反应的去磁或增磁，对电机的运行性能产生影响。 电枢反应的性质（交磁，去磁或增磁）取决于电枢磁动势和 主磁场在空间的相对位置。
之间的 和负载电流 I 这一相对位置决定于空载电动势 E 0 的相位差 0 ，称为内功率因数角。
由转子位置 决定
由原动机的 转速决定
电枢 磁动势
正弦波
恒定，由电枢 电流决定
由电流瞬时 值决定
由电流的 f 和p决定
6.3
隐极同步发电机的电压方程、相量图 和等效电路
1、不考虑磁饱和时
同步发电机负载运行时物理量的关系：
主极I f
电枢 I
Ff
Φ0 Φa
E0 Ea
E
Fa
Φ
E (E j I X )
（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
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
E 0 E E 120 E E 240 E 0A 0 0B 0 0C 0
空载电动势，即激磁电动势。 有效值： E
E 0A
0
4.44 f N1 kw1 0
按冷却方式分： 空冷、氢冷、水冷、混合冷却。
6.1
1. 基本结构
同步电机的基本结构和运行状态
旋转电枢式
隐极式
凸极式 旋转磁极式
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
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
的冷轧硅钢片 铁心 : 0.5 或 0.35mm 定子 绕组 : 三相对称绕组
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 。 及相应的气隙电动势 E 通Φ
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
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 生，以同步速旋转（等于转子转速）。
• 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。
s
与电枢电流 I （时
间相量）同相位； 空载磁通 与励
0
d轴
Fa ( Faq )
磁磁动势Ff同相位。
E0
I
时-空统一矢量图
气隙合成磁场与主磁场的相对位置
B0
A
Z
ns
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
N
Te
Y
加。这是由于电枢磁动
B
S
C
X
Fa
势（Fa=Faq）的作用造
整理前式可得：
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
X
Ra
I
隐极同步发电机 的等效电路：
U
隐极同步发电机的相量图
Φ0
Φa
Φ
Ea
j I X
E0
j I Xa
90
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。
• 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