第六章同步电机磁场6.2
参考轴的选取是任意的。但一般
– 把相绕组轴线作为空间矢量参考轴
– 令时间相量参考轴与空间矢量参考轴重合
– 相绕组轴线－相轴； – 转子绕组轴线－直轴； – 与直轴正交（90度电角度）－交轴
时间相量：E&, &, I&,U& 空间矢量：F, B
相轴，交轴 时轴
1 2f1
直轴
27
5.时空相矢量图
28
17
（2）基波励磁磁动势
18
同步发电机的空载运行
19
3.基波气隙磁通密度
20
3.基波气隙磁通密度
21
同步发电机的空载运行
22
4.电枢绕组的磁链、感应电动势
23
4.电枢绕组的磁链、感应电动势
24
4.电枢绕组的磁链、感应电动势
25
同步发电机的空载运行
26
时间相量与空间矢量
画在同一坐标平面上的时间相量图和空间矢量图称为 时空矢量图。
51
同步发电机负载时的电枢反应
52
f
x 称为电机的励磁磁动势波
形系数，即
kf
Ff 1 Ff
12
（1）励磁磁动势
13
凸极式同步电机的空载磁动势
凸极同步电机的绕组式集中
绕组，它所产生的磁动势是矩形 波，幅值为 Ff ， 基波分量的振幅为
Ff 1
4
Ff
励磁磁动势的波形系数
kf
4
14
2.基波励磁磁动势
15
（2）基波励磁磁动势
16
（2）基波励磁磁动势
电流的性质。
同步和空载电势 E0 电机输出电流 I之间的相角 定义
为内功率因数角。
0 时，电流 I滞后于 E0； 端电压 U和 I 之间的相位角 称为外功率因数角 。
35
同步发电机负载时的电枢反应
36
同步发电机负载时的电枢反应
37
同步发电机负载时的电枢反应
38
电枢反应的性质
39
电枢反应的性质
Ea
时间相量图
时空矢量图
46
电枢反应的性质
47
电枢反应的性质（内功率因数角 90）
1 2f1
IA
时轴
E0 A
IB
E0C
IC
时间相量图
1 2f1
相轴，交轴 时轴
E E0
Ea
E0B 直轴 F Ff 1 Fa I
0 a
时空矢量图48ຫໍສະໝຸດ 电枢反应的性质49
电枢反应的性质
50
同步发电机负载时的电枢反应
分类，励磁系统主要有两大类： 一类是直流发电机作为励磁电源的直流励磁机
励磁系统； 另一类是用整流装置将交流变成直流后供给励 磁的交流励磁机整流励磁系统。
3
同步发电机的空载运行
4
同步电机的空载运行
空载运行时，电枢电流为零，仅有由励磁电流所建立的主极磁场。 主极磁通分为主磁通和主极漏磁通，主磁通所经过的路径称为
隐极式同步电机的转子绕组为分布绕组，在每极下有
一个大齿和若干个小齿，转子磁动势的空间分布波形为阶
梯波形，如下图所示，幅值为 Ff
I
f
N
（其中
f
I 为f 励磁电
流， N为f励磁绕组的每极匝数）
f
f f1
0
f f Ff Ff1
大齿
定义磁极磁动势的基波分
量振幅 Ff 1 与实际磁动势
最大幅值
Ff
之比为
k
，
43
电枢反应的性质（内功率因数角 180）
Fa在交轴，所以称交轴电枢反应，因合成磁势 F 有Ff增磁作用 因为I、E反相，所以不发无功功率
44
电枢反应的性质
45
电枢反应的性质（内功率因数角 90 ）
1 2f1
E0C
时轴
E0 A
IC
直轴
IA
IB
E0 B
相轴
交轴
时轴
1 2f1
E0
E
Ff 1 0 a I Fa
第二节 同步电机的运行原理（基本电磁关系）
1
第二节 同步电机的运行原理（基本电磁关系）
2
同步电机的励磁系统
同步电机运行时，必须在其转子励磁绕组中通 入直流电流，以便建立磁场，这个直流称为励 磁电流，供给励磁电流的整个系统称为励磁系 统。励磁系统是同步电机的重要组成部分，励 磁系统和励磁元件的性能对电机的运行性能有 重要影响。
5.时空相矢量图
29
5.时空相矢量图
30
5.时空相矢量图
31
同步发电机的空载运行
32
6.空载特性
33
对称负载时的电枢反应
34
对称负载时的电枢反应
空载：I≈0，Fa ≈0，气隙磁场只由转子电流产生； 负载时：I≠0，Fa ≠0，Fa对Ff的影响称电枢反应 同步电机电枢磁势与转子磁势间的相对位置取决于负载
E&0A E00 E&0B E0 120 E0C E0120 忽略高次谐波时，励磁电动势的有效值为
E0 4.44 fN1kw10
式中： 为0 每极的主磁通量
6
同步发电机的空载运行
7
同步发电机的空载运行
8
（1）励磁磁动势
9
（1）励磁磁动势
10
（1）励磁磁动势
11
隐极式同步电机的空载磁动势
40
电枢反应的性质
41
电枢反应的性质
42
电枢反应的性质（内功率因数角 0 ）
相矢图中，按参考轴设定，有：Ff 与0同方向，Fa与a同方向
I f Ff 0 E0 0 I Fa a Ea
Ff , Fa 90
Fa在交轴，所以称交轴电枢反应，因合成磁势 F 有Ff增磁作用 因为I、E同相，所以不发无功功率
主磁路，包括：空气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭五个 部分。
主极磁通
是否通过气隙
交链
主磁通 0 通过
主极漏磁通 f 不通过
于定子绕住相交链 仅与励磁绕组相交链
5
同步电机的空载运行
当转子以同步转速旋转时，主磁场就在气隙中 形成一个旋转磁场，它“切割”对称的三相定 子绕组后，就将在定子绕组内感应出频率为 f的 一组对称三相空载电动势：
第六章参数说明
第六章参数说明概述：本章详细讲述了ME320变频器各功能码的应用场合及具体的选值方法。
6.1 F0 基本功能组ME320电梯专用变频器是针对电梯高动态相应高精度调速等特点专门开发的，此参数系统默认为1，不可修改。
该参数仅供用户查看出厂机型用。
选择变频器的运行方式。
0：无速度传感器矢量控制指开环矢量。
主要是用于调试阶段运行或维修时的故障判断运行。
1：有速度传感器矢量控制指闭环矢量。
主要适用于高精度速度控制、转矩控制和位置伺服控制等对控制性能要求严格的场合。
电梯使用此种控制方式。
2：V/F控制适用于对控制精度要求不高的场合，如风机、泵类负载。
可用于一台变频器拖动多台电机的场合。
提示：选择矢量控制方式时在必须进行过电机参数辨识过程。
只有恢得准确的电机参数才能发挥矢量控制方式的优势。
通过调整速度调节器参数（F2组）可获得更优的性能。
选择变频器控制命令的通道。
变频器控制命令包括：启动、停机、正转、反转、点动等。
0：键盘控制（“LOCAL/REMOT”灯灭）；由键盘面板上的RUN、STOP/RES按键进行运行命令控制。
多功能键MF.K若设置为FWD/REV切换功能（F7.01设为2），可通过该键来改变运转方向。
1：端子控制（“LOCAL/REMOT”灯亮）；由多功能输入端子FWD、REV、JOGF、JOGR等进行运行命令控制。
2：通讯控制（“LOCAL/REMOT”灯闪烁）运行命令由上位机通过通讯方式给出。
选择此项时，必须选配我司通讯卡（可选件）。
选择变频器主给定频率的输入通道。
共有10种主给定频率通道：0：数字设定（不记忆）初始值为F0-08 “数字设定预置频率”的值。
可通过键盘的▲、▼键（或多功能输入端子的UP、DOWN）来改变变频器的设定频率值。
不记忆指变频器掉电后，变频器的设定频率值恢复为F0-08 “数字设定预置频率”值。
1：数字设定（记忆）初始值为F0-08 “数字设定预置频率”的值。
可通过键盘的▲、▼键（或多功能输入端子的UP、DOWN）来改变变频器的设定频率值。
电机学教材
第六章同步电机 (272)6.1 概述 (272)6.1.1 同步电机的结构型式 (272)6.1.2 同步电机的励磁方式 (278)6.1.3 同步电机的冷却方式 (278)6.1.4 同步电机的额定值 (278)6.2 同步电机的运行原理 (279)6.2.1 同步发电机的空载运行 (279)6.2.2 同步电机的电枢反应 (282)6.2.3 隐极同步发电机的负载运行 (286)6.2.4 凸极同步发电机的负载运行 (291)6.3 同步发电机的运行特性 (295)6.3.1 同步发电机的运行特性 (296)6.3.2 特性曲线在参数计算中的应用 (299)6.3.3 同步发电机稳态参数的测定 (306)6.4 同步发电机的并联运行 (307)6.4.1 投入并联的条件和方法 (308)6.4.2 功率和转矩平衡方程 (311)6.4.3 功角特性 (312)6.4.4 有功功率调节与静态稳定 (314)6.4.5 无功功率调节和V形曲线 (318)6.5 同步电动机和调相机 (319)6.5.1 基本电磁关系 (319)6.5.2 无功功率调节 (322)6.5.3 起动与调速 (323)6.5.4 调相机 (326)6.6 同步发电机的不对称运行 (327)6.6.1 相序阻抗和等效电路 (327)6.6.2 不对称稳态短路 (330)6.6.3 负序和零序参数测定 (334)6.6.4 不对称运行的影响 (336)6.7 同步电机的突然短路 (337)6.7.1 超导回路磁链守恒原理 (337)6.7.2 三相突然短路过程中的基本电磁关系 (338)6.7.3 同步电机的瞬态参数 (343)6.7.4 突然短路电流及其衰减时间常数 (347)6.7.5 突然短路对电机的影响 (351)6.8 特殊用途的同步电机 (352)6.8.1 磁阻同步电动机 (352)6.8.2 磁滞同步电动机 (354)6.8.3 反应式步进电动机 (356)习题 (358)电机学第六章同步电机272第六章同步电机同步电机是交流电机的一种。
同步发电机的磁场
.
.
.
.
EaE (jIaXajIaX)
.
.
jIa(XaX)jIa Xs
式气隙中均Xs匀，X为a常X数 。称为隐极同步电机的同步电抗，
27
电机学教案， 太原工业学院自动化系 温志明，wasxty_99@
电机学
电枢反应电抗的物理意义
同步发电机的磁场
这样同步发电机在负载下，电枢反应磁通 及漏磁通所产生的作用，可以通过同步电 抗压降的形式来表示了。
同步电机在正常状态下工作，磁路略呈饱 和。磁路的饱和程度越高，它的磁阻便越 大，所对应的电抗便会越小。所以磁阻或 电抗的大小是随着磁路饱和程度的改变而 改变的。
同步发电机的磁场
交轴电枢磁势固定地作用在交轴磁路，也对应于
一个恒定不变的磁阻，产生磁通
。磁通
aq
ad
与
aq分别切割定子绕组而在其中感应出电势 Ead 及 E aq。由于交轴及直轴的磁阻都恒定不变，所以
E ad 正比于 ad
， E aq
正比于
，因此，
aq
.
.
Ead j Id Xad
隐极同步电机：
隐极同步电机有一个特点就是定转子之间的气隙
是均匀分布的。下面我们就来分析他的电抗。
25
电机学教案， 太原工业学院自动化系 温志明，wasxty_99@
电机学
电枢反应电抗的物理意义
同步发电机的磁场
已知：
.
.
Ea j Ia Xa
其中的 X a 称为电枢反应电抗。在同样大小电流情况 下,如果 X a 越大，电枢反应电势也越大，表示着电 枢磁势所产生的电枢磁通很强。因此 X a的大小可以 说明电枢反应的强弱。
第06章-交流电机的旋转磁场理论
-11-
第六章 交流电机的旋转磁场理论
二、旋转磁场的基本特点
1）三相对称绕组通入三相对称电流所产生的三相基波合成 磁动势是一个旋转行波， 合成磁动势的幅值是单相电枢绕组脉
振磁动势幅值的3/2倍。同理可以证明，对于m相对称绕组通入 m相对称电流，所产生的基波合成磁动势也是一个旋转行波， 其幅值为每相脉振幅值的m/2倍。
-13-
第六章 交流电机的旋转磁场理论
第三节 交流电机的主磁通和漏磁通
一、主磁通
当交流电机的定子绕组通入三相对称电流时， 便在气隙中
建立基波旋转磁动势，同时产生相应的基波旋转磁场。 与基波
旋转磁场相对应的磁通称为主磁通，用m表示。由于旋转磁场
是沿气隙圆周的行波，而气隙的长度是非常小的， 所以相应的
-8-
第六章 交流电机的旋转磁场理论
图6-3说明 Fs (x,t) 是一个幅 值恒定、正弦分布的行波。
由于 Fs (x,t) 又 表示三相电
枢绕组基波合成磁动势沿气隙圆
F sm
F ( x, t) s
v1
et
周的空间分布，所以它是一个沿
气隙圆周旋转的行波，其相对于
定子的速度是
v1
e
π
（6-8）
0
FA1( x, t ) FB1 ( x, t ) FC1 ( x, t )
Fm
1
c
oset
c
os
πx
Fm
1
c
os
(et
2π 3
)
Fm 1
cos(et
2π 3
)
cos(πx
cos(πx
2π ) 3 2π ) 3
（6-5）
式中，Fm1是每相磁动势基波分量的幅值，其精确的计算需要考 虑绕组分布及短距等因素。
同步电机的基本工作原理与结构
转子
转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成 励磁绕组：铜线制成 护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出 中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动 滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组
第二页，编辑于星期六：二十点 四分。
第６章 同步电机
转子
C A
定子绕组
B
900
q轴 U轴
F f 与Fa之间夹
角为 900
V2 W1
记Fa为Fad
d轴
Fa N
Ff
U1
电枢反应性质：
直轴助磁电枢反应
V轴
W2
S U2
V1
W轴
第二十三页，编辑于星期六：二十点 四分。
第６章 同步电机
6.3.4 一般情况下的电枢反应
空枢载 电电流动势角I E,超0 前电
00 900
q轴 U轴
引进600MW汽轮发电机
第十页，编辑于星期六：二十点 四分。
第６章 同步电机
国产300MW汽轮发电机
第十一页，编辑于星期六：二十点 四分。
第６章 同步电机
国产200MW汽轮发电机定子
第十二页，编辑于星期六：二十点 四分。
第６章 同步电机
国产200MW汽轮发电机定子铁心
第十三页，编辑于星期六：二十点 四分。
同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。
第十七页，编辑于星期六：二十点 四分。
第６章 同步电机
６.1.3 同步电机的额定值
额定容量SN 额定功率PN
指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输出 的额定视在功率或有功功率，单位是KVA或KW。电动机额定容 量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是KW。调相机 用KVA或Kvar表示。
同步电机习题答案
同步电机习题与答案6.1 同步电机的气隙磁场，在空载时是如何激励的？在负载时是如何激励的？[答案见后]6.2 为什么大容量同步电机采用磁极旋转式而不采用电枢旋转式？[答案见后]6.3 在凸极同步电机中，为什么要采用双反应理论来分析电枢反应？[答案见后]6.4 凸极同步电机中，为什么直轴电枢反应电抗X ad大于交轴电枢反应电抗X aq？[答案见后]6.5 测定同步发电机的空载特性和短路特性时，如果转速降为原来0.95n N，对试验结果有什么影响？[答案见后]6.6 一般同步发电机三相稳定短路，当I k=I N时的励磁电流I fk和额定负载时的励磁电流IfN 都已达到空载特性的饱和段，为什么前者Xd取不饱和值而后者取饱和值？为什么Xq一般总是采用不饱和值？[答案见后]6.7 为什么同步发电机突然短路，电流比稳态短路电流大得多？为什么突然短路电流大小与合闸瞬间有关？[答案见后]6.8 在直流电机中，E>U还是U>E是判断电机作为发电机还是作为电动机运行的依据之一，在同步电机中，这个结论还正确吗？为什么？[答案见后]6.9 当同步发电机与大容量电网并联运行以及单独运行时，其cosφ是分别由什么决定的？为什么？[答案见后]6.10 试利用功角特性和电动势平衡方程式求出隐极同步发电机的V形曲线。
[答案见后]6.11 两台容量相近的同步发电机并联运行，有功功率和无功功率怎样分配和调节？[答案见后]6.12 同步电动机与感应电动机相比有何优缺点？[答案见后]6.13 凸极式同步发电机在三相对称额定负载下运行时，设其负载阻抗为R+jX，试根据不考虑饱和的电动势相量图证明下列关系式[答案见后]6.14 试述直流同步电抗X d、直轴瞬变电抗X´d、直轴超瞬变电抗X"d的物理意义和表达式，阻尼绕组对这些参数的影响？[答案见后]6.15 有一台三相汽轮发电机，P N＝25000kW，U N＝10.5kV，Y接法，cosφN＝0.8（滞后），作单机运行。
同步发电机的运行原理
If
Ff
If Nf
0 f
E0 4.44 fNkN10
只增加磁极部分 的饱和程度
第四页，编辑于星期六：二十点 二分。
一、空载运行时的主磁通
空载运行时气隙磁场仅由转子励磁磁动 势单独建立，磁场的强弱仅由励磁电 流大小决定。
第五页，编辑于星期六：二十点 二分。
二、带对称负载时的主磁通
负载运行时，定子 绕组中有电流流过， 便会产生电枢基波 旋转磁动势。
说明：
E0、ψ的公式同样适用于隐极电机，只要令
个锐角，此时电
枢反应性质为交
轴电枢反应。
第十五页，编辑于星期六：二十点 二分。
三、电枢反应
1、ψ=0° 时的电枢反应 l 交轴电枢反应，即交磁作用。 l 电枢磁场与转子励磁绕组相互作用产生的电
磁力f1，在转子上产生的电磁转矩与转子的转 向相反，对发电机起制动作用。 l 要想维持转速不变，就要相应地增加原动机的 输入机械功率。
Φδ= Φ0+ Φa ； E δ=E0+Ea 当磁路饱和时，磁场不再满足线性叠加条
件，但由安培环路定律可知磁动势是可以 叠加的，所以要先求合成气隙磁动势 Fδ=Ff+Fa ，再由Fδ求出Φδ、 Eδ 。
第二十六页，编辑于星期六：二十点 二分。
一、隐极同步发电机
现在只讨论磁路不饱和情况。
同步发电机内的电磁关系如下：
三、电枢反应
5、 -90°<ψ<0° 时的电枢反应
F
Fa
Faq
1
E0
d轴
I Iq
Ff
B0 (0 ) Fad Id
时空矢量图
• 既有交轴电枢 反应，又有直 轴增磁电枢反 应。
运动控制系统-第6章 同步电动机变压变频调速系统
2
当负载转矩加大为 TL4时，转子减速使角θ 增加，电磁转矩 Te减4 小，导致θ继续，最 终，同步电动机转速偏离同步转速，这种 现象称为“失步”。
2
在 的范围 内，2 同步电动机不 能稳定运行，将产 生失步现象。
Te
Te3
Te4
0
3 4
2
图6-4 在 的范围内，
2
Te1
TL1
3U s Es
m xd
sin1
0
2
当负载转矩加大为 时，转子减速使角θ增加，
当 衡，
，电磁 转 2矩 2
和TL负2 载转矩
Te 2
又达到平
TL2
Te 2
TL2
3U s Es
m xd
s in 2
同步电动机仍以同步转速稳定运行。
0
2
若负载转矩又恢复
为 TL1，则角 恢 复
3. 梯形波永磁自控变频同步电动机即无刷直 流电动机——以梯形波永磁同步电动机为 核心的自控变频同步电动机，由于输入方 波电流，气隙磁场呈梯形波分布，性能更 接近于直流电动机，但没有电刷，故称无 刷直流电动机。
无刷直流电动机实质 上是一种特定类型的
iA eA eA
同步电动机，气隙磁 场和感应电动势是梯
第6章
同步电动机变压变频 调速系统
同步电动机直接投入电网运行时，存在 失步与起动两大问题，曾一直制约着同 步电动机的应用。同步电动机的转速恒 等于同步转速，所以同步电动机的调速 只能是变频调速。
变频调速的发展与成熟不仅实现了同步 电动机的调速问题，同时也解决了失步 与起动问题，使之不再是限制同步电动 机运行的障碍。
永磁同步电动机的转子用永磁材料制 成，无需直流励磁。
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
第六章 三相异步电机的建模与特性分析
⎩结论：随着时间的推移，定子三相绕组所产生的合成磁场是大小不变、转速恒定的旋转磁场。
当某相电流达旋转磁场切割闭合导体产生电流带电导体切割磁力线产生力，即（1）电动机运行状态在这种状态下，转速：，相应的转差率：此时，电磁转矩为驱动性的。
10n n <≤0≤<s（2）发电机运行状态在这种状态下，由原动机拖动异步电机运行，转速为：，相应的转差率为：。
此时，电磁转矩为制动性的。
1n n >0<s（3）电磁制动状态在这种状态下，如果在外力拖动下，转子转速，相应的转差率。
此时，电磁转矩为制动性的。
电机内部损耗转子轴上输入机械能定子输入电能⇒+0<n 1>s定子绕组：单层、双层（6.3节展开讲）与直流电机相比，异步电机的气隙较小。
中小型异步交流绕组的槽电势星形( ，241=Z 2(1)单个整距线圈所产生的磁势单个整距线圈所产生的磁势和前边直流电机中一样是矩形的，注意到是小写的，说明是瞬时值，也就是说上图是某瞬间的磁势。
，磁势t I i c c ωcos 2=c i tI N i N cy c y ωcos 2212/=(2)单个短距线圈所产生的磁势=个分布线圈磁势矢量的个分布线圈磁势矢量的分布系数q q空间、时间函数，即脉振磁势值变化）A−A+三相合成时，反向的，标量相加抵消； 正向的，标量相加叠加为３／２倍交流电机的磁场ναννδsin 1∑∞==m B b ατπδsin sin 111m m B x B b ==既然有个旋转磁场，干脆以一个以旋转永气隙基波磁密一个线圈的两个边，感应电势大小相等、相位相180°，且每个线圈由匝组成，整距线圈所感应的y Nτy =1y<τ1一个线圈的两个边，相位相不再差180°，而是β=感应电势大小则不再相等，则短距线圈所感应的基波电势为：=个分布线圈感应电动势个分布线圈感应电动势分布系数q q 一个线圈组所感应电势的有效值为：。