同步电机的稳态分析
同步发电机的稳态运行特性及
同步发电机在稳态运行时存在功率极限和稳定极限，这些极限决定了发电机的运 行范围和稳定性。
详细描述
功率极限包括额定功率和最大允许功率，分别表示发电机在正常工作条件下的输 出能力和承受的最大功率。稳定极限则表示发电机在受到扰动后恢复稳态运行的 能力。
同步发电机的运行状态与调整范围
总结词
同步发电机的运行状态可分为正常运行状态、异常运行状态 和停机状态，每种状态都有相应的调整范围。
详细描述
正常运行状态下，发电机根据负载需求在一定范围内调整输 出功率和电压。异常运行状态下，发电机可能需要采取措施 来恢复稳定或避免损坏。停机状态下，发电机停止运行并进 行维护检查。
03
CHAPTER
同步发电机的稳态运行分析
同步发电机的有功功率与无功功率调节
有功功率调节
有功功率的调节主要通过原动机输入 功率的改变来实现，包括对汽轮机或 水轮机的控制。调节有功功率可以稳 定电网频率，满足系统负荷需求。
大型火力发电厂通常配备多台同步发电机组，以满足高峰用电需求和备用容量的需 求。
水力发电站中的应用
水力发电站利用水流驱动水轮机 带动同步发电机旋转，产生电能。
同步发电机在水力发电站中起到 将水能转化为电能的作用，同时
保持电力系统的稳定运行。
水力发电站通常在河流、水库等 水资源丰富的地区建设，以满足
当地及周边地区的用电需求。
当发电机向系统提供有功功率并吸收一定的无功功率时，称为滞相运行。滞相运行会导致发电机端电压下降，需 通过增加励磁电流来维持电压稳定。
同步发电机的调压与调频
调压
同步发电机的调压方式主要有两种，一是通过调节励磁电流改变机端电压；二是通过调 节原动机的输入功率改变频率，进而影响机端电压。调压的主要目的是维持发电机端电
电机与拖动 三相同步发电机的稳态分析、三相同步发电机的功率和转矩
电机与拖动 三相同步发电机的稳态分析、三相同步发电机的功率和转矩、三相同步发电机的运行特性主 题：同步电机的辅导文章——三相同步发电机的稳态分析、三相同步发电机的功率和转矩、三相同步发电机的运行特性、同步发电机与电网的并联运行、三相同步电动机与同步补偿机学习时间：2016年11月28日--12月4日内 容：我们这周主要还是学习课件第5章同步电机的相关内容。
希望通过下面的内容能使同学们加深对同步电机相关知识的理解。
学习时，请同学根据老师标注的侧重点选择性学习。
其中三相同步电机的功率、转矩与运行特性、同步电机的并网运行与功率调节需要重点掌握。
一、三相同步发电机的稳态分析（掌握相关定义即可）同步电机的分析方法因转子结构的不同而不同，但是，可以将隐极同步电机看成是凸极同步电机的特例。
凸极同步电机采用“双反应理论”分析，在分析中一般也不考虑磁路饱和的影响。
通过分析同步发电机的电磁关系，并用各种电抗表征磁场对电路的影响后，可以列写出同步发电机的电路方程，进而得到等效电路和相量图。
同步电抗是同步电机的重要参数，其大小直接影响到同步电机的性能。
隐极同步电机的同步电抗为s a X X X σ=+，即同步电抗由两部分组成：一部分是与电枢反应磁通a Φ相对应的电枢反应电抗a X ，另一部分是与电枢漏磁通相对应的漏电抗X σ。
电枢旋转磁场在电枢绕组中感应产生的相电动势称为电枢反应电动势a E ，显示a E 正比于a Φ，忽略磁路饱和影响时，a Φ正比于电枢磁动势a F 和电枢电流1I ,因此，a E 正比于1I ，即1a a E jX I =-。
凸极同步电机的同步电抗分为直轴同步电抗d X 和交轴同步电抗q X ，其中d ad X X X σ=+，q aq X X X σ=+，式中ad X 和aq X 分别为直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗。
隐极同步发电机的电压方程为:1011()s U E R jX I =-+凸极同步发电机的电压方程为：1011d d q q U E R I jX I jX I =---或用虚拟电动势表示：111()Q q U E R jX I =-+0()Q d q d E E j X X I =--根据同步发电机的相量图，可得如下关系：1101111sin tan ,cos cos q d d U X I E U X I U R I ϕψθϕ+==++二、三相同步电机的功率、转矩与运行特性（需要学生重点掌握的内容） 三相同步发电机的功率平衡方程式为：1210210fw ad Fe Cu Cu e P P P P P P P P P P P P P =++++=++=+图1 三相同步电机的功率流程图三相同步发电机的转矩平衡方程为:10e T T T =+ 隐极同步发电机 凸极同步发电机电磁功率 013cos e P E I ψ= 13cos 3e Q Q q P E I E I ψ==功角特性 013sin e s E U P X θ= 2011113sin 3()sin 22e d q dE U U P X X X θθ=+- 矩角特性 0113sin e s E U T X θ=Ω 201111113sin 3()sin 22e d q dE U U T X X X θθ=+-ΩΩ凸极同步发电机的功角特性比隐极同步发电机多一个因凸极效应（q d X X ≠）而产生的磁阻分量（附加分量）。
同步发电机的稳态运行特性及解读
励磁电流： 空载时 E0 U N 时的If
2019/4/16 6
第一节 空载特性、短路特性、不饱和电抗 和短路比的求取
一.空载特性实验测定
• 通过计算或试验得到。
• 由于磁滞现象，上升和 下降的磁化曲线不重合， 一般规定采用下降曲线 表示空载特性，约从 1.3UN对应的励磁电流 逐步减小。
2019/4/16 3
概 述
基本特性：稳态运行时，同步发电机的端电 压U，电枢电流I，励磁电流If 及功率因数 cos之间的函数关系。
2019/4/16
4
同步发电机的五个基本特性
空载特性 I 0,U f ( I f ) 短路特性 U 0, I k f ( I f ) 负载特性 I const, cos cons,U f ( I f ) 外特性
E0 I f
短路特性曲线为直线。
2019/4/16 14
同步发电机的短路特性
I
短路特性曲线是一条直线。
IN
原因：短路电流可认为是纯感性， 即 。 90 电枢磁动势去磁，气隙合成 磁动势小，气隙磁通也很小， 磁路不饱和，所以短路特性是 一条直线。
0
IfK 短路特性曲线
If
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xd的不饱和值的求取
发电机三相对称短路，磁路处于不饱和，则：
E 0 j I K xd
此时xd 为不饱和值:
E0 xd IK
短路的等效电路
2019/4/16 16
xd的不饱和值的求取
同步电抗简单测量方法：
同步机在同步转速下运转，测开路和短路特性。
在同一坐标纸上绘成曲线，并作出气隙线。 选一固定的If，求对应 的Ik和对应于气隙线上 的E0，则同步电抗：
第六章同步电机的稳态分析
第六章 同步电机的稳态分析6-4 同步发电机电枢反应的性质取决于什么？交轴和直轴电枢反应对同步发电机的运行有何影响？答：同步发电机电枢反应的性质取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置，即激磁电动势0∙E 和负载电流∙I 之间的相角差0ψ。
交轴电枢反应产生交轴电枢磁动势，与产生电磁转矩及能量转换直接相关；直轴电枢反应产生直轴电枢磁动势，起到增磁或者去磁的作用，与电机的无功功率和功率因数的超前或滞后相关。
6-6 为什么分析凸极同步电机时要用双反应理论？凸极同步发电机负载运行时，若0ψ既不等于 0，又不等于 90，问电枢磁场的基波与电枢磁动势的基波在空间是否同相，为什么（不计磁饱和）？答：因为凸极电机的气隙不均匀，分析时需用双反应理论。
当负载运行时，若0ψ既不等于0，又不等于90，电枢磁场的基波与电枢磁动势的基波在空间的相位不同，因为交、直轴的磁路不同，相同大小的磁势产生的磁通不同，如右图。
6-8 有一台70000KV A ，60000KW ，13.8KV ，(星形联结)的三相水轮发电机，交直轴同步电抗的标幺值分别为,7.0,0.1==**q d x x 试求额定负载时发电机的激磁电动势*0E (不计磁饱和与定子电阻)。
解：额定功率因数76cos ==N N N S P ϕ ，∴ 31=N ϕ 设01∠=*∙U ，则311-∠=*∙I8.23486.17.03101∠=⨯-∠+∠=⋅+=**∙*∙*∙j x I j U Eq Q∴ 8.23=N δ8.548.23310=+=+=N N δϕψ)(sin )(00*********-⋅+=-+=q d Q q d d Q x x I E x x I E E ψ731.1)7.00.1(8.54sin 486.1=-+=6-15 有一台*d x =0.8， .0=*q x 5的凸极同步发电机与电网并联运行，已知发电机1aq ad F ad B 1aq的端电压和负载为1=*U ，1=*I ，8.0cos =ϕ（滞后），电枢电阻略去不计。
16-2同步发电机的稳态运行特性及解析
0
IN
I
同步发电机的外特性。
数角为超前时，由于电 枢反应的增磁作用和容 性电流的漏抗电压上升， 外特性亦可能是上升的。
23
电压变化率
保持额定运行时的励磁电流和转速不变，发电 机的额定运行时的端电压为UN，空载时端电压 为空载电势 E0 ，电压调整率表示
E0 U N U % 100% UN
21
1.外特性
n n1; I f const ;cos const ;U f ( I )
A A A A =
V
负 载
实验：接线如上图，调负载大小，测U，I
22
1.外特性
U cos=0.8(滞后) cos=1 UN
从图可见，在感性负载
cos=0.8(超前)
和纯电阻负载时，外特 性是下降的，这是由于 电枢反应的去磁作用和 漏阻抗压降所引起。
合成磁势
Ead
I
F F f Fad
端电压
U E 0 Ix d E Ix
E U Ix
7
2)分析
E U Ix
j I xd
E0
j I x
短电压不为0，气隙电 势大小不同，产生气 隙电势的气隙磁势大 小不同，则发电机处 于不同程度的饱和状 态,当
28
三.效率特性
总损耗 p 求出后，效率即可确定
p 1 P p 100% 2
现代空气冷却的大型水轮发电机，额定效率大致在 96%98.5%这一范围内；空冷汽轮发电机的额定效 率大致在94％97.8％这一范围内；氢冷时，额定效 率约可增高0.8％。
第六章同步电机稳态分析
第六章同步电机稳态分析第六章同步电机的稳态分析前⾔：①同步电机是⼀种交流电机，主要作发电机使⽤；也可作电动机和调相机（专门⽤于电⽹的⽆功补偿）使⽤；②同步电机定义：同步电机转速n与定⼦电流频率f和极对数p保持严格不变的关系，即p fn60 ；③主要内容：电枢反应；有功和⽆功调节；并联运⾏；不对称和突然短路6.1同步发电机的基本结构和运⾏状态1.旋转磁极式定⼦-放置三相交流绕组转⼦-放置励磁绕组(主磁极) 凸极式隐极式2旋转电枢式定⼦-放置励磁绕组(主磁极)转⼦-放置三相交流绕组(需三个滑环引出或引⼊三相电流)⼀、同步电机基本结构(⼀)隐极同步电机(以汽论发电机为例)特点:转速⾼为保证频率f=50Hz,则发电机的极对数P少(⼀般为⼆极,2P=2)离⼼⼒⼤,需细长转⼦(隐极式)0.5mm硅钢⽚叠压⽽成定⼦铁⼼⼤型电机由扇型⽚拼成圆形1. 定⼦矩形开⼝槽,径向,轴向通风道定⼦绕组-三相双层绕组,扁铜线绕制⽽成,采⽤成型线圈外壳-⽤钢板焊接⽽成2.转⼦ (1)由合⾦钢锻成,与转轴制成⼀个整体,外园开槽,⼤齿和⼩齿(2)励磁绕组为同⼼式绕组(3)采⽤⾼强度铝合⾦槽楔,端部采⽤保护环固定3.滑环(集电环)与电刷装置(⼆)凸极同步电机(以⽔轮发电机为例)特点:转速低为保证f=50Hz,则需发电机的极对数P增⼤为保证放置P对磁极,则需转⼦的直径⼤.1.定⼦ : 定⼦铁⼼-硅钢⽚叠成,直径可达20多⽶,矩形开⼝槽.励磁绕组由扁铜线绕制⽽成阻尼绕组(起动绕组)-由铜条和端环构成,⽤于同步电动机异步起动.⼆、同步电机的运⾏状态1. 稳态运⾏情况下,定转⼦磁场相对静⽌2. 功率⾓δ-定⼦合成磁场轴线与主极磁场(转⼦磁场)轴线之间夹⾓.(⽤电⾓度表⽰)3. 三种运⾏状态(1)发电机运⾏①物理过程:直流电流→电刷→滑环→励磁绕组→磁场原动机拖动转⼦绕组感应三相交流电动势(频率为60pnf ),接⼊负载后,三相对称电流,定⼦旋转磁场以n1旋转. ②特点:<1>功率⾓δ>0(即主极磁场超前定⼦合成磁场) <2>转⼦受到制动性质的电磁转矩Te<3>f ∝1n ,为保证f=50Hz 恒定,需保证1n 恒定,应输⼊转矩T1与Te 平衡.(2)补偿机运⾏状态(或空载运⾏状态) 当δ=0时→Te=0①物理过程:转⼦同发电机运⾏状态,-主极磁场以1n 旋转定⼦接⼊三相对称电源-定⼦合成磁场以1n 旋转②特点:<1>δ=0.(主磁场与定⼦合成磁场重合) <2>电机内没有有功功率转换(3)电动机运⾏当δ<0时→Te →(即主机磁场滞后定⼦合成磁场①物理过程:定⼦接三相电源-定⼦合成磁场以1n 旋转转⼦接直流电源-恒定磁场,去掉原动机.②特点:<1>δ<0<2>外施T2↑→δ↑→Te ↑(与T2+T0平衡)保证n=1n =常数 <3>转⼦转速n=1n =60f/p,即当f ⼀定,p ⼀定时,n 恒定.三.同步电机的励磁⽅式励磁系统-共给励磁电流的整个系统-直流励磁机励磁系统,整流器励磁系统励磁系统应满⾜的条件:(1)能稳定的提供发电机从空载到满载(及过载)所需的I f (2)当电⽹电压u 减⼩时,能快速强⾏励磁,提⾼系统的稳定性.(3)当电机内部发⽣短路故障时,能快速灭磁. (4)运⾏可靠,维护⽅便,简单,经济. 1. 直流励磁机励磁副励磁机(并励直流发电机)→主励磁机(他励直流发电机)→同步发电机 *⼀般励磁机与同步发电机同轴特点:采⽤独⽴电源(直流发电机)与交流电⽹没关系,运⾏可靠. 2. 静⽌整流器励磁(1)他励式静⽌流器励磁系统副励磁机(中频三相同步发电机)(电磁式或永磁式)→主励磁机(三相同步发电机)→同步发电机───────────────┛特点:①副励磁机先他励待建⽴电压后改为他励(3)励磁电流由电⽹或主发电机提供3. 旋转整流器励磁(⽆触点式或⽆刷励磁)副励磁机(永磁式三相同步发电机)→主励磁机(旋转电枢式)→主发电机┕──────────────┛特点:(1)主励磁为旋转电枢式 (2)采⽤旋转整流器 4. 三次谐波励磁特点:(1)发电机定⼦嵌⼊三次谐波绕组(2)将三次谐波电压整流后→主发电机励磁(3)⾃励恒压(负载电流↑→电枢反应↑→波形畸变↑→φ3↑→E 3↑→I 3↑→I f ↑→稳压;负载电流↑→端电压↓→稳压) 四.额定值1.额定容量S N (或额定功率P N )-指输出功率发电机⽤视在功率(KVA)或有功功率电动机⽤有功功率(KW)表⽰补偿机⽤⽆功功率(Kvar)表⽰2.额定电压U N —定⼦线电压(V)3.额定电流I N —定⼦线电流(A)4.其他: N ?cos ,ηN ,f N ,n N ,θN ,U fN ,I fN 等三相同步发电机 cos N N N N P I ? 三相同步电动机 N N N N N I U P ?ηcos 3=6.2 空载和负载时同步发电机的磁场⼀、空载运⾏1.定义：n=n N 、I=0时E 0=f(I f )2.空载时电磁过程：Φ0→01044.4Φ=w fNk E （频率为60pn f =） I f →F f →Φf σ→只增加磁极部分的饱和程度3.空载特性曲线特性曲线：E 0=f(I f )E 0f ) 磁化曲线 U N f ) f (orF f )分析：I f 较⼩时，磁路不饱和，f I E ∝0直线；I f 较⼤时，磁路饱和，fI E 与0不成⽐例；不考虑饱和，E 0=f(I f )为⽓隙线。
同步电机稳态不对称短路的分析
Ｃ Ｈ Ｅ Ｎ Ｑ ｉ ａ ｏ —ｌ ｉ ｎ ｇ ， ｚ ｝ Ｇ Ｘ ｉ ａ ｎ ｇ —ｌ ｉ ｎ ， Ｑ Ｉ Ａ Ｎ Ｊ ｕ ｎ—ｌ ｉ ａ ｎ ｇ ３
（ １ ， ３ ． Ｎ ｏ ｒ ｔ ｈ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｗａ ｔ ｅ ｒ Ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｚ ｈ ｅ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ ４ ５ ０ ０ ｌ ｌ ， Ｈ ｅ ｎ ａ ｎ ； ２ ． Ｈ ｅ ｎ ｎ ａ Ｙ ｕ ｔ ｏ ｎ ｇ Ｇ ａ ｓ Ｃ ｏ ． ， Ｌ Ｔ Ｄ Ｚ ｈ ｅ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ ４ ５ ０ ０ ０ ０ ， Ｈ ｅ ｎ ａ ｎ ）
技 术 研 发
Ｖ０ １ ． ２ ０。 Ｎ ｏ． ３． ２ ０１ ３
同步 电 机 稳 态 不 对 称 短 路 的分 析
陈巧玲 ， 张相林 ，州 ４ ５ ０ ０ １ ｌ ； ２ ． 河南豫 通燃 气有 限公 司 ， 河南 郑 州 ４ ５ ０ ０ ０ ０ ）
『 ． １ ／
／
０ ］
生严重损害 ， 因此 ， 对其研究具 有重要 意义… Ｉ 。短路是 电力 系 统 中经常发生 的故 障之一 ， 分 为对称 短路 （ 三 相短路 ） 和不对 称短路 。同步 电机 的不对称短 路有三种 ： 相 间短路 、 单相接地 短路 、 两相接地短路 。不对称短路时将 产生很 大的 冲击 电流 ， 不过 冲击 电流 的持续 时间 是很短 暂 的， 这一 过程 属于 瞬变过 程， 瞬变过程完毕 后就进 入稳 态 短路¨ ２ ｊ 。稳态 短路 则指 突然
第六章同步电机稳态分析
2 空载电势
只有主磁通才在定子绕组中产生感应电势 主磁通0
三相电势 对称
E 0A E000
E0BE01200 E0CE01200
漏磁通
E 04.4f4N 1kN 1 0
•励磁电势大小取决于？
当空载运行时，励磁电势随励磁电流变化的关系，称 为空载特性，其为同步电机的一条基本特性。 如图6—12所示
No
S
ns
Te
No
Te
Te 0
N So
主极
N
So N
So
同 发电机 步
电 机 的 三 补偿机 种 运
行
状 电动机 态
第9章 同步电动机
四、三相同步电机的基本结构
1. 主要部件
①定子铁心： 由硅钢片叠成。 (1) 定子（电枢） ②定子绕组： 对称三相绕组。
③机座和端盖等。 ①转子铁心：
由整块铸（锻）钢制成。 (2) 转子 ②励磁绕组：
工作时施加直流励磁。 ③阻尼绕组和转轴等。 按转子结构的不同：隐极式、凸极式。 阻尼绕组
凸极式 3 ~
+
N
×
－
S
隐极式 3 ~
+ －
·····
N S
× × × ×
×
优点：制造方便； 缺点：机械强度较差。 应用：在离心力较小、转速较低的中小 型电机中或用在水轮发电机中。
优点：机械强度好 缺点：制造工艺较复杂； 应用：因此多用在离心力较大、转速 较高的电机中。例如汽轮发电机多采 用隐极结构。
◆载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势 或者感应电流的载体。
◆切割运动：原动机拖动转子旋转（给电 机输入机械能），极性相间的励磁磁场 随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组。
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双反应理论
Faq Fa
N
S
0
返回
双反应理论
baq
bad
Baq1
返回
二、凸极同步发电机的电压方程和相量图
E , 0 0 气隙线 空载特性
U N
o
If0
I f , Ff 返回
三、对称负载时的电枢反应
定义：电枢磁动势对励磁磁动势的影响称电枢 反应 电枢反应的性质(增磁、去磁或交磁)取决于
电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。
1 磁动势分析
1) 定子三相对称绕组中对称三相电流产生
基波电枢磁动势 Fa
（1）
d轴：主磁极的中心线 （直轴纵轴）
q轴：（交轴 横轴）
转子结构
10000kw水轮机转子
二、同步电机的运行状态
电动机——把电能转换为机械能
补偿机——中没有有功功率的转换，专门发出或吸 收无功功率、调节电网的功率因数
发电机——把机械能转换为电能
同步电机运行于哪一种状态，主要取决于定子 合成磁场与转子主磁场之间的夹角δ，δ称为功 率角
即
或
9.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图
一、双反应理论
考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电 枢反应分成直轴和交轴电枢反应分别来 处理的方法，就称为双反应理论。
凸极同步电机的气隙是不均匀的，极面下气隙较小 两极之间气隙较大，故直轴下单位面积的气隙磁导 λd (λd＝Λ0／Sd) 要比交轴下单位面积的气隙磁导λq (λq＝ Λ 0／Sq) 大很多，如图a所示。
大小： Fa
1.35 N1I1kdp1 (A) p
（2）
转速：n1
60 f1 p
(r/min)
（3） 转向：沿通电相序A、B、C的方向，它与
转子转向相同
（4） 极对数：和转子极对数Ｐ相同，决定于
y 绕组的节距
2) 转子绕组通入直流产生每极基波励磁 磁动势 Ff 1
（1） 转速：和转子转速一样为同步速
0
•
I
Faq
•
E0
Fa
– 电枢磁势和电枢电流分量
Fa F ad F aq 直轴分量
Fad Fa sin 0 交轴分量
Faq Fa cos 0
Ff
•
B0 (0 )
Fad
d轴
•
I
•• •
I IdIq
直轴分量Id I sin 0 交轴分量Iq I cos 0
1
Fa
0
Faq
•
E0
9.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图
电枢电流的直轴和交轴分量Id、Iq于是可得
这里Id=IsinΨ0，Iq=IcosΨ0；在时间相位上，
不计定于铁耗时， 和Ead 分E别aq滞后于 、
以 负9电I0d°抗电压Iq角降度来，表所示以 和 可E以ad用相E应aq 的
并考虑到 I Id Iq ，可得
式中， Xd X Xad Xq X Xaq
同步电机一般在定子上放置电枢绕组，转子上 装有磁极，磁极上套励磁绕组。励磁绕组中通入直 流电流，电枢绕组中流过交流电流 (同步发电机空 载除外)。当电机极对数一定时，转子转速和电流 频率 f 有严格的关系，即n=n1称为同步发电机。 一、基本类型：
1、用途：发电机、电动机、调相机（补偿机） 2、转子结构：凸极式、隐极式 3、按原动机类型（发电机）：汽轮发电机、水轮 发电机
四、额定值
额定容SN(或额定功率PN) —— 指额定运行时电 机的输出功率
额定电压UN ——指额定运行时定子的线电压 额定电流IN ——指额定运行时定子的线电流 额定功率因数cosΦ ——指额定运行时电机的功
率因数
额定频率fN ——指额定运行时电枢的频率。我 国标准工频规定为50Hz
额定转速nN ——指额定运行时电机的转速，对 同步电机而言，即为同步转速
第九章 同步电机的稳态分析
9.1 同步电机的基本结构和运行状态
9.2 空载和负载时同步发电机的磁场
9.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图
9.5 同步发电机的功率方程和转矩方程 9.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路
9.6同步发电机的并联运行
同步电机的用途
同步电机主要用作发电机运行，把机械能转化 成电能。向电网发出交流电，是同步电机最主要的 运行方式。
时，电枢电流 I 将与电枢磁动势Fa 重合。
c)时-空统一矢量图
d轴
Ff
Fδ
Ff
•
B0 (0 )
1
Z
d轴
B
Fa ( Faq )
•
•
I
E0
A N Y
S C
X
q轴
Fa E 0
d)气隙合成磁场与主磁场的相对位置
B0
B
A
Te
Y
Z
N
ns
B
S
Fa
C
X
内功率因数角0<Ψ<900
.
IC
.
E 0C . IB
Ff
二、基本结构
1、 隐极同步电机：
无明显凸出的磁极， 沿转子本体圆周表面开 有许多槽，嵌放励磁绕 组。转子表面约1/3 部 分没有开槽，构成所谓 大齿，是磁极的中心区。
一般汽轮发电机都作 成一对磁极，转子上 只有两个大齿，在大 齿上形成N、S极。中 大型发电机的转子上 一般都放置有专门的 阻尼绕组。
（1）定子铁心 思考：定子铁心为什么用0.5mm硅钢片叠裝？
（2）定子绕组
（3）转子结构
隐极式转子
2、凸极发电机结构
(1)立式水轮发电机
(2)卧式水轮发电机
水轮发电机转子都制成凸极式, 励磁 绕组套在转子磁极上，相邻磁极交替为 N 极和 S 极。磁极的极靴上还装有阻尼绕组， 两端用铜环焊在一起，自己形成一个短接 回路。中小型同步电机多半也做成凸极式。
ns
Te Te
S
No
主极
S
Te
No
S
No
定子合成磁场 N
Te
转子主磁场
So
主极
同 发电机 步
N
电
Te 0
机
的
So
三
补偿机 种
N
运
Te
行
状 So 电动机 态
返回
三、同步电机的励磁方式
直流励磁机励磁
直流励磁机通常与同步发电机同轴，采 用并励或他励接法。如图所示
整流器励磁静止式和旋转式 整流器励磁又分为静止式和旋转式两种。 图表示静止整流器励磁系统的原理图
•
•
内功率因数角0 : 是 E0 与 I 的时间相位角,
与电机参数及负载有关;
••
外功率因数角 : 是U 与 I 的时间相位角,
与负载有关;
•
•
功率角(功角) : 是 E0 与U 的时间相位角.
三者关系:
四个轴
直轴（纵轴、d 轴）：主磁极轴线位置。 交轴（横轴、q 轴）：与直轴成 900 电角度的位置。 相轴： 每相绕组的轴线位置。 时轴: 时间相量在其上投影可得瞬时值
前者通过气隙并与定子绕组相交链，后者不通 过气隙，仅与励磁绕组相交链。
主磁通所经过的主磁路包括空气隙、电枢齿、 电枢轭、磁极极身和转子轭等五部分
同步电机的空载磁路
0
f
返回
当转子以同步转速旋转时，主磁场将在气隙 中形成一个旋转磁场，它“切割”对称的三 相定子绕组后，就会在定子绕组内感应出一 组频率为f的对称三相电动势，称为激磁电动 势
如图所示。空载特性是同步电机的一条基本特 性
二、 空载特性
定子绕组开路、转子由原动机拖动到额定转 速并通入励磁电流的运行状态称为同步发电机的 空载运行，称 U0 E0 f (I f )的函数关系为空载特
性，它是一条非线性关系的饱和曲线。
E0
气隙线
E0 f (I f )
U N
c
0
If0
If
同步电机的空载特性
不计磁饱和时，根据双反应理论，把电枢磁动
势求电F出 枢a分其 绕解所 组成产中直生相轴的 应和直 的交轴 电轴、 动磁交 势E a动轴d E势电、aF枢q ad磁，、Φ通再Faadq与，Φ主、a分q磁别通和Φ
所产生的激磁电动势E0 相量相加，便得一相绕
0
组的合成电动势E (通常称为气隙电动势)。
上述关系可表示如下•：
当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时，由于λd 较大，故在一定大小的磁动势下，直轴基波磁场的 幅值Bad1相对较大。
0S 0 0
S S
双反应理论
d轴 q轴 d轴
d
q
a
当同样大小的磁动势作用在交轴上时，由 于λq较小，在极间区域，交轴电枢磁场出 现明显下凹，相对来讲，基波幅值Baq1将显 著减小，如图c中所示。
已知发电机的端电压、负载电流和功
率因数c os 及参数 Ra、X，s 负载为感
性
jIX a
E 0 E jIX
U IRa
jIX s
E0
U IRa
I
I
隐极发电机的相量图
隐极同步发电机的等效电路由激磁电动势和同步阻抗Ra+jX
串联组成，其中E0表示主磁场的作用，Xs表示电枢反应和电 枢漏磁场的作用
Xs
和等效电路
一、不考虑磁饱和时
同步发电机负载运行时
主极I f F f
•
0
•
E0
•
•
电枢 I