《电机学(下)》同步电机复习提纲

《电机学（下）》同步电机复习提纲

第二十章 同步电机概述

1.同步电机的定子——称电枢，电枢铁心嵌放三相对称绕组；

转子——称主磁极，由直流电励磁，分为隐极式和凸极式【P193图20-2】；

隐极转子：气隙均匀，多用于高速电机，如：汽轮发电机，通常极对数p=1，由于转速高，

汽轮发电机直径较小、长度较长；

凸极转子：气隙不均匀，多用于低速电机，如：水轮发电机均采用凸极式，特点是直径大、

长度短；

转子除励磁绕组外，还常装有与感应电机笼型绕组相似的闭合绕组，在发电机称为阻尼绕组，在电

动机称为起动绕组。 2.同步电机定子三相对称绕组通进三相对称电流产生的旋转磁场，与转子旋转磁极的转速恒为同步速s n ， 定、转子旋转磁场轴线之间的夹角为转矩角sr δ，通常认为sr δδ≈【P195图20-6】

δ——称为功率角，是转子磁场轴线超前于定、转子合成磁场轴线的夹角；

当0δ>，相当于转子磁极拖着定、转子合成旋转磁场转，转子输入的机械功率转变为定子输出的电功率——发

电机运行状态；此时机械转矩为驱动转矩、电磁转矩为制动转矩；

当0δ<，相当于定、转子合成旋转磁场拖着转子磁极转，定子输入的电功率转变为转子输出的机械功率——电动机运行状态；此时电磁转矩为驱动转矩、机械转矩为制动转矩；

当0δ=，相当于转子与合成旋转磁场轴线重合，电机内没有有功功率转换——空载运行状态；电磁转矩为零。 3.同步电机的励磁系统有：直流励磁机励磁、交流整流励磁、晶闸管自励恒压励磁等 4.同步电机的额定值（铭牌数据）： N U 、N I ——指电枢（定子）线电压、线电流；

N S ——发电机的额定容量，指三相视在功率；

N P ——指额定运行时的输出三相有功功率，故对发电机是电功率、对电动机是机械功率；

∴N N N

S I =

单位：VA 、KVA

发电机：cos N N N N P I ϕ

电动机： cos N

N N N N P I ϕη= 单位：KW

同步电机的转子转速n 与电枢电流频率f 、电机极对数p 存在严格不变的关系：

60s f n n p

=

——称为同步速，单位：/min r （转/分钟）；

我国电网频率 50f Hz =，故：p=1，n S =3000r/min ；p=2，n S =1500r/min ；p=3，n S =1000r/min .......

第二十一章 同步发电机运行原理

（一）同步发电机空载运行和负载时的电枢反应

1.同步发电机空载运行——励磁绕组通入直流励磁电流f I ，原动机拖动转子磁极以同步速n S 旋转，定子电枢绕组开路。

空载时只有f I 建立的励磁磁势f F ，产生空载磁通0φ，以n S 速度切割定子三相对称绕组感生三相空载电势0E ； 2.同步发电机接上三相对称负载后，电枢三相对称绕组通过三相对称电流I ，产生一个旋转磁势，称为电枢磁势

a F ，a F 的转速也为同步速n S ；即a F 、f F 均与转子转速、转向相同，故不会在转子绕组感应电势。

3..空载时气隙磁场中只有f F ，负载时多了a F ；

因此：负载时电枢磁势a F 对气隙磁场的影响——称为电枢反应 4.电枢反应的性质与内功率因数角0ψ有关， 定义：0ψ——电枢电流I 落后于0E 的夹角。

直轴（d 轴）——转子主磁极轴线，即f F 的轴线； 交轴（q 轴）——与直轴正交的轴线；

00ψ=时a F 为交轴磁势，产生交轴电枢反应；

交轴电枢反应的作用：使气隙磁场发生畸变，主极磁场超前于气隙合成磁场，电磁转矩为制动性质，原动机克服电磁转矩做功，机械能转变为电能。

0090ψ=时a F 为直轴磁势，产生直轴去磁电枢反应； 作用：纯去磁。 0090ψ=-时a F 为直轴磁势，产生直轴增磁电枢反应； 作用：纯增磁。

当0ψ为任意角时，可把a F 分解为一个交轴分量aq F 和一个直轴分量ad F ，其中aq F 产生交轴电枢反应，ad F 产生直轴电枢反应；因此：

00900ψ>>时电枢反应性质：交轴+直轴去磁； 00090ψ>>-时电枢反应性质：交轴+直轴增磁；

5.时-空统一相量图——把时间相量和空间相量合并在一起【P199图21-2】； 时间相量：0E 、I 、0φ；空间相量：f F 、 a F

在时-空统一相量图中：f F 与0φ同相、a F 与I 同相； （二）同步发电机数学模型 1.隐极发电机 ①电磁关系：

定子a a a a I F E jIx φ→→→=-系统

E j I x σσσ

φ→→=-

转子 00

f f I F E φ→→→

采用发电机惯例，定子绕组的上述感应电势与定子端电压U

平衡（忽略电枢绕组电阻

a

R ）：

0a E E E U

σ++=

其中：

a

E ——隐极机电枢反应电势；

a

x ——隐极机电枢反应电抗，对应于电枢反应的作用；

E σ

——漏磁通感生的漏电势；

x σ

——定子绕组漏电抗，对应于电枢漏磁场的作用；

E ——转子主磁通在定子感生的励磁电势，对应于主磁场的作用；

②电势方程（注：公式中所有电量均是相值）：

0()a a a s

E U E E U jIx jIx U jI x x U jIx σσσ=--=++=++=+

其中：

s a x x x σ

=+——隐极同步电机的同步电抗

③相量图和等效电路如【p202图21-9】：

其中：由于0E 是转子磁场感生的；U 可看成是定、转子合成磁场感生的，因此U 与0E 之间的夹角就是功率角δ【P208图21-18】；

δ——功率角（0E 超前于U 的角度）

0ψ——内功率因数角（I 落后于0E 的角度）；

ϕ——功率因数角（I 落后于U 的角度）

； 0ψδϕ=+

2.凸极发电机由于气隙不均匀，需采用“双反应理论”的分析方法；

双反应理论——把电枢电流、电枢磁势、电枢反应电抗、同步电抗都分解为直轴（d 轴）和交轴（q 轴）分量分别进行计算，再把结果叠加起来。 ①电磁关系：

定子 d ad ad ad d ad

I I F E jI x φ→→→→=-系统

q aq aq aq q aq I F E jI x φ→→→→=-

E jIx σσσ

φ→→=-

转子 00

f f I F E φ→→→

定子绕组的上述感应电势与定子端电压U

平衡（忽略

a

R ）：

0ad aq E E E E U

σ+++=

其中：d q I I I =+

d I 、ad F 、ad E 、ad x ——分别为直轴电流、直轴电枢磁势、直轴电枢反应电势、直轴电枢反应电抗；

q I 、aq F 、aq E 、aq x ——分别为交轴电流、交轴电枢磁势、交轴电枢反应电势、交轴电枢反应电抗；

②凸极发电机电势方程（注：公式中所有电量均是相值）：

0ad aq E U E E E σ=---

d ad q aq U jI x jI x jIx σ=+++