同步电机的基本理论和运行特性1

第四篇第十二章

同步电机的基本理论和运行特性12-1

同步电机的结构一、同步电机的基本结构型式组成：固定的定子和可旋转的转子分：磁极旋转式和电枢旋转式。磁极旋转式——以电枢为定子，磁极为转子。使磁极旋转，激磁电流通过集电环送入激磁绕组。旋转电枢式应用于小容量同步电机

定子——定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组转子——转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。气隙——气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。

发电机原理主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。

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（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。

交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。

感应电势频率：感应电势的频率决定于同步电机的转速n和极对数p，即交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。电动机原理将同步电机定子绕组接至三相交流电源，频率为f的三相交流电流将在电机气隙中产生转速为同步转速n1的旋转磁场。在一定条件下旋转磁场将吸住转子磁极一起旋转，它们有相同的转速和转向——无相对运动转子转速为同步转速n＝60f／p同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。

同步补偿机运行电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。过激时，有超前的无功功率，如电容器凸极式转子凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈当励磁线圈中通过直流励磁电流后，每个磁极就出现一定的极性，相邻磁极交替为N极和S极对水轮发电机来说，由于水轮机的转速较低，要发出工频电能，发电机的极数就比较多，做成凸极式结构工艺上较为简单。中小型同步电机多半也做成凸极式。隐极式转子隐极式转子上没有凸出的磁极沿着转子本体圆周表面上，开有许多槽，这些槽中嵌放着励磁绕组。在转子表面约1/3部分没有开槽，构成大齿，是磁极的中心区。励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也会出现N极和S极。在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可达170米/秒。为了减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨大离心力，大型汽轮发电机都做成细长的隐极式圆柱体转子。二、同步电机的额定值1.

额定容量SN或额定功率PN2.额定电压UN3.额定电流IN4.额定功率因数cosN5.

额定效率N6.额定转速nN和额定频率fN7.额定励磁电压UfN和额定励磁电流IfN国产同步电机型号：

【例12-1】

一台汽轮发电机，额定功率PN=1100MW，额定电压UN=20kV，Y连接，额定功率因数cosN=0.85（滞后）。求发电机的额定电流IN。

【例12-2】

一台水轮发电机，额定容量SN=900MVA，额定电压UN=15.5kV，Y连接，额定功率因数cosN=0.8（滞后）。求：（1）发电机的额定电流IN；（2）额定运行时发出的有功功率PN；（3）额定运行时发出的无功功率QN。12-2

同步电机的励磁系统基本概念励磁的要求励磁方式12-3

同步电机的空载运行空载与空载磁势：空载运行：原动机带动发电机在同步转速下运行，励磁绕组通过适当的励磁电流，电枢绕组不带任何负载时。空载运行是同步发电机最简单的运行方式，其气隙磁场由转子磁势单独建立，分析较为简单一、隐极式同步电机的空载磁动势表12-1

隐极电机励磁磁动势波形系数0.60.660.70.750.8kf1.091.061.0310.965二、凸极式同步电机的空载磁动势三、时间相量与空间矢量四、空载电动势相量五、电压波形正弦畸变率基本方法有：使励磁电流产生接近于正弦分布的气隙磁通密度；定子绕组采用分布和短距线圈；三相绕组采用Y接法。上述方法可以大大消除感应电动势中的谐波含量，使同步电机的线电动势基本达到正弦变化。12-4

对称负载时的电枢反应首先要搞清楚什么是电枢反应其次要了解电枢磁动势和励磁磁动势的关系再次之，要了解矢量合成的方法引入一个新概念，即内功率因数角一、I和E0同相（y=0）时的电枢反应二、I滞后E090

（y=90）时的电枢反应三、I滞后E0180

（y=180）时的电枢反应四、I超前E090

（y=-90）时的电枢反应五、一般情况下的电枢反应有功电流产生电磁力，并形成电磁转矩无功电流产生电磁力，不形成电磁转矩12-5

隐极同步发电机的分析方法一、不计磁路报和影响隐极发电机的电磁过程1.

电路方程和等效电路隐极发电机的电势方程式其中同步电抗的物理意义：表征地对称负载下单位电枢电流三相联合产生的电枢总磁场在电枢每相绕组中感应电势简化方程式2.

电枢反应电抗和同步电抗3.

隐极同步发电机的相量图

【例12-3】一台Y接法、4极的隐极同步发电机，它的空载线电动势E0=400V，定子槽数为60，双层绕组，节距y=13，每个线圈的匝数Nc=6，由试验得到其同步电抗为xs=4.35。现接上每相阻抗为ZL=40+j26的三相对称负载，求负载电流I和电枢磁动势Fa，并说明电枢反应的性质（忽略电枢绕组电阻）。

二、考虑磁路饱和时隐极同步

发电机的分析方法

【例12-2】一台三相汽轮发电机，Y连接，额定数据如下：功率PN=25000kW，电压UN=6300V，功率因数cosN=0.8（落后），每相漏抗x=0.0917，忽略电阻。空载特性如下表。在额定负载下，电枢反应磁动势的折算值ka