电机学第6章同步电机

同步电机转子转速是常值且与同步速相等，与负载的大小无关。转子的转速与气隙磁场转速保持严格同步。同步电机主要用作发电机，也可以用作电动机和补偿机。主要内容同步发电机的稳态对称运行同步电动机和补偿机同步发电机的不对称运行和三相突然短路第6章同步电机同步电机的用途同步电机同步发电机同步电动机同步补偿机（调相机）（火电厂、水电厂、核电厂）（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）（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。按冷却方式分：按励磁方式分：电励磁式、永磁式同步电机。空冷、氢冷、水冷、混合冷却。卧式、立式。6.1同步电机的基本结构和运行状态1.基本结构

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电枢式旋转磁极式隐极式凸极式旋转磁极式同步电机的结构转子

定子

同步电机又分为隐极式和凸极式两种。有明显的凸出的磁极，气隙不均匀，制作简单。适合于高速发电机适合于低速发电机转子圆柱形，气隙均匀，转子机械强度高，励磁绕组固定容易。NS+隐极式NSNS+凸极式同步电机的基本类型同步发电机汽轮发电机水轮发电机隐极结构凸极结构汽轮发电机

由汽轮机驱动的同步发电机

p=1

n=3000r/min(50Hz)

n=3600r/min(60Hz)

采用隐极结构

转子细而长转子高速旋转，对铁心的强度要求很高，就目前材料，转子直径一般不超过1.1m。

基本采用卧式结构隐极发电机的剖面图同步电机的外形图汽轮发电机的转子结构水轮发电机由水轮机驱动的同步发电机n=几十~几百r/min

极对数多采用凸极结构

转子粗而短

励磁绕组为集中绕组

立式结构

阻尼绕组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。水轮发电机的磁极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？2.同步电机的运行状态

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）。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功率角δ转子磁场轴线领先定子合成磁场轴线的夹角。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。

发电机运行状态发电机运行状态示意图δ<0时，Te为驱动转矩，带动负载运行。转子输出机械功率，定子吸收电功率。

电动机运行状态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。

补偿机运行状态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~同步发电机并励直流发电机直流发电机励磁直流电机存在电刷和换向器，可靠性差，受换向限制，容量受限。

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。带副励磁机的励磁系统GG~副励磁机主励磁机同步发电机2)静止整流器励磁

他励式自励恒压器～～～电压调整器交流副励磁机（中频）交流主励磁机（100Hz）可控整流器不可控整流器主发电机电压互感器电流互感器静止整流器励磁

优点：运行、维护方便，没有直流励磁机，使励磁容量得以提高，因而在大容量汽轮发电机中得到了广泛的应用。

自励式主发电机发出的功率经静止整流器整流为直流，然后通过电刷和集电环通入到主发电机的励磁绕组中。缺点：存在电刷、集电环的滑动接触（薄弱环节）。

优点：取消了电刷和集电环，运行比较可靠，适合大容量发电机，尤其适合于要求防爆、防燃的特殊场合。无刷励磁多用于大、中容量的汽轮发电机、补偿机以及在特殊环境下的同步发电机。目前我国新装发电机容量一般为30万kW、60万kW、90万kW等。多采用整流器励磁系统。一般地，单机容量越大，电机效率越高。3）旋转整流器励磁

（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方便和有效的调节。

额定电压UN

单位为kV

额定电流IN

单位为A,kA

额定功率因数

额定频率

fN

单位为Hz

额定转速nN

单位为r/min

额定励磁电流和电压

IfN

、UfN

额定容量

SN

或额定功率PN

单位为kW,kVA同步发电机是指额定运行时输出的电功率；同步电动机是指额定运行时轴上输出的机械功率；补偿机是指额定运行时输出的无功功率。4.同步电机的额定值6.2同步发电机的空载运行

一、空载运行

n

s

If

I=01.空载磁场——主磁场

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

有效值：频率：空载电动势，即激磁电动势。三相对称电动势2.空载特性

E0=f(If)

同步电机的空载特性

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。二、对称三相负载时的电枢反应1.接三相对称负载时的物理过程

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。}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。这一相对位置决定于空载电动势和负载电流之间的的相位差，称为内功率因数角。01）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，电枢磁动势的轴线与A相绕组轴线重合，同时也与q轴重合，即Faq=Fa，称为交轴电枢反应磁动势。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各相电动势、电流和磁通间的相位关系是相同的，所以后边只画出一相。定子绕组电动势、电流和磁通的时间相量图在时-空统一矢量图中，电枢磁动势Fa（空间矢量）与电枢电流（时间相量）同相位；空载磁通与励磁磁动势Ff同相位。时-空统一矢量图时-空统一矢量图气隙合成磁场与主磁场的相对位置相对于主磁场，气隙合成磁场的轴线偏移了一个角度，且幅值有所增加。这是由于电枢磁动势（Fa=Faq）的作用造成的，称之为交磁作用。气隙合成磁场与主磁场的相对位置图2）Ψ0

≠0时

电流滞后电动势电流滞后电动势的向量图电流超前电动势电流超前电动势的向量图

并网运行时，直轴电枢反应影响电机输出的无功功率。直轴电枢反应的影响电机单机运行时，直轴电枢反应将直接影响端电压的大小。去磁时，端电压降低；助磁时端电压升高。当ψ角为不同值的电枢反应位置电枢反应性质负载性质Ψ=00q轴交轴RΨ=900d轴直、去LΨ=-900d轴直、增C00<Ψ<900d、q轴交、直去R、L-900<Ψ<00d、q轴交、直增R、C励磁磁动势和电枢磁动势的区别基波波形幅值大小位置转速励磁磁动势正弦波恒定，由励磁电流决定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决定同步发电机负载运行时物理量的关系：1、不考虑磁饱和时6.3隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路

在时间相位上，滞后于以90°电角度，若不计定子铁耗,与同相位，则将滞后于以90°电角度,亦可写成负电抗压降的形式，即:

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: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。隐极同步发电机的等效电路：隐极同步发电机的相量图隐极同步发电机的相量Xa为电枢反应电抗,是反映电枢反应磁通（由电枢电流产生的合成磁动势产生）在一相绕组中感应电动势的电抗。Xs为同步电抗，表征电枢反应磁通和漏磁通一起在一相绕组中感应电动势的电抗，即代表电枢电流引起的总电抗。Xs＝X

＋Xa

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通及相应的气隙电动势。2、考虑磁饱和时或

从气隙电动势减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，使得电枢的端电压，即：电动势—磁动势图：1、双反应理论6.4凸极同步发电机的电压方程和相量图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，就称为双反应理论。凸极同步电机的极面下气隙较小，两极之间气隙较大，故直轴下单位面积的气隙磁导λd(λd＝μ0／δd)要比交轴下单位面积的气隙磁导λq(λq＝μ0／λq)大很多。

直轴和交轴磁动势：2、凸极同步发电机的电压方程和相量图不考虑磁饱和时同步发电机负载运行时物理量的关系：不计磁饱和时：从气隙电动势中减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，便得电枢的端电压。采用发电机惯例，电枢的电压方程为：考虑，可得：

由于

和分别滞后和900电角度，可以用相应的负电抗压降来表示：式中，Xd和Xq分别称为直轴同步电抗和交轴同步电抗。式中，Xad和Xaq分别称为直轴电枢反映电抗和交轴电枢反映电抗。凸极同步发电机的向量图引入一个虚拟电动势，使可得：由相量图可确定：

凸极同步发电机的等效电路3、直轴和交轴同步电抗的意义由于电抗与绕组匝数的平方和所经磁路的磁导成正比，所以：直轴电枢磁导交轴电枢磁导对于凸极电机，由于直轴下的气隙比交轴下小，直轴磁导Λad>交轴磁导Λaq，所以Xad>Xaq，因此在凸极同步电机中，Xd>Xq。对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故Xd≈Xq≈Xs。Xad为直轴电枢反应电抗，反映三相对称电枢电流产生的直轴电枢反应磁通在一相绕组中感应电动势的电抗。Xaq为交轴电枢反应电抗，反映三相对称电枢电流产生的交轴电枢反应磁通在一相绕组中感应电动势的电抗。Xd为直轴同步电抗，反映直轴电枢总磁通（包括电枢反应磁通和漏磁通）感应电动势的电抗。Xq为交轴同步电抗，反映交轴电枢总磁通（包括电枢反应磁通和漏磁通）感应电动势的电抗。Xd＝X

＋

Xad，Xq＝X

＋

Xaq6.5同步发电机的功率方程和转矩方程1、功率方程和电磁功率

功率方程：

若转子励磁损耗由另外的直流电源供给，则发电机轴上输入的机械功率Pl扣除机械损耗PΩ和定子铁耗PFe后，余下的功率将通过旋转磁场和电磁感应的作用，转换成定子的电功率，所以转换功率就是电磁功率Pe，即：

再从电磁功率Pe中减去电枢铜耗PCua可得电枢端点输出的电功率P2；即：电磁功率：

从向量图导出可见：故同步电机的电磁功率亦可写成：

上式的第一部分与感应电机的电磁功率表达式相同，第二部分则是同步电机常用的。对于隐极同步电机，由于EQ=E0，故有：

2、转矩方程把功率方程除以同步角速度，可得转矩方程：式中，T1为原动机的驱动转矩,Te为电磁转矩,T0为空载转矩，分别为：6.7同步发电机的运行特性同步发电机的稳态运行特性包括外特性、调整特性和效率特性。外特性：外特性表示发电机的转速为同步转速，且励磁电流和负载功率因数不变时，发电机的端电压与电枢电流之间的关系：即n＝ns，If=常值，cosφ=常值时，U=f(I)。cosΦ=0.8（滞后）cosΦ=1cosΦ=0.8（超前）调整特性：调整特性表示发电机的转速为同步转速、端电压为额定电压、负载的功率因数不变时，励磁电流与电枢电流之间的关系；即n＝nS，U=UNΦ，cosφ=常值时，If=f(I)。cosΦ=0.8滞后cosΦ=1cosΦ=0.8超前6.9同步发电机与电网的并联运行1.投入并联的条件和方法2.与电网并联的功角特性3.有功功率的调节与静态稳定4.无功功率的调节

一台发电机独立向负载供电的缺点每一台发电机的容量有限制。若负载经常变化，轻载时运行效率低。发电机检修则需要停电；否则要备用一台同容量的机组，平时却不用，不经济。一台发电机供电，供电的品质会受影响频率和电压会变化（负载突变时）。一般在较偏远或无法与电网相联的场合下使用。1.并联投入的条件和方法无限大电网的概念：现代电力系统（电网）通常总是由许多发电厂并联组成，每个电厂内又有多台发电机在一起并联运行。并联运行：把发电机并联到电网上运行的运行方式称为并联运行。提高供电的质量；并联运行的优点：提高供电的可靠性；提高供电的经济性。研究同步发电机与电网并联运行问题，不仅具有理论意义，而且还有很大的实际意义。无限大电网一台发电机单独供电时，电压的频率由原动机决定，调节励磁电流可以调节电压的大小。一台发电机并联于无限大电网运行时，调节原动机的转速不会改变其电压的频率；调节励磁电流也不能改变其电压的大小。当一台发电机的容量远小于它所并联的电网的容量时，电网可看成是无限大电网。无限大电网的容量可近似认为是无穷大，电网的电压和频率不变。同步发电机投入并联时，为了避免电机和电网中产生冲击电流，以及由此在电机转轴上产生的冲击转距，待投入并联的发电机应当满足：投入并联的条件（1）发电机的相序应与电网一致；（2）发电机的频率应与电网相同；（3）发电机的激磁电动势应与电网电压大小相同，相位相同，分析：1）相序不同；2）频率不同；3）电压不同。第一个条件必须满足，其余两个条件允许有些差别。并连接线图和向量图如何才能达到这些条件？关于相序问题：一般大型同步发电机的转向和相序在出厂以前都已经标定。对于没有表明相序的电机，可以利用相序指示器来确定。要使发电机的频率、电压与电网相同，分别调节原动机的转速和发电机的励磁电流就可以达到。关于电动势的频率和大小：发电机的频率和励磁电动势为：f＝pns/60和E0＝4.44fN1kw10电动势的相位：可以调节发电机的瞬时速度来调整。投入并联的方法投入并联所进行的调节和操作过程称为整步。实用的整步方法有两种：准确整步法和自整步法准确整步法：把发电机调整到完全合乎投入并联的条件，然后投入电网。判断是否满足投入并联的条件方法采用同步指示器最简单的同步指示器由三个指示灯组成，可以有两种接法：直接接法和交叉接法。直接法是把三个同步指示灯分别跨接在电网和发电机的对应相之间，即接在之间。（1）直接接法（又称灯光熄灭法或暗灯法）灯光明灭的直接连接法分析时将无限大电网视为一台同步发电机，其电压的大小和频率不变。起动原动机，使其转速接近同步速；调节励磁电流，使发电机的电压接近电网电压。频率：调节发电机的转速，到三个灯的亮度不再闪烁或闪烁频率很低时，就表示f’≈f。电压的大小：调节发电机的励磁电流，使发电机电压与电网电压相等。电压的相位：灯灭且UAA’=0时即可合闸投入并联。条件检查相序：灯光同时明暗，说明相序正确，若轮流亮暗，则相序不同。(2)交叉接法（又称亮灯法）交叉接法是把三个同步指示灯分别跨接在电网和发电机的之间。灯光旋转的交叉连接法起动原动机，使其转速接近同步速；调节励磁电流，使发电机的电压接近电网电压。频率：调节发电机的转速，到灯光旋转速度很低时，就表示f’≈f。电压的大小：调节发电机的励磁电流，使发电机电压与电网电压相等。电压的相位：A相灯灭（UAA’=0）时，且BC相灯亮度相同时，即可合闸投入并联。条件检查相序：灯光旋转，说明相序正确。准确整步法的优点是可以比较准确地确定合闸时刻，投入瞬间电网和电机没有（或很少）冲击；缺点是整步手续比较复杂，时间长，不能满足快速并网要求。实际中，在需要将发电机很快投入并网运行时，可采用自整步法。自整步法自整步法校验发电机的相序；励磁绕组经限流电阻短路；发电机的转速接近同步速；并网；加励磁电流。操作简单，装置简单，但是合闸有较大的电流冲击（达额定电流的3~8倍）。2.与电网并联时同步发电机的功角特性当E0和U保持不变时，发电机发出的电磁功率与功率角之间的关系Pe＝f()称为功角特性。设法消去Id和Iq凸极机功角特性曲线为基本电磁功率基本电磁功率与激磁电动势成正比，与端电压成正比，与功角的正弦成正比，与直轴同步电抗成反比。当时，达到最大值。凸极机功角特性曲线附加电磁功率与激磁电动势（电流）的大小无关，且仅当时才存在，它是由凸极效应（即交、直轴磁阻不相等）所引起，故亦称为磁阻功率。在隐极同步电机中附加电磁功率等于零。当时达到最大值。称为附加电磁功率总的电磁功率，发电机运行时，在为45°~90°之间达到最大值Pe(max),其具体位置和数值视Pe1(max)和Pe2(max)的相对大小而定。对于隐极电机，由于Xd＝Xq＝Xs，附加电磁功率为零，故Pe就等于基本电磁功率对于凸极电机，电磁功率Pe亦可以写成要注意，式中的EQ为虚拟电动势，EQ本身也是功角的函数，随着负载的变化而变化。功率角的空间含意功率角亦可看作是合成磁场滞后空载磁场的角度。3.有功功率的调节和静态稳定(1)有功功率的调节以隐极电机为例，说明同步发电机与无穷大电网并联时有功功率的调节。为简化分析，略去电枢电阻和磁饱和的影响。准确整步法并网时，，功率角＝0有功功率的调节电磁转距Te0，发电机在电网上处于空载状态；原动机的驱动转矩仅用于克服发电机的空载转矩。欲使发电机输出有功功率，根据能量守恒原理，应当增加发电机的输入功率，即调节原动机，这可以由开大汽轮机的汽门（或水轮机的水门）来实现。原动机的功率增加时，驱动转矩T1也增大，发电机的转子加速，于是与转子主磁场相对应的电动势E0将超前于电网电压U以角。根据功角特性，此时发电机将向电网输