电机学 ch5 同步电机

电机学电气工程学院2023/2/5河海大学2目录第2章变压器

第1章绪论

第5章同步电机第4章异步电机第3章交流电机的共同问题第6章直流电机2023/2/5河海大学3第5章

同步电机

5.2同步电机的运行原理

5.3同步电机的运行特性

5.1同步电机的基本知识

5.4同步电机的并联运行

5.6同步电动机与同步调相机5.6同步电动机的不对称运行

5.7同步电机的突然短路2023/2/5河海大学4第一节同步电机的基本知识定义：

同步电机是指电机转子的转速与磁场转速相同的交流电机。同步电机的转速为一.基本类型与用途：⑴主要用来作为发电机运行；⑵也可作为电动机应用，一般使用在不需要调速的低速大功率机械中；⑶此外，可作为同步补偿机，向电网输送感性和容性无功功率。另外，从原动机分：汽轮发电机、水轮发电机…基本类型：用途；结构特点；通风方式；冷却方式；原动机形式；励磁方式

2023/2/5河海大学5第一节同步电机的基本知识二、同步电机的基本结构形式同步电机一般由定子、转子、端盖和轴承等部件构成。同步电机的定子和异步电机相同，定子铁芯上有齿和槽，槽内设置三相绕组。转子上装有磁极和励磁绕组。同步电机的磁极通常装在转子上，而电枢绕组放在定子上，通常称为旋转磁极式电机。

旋转磁极式电机同步电机的转子有凸极和隐极两种结构形式。用汽轮机作为原动机来拖动的称为汽轮发电机，一般采用隐极式结构；用水轮机作为原动机来拖动的称为水轮发电机，一般采用凸极式结构。同步电动机、由内燃机拖动的同步发电机以及同步补偿机大多做成凸极式。2023/2/5河海大学6第一节同步电机的基本知识二、同步电机的构造特点（一）汽轮发电机

转子：隐极式根据电机设计的原理，旋转电机的容量大约与转子直径的平方和电机的轴向长度的乘积成正比。

细长的圆柱体

高机械强度和导磁性较好的合金钢锻造

小齿、大齿、通风槽

开口槽

励磁绕组获得励磁电流的方式，称为励磁方式：直流励磁机励磁、静止整流器励磁和旋转整流器励磁等。2023/2/5河海大学7隐极同步电机剖面图2023/2/5河海大学8中国制造的30万千瓦双水内冷汽轮发电机2023/2/5河海大学9第一节同步电机的基本知识二、同步电机的构造特点（一）汽轮发电机

定子：导磁的铁心、导电的绕组、部件。

薄的硅钢片叠装

1米

错缝

开口槽

线圈：多股铜线绕制

股线之间需要进行编制换位

槽楔

机座一般是由钢板拼焊2023/2/5河海大学10第一节同步电机的基本知识二、同步电机的构造特点（二）水轮发电机

利用水的位能由水轮机带动的同步发电机叫水轮发电机

凸极式的转子 立式的结构

推力轴承

悬吊式：稳定性好，转速高

伞式：厂房低，低速

磁极冲片叠装，励磁绕组由扁铜线绕制，阻尼绕组

导轴承

分瓣安装

制动器2023/2/5河海大学11第一节同步电机的基本知识二、同步电机的构造特点（三）中小电机

容量在几十、几百到几千千瓦的同步电机

卧式 硅钢片叠装

铁心外径小于1米时，用整圆冲片；大于1米时，用扇形片。

大容量高电压多用开口槽；小容量低电压多用半闭口槽

转子多做成凸极式

励磁绕组，（除几十千瓦以下的）扁铜线

两种支承方法：一种是座式轴承；一种是端盖轴承。

轴承也有两种：滑动轴承与滚动轴承2023/2/5河海大学12第一节同步电机的基本知识二、同步电机的构造特点-总结（一）定子同步电机的定子大体上和异步电机相同，是由铁芯、绕组、机座以及固定这些部分的其他构件组成。（二）转子（以同步发电机为例）1、汽轮发电机转子结构现代汽轮发电机一般都是二极的，同步转速为3000或3600r/min。这是因为提高转速可以提高汽轮机的运行效率，减小整个机组的尺寸、降低机组的造价。转子不能做得过大，所以汽轮发电机的直径较小，长度较长。汽轮发电机均为卧式结构。2、水轮发电机转子结构大型水轮发电机通常都是立式结构，它的转速低、极数多，要求转动惯量大，故其特点是直径大、长度短。2023/2/5河海大学132023/2/5河海大学14同步电机转子结构2023/2/5河海大学155.1.3

同步电机的额定值三、同步电机的额定值同步电机的额定值（名牌值）由以下几种：（1）额定容量或额定功率（2）额定电压是指同步电机在额定运行时其定子三相的线电压（4）额定电流是指同步电机在额定运行时流过其定子绕组的线电流同步发电机同步电动机同步调相机额定容量发电机出线端的额定视在功率（VA）转轴上输出的有效机械功率（W）发电机出线端输出的无功功率（Var）额定功率发电机输出的额定有功功率（W）2023/2/5河海大学165.1.3

同步电机的额定值（4）额定功率因数是指同步电机在额定运行时的功率因数。（5）额定效率是指额定运行时的效率。（6）额定转速和额定频率是指同步电机运行时的转速（r/min）和定子绕组中电流与电压的工作频率（Hz）。（7）额定励磁电压和额定励磁电流是指同步电机额定运行时加到励磁绕组上的直流电压和电流。(对三相交流发电机)(对三相交流电动机)2023/2/5河海大学17（补）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。

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。2023/2/5河海大学18（补）同步电机的励磁系统1、直流励磁机励磁系统直流励磁机通常与同步发电机

同轴，当发电机转起来以后，励磁机就可以为其供给直流电流。最常用的是直流并励发电机（如图所示）；直流他励发电机；直流复式励磁发电机。2、交流励磁机整流励磁系统当发电机容量较大时，由于换向困难不适宜采用直流励磁机，这时一般采用交流励磁机与整流装置相配合来共同构成励磁系统。2023/2/5河海大学19（补）同步电机的励磁系统根据装置的放置位置可以分为静止整流励磁和旋转整流励磁两种1）静止整流励磁静止整流励磁分为他励式和自励式两种，下图为他励式静止整流励磁系统。1—发电机；2—交流主励磁机；3—交流副励磁机；4—硅整流机；5—可控硅整流机；6—自动电压调整器（主励为100Hz同步发电机，副励为500Hz中频同步发电机）2023/2/5河海大学20（补）同步电机的励磁系统他励式静止整流器励磁系统原理：主励(2)经整流(4)向发电机(1)提供If;主励的励磁电流由副励磁机(3)提供优点：运行、维护方便，用硅整流代替换向器不仅提高了励磁容量，而且大大提高了发电机运行可靠性；缺点：接线设备复杂，起动时需要另外的直流起励电源向副励磁机供给励磁电流。

自励式系统优点：便于维护，电压稳定性较高，动态特性好。2023/2/5河海大学21（补）同步电机的励磁系统2）旋转整流励磁

旋转电枢式。交流主励磁机:电枢、整流装置与主发电机的励磁绕组均装设在同一旋转体上，不需要集电环和电刷装置，所以这种系统又称为无刷励磁系统。

1—交流副励磁机；2—交流主励磁机；3—同步发电机；4—自动电压调节器2023/2/5河海大学22（补）同步电机的励磁系统旋转整流励磁系统优点：由于取消了电刷和集电环，所以这种励磁方式的运行比较

可靠，维护简单，尤其适合于要求防燃、防爆的特殊场合。

缺点：发电机励磁回路的灭磁时间常数较大，对迅速消除主发电机的内部故障不利；转子绕组保护困难。2023/2/5河海大学23改善发电机发出电势波形的基本途径：励磁电流产生接近与正弦分布的气隙磁密波形；定子每相绕组采用分布和短距线圈；三相绕组采用Y接法。恒量指标：电压波形正弦畸变率实际空载线电压波形与正弦波形的偏差程度一般用电压波形正弦畸变率来表示，即（补）电压波形正弦畸变率2023/2/5河海大学245.2.1同步电机的空载运行

同步发电机被原动机拖动到同步转速，转子绕组通入励磁电流而定子绕组开路时的运行状态，称为空载运行。（一）励磁磁动势及其基波分量

假设定子内圆为光滑，无齿槽。原定子槽内三相分布式绕组等效为线径极细的整距集中式绕组，位于气隙中无限靠近定子内圆表面。其每相电阻保持不变。铁心磁导率为无穷大，铁损忽略不计。等效前后，相同大小的励磁电流产生的励磁磁场的基波与定子每相绕组匝链的磁链保持不变。相同的励磁电流，在定子绕组中感应出相同的基波电动势，也就是等效前后空载特性相同（只考虑基波的情况下）。

2023/2/5河海大学255.2.1同步电机的空载运行凸极同步发电机

2023/2/5河海大学265.2.1同步电机的空载运行凸极同步发电机励磁磁动势大小为通过傅里叶变换将矩形波磁动势分解为基波及谐波。

2023/2/5河海大学275.2.1同步电机的空载运行隐极同步发电机励磁磁动势最大值为通过傅里叶变换将阶梯形磁动势分解为基波及谐波。

2023/2/5河海大学28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的一组对称三相空载电动势：忽略高次谐波时，励磁电动势的有效值为式中：为每极的主磁通量（二）励磁磁动势空间矢量励磁磁动势基波，它随转子一起旋转，构成旋转磁动势，可用空间矢量来表示。5.2.1同步电机的空载运行2023/2/5河海大学29（三）气隙磁通密度空间矢量（主磁通与漏磁通）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。5.2.1同步电机的空载运行主极磁通是否通过气隙交链主磁通通过于定子绕住相交链主极漏磁通不通过仅与励磁绕组相交链2023/2/5河海大学30（四）定子绕组任一相的感应电动势的时间相量E0空载电动势的有效值基本上等于空载基波电动势。5.2.1同步电机的空载运行2023/2/5河海大学31（五）时空矢量图（六）空载特性5.2.1同步电机的空载运行2023/2/5河海大学325.2.2对称负载的电枢反应

电枢磁动势

电枢反应

（一）电枢磁动势和励磁磁动势的基本性质

定子三相对称绕组产生的电枢磁动势

(仅研究电枢磁动势基波)

电枢磁动势基波的幅值：

电枢磁动势基波的转速:同步速

电枢磁动势基波的转向:转子转向

电枢磁动势基波的极对数:转子极对数2023/2/5河海大学335.2.2对称负载的电枢反应

转子绕组产生的励磁磁动势 (仅研究励磁磁动势基波)

励磁磁动势基波的幅值：

励磁磁动势基波的转速:转子转速

励磁磁动势基波的转向:转子转向

励磁磁动势基波的极对数:转子极对数

电枢磁动势基波和励磁磁动势基波的转速、转向、极对数均相同，任何时刻两者之间无相对运动，因此可以将两个磁动势合成。合成磁动势将是一个同样转向、转速、极对数的旋转磁动势。该旋转磁动势在电机中产生气隙磁通。

定子绕组产生的谐波电枢磁动势

转子绕组产生的谐波励磁磁动势2023/2/5河海大学34励磁磁势和电枢磁势的区别基波波形大小位置转速励磁磁势正弦波恒定，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反应磁势正弦波恒定，由电枢电流决定由电流瞬时值决定由电流的f和P决定2023/2/5河海大学352023/2/5河海大学36对称负载的电枢反应空载：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的影响称电枢反应电枢磁势与转子磁势间的相对位置取决于负载电流的性质。同步机空载电势电机输出电流之间的相角定义为内功率因数角。时，时，电流滞后于；端电压和之间的相位角称为外功率因数角

。

下面将分析各种不同角时的电枢反应。5.2.2对称负载的电枢反应2023/2/5河海大学375.2.2对称负载的电枢反应一、内功率因数角

2023/2/5河海大学385.2.2对称负载的电枢反应Fa在交轴，所以称交轴电枢反应，因合成磁势有增磁作用因为I、E同相，所以不发出无功功率

2023/2/5河海大学395.2.2对称负载的电枢反应二、内功率因数角同步发电机的剖面简图磁势的空间展开图直轴相轴，交轴直轴交轴A相轴2023/2/5河海大学405.2.2对称负载的电枢反应二、内功率因数角时间相量图时空矢量图相轴交轴时轴直轴时轴2023/2/5河海大学415.2.2对称负载的电枢反应

2023/2/5河海大学425.2.2对称负载的电枢反应三、内功率因数角同步发电机的剖面简图磁势的空间展开图直轴相轴，交轴直轴交轴2023/2/5河海大学435.2.2对称负载的电枢反应三、内功率因数角

Fa在交轴，所以称交轴电枢反应，因合成磁势有增磁作用因为I、E反相，所以不发出无功功率2023/2/5河海大学445.2.2对称负载的电枢反应四、内功率因数角同步发电机的剖面简图磁势的空间展开图直轴相轴，交轴直轴交轴2023/2/5河海大学455.2.2对称负载的电枢反应四、内功率因数角时间相量图时空矢量图时轴相轴，交轴时轴直轴2023/2/5河海大学465.2.2对称负载的电枢反应

同步电机的运行方式可以由内功率因数角来判断。同步电机作为发电机运行时，转子磁场将较定子磁场超前

同步电机作为电动机运行时，定子磁场将较转子磁场超前2023/2/5河海大学475.2.3隐极同步发电机

（不考虑饱和时）一、电磁关系

不计饱和时，可利用叠加原理分别求出和单独在定子每一相产生的磁通和电势，再考虑到由电枢漏磁场引起的每一相的漏磁通和漏电势：2023/2/5河海大学48二、电路方程

三、等效电路等效电路，如右图所示。隐极同步发电机在稳态运行时的等效电路是简单的独立回路，没有次级侧回路和其它耦合回路。5.2.3隐极同步发电机

（不考虑饱和时）2023/2/5河海大学495.2.3隐极同步发电机

（不考虑饱和时）2023/2/5河海大学50补充同步电机的功角特性忽略电枢电阻不计饱和时对于隐极电机基本电磁功率附加电磁功率功角特性(同步电抗)2023/2/5河海大学51四