电机学52-同步电机的运行原理

目录第二章变压器

第一章绪论第五章同步电机第四章异步电机第三章交流电机的基本理论1目录第二章变压器

第一章绪论第五章同步电机第四章异步电机第三章交流电机的基本理论2了解同步电机的用途和主要分类熟练掌握同步电机的基本工作原理熟悉同步电机的基本结构，熟练掌握隐极和凸极电机的结构特点熟练掌握同步电机的额定值熟练掌握同步发电机标幺值系统第一节同步电机的基本知识学习目标3

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。同步电机的转速为运用范围：

同步电机主要用来作为发电机运行；同步电机也可作为电动机应用，用于拖动生产机械，一般使用在不需要调速的低速大功率机械中；此外，同步电机还可以作为同步补偿机，他能够专门用来向电网输送感性和容性无功功率。4同步电机的用途和分类5同步电机的用途和分类62.同步电机的分类7同步发电机按原动机分类2.同步电机的分类82.同步电机的分类9同步电机基本结构10111213同步电机的基本结构形式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。14同步电机的构造特点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。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。15同步电机的额定值16同步电机的额定值（铭牌值）由以下几种：额定容量或额定功率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）额定功率发电机输出的额定有功功率（电功率）（W）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）同步电机的额定值17同步电机的额定值额定功率因数是指同步电机在额定运行时的功率因数。额定效率是指额定运行时的效率。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）。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。发电机电动机18同步电机的额定值19同步电机的额定值20小结21小结22第二节同步电机的运行原理（基本电磁关系）23第二节同步电机的运行原理（基本电磁关系）24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。25同步发电机的空载运行26同步电机的空载运行空载运行时，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。

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27同步电机的空载运行

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28同步发电机的空载运行29同步发电机的空载运行30（1）励磁磁动势31（1）励磁磁动势32（1）励磁磁动势33定义磁极磁动势的基波分量振幅与实际磁动势最大幅值之比为，称为电机的励磁磁动势波形系数，即隐极式同步电机的空载磁动势

隐极式同步电机的转子绕组为分布绕组，在每极下有一个大齿和若干个小齿，转子磁动势的空间分布波形为阶梯波形，如下图所示，幅值为（其中为励磁电流，为励磁绕组的每极匝数）

大齿34（1）励磁磁动势35凸极式同步电机的空载磁动势

凸极同步电机的绕组式集中绕组，它所产生的磁动势是矩形波，幅值为，基波分量的振幅为励磁磁动势的波形系数362.基波励磁磁动势37（2）基波励磁磁动势38（2）基波励磁磁动势39（2）基波励磁磁动势40同步发电机的空载运行413.基波气隙磁通密度423.基波气隙磁通密度43同步发电机的空载运行444.电枢绕组的磁链、感应电动势454.电枢绕组的磁链、感应电动势464.电枢绕组的磁链、感应电动势47同步发电机的空载运行48画在同一坐标平面上的时间相量图和空间矢量图称为时空矢量图。参考轴的选取是任意的。但一般把相绕组轴线作为空间矢量参考轴令时间相量参考轴与空间矢量参考轴重合相绕组轴线－相轴；转子绕组轴线－直轴；与直轴正交（90度电角度）－交轴时间相量与空间矢量直轴相轴，交轴时轴495.时空相矢量图505.时空相矢量图515.时空相矢量图525.时空相矢量图53同步发电机的空载运行546.空载特性55对称负载时的电枢反应56对称负载时的电枢反应空载：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的影响称电枢反应同步电机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。同步和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，电流滞后于；端电压和之间的相位角称为外功率因数角

。

57同步发电机负载时的电枢反应58同步发电机负载时的电枢反应59同步发电机负载时的电枢反应60电枢反应的性质61电枢反应的性质（内功率因数角）

62电枢反应的性质63电枢反应的性质64电枢反应的性质65Fa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，所以不发无功功率

电枢反应的性质（内功率因数角）66

同步发电机的剖面简图磁势的空间展开图直轴相轴，交轴直轴交轴电枢反应的性质（内功率因数角）67

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，所以不发无功功率电枢反应的性质（内功率因数角）68电枢反应的性质（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69电枢反应的性质70电枢反应的性质（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71电枢反应的性质72

同步发电机的剖面简图磁势的空间展开图直轴相轴，交轴直轴交轴电枢反应的性质（内功率因数角）73

时间相量图时空矢量图时轴相轴，交轴时轴直轴电枢反应的性质（内功率因数角）74电枢反应的性质75小结

☆结论：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76电枢反应的性质77同步发电机负载时的电枢反应78同步发电机负载时的电枢反应79隐极同步发电机的时空相矢量图和相量图80隐极同步发电机的时空相矢量图和相量图81（1）饱和时的电磁关系82（1）饱和时的电磁关系831.考虑饱和时的情况84（2）饱和时的电压方程式、相量图85（2）饱和时的电压方程式、相量图861.考虑饱和时的情况87（3）饱和时的时空相矢量图88（3）饱和时的时空相矢量图89（3）考虑饱和时的时空相矢量图90隐极同步发电机的时空相矢量图和相量图91（1）不计饱和时的电磁关系92（1）不计饱和时的电磁关系93（1）不计饱和时的电磁关系942.不计饱和时的情况95（2）不计饱和时的电压方程式、相量图、等效电路96（2）不计饱和时的电压方程式、相量图、等效电路97（2）不计饱和时的电压方程式、相量图、等效电路98（2）不计饱和时的电压方程式、相量图、等效电路99（2）不计饱和时的电压方程式、相量图、等效电路100（2）不计饱和时的电压方程式、相量图、等效电路101

小结（电磁关系）当不考虑磁路饱和现象时，认为转子磁场与电枢磁场分别在定子绕组中感应电势。转子感应的电势称为空载电势，用表示；电枢磁场感应的电势称为电枢反应电势，用表示。电磁关系如下：102小结（电路方程与等效电路）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。103小结（电枢反应电抗）四、电枢反应电抗比例系数是与电机结构有关的常数，称为电枢反应电抗。写成相量形式：上式说明了电枢反应电抗的物理意义：可以把电枢反应磁场在定子每相绕组中所感应的电枢反应电势看成相电流所产生的一个电抗电压降，这个电抗就是电枢反应电抗。104五、同步电抗▲定子回路电压平衡式改写为

其中

为同步电抗

为同步阻抗▲实际应用中主要关心同步电抗：在计算同步电机的各种性能时，一般仅需应用同步电抗；测量同步电抗较为方便。▲等效电路变化隐极同步发电机的等效电路小结（同步电抗）105六、隐极发电机的相量图

同步电机的三个角：外功率因数角

内功率因数角

功角小结（相量图）106凸极同步发电机的双反应理论和相量图107凸极同步发电机的双反应理论和相量图1081.凸极同步发电机的双反应理论1091.凸极同步发电机的双反应理论1101.凸极同步发电机的双反应理论111凸极同步发电机的双反应理论和相量图1122.凸极同步发电机的电动势相量图113（2）电压方程式114（2）电压方程式1152.凸极同步发电机的电动势相量图116（3）电动势相量图117（3）电动势相量图1182.凸极同步发电机的电动势相量图119凸极同步发电机的双反应理论和相量图120凸极同步发电机的双反应理论和相量图121凸极同步发电机的双反应理论和相量图122凸极同步发电机的双反应理论和相量图123凸极同步发电机的双反应理论和相量图124同步发电机的电磁关系和分析方法125同步发电机的电磁关系和分析方法126同步发电机的电磁关系和分析方法127同步发电机的电磁关系和分析方法128小结（双反应理论）一、凸极同步电机的电枢反应——双反应理论

由于凸极同步机的气隙不均匀，气隙各处的磁阻不同，在极面下的磁导大，两极之间的磁导小，所以在分析电枢反应时，采用双反应法，即把电枢基波磁动势分解为作用在直轴上的和作用在交轴上的，还可以将电枢电流分解为和，即129小结（电磁关系）二、电磁关系当不计磁路饱和现象时，在定子绕组中分别成立直轴电枢反应电势和交