同步电机课件

第四章同步电机§4—1．同步电机的结构§4—2．同步发电机的基本特性§4—3．同步发电机的电压、转矩和功率的平衡§4—4．同步发电机的并联运行§4—5．同步发电机的短路与振荡§4—6．同步电动机学习第四章应该注意的点第四章学习应注意的几个问题：1.同步发电机负载后电枢磁场对气隙磁场有何影响(电枢反应)？2.同步发电机空载特性的实质是什么？3.影响同步发电机的外特性的因素是什么？4.同步发电机的平衡方程式有那些？5.同步发电机并联运行时有什么特点？本章的计算任务主要是：利用同步发电机的功率平衡方程和有关特性进行电量（电势、电压、电流、功率）计算；并联运行时有功功率和无功功率的计算。比较难理解的点：1.同步发电机的电枢反应；2.同步发电机的突然短路分析。§4—1.同步电机的结构本节的主要内容有两部分基本结构：

主要点：类型与转子的结构（同步电机的定子结构与异步机相似）。铭牌数据：

主要点：额定容量表示（两种），额定电压和额定电流。

三次谐波：由于三相绕组的每个线圈边产生的磁势为矩形波，可分解成基波和一系列奇次谐波。通过合理选择短距绕组,可削弱5、7次谐波。

三相绕组的3次谐波刚好同相位，可以通过Y形和△连接削弱。谐波内容不做要求三次谐波解释△连接时，虽然无3次谐波电势输出，但是，却在其三相绕组上有3次谐波“环流”，会造成额外损耗。∴采用Y连接。磁势矩形波三相绕组的三次谐波刚好同相位转子结构隐极式转子大型机的转子支架转子铁心硅钢片转子轴上的滑环一对极隐极式两对极凸极式转子：有凸极式和隐极式两种。转子绕组是直流绕组。二、同步发电机的基本类型

类型与励磁方式

类型：同步发电机有转枢式和转极式两种。同步发电机主要采用转极式，∵磁极在转子时，通过滑环引导的电流较小。

自励：凡以发电机本身的电枢绕组或辅助绕组为励磁电源的励磁方式称为自励。

他励：凡设有专用励磁电源的称为他励。即，采用励磁机进行励磁的就是他励。无刷同步发电机是他励的一种形式。三、同步发电机的基本数据

铭牌数据：

主要铭牌数据有：额定容量、额定电压、额定频率、额定功率因数、定子绕组连接、绝缘等级、冷却方式等。

注意：额定容量、额定电压、额定功率因数和额定电流可能只标出三个（∵第四个参数可以求出）。

工作原理简介：

外部直流电源通过滑环向转子提供直流励磁电流，并产生磁场；原动机拖动转子旋转，转子磁极磁场切割三相定子绕组，感应三相交流电。[第一节要点]：结构、原理、类型、额定参数。§4—2.同步发电机的基本特性

本节的主要内容有三大部分：

空载特性：

主要点：掌握空载特性的实质，分析工作过程知道空载电势的计算式。

电枢反应：

主要点：分析负载后，负载大小和性质不同时，电枢磁场对气隙磁场的影响。

外特性和调节特性：

主要点：知道特性的形状和随负载的变化情况。一、空载特性电势计算式：

由工作过程分析知道同步发电机空载电势E0：——书P.47式（4-2-2）

E0=4.44kfNΦ0空载特性：

保持额定转速不变，空载电势E0与空载励磁电流If的关系曲线。∵E0∝Φ0∝B

，If∝H；∴空载特性的实质就是磁化曲线。二、电枢反应

定义：负载时由三相电枢绕组产生的旋转磁场称为电枢反应磁场。电枢反应磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应。

电枢电流影响电枢反应的性质：电枢电流与空载电势的关系有：同相位、滞后和超前三种。与之对应的电枢反应的性质有：交轴、直轴去磁和直轴增磁三种。交轴反应（同相位）直轴去磁（滞后）直轴去磁（超前）一般情况感性滞后的电流三、外特性和调节特性

外特性：同步发电机外特性与变压器相似，但电压变化率计算式P.49.式(4-2-5)与P.17.式(2-3-3)不同。

注意：P.50思考题(4-2-4)。思考题(4-2-4)：同步发电机的电压变化率的大小、正负与发电机所带的负载的大小和性质有关。因为负载大小影响了电枢反应作用的大小，负载性质决定了电枢反应的去磁、增磁性质。若电枢反应去磁，电压变化率为正；若电枢反应增磁，则电压变化率为负。此时，外特性为上翘的特性。电枢反应越强，电压变化率的值就越大（反之亦然）。

特性：为了保持电压不变，在功率因数一定时，励磁电流应随电枢电流进行变化调节的曲线。不同的功率因数，电枢反应大小不一样，性质可能也可能不同。[第二节要点]：空载特性实质；电枢反应3种；外特性与Δu；调节特性。调节特性调节特性曲线电枢反应去磁，则励磁电流应增加，反之则减小。同步发电机负载运行时与电枢绕组交链的磁通有3个：励磁磁通、电枢电流产生的电枢反应磁通和漏磁通。3个磁通都在电枢绕组感应电势分别为：空载电势、电枢反应电势和漏磁电势。忽略磁路饱和，引入参数：电枢反应电抗。同步电抗Xs=Xa+Xσ，注意：Xs

＞Xa＞Xσ。忽略电枢电阻用电抗表示ea电枢绕组电路一、电压方程及相量图电势公式电势公式可应用三角计算公式从相量图得到：三角形构成——以E0为斜边以U相量及其延长线为一条直角边，构造一个直角三角形。与电流I有关相量变换（投影）到直角边都与功率因数角φ有关。电压平衡方程：电势公式：——P.51.式（4-6-3），忽略电枢电阻后：相量图根据电压平衡方程可画出相量图。负载分别为：感性、阻性和容性时：感性负载忽略电枢电阻电阻性负载容性负载同步发电机独立运行有3个特点：1.有功功率和无功功率完全由负载决定；2.频率随转速而变化，电压随励磁电流而变化；3.负载变化将引起频率（有功）或电压（无功）的相应变化。[第三节要点]：电压方程及相量图；转矩；独立运行的特点。发电机独立运行的特点注意：将独立运行特点与后面的并联运行特点相比较。§4—4.同步发电机的并联运行本节的主要内容有两部分：与无穷大电网并联

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主要掌握：并联运行概念、有功功率和无功功率的计算与调节、功角特性矩角特性等概念和并联特点。同容量发电机并联

：

主要掌握：特点。一、与无穷大电网并联

无穷大电网：电网与单机容量比非常大，U、f不受单机调节影响。

并联运行：是指两台以上发电机同时向同一电网供电的工作状态。

并联条件：三个相等（电压、频率、相位）、一个（相序）一致。

有功功率的调节：调节发电机的油门，转子瞬时加速，功角瞬时增大，输出有功功率增加，电磁转矩增大达到转矩平衡（转速恒定）。——θ＞180°失步。——注意：功角的概念。无功功率的调节

与无穷大电网并联时，发电机电压不变。若保持油门不变，则输出电磁功率Pe=3UIcosφ，即Icosφ等于常数。此时，如果调节励磁电流If，励磁磁通Φ0和空载电势E0将发生变化。

由图可见，调节励磁电流If，空载电势E0发生变化，功率因数角φ也随之发生变化，输出无功功率发生变化。

励磁电流小（欠励）时，E0小，φ＜0，输出无功为容性无功；励磁电流增大，E0也增大，当φ=0时，输出无功为零；继续增大励磁电流，E0进一步增大，φ＞0，输出无功为感性无功。

1.调节油门，可以调节发电机输出的有功功率大小；

2.调节励磁电流，可以调节发电机输出的无功功率大小；

3.调节一台发电机的油门或者励磁电流，电网的频率和电压不会发生变化。结论输出感性无功等于消耗容性无功；输出容性无功等于消耗感性无功。——通过附图可以理解。未接电容之前消耗感性，电容输出容性无功后，整个电路不消耗无功功率。

突然短路时，电枢电流将增大，气隙磁通将增加，与磁通交链的绕组将感应电势产生电流和磁势阻止短路电流产生的磁通的增加，迫使该磁通以气隙为磁路。因此磁路的磁阻很大，相当于此时的同步电抗很小。随着阻碍磁通变化的绕组电流的衰减，短路磁通逐步恢复原来的磁路，同步电抗也才逐步增大到原来的数值。——超瞬变电抗、瞬变电抗、正常的同步电抗。

注意：Xσ＜Xd’’＜Xd’＜Xs。∵Xd’’=Xσ+Xad’’一、三相突然短路二、并联运行发电机的振荡种类：并联运行时的振荡有，1.自由振荡；2.强迫振荡。危害：严重时会损坏设备。自由振荡：——只有并联运行时才有，单机运行时没有。

∵调节或者负载变化使机械转矩（输入）和电磁转矩（输出）失去平衡，发电机n将发生变化。而∵转子惯性会出现以振荡。——一般是衰减振荡，问题不大。强迫振荡：——单机和并联运行时都有。活塞式原动机（四个冲程中既有做功冲程，也有不做功冲程）造成的振荡。——一般在设计时已经避开临界转速。解决办法：发现长时间振荡可通过适当改变频率使振荡衰减。[第五节要点]：突然短路（各电抗大小及关系）；振荡（种类，危害）。§4-6.同步电动机

本节的主要内容有两部分：转动原理与起动：

主要点：同步电动机如何转动、怎样转动。电动机的电流：

主要点：影响同步电动机电枢电流的因素。同步电动机的内容不是重点，主要要求了解基本点。一、转动原理与起动

转动原理：

由并联运行同步发电机的功角特性可知：当同步发电机处于空载状态并联在电网时，若将原动机通过离合器脱开，此时转子在机械阻转矩的作用下将减速，电机的功角θ＜0，输出的有功功率为负值，即表示从电网吸收有功功率。也就是说：同步发电机就变成了同步电动机。

结论：功角θ＜0，输出P＜0，即输入P，变成同步电动机。——转速仍然是同步转速。同步电动机的起动

分析：若直接将静止不动的同步电动机转子进行励磁，而在定子三相电枢绕组通入三相交流电，在气隙中将有励磁磁场（恒定不变）和电枢磁场（旋转）同时存在，当电枢磁场超前励磁磁场时，将拖动励磁磁场转动，由于转子存在着惯性，而电枢磁场转速又很快，θ在180°内电枢磁场不能及时将转子拉入同步，而θ超过180°后，电枢磁场与励磁磁场的相互作用力变成斥力，于是在一个周期内，电磁转矩的平均值为零。因此，同步电动机不能直接起动。

起动方法：主要有间接起动和异步起动。间接起动和异步起动

间接起动：通过其它机械（原动机）将同步电动机起动至额定转速，然后定子电枢绕组接三相交流电，转子励磁绕组通入励磁电流，通过机械离合器脱开原动机并带上机械负载，同步电动机进入正常的电动运行状态工作。

异步起动：依靠同步电动机磁极上的起动绕组（类似鼠笼绕组）起动。起动时，将转子绕组串联一个5～10倍励磁绕组电阻值的电阻，定子接入三相交流电，起动绕组以异步机的原理起动，当转子转速接近同步转速时，励磁绕组通过转换开关断开串联的电阻，接入正常励磁电流，此时由于电枢磁场与励磁磁场的相对转速很小，转子在电枢磁场的作用下将被拉入同步。拉入同步后的电动机就可带动机械负载正常工作。

异步法起动时注意：励磁绕组既不能开路也不能短路，而应在转子绕组回路中串联一个5～10倍励磁绕组电阻值的电阻。

这是因为：由于励磁绕组的匝数很多，起动时，若开路则会感应出很高的电压，造成设备损坏等后果。而若直接短路，则短路电流较大，会烧坏励磁绕组。

转子回路电阻的作用：即降压又限流。注意

同步电动机电流的性质：与发电机类似，同步电动机过励时（励磁电流增大，使空载电势大于额定电压一定数值），输出感性无功；欠励则输出容性无功。同步电动机一般工作在过励状态，以改善电网的功率因数。

使用场合：大功率不经常且可空载起动的设备使用。由于起动困难，所以不经常起动并允许空载起动；大功率才能用来明显改善功率因数。

同步补偿机：与电网并联、工作在空载过励状态下的同步电机。[第六节要点]：转动原理；起动方法；励磁与输出。二、电动机的电流第四章各节要点各节要点：第一节：结构、原理、类型、额定参数。第二节：空载特性实质；电枢反应（3种）；外特性与（Δu）；调节特性。第三节：电压方程及相量图；转矩；独立运行的特点。第四节：理想合闸条件；功角特性；并联运行特点（无穷大，同容量