第 6 章同步电机

第 6 章同步电机 • §6.1 同步电机的基本工作原理与结构 • §6.2 同步发电机的空载运行 • §6.3 同步发电机的电枢反应 • §6.4 同步发电机的负载运行 • §6.5 同步发电机的并联运行 • §6.6 同步发电机和同步调相机

§6.1同步电机的基本工作原理与结构 交流电机分：同步电机----n=ns(ns为同步转速）异步电机----nns 一、同步电机分类：旋转电枢式：电枢旋转，主极固定，因电枢功率不易由滑动部分送出，只适于较小容量发电机，实用少。旋转磁极式：磁极旋转，电枢固定，电枢功率由静止部分送出，可传送较大功率，实用广，是同步发电机的基本结构型式。同步电机

隐极式转子：不计齿槽时气隙均匀；机械强度高，适用于高转速；一般用于汽轮发电机；外形细长。隐极式转子：不计齿槽时气隙均匀；机械强度高，适用于高转速；一般用于汽轮发电机；外形细长。凸极式转子：气隙不均匀，极弧下较小，极间较大；机械强度比隐极机低，适用于低转速；一般用于水轮发电机，外形扁盘形。旋转磁极式二、隐极同步电机（只有卧式支撑） 1、隐极式转子结构：隐极式转子上没有凸出的磁极，如图6-1所示。沿着转子本体圆周表面上，开有许多槽，槽中嵌放励磁绕组。在转子表面约1/3部分没有开槽，构成所谓大齿，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。图6-1 隐极式转子

2、隐极式转子特点：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。考虑到转子冷却和强度方面的要求，隐极式转子的结构和加工工艺较为复杂。转子长度/直径=2.5~6.5，且容量愈大比值愈大。 3、汽轮发电机（如图6-2）主要结构部件有：定子、转子、端盖和轴承。 定子定子大体上与异步电机相同，定子铁心由0.35mm,0.5mm或其它厚度的电工钢片叠成。图6-2 汽轮发电机

三、凸极同步电机（卧式、立式支撑） 1支撑：卧式、立式支撑。立式水轮发电机据推力轴承的不同安放位置又分：悬式（推力轴承在转子上部）、伞式。 2、水轮发电机的特点是：极数多，直径大，轴向长度短，整个转子在外形上与汽轮发电机大不相同。大多数水轮发电机为立式。 3、定子：水轮发电机的直径很大，定子铁心由扇形电工钢片拼装叠成。为了散热的需要，定子铁心中留有径向通风沟。 4、转子：水轮发电机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，做成凸极式转子结构工艺上较为简单。凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈，如图6-4所示。转子铁心：由厚度为1～3mm的钢片叠成；磁极两端有磁极压板，用来压紧磁极冲片和固定磁极绕组。有些发电机磁极的极靴上开有一些槽，槽内放上铜条，并用端环将所有铜条连在一起构成阻尼绕组，其作用是用来抑制短路电流和减弱

电机振荡，在电动机中作为起动绕组用。 励磁绕组：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。图6-4 凸极式转子

同步电机的运行原理 一、同步发电机工作原理参考同步电机结构模型图6-5 1、定子上：三相绕组，空间互差1200电角度，匝数相等转子上：If,由转子N极出来气隙定子铁心气隙转子S极原动机n逆时针恒速旋转定子上导体切割磁力线产生e 图6-5

6.2 同步发电机的空载运行 空载运行：原动机带动发电机在同步转速下运行,励磁（转子）绕组通过适当的励磁电流,电枢（定子）绕组不带任何负载（开路）时的运行情况，称为空载运行。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Ff（励磁磁势）单独建立，称励磁磁场。一、空载气隙磁场　 1、主磁通：既与转子交链，又经气隙与定子交链的磁通。为一以同步转速旋转的旋转磁场，磁密波形沿气隙圆周近似作正弦分布，其基波分量的每极磁通用0表示， 0参与电机的机电能量转换。 2、漏磁通1：除0外的所有谐波成分，及励磁磁场中仅与转子励磁绕组交链而不与定子交链的磁通。1不参与电机的机电能量转换。

二、空载特性E0 = f(If)或E0 = f(Ff)： 1、空载运行时, 励磁电势随励磁电流变化的关系称为同步发电机的空载特性。2、转子同步速为n1，三相基波电势有效值为E0=4.44fNkN10 E0 3、 E0= f(Ff)：改变If，可改变0及E0，由此得空载特性曲线如图6-6。空载特性与电机磁路的磁化曲线具有类似的变化规律。 ☆励磁电流较小时，由于磁通较小，电机磁路没有饱和，空载特性呈直线（将其延长后的射线称气隙线）。图6-6 空载特性曲线

随着励磁电流的增大，磁路逐渐饱和，磁化曲线开始进入饱和段。为合理利用材料，空载额定电压一般设计在空载特性的弯曲处，如图中的c点。随着励磁电流的增大，磁路逐渐饱和，磁化曲线开始进入饱和段。为合理利用材料，空载额定电压一般设计在空载特性的弯曲处，如图中的c点。　 ☆空载特性可以通过计算或试验得到。试验测定的方法与直流发电机类似。同步电机的空载特性也常用标么值表示，空载电势以额定电压为基值，此时的励磁电流 (称为额定励磁电流)为励磁电流的基值。用标么值表示的空载特性具有典型性，不论电机容量的大小，电压的高低，其空载特性彼此非常接近。 4、空载特性在同步发电机理论中有着重要作用：① 根据设计好的电机的空载特性，可判断该电机的磁路是否过于饱和或者材料是否充分利用。②空载特性结合短路特性(在后面介绍 )可以求取同步电机的参数。③发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性以及励磁系统的故障。

5、饱和系数： 饱和电机中E0一定时，气隙线上的横坐标为气隙磁动势空载特性上的横坐标为为励磁磁动势饱和系数k=励磁磁动势/气隙磁动势=ac/ab= E0/UN 三、空载运行时空矢量图（见图6-7） 1、凸极机中： d轴-----直轴，转子磁极轴线 q轴-----交轴，N、S之间的中心线，与d轴垂直。 2、时空矢量图（取定子绕组的时间参考轴即时轴与相轴重合） Ff中的基波分量Ff1 (空间矢量）与由它产生的Bf1 (空间矢量）及0 (时间矢量）同相位，波幅为直轴正方向；E0 (时间矢量）滞后0 900。 .

6.3 同步电机的电枢反应一、负载后磁势分析 ★空载时，同步电机中只有一个以同步转速旋转的励磁磁势Ff，它在电枢绕组中感应出三相对称交流电势，称为励磁电势。★当电枢绕组接三相对称负载后，电枢绕组和负载一起构成闭合通路，通路中流过的是三相对称的交流电流，三相对称电流流过三相对称绕组时将会产生一个以同步速度旋转的旋转磁势。★结论：同步发电机接三相对称负载以后，电机中除了随轴同转的转子磁势Ff (称为机械旋转磁势)外，又多了一个电枢旋转磁势Fa(称为电气旋转磁势)。两旋转磁势的转速均为同步速，

二、电枢反应 而且转向一致，二者在空间处于相对静止状态，可以用矢量加法将其合成为一个合成磁势F 。气隙磁场可以看成是由合成磁势在电机的气隙中建立起来的磁场。也是以同步转速旋转的旋转磁场。 1、电枢磁势的存在，将使气隙磁场的大小和位置发生变化，这一现象称为电枢反应。电枢反应会对电机性能产生重大影响。2、电枢反应的性质（去磁、助磁或交链）决定于空间相量Fa和Ff1之间的相对位置，这一相对位置仅与时间相量E0和Ia 之间的相位差y相关连。称为内功率因数角，其大小由负载的性质决定。 E0超前， y大于0。

. F E0 Fa F Fa Ff1 . . . . Ff1 Ea E I E 0 a 0 3、电枢反应的性质(参图6-7） ★y=00(参图6-13中a） Fa和Ff1之间的夹角为90度，即二者正交，转子磁势作用在直轴上，而电枢磁势作用在交轴上，这种作用在交轴上的电枢反应称为交轴电枢反应，简称交磁作用。结论： Fa对大小无影响，但合成磁势F的轴线位置从空载时直轴处逆转子转向后移一个锐角，幅值增大. a、y=0 图6-7 交直轴电枢磁动势作用 b、y=90

. E0 . Ea F Ff1 Fa ★y=900(参图6-7中b） E0超前Ia 900 Fa和Ff1与之间的夹角为180度，即二者反相，转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相反，电枢反应为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小，这一电枢反应称为直轴去磁电枢反应。 ★y=-900(参图6-8） Ia超前 E0 900 此时Fa和Ff1与之间的夹角为00，即二者同相，转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相同，电枢反应为纯助磁作用，合成磁势的幅值增大，这一电枢反应称为直轴助磁电枢反应。图6-8 y=-900交直轴电枢磁动势作用

. E0 Iq Faq F Fa Ff1 (Id) Fad . . Ia Ia . E 0 ★y=(0~900 )(参图6-9）滞后一个锐角 Id=Iasiny Iq=Iacosy A、直轴分量Id直轴去磁作用 B、交轴分量Iq交磁作用， F，其轴线位置从空载时直轴处逆转子转向后移一个锐角图6-9

6.4 同步发电机的负载运行一、不饱和时： .  . I . . . . . . E E =E0+Ea =U+IRa+jIX . . . . Ea U E0 . E 1、电磁关系叠加原理计算E 转子励磁电流If  Ff Ff 1 0 E0If 定子三相电流 I Fa1 a EaIa Ea=-jIXa  E Ia E=-jIX Xa ---电枢反应电抗 X---漏电抗 . . . . 谐波基波 . . . . . . . . . . . 2、电势方程：由图6-10 图6-10

. . . . . . a Fa 0 Fa  a . . I I . . E . jIX jIXa . . . . . E Ea Ea E0 U . . . . . . . . . . . E0=-Ea+U+IRa +jIX =U+IRa +jIX+jIXa =U+IRa+jIXt Xt =X+Xa 大小：E0=4.44f1NKN10 Xt--隐极机同步电抗，表征对称稳态运行时电枢反应基波磁场和漏磁场综合效应的电磁参数。 3、相量图：如右图   Ra 忽略磁滞效应与同相位

. E0 . • 4、 及E0的求取： • ：与I之间的夹角 • : U与I之间的夹角 • 矢量法：利用2中的平衡方程求解设U或I初相角为00进行矢量运算即可 标量法：根据相量图进行代数运算，运算简单 tan=(IXt+Usin)/(IRa+Ucos) Eo=Ucos+I Racos+IXtsin . . . .

二、饱和时： . E Ra Xa X Xt ~ ~ . . U U . . . . 0  a  . . . . . E E Ea E E0 . . . . E Ea E0 E0 5、等效电路：如图6-11 图6-11 不计饱和时隐极同步发电机等效电路图 1、电磁关系不能再用叠加原理计算E，  +  ，转子励磁电流If  Ff Ff 1 定子三相电流 I  Fa1    Ia + F1 基波

. . . . . . E E E E E E . . I I . . . E U U F 与满足空载特性。 2、磁势方程 =Ff1+Fa1 (*) F1 3、电势方程：  = + = + Ra . 或 = + Ra+jIX 4、饱和时，由F 1求（磁势Fa1折算）： 求作用在主磁路上的合成磁势F '，然后利用电机的磁化曲线（空载特性）求负载时气隙合成电势。

Ff1= Ff Kf Ff = Ka Ff1 Kf = Ff1/Ff =( 8sinv/2)/ 2v ----励磁磁势曲线波形系数 Ka = 1/ Kf ----电枢反应系数（0.97~1.035) • Fa '=Ka Fa1Fa '的基波幅值等于Fa1 Fa '---折算到直流励磁磁动势梯形波的等效电枢磁动势 • (*)式两侧同时乘Ka Ka F1 = Ka Ff1+ Ka Fa1

. . I I . . . E E jIX . . U E0 F '= Ff + Fa ' F '---折算到直流励磁磁动势梯形波的等效气隙磁动势 小结：由Fa1得Fa ‘ ，加上Ff得F ‘，再查空载特性求。 Fa1 5、相量图： Ff1 Fa ' F Ra F ' Ff Fa 图6-12 计饱和时隐极同步发电机时—空矢量图

6.5 同步发电机的并联运行 ★单机供电的缺点：不能保证供电质量(电压和频率的稳定性)和可靠性(发生故障就得停电)；无法实现供电的灵活性和经济性。这些缺点可通过多机并联来改善。 ★通过并联可将几台电机或几个电站并成一个电网。现代发电厂都是把几台同步发电机并联起来接在共同的汇流排上，一个地区总有多个发电厂并联起来组成一个强大的电力系统(电网)。 ★电网供电优点：①提高了供电可靠性。一台电机故障或检修不会引起停电事故。②提高了供电的经济性和灵活性。若水电厂与火电厂并联，在枯水期和旺水期两种电厂可以调配发电。用电高峰期和低谷期可灵活决定投入电网的发电机数量，提高发电效率和供电灵活性。③提高了供电质量。电网容量大(相对于单台发电机或个别负载可视为无穷大)，单台发电机投入与停机、个别负载变化对电网影响甚微，衡量供电质量的电压和频率可视为恒定不变的常数。同步发电机并联到电网后其电压、频率和电网一致不能单独变化。

一、并联条件： 把同步发电机并联至电网的过程称为投入并联(并列、并车、整步)。并车时必须避免产生巨大的冲击电流，以防止同步发电机受到损坏（电磁冲击、机械冲击）、电网遭受干扰。 ★并联条件：　　 ① 波形相同；②频率相同； ③相序相同； 相位相同；相序相同（多相系统相容的基本要求）。 ★若以上条件中的任何一个不满足则在开关两端会出现差额电压，如果闭合开关，在发电机和电网组成的回路中必然会出现瞬态冲击电流。★上述条件中相序一致是绝对条件，其它条件是相对的，因为通常电机可以承受一些小的冲击电流。

二、并联方法 1、准确同步法：将发电机调整到完全符合并联条件后的合闸操作过程称准确同步法调整过程常用同步指示器来判断条件的满足情况。最简单的同步指示器由三相相灯组成，并有直接接法、交叉接法。 ★直接接法（灯光明暗法） ①接线图：三只灯泡直接跨接于电网与发电机的对应相之间。 . . UA2 UC1 UB1 UA1 . UB2 . UC2 . . . . U UA ②采用直接接法，每组灯上电压相同，假设发电机与电网的电压幅值相同，而频率不同，其相量图见右图6-13。 w2 w1 ③ 以频率（f2-f1)在(0—2)U1之间交变，即三组相灯以频率f2-f1闪烁，同暗同亮。图6-13 直接接法的相量图

. Ih . . . . . . . U1 U1 U2 U U U U 并车方法：A、调节发电机励磁电流大小使其端电压与电网电压相等；B、调节相序，如果相序一致，灯光应表现为明暗交替，如灯光不是明暗交替说明相序不一致，应调整发电机的出线相序或电网的引线相序，严格保证相序一致；C、调节转速n，改变频率，直到灯光明暗交替频率很低，等待灯光完全变暗的瞬间到来，即可合闸并车。 并联后的自整步作用若f2>f1，合闸后相量图如图6-14。产生的环流Ih滞后约900。对发电机相当于输出电功率，轴上受制动转矩，转速下降，直到严格同步,f2 = f1 。同理f2 <f1 ,发电机轴上受驱动转矩，转速上升 (图略) ，直到严格同步,f2 = f1 。 . 图6-14 自整步作用 -

6.6 同步电动机和调相机 . . I I . jIXt . . . . E0 E0 U U 一、同步电机三种运行状态：发电机、电动机、调相机 1、发电机状态：相量图如图6-15 超前于，Pem、均大于0，转子主极轴线沿转向超前于气隙合成磁场轴线，故电磁转矩为制动性质，原动机输入驱动转矩克服制动作用的电磁转矩。 Ra 图6-15 发电机状态相量图

. I . jIXt . . U E0 2、过渡状态：逐步减小原动机输入功率，使转子瞬时减速，Pem、相应减小， =0时，发电机变为空载，输入功率正好抵偿空载损耗。相量图如图6-16 图6-16 过渡状态相量图 3、电动机状态：继续减小原动机输入功率，Pem、为负，电机要从电网吸收一部分电功率，与原动机输入功率一起与空载损耗平衡，维持转子同步旋转。如拆去原动机，在电机轴上再加机械负载， Pem、负得更大，电磁转矩为驱动性质，电机进入输入电动机状态，将电网输入的电能转换成机械能。（按发电机惯例）

. . I I . . jIXt jIXt . . . . U E0 U E0 二、电动势平衡方程与相量图 1、相量图：按发电机惯例， Pem、为负，900，相量图见图。对分析不方便。采用电动机惯例，将发电机惯例的电流方向改变即可，此时电流超前于电压，Pem、为正，输入电功率和所产生的电磁功率为正。相量图见图。  

. . . . U=E0+IRa+jIXt . . . . . U=E0+IRa+jIdXd+jIqXq 2、电动势平衡方程隐极机：凸极机： 3、功角特性与功率平衡功角特性： Pem=mE0Usin/Xd+mU2/2*(1/Xq-1/Xd)sin2 电磁转矩： Tem=mE0Usin/Xd+mU2/2*(1/Xq-1/Xd)sin2

. . I I . jIXt . . . . . U E0 U U E0 三、调相机：电网主要负载为异步电动机、变压器，为感性负载，需吸收感性无功，使电网功率因数下降，线路压降和损耗增大，发电设备的利用率和效率降低。在适当地点装上调相机，吸收容性无功，发出感性无功，可显著提高电力系统的经济性与供电质量。不带机械负载的同步电动机。它利用同步电动机改变励磁可以调节功率因数的原理并联运行于电网上。其吸收的有功功率仅供给电机本身的损耗，总是在接近于零电磁功率和零功率因数的情况下运行。相量图如图6-17。图6-17调相机相量图

第 6 章 同步电机