第四篇同步电机

第四篇同步电机 同步电机是交流旋转电机的一种,因其转速恒等于同步速机时得名。同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和调相机。本章主要分析同步发电机的稳态运行原理和运行特性，简要分析同步电动机和调相机的运行状态。第八章同步电机的基本类型和基本结构第九章同步发电机第十章同步电动机和同步调相机

第八章同步电机的基本类型和基本结构 第一节　同步电机的基本类型第二节　同步电机的基本结构第三节　同步电机的额定值及励磁方式

第一节同步电机的基本类型

励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动转子以转速 旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势。频率：大小：波形：由可知，波形取决于的空间分布。一、同步电机的特点相序：由转子的转向决定。可见，当电机的极对数、转速一定时，电机发出的交流电动势的频率也是一定的。

作为同步电动机运行时，需要在定子绕组上施以三相交流电压，电机内部便产生一个旋转磁场。这时转子绕组上加上直流励磁，则转子将在定子旋转磁场的带动下，沿定子磁场的旋转方向以相同的转速旋转。作为同步电动机运行时，需要在定子绕组上施以三相交流电压，电机内部便产生一个旋转磁场。这时转子绕组上加上直流励磁，则转子将在定子旋转磁场的带动下，沿定子磁场的旋转方向以相同的转速旋转。转子转速为 n=n1=60f/p 由此可见，同步电机的特点是转子的转速n与电网频率f之间具有固定不变的关系，转速n称为同步转速。若电网的频率不变，则同步电机的转速恒为常值而与负载的大小无关。

二、同步电机的基本类型 按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。按原动机类别,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为2极，转速为3000转/分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。

第二节同步电机的基本结构

定子铁心：硅钢片叠成。 电枢绕组：三相对称绕组——铜线制成定子(电枢) 机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成励磁绕组：铜线制成护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出转子中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组一、隐极同步电机的基本结构隐极同步电机都采用卧式结构，有定子和转子两大部分。

转子 C 定子绕组 A 机械端口 B 定子铁心电端口

1、定子铁心

2、定子绕组

3、转子铁心

4、励磁绕组

二、凸极同步电机的基本结构 1、立式水轮发电机 2、卧式水轮发电机

10000kW水轮机转子 水轮发电机转子结构

引进600MW汽轮发电机 各种电机

国产300MW汽轮发电机

国产200MW汽轮发电机定子

国产200MW汽轮发电机定子铁心

现场运行的水轮发电机

第三节同步电机的额定值及励磁方式

一、同步电机的额定值 指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输出的额定视在功率或有功功率，单位是KVA或KW。电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是KW。调相机用KVA或Kvar表示。额定运行时加在三相定子绕组上的线电压。在额定运行状态下三相定子绕组的线电流.

二、励磁方式简介 同步电机运行时，必须在励磁绕组中通人直流电流，通常称之为励磁电流。所谓励磁方式是指同步电机获得直流励磁电流的方式，而供给励磁电流的整个系统称为励磁系统。同步电机的励磁方式有以下几种：（一）直流励磁机励磁（二）静止的交流整流励磁系统 1、他励式静止半导体励磁系统 2、自励式静止半导体励磁系统（三）旋转的交流整流励磁系统（四）三次谐波励磁

第九章同步发电机 第一节　同步发电机的空载运行第二节　同步发电机的电枢反应第三节　同步发电机的负载运行第四节　同步发电机的并联运行

第一节同步发电机的空载运行

同步发电机被原动机拖动到同步转速，励磁绕组中通入直流电流 ，定子绕组开路的运行称为空载运行。空载电动势大小：电磁关系：空载特性：

第二节同步发电机的电枢反应

电枢反应的性质，取决于电枢磁动势基波 和励磁磁动势基波之间的相对位置，即与空载电动势和电枢电流之间的夹角有关. 电枢反应:电机带上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙磁通的大小及位置均发生变化, 这种影响称为电枢反应. 励磁磁势和电枢磁势的区别

一、时的电枢反应 q轴 U轴空载电动势和电枢电流同相位. V2 W1 d轴 S N U2 U1 V轴 W轴 V1 W2 电枢反应性质：交轴电枢反应

二、时的电枢反应 q轴 U轴空载电动势超前电枢电流 V2 W1 d轴 S N U2 U1 电枢反应性质： V轴直轴去磁电枢反应 W轴 V1 W2

三、时的电枢反应 空载电动势滞后电枢电流 q轴 U轴 V2 W1 d轴 S N U2 U1 电枢反应性质： V轴直轴助磁电枢反应 W轴 V1 W2

q轴 U轴 空载电动势超前电枢电流角, V2 W1 d轴 S N U2 U1 电枢反应性质： V轴既有交轴,还有直轴去磁电枢反应 W轴 V1 W2 四、一般情况下的电枢反应

---直轴分量 ---交轴分量 ---直轴分量电流产生的合成磁动势 ---交轴分量电流产生的合成磁动势此种情况下

位置夹角记作电枢反应性质对电机的影响负载性质 q轴交轴波形畸变下降 R d轴直轴　去磁削弱不变下降 L d轴直轴助磁增强不变上升 C d、q轴交轴直轴去磁削弱下降下降 R、L d、q轴交轴直轴助磁增强下降上升 R、C

第三节同步发电机的负载运行

由于且令 --直轴同步电抗 --交轴同步电抗一、凸极同步发电机的电动势方程式和相量图 1、电动势方程式电磁关系：则电动势平衡方程不计磁路饱和时有下列关系分别表征在对称负载下，单位直轴或交轴三相电流产生的总电枢磁场在电枢每一相绕组中感应的电动势。

2、相量图作图步骤

令 --同步电抗二、隐极同步发电机的电动势方程式和相量图电磁关系：电动势平衡方程不计磁路饱和时有下列关系表征在对称负载下，单位三相电流产生的电枢总磁场在电枢每一相绕组中感应的电动势。

相量图 根据相量图可求出

三、同步发电机的特性 （一）、空载特性和短路特性 1、空载特性定义：空载特性是发电机的基本特性之一。它一方面表征了磁路的饱和情况，另一方面把它和短路特性、零功率因数负载特性配合，可确定电机的基本参数、额定励磁电流和电压变化率等。实际生产中，它还可以检查三相电枢绕组的对称性、匝间短路、判断励磁绕组和定子铁心有无故障等。

2、短路特性 定义：短路特性曲线短路时的等效电路短路特性与空载特性配合可以求出电机的同步电抗。

（二）、外特性和调整特性 1、外特性定义：外特性曲线当发电机带阻性和感性负载时，外特性是下降的，原因是电枢反应的去磁作用和电枢漏阻抗产生了电压降. 带容性负载时且（发电机负载的容抗大于同步电抗）时，外特性是上升的，原因是电枢反应的助磁作用和容性电流在漏抗上的压降。

2、调节特性 定义：调整特性曲线在感性和阻性负载时，随着负载电流的增加，必须增加励磁电流，补偿电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降，保持端电压恒定；对容性负载，随着负载电流的增加，必须减小励磁电流。在功率因数一定情况下,根据调整特性曲线,可确定在负载变化范围内,维持电压不变所需的励磁电流的变化范围。运行人员可利用调整特性曲线,使系统中无功功率的分配更合理一些。

第四节同步发电机的并联运行

并联运行的含义 将两台或更多台发电机分别接在电力系统对应母线上，或通过变压器、输电线接在电力系统的公共母线上，共同向负荷供电。并联运行的优点无穷大电网的含义 1、提高供电的可靠性； 2、提高供电的经济性； 3、提高电能的质量。

一、并联运行的条件 1.待并发电机的电压与电网电压大小相等； 2.待并发电机电压相位相同与电网电压相位相同； 3.待并发电机电压频率与电网电压频率相同； 4.待并发电机的相序与电网的相序相同。上述条件（4）一般在安装发电机时，根据发电机的转向确定了发电机的相序而满足，因此运行人员在并列时只需调节发电机使其满足其它三个条件即可。不满足任一条件的并列称为非同期并列，将对电机产生严重的危害。

发电机空载运行时，原动机输入的功率用来平衡各种损耗，此时 ，定、转子磁极轴线重合，它们之间只有径向力而无切向力，所以，在功角特性的0点上。二、有功功率和无功功率的调节（一）、有功功率的调节可见，并联于无穷大电网的同步发电机要调节有功功率输出，只需调节原动转矩。在功率极限角范围内，输入转矩越大，有功功率输出就越大。

静态稳定：指并联在电网上稳定运行的同步发电机，当受电网或原动机方面某些微小扰动时，能在这种干扰消失后，继续保持原来稳定运行状态的能力。静态稳定：指并联在电网上稳定运行的同步发电机，当受电网或原动机方面某些微小扰动时，能在这种干扰消失后，继续保持原来稳定运行状态的能力。在a点运行时电机具有静态稳定的能力。若干扰使功角δ增大到a′点， Pem和Tem增大，迫使电机减速，功角δ变小，电机回到a点。干扰使功角δ减小时，有同样结论。所以a点称为稳定运行点。而b点为不稳定运行点，分析略。

在电机稳定区域内， 越大，电机稳定增长性越好。静态稳定的判据：比整步功率(kW/rad) 对汽轮发电机，比整步功率为

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