同步电机原理课程课件

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1、同步电机原理 结构模型 同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的 转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。图15.1给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁 心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称 交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为 电枢铁心和电枢绕组。 转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组 ，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场， 称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。 气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机 内部磁场的分布和同步电机的性能有

2、重大影响。 除了转场式同步电机外,还有转枢式同步电机，其磁极安装于定 子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当 了电枢。图中用AX、BY、CZ三个在空间错开120电角度分布的线圈 代表三相对称交流绕组。 工作原理 主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁 磁场，即建立起主磁场。 载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势 或者感应电流的载体。 切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性 相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组 的导体反向切割励磁磁场）。 交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动 ，

3、电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电 势。通过引出线，即可提供交流电源。 感应电势 有效值：由第11章可知，每相感应电势的有效值为 (15.1) 感应电势 频率： 感应电势的频率决定于同步电机的转速n 和极 对数p ，即(15.2) 交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极 性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。 同步转速 同步转速 从供电品质考虑，由众多同步发电机 并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值 ，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致 。我国电网的频率为50Hz ，故有：(15.3) 要使得发电机供给电网50Hz的工频电

4、能，发电 机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同 步转速。例如2极电机的同步转速为3000r/min，4 极电机的同步转速为1500r/min，依次类推。只有 运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也 是同步电机名称的由来。 运行方式 同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电 机、电动机和补偿机运行。 作为发电机运行是同 步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同 步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的 功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用 大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小 型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地 应用。 同步电机还可以接于电网作为同步补偿机 。这

5、时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的 励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功 率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压 的目的。 同步发电机电势方程式和相量图 电势方程式 负载以后，同步发电机的电枢绕组中存在以下电势：由励磁磁通产生的励磁电势；由电枢反应磁通产生的电枢反应电势；由电枢绕组漏磁通产生的漏磁电势 。由于电枢绕组的电阻很小，如果忽略电阻压降，则每 相感应电势总和即为发电机的端电压，用方程式表示为(16-7) 对于凸极电机来说,+=-j-j,其方程式可表示为=+j+j (16-8) 对于隐极电机来说，+=-j，其方程式可表示为=+j (16-9) 隐极发电机电势相量图凸极发电机

6、电势相量图 凸极发电机电势相量图对于凸极电机来说，需要首先将分解为和，然后才能根据方程式(16-8) 作出其电势相量图。由于与同方位，与正交，只要找出的方位，就可以方便 地将分解为和。方程式(16-8)两边同时加上-j(-)，即： 上式左边的相量-j(-) 显然与处于同一方位，而右边的相量+j 可以很方便 地求得，这样就找到了的方位。参看图16.7b，凸极电机的相量图可按下述步 骤作出。 在水平方位作出相量，错开j角作出 ； 在的尾端，加上相量j ，它超前于90电角度，经过首端和j 尾端的直 线就确定了 的方位，也即确定了q轴，与q轴正交的方位即为d轴； 将在正交分解为和； 根据方程式(16-

7、8) 即可作出。 电势相量图很直观地显示了同步电机各个相量之间的数值关系和相位 关系，对于分析和计算同步电机的许多问题有较大的帮助作用。 对于凸极电 机来说，(16-10) 而对于隐极电机来说，有 (16-11)以上两式在分析同步电机问题经常用到。 功角特性及有功功率调节功率平衡 功率平衡 同步发电机的功率流程如图17.6所示。为自原动机向发 电机的输入的机械功率，其中一部分提供轴与轴承间的摩 擦、转动部分与空气的摩擦及通风设备的损耗，总计为机 械损耗 ，另一部分供给定子铁心中的涡流和磁滞损耗， 总计为铁心损耗,为通过电磁感应作用转变为定子绕组上 的电功率，称为电磁功率 。如果是负载运行，定子

8、绕组 中还存在定子铜耗，就是发电机的输出功率。同步发 电机的功率平衡方程式为(17-1)定子绕组的电阻一般较小，其铜耗可以忽略不计，则 有 (17-2) 功角的概念 功角的概念 y为内功率因数角，d=y-j定义为功角。它表示发电 机的励磁电势 和端电压之间相角差。功角d 对于研究同步 电机的功率变化和运行的稳定性有重要意义。图17.7 画出了同步电机的时空相量图。图中忽略了 定子绕组的漏磁电势，认为+，对应于转子磁势，对应于 电枢磁势，所以可近似认为端电压由合成磁势=+所感应。 和之间的空间相角差即为和之间的时间相角差 。可见功角d在时间上表示端电压和励磁磁势之间的 相位差，在空间上表现为合成

9、磁场轴线与转子磁场轴线之 间夹角。并网运行时，为电网电压，其大小和频率不变， 对应的合成磁势总是以同步速度旋转，因此功角的大小只 能由转子磁势的角速度决定。稳定运行时，和之间无相对 运动，d具有固定的值。 功角特性 功角特性 功角特性指的是电磁功率随功角d变化的关系曲线=f(d)的。凸极电机 令可以求出对应于最大电磁功率的功角,一般来说凸 极电机的在4590之间。隐极电机 最大功率与额定功率的比值定义为同步发电机的过载能力。对 隐极电机来说 同步发电机负载运行和电枢反应分 析负载后磁势分析 空载时，同步电机中只有一个以同步转速旋转的励磁磁势 ，它在电 枢绕组中感应出三相对称交流电势，称为励磁电

10、势。当电枢绕组接上三相对称负载后，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 ，我们知道，当三相对 称电流流过三相对称绕组时，将会形成一个以同步速度旋转的旋转磁 势。由此可见，负载以后同步电机内部将会产生又一个旋转磁势 - 电枢旋转磁势。因此，同步发电机接上三相对称负载以后，电机中除 了随轴同转的转子磁势 (称为机械旋转磁势)外，又多了一个电枢旋转 磁势(称为电气旋转磁势) 。 参看异步电机篇的介绍，不难证明这两个旋转磁势的转速均为 同步速，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 。 气隙磁场可以看成是由合成磁势在电机的气隙中建

11、立起来的磁 场。 也是以同步转速旋转的旋转磁场。 可见同步发电机负载以后， 电机内部的磁势和磁场将发生显著变化，这一变化主要由电枢磁势的 出现所致。 电枢反应 电枢磁势的存在，将使气隙磁场的大小 和位置发生变化，我们把这一现象称为电 枢反应。电枢反应会对电机性能产生重大 影响。电枢反应的情况决定于空间相量 和 之间的夹角，而这一夹角又和时间相量E0 和Ia 之间的相位差y相关连。y称为内功率 因数角，其大小由负载的性质决定。 时空相量图: 1时空相量图: 2时空相量图: 3时空相量图: 如图16.4 所示的瞬间，A相绕组中感应电势达到最大值，此时如果 y=0 ，即A相电流和同相位，则亦达到最大

12、值。由异步电机篇的介绍可知，电枢磁势(三相合成磁势)的轴线在 此瞬间将和A相线圈的轴线重合。 一般情况下，(时间相量)滞后或超前于(时间相量)y 电角度时 ，(空间相量)的轴线位置也滞后或超前于A 相绕组的轴线y电角度。即 和在时间上的相位差等于的轴线和A相绕组轴线的空间角度差。以上结论虽然是在一个特殊的瞬间(磁极轴线和A相绕组轴线正 交时)得出的，由于和同速同步旋转，故在负载一定的情况下，和的 空间相位差等于90+y 电角度。 为了分析方便，人们常将时间相量,U 和空间相量,画一起构 成所谓的时空相量图(见图16.4)。在时空相量图中和Ff (处于磁极轴线 方向，称为直轴，用d表示)重合，

13、滞后于 90电角度 (处于相邻一对 磁极的中性线位置，称为交轴，用q 表示)，和 之间的相位差y由负载 性质决定，和重合。 利用时空相量图(图16.5) ，可以方便地分析不同 负载情况时同步发电机电枢反应的情况。 y=0或者180度 时和Ff之间的夹角为90度或者270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，电枢反应的结果使得 合成磁势的轴线位置产生一定的偏移，幅 值发生一定的变化。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 。y=90 此时与之间的夹角为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

14、，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=-90 此时与之间的夹角为0 ，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，电枢反应为纯增磁作用，合成磁势 的幅值加大，这一电枢反应称为直轴增磁 电枢反应。 同步电抗和电枢反应电抗同步电抗和电枢反应电抗同步电抗和电枢反应电抗同步电抗和电枢反应电抗当三相对称电枢电流流过电枢绕组时，将产生旋转的电枢磁势，将在电机内 部产生跨过气隙的电枢反应磁通和不通过气隙的漏磁通，和将分别在电枢各 相绕组中感应出电枢反应电势 和漏磁电势。与电枢电流的大小成正比(不计饱 和)，比例常数称为电枢反应电抗。考虑到相位关系后，每相电枢反应

15、电势为 ： （16-3)电枢反应电抗的大小和电枢反应磁通所经过磁路的磁阻成反比，磁阻与 电枢磁势轴线的位置有关。对于凸极电机而言，当和重合时，经过直轴气隙 和铁心而闭合（这条磁路称为直轴磁路），如图16.6a 所示。此时由于直轴 磁路中的气隙较短，磁阻较小，所以电枢反应电抗就较大。当和正交时，即 和磁极的轴线垂直时， 经过交轴气隙和铁心而闭合（这条磁路称为交轴磁路 ），如图16.6b所示。此时由于交轴磁路中的气隙较长，磁阻较大，所以电枢 反应电抗就较小。一般情况下，和之间的夹角由负载的性质决定，为 90+y， 的流通路径介于直轴磁路和交轴磁路之间，电枢反应电抗的大小也就介于最 大和最小之间。

16、由于和之间的夹角受制于内功率因数角(即负载的性质)，不 同负载时，和之间的夹角不同，对应的也就不同，这给分析问题带来了诸多 不便。为了解决这一问题，人们采用了正交分解法和叠加原理，将看成是其 直轴分量和交轴分量的叠加，并认为单独激励直轴电枢反应磁通 ，其流通路 径为直轴磁路，对应有一个固定的直轴电枢反应电抗 ,并在定子每相绕组中产 生直轴电枢反应电势 ；单独激励交轴电枢反应磁通 ，其流通路径为交轴磁路 ，对应有一个固定的交轴电枢反应电抗，并在电枢每相绕组中产生交轴电枢 反应电势。电枢绕组总的电枢反应电势可以写为 (16-4)考虑到漏磁通引起的漏抗电势=-j(为电枢绕组的漏电抗)后，电枢绕组中 由电枢电流引起的总的感应电势为 (16-5)其中=+定义为直轴同步电抗，=Xaq+定义为交轴同步电抗。 对于隐极