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1、第四章 同步电机,4-1 三相交流同步电机的基本结构、工作原理及铭牌数据,本节的主要内容 三相交流同步电机的基本结构 三相交流同步发电机的基本工作原理 铭牌数据,4.1.1 三相交流同步电机(synchronous generator) 的基本结构,基本结构：定子和转子。 定子结构： 一般是三相电枢绕组（转极式） 结构：由铁心和绕组组成，与异步电机定子基本相同。机座号相同时若与异步机互换仍可运行。 区别：主要是尺寸方面，同步电机通常容量较大，而异步机的容量相对较小。因此，从表面上看同步机机壳无散热片，异步机则有散热片。 接线：发电机定子绕组通常采用Y 形连接 减小三次谐波影响。,同步电机,旋转
2、电枢式,旋转磁极式,隐极式 (Salient-pole),凸极式 (Cylindrical-Rotor),基本结构,旋转磁极式同步电机类型：,发电机 把机械能转换为电能,电动机 把电能转换为机械能,补偿机 没有有功功率的转换，只发出或吸 收无功功率,同步电机运行状态，主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角 ， 称为功率角。,定子结构,定子：定子是由铁芯、定子三相绕组、机座及固定这些部分的其他结构件组成，中小型同步发电机的定子部分与三相交流异步电机的定子结构部分基本相同。,转子结构 一般是励磁绕组,转子：励磁绕组是直流绕组。,隐极式转子结构：,隐极式铁心,隐极式转子,大型机的转子支架,转子
3、铁心硅钢片,一对极隐极式示意图,隐极式转子结构示意,滑环,两对极凸极式,转子立体示意图,电机截面示意图,4.1.2 三相交流同步发电机的基本工作原理,直流电流通入励磁绕组，主磁极产生励磁磁通。 主磁极被原动机拖动，以同步转速旋转，其磁通密度沿气隙近似正弦波形分布。 励磁磁场依次切割定子各相绕组（相当于绕组导体反向切割）。 定子三相电枢绕组就会感应出大小和方向按周期性变化的交变正弦电动势。,直流电源由滑环向转子提供励磁电流，产生磁场；原动机拖动转子旋转，转子磁场切割三相定子绕组，感应三相交流电。,导体感应电动势,励磁绕组通入直流电后产生磁场，发电机转子由原动机拖着以恒定转速 n1 相对于定子顺时
4、针方向旋转，定子导体相对磁场运动感应电动势，感应电动势可以由 e=blv 决定。当导体长度一定、转速一定时，导体感应电动势由气隙磁通密度大小决定。,图4-6 三相空载电势向量图,图4-5 同步发电机主磁极下气隙的磁通密度分布,电动势瞬时值为:,由于三相电枢绕组在空间相差120电角度，三相电动势相位也相差120。 P.53，式4-1即,有关公式,式4-2与变压器公式多了kw，称为绕组系数。是绕组短距和分布引起的。,电势、频率公式：,4.1.3 铭牌数据,铭牌数据： 主要铭牌数据有： 额定容量（或功率）、额定电压、额定电流、额定功率因数、额定频率、额定转速、绝缘等级、温升、励磁电压、励磁电流等。
5、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）。,额定容量 SN 指额定运行时电机的输出功率 额定电压UN 指额定运行时定子的线电压 额定电流IN 指额定运行时定子的线电流 额定功率因数指额定运行时电机的功率因数 额定频率fN 指额定运行时电枢的频率 额定转速nN 指额定运行时电机的转速，即为 同步转速,额定值：,结构（基本结构、组成、转极式和转枢式）； 原理（原动机转，磁场切割绕组产生电势，在空间互差120，所以是三相交流电势）； 额定参数（主要是容量、电压、电流、功率因数、频率）。,第一节要点,4-2 三相交流同步发电机运行特性,本节的主要内容 同步发
6、电机空载运行特性 同步发电机对称负载运行 三相交流同步发电机电压平衡方程和相量图 三相交流同步发电机的外特性及调节特性 三相交流同步发电机的功角特性,空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所建立的主极磁场。主极磁通分成主磁通0和漏磁通f 两部分，前者通过气隙并与定子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁绕组相交链。主磁通所经过的主磁路包括空气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭等五部分。,空载运行,4.2.1 同步发电机空载运行特性(no-load characteristic ),保持 n=nN，空载电势 E0与励磁电流 If 的关系曲线。,P.54，+6行的k 是饱和系数。等于总磁势与不饱和磁
7、势之比。也等于饱和电势与不饱和电势之比。 空载特性实质是磁化曲线。,k一般为1.11.25,4.2.2 同步发电机对称负载运行,同步发电机负载后，三相电枢绕组也将产生旋转磁场（与异步电动机一样）； 稳定运行时，定子电枢磁场（电气磁场）与励磁磁场（机械磁场）之间没有相对运动； 定子电枢磁场对转子磁场（气隙磁场）的影响称为电枢反应； 电枢反应的大小、性质与负载电流的大小、相位有关（与负载的大小、性质有关）。 内功率因数角 ： 0与İ a 之间的相位角。,电枢电流与空载电势特殊关系有：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。发电机负载一般为感性负载(indu
8、ctive load)。,一般情况感性滞后的电流：,电枢反应-时空相矢量图,对称负载时的电枢反应,电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场就称为电枢反应。电枢反应的性质（增磁、去磁或交磁）取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。分析表明，此相对位置取决于激磁电动势E0和负载电流 Ia 之间的相角差 0（ 0称为内功率因数角）。,根据螺旋定则：主磁极前半部的磁场因两磁场的磁力线方向相反而被削弱； 主磁极后半部的磁场因两磁场的磁力线方向相同而被加强。,其结果使得气隙的合成磁势的轴线的相比原转子磁势的轴线逆转子转向偏转一个锐角，并发生畸变。 幅值增加, 0与İ 同相位时：,İ落后 0 90度时：,İ
9、超前 0 90度时：,İ滞后 0一个锐角时：,4.2.3 三相交流同步发电机电压平衡方程和相量图,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、电枢反应磁通和漏磁通。 3个磁通都分别在电枢绕组感应电势：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 + X，注意：Xs XaX 。,忽略电枢电阻,用电抗表示ea和e,电枢绕组电路,电压平衡方程：,在时间相位上， a滞后于 以90电角度，若不计定子铁耗， 与İ 同相位，则 a将滞后于İ 以90电角度于是 亦可写成负电抗压降的形式，即,采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，
10、电枢的电压方程为,因为电枢反应电动势Ea正比于电枢反应磁通a不计磁饱和时，a又正比于电枢磁动势Fa和电枢电流I，即,(46),(47),将式(46)代人式(47)，可得,(48),式中：Xs称为隐极同步电机的同步电抗，Xs=Xa+X，它是对称稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两个效应的一个综合参数。不计饱和时，Xs是一个常值。,图42c表示与式(48)相应的等效电路。从图42c可以看出，隐极同步发电机的等效电路由激磁电动势和同步阻抗 Ra+jXs串联组成，其中E0表示主磁场的作用，Xs表示电枢反应和电枢漏磁场的作用。,再从气隙电动势 减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，便得电枢的端电压 ，即,相应的
11、矢量图、相量图既有电动势相量，又有磁动势矢量。故称为电动势磁动势图。（不做要求）,或,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 有关。,隐极机相量图,根据电压平衡方程可画出相量图。但负载不同时，相量图的形状也不同。,感性负载,忽略电枢电阻,电阻性负载,容性负载,4.2.4 三相交流同步发电机外特性及调节特性,外特性：同步发电机外特性与变压器相似，但电压调整率计算式P.58.式（4-12）与P.23.式（2-13）电压变化率不同。,同步发电机的外特性是指在转速
12、额定值nN下运行，励磁电流If不变，负载功率因数一定时，发电机端电压和负载电流的关系，即U=f (Ia)曲线。,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，性质也可能不同。,调节特性(regulator curve),电枢反应去磁，则励磁电流应增加，反之则减小。 说明：书上P.58的外特性没有画全，P.59，图4-16的调节特性则存在错误，具体见下页说明。,一、功率特性 功率方程：若转子励磁损耗由另外的直流电源供给，则发电机轴上输入的机械功率Pl扣除机械损耗 Pm和定子铁耗PFe后，余下的功率将通过旋转磁场和电磁感应的
13、作用，转换成定子的电功率，所以转换功率就是电磁功率PM，即,再从电磁功率PM中减去电枢铜耗Pcu可得电枢端点输出的电功率P2 ；即,4.2.5 三相交流同步发电机的功角特性,(4-13),(4-14),如果不计Ra影响： P2PM 而从式（4 -14）可知，电磁功率PM为,由图43可见,故同步电机的电磁功率亦可写成,上式的第一部分与感应电机的电磁功率表达式相同，第二部分则是同步电机常用的。对于隐极同步电机，由于EQE0，故有,二、转矩方程,式中，T1为原动机的驱动转矩，Te为电磁转矩，T0为空载转矩，分别为：,(4 -15),把功率方程(413)除以同步角速度，可得转矩方程,功角：是发电机磁极
14、磁场与气隙合成磁场间的空间相角，若忽略电枢绕组漏阻抗压降，可认为合成磁场产生端电压，则功角也等于E0与U之间的相位角。,对于凸极机，直交轴方向气隙不均匀，XdXq， 多了一个“反应转矩” （书P.59）。,若将功角特性两边除角转速，可得转矩与功角之间的关系，称为矩角特性。,PM决定于E0和U之间的相角。 = 90时PM最大，以后递减。 考虑过载能力，一般要求在25 35。 加大激磁电流和减小同步电抗 提高Pmax 提高过载能力和稳定性。,(a)隐极机 (b) 凸极机 图4-18 同步发电机的功角特性,同步发电机有功功率调节,单机运行（或与小电网并联）时，发电机输出的有、无功功率完全由负载决定；
15、 并联运行时，若不增加油门只增加励磁电流，由于输入有功功率不变，输出的有功功率也不变（此时，虽然E0增加了，但 角却减小）。因此，只有电枢电流的相位发生变化，即输出无功功率发生变化。 调节原动机油门可以改变输出的有功功率（或频率）；调节励磁电流则可改变输出的无功功率（或电压）。 见“补充说明（无功功率）”。 所谓“过励”是指使发电机输出感性无功的励磁状态，具体见“补充说明（无功功率）” 。,当原动机正好克服各种损耗时，发电机 PM =,当励磁电流不变时，PM与功率角成正比。 当输入机械功率增加时转速增加转子磁场轴线相对于合成磁场轴线的空间角（功率角）增大 PM增大；反之亦然有功功率的调节中功率
16、角起着自动平衡的调节作用。 如果转子磁场轴线落后于合成磁场轴线的空间角 PM负值电动机运行逆功率保护。,电磁转矩与电磁功率成正比,4-3 同步电动机,本节的主要内容 同步电动机的基本原理 同步电动机的无功功率调节 同步电动机起动 永磁同步电动机（了解即可）,4.3.1 同步电动机(synchronous generator)的基本原理,由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,转动原理：,结论：功角 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。,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 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
