電機學 ch5 同步電機

電機學電氣工程學院2023/2/5河海大學2目錄第2章變壓器

第1章緒論

第5章同步電機第4章異步電機第3章交流電機的共同問題第6章直流電機2023/2/5河海大學3第5章

同步電機

5.2同步電機的運行原理

5.3同步電機的運行特性

5.1同步電機的基本知識

5.4同步電機的并聯(lián)運行

5.6同步電動機與同步調(diào)相機5.6同步電動機的不對稱運行

5.7同步電機的突然短路2023/2/5河海大學4第一節(jié)同步電機的基本知識定義：

同步電機是指電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與磁場轉(zhuǎn)速相同的交流電機。同步電機的轉(zhuǎn)速為一.基本類型與用途：⑴主要用來作為發(fā)電機運行；⑵也可作為電動機應用，一般使用在不需要調(diào)速的低速大功率機械中；⑶此外，可作為同步補償機，向電網(wǎng)輸送感性和容性無功功率。另外，從原動機分：汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機…基本類型：用途；結(jié)構(gòu)特點；通風方式；冷卻方式；原動機形式；勵磁方式

2023/2/5河海大學5第一節(jié)同步電機的基本知識二、同步電機的基本結(jié)構(gòu)形式同步電機一般由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋和軸承等部件構(gòu)成。同步電機的定子和異步電機相同，定子鐵芯上有齒和槽，槽內(nèi)設置三相繞組。轉(zhuǎn)子上裝有磁極和勵磁繞組。同步電機的磁極通常裝在轉(zhuǎn)子上，而電樞繞組放在定子上，通常稱為旋轉(zhuǎn)磁極式電機。

旋轉(zhuǎn)磁極式電機同步電機的轉(zhuǎn)子有凸極和隱極兩種結(jié)構(gòu)形式。用汽輪機作為原動機來拖動的稱為汽輪發(fā)電機，一般采用隱極式結(jié)構(gòu)；用水輪機作為原動機來拖動的稱為水輪發(fā)電機，一般采用凸極式結(jié)構(gòu)。同步電動機、由內(nèi)燃機拖動的同步發(fā)電機以及同步補償機大多做成凸極式。2023/2/5河海大學6第一節(jié)同步電機的基本知識二、同步電機的構(gòu)造特點（一）汽輪發(fā)電機

轉(zhuǎn)子：隱極式根據(jù)電機設計的原理，旋轉(zhuǎn)電機的容量大約與轉(zhuǎn)子直徑的平方和電機的軸向長度的乘積成正比。

細長的圓柱體

高機械強度和導磁性較好的合金鋼鍛造

小齒、大齒、通風槽

開口槽

勵磁繞組獲得勵磁電流的方式，稱為勵磁方式：直流勵磁機勵磁、靜止整流器勵磁和旋轉(zhuǎn)整流器勵磁等。2023/2/5河海大學7隱極同步電機剖面圖2023/2/5河海大學8中國制造的30萬千瓦雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機2023/2/5河海大學9第一節(jié)同步電機的基本知識二、同步電機的構(gòu)造特點（一）汽輪發(fā)電機

定子：導磁的鐵心、導電的繞組、部件。

薄的硅鋼片疊裝

1米

錯縫

開口槽

線圈：多股銅線繞制

股線之間需要進行編制換位

槽楔

機座一般是由鋼板拼焊2023/2/5河海大學10第一節(jié)同步電機的基本知識二、同步電機的構(gòu)造特點（二）水輪發(fā)電機

利用水的位能由水輪機帶動的同步發(fā)電機叫水輪發(fā)電機

凸極式的轉(zhuǎn)子 立式的結(jié)構(gòu)

推力軸承

懸吊式：穩(wěn)定性好，轉(zhuǎn)速高

傘式：廠房低，低速

磁極沖片疊裝，勵磁繞組由扁銅線繞制，阻尼繞組

導軸承

分瓣安裝

制動器2023/2/5河海大學11第一節(jié)同步電機的基本知識二、同步電機的構(gòu)造特點（三）中小電機

容量在幾十、幾百到幾千千瓦的同步電機

臥式 硅鋼片疊裝

鐵心外徑小于1米時，用整圓沖片；大于1米時，用扇形片。

大容量高電壓多用開口槽；小容量低電壓多用半閉口槽

轉(zhuǎn)子多做成凸極式

勵磁繞組，（除幾十千瓦以下的）扁銅線

兩種支承方法：一種是座式軸承；一種是端蓋軸承。

軸承也有兩種：滑動軸承與滾動軸承2023/2/5河海大學12第一節(jié)同步電機的基本知識二、同步電機的構(gòu)造特點-總結(jié)（一）定子同步電機的定子大體上和異步電機相同，是由鐵芯、繞組、機座以及固定這些部分的其他構(gòu)件組成。（二）轉(zhuǎn)子（以同步發(fā)電機為例）1、汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)現(xiàn)代汽輪發(fā)電機一般都是二極的，同步轉(zhuǎn)速為3000或3600r/min。這是因為提高轉(zhuǎn)速可以提高汽輪機的運行效率，減小整個機組的尺寸、降低機組的造價。轉(zhuǎn)子不能做得過大，所以汽輪發(fā)電機的直徑較小，長度較長。汽輪發(fā)電機均為臥式結(jié)構(gòu)。2、水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)大型水輪發(fā)電機通常都是立式結(jié)構(gòu)，它的轉(zhuǎn)速低、極數(shù)多，要求轉(zhuǎn)動慣量大，故其特點是直徑大、長度短。2023/2/5河海大學132023/2/5河海大學14同步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)2023/2/5河海大學155.1.3

同步電機的額定值三、同步電機的額定值同步電機的額定值（名牌值）由以下幾種：（1）額定容量或額定功率（2）額定電壓是指同步電機在額定運行時其定子三相的線電壓（4）額定電流是指同步電機在額定運行時流過其定子繞組的線電流同步發(fā)電機同步電動機同步調(diào)相機額定容量發(fā)電機出線端的額定視在功率（VA）轉(zhuǎn)軸上輸出的有效機械功率（W）發(fā)電機出線端輸出的無功功率（Var）額定功率發(fā)電機輸出的額定有功功率（W）2023/2/5河海大學165.1.3

同步電機的額定值（4）額定功率因數(shù)是指同步電機在額定運行時的功率因數(shù)。（5）額定效率是指額定運行時的效率。（6）額定轉(zhuǎn)速和額定頻率是指同步電機運行時的轉(zhuǎn)速（r/min）和定子繞組中電流與電壓的工作頻率（Hz）。（7）額定勵磁電壓和額定勵磁電流是指同步電機額定運行時加到勵磁繞組上的直流電壓和電流。(對三相交流發(fā)電機)(對三相交流電動機)2023/2/5河海大學17（補）同步電機的勵磁系統(tǒng)同步電機運行時，必須在其轉(zhuǎn)子勵磁繞組中通入直流電流，以便建立磁場，這個直流稱為勵磁電流，供給勵磁電流的整個系統(tǒng)稱為勵磁系統(tǒng)。勵磁系統(tǒng)是同步電機的重要組成部分，勵磁系統(tǒng)和勵磁元件的性能對電機的運行性能有重要影響。

分類，勵磁系統(tǒng)主要有兩大類：一類是直流發(fā)電機作為勵磁電源的直流勵磁機勵磁系統(tǒng)；另一類是用整流裝置將交流變成直流后供給勵磁的交流勵磁機整流勵磁系統(tǒng)。2023/2/5河海大學18（補）同步電機的勵磁系統(tǒng)1、直流勵磁機勵磁系統(tǒng)直流勵磁機通常與同步發(fā)電機

同軸，當發(fā)電機轉(zhuǎn)起來以后，勵磁機就可以為其供給直流電流。最常用的是直流并勵發(fā)電機（如圖所示）；直流他勵發(fā)電機；直流復式勵磁發(fā)電機。2、交流勵磁機整流勵磁系統(tǒng)當發(fā)電機容量較大時，由于換向困難不適宜采用直流勵磁機，這時一般采用交流勵磁機與整流裝置相配合來共同構(gòu)成勵磁系統(tǒng)。2023/2/5河海大學19（補）同步電機的勵磁系統(tǒng)根據(jù)裝置的放置位置可以分為靜止整流勵磁和旋轉(zhuǎn)整流勵磁兩種1）靜止整流勵磁靜止整流勵磁分為他勵式和自勵式兩種，下圖為他勵式靜止整流勵磁系統(tǒng)。1—發(fā)電機；2—交流主勵磁機；3—交流副勵磁機；4—硅整流機；5—可控硅整流機；6—自動電壓調(diào)整器（主勵為100Hz同步發(fā)電機，副勵為500Hz中頻同步發(fā)電機）2023/2/5河海大學20（補）同步電機的勵磁系統(tǒng)他勵式靜止整流器勵磁系統(tǒng)原理：主勵(2)經(jīng)整流(4)向發(fā)電機(1)提供If;主勵的勵磁電流由副勵磁機(3)提供優(yōu)點：運行、維護方便，用硅整流代替換向器不僅提高了勵磁容量，而且大大提高了發(fā)電機運行可靠性；缺點：接線設備復雜，起動時需要另外的直流起勵電源向副勵磁機供給勵磁電流。

自勵式系統(tǒng)優(yōu)點：便于維護，電壓穩(wěn)定性較高，動態(tài)特性好。2023/2/5河海大學21（補）同步電機的勵磁系統(tǒng)2）旋轉(zhuǎn)整流勵磁

旋轉(zhuǎn)電樞式。交流主勵磁機:電樞、整流裝置與主發(fā)電機的勵磁繞組均裝設在同一旋轉(zhuǎn)體上，不需要集電環(huán)和電刷裝置，所以這種系統(tǒng)又稱為無刷勵磁系統(tǒng)。

1—交流副勵磁機；2—交流主勵磁機；3—同步發(fā)電機；4—自動電壓調(diào)節(jié)器2023/2/5河海大學22（補）同步電機的勵磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)整流勵磁系統(tǒng)優(yōu)點：由于取消了電刷和集電環(huán)，所以這種勵磁方式的運行比較

可靠，維護簡單，尤其適合于要求防燃、防爆的特殊場合。

缺點：發(fā)電機勵磁回路的滅磁時間常數(shù)較大，對迅速消除主發(fā)電機的內(nèi)部故障不利；轉(zhuǎn)子繞組保護困難。2023/2/5河海大學23改善發(fā)電機發(fā)出電勢波形的基本途徑：勵磁電流產(chǎn)生接近與正弦分布的氣隙磁密波形；定子每相繞組采用分布和短距線圈；三相繞組采用Y接法。恒量指標：電壓波形正弦畸變率實際空載線電壓波形與正弦波形的偏差程度一般用電壓波形正弦畸變率來表示，即（補）電壓波形正弦畸變率2023/2/5河海大學245.2.1同步電機的空載運行

同步發(fā)電機被原動機拖動到同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子繞組通入勵磁電流而定子繞組開路時的運行狀態(tài)，稱為空載運行。（一）勵磁磁動勢及其基波分量

假設定子內(nèi)圓為光滑，無齒槽。原定子槽內(nèi)三相分布式繞組等效為線徑極細的整距集中式繞組，位于氣隙中無限靠近定子內(nèi)圓表面。其每相電阻保持不變。鐵心磁導率為無窮大，鐵損忽略不計。等效前后，相同大小的勵磁電流產(chǎn)生的勵磁磁場的基波與定子每相繞組匝鏈的磁鏈保持不變。相同的勵磁電流，在定子繞組中感應出相同的基波電動勢，也就是等效前后空載特性相同（只考慮基波的情況下）。

2023/2/5河海大學255.2.1同步電機的空載運行凸極同步發(fā)電機

2023/2/5河海大學265.2.1同步電機的空載運行凸極同步發(fā)電機勵磁磁動勢大小為通過傅里葉變換將矩形波磁動勢分解為基波及諧波。

2023/2/5河海大學275.2.1同步電機的空載運行隱極同步發(fā)電機勵磁磁動勢最大值為通過傅里葉變換將階梯形磁動勢分解為基波及諧波。

2023/2/5河海大學28當轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，主磁場就在氣隙中形成一個旋轉(zhuǎn)磁場，它“切割”對稱的三相定子繞組后，就將在定子繞組內(nèi)感應出頻率為的一組對稱三相空載電動勢：忽略高次諧波時，勵磁電動勢的有效值為式中：為每極的主磁通量（二）勵磁磁動勢空間矢量勵磁磁動勢基波，它隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成旋轉(zhuǎn)磁動勢，可用空間矢量來表示。5.2.1同步電機的空載運行2023/2/5河海大學29（三）氣隙磁通密度空間矢量（主磁通與漏磁通）空載運行時，電樞電流為零，僅有由勵磁電流所建立的主極磁場。主極磁通分為主磁通和主極漏磁通，主磁通所經(jīng)過的路徑稱為主磁路，包括：空氣隙、電樞齒、電樞軛、磁極極身和轉(zhuǎn)子軛五個部分。5.2.1同步電機的空載運行主極磁通是否通過氣隙交鏈主磁通通過于定子繞住相交鏈主極漏磁通不通過僅與勵磁繞組相交鏈2023/2/5河海大學30（四）定子繞組任一相的感應電動勢的時間相量E0空載電動勢的有效值基本上等于空載基波電動勢。5.2.1同步電機的空載運行2023/2/5河海大學31（五）時空矢量圖（六）空載特性5.2.1同步電機的空載運行2023/2/5河海大學325.2.2對稱負載的電樞反應

電樞磁動勢

電樞反應

（一）電樞磁動勢和勵磁磁動勢的基本性質(zhì)

定子三相對稱繞組產(chǎn)生的電樞磁動勢

(僅研究電樞磁動勢基波)

電樞磁動勢基波的幅值：

電樞磁動勢基波的轉(zhuǎn)速:同步速

電樞磁動勢基波的轉(zhuǎn)向:轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向

電樞磁動勢基波的極對數(shù):轉(zhuǎn)子極對數(shù)2023/2/5河海大學335.2.2對稱負載的電樞反應

轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的勵磁磁動勢 (僅研究勵磁磁動勢基波)

勵磁磁動勢基波的幅值：

勵磁磁動勢基波的轉(zhuǎn)速:轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

勵磁磁動勢基波的轉(zhuǎn)向:轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向

勵磁磁動勢基波的極對數(shù):轉(zhuǎn)子極對數(shù)

電樞磁動勢基波和勵磁磁動勢基波的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、極對數(shù)均相同，任何時刻兩者之間無相對運動，因此可以將兩個磁動勢合成。合成磁動勢將是一個同樣轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、極對數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁動勢。該旋轉(zhuǎn)磁動勢在電機中產(chǎn)生氣隙磁通。

定子繞組產(chǎn)生的諧波電樞磁動勢

轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的諧波勵磁磁動勢2023/2/5河海大學34勵磁磁勢和電樞磁勢的區(qū)別基波波形大小位置轉(zhuǎn)速勵磁磁勢正弦波恒定，由勵磁電流決定由轉(zhuǎn)子位置決定由原動機的轉(zhuǎn)速決定電樞反應磁勢正弦波恒定，由電樞電流決定由電流瞬時值決定由電流的f和P決定2023/2/5河海大學352023/2/5河海大學36對稱負載的電樞反應空載：I≈0，F(xiàn)a≈0，氣隙磁場只由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生；負載時：I≠0，F(xiàn)a≠0,Fa對Ff的影響稱電樞反應電樞磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢間的相對位置取決于負載電流的性質(zhì)。同步機空載電勢電機輸出電流之間的相角定義為內(nèi)功率因數(shù)角。時，時，電流滯后于；端電壓和之間的相位角稱為外功率因數(shù)角

。

下面將分析各種不同角時的電樞反應。5.2.2對稱負載的電樞反應2023/2/5河海大學375.2.2對稱負載的電樞反應一、內(nèi)功率因數(shù)角

2023/2/5河海大學385.2.2對稱負載的電樞反應Fa在交軸，所以稱交軸電樞反應，因合成磁勢有增磁作用因為I、E同相，所以不發(fā)出無功功率

2023/2/5河海大學395.2.2對稱負載的電樞反應二、內(nèi)功率因數(shù)角同步發(fā)電機的剖面簡圖磁勢的空間展開圖直軸相軸，交軸直軸交軸A相軸2023/2/5河海大學405.2.2對稱負載的電樞反應二、內(nèi)功率因數(shù)角時間相量圖時空矢量圖相軸交軸時軸直軸時軸2023/2/5河海大學415.2.2對稱負載的電樞反應

2023/2/5河海大學425.2.2對稱負載的電樞反應三、內(nèi)功率因數(shù)角同步發(fā)電機的剖面簡圖磁勢的空間展開圖直軸相軸，交軸直軸交軸2023/2/5河海大學435.2.2對稱負載的電樞反應三、內(nèi)功率因數(shù)角

Fa在交軸，所以稱交軸電樞反應，因合成磁勢有增磁作用因為I、E反相，所以不發(fā)出無功功率2023/2/5河海大學445.2.2對稱負載的電樞反應四、內(nèi)功率因數(shù)角同步發(fā)電機的剖面簡圖磁勢的空間展開圖直軸相軸，交軸直軸交軸2023/2/5河海大學455.2.2對稱負載的電樞反應四、內(nèi)功率因數(shù)角時間相量圖時空矢量圖時軸相軸，交軸時軸直軸2023/2/5河海大學465.2.2對稱負載的電樞反應

同步電機的運行方式可以由內(nèi)功率因數(shù)角來判斷。同步電機作為發(fā)電機運行時，轉(zhuǎn)子磁場將較定子磁場超前

同步電機作為電動機運行時，定子磁場將較轉(zhuǎn)子磁場超前2023/2/5河海大學475.2.3隱極同步發(fā)電機

（不考慮飽和時）一、電磁關(guān)系

不計飽和時，可利用疊加原理分別求出和單獨在定子每一相產(chǎn)生的磁通和電勢，再考慮到由電樞漏磁場引起的每一相的漏磁通和漏電勢：2023/2/5河海大學48二、電路方程

三、等效電路等效電路，如右圖所示。隱極同步發(fā)電機在穩(wěn)態(tài)運行時的等效電路是簡單的獨立回路，沒有次級側(cè)回路和其它耦合回路。5.2.3隱極同步發(fā)電機

（不考慮飽和時）2023/2/5河海大學495.2.3隱極同步發(fā)電機

（不考慮飽和時）2023/2/5河海大學50補充同步電機的功角特性忽略電樞電阻不計飽和時對于隱極電機基本電磁功率附加電磁功率功角特性(同步電抗)2023/2/5河海大學51四