新疆大学：《电机学》课程教学课件（讲稿）同步电机

第六章同步电机 6.1概述 同步电机特点：同步电机转速与极对数、电流频率有严格的关系 高压、大容量的同步电动机采用旋转磁极式结构：小容量采用旋转电枢式。 转枢式一转子绕组（电枢），定子磁极 转极式转子磁极，定子电枢。 了隐极式：气隙均匀转子高机械强度高转速。适合细长汽轮发电机 凸极式：气隙不均匀，适合中速、低速运行。短粗水轮发电机结构 6.1.1同步电机的结构型式 一隐极电机 部件名称 作用 材料 结构 定子铁心 形成磁路 0.5mm硅钢片叠制。直径大 开口槽（大型） 于1米的铁心用扇形片拼成 定子绕组 电路部分，感应电 圆铜线或扁铜线 三相双层短路叠绕组：高压大 电流用多根并绕换位导线 机座 机械支撑 大型用钢板焊接 气隙 磁场摆合 绕线转子要利用滑环和电刷 转子铁心 磁路的一部分 整块的良导磁合金钢（导高强度合金钢与转轴锻成一 磁、承受高转速、大离心力) 转子绕组 电机用扁铜导线绕成同心 同心线圈被槽楔压紧在槽里 励磁绕组 厦过电流立 线 护环 保护励磁绕组端 中心环 挡励磁绕组 何移动 滑环 入励磁电流 端盖 封盖电机两端部 无磁性硅铝轻合金材料铸 轴承 承受转子重量和 离心力 极同先由机 急极式同步电机只有卧式一种：凸极式则分为卧式和立式结构 卧式：多数同步电动机 调相机、内燃机发电机、冲击式水轮发电机 立式：低速、大型水轮发电 1.卧式凸极同步电机的结构特点

１ 第六章 同步电机 6．1 概述 同步电机特点：同步电机转速与极对数、电流频率有严格的关系。 高压、大容量的同步电动机采用旋转磁极式结构；小容量采用旋转电枢式。 转枢式-转子绕组（电枢），定子磁极 转极式-转子磁极，定子电枢。 隐极式：气隙均匀、转子高机械强度高转速。适合细长汽轮发电机。 凸极式：气隙不均匀，适合中速、低速运行。短粗水轮发电机结构。 6．1．1 同步电机的结构型式 一． 隐极电机 部件名称 作用 材料 结构 定子铁心 形成磁路 0.5mm 硅钢片叠制。直径大 于 1 米的铁心用扇形片拼成 开口槽（大型） 定子绕组 电路部分，感应电 势 圆铜线或扁铜线 三相双层短路叠绕组；高压大 电流用多根并绕换位导线 机座 机械支撑 大型用钢板焊接 气隙 磁场耦合 绕线转子要利用滑环和电刷 转子铁心 磁路的一部分 整块的良导磁合金钢（导 磁、承受高转速、大离心力） 高强度合金钢与转轴锻成一 体 转子绕组 励磁绕组 流过电流建立磁 场 电机用扁铜导线绕成同心 线圈 同心线圈被槽楔压紧在槽里 护环 保护励磁绕组端 部 中心环 阻挡励磁绕组轴 向移动 滑环 引入励磁电流 端盖 封盖电机两端部 无磁性硅铝轻合金材料铸 造 轴承 承受转子重量和 离心力 二． 凸极同步电机 隐极式同步电机只有卧式一种；凸极式则分为卧式和立式结构。 卧式：多数同步电动机、调相机、内燃机发电机、冲击式水轮发电机 立式：低速、大型水轮发电机 1．卧式凸极同步电机的结构特点

磁极用1~3mm的钢板冲制叠成。高速电机用实心磁极。 励磁绕组用扁铜线绕制成同心线圈套在极身上。 磁轭用铸钢或冲片叠制 阻尼绕组用铜条插在磁极极靴槽中。作用是改善起动性能 2.立式凸极同步电机的结构特点 定子分数槽波绕组 转子：用高强度钢整体锻造，制成空心式以减轻重量：支架由轮毂和轮辐构成：磁极用 1~1.5mm钢板叠压，用螺杆拉紧 6.1.2同步电机的励磁方式 励磁绕组中通入直流电流，建立磁场。 励磁系统有：1)直流发电机励磁系统：采用独立供电的直流并励发电机，与主发电机同轴。 输出的直流电经电刷、滑环引入同步发电机转子励磁绕组。 2)静止式交流整流励磁系统：为解决换相火花问题，采用交流励磁机取代直流 猫机，但是要经过半导体整流系统把交流电变成直流电供给同步机厅 3)旋转式交流整流励磁系统：亦称无刷励磁系统。转枢式的交流励磁发电机， 与电机一起旋转，整流器也在轴上一起旋转，这样将整流输出直接供给同 步发电机励磁，既不用直流励磁发电机的换向器又不用同步机的电刷滑环 引入系统。 6.1,3同步电机的冷却方式 空气冷却、氢气冷却、水冷却、超导发电机 6.1.4同步电机的额定值 与异步电动机一样，额定电压、电流为线值，另外有： 额定容量：发电机出线端额定视在功率，VA kVA. 额定功率：发电机输出电功率A,=SN COSPN=√UNcos 电动机输出机械功率Pw=Sy COSONIN=UIN cosN 额定功率因数及额定效率 6.2同步电机的运行原理 研究三相同步电机在对称负载下稳态运行时的内部物理过程，包括基本方程式、矢量图、等 效电路

２ 磁极用 1~3mm 的钢板冲制叠成。高速电机用实心磁极。 励磁绕组用扁铜线绕制成同心线圈套在极身上。 磁轭用铸钢或冲片叠制 阻尼绕组用铜条插在磁极极靴槽中。作用是改善起动性能。 2．立式凸极同步电机的结构特点 定子分数槽波绕组 转子：用高强度钢整体锻造，制成空心式以减轻重量；支架由轮毂和轮辐构成；磁极用 1~1.5mm 钢板叠压，用螺杆拉紧 6．1．2 同步电机的励磁方式 励磁绕组中通入直流电流，建立磁场。 励磁系统有：1）直流发电机励磁系统：采用独立供电的直流并励发电机，与主发电机同轴。 输出的直流电经电刷、滑环引入同步发电机转子励磁绕组。 2）静止式交流整流励磁系统：为解决换相火花问题，采用交流励磁机取代直流 励磁机，但是要经过半导体整流系统把交流电变成直流电供给同步机励磁 绕组。 3）旋转式交流整流励磁系统：亦称无刷励磁系统。转枢式的交流励磁发电机， 与电机一起旋转，整流器也在轴上一起旋转，这样将整流输出直接供给同 步发电机励磁，既不用直流励磁发电机的换向器又不用同步机的电刷滑环 引入系统。 6．1．3 同步电机的冷却方式 空气冷却、氢气冷却、水冷却、超导发电机 6．1．4 同步电机的额定值 与异步电动机一样，额定电压、电流为线值，另外有： 额定容量：发电机出线端额定视在功率，VA kVA. 额定功率：发电机输出电功率 N N N N N N P = S cos = 3U I cos 电动机输出机械功率 N N N N N N N N P = S cos  = 3U I cos  额定功率因数及额定效率 6．2 同步电机的运行原理 研究三相同步电机在对称负载下稳态运行时的内部物理过程，包括基本方程式、矢量图、等 效电路

6.2.1同步发电机的空载运行 空载特性与饱和系数 空载时，定子绕组开路，电流为零，转子绕组通入直流励磁电流，发电机被拖动以同步速度 旋转 转子以同步速度1旋转时，主磁通切割定子绕组感应电势频率为「，则 Eo=4.44/ 为主磁通：由N极气腺定子齿定子栀定子齿气隙一S极转子栀 N极 特点是经过气隙，同时与定转子交链的磁通。 。漏磁通：由N极一极间气隙一S极一转子轭一→N极 特点是不经过气隙，仅与励磁绕组自身交链，不与定子交链的磁通。 发电机空载特性=fU),因为Ec%F,x1,经过适当比例变换，可得%=fF),它 就是电机的匙化曲线。根据磁化曲线求炮和系数，一会一会1小125 F0空载额定电压所需要磁势： F&负载额定电压气隙磁势： E。磁路不饱和时，对应F0磁势产生的感应电动势。 2.空载时空相量图 空间相量：励磁磁势基波分量Fa以及它产生的气隙磁密基波B,波幅同处于直轴正方 向，都以同步角频率叫=2河旋转。 时间相量：定子绕组交链的磁通。，以及它在绕组中感应的电动势E。Eo在时间上滞后 0900电角度。 3.电压波形正弦性畸变率各次谐波幅值平方和的平方根与基波幅值之比。 So: = U 一×100% 6.2.2同步电机的电枢反应 同步电机空载时，气隙中的同步旋转主磁场仅由转子励磁电流（直流）建立： 磁势( 为电枢磁 ,它与励磁磁势共同作用产生合成气 使感载时存电被被度舰。电杯汤和主极场都是相对静止的。二者本身是痕而 电枢反应：电枢磁势基波对主磁场的影响。同样包括去磁、助磁、交磁三种情况。它会 使气隙磁场畸变。 3

３ 6．2．1 同步发电机的空载运行 1． 空载特性与饱和系数 空载时，定子绕组开路，电流为零，转子绕组通入直流励磁电流，发电机被拖动以同步速度 旋转 转子以同步速度 n1 旋转时，主磁通切割定子绕组感应电势频率为 f，则 0 44 1 0 E = 4. fNk N  0 为主磁通：由 N 极 气隙 定子齿 定子轭 定子齿 气隙 S 极 转子轭 N 极 特点是经过气隙，同时与定转子交链的磁通。  f 漏磁通：由 N 极 极间气隙 S 极 转子轭 N 极 特点是不经过气隙，仅与励磁绕组自身交链，不与定子交链的磁通。 发电机空载特性 ( ) 0 f E = f I ， 因为 f f E  F  I 0 0 ，经过适当比例变换，可得 ( ) 0 Ff  = f ，它 就是电机的磁化曲线。根据磁化曲线求饱和系数   F F k 0 = = U N E ' 0 （1.1~ 1.25） F0 空载额定电压所需要磁势； Fδ 负载额定电压气隙磁势； ' E0 磁路不饱和时，对应 F0 磁势产生的感应电动势。 2．空载时-空相量图 空间相量：励磁磁势基波分量 Ff1 以及它产生的气隙磁密基波 Bf1, 波幅同处于直轴正方 向，都以同步角频率  2f 1 = 旋转。 时间相量：定子绕组交链的磁通 0 .  ，以及它在绕组中感应的电动势 0 . E 。 0 . E 在时间上滞后 0 .  900 电角度。 3. 电压波形正弦性畸变率- 各次谐波幅值平方和的平方根与基波幅值之比。 100% 1 2 2 =    = U U k n n M 6．2．2 同步电机的电枢反应 同步电机空载时，气隙中的同步旋转主磁场仅由转子励磁电流（直流）建立； 负载时定子绕组流过电流产生磁势（称为电枢磁势），它与励磁磁势共同作用产生合成气 隙磁场。因此存在电枢反应问题。电枢磁场和主极磁场都是相对静止的，二者本身是旋转的。 电枢反应：电枢磁势基波对主磁场的影响。同样包括去磁、助磁、交磁三种情况。它会 使气隙磁场畸变

电枢磁势基波与励磁磁势同转速、同转向，相对静止：因为励磁磁势转速1，定子对称 三相绕组产生电枢磁势基波转速m-0L_60m卫 P=M 1.电枢电流1滞后励磁电动势E。一个锐角w时的电枢反应，即0≤w≤90 假设某时刻，A相绕组交链最大磁通，产生最大励磁电动势E,此时刻作为时 间起点。此时刻电流滞后中角，也达到最大值。主磁通，超前感应电势E90 令时轴与相轴重合，则，（图6.17） (1)与B重合，忽略磁滞涡流时，与F重合。(2)1与F重合 根据图6.17b得 Fa-Fad+Fag F=F sinw 和 =Isinw Fag Fa cosw 此时1产生去磁磁势F,1,产生交磁磁势F 特殊地：中=0F=0Fm=F。只有交轴磁势：中=90，只有直轴磁势。 只要知道时间相量的相位关系，便可以确定空间相量间的相位关系，进而分析电枢反 应的情况与性质。 2.隐极同步电机的电枢反应特点 由于隐极同步电机气隙均匀，电枢磁势对主极磁场的影响在气隙圆周上任何位置 都一样，可以整体考虑电枢反应的影响，不用分成交直轴分量考虑 磁路不饱和：利用叠加原理，分别考虑负载时电枢磁势F。和励磁磁势F的各自独立 作用，然后进行叠加。即 ,直流励磁电流一F万励磁基波磁节一主磁通一0感应电动势（定子绕组） 一中。漏磁通（与转子交链） (1负载定子电流一→F电枢磁势基波∫一→p。电枢磁通→E。电枢感应电动势 。定子漏磁通一E。定子感应漏电势 定子绕组上产生的三个感应电动势Eo、Ea、E。各自滞后于产生它们的磁通90度电 角度。 合成气隙磁通=+。，气隙电动势E6=E+E

４ 电枢磁势基波与励磁磁势同转速、同转向，相对静止；因为励磁磁势转速 n1，定子对称 三相绕组产生电枢磁势基波转速 1 1 60 60 60 n n p p p f n = = = 1．电枢电流 . I 滞后励磁电动势 . E0 一个锐角  时的电枢反应，即 0≤  ≤900 假设某时刻，A 相绕组交链最大磁通，产生最大励磁电动势 E0，此时刻作为时 间起点。此时刻电流滞后ψ角，也达到最大值。主磁通 0 .  超前感应电势 E0900。 令时轴与相轴重合，则，（图 6.17） （1） 0 .  与 B 重合，忽略磁滞涡流时， 0 .  与 Ff 1 重合。（2） . I 与 Fa 重合 根据图 6.17b 得        = = = +   cos sin aq a ad a a ad aq F F F F F F F 和        = = = +   cos sin . . . I I I I I I I q d d q 此时 d I 产生去磁磁势 Fad ， q I 产生交磁磁势 Faq 。 特殊地： ψ=0 Fad =0 Faq =Fa 只有交轴磁势；ψ=90， 只有直轴磁势。 只要知道时间相量的相位关系，便可以确定空间相量间的相位关系，进而分析电枢反 应的情况与性质。 2. 隐极同步电机的电枢反应特点 由于隐极同步电机气隙均匀，电枢磁势对主极磁场的影响在气隙圆周上任何位置 都一样，可以整体考虑电枢反应的影响，不用分成交直轴分量考虑。 磁路不饱和：利用叠加原理，分别考虑负载时电枢磁势 Fa 和励磁磁势 Ff1 的各自独立 作用，然后进行叠加。即 . f I 直流励磁电流 Ff 1 励磁基波磁势 0 .  主磁通 0 . E 感应电动势（定子绕组）   f . 漏磁通（与转子交链） . I 负载定子电流 Fa 电枢磁势基波 a .  电枢磁通 Ea . 电枢感应电动势 .  定子漏磁通  . E 定子感应漏电势 定子绕组上产生的三个感应电动势 0 . E 、 Ea . 、  . E 各自滞后于产生它们的磁通 90 度电 角度。 合成气隙磁通 . . 0 .  = +a ， 气隙电动势 . . 0 . E = E + Ea

磁路饱和：不能使用叠加原理。电流产生磁势，求合成磁势，再求合成气隙磁通及 感应电动势。即， 一万一一E6 3.凸极同步电机的双反应理论 凸极同步电机的气隙不均匀，同一电枢磁势作用在不同气隙位置时，电枢磁势对 主极磁场的影响不同，所以气隙磁场会有变化。 ()中=90，正弦电枢磁势基波作用在d轴上。 (2)中=0，正弦电枢磁势基波作用在q轴上。 (3)0≤"≤90电枢磁势作用在任意位置，电枢磁场分布不对称，磁场波形与中和Fa 大小有关。不能直接确定电枢反应的大小。在这种情况下，为了分析电枢反应的 影响，提出了双反应理论。 双反应理论：当电枢磁势的轴线既不和直轴重合又不和交轴重合时，可以把电枢磁势 分解成直轴分量和交轴分 别求出直轴和交轴磁势的电枢反应，最 后再把它们的效果叠加起来。双反应理论适合饱和以及不饱和情况。 4.直轴和交轴电枢磁势的折算 )励随甜瓷基波幅值（转子励破融势产生）队-女鸟-与急5与一受（微形系 (2)直轴电枢磁势产生的基波磁密幅值B=B-%名。一（电枢酷场波形 B 系数) 》交电势产生的基波磁幅=，会与- (4)将正弦波电枢磁势F,F折算为等效的励磁绕组方波磁势F,F。,折算前后的基波磁 密幅值不变 器a=→-是= kad,kag直轴交轴电枢磁势折算 ÷。是字5 系数 (5)根据F,F查电机的空载特性曲线，可以得到F,Fg产生的磁场在电枢绕组中的感应 电动势

５ 磁路饱和：不能使用叠加原理。电流产生磁势，求合成磁势，再求合成气隙磁通及 感应电动势。即， . f I Ff 1 F .  . E . I Fa   .  . E 3. 凸极同步电机的双反应理论 凸极同步电机的气隙不均匀，同一电枢磁势作用在不同气隙位置时，电枢磁势对 主极磁场的影响不同，所以气隙磁场会有变化。 (1) ψ=90,正弦电枢磁势基波作用在 d 轴上。 (2) ψ=0, 正弦电枢磁势基波作用在 q 轴上。 (3) 0≤  ≤900 电枢磁势作用在任意位置，电枢磁场分布不对称，磁场波形与ψ和 Fa 大小有关。不能直接确定电枢反应的大小。在这种情况下，为了分析电枢反应的 影响，提出了双反应理论。 双反应理论：当电枢磁势的轴线既不和直轴重合又不和交轴重合时，可以把电枢磁势 分解成直轴分量和交轴分量。分别求出直轴和交轴磁势的电枢反应，最 后再把它们的效果叠加起来。双反应理论适合饱和以及不饱和情况。 4．直轴和交轴电枢磁势的折算 （1） 励磁磁密基波幅值（转子励磁磁势产生） f f f f f f f f B B F k k B k B k 0 1 1 = = =    （波形系数） （2） 直轴电枢磁势产生的基波磁密幅值 ad ad ad d ad d ad d B B F k k B k B k 0 1 1 = = =    （电枢磁场波形 系数） （3） 交轴电枢磁势产生的基波磁密幅值 aq aq aq q aq q aq q B B F k k B k B k 0 1 1 = = =    （4） 将正弦波电枢磁势 Fad Faq , 折算为等效的励磁绕组方波磁势 ' ' , ad aq F F ，折算前后的基波磁 密幅值不变。        =  = = =  = = aq aq aq f q q aq f aq aq ad ad ad f d d ad f ad ad F k F k k F F k F k k k F k F k k F F k F k k k 0 0 ' ' 0 0 ' '             ad aq k ,k 直轴交轴电枢磁势折算 系数 （5） 根据 ' ' , Fad Faq 查电机的空载特性曲线，可以得到 Fad Faq , 产生的磁场在电枢绕组中的感应 电动势