同步电动机

第十二章 同步电机的基本类型和基本结构

（一）本章重点

1. 同步电机的定义。

2. 同步电机的额定值。

（二）自学指导

1. 同步电机的分类和基本结构

（1）电动势的频率1f 与转子转速n 之比为恒定值的电机称为同步电机，定义表述了同步电机的主要特点。即p f n 160

。 （2）同步电机按转子结构不同，可分为隐极式和凸极式两类。

①汽轮发电机：由高速原动机汽轮机拖动，转速较高，离心力较大，一般采用隐极式同步电机，是卧式的。

②水轮发电机：由低速原动机水轮机拖动，转速较低，离心力较小，一般采用结构和制造上比较简单的凸极式同步电机，小容量水轮发电机多采用卧式。大容量的则广泛采用立式。

③同步电动机和调相机一般都做成凸极式。

（3）不同类型、不同容量、不同冷却方式的同步电机结构各不相同，但工作原理所必需的结构部件都是定子和转子两大部分。

定子—是同步电机产生感应电动势和产生旋转磁场的部件，由定子铁芯、电枢绕组和起支撑和固定作用的机座。

转子——转子的作用是产生一个强磁场，并且可以由励磁绕组进行调节。对转子的要求是导磁性能好、机械强度高。主要有转子铁心、励磁绕组、滑环等。另外，在凸极式转子磁极上还装有鼠笼形绕组(在发电机里称阻尼绕组，在电动机里称起动绕组)。

2. 同步电机的额定值

（1）额定容量N S 或额定功率N P ：对同步发电机来说，额定容量N S 是指出线端的额定视在功率，—般以干伏安（kV A ）、兆伏安(MV A)为单位；额定功率N P 是指发电机输出的额定有功功率，一般以干瓦（kW ）或兆瓦（MW ）为单位。对同步电动机来说，N P 是指轴上输出的有效机械功率。对同步调相机，用线端的额定无功功率来表示其容量。

（2）额定电压、额定电流、额定功率因数、额定效率的定义与异步电动机的相同。

第十三章 同步发电机

（一）本章重点

1. 同步发电机的电枢反应。

2. 同步发电机的的电势平衡方程式和相量图。

3. 同步发电机的并联运行的条件。

4. 有功功率、无功功率的调节。

（二）本章难点

1. 同步发电机的电枢反应。

（三）本章考点

1. 同步发电机的的电势平衡方程式和相量图。并根据方程式和相量图求励磁电势、交轴直轴电流和参数。

2. 同步发电机有功功率、无功功率的调节方法和计算。

（四）自学指导

1. 同步发电机的电枢反应

电枢反应理论是分析同步电机内部电磁关系和能量关系的理论基础，是同步电机的重要内容之一。

（1）同步发电机带上三相对称负载后，定子三相绕组（电枢绕组）中便有电流流通，不仅会在电枢绕组中产生电压降落，并且三相电流将共同产生一个旋转磁场（在此又称为电枢磁场），由旋转磁场理论可知，这个磁场的转向是顺着相序A —B —C 的方向，转速p

f n 60= (也就是同步转速)。所以电枢磁场与转子磁场（主磁场）的转向相同、转速相等，在空间是相对静止的。

（2）电枢磁场的出现，必然会对主磁场产生影响，使主磁场的分布和强弱发生变化。我们把负载时电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应。

（3）电枢反应的性质（交磁、去磁或助磁），取决于电枢磁场与主磁场的相对位置。定、

转子磁场的相对位置可通过励磁电势与电枢电流之间的相位差角ψ来反映。

ψ称为内功率因数角。

2. 隐极机的同步电抗

（1）同步发电机有负载时，定、转子之间的气隙中存在着两个旋转磁场，当不考虑磁路饱和的影响时，可把定子绕组中的感应电动势看成是由转子和定子这两个旋转磁场分别感应的电动势之和。其中，一个是由励磁磁通感应的励磁电势0E ，另一个是由电枢反应磁通感应的电枢反应电动势a E ，不计磁路饱和的影响时，电枢反应磁通a Φ正比于电枢电流a I ，而a E 正比于a Φ，所以a E 在大小上与a I 成正比，而在相位上a E 滞后于a Φ900，也就是滞后a I 900，

可表示为a

a a x I j E -=，式中a x 称为电枢反应电抗。 （2）电枢反应电抗的大小表示一个单位的电枢电流所能产生的电枢反应电动势。单位电流产生的电枢反应磁场愈强，则感应产生的电枢反应电动势a E 愈大。因此，电枢反应电抗a x 的大小可以说明电枢反应的强弱，也就是说明电枢反应磁场(由三相电流共同产生)对定子一相电路的影响。从物理本质来看，a x 相当于变压器中的励磁电抗m x 。

（3）为了反映定子三相对称电流产生的电枢反应磁通a Φ和各相漏磁通σΦ，在定子一相绕组个感应产生的全部电动势，可用—个总的电抗压降来表达，而这个总的电抗，就是同步电抗s x ，即σx x x a s +=。所以，同步电抗是表征电枢反应磁场和定子漏磁场共同对各相电路的作用的一个综合参数。它反映了三相对称电流所产生的总磁场各相电路的影响。

3. 同步发电机的的电势平衡方程式和相量图

这．一部分都是要求掌握的重点。．．．．．．．．．．．．．

4. 同步发电机的并网运行的条件

同步发电机是旋转的，它的转速会影响频率；励磁电流的大小会影响电压；并且还有相序和相位问题。投入并联运行时，牵扯到一系列的调节操作(术语称为“整步”)，比变压器并入电网要复杂得多，条件也更严格。因此，同步发电机投入电网并联运行时，要满足以下条件：

（1）发电机的电压和电网电压大小相等。（2）发电机的电压和电网电压相位相同。（3）发电机的频率和电网频率相等。（4）发电机电压的相序和电网电压相序相同。

如果并联时不符合上述条件，就称为非同期并联。非同期并联时可能产生很大的冲击电流，严重损坏电机及有关的电气设备。因此发电机并联运行时要进行整步。

5. 同步发电机的功角特性

同步电机稳态的功角特性是指同步发电机接在电网上稳定运行时，发电机的电磁功率与功率角的关系。功率角是研究同步发电机的重要参数，它决定同步发电机并联运行时的输出功率；功率角反映转子的空间位置。通过功率角可说明同步电机的机—电有功能量变化的电磁关系。

6. 有功功率的调节

要想增加输出的有功功率，必须增加来自原动机的输入功率，同时功率角也增大。减小有功功率的调节过程与此相反。可自行分析。

7. 无功功率的调节、U 形曲线

（1）发电机输出感性无功时，电枢反应是去磁的，将使电压降低影响电网电压。所以无功会比较明显地的影响电压。无功不足，将使电压过低，对于同步发电机来说调节无功功率就需调节励磁电流。

（2）同时应明确的是，调节无功功率对有功功率不会有影响，这从能量守恒来看不难理解。但是，调节有功功率时，由于功率角变化厂，不仅有功功率发生变化，无功功率也将发生变化。

（2）所谓U 形曲线，是指在有功功率保持不变的前提下，定子电流与励磁电流的关系曲线，即)(f I f I =。该曲线形状像字母“U ”

，因而得名。 由此可知，对应于每一个给定的有功功率．调节励磁电流使1cos =?时，定子电流有最小值。这时，无论增大或减小励磁电流f I 都将使定子电流增大，所以，恒功率、变励磁时，定子电流和励磁电流的关系)(f I f I =是U 形曲线，将不同有功功率时的U 形曲线最低点连起

来，就得到一条向右顷斜的、1cos =?

的曲线，这说明当输出的有功功率增大时，为了保正1cos =?，必须相应的增加励磁电流。在这条虚线的右侧，发电机处于过励状态，功率因数是滞后的，既输出有功功率，又输出感性的无功功率；虚线的左侧．发电机处于欠励状态，功率因数是超前的，既送出有功功率，又送出容性无功功率(吸收感性大功功率)。