同步电机是交流旋转电机的一种 ,因其转速恒等于同步速机时得名。同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和调相机。本章主要分析同步发电机的稳态运行原理和运行特性，简要分析同步电动机和调相机的运行状态。

第四篇 同步电机

第八章 同步电机的基本类型和基本结构

第九章 同步发电机

第十章 同步电动机和同步调相机

第一节　同步电机的基本类型

第二节　同步电机的基本结构

第三节　同步电机的额定值及励磁方式

第八章 同步电机的基本类型和基本结构

第一节 同步电机的基本类型

一、同步电机的特点 励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动转子以转速 旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势 。

n0E

频率：60

pnf

大小：0 1 1 04 44 wE . fN k

波形：由 可知，波形取决于 的空间分布。

( x )e B lv( x )B

相序：由转子的转向决定。可见，当电机的极对数、转速一定时，电机发出的交流电动势的频率也是一定的。

作为同步电动机运行时，需要在定子绕组上施以三相交流电压，电机内部便产生一个旋转磁场。这时转子绕组上加上直流励磁，则转子将在定子旋转磁场的带动下，沿定子磁场的旋转方向以相同的转速旋转。

转子转速为 n=n1=60f/p

由此可见，同步电机的特点是转子的转速 n 与电网频率 f 之间具有固定不变的关系，转速 n 称为同步转速。若电网的频率不变，则同步电机的转速恒为常值而与负载的大小无关。

二、同步电机的基本类型

按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。

按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。

旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。

按原动机类别 ,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。

汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为 2极，转速为 3000 转 /分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。

同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。

第二节 同步电机的基本结构

一、隐极同步电机的基本结构

定子铁心：硅钢片叠成。

机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。电枢绕组：三相对称绕组——铜线制成定子 (电

枢 )

转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成

护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出励磁绕组：铜线制成

滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动

转子

隐极同步电机都采用卧式结构，有定子和转子两大部分。

机械端口 电端口

A

B

C

转子

定子绕组

定子铁心

1 、定子铁心

2 、定子绕组

3 、转子铁心

4 、励磁绕组

二、凸极同步电机的基本结构

1 、立式水轮发电机 2、卧式水轮发电机

水轮发电机转子结构

10000kW 水轮机转子

各种电机

引进 600MW汽轮发电机

国产 300MW汽轮发电机

国产 200MW汽轮发电机定子

国产 200MW汽轮发电机定子铁心

现场运行的水轮发电机

第三节 同步电机的额定值及励磁方式

一、同步电机的额定值

NN PS 额定功率额定容量

指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输出的额定视在功率或有功功率，单位是 KVA 或 KW 。电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是 KW。调相机用 KVA 或 Kvar 表示。

)(kVU N额定电压

额定运行时加在三相定子绕组上的线电压。

)(AIN额定电流

在额定运行状态下三相定子绕组的线电流 .

fN

fN

N

N

N

UI

n

f

额定励磁电压额定励磁电流额定转速额定效率额定频率额定功率因数

Ncos

二、励磁方式简介 同步电机运行时，必须在励磁绕组中通人直流电流，通常称之为励磁电流。所谓励磁方式是指同步电机获得直流励磁电流的方式，而供给励磁电流的整个系统称为励磁系统。

（一）直流励磁机励磁同步电机的励磁方式有以下几种：

（二）静止的交流整流励磁系统1 、他励式静止半导体励磁系统2 、自励式静止半导体励磁系统（三）旋转的交流整流励磁系统（四）三次谐波励磁

第一节　同步发电机的空载运行

第二节　同步发电机的电枢反应

第三节 　同步发电机的负载运行

第四节　同步发电机的并联运行

第九章 同步发电机

第一节 同步发电机的空载运行

同步发电机被原动机拖动到同步转速，励磁绕组中通入直流电流 ，定子绕组开路的运行称为空载运行。fI

电磁关系：

fI fF 0ΦΦ f

0E

空载电动势 大小：0E

0 1 1 04 44 wE . fN k

空载特性：

00N fn n , I ,E f ( I )

第二节 同步发电机的电枢反应

电枢反应 :电机带上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙磁通的大小及位置均发生变化 , 这种影响称为电枢反应 .

电枢反应的性质，取决于电枢磁动势基波 和励磁磁动势基波 之间的相对位置，即与空载电动势 和电枢电流 之间的夹角 有关 .

0E I fFaF

励磁磁势和电枢磁势的区别基波波形 大小 位置 转速 转向

励磁磁动势

正弦波

恒定，由励磁电流决定

由转子位置决定

由原动机的转速决定

由原动机决定

电枢反应磁动势

正弦波

恒定，由电枢电流决定

由电流瞬时值决定

由磁极对数和电流频率决定

由电流相序决定

一、 时的电枢反应00

空载电动势 和电枢电流 同相位 .

0E

I

d轴

q轴 U轴

U1

U2

W2

V1

W1V2

N S

W 轴V 轴

fF

aFF

090090角为

之间夹与 af FF

aqa FF为记

电枢反应性质：

交轴电枢反应

二、 时的电枢反应090

空载电动势 超前电枢电流

0EI 090

d轴

q 轴 U轴

U1

U2

W2

V1

W1V2

N S

W 轴V 轴

fFaF

090角为

之间夹与 af FF

ada FF为记

电枢反应性质：直轴去磁电枢反应

三、 时的电枢反应

090

空载电动势 滞后电枢电流

0E

I 090

d轴

q 轴 U轴

U1

U2

W2

V1

W1V2

N S

W 轴V 轴

fF

aF

090角为

之间夹与 af FF

ada FF为记

电枢反应性质：直轴助磁电枢反应

四、一般情况下的电枢反应空载电动势 超前电枢电流 角 , 00 900

0E

I

d轴

q 轴 U轴

U1

U2

W2

V1

W1V2

N S

W 轴V 轴

fF

aF090

090角为

之间夹与 af FF

电枢反应性质：既有交轴 , 还有直轴去磁电枢反应

此种情况下

d q

d

q

I I I

I I sin

I I cos

---直轴分量

---交轴分量

00 90成与EId

同相位与 0EIq

a ad aq

ad a

aq a

F F F

F F sin

F F cos

---直轴分量电流产生的合成磁动势

---交轴分量电流产生的合成磁动势

上升

下降

上升

下降

下降

下降

不变

不变

下降

R、C增强交轴直轴助磁

d 、q 轴

R 、 L削弱交轴直轴去磁

d 、q 轴

C增强直轴助磁

d 轴

L削弱直轴　去磁

d 轴

R波形畸变

交轴q 轴

负载性质

对电机的影响电枢反应性质记作夹角

位置aF af FF aF

aqF

adF

aqad FF

adF

aqad FF

F

00

090

090

00 900

00 090

090

)f(n U

第三节 同步发电机的负载运行

一、凸极同步发电机的电动势方程式和相量图1 、电动势方程式

电磁关系：

fIfF 0Φ

fΦ

0E

Φ

dI adF adΦ adE

qI aqF aqΦ aqE

EI

不计磁路饱和时有下列关系ad d ad

aq q aq

E jI X

E jI X

E jIX

由于 qd III

且令 d ad

q aq

X X X

X X X

则电动势平衡方程

0 a d d q qE U IR jI X jI X

d

q

X

X--直轴同步电抗--交轴同步电抗

分别表征在对称负载下，单位直轴或交轴三相电流产生的总电枢磁场在电枢每一相绕组中感应的电动势。

2 、相量图作图步骤

;IU)( 和根据已知条件绘出1

;I

EEXIjRIUE)( QQqaQ

的夹角与

及作出根据

2

;III)( qd 和分解成角将根据3

.EOG,G

,XIjXIjM

,XIjXIjRIUE)(

ddqq

qqdda

0

04

线段即得连接端

得到末及点依次作出从

根据

二、隐极同步发电机的电动势方程式和相量图

电磁关系：

fIfF 0Φ

fΦ

0E

I

a aE jIX

E jIX

aF aΦ aE

Φ E

不计磁路饱和时有下列关系

令 t aX X X

电动势平衡方程

0 a tE U IR jIX

tX -- 同步电抗

表征在对称负载下，单位三相电流产生的电枢总磁场在电枢每一相绕组中感应的电动势。

相量图

根据相量图可求出

2 2

0 a tE U cos R I U sin X I

t

a

X I U sinarctan

R I U cos

三、同步发电机的特性（一）、空载特性和短路特性

1、空载特性定义： 1 0 00 fn n , I ,U E f ( I )

空载特性是发电机的基本特性之一。它一方面表征了磁路的饱和情况，另一方面把它和短路特性、零功率因数负载特性配合，可确定电机的基本参数、额定励磁电流和电压变化率等。 实际生产中，它还可以检查三相电枢绕组的对称性、匝间短路、判断励磁绕组和定子铁心有无故障等。

2 、短路特性

定义： 1 0 S fn n ,U , I f ( I )

短路时的等效电路 短路特性曲线

短路特性与空载特性配合可以求出电机的同步电抗。

（二）、外特性和调整特性

1、外特性定义： 1 fn n , I C ,cos C ,U f ( I )

外特性曲线 当发电机带阻性和感性负载时，外特性是下降的，原因是电枢反应的去磁作用和电枢漏阻抗产生了电压降 .

带容性负载时且（发电机负载的容抗大于同步电抗）时，外特性是上升的，原因是电枢反应的助磁作用和容性电流在漏抗上的压降。

2 、调节特性

定义： 1 fn n ,U C ,cos C , I f ( I )

调整特性曲线 在感性和阻性负载时，随着负载电流的增加，必须增加励磁电流，补偿电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降，保持端电压恒定；对容性负载，随着负载电流的增加，必须减小励磁电流。

在功率因数一定情况下 ,根据调整特性曲线 ,可确定在负载变化范围内 ,维持电压不变所需的励磁电流的变化范围。运行人员可利用调整特性曲线 ,使系统中无功功率的分配更合理一些。

第四节 同步发电机的并联运行

并联运行的含义

将两台或更多台发电机分别接在电力系统对应母线上，或通过变压器、输电线接在电力系统的公共母线上，共同向负荷供电。

并联运行的优点

1 、提高供电的可靠性；2 、提高供电的经济性；3 、提高电能的质量。

无穷大电网的含义

0

c

c

c

S

U C

f C

Z

一、并联运行的条件

1. 待并发电机的电压与电网电压大小相等；2. 待并发电机电压相位相同与电网电压相位相同；3. 待并发电机电压频率与电网电压频率相同； 4. 待并发电机的相序与电网的相序相同。

上述条件（ 4）一般在安装发电机时，根据发电机的转向确定了发电机的相序而满足，因此运行人员在并列时只需调节发电机使其满足其它三个条件即可。

不满足任一条件的并列称为非同期并列，将对电机产生严重的危害。

二、有功功率和无功功率的调节（一）、有功功率的调节

发电机空载运行时，原动机输入的功率用来平衡各种损耗，此时 ，定、转子磁极轴线重合，它们之间只有径向力而无切向力，所以 ，在功角特性的 0点上。

0000emP

。a,TT

，TP

，TT，P

),(

em

emem

em

点如图为止直到逐渐增大和电磁转矩功率

逐渐变大输出增大入功率

发电机输开大汽门增大原动转矩

1

11

emP

0 a

a1P 可见，并联于无穷大电网的同步发

电机要调节有功功率输出，只需调节原动转矩。在功率极限角范围内，输入转矩越大，有功功率输出就越大。

静态稳定：指并联在电网上稳定运行的同步发电机，当受电网或原动机方面某些微小扰动时，能在这种干扰消失后，继续保持原来稳定运行状态的能力。

emP

0a

a1P

在 a点运行时电机具有静态稳定的能力。

a

若干扰使功角δ增大到 a′点， Pem和 Tem增大，迫使电机减速，功角δ变小，电机回到 a 点。

干扰使功角δ减小时，有同样结论。所以a点称为稳定运行点。

b

b而 b点为不稳定运行点，分析略。

静态稳定的判据：比整步功率 (kW/rad)

0emsyn

dPP

d

对汽轮发电机，比整步功率为

0emsyn

t

dP E UP m cos

d x

emP

0

synPsynP

emP

090在电机稳定区域内， 越大，电机稳定增长性越好。

synP

（二）、无功功率的调节相量分析

1. 正常励磁

U

I

0EtXIj 0 1 0 0,cos ,P ,Q

)Q(Q

P),(cos,

CL 或吸发滞后 00

2. 过励磁

01E

1

tXIj 1

1I

3. 欠励磁

tXIj 202E

2

2I

)Q(Q

P),(cos,

LC 或吸发超前 00

发电机运行时，定子电流和励磁电流是运行人员主要监视的两个物理量，这两个量关系到定子绕组和励磁绕组的温度，又牵涉到功率因数的超前或滞后以及运行的稳定性问题。

并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率不变时，表示电枢电流 和励磁电流 的关系曲线 称为“ V”形曲线。

I fI )f(II f

对于一个给定的有功功率输出就有一条 V形曲线，有功功率越大，曲线向上移，因此可是以得到一簇“ V”形曲线。

" 'e

"'em em emmP PP P

励磁正常 过励

I

fI0

0emP

'emP

"emP

"'emP

1cos

欠励

区域不稳定

090

V 形曲线的特点1. 每条曲线的最低点 , , 定子电流最小 ,且全为有功电流，这些点的连线向右倾斜；

1cos

表明要输出纯有功功率，必须相应增加一些励磁电流。

2.不稳定区域边缘： δ=900，连线向右倾斜 ;

表明输出有功功率越多，维持稳定所需的励磁电流也越大。

3. 每条曲线上的电流变化量 ΔI 为无功分量 ;

4.励磁电流从零开始增大时，定子电枢电流变化规律为先减小后增大。

第一节 　同步电动机的基本方程式和相量图

第二节 　同步电动机的起动

第三节　同步调相机

第十章 同步电动机和同步调相机

第一节 同步电动机的基本方程式和相量图

一、同步电机的可逆原理

同步电机的运行是可逆的，既可以用作发电机，还可以用作电动机。

同步电机运行于发电机状态时，如图所示。

转子磁极轴线超前定子合成磁极轴线， δ>0 ，电机把机械能转变成电能。

逐步减少发电机的输入功率，转子将瞬时减速， δ角减小，相应的电磁功率也减少。

当发电机的输入功率只能满足空载损耗时，发电机处于空载运行状态。

继续减少发电机的输入功率，则 δ和 Pem变为负值。卸动原动机，电机从电网吸收功率满足空载损耗，成为空转的电动机。

电机轴上加上机械负载，负值的 δ增大，由电网向电机输入的电功率和相应的电磁功率增大，转子磁极轴线落后定子合成磁极轴线，转子受到驱动性质的电磁转矩作用。

二、同步电动机的基本方程式和相量图

按照发电机惯例，同步电动机可以看成是一台输出负的有功功率的发电机，其电动势方程与发电机的方程相同，以隐极机为例：

0 a tE U IR jIX

按照电动机惯例，把输出负电流看成是输入正电流即可，其电动势方程：

0 M a M tU E I R jI X 隐极机：

凸极机： 0 M a Md d Mq qU E I R jI X jI X

同步电动机的功角特性与发电机的也相似，用 δM=-δ代替δ即可。

三、同步电动机的 V形曲线

与同步发电机相似 , 当同步电动机的输入有功功率恒定而调节励磁电流时 ,也有三种励磁状态 ,“正常励磁”时 ,电动机没有无功功率输出；“过励”时电动机从电网吸收容性无功（或发出感性无功） ;“欠励”时电动机从电网吸收感性无功（或发出容性无功） .也可以调节无功功率 .

调节励磁电流可以调节同步电动机的无功功率和功率因数 ,这是同步电动最可贵的特点 .

第二节 同步电动机的起动

由于同步电动机的平均起动转矩为零，所不能自行起动，必须借用其它方法。

常用的起动方法有：辅助电动机起动法、变频起动法和异步起动法。其中异步起动法应用最广泛。

异步起动法是通过在凸极式同步电动机的转子上装置阻尼绕组来获得起动转矩的。阻尼绕组和感应电动机的笼型绕组相似，只是它装在转子磁极的极靴上，有时也称同步电动机的阻尼绕组为起动绕组。

第三节 同步调相机

同步调相机是专门发送无功功率的同步电机，实质上是一台空载运行的同步电动机。 在电网的受电端接上同步调速相机，是提高电网功率因数的重要方法之一。

同步调相机的特点：1.调相机的额定容量指的是在过励状态下的额定视在功率。2.由于转轴上不带机械负载，所以调相机的转轴比同容量的电动机转轴细，没有过载能力的要求。3.为了提高调相机提供感性无功的能力，励磁线圈导线截面较大，但励磁损耗仍然很大，对通风冷却要求较高。

同步调相机的起动一般采用异步起动法或辅助电动机法。选择起动方法时，首先考虑限制起动电流，然后考虑满足起动转矩的要求。