上海交通大学：《电机学 Electric Machinery》课程教学资源（PPT课件）同步电机

第川部分「 同步电机 1.同步电机的特点 2.同步电机的基本结构 3.同步电机的基本原理 4.同步电机的运行特性 5.同步电机的并网运行 6.同步电机的应用领域 2022-3-12 1

2022-3-12 1 1. 同步电机的特点 2. 同步电机的基本结构 3. 同步电机的基本原理 4. 同步电机的运行特性 5. 同步电机的并网运行 6. 同步电机的应用领域

同步电机研究的主要内容 SM的基本结构 4.SM的并网运行 2.SM的基本原理 )并网条件和方法 )空载运行 2)功角特性 2)电枢反应 3)有功功率的调节 3)负载运行 方法 3. SM的运行特性 4) 无功功率的调节 )空载特性 方法 2)短路特性 3)零功率因数特性 本课程主要讲授 4) 外特性 电励磁同袋 5) 调整特性 机，兼顾电动机 2022-3-12 和调相机！

2022-3-12 2 同步电机研究的主要内容 1. SM的基本结构 2. SM的基本原理 1) 空载运行 2) 电枢反应 3) 负载运行 3. SM的运行特性 1) 空载特性 2) 短路特性 3) 零功率因数特性 4) 外特性 5) 调整特性 4. SM的并网运行 1) 并网条件和方法 2) 功角特性 3) 有功功率的调节 方法 4) 无功功率的调节 方法 本课程主要讲授 电励磁同步发电 机，兼顾电动机 和调相机！

8 0.同步电机的特点 D 交流电机：定子或转子采用交流电流输入/输出： 2) 恒定励磁磁场：定子或转子采用直流励磁或者永磁 磁极励磁； 3) 定、转子磁场保持同步； 4) 转子转速等于同步速： 5) 主要作为大容量发电机以满足人们对电力的需求： a) 如百万千瓦级汽轮发电机和水轮发电机， b) 作为驱动用的大中小功率同步电动机， c) 作为无功功率补偿用的调相机。 2022-3-12 3

2022-3-12 3 0.同步电机的特点 1) 交流电机：定子或转子采用交流电流输入／输出； 2) 恒定励磁磁场：定子或转子采用直流励磁或者永磁 磁极励磁； 3) 定、转子磁场保持同步； 4) 转子转速等于同步速； 5) 主要作为大容量发电机以满足人们对电力的需求： a) 如百万千瓦级汽轮发电机和水轮发电机， b) 作为驱动用的大中小功率同步电动机， c) 作为无功功率补偿用的调相机

.同步电机的基本结构 (1)旋转同步电机的基本结构由定子、 转子与气隙组成；主要分为两类 )旋转磁极式（占绝大多数） 定子电枢：铁心与嵌在槽内的三相对称 交流绕组，用来产生旋转电枢磁场； 转子磁极：励磁绕组产生恒定励磁同步 磁场； 转子传递机械功率，定子传递电功率； 2） 旋转电枢式（特殊场合采用） 定子磁极：励磁绕组产生恒定励毯韭 磁场； 2022-382 转子电枢：铁心与嵌放在糟内的交流绕

2022-3-12 4 1. 同步电机的基本结构 （1）旋转同步电机的基本结构由定子、 转子与气隙组成；主要分为两类 1) 旋转磁极式（占绝大多数） ◦ 定子电枢：铁心与嵌在槽内的三相对称 交流绕组，用来产生旋转电枢磁场； ◦ 转子磁极：励磁绕组产生恒定励磁同步 磁场； ◦ 转子传递机械功率，定子传递电功率； 2) 旋转电枢式（特殊场合采用） ◦ 定子磁极：励磁绕组产生恒定励磁静止 磁场； ◦ 转子电枢：铁心与嵌放在槽内的交流绕 组，产生电枢磁场，转子既传递电功率 又传递机械功率，实现机电能量转换！

(2)转子磁极形式 宫8 电励磁凸极 凸极式 励磁绕组 。水轮发电机 大齿 电励磁隐极 。汽轮发电机 隐极式 阻尼 永磁磁极 小齿 绕组 。面装/内置 磁性 磁阻转子 材料 。高磁阻比轴 向叠片 永磁式 混合励磁 非磁性 2022-3-12 材料 5

2022-3-12 5 （2）转子磁极形式  电励磁凸极 ◦ 水轮发电机  电励磁隐极 ◦ 汽轮发电机  永磁磁极 ◦ 面装／内置  磁阻转子 ◦ 高磁阻比轴 向叠片  混合励磁 励磁绕组 非磁性 材料 磁性 材料 凸极式 隐极式 磁阻式 永磁式 阻尼 绕组 大齿 小齿

(3)同步电机电励磁方式 直流发电机励磁 。同轴旋转，存在换向器火花与电刷维护 问题。 静止的交流整流励磁系统 。存在滑环和炭刷维护。 旋转的交流整流励磁系统 。电力电子整流技术，无刷励磁系统 直流励磁系统（常导、超导励磁线圈 o 电刷和滑环。 2022-3-12 6

2022-3-12 6 （3）同步电机电励磁方式  直流发电机励磁 ◦ 同轴旋转，存在换向器火花与电刷维护 问题。  静止的交流整流励磁系统 ◦ 存在滑环和炭刷维护。  旋转的交流整流励磁系统 ◦ 电力电子整流技术，无刷励磁系统  直流励磁系统（常导、超导励磁线圈） ◦ 电刷和滑环

(4)同步电机铭牌额定值 三8 额定容量SN,单位kVA,MVA 。 额定功率PN,单位kW,MW 。发电机输出电功率，电动机输出机械功率！ 额定电压UN,单位V,kV 额定电流IN,单位A,kA 额定功率因数CoSPN 额定效率N=输出功率/输入功率； 额定频率fN,单位Hz 额定转速nN,单位rpm 额定励磁电压UN,单位V 额定励磁电流IN,单位A 2022-3-12 7

2022-3-12 7 （4）同步电机铭牌额定值  额定容量SN，单位kVA, MVA  额定功率PN，单位kW, MW ◦ 发电机输出电功率，电动机输出机械功率！  额定电压ＵN，单位V, kV  额定电流IN，单位A, kA  额定功率因数cosN  额定效率N ＝输出功率／输入功率；  额定频率fN，单位Hz  额定转速nN，单位rpm  额定励磁电压ＵfN，单位V  额定励磁电流IfN，单位A

汽轮与水轮发电机比较 汽轮发电机 水轮发电机 高压蒸汽推动轮机叶 高位水流冲击轮机叶 片，带动发电机转子； 片，带动发电机转子； 结构细长，轴向长度 结构短粗，轴向长度 与电枢直径之比大； 与电枢直径之比小； 卧式！ 立式！ 气隙均匀，磁导差异 气隙不均，磁导差异 小 大； 极数少，转子两极： 极数多，转子几于极； 转速高，频率50Hz的 转速低，频502的 同步转速3000rpm: 同步转速仅数百牛 相同功率条件下转矩 rpm; 8

2022-3-12 8 汽轮与水轮发电机比较 汽轮发电机 高压蒸汽推动轮机叶 片，带动发电机转子； 结构细长，轴向长度 与电枢直径之比大； 卧式！ 气隙均匀，磁导差异 小； 极数少，转子两极； 转速高，频率50Hz的 同步转速3000rpm； 相同功率条件下转矩 小； 超临界百万千瓦级； 水轮发电机 高位水流冲击轮机叶 片，带动发电机转子； 结构短粗，轴向长度 与电枢直径之比小； 立式！ 气隙不均，磁导差异 大； 极数多，转子几十极； 转速低，频率50Hz的 同步转速仅数百十 rpm； 相同功率条件下转矩 大； 超临界百万千瓦级；

2.同步电机的基本原理 8 同步电机的突出特点 )两个相互独立的交流与直流（永磁）磁场 定子磁场和转子磁场是独立的，但极对数相同。 2)两个空间相对静止的磁场 磁极励磁绕组通入直流电流，产生相对于磁极静止的气 隙磁场。 电枢三相对称绕组流过三相对称电流，产生相对于电枢 旋转的气隙磁场，其相对旋转电角速度Q等于电流角频 率2f1。 当磁极以电角速度。旋转时，同步电机产生恒定转矩的 条件是极对数相同的定子和转子磁场在气隙中保持相对 静止！ 2022-3-12 9

2022-3-12 9 2. 同步电机的基本原理 同步电机的突出特点 1) 两个相互独立的交流与直流（永磁）磁场 ◦ 定子磁场和转子磁场是独立的，但极对数相同。 2) 两个空间相对静止的磁场 ◦ 磁极励磁绕组通入直流电流，产生相对于磁极静止的气 隙磁场。 ◦ 电枢三相对称绕组流过三相对称电流，产生相对于电枢 旋转的气隙磁场，其相对旋转电角速度1等于电流角频 率2f1。 ◦ 当磁极以电角速度p旋转时，同步电机产生恒定转矩的 条件是极对数相同的定子和转子磁场在气隙中保持相对 静止！

定转子磁场相对静止关系 8 (1)当oa=0时，定子电枢 +wa=Wp -wp pn Ba @1 n一磁极转速，p-极对数 (2)当op=0时，定子磁极 01=-Wa f= pna By 60 na一电枢转速 ①d 电枢以反相序方向旋转！ 同步电机保持稳态同特性 2022-3-12 10

2022-3-12 10 定转子磁场相对静止关系 Ba p S N Bf 1 a 1 +wa =wp （1）当a ＝0时，定子电枢 1 =wp f1 = pn 60 （2）当p ＝0时，定子磁极 1 = -wa f1 = pna 60 电枢以反相序方向旋转！ 同步电机保持稳态同步特性！ n－磁极转速，p-极对数 na－电枢转速