上海交通大学：《电机学 Electric Machinery》课程教学资源（GE讲义）同步电机 Synchronous Machine（SM）

电机学 第川部分同步电机 .GE 2009级卓越工程师班 主讲教师：谢宝昌 上海交通大学电气工程系

电机学 第III部分 同步电机 for GE 2009级卓越工程师班 主讲教师：谢宝昌 上海交通大学电气工程系

同步电机 基本结构 一定子电枢 一转子磁极：凸极、隐极 基本原理 一电磁关系（励磁磁场与电枢反应） 一同步发电机、电动机、调相机 基本特性 一同步发电机运行特性 一功角特性（有功、无功、比整步功率特性） August 27,2011 2

August 27, 2011 2 同步电机 •基本结构 – 定子电枢 – 转子磁极：凸极、隐极 •基本原理 – 电磁关系（励磁磁场与电枢反应） – 同步发电机、电动机、调相机 •基本特性 – 同步发电机运行特性 – 功角特性（有功、无功、比整步功率特性）

同步电机 Synchronous Machine (SM) 转子转速等于同步速的交流电机称为同步电机。主 要作为大容量发电机以满足人们对电力的需求，如 百万千瓦级汽轮发电机和水轮发电机，也有作为驱 动用的中小功率同步电动机，以及作为无功功率补 偿用的同步调相机（同步无功补偿器）。 有功电功率：转换为机械功率或热能的电功率，或者由机械功率转换成的电功率； 无功电功率：与磁能相互转换的电功率； August 27,2011 3

August 27, 2011 3 同步电机 Synchronous Machine (SM) 转子转速等于同步速的交流电机称为同步电机。主 要作为大容量发电机以满足人们对电力的需求，如 百万千瓦级汽轮发电机和水轮发电机，也有作为驱 动用的中小功率同步电动机，以及作为无功功率补 偿用的同步调相机（同步无功补偿器）。 有功电功率：转换为机械功率或热能的电功率，或者由机械功率转换成的电功率； 无功电功率：与磁能相互转换的电功率；

SM研究的主要内容 1.SM的基本结构 4.SM的并网运行 2.SM的基本原理 1)并网条件和方法 1)空载运行 2) 电网电压、频率的稳定 2) 电枢反应 方法 3)负载运行 3) 功角特性 3.SM的运行特性 4) 有功和无功功率的调节 1)空载特性 方法 2) 短路特性 5.SG的不对称运行 3) 零功率因数特性 6.SG的突然短路 4) 外特性 5) 调整特性 August 27,2011 4

August 27, 2011 4 SM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) 电网电压、频率的稳定 方法 3) 功角特性 4) 有功和无功功率的调节 方法 5. SG的不对称运行 6. SG的突然短路

1.SM的基本结构 (1)定子、转子与气隙，（滑环和炭刷） )旋转磁极式 定子电枢：铁心与嵌在槽内的三相对称交流绕组，与三相交 流电源或对称负载连接，产生同步旋转的电枢反应磁场： 转子磁极：励磁绕组产生相对转子静止的正弦波磁场，随转 子同步旋转； 2) 旋转电枢式 定子磁极：产生静止的正弦波磁场： 转子电枢：铁芯与嵌放在转子槽内的三相对称交流绕组，通 过转轴上的三相滑环和电刷与外部三相交流电源或三相对称 负载连接。 August 27,2011 5

August 27, 2011 5 1. SM的基本结构 （1）定子、转子与气隙，（滑环和炭刷） 1) 旋转磁极式 – 定子电枢：铁心与嵌在槽内的三相对称交流绕组，与三相交 流电源或对称负载连接，产生同步旋转的电枢反应磁场； – 转子磁极：励磁绕组产生相对转子静止的正弦波磁场，随转 子同步旋转； 2) 旋转电枢式 – 定子磁极：产生静止的正弦波磁场； – 转子电枢：铁芯与嵌放在转子槽内的三相对称交流绕组，通 过转轴上的三相滑环和电刷与外部三相交流电源或三相对称 负载连接

(2)转子磁极形式 凸极式 ·电励磁凸极式 励磁绕组 一水轮发电机 隐极式 ·电励磁隐极式 -汽轮发电机 阻尼 绕组 。 永磁磁极 一面装/内置 永磁 ·磁阻式 磁性 材料 -径向叠片 非磁性 磁阻式 材料 -轴向叠片 August 27,2011 6

August 27, 2011 6 （2）转子磁极形式 • 电励磁凸极式 – 水轮发电机 • 电励磁隐极式 – 汽轮发电机 • 永磁磁极 – 面装／内置 • 磁阻式 – 径向叠片 – 轴向叠片 励磁绕组 非磁性 材料 磁性 材料 凸极式 隐极式 磁阻式 永磁 阻尼 绕组

(3)同步电机电励磁方式 ·直流励磁机 一换向器火花问题。 ·静止的交流整流励磁系统 一滑环和炭刷。 ·旋转的交流整流励磁系统：无刷励磁系统 August 27,2011 7

August 27, 2011 7 （3）同步电机电励磁方式 • 直流励磁机 – 换向器火花问题。 • 静止的交流整流励磁系统 – 滑环和炭刷。 • 旋转的交流整流励磁系统：无刷励磁系统

(4)同步电机额定值 。 额定容量kVA,MVA 额定频率Hz 额定功率kW,MW 额定转速rpm ·额定电压V,kV ·额定励磁电压V 额定电流A,kA 额定励磁电流A ·额定功率因数 ·额定效率 August 27,2011 8

August 27, 2011 8 （4）同步电机额定值 • 额定容量kVA, MVA • 额定功率kW, MW • 额定电压V, kV • 额定电流A, kA • 额定功率因数 • 额定效率 • 额定频率Hz • 额定转速rpm • 额定励磁电压V • 额定励磁电流A

汽轮发电机和水轮发电机比较 ·汽轮发电机 ·水轮发电机 一轴向长度与电枢直径之比 -轴向长度与电枢直径之比 大，结构细长； 小，结构短粗： 一转子极数少，两极； 一转子极数多，几十： -转速高频率50Hz的同步转 -转速高频率50Hz的同步转速 速3000rpm; 数百rpm以下； 一相同功率条件下转矩较 一相同功率条件下转矩很大： 小； 一功率可达百万千瓦级： 一功率可达百万千瓦级； August 27,2011 9

August 27, 2011 9 汽轮发电机和水轮发电机比较 • 汽轮发电机 – 轴向长度与电枢直径之比 大，结构细长； – 转子极数少，两极； – 转速高频率50Hz的同步转 速3000rpm； – 相同功率条件下转矩较 小； – 功率可达百万千瓦级； • 水轮发电机 – 轴向长度与电枢直径之比 小，结构短粗； – 转子极数多，几十； – 转速高频率50Hz的同步转速 数百rpm以下； – 相同功率条件下转矩很大； – 功率可达百万千瓦级；

2.SM的基本原理 同步电机的突出特点 两个相互独立的磁场 一定子磁场和转子磁场是独立的，但极对数相同。 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ω1 等于电流角频率2。 当磁极以电角速度ω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！ August 27,2011 10

August 27, 2011 10 2. SM的基本原理 同步电机的突出特点 两个相互独立的磁场 – 定子磁场和转子磁场是独立的，但极对数相同。 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ω1 等于电流角频率2πf1。 – 当磁极以电角速度ωp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！