第28章
同步电机
28.1
同步电机的基本结构、工作原理及额定值
28.1.1
同步电机的基本结构
(一)隐极同步电机(以汽轮发电机为例)
为保证频率f=50Hz,则发电机的极对数P少
特点:转速高
(一般为二极,2P=2)
离心力大,需细长转子(隐极式)
0.5mm硅钢片叠压而成定子铁心
大型电机由扇型片拼成圆形
矩形开口槽,径向,轴向通风道
1.定子
定子绕组-三相双层绕组,扁铜线绕制而成,采用成型线圈
外壳-用钢板焊接而成2.转子
(1)由合金钢锻成,与转轴制成一个整体,外园开槽,大齿和小齿
(2)励磁绕组为同心式绕组
(3)采用高强度铝合金槽楔,端部采用保护环固定
3.滑环(集电环)与电刷装置.(二)
凸极同步电机
特点:转速低
为保证f=50Hz,则需发电机的极对数P增大
为保证放置P对磁极,则需转子的直径大.1.定子
:
定子铁心-硅钢片叠成,直径可达20多米,矩形开口槽.定子绕组-双层绕组
2.转子:
凸极式铁心由厚钢板叠成励磁绕组由扁铜线绕制而成阻尼绕组(起动绕组)-由铜条和端环构成,用于同步电动机异步起动.28.1.2
同步发电机的基本工作原理
同步电动机工作时，定子的三相绕组中通入三相对称电流，转子的励磁绕组通入直流电流。在定子三相对称绕组中通入三相交变电流时，将在气隙中产生旋转磁场。在转子励磁绕组中通入直流电流时，将产生极性恒定的静止磁场。若转子磁场的磁极对数与定子磁场的磁极对数相等，转子磁场因受定子磁场磁拉力作用而随定子旋转磁场同步旋转，即转子以等同于旋转磁场的速度、方向旋转，这就是同步发电机的基本工作原理。
定子旋转磁场与转子的速度为，称为同步转速。它的大小只决定于电源频率的大小和定、转子的极对数p，不会因负载变化而改变。
28.1.3
同步电机的额定值
同步电机的额定值（铭牌值）有以下几种：
1.额定容量SN或额定功率PN。对同步发电机来说，额定容量是指发电机出线端的额定视在功率，一般以千伏安（kVA）或兆伏安（MVA，即百万伏安）为单位；而额定功率是指发电机输出的额定有功功率，一般以千瓦（kW）或兆瓦（MW，即百万瓦）为单位。对同步电动机而言，是指其转轴上输出的有效机械功率，也用千瓦（kW）或兆瓦来表示。对于同步调相机，则用发电机出线端输出的无功功率来表示其容量，以千乏（kvar）或兆乏（Mvar）来表示。
2.额定电压UN是指同步电机在额定运行时其定子三相的线电压，单位为伏(V)或千伏(kV)。
3.额定电流IN是指同步电机在额定运行时流过其定子绕组的线电流，单位为安（A）。
4.额定功率因数是指同步电机在额定运行时的功率因数。
5.额定效率是指额定运行时效率。
综合定义1~5条，可以得出它们之间的基本关系。
即对三相交流发电机来说
对于三相交流电动机来说，则为
额定转速nN和额定频率fN、额定励磁电压UfN和额定励磁电流IfN
28.2
同步电机的磁场和电枢反应
28.2.1
空载运行时同步电机的磁场
当原动机带动发电机在同步转速下运行,励磁绕组通过适当的励磁电流,电枢绕组不带任何负载时的运行情况，称为空载运行。空载运行是同步发电机最简单的运行方式。
◆对于凸极发电机来说，由于定转子间的气隙沿整个电枢圆周分布不均匀，极面下气隙较小，而极间气隙较大，极面下的磁阻较小，而极间磁阻很大，而且在同一个极面下，在一个极的范围内气隙径向磁通密度的分布近似于平顶的帽形。极靴以外的气隙磁通密度减少很快，相邻两极中线上的磁通密度为零。气隙磁密可以用付立叶谐波分析的方法分解出空间基波和一系列谐波。通常将极靴的极弧半径做成小于定子的内圆半径，而且两圆弧的圆心不重合(称为偏心气隙)，从而形成极弧中心处的气隙最小，沿极弧中心线两侧方向气隙逐渐增大，这样可以使得气隙磁通密度的分布较接近正弦波形。
◆隐极电机的励磁绕组嵌埋于转子槽内，沿转子圆周气隙可视为是均匀的。励磁磁势在空间的分布为一个阶梯形，受齿槽的影响,气隙磁密呈现出波动变化。用谐波分析法可求出其基波分量，合理地选择大齿的宽度可以使气隙磁密的分布接近正弦波。
◆感应电势的波形和大小与气隙磁密的分布形状及幅值大小紧密相关，在设计和制造电机时，应采取适当的措施，以获得尽可能接近正弦分布的气隙磁密，从而得到品质较高的感应电势。
28.2.2
负载运行时同步电机的磁场和电枢反应
空载时，同步电机中只有一个以同步转速旋转的励磁磁势，它在电枢绕组中感应出三相对称交流电势，称为励磁电势
当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组和负载一起构成闭合通路，通路中流过的是三相对称的交流电流，我们知道，当三相对称电流流过三相对称绕组时，将会形成一个以同步速度旋转的旋转磁势。
由此可见，负载以后同步电机内部将会产生又一个旋转磁势
--电枢旋转磁势。因此，同步发电机接上三相对称负载以后，电机中除了随轴同转的转子磁势
(称为机械旋转磁势)外，又多了一个电枢旋转磁势(称为电气旋转磁势)
气隙磁场可以看成是由合成磁势在电机的气隙中建立起来的磁场。
也是以同步转速旋转的旋转磁场。
可见同步发电机负载以后，电机内部的磁势和磁场将发生显著变化，这一变化主要由电枢磁势的出现所致。
电枢反应
▲电枢磁势的存在，将使气隙磁场的大小和位置发生变化，我们把这一现象称为电枢反应。电枢反应会对电机性能产生重大影响。
▲电枢反应的情况决定于空间相量
和之间的夹角，而这一夹角又和时间相量E0
和Ia
之间的相位差相关连。称为内功率因数角，其大小由负载的性质决定。
（1）y=0或者180度
此时和Ff之间的夹
角为90度或者270度，即二者正交，转子磁势作
用在直轴上，而电枢磁势作用在交轴上，电枢反应的结果使得合成磁势的轴线位置产生一定的偏移，幅值发生一定的变化。这种作用在交轴上的电枢反
应称为交轴电枢反应，简称交磁作用。
（2）y=90此时与之间的夹角为180度，即二者反相，转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相反，电枢反应为纯去磁作用，合成磁势的幅值减
小，这一电枢反应称为直轴去磁电枢反应。
（3）y=-90此时与之间的夹角为0，即二者
同相，转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相同，电枢反应为纯增磁作用，合成磁势的幅值加大，这一电枢反
应称为直轴增磁电枢反应
（4）一般情况下(y为任意角度时)可将分解为直轴分量
和交轴分量，产生直轴电枢磁势F，与
同相或反相，起增磁或者去磁作用；产生交轴电枢磁势，与正交，起交磁作用。
28.3
隐极同步发电机的电势方程式、同步电抗和相量图
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n1，定子对称三相绕组产生电枢磁势基波转速
电枢电流滞后励磁电动势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。主磁通超前感应电势E0900。
令时轴与相轴重合，则（1）与重合，忽略磁滞涡流时，与重合。（2）与重合和
此时产生去磁磁势，产生交磁磁势。
特殊地：
ψ=0
=0
=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。
28.3.1
隐极同步发电机的电枢反应电抗和同步电抗
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
定子绕组上产生的三个感应电动势、、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
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，
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