06 第六章 同步电机的稳态分析.pptx

第1页：的稳态分析上节课第五章感应电机

的稳态分析上节课第五章感应电机

• 基本分析方法
• T
  • s曲线

第2页：的稳态分析§6-．同步电机的基本结构和运

• 的稳态分析§6
  • ．同步电机的基本结构和运行状态§6
  • 2．空载和负载时同步发电机的磁场§6
  • 3．隐极同步发电机的电压方程、相量图§6
  • 4．凸极同步发电机的电压方程、相量图§6
  • 5．同步发电机的功率方程和转矩方程§6
  • 6．同步电机参数的测定§6
  • 7．同步发电机的运行特性§6
  • 8．其他问题

第3页：同步电机的基本原理

的稳态分析第一节同步电机的基本结构和运行状态一、同步电机的基本原理

定子绕组

三相交流电-形成旋转磁场

转子绕组

通直流电-形成恒定磁场-转子转速：nsACBNSns→电励磁同步电动机

特点

双边励磁-定转子都通电

第4页：同步电机的基本结构旋转电枢式隐极

的稳态分析同步电机二、同步电机的基本结构旋转电枢式隐极式旋转磁极式凸极式

第5页：的稳态分析

的稳态分析

• 凸极式：-转子有明显突出的磁极-气隙分布不均匀-适用于转速低的水轮发电机-粗短型
• 结构特点：

第6页：同步电机

的稳态分析

• 隐极式：-转子作成圆柱形，无突出的磁极-气隙分布均匀-适用于转速高的汽轮发电机-细长型
• 结构特点：

第7页：同步电机的运行状态

的稳态分析三、同步电机的运行状态

• 发电机——把机械能转换为电能（多用）
• 电动机——把电能转换为机械能
• 补偿机——没有有功功率的转换
  • 专门发出或吸收无功功率,调节电网功率因数
• 判别的标准？
  • 直流电机？电势与电压
  • 感应电机？转差率
  • 同步电机：定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角δ
  • δ：功率角

第8页：的稳态分析

的稳态分析

• 静止式整流器励磁
• 旋转式整流器励磁四、同步电机的励磁方式
• 直流励磁机励磁
  • 直流励磁机（发电机）通常与同步发电机同轴
  • 采用并励或他励接法交流电整流成直流

第9页：额定值

的稳态分析五、额定值

• 额定功率PN—额定运行时的输出功率
• 额定电压UN—额定运行时定子的线电压
• 额定电流IN—额定运行时定子的线电流
• 额定功率因数cosΦN—额定运行时电机的功率因数
• 额定频率fN—额定运行时电枢的频率(50Hz)
• 额定转速nN—额定运行时电机的转速
  • 同步转速

第10页：空载运行

的稳态分析第二节空载和负载时同步发电机的磁场一、空载运行

• 同步电机内仅有励磁电流建立的主极磁场
• 主极磁通分成主磁通和漏磁通Φ0Φfσ

第11页：的稳态分析=E∠-12000B0E.0=

的稳态分析=E∠-12000B0E.0=E∠12000CE.

• 发电机为例
• 转子以同步转速旋转
• 主磁场将在气隙中形成一个旋转磁场
• “切割”对称的三相定子绕组，感应出对称三相电动势
  • 激磁电动势E.0A=E0∠00

第12页：的稳态分析

的稳态分析00E,ΦIf,FIf013o空载特性UNϕ气隙线

• 同步电机的空载特性

第13页：对称负载时的电枢反应

的稳态分析二、对称负载时的电枢反应

电枢反应

电枢磁动势所产生磁场对主极磁场的影响

作用

使气隙磁场发生畸变对同步电机的运行性能产生重要的影响

性质

取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置

定义

“内功率因数角”:-激磁电动势E0和负载电流I之间的相角差Ψ0-取决于负载！

第14页：的稳态分析1、I．与E．0同相

的稳态分析1、I．与E．0同相

• 励磁磁势Ff与主磁通同相
• E0滞后于主磁通90度
• Fa的轴线与转子交轴重合，是一个交轴磁动势Fa(ψ=0)=Faq0d轴
• I
• 交轴电枢磁动势所产生的电枢反应称为交轴电枢反应
• E015

第15页：的稳态分析

的稳态分析Fn(=Faq)·B0(Φ0)d轴·I·E0ω1

• 内功率因数角Ψ0=00时的时
  • 空统一矢量图Ff

本页含公式推导，符号按课件原文近似还原，建议对照原图核对。

第16页：的稳态分析时间参考轴

的稳态分析时间参考轴

• 内功率因数角Ψ0=00时的时间矢量图
• E0C
• Φ0AΦ0C
• E0BE0AIB
• ω1ψ0=0°
• IAIC
• Φ0B

本页含公式推导，符号按课件原文近似还原，建议对照原图核对。

第17页：同步电机

的稳态分析FaeTZYBCXNSB0BAns

• Ψ0=00时的气隙合成磁场与主磁场的相对位置

第18页：电枢磁势垂直分解Fa=Fad+Faq

的稳态分析Fad=FasinΨ0Faq=FacosΨ02、I「与E「0不同相时

• 电枢磁势垂直分解Fa=Fad+FaqFfFadFaaqF
• Iψ0
• Φ0
• E0

第19页：的稳态分析

的稳态分析

• 结论：Fa与Ff正好反向，是直轴去磁电枢反应d轴AXq轴(A轴)YCFfNSZBFa
• 内功率因数角Ψ0=900时轴.E0A.E0C.E0B.IA.IC.IBψ0

第20页：同步电机

的稳态分析

• 结论：Fa与Ff正好同向，是直轴增磁电枢反应
• 内功率因数角Ψ0=
  • 900时轴.E0A.E0C.E0B.IC.IB.IAψ0q轴(A轴)AXZBYCd轴FfNSFa

第21页：的稳态分析

的稳态分析

• 结论：有交轴电枢反应和直轴去磁电枢反应
• 内功率因数角00<Ψ0<900时轴.E0A.E0CE0B..ψ0IA.IC.IBd轴q轴(A轴)AXZBYCFfNSΨ220Fa

第22页：同步电机

的稳态分析FadFa·Iψ0·Φ0ω1Faq·E0

• 内功率因数角00<Ψ0<900时的时
  • 空统一矢量图Ff

本页含公式推导，符号按课件原文近似还原，建议对照原图核对。

第23页：同步电动机为什么可以转到同步转速

• 的稳态分析思考问题：1、同步电动机为什么可以转到同步转速？2、同步发电机电枢反应与负载特性有什么关系？

第24页：空载和负载时同步发电机的磁场

的稳态分析上节课2

• 电枢反应和负载性质有关第二节空载和负载时同步发电机的磁场

第25页：不考虑磁饱和时的电压方程

• 的稳态分析主极IfFfΦ0E0
• EΦaEaFa
• 电枢I
• ΦσEσ(Eσ=
  • jIXσ)第三节隐极同步发电机的电压方程、相量图一、不考虑磁饱和时的电压方程1、电磁过程3

本页含公式推导，符号按课件原文近似还原，建议对照原图核对。

第26页：的稳态分析

的稳态分析

• 采用发电机惯例
• 以输出电流作为电枢电流的正方向E"0+E"a
  • I"(Ra+jXσ)=U"
• 电枢反应电动势Ea正比于电枢反应磁通Φa
• 不计磁饱和时，Φa又正比于电枢电流I
• 相位关系Ea∝Φa∝Fa∝IE"a=
  • jI"Xa
  • 不考虑铁损，电势和电抗关系
  • Xa：电枢反应电抗

本页含公式推导，符号按课件原文近似还原，建议对照原图核对。

第27页：电路方程式

• 的稳态分析2、电路方程式：E"0=U"+I"Ra+jI"Xσ+jI"Xa=U"+I"Ra+jI"Xs
• 其中：Xs=Xa+Xσ：隐极同步电机的同步电抗-包括电枢反应和电枢漏磁-不计饱和时，Xs是一个常值

第28页：隐极同步发电机的向量图

• 气隙合成电势：0aE.=E.+E.
• 的稳态分析
• Φ0Φa6
• Ea0
• E
• ΦIjIXσE
• jIXa90°
• UIRa
• 3、隐极同步发电机的向量图

本页含公式推导，符号按课件原文近似还原，建议对照原图核对。

第29页：的稳态分析

的稳态分析·E0

• E0，I：-内功率因数角ψ0
• U，I：-功率因数角φ
• E0，U：-功角δIRaUjIXs7
• 注意三个角度：
• δ0ψφ

本页含公式推导，符号按课件原文近似还原，建议对照原图核对。

第30页：隐极同步发电机的等效电路E

的稳态分析·E0Ra·E·I·UXaXσ4、隐极同步发电机的等效电路E

• 0=U
• +I
• (Ra+jXs)Xs8

第31页：考虑磁饱和时

的稳态分析FkaFa·Φ·E二、考虑磁饱和时

• 磁路非线性，叠加原理不再适用
• 要先求出作用在主磁路上的合成磁动势F
• 再利用电机的空载特性求出负载时的气隙磁通Φ
• 再求相应的气隙电动势EFf9

第32页：的稳态分析

10的稳态分析

• 再从气隙电动势中减去电阻和漏抗压降，求得端电压U"E"
  • I"(Ra+jXσ)=U"E0空载曲线EOFFf或If

第33页：同步电机

的稳态分析

• 电动势
  • 磁动势图jIXσ
• FfkaFaF
• E
• U
• IIRa
• 11

第34页：简化相量图

的稳态分析E0·UjIXs·δI·三、简化相量图

• 定性分析时，常忽略电枢电阻E"0=U"+jI"Xs
• 12

第35页：双反应理论

的稳态分析第四节凸极同步发电机的电压方程、相量图一、双反应理论

• 考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直轴电枢反应和交轴电枢反应分别来处理的方法，就称为双反应理论交轴直轴13

第36页：的稳态分析αλdλq14d轴

的稳态分析αλdλq14d轴

• 直轴：极面下气隙较小，气隙磁导大
• 交轴：两极间气隙较大，气隙磁导小d轴q轴

本页含公式推导，符号按课件原文近似还原，建议对照原图核对。

第37页：同步电机

的稳态分析bad1Bad115bad

• 直轴电枢反应
• 磁导较大
• 磁密是尖顶正弦波
• 基波幅值Bad1较大

第38页：交轴电枢反应

的稳态分析baqBaq1

• 交轴电枢反应
• 中间磁导较小
• 磁密是马鞍型波
• 基波幅值Baq1较小16

第39页：同步电机

的稳态分析FaFad17·Φ0Faq

• 若电枢磁动势既不在直轴也不在交轴
• 把电枢磁动势分解成直轴和交轴两个分量
• 用直轴磁导和交轴磁导分别算出直轴和交轴电枢反应
• 最后把它们的效果叠加d轴q轴

第40页：把电枢磁动势分解成直轴和交轴磁动势

的稳态分析aqFFadNSψ0Fa18

• 把电枢磁动势分解成直轴和交轴磁动势

第41页：同步电机

的稳态分析ad1bbaqBaq1ad119Bbad

• 同时有直轴和交轴电枢反应

第42页：隐极同步电动机同步电抗是什么含义

• 的稳态分析思考问题：1、隐极同步电动机同步电抗是什么含义？2、同步电机中什么是内功率因数角？什么是功率因数角？什么是功角？3、什么是双反应理论？

第43页：双反应理论第四节凸极同步发电机的

的稳态分析上节课一、双反应理论第四节凸极同步发电机的电压方程、相量图aqFFadNSψ0Fa2

第44页：凸极同步发电机的电压方程和相量图

的稳态分析二、凸极同步发电机的电压方程和相量图

• 不计磁饱和时
• 电枢磁动势Fa分解成直轴和交轴磁动势Fad、Faq
• 分别求出直轴、交轴电枢磁通Φad、Φaq
• 再求电枢绕组中相应的电动势Ead、Eaq
• 再与主磁通产生的激磁电动势E0相加
• 得到一相绕组的合成电动势（气隙电动势）E
• 再减去电阻和漏抗压降，便得到端电压U

第45页：凸极发电机负载运行时的电磁过程I

• 的稳态分析1、凸极发电机负载运行时的电磁过程IfFf
• Φ0
• E0
• EEad
• Φad
• FadFa
• I
• Eaq
• FaqΦaq
• Eσ
• Φσ
• jIXσ
• IRaU4

本页含公式推导，符号按课件原文近似还原，建议对照原图核对。

第46页：同步电机

的稳态分析qE.0+E.ad+E.aq-I.(Ra+jXσ)=U.

• 电压方程为
• Φ0IqE0ψ0IdI
• Ead和Eaq分何处来？
• 把电枢电流Ia垂直分解成Id和IEad←Id，Eaq←IqIaId=IasinΨ0直轴电流Iq=IacosΨ0交轴电流I.=I.+I.dq5

第47页：Ead和Eaq分别正比于Fad

的稳态分析dadadE""=-jIXaqE""=-jIX

• 定义：Xad:直轴电枢反应电抗qaqXaq:交轴电枢反应电抗
• Ead和Eaq分别正比于Fad、Faq
• Fad、Faq又正比于Id、IqEad∝IdEaq∝Iq

第48页：电压方程式

• 注意：同步电抗中包括了漏磁和电枢反应电抗两部分
• 的稳态分析addqqadadqaqaE"""""""""""jIX+jI"X=U+IR+jIX+jI"X=U+IR+jIX=U+IR+jI(X+X)+jI"(X+X)+0dσadqσaqσ2、电压方程式
• 其中：Xd=Xσ+Xad:直轴同步电抗Xq=Xσ+Xaq:交轴同步电抗

本页含公式推导，符号按课件原文近似还原，建议对照原图核对。

第49页：凸极同步发电机的相量图

• 的稳态分析
• Φ0Iq8E0δ0ψ
• UId
• jIdXqIIRa
• jIdXd
• 3、凸极同步发电机的相量图0addqqE"=U"+I"R+jI"X+jI"X

第50页：的稳态分析

的稳态分析

• 问题：在不知道Ψ0的时候如何画相量图？-引进虚拟电势EQddqqdddqqqdqddddqX+jIX「「+jI「X-jI「X+jI「X+jI「XE「0=U「+I「Ra+jI=U「+I「Ra=U「+I「Ra+jI「Xq+jI(X-Xq)「=E「Q+jI「(X-X)
• 其中：E「Q=U「+I「Ra+jI「Xq

第51页：的稳态分析同相位必然也是同相位

• 的稳态分析同相位必然也是同相位aUsinφ+IXqψ=arctanUcosφ+IR0q0ddjI．(X
  • X)必与E．d0
• 相量I．与E．相垂直，落后90度
• E．Q与E．0
• E0jIXq
• IRaI0ψU
• 10

本页含公式推导，符号按课件原文近似还原，建议对照原图核对。

第52页：画相量图的步骤

• 的稳态分析
• EQjIXq11IRa
• IU
• 4、画相量图的步骤（1）根据参数确定EQ的方向E"Q=U"+I"Ra+jI"Xq

第53页：的稳态分析EQ

• 的稳态分析EQ
• Iq
• jIXq
• IRa
• IdIψ0U
• 4、画相量图的步骤（2）由EQ方向定出Ψ0，求出Id和Iqa12ψUcosφ+IR=arctanUsinφ+IXq0Id=IsinΨ0Iq=IcosΨ0

本页含公式推导，符号按课件原文近似还原，建议对照原图核对。

第54页：画相量图的步骤

• 的稳态分析4、画相量图的步骤（3）确定E0的大小
• E0EQ
• Iq
• jId(Xd
  • Xq)
• jIXq
• IRa
• IdI0ψU
• 013dqE.=E.Q+jI.d(X
  • X)

第55页：凸极同步发电机的等效电路图E.Q

• 的稳态分析
• EQRa
• I
• UXq5、凸极同步发电机的等效电路图E.Q=U.+I.Ra+jI.Xq14

第56页：直轴和交轴同步电抗的意义

的稳态分析q1qX∝N2Λ三、直轴和交轴同步电抗的意义

• 电抗与绕组匝数的平方和所经磁路的磁导成正比σd1ddadX∝N2ΛΛ=Λ+ΛσqaqΛ=Λ+Λ
• 对于凸极电机
  • 直轴下的气隙较交轴下小
  • Xad>Xaq，Xd>Xq
• 对于隐极电机
  • 气隙是均匀的
  • Xd≈Xq≈Xs

本页含公式推导，符号按课件原文近似还原，建议对照原图核对。

第57页：的稳态分析直轴电枢磁导交轴电枢磁导

的稳态分析直轴电枢磁导交轴电枢磁导

• 凸极同步电机磁导Fad16Φad(Λad)Φσ(Λσ)FaqΦσ(Λσ)Φaq(Λaq)

本页含公式推导，符号按课件原文近似还原，建议对照原图核对。

第58页：功率方程

的稳态分析第五节同步发电机的功率方程和转矩方程一、功率方程

• 不计转子励磁损耗
• 发电机轴上输入的是机械功率P1
• 扣除机械损耗pΩ和定子铁耗pFe后就是电磁功率
• 电磁功率中减去电枢铜耗PCua就是输出电功率P1=pΩ+pFe+Pe+P2Pe=pCua

第59页：的稳态分析

的稳态分析

• 对隐极同步电机：EQ=E0Pe=mE0Icosψ0
• 电磁功率表达式：2aea+IR)mIR=mI(UcosφP=mUIcosφ+Ucosφ+IRa=Ecosψ=EQcosψ0Pe=mEIcosψ=mEQIcosψ0

本页含公式推导，符号按课件原文近似还原，建议对照原图核对。

第60页：同步电机

的稳态分析

• 各个角度aIR
• 019ψψ
• U
• E
• EQ
• IjIXσE0

本页含公式推导，符号按课件原文近似还原，建议对照原图核对。

第61页：转矩方程

的稳态分析T1=P1ΩsT0=(pΩ+pFe)ΩsTe=PeΩs二、转矩方程

• 其中：--机械拖动转矩20--空载转矩--电磁转矩
• 把功率方程两边除以同步角速度P1=pΩ+pFe+PeT1=T0+Te

第62页：凸极同步电机中直轴电流和交轴电流

• 的稳态分析思考问题：1、凸极同步电机中直轴电流和交轴电流是什么含义？2、如何画凸极同步电机的相量图？3、同步电机的交直轴电感关系如何？

第63页：凸极同步发电机的电压方程

的稳态分析上节课2第四节凸极同步发电机的电压方程、相量图第五节同步发电机的功率方程和转矩方程ddqqX+jIXE"0=U"+I"Ra+jI""Pe=mEIcosψ=mEQIcosψ0

第64页：空载特性

的稳态分析第六节同步电机参数的测定目标：用空载特性和短路特性确定Xd一、空载特性

• 用空载试验测出
• 试验时，电枢开路（空载）
• 用原动机把被试同步电机拖到同步转速
• 改变励磁电流If，记取电枢端电压E0
• E0≈1.25UN左右E0=f(If)

第65页：的稳态分析空载特性

的稳态分析空载特性E0ofI

• 空载特性4

第66页：短路特性

的稳态分析二、短路特性

• 由三相稳态短路试验测得
• 将被试同步电机的电枢端点三相短路
• 用原动机拖动被试电机到同步转速
• 调节励磁电流If使电枢电流在0~1.2IN左右A电枢AAA+励磁5

第67页：的稳态分析

的稳态分析

• 短路特性特点：
• 通常电枢电阻远小于同步电抗
• 短路电流可认为是纯感性
• 电枢磁动势接近于纯去磁性的直轴磁动势
• 磁路不饱和，短路特性是一条直线I短路特性INOII6fkf

第68页：同步电机

的稳态分析

• 注意：
  • 短路试验时磁路不饱和
  • 这里的E0值应从气隙线上查出
  • 求出的Xd值为不饱和值≈0dI「≈I「dqqdd「「「X≈jIXI7Xd=E0三、参数计算ψ0≈90°I「qE「0=U「+I「Ra+jIX+jI

本页含公式推导，符号按课件原文近似还原，建议对照原图核对。

第69页：的稳态分析气隙线空载特性8短路特性

的稳态分析气隙线空载特性8短路特性E0,IE0IofIfI

• 用空载和短路特性来确定Xd（不饱和）

第70页：的稳态分析I'9X≈UNϕd(饱和)

的稳态分析I'9X≈UNϕd(饱和)

• Xd饱和值的求法
• Xd的饱和值与主磁路的饱和情况有关
• 主磁路的饱和程度取决于合成磁动势
• 可近似认为取决于电枢的端电压
• 从空载曲线上查出对应于额定端电压UN的励磁电流If0
• 再从短路特性上查出与该励磁电流相应的短路电流I´

第71页：的稳态分析

10的稳态分析E0,IE0IofIXd(饱和)的确定气隙线空载特性短路特性

第72页：同步发电机的运行特性

的稳态分析11第七节同步发电机的运行特性

• 稳态运行特性包括外特性、调整特性和效率特性一、外特性
• 发电机的转速为同步转速时
• 励磁电流和负载功率因数不变时
• 发电机的端电压与电枢电流之间的关系
• n=nS，If=常值，cosφ=常值时的U=f（I）

第73页：同步电机

的稳态分析IINOUNcosΦ=0.8滞后cosΦ=1cosΦ=0.8超前

• 同步发电机的外特性曲线U12

本页含公式推导，符号按课件原文近似还原，建议对照原图核对。

第74页：的稳态分析

的稳态分析

• 特点：-也存在电压变化率的问题-阻性和感性负载时电压下降很快，去磁的-容性负载时电压上升，增磁的
• 同步发电机的外特性曲线

第75页：调整特性

的稳态分析二、调整特性

• 发电机的转速为同步转速时
• 端电压为额定电压时
• 负载的功率因数不变时
• 励磁电流与电枢电流之间的关系
• 即n=nS，U=UNΦ，cosφ=常值时的If=f（I）
• 与外特性有关

第76页：的稳态分析Icos15Φ=0.8滞后

的稳态分析Icos15Φ=0.8滞后cosΦ=1cosΦ=0.8超前OUN

• 同步发电机的调整特性曲线U

本页含公式推导，符号按课件原文近似还原，建议对照原图核对。

第77页：的稳态分析

的稳态分析

• 特点：-与外特性趋势相关-阻性和感性负载时需要增加励磁-容性负载时减少励磁
• 同步发电机的调整特性曲线

第78页：效率特性

的稳态分析三、效率特性

• 转速为同步转速时
• 端电压为额定电压时
• 功率因数为额定功率因数时
• 发电机的效率与输出功率的关系
• 即n=nS，U=UNΦ，cosφ=cosφN时的η=f（P2）

第79页：的稳态分析

的稳态分析

• 同步发电机的效率特性曲线P218效率η

第80页：同步电动机

的稳态分析19第八节其他一、同步电动机

• 特点：1效率高，0.95以上2没有起动转矩，需要特殊的起动方法-变频起动，异步起动3调节有功功率方法：调节负载转矩4调节无功功率方法：调节励磁
• 以电动机方式运行

第81页：同步补偿机

的稳态分析第八节其他二、同步补偿机

• 作用：改善电网的功率因数-感应电动机：从电网吸收感性无功电流-同步补偿机：从电网吸收容性无功电流
• 相当于电动机，但转轴不带负载
• 相当于发电机，但发出无功功率

第82页：同步电机如何进行参数测试和参数计

• 的稳态分析思考问题：1、同步电机如何进行参数测试和参数计算？2、同步发电机的外特性有何特点？和负载性质有何关系？3、同步电动机有何有缺点？4、同步补偿机的作用是什么？

第83页：的稳态分析

的稳态分析