大工12春《电气工程概论》辅导资料七

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电气工程概论辅导资料七

主 题： 第一章第三节同步电机

学习时间： 2012年5月14日－5月20日 内 容：

我们这周主要学习交流电机的另一种——同步电机，通过学习我们要掌握同步电机的工作原理、结构，掌握同步电机并网所需要的条件，了解电动势平衡方程式及电枢反应，了解同步电机的各种特性和功率平衡。

第一章 电机与电器基础 第三节 电机

1.3.3 同步电机

同步电机属于交流电机，其转子转速为一固定的同步转速。同步电机有三种运行方式：发电机、电动机和调相机。同步电机最重要的用途是作发电机用。现代电网的电能几乎全部由三相同步发电机提供。有时工作于同步补偿机状态，提供无功功率，改善电网的功率因数。

1.同步电机的原理和结构

转子绕组直流电励磁产生固定的N、S磁极。原动机带动转子转动，定子绕组切割磁力线，产生三相交流电。定子产生旋转磁场与转子同步运行。此时同步电机处于发电机运行状态。

定子三相绕组通入三相交流电，产生旋转磁场。转子绕组通入直流励磁产生固定N、S极。这样旋转磁场就吸引转子同步旋转。此时发电机处于电动机运行状态。

同步电机的转子有两种构造型式，即凸极式和阴极式。凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁绕组。当励磁绕组中通过直流励磁电流后，每个磁极就出现一定的极性。隐极式转子的转子铁芯为圆柱形，沿着转子圆周表面开有许多槽，用来嵌入励磁绕组。

同步电机无论作为发电机或电动机，它的转子速度总等于由电机极对数和电枢电流频率所决定的同步转速，同步由此得名。

2.同步发电机的空载运行

当外加原动机带动发电机转子在同步转速下运行，并且转子的励磁绕组通以励磁电流时，电枢绕组开路即为同步发电机的空载运行。空载运行时，电枢电流

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等于零，其气隙磁场由转子磁动势单独建立。电枢绕组切割旋转磁场产生感应电动势，电枢绕组开路时的端电压等于空载电动势。

3.同步发电机的负载运行 （1）电枢反应及电动势方程

当负载运行时，三相对称电流流过定子三相绕组，形成电枢旋转磁动势，它与转子旋转磁动势同步，且转向相同。此时的气隙磁场与空载运行的情况不同，是二者的合成磁场。

电枢磁动势对气隙磁场的影响称为电枢反应。电枢反应对同步电机的性能有重大影响，负载的性质决定了电枢反映的特性。

可以应用时空矢量图来分析电枢反应特性。

凸极同步电机的电动势方程

其中Xd为直轴同步电抗，Xq为交轴同步电抗。 隐极同步电机的电动势方程

其中Xt为隐极电机同步电抗。 （2）同步发电机的特性

1）空载特性。当外加原动机带动发电机转子在同步转速n1下运行，并且转子的励磁绕组通以励磁电流If时，电枢绕组开路即为同步发电机的空载运行。电枢绕组切割旋转磁场感应电动势E0，电枢绕组开路时的端电压等于空载电动

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势E0。当n?n1、Iq?0时E0?f(If)称为同步发电机的空载特性。下图中曲线1。

2）短路特性。同步发电机在同步转速下三相的稳态短路电枢电流I，即短路电流IK与励磁电流If的关系称为短路特性，两者在数量上成线性关系。下图中直线3。

3）零功率因数负载特性。

4）同步发电机的外特性。同步发电机的外特性表示在n?n1、励磁电流等于常数、功率因数等于常数情况下，端电压和电枢电流的关系。外特性曲线与外加负载有关系，负载性质不同，外特性曲线也不同。

发电机的电压调整率：

4.同步发电机的并网运行

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同步发电机并列投入电网时，为了避免发生电流的冲击和转轴突然受力，应使发电机每相电动势瞬时值与电网电压瞬时值保持相等。此条件可分开写成以下四条：

（1）发电机的频率和电网频率相同； （2）发电机和电网的电压波形要相同；

（3）发电机和电网电压大小、相位要相同； （4）发电机和电网的相序要相同。 5.同步发电机的功率平衡

同步发电机的功率平衡方程为：

由于定子绕组很小，因此其电阻损耗可以不计，就有上式。其中，?为内功率因素角，把???-?称为功角，它表示发电机励磁电动势与电枢端电压之间的夹角。

凸极电机：

隐极电机：

本周要求掌握的内容如下：

本周我们要了解掌握同步电机的工作原理、结构，掌握同步电机并网所需要的条件，了解电动势平衡方程式及电枢反应，了解同步电机的各种特性和功率平衡。

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习题

（一）选择题

1．同步电机有三种主要的运行方式，其中最主要的用途是（ ）。

A．发电机 B．电动机 C．调相机

D．以上都不正确 答案：A

2．对于感性负载，在励磁电流不变的情况下，随着电枢电流的增大，同步 ）的曲线。

A．上升 B．下降

C．没有影响 D．不能确定 答案：B （二）判断题

1．中小型同步电机多采用凸极式转子。 （三）简答题

1．同步发电机关列投入电网时需满足的条件。

答：

（1）发电机的频率和电网频率相同；

（2）发电机和电网的电压波形要相同；

（3）发电机和电网电压大小、相位要相同； （4）发电机和电网的相序要相同。

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电机的外特性是（（正确）

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