第6章 同步发电机的运行原理

同步电机知识点（整理：王子铟、包振）1.同步电机概述：主要用于发电机，也可用于电动机，其定子结构与异步电机相同，区别主要在转子侧。

同步电机的转子装有磁极，通入直流电流励磁，具有确定的极性。

“同步”的体现：转子旋转的速度必须严格和定子磁场同步。

2.同步电机的转速与负载的大小无关，计算公式为pfn 60=，当同步电机并入无穷大电网时，其转速固定，无法通过各类调节来改变。

3.同步电机的结构和分类：同步电机有旋转电枢式（磁极装在定子上，用于小容量同步电机中）和旋转磁极式（磁极装在转子上，为大中型同步电机的基本形式）两种，主要以旋转磁极式为主。

旋转磁极式同步电机又分为隐极式和凸极式两种隐极式电机的代表：汽轮发电机；凸极式代表：水轮发电机。

4.同步发电机的额定值①额定电压UN （V 、kV ）：额定运行时定子三相绕组上的线电压。

②额定电流IN （A 、kA ）：额定运行时流过定子绕组的线电流。

③额定功率因数cos φN:额定运行时输出有功功率和视在功率比值。

④额定效率ηN ：额定运行时的效率⑤额定容量S N =NN I U 3对发电机是出线端额定视在功率，单位为VA ，kVA 或MVA 对调相机是出线端额定无功功率，单位为var ，kvar 或Mvar ⑥额定功率P N对发电机是额定输出有功电功率P N =S N cos ϕN =N N I U 3cos ϕN对电动机是轴上输出额定机械功率P N =S N cos ϕN ηN =N N I U 3cos ϕN ηN5.同步发电机的空载运行（1）过程建立：转子励磁绕组通以直流励磁电流→形成静止磁场→转子由原动机拖动以同步转速旋转→静止磁场跟随转子一起转动，形成运动的磁场→交变的磁场在定子的三相对称绕组中感应出电动势。

因为定子电枢绕组开路，电枢电流为零，磁场全部由转子电流建立，因此漏磁通仅与转子励磁绕组交链。

感应电动势的计算：若主磁场B0在气隙中正弦分布，且以同步速n1旋转，则在定子绕组中产生对称三相电动势：︒∙︒∙︒∙∠=∠=∠=240,120,0000000E E E E E E C B A 有效值：0111044.4φN k N f E =(601pn f =)隐极机的励磁磁动势是矩形波，凸极机的励磁磁动势是阶梯波。

第六章同期系统将一台单独运行的发电机投入到运行中的电力系统参加并列运行的操作，称为发电机的并列操作。

同步发电机的并列操作，必须按照准同期方法或自同期方法进行。

否则，盲目地将发电机并入系统，将会出现冲击电流，引起系统振荡，甚至会发生事故、造成设备损坏。

准同期并列操作，就是将待并发电机升至额定转速和额定电压后，满足以下四项准同期条件时，操作同期点断路器合闸，使发电机并网。

（!）发电机电压相序与系统电压相序相同；（"）发电机电压与并列点系统电压相等；（#）发电机的频率与系统的频率基本相等；（$）合闸瞬间发电机电压相位与系统电压相位相同。

自同期并列操作，就是将发电机升速至额定转速后，在未加励磁的情况下合闸，将发电机并入系统，随即供给励磁电流，由系统将发电机拉入同步。

自同期法的优点：!合闸迅速，自同期一般只需要几分钟就能完成，在系统急需增加功率的事故情况下，对系统稳定具有特别重要的意义；"操作简便，易于实现操作自动化。

因为在发电机未加励磁电流时合闸并网，不存在准同期条件的限制，不存在准同期法可能出现的问题；#在系统电压和频率因故降低至不能使用难同期法并列操作时，自同期方法将发电机投入系统提供了可能性。

自同期法的缺点是：未加励磁的发电机合闸并入系统瞬间，相当一个大容量的电感线圈接入系统，必然会产生冲击电流，导致局部系统电压瞬间下降。

一般自同期法使用于水轮发电机及发电机—变压器组接线方式的汽轮发电机。

在采用自同期法实施并列前，应经计算核对。

发电厂发电机的并列操作断路器，称为同期点。

除了发电机的出口断路器之外在一次电路中，凡有可能与发电机主回路串联后与系统（或另一电源）之间构成唯一断路点的断路器，均可作为同期点。

例如，发电机—变压器组的高压侧断路器，发电机—三绕组变压器组的各侧断路器，高压母线联络断路器及旁路断-可编辑修改-!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!— —#"!+!8 + 8 + +路器，都可作为同期点。

同步发电机的工作原理
同步发电机是一种常用于发电的电机，其工作原理基于电磁感应和电流激励的相互作用。

首先，同步发电机的转子由直流激励线圈和交流绕组组成。

直流激励线圈通过外部直流电源提供直流电流，形成一个磁场。

交流绕组则与电网相连，接受电网中的电压。

当同步发电机的转子旋转时，直流激励线圈产生的磁场也随之旋转。

这个旋转的磁场将与交流绕组中的电流相互作用，产生电磁感应力。

根据法拉第电磁感应定律，电磁感应力会导致交流绕组中的电流发生变化。

这个电流变化又会产生额外的磁场，与直流激励线圈产生的磁场叠加在一起。

如果两者的磁场方向一致，它们将相互增强，使得感应力增大。

反之，如果磁场方向相反，它们将相互抵消，使得感应力减小。

当感应力达到一个平衡时，同步发电机的转速将与电网的频率完全同步。

这是因为电网的频率是固定的，而同步发电机的旋转速度取决于直流激励线圈提供的直流电源电流。

因此，在感应力的作用下，同步发电机的转子将转向与电网频率相同的速度。

最后，同步发电机通过交流绕组将同步旋转的磁场转化为交流电能，输出给电网。

这样，同步发电机就实现了将机械能转化为电能的功能。

总结起来，同步发电机的工作原理是通过电磁感应力和电流激励的相互作用，使得转子转速与电网频率同步，并将机械能转化为电能输出到电网中。

永磁同步发电机的工作原理一、基本原理从6.2节可见，永磁同步发电机是由定子与转子两部分组成，定子、转子之间有气隙。

永磁同步发电机的定子与普通交流电机相同，转子采用永磁材料。

其主磁通路径如图6-28所示。

图6-28 永磁同步发电机主磁通路径图6-29（a）为一台两极永磁同步发电机，定子三相绕组用3个线圈AX、BY、旋转，永磁磁极产生旋转的气隙磁场，其CZ表示，转子由原动机拖动以转速ns基波为正弦分布，其气隙磁密为——气隙磁密的幅值；式中B1θ——距坐标原点的电角度，坐标原点取转子两个磁极之间中心线的位置。

图6-29 两极永磁同步发电机在图6-29（a）位置瞬间，基波磁场与各线圈的相对位置如图6-29（b）所示。

定子导体切割该旋转磁场产生感应电动势，根据感应电动势公式e=Blv可知，导体中的感应电动势e将正比于气隙磁密B，其中l为导体在磁场中的有效长度。

基波磁场旋转时，磁场与导体间产生相对运动且在不同瞬间磁场以不同的气隙磁密B切割导体，在导体中感应出与磁密成正比的感应电动势。

设导体切割N极磁场时感应电动势为正，切割S极磁场时感应电动势为负，则导体内感应电动势是一个交流电动势。

对于A相绕组，线圈的两个导体边相互串联，其产生的感应电动势大小相等，方向相反，为一个线圈边内感应电动势的2倍（短距绕组需要乘短距系数，见第3章）。

将转子的转速用每秒钟内转过的电弧度ω表示，ω称为角频率。

在时间0～t内，主极磁场转过的电角度θ=ωt，则A相绕组的感应电动势瞬时值为——感应电动势的有效值。

式中E1三相对称情况下，B、C相绕组的感应电动势大小与A相相等，相位分别滞后于A相绕组的感应电动势120°和240°电角度，即可以看出，永磁磁场在三相对称绕组中产生三相对称感应电动势。

关于定子绕组中感应电动势的详细计算可参照第2章。

导体中感应电动势的频率与转子的转速和极对数有关。

若电机为两极电机，周，则导体中电动势交转子转1周，感应电动势交变1次，设转子每分钟转ns/60。

同步机电的工作原理同步机电是一种特殊的交流机电，其工作原理基于电磁感应和磁场的相互作用。

它与普通的异步机电相比，具有更高的效率和更稳定的转速控制性能。

同步机电的工作原理可以简单地描述为：当电流通过机电的定子绕组时，产生的磁场与转子上的永磁体或者电磁铁产生的磁场相互作用，从而产生转矩，使得转子尾随定子的磁场旋转。

具体来说，同步机电的工作原理可以分为以下几个方面：1. 磁场产生：同步机电的定子绕组通过外部电源供电，形成一个旋转磁场。

这个旋转磁场的频率和极数决定了同步机电的转速。

2. 磁场相互作用：同步机电的转子上安装有永磁体或者电磁铁，产生一个固定的磁场。

当定子绕组产生的旋转磁场与转子上的磁场相互作用时，会产生一个力矩，使得转子开始旋转。

3. 同步运行：同步机电的转子会以与定子磁场的旋转速度相同的速度旋转，这就是所谓的同步运行。

当转子的转速与定子磁场的旋转速度保持一致时，同步机电处于最佳工作状态。

4. 转速控制：同步机电的转速可以通过调节供电频率或者改变定子绕组的极数来实现。

通过控制供电频率，可以改变定子磁场的旋转速度，从而改变同步机电的转速。

此外，还可以通过改变定子绕组的极数来调整同步机电的转速。

5. 功率因数控制：同步机电的功率因数可以通过调节定子绕组的电流来控制。

通过控制定子绕组的电流，可以改变机电的功率因数，从而实现对电网的功率因数补偿。

总结起来，同步机电的工作原理是通过定子绕组产生旋转磁场，与转子上的永磁体或者电磁铁产生的磁场相互作用，从而产生转矩，驱动转子旋转。

通过调节供电频率和定子绕组的极数，可以实现对同步机电转速和功率因数的控制。

同步机电具有高效率和稳定的转速控制性能，广泛应用于工业生产和能源领域。

同步电机的工作原理引言概述：同步电机是一种常见的电动机类型，其工作原理基于电磁感应和磁场的相互作用。

本文将详细介绍同步电机的工作原理，包括磁场产生、转子与磁场的同步、转矩产生、调速控制以及应用领域。

一、磁场产生1.1 永磁同步电机：通过永磁体产生恒定磁场，磁场的极性和分布规律决定了电机的性能。

1.2 感应同步电机：通过电磁铁产生磁场，电磁铁的电流和磁场的强度成正比，可以实现磁场的调节。

1.3 混合型同步电机：同时利用永磁体和电磁铁产生磁场，结合了永磁同步电机和感应同步电机的优点。

二、转子与磁场的同步2.1 同步速度：同步电机的转子速度与磁场的旋转速度完全一致，这是同步电机的特点之一。

2.2 极对数：同步电机的极对数与磁场的极对数相等，极对数决定了同步电机的转速。

2.3 同步损耗：同步电机在运行过程中，由于转子与磁场的同步性，会产生一定的同步损耗。

三、转矩产生3.1 磁场转矩：同步电机的转子与磁场之间的相互作用会产生转矩，使电机能够输出功率。

3.2 电流转矩：通过控制电机的电流大小和相位，可以调节电机的转矩。

3.3 磁阻转矩：同步电机的转子具有一定的磁阻特性，磁阻转矩是由转子磁阻产生的。

四、调速控制4.1 感应同步电机的调速：通过调节电磁铁的电流大小和频率，可以实现感应同步电机的调速控制。

4.2 永磁同步电机的调速：通过调节永磁体的磁场强度，可以实现永磁同步电机的调速控制。

4.3 变频调速：利用变频器控制电机的供电频率，可以实现同步电机的精确调速。

五、应用领域5.1 工业领域：同步电机广泛应用于工业生产中的电动机械设备，如风力发电机组、水泵、压缩机等。

5.2 交通运输领域：同步电机被用于电动车辆、列车牵引等交通运输工具中，具有高效、低噪音等优点。

5.3 家用电器领域：同步电机在家用电器中的应用越来越广泛，如洗衣机、空调、冰箱等。

结论：同步电机是一种重要的电动机类型，其工作原理基于磁场产生、转子与磁场的同步、转矩产生、调速控制等方面。

第六章学习指南熊永前一、内容及要求同步电机的结构型式，励磁方式，冷却方式、额定值。

同步电机的运行原理。

同步电机的电枢反应，隐极同步发电机的负载运行。

凸极同步电机的负载运行。

同步发电机的空载特性，零功率因数负载特性，短路比，外特性。

稳态参数的测定。

投入并联运行的条件和方法。

同步发电机的功率和转矩平衡方程式。

同步发电机的功角特性。

同步发电机与大电网并联运行时有功功率的调节和静态稳定。

无功功率的调节和V形曲线。

同步电动机的基本方程式矢量图和功角特性，无功功率的调节，同步电动机起动方法，同步调相机。

同步发电机不对称运行时的各相序阻抗和等效电路，三相同步发电机的不对称稳定短路。

不对称运行对电机的影响。

1.了解同步电机的主要结构型式及其应用特点、励磁方式和冷却方式；掌握同步电机的额定值。

2.了解同步发电机空载运行的原理，掌握空载运行时的时空矢量图。

掌握同步电机电枢反应的特点。

了解双反应理论。

3.掌握隐极和凸极同步发电机负载运行时的方程式和相量图以及同步电抗等参数。

掌握不饱和时同步发电机的计算。

4.掌握同步发电机各特性的原理和方法。

掌握利用各特性测量有关参数的方法。

掌握低转差法测量同步电抗的原理和方法。

5.掌握并联运行的条件，并网的方法。

掌握同步发电机的功率平衡和转矩平衡，功角特性。

掌握静态稳定，有功调节和无功调节的方法。

6.了解同步电动机的基本电磁关系。

了解同步电动机的起动和调速方法。

掌握同步调相机的原理和特点。

7.掌握各相序阻抗的物理概念极其大小关系，了解不对称稳定短路的分析方法，掌握稳定短路电流大小，了解负序和零序参数的测量方法，了解不对称运行的影响。

二、学习指导同步电机的一个基本特点是电枢电流的频率与转速之间的严格关系。

汽轮发电机由于转速高和容量大等特点必须采用隐极结构且转子直径不能太大，各零部件机械强度要求高。

水轮发电机则由于水轮机多为立式低转速，因此一般采用凸极结构，且极数很多，直径较大。

在分析同步电机内部的物理情况时，电枢反应占有重要地位。