第十章
§10-1
同步电机概述
同步发电机的基本电磁关系
同步电机也是一种交流电机。它可分为同步发电机、同步电动机和同步补偿机。发电厂发出的三相
正弦交流电，½是用三相同步发电机产生的。同步电动机，可以改善电½功率因数；同步调相机，可以
½为电½无功率调节手段。
一、 同步电机的基本结构
同步电机是由定子、
½子两大部分组成的，
定子也称电枢。
它和异步电机的定子在构造上是一致的，
即定子由硅钢片叠装而成，上面开有½，½中放½绕组。关于绕组刚刚讲过这里我们就不再必赘述。同
步电机的½子按照磁极的½状可分为凸极式，隐极式两类。
a）
b）
图
10-1
同步电机结构图
a）凸极式
b）隐极式
凸极式同步电机½子有明显突出的磁极，直流励磁，产生磁场，水½发电机由水½带动½速½，½
子为凸极式。隐极式同步电机从外½上看没有凸出的磁极，沿着½子的圆周上有½和½，励磁绕组分布
开，它的½速高。½½发电机由于½速高，为了加强机械强度和很½的固定励磁绕组，一般的½做成隐
极式的。
同步电机的特点，即½子½速
变的关系：
n
、电动势频率
f
（电枢电流的）和½子极对数
p
之间有严格不
n
=
例如：½
60
f
p
（10-1）
f
=50Hz
时，
如果
如果
p
=1，则
n
=3000r/min；
p
=2，则
n
=1500r/min。
二、 同步电机的额定值
1．
额定电压
U
N
I
指额定运行时电机定子三相绕组上的线电压，单½为伏（V）或千伏（kV）
。
2．
额定电流
N
指电机在额定运行时，流过定子绕组的线电流，单½为安（A）
。
3．
额定功率
N
电机的输出功率，同步发电机指输出的额定有功功率
N
同步电动机指输出的机械功率
N
P
P
=
3
U
N
I
N
cos
ϕ
N
（10-2）
（10-3）
P
=
3
U
N
I
N
cos
ϕ
N
η
N
同步调相机指出线端的无功功率（Kvar）
。
§10-2
同步发电机的空½½运行
同步发电机被原动机拖到同步½速，
½子绕组通入直流励磁电流而电枢绕组(定子)绕组开路，
这种
运行状态称为空½½运行或无½½运行（no-laod
operation）
。此时，电枢电流为零，电枢气隙中只有½子
励磁电流
i
f
产生的磁动势
F
f
和磁场，称为励磁磁动势(excitation
m.m.f)和励磁磁场(excitation field)。
图
10-2
表示一台凸极发电机的空½½磁路，图中
Φ
0
表示既链过½子，又通过气隙
Φ
0
主磁通
Φ
漏磁通
f
σ
E
0
Φ
0
U
N
ϕ
a
b
c
气隙线
N
×
×
S
•
n
1
i
f
•
F
f
δ
F
f
0
F
f
i
f
δ
i
f
0
i
f
Φ
f
σ
表示只交链
图
10-2
同步发电机的空½½磁路
图
10-3
同步发电机的空½½特性（磁化曲线）
并与电枢绕组交链的磁通，称为主磁通，它就是空½½时的气隙磁通，或称励磁磁通。
励磁绕组的主极漏磁通，它不参与电机的机电½量½换过程。
½原动机拖动½子以同步速旋½时，则主磁通
对称的，则主磁通切割电枢绕组感应出频率为
Φ
0
将在气隙内½成一个旋½磁场。若定子绕组是
f
的三相对称电动势。不计谐波时，三相励磁电动势为：
&
E
A
=
E
0
∠
0
0
&
E
B
=
E
0
∠ −
120
0
&
E
C
=
E
0
∠ −
240
0
E
0
=
4.44
fNk
N
1
Φ
0
（10-4）
这样，
改变
i
就可得到不同
Φ
和
E
，
曲线
E
f
0
0
0
=
f
(
i
f
)
表示在同步½速下，空½½电动势
E
0
和
0
励磁电流
i
f
之间的关系，称为发电机的空½½特性。如图（10-3）所示。由于
E
∝ Φ
0
，
i
f
∝
F
f
，
所以空½½曲线实质上就反映了电机的磁化曲线。
½主磁通
Φ
较小时，整个磁路处于不饱和状态，绝大部分磁动势消耗于气隙（即铁心所消耗的磁
0
压降略去不计） 所以空½½特性的下部是一条直线。
，
与空成曲线下部相切的线
OG，
称为气隙线。
随着
Φ
0
的增大，铁心逐渐饱和（铁心所消耗的磁压降不½½略不计）逐渐变弯。空成特性是同步发电机的基本
特性之一。
线段
ab
表示消耗于铁心部分的磁动势；线段
bc
表示消耗于气隙部分的磁动势。
一般设计的电机，空½½电动势等于额定电压的一点在曲线½弯处，电机的饱和因数为：
ac i
f
0
k
µ
=
=
ab i
f
δ
对普通电机的
k
µ
值一般在
k
µ
（10-5）
=
1.1 1.25
左右。
§10-3
三相同步发电机的电枢反应
同步发电机空½½时电机中只有一个同步旋½的励磁磁动势，
带上负½½以后，
由于电枢绕组有电流通
过，就出现第二个磁动势
——
电枢磁动势。或者说定子三相绕组中将通过对称三相电流，产生电枢磁
动势，
这是在同步发电机的气隙中同时½用着两个磁场。
这种定子绕组中产生的电枢磁动势的基波对主
极磁场基波的½响，就称为电枢反应。因此，电枢磁动势又称为电枢反应磁动势。
同步发电机的气隙中同时½用着两个磁场，这两个磁势以相同的½速，相同的½向旋½着，½此在空间
保持相对静止。
实际上， ½子磁动势相对静止是一切电磁感应型旋½电机½够正常运行的基本条件。
定、
分析电枢反应时采用时间相量和空间矢量统一图，这种图简称为“时空相矢图”
。
一．时空相矢图
1．空间矢量
凡是沿空间按正弦分布的量½可表示为空间矢量。
基波励磁磁动势
F
f
1
及磁密
B
0
为一空间矢量，该矢量½于½子的极½线上，方向为
N
极指向，以
同步速旋½，如图
10-4
所示。
+
A
+
t
C
+
A
F
a
•
Y
A
F
f
1
ω
X
&
I
A
•
Y
n
1
×
C
N
B
0
S
B
A
N
S
×
X
×
Z
n
1
&
I
C
（a）
I
&
B
n
1
•
Z
（b）
B
图
10-4
励磁磁动势空间矢量
图
10-5
电枢磁动势空间矢量
电枢磁动势
F
a
也为空间矢量（
F
）
，它的½½这样确定，½某相电流达到最大时，电枢磁动势
F
a
1
刚½½到该相绕组的½线上。
它的指向与绕线中的电流方向符合右手螺旋定则，
而且½向与½子的一致，
也是以同步速旋½，如图
10-5
所示。图中
A
相电流最大，所以
F
a
刚½½到
A
相½线上。
（电流的规定
正方向仍由末端流向首端）
。
2．时间相量
凡是随时间按正弦规律变化的量½是时间相量，同主电机的电动势、电流等½是相间相量。空间矢
量
F
f
1
和
F
a
½是指整个电机的量，没有三相之分，而时间相量却有三相之分。一般仅画
A
相，而且在
相量符号中不再加注脚
A，其它相量可根据互差 120°画出来。
+
A
+
t
ω
&
E
0
N
I
&
ψ
F
f
1
（a）
图
10-6
ω
（b）
空½½电动势相½的确定
&
同步电动机的空½½电动势（励磁电动势）
E
0
是时间相量，它的相½由½子½½决定。如½子处于
&
图
10-4
½½，½电动势正方向与电流正方向一致时，A 相感应电动势为正的最大，所以
E
0
½于时间½
线上。如图
10-6（b）所示。电动势相量的角频率与½子旋½的角速度½是
ω
。
&
电枢电流
I
也是时间相量，它的相½决定于电机内部分阻抗和负½½的性质，电机内部阻抗和负½½
的性质决定了电枢电流和空½½电动势之间的相½差
ψ
，
ψ
——称为内功率因数角。如图
10-6（b）所
示。
由于空间矢量和时间相量旋½的角速度½是
ω
，为了分析上的方便，把空间½线+A 与时间½线+t
重合在一起，把空间矢量和时间相量画在一张图里，这种图就是时空相矢图。例如½子½½如图
10-7
（a）所示，此时
F
f
1
在+A ½前
90
0
，根据
e
3．时空相矢图
&
=
b
δ
lv
可知，该瞬间
A
相电动势最大，所以
E
0
+
A
F
a
•
+
t
&
E
0
+
A
+
t
& &
I
A
(
I
)
•
A
Y
ψ
ω
B
0
n
1
（a）
×
C
ω
X
×
ψ
&
E
0
ω
N
F
f
1
N
•
S
×
ψ
I
&
F
a
Z
B
&
I
C
&
I
B
F
f
1
B
0
（c）
（b）
图
10-7
时空相矢图的画法
&
&
根据某相电流最大时，
F
a
刚½½到该相绕组的½线上，
与+t ½重合。
设电枢电流
I
½后于
E
0
以
ψ
角，
可知
F
a
应½后于+A ½
ψ
角。因为½电流½过
ψ
角达到最大，此时
F
a
也½过
ψ
角与+A ½重合，即
得时空相矢图，如图
10-7（c）所示。
综合以上所述得出结论如下：
&
（1）在时空相矢图上
E
0
总是½后于
F
f
1
以
90°；
&
（2）
F
a
总是与
I
重合；
&
&
（3）
E
0
与
I
之间的相½差
ψ
随着负½½的性质不同而改变，而
F
a
与
F
f
1
之间相对½½完全取决
于
ψ
角（它们之间的空间相½差为
90
+
ψ
角）
，所以电枢反应的性质是由
ψ
角决定的。即由负½½的性
o
质决定的。
二、不同
ψ
角时的电枢反应
&
&
1．
I
与
E
0
同相½(
Ψ
=0
0
)时的电枢反应
&
&
&
如图
10-8
所示，
F
f
1
超前+A ½为
90
0
电角度， 相电势
E
0
½后
F
f
1
90
0
电角度， 相电流
I
与
E
0
A
A
重合，和矢量相加得到合成磁动势：
F
δ
=
F
f
1
+
F
a
（10-6）
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