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。电枢反应的性质是取决于负载的性质和电机内部的参数，它主要取决于励磁电动势与电枢电流的夹角的大小。分析同步发电机的电磁过程中，矢量图具有特别重要的意义，应用很广泛。在不考虑饱和时，可认为各磁动势分别产生磁场及感应电动势，并由此得出电动势方程式及矢量团。隐极用步电机由于气隙均匀，可用单一的参数——同步电抗来表征电枢反应和漏磁所产生的效果。凸极同步电机，由于气隙不均匀，同样大小的电枢磁动势作用在交轴或直轴上时，所建立的磁通大小不一样。应用双反应理论，对凸极电机推导出直轴同步电抗和交轴两个同步电抗，以分别表征直轴和交轴电流所产生的电枢总磁场(包括电枢反应和漏磁)的效果。
正常运行时，同步发电机主要有两条特性：外特性和调整特性。外特性说明负载变化而不调节励磁时电压的变化情况。调整特性则说明负载变化时，为保持电压恒定，励磁电流的调整规律。其他如空载特性、短路特性、零功率因数负载特性则主要用于测量电机参数。短路比是表征同步发电机静态稳定度的一个重要数据。低转差法是测量凸极同步电机直轴同步电抗和交轴同步电抗的基本方法。
同步发电机投入大电网并联运行，由于大电网的电压和频率均为常数，所以调节的对象只是发电机的有功功率和无功功率。调节同步发动机输出有功的唯一方法是调节原动机的输入功率，有功功率的调节也会影响到无功功率的数值，在增大发电机的有功功率时，将引起无功功率相应的下降。调节励磁电流不仅可以改变无功功率的大小，而且可以改变功率的性质。
同步电动机的原理是从同步发电机引伸来的，其区别仅在于它们的功率传递方向不同。同步电动机与感应电动机相比最突出的优点是功率因数可以根据需要在一定范围内调节。同步调相机作为无功功率电源对改善电网功率因数、保持电压稳定起很大作用。
三相同步发电机的不对称运行时，正序阻抗就是对称运行时的同步阻抗，负序阻抗比较复杂，由于同步电机转子在旋转，因此对定子的正序电流与负序电流就有不同的反应，使得正序电抗与负序电抗不同。
三、重点内容
1. 同步发电机运行原理
普通同步电机与异步电机的定子结构基本相同，根本区别是同步电机转子侧装有磁极并通入直流电流励磁，因而具有确定的极性。由于定、转子磁场相对静止及气隙合成磁场恒定是所有旋转电机稳定实
现机电能量转换的两个前提条件，因此，同步电机的运行特点是转子的转速n与定子磁场的基波转速（同步转速n1）相等。
p f
n n 60
1=
=
同步电机转子有两种型式：隐极式和凸极式。隐极同步电机的特点是气隙均
匀，凸机同步电机的特点是气隙不均匀，直轴气隙小、交轴气隙大。汽轮发电机转速高，一般采用隐极结构，电机外形细长。水轮发电机转速低，一般采用立式凸极结构，极数多，电机外形粗短。一般用途的同步电动机多数为卧式凸极结构，同步调相机则采用高速隐极结构。
同步发电机空载相电动势（亦称为励磁电动势）有效值和频率分别为
Φ1044.4N fNk E =
60
pn f = 基波主磁通取决于励磁电流，不计饱和时，正比于。
0Φf I 0Φf I 同步电机电枢电流产生的磁场对主极磁场（励磁磁场）的影响称为电枢反应。电枢反应的性质取决于电枢磁动势F a 与励磁磁动势F f 之间的空间相对位置。在直流电机中，电枢反应的性质是固定的（一般情况下，F a 与F f 总是正交关系，称为交轴电枢反应），而同步电机则复杂得多。同步电机电枢反应的性质是取决
于电枢电流I  滞后于励磁电动势的相角ψ而该相角取决于负载的性质和电机内部的参数。电枢磁动势F a 与励磁磁动势F f 的夹角等于(0
E  ψ+︒90) 。当0=ψ时，电抠磁动势在交轴方向，起“交磁”作用；当︒=90ψ时，电抠磁动势在直轴方向且与励磁磁动势方向相反，起“去磁”作用，使气隙磁场削弱；当︒-90=ψ时，电枢磁动势在直轴方向且与励磁磁动势方向相同，起“助磁”作用，使气隙磁场增强。一般情况下将电枢磁动势分解为
F ad 和F aq 两个分量，其中F aq 对准交轴方向产生交轴电枢反应，F ad 对准直轴方向产生直轴电抠反应。当︒<<900ψ时，电枢反应的性质是“直轴去磁兼交磁”；当090<<︒-ψ时，电枢反应的性质是“直轴助磁兼交磁”。
在不考虑饱和时，各个磁动势分别产生磁场及感应电动势；在考虑饱和时则必须先将磁动势叠加，求出气隙合成磁动势，再确定相应的磁通和电动势。时—空矢量图是分析同步电机的重要方法。绘制时—空矢量图时，必须把各相的时轴取在各自的相轴上，这样，电枢电流相量和电枢磁动势空间矢量重合。
隐极同步电机由于气隙均匀，可用单一的参数—同步电抗来表征电枢反应
和漏磁所产生的效果。不饱和时，隐极同步发电机的方程式如下，相量图如图
6.1(a)所示。
t X t
a 0j X I R I U E    ++= 同步电抗，称为电枢反应电抗。
σa t X X X +=a X 隐极电机的ψ角和励磁电动势的解析计算式
ϕ
ϕψcos sin tan a t 1U IR U IX ++=- ψψθsin cos cos t a 0IX IR U E ++=
凸极同步电机，由于气隙不均匀，同样大小的电枢磁动势作用在交轴或直轴上时，所建立的磁通大小不一样。应用“双反应理论”把电枢磁动势分解为直轴和交轴两个分量，分别求出它们产生的磁场和感应电动势，最后将它们的效果叠加起来。由此推导出直轴和交轴两个同步电抗，以分别表征直轴和交轴电流所产生的电枢总磁场(包括电枢反应和漏磁)的效果。不饱和时，凸极同步发电机的方程式如下，相量图如图6.1(b)所示。
q
q d d a 0j j X I X I R I U E      +++= 直轴同步电抗，称为直轴电枢反应电抗。
σad d X X X +=ad X 交轴同步电抗，称为交轴电枢反应电抗。
σaq q X X X +=aq X aq ad X X >ad X X =，。对于隐极同步电机，也可以应用双反应理论，只不过
此时有，。
q d X X >a X =X aq t q d X X ==凸极电机的ψ角和励磁电动势的解析计算式
ϕϕ
ψcos sin tan a q 1U IR U IX ++=-
ψψθsin cos cos d a 0IX IR U E ++=
(a) 隐极              (b) 凸极
图6.1 同步发电机相量图
2. 同步发电机的运行特性
同步发电机的空载特性U 、短路特性I 零功率因数负载特性U =图6.2所示。同步发电机的空载电压即励磁电动势0E 三相稳态短路
时电枢反应是近似纯去磁的，气隙电动势δE 很小（等于漏抗压降），电机不饱和，
短路特性曲线为直线。零功率因数负载特性和空载特性之间存在一个不变的特性三角形，三角形的垂直直角边代表漏抗压降σIX ，三角形的水平直角边代表电枢
反应去磁作用等效的励磁电流fa I 。
)(f 0I f =)(f k I f =、如，)(f I f 空载特性、短路特性、零功率因数负载特性主要用于测量电机参数。通过空载特性和短路特性可以确定X d 的不饱和值以及短路比k c ，通过空载特性和零功
率因数负载特性可以确定定子漏电抗、电枢反应等效励磁电流I fa 、X d 的饱和值。
σ
X
图6.2 同步发电机空载、短路、零功率因数负载曲线
短路比指同步发电机在空载额定电压对应的励磁电流励磁下，三相稳态短路电流与额定电流的比值。
μk0c *N d()
k I k I X ==不饱和 短路比与不饱和直轴同步电抗标幺值成反比。短路比是表征同步发电机静态稳定度的一个重要数据。短路比小，负载变化时发电机的电压变化较大，并联运行时发电机的稳定度较差，但电机造价较便宜。增大气隙可减小X d ，使短路比增大，电机性能变好，但要求励磁磁动势增大，从而使得转子用铜量增大，电机造价增高。
外特性和调整特性是同步发电机正常运行时的两条主要有特性。外特性说明负载变化而不调节励磁电流时同步发电机端电压的变化情况，端电压随负载电流变化的原因是受到定子漏抗压降和电枢反应的影响。在感性负载时，电枢反应是去磁性质的，端电压随负载电流的增大而下降；在容性负载时，电枢反应可能出现助磁性质，从而端电压可能随负载电流增大而上升。调整特性则说明负载变化时为保持电压恒定，励磁电流的调整规律。
)(I f U =)(f I f I =利用低转差法可以测量凸极同步电机的交、直轴同步电抗的不饱和值。
3. 同步发电机的并网运行
同步发电机并网的条件：①相序一致；②频率相同；③电压相等，相位相同。同步发电机投入并联的
基本方法是准确同步法。
同步发电机功率平衡方程
mec e ad em ()F P p p p P -++1＝
22em Cu1cos a P P p mUI mI R ϕ-=+＝
发动机额定功率
由于定子绕组电阻很小，在实际分析和计算中，常常忽略定子铜耗的影响。