重庆电力高等专科学校
向文彬
电 机 学
同步发电机
前言,
① 同步电机是一种交流电机，主要作发电机使用；也可
作电动机和调相机（专门用于电网的无功补偿）使用；
② 同步电机定义：同步电机转速 n与定子电流频率 f和
极对数 p保持严格不变的关系，即
p
f
n
60=
③ 主要内容：电枢反应；有功和无功调节；并联运行；
不对称和突然短路
第一章 概述
? 一、同步发电机的基本结构
? （以隐极同步电机为例）
主要结构部件：定子、转子、端盖、轴承；
①定子：定子铁心、电枢绕组、机座以及若干
紧固连接部件构成；
②转子：铁心、激磁绕组、护环、中心环、滑
环（集电环）和阻尼绕组
汽轮发电机的主要结构部件包括：定子机座、定子铁芯、
定子绕组、转子本体、转子绕组、定子端盖等。图为发
电机的总装配图，发电机采用定子空外冷、转子空内冷，
密闭空气自通风循环冷却。
定子绕组（电枢绕组）,是发电机进行能量转换的心脏部位。
定子铁芯是电机的主要部件，它起着构成主磁路和固定定子绕
组的重要作用。一般要求导磁性能好，损耗低，刚度好，振动
小，并在结构及通风系统布置上能有良好的冷却效果。
发电机定
子槽内结
构
1槽楔；
2波纹板；
3— 热弹性
绝缘
汽轮发电机转子的作用是传递汽轮机供给的负载转
矩，支撑旋转的励磁线圈，形成良好的磁通路径和转子
散热通道，因此对转子结构、材料、加工工艺要求较高。
汽轮发电机转子采用隐极式。
图 1.1 发电机结构总图
基本结构形式
型式
旋转电枢式,
旋转磁极式,
（大部分采用）
只用于小容量电机；
隐极式：气隙均匀，适于高速旋转，
与汽轮机组合；
凸极式：气隙不均匀，旋转时阻
力大，转速低，与水轮机合
二、同步发电机的额定值
① 额定容量 PN（ MW）,是该台电机安全运
行的最大允许输出功率；
② 额定电压 UN(kV)：是该台电机长期安全工
作的最高电压, 指线电压；
③ 额定电流 IN（ A）,是该台电机正常连续
运行的最大工作电流, 指线电流；
④ 额定频率 fN,我国标准工频为 50 Hz。
⑤ 额定功率因数,指电机在额定运行
时的功率因数 。
3.额定值之间的关系,
NNNN IUP ?c o s3?
N?c o s
第二章 同步发电机的运行原理及运行特性
? 2-1 同步发电机的空载运行
? 2-2 对称负载时的电枢反应
? 2-3 同步电抗的概念
? 2-4 隐极式同步发电机的电动势方程式和向
量图
? 2-5 凸极式同步发电机的电动势方程式和向
量图
? 2-6 同步发电机的空载、短路、零功率因数
特性及电抗测定
? 2-7 同步发电机的外特性和电压变化率
2-1 同步发电机的空载运行
? 空载运行 —— 同步发电机被原动机拖动
到同步转速，转子绕组通入直流励磁电
流，定子绕组开路（定子电流为零） A X
B Z
C Y
fI 励磁磁动势（或主极磁动势） fF
主磁通 Φ0
fI
0?
电动势
kNfE N 0110 4, 4 4 ??
同步发电机的空载特性
0E
NU
气隙线
0E?
0fI
磁路的饱和系数
UEk
N
0??
?
1.1~1.25
2-2 对称负载时的电枢反应
af
f
f
a
FFF
FI
FI
??
?
?
?
?
?电枢反应, 电枢磁通势的基波
在气隙中使气隙磁通的大小及位
置均发生变化,这种影响称为电
枢反应,
电枢反应的概念
基波
波形
大小 位置 转速
励磁磁
势
正弦
波
恒定，由励
磁电流决定
由转子位
置决定
由原动机的
转速决定
电枢反
应磁势
正弦
波
恒定，由电
枢电流决定
由电流瞬
时值决定
由电流的 f
和 P决定
励磁磁势和电枢磁势的区别
电枢反应的性质与负载的性质和大小有关，主要决定于 Fa与
的空间相对位置，按时 -空矢量图有,
1fF
Fa与 I同相；
与 同相；
滞后于
1fF 0Φ
0Φ0
.
E ?90
? 三个角
? 四个轴
???
?
???
?
??
??
??
:.:)(;,:;,:
0
0
三者关系的时间相位角与是功角功率角
与负载有关的时间相位角与是外功率因数角
与电机参数及负载有关的时间相位角与是内功率因数角
UE
IU
IE
直轴（纵轴,d 轴）：主磁极轴线位置。
交轴（横轴,q 轴）：与直轴成 90
0
电角度的位置。
相轴,每相绕组的轴线位置。
时轴, 时间相量在其上投影可得瞬时值
准备工作
?内功率因数角 Ψ=00
BI
.
AI
.
CI
.
AE0
.
时轴
CE0
.
B0
.E
Ψ+90
0
Fδ
Fa
d轴
q轴 A轴
A X
Z B
C Y
Ff
N S
交轴电枢反应
内功率因数角 Ψ=900
时轴
AE0
.
CE0
.
BE0
.
AI
.
CI
.
BI
.
ψ
d轴
q轴 A轴
A X
Z B
C Y
Ff N S
直轴去磁电枢反应
Fa
?内功率因数角 Ψ=-900
时轴
AE0
.
CE0
.
BE0
.
CI
.
BI
.
AI
,ψ
d轴
q轴 A轴
A X
Z B
C Y
Ff N S
直轴助磁电枢反应
Fa
?内功率因数角 00<Ψ<900
时轴
AE0
.
CE0
.
BE0
.
ψ AI.
CI
.
BI
.
d轴
q轴 A轴
A X
Z B
C Y
Ff
N S
既有交轴又有直轴去磁电枢反应
Ψ+900 Fa
位置
夹角
记作
电枢反
应性质
对电机的影响 Ψ=
负载性质 n(f) U
Ψ=0 0
q轴 Ψ+90 0 交轴 波形
畸变
下降 不变 R
Ψ=90 0
d轴 Ψ+90 0
直、去 削弱 不变 下降 L
Ψ= -900
d轴 Ψ+90 0
直、助 增强 不变 上升 C
00<Ψ<90 0
d,q
轴
Ψ+90 0
交、直去 削弱 下降 下降 R,L
-900<Ψ<0 0 d,q
轴
Ψ+90 0
交、直助 增强 下降 上升 R,C
aF af FF aF
aqF
adF
adFaqF ?
adF
adFaqF ?
?F
?
当 ψ角为不同值的电枢反应
?电枢磁势和电枢电流分量
????
????
????
???
c o sc o s
s i ns i n
IIFF
IIFF
IIIFFF
qaaq
daad
qdaqada
交轴分量
直轴分量
n1 Tem
aq II
?? ?当忽略电机本身参数,ψ≈φ=0
0,,
有功电流产生电磁力,并形成电磁转矩 Tem
rd II
?? ?
n1
n
Φad
If
A
Z B
X
C
Y
N
S
当忽略电机本身参数,ψ≈φ=900,,
无功电流产生电磁力,不形成电磁转矩
2-3 同步电抗的概念
? 一、隐极同步电机
1、基本漏磁电抗 ?'x
定子漏磁通
槽部漏磁通
端部漏磁通
电枢绕组产生
σ
?
σ
? I-j=E
x
2、电枢反应电抗
aaaa EFI ∝∝∝ Φ
大小,
aaaa IFE ∝∝Φ∝
得到,
aa IE ∝
相位,
?
90Φ滞后
同 相 位Φ,,
aa
aaa
E
FI
}
?90滞后电枢电流
aa IE
所以,
aaa xIjE
??
-=
ax
----电枢反应电抗
3、同步电抗
( ) ( )
taa
a xIjxxIjxIjxIjEE
?
σ
?
σ
??
σ
??
-=+-=+-=+
:势为在 顶 子 绕 组 中 的 总 电 动
---同步电抗
( )σat xxx +=
电枢反应电抗意义,
①反应了电枢反应作用的强弱；
②有饱和值和不饱和值之分，很大。
根据双反应理论,
aqqaqaqaqq
addadadadd
xIjEFI
xIjEFI
I
???
???
?
??????
??????
?? ?
?
交 轴 电 枢 反 应 电 抗
直 轴 电 枢 反 应 电 抗
aq
ad
x
x
( ) ( ) ( );==隐 极 机,；凸>凸>隐;>
aaqad
aqadaaqad
xxx
xxxxx
大小,
二、凸极同步电机
凸极机的同步电抗,
① 直轴：,有饱和值和不饱和值之分；
②交轴：,无饱和值和不饱和值之分，因
气隙大
?xxx add ??
?xxx aqq ??
大小比较：隐极机,
凸极机,
对电机的影响：①发电机的端电压；
②同步发电机的稳定性。
qdt xxx ??
qd xx ?
fI fF
0
??
0
?E
?
I aF aE
?
?
?E
?
?E
?
??
a
??
aRI
?
aa xIjE
?? ??
?? xIjE
?? ??
2-4 隐极发电机的电磁过程
隐极发电机的电势方程式
ta xIjIrUE
????
???0
其中
?
?
xxx
xxx
at
at
??
??
并且有
称为同步电抗
同步电抗的物理意义, 表征地对称负
载下单位电枢电流三相联合产生的电枢总磁
场在电枢每相绕组中感应电势
txIjUE
???
??0简化方程式
隐极发电机的等效电路,
ra xt
0
?E
?I
?U
只要去掉 ra 即可得到简化等效电路
隐极发电机的相量图
已知发电机的端电压、负载电流和功率因数 cosφ
及参数 ra, xt
φ
?U
?I
arI
?
txIj
?
ψ
0
?E
δ
当功率因数
cos φ滞后时
的相量图
fI fF
0
??
0
?E
?
I qI
?
dI
?
?
??
adF
aqF
ad
??
aq
?
?
adE
?
aqE
?
?
?E
?
?E
arI
?
2-5 凸极发电机的电磁过程
凸极发电机的电势方程式
addad xIjE
?? ??
aqqaq xIjE
?? ??
?? xIjE
?? ??
qqdda xIjxIjIrUE
?????
????0
其中,
?
?
?
xxx
xxx
xxx
qd
aqq
add
??
??
??
并且有
称为交轴同步电抗
称为直轴同步电抗
凸极发电机的相量图
已知发电机的端电压、负载电流和功率因数及
参数 ra, xd,xq 。
1、已知内功率因数角 ψ
按照电势方程式的关系作出相量图
2、未知内功率因数角 ψ
1）利用方程式求出 ψ,
2）利用公式求出 ψ,
qaQ xIjIrUE
????
???
?
?
c o s
s i n
a r c t a n
UIr
UIx
a
q
?
?
??
2-6 同步发电机的空载、短路、
零功率因数特性及电抗测定
1、空载特性,
)(0 001 fIfEUInn ????
2、短路特性,
)(01 fk IfIUnn ???
3、外特性,
)(c o s1 IfUCCInn f ???? ?
4、调整特性,
)(c o s1 IfICCUnn f ???? ?
2-7 同步发电机的外特性和电
压变化率
1、外特性,
)(c o s1 IfUCCInn f ???? ?
2、调整特性,
)(c o s1 IfICCUnn f ???? ?
第三章 同步发电机的并列运行
?1、提高供电的可靠性
?2、提高供电的经济性
?3、提高电能 的质量（主要是 U和 f）
无穷大电网,1） S→∞
2） ZS →0
3） US = C
4） fS= C
并联运行的优点
? 3-1 投入并联运行的条件和方法
? 3-2 同步发电机的功率和转矩
? 3-3 同步发电机的稳态功角特性
? 3-4 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
? 3-5 无功功率的调节和 V形曲线
3-1 并联运行的条件和方
法
?条件,
?1.电压大小相位相同
?2.频率相同
?3.电压波形相同
?4.相序相同
?方法
?1.准同期法
?2.自同期法
1、电机和电网之间有环流，定子绕
组端部受力变形。
2、产生拍振电流和电压，引起电机
内功率振荡。
3、电机和电网之间有高次谐波环流，
增加损耗，温度升高，效率降低。
4、电网和电机之间存在巨大的电位
差而产生无法消除的环流，危害电
机安全运行。
条件不满足时对电机的影响
输入
功率 P1
机械损
耗 pmec
附加损
耗 pad
铁损 pFe
电磁功
率 Pem
定子铜损
pcu1
输出功
率 P2
emcuem
adFem e cem
PPPP
PPPPPPP
???
??????
12
011 )(
3-2同步发电机的功率和转矩
转矩平衡方程式,
( ) 01adm e c1 -=TT-= TTTTT
Feem ++
称 为 空 载 转 矩++=0 adFem e c TTTT
3-3 同步发电机的稳态功角特性
定义,
并联于无穷大电网的同步发电机，
当电网电压和频率恒定、参数
（ xd,xq,xt）为常数、空载电势
E0不变（即 If 不变）时,Pem=f (δ)
为有功功率功角特性 。
0
?E
?? xIjxIjEE aa
???? ????
?U
?I
?F
fF
0
??
?
??
?
?? ???
a
δ
δ
功角 δ 意
义的图示 A,
N
S
Fδ
δ N
S
Ff
T1
n
Tem
n1 功角 δ 意义的图示 B
功角 δ 是转子磁极
轴线和定子合成磁
极轴线的空间夹角
1、是电动势 和电压 间的时
间相角差
2、是励磁磁势 和合成磁势
间的空间相角差
0
?E ?U
fF ?F
????? ????
?? EEEUE a00
?????
????????? ??? a00
?? FF f?
功角 δ的双重物理意义
凸极电机的有功功率功角特性,
??? 2s i n
11
2
s i nc o s
2
0
2 ?
?
?
?
?
?
?
?
?????
dqd
em xx
U
m
x
UE
mm U IPP
隐极电机的有功功率功角特性
?? s i nc o s 0
t
em x
UE
mmUIP ??
?? s i nc o s
*
*
0
*
***
t
em
x
UE
IUP ??
功率极限值 (隐极 )
t
em x
UE
mP 0ma x ?
0
δ
900
Pem P
emmax
1800
δ
Pem
1800 0 900
Pemmax
发电机有功功率功角特性曲线
01 8 0)3
90)2
s i n)1:
0
m a x
0
??
??
?
em
emem
em
P
PP
P
?
?
?隐极
0)4
01 8 0)3
90)2
s i n)1:
0
m a x
0
?
??
??
附加
不成正比与凸极
em
em
emem
em
P
P
PP
P
?
?
?
两种电机功角特性的区别
3-4 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
? 1、大电网的含义,
无穷大电网,1） S→∞
2） ZS →0
3） US = C
4） fS= C
2、有功功率的调节
从能量平衡的观点来看，要发电机输出有功功率，必须增
大原动机的输入功率 及相应的输入转矩 。当
增加后，由于,就出现剩余转矩
转子瞬时加速，转子 d轴和励磁磁动势 开始超前气隙磁
场,相应地使 超前于 一个 角，发电机输出有
功功率，同时转子上将受到一个制动的电磁转矩 。当
增大到某一数值使 与 正好相等，发电机
转子就不再加速，而在此处稳定运行。
1P 1
T 1T
01 > TT ( )01 - TT
fF
σB 0E
?
U
θ
emT
θ
emT
( )01 - TT
稳定时有,
θ
x
UmE
pPP
t
em
s i n
0
01 =-=
结论：要增加发电机的输出功率，必须增大原动机的输入功率,
使 角增加，从而改变,以达到新的平衡关系 。
θ emP
判据,
0?
?d
dP em
隐极发电机的判据, 比整步功率 (kW/rad)
0c o s0 ??? ?
? t
em
s y n x
UEm
d
dPP
3、静态稳定的概念,
指电网或原动机方面出现某些微小扰动时，同
步发电机能在这种干扰消失后，继续保持原来的平
衡运行状态
过载能力
隐极发电机的过载能力
N
em
P
P m a x
??
N
N
t
t
N
em
x
UE
m
x
UE
m
P
P
?
?
?
s in
1
s in
0
0
m a x
???
3-5 无功功率的功角特性
定义,
并联于无穷大电网的同步发电
机当电网电压和频率恒定、参数
（ xd,xq,xt）为常数、空载电势 E0
不变（即 If 不变）时,Q=f(δ) 为
无功功率功角特性 。
??
?
2s in
11
2
11
2
c o s
s in
22
0
?
?
?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
?
?
?
???
?
dqdqd
xx
U
m
xx
U
m
x
UE
m
m U IQ
隐极发电机无功功率的功角特性
tt x
U
m
x
UE
mm U IQ
2
0 c o ss i n ??? ??
凸极发电机无功功率的功角特性
tx
UEU
mQ
)(
0 00
?
???
0a r c c o s
0
?? Q
E
U
?
tx
U
mQ
2
090 ????
隐极发电机无功功率功角
特性的几个特殊点
QPem
?
1P
1emP
1Q
a?
a
b
b?
2Q
b
2emP
增
大
励
磁
电
流
励磁电流改变时的有功功率和
无功功率功角特性
?U
?I
t x I j
?
?
0E
?
01E
?
1I
φ1
txjI
?
1
?
02E
?
2I
txjI
?
2
φ2
同
步
发
电
机
不
同
运
行
方
式
时
的
相
量
图
03
?E
3
?I
txIj 3
?
φ3
1,正常励磁, φ=0 cos φ=1
发 P Q=0
2,过励磁, φ>0 cos φ滞后
发 P Q感性
3,欠励磁, φ<0 cos φ超前
发 P Q容性
三种励磁方式的比较
0?emP
'emP
"emP
"'emP
磁
励
常
正
I
fI
0
1co s ??
超前
欠励
滞后
过励
'""'
ememem PPP ??
区域
不稳定
090??
V形曲线,并联于无穷大电网的同步发电机，保持
有功功率不变时，表示电枢电流 I 和励磁电流 If 的关
系曲线 I = f（ If）
1,每条曲线的最低点,cosφ=1，
连线向右倾斜
2,不稳定区域边缘,δ=900,连线
向右倾斜
3,每条曲线上的电流变化量 Δ I 为
无功分量
4,励磁电流增大时，电枢电流变
化规律为先增大后减小
V形曲线的几个特点
同步电动机和同步调相机
4-1 同步电动机的基本方程式、
向量图和功角特性
一、从发电机状态过渡到电动机状态
定义：同步电机将电能转换为机械能的一种运行方式，其转
速不随负载变化而变，永远保持与电网频率所对应的同步速。
（ ）以隐极机为例，说明同步电机的可逆原理同步
电机的三种运行状态 1
nn?
1.发电机状态,δ>0，,发电网输送 P，发或吸 Q；
2.调相机状态, δ<0，且 δ≈0,，吸 P=∑p,
发或吸 Q
3.电动机状态,δ<0，,吸 P，发或吸 Q
?UE 超前
0
.
同相位与 ?UE 0.
?UE 滞后
0
.
二、同步电动机的基本方程式和向量图
方程式,发电机惯例：隐极机,
电动机惯例：隐极机,
凸极机,
ta xIjIRUE
...,++=
tMMa xIjIREU
..
0
.,???
qqMddMMa xIjxIjIREU
...
0
.,????
三、功率方程式和功角特性
1、功率平衡,
2
11
PPPPPP
PPP
fadm e cFeem
emcu
?????
??
2、功角特性
凸极机,
隐极机,
M
dq
M
d
em xx
U
m
x
UE
mP ?? 2s in
11
2
s in
2
0
?
?
?
?
?
?
?
?
???
M
t
em x
UE
mP ?s i n0?
4-2 无功功率的调节
1、三种激磁状态,
① 正常激磁状态：与同相，，吸有功 P,Q=0；
② 过激运行状态：超前，吸有功 P，吸容性 Q（发感性 Q）；
③ 欠激运行状态：滞后，吸有功 P，吸感性 Q（发容性 Q）；
2,V形曲线：同发电机
**结论：同步电动机最可贵的优点,
调 If可改变它的无功输出。
第三节 同步电动机的起动方法
起动方法有,
1,辅助电动机起动
2,变频起动
3,异步起动
第四节 同步调相机
? 1.目的：补偿无功功率的不足；
? 2.调相运行实质：运行于同步电动机 （ 空载 ）
状态；
? 3.同步调相机 （ 同步补偿机 ） 定义,
? 是一种专门设计的无功功率发电机, 更确切地
说是一种不带机械负载 （ 即空载运行 ） 的同步
电动机 。
?4.三种激磁状态,
? 1）正常激磁状态；
? 2）过激运行状态；
? 3）欠激运行状态；
?5.调相机特点,
?1）同步调相机的额定容量是指在过激状态时的额定视在功率；
?2）由于轴上不带负载，调相机的转轴比同容量的电动机的轴细；
?3）提供感性无功，激磁线圈截面大，损耗也较大，通风冷却；
?4）起动：异步电动机或辅助电动机法。
向文彬
电 机 学
同步发电机
前言,
① 同步电机是一种交流电机，主要作发电机使用；也可
作电动机和调相机（专门用于电网的无功补偿）使用；
② 同步电机定义：同步电机转速 n与定子电流频率 f和
极对数 p保持严格不变的关系，即
p
f
n
60=
③ 主要内容：电枢反应；有功和无功调节；并联运行；
不对称和突然短路
第一章 概述
? 一、同步发电机的基本结构
? （以隐极同步电机为例）
主要结构部件：定子、转子、端盖、轴承；
①定子：定子铁心、电枢绕组、机座以及若干
紧固连接部件构成；
②转子：铁心、激磁绕组、护环、中心环、滑
环（集电环）和阻尼绕组
汽轮发电机的主要结构部件包括：定子机座、定子铁芯、
定子绕组、转子本体、转子绕组、定子端盖等。图为发
电机的总装配图，发电机采用定子空外冷、转子空内冷，
密闭空气自通风循环冷却。
定子绕组（电枢绕组）,是发电机进行能量转换的心脏部位。
定子铁芯是电机的主要部件，它起着构成主磁路和固定定子绕
组的重要作用。一般要求导磁性能好，损耗低，刚度好，振动
小，并在结构及通风系统布置上能有良好的冷却效果。
发电机定
子槽内结
构
1槽楔；
2波纹板；
3— 热弹性
绝缘
汽轮发电机转子的作用是传递汽轮机供给的负载转
矩，支撑旋转的励磁线圈，形成良好的磁通路径和转子
散热通道，因此对转子结构、材料、加工工艺要求较高。
汽轮发电机转子采用隐极式。
图 1.1 发电机结构总图
基本结构形式
型式
旋转电枢式,
旋转磁极式,
（大部分采用）
只用于小容量电机；
隐极式：气隙均匀，适于高速旋转，
与汽轮机组合；
凸极式：气隙不均匀，旋转时阻
力大，转速低，与水轮机合
二、同步发电机的额定值
① 额定容量 PN（ MW）,是该台电机安全运
行的最大允许输出功率；
② 额定电压 UN(kV)：是该台电机长期安全工
作的最高电压, 指线电压；
③ 额定电流 IN（ A）,是该台电机正常连续
运行的最大工作电流, 指线电流；
④ 额定频率 fN,我国标准工频为 50 Hz。
⑤ 额定功率因数,指电机在额定运行
时的功率因数 。
3.额定值之间的关系,
NNNN IUP ?c o s3?
N?c o s
第二章 同步发电机的运行原理及运行特性
? 2-1 同步发电机的空载运行
? 2-2 对称负载时的电枢反应
? 2-3 同步电抗的概念
? 2-4 隐极式同步发电机的电动势方程式和向
量图
? 2-5 凸极式同步发电机的电动势方程式和向
量图
? 2-6 同步发电机的空载、短路、零功率因数
特性及电抗测定
? 2-7 同步发电机的外特性和电压变化率
2-1 同步发电机的空载运行
? 空载运行 —— 同步发电机被原动机拖动
到同步转速，转子绕组通入直流励磁电
流，定子绕组开路（定子电流为零） A X
B Z
C Y
fI 励磁磁动势（或主极磁动势） fF
主磁通 Φ0
fI
0?
电动势
kNfE N 0110 4, 4 4 ??
同步发电机的空载特性
0E
NU
气隙线
0E?
0fI
磁路的饱和系数
UEk
N
0??
?
1.1~1.25
2-2 对称负载时的电枢反应
af
f
f
a
FFF
FI
FI
??
?
?
?
?
?电枢反应, 电枢磁通势的基波
在气隙中使气隙磁通的大小及位
置均发生变化,这种影响称为电
枢反应,
电枢反应的概念
基波
波形
大小 位置 转速
励磁磁
势
正弦
波
恒定，由励
磁电流决定
由转子位
置决定
由原动机的
转速决定
电枢反
应磁势
正弦
波
恒定，由电
枢电流决定
由电流瞬
时值决定
由电流的 f
和 P决定
励磁磁势和电枢磁势的区别
电枢反应的性质与负载的性质和大小有关，主要决定于 Fa与
的空间相对位置，按时 -空矢量图有,
1fF
Fa与 I同相；
与 同相；
滞后于
1fF 0Φ
0Φ0
.
E ?90
? 三个角
? 四个轴
???
?
???
?
??
??
??
:.:)(;,:;,:
0
0
三者关系的时间相位角与是功角功率角
与负载有关的时间相位角与是外功率因数角
与电机参数及负载有关的时间相位角与是内功率因数角
UE
IU
IE
直轴（纵轴,d 轴）：主磁极轴线位置。
交轴（横轴,q 轴）：与直轴成 90
0
电角度的位置。
相轴,每相绕组的轴线位置。
时轴, 时间相量在其上投影可得瞬时值
准备工作
?内功率因数角 Ψ=00
BI
.
AI
.
CI
.
AE0
.
时轴
CE0
.
B0
.E
Ψ+90
0
Fδ
Fa
d轴
q轴 A轴
A X
Z B
C Y
Ff
N S
交轴电枢反应
内功率因数角 Ψ=900
时轴
AE0
.
CE0
.
BE0
.
AI
.
CI
.
BI
.
ψ
d轴
q轴 A轴
A X
Z B
C Y
Ff N S
直轴去磁电枢反应
Fa
?内功率因数角 Ψ=-900
时轴
AE0
.
CE0
.
BE0
.
CI
.
BI
.
AI
,ψ
d轴
q轴 A轴
A X
Z B
C Y
Ff N S
直轴助磁电枢反应
Fa
?内功率因数角 00<Ψ<900
时轴
AE0
.
CE0
.
BE0
.
ψ AI.
CI
.
BI
.
d轴
q轴 A轴
A X
Z B
C Y
Ff
N S
既有交轴又有直轴去磁电枢反应
Ψ+900 Fa
位置
夹角
记作
电枢反
应性质
对电机的影响 Ψ=
负载性质 n(f) U
Ψ=0 0
q轴 Ψ+90 0 交轴 波形
畸变
下降 不变 R
Ψ=90 0
d轴 Ψ+90 0
直、去 削弱 不变 下降 L
Ψ= -900
d轴 Ψ+90 0
直、助 增强 不变 上升 C
00<Ψ<90 0
d,q
轴
Ψ+90 0
交、直去 削弱 下降 下降 R,L
-900<Ψ<0 0 d,q
轴
Ψ+90 0
交、直助 增强 下降 上升 R,C
aF af FF aF
aqF
adF
adFaqF ?
adF
adFaqF ?
?F
?
当 ψ角为不同值的电枢反应
?电枢磁势和电枢电流分量
????
????
????
???
c o sc o s
s i ns i n
IIFF
IIFF
IIIFFF
qaaq
daad
qdaqada
交轴分量
直轴分量
n1 Tem
aq II
?? ?当忽略电机本身参数,ψ≈φ=0
0,,
有功电流产生电磁力,并形成电磁转矩 Tem
rd II
?? ?
n1
n
Φad
If
A
Z B
X
C
Y
N
S
当忽略电机本身参数,ψ≈φ=900,,
无功电流产生电磁力,不形成电磁转矩
2-3 同步电抗的概念
? 一、隐极同步电机
1、基本漏磁电抗 ?'x
定子漏磁通
槽部漏磁通
端部漏磁通
电枢绕组产生
σ
?
σ
? I-j=E
x
2、电枢反应电抗
aaaa EFI ∝∝∝ Φ
大小,
aaaa IFE ∝∝Φ∝
得到,
aa IE ∝
相位,
?
90Φ滞后
同 相 位Φ,,
aa
aaa
E
FI
}
?90滞后电枢电流
aa IE
所以,
aaa xIjE
??
-=
ax
----电枢反应电抗
3、同步电抗
( ) ( )
taa
a xIjxxIjxIjxIjEE
?
σ
?
σ
??
σ
??
-=+-=+-=+
:势为在 顶 子 绕 组 中 的 总 电 动
---同步电抗
( )σat xxx +=
电枢反应电抗意义,
①反应了电枢反应作用的强弱；
②有饱和值和不饱和值之分，很大。
根据双反应理论,
aqqaqaqaqq
addadadadd
xIjEFI
xIjEFI
I
???
???
?
??????
??????
?? ?
?
交 轴 电 枢 反 应 电 抗
直 轴 电 枢 反 应 电 抗
aq
ad
x
x
( ) ( ) ( );==隐 极 机,；凸>凸>隐;>
aaqad
aqadaaqad
xxx
xxxxx
大小,
二、凸极同步电机
凸极机的同步电抗,
① 直轴：,有饱和值和不饱和值之分；
②交轴：,无饱和值和不饱和值之分，因
气隙大
?xxx add ??
?xxx aqq ??
大小比较：隐极机,
凸极机,
对电机的影响：①发电机的端电压；
②同步发电机的稳定性。
qdt xxx ??
qd xx ?
fI fF
0
??
0
?E
?
I aF aE
?
?
?E
?
?E
?
??
a
??
aRI
?
aa xIjE
?? ??
?? xIjE
?? ??
2-4 隐极发电机的电磁过程
隐极发电机的电势方程式
ta xIjIrUE
????
???0
其中
?
?
xxx
xxx
at
at
??
??
并且有
称为同步电抗
同步电抗的物理意义, 表征地对称负
载下单位电枢电流三相联合产生的电枢总磁
场在电枢每相绕组中感应电势
txIjUE
???
??0简化方程式
隐极发电机的等效电路,
ra xt
0
?E
?I
?U
只要去掉 ra 即可得到简化等效电路
隐极发电机的相量图
已知发电机的端电压、负载电流和功率因数 cosφ
及参数 ra, xt
φ
?U
?I
arI
?
txIj
?
ψ
0
?E
δ
当功率因数
cos φ滞后时
的相量图
fI fF
0
??
0
?E
?
I qI
?
dI
?
?
??
adF
aqF
ad
??
aq
?
?
adE
?
aqE
?
?
?E
?
?E
arI
?
2-5 凸极发电机的电磁过程
凸极发电机的电势方程式
addad xIjE
?? ??
aqqaq xIjE
?? ??
?? xIjE
?? ??
qqdda xIjxIjIrUE
?????
????0
其中,
?
?
?
xxx
xxx
xxx
qd
aqq
add
??
??
??
并且有
称为交轴同步电抗
称为直轴同步电抗
凸极发电机的相量图
已知发电机的端电压、负载电流和功率因数及
参数 ra, xd,xq 。
1、已知内功率因数角 ψ
按照电势方程式的关系作出相量图
2、未知内功率因数角 ψ
1）利用方程式求出 ψ,
2）利用公式求出 ψ,
qaQ xIjIrUE
????
???
?
?
c o s
s i n
a r c t a n
UIr
UIx
a
q
?
?
??
2-6 同步发电机的空载、短路、
零功率因数特性及电抗测定
1、空载特性,
)(0 001 fIfEUInn ????
2、短路特性,
)(01 fk IfIUnn ???
3、外特性,
)(c o s1 IfUCCInn f ???? ?
4、调整特性,
)(c o s1 IfICCUnn f ???? ?
2-7 同步发电机的外特性和电
压变化率
1、外特性,
)(c o s1 IfUCCInn f ???? ?
2、调整特性,
)(c o s1 IfICCUnn f ???? ?
第三章 同步发电机的并列运行
?1、提高供电的可靠性
?2、提高供电的经济性
?3、提高电能 的质量（主要是 U和 f）
无穷大电网,1） S→∞
2） ZS →0
3） US = C
4） fS= C
并联运行的优点
? 3-1 投入并联运行的条件和方法
? 3-2 同步发电机的功率和转矩
? 3-3 同步发电机的稳态功角特性
? 3-4 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
? 3-5 无功功率的调节和 V形曲线
3-1 并联运行的条件和方
法
?条件,
?1.电压大小相位相同
?2.频率相同
?3.电压波形相同
?4.相序相同
?方法
?1.准同期法
?2.自同期法
1、电机和电网之间有环流，定子绕
组端部受力变形。
2、产生拍振电流和电压，引起电机
内功率振荡。
3、电机和电网之间有高次谐波环流，
增加损耗，温度升高，效率降低。
4、电网和电机之间存在巨大的电位
差而产生无法消除的环流，危害电
机安全运行。
条件不满足时对电机的影响
输入
功率 P1
机械损
耗 pmec
附加损
耗 pad
铁损 pFe
电磁功
率 Pem
定子铜损
pcu1
输出功
率 P2
emcuem
adFem e cem
PPPP
PPPPPPP
???
??????
12
011 )(
3-2同步发电机的功率和转矩
转矩平衡方程式,
( ) 01adm e c1 -=TT-= TTTTT
Feem ++
称 为 空 载 转 矩++=0 adFem e c TTTT
3-3 同步发电机的稳态功角特性
定义,
并联于无穷大电网的同步发电机，
当电网电压和频率恒定、参数
（ xd,xq,xt）为常数、空载电势
E0不变（即 If 不变）时,Pem=f (δ)
为有功功率功角特性 。
0
?E
?? xIjxIjEE aa
???? ????
?U
?I
?F
fF
0
??
?
??
?
?? ???
a
δ
δ
功角 δ 意
义的图示 A,
N
S
Fδ
δ N
S
Ff
T1
n
Tem
n1 功角 δ 意义的图示 B
功角 δ 是转子磁极
轴线和定子合成磁
极轴线的空间夹角
1、是电动势 和电压 间的时
间相角差
2、是励磁磁势 和合成磁势
间的空间相角差
0
?E ?U
fF ?F
????? ????
?? EEEUE a00
?????
????????? ??? a00
?? FF f?
功角 δ的双重物理意义
凸极电机的有功功率功角特性,
??? 2s i n
11
2
s i nc o s
2
0
2 ?
?
?
?
?
?
?
?
?????
dqd
em xx
U
m
x
UE
mm U IPP
隐极电机的有功功率功角特性
?? s i nc o s 0
t
em x
UE
mmUIP ??
?? s i nc o s
*
*
0
*
***
t
em
x
UE
IUP ??
功率极限值 (隐极 )
t
em x
UE
mP 0ma x ?
0
δ
900
Pem P
emmax
1800
δ
Pem
1800 0 900
Pemmax
发电机有功功率功角特性曲线
01 8 0)3
90)2
s i n)1:
0
m a x
0
??
??
?
em
emem
em
P
PP
P
?
?
?隐极
0)4
01 8 0)3
90)2
s i n)1:
0
m a x
0
?
??
??
附加
不成正比与凸极
em
em
emem
em
P
P
PP
P
?
?
?
两种电机功角特性的区别
3-4 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
? 1、大电网的含义,
无穷大电网,1） S→∞
2） ZS →0
3） US = C
4） fS= C
2、有功功率的调节
从能量平衡的观点来看，要发电机输出有功功率，必须增
大原动机的输入功率 及相应的输入转矩 。当
增加后，由于,就出现剩余转矩
转子瞬时加速，转子 d轴和励磁磁动势 开始超前气隙磁
场,相应地使 超前于 一个 角，发电机输出有
功功率，同时转子上将受到一个制动的电磁转矩 。当
增大到某一数值使 与 正好相等，发电机
转子就不再加速，而在此处稳定运行。
1P 1
T 1T
01 > TT ( )01 - TT
fF
σB 0E
?
U
θ
emT
θ
emT
( )01 - TT
稳定时有,
θ
x
UmE
pPP
t
em
s i n
0
01 =-=
结论：要增加发电机的输出功率，必须增大原动机的输入功率,
使 角增加，从而改变,以达到新的平衡关系 。
θ emP
判据,
0?
?d
dP em
隐极发电机的判据, 比整步功率 (kW/rad)
0c o s0 ??? ?
? t
em
s y n x
UEm
d
dPP
3、静态稳定的概念,
指电网或原动机方面出现某些微小扰动时，同
步发电机能在这种干扰消失后，继续保持原来的平
衡运行状态
过载能力
隐极发电机的过载能力
N
em
P
P m a x
??
N
N
t
t
N
em
x
UE
m
x
UE
m
P
P
?
?
?
s in
1
s in
0
0
m a x
???
3-5 无功功率的功角特性
定义,
并联于无穷大电网的同步发电
机当电网电压和频率恒定、参数
（ xd,xq,xt）为常数、空载电势 E0
不变（即 If 不变）时,Q=f(δ) 为
无功功率功角特性 。
??
?
2s in
11
2
11
2
c o s
s in
22
0
?
?
?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
?
?
?
???
?
dqdqd
xx
U
m
xx
U
m
x
UE
m
m U IQ
隐极发电机无功功率的功角特性
tt x
U
m
x
UE
mm U IQ
2
0 c o ss i n ??? ??
凸极发电机无功功率的功角特性
tx
UEU
mQ
)(
0 00
?
???
0a r c c o s
0
?? Q
E
U
?
tx
U
mQ
2
090 ????
隐极发电机无功功率功角
特性的几个特殊点
QPem
?
1P
1emP
1Q
a?
a
b
b?
2Q
b
2emP
增
大
励
磁
电
流
励磁电流改变时的有功功率和
无功功率功角特性
?U
?I
t x I j
?
?
0E
?
01E
?
1I
φ1
txjI
?
1
?
02E
?
2I
txjI
?
2
φ2
同
步
发
电
机
不
同
运
行
方
式
时
的
相
量
图
03
?E
3
?I
txIj 3
?
φ3
1,正常励磁, φ=0 cos φ=1
发 P Q=0
2,过励磁, φ>0 cos φ滞后
发 P Q感性
3,欠励磁, φ<0 cos φ超前
发 P Q容性
三种励磁方式的比较
0?emP
'emP
"emP
"'emP
磁
励
常
正
I
fI
0
1co s ??
超前
欠励
滞后
过励
'""'
ememem PPP ??
区域
不稳定
090??
V形曲线,并联于无穷大电网的同步发电机，保持
有功功率不变时，表示电枢电流 I 和励磁电流 If 的关
系曲线 I = f（ If）
1,每条曲线的最低点,cosφ=1，
连线向右倾斜
2,不稳定区域边缘,δ=900,连线
向右倾斜
3,每条曲线上的电流变化量 Δ I 为
无功分量
4,励磁电流增大时，电枢电流变
化规律为先增大后减小
V形曲线的几个特点
同步电动机和同步调相机
4-1 同步电动机的基本方程式、
向量图和功角特性
一、从发电机状态过渡到电动机状态
定义：同步电机将电能转换为机械能的一种运行方式，其转
速不随负载变化而变，永远保持与电网频率所对应的同步速。
（ ）以隐极机为例，说明同步电机的可逆原理同步
电机的三种运行状态 1
nn?
1.发电机状态,δ>0，,发电网输送 P，发或吸 Q；
2.调相机状态, δ<0，且 δ≈0,，吸 P=∑p,
发或吸 Q
3.电动机状态,δ<0，,吸 P，发或吸 Q
?UE 超前
0
.
同相位与 ?UE 0.
?UE 滞后
0
.
二、同步电动机的基本方程式和向量图
方程式,发电机惯例：隐极机,
电动机惯例：隐极机,
凸极机,
ta xIjIRUE
...,++=
tMMa xIjIREU
..
0
.,???
qqMddMMa xIjxIjIREU
...
0
.,????
三、功率方程式和功角特性
1、功率平衡,
2
11
PPPPPP
PPP
fadm e cFeem
emcu
?????
??
2、功角特性
凸极机,
隐极机,
M
dq
M
d
em xx
U
m
x
UE
mP ?? 2s in
11
2
s in
2
0
?
?
?
?
?
?
?
?
???
M
t
em x
UE
mP ?s i n0?
4-2 无功功率的调节
1、三种激磁状态,
① 正常激磁状态：与同相，，吸有功 P,Q=0；
② 过激运行状态：超前，吸有功 P，吸容性 Q（发感性 Q）；
③ 欠激运行状态：滞后，吸有功 P，吸感性 Q（发容性 Q）；
2,V形曲线：同发电机
**结论：同步电动机最可贵的优点,
调 If可改变它的无功输出。
第三节 同步电动机的起动方法
起动方法有,
1,辅助电动机起动
2,变频起动
3,异步起动
第四节 同步调相机
? 1.目的：补偿无功功率的不足；
? 2.调相运行实质：运行于同步电动机 （ 空载 ）
状态；
? 3.同步调相机 （ 同步补偿机 ） 定义,
? 是一种专门设计的无功功率发电机, 更确切地
说是一种不带机械负载 （ 即空载运行 ） 的同步
电动机 。
?4.三种激磁状态,
? 1）正常激磁状态；
? 2）过激运行状态；
? 3）欠激运行状态；
?5.调相机特点,
?1）同步调相机的额定容量是指在过激状态时的额定视在功率；
?2）由于轴上不带负载，调相机的转轴比同容量的电动机的轴细；
?3）提供感性无功，激磁线圈截面大，损耗也较大，通风冷却；
?4）起动：异步电动机或辅助电动机法。
