而由励磁磁通产生的励磁电动势 E0 则超前90度电角度。
电枢电流与励磁电动势之间的相位差
就决定了电枢磁动势与励磁磁动势在空
间中的相对位置。
Fa
Ff 1
E0 I
0
与直流电机相同，主磁极的轴线为直轴，称为d轴，与主磁极轴线 正交的轴线为交轴，称为q轴，一般来说，规定q轴滞后于d轴90度 电角度。
交轴电枢反应对电磁转矩的贡献
B
Z
B
C
Y
C
此时，电机吸收还是发出无功？
E0
E0
E0
助磁，肯定是从电网吸收无功；关联参考方向下的电流滞后于 电压降。
电机从电网吸收无功，也吸收有功。
三、电枢电流超前于励磁电动势一个锐角时的电枢反应
交轴电枢反应与前面一样，助磁，产生驱动性质电磁转矩。 直轴电枢反应起去磁作用，尽管不直接产生电磁转矩，但它的去磁 作用会对电磁转矩产生间接影响。 去磁，应向电网发出无功，从图中也可以看出。
将轴上输入的机械能转换成电能向
负载输出。
电枢
将机电能量转换的枢纽，称为电枢。与主磁极相对应。直流电机、 感应电机、同步电机不相同。
电枢电流在三相对称绕组中流通，
B
Z
会不会形成一个旋转磁场？转速
如何？转向如何？
n1 S
电枢产生的旋转磁动势与磁极的励
X
A 磁磁动势以相同的转速和转向旋转，
在空间中相对静止。可以合成。
第六章 同步电机
中国石油大学（华东）信控学院
什么是同步电机？
同步是相对于异步而言，是指这种电机在正常工作时，电机的转 速始终保持同步速不变。而不是像异步电机一样，转速随负载的 变化而变化。
为什么要学习同步电机？
我们目前所用的电能，99%以上是同步发电机发出来的。 电励磁的同步电机可以通过改变励磁来调节功率因数，可以运行 于功率因数为1的状态，甚至可以超前。
直轴电枢电流对电磁转矩的贡献
B
Z
B
C
Y
C
Id在A轴上的投影为0，此时尽管A相导体处于磁密最大位置，但不 产生电磁转矩。
Id在B、C轴上的投影为不为0，但产生的电磁转矩之和为零。是不 是意味着对电磁转矩没有贡献？
直轴电枢电流不直接产生电磁转矩，但影响磁场，通过影响磁场影 响电磁转矩。
直轴电枢电流与励磁磁动势方向相同，起助磁作用。 如果主磁路不饱和，磁密增大，在相同交轴电流情况下，电磁转矩 增大。但如果主磁路已接近饱和，磁密增加很小，直轴电流对电磁 转矩贡献很小。
N
合成气隙磁动势也是以同步速旋转，
但与旋转磁极所建立的磁动势在大小
C
Y
和相位上已不同。这种变化称为电枢
反应。
二、基本结构
定子、气隙、转子，一般都采用转极式。定子的结构和绕组形式 与感应电机定子基本一样。铁芯也是由硅钢片叠成。
定 子
转子有隐极式和凸极式两种。
隐极式是指转子磁极铁芯表面是个圆，气隙均匀，而凸极式，则气 隙不均匀。前者转子铁芯用整块合金钢锻造而成，适用于高转速的 汽轮发电机，轴长，电机外径小，转子励磁线圈匝数少，导线粗， 电流大。
气隙磁动势是由电枢磁动势与励磁磁动势的合成，当电机为隐极， 气隙均匀，若不计饱和，可根据气隙磁动势求出气隙磁场的分布。
F H
B
0H

0
F

当电机为凸极，气隙不均匀，无法用解析表达式来求解。双反应理 论应运而生。
利用合成磁动势的方法走不通，在不计磁路饱和的情况下，先把 交直轴电枢磁动势及励磁磁动势各自形成的磁场分别求出来，然后 把我们所关心的基波磁场的效果进行叠加。这种分别计算交轴和直 轴电枢反应的方法，就是双反应理论。
I


Fa

a

Ea
F E
Ff
1


F


E
Fa
感应电动势的正方向与产生它的磁通 的正方向不符合右手螺旋关系。与电 流方向相反，为反电势。
E0 j4.44 f1N1kw10 Ea j4.44 f1N1kw1a
对吗？
E j4.44 f1N1kw1
E j4.44 f1N1kw1
为便于分析，假设磁路不饱和，不考虑铁耗，转子为隐极，则电
枢反应决定于电枢磁动势基波 在空间中的相对位置。
Fa
的大小及其与励磁磁动势基波Ff
1
在时空矢量图中，电枢磁动势矢量Fa 与产生它的电枢电流 I 同相位，
而若不计铁耗，则基波励磁磁动势矢量Ff 1与励磁磁通 0同相位，
因为三相参考轴不正交，所以在三相ABC
坐标系下描述三相对称正弦量的统一时间
相量在时空矢量图中的运动，很不方便。
通常用两种直角坐标系来描述统一时间相 q
量。一种是静止直角坐标系(αβ坐标系)， B

一种是同步旋转直角坐标系(dq坐标系)。
在两相静止坐标系中，统一相量在两轴上分 量仍为交流。但在同步旋转坐标系中，两个 分量是直流。
发电机简化模型
B
Z
n1 S
X
N
C
Y
Ea 2E0 sin t Eb 2E0 sin(t 120 ) Ec 2E0 sin(t 120 )
E0 ?
A E0 4.44 f1N1kw1m


2
n1 p 60

2
f1
当发电机端接上三相对称负载，
定子就有三相电流流通，发电机就
下好线的转子
大型汽轮发电机完工后的转子
为什么可以用整块钢而不是用硅钢片来用作转子铁芯？
电机稳定运行时，转子铁芯
中的主磁通不变。不会产生
涡流和磁滞损耗。
B
Z
n1 S
X
A
N
C
Y
凸极同步电机的转子由主磁极、磁轭、励磁绕组、滑环和转轴构 成。通常在转子极靴槽内还嵌放阻尼绕组，阻尼绕组由槽内的铜 条和端部短路铜环焊接而成，防止运行中的振荡和用作起动绕组。dIm A
C
交流电机之所以难分析、难控制，就是
j
因为我们面对的是交流量，不仅仅要考 虑物理量的大小关系，而且还要考虑相
q
B

位关系。
T

CM
1
m
I
' 2
cos
2
T CM Ia
如果通过选择合适的参考坐标系，将交流 量的复杂关系变成直流量的简单的大小关
d
Im 1
A
系，对于分析交流电机的运行及对其进行
所谓电枢反应，就是电枢电流产生的磁动势对气隙中的主磁场 产生的影响。
负载时，对称三相电枢绕组中流过对称三相电流
圆形旋转的基波磁动势Fa ，转向与转子磁极相同，转速为同步速
Fa 会改变由主磁极励磁磁动势Ff 形成的气隙磁场的分布，气隙磁 场由Fa与的F磁f 合场成不的同气，隙磁磁场动产势生建的立感，应与电转动子势励也磁不磁同动。势所产生
当电枢电流与励磁电动势之间的夹角为锐角时，电枢磁动势超前于 励磁磁动势，电机交轴电枢电流产生驱动性质电磁转矩，电机处于 电动状态。
何时处于发电状态？
当电枢电流与励磁电动势之间的夹角为钝角时，电枢磁动势滞后于 励磁磁动势，电机交轴电枢电流将产生制动性质的电磁转矩，电机 处于发电状态。
四、双反应理论
电压平衡方程式


U E0 Ea E I Ra E E I Ra
E0
E jIX E与 I 参考方向相反
Fa

Fad

Faq

Fad Fa sin
Faq

Fa
cos

I Id Iq

Id I sin
Iq

I
cos

Fa
1.35
N1kw1 p
I
Fad

Fa
sin
1.35
N1kw1 p
I sin
1.35
N1kw1 p
Id
Faq

Fa
cos
这种负载时电枢磁动势对主极基波磁场的影响称为电枢反应。
电枢反应与电流的大小、主磁路的饱和程度有关，与电枢磁动势与 励磁磁动势在空间中的相对位置有关，还与转子结构有关。
正方向的规定：
U 与 I 为关联参考方向；
电流与由其产生的磁动势符合右手 螺旋关系，磁动势与磁通方向相同。
Ff 1 0 E0
(5)额定转速nN 是指同步电机的同步转速，单位r/min (6)额定效率ηN 额定运行时的效率 (7)额定功率因数cosφN 额定运行时的同步电机的功率因数
对于三相同步发电机：
PN SN cosN 3UN IN cosN
对于三相同步电动机：
PN 3UN INN cosN
§6-2 同步电机的电枢反应
感应电动机增加负载以后，转速会下降，重新达到平衡。同步电动 机转速不下降，如何达到新的平衡？
电磁转矩的大小与两磁场夹角有关。
n1
N
N
N
N
S
S
S
S
N
N
S
S
N
N
N
S
N
真实的同步电动机，两个旋转磁场分别由真实的旋转磁极和三相对 称绕组中通入三相对称电流产生。即定子结构与感应电机完全一 致，转子磁极是由直流电励磁或永磁磁极。
类似于电路中的叠加原理。
课堂练习：6-1，6-3， 6-4 ， 6-5
§6-3 同步电动机的电动势平衡方程式、同步 电抗和相量图
一、隐极同步电动机的电动势平衡方程式、同步电抗和相量图
If
Ff 1
0
E0