第六章 同步电机
中国石油大学（华东）信控学院 赵仁德
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。
我们目前所用的电能，99%以上是同步发电机发出来的。
为什么要学习同步电机？
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。
永磁同步电机不需励磁，没有励磁损耗，也不需从电网吸收无 功，效率和功率密度非常高，是一种非常有潜力的电机。
不足：
成本较高，难起动，存在失步问题，永磁存在失磁问题，电励磁 存在滑环和电刷，可靠性不如感应电机。
§6-1 基本工作原理和结构
一、基本工作原理
电动机简化模型
只有同步时才能产生平稳的电磁转矩，即正常运行时转子处于同步转速。
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。
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。
发电机简化模型
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 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，会不会形成一个旋转磁场？转速如何？转向如何？
电枢产生的旋转磁动势与磁极的励 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。
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 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。
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。
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。
主磁极铁心的构成
一般用作水轮发电 机，转速慢，极对 数多，轴短，电机 外径大。
三、同步机的额定值
(1) 额定容量SN和额定功率PN
额定容量SN是指同步发电机输出的额定视在功率，单位kVA或MVA
PN是指输出的额定有功功率，对发电机而言是输出的额定有效电功 率，对电动机而言，是指轴上输出的有效机械功率。单位kW或MW
§6-2 同步电机的电枢反应
负载时，对称三相电枢绕组中流过对称三相电流
回顾一下直流电机的电枢反应。磁动势大小、方向，气隙磁场的 分布，交直轴电枢反应。
这种负载时电枢电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。