华东交通大学理工学院毕业设计（论文）
第2章 同步发电机的基本原理和主要机构
2.1同步发电机的基本工作原理
图2-1（a）是三相同步发电机工作原理示意图。图中静止的部分称为定子，旋转的部分称为转子。在一般同步发电机中，旋转的部分是磁极，以恒定不变的转速在旋转。转子上有绕组，绕组中通以直流电流以后便可激励一磁场。定子上有许多槽，槽中安置导体，其目的是为了在其中感应电动势。根据右手定则可知：当导体被N极磁场切割时，它的感应电动势方向为流出（图2-1（a）中导体A）；当导体为S极磁场切割时，它的感应电动势方向为流入纸面。转子旋转时，导体交替地为N极和S极磁场切割，因此每根导体中的感应电动势方向是交变的。
在图2-1（a）中，磁通首先切割A相导体，当转子转过120?及240?后，磁通再次依次切割B相导体和C相导体。因此，A相得感应电动势超前B相感应电动势120?，B相得感应电动势又超前C相感应电动势120?，于是得到如图2-1（b）所示的向量关系。三相电动势的大小相等，互差120?，这就是同步发电机的简单工作原理。
ANn1EA?BSC 图2-1 同步电机
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? (a)工作原理示意图 （b）电动势向量图
交流电机的感应电动势由电动势的频率﹑电动势的波形和电动势的大小3个基本要素决定。
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李学章：基于MATLAB的同步发电机系统仿真
2.2同步发电机的主要结构
在图2-1中，已简单地介绍了同步发电机的结构概貌。同步发电机室由定子和转子两大部分所组成。定子上有三相交流绕组，转子上则有励磁绕组，通入直流电流后，能产生磁场。它们呢的结构分述于下：
2.2.1定子
同步发电机的定子有时也称为电枢，是由定子铁芯﹑电枢三相绕组﹑机座和端盖等部件组成。
同步发电机的定子铁芯是由硅钢片冲制后叠装而成。当大型同步发电机冲片外圆的直径大于1m时，由于材料标准尺寸的限制，必须做成扇形冲片，然后按圆周拼合起来叠装而成。
小型同步发电机定子绕组的电压较低，例如400V；但大型同步发电机绕组的电压则较高，所以对绕组的绝缘材料就提出了较高的要求。可以认为大型电机定子绕组的制造问题，主要是它的绝缘问题。一般高压定子绕组常采用云母带作为绝缘材料。
电机的机座是支持和固定定子铁芯和定子绕组的部分，中﹑小型同步发电机的机座是铸铁机座；大型同步发电机的机座通常是钢板焊接而成，它的结构型式与采用的通风系统有密切联系。
2.2.2转子
同步电机的转子有两种结构型式，即凸极式和隐极式。
a
b 1－定子2－凸极转子3－隐极转子 4－集电环
图2-2同步发电机的转子结构
图2-2（a）为凸极式转子的示意图。沿着转子的圆周安装有凸出的磁极，由直流电励磁产生磁通。此磁通对转子式不变化的，因此转子不需要用硅钢片来制造。
图2-2（b）为隐极式转子示意图。转子上没有凸出的磁极，沿着转子的圆周上刻有槽和齿，刻有槽的部分约占圆周的2/3。励磁绕组是分布绕组，分布在各槽中。圆周上没有绕组的部分形成所谓的大齿，是磁极的中心区域。
凸极结构转子的优点是制造方便，缺点是机械强度较差，因此多用在离心力较小、转
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速较低的中、小型电机中；或用在受水轮机的限制，具有极数较多、转速较慢的大功率水轮发电机中。隐极式转子的优点是机械强度好，但制造工艺较复杂，因此多用在离心力交大、转速较高的电机中，如受汽轮机的限制，汽轮发电机的转速较高，离心力较大，因此多采用隐极结构。
2.3同步发电机的额定值
同步发电机的额定值有：
1）额定电压UN 额定电压是指在正常运行时，按制造厂的规定，定子三相绕组上的线电压，单位为V或Kv。
2）额定电流IN 额定电流是指正常运行时，按制造厂的规定，流过定子绕组的线电流，单位为A。
3）额定功率PN 额定功率是指正常运行时，电机的输出功率，单位为kW。对于发电机而言，是指输出的电功率；对于电动机而言，是指输出的机械功率。它们与额定电压和额定电流之间有如下关系：
发电机 PN=3UNINcos?N?10-3 电动机 PN=3UNIN?Ncos?N?10-3 4）相数m 同步发电机的相数一般为m=3。 5）额定频率fN 我国规定额定工业频率fN?50Hz。
6）额定转速nN 即为电机的同步转速，在一定极数及频率时时定值，即
nN?60fNP
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第3章 三相同步发电机理论分析
3.1同步发电机的基本方程
同步发电机是电力系统中最主要的元件，其暂态过程较为复杂，并且对整个电力系统在暂态过程起主导作用。首先假设所研究的同步发电机为“理想电机”，即它具有对称性、正弦性、光滑性、不饱和性。在具有阻尼绕组的凸极同步电机中，共有六个磁耦合关系的绕组。在定子方面有静止的三个相绕组a、b和c，在转子方面有一个励磁绕组f和用来代替阻尼绕组的等值绕组D和Q，这三个转子绕组都随转子一起旋转，绕组f和绕组D位于直轴方向上；绕组Q位于交轴方向上。对于没有装设阻尼绕组的隐极同步电机，它的实心住转子所起的阻尼作用也是可以用等值的阻尼绕组来代表。
3.1.1正方向的规定
为建立发电机六个回路（三个定子绕组、一个励磁绕组以及直轴和交轴阻尼绕组）的方程，首先要选定磁链、电流和电压的正方向。图3-1给出了电机各绕组位置的示意图，图中标出了各相绕组的轴线a、b、c和转子绕组的轴线d、q。其中，转子的d轴（直轴）滞后于q轴（交轴）90?。本论文中选定定子各绕组轴线的正方向作为各相绕组磁链的正方向。励磁绕组和直轴阻尼绕组磁链的正方向与d轴正方向相同；交轴阻尼绕组磁链的正方向与q轴正方向相同。图3-1中也标出了各绕组电流的正方向。定子各相绕组电流产生的磁通方向与各该相绕组轴线的正方向相反时电流为正值；转子各绕组电流产生的磁通方向与d轴或q轴正方向相同时电流为正值。图3-2示出各回路的电流（只画了电感），其中标明了电压的正方向。在定子回路中向负荷侧观察，电压降的正方向与定子电流的正方向一致；在励磁回路中向励磁绕组侧观察，电压降的正方向与励磁电流的正方向一致。阻尼绕组为短接回路，电压为零。
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图3-1 同步发电机各绕组示意图
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(3-2)
图3-2 同步发电机各回路电路图
3.1.2电势方程和磁链方程
根据以上各物理量正方向的规定，其发电机电势方程可用矩阵写成
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?d?dt；?——各绕组磁链。
同步发电机中电机中各绕组的磁链（合成磁链）是由本绕组的自感磁链和绕组间的互感磁链组合而成。其磁链方程式可用矩阵写成
??a??Laa????bM???ba??c??Mca??????f??Mfa????MDDa??????Q????MQaMabLbbMcdMMfbDbMacMbcLccMMfcDcMafMbfMcfLffMDfMaDMbDMCDMfDLDDMQDMQbMQbMQfMaQ???ia????MbQ?ib???McQ???ic????MfQ??if?MDQ??iD????LQQ?i???Q??M——互感系数，式中 L——自感系数；两绕组之间的互感系数是可逆的，即Mab?Mba、
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