1、第四篇 同步电机第一节第一节 同步电机的基本知识同步电机的基本知识第十章第十章 同步发电机的运行原理同步发电机的运行原理一、同步电机的特点一、同步电机的特点 励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动转子以转速场，原动机拖动转子以转速 旋转时，其旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势磁场切割定子绕组而感应交流电动势 。n0E频率频率：60pnf 大小大小：01104 44wE.fN k 波形波形：由：由 可知，波形可知，波形取决于取决于 的空间分布。的空间分布。(x)eBlv(x)B相序相序：由转子的转向决定。：由转子的转向决定。可见，当电机的极对数、转
2、速一定时，电机发出的交流电动势的可见，当电机的极对数、转速一定时，电机发出的交流电动势的频率也是一定的。频率也是一定的。作为同步电动机运行时，需要在定子绕组上施以三作为同步电动机运行时，需要在定子绕组上施以三相交流电压，电机内部便产生一个旋转磁场。这时转子相交流电压，电机内部便产生一个旋转磁场。这时转子绕组上加上直流励磁，则转子将在定子旋转磁场的带动绕组上加上直流励磁，则转子将在定子旋转磁场的带动下，沿定子磁场的旋转方向以相同的转速旋转。下，沿定子磁场的旋转方向以相同的转速旋转。转子转速为转子转速为 n=n1=60f/p 由此可见，同步电机的特点是转子的转速由此可见，同步电机的特点是转子的转速
3、n与电网与电网频率频率f之间具有固定不变的关系，转速之间具有固定不变的关系，转速n称为同步转速。称为同步转速。若电网的频率不变，则同步电机的转速恒为常值而与负若电网的频率不变，则同步电机的转速恒为常值而与负载的大小无关。载的大小无关。二、同步电机的基本类型二、同步电机的基本类型按按运行运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。按按结构结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。按原动机类别按原动机类别,同步
4、电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。油发电机等。汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为2 2极，转速极，转速为为30003000转转/分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。（一）、隐极同步电机的基本结构（一）、隐极同步电机的基本结构定子铁心定子铁心：硅钢片叠成。：硅钢片叠成。机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。电枢
5、绕组电枢绕组：三相对称绕组：三相对称绕组铜线制成铜线制成定子定子(电枢电枢)转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出励磁绕组：铜线制成励磁绕组：铜线制成滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动转子转子 隐极同步电机都采用卧式结构，有定子和转子两大部分。隐极同步电机都采用卧式结构，有定子和转子两大部分。三、同步电机的结构型式三、同步电机的结构型式各种电机各种电机 引进
6、引进600MW汽轮发电机汽轮发电机国产国产300MW汽轮发电机汽轮发电机国产国产200MW汽轮发电机定子汽轮发电机定子国产国产200MW汽轮发电机定子铁心汽轮发电机定子铁心1 1、定子铁心、定子铁心2 2、定子绕组、定子绕组3 3、转子铁心、转子铁心4 4、励磁绕组、励磁绕组机械端口机械端口电端口电端口ABC转子转子定子绕组定子绕组定子铁心定子铁心（二）、凸极同步电机的基本结构（二）、凸极同步电机的基本结构1 1、立式水轮发电机、立式水轮发电机2 2、卧式水轮发电机、卧式水轮发电机阻尼绕组在同步发电机中，起抑制转子转速振荡的作阻尼绕组在同步发电机中，起抑制转子转速振荡的作用，在同步电动机和补偿
7、机中，主要作为起动绕组用。用，在同步电动机和补偿机中，主要作为起动绕组用。水轮发电机水轮发电机转子结构转子结构10000kW10000kW水轮机转子水轮机转子现场运行的水轮发电机现场运行的水轮发电机四、同步电机的励磁方式四、同步电机的励磁方式 同步电机运行时，必须在励磁绕组中通人直流电流，通常称同步电机运行时，必须在励磁绕组中通人直流电流，通常称之为励磁电流。所谓励磁方式是指同步电机获得直流励磁电流的之为励磁电流。所谓励磁方式是指同步电机获得直流励磁电流的方式，而供给励磁电流的整个系统称为励磁系统。方式，而供给励磁电流的整个系统称为励磁系统。（一）直流励磁机励磁（一）直流励磁机励磁同步电机的励
8、磁方式有以下几种：同步电机的励磁方式有以下几种：（二）静止的交流整流励磁系统（二）静止的交流整流励磁系统 同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励(有时采用永磁发电机有时采用永磁发电机)。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机，而主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主励磁机，而
9、主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。主发电机的励磁绕组。1 1、他励式静止半导体励磁系统、他励式静止半导体励磁系统2 2、自励式静止半导体励磁系统、自励式静止半导体励磁系统静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大容量的同步发电机，其励磁电流达到数千安培，使得集电环严重过热。因此，大容量的同步发电机，其励磁电流达到数千安培，使得集电环严重过热。因此，在大容量的同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统，在大容量的同步发电机中，常采用不需要
10、电刷和集电环的旋转整流器励磁系统，如图所示。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主如图所示。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。种励磁系统取消了集电环和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。（三）旋转的交流整流励磁系统（三）
11、旋转的交流整流励磁系统五、冷却方式：在中、小型电机中，都采用空气作为冷却介质。当电机的容量在中、小型电机中，都采用空气作为冷却介质。当电机的容量很大时，电机内部的损耗及发热量迅速增加，冷却问题显得格很大时，电机内部的损耗及发热量迅速增加，冷却问题显得格外重要，此时必须加强通风或采用其他的冷却方式。外重要，此时必须加强通风或采用其他的冷却方式。1 1）在大型汽轮发电机中，为了提高其冷却效率，往往用氢气冷）在大型汽轮发电机中，为了提高其冷却效率，往往用氢气冷却，是氢气与空气混合后，有爆炸危险，必须有一套控制设备却，是氢气与空气混合后，有爆炸危险，必须有一套控制设备来保证外界空气不会渗入到电机内部。
12、来保证外界空气不会渗入到电机内部。2 2）目前在更大容量的发电机中，可以采用导线内部直接冷却。）目前在更大容量的发电机中，可以采用导线内部直接冷却。例如采用空心导体，冷却介质直接在导体中流通而把热量带走，例如采用空心导体，冷却介质直接在导体中流通而把热量带走，这样能更有效地降低电机的温升。所采用的冷却介质一般有氢这样能更有效地降低电机的温升。所采用的冷却介质一般有氢气及水等。气及水等。六、六、同步电机的额定值同步电机的额定值同步电机的额定值有：同步电机的额定值有：1）额定电压：）额定电压：是指在正常运行时，按照制造厂的规定，是指在正常运行时，按照制造厂的规定，定子三相绕组上的定子三相绕组上的线
13、电压线电压。电压的单位用。电压的单位用V V或或kVkV表示。表示。2 2）额定电流：）额定电流：流过定子绕组的线电流流过定子绕组的线电流 。3 3）额定功率：）额定功率：是指在正常运行时，电机的是指在正常运行时，电机的输出功率输出功率 。A：对于发电机而言：输出的是电功率。：对于发电机而言：输出的是电功率。B：对于电动机而言：输出的是机械功率。：对于电动机而言：输出的是机械功率。单位是单位是KW。4.4.相数相数m m ：一般：一般m=3m=3。5.5.额定频率额定频率:我国额定工业频率规定我国额定工业频率规定 =50Hz.=50Hz.NNNNIUPcos3NNNNNIUPcos3Nf6）额
14、定转速：）额定转速：额定转速即为电机的同步速，在额定转速即为电机的同步速，在一定极数及频率时，它的转速是定值。一定极数及频率时，它的转速是定值。pfnNN60第二节第二节 空载和负载时同步电机的磁场空载和负载时同步电机的磁场一、同步电机的空载运行一、同步电机的空载运行A AX XB BCYz0+Af+A012fffFNi1fffFk Fn fabcnfffffeIWFFI定定子子绕绕组组产产生生感感应应电电势势速速旋旋转转01基波电动势：E0=4.44fWkW10)(0fIfE 00E)()(00ffIfFfE)(0fFf0E()0c1d0If(Ff)25.11.1(0sfsKdcdnabac
15、FFK0E()0abc12ngd0Ff0FFefFFbcabacF00E()0abc12ngd0Ff0Fab=F：不计饱和时产生：不计饱和时产生oa电压所需磁势，称为电压所需磁势，称为气隙磁势气隙磁势。FefFFbcabacF0c当当E0=UN 时时：)25.11.1(0sfsKdcdnabacFFK0E0abc1ngd0If(Ff)Ff0F电枢反应电枢反应:电机带上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙电机带上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙磁通的大小及位置均发生变化磁通的大小及位置均发生变化,这种影响称为电枢反应这种影响称为电枢反应.电枢反应的性质，取决于电枢磁动势基波电枢反应的性质
16、，取决于电枢磁动势基波 和励磁磁动势基波和励磁磁动势基波 之间的相对位置，即与空载电动势之间的相对位置，即与空载电动势 和电枢电流和电枢电流 之间的夹角之间的夹角 有关有关.0E I fFaF励磁磁势和电枢磁势的区别励磁磁势和电枢磁势的区别基波基波波形波形大小大小位置位置转速转速转向转向励磁磁动励磁磁动势势正弦正弦波波恒定，由励恒定，由励磁电流决定磁电流决定由转子位置由转子位置决定决定由原动机的转由原动机的转速决定速决定由原动机由原动机决定决定电枢反应电枢反应磁动势磁动势正弦正弦波波恒定，由电恒定，由电枢电流决定枢电流决定由电流瞬时由电流瞬时值决定值决定由磁极对数和由磁极对数和电流频率决定电流
17、频率决定由电流相由电流相序决定序决定2.2同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应 一、一、时的电枢反应时的电枢反应00 空载电动势空载电动势 和和电枢电流电枢电流 同同相位相位.0EId轴轴q轴轴 U轴轴U1U1U2U2 W2W2V1V1W1V2NSW轴轴V轴fFaFF090090 角角为为之之间间夹夹与与afFFaqaFF 为为记记电枢反应性质：电枢反应性质：交轴电枢反应 二、二、时的电枢反应时的电枢反应090 空载电动势空载电动势 超超前电枢电流前电枢电流 0EI090d轴轴q轴轴 U轴轴U1U1U2U2 W2W2V1V1W1V2NSW轴轴V轴fFaF090 角角为为之之间间夹夹与与afFF
18、adaFF 为为记记电枢反应性质：电枢反应性质：直轴去磁电枢反应 三、三、时的电枢反应时的电枢反应090 空载电动势空载电动势 滞后滞后电枢电流电枢电流 0EI090d轴轴q轴轴 U轴轴U1U1U2U2 W2W2V1V1W1V2NSW轴轴V轴fFaF090 角角为为之之间间夹夹与与afFFadaFF 为为记记电枢反应性质：电枢反应性质：直轴助磁电枢反应四、一般情况下的电枢反应四、一般情况下的电枢反应空载电动势空载电动势 超前超前电枢电流电枢电流 角角,009000EId轴轴q轴轴 U轴轴U1U1U2U2 W2W2V1V1W1V2NSW轴轴V轴fFaF090 090 角角为为之之间间夹夹与与af
19、FF电枢反应性质：电枢反应性质：既有交轴,还有直轴去磁电枢反应此种情况下此种情况下dqdqIIIII sinII cos -直轴分量直轴分量-交轴分量交轴分量0090成与EId同相位与0EIqaadaqadaaqaFFFFF sinFF cos -直轴分量直轴分量电流产生的合成磁动势电流产生的合成磁动势-交轴分量交轴分量电流产生的合成磁动势电流产生的合成磁动势上升上升下降下降 上升上升下降下降下降下降下降下降不变不变不变不变下降下降R、C增强增强交轴直交轴直轴助磁轴助磁d、q轴R、L削弱削弱交轴直交轴直轴去磁轴去磁d、q轴C增强增强直轴直轴助磁助磁d轴L削弱削弱直轴直轴去磁去磁d轴R波形波形畸
20、变畸变交轴交轴q轴 负载负载性质性质对电机的影响电枢反应性质记记作作夹角夹角 位置位置aFafFFaFaqFadFaqadFF adFaqadFF F000900900090000090090)f(nU综合以下分析可以看出：当同步发电机供给滞后综合以下分析可以看出：当同步发电机供给滞后电流时，电枢磁势除了一部分产生交轴电枢反应电流时，电枢磁势除了一部分产生交轴电枢反应外，还有一部分产生直轴去磁电枢反应；当电机外，还有一部分产生直轴去磁电枢反应；当电机供给超前电流时，电枢磁势除了一部分产生交轴供给超前电流时，电枢磁势除了一部分产生交轴电枢反应外，还有一部分产生直轴增磁电枢反应。电枢反应外，还有一
21、部分产生直轴增磁电枢反应。这个结论十分重要，它对发电机性能的影响将在这个结论十分重要，它对发电机性能的影响将在后面内容提到。后面内容提到。1 1 隐极同步电机的电枢反应：隐极同步电机的电枢反应：隐极同步电机有一个特点就是定转子之间的气隙是隐极同步电机有一个特点就是定转子之间的气隙是均匀分布的。电枢磁动势作用在任一位置，其效果是一均匀分布的。电枢磁动势作用在任一位置，其效果是一样的样的已知：已知：其中的其中的 称为电枢反应电抗。称为电枢反应电抗。在同样大在同样大小电流情况下小电流情况下,如果如果 越大，电枢反应越大，电枢反应电势也越大，表示着电枢磁势所产生的电势也越大，表示着电枢磁势所产生的电枢
22、磁通很强。因此电枢磁通很强。因此 的大小可以说的大小可以说明电枢反应的强弱。明电枢反应的强弱。当然，电枢电流除了产生主磁通外，还要当然，电枢电流除了产生主磁通外，还要产生一定的漏磁通，由于漏磁通也会交产生一定的漏磁通，由于漏磁通也会交链电枢绕组，所以对应产生电动势链电枢绕组，所以对应产生电动势aaaXIjE.aXaXaX.EXIjEa.所以在三相对称电流通过电枢绕组后，所以在三相对称电流通过电枢绕组后，所产生的匝链定子绕组的磁通为（所产生的匝链定子绕组的磁通为（），两者在电枢绕组中所产生的全部电势），两者在电枢绕组中所产生的全部电势为为 式中式中 称为隐极同步电机的称为隐极同步电机的同步电抗。
23、同步电抗。asaaaaaaaXIjXXIjXIjXIjEE.)()(XXXas 这样同步发电机在负载下，电枢反应磁通及漏这样同步发电机在负载下，电枢反应磁通及漏磁通所产生的作用，可以通过同步电抗压降的磁通所产生的作用，可以通过同步电抗压降的形式来表示了。形式来表示了。同步电机在正常状态下工作，磁路略呈饱和。同步电机在正常状态下工作，磁路略呈饱和。磁路的饱和程度越高，它的磁阻便越大，所对磁路的饱和程度越高，它的磁阻便越大，所对应的电抗便函越小。所以应的电抗便函越小。所以 或或 的大小是随的大小是随着磁路饱和程度的改变而改变的。着磁路饱和程度的改变而改变的。2 2、凸极同步电机：、凸极同步电机：凸
24、极同步电机的特点就是气隙分布不均匀。这凸极同步电机的特点就是气隙分布不均匀。这样我们就不能用分析隐极式同样的方法来分析样我们就不能用分析隐极式同样的方法来分析凸极同步电机的电抗。在凸极电机中，极面下凸极同步电机的电抗。在凸极电机中，极面下气隙较小，两极之间气隙较大。气隙较小，两极之间气隙较大。aXsX 很显然，由于直轴处的气隙比交轴处小，很显然，由于直轴处的气隙比交轴处小，故直轴磁导比交轴磁导大。这样，同样大故直轴磁导比交轴磁导大。这样，同样大小的电枢磁动势作用在直轴和交轴上时，小的电枢磁动势作用在直轴和交轴上时，所产生的电枢磁场将有明显的差别。所产生的电枢磁场将有明显的差别。而不而不同的磁阻
25、将对应着不同的电抗。同的磁阻将对应着不同的电抗。所以，在这里，我们将磁动势所以，在这里，我们将磁动势 分解成沿分解成沿直轴和交轴方向的两个分量。直轴和交轴方向的两个分量。aFsinaadFFcosaaqFF 直轴电枢磁势固定地作用在直轴磁路上，直轴电枢磁势固定地作用在直轴磁路上，对应于一个恒定不变的磁阻，产生磁对应于一个恒定不变的磁阻，产生磁通通 。交轴电枢磁势固定地作用在交轴。交轴电枢磁势固定地作用在交轴磁路，也对应于一个恒定不变的磁阻，磁路，也对应于一个恒定不变的磁阻，产生磁通产生磁通 。磁通。磁通 与与 分别切割定分别切割定子绕组而在其中感应出电势子绕组而在其中感应出电势 及及 。由于交
26、轴及直轴的磁阻都恒定不变，所由于交轴及直轴的磁阻都恒定不变，所以以 正比于正比于 ，正比于正比于 ，因此，因此，adaqadaqadEaqEadEadaqEaqFaqdaqaddadXIjEXIjE.和隐极电机一样，直轴和交轴电枢反应和隐极电机一样，直轴和交轴电枢反应电抗各和定子漏抗相加，便可以得到直电抗各和定子漏抗相加，便可以得到直轴同步电抗和交轴同步电抗，即轴同步电抗和交轴同步电抗，即注意：在直轴磁路上，由于气隙小，磁阻注意：在直轴磁路上，由于气隙小，磁阻小，所以小，所以 较大。在交轴磁路上，由较大。在交轴磁路上，由于气隙很大，磁阻大，所以于气隙很大，磁阻大，所以 较小。较小。当直轴及交轴
27、的同步电抗相等时，就是当直轴及交轴的同步电抗相等时，就是隐极电机。隐极电机。XXXXXXaqqaddadXaqX(1)隐极发电机的电磁过程fIfF00EIaFaEEEaaRIaaxI jExI jE第三节第三节 隐极同步发电机的电动势方程及同步电抗隐极同步发电机的电动势方程及同步电抗一、不计饱和时的分析叠加原理（电动势合成）(2)隐极同步发电机的电势方程式：同步发电机在对称负载下运行，气隙中存在着两种磁同步发电机在对称负载下运行，气隙中存在着两种磁势，即定子上的电枢磁势和转子的磁极磁势。在不势，即定子上的电枢磁势和转子的磁极磁势。在不考虑磁路的饱和现象时，应用迭加原理，认为它们考虑磁路的饱和现
28、象时，应用迭加原理，认为它们各自独立地产生相应磁通，并在电枢绕组内产生感各自独立地产生相应磁通，并在电枢绕组内产生感应电势。应电势。aaRIUEEE.0.saXIjUE.0.(3)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已知发电机的端电压、负载电流和功率因数cos及参数及参数ra、xtUIarItxI j0E当功率因数当功率因数cos 滞后时滞后时的相量图的相量图 在图中，在图中，与与 的夹角用的夹角用表示；表示；与与的的 夹角用夹角用表示；表示；与与 的夹角用的夹角用 表示。在以上三个角度间存在有下列关表示。在以上三个角度间存在有下列关系：系：根据图的相量关系，将电压按根据图
29、的相量关系，将电压按 角分解角分解成成 及及 后，可以得到的计后，可以得到的计算公式：算公式：0.EaI.0.E.U.UaI.cosUsinUcossin1UUXItgsa220)sin()cos(saXIUUE(4)(4)隐极发电机的等效电路：隐极发电机的等效电路：raxt0EIU只要去掉只要去掉 r ra a 即可得到简化等效电路即可得到简化等效电路 当凸极同步发电机在对称负载下运行时，气隙当凸极同步发电机在对称负载下运行时，气隙中也存在着两种旋转磁势，即转子上磁极磁势中也存在着两种旋转磁势，即转子上磁极磁势和定子上电枢磁势。由于凸极电机中，转子直和定子上电枢磁势。由于凸极电机中，转子直轴
30、和交轴上的气隙不等，在分析电枢磁势影响轴和交轴上的气隙不等，在分析电枢磁势影响时，必须按照式前面我们所分析的将磁动势分时，必须按照式前面我们所分析的将磁动势分解成直轴和交轴两个分量，然后和处理隐极电解成直轴和交轴两个分量，然后和处理隐极电机一样，不计及磁路的饱和现象，应用迭加原机一样，不计及磁路的饱和现象，应用迭加原理认为它们各自独立地产生相应的磁通，并在理认为它们各自独立地产生相应的磁通，并在电枢绕组内产生感应电势。电枢绕组内产生感应电势。第四节第四节 凸极同步发电机的电动势方程及同步电抗凸极同步发电机的电动势方程及同步电抗一、不考虑饱和一、不考虑饱和凸极发电机的电磁过程fIfF00EIqI
31、dIadFaqFadaqadEaqEEEarI 这样，产生的端电压为：这样，产生的端电压为：整理得：整理得：可以把漏抗压降分解成两个分量，即：可以把漏抗压降分解成两个分量，即：aaqadRIUEEEE.0.XIjXIjXIjUEaaqqadd.0.()adqqdEj IXj IIXjI Xj IX 这就是凸极发电机的电动势平衡方程式，这就是凸极发电机的电动势平衡方程式，这样我们就可以作出相应的相量图。但这样我们就可以作出相应的相量图。但是很明显，要做出向量图还缺是很明显，要做出向量图还缺 和和 两个分量。两个分量。也就是要知道也就是要知道 与与 之间之间的夹角的夹角。qqddaqqaddXIj
32、XIjUXXIjXXIjUE.0.)()(dI.qI.0.EaI.凸极发电机的相量图的作法凸极发电机的相量图的作法已知发电机的端电压、负载电流和功率因数及已知发电机的端电压、负载电流和功率因数及参数参数ra、xd、xq 。1 1、已知内功率因数角、已知内功率因数角按照电势方程式的关系作出相量图2、未知内功率因数角1）利用方程式求出：2）利用公式求出：qaQxI jIrUEcossinarctanUIrUIxaq第五节 同步发电机功率及转矩方程一、同步发电机的功率平衡方程二、同步发电机的转矩平衡方程1mmFeaPPppp21mCuPPp1()emmFeaTTTTT2011sin()sin22md
33、qdmE UmUPxxx2011sin()sin22emdqdmE UmUTxxx本章小结同步电机按其工作状态可分为同步发电机、同步电动机和同步调相机，同步发电机有可分为隐极式和凸极式，其同步转速为 （r/min）；同步发电机的电枢反应取决于电枢电流与感应电动势之间的夹角。通常情况下，起交磁兼去磁作用；隐极同步发电机不饱和时的电动势平衡方程为:其中的同步电抗，是表征对称稳态运行时电枢反应基波磁场和漏磁场综合效应的电磁参数，其大小对同步电机的性能有很大影响。凸极同步发电机不饱和时的电动势平衡方程为:其中的直轴同步电抗和交轴同步电抗，意义与隐极电机的相同。只是由于凸极电机气隙不均匀，由双反应理论导
34、出了两个同步电抗，且有 。习题：10-17，10-18，10-19pfnn601tax I jr IUE0qqddaxI jxI jr IUE0qdxx 第十一章第十一章 同步发电机的特性及参数测定同步发电机的特性及参数测定 同步发电机在转速保持恒定、负载功率因数不变的运行条件下，有三个主要变量，即端压U、负载电流及励磁电流三个量中确定一个量不变，其他两个量相随变化的函数关系，称为同步发电机的特性。同步发电机特性分成基本特性和运行特性两类。基本特性包括空载特性、短路特性及零功率因数的负载特性，可通过实验求得，用来测定参数及判断电机性能；运行特性包括外特性和调节特性，是操作、运行发电机时的依据。
35、（一）（一）、空载特性和短路特性、空载特性和短路特性、零功率因数负载特性、零功率因数负载特性1 1、空载特性、空载特性定义定义：1000fnn,I,UEf(I)空载特性是发电机的基本特性空载特性是发电机的基本特性之一。它一方面表征了磁路的饱和之一。它一方面表征了磁路的饱和情况，另一方面把它和短路特性、情况，另一方面把它和短路特性、零功率因数负载特性配合，可确定零功率因数负载特性配合，可确定电机的基本参数、额定励磁电流和电机的基本参数、额定励磁电流和电压变化率等。电压变化率等。实际生产中，它还可以检查三实际生产中，它还可以检查三相电枢绕组的对称性、匝间短路、相电枢绕组的对称性、匝间短路、判断励磁
36、绕组和定子铁心有无故障判断励磁绕组和定子铁心有无故障等。等。第一节 同步发电机的空载特性和短路特性 因因 正比于正比于 ，而励磁电流又正比于，而励磁电流又正比于励磁磁势，所以开路特性曲线与电机的励磁磁势，所以开路特性曲线与电机的磁化曲线在形状上完全相同。开路特性磁化曲线在形状上完全相同。开路特性主要有两个用处：主要有两个用处：（1 1）开路特性可以反映出电机设计是否）开路特性可以反映出电机设计是否合理。如同前面所分析的情况一样，额合理。如同前面所分析的情况一样，额定电压应位于开路特性开始弯曲的部分，定电压应位于开路特性开始弯曲的部分，这样才比较经济合理。这样才比较经济合理。（2 2）同步电抗是
37、同步电机中一个极为重）同步电抗是同步电机中一个极为重要的参数，同步电机的许多性能由它所要的参数，同步电机的许多性能由它所决定。开路特性配合短路特性可以求出决定。开路特性配合短路特性可以求出同步电抗。同步电抗。0Ef2 2、短路特性、短路特性定义定义：10Sfnn,U,If(I)短路时的等效电路短路时的等效电路短路特性曲线短路特性曲线 短路特性与空载特性配合可以求出电机的同步电抗。短路特性与空载特性配合可以求出电机的同步电抗。（二）（二）、外特性和调整特性、外特性和调整特性1 1、外特性、外特性定义定义：1fnn,IC,cosC,Uf(I)外特性曲线外特性曲线 当发电机带当发电机带阻性阻性和和感
38、性负载感性负载时，时，外特性是下降的，原因是电枢反应的外特性是下降的，原因是电枢反应的去磁作用和电枢漏阻抗产生了电压降去磁作用和电枢漏阻抗产生了电压降.带带容性容性负载时且（发电机负载的负载时且（发电机负载的容抗大于同步电抗）时，外特性是上容抗大于同步电抗）时，外特性是上升的，原因是电枢反应的助磁作用和升的，原因是电枢反应的助磁作用和容性电流在漏抗上的压降。容性电流在漏抗上的压降。2 2、调节特性、调节特性定义定义：1fnn,UC,cosC,If(I)调整特性曲线调整特性曲线 在在感性感性和和阻性阻性负载时，随着负载电流负载时，随着负载电流的增加，必须增加励磁电流，补偿电枢反的增加，必须增加励
39、磁电流，补偿电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降，保持端电压应的去磁作用和漏阻抗压降，保持端电压恒定；对恒定；对容性容性负载，随着负载电流的增加，负载，随着负载电流的增加，必须减小励磁电流。必须减小励磁电流。在功率因数一定情况下在功率因数一定情况下,根据调整特根据调整特性曲线性曲线,可确定在负载变化范围内可确定在负载变化范围内,维持维持电压不变所需的励磁电流的变化范围。电压不变所需的励磁电流的变化范围。运行人员可利用调整特性曲线运行人员可利用调整特性曲线,使系统中使系统中无功功率的分配更合理一些。无功功率的分配更合理一些。同步发电机单机运行时，其频率和端电压会随着负载的变化而变化，同步发电机单机运行
40、时，其频率和端电压会随着负载的变化而变化，供电的质量和可靠性较差，所以在电力系统中，一般由多个发电厂并联组供电的质量和可靠性较差，所以在电力系统中，一般由多个发电厂并联组成电力系统，且每个发电厂的多台发电机在一起并联运行。这样即使单机成电力系统，且每个发电厂的多台发电机在一起并联运行。这样即使单机负荷发生变化，对发电机的频率和端电压的影响甚微，而且并联运行可以负荷发生变化，对发电机的频率和端电压的影响甚微，而且并联运行可以合理利用动力资源、便于发电设备轮流检修，提高供电的质量和可靠性。合理利用动力资源、便于发电设备轮流检修，提高供电的质量和可靠性。电网对单台发电机来说可看作无穷大电网，同步发电
41、机并联到电网后，电网对单台发电机来说可看作无穷大电网，同步发电机并联到电网后，其运行情况要受到电网的制约，即发电机的电压、频率必须和电网的电压、其运行情况要受到电网的制约，即发电机的电压、频率必须和电网的电压、频率一致而不能单独变化。可见发电机并联运行与单机运行时的分析方法频率一致而不能单独变化。可见发电机并联运行与单机运行时的分析方法将会有所不同，本章主要介绍发电机与电网并联的条件和方法及并网运行将会有所不同，本章主要介绍发电机与电网并联的条件和方法及并网运行时调节电机向电网输送功率的方法。时调节电机向电网输送功率的方法。第十二章、同步发电机的并联运行及同步电动机第十二章、同步发电机的并联运
42、行及同步电动机第一节第一节 投入并联运行的条件和方法投入并联运行的条件和方法一、投入并联的条件一、投入并联的条件（1）发电机和电网的电压波形要相同；（2）发电机的频率和电网频率相同；（3）发电机和电网电压幅值相同（4）发电机和电网相位相同；（5）发电机和电网的相序要相同。二、投入并联的方法二、投入并联的方法（一）准同步法（一）准同步法将发电机调整到完全符合投入并联的条件，然后投入电网的操作将发电机调整到完全符合投入并联的条件，然后投入电网的操作过程称为准确同步法。在调整过程中为了判断发电机是否满足并联条过程称为准确同步法。在调整过程中为了判断发电机是否满足并联条件，常常采用同步指示器。最简单的
43、同步指示器由三个同步指示灯组件，常常采用同步指示器。最简单的同步指示器由三个同步指示灯组成，它们有两种接法即直接接法和交叉接法。成，它们有两种接法即直接接法和交叉接法。直接接法交叉接法交叉接法（二）自同步法（二）自同步法投入的步骤是：首先校验发电机的相序，并按照规定的转向（和定子投入的步骤是：首先校验发电机的相序，并按照规定的转向（和定子旋转磁场的转向一致）把发电机拖动到接近于同步转速，励磁绕组经限流旋转磁场的转向一致）把发电机拖动到接近于同步转速，励磁绕组经限流电阻短路；然后把发电机拖入电网，再立即加上直流励磁，此时依靠定、电阻短路；然后把发电机拖入电网，再立即加上直流励磁，此时依靠定、转子
44、磁场间所形成的电磁转矩，即可把转子自动牵入同步。自同步法的优转子磁场间所形成的电磁转矩，即可把转子自动牵入同步。自同步法的优点是投入迅速，不需要复杂的设备，缺点是投人时定子电流冲击较大。点是投入迅速，不需要复杂的设备，缺点是投人时定子电流冲击较大。凸极同步发电机凸极同步发电机第二节 同步发电机的功角特性隐极同步发电机由此，我们得到了隐极同步电机的功角特性表达式由此，我们得到了隐极同步电机的功角特性表达式 ，即当，即当e e0 0和和u u为常数时，电为常数时，电磁功率和功角之间的函数关系。显然，当功角磁功率和功角之间的函数关系。显然，当功角=90=900 0 时，电磁功率达到最大值。时，电磁功
45、率达到最大值。第三节第三节 有功功率调节与静态稳定和振荡有功功率调节与静态稳定和振荡一、有功功率的调节：一、有功功率的调节：已知，在忽略铜耗的前提下，已知，在忽略铜耗的前提下，P Pemem=P=P2 2=而而P Pemem和和P P1 1从功角特性可以看出是成正比关系的，所以，想要增加电机输出的从功角特性可以看出是成正比关系的，所以，想要增加电机输出的有功功率，从功率平衡的观点来看，只有增加原动机的输入功率有功功率，从功率平衡的观点来看，只有增加原动机的输入功率P P1 1。cosamUI二、静态稳定二、静态稳定静态稳定：电机在运行时，受到外界的干扰，从而导致运行偏离原先的静态稳定：电机在运
46、行时，受到外界的干扰，从而导致运行偏离原先的运行点，而当干扰撤去后，电机又能自行回到原先的点继续工作，就叫运行点，而当干扰撤去后，电机又能自行回到原先的点继续工作，就叫做电机的静态稳定。这样一来，如图所示：做电机的静态稳定。这样一来，如图所示：作如下分析：作如下分析：1 1）在）在a a点，点，P P1 1=P=Pemem，即输入，即输入P P1 1和输出和输出P Pem相等，电机稳态运行；相等，电机稳态运行；2 2）来一个干扰，假定使得）来一个干扰，假定使得P1P1增增加到加到P1P1，显然电机的转速将增大，显然电机的转速将增大，因为功角和转速因为功角和转速 成正比关系变化，成正比关系变化，
47、所以，功角也将增大，推出所以，功角也将增大，推出P Pemem也也增大增大 ，这样一来，我们可以看出，这样一来，我们可以看出 在在b b点电机将达到一个新的平衡点，点电机将达到一个新的平衡点，从而继续稳定运行从而继续稳定运行。3 3）由此可以推出，当功角在）由此可以推出，当功角在0 00 0-90-900 0之间变化时，发电机有自动保之间变化时，发电机有自动保持同步的能力，持同步的能力，是发电机稳定运行区域。是发电机稳定运行区域。在稳定运行范围内，电在稳定运行范围内，电磁功率的改变只会改变功角的大小，而转子的稳定转速是不会改磁功率的改变只会改变功角的大小，而转子的稳定转速是不会改变的，永远以同
48、步速旋转。变的，永远以同步速旋转。4 4）而在）而在90900 01801800 0之间，电机是不稳定运行的，在功角之间，电机是不稳定运行的，在功角=90=900 0时，输时，输入的机械功率到达与最大电磁功率相等，即入的机械功率到达与最大电磁功率相等，即 max1MPP 当功角大于当功角大于90900时将失去同步，失去同步后，装在电网与间的时将失去同步，失去同步后，装在电网与间的保护开关产生动作，将发电机从电网上拉开。保护开关产生动作，将发电机从电网上拉开。第四节第四节 无功功率调节和无功功率调节和V V形曲线形曲线一、同步电机的可逆原理一、同步电机的可逆原理 同步电机的运行是可逆同步电机的运
49、行是可逆的，既可以用作发电机，还的，既可以用作发电机，还可以用作电动机。可以用作电动机。同步电机运行于发电同步电机运行于发电机状态时，如图所示。机状态时，如图所示。转子磁极轴线超前定子转子磁极轴线超前定子合成磁极轴线，合成磁极轴线，00，电机，电机把机械能转变成电能。把机械能转变成电能。第五节、同步电动机和调相机第五节、同步电动机和调相机 逐步减少发电机的逐步减少发电机的输入功率，转子将瞬时输入功率，转子将瞬时减速，减速，角减小，相应角减小，相应的电磁功率也减少。的电磁功率也减少。当发电机的输入功率当发电机的输入功率只能满足空载损耗时，发只能满足空载损耗时，发电机处于空载运行状态。电机处于空载
50、运行状态。继续减少发电机的输入功率，继续减少发电机的输入功率，则则和和 P Pemem变为负值变为负值。卸动原动机，。卸动原动机，电机从电网吸收功率满足空载损耗，电机从电网吸收功率满足空载损耗，成为空转的电动机。成为空转的电动机。电机轴上加上机械负载，电机轴上加上机械负载，负负值的值的增大增大，由电网向电机输入，由电网向电机输入的电功率和相应的电磁功率增大，的电功率和相应的电磁功率增大，转子磁极轴线落后定子合成磁极转子磁极轴线落后定子合成磁极轴线，转子受到驱动性质的电磁轴线，转子受到驱动性质的电磁转矩作用。转矩作用。二、同步电动机的基本方程式和相量图二、同步电动机的基本方程式和相量图 按照发电
