1、6.1 6.1 同步电机的基本结构和运行状态同步电机的基本结构和运行状态6.2 6.2 空载和负载时同步发电机的磁场空载和负载时同步发电机的磁场6.3 6.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和隐极同步发电机的电压方程、相量图和 等效电路等效电路6.4 6.4 凸极同步发电机的电压方程、相量图凸极同步发电机的电压方程、相量图同步发电机的电磁关系和分析方法同步发电机的电磁关系和分析方法第第9 9章章 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性第第1010章章 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行第第1111章章 同步电动机同步电动机同步发电机的基本工作原理大小大小：01104 44wE.fN
2、k 频率频率：60pnf 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相序相序：由转子的转向决定。：由转子的转向决定。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)BU2U1W2V1W1V2NSn发电机的物理过发电机的物理过程可用图示表示程可用图示表示旋转示意图1旋转示意图2 现代社会中的交流电能几乎全部由同步发电机产生。现代社会中的交流电能几乎全部由同步发电机产生。如汽轮发电机（火
3、电和核电）和水轮发电机（水电站）如汽轮发电机（火电和核电）和水轮发电机（水电站）单机容量均已超过单机容量均已超过100100万万KWKW 同步电动机主要驱动一些不要求调速的大功率生产机械同步电动机主要驱动一些不要求调速的大功率生产机械。调相机实际是并联在电网上空转的同步发电机。对调相机实际是并联在电网上空转的同步发电机。对电网的无功功率进行调节电网的无功功率进行调节 同步电机是交流旋转电机的一种同步电机是交流旋转电机的一种,因其转速恒等于同因其转速恒等于同步速机时得名。同步电机主要用作发电机，也可用作电动步速机时得名。同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和补偿机机和补偿机。6.1 同步电机的
4、基本结构和运行状态同步电机的基本结构和运行状态 按按运行运行方式，同步电机分发电机、电动机和补偿机。方式，同步电机分发电机、电动机和补偿机。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
5、/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、柴油发电机和补偿机一般作成凸极式。同步电动机、柴油发电机和补偿机一般作成凸极式。同步电机同步电机旋转电枢式旋转电枢式 旋转磁极式旋转磁极式 隐极式隐极式（Salient-pole）凸极式凸极式（Cylindrical-Rotor）1 1同步电机的基本结构同步电机的基本结构按转子结构的不同,可分为隐极同步电机和凸极同步电机隐极同步电机（汽轮发电机）隐极同步电机（汽轮发电机）定子铁心：硅钢片叠成。定子铁心：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。
6、电枢绕组：三相对称绕组电枢绕组：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机械端口机械端口转子转子定子绕组定子绕组定子铁心定子铁心电端口电端口ABC返回汽轮发电机结构汽轮发电机结构返回汽轮发电机结构汽轮发电机结构定子铁心定子铁心返回汽轮发
7、电机结构汽轮发电机结构返回汽轮发电机结构汽轮发电机结构汽轮发电机结构汽轮发电机结构返回国产国产300MW汽轮发电机汽轮发电机汽轮发电机结构汽轮发电机结构引进引进600MW600MW汽轮发电机汽轮发电机汽轮发电机结构汽轮发电机结构国产国产200MW汽轮发电机定子铁心汽轮发电机定子铁心汽轮发电机结构汽轮发电机结构国产国产200MW汽轮发电机定子汽轮发电机定子汽轮发电机结构汽轮发电机结构水轮发电机结构水轮发电机结构(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水轮发电机结构水轮发电机结构水轮发电机结构转子结构水轮发电机结构转子结构10000kW10000kW水轮机转
8、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水轮发电机结构水轮发电机结构2 同步电机的运行状态同步电机的运行状态发电机发电机把机械能转换为电能把机械能转换为电能 电动机电动机把电能转换为机械能把电能转换为机械能补偿机补偿机没有有功功率的转换，只发出或吸没有有功功率的转换，只发出或吸 收无功功率收无功功率 同步电机运行状态，主要取决于定子合成磁同步电机运行状态，主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角场与转子主磁场之间的夹角，称为功率角称为功率角 3 同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式直流励磁机励磁直流励磁机励磁直流励磁机通常与同步发电机直流励磁机通常与同步发电机 同轴，采用并励或
9、他励接法。同轴，采用并励或他励接法。整流器励磁整流器励磁静止式静止式旋转式旋转式 分为电励磁方式和永磁励磁方式 直流发电机产生直流电通过集电环和电刷加到同步机的励磁绕组，换向器易产生火花现已经被永磁励磁方式和整流器的励磁方式取代。交流励磁机静止整流器励磁方式产生直流电通过集电环和电刷加到同步机的励磁绕组，转轴长度增长，轴的刚度的稳定性受影响。自励静止整流器励磁方式在发电机的出线端接励磁变压器，然后在经整流器产生直流电通过集电环和电刷加到同步机的励磁绕组，在大型发电机中应用非常广泛。旋转整流器（无刷）励磁方式。永磁励磁方式，特别是一些高速运行电机。常用的：直流励磁机、交流励磁机、静止整流器励磁、
10、旋转整流器励磁4 同步电机的额定值对同步发电机额定值之间关系为：对同步发电机额定值之间关系为：3NNNNNNPScosU Icos )(kVUN额定电压额定运行时加在额定运行时加在三相定子绕组上三相定子绕组上的线电压。的线电压。NNPS 额定功率额定容量 指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输出的额定视在功率或有功功率，单位是输出的额定视在功率或有功功率，单位是KVAKVA或或KWKW。电动机额定。电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是KWKW。调相。调相机用机用KV
11、AKVA或或KvarKvar表示。表示。)(AIN额定电流在额定运行状在额定运行状态下三相定子态下三相定子绕组的线电流绕组的线电流.fNfNNNNUInf额定励磁电压额定励磁电流额定转速额定效率额定频率额定功率因数Ncos 空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所建立的主极磁场。表示一台四极电机空载时的磁建立的主极磁场。表示一台四极电机空载时的磁通示意图。从图可见，主极磁通分成主磁通通示意图。从图可见，主极磁通分成主磁通0 0和和漏磁通漏磁通ff两部分，前者通过气隙并与定子绕组两部分，前者通过气隙并与定子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁绕组相交链。相交链
12、，后者不通过气隙，仅与励磁绕组相交链。主 磁 通 所 经 过 的 主 磁 路 包 括 空 气 隙 电 枢主 磁 通 所 经 过 的 主 磁 路 包 括 空 气 隙 电 枢 齿、电枢轭、磁极极身和转子轭等五部分。齿、电枢轭、磁极极身和转子轭等五部分。6.2 空载和负载时同步发电机的磁场空载和负载时同步发电机的磁场一、空载运行一、空载运行二、对称负载时的电枢反应二、对称负载时的电枢反应 电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场就称为电枢反应。电枢反应的性质就称为电枢反应。电枢反应的性质(增磁、去磁增磁、去磁或交磁或交磁)取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相取决于电枢磁
13、动势和主磁场在空间的相对位置。分析表明，此相对位置取决于激磁电对位置。分析表明，此相对位置取决于激磁电动势动势E E0 0和扭载电流和扭载电流I I之间的相角差之间的相角差0 0(0 0称为内称为内功 率 因 数 角功 率 因 数 角)。下 面 分 成 两 种 情 况 来 分 析。下 面 分 成 两 种 情 况 来 分 析6.2 空载和负载时同步发电机的磁场空载和负载时同步发电机的磁场a)a)定子绕组电动势、电流和磁动势的空间矢量图定子绕组电动势、电流和磁动势的空间矢量图相相轴轴线线AfFA0BXZYBCNSsnsnaF同相时同相时与与I0E同相时同相时与与I0Eb)b)时间矢量图时间矢量图时
14、时间间参参考考轴轴CE0 A0 C0 BE0 AE0 B I1 00B0 AICI c)c)时时-空统一矢量图空统一矢量图轴轴dfF)(aqnFF)(00 B I0 E1 同相时同相时与与I0Ed)d)气隙合成磁场与主磁场的相对位置气隙合成磁场与主磁场的相对位置aFeTAXZYBCNS0BBsn同相时同相时与与I0E a)a)滞后于滞后于 时的空间矢量图时的空间矢量图0 E IsnadF相相轴轴线线AAXZBCsnaFaqFNSfF不同相时不同相时与与I0E b)b)滞后滞后 时的时时的时-空统一矢量图空统一矢量图0 E IfFadFaFaqF I0 0 1 0 E不同相时不同相时与与I0E
15、c)c)超前超前 时得时时得时-空统一矢量图空统一矢量图0 E I1 0 IfFadFaF0 0 E返回不同相时不同相时与与I0E同步发电机负载运行时物理量的关系：同步发电机负载运行时物理量的关系：一、不考虑磁饱和时一、不考虑磁饱和时fI主主极极fF 0 0E E aE aaF I电枢电枢 E)(XIjE6.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路 在时间相位上，在时间相位上，滞后于滞后于 以以9090电角度，若不计定子电角度，若不计定子铁耗铁耗,与与 同相位，则同相位，则 将滞后于将滞后于 以以9090电角度于是电角度于是 亦可写成负电抗压降的形式，即亦可写成负电抗压降的形式，即 采用
16、发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，电枢的电压方程为电枢的电压方程为 因为电枢反应电动势因为电枢反应电动势EaEa正比于电枢反应磁通正比于电枢反应磁通aa不计磁饱不计磁饱和时，和时，aa又正比于电枢磁动势又正比于电枢磁动势FaFa和电枢电流和电枢电流I I，即，即aEIaaaEI (6(65)5)(6(66)6)将式将式(6(66)6)代人代人式式(6(65)5)，可得，可得 (6(67)7)式中，式中，XsXs称为隐极同步电机的同步电抗，称为隐极同步电机的同步电抗，Xs=Xa+XXs=Xa+X，它，它是对称稳态运行时表征电枢反应和电
17、枢漏磁这两个效应的一是对称稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两个效应的一个综合参数。不计饱和时，个综合参数。不计饱和时，XsXs是一个常值。是一个常值。图图6 615a15a和和b b表示与式表示与式(6(65)5)和式和式(6(67)7)相对应的相量图，相对应的相量图，图图6 615c15c表示与式表示与式(6(67)7)相应的等效电路。从相应的等效电路。从图图6 615c15c可以可以看出，隐极同步发电机的等效电路由激磁电动势和同步阻抗看出，隐极同步发电机的等效电路由激磁电动势和同步阻抗Ra+jXsRa+jXs串联组成，其中串联组成，其中E E0 0表示主磁场的作用，表示主磁场的作用，Xs
18、Xs表示电枢反表示电枢反应应和电枢漏磁场的作用。和电枢漏磁场的作用。考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理不再适用。考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理不再适用。此时，应先求出作用在主磁路上的合成磁动势此时，应先求出作用在主磁路上的合成磁动势F F，然后利用电，然后利用电机的磁化曲线机的磁化曲线 (空载曲线空载曲线)求出负载时的气隙磁通求出负载时的气隙磁通 及相应及相应的气隙电动势的气隙电动势 。二、考虑磁饱和时二、考虑磁饱和时EfFFaaFk E 再从气隙电动势再从气隙电动势 减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，使减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，使得电枢的端电压得电枢的端电压 ，即，即EU 相
19、应的矢量图、相量图和相应的矢量图、相量图和F FE E间的关系如图间的关系如图6 616a16a和和6 616b16b所示。图所示。图6-16a6-16a中既有电动势相量，又有磁动势矢量。故中既有电动势相量，又有磁动势矢量。故称为电动势称为电动势磁动势图。磁动势图。或或返回 考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，就称为双反应理论。轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，就称为双反应理论。凸极同步电机的气隙是不均匀的，极面下气隙较小，凸极同步电机的气隙是不均匀的，极面下气隙较小，两极之间气隙较大，故直轴下单位面积的
20、气隙磁导两极之间气隙较大，故直轴下单位面积的气隙磁导d d(d(d00d)d)要比交轴下单位面积的气隙磁导要比交轴下单位面积的气隙磁导q q(q(q00q)q)大很多，大很多，当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时，由于当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时，由于dd较较大，故在一定大小的磁动势下，直轴基波磁场的幅值大，故在一定大小的磁动势下，直轴基波磁场的幅值Bad1Bad1相对较大。相对较大。一、双反应理论一、双反应理论6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图 不考虑磁饱和时不考虑磁饱和时同步发电机负载运行时物理量的关系：同步发电机负载运行时物理量的关系：二、凸极同步发电机的电压方程和相量二、
21、凸极同步发电机的电压方程和相量图图6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图fIfF0 0 E EadE ad adFaF Iaq aqE aqF E XI j 从气隙电动势云减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，便从气隙电动势云减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，便得电枢的端电压。采用发电机惯例，电枢的电压方程为：得电枢的端电压。采用发电机惯例，电枢的电压方程为：l 不计磁饱和时不计磁饱和时 和和 可以用相应的负电抗压降来表示可以用相应的负电抗压降来表示adEaqEqdIII将式将式(6-10)(6-10)代入式代入式(6-9)(6-9)，并考虑，并考虑 ，可得可得 式中，式中，XdXd和和XqXq分别称为
22、分别称为直轴同步电抗直轴同步电抗和和交轴同步电抗交轴同步电抗，它们是表征对称稳态运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反它们是表征对称稳态运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反应的一个综合参数。上式就是凸极同步发电机的电压方程。应的一个综合参数。上式就是凸极同步发电机的电压方程。图图6-196-19表示与上式相对应的相量图。表示与上式相对应的相量图。引入虚拟电动势引入虚拟电动势 ，使，使 可得可得QE)(0qddQXXI jEE6-126-12 由式由式6-126-12相量图如图相量图如图6-206-20所示。由所示。由图图6-206-20不难确定不难确定 由式由式6-126-12可得凸极同步发电机的等效电
23、路，如可得凸极同步发电机的等效电路，如图图6-216-21所所示。示。三、直轴和交轴同步电抗的意义三、直轴和交轴同步电抗的意义 由于电抗与绕组匝数的平方和所经磁路由于电抗与绕组匝数的平方和所经磁路的磁导成正比，所以的磁导成正比，所以 所示。对于凸极电机，由于直轴下的气所示。对于凸极电机，由于直轴下的气隙较交轴下小，隙较交轴下小，所以，所以X XadadXXaqaq，因，因此在凸极同步电机中，此在凸极同步电机中，X Xd dXXq q。对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故X Xd dXXq qXXs s adaq返回同步发电机的基本工作原理大小大小：01104 4
24、4wE.fN k 频率频率：60pnf 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相序相序：由转子的转向决定。：由转子的转向决定。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)BU2U1W2V1W1V2NSn发电机的物理过发电机的物理过程可用图示表示程可用图示表示旋转示意图1旋转示意图28.1 同步发电机的空载运行同步发电机转子由原动机拖动到同步转速，转子绕组通以同步发电机转子由原
25、动机拖动到同步转速，转子绕组通以恒定的直流励磁电流，定子电枢绕组开路，这种运行状态，称恒定的直流励磁电流，定子电枢绕组开路，这种运行状态，称为同步发电机的空载运行。为同步发电机的空载运行。励磁电流励磁电流I If单独建立的励磁磁动势单独建立的励磁磁动势F Ff f产生的主、漏磁通。产生的主、漏磁通。主、漏磁通均随转子旋转，在气隙中形成旋转磁场。主磁通交主、漏磁通均随转子旋转，在气隙中形成旋转磁场。主磁通交链电枢绕组，在电枢绕组中感应电动势链电枢绕组，在电枢绕组中感应电动势；漏磁通不交链电枢绕组，不在电枢绕组中感应电动势，不参与漏磁通不交链电枢绕组，不在电枢绕组中感应电动势，不参与定、转子之间的
26、能量转换定、转子之间的能量转换.fIfF0f0E空载时电磁关系空载时电磁关系：0wkfNE1104.44空载特性空载特性：空载电动势空载电动势 大小大小：0E)f(IE,I,nnfN00空载特性曲线空载特性曲线：气隙线气隙线)f(F)f(IEff0000ENUffFIfI0fI时空相矢量图 时间相量E和空间相量F和B一电枢反应afffaFFFFIFI 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.8.2 8.2 同步发电机负载时电枢反应同步发电机负载时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，取决于电枢磁动势基波 和励磁磁动势基波和
27、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.0EIfFaF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速由原动机的转速决定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电由磁极对数和电流频率决定流频率决定由电流相由电流相序决定序决定准备工作
28、三个角 四个轴 :.:)(;,:;,:00三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UEIUIE直轴（纵轴、d 轴）：主磁极轴线位置。交轴（横轴、q 轴）：与直轴成 900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 1 时的电枢反应00 d轴轴q轴轴 A轴轴A AX X Z ZB BCYNSC轴轴B轴fFaFF090电枢反应性质：电枢反应性质：交轴电枢反应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.0EI090 角为角为之间夹之间夹与与afFFaqaFF 为为记记d轴轴q
29、轴轴 A轴轴A AX X Z ZB B CYNSC轴轴V轴fF2 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 0EI090电枢反应性质：电枢反应性质：直轴去磁电枢反应aF090 角为角为之间夹之间夹与与afFFadaFF 为为记记d轴轴q轴轴 A轴轴A A X X Z ZB BCYNSC轴轴B轴fF3 3 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 0EI090电枢反应性质：电枢反应性质：直轴助磁电枢反应aF090 角角为为之之间间夹夹与与afFFadaFF 为为记记d轴轴q轴轴 A轴轴A AX X Z ZB BCYNSC轴轴B轴fF
30、4 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,009000EIaF090 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090 角角为为之之间间夹夹与与afFF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一般情况下的电枢反应小结上升上升下降下降 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
31、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二、电磁转矩 同步发电机带上负载后，电枢电流建立电枢反应磁场，它与同步发电机带上负载后，电枢电流建立电枢反应磁场，它与励磁电流作用产生电磁力，在某些情况下形成电磁转矩，实现机励磁电流作用产生电磁力，在某些情况下形成电磁转矩，实现机电
32、能量转换。电能量转换。输出的有功功率越大，有功分量电流就输出的有功功率越大，有功分量电流就越大，交轴电枢反应越强，电磁转矩越大，越大，交轴电枢反应越强，电磁转矩越大，为了保持电机的转速不变，要求原动机输入为了保持电机的转速不变，要求原动机输入更大的驱动转矩更大的驱动转矩调节有功功率。调节有功功率。1.1.有功电流产生电磁力有功电流产生电磁力,形成电磁转矩形成电磁转矩当发电机带有功负载当发电机带有功负载(阻性负载阻性负载)时时,可以近似认为可以近似认为0即，电枢绕组流过有功电流时即，电枢绕组流过有功电流时,产生交轴电产生交轴电枢反应磁场。励磁绕组载流体在该磁场作用枢反应磁场。励磁绕组载流体在该磁
33、场作用产生电磁力，并形成制动性质的电磁转矩。产生电磁力，并形成制动性质的电磁转矩。2.无功电流产生电磁力但不形成转矩无功电流产生电磁力但不形成转矩 说明发电机带感性说明发电机带感性(或容性或容性)无功负无功负载时载时,不需要原动机增加能量。不需要原动机增加能量。但是直轴去磁（或助磁）电枢反应但是直轴去磁（或助磁）电枢反应对气隙磁场有去磁（或助磁）作用，致对气隙磁场有去磁（或助磁）作用，致使发电机端电压下降（或上升）。使发电机端电压下降（或上升）。为维为维持电压恒定，励磁电流需要相应增加持电压恒定，励磁电流需要相应增加（或减小）（或减小）调节无功功率。调节无功功率。发电机带电感或电容负载发电机带
34、电感或电容负载(无功负载无功负载)时时,可以认为可以认为0090或90产生直轴去磁产生直轴去磁(或助磁或助磁)电枢反应磁场。励磁绕电枢反应磁场。励磁绕组载流体在该磁场作用产生电磁力，但不形成组载流体在该磁场作用产生电磁力，但不形成电磁转矩。电磁转矩。当忽略电机本身参数,=00,有功电流产生电磁力,并形成电磁转矩Temn1TemaqII=900,无功电流产生电磁力,不形成电磁转矩 n1nadIfAZBXCYNS隐极(Cylindrical-rotor)发电机的电磁过程:不考虑磁饱和fIfF00EIaFaEEEaaRIaaxI jExI jE8.3 8.3 隐极同步发电机的时空相矢量图和相量图隐极
35、同步发电机的时空相矢量图和相量图隐极发电机的电势方程式sxIjIRUE0其中xxxxxxasas并并且且有有称称为为同同步步电电抗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sZIUE0简化方程式xIjIRUEEEa0隐极发电机的等效电路隐极发电机的等效电路：RXs0EIU只要去掉 R 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R、xsUIRIsxI j0E当功率因数当功率因数cos 滞后时的滞后时的相量图相量图220)sin()cos(sIxURIU
36、EcossinarctanUIRUIXs8.4 8.4 凸极同步发电机的双反应理论和相量图凸极同步发电机的双反应理论和相量图1.凸极(Salient-pole)同步发电机的双反应理论双反应理论（布朗戴尔双反应法）双反应理论（布朗戴尔双反应法）在磁路不饱和的条件下采用叠加定理，先把电枢磁在磁路不饱和的条件下采用叠加定理，先把电枢磁动势动势FaFa分解为两个磁动势：一个作用在直轴上，叫直分解为两个磁动势：一个作用在直轴上，叫直轴电枢反应磁动势轴电枢反应磁动势FadFad，一个作用在交轴上，称交轴电，一个作用在交轴上，称交轴电枢反应磁动势枢反应磁动势FaqFaq，两者分别产生与其相位相同的直、，两者
37、分别产生与其相位相同的直、交轴基波气隙磁通密度，分别在绕组中产生电枢反应交轴基波气隙磁通密度，分别在绕组中产生电枢反应磁动势磁动势EadEad和和EaqEaq，在加上基波励磁磁动势，在加上基波励磁磁动势Ff1Ff1产生空载产生空载电动势电动势E0E0。三者叠加就得到气隙磁动势。三者叠加就得到气隙磁动势2.凸极同步发电机的电动势方程和相量图凸极同步发电机的电动势方程电磁关系：电磁关系：fIfF0f0EdIadFadadEqIaqFaqaqEEI不计磁路饱和时有下列关系不计磁路饱和时有下列关系addadaqqaqEjI XEjI XEjIX 由于由于qdIII且令且令dadqaqXXXXXXdqX
38、X-直轴同步电抗直轴同步电抗-交轴同步电抗交轴同步电抗xIjxIjIRUxIjIRUXIjXIjEEEEEqdaqqaddaqad00qqddaqqaddaqqaddqdaqqaddXIjXIjIRUxXIjxXIjIRUXIjXIjxIjxIjIRUXIjXIjEE)()(0则电动势平衡方程则电动势平衡方程0addqqEUIRjI XjI X分别表征在对称负载下，单位直轴或交轴三相电流产生分别表征在对称负载下，单位直轴或交轴三相电流产生的总电枢磁场在电枢每一相绕组中感应的电动势的总电枢磁场在电枢每一相绕组中感应的电动势。若正方向按图规定，则有若正方向按图规定，则有qqddxI jxI jRI
39、UE0RIUEEEEaqad0XI jEXI jEXI jEaqqaqaddadqdIII代入代入得到凸极发电机的电动势方程得到凸极发电机的电动势方程或或RIUEE注意：方程式中的电压、电动势和电流均为相值。注意：方程式中的电压、电动势和电流均为相值。凸极同步发电机的相量图凸极同步发电机的相量图作图步骤作图步骤;IU)(和根据已知条件绘出1;)2(的的夹夹角角与与及及作作出出根根据据IEEx I jRIUEONONqON;III)(qd和分解成角将根据300,)4(ExI jxI jDxI jxI jRIUEddqqqqdd得得到到及及点点依依次次作作出出从从根根据据cosUIrsinUIxt
40、anaq1若内功率因数角不知，可从以下公式求取若内功率因数角不知，可从以下公式求取9.19.1 同步发电机特性、短路特性及同步电抗的测定同步发电机特性、短路特性及同步电抗的测定1.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
41、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。第九章第九章 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性定义：)I(fI,U,nnfk01短路时的等效电路短路时的等效电路2.短路特性短路时短路时,090电枢反应为直轴去磁电枢反应为直轴去磁dx气隙电动势很小气隙电动势很小,感应气隙电动势的感应气隙电动势的气隙磁通量很小气隙磁通量很小,所以磁路不饱和所以磁路不饱和.fkIEEFaI0所以短路特性是一条过原点的直线所以短路特性是一条过原点的直线.x I jx I jRIUE此时此时是常数是常数,有有先短路后励磁，短路电流
42、小3.同步电抗的求取隐极发电机隐极发电机三相绕组短路电流三相绕组短路电流时电压方程式时电压方程式忽略电阻忽略电阻R R时时ksIEx0如果已知漏电抗，则电枢反应电抗为如果已知漏电抗，则电枢反应电抗为XXXsa)(0skjXRIEskXI jE00EI线上线上然后取空载特性的气隙然后取空载特性的气隙，所对应的所对应的由短路特性求由短路特性求1fkI3.同步电抗的求取短路时短路时Iq=0，Id=Ikk0dIEx 求求x xd d不饱和值时不饱和值时,首先给定一励磁电流首先给定一励磁电流I If f，在空载特性的不饱和段或气隙线上确定对在空载特性的不饱和段或气隙线上确定对应应I If的的E E0值，
43、然后在短路特性曲线上确定对值，然后在短路特性曲线上确定对应应I If的短路电流的短路电流I Ik k的值的值,则则 Nk)(dIEIEx00 不求取求取x xd d饱和值时，首先在空载特性上取饱和值时，首先在空载特性上取对应额定电压对应额定电压U UN N的励磁电流的励磁电流I If0f0，再从短，再从短路特性上取出对应路特性上取出对应I If0f0的短路电流的短路电流I Ik k，则，则 kN)(dIUx饱交轴同步电抗交轴同步电抗 dqx.x60凸极发电机凸极发电机)(0adkdkXXI jXI jE1.负载负载特性特性)(,cos,1fIfUCCInn2.零功率因数负载特性：功率因数为零时
44、的负载特性零功率因数负载特性：功率因数为零时的负载特性目的：求电枢绕组的漏电抗目的：求电枢绕组的漏电抗 9.2 9.2 同步发电机的零功率因数负载特性和保梯电抗的测定同步发电机的零功率因数负载特性和保梯电抗的测定IfE0U气隙线空载特性试验曲线取额定点取额定点n,n,取与横轴两线的距离取与横轴两线的距离到到L3L3处处,作气隙线的平行线交空载作气隙线的平行线交空载特性与特性与K K点点,过过K K点作垂线交点作垂线交m.kmm.km即为对应漏电抗电动势即为对应漏电抗电动势nL3km且且略略去去电电阻阻压压降降零零因因为为纯纯电电感感功功率率因因数数为为XI jUE比实际的漏电抗略大些比实际的漏
45、电抗略大些电枢相电流电枢相电流代表的相电动势代表的相电动势保梯电抗保梯电抗IkmXXp9.3 同步发电机的电压调整特性和调整特性同步发电机的电压调整特性和调整特性定义：)I(fU,Ccos,CI,nnf11.同步发电机的电压调整特性即外特性同步发电机的电压调整特性即外特性 当发电机带阻性和感性负载时，当发电机带阻性和感性负载时，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；带容性负载时且（发电机负载的容抗带容性负载时且（发电机负载的容抗大于同步电抗）时，外特性是上升的，大于同步电抗）时，外特性是上升的，原因是
46、电枢反应的助磁作用和容性电原因是电枢反应的助磁作用和容性电流在漏抗上的压降。流在漏抗上的压降。为了在不同功率因数下时能得到额为了在不同功率因数下时能得到额定电压，感性负载时要增大励磁电流，定电压，感性负载时要增大励磁电流，容性负载时应减小励磁电流。容性负载时应减小励磁电流。2.调节特性调节特性)I(fI,Ccos,CU,nnf1 在感性和阻性负载时，随着负载电在感性和阻性负载时，随着负载电流的增加，必须增加励磁电流，补偿电流的增加，必须增加励磁电流，补偿电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降，保持枢反应的去磁作用和漏阻抗压降，保持端电压恒定；对容性负载，随着负载电端电压恒定；对容性负载，随着负载电流的
47、增加，必须减小励磁电流。流的增加，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,维持电维持电压不变所需的励磁电流的变化范围。运行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人员可利用调整特性曲线,使系统中无功使系统中无功功率的分配更合理一些。功率的分配更合理一些。并联运行的含义第10章 同步发电机的并联运行1 1、提高供电的可靠性；、提高供电的可靠性；2 2、提高供电的经济性；、提高供电的经济性；3 3、提高电能的质量。、提高电能的质量。无穷大电网的含义0cccZCfCUS 将两台或更多
48、台发电机分别接在电力系统对应母线上，或通将两台或更多台发电机分别接在电力系统对应母线上，或通过变压器、输电线接在电力系统的公共母线上，共同向负荷供电过变压器、输电线接在电力系统的公共母线上，共同向负荷供电.并联运行的优点并列方法1.1.准同步法准同步法2.2.自同步法自同步法10.110.1同步发电机并联合闸方法和条件同步发电机并联合闸方法和条件准同期并列的条件1.1.待并发电机的电压与电网电压大小相等；待并发电机的电压与电网电压大小相等；2.2.待并发电机电压相位与电网电压相位相同；待并发电机电压相位与电网电压相位相同；3.3.待并发电机电压频率与电网电压频率相同；待并发电机电压频率与电网电
49、压频率相同；4.4.待并发电机的相序与电网的相序相同。待并发电机的相序与电网的相序相同。上述条件（上述条件（4 4）一般在安装发电机时，根据发电机的转向确）一般在安装发电机时，根据发电机的转向确定了发电机的相序而满足，因此运行人员在并列时只需调节发定了发电机的相序而满足，因此运行人员在并列时只需调节发电机使其满足其它三个条件即可。电机使其满足其它三个条件即可。不满足任一条件的并列称为非同期并列，将对电机产生严不满足任一条件的并列称为非同期并列，将对电机产生严重的危害。重的危害。重点重点内容内容条件不满足时对电机的影响条件不满足时对电机的影响1 1、电机和电网之间有环流，定子绕组端部受力变形。、
50、电机和电网之间有环流，定子绕组端部受力变形。2 2、产生拍振电流和电压，引起电机内功率振荡。、产生拍振电流和电压，引起电机内功率振荡。3 3、电机和电网之间有高次谐波环流，增加损耗，温、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。度升高，效率降低。4 4、电网和电机之间存在巨大的电位差而产生无法消、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。除的环流，危害电机安全运行。1.电压大小不等此时此时,S,S两端有电位差两端有电位差cgUUU 在电位差的作用下发电机产在电位差的作用下发电机产生冲击电流，即生冲击电流，即dcgdcx jUUx jUI 冲击电流为
