1、第六篇第六篇 同步电机同步电机同步电机也是一种常用的交流电机。其特点：同步电机也是一种常用的交流电机。其特点：转子的转速与电网频率转子的转速与电网频率f1之间具有固定不变的关系之间具有固定不变的关系，即即 若电网的频率不变，若电网的频率不变，同步电机的转速恒为常值而与负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。pfnn1160应用：发电机，电动机，调相机。应用：发电机，电动机，调相机。6.1 同步电机的原理和结构同步电机的原理和结构6.1.1 同步电机结构同步电机由定子和转子两大部分组成。定子铁心内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。转子铁心装有制成一
2、定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成分布磁场，称为励磁磁场 处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响 1、隐极式同步电机、隐极式同步电机 汽轮发电机大多做成具有最高同步速的两极结构的隐极电机隐极电机 特点：汽轮发电机的主要结构部件有定子、转子、端部和轴承等（1）定子 定子由铁芯、绕组、机座以及固定这些部件的结构件组成。（2）转子 转子的主要部件有铁心、励磁绕组、护环、中心环和滑环等。转子铁芯：是汽轮发电机最关键的部件之一。既是转子磁极的主体也是巨大离心力的受体。因此要求它具有高导磁性能和高机械强度。转子
3、铁芯一般采用整块的具有良好导磁性能的高强度合金钢锻件。并与转轴锻为一体。励磁绕组：励磁绕组由扁铜线绕成同心式线圈。护环、中心环和滑环；2、凸极式同步电机、凸极式同步电机 612 同步电动机的励磁方式同步电动机的励磁方式供给同步电机励磁电流的装置称为励磁系统。获得励磁电流的方式称为励磁方式。励磁系统的性能对电机运行有重大影响。励磁系统应满足的要求有：（1）能够稳定地提供同步电机从空载到满载以及过载时所需的励磁电流；（2）当电力系统发生故障而使电网电压下降时，励磁系统应能快速强行励磁，以提高系统的稳定性；（3）当同步电机内部发生短路故障时，为迅速排除故障并使故障局限在最小范围内，应能快速灭磁；（4
4、）励磁系统能长期可靠地运行，维护要方便，且力求简单、经济。目前采用的励磁系统可分为两大类：（1）直流发电机励磁系统。（2）通过整流装置将交流电流变为直流电流的励磁系统。1、直流发电机励磁系统、直流发电机励磁系统 直流发电机作为直流励磁机，直流励磁机与同步发电机同轴旋转，并采用并励接法。2、静止交流整流励磁系统、静止交流整流励磁系统 自励式静止半导体励磁系统原理图 他励式静止半导体励磁系统原理图 3、旋转式交流整流励磁系统、旋转式交流整流励磁系统 静止式交流整流励磁系统去掉了直流励磁机的换向器，解决了换向火花的问题，但电刷和滑环依然存在。现代大容量发电机的励磁容量很大，当励磁电流超过2000A时
5、，可引起集电环的严重过热。此时可采用旋转式交流整流励磁系统 他励式静止半导体励磁系统原理图 6.1.3 同步电机的冷却方式同步电机的冷却方式 3、水内冷发电机 主要方式为内冷式。水冷却方式面临泄漏和积垢堵塞问题。1、空气冷却发电机；采用内扇式轴向和径向混合通风系统，适用于容量为50MW以下的汽轮发电机。为确保运行安全，要求整个空气系统是封闭的。2、氢气冷却发电机；定、转子导线做成空心的，直接将氢气压缩进导体带走热量。应用中要注意解决的是防漏和防爆问题。6.1.4 额额 定定 值值 额定容量SN（额定功率PN）：额定运行时电机输出的功率；额定电压UN：额定运行时定子三相线电压；额定电流IN：额定
6、运行时定子三相线电流；额定功率因数：额定运行时电机的功率因素；额定频率；额定运行时的频率；额定转速：同步电机的同步转速；额定效率：指额定运行时的电机效率NNNNNNIUSPcos3cos交流发电机额定值间的相互关系：6.2 同步电机的运行原理同步电机的运行原理6.2.1 同步电机的基本原理 N0SNS0nT1TemN0SS0NnT1N0SS0NnTemTZ 发电机状态电动机状态6.6.2 同步发电机的空载运行 当同步发电机的转子被原动机拖动到同步转速，转子励磁而定子绕组开路或电流为零时的运行状态称为空载运行。fffFI主极漏磁通主磁通空载磁场励磁磁势转子绕组0 原动机拖动转子旋转,励磁磁场随轴
7、一起旋转并顺次切割定子各相绕组;感应电势的有效值：01044.4wkNfE 电枢绕组三相对称交变电势。通过引出线，输出交流电。)(0fIfE)(0fFffFNUfIcabde0E)(0fIfE空载特性曲线：ffIFE0025.11.10oeodUEkNu)(0fFf电机磁化曲线：饱和系数：o时空矢量时空矢量 磁密波Bf1与定子任一相交链的磁通量0是时间变量，由 感应产生的该相电势用 表示,当定子各相的时间参考轴都取在各自的相绕组轴线时，与 重合。00E01fBfFfB00ENS 励磁磁势的基波Ff1和由它产生的气隙磁密波Bf1为空间分布波，两者同相位，其正波幅处于转子直轴正方向，且与转子一起以
8、同步速旋转；相轴时轴交轴直轴电压波形正弦性畸变率ku为%100.122322mmkmmuUUUUk为了衡量电压波形中各次谐波对电讯线路的干扰，规定了电话谐波因数THF，(6-6)式中U为线电压的有效值；Un为线电压中n次谐波的有效值，为谐波的权衡系数。对于额定容量在300kVA以上者，要求ku5%，THFXq）cossinIIIIqdadxaqx直轴电枢反应电抗交轴电枢反应电抗凸极同步发电机的相量图相量图aqqddRIXI jXI jUE 0IU0EaRIdIqIqqXI jddXI j必须知道凸极同步发电机相量图的实际作法凸极同步发电机相量图的实际作法qqqXIXIQRcoscossinar
9、ctanUIRUIXaqqaQXI jRIUERQ首先求出 ：QEaqqddRIXI jXI jUE 0已知qdaXIXRU,角是励磁电动势E0与电枢电流I之间的内功率因数角。（2）考虑饱和时）考虑饱和时 对于实际的同步电机，由于交轴气隙较大，交轴磁路可以近似认为不饱和，直轴磁路则将受到饱和的影响。考虑饱和时，近似认为直轴和交轴磁场相互没有影响，应用双反应理论分别求出直轴和交轴上的合成磁动势，再用电机的磁化曲线来计及直轴磁路饱和的影响。总的电磁关系为：1fF系统I系统dI系统qIfIdFdEdE)(dF)(adF)(aqFaqadFaqEaqFE)(fFaqqadXI jXI jRIUE考虑交
10、轴磁路的不饱和，有aaqdRIUEEEEE 例6 分析下面几种情况对同步电抗有何影响：(1)铁心饱和程度增加；(2)气隙增大；(3)电枢绕组匝数增加；(4)励磁绕组匝数增加。解 因为电抗与绕组匝数的平方成正比，与其磁路的磁导成正比，同步电抗对应的是电枢绕组，所以有：(1)铁心饱和程度增加，磁导减小，同步电抗也减小；(2)气隙增大，磁导减小，同步电抗也减小；(3)电枢绕组匝数增加，同步电抗也增加；(4)励磁绕组匝数增加，如果它不改变磁路的饱和程度引起磁导变化，则同步电抗不变。例例61 一台凸极同步发电机的直轴和交轴同步电抗分别为 ，电枢电阻略去不计。试计算在额定电压、额定电流和额定功率因数 0.
11、8(滞后)时的励磁电动势 ，并画出相量图。上标*表示为标么值。解：取电压U作为参考相量，即设 则可得 6.0,0.1*qdxxNcos*0E*01.0 0U 0*8.360.1I于是电动势 000*4.1944.18.366.00.100.1jXI jUEqQ0002.568.364.19000*0*6.70832.0)4.1990(832.0832.02.56sin1sinddIII0*0*4.19555.0555.02.56cos1cosqqIII0000*04.1977.14.196.0555.06.701832.000.1*jjXI jXI jUEqqdd小结：小结：6.2.3 对称负
12、载时的电枢反应对称负载时的电枢反应d轴)(01fF)(aaF)(FA0EIadFaqF6.2.4 隐极同步发电机的负载运行隐极同步发电机的负载运行1、不考虑饱和时 为电枢反应电抗aX ：为同步电机的同步电抗，磁路不饱和时为常数。tXtaaaaaXI jRIUXI jXI jRIUEERIUE0一相的电动势平衡方程taXI jRIUE0励磁电动势和同步电抗表示的相量图和等效电路 小结小结小结小结2、隐极同步发电机考虑饱和时、隐极同步发电机考虑饱和时E 1affFIFIEF转子：定子：XI jRIUEa小结6.2.5 凸极同步发电机1、凸极同步发电机的双反应理论双反应理论aFaFaF2、凸极同步发
13、电机的负载运行(1)、不考虑饱和时fI1fF00E系统IdIqIadFaqFadadEaqaqEEXI jE小结qqddaqdaqqaddaaqqaddaXI jXI jRIUXIIjXI jXI jRIUXI jXI jXI jRIUE )(0adxaqx直轴电枢反应电抗交轴电枢反应电抗Xd：直轴同步电抗；Xq：交轴同步电抗 （XdXq）（2）考虑饱和时）考虑饱和时6.2.6同步发电机的运行特性和参数测定同步发电机的运行特性和参数测定NNNbImUSPNbUU NbII NNNbIUzz/60/21nNb1）容量基值：2）相电压基值：3）相电流基值：4）阻抗基值：5）转速基值：6）励磁电流基
14、值：（时的励磁电流 ）0ffbIINUE 0同步发电机的运行特性包括空载特性、短路特性、外特性、调整特性和效率特性。通过这些特性可以求出电机的主要参数和电压调整率、额定励磁电流、额定效率等有关的技术性能数据。和在变压器、异步电机中一样，同步电机的各物理量一般常用标么值表示，各量的基值（用下标b表示）规定如下 主要内容：主要内容：1、同步发电机的运行特性的运行特性（1）空载特性（2）短路特性（3）同步发电机的零功率因素负载特性（4）外特性（5）调整特性2、同步发电机的参数计算（1）由零功率因素特性和空载特性确定定子漏抗（2）保梯（Poier）电抗的测定（3）由空载和短路特性确定 的不饱和值（4）
15、由空载和零功率因素特性确定 的 饱和值（5）短路比（6）电压变化率和额定励磁电流（7）稳态参数的测量dxdx1、同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性（1）、空载特性）、空载特性00EU a）空载特性即为电机的磁化曲线c）延长得到feib）If的上升下降曲线不重合，规 定用下降方法，测出)(0fIfE 从 开始下降，时的励磁电流作为励磁电流基值。NUE3.10NUE 0d）空载损耗P0 在进行空载试验时，应测出原动机拖动同步发电机的功率，即为发电机的空载损耗P0,Femecppp0mecpFep：是不变损耗，转速不变：可变损耗，随 If变化，以 时的铁耗 作为发电机额定运行时的铁耗。NUE
16、0当If=0时 ，当If不等于0时 ，mecFeppp0mecpp 0(2)短路特性短路特性 短路特性是指发电机在同步转速下，电枢三相稳态短路时，电枢电流（短路电流）Ik与励磁电流If的关系曲线。磁路不饱和很小很小，FXI jEEEa0隐隐 极极IU0EaRIXI jXI ja0EaEE.IfFaFFaF0EXI jEaaEXIj结论：0090的夹角与IEIU0EaRIdIqIqqxI jddxI j凸 极0EddxI jqqxI jI结论：磁路不饱和很小很小，FXI jEEEad00090的夹角与IE 短路运行时，Ik和励磁电势E0之间的相位差仅受同步电抗和绕组本身电阻的制约，在忽略绕组电阻
17、时，Ik将滞后于E090度电角度交轴分量Iq0，其电抠反应表现为纯去磁作用。去磁作用减少了电机磁通，磁路处于不饱和状态励磁电势E0和励磁电流If之间在数量上呈线性关系。由于短路电流 ，所以Ik和励磁电流在数量也呈线性关系短路特性就是一条通过原点的直线。电机的磁通和感应电势较小，短路电流也不会过大，所以三相稳态短路运行没有危险。tkxEjI/0FOAFABFOBIxEACadfBDE0在进行短路试验时，应测出拖动同步发电机所需的功率，即为发电机的短路损耗 ，它包括机械损耗、电枢绕组基本铜耗和短路杂散损耗，后两者之和称为短路负载损耗。kpadcumeckpppp1aNmeckcumeckadRmI
18、pppppp21fadcumecFepppppp1总损耗：励磁损耗fp：测出额定负载下的额定励磁电流 ，fNIfffNfRIp/2fIkI0(3)同步发电机的零功率因素负载特性同步发电机的零功率因素负载特性 所谓负载特性是指转速为同步转速，负载电流和功率因素为常值时，发电机的端电压与励磁电流之间的关系曲线)(fIfU 1cos8.0cos0cos空载特性UfI实验方法：1、同步转速；2、接三相纯电感负载；3、同时调节If和x,保持I=IN不变，得到U=f(If）曲线。最有意义的是IN常数，的零功率因素负载特性。0cos零功率因素负载特性分析：0EExI j IXjUIfFaFFafFFFIXU
19、ECAIxEABCIUOBN常数）(UNUoCAEFBIxfI产生额定电压时的空载励磁电流克服定子漏抗所需增加的励磁电流）对应于(afaFIAF 克服去磁和压降特性三角形UNUoCAEFBIxfI克服去磁和压降特性三角形 由空载特性和特性三角形求取零功率因素负载特性由空载特性和特性三角形求取零功率因素负载特性如果从设计数据算出 和 ，就可以绘出三角形AEF。XINfaIfaadfaNFkIAF/adadaadFkFk为克服直轴去磁磁动势 所需的励磁电流。外特性表示发电机在 n=nN,If常数，的条件下，端电压U和负载电流I的关系曲线。可通过实验得到。常数cos外特性考虑电枢反应及压降4)、外特
20、性、外特性滞后8.0cos1cos超前8.0cosIUNU有此可见，为了使不同功率因数下当IIN时均能得到UUN，在感性负载下应供给较大的励磁电流，此时称发电机在过励状态下运行，而在容性负载下可供给较小的励磁电流，此时称发电机在欠励状态下运行。时为正常励磁。1cos 从外特性可以求出发电机的电压变化率。调节发电机的励磁，使额定负载时(），发电机的端电压为额定值，此时的励磁电流为额定励磁电流。然后保持励磁电流和转速不变，卸去负载，此时端电压升高的数值如用额定电压的百分数表示就称为同步发电机的电压变化率。NNIIcoscos,%100%0NNUUEU滞后8.0cos1cos超前8.0cosIUNU
21、fNI5)、调整特性、调整特性滞后8.0cos1cos超前8.0cosNUU fII调整特性分析原因当常数时常数cos,UnnN励磁电流If与负载电流I的关系曲线)(IfIf为调整特性为调整特性(1)、由零功率因素特性和空载特性确定定子漏抗、由零功率因素特性和空载特性确定定子漏抗BCCOABAOfaIACXICBNNICBX/两条特性曲线之间有一个 不变的特性三角形BC不知，但OA及 已知AOBOAAO作NU2、同步发电机的参数计算、同步发电机的参数计算(2)保梯（Poier）电抗的测定保梯电抗考虑转子漏磁的影响.短路三角形实践表明由试验测得的零功率因数负载特性与空载特性之间的特性三角形是变化
22、的 ODIf0DBEEOKIfDKNFkIfaadfa/首先考虑空载时 的情况。此励磁电流全部作为有效励磁电流来产生气隙磁通，并在定子绕组中感应出气隙电动势 ，还产生少量的主极漏磁通。当电机在纯电感负载下运行，且主极漏磁将显著增大，从而使转子磁极和磁轭两段磁路更加饱和，整个主磁路的磁阻变大。这时尽管气隙合成磁动势不变，但气隙电动势受到磁路饱和度增加的影响，其数值将有所减少。.短路三角形当考虑转子漏磁影响后，在空载特性和零功率因数负载特性之间的特性三角形是逐渐变动的。在三相稳态短路时的特性三角形称为短路三角形，而对应于额定点上所得的特性三角形称为保梯（Potier）三角形，相应的漏抗称为保梯电抗
23、Xp，保梯电抗大于漏电抗。.短路三角形保梯电抗：NPICBX（3）由空载和短路特性确定 的不饱和值dx磁路不饱和XIEk很小短路时FkIfkI0EUdkadkkadkkadXI jXXI jEXI jXI jEXI jEE)(000*000*/)/(kNkNNkNdNNdIEIIUEUIEIxUIx标么值表示：(4)由空载和零功率因素特性确定 的 饱和值dx 发电机在额定电压下运行时，磁路处于饱和状态。我们希望还是用线性磁路来分析。XI jUE严格说，随着气隙磁动势的变化，电机饱和程度变化，同步电抗的饱和值实际上是气隙磁动势的函数，对不同的运行情况都有不同的数值。但因发电机主要在额定电压下运行
24、，在不同负载电流和功率因数下，其气隙电动势值相差并不大（因为漏抗压降远小于UN），为简化分析，近似地取零功率因数负载特性上，IIN和U 运行状态的气隙磁动势作为考虑发电机额定运行时饱和程度的依据，NUdNNNNadXI jUEXI jUEE00EBL0EKTdNxIATKAATUIXIUXXNNdNNdd/*方法：作OB直线作为假想的线 性化空载特性UKLCBA0TNUfIE0EXI jUE(5)短路比短路比短路比是同步发电机的一项重要技术参数。短路比 ：在一个能产生空载电势 的励磁电流 下进行三相稳态短路实验，所得到的稳态短路电流 与发电机的额定电流 的比值。NUE 00fI0kINI0fI
25、fkI0kINkIINUUfIck)(/)()(0)(0)(0)()(00不饱和dNNuIIfkUUfUUfUUfIIfkUUfNkcxIUkIIIIIIIIkNkNNNNkN0fIck对发电机性能的影响例例63 有一台水轮发电机，PN15000kW，UN13800V（Y接法），滞后，电枢磁动势按直轴折算得励磁电流为 。电机的空载特性如下，试求额定负载下 与 的相位角 、励磁电流及电压变化率 0,24.0,62.0*RaXXq8.0cosNAwFkIfaadfa135/0EI%UE0（V）20003000630078008900955010000If（A）4580150200250300350
26、解：解：用标么值计算，设 ，则 0*00.1 U0*87.360.1I000*9.1946.162.087.360.1000.1jXI jRIUEqaQ00077.5687.369.19000*00000*9.1955.09.1977.56cos1cos1.70836.0)909.19(77.56sin190sinIIIIqd38.024.062.0*XXXqaq000*9.1914.138.09.1955.024.087.3611jjXI jXI jUEaqqd由此电动势实际值 ，查空载特性得出直轴合成磁动势 折算的励磁电流值为265A。VEd91003/1380014.1dFAIwFkIf
27、afadadfad1137.56sin135sin/0所以额定负载时励磁电流为：AIfN378113265按此值查空载特性可求得在此IfN值下卸去负载后的空载电压为E011500V，其标么值为1.27，故%27%1001127.1%U1fF系统I系统dI系统qIfIdFdEdE)(dF)(adF)(aqFaqadFaqEaqFE)(fF(7)稳态参数的测量稳态参数的测量介绍可同时测量 和 的方法转差法qxdx三相调压器n1n励磁绕组开路试验时将发动机拖到接近同步转速（）,三相绕组施加三相低电压（）。此电压不致将电机拖入同步转速，又不使剩磁电压引起太大误差。外施电压的相序使定子旋转磁场的转向与转
28、子转向相同，用示波器同时拍摄电枢电压、电枢电流以及转子感应电压的波形。%1sNU15.01.0aF转子位子感应电压轴d轴d轴q轴qmin2Umax2Umax2Imin2IqqddxI jxI jU00EmaxminminmaxIUxIUxqd为不饱和值qdxx,在现代发电站中，总是装有多台同步发电机并联运，而现代电力系统则由许多发电厂并联组成。因此研究同步发电机与电网的并联运行问题不仅有理论意义，而且对经济合理地利用动力资源和发电设备、经济稳定可靠地提高供电质量具有重要的实用价值。6.3 同步发动机的并联运行同步发动机的并联运行6.3.1 并联合闸的条件与方法1、并联合闸的条件1）相序相同；2
29、）电压波形相同；3）频率相同；4）电压大小和相位相同；同步发电机并联到电网时，为了避免在电机和电网中产生冲击电流，并由此而在电机转轴上产生冲击扭矩，应当使发电机相电动势瞬时值与端电压一直保持相等。此条件可分解为以下四条：说明2、投入并联的方法（1）准同步法）准同步法tfftffUUUUAAI)(212cos)(212sin22121212基本符合并联条件时再进行合闸操作（同步过程）交叉HzfHzf50,5212例如直接接法直接接法的接线和相量图 二、自同步法二、自同步法准同步法的优缺点：没有冲击电流，但复杂费时。自同步法：确定相序相同，将励磁绕组经电阻短路，将转子拖入接近同步转速，合闸，加励磁
30、电流。自同步法的优缺点：操作简单，迅速，但有冲击。6.3.2 同步发电机的功角特性同步发电机的功角特性 adFemecempppPP1同步发动机由原动机拖动在对称负载下稳定运行时，原动机输入的机械功率P1，扣除发动机的机械损耗 、铁耗 和附加损耗 后，得到电磁功率 。mecpadpFepemP看情况而定cufP励磁损耗或aiemRmImUIImEP2coscos由于发电机基本上是并入电网运行的，稳态运行时的电磁功率常以E0、U、及E0与U之间的夹角 （功率角）、电抗参数来表示。的关系称为稳态功角特性。)(fPem当忽略电枢绕组损耗时，sincos)sinsincos(cos)cos(cos2d
31、qemmUImUImUImUImUIPPqqddXUIXUEIsincos0IU0EdIqIqqXI jddXI jXI jE对于不饱和的凸极电机：2sin)11(2sin20dqdemXXUmXUEmP基本电磁功率附加电磁功率对于隐极机，XdXqXt，只有基本电磁功率 sin0temxUEmP说明 决定转矩的原因2sin)11(2sin20dqdemXXUmXUmEP 当转子轴线与旋转磁极的轴线重合，只有径向磁拉力，无切向磁拉力，转子无电磁转矩；转子转过一定角度，旋转磁场磁通力图通过磁阻最小的路径，气隙磁场扭曲，旋转磁场与转子间除了径向力，还有切向力，形成电磁转矩。隐极转子气隙不会扭歪，所以
32、没有电磁转矩。附加转矩的作用磁阻转矩磁阻转矩6.3.3 并网运行时有功功率调节和静态稳定并网运行时有功功率调节和静态稳定下面的讨论以隐极发电机为例，不计电枢电阻和磁路饱和的影响。把电网看作是“无穷大电网”，即U和f是恒定。1、有功功率的调节0,0emP为无功电流但IUE,0当发电机不输出有功功率时，原动机输入的功率正好与各项损耗相平衡。当增加原动机的输入功率 ，使输入转矩 增加，有：1P1TadFemecTTTT1使转子加速，超前 ，0FfFsin02temXUEmPPtemXUEmP0max2、静态稳定、静态稳定静态稳定运行的条件：00ddPddTemem 与电网并联的同步发电机当电网或原动
33、机发生微小扰动时，在扰动消失后，发电机能否回复到原先的状态下稳定运行，称为同步发电机的静态稳定问题。如能回复，是静态稳定的，反之，就是不稳定的。静态稳定极限 比整步转矩（功率）比整步转矩（功率）表示同步电动机抗干扰保持稳定运行能力的强弱。其值愈大，保持同步的能力越强，电机稳定性越好。coscos010temsyntemsynXUEmddPPXUEmddTT隐极机：凸极机：2cos)11(cos1210dqdsynXXUmXUEmT2cos)11(cos20dqdsynXXmUXUEmP为了使同步发电机能够稳定地运行，应使最大电磁功率比额定功率大一定的倍数，发电机的最大电磁功率与额定功率之比，称
34、为过载能力KM。当电枢电阻忽略不计时，PemNPN，对于隐极电机，过载能力为过载能力KMNNttNemMXUEmXUEmPPKsin1sin00max一般要求KM1.7，因此额定负载下最大允许的功率角约在350，故同步电机额定情况下的功率角一般设计在 。003525N 增大励磁和减小同步电抗（即增大短路比）可以提高同步电机的功率极限从而增大过载能力，提高额定负载时比整步功率从而增大静态稳定。例62一台 的凸极同步发电机，接在 的电网上，运行于 （滞后）下。略去定子电阻，试求：5.0 ,8.0*qdXX1*U8.0cos ,1*I（1）与 角（2）与（3）过载能力Km*0E解：（1）由图可得0*
35、54375.18.06.05.0cossinUUXItgq*emP*maxemP602.154sin8.0)3754cos(sin)cos(000*0dXIUE(2)功率的基值故电磁功率为以 代入得NNNImUP 2sin)(2sin*2*0*qdqddemXXXXUXUEP0001737548.034sin)5.08.0(5.08.02117sin8.0602.1020*emP对应于Pemmax的 角:02.72129.2)2.722sin()5.08.0(5.08.0212.72sin8.0602.1020*maxemP66.28.011129.2maxemNemMPPk(3)6.3.4
36、并网运行时并网运行时无功功率的调节和无功功率的调节和V形曲线形曲线 接到电网上的负载，多数都是电感性的，除了有功功率之外，还需要一定的无功功率。因此与电网并联的同步发电机，不仅要向电网输出有功功率，而且还要输出无功功率。下面仍以忽略电枢电阻和磁饱和影响的隐极同步电机为例，把电网看作是“无穷大电网”，即U和f是恒定。讨论原动机输入有功功率 保持不变的情况下调节励磁电流 时，其无功功率的变化情况。1PfI21210cossinCmUIPPPCXUEmPemtem当磁路不饱和，当磁路不饱和，U、Xt不变不变 常数常数，cossin0IEIU0EtXI j1coscI2sin0cE1I01E03E3I
37、02E2I1、E0较大，I滞后电压，“过励”；2、电流与电压同相时，0，cos 1，电流最小，“正常励磁”。3、I超前电压，“欠励”；4、当 与 垂直时，900，达到静态稳定极限。0EU 调节励磁电流可以调节无功功率这一现象，还可以用磁动势平衡关系来解释。发电机与无穷大电网并联时，其端电压恒为常值，所以无论励磁如何变化，电枢绕组的合成磁通不变。加励磁电流并达到“过励”时，主磁通增多，为维持电枢绕组的合成磁通不变，发电机应输出滞后电流，使去磁性质的电枢反应增加，补偿过多的主磁通。反之，减少励磁电流而变为“欠励”时，主磁通减少，为维持合成磁通不变，发电机必须输出超前电流，以减少去磁性质的电枢反应，
38、甚至使电枢反应变为增磁，以补偿主磁通的不足。作向量图，气隙电势基本不变说明V形曲线形曲线发电机在输出功率恒定、电网电压恒定时，电枢电流和励磁电流之间的关系曲线，形状如“V”，称V形曲线。每一条V形曲线的最低点，表示 ，相应的励磁状态为正常励磁。正常励磁左边为欠励区，功率因数超前；右边为过励区，功率因数滞后；在欠励区，900对应静态稳定极限。输出功率的增大，曲线往上移。1cosfII0emP1cosemPemP emPemP 090欠励过励超前滞后正常励磁6.4 同步电动机和同步调相机同步电动机和同步调相机 同步电机与其它电机一样具有可逆性，既可作发动机，也可作电动机运行。同步电动机作为一种恒速
39、电动机广泛用于拖动大功率的恒速机械负载。缺点：成本高，运行维护复杂；优点：功率因素可调。同步调相机:实质上是空载运行的同步电动机，专门用来产生无功功率，改善电网的功率因数。6.4.1 同步电动机的基本电磁关系同步电动机的基本电磁关系N0SNS0nT1TemN0SS0NnT1N0SS0NnTemTZ.I0.EtXI j.U.I09000.EtXI j.U.I0.EtXI j.U可见，当同步发电机转变为同步电动机时功率角、电磁转矩和电磁功率均将由正值变为负值，使机电能量转换过程发生逆转。1、同步电动机的电动势和向量图、同步电动机的电动势和向量图0.E.I.U.EaXXaR.I0.EtXI j.Ua
40、RI.I0.EtxI j.U发动机1、改变电流参考方向；2、改变 的定义。XI jRIEXI jRIEUata0qqddaXI jXI jRIEU0值得指出的是，在分析同步电动机电枢反应性质时，由于电枢电流的正方向已经改变，电枢电流 滞后于励磁电动势 时，电枢反应为增磁作用，电流超前于 时，为去磁作用。I0E0E2、功角特性和功率方程式、功角特性和功率方程式2sin)11(2sin20dqdemXXUmXUEmPP1PemP2pcu1pFeppf电磁功率：211cosPppppPPpmUIPfadmecFeememcu6.4.2 同步电动机的运行特性同步电动机的运行特性 同步电动机的运行特性包
41、括工作特性和无功功率的调节。1、同步电动机的工作特性、同步电动机的工作特性 同步电动机的工作特性是指，定子电压UUN，励磁电流IIf时，电磁转矩、电枢电流、效率、功率因数与输出功率之间的关系。即Tem、I、f（P2）Ncos12020PTTTTem)(cos*2Pf曲线.I0.EtxI j.cos超前滞后不同励磁时的功率因数特性 从图可见，改变励磁电流，可使电动机在任一特定负载下的功率因数达到1，甚至变成超前。同步电动机的最大电磁功率与额定功率之比，称为过载能力。和发电机一样，增加电动机的励磁（即增大E0），可以提高最大电磁功率Pem，从而提高过载能力。2 同步电机的无功功率调节同步电机的无功
42、功率调节在恒转矩负载运行时，忽略电枢绕组损耗，有22110cossinCmUIPPPCXUEmPemtem当磁路不饱和，U、xt不变 常数常数，cossin0IE 与同步发电机相似，当同步电动机在恒功率下运行时，调节其励磁电流即可改变电机的无功功率。IU0EtXI j1coscI20sincEI0EtXI j tXI j 0E I tXI j I 0E 电流与电压同相时，0，cos 1，电动机吸收有功，电流最小，“正常励磁”。励磁增大，E0增大，I增大，并超前电压，电动机吸收超前的无功功率，即发出滞后的无功功率；“过励”；励磁减小，E0减小，I增大，但落后电压，电动机吸收滞后的无功功率；“欠励
43、”；当励磁电流减小，与 垂直，900，达到静态稳定极限。0EU调节励磁电流的现象调节励磁电流的现象V形曲线形曲线电动机在输出功率恒定、电网电压恒定时，电枢电流和励磁电流之间的关系曲线，形状如“V”，称V形曲线。每一条V形曲线的最低点，表示 ，相应的励磁状态为正常励磁。正常励磁左为欠励区，功率因数滞后；右为过励区，功率因数超前；在欠励区，900对应静态稳定极限。输出功率的增大，曲线往上移。1cosfII0emP1cosemPemP emPemP 090欠励过励超前滞后正常励磁 同步电动机在负载转矩不变的情况下，调节励磁电流可以改变功率因数；在励磁电流不变的情况下，改变负载转矩，不仅有功功率发生变
44、化，无功功率也会发生变化。结结论论.I0.EtxI j.3.同步电机的起动同步电机的起动同步电动机在定子旋转磁场和转子励磁磁场同步旋转，两者相对静止时，产生平均电磁转矩。如果把同步电动机直接投入电网并加上励磁电流？N0SS0NnTemN0NS0SnTem转子受到的平均转矩为转子受到的平均转矩为0，同步电动机不能直接起动。同步电动机不能直接起动。常用的起动方法：常用的起动方法：异步起动；异步起动；辅助电机起动；辅助电机起动；变频起动。变频起动。变频起动变频起动：逐渐升高电源频率，使转子在低频起动，转速随频率的升高而升高直至达到同步转速。通过改变旋转磁场得转速产生同步转矩使转子转动。辅助电机起动辅
45、助电机起动 用容量为515、同步转速和同步电动机转速相同的异步电动机拖动同步电动机到接近同步速后，将同步电动机投入电网。适用于空载。异步起动异步起动现代的同步电动机在主极极靴上都装设阻尼绕组作起动绕组，其作用相当与感应电动机转子上的笼形绕组。异步起动时的线路图如图所示。起动时，先把励磁绕组接到约为励磁绕组电阻值10倍的附加电阻，把定子绕组直接投入电网，这时电机依靠异步电磁转矩起动起来。待转速上升到接近同步转速时接入励磁电流，使转子建立起主极磁场；于是依靠定、转子磁场相互作用产生的同步电磁转矩以及凸极效应引起的磁阻转矩，将转子牵入同步。所以异步起动过程包括“异步起动”和“牵入同步”两个阶段。异步
46、起动时，起主要作用的是由起动绕组产生的异步转矩和由励磁绕组引起的单轴转矩。前者的机械特性曲线与普通的异步电动机相同。而单轴转矩是由励磁绕组电流与气隙磁场相作用产生。异步转矩和单轴转矩的合成转矩在1/2n1附近产生明显的下凹，凹坑的最低处称为最小转矩Tmin。由于Tmin的存在，有可能将电动机转速“卡住”在半同步转速附近而不能继续升高。因此为了限制单轴转矩对起动的不利影响，必须限制励磁电流的大小。同时励磁绕组也不能开路，因为励磁绕组匝数多，起动时的高电压可能破坏励磁绕组的绝缘或引起人身事故。6.4.4 同步调相机同步调相机 电网的负载主要是变压器和异步电动机，它们都吸收感性无功功率而使电网的功率因数降低，线路损耗和压降增大，使发电设备利用率和效率降低。如能在适当地点装上同步调相机，就地供应负载所需的感性无功功率而避免长距离输送就能显著地提高电力系统的经济性和供电质量，完满地解决上述问题。1、调相机的原理和用途、调相机的原理和用途 同步调相机实为不带机械负载的同步电动机，它利用同步电动机改变励磁可以调节功率因数的原理并联运行于电网上。因为同步调相机吸收的有功功率仅供给电机本身的损耗，因此它总是在接近于零电磁功率和零功率因数的情况下运行。忽略调相机的全部损耗，则电枢电流只有无功分量（）0,qdIIItXI jEU0作业：作业：66 61869 619610 622615 624 625
