1、第6章 同步电机 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6.1.1概述同步电机与异步电机的根本区别是转子装有磁极，并通入直流电励磁，因而具有确定的极性。同步电机的运行特点是转子的转速必须与定子三相旋转磁场的转速（又称同步转速）严格同步，故同步电机由此而得名。snn 对于同步发电机，其发出的电动势频率满足对于同步发电机，其发出的电动势频率满足 60pnf对于同步电动机，其转子转速满足对于同步电动机，其转子转速满足pfn60 我国规定交流电网的标准工作频率为我国规定交流电网的标准工作频率为50Hz 50Hz，当，当p p=1=1时，时，n n=3000=3000转
2、转/分，为同步发电机最高转速分，为同步发电机最高转速。6.1.2 6.1.2 同步电机的分类同步电机的分类（1 1）按运行方式和功率转换方向，可分为：）按运行方式和功率转换方向，可分为：发电机把机械能转换为电能；电动机把电能转换为机械能补偿机基本上不转换有功功率，而专门用来调节电网的无功功率，改善电网的功率因数。补偿机又称调相机。（2 2）按原动机的类别，可分为：）按原动机的类别，可分为：汽轮发电机；水轮发电机；柴油（或汽油）发电机；风力发电机火力发电（电能的产生）火力发电（电能的产生）热电厂热电厂1 煤传送带煤传送带2 加煤机加煤机3 粉碎机粉碎机4 锅炉锅炉5 煤渣煤渣6 空气预热器空气预
3、热器 7 静电除尘静电除尘8 烟囱烟囱9 汽轮机汽轮机10 冷凝器冷凝器11变压器变压器12 冷却塔冷却塔13 发电机发电机14 输电线输电线燃燃烧烧室室燃燃料料锅炉的锅炉的炉膛炉膛循环水循环水汽轮机汽轮机发电机发电机升压变压升压变压器器超热高压蒸汽超热高压蒸汽电能输出电能输出火力发电（电能的产生）火力发电（电能的产生）火力发电火力发电励磁机励磁机汽轮机汽轮机发电机发电机水利发电站的示意图小浪底电站水轮机组安装小浪底电站水轮机组安装三峡电站首台水轮机组安装三峡电站首台水轮机组安装GF1 系列单相柴油发电机组系列单相柴油发电机组GF2 系列三相柴油发电机组系列三相柴油发电机组 一般采用一般采用旋
4、转磁旋转磁极式极式结构，根据结构，根据磁极形状可分为磁极形状可分为隐极隐极和和凸极凸极两种两种型式。型式。同步电机按结构型式同步电机按结构型式 ：旋转磁极式旋转磁极式和和旋转电枢式。旋转电枢式。凸极同步电机气隙不均匀，适合于中速或低速旋转场合隐极同步电机在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，适合于高速旋转隐极转子凸极转子凸极转子6.1.3 6.1.3 同步电机的工作原理同步电机的工作原理 原动机拖动转子以恒定速度旋转，励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组。定子绕组中将会感应出三相对称的正弦感应电动势。各相距120，从而三相电动势时间相位差120，实现机械能转换为电能。励磁绕组通以直流电流时，在电
5、励磁绕组通以直流电流时，在电机的气隙中形成极性相间的分布机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场磁场，称为励磁磁场(主磁场主磁场)。6.1.4 6.1.4 隐极同步电机的基本结构隐极同步电机的基本结构 隐极式汽轮发电机大多作隐极式汽轮发电机大多作成两极的，同步转速为成两极的，同步转速为3000r/min3000r/min（50Hz50Hz）由于转速高，所以汽轮发电由于转速高，所以汽轮发电机的直径较小，长度则较长机的直径较小，长度则较长 汽轮发电机由定子、转子、端盖及轴承等部件构成汽轮发电机由定子、转子、端盖及轴承等部件构成 1.1.定子定子 定子是由定子是由铁心、绕组、铁心、绕组、机座机
6、座以及固定这些部件以及固定这些部件的其它结构件组成的其它结构件组成 定子铁心一般采用厚度定子铁心一般采用厚度为为0.35mm0.35mm或或0.5mm0.5mm含硅含硅量较高的无取向冷轧硅量较高的无取向冷轧硅钢片分组叠压而成。钢片分组叠压而成。大型汽轮发电机定子铁心槽 2.2.转子转子 转子由转子铁心、励磁绕组、护环、中心环、滑环及风扇等部件组成 沿转子铁心表面，有一部分沿转子铁心表面，有一部分开的槽较多，那里的齿较窄，开的槽较多，那里的齿较窄，称为小齿；在另一部分没有称为小齿；在另一部分没有开槽，形成了大齿。大齿的开槽，形成了大齿。大齿的中心线就是主磁极的中心。中心线就是主磁极的中心。汽轮机
7、的励磁绕组示意图6.1.5 6.1.5 凸极同步电机的基本结构凸极同步电机的基本结构 凸极同步电机通常分为凸极同步电机通常分为卧式卧式和和立式立式两种结构。绝大两种结构。绝大多数同步电动机、调相机和用内燃机或冲击式水轮多数同步电动机、调相机和用内燃机或冲击式水轮机拖动的发电机都采用卧式结构；低速、大容量的机拖动的发电机都采用卧式结构；低速、大容量的水轮发电机和拖动大型水泵的同步电动机则采用立水轮发电机和拖动大型水泵的同步电动机则采用立式结构。式结构。1.1.卧式凸极同步电机的特点卧式凸极同步电机的特点 卧式凸极同步电机的转子由卧式凸极同步电机的转子由主磁极、磁轭、励磁绕组主磁极、磁轭、励磁绕组
8、、阻尼绕组、集电环和转轴、阻尼绕组、集电环和转轴等部件组成。分述如下：等部件组成。分述如下：主磁极主磁极 磁轭磁轭 励磁绕励磁绕 集电环集电环 转轴转轴注意：注意：书书P228图图6-6有错有错阻尼绕组 阻尼绕组和异步电机的笼型结构相似，是用裸铜条阻尼绕组和异步电机的笼型结构相似，是用裸铜条插入极靴的槽中，然后在两端用铜环（称为端环）插入极靴的槽中，然后在两端用铜环（称为端环）焊接在一起。在焊接在一起。在同步发电机同步发电机中，阻尼绕组起中，阻尼绕组起抑制转抑制转子机械振荡子机械振荡的作用；在的作用；在同步电动机和同步补偿机同步电动机和同步补偿机中中，阻尼绕组在电机起动时可产生异步起动转矩，主
9、，阻尼绕组在电机起动时可产生异步起动转矩，主要作为要作为起动绕组用起动绕组用。2.2.立式凸极同步电机的特点立式凸极同步电机的特点 大型水轮发电机通常都是立式结构，水轮机的转速低，极对数就很多、电机直径大、轴向长度短，外形短粗，呈扁盘形。立式水轮发电机分为悬式和伞式两种形式：1)悬式水轮发电机将推力轴承安装在转子上部，运行稳定，适用于转速高的水轮发电机组。2)伞式水轮发电机将推力轴承安装在转子底部，轴向长度小，可以降低厂房高度，用于低速水轮发电机组。6.1.6 6.1.6 同步电机的运行状态同步电机的运行状态 在稳态运行状态下，转子也是同步转速，所以定子旋转磁场也是同步转速，两者保持相对静止。
10、同步电机有三种运行状态：发电机、电动机和补偿机（又称调相机）。同步电机运行于哪一种状态，主要取决于气隙合成磁场与转子主极磁场之间的夹角，此角称为功率角。同步电机的三种状态NSSNn0n0理想空载状态理想空载状态转子主极磁场转子主极磁场超前超前于于合成气隙磁场合成气隙磁场转子主极磁场与转子主极磁场与合成气隙磁场轴线合成气隙磁场轴线重合重合转子主极磁场转子主极磁场滞后滞后于于合成气隙磁场合成气隙磁场0=001.直流励磁机励磁6.1.7 6.1.7 同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式 2 2 静止整流器励磁静止整流器励磁 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(或用
11、永磁发电机)。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管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给主发电机的励磁。配置集电环配置集电环静动动注意：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主发电机旋转的励磁绕组。对于大容量的同步发电机，其励磁电流达到数千安培，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，在大容量的同步发电机中使得集电环严重过热。因此，在大容量的同步发电机中，将主励磁机作成旋转电枢式（，将主励磁机作成旋转电枢式（见见P225P225图图6-26-2电枢交流电枢交流输出本身是旋转的输出本身是旋转的），并将整流器也固定在
12、转轴上一起），并将整流器也固定在转轴上一起旋转，省去集电环。旋转，省去集电环。省去集电环省去集电环动动动动省去集电环省去集电环动动动动6.1.8 同步电机的额定值1.1.额定电压额定电压 U UN N：线电压的额定值。：线电压的额定值。2.2.额定电流额定电流 I IN N：线电流的额定值。：线电流的额定值。3.3.额定功率额定功率 P PN N：输出功率的额定值。：输出功率的额定值。4 4、额定容量额定容量 S SN N ：额定运行时输出的容量。：额定运行时输出的容量。5.5.额定转速额定转速 n nN N ：额定运行时的转速。：额定运行时的转速。6.6.额定功率因数额定功率因数 cos c
13、os N N ：额定运行时的功率因数。：额定运行时的功率因数。7.7.额定励磁电压额定励磁电压 U UfN,fN,额定励磁电流额定励磁电流 I IfN fN：保证输出额定值时需要的励磁量。保证输出额定值时需要的励磁量。注意关于额定功率：同步发电机同步发电机是指额定运行时是指额定运行时输出的电功率输出的电功率；同步电动机同步电动机是指额定运行时轴上是指额定运行时轴上输出的机械功率输出的机械功率；补偿机补偿机是指额定运行时是指额定运行时输出的无功功率输出的无功功率以以kvarkvar或或MvarMvar表示表示 。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6.2.1
14、6.2.1 空载时同步发电机的磁场空载时同步发电机的磁场 用原动机把同步发电机拖动到同步转速，励磁用原动机把同步发电机拖动到同步转速，励磁绕组通入直流励磁电流，而电枢（定子）绕组开路绕组通入直流励磁电流，而电枢（定子）绕组开路的运行状态，称为同步发电机的空载运行。的运行状态，称为同步发电机的空载运行。这时电枢（定子）电流为零，电机气隙中仅有这时电枢（定子）电流为零，电机气隙中仅有由励磁（转子）电流所建立的主极磁场由励磁（转子）电流所建立的主极磁场0 0。而由。而由励磁电流单独产生的磁动势励磁电流单独产生的磁动势F Ff f和磁场和磁场0 0 ，称为励，称为励磁磁动势和励磁磁场磁磁动势和励磁磁场
15、 （又称主极磁场）（又称主极磁场）（1 1）空载运行时的物理情况空载运行时的物理情况当转子以同步转速旋转时，定子绕组内将感应三相对称电动势，其频率和有效值分别为：011044.4wkfNE60spnf 2.2.同步电机的空载特性同步电机的空载特性E0=f(I f)因为因为Ff If E0 0 所以可反映所以可反映 0=f(F f)0 0较小时，磁路不饱和，较小时，磁路不饱和，空载曲线是一条直线；空载曲线是一条直线；随随 o o的增大，铁心逐渐饱和，的增大，铁心逐渐饱和，空载曲线弯曲。空载曲线弯曲。气隙线气隙线：不计铁心磁阻的空载特性曲线。不计铁心磁阻的空载特性曲线。气隙线空载载特00,Eo0f
16、Iff,FINU6.2.2 6.2.2 同步发电机的电枢反应同步发电机的电枢反应 当同步发电机带上三相对称负载后，电枢中有三相对称电流通过，产生同步旋转磁动势Fa，并与转子保持同步。气隙合成磁动势由电枢磁动势以及主极磁动势共同产生主磁极基波磁动势主磁极基波磁动势afFFF1 电枢磁动势对主极磁动势的影响称为电枢反应，电枢磁动势对主极磁动势的影响称为电枢反应，电枢反应的性质（增磁、去磁和交磁）主要取电枢反应的性质（增磁、去磁和交磁）主要取决于决于FaFa和和Ff1Ff1之间的相对位置关系之间的相对位置关系 现定义一个新变量：内功率因数角定义为激磁电动势E0与负载电流I之间的相位关系 由于E0落后
17、Ff190，而负载电流I与Fa同相，故 能放映能放映FaFa和和F Ff1f1之间的关系之间的关系下面我们根据负载性质讨论下面我们根据负载性质讨论介绍时-空矢量图的绘制方法 同步电机中需要定义坐标轴定义:直轴（纵轴或d轴）：主磁极轴线位置；交轴（横轴或q轴）：与直轴成90度电角度的位置；相轴：一般取A相绕组的轴线为参考轴；时轴：通常令时间参考轴与空间参考轴重合。介绍时-空矢量图的绘制方法 I步骤：步骤：逆时针为正方向逆时针为正方向 由于由于EaEa落后落后0 09090，FaFa与与I I同相，而同相，而I I与与EaEa同相，故电枢磁动势同相，故电枢磁动势FaFa恰好恰好在交轴上，此时称为在
18、交轴上，此时称为交轴电枢反应交轴电枢反应。交轴电枢磁动势不仅使气隙合成磁交轴电枢磁动势不仅使气隙合成磁动势的幅值有所动势的幅值有所增大增大，而且使气隙，而且使气隙合成磁动势的轴线位置从空载时直合成磁动势的轴线位置从空载时直轴处逆转子转向（因在发电机中主轴处逆转子转向（因在发电机中主磁极超前电枢磁极）后移了一个锐磁极超前电枢磁极）后移了一个锐角角，使主极磁动势，使主极磁动势超前超前气隙合成磁气隙合成磁动势。动势。1 1）=0=0 时的电枢反应时的电枢反应逆时针为正方向逆时针为正方向逆时针为正方向逆时针为正方向转子磁势和电枢磁势一转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向同作用在直轴上，方向相反，电
19、枢反应为纯去相反，电枢反应为纯去磁作用，合成磁势的幅磁作用，合成磁势的幅值减小。这一电枢反应值减小。这一电枢反应称为称为直轴去磁电枢反应直轴去磁电枢反应。2 2）=90=90 时的电枢反应时的电枢反应3 3）=-90=-90 时的电枢反应时的电枢反应 此时此时FfFf与与FaFa同相，转子磁势同相，转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相同，电枢反应为上，方向相同，电枢反应为纯增磁作用，合成磁势的幅纯增磁作用，合成磁势的幅值加大，这一电枢反应称为值加大，这一电枢反应称为直轴增磁电枢反应直轴增磁电枢反应 逆时针为正方向逆时针为正方向4）一般情况下时的电枢反应 0 90并
20、且有saaa0XI jRIUXI jXI jRIUE补充：补充：等效电路三相对称三相对称取一相分析取一相分析向量图saaa0XI jRIUXI jXI jRIUE逆时针为正方向逆时针为正方向区分学习同步电机三个重要角度1.1.负载阻抗角负载阻抗角U U与与I I中间的夹角中间的夹角2.2.内功率因数角内功率因数角 E E0 0与与I I之间的夹角之间的夹角3.3.功角功角(功率角功率角)E E0 0与与U U之间的夹角之间的夹角.6.3.2 6.3.2 考虑饱和时的电压方程和相量图考虑饱和时的电压方程和相量图 实际的同步电机往往运行在接近饱和的区域。考实际的同步电机往往运行在接近饱和的区域。考
21、虑磁饱和时，由于磁化曲线的非线性，叠加原理不再虑磁饱和时，由于磁化曲线的非线性，叠加原理不再适用。适用。主磁路上的基波合成磁动势：主磁路上的基波合成磁动势：E由于磁路饱和由于磁路饱和不能简单等于不能简单等于a0 EE该过程要借助空载特性完成该过程要借助空载特性完成电压方程电压方程：或或6.4 6.4 凸极同步发电机的电压方程、相量图和等效凸极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路电路 6.4.1 6.4.1 双反应理论双反应理论 凸极同步电机的气隙通常是不均匀的，气隙各处的磁凸极同步电机的气隙通常是不均匀的，气隙各处的磁阻不相同。极面下气隙较小，所以极面下的磁阻较小阻不相同。极面下气隙较小，所
22、以极面下的磁阻较小、直轴磁导较大；两极之间气隙较大，所以两极之间、直轴磁导较大；两极之间气隙较大，所以两极之间的磁阻较大、交轴磁导较小。的磁阻较大、交轴磁导较小。IEXEFIaaaaa 电枢反应可用电枢反应可用XaXa直接表达出来直接表达出来 为了便于分析和计算，勃郞德（为了便于分析和计算，勃郞德（BlondelBlondel）引入双反）引入双反应理论。双反应理论分析过程是应理论。双反应理论分析过程是:双反应理论双反应理论电枢基波磁势电枢基波磁势F Fa a分解为直轴上的直轴分解为直轴上的直轴电枢反应磁势分量电枢反应磁势分量F Fadad和交轴上的交轴电枢反应磁势分和交轴上的交轴电枢反应磁势分
23、量量F Faqaq双反应理论：把电枢的基波磁动势把电枢的基波磁动势FaFa分解成直轴磁动势分解成直轴磁动势FadFad和交和交轴磁动势轴磁动势FaqFaq两个分量，再分别求出直轴和交轴电两个分量，再分别求出直轴和交轴电枢反应磁通以及它们的感应电动势，然后把它们叠枢反应磁通以及它们的感应电动势，然后把它们叠加起来。这种考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把加起来。这种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电枢反应分成直轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，称为法，称为双反应理论。双反应理论。电枢磁势和电枢电流的分解cossinaaqaadFFFF电枢磁势的分解电枢磁势
24、的分解sincosdqIIII电枢电流的分解电枢电流的分解6.4.2 6.4.2 不考虑饱和时的电压方程、相量图和等效电路不考虑饱和时的电压方程、相量图和等效电路电枢电压方程式：电枢电压方程式：与隐极同步发电机类似addadXI jEaqqaqXI jE直轴反应电抗直轴反应电抗交轴反应电抗交轴反应电抗代入代入考虑考虑aqqadda0XI jXI jXI jRIUE）（）（aqqaddaXXI jXXI jRIUqqddaXI jXI jRIU=addXXX 直轴同步电抗直轴同步电抗交轴同步电抗交轴同步电抗aqqXXX 不考虑饱和时的相量图不考虑饱和时的相量图0 qI0 E 0 UdIqdjXI
25、 IaRIddjXIqqddaXI jXI jRIU=0E逆时针为正方向逆时针为正方向可得到该向量图可得到该向量图内功率因数角内功率因数角：只是分析中的一个辅助量，只是分析中的一个辅助量，并不能事先给定并不能事先给定 ，需根，需根据其他参数求出来据其他参数求出来为求解内功率因数角引入虚拟电动势引入虚拟电动势 的概念的概念QE注意：本概念与课程的分析计算题相关！注意：本概念与课程的分析计算题相关！虚拟电动势没有任何物理意义，它只是方便大虚拟电动势没有任何物理意义，它只是方便大家计算内功率角的一个中间变量家计算内功率角的一个中间变量定义：定义：cossinarctan aq IRUIXU 0 qI
26、0 E UdIqj XI IaRI）（qddjXXIQE qaQXI jRIUE等效电路等效电路该等效电路在计算凸极同步电机在电网中的运行性能该等效电路在计算凸极同步电机在电网中的运行性能和功角时常常用到。和功角时常常用到。相关计算实例见书相关计算实例见书P244P244例例6-16-1 I U QEqXaR6.4.3 6.4.3 考虑饱和时的电压方程和相量考虑饱和时的电压方程和相量图图考虑磁饱和时，叠加原理不再适用，此时气隙合成磁考虑磁饱和时，叠加原理不再适用，此时气隙合成磁场将取决于主极和电枢两者的合成磁动势。场将取决于主极和电枢两者的合成磁动势。Fad和和Faq折算到励磁绕组折算到励磁绕
27、组的等效方波励磁磁动势的等效方波励磁磁动势 虑到交轴方面的气隙较大，交轴磁路基本是线性的，因此与不计饱和时相类似aqqaqXI jE6.5 6.5 同步发电机的功率方程和转矩方程同步发电机的功率方程和转矩方程 P1-p-pFe-p =Pe Pe-pcua=P2 6.5.1 6.5.1 同步发电机的功率方程同步发电机的功率方程 若励磁损耗由另外的直流电源供给 原动机从转子上输入P1的机械功率，减去机械损耗p、定子铁损pFe（转子铁心中磁场恒定，无铁耗）和附加损耗p后，通过电磁感应（经气隙）变成电磁功率传递给定子。再从定子中减去定子铜损耗极为输出功率。定子铜耗；电磁功率；输出功率cos 22 m
28、U I PRmIpPacuae其能量流程图为6.5.2 6.5.2 同步发电机的电磁功率同步发电机的电磁功率对于凸极电机0 qI0 E UdIqj XI IaRI）（qddjXXIQE 由图可见由图可见对于隐极电机对于隐极电机6.5.3 6.5.3 同步发电机的转矩方程同步发电机的转矩方程e01TTTs11PTseePTsFe0pppT输入转矩输入转矩空载转矩空载转矩电磁转矩电磁转矩 P1-p-pFe-p =Pe 在两边同除以s，并变形6.7 6.7 同步发电机与电网的并联运行同步发电机与电网的并联运行 同步发电机作单机运行时，随着负载的变化，同步发电机的频率和端电压将发生相应的变化，供电的质
29、量和可靠性较差。为了克服这些缺点，现代电力系统（电网）通常总是由许多发电厂并联组成，每个电厂内又有多台发电机在一起并联运行。同步发电机与电网并联运行有许多优点：同步发电机与电网并联运行有许多优点：（1）提高了供电的可靠性 一台发电机发生故障不会引起停电事故，也便于各发电机轮流检修。（2）提高了供电的经济性和灵活性 在用电高峰期和低谷期，可以灵活地决定投入并联的发电机数量，提高发电机的效率。（3）提高了供电质量 负载变化对整个电网电压、频率影响甚微。6.7.1 6.7.1 并联运行的条件和方法并联运行的条件和方法（1 1）投入并联的条件）投入并联的条件1 1）发电机的频率）发电机的频率f f与电
30、网的频率与电网的频率f f相同，即相同，即 f ff f。2 2）发电机与电网的电压波形相同。）发电机与电网的电压波形相同。3 3）发电机的励磁电动势）发电机的励磁电动势E E0 0应与电网电压应与电网电压U U的幅的幅 值大小相等。值大小相等。4 4）并联合闸瞬间，发电机与电网对应相的电压）并联合闸瞬间，发电机与电网对应相的电压 应同相位。应同相位。5 5）发电机与电网的相序要相同。）发电机与电网的相序要相同。第五个条件必须满足，其余条件允许稍有出入。第五个条件必须满足，其余条件允许稍有出入。详细分析如下：详细分析如下：1 1）发电机的频率）发电机的频率f f应与电网频率应与电网频率f f一
31、致一致 若二者不同，E0和U1之间便有相对运动，两相量之间的夹角在0 360之间变化，电压差U（=E0-U1）忽大忽小，时而作为发电机运行，时而作为电动机运行，不易进行投入操作，即使强行投入后，也不易牵入同步，在发电机和电网之间引起电流和功率的震荡。2 2）发电机与电网电压的波形一致）发电机与电网电压的波形一致 如果波形不一致，说明在二者中高次谐波的含量不同，势必会引起高次谐波环流，增加损耗，温度升高，发电机寿命缩短。3 3、4 4）发电机的励磁电动势）发电机的励磁电动势E E0 0应与电网电压应与电网电压U U的幅值的幅值大小相等。同时二者的相位应同相位大小相等。同时二者的相位应同相位 若二
32、者不等或相位不同，同样会在发电机和电网之间产生环流，严重时可达（58）IN，引起附件损耗。5 5）发电机与电网的相序要相同。）发电机与电网的相序要相同。若相序不同相当于在发电机的输出端加了一组负序电压，造成电流和转矩的巨大冲击（必须满足）（2 2）同步发电机投入并联的方法同步发电机投入并联的方法 为了投入并联所进行的调节和操作过程，称为为了投入并联所进行的调节和操作过程，称为整步过整步过程程。实用的整步方法有两种，一种称为实用的整步方法有两种，一种称为准确同步法准确同步法，另一，另一种称为种称为自同步法自同步法。1)1)准确同步法：直接接法和交叉接法准确同步法：直接接法和交叉接法直接接法直接接
33、法（灯光熄灭法）（灯光熄灭法）：电机各端与电网同相端对电机各端与电网同相端对应，应，设发电机与电网二者的相序一致，如下图所示，应设发电机与电网二者的相序一致，如下图所示，应按相同的方向旋转。按相同的方向旋转。接线图向量图 若二者的频率不同，则二者的相电压相量之间便有相对运动，加在三个指示灯上的电压同时忽大忽小的变化，三个指示灯也就时亮时暗（若三个指示灯轮流亮暗，则表明二者的相序不同，应当改变发电机的接法），调节发电机的转速，直到三个指示灯不再闪烁，表明二者的频率相同。再调节电压的大小和相位直到三个灯熄灭，且电压表的指示为零，说明达到了并联的条件，即可投入并联。接线图向量图交叉接法（灯光旋转法）
34、交叉接法（灯光旋转法）：灯1的接法不变，灯2和灯3交叉连接。若二者频率不等，则三个灯交替亮暗，调节发电机的电压和相位，使灯1灭，灯2、3亮度相同，且A、A之间的电压表的指示为零，就表明已符合并联条件。准确同步法的优点：没有电流冲击。缺点：整步手续较复杂时间长2)自同步法1）首先校验发电机的相序，2）按规定方向（与定子旋转磁场方向一致）把发电机拖动到非常接近同步转速，3）励磁绕组经限流电阻短路，如图,4）把发电机投入电网，并立即加上直流励磁，6.7.26.7.2、与电网并联时同步发电机的功角特性、与电网并联时同步发电机的功角特性 现代电网的电压和频率基本不受负载的影响而保持稳定，这种恒压、恒频的
35、交流电网称“无穷大电网”，发电机并联到无穷大电网上后，其频率和电压将受到电网的制约。1）功角特性 由于中大型发电机的电枢电阻远小于同步电抗，可以忽略，此时：0()eEcU cPf河北科技大学电气工程学院 式中：为负载的功率因数角，为功率角 由下图可知：故上式可改写成：cosePmUI0 000cos()(coscossinsin)ePmUImUI 又因为：又因为：或：或：sinqqI XUsinqUIqX河北科技大学电气工程学院代入上式得：0sincosddqUI XEUIqX 或20E U11sin()sin22edqdUPmmXXX上式中第一项称为基本电磁功率，第二项称为附加电磁功率，因它
36、与励磁（E0）无关，且仅当Xd=Xq时才存在，故又称磁阻功率。其功角特性如下图0180时，对应发电机状态，电磁功率为正-180 0时，对应电动势状态，电磁功率为负。河北科技大学电气工程学院由式（6-35）可知：基本电磁功率在=90最大，而=45 时第二项最大，总的视在功率在=4590之间时电磁功率达到最大。具体位置视22max01max11()sin22E UsinqdeedUmXXPqPmX通过Pe对求导可得：河北科技大学电气工程学院 此时：2max11arccos()0.588qq(max)maxmax(1max)sin(1 2 cos)eePqP对隐极同步发电机：对隐极同步发电机：Xd=
37、Xq=Xs,Xd=Xq=Xs,则：则：0sinedE UPmX对凸极同步发电机：对凸极同步发电机：sinQeqEUPmX河北科技大学电气工程学院2 2、功率角的空间含义、功率角的空间含义具有双重意义：具有双重意义：1 1）是时间相量）是时间相量E E0 0和和U U之间的夹角。之间的夹角。2 2）是空间矢量）是空间矢量F F1 1和和F F之间的夹角之间的夹角（简化后得到的）。（简化后得到的）。对对正负的规定：正负的规定：沿转子旋转方向，沿转子旋转方向，E E0 0超前超前U U时，时，为正，为发电状为正，为发电状态；否则态；否则为负，为电动状态。为负，为电动状态。6.7.3有功功率的调节和静
38、态稳定（1）有功功率的调节 为分析简单，忽略电枢电阻和磁饱和的影响。当同步发电机并网后，发电机处于空载状态（E0=U，I0=0），此时 ，Pe=0，=0.若增大励磁电流，使E0U，此时虽有电流I，但它是无功电流，故仍有=0，如图所示。P1=ppFep 要使发电机有功率输出，就必须增大输入功率P1，即增大输入转矩T1,使发电机的转子瞬时增速，转子主磁场超前于气隙合成磁场，相应的E0就超前于U一个角，如图所示，发电机有功率输出，P2Pe=mE0Usin/Xs,同时转子上受到一个制动性的电磁转矩Te，当大到一定时，Te正好与剩余转矩（T1-T0）相等时，发电机不再加速，转子稳定在同步转速下，也不再变
39、化。此时：可见要增加发电机的输出功率，就必须增大输入功率，对应的就增大，当=90时，电磁功率最大，此时：sXUEm0emaxP此值就是同步发电机输出的功率极限。T10e-=TTTT PT=P1（-p-pFe-p）=P e=mE0Usin/Xs0（2）静态稳定 定义：当干扰出现后，发电机的状态要发生变化，当干扰消失后，发电机能否快速恢复到原状态的能力。如图所示，设原工作在A点，功率角为A,且0A0时，即090，发电机是稳定的，越接近90，稳定度越差0dco sedPE UmdX2）当dPe/d90，发电机是不稳定的6.8.6 同步电动机的起动 同步电动机的电磁转矩是由定子（电枢）同步电动机的电磁
40、转矩是由定子（电枢）电流建立的旋转磁场与转子（主极）磁场电流建立的旋转磁场与转子（主极）磁场相互作用而产生的，相互作用而产生的，仅仅在两者相对静止仅仅在两者相对静止时，才能得到恒定的电磁转矩时，才能得到恒定的电磁转矩。NSSNn0n0电动机状态电动机状态同步电动机启动时的问题 起动时，在把定子直接投入电网，转子加上直流励磁的瞬间，定起动时，在把定子直接投入电网，转子加上直流励磁的瞬间，定子三相电流所产生的旋转磁场以同步转速旋转，而转子磁场静止子三相电流所产生的旋转磁场以同步转速旋转，而转子磁场静止不动，不动，这时定、转子磁场之间具有相对运动这时定、转子磁场之间具有相对运动，所以不能产生恒定，所
41、以不能产生恒定方向的电磁转矩，故同步电动机不能起动。方向的电磁转矩，故同步电动机不能起动。电磁转矩的方向倾向于拖动转子逆时针方向旋转。但是，由于机电磁转矩的方向倾向于拖动转子逆时针方向旋转。但是，由于机械惯性，转子还未转起来，定子磁场已转了械惯性，转子还未转起来，定子磁场已转了180180，转子有倾向，转子有倾向于顺时针转动，结果作用在转子上的电磁转矩快速地正、负交变于顺时针转动，结果作用在转子上的电磁转矩快速地正、负交变，转子承受了一个交变的脉振转矩，其平均转矩为零，故同步电，转子承受了一个交变的脉振转矩，其平均转矩为零，故同步电动机不能自行起动。动机不能自行起动。同步电动机常用的起动方法
42、1.辅助电动机起动法三相同步电动机三相同步电动机 磁极对数：磁极对数：p功率：功率：PN辅助电动机辅助电动机磁极对数：磁极对数：p功率：功率：(10%15%)PN 异步机异步机同步机同步机同步电动机接近同步转速时，合主闸，并立即给同步电动机励磁，同步电动机自己被电网拉入同步。2.变频起动法3 变频电源变频电源 Q f 由零由零逐渐缓逐渐缓慢增加慢增加50 HzNSSN缺点：需要配备缺点：需要配备和电动机功率所和电动机功率所匹配的变频器匹配的变频器3.异步起动法起动起动运行运行起动过程：起动过程：(1)异步起动：异步起动：励磁绕组不能开路、短路，需接限励磁绕组不能开路、短路，需接限流电阻：流电阻：RS(8 12)Rf(2)牵入同步牵入同步笼型起动笼型起动绕组绕组3 Q1 Uf RSQ2电刷电刷滑环滑环
