1、 同步电机的运行特点是转子的旋转速度与定子磁同步电机的运行特点是转子的旋转速度与定子磁场的旋转速度严格同步，由此而得名。场的旋转速度严格同步，由此而得名。设定子绕组通入频率为设定子绕组通入频率为 f 的交流电流，电机的极对的交流电流，电机的极对数为数为 p，则同步电机转速，则同步电机转速 n、通电频率、通电频率 f 和极对数和极对数 p 的的关系为关系为第九章第九章 同步电机同步电机60 fnp 我国电力系统的频率规定为我国电力系统的频率规定为 50Hz，因此同步转速与极，因此同步转速与极对数成反比，当对数成反比，当 p=1 时，转速最高，为时，转速最高，为3000r/min。极对。极对数越多
2、，转速越低。数越多，转速越低。同步电机主要用作发电机，几乎所有的电力都由同同步电机主要用作发电机，几乎所有的电力都由同步发电机发出。同步电机也可以作电动机运行，并且同步发电机发出。同步电机也可以作电动机运行，并且同步电动机能够改善电网的功率因数。步电动机能够改善电网的功率因数。第九章第九章 同步电机同步电机第九章第九章 同步电机同步电机第一节第一节 概述概述第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性第九章第九章 同步电机同步电机第五节第五节 同步电动机
3、的无功功率调节同步电动机的无功功率调节第六节第六节 同步电动机的起动同步电动机的起动第七节第七节 同步发电机原理同步发电机原理第八节第八节 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性第九节第九节 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行 同步电机结构主要由定子和转子两大部分构成。定、同步电机结构主要由定子和转子两大部分构成。定、转子之间是空气隙。转子有旋转磁极和旋转电枢两种结构转子之间是空气隙。转子有旋转磁极和旋转电枢两种结构型式，分别如图型式，分别如图9.1和图和图9.2所示。所示。（a）隐极式）隐极式图图9.1 旋转磁极式同步电机示意图旋转磁极式同步电机示意图 第一节第一节 概述概述一、结构
4、形式一、结构形式(b)凸极式凸极式适合高速适合高速旋转旋转适合中低适合中低速旋转速旋转 旋转电枢式结构只用于旋转电枢式结构只用于小容量电机，一般同步电机小容量电机，一般同步电机常采用旋转磁极式结构。常采用旋转磁极式结构。在旋转磁极式结构中，在旋转磁极式结构中，又分为又分为隐极式隐极式和和凸极式凸极式两种两种型式型式(上页图上页图9.1)，其定子部，其定子部分与三相异步电动机的完全分与三相异步电动机的完全一样。一样。图图9.2 旋转电枢式同步电机示意图旋转电枢式同步电机示意图 第一节第一节 概述概述v 额定功率因数额定功率因数 ：电机额定运行时的功率因数。：电机额定运行时的功率因数。v 额定效率
5、额定效率 ：电机额定运行时的效率。：电机额定运行时的效率。v 额定转速额定转速 ：单位为：单位为 r/min。v 额定电流额定电流 ：电机额定运行时定子的线电流，单位为：电机额定运行时定子的线电流，单位为 A。v 额定电压额定电压 ：电机额定运行时定子的线电压，单位为：电机额定运行时定子的线电压，单位为 V 或或 kV。v 额定容量额定容量 ：发电机出线端额定视在功率，单：发电机出线端额定视在功率，单 位位 VA 或或 kVA。二同步电机的额定值二同步电机的额定值NUNIcosNNNn3NNNSU I第一节第一节 概述概述v 额定功率额定功率 ：对发电机为额定输出有功电功率：对发电机为额定输出
6、有功电功率 此外，铭牌上还有额定频率此外，铭牌上还有额定频率 ，单位为，单位为 Hz；额定励；额定励磁电压磁电压 ，单位为，单位为 V；额定励磁电流；额定励磁电流 ，单位为，单位为 A。对电动机为轴上输出的额定机械功率对电动机为轴上输出的额定机械功率cos3cosNNNNNNPSU Icos3cosNNNNNNNNPSU I (9.1)(9.2)NPNffNUfNI第一节第一节 概述概述 当同步电机定子三相对称绕组接到三相对称电源当同步电机定子三相对称绕组接到三相对称电源上时，就会产生三相合成圆形旋转磁动势，又称电枢上时，就会产生三相合成圆形旋转磁动势，又称电枢磁动势，用空间向量磁动势，用空间
7、向量 表示。设其转向为逆时针，转表示。设其转向为逆时针，转速为速为同步转速同步转速。在转子励磁绕组中通入直流励磁电流在转子励磁绕组中通入直流励磁电流 ，就产生，就产生了励磁磁动势了励磁磁动势 。由于励磁磁动势。由于励磁磁动势 相对于转子是静相对于转子是静止的，止的，但转子本身以同步转速逆时针方向旋转，所以但转子本身以同步转速逆时针方向旋转，所以一同步电机的磁动势一同步电机的磁动势第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理aFfI0F0F励磁磁励磁磁动势动势 相对于定子也以同步转速逆时针方向旋相对于定子也以同步转速逆时针方向旋转。因此作用在同步电机的主磁路上的这转。因此作用在同步电机
8、的主磁路上的这两个磁动势两个磁动势均均以同步转速逆时针旋转，且以同步转速逆时针旋转，且保持同步保持同步。为简单起见，假设电机主磁路不饱和，是线性的。为简单起见，假设电机主磁路不饱和，是线性的。这样，作用在电机主磁路上的各个磁动势的影响就可以这样，作用在电机主磁路上的各个磁动势的影响就可以分别考虑，然后再采用叠加原理进行合成。分别考虑，然后再采用叠加原理进行合成。0F第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理 图图9.3 同步电机的纵轴与横轴同步电机的纵轴与横轴图图9.4 由励磁磁动势产生的磁通由励磁磁动势产生的磁通第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理 1励磁磁动势
9、励磁磁动势 从图从图9.3看出，励磁磁动势看出，励磁磁动势 作用在纵轴方向，产生作用在纵轴方向，产生的励磁磁通的励磁磁通 如图如图9.4所示。显然的磁路关于纵轴对称，所示。显然的磁路关于纵轴对称，并且并且 随着转子一起旋转。随着转子一起旋转。0F2电枢磁动势电枢磁动势 与与 同步旋转，但位置未必一致。只要同步旋转，但位置未必一致。只要 的方向不的方向不在纵轴上，由于凸极式同步电机气隙不均匀，极间的气在纵轴上，由于凸极式同步电机气隙不均匀，极间的气隙较大，极下的气隙小，磁路不对称，无法求解。隙较大，极下的气隙小，磁路不对称，无法求解。aF0FaF第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应
10、原理00F0 同步电机的电枢反应如图同步电机的电枢反应如图9.5所示，电枢磁动势所示，电枢磁动势 与励磁磁与励磁磁动势动势 的相对位置已知。为了求的相对位置已知。为了求解磁场，把电枢磁动势解磁场，把电枢磁动势 分解成分解成两个分量：纵轴（两个分量：纵轴（d轴）电枢磁轴）电枢磁动势动势 和横轴（和横轴（q轴）电枢磁动轴）电枢磁动势势 。二凸极同步电机的双反应原理二凸极同步电机的双反应原理图图9.5 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应aF0FaFadFaqF第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理adFaqFaadaqFFF (9.3)sincosadaaqaFFFF即即 作用在纵
11、轴方向，其磁路为对称磁路；作用在纵轴方向，其磁路为对称磁路；作用在作用在横轴方向，其磁路亦对称。这样，就将上述不对称磁路横轴方向，其磁路亦对称。这样，就将上述不对称磁路adFaqF即即第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理的求解的求解转化为两个独立的对称磁路的求解，问题得以简转化为两个独立的对称磁路的求解，问题得以简化。这种方法，称为化。这种方法，称为双反应原理双反应原理。双反应原理的理论基础实质上就是叠加原理。实践双反应原理的理论基础实质上就是叠加原理。实践证明，若不计饱和，应用双反应原理分析凸极同步电机证明，若不计饱和，应用双反应原理分析凸极同步电机的确可以得到令人满意的结
12、果。的确可以得到令人满意的结果。第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理（1）纵轴）纵轴图图9.6电枢反应磁动势及磁通电枢反应磁动势及磁通 由由 单独作用产生的磁通称为纵轴电枢磁通单独作用产生的磁通称为纵轴电枢磁通 ，如图，如图9.6(1)所示。所示。adFad第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理（2）横轴）横轴图图9.6电枢反应磁动势及磁通电枢反应磁动势及磁通 由由 单独作用产生的磁通称为横轴电枢磁通单独作用产生的磁通称为横轴电枢磁通 ，如图，如图9.6(2)所示。所示。aqFaq第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理生磁动势生磁动势 ,产生磁
13、动势产生磁动势 。，其中，其中 产产即把电枢电流即把电枢电流 也分解成两个分量也分解成两个分量aadaqFFFdqIIIIdIqIdIadFqIaqFsincosdqIIII仿照仿照，将电枢电流进行分解，将电枢电流进行分解(9.4)和和第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理横轴电枢磁动势横轴电枢磁动势 的大小为的大小为纵轴电枢磁动势纵轴电枢磁动势 的大小为的大小为adF3 2adNdFNk IpaqF3 2aqNqFNk Ip第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图一凸极同步电动机电压平
14、衡方程式一凸极同步电动机电压平衡方程式 同步电动机运行时，同步旋转的励磁磁通同步电动机运行时，同步旋转的励磁磁通 和电枢和电枢磁通磁通 、都要在定子绕组里感应电动势。都要在定子绕组里感应电动势。励磁磁通励磁磁通 、纵轴电枢磁通、纵轴电枢磁通 和横轴电枢磁通和横轴电枢磁通 在定子绕组里感应的电动势分别用在定子绕组里感应的电动势分别用 、和和 表示。表示。0adaq0adaq0EadEaqE图图9.7 同步电动机各电量的正方向同步电动机各电量的正方向第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图式中，式中，是定子绕组相电阻；是定子绕组相电阻；是定子绕组相漏电抗。是定
15、子绕组相漏电抗。根据图根据图9.7，由基尔霍夫定律，可以列出绕组的电压平，由基尔霍夫定律，可以列出绕组的电压平衡方程式衡方程式 011adaqEEEI RjXU1R1XaddadEjI X aqqaqEjI X(9.7)(9.5)(9.6)仿照变压器及异步电机的分析方法，将电动势变成电抗仿照变压器及异步电机的分析方法，将电动势变成电抗压降形式：压降形式：第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图 式中，式中，称为纵轴电枢反应电抗，表示了纵轴电枢反应称为纵轴电枢反应电抗，表示了纵轴电枢反应磁场在定子绕组中感应电势的能力；磁场在定子绕组中感应电势的能力；称为横轴
16、电枢反应电抗，表示了横轴电枢反应磁场称为横轴电枢反应电抗，表示了横轴电枢反应磁场在定子绕组中感应电势的能力。在定子绕组中感应电势的能力。adXaqX011dadqaqdqUEjI XjI XIIRjX0111dqdadqaqEIIRjIXXjIXX把式把式(9.6)、(9.7)、(9.4)代入到电压平衡方程式中，得代入到电压平衡方程式中，得第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图 称为称为横轴同步电抗横轴同步电抗，为常数。，为常数。式中，式中，称为称为纵轴同步电抗纵轴同步电抗，为常数；，为常数；即：即：01ddqqUEIRjI XjI X(9.8)1qaq
17、XXX1dadXXX当同步电动机容量较大时，可忽略电阻当同步电动机容量较大时，可忽略电阻 ，有：，有：1R0ddqqUEjI XjI X(9.9)第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图二隐极同步电动机电压平衡方程式二隐极同步电动机电压平衡方程式 隐极式同步电动机的气隙是均匀的，纵轴、横轴参数相隐极式同步电动机的气隙是均匀的，纵轴、横轴参数相同，即同，即cdqXXX式中式中 为为隐极同步电动机的同步电抗隐极同步电动机的同步电抗。cX电压平衡方程式为电压平衡方程式为0101dqccUEIRj IIXEIRjIX(9.10)0cUEjIX忽略电阻忽略电阻 时，
18、有：时，有：1R(9.11)第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图图图9.8 凸极式同步电动机相量图凸极式同步电动机相量图三相量图三相量图 根据式根据式(9.8)，可以作出，可以作出 领先时的凸极同步电动机的相量领先时的凸极同步电动机的相量图。如图图。如图9.8所示。图中所示。图中 与与 之之间的夹角为间的夹角为 ，为，为功率因数角功率因数角；与与 之间的夹角是之间的夹角是 ，称为，称为功率功率角角。（注意：。（注意：）UI0EU01ddqqUEIRjI XjI XId轴轴dIddjI XUqI0E1IRqqjI X第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式
19、及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图 图图9.9是是 领先时的隐极式同步电动机的相量图。领先时的隐极式同步电动机的相量图。图图9.9 隐极式同步电动机的相量图隐极式同步电动机的相量图 0101dqccUEIRj IIXEIRjIX(9.10)IcjIX1IR0EU第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图扣除定子绕组的铜损耗扣除定子绕组的铜损耗 ，则电磁功率，则电磁功率 为为一功率和转矩平衡方程式一功率和转矩平衡方程式 从电磁功率中扣除铁损耗从电磁功率中扣除铁损耗 和机械摩擦损耗和机械摩擦损耗 输出功率输出功率 。13cosPUI213CupI RMP1
20、MCuPPpmp2P20MFemMPPppPp(9.12)Fep第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性 三相同步电动机从电网吸收的有功功率为三相同步电动机从电网吸收的有功功率为式中，式中，是同步电动机的角速度。是同步电动机的角速度。式中，式中，为空载损耗，为空载损耗，。0p0Femppp120MCuCuPPpPpp因此，同步电动机的功率平衡方程式为：因此，同步电动机的功率平衡方程式为：(9.13)MPT 260n 电磁转矩为电磁转矩为第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性式中，式中，称为空载转矩。称为空载转矩。(9.14)把式把式(9.12)两边同时除以两边同时
21、除以 ，就得到同步电动机的转矩平，就得到同步电动机的转矩平衡衡方程式。方程式。即即02MpPP20TTT0T第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性即忽略定子绕组的铜损耗即忽略定子绕组的铜损耗忽略同步电动机定子电阻忽略同步电动机定子电阻 时，电磁功率时，电磁功率二功角特性二功角特性 1R13cosMPPUI3cos3cos3coscos3sinsinMPUIUIUIUI0cosddI XEUsinqqI XU根据图根据图9.8相量图，可得相量图，可得又：又：213CupI R图图9.8 凸极式同步电动机相量图凸极式同步电动机相量图第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角
22、特性 上式中，第一项与上式中，第一项与 即励磁电流即励磁电流 有关，称为有关，称为励磁电励磁电磁功率磁功率。第二项，与电动机纵轴、横轴参数不相等有关，也。第二项，与电动机纵轴、横轴参数不相等有关，也就是由凸极式转子引起的，称为就是由凸极式转子引起的，称为凸极电磁功率凸极电磁功率或或磁阻功率磁阻功率。2033sinsin22dqMddqUXXE UPXX X0EfI将上述关系代入电磁功率的表达式并化简得：将上述关系代入电磁功率的表达式并化简得：(9.15)第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性 由式由式(9.15)可知，在电动机参可知，在电动机参数一定的条件下，电磁功率数一定的条
23、件下，电磁功率 是是角度角度 的函数，即的函数，即 称称为同步电动机的功角特性，如图为同步电动机的功角特性，如图9.10曲线曲线3所示。所示。MP MPf图图9.10 凸极同步电动机的功角特性凸极同步电动机的功角特性第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性励磁电磁功率励磁电磁功率凸极电磁功率凸极电磁功率功角特性功角特性 与与 呈正弦函数关系，如图呈正弦函数关系，如图9.10中的曲线中的曲线2。当。当 时，时，与与 呈正弦函数关系，如图呈正弦函数关系，如图9.10中的曲线中的曲线1。当。当 时，时，达到最大，最大值为达到最大，最大值为 。励磁电磁功率励磁电磁功率013sinMdE
24、UPX1MP9003dE UX凸极电磁功率凸极电磁功率223sin22dqMdqUXXPX X4522MP达到最大，最大值为达到最大，最大值为 。232dqdqUXXX X第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性 隐极同步电动机可视为凸极同步电动机的特例。隐极同步电动机可视为凸极同步电动机的特例。对于隐极同步电动机，对于隐极同步电动机，电磁功率，电磁功率 与与 角角的关系为的关系为 功角特性如图功角特性如图9.10曲线曲线1所示。所示。cdqXXX03sinMcE UPXMP第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性把式把式(9.15)两边同除以机械角速度两边同除以机
25、械角速度 ，得到电磁转矩，得到电磁转矩 电磁转矩电磁转矩 与与 的函数关系称为矩角特性，与功角特性的函数关系称为矩角特性，与功角特性形状一致。如图形状一致。如图9.10曲线曲线3所示。所示。三矩角特性三矩角特性2033sinsin22dqddqUXXE UTXX XT(9.16)对于隐极同步电动机，电磁转矩为对于隐极同步电动机，电磁转矩为03sincE UTX隐极式同步电动机的矩角特性如图隐极式同步电动机的矩角特性如图9.10曲线曲线1所示。所示。(9.17)第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性图图9.10 凸极同步电动机
26、的矩角特性凸极同步电动机的矩角特性以隐极式同步电动机为例进行分析。以隐极式同步电动机为例进行分析。1.功率角功率角 在在 区间区间四稳定运行区间四稳定运行区间（a）图图9.11 隐极同步电动机的稳定运行隐极同步电动机的稳定运行0 90 在在 范围内，范围内，电机能够稳定运行。电机能够稳定运行。0 90第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性 在在 范围内，电机不能稳定运行。范围内，电机不能稳定运行。2.功率角功率角 在在 区间区间90 180（b）图图9.11 隐极同步电动机的稳定运行隐极同步电动机的稳定运行90180第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性 最大电
27、磁转矩最大电磁转矩 与额定转矩与额定转矩 之比，称为过载倍数，之比，称为过载倍数，用用 表示。即表示。即 当负载变化时，当负载变化时，角随之变化，电磁转矩角随之变化，电磁转矩 和电磁功和电磁功率率 也随之变化，以达到新的平衡，而电机的转速也随之变化，以达到新的平衡，而电机的转速 却严却严格按照同步转速旋转。所以同步电动机的格按照同步转速旋转。所以同步电动机的机械特性为一条机械特性为一条水平直线水平直线，斜率为零。，斜率为零。TMPnmTNTsin902 3.5sinmNNTT第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性 根据同步电动机的原理，根据同步电动机的原理，角为电动势角为电动势
28、 与与 之间的夹之间的夹角，显然是个时间电角度；同时，角，显然是个时间电角度；同时，角也是励磁磁动势角也是励磁磁动势 （产（产生电动势生电动势 ）与同步电动机主磁路的合成磁动势与同步电动机主磁路的合成磁动势 之间的角之间的角度，是个空间电角度。度，是个空间电角度。对应着对应着 ，近似地对应着近似地对应着 。把把合成磁动势合成磁动势 视为等效磁极，吸引着转子磁极以同步转速视为等效磁极，吸引着转子磁极以同步转速 旋转，如图旋转，如图9.12所示。所示。0F0EFU0F0EFFn0EU第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性图图9.12 等效磁极等效磁极第四节第四节 同步电动机的功角特
29、性同步电动机的功角特性 同步电机作电动机运行还是作发电机运行，要视转子同步电机作电动机运行还是作发电机运行，要视转子磁极与等效磁极之间的相对位置来决定。磁极与等效磁极之间的相对位置来决定。同步电机作同步电机作电动运行电动运行例例 9.1 一台三相四极同步电动机，额定容量一台三相四极同步电动机，额定容量 kW，额定电压，额定电压 V，额定功率因数，额定功率因数 ，额定，额定效率效率 ，定子每相电阻，定子每相电阻 ，定子绕组为，定子绕组为 Y 接接。100NP 380NUcos0.85N90%N10.05R 计算：计算：(1)额定运行时的输入功率额定运行时的输入功率 ；(2)额定运行时的电磁功率额
30、定运行时的电磁功率 ；(3)额定电磁转矩额定电磁转矩 。1PMPNT第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性解：解：(1)kW1100111.10.9NNPP(2)额定电流额定电流31111.1 10198.63cos3 380 0.85NNNPIUA额定电磁功率额定电磁功率223113111.1 3 198.60.05 10105.2MNPPI R kWMP(3)3105.2 10669.62215006060MMNPPTnNm第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性 同步电动机运行时，转速恒定，因此，从电网吸收的同步电动机运行时，转速恒定，因此，从电网吸收的有功
31、功率有功功率 基本上取决于负载转矩。当同步电动机输出的基本上取决于负载转矩。当同步电动机输出的有功功率有功功率 恒定而改变其励磁电流时，其无功功率是可以恒定而改变其励磁电流时，其无功功率是可以调节的。调节的。不计磁路饱和影响，忽略电枢电阻，则有不计磁路饱和影响，忽略电枢电阻，则有 而而 恒定，忽略空载损耗（恒定，忽略空载损耗（），则），则 为常数，即为常数，即一无功功率调节一无功功率调节1P2P2P1MPPMP第五节第五节 同步电动机的无功功率调节同步电动机的无功功率调节20MPPp 正常励磁正常励磁03Esin3coscUUIX常数0E sin常数cosI 常数图图9.13 同步电动机不同励
32、磁电流时的相量图同步电动机不同励磁电流时的相量图 即即 式式(9.19)表示电动机定表示电动机定子边的有功电流保持不变。子边的有功电流保持不变。由此作出电动机的相量图，由此作出电动机的相量图，如图如图9.13所示。所示。(9.18)(9.19)0E sin常数III0E0E0EcjI X cjIXcjI XUcos1过励过励欠励欠励第五节第五节 同步电动机的无功功率调节同步电动机的无功功率调节v 正常励磁时，同步电动机只从电网吸收有功功率，不吸正常励磁时，同步电动机只从电网吸收有功功率，不吸收无功功率。此时同步电动机就像纯电阻负载。收无功功率。此时同步电动机就像纯电阻负载。v 欠励时，电动机既
33、从电网吸收有功功率还要吸收滞后性欠励时，电动机既从电网吸收有功功率还要吸收滞后性的无功功率。此时同步电动机就像电阻电感负载，加重了电的无功功率。此时同步电动机就像电阻电感负载，加重了电网的负担。网的负担。v 过励时，电动机既从电网吸收有功功率，还要吸收领先过励时，电动机既从电网吸收有功功率，还要吸收领先的无功功率。此时同步电动机就像电阻电容负载。对改善电的无功功率。此时同步电动机就像电阻电容负载。对改善电网的功率因数有好处。网的功率因数有好处。第五节第五节 同步电动机的无功功率调节同步电动机的无功功率调节 由图由图9.13相量图可知，在电动机输出功率相量图可知，在电动机输出功率 恒定时，恒定时
34、，改变励磁电流将引起同步电动机定子电流大小和相位的变改变励磁电流将引起同步电动机定子电流大小和相位的变化。正常励磁时，定子电流最小；过励或欠励时，定子电化。正常励磁时，定子电流最小；过励或欠励时，定子电流都会增大。把定子电流流都会增大。把定子电流 与励磁电流与励磁电流 的关系，用曲线的关系，用曲线表示，如图表示，如图9.14所示。所示。二二V型曲线型曲线2PIfI第五节第五节 同步电动机的无功功率调节同步电动机的无功功率调节图图9.14 同步电动机的同步电动机的 V 形曲线形曲线欠励欠励正常励磁正常励磁过励过励不稳定区不稳定区超过超过 电动机失步电动机失步90第五节第五节 同步电动机的无功功率
35、调节同步电动机的无功功率调节 改变励磁电流改变励磁电流可以调节电动机的功率因数，这是同步可以调节电动机的功率因数，这是同步电动机最重要的特点。因为电网的负载主要是异步电动机电动机最重要的特点。因为电网的负载主要是异步电动机和变压器，它们都吸收滞后的无功功率。利用同步电动机和变压器，它们都吸收滞后的无功功率。利用同步电动机功率因数可调的特点，工作于过励状态，从电网吸收领先功率因数可调的特点，工作于过励状态，从电网吸收领先的无功功率，就可以改善电网的无功平衡状况，从而提高的无功功率，就可以改善电网的无功平衡状况，从而提高电网的功率因数、运行性能及效益。电网的功率因数、运行性能及效益。第五节第五节
36、同步电动机的无功功率调节同步电动机的无功功率调节第六节第六节 同步电动机的起动同步电动机的起动 同步电动机不能直接起动，而必须借助一定的方法使同步电动机不能直接起动，而必须借助一定的方法使它起动。它起动。同步电动机的常用起动方法有下列三种。同步电动机的常用起动方法有下列三种。1.辅助电动机起动辅助电动机起动2.变频起动变频起动3.异步起动异步起动1.辅助电动机起动辅助电动机起动 选用与同步电动机极对数相同的异步电动机作为辅助选用与同步电动机极对数相同的异步电动机作为辅助电动机。先将同步电动机励磁绕组经限流电阻短路，用辅电动机。先将同步电动机励磁绕组经限流电阻短路，用辅助电动机将其拖动至接近同步
37、转速后，将励磁绕组所串的助电动机将其拖动至接近同步转速后，将励磁绕组所串的限流电阻切除，通入直流电流，电动机自动牵入同步，并限流电阻切除，通入直流电流，电动机自动牵入同步，并切断辅助电动机电源。这种方法只适合于空载起动，所需切断辅助电动机电源。这种方法只适合于空载起动，所需设备多，操作复杂设备多，操作复杂。第六节第六节 同步电动机的起动同步电动机的起动2.变频起动变频起动 起动时，转子绕组通入励磁电流。定子绕组由变频电源起动时，转子绕组通入励磁电流。定子绕组由变频电源供电，电源频率很低，使转子开始旋转，逐步增加频率至额供电，电源频率很低，使转子开始旋转，逐步增加频率至额定值，则转子转速将随定子
38、旋转磁场转速的上升而上升，直定值，则转子转速将随定子旋转磁场转速的上升而上升，直至达到额定转速。变频起动过程平稳，性能优越，在大中型至达到额定转速。变频起动过程平稳，性能优越，在大中型同步电动机中应用越来越广泛。同步电动机中应用越来越广泛。第六节第六节 同步电动机的起动同步电动机的起动3.异步起动异步起动 为了解决起动问题，在同步电动机的转子上安装起动为了解决起动问题，在同步电动机的转子上安装起动绕组，类似于鼠笼式异步电动机的鼠笼绕组。当定子接入绕组，类似于鼠笼式异步电动机的鼠笼绕组。当定子接入电源后，产生起动转矩，电动机能够自起动。起动过程和电源后，产生起动转矩，电动机能够自起动。起动过程和
39、异步电动机的起动过程是完全一样的，当电机的转速接近异步电动机的起动过程是完全一样的，当电机的转速接近同步转速时，再加入励磁，电动机自动牵入同步。同步转速时，再加入励磁，电动机自动牵入同步。第六节第六节 同步电动机的起动同步电动机的起动第七节第七节 同步发电机原理同步发电机原理 根据电机的可逆原理，同步电机在一定条件下，也可以根据电机的可逆原理，同步电机在一定条件下，也可以作为发电机运行。作为发电机运行。以隐极同步电机为例进行说明。以隐极同步电机为例进行说明。一台隐极同步电机，从电动机状态，经过过渡状态，到一台隐极同步电机，从电动机状态，经过过渡状态，到发电机状态，分别如图发电机状态，分别如图9
40、.15(a)、9.15(b)、9.15(c)所示。所示。输入功率恰好承输入功率恰好承担其空载损耗担其空载损耗(b)过渡状态过渡状态 图图9.15 从电动机状态到发电机状态的过渡从电动机状态到发电机状态的过渡(c)发电机发电机(a)电动机电动机,00MP 0T,00T 0MP 第七节第七节 同步发电机原理同步发电机原理 隐极同步电机的电磁功率隐极同步电机的电磁功率 为为v 当当 时，时，将电功率转换为机械功率，将电功率转换为机械功率输出，电动机运行。输出，电动机运行。v 当当 时，时，将机械功率转换为电功率，将机械功率转换为电功率输出，机械功率来源于原动机。即从原动机输入机械功率，输出，机械功率
41、来源于原动机。即从原动机输入机械功率，输出电功率，发电机运行。输出电功率，发电机运行。MP03sinMcE UPX0 0T 0MP 0 0T 0MP 第七节第七节 同步发电机原理同步发电机原理一同步发电机的电压平衡方程式一同步发电机的电压平衡方程式 采用发电机惯例，正方采用发电机惯例，正方向如图向如图9.16所示，由基尔霍所示，由基尔霍夫定律，可以得到凸极同步夫定律，可以得到凸极同步发电机相绕组的电压平衡方发电机相绕组的电压平衡方程式程式(9.20)01ddqqEUIRjI XjI X图图9.16 同步发电动机物理量的正方向同步发电动机物理量的正方向第七节第七节 同步发电机原理同步发电机原理0
42、ddqqEUjI XjI X01cEUIRjIX0cEUjIX(9.21)隐极式同步发电机的的电压平衡方程式隐极式同步发电机的的电压平衡方程式(9.22)忽略电阻忽略电阻 时，有时，有(9.23)当同步发电机容量较大时，可忽略电阻当同步发电机容量较大时，可忽略电阻 ，于是，于是1R1R第七节第七节 同步发电机原理同步发电机原理 根据式根据式(9.20)，可以作出，可以作出不计饱和时凸极同步发电机不计饱和时凸极同步发电机的相量图，如图的相量图，如图9.17所示。所示。二同步发电机的相量图二同步发电机的相量图qIdIIU1IRddjI XqqjI X0EO第七节第七节 同步发电机原理同步发电机原理
43、图图9.17凸极凸极同步发电机同步发电机的相量图的相量图01ddqqEUIRjI XjI X(9.20)根据式根据式(9.22)，可以作出隐极同步发电机的相量图，如，可以作出隐极同步发电机的相量图，如图图9.18所示。所示。第七节第七节 同步发电机原理同步发电机原理UIcjIX0E1IR图图9.18 隐极同步发电机的相量图隐极同步发电机的相量图 同步发电机由原动机拖动，在对称负载下稳态运行时，由同步发电机由原动机拖动，在对称负载下稳态运行时，由原动机输入的机械功率原动机输入的机械功率 在扣除了机械损耗在扣除了机械损耗 、铁耗、铁耗 和和附加损耗附加损耗 后，转化为电磁功率后，转化为电磁功率 ，
44、功率平衡方程为，功率平衡方程为式中式中 ，为空载损耗。，为空载损耗。三功率和转矩平衡方程三功率和转矩平衡方程(9.24)(9.25)1PmpFepSpMP1()mFeSMPpppP10MPpP0mFeSpppp即即第七节第七节 同步发电机原理同步发电机原理 上式中没有考虑励磁损耗上式中没有考虑励磁损耗,认为励磁功率与原动机输入认为励磁功率与原动机输入功率无关。若励磁机与发电机同轴运转，则功率无关。若励磁机与发电机同轴运转，则 还应扣除励还应扣除励磁机吸收的功率后才能得到磁机吸收的功率后才能得到 。电磁功率电磁功率 是通过电磁感应作用由气隙合成磁场传递是通过电磁感应作用由气隙合成磁场传递到发电机
45、定子的电功率。在扣除了电枢绕组铜耗到发电机定子的电功率。在扣除了电枢绕组铜耗 后，就是发电机输出的电功率后，就是发电机输出的电功率 ，即，即1PMP213CupI RMP2P第七节第七节 同步发电机原理同步发电机原理 式中，式中，为原动机提供的拖动转矩；而为原动机提供的拖动转矩；而 为空载阻转矩，为空载阻转矩，制动性质；制动性质；为电磁转矩，也是制动性质。为电磁转矩，也是制动性质。10TTT(9.27)1T0TT 式式(9.25)同时除以发电机角速度同时除以发电机角速度 ，就得到了同步发电机，就得到了同步发电机的转矩平衡方程，即的转矩平衡方程，即2MCuPPp(9.26)第七节第七节 同步发电
46、机原理同步发电机原理四功角特性四功角特性 根据图根据图9.17相量图，忽略电枢绕组电阻相量图，忽略电枢绕组电阻 ，可推导出凸极，可推导出凸极同步发电机功角特性：同步发电机功角特性：1R203()3Esinsin22dqMddqUXXUPXX X(9.28)式中，第一项称为励磁电磁功率，第二项称为凸极电磁式中，第一项称为励磁电磁功率，第二项称为凸极电磁功率或磁阻功率，是功率或磁阻功率，是 由由 d、q 轴磁路不对称产生的。轴磁路不对称产生的。第七节第七节 同步发电机原理同步发电机原理对于隐极同步发电机，对于隐极同步发电机，电磁功率，电磁功率 为为(9.29)dqcXXX03EsinMcUPXMP
47、 隐极同步发电机只有励磁隐极同步发电机只有励磁电磁功率，其功角特性如图电磁功率，其功角特性如图9.19曲线曲线1所示。所示。图图9.19同步发电机的功角特性同步发电机的功角特性第七节第七节 同步发电机原理同步发电机原理 凸极同步发电机功角特性凸极同步发电机功角特性如图如图9.19曲线曲线3所示。其中，励所示。其中，励磁电磁功率为曲线磁电磁功率为曲线1，凸极电磁，凸极电磁功率为曲线功率为曲线2。第八节第八节 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性 同步发电机在对称负载下的运行特性是确定电机主要同步发电机在对称负载下的运行特性是确定电机主要参数、评价其性能的基本依据，可由实验方法测得。同步参数、
48、评价其性能的基本依据，可由实验方法测得。同步发电机运行特性包括发电机运行特性包括:v空载特性空载特性v短路特性短路特性v负载特性负载特性v外特性外特性v调节特性调节特性一一.空载特性空载特性 同步发电机运行在同步转速，不带负载。改变励磁电流，同步发电机运行在同步转速，不带负载。改变励磁电流，空载电动势随之变化的关系称为空载特性。空载电动势随之变化的关系称为空载特性。由于铁磁材料有磁滞现象，实验测定时，上升和下降的曲由于铁磁材料有磁滞现象，实验测定时，上升和下降的曲线不会重合。因此，一般采用从线不会重合。因此，一般采用从 开始至开始至 的下的下降曲线，如图降曲线，如图9.20中上部的曲线所示。中
49、上部的曲线所示。01.2NUU0fI 第八节第八节 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性图图9.20 空载特性空载特性剩磁电动势剩磁电动势校正值校正值实测曲线实测曲线校正曲线校正曲线第八节第八节 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性 短路特性是指同步发电机运行在同步转速，定子三相短路特性是指同步发电机运行在同步转速，定子三相绕组短路，绕组短路，电枢短路电流电枢短路电流 与励磁电流与励磁电流 的关系。如图的关系。如图9.21所示。所示。KIfI图图9.21短路特性短路特性二二.短路特性短路特性第八节第八节 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性合成磁动势合成磁动势图图9.22 稳态短路
50、时相量图稳态短路时相量图第八节第八节 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性 由于端电压为零，电枢由于端电压为零，电枢电阻远小于电抗，因此，短电阻远小于电抗，因此，短路电流滞后感应电势近似为路电流滞后感应电势近似为90，基本上为纯感性。电枢，基本上为纯感性。电枢磁动势基本上就是去磁作用磁动势基本上就是去磁作用的直轴磁动势，即的直轴磁动势，即 。aadFF0adFFF合成电合成电动势动势 由于由于 只与漏抗压降平衡，数值不大，对应的气隙合只与漏抗压降平衡，数值不大，对应的气隙合成磁通成磁通 也就很小，电机磁路处于不饱和状态。当短路电也就很小，电机磁路处于不饱和状态。当短路电流增加时，电枢磁动势
