同步电机ABB模版

1、 ABB ATDM 2005-05-05 Page 1 ABB 6.1 6.1 同步电机的基本工作原理与结构同步电机的基本工作原理与结构 6.2 6.2 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行 6.36.3同步发电机的电枢反应同步发电机的电枢反应 6.4 6.4 同步发电机的负载运行同步发电机的负载运行 6.56.5同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行 6.66.6同步电动机和同步调相机同步电动机和同步调相机 思考题与习题 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, ,因其转速恒等于同步速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，也可用作电动机和调相机时得名

2、。同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和调相 机。本章主要分析同步发电机的稳态运行原理和运行特性，简机。本章主要分析同步发电机的稳态运行原理和运行特性，简 要分析同步电动机和调相机的运行状态。要分析同步电动机和调相机的运行状态。 ABB ATDM 2005-05-05 Page 2 ABB .1同步电机的基本工作原理与结构 .1.1 同步电机的基本结构 以汽轮发电机为例以汽轮发电机为例: : 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( (

3、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 ABB ATDM 2005-05-05 Page 3 ABB 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 A B C 返回 ABB ATDM 2005-05-05 Page 4 AB

4、B 返回 ABB ATDM 2005-05-05 Page 5 ABB 1 1、汽轮发电机结构、汽轮发电机结构 （1 1）定子铁心）定子铁心 返回 ABB ATDM 2005-05-05 Page 6 ABB 返回 ABB ATDM 2005-05-05 Page 7 ABB 1 1、汽、汽 轮发电轮发电 机结构机结构 返回 ABB ATDM 2005-05-05 Page 8 ABB 2 2、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 ABB ATDM 2005-05-05 Page 9 ABB 2 2、水轮发电机结构、水

5、轮发电机结构转子结构转子结构 10000kW10000kW水轮机转子水轮机转子 ABB ATDM 2005-05-05 Page 10 ABB 1.发电环节各种电机 引进引进600MW汽轮发电机汽轮发电机 ABB ATDM 2005-05-05 Page 11 ABB 国产国产300MW汽轮发电机汽轮发电机 ABB ATDM 2005-05-05 Page 12 ABB 国产国产200MW汽轮发电机定子汽轮发电机定子 ABB ATDM 2005-05-05 Page 13 ABB 国产国产200MW汽轮发电机定子铁心汽轮发电机定子铁心 ABB ATDM 2005-05-05 Page 14 A

6、BB 现场运行的水轮发电机现场运行的水轮发电机 ABB ATDM 2005-05-05 Page 15 ABB .1同步电机的基本工作原理与结构 .1.2 同步电机的基本工作原理与分类 一、同步发电机的基本工作原理一、同步发电机的基本工作原理 大小大小： 0110 4 44 w E.fN k 频率频率： 60 pn f 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 . . n 0 E 相序相序：由转子的转向决定。：由转子的转向决定。 波形

7、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 ABB ATDM 2005-05-05 Page 16 ABB U2 U1 W2 V1 W1 V2 N S n 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 ABB ATDM 2005-05-05 Page 17 ABB 二、同步电机的分类二、同步电机的分类 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

8、。 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/ /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。 ABB ATDM 2005

9、-05-05 Page 18 ABB .1.3 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： 3 NNNNNN PScosU Icos )(kVU N 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。 NN PS 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

10、上输出的机械功率，单位是KWKW。调相。调相 机用机用KVAKVA或或KvarKvar表示。表示。 )(AI N 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. fN fN N N N U I n f 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 N cos ABB ATDM 2005-05-05 Page 19 ABB .2 同步发电机的空载运行 f I f F0 f 0 E 电磁关系：电磁关系： 0110 4 44 w E.fN k 空载特性：空载特性： 同步发电机被原动机拖动到同步转速，励磁绕组中通入直流同步发电机被原动

11、机拖动到同步转速，励磁绕组中通入直流 电流电流 ，定子绕组开路的运行称为，定子绕组开路的运行称为空载运行空载运行。 f I 空载电动势空载电动势 大小：大小： 0 E 0 0 Nf nn ,I,Ef(I ) ABB ATDM 2005-05-05 Page 20 ABB .3 同步电机的电枢反应 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，取决于电枢磁动势基波 和励

12、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. . 0 E I f F a F 励磁磁势和电枢磁势的区别 基波波基波波 形形 大小大小位置位置转速转速转向转向 励磁磁动势励磁磁动势正弦波正弦波 恒定，由励磁恒定，由励磁 电流决定电流决定 由转子位置决由转子位置决 定定 由原动机的转速决由原动机的转速决 定定 由原动机决由原动机决 定定 电枢反应磁电枢反应磁 动势动势 正弦波正弦波 恒定，由电枢恒定，由电枢 电流决定电流决定 由电流瞬时值由电流瞬时值 决定决定 由磁极对数和电流由磁极对数和电流 频

13、率决定频率决定 由电流相序由电流相序 决定决定 ABB ATDM 2005-05-05 Page 21 ABB .3.1 时的电枢反应 0 0 d轴轴 q轴轴 U轴轴 U1U1U2U2 W2W2 V1V1 W1V2 NS W轴轴 V轴 f F a F F 0 90 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. . 0 E I 0 90 角为角为 之间夹之间夹与与 af FF aqa FF 为为记记 ABB ATDM 2005-05-05 Page 22 ABB d轴轴 q轴轴 U轴轴 U1U1U2U2 W2W2 V1V1 W1V2

14、NS W轴轴 V轴 f F .3.2 时的电枢反应 0 90 空载电动势空载电动势 超超 前电枢电流前电枢电流 0 E I 0 90 电枢反应性质：电枢反应性质： 直轴去磁电枢反应 a F 0 90 角为角为 之间夹之间夹与与 af FF ada FF 为为记记 ABB ATDM 2005-05-05 Page 23 ABB d轴轴 q轴轴 U轴轴 U1U1U2U2 W2W2 V1V1 W1V2 NS W轴轴 V轴 f F 6.3.36.3.3 时的电枢反应时的电枢反应 0 90 空载电动势空载电动势 滞后滞后 电枢电流电枢电流 0 E I 0 90 电枢反应性质：电枢反应性质： 直轴助磁电枢

15、反应 a F 0 90 角角为为 之之间间夹夹与与 af FF ada FF 为为记记 ABB ATDM 2005-05-05 Page 24 ABB d轴轴 q轴轴 U轴轴 U1U1U2U2 W2W2 V1V1 W1V2 NS W轴轴 V轴 f F 6.3.4 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, , 00 900 0 E I a F 0 90 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 0 90 角角为为 之之间间夹夹与与 af FF ABB ATDM 2005-05-05 Page 25 ABB 此种情况下此种情况下 dq d

16、 q III II sin II cos -直轴分量直轴分量 -交轴分量交轴分量 0 0 90成与EId 同相位与 0 EIq aadaq ada aqa FFF FF sin FF 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 ABB ATDM 2005-05-05 Page 26 ABB 6.3.4 一般情况下的电枢反应（总结） 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

17、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 负载性负载性 质质 对电机的影响 电枢反 应性质 记作记作夹角夹角 位置位置 aF afFF aF aqF adF aqadFF adF aqadFF F 0 0 0 90 0 90 00 900 00 090 0 90 )f( n U ABB ATDM 2005-05-05 Page 27 ABB 6.3.5 电枢反应与机-电能量转换 电枢反应是同步电机在负载运行时的重要物理现象，它不电枢反应是同步电机在负载运行时的重要物理现象，它不 仅是引起端电压变

18、化的主要原因，而且也是电机实现机仅是引起端电压变化的主要原因，而且也是电机实现机-电能电能 量转换的枢纽。量转换的枢纽。 .T ， em 电电磁磁转转矩矩转转轴轴上上产产生生制制动动性性质质的的 在在励励磁磁电电流流共共同同作作用用交交轴轴的的电电枢枢反反应应磁磁场场与与 .II ,IE , qq 的的有有功功分分量量可可以以认认为为是是产产生生的的同同相相的的势势 与与空空载载电电动动交交轴轴电电枢枢反反应应磁磁动动势势是是时时当当 0 0 0 输出的有功功率越大，有功分量电流就越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，大，交轴电枢反应越强， 越大，这就越大，这就 要求原

19、动机输入更大的驱动转矩，维持电要求原动机输入更大的驱动转矩，维持电 机的转速不变。机的转速不变。 em T ABB ATDM 2005-05-05 Page 28 ABB .II, IE,）( d d 的的无无功功分分量量是是可可以以认认为为的的 产产生生的的成成与与直直轴轴电电枢枢反反应应磁磁动动势势是是时时或或当当 0 0 00 909090 说明发电机带感性说明发电机带感性( (或容性或容性) )无无 功负载时功负载时, ,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）电枢反应对气隙但是直轴去磁（或助磁）电枢反应对气隙 磁场有去磁（或助磁）作用，致使电压下降磁场有

20、去磁（或助磁）作用，致使电压下降 （或上升）。为维持电压恒定所需的励磁电流（或上升）。为维持电压恒定所需的励磁电流 也需要相应增加（或减小）。也需要相应增加（或减小）。 直轴电枢反应磁场与励磁直轴电枢反应磁场与励磁 电流共同作用电流共同作用, ,在励磁绕组上产在励磁绕组上产 生电磁力生电磁力, ,但不能形成电磁转矩但不能形成电磁转矩. . ABB ATDM 2005-05-05 Page 29 ABB 一般情况下，发电机既带有功负载，又带感性无功负一般情况下，发电机既带有功负载，又带感性无功负 载，有功电流的变化影响发电机的转速及频率，无功电流载，有功电流的变化影响发电机的转速及频率，无功电流

21、 的变化影响发电机的电压。的变化影响发电机的电压。 综上所述，交轴电枢反应的存在是实现机综上所述，交轴电枢反应的存在是实现机电能量转电能量转 换的关键。换的关键。 为了保持发电机的频率和电压的稳定，必须随负载变为了保持发电机的频率和电压的稳定，必须随负载变 化及时调节发电机的输入功率和励磁电流。化及时调节发电机的输入功率和励磁电流。 ABB ATDM 2005-05-05 Page 30 ABB 6.4.1 凸极同步发电机的电动势方程和相量图 .4 同步电机的负载运行 一、凸极同步发电机的电动势方程一、凸极同步发电机的电动势方程 电磁关系：电磁关系： f I f F0 f 0 E d I ad

22、 F ad ad E q I aq F aq aq E E I 不计磁路饱和时有下列关系不计磁路饱和时有下列关系 addad aqqaq EjI X EjI X EjIX 由于由于 qd III 且令且令 dad qaq XXX XXX 则电动势平衡方程则电动势平衡方程 0addqq EUIRjI XjI X d q X 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 分别表征在对称负载下，单位直轴或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。枢每一相绕组中感应的电动势。 ABB ATDM 2005

23、-05-05 Page 31 ABB 二、凸极同步发电机的相量图二、凸极同步发电机的相量图 作图步骤作图步骤 ;IU)( 和 和根根据据已已知知条条件件绘绘出出1 ;I EEXI jRIUE)( QQqaQ 的的夹夹角角与与 及及作作出出根根据据 2 ;III)( qd 和和分分解解成成角角将将根根据据3 .EOG,G ,XI jXI jM ,XI jXI jRIUE)( ddqq qqdda 0 0 4 线线段段即即得得连连接接端端 得得到到末末及及点点依依次次作作出出从从 根根据据 ABB ATDM 2005-05-05 Page 32 ABB 6.4.2隐极同步发电机的电动势方程、相量图

24、和等效电路 一、电动势方程一、电动势方程 电磁关系：电磁关系： f I f F0 f 0 E a a E E I a F 不计磁路饱和时有下列关系不计磁路饱和时有下列关系 令令 ta XXX 电动势平衡方程电动势平衡方程 0at EUIRjIX t X-同步电抗同步电抗 aa EjIX EjIX 表征在对称负载下，单位三相电流表征在对称负载下，单位三相电流 产生的电枢总磁场在电枢每一相绕组中产生的电枢总磁场在电枢每一相绕组中 感应的电动势。感应的电动势。 ABB ATDM 2005-05-05 Page 33 ABB 二、等效电路和相量图二、等效电路和相量图 等效电路等效电路 相量图相量图 根

25、据相量图可求出根据相量图可求出 22 0at EUcosR IU sinX I t a X IU sin arctan R IU cos ABB ATDM 2005-05-05 Page 34 ABB 当忽略电枢回路电阻时得到的等效电路称为当忽略电枢回路电阻时得到的等效电路称为简化等简化等 效电路效电路, ,对应的相量图称为对应的相量图称为简化相量图简化相量图 思 考 题 汽轮同步发电机带汽轮同步发电机带阻性阻性、纯感性纯感性、纯纯 容性容性、电感性电感性、电容性电容性负载时的简化负载时的简化 相量图？并说明各种情况下相量图？并说明各种情况下电枢反应电枢反应 的性质？的性质？ ABB ATDM

26、 2005-05-05 Page 35 ABB 6.4.3 同步发电机特性 一、空载特性一、空载特性 定义定义： 100 0 f nn ,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

27、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。 ABB ATDM 2005-05-05 Page 36 ABB 二、短路特性二、短路特性 定义定义： 1 0 Sf nn ,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 短路特性与短路特性与 空载特性配合可空载特性配合可 以求出电机的同以求出电机的同 步电抗。步电抗。 ABB ATDM 2005-05-05 Page 37 ABB 三、外特性三、外特性 定义定义： 1f nn ,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性负载

28、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。 ABB ATDM 2005-05-05 Page 38 ABB 四、调节特性四、调节特性 定义定义： 1f nn ,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

29、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

30、率的分配更合理一些。无功功率的分配更合理一些。 ABB ATDM 2005-05-05 Page 39 ABB 并联运行的含义 .5 同步电机的并联运行 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 0 c c c S UC fC Z 将两台或更多台发电机分别接在电力系统对应母线上，或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。供电。 并联运行的优点并列方法 1

31、.1.准同期法准同期法 2.2.自同期法自同期法 ABB ATDM 2005-05-05 Page 40 ABB 6.5.1 并联运行的条件 一、准同期并列的条件一、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相同与电网电压相位相同；待并发电机电压相位相同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

32、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 ABB ATDM 2005-05-05 Page 41 ABB 1. 1. 电压大小不等电压大小不等 此时此时,ab,ab两端有电位差两端有电位差 gc UUU 在电位差的作用下发电机产生在电位差的作用下发电机产生 冲击电流，即冲击电流，即 gc c

33、dd UU U I jxjx 冲击电流为无功冲击电流为无功 分量，不会加重原动分量，不会加重原动 机的负担，但会在电机的负担，但会在电 枢绕组中产生很大的枢绕组中产生很大的 冲击力，使电枢绕组冲击力，使电枢绕组 端部受冲击力的作用端部受冲击力的作用 而变形。而变形。 ABB ATDM 2005-05-05 Page 42 ABB 2. 2. 相位不同相位不同 如如图图反反相相和和若若,UU cg 电位差可达发电机电位差可达发电机 电压的两倍，若此时并电压的两倍，若此时并 列，会产生很大的冲击列，会产生很大的冲击 电流，发电机会因遭受电流，发电机会因遭受 巨大的冲击力而损坏。巨大的冲击力而损坏。

34、 如如图图稍稍超超前前若若,UU cg 冲击电流的影响：冲击电流的影响：1)1)电枢绕组端电枢绕组端 部受部受力力变形变形; 2); 2)转轴上受冲击转轴上受冲击 转矩转矩的作用的作用, ,使机轴扭曲变形使机轴扭曲变形; ;) ) 电枢绕组电枢绕组发热发热. . 此时此时,ab,ab两端有电位差两端有电位差 gc UUU ABB ATDM 2005-05-05 Page 43 ABB 3. 3. 频率不同频率不同 。UU cg 同同为为大大小小相相等等而而角角速速度度不不和和 。 、U 变变化化的的拍拍振振电电压压 时时小小时时大大为为瞬瞬时时值值的的幅幅值值有有规规律律 转轴上时而产生制动转

35、矩、时而产转轴上时而产生制动转矩、时而产 生驱动转矩，结果是电机振动。生驱动转矩，结果是电机振动。 拍振电流使电枢绕组端拍振电流使电枢绕组端 部受力变形，使电枢绕部受力变形，使电枢绕 组发热。组发热。 ABB ATDM 2005-05-05 Page 44 ABB 频率差过大电机不能并列；频率差较小时，靠频率差过大电机不能并列；频率差较小时，靠自整步 作用，可以把发电机拉入同步。作用，可以把发电机拉入同步。 .cg cac c gcg ff ， II ，U U,ff 直直到到 使使转转子子减减速速矩矩 转转轴轴产产生生制制动动转转 对对的的有有功功分分量量 冲冲击击电电流流前前 超超时时当当

36、.cg ca c cg ff， ， I I ,ff 直直到到速速 使使转转子子加加矩矩 轴轴产产生生驱驱动动转转 对对转转功功分分量量 的的有有击击电电流流 冲冲时时当当 ABB ATDM 2005-05-05 Page 45 ABB 4. 4. 相序不同相序不同 .,U U,UU, g cg 流流而而危危及及电电机机它它将将产产生生巨巨大大的的冲冲击击电电等等于于 恒恒恒恒差差与与因因为为此此时时能能并并列列相相序序不不同同的的发发电电机机绝绝不不 3 1200 发电机实际并列时，除了相序必须一致外，其它条件允发电机实际并列时，除了相序必须一致外，其它条件允 许有一定的偏差，如许有一定的偏差

37、，如U U不超过不超过10%10%，相位差不超过，相位差不超过10%10%，频率，频率 偏差不超过偏差不超过0.2%0.5%0.2%0.5%（0.10.25Hz)0.10.25Hz)。 二、自同期法二、自同期法 相序正确前提下，起动未加励磁的发电机，当其转速接近同相序正确前提下，起动未加励磁的发电机，当其转速接近同 步速时，合上同步开关，将发电机并网，然后加上发电机励磁步速时，合上同步开关，将发电机并网，然后加上发电机励磁 将发电机牵入同步。并网前，励磁绕组需经限流电阻闭合。将发电机牵入同步。并网前，励磁绕组需经限流电阻闭合。 ABB ATDM 2005-05-05 Page 46 ABB 6

38、.5.2 有功功角特性及有功功率调节 .5 同步电机的并联运行 一、功率和转矩平衡一、功率和转矩平衡 110 212 emmecFead emcu PP( PPP)PP PPPPmUI cos 输入输入 功率功率P1 机械损机械损 耗耗pmec 附加损附加损 耗耗p pad ad 铁损铁损pFe 电磁功电磁功 率率Pem 定子铜损定子铜损 pcu1 输出功输出功 率率P P2 2 ABB ATDM 2005-05-05 Page 47 ABB 60 2 1 101 n PPP em 角速度两边同时除以同步机械在 01 111 em PPP 可得转矩平衡方程为可得转矩平衡方程为 10em TTT

39、 10em TTT 或 上式说明，电机稳定运行时，驱动性质的原动机转矩与制上式说明，电机稳定运行时，驱动性质的原动机转矩与制 动性质的电磁转矩和空载转矩之和平衡。动性质的电磁转矩和空载转矩之和平衡。 ABB ATDM 2005-05-05 Page 48 ABB 二、有功功率功角特性二、有功功率功角特性 定义定义： tqd 、X、XX 0 E f I )(fP em 并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率一定、并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率一定、 参数（参数（ ）为常数、空载电动势）为常数、空载电动势 不变（即不变（即 不变）时，不变）时， 为有功功率功角特性。为有功功

40、率功角特性。 凸极发电机的有功功率功角特性凸极发电机的有功功率功角特性 2 0 2 11 2 2 em dqd E UU PPmUIcosmsinmsin XXX 隐极发电机的有功功率功角特性隐极发电机的有功功率功角特性 0 em t E U PmUI cosmsin X ABB ATDM 2005-05-05 Page 49 ABB 水轮发电机有功功水轮发电机有功功 率功角特性曲线率功角特性曲线 水轮发电机的有功水轮发电机的有功 功率功角特性分两部分功率功角特性分两部分: : 基基本本电电磁磁功功率率 sin X UE mP d em 0 附加电磁功率的特点附加电磁功率的特点: : ;时附加

41、电磁功率最大 0 45 ;E 无关附加电磁功率与 0 .XX qd 产生的附加电磁功率是由于 附附加加电电磁磁功功率率 2 11 2 2 sin) XX ( U mP dq em ABB ATDM 2005-05-05 Page 50 ABB 汽轮发电机的功角特汽轮发电机的功角特 性曲线性曲线 汽轮发电机的有功功汽轮发电机的有功功 率功角特性的特点率功角特性的特点: : ;sin P) em 成成正正比比 的的正正弦弦函函数数与与功功角角电电磁磁功功率率 1 ; X UmE P ,) t maxem 0 0 902 功率达到极限值时 . ,P,) em 动机运行 电机转为电为负值 0 1803

42、 ABB ATDM 2005-05-05 Page 51 ABB 1 1、是电动势、是电动势 和电压和电压 间的时间相位角间的时间相位角; ; 0 E U fFuF或称是励磁磁势或称是励磁磁势 和合成磁势和合成磁势 间的空间夹角。间的空间夹角。 2 2、是感应电动势、是感应电动势 的主磁通和产生电压的主磁通和产生电压 的电枢等效假想磁通之间的夹角。的电枢等效假想磁通之间的夹角。 0 E U 0 u 。 FF, )(, 、,U, ufu auuu 间间的的空空间间夹夹角角 之之与与定定子子合合成成磁磁极极极极之之间间的的夹夹角角即即为为转转子子磁磁由由因因此此所所产产生生 简简称称定定子子合合成

43、成磁磁极极个个等等效效合合成成磁磁极极并并假假定定它它是是由由定定子子的的一一合合成成 和和由由产产生生的的是是假假定定发发电电机机的的端端电电压压是是一一个个虚虚拟拟磁磁通通 0 0 功角功角 的双重物理意义的双重物理意义 ABB ATDM 2005-05-05 Page 52 ABB 用图示功角的双重物理意义用图示功角的双重物理意义 ABB ATDM 2005-05-05 Page 53 ABB ）。（， ，。 ),(UE, 制动转矩制动转矩极一个反作用力极一个反作用力定子合成磁极给转子磁定子合成磁极给转子磁转转 磁极同步旋磁极同步旋转子磁极拖动定子合成转子磁极拖动定子合成稳定运行时稳定运

44、行时角角磁极轴线一个磁极轴线一个 合成合成转子磁极轴线超前定子转子磁极轴线超前定子超前超前在发电机运行时在发电机运行时 0 0 0 转子因有原动机的驱动转矩克服定子合成磁极的制 动转矩而作功,实现机电能量转换,将由原动机输入的 机械能转变为电能输出。 可见，功角是研究同步发电机运行状态的一个重要参数，可见，功角是研究同步发电机运行状态的一个重要参数， 它不仅决定了发电机输出有功功率的大小，而且还反映发电它不仅决定了发电机输出有功功率的大小，而且还反映发电 机转子的相对空间位置，通过它把同步电机的电磁关系和机机转子的相对空间位置，通过它把同步电机的电磁关系和机 械运动紧密联系起来。械运动紧密联系

45、起来。 ABB ATDM 2005-05-05 Page 54 ABB 发电机空载运行时，原动机输入的功率用来平衡各种损耗，发电机空载运行时，原动机输入的功率用来平衡各种损耗， 此时此时 ，定、转子磁极轴线重合，它们之间只有径向力而，定、转子磁极轴线重合，它们之间只有径向力而 无切向力，所以无切向力，所以 ，在功角特性的，在功角特性的0 0点上。点上。 0 0 0 0 em P em P 0 。a,TT ，TP ，TT，P ),( em emem em 点点如如图图为为止止 直直到到逐逐渐渐增增大大和和电电磁磁转转矩矩功功率率 逐逐渐渐变变大大输输出出增增大大入入功功率率 发发电电机机输输开开

46、大大汽汽门门增增大大原原动动转转矩矩 1 11 a a 1 P 可见，并联于无穷大电网的同步发可见，并联于无穷大电网的同步发 电机要调节有功功率输出，只需调节原电机要调节有功功率输出，只需调节原 动转矩。在功率极限角范围内，输入转动转矩。在功率极限角范围内，输入转 矩越大，有功功率输出就越大。矩越大，有功功率输出就越大。 ABB ATDM 2005-05-05 Page 55 ABB 四、静态稳定的概念四、静态稳定的概念 静态稳定：指并联在电网上稳定运行的同步发电机，当受电指并联在电网上稳定运行的同步发电机，当受电 网或原动机方面某些微小扰动时，能在这种干扰消失后，继网或原动机方面某些微小扰动

47、时，能在这种干扰消失后，继 续保持原来稳定运行状态的能力。续保持原来稳定运行状态的能力。 em P 0 a a 1 P b b 在在a a点运行时电机具有静态稳定的能力。点运行时电机具有静态稳定的能力。 若干扰使功角若干扰使功角增大到增大到aa点，点， P Pem em和 和T Tem em 增大，迫使电机减速，功角增大，迫使电机减速，功角变小，电机变小，电机 回到回到a a点。点。 a 干扰使功角干扰使功角减小时，有同样结论。所以减小时，有同样结论。所以 a a点称为稳定运行点。点称为稳定运行点。 而而b b点为不稳定运行点，分析略。点为不稳定运行点，分析略。 ABB ATDM 2005-0

48、5-05 Page 56 ABB 静态稳定的判据：比整步功率(kW/rad) 0 em syn dP P d 对汽轮发电机，对汽轮发电机，比整步功率为比整步功率为 0em syn t dPE U Pmcos dx em P 0 syn P syn P em P 0 90 在电机稳定区域内，在电机稳定区域内， 越大，电机稳定增越大，电机稳定增 长性越好。长性越好。 syn P ABB ATDM 2005-05-05 Page 57 ABB 五、过载能力五、过载能力 汽轮发电机的过载能力汽轮发电机的过载能力 em max N P P 0 0 1 em maxt NN N t E U m Px E

49、U Psin msin x 最大电磁功率与额定功率的比值称为过载能力。最大电磁功率与额定功率的比值称为过载能力。 过载能力越大，电机的稳定性越好。过载能力是表达静态稳过载能力越大，电机的稳定性越好。过载能力是表达静态稳 定的能力，不是发电机可以过载的倍数。定的能力，不是发电机可以过载的倍数。 过载能力设计得在一点，是从提高称定观点考虑的，不是从过载能力设计得在一点，是从提高称定观点考虑的，不是从 发热观点考虑的。发热观点考虑的。 ABB ATDM 2005-05-05 Page 58 ABB 6.5.3 无功功角特性及V形曲线 一、无功功率功角特性一、无功功率功角特性 并联于无穷大电网的同步发

50、电机当电网电压和频率恒定、参并联于无穷大电网的同步发电机当电网电压和频率恒定、参 数（数（x xd d、x xq q、x xt t）为常数、空载电势）为常数、空载电势E E0 0不变（即不变（即 I If f 不变）时，不变）时， Q=f()Q=f()为无功功率功角特性为无功功率功角特性。 水轮发电机无功功率的功角特性 22 0 1111 2 22 dqdqd E UUU QmUI sinmcosmmsin xxxxx 汽轮发电机无功功率的功角特性汽轮发电机无功功率的功角特性 2 0 tt E UU QmUI sinmcosm xx ABB ATDM 2005-05-05 Page 59 AB

51、B 汽轮发电机无功功率的功角特性曲线汽轮发电机无功功率的功角特性曲线 t X U mQ 2 t 0 X U)U(E mQ Q 0 0 1 E U cos 0 90 几个特殊点几个特殊点: : 0 0 1 E U cos 0Q 0 90 ABB ATDM 2005-05-05 Page 60 ABB QP em 1 P 1em P 1 Q a a b b 2 Q b 2em P 从能量守恒观点看，并从能量守恒观点看，并 网运行的同步发电机调节无网运行的同步发电机调节无 功功率，不需调节原动机来功功率，不需调节原动机来 的输入功率，只需改变励磁的输入功率，只需改变励磁 电流。电流。 调节 前， a

52、emaem Q，QPP f I bemaembem Q，QPPP 增大 后 f I 调节调节 不影响发电机的有功功率输出不影响发电机的有功功率输出, ,但影响电机的稳定性能。但影响电机的稳定性能。 f I 调节无功时不影响有功功率的输出调节无功时不影响有功功率的输出, ,但是调节有功时影响无功功但是调节有功时影响无功功 率输出率输出. . ABB ATDM 2005-05-05 Page 61 ABB 三、相量分析三、相量分析 1.1.正常励磁正常励磁 0100,cos,P,Q U I 0 E t XI j 2.2.过励磁过励磁 01 E 1 t XI j 1 1 I )Q(Q P),(cos

53、, CL 或吸发 滞后00 3.3.欠励磁欠励磁 t XI j 2 02 E 2 2 I )Q(Q P),(cos, LC 或吸或吸发发 超前超前00 3 03 E 3 I t XI j 3 ABB ATDM 2005-05-05 Page 62 ABB 四、四、V形曲线形曲线 并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率不变时，表并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率不变时，表 示电枢电流示电枢电流 和励磁电流和励磁电流 的关系曲线的关系曲线 称为称为“V V”形形 曲线。曲线。 I f I)f(II f 发电机运行时，发电机运行时，定子电流定子电流和和励磁电流励磁电流是运行人员主要监视的

54、是运行人员主要监视的 两个物理量，这两个量关系到定子绕组和励磁绕组的温度，又两个物理量，这两个量关系到定子绕组和励磁绕组的温度，又 牵涉到功率因数的超前或滞后以及运行的稳定性问题。牵涉到功率因数的超前或滞后以及运行的稳定性问题。 对于一个给定的有功功率输出就有一条对于一个给定的有功功率输出就有一条V V形曲线，有功功率形曲线，有功功率 越大，曲线向上移，因此可是以得到一簇越大，曲线向上移，因此可是以得到一簇“V V”形曲线。形曲线。 ABB ATDM 2005-05-05 Page 63 ABB 励磁 正常 I f I 0 1cos 欠励过励 e emememm PPPP 区域 不稳定 0 9

55、0 0 em P em P em P em P ABB ATDM 2005-05-05 Page 64 ABB V形曲线的特点 2.2.不稳定区域边缘：不稳定区域边缘：=90=900 0，连线向右倾斜连线向右倾斜; ; 1.1.每条曲线的最低点每条曲线的最低点, , ,定子电流最小定子电流最小, ,且全为有功电流且全为有功电流，这些点的，这些点的连线向右倾连线向右倾 斜；斜； 1cos 3.3.每条曲线上的电流变化量每条曲线上的电流变化量I I 为无功分量为无功分量; ; 4.4.励磁电流从零开始增大时，定子电枢电流变化规律为先减小后增大。励磁电流从零开始增大时，定子电枢电流变化规律为先减小后

56、增大。 表明要输出纯有功功率，必须相应增加一些励磁电流。表明要输出纯有功功率，必须相应增加一些励磁电流。 表明输出有功功率越多，维持稳定所需的励磁电流也越大。 ABB ATDM 2005-05-05 Page 65 ABB 6.6.1 同步电动机 .6 同步电动机和同步调相机 一、同步电机的可逆原理一、同步电机的可逆原理 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。 同步电机的运行是可逆同步电机的运行是可逆 的，既可以用作发电机，还

57、的，既可以用作发电机，还 可以用作电动机。可以用作电动机。 ABB ATDM 2005-05-05 Page 66 ABB 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。电机处于空载运行状态。 ABB ATDM 2005-05-05 Page 67 ABB 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 Pem em变为负值 变为负值。卸动原动机，卸动原动机， 电机

58、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。 ABB ATDM 2005-05-05 Page 68 ABB 二、同步电动机的基本方程二、同步电动机的基本方程 按照发电机惯例，同步电动机可以看成是一台输出负的有功按照发电机惯例，同步电动机可以

59、看成是一台输出负的有功 功率的发电机，其电动势方程与发电机的方程相同，以隐极机功率的发电机，其电动势方程与发电机的方程相同，以隐极机 为例：为例： 0at EUIRjIX 按照电动机惯例，把输出负电流看成是输入正电流即可，其按照电动机惯例，把输出负电流看成是输入正电流即可，其 电动势方程：电动势方程： 0MaMt UEI RjI X 隐极机：隐极机： 凸极机：凸极机： 0MaMddMqq UEI RjIXjIX 同步电动机的功角特性与发电机的也相似，用同步电动机的功角特性与发电机的也相似，用M M=-=-代替代替 即可。即可。 ABB ATDM 2005-05-05 Page 69 ABB 三

60、、同步电动机的三、同步电动机的V形曲线形曲线 与同步发电机相似与同步发电机相似, ,当同步电当同步电 动机的输入有功功率恒定而调节励动机的输入有功功率恒定而调节励 磁电流时磁电流时, ,也有三种励磁状态也有三种励磁状态, ,“正正 常励磁常励磁”时时, ,电动机没有无功功率电动机没有无功功率 输出；输出；“过励过励”时电动机从电网吸时电动机从电网吸 收容性无功（或发出感性无收容性无功（或发出感性无 功）功）; ;“欠励欠励”时电动机从电网吸收时电动机从电网吸收 感性无功（或发出容性无功）感性无功（或发出容性无功）. .也也 可以调节无功功率可以调节无功功率. . 调节励磁电流可以调节同步电动机