同步电机(第六章)课件

1、第六章第六章 同步电机的稳态分析同步电机的稳态分析同步机：同步机：pfnns60 本章讨论内容：同步电机的基本结构，工作原理，本章讨论内容：同步电机的基本结构，工作原理，电磁过程；基本平衡方程；运行特性以及同步发电机与电磁过程；基本平衡方程；运行特性以及同步发电机与电网并联运行；同步机的不对称运行。电网并联运行；同步机的不对称运行。运行方式：同步电动机运行方式：同步电动机; 同步发电机同步发电机; 同步补偿机同步补偿机一、同步电机的基本结构一、同步电机的基本结构同步电机旋转电枢式旋转磁极式机）气隙不均匀（水轮发电凸极式（多用于汽轮发电机）忽略齿槽影响气隙均匀隐极式1、隐极同步电机、隐极同步电机

2、汽轮发电机一般都是两极：汽轮发电机一般都是两极：分转/300060pfnns定子绕组定子绕组三相对称绕组（又称电枢绕组）。三相对称绕组（又称电枢绕组）。定子：定子：定子铁芯定子铁芯内圆周均匀开槽的硅钢片叠成。内圆周均匀开槽的硅钢片叠成。转子绕组转子绕组置于转子槽中，通直流电励磁（有时称励置于转子槽中，通直流电励磁（有时称励磁绕组）磁绕组）转子：转子：转子铁芯转子铁芯整块具有良好导磁性能的高强度合金钢整块具有良好导磁性能的高强度合金钢锻成，不开槽部分约锻成，不开槽部分约1/3圆周）称为圆周）称为“大齿大齿”汽轮发电机一般采用细长结构汽轮发电机一般采用细长结构（国产（国产200200MW汽轮发电机

3、）汽轮发电机）（国产（国产600600MW汽轮发电机）汽轮发电机）Stator of Turbo-dynamo with 330MW Made in China（国产（国产330330MW汽轮发电机）汽轮发电机）Stator Core of Turbo-dynamo with 330MW Made in China（国产（国产330330MW汽轮发电机定子铁心）汽轮发电机定子铁心）定子铁心定子绕组端部汽轮发电机转子结构汽轮发电机转子结构2、凸极同步电机、凸极同步电机 如图所示，一般水轮发电机为凸极同步机，电机极如图所示，一般水轮发电机为凸极同步机，电机极数较多。对数较多。对50Hz电网而言，转

4、速在几百到几十转电网而言，转速在几百到几十转/分。所分。所以通常水轮机为以通常水轮机为“扁平扁平”结构。结构。定子铁芯和绕组与汽轮机相似。转子铁芯为凸极式结构，定子铁芯和绕组与汽轮机相似。转子铁芯为凸极式结构，转子绕组为集中励磁绕组。转子绕组为集中励磁绕组。(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(3) 灯泡贯流式水轮发电机灯泡贯流式水轮发电机(4)(4)转子结构转子结构10000kw水轮机转子 凸极极通常有卧式和立式两种结构，通常同步电动机、凸极极通常有卧式和立式两种结构，通常同步电动机、同步补偿机、内燃机和冲击式水轮机拖动同步发电机采用同步补

5、偿机、内燃机和冲击式水轮机拖动同步发电机采用卧式结构，而大型水轮发电机采用立式结构，立式水轮发卧式结构，而大型水轮发电机采用立式结构，立式水轮发电机的推力轴承是关键部件。电机的推力轴承是关键部件。 除了转子励磁绕组，通常在转子上还装有阻尼绕组。除了转子励磁绕组，通常在转子上还装有阻尼绕组。起抑制转子转速的作用。在同步电动机和补偿机中，主要起抑制转子转速的作用。在同步电动机和补偿机中，主要作为起动绕组用。作为起动绕组用。Hydraulic Turbine Generator in Operation（现场运行的水轮发电机）（现场运行的水轮发电机）二、同步电机的运行状态二、同步电机的运行状态 旋转

6、磁场，同时转子转速也是同步转速，所以定、旋转磁场，同时转子转速也是同步转速，所以定、转子磁势保持相对静止，它们之间相互作用产生电磁转转子磁势保持相对静止，它们之间相互作用产生电磁转距，实现机电能量转换，距，实现机电能量转换， 同步电机三种运行状态：电机运行状态主要决定于转同步电机三种运行状态：电机运行状态主要决定于转子磁场和定子合成磁场之间的夹角功率角子磁场和定子合成磁场之间的夹角功率角 。发电机：发电机：将机械能转换为电能，所以定、转子磁场相对位将机械能转换为电能，所以定、转子磁场相对位置如图所示，转子主磁场超前于定子合成磁场置如图所示，转子主磁场超前于定子合成磁场 ，转，转子从原动机输入驱

7、动转距（子从原动机输入驱动转距（ ），转子上受到制动性质），转子上受到制动性质的电磁转距（的电磁转距（ ）当）当 时电机转子以同步转速时电机转子以同步转速恒速旋转，定子绕组向电网输出功率。恒速旋转，定子绕组向电网输出功率。eT001TTTe1TSNons Te主极主极N So主极主极发电机发电机SNons Te N So电动机电动机 电动机电动机:将电能转换成机械能，所以定、转子磁场相对位将电能转换成机械能，所以定、转子磁场相对位置如图置如图6-7c)所示所示 。电磁转距。电磁转距Te是驱动性质转距。定是驱动性质转距。定子从电网吸收电功率，转子可以拖动负载，而输出机械功子从电网吸收电功率，转子

8、可以拖动负载，而输出机械功率。率。0补偿机补偿机:当当 时，此时电机没有有功功率的转换，电机时，此时电机没有有功功率的转换，电机处于补偿机状态或空载状态。处于补偿机状态或空载状态。0SNNo Sons Te=0补偿机补偿机 并励或他励直流发电机与同步发电机同轴安装。若是并励或他励直流发电机与同步发电机同轴安装。若是他励直流发电机，则同轴还有一副励磁机供给直流机励磁，他励直流发电机，则同轴还有一副励磁机供给直流机励磁，直流机发出直流电供给同步发电机转子励磁绕组。同时为直流机发出直流电供给同步发电机转子励磁绕组。同时为了随负载变化能同步发电机励磁而保证输出电压恒定，称了随负载变化能同步发电机励磁而

9、保证输出电压恒定，称为复式励磁系统。为复式励磁系统。1、直流励磁机励磁、直流励磁机励磁2、整流器励磁、整流器励磁图6-9 静止整流器励磁系统1、额定容量、额定容量 （或额定功率（或额定功率 ）指额定运行时电机）指额定运行时电机的输出功率的输出功率NSNPVkUN2、额定电压、额定电压 指额定运行时定子的线电压指额定运行时定子的线电压. AIN3、额定电流、额定电流 指额定运行时定子的线电流指额定运行时定子的线电流Ncos4、额定功率因数、额定功率因数 指额定运行时电机的功率因数指额定运行时电机的功率因数7、额定励磁电流、额定励磁电流 有时也作为额定值写在铭牌有时也作为额定值写在铭牌上上fNfN

10、UINf5、额定频率、额定频率 指额定运行时电枢绕组的电压或电流的指额定运行时电枢绕组的电压或电流的频率我国标准工频为频率我国标准工频为50HzNn6、额定转速、额定转速 指额定运行时电机的转速指额定运行时电机的转速6.2 空载和负载时同步发电机磁场空载和负载时同步发电机磁场 励磁绕组通直流励磁电流，原动机拖动转子以同步励磁绕组通直流励磁电流，原动机拖动转子以同步转速旋转，电枢绕组开路的情况，称为同步发电机的空转速旋转，电枢绕组开路的情况，称为同步发电机的空载运行。载运行。 同步电机空载时，转子励磁绕组通直流电所产生磁场分同步电机空载时，转子励磁绕组通直流电所产生磁场分两部分：两部分：主磁通主

11、磁通 穿过气隙匝链定子绕组；穿过气隙匝链定子绕组；主极漏主极漏磁磁 不通过气隙与定子绕组匝链。主磁场不通过气隙与定子绕组匝链。主磁场“切割切割”定子定子三相绕组，在定子绕组中感应三相对称感应电势，称其为三相绕组，在定子绕组中感应三相对称感应电势，称其为激磁电势（或空载电势激磁电势（或空载电势 ）0f0E00EEoA1200EEoB1200EEoC011044. 4kfNE其中其中: 空载时每极磁通量空载时每极磁通量0 fIfE 0 空载特性的下部是一直线，与下部相切的直线称为气空载特性的下部是一直线，与下部相切的直线称为气隙线，当隙线，当 增大增大 增大时，由于磁路饱和，空载特性逐增大时，由于

12、磁路饱和，空载特性逐渐弯曲。渐弯曲。fI0O0fIffFI ,00,EUN气隙线空载特性空载特性空载特性空载特性是同步电机的一条基本特性。空载特性是同步电机的一条基本特性。二、对称负载时的电枢反应二、对称负载时的电枢反应 当电机运行时，电枢绕组将流过对称三相电流，此当电机运行时，电枢绕组将流过对称三相电流，此时电枢绕组将产生旋转的电枢磁势，电枢磁势基波分量时电枢绕组将产生旋转的电枢磁势，电枢磁势基波分量与转子励磁磁势转向和转速相同，此时，气隙中磁场由与转子励磁磁势转向和转速相同，此时，气隙中磁场由定、转子磁势共同产生。电枢磁动势的基波在气隙中产定、转子磁势共同产生。电枢磁动势的基波在气隙中产生

13、的磁场就称为生的磁场就称为电枢反应。电枢反应。 电枢反应的性质取决于激磁电动势和主磁场在空间电枢反应的性质取决于激磁电动势和主磁场在空间的相对位置，此相对位置取决于激磁电动势的相对位置，此相对位置取决于激磁电动势 和负载和负载电流电流 之间的相位角之间的相位角 （称其为内功率因数角）（称其为内功率因数角）0EI0FFFaf同方向同速度旋转，二者的相对位置始终不会改变。同方向同速度旋转，二者的相对位置始终不会改变。1、 与与 同相位同相位00I0EaqaFF 00此时电枢反应为交轴电枢反应。此时电枢反应为交轴电枢反应。 对于同步发电机，当对于同步发电机，当 时，主磁场将超前于气隙时，主磁场将超前

14、于气隙合成磁场，主极将受到一个制动性质的电磁转距，所以合成磁场，主极将受到一个制动性质的电磁转距，所以交轴电枢磁动势与产生电磁转距及能量转换直接有关。交轴电枢磁动势与产生电磁转距及能量转换直接有关。00时时空矢量图上空矢量图上 与相位相同与相位相同IaF2、 与与 不同相位不同相位IE00900将将Fa分解为两个分量：分解为两个分量：adaqaFFF00cossinaaqaadFFFFaqF交轴电枢磁动势交轴电枢磁动势adF直轴的电枢磁动势直轴的电枢磁动势adF交轴电枢磁动势交轴电枢磁动势 与能量转换直接有关；直轴电枢与能量转换直接有关；直轴电枢磁动势磁动势 的作用是去磁或助磁的作用是去磁或助

15、磁.。aqF6.3 隐极同步发电机的电压方程、隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路相量图和等效电路fFaF不计饱和时，不计饱和时， 和和 的作用分别考虑，再把它们作用结的作用分别考虑，再把它们作用结果叠加起来。果叠加起来。电枢：电枢： 主极：主极：00EFIffaaaEFIEXIjEEF按发电机惯例由回路电压定律可得：按发电机惯例由回路电压定律可得：隐极同步发电机等效电路隐极同步发电机等效电路aXUIaRX0EE)(jXRIEUa)(0jXRIUEEEaa所以：所以：IFEaaaaaXIjE)(0jXRIEEUaaXa是电枢反应磁通相应的电抗，称为是电枢反应磁通相应的电抗，称为电枢反应电

16、抗电枢反应电抗。（电枢电流产生电枢反应磁场，在定子每相绕组中感应（电枢电流产生电枢反应磁场，在定子每相绕组中感应电势可以表示为电枢绕组相电流与电枢反应电抗的乘积）电势可以表示为电枢绕组相电流与电枢反应电抗的乘积）所以：所以：saaaaaXIjRIUXXjIRIUjXRIEUE)()(090IUaRIXI jaXI jaE0EEa0a)0IUaRIEsXI jb)aXEaRIXsXU0EXXXas隐极同步电机的同步电抗。隐极同步电机的同步电抗。二、考虑磁饱和时二、考虑磁饱和时 考虑饱和时，由于磁路的非线性，应先将磁势进行合考虑饱和时，由于磁路的非线性，应先将磁势进行合成，再利用磁化曲线求相应的气

17、隙合成磁场成，再利用磁化曲线求相应的气隙合成磁场和感应电和感应电势势 ，即：，即：EaafFkFFEFfFfIaIaF 电压平衡方程式：电压平衡方程式：)(jXRIUEaUjXRIEa)( aafFkFF ka的物理意义：产生同样大小的基波气隙磁场，一的物理意义：产生同样大小的基波气隙磁场，一安匝的电枢磁动势相当于多少安匝的梯形波主极磁动势安匝的电枢磁动势相当于多少安匝的梯形波主极磁动势ka0.931.03fF阶梯波幅值阶梯波幅值aF正弦波幅值正弦波幅值6.4凸极同步发电机的电压方程和凸极同步发电机的电压方程和相量图相量图 凸极同步发电机气隙是不均匀的，直轴处气隙小，凸极同步发电机气隙是不均匀

18、的，直轴处气隙小，交轴处气隙大，极面下气隙小，两极间气隙大，所以直交轴处气隙大，极面下气隙小，两极间气隙大，所以直轴下单位面积的气隙磁导要比交轴下单位面积的气隙磁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大的多。导大的多。 当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时，产生的当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时，产生的基波磁场的幅值较大，而作用于交轴上时，产生的基波基波磁场的幅值较大，而作用于交轴上时，产生的基波磁场幅值较小磁场幅值较小. 一般情况下，一般情况下，Fa既不作用于直轴，也不作用于交轴上，既不作用于直轴，也不作用于交轴上，而是在空间任意处（而是在空间任意处（Fa位置决定于负载性质）

19、，可将位置决定于负载性质），可将Fa分分解成直轴和交轴两个分量解成直轴和交轴两个分量aqadFF 、 再用对应的直轴和交轴磁导分别算出直轴和交轴的再用对应的直轴和交轴磁导分别算出直轴和交轴的电枢反应。最后再将它们效果相加，这种将电枢反应分电枢反应。最后再将它们效果相加，这种将电枢反应分解为交、直轴分量，分别处理的方法，称为双反应理论。解为交、直轴分量，分别处理的方法，称为双反应理论。aqadaFFFaqadBBB1、电压方程、电压方程不计饱和时：不计饱和时：E00EFIffaqaqaqadadadEFEFaFI )(XIjEEXI jRIUEEEaaqad0列出电压方程：列出电压方程：00co

20、ssinaaqaadFFFF00cossinIIIIqddIE00EFIffaqaqaqadadadEFEFI)(XI jEEqI所以不计饱和时：所以不计饱和时：qaqqaqdaddadIFEIFE00qaqaqdadadIjXEIjXE直轴电枢反应电抗直轴电枢反应电抗adX交轴电枢反应电抗交轴电枢反应电抗aqXqqddaaqqaddaaqqaddaXIjXIjRIUXXIjXXIjRIUXIjXIjXIjRIUE)()(0-直轴同步电抗直轴同步电抗dXqX交轴同步电抗交轴同步电抗XXXaddXXXaqqqqddaXIjXIjRIUE0qdqqddaqdXIjXIjXIjRIUXIjE0qaq

21、ddXIjRIUXXIjE)(0qaqddQXIjRIUXXIjEE)(0)(0qddQXXIjEEqaQXIjRIUEaqIXUIXUarctgcossin0 2、相量图、相量图 aXEaRIXsXU0E由于电抗与绕组匝数平方成正比与磁场所经磁路磁导成由于电抗与绕组匝数平方成正比与磁场所经磁路磁导成正比，所以：正比，所以：qqddNXNX2121 电枢绕组每相串联匝数电枢绕组每相串联匝数 直轴和交轴磁路等效磁导直轴和交轴磁路等效磁导 -主磁导所对应的磁路，主磁导所对应的磁路， 漏磁路磁导漏磁路磁导1Nqd ,aqad,aqqadd6.5 同步发电机的功率方程和转矩同步发电机的功率方程和转矩方

22、程方程eFePppP1 若同步电机的转子交流励磁由别的直流电流供给时，若同步电机的转子交流励磁由别的直流电流供给时，则转子轴上输入机械功率则转子轴上输入机械功率P1，扣除机械损耗，扣除机械损耗P 和铁耗和铁耗PFe ，即为靠电磁感应传递给电枢绕组的功率，即为靠电磁感应传递给电枢绕组的功率电磁电磁功率功率Pe 。电枢绕组得到的电磁功率电枢绕组得到的电磁功率Pe扣除电枢绕组铜耗，可得输扣除电枢绕组铜耗，可得输出电功率出电功率P22PpPcuae其中：其中：acuaRmIp2cos2mUIP 对于隐极机而言对于隐极机而言 所以：所以：0EEQ00cosImEPe)cos(cos2aaeIRUmIRm

23、ImUIP0coscosImEmEIPQe0coscoscosQaEEIRU由由要进行能量转换，则要进行能量转换，则 即电枢电流中必须要有交即电枢电流中必须要有交轴电枢电流轴电枢电流 在发电机中由于交轴电枢反应存在，使得气在发电机中由于交轴电枢反应存在，使得气隙合成磁场与转子主极磁场之间错开一定角度，使主极上隙合成磁场与转子主极磁场之间错开一定角度，使主极上受到制动的电磁转距，原动机克服电磁转矩而做功，将机受到制动的电磁转距，原动机克服电磁转矩而做功，将机械能转换为电能。械能转换为电能。 与与 夹角称为功率角夹角称为功率角 ，不难看出，不难看出， 愈大，交轴电枢愈大，交轴电枢反应愈强，反应愈强

24、， 角就愈大，在一定范围内，电磁转距和电磁角就愈大，在一定范围内，电磁转距和电磁功率愈大。功率愈大。o00EUqIeFePppP1eTTT01sssn602-同步机械角速度同步机械角速度sFeppT0To -同步发电机空载转矩同步发电机空载转矩seePTTe -电磁转矩电磁转矩sPT11T1 -原动机驱动转矩原动机驱动转矩eTTT016.6 同步电机参数的测定同步电机参数的测定空载特性：空载特性：I = 0时时 Eo = f ( If ),可以由实验求取可以由实验求取 实验时，让电机电枢绕组开路，原动机拖动转子以同实验时，让电机电枢绕组开路，原动机拖动转子以同步转速旋转，调节两励磁电流步转速旋

25、转，调节两励磁电流If,记录不同励磁电流所对应记录不同励磁电流所对应端电压端电压Uo直到直到Uo = 1.25UN左右。做出左右。做出U = Eo = f ( If )曲线。曲线。短路特性：短路特性：U = 0时时I = f ( If )曲线，也可以由实验求取：曲线，也可以由实验求取： 电枢绕组短路，原动机拖动转子以同步转速旋转，电枢绕组短路，原动机拖动转子以同步转速旋转，调节励磁电流调节励磁电流If，记录不同，记录不同If 时的电枢绕组短路电流时的电枢绕组短路电流Ik ,直直到到Ik = 1.25IN左右。做出左右。做出U = 0时时I = f ( If )曲线曲线.分析：分析：短路时，由于

26、端电压短路时，由于端电压U = 0，所以电枢绕组的短路，所以电枢绕组的短路电流主要在电枢绕组内阻抗限制，一般电枢绕组电枢远电流主要在电枢绕组内阻抗限制，一般电枢绕组电枢远小于内阻抗。所以，短路电流可以认为是纯感性的小于内阻抗。所以，短路电流可以认为是纯感性的)(09000ddqjXEIIIIddqddaXIjXIjXIjRIUE0IEXd0电枢电流是纯去磁性质的直轴电枢反应电流。所以电枢电枢电流是纯去磁性质的直轴电枢反应电流。所以电枢磁路不饱和，短路特性接近于是一直线。磁路不饱和，短路特性接近于是一直线。 由于短路特性对应磁路不饱和，所以求出的由于短路特性对应磁路不饱和，所以求出的Xd亦为亦为

27、不饱和值，不饱和值，Eo也应查空载特性的气隙线。也应查空载特性的气隙线。Eo,IEoO If IfI气隙线气隙线空载特性空载特性短路特性短路特性sdXX 忽略漏阻抗压降则电机的饱和程度决定于端电压，忽略漏阻抗压降则电机的饱和程度决定于端电压，不同的饱和程度有不同的不同的饱和程度有不同的Xd饱和值，通常用对应额定电饱和值，通常用对应额定电压时的压时的Xd作为其饱和值。从空载特性曲线查出对应的短作为其饱和值。从空载特性曲线查出对应的短路电流路电流 。I气隙线气隙线空载特性空载特性短路特性短路特性Eo,INUIN IO Ifo Ifk If对于隐极电机：6.7 同步电机的运行特性同步电机的运行特性

28、同步发电机的稳态运行特性包括外特性，调整特性同步发电机的稳态运行特性包括外特性，调整特性和效率特性，从这些特性可以确定发电机的电压调整率，和效率特性，从这些特性可以确定发电机的电压调整率，额定励磁电流和额定效率。额定励磁电流和额定效率。1、外特性、外特性 = 常数，常数， = 常数时常数时U = f ( I )关系，称为外特关系，称为外特性。性。fsInn cos8 . 0cos超前O IN IUNU8 . 0cos滞后1cos 感性和阻性负载时，随负载电流增加端电压将减感性和阻性负载时，随负载电流增加端电压将减小，外特性曲线是下降的。这是因为电枢反应的去磁小，外特性曲线是下降的。这是因为电枢

29、反应的去磁和漏阻抗压降所引起的。在容性负载时，由于电枢反和漏阻抗压降所引起的。在容性负载时，由于电枢反应的增磁作用，外特性可能是上升的。应的增磁作用，外特性可能是上升的。为说明端电压的变化，引入电压调整率：为说明端电压的变化，引入电压调整率：%1000NNUUEufNfII 电机从额定运行状态卸去负载过渡到空载状态时电机从额定运行状态卸去负载过渡到空载状态时端电压的升高值与额定值之比的百分值。端电压的升高值与额定值之比的百分值。凸极机：凸极机：%30%18u隐极机：隐极机：%48%30u8 . 0cos超前滞后8 . 0cos,NNUUO IN IIfIfN1cos2、调整特性、调整特性 =

30、常数时，常数时，If = f ( I )关系称为调整关系称为调整特性特性cosNsUUnn汽轮发电机：汽轮发电机：1112%100PPPPP%100)1 (211pPpPPP%5 .98%96%8 .97%943、效率特性、效率特性由于由于:所以电机的效率决定于电机的损耗。所以电机的效率决定于电机的损耗。Fepcuapcufpp同步电机基本损耗有：基本铁耗同步电机基本损耗有：基本铁耗 ，电枢基本铜耗，电枢基本铜耗 励磁绕组损耗励磁绕组损耗 和机械损耗和机械损耗 。大型水轮发电机大型水轮发电机 ：6.8 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 现代电力系统通常总是由许多发电厂并联组

31、成。每现代电力系统通常总是由许多发电厂并联组成。每个发电厂又有多台发电机在一起并联运行。个发电厂又有多台发电机在一起并联运行。并联运行的优点：并联运行的优点：1）可以提高电力系统的供电质量。）可以提高电力系统的供电质量。 2）可以合理利用动力资源。）可以合理利用动力资源。3）可以减少电机的备用台数，提高电网供电的可靠性。）可以减少电机的备用台数，提高电网供电的可靠性。投入并联的条件：投入并联的条件： 为了避免电机和电网之间产生电流冲击，投入并联为了避免电机和电网之间产生电流冲击，投入并联的同步发电机应当满足的条件为：的同步发电机应当满足的条件为：u1）发电机的相序与电网的相序一致。）发电机的相

32、序与电网的相序一致。u2）发电机所发出的电压频率与电网的电压频率相同。）发电机所发出的电压频率与电网的电压频率相同。u3）发电机所发出电压与电网电压大小相等，相位相同。）发电机所发出电压与电网电压大小相等，相位相同。上述三条件中，第一个条件是应绝对满足的。上述三条件中，第一个条件是应绝对满足的。 上述三条件，若有一个不满足，则会在发电机和电上述三条件，若有一个不满足，则会在发电机和电网之间引起电流、功率和转矩的冲击。网之间引起电流、功率和转矩的冲击。 若相序不同，则对应调发电机三个出线中的任意若相序不同，则对应调发电机三个出线中的任意两个，若频率不同，则对应调节原动机的转速，若电两个，若频率不

33、同，则对应调节原动机的转速，若电压不同，则应调节励磁电流和原动机转速。（电网为压不同，则应调节励磁电流和原动机转速。（电网为无穷大电网无穷大电网 U = 常数常数f = 常数）常数） 投入并联的方法：投入并联的方法：为了投入并联运行而进行的调节为了投入并联运行而进行的调节和操作过程称为整步过程，实用的整步方法有两种，一和操作过程称为整步过程，实用的整步方法有两种，一种叫种叫，一种叫，一种叫。 若将发电机调整到完全满足并网条件而投入电网，若将发电机调整到完全满足并网条件而投入电网，称为准确整步。常采用同步指示器。同步指示器有三个称为准确整步。常采用同步指示器。同步指示器有三个同步指示灯组成，它们

34、可以有两种接法。同步指示灯组成，它们可以有两种接法。1、直接接法、直接接法将三组指示灯分别接于将三组指示灯分别接于 和和 之间。之间。AABBCC当三组灯同时亮，同时灭表明相序一致，否则对调发电当三组灯同时亮，同时灭表明相序一致，否则对调发电机出线端任意两头；机出线端任意两头；当三组灯光亮灭变化闪烁越慢时当三组灯光亮灭变化闪烁越慢时 与与 越接近。越接近。ff当不闪烁时当不闪烁时 = ；否则调节原动机的转速；否则调节原动机的转速；ff 图6-35直接接法的接线和向量图a)接线图 b)向量图 同理，也可以如图同理，也可以如图6-36a)所示接线。相序正确时，三所示接线。相序正确时，三组指示灯灯光

35、交替变暗。灯光旋转现象（相序不正确时，组指示灯灯光交替变暗。灯光旋转现象（相序不正确时，三组指示灯同时亮灭），调节原动机转速，使灯光不再三组指示灯同时亮灭），调节原动机转速，使灯光不再旋转，调节励磁电流调电压大小，当直接跨接灯熄灭时，旋转，调节励磁电流调电压大小，当直接跨接灯熄灭时，电压表读数为零时，表明电压大小相等，相位相同，满电压表读数为零时，表明电压大小相等，相位相同，满足投入并联条件，合闸并网。称此法为亮灯法。足投入并联条件，合闸并网。称此法为亮灯法。准确同步法并网，电网和发电机之间无电流冲击，但手准确同步法并网，电网和发电机之间无电流冲击，但手续较复杂，不适合于发生故障时要求发电机迅

36、速投入电续较复杂，不适合于发生故障时要求发电机迅速投入电网的情况。此时可采用自整步法。网的情况。此时可采用自整步法。 自整步法的原理如图所示。自整步法的优点是：投入自整步法的原理如图所示。自整步法的优点是：投入迅速，不需增添复杂的装置，缺点是会在发电机和电网迅速，不需增添复杂的装置，缺点是会在发电机和电网之间引起较大的电流冲击。之间引起较大的电流冲击。 NSnsn限流电阻NSnsnSoNoIf励磁电源忽略电枢电阻忽略电枢电阻Ra 0)cos(cos02mUImUIPPesincossinsincoscos00dqemUImUImUIP功角特性功角特性 当同步发电机激磁电动势当同步发电机激磁电动

37、势Eo和端电压和端电压U保持不变时，保持不变时，发电机发出的电磁功率与功角发电机发出的电磁功率与功角 之间的关系之间的关系Pe = f ( )称为功角特性。功角特性是同步电机的基本特性之一。称为功角特性。功角特性是同步电机的基本特性之一。其中：其中：ddXUEIcos0cos0UEXIddqqXUIsinsinUXIqq将式代入式则得：将式代入式则得：21202sin)11(2sineedqdePPXXUmXUEmPsin01deXUEmP称为基本电磁功率称为基本电磁功率2sin)11(222dqeXXUmP称为附加电磁功率称为附加电磁功率附加电磁功率与励磁无关，它是由附加电磁功率与励磁无关，

38、它是由 起的，所以亦起的，所以亦称为磁阻功率。称为磁阻功率。qdXX 隐极同步发电机：隐极同步发电机：Xd = Xq = Xs 附加电磁功率为零。附加电磁功率为零。sin0seXUmEP 功角特性为正弦型函数。功角特性为正弦型函数。 是发电机状态是发电机状态 ， 是电动机状态。是电动机状态。出现最大电磁功率出现最大电磁功率 。180001809045凸极同步发电机凸极同步发电机: 图6-39 隐极同步电机的功角特性功率角的含义：功率角的含义：功率角功率角 是时间向量是时间向量 和和 之间的相角差。之间的相角差。0EU可以近似认为功率角可以近似认为功率角 是主磁场是主磁场Bo与电枢和成与电枢和成

39、磁场磁场Bu之间的空间相角差。之间的空间相角差。BoBuoEUSNNoSo 当当 时，时，Bo超前于超前于Bu同步电机做发电机运行。同步电机做发电机运行。 时时Bu超前超前Bo，电机做电动机运行。，电机做电动机运行。0000UE02emPP三、有功功率的调节和静态稳定三、有功功率的调节和静态稳定1、有功功率调节、有功功率调节 并联与无穷大电网（恒频、恒压）的同步发电机，开并联与无穷大电网（恒频、恒压）的同步发电机，开始投入并联时，发电机空载，始投入并联时，发电机空载， T1 = To，由能量守恒原理，当欲增大输出有功功率，则应增加发由能量守恒原理，当欲增大输出有功功率，则应增加发电机输入功率电

40、机输入功率.要增加同步发电机的输出功率，必须增加原动机的输入功要增加同步发电机的输出功率，必须增加原动机的输入功率，使率，使 角增大。当角增大。当 时，时，Pe达到最大达到最大90seXUEmP0(max) 与电网并联。在某一工作点稳定运行的同步发电机，与电网并联。在某一工作点稳定运行的同步发电机，当受到外界微小扰动时，扰动消失后，电机能否恢复到当受到外界微小扰动时，扰动消失后，电机能否恢复到原先的稳定运行状态。此问题称为静态稳定问题，若能原先的稳定运行状态。此问题称为静态稳定问题，若能则是稳定的。若不能，则是不稳定的。则是稳定的。若不能，则是不稳定的。2、静态稳定、静态稳定NNsseNepX

41、UEmXUmEPPksin1sin00max0 . 26 . 1pk为使同步发电机能够稳定地运行，应使最大电磁功率比为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的多，额定功率大的多，Kp称为过载能力：称为过载能力：cos0seXUnEddP隐极机：隐极机：ddPe0ddPe整步功率系数整步功率系数:电机稳定运行条件：电机稳定运行条件：0ddPe 是电机静态稳定运行的极限。是电机静态稳定运行的极限。隐极同步发电机稳定运行范围：隐极同步发电机稳定运行范围：09004030N四、无功功率的调节四、无功功率的调节 与无穷大电网并联的同步发电机，不仅要向电网输与无穷大电网并联的同步发电机，

42、不仅要向电网输有功，还需要向电网输出无功功率，经前分析可知，调有功，还需要向电网输出无功功率，经前分析可知，调节发电机的励磁，可以调节电机输出的无功功率。（调节发电机的励磁，可以调节电机输出的无功功率。（调励磁调无功）励磁调无功）常值常值cossin20mUIPXUEmPse保持有功不变调无功保持有功不变调无功，即：，即：常数常数cossin0IE当当 时电机输出无功为零。对应的励磁称为时电机输出无功为零。对应的励磁称为“正常励磁正常励磁” II1cos由上可知：由上可知： 调节励磁电流不但可以改变同步发电机输出无功功调节励磁电流不但可以改变同步发电机输出无功功率的大小，而且可以改变输出无功的

43、性质，率的大小，而且可以改变输出无功的性质，“过励过励”时时电机输出感性无功，电机输出感性无功，“欠励欠励”时，电机输出容性无功。时，电机输出容性无功。 若从若从“正常励磁正常励磁”使使 减小，减小， ，电机欠励，电机欠励，Eo减小，减小， 由图可见此时电机输出有功不变，同时向外输出容性无功，由图可见此时电机输出有功不变，同时向外输出容性无功，但但 减小的极限值为减小的极限值为 这点也可由磁动势平衡来解释。这点也可由磁动势平衡来解释。fIffII 00 IIEEfI 0E6.9 同步电动机和同步补偿机同步电动机和同步补偿机 用于转速不需调节的拖动场合，可以改善功率因数。用于转速不需调节的拖动场

44、合，可以改善功率因数。常用于恒速负载及需要改善功率因数的场合。常用于恒速负载及需要改善功率因数的场合。 对于隐极电动机的对于隐极电动机的 等效电路等效电路,由此可得隐极机的电压由此可得隐极机的电压方程：（此称为电动机惯例）方程：（此称为电动机惯例）sMaMXIjRIEU0采用电动机惯例时，凸极同步电动机的电压方程为：采用电动机惯例时，凸极同步电动机的电压方程为：qqMddMaMXI jXI jRIEU0分别是定子电流的直轴和交轴分量。分别是定子电流的直轴和交轴分量。qMdMII,0EMI0EMI0EI0EI 在分析电枢反应性质时，在分析电枢反应性质时，若采用发电机惯例，若采用发电机惯例，则则

45、滞后于滞后于 时电枢反应为去磁；时电枢反应为去磁； 超前于超前于 时，电枢反应时，电枢反应为增磁作用。为增磁作用。 若采用电动机惯例时，若采用电动机惯例时， 滞后于滞后于 为增磁作用，为增磁作用， 超前于超前于 时为去磁作用。时为去磁作用。按发电机惯例导出的功角特性为：按发电机惯例导出的功角特性为：2sin)11(2sin20dqdeXXmUXmEP改用电动机惯例时改用电动机惯例时Pe为输入电磁功率，则功角特性的表为输入电磁功率，则功角特性的表达式为：达式为：MdqMdeXXUmXUmEP2sin)11(2sin20MdqsMdseXXmUXUEmT2sin)11(2sin2021PPpPPp

46、PFeeecua电磁功率从电能转换为机械能：电磁功率从电能转换为机械能：同步发电机的电磁转矩是驱动性质的，所以，功率平衡：同步发电机的电磁转矩是驱动性质的，所以，功率平衡：转矩方程：转矩方程：20TTTe运行特性包括工作特性和运行特性包括工作特性和 V形曲线形曲线1、工作特性、工作特性工作特性是指定子电压工作特性是指定子电压 ，励磁电流，励磁电流 时，时，电磁转矩、电枢电流、效率、功率因数与输出功率之间电磁转矩、电枢电流、效率、功率因数与输出功率之间的关系。的关系。fNfIINUU 即：即：)(,2pfITmeTeToIo0 0.25 0.5 0.75 1.0 2PIm,TeIM2、V形曲线形

47、曲线 V形曲线是指形曲线是指 ，Pe = 常数时，电枢电流与励电常数时，电枢电流与励电流之间关系流之间关系Im = f ( If )NUU 当增大或减小励磁电流时，当增大或减小励磁电流时，Im都将增大，所以有都将增大，所以有V形曲形曲线，如图线，如图6-51所示所示,调节励磁可以调节同步电动机的无功调节励磁可以调节同步电动机的无功电流和功率因数电流和功率因数0 正常励磁 If滞后超前欠励稳定极限IM1cos MPePePe=0 若将同步电动机定子直接投入电网，同步电动机平若将同步电动机定子直接投入电网，同步电动机平均转矩为零，电机不能自起动，通常采用的起动方法有：均转矩为零，电机不能自起动，通

48、常采用的起动方法有：过励321 同步发电机有时运行在不对称的状态下，不对成运同步发电机有时运行在不对称的状态下，不对成运行下的基本分析方法为：对称分量法。行下的基本分析方法为：对称分量法。 任何一组不对称的三相电压（电流、磁通），总可任何一组不对称的三相电压（电流、磁通），总可以分解为正序、负序和零序三组对称电压（电流、磁通）以分解为正序、负序和零序三组对称电压（电流、磁通）之和，称后者为原有量的对称分量。这种分解结果是唯之和，称后者为原有量的对称分量。这种分解结果是唯一的。一的。000CCCCBBBBAAAAUUUUUUUUUUUU正序正序 负序负序 零序零序 以电压为例：以电压为例：由于：由于：CBAUUU-为正序分量为正序分量则：则：ACABUaUUaU2同理：同理：0002CABACABUUUUaUUaU00UUUUUUAAA设：设：则：则：02020UUaUaUUUaUaUUUUUCBA其中：其中：012120aaeajCBACBACBAUUUUUaUaUUUaUaUU313131022 若电机对称，磁路线形。则用三组对称分量（正若电机对称，磁路线形。则用三组对称分量（正序、负序和零序分量）作用于电机，作用