电机学_第5章_同步电机__20111011按新书修改_

1、2021-7-512021-7-5河 海 大 学2 第第2 2章章 变变 压压 器器 第第1 1章章 绪绪 论论 第第5 5章章 同同 步步 电电 机机 第第4 4章章 异异 步步 电电 机机 第第3 3章章 交流电机的共同问题交流电机的共同问题 第第6 6章章 直直 流流 电电 机机2021-7-5河 海 大 学3 2021-7-5河 海 大 学42021-7-5河 海 大 学5定义： 同步电机是指电机转子的转速与磁场转速相同的交流电机。同步电机的转速为一.基本类型与用途： 主要用来作为发电机发电机运行；也可作为电动机应用，一般使用在不需要调速的低速大功率机械中；此外，可作为同步补偿机，向电

2、网输送感性和容性无功功率。另外，从原动机分：汽轮发电机、水轮发电机pfnn10602021-7-5河 海 大 学6二、同步电机的基本结构形式同步电机一般由定子、转子、端盖和轴承等部件构成。n同步电机的定子定子和异步电机相同，定子铁芯上有齿和槽，槽内设置三相绕组。n转子转子上装有磁极和励磁绕组。n同步电机的磁极通常装在转子上，而电枢绕组放在定子上，通常称为旋旋转磁极式电机转磁极式电机。旋转磁极式电机同步电机的转子有凸极凸极和隐极隐极两种结构形式。n用汽轮机作为原动机来拖动的称为汽轮发电机汽轮发电机，一般采用隐极式隐极式结构；用水轮机作为原动机来拖动的称为水轮发电机水轮发电机，一般采用凸极式凸极式

3、结构。n同步电动机、由内燃机拖动的同步发电机以及同步补偿机同步补偿机大多做成凸极式。2021-7-5河 海 大 学7二、同步电机的构造特点（一）定子 同步电机的定子大体上和异步电机相同，是由铁芯、 绕组、机座以及固定这些部分的其他构件组成。（二）转子 （以同步发电机为例） 1、汽轮发电机转子结构 现代汽轮发电机一般都是二极的，同步转速为3000或3600r/min。这是因为提高转速可以提高汽轮机的运行效率，减小整个机组的尺寸、降低机组的造价。转子不能做得过大，所以汽轮发电机的直径较小直径较小，长度较长长度较长。汽轮发电机均为卧式结构卧式结构。 2、水轮发电机转子结构 大型水轮发电机通常都是立式

4、结构立式结构，它的转速低、极数多，要求转动惯量大，故其特点是直径大直径大、长长度短度短。2021-7-5河 海 大 学81、汽轮发电机转子结构n现代汽轮发电机一般都是二极的，同步转速为3000或3600r/min。n提高转速可以提高汽轮机的运行效率，减小整个机组的尺寸、降低机组的造价。n转子不能做得过大，所以汽轮发电机的直径较小直径较小，长度较长长度较长。汽轮发电机均为卧式结构卧式结构。2021-7-5河 海 大 学92、水轮发电机转子结构 大型水轮发电机通常都是立式结构立式结构它的转速低、极数多，要求转动惯量大，故其特点是直直径大径大、长度短长度短。转子磁极上套装励磁绕组极靴上有阻尼绕组20

5、21-7-5河 海 大 学102021-7-5河 海 大 学112021-7-5河 海 大 学122021-7-5河 海 大 学132021-7-5河 海 大 学14三、同步电机的额定值同步电机的额定值（名牌值）由以下几种：（1）额定容量额定容量 或额定功率或额定功率（2）额定电压额定电压 是指同步电机在额定运行时其定子三相的线电压（4）额定电流额定电流 是指同步电机在额定运行时流过其定子绕组的线 电流同步发电机同步电动机同步调相机额定容量发电机出线端的额定视在功率（VA）转轴上输出的有效机械功率（W）发电机出线端输出的无功功率（Var）额定功率发电机输出的额定有功功率（W）NSNPNUNI2

6、021-7-5河 海 大 学15（4）额定功率因数额定功率因数 是指同步电机在额定运行时的功率因数。（5）额定效率额定效率 是指额定运行时的效率。（6）额定转速额定转速 和额定频率额定频率 是指同步电机运行时的转速（r/min）和定子绕组中电流与电压的工作频率（Hz）。（7）额定励磁电压额定励磁电压 和额定励磁电流额定励磁电流 是指同步电机额定运行时加到励磁绕组上的直流电压和电流。NcosNNNNNNNIUSPcos3cosNNNNNIUPcos3(对三相交流发电机)(对三相交流电动机)NnNffNUfNI2021-7-5河 海 大 学16n同步电机运行时，必须在其转子励磁绕组中通入直流电流，

7、以便建立磁场，这个直流称为励磁电流励磁电流，供给励磁电流的整个系统称为励磁系统励磁系统。励磁系统是同步电机的重要组成部分，励磁系统和励磁元件的性能对电机的运行性能有重要影响。n分类，励磁系统主要有两大类： 一类是直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系直流励磁机励磁系统统； 另一类是用整流装置将交流变成直流后供给励磁的交交流励磁机整流励磁系统流励磁机整流励磁系统。2021-7-5河 海 大 学171、直流励磁机励磁系统 直流励磁机通常与同步发电机 同轴，当发电机转起来以后， 励磁机就可以为其供给直流电 流。最常用的是 直流并励发电机（直流并励发电机（如图所示）； 直流他励发电机直流他励发电机；

8、 直流复式励磁发电机直流复式励磁发电机。2、交流励磁机整流励磁系统 当发电机容量较大时，由于换向困难不适宜采用直流励磁机，这时一般采用交流励磁机与整流装置相配合来共同构成励磁系统。GfUtrfiffLR ,2021-7-5河 海 大 学18根据装置的放置位置可以分为静止整流励磁和旋转整流励磁两种1）静止整流励磁 静止整流励磁分为他励式和自励式两种，下图为他励式静止整流 励磁系统。 1发电机；2交流主励磁机；3交流副励磁机；4硅整流机； 5可控硅整流机；6自动电压调整器 （主励为100Hz同步发电机，副励为500Hz中频同步发电机）2021-7-5河 海 大 学19他励式静止整流器励磁系统n原理

9、：原理：主励(2)经整流(4)向发电机(1)提供If ;主励的励磁电流由副励磁机(3)提供n优点优点：运行、维护方便，用硅整流代替换向器不仅提高了励磁容量，而且大大提高了发电机运行可靠性；n缺点缺点：接线设备复杂，起动时需要另外的直流起励电源向副 励磁机供给励磁电流。自励式系统n优点优点：便于维护，电压稳定性较高，动态特性好。2021-7-5河 海 大 学202）旋转整流励磁 旋转电枢式。 交流主励磁机:电枢、整流装置与主发电机的励磁绕组均装设在同一旋转体上，不需要集电环和电刷装置，所以这种系统又称为无刷励磁系统无刷励磁系统。 1交流副励磁机；2交流主励磁机；3同步发电机； 4自动电压调节器2

10、021-7-5河 海 大 学21旋转整流励磁系统n优点优点：由于取消了电刷和集电环，所以这种励磁方式的运行比较 可靠可靠，维护简单，尤其适合于要求防燃、防爆的特殊场合。n缺点缺点：发电机励磁回路的灭磁时间常数较大，对迅速消除主发电 机的内部故障不利；转子绕组保护困难。2021-7-5河 海 大 学222021-7-5河 海 大 学231.同步发电机工作原理2021-7-5河 海 大 学24 当转子以同步转速旋转时，主磁场就在气隙中形成一个旋转磁场，它“切割”对称的三相定子绕组后，就将在定子绕组内感应出频率为 的一组对称三相空载电动势：忽略高次谐波时，励磁电动势的有效值为式中： 为每极的主磁通量

11、12000EEC12000EEB011044. 4wkfNE000EEAf02021-7-5河 海 大 学252、主磁通与漏磁通空载运行时，电枢电流为零，仅有由励磁电流所建立的主极磁场。主极磁通主极磁通分为主磁通主磁通和主极漏磁通主极漏磁通，主磁通所经过的路径称为主磁路，主磁路，包括：空气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭五个部分。 主极磁通是否通过气隙交链主磁通通过于定子绕住相交链主极漏磁通不通过仅与励磁绕组相交链0f2021-7-5河 海 大 学263、电压波形正弦畸变率n改善发电机发出电势波形的基本途径： 励磁电流产生接近与正弦分布的气隙磁密波形； 定子每相绕组采用分布和短距线圈； 三

12、相绕组采用Y Y接法。n恒量指标：电压波形正弦畸变率电压波形正弦畸变率 实际空载线电压波形与正弦波形的偏差程度一般用电压波形正电压波形正弦畸变率弦畸变率来表示，即1222122322mnmnmmkmmvUUUUUUk2021-7-5河 海 大 学271.电枢反应电枢反应n空载：I0，Fa 0，气隙磁场只由转子电流产生；n负载时：I0，Fa 0,Fa对Ff的影响称电枢反应n电枢磁势与转子磁势间的相对位置取决于负载电流的性质。n同步机空载电势 电机输出电流 之间的相角 定义为内功率因内功率因数角数角。 时， 时，电流 滞后于 ；n端电压 和 之间的相位角 称为外功率因数角外功率因数角 。 下面将分

13、析各种不同 角时的电枢反应。0EII0EIU02021-7-5河 海 大 学28一、内功率因数角 02021-7-5河 海 大 学29Fa在交轴，所以称交轴电枢反应，因合成磁势 有增磁作用因为I、E同相，所以不发无功功率 90,000afaaaffFFEFIEFI同方向与同方向，与定，有：相矢图中，按参考轴设aafFF0fFF2021-7-5河 海 大 学30二、内功率因数角 同步发电机的剖面简图 磁势的空间展开图直轴相轴，交轴1fF1ABCXYZaFNSf01ABCXYZxNS1fFaF2直轴交轴A相轴2021-7-5河 海 大 学31二、内功率因数角 时间相量图 时空矢量图2相轴交轴时轴直

14、轴112 f112 f时轴AE0AIBIBE0CE0CI0EEaE01fFaIaF2021-7-5河 海 大 学32 性无功过励状态发电机发出感发出容性无功，即：，超前电机运行于过励状态基本为变，必须增加为保持为去磁电枢反应反相，合成磁势与称：直轴电枢反应在直轴，EIIfFFFFFFffaa. 4,. 3. 2. 12021-7-5河 海 大 学33三、内功率因数角 同步发电机的剖面简图 磁势的空间展开图直轴相轴，交轴1fF1ABCXYZaFNSf01ABCXYZxNS1fFaF直轴交轴2021-7-5河 海 大 学34三、内功率因数角 Fa在交轴，所以称交轴电枢反应，因合成磁势 有增磁作用因

15、为I、E反相，所以不发无功功率fFF2021-7-5河 海 大 学35四、内功率因数角 同步发电机的剖面简图 磁势的空间展开图直轴相轴，交轴1fF1ABCXYZaFNSf01ABCXYZxNS1fFaF2直轴交轴2021-7-5河 海 大 学36四、内功率因数角 时间相量图 时空矢量图2时轴相轴，交轴时轴直轴112 f112 fAE0AIBE0BICE0CI0EEaEaF1fFF0aI2021-7-5河 海 大 学37结论： 同步电机的运行方式可以由内功率因数角 来判断。 同步电机作为发电机运行时，转子磁场将较定子磁场超前 同步电机作为电动机运行时，定子磁场将较转子磁场超前22222021-7

16、-5河 海 大 学382021-7-5河 海 大 学39一、电磁关系 当不考虑磁路饱和现象时，认为转子磁场与电枢磁场分别在定子绕组中感应电势。转子感应的电势称为空载电势，用表 示；电枢磁场感应的电势称为电枢反应电势，用 表示。电磁关系如下：0EaEaaaafffr IEEEFIUStatorEFIURotor:002021-7-5河 海 大 学40二、电路方程 三、等效电路 等效电路，如右图所示。隐极同步发电机在稳态运行时的等效电路是简单的独立回路，没有次级侧回路和其它耦合回路。arIUaE0Exx I jr IUEEx I jEr IUEEEaaaa00EE0或称合成电势：aEE 2021-

17、7-5河 海 大 学41n四、电枢反应电抗四、电枢反应电抗 比例系数是与电机结构有关的常数，称为电枢反电枢反应电抗应电抗 。写成相量形式：上式说明了电枢反应电抗的物理意义：可以把电枢反应磁场在定子每相绕组中所感应的可以把电枢反应磁场在定子每相绕组中所感应的电枢反应电势电枢反应电势 看成相电流所产生的一个电抗看成相电流所产生的一个电抗电压降，这个电抗就是电枢反应电抗电压降，这个电抗就是电枢反应电抗 。axIjxEaaaEaxIEEFIaaaa2021-7-5河 海 大 学42五、 同步电抗定子回路电压平衡式改写为 其中 为同步电抗同步电抗 为同步阻抗同步阻抗实际应用中主要关心同步电抗： 在计算同

18、步电机的各种性能时， 一般仅需应用同步电抗； 测量同步电抗较为方便。 等效电路变化xxxassasjxrZUUararxax0E0EsxII隐极同步发电机 的等效电路saaajxrIUx I jx I jr IUE02021-7-5河 海 大 学43六、隐极发电机的相量图 同步电机的三个角：外功率因数角 内功率因数角 功角UEIEIU,002021-7-5河 海 大 学44一、凸极同步电机的电枢反应双反应理论 由于凸极同步机的气隙不均匀，气隙各处的磁阻不同，在极面下的磁导大，两极之间的磁导小，所以在分析电枢反应时，采用双双反应法反应法，即把电枢基波磁动势 分解为作用在直轴上的 和作用在交轴上的

19、 ，还可以将电枢电流 分解为 和 ，即aFadFaqFcossinaaqaadFFFFIdIqIcossinIIIIqd2021-7-5河 海 大 学45n二、电磁关系当不计磁路饱和现象时，在定子绕组中分别成立直轴电枢反应电势和交轴电枢反应电势。其基波分量不别记作 和 。aaqaqaqadadadfffr IEEEFEFIUStatorEFIURotor:00adEaqE2021-7-5河 海 大 学46二、电路方程和等效电路则凸极同步发电机的定子绕组的电压平衡式为)(0jxrIUEEEEaaqadarx0EUadEaqEI2021-7-5河 海 大 学47三、直轴与交轴电枢反应电抗和同步电抗

20、 （1）直轴电枢反应电抗、交轴电枢反应电抗比例系数是与电机结构有关的常数。n其中：xad、xaq分别称直轴电枢反应电抗，交轴电枢反应电抗qaqaqaqaqqdadadadaddIEEFIIEEFI,dadddwadIxIpkklkmfNE21204qaqqqwaqIxIpkklkmfNE212042021-7-5河 海 大 学48写成相量形式：(2)直轴同步电抗和交轴同步电抗 设为定子每相漏抗，则可把漏抗与电枢反应电抗合并，即 式中： 称之为直轴同步电抗直轴同步电抗， 称之为交轴同步电抗交轴同步电抗。addxxxaqqxxxdxqxdadadIjxEqaqaqIjxE2021-7-5河 海 大

21、 学49四、凸极发电机的相量图1. 定子绕组的电压平衡式若把电枢反应电势看作是电抗压降，则定子绕组的电压平衡式为 或 另：另：隐极同步电机可看作凸极同步电机的特例来看。因为隐极机 的气隙均匀，气隙磁场波的波形系数 。 ， 只需要用一个参数 来表示同步电抗。)(0jxrIUxI jxI jEaaqdadd)()(0aqqaddaxxI jxxI jr IUEqqddaxI jxI jr IU1qdkkaaqadxxxsqdxxxsx2021-7-5河 海 大 学502. 的方向平衡方程中加 、减0E 的方向可求得方向已知，同方向与在一直线与垂直，与000000Ex I jr IUEx I jr

22、IUExxI jEIx I jr IUxxI jEx I jxxI jr IUxI jxI jxI jxI jr IUxI jxI jr IUEqaqaqdddqaqddqqddaqdqqqdddaqqddaddxI jddxI j2021-7-5河 海 大 学512. 画向量图的步骤： 凸极同步发电机的相量图（过激时）0addIqIIUar Iqx I j0EaqqqxI jddxI j方向0E00,ErI jrI jr IUIIqdEx I jr IIUqqddaqdqa坐标的方向2021-7-5河 海 大 学522021-7-5河 海 大 学53一、空载特性 同步发电机的转子套组加上直流

23、励磁，电枢绕组开路，即为同同步发电机的空载运行步发电机的空载运行。空载特性空载特性就是讨论转子直流励磁电流和空载电势的关系。因为空载电动势和转子磁场的每极磁通成正比，转子励磁电流和转子励磁磁动势成正比，因此只要选取不同的比例尺， 和同步电机的磁化曲线 是相同的。 空载特性可通过电机的磁路计算或实验测得，接线图如右所示， AVfR)(f0IfE )(f0If2021-7-5河 海 大 学54一、空载特性空载特性 1. 定义选取不同的比例尺，与同步电机的磁化曲线相同。2.测量 空载特性可通过电机的磁路计算或实验测得，接线图如右所示， AVfR 磁化曲线；每极磁通ffffInnfFfIfEFIEIf

24、EN00000,0)(2021-7-5河 海 大 学55n磁滞回线n0a为所求的空载特性，n 由剩磁所感应的电动势，称为剩磁电动势剩磁电动势。存在剩磁，校正：向左平移oc。bEr00EfIabcdef0rE0EfIrE0cfIfIfI2021-7-5河 海 大 学56n典型的空载特征 开始一段实际上是一条直线，因为此时 很小，电机磁路中的铁磁部分未饱和。If增大，逐渐饱和。n饱和系数：E0*=1时：总磁势与气隙磁势之比 n空载特性曲线的用途：a.求取同步电机的参数和特性外；b,.在发电厂中测空载特性以检查三相电枢绕组的对称性。aback 2021-7-5河 海 大 学57二、短路特性二、短路特

25、性1、定义2、用途 说明同步发电机的特性 测定同步电机的参数3、短路特性 同步发电机在短路时的量相量图。 U0 很小 很小（ 很小） 电机磁路处于不饱和又 ，所以，短路特性为一直线（ ）。0aIIkdkxI jE0EkIEFkaffIFFFI1FkaIF NnnUfkIfI, 0jxrIUEEEaa02021-7-5河 海 大 学58三、负载特性负载特性1。定义：。定义： 右图为不同的 和不同的 时的负载特性，其中(1)空载特性，(2)零功率因数特性， 通过零功率因数曲线和空载特性曲线可以求取饱和同步电抗及电枢电抗。UfINUec012345Icos0I 900cosNII ConstCons

26、tIfIfUcos,2021-7-5河 海 大 学59一、同步电抗的测定1、不饱和同步电抗的测定 右图1-空载特性,2-短路特性，不计电枢电阻，U=0时，隐极机：凸极机：因Ik滞后E090度,Iq=0,Id=Ik 所以： 用 近似 ，则 这样测得的同步电抗为不饱和同步电抗。对隐极机而言，所测定的同步电抗为 ；对凸极机而言，所测定的同步电抗为 。0EkI0EkI0E0123fIskxI jE0dkxI jE00E0EksdIExx0sxdx2021-7-5河 海 大 学602、求饱和同步电抗纯电感负载时，空载电动势、端电压和同步电抗之间的代数关系为 右图所示为空载特性和的 零功率因数曲线。其中

27、， ，所以饱和同步电抗的标么值为 不饱和同步电抗比饱和同步电抗大得多。0EfI0Eabcca0NUNII 0cos UsIxUE0NII abUNcaxIsNcbE 0abcaUxIIUxxNsNNNss0EUIasxI j02021-7-5河 海 大 学61二、短路比 短路比：短路比：在空载时使空载电动势有额定值时的励磁电流与在短路时使短路电流有额定值时的励磁电流之比。 短路比与同步电抗有关，设 为不饱和同步电抗，则从图中可得， ，则同步电抗的标么值为0fIkIf0kINIfI0ENU0E123kIdx00kdIExkkNNNkdkCIICUIIEx1000000NkfkfIIUfUEIfk

28、IIIIIIkNN00, 0, 002021-7-5河 海 大 学62n短路比大小与电机性能的关系（了解）n一般，汽轮发电机较小: 0.50.7n 水轮发电机较大: 1.01.4)(191349120过载能力变化小引起造价用铜量主要消耗气隙中）（气隙所需建立式式PssxUUIxFFIUEksdfffNk2021-7-5河 海 大 学63一、外特性 外特性是指当 ， 时，发电机的端电压与电枢电流之间的关系曲线 。 右图为不同功率因数的负载时同步发电机的外特性。 由图可见，感性负载感性负载和纯电阻负载纯电阻负载时，外特性下降下降；容性负载容性负载时，外特性上升上升 。外特性即可以用直接负载法测取，

29、亦可用作图法求出。 constI fconstcos)(IfU U0E0I123感性纯电阻容性负载:2021-7-5河 海 大 学64二、电压变化率 当发电机的端电压为额定值，并输出额定负载( ， )时 ，称为同步发电机的额定工作状态额定工作状态。 如右图所示，端电压升高的数值用额定端电压的百分数来表示就称为同步发电机的电压变化率电压变化率，或称为电电压调整率压调整率，用 表示，即NII NcoscosU0EU0IUNI%0NNUUEU%U2021-7-5河 海 大 学65三、调整特性 同步发电机正常运行情况下，当端电压和负载的功率因数一定时，表示负载电流和励磁电流之间关系的曲线称为调整特性调

30、整特性，即 右图表示了端电压为额定，不同负载功率因数时的调节特性，调节特性的变化趋势与外特性恰好相反。 ConstConstUfIfIcos,2021-7-5河 海 大 学66四、效率特性 同步发电机的效率特性效率特性是指 ， ， 时，发电机的效率与输出功率的关系即 发电机的效率可以通过直接负载法和损耗法分析求出。用损耗法计算公式如下Nnn NUU Ncoscos )(2Pf%10012ppp2021-7-5河 海 大 学67 2021-7-5河 海 大 学68对供电的要求主要是：对供电的要求主要是：保证足够的用电量，高的供电质量（电压和频率为额定值），以及经济、可靠。电力系统中有许多发电厂并

31、联供电，可以合理地利用动力资源，对国民经济有很大意义。同步发电机并联运行，是同步发电机最基本地运行方式，研究和掌握它地运行性能是有主要意义的。当单台发电机满足U=const，f=const时，称为无穷大电网或无穷无穷大电网或无穷大汇流排大汇流排。同步发电机并联运行与变压器并联运行的区别同步发电机变压器初级、次级电压必须相等，绕组阻抗决定负载电流的分配，负载电流能与容量成正比额定电压、额定频率相等，并联后有共同的端电压，空载电势可不相同，同步电抗的数值不能决定负载电流的分配2021-7-5河 海 大 学69一、并联运行的方法 为了投入并联所进行的调节和操作过程称为整步过程整步过程，有准确整步法和

32、自整步法两种方法。 1、准确整步法 把发电机调整到完全合乎投入并联的条件，然后投入电网，叫做准确整步法准确整步法。 最简单的同步指示器由三个同步指示灯组成，有直接接法和交叉接法两种接法（见图）。2021-7-5河 海 大 学70直接接法的接线和相量图VVV电网f待投入的发电机，fQ123123ABCABCnAUAUBUCUCUBU2021-7-5河 海 大 学71交叉接法的接线和相量图VVV电网f待投入的发电机，fA123A B CA B Cn123nAUAUBUBUCUCU2021-7-5河 海 大 学722、自整步法 自整步法的原理接线图如下所示。投入的步骤： 校验发电机的相序，把发电机拖

33、动到接近同步转速； 励磁绕组经限流电阻短路； 把发电机投入电网，再立即加上直流励磁； 自动牵入同步。 优点：投入迅速，不需增添复杂的装置； 缺点：投入时定子电流冲击稍大。励磁电源2021-7-5河 海 大 学73功率流程图（均为每相值）其中 为机械功率， 为机械损耗 为铁芯损耗， 为附加损耗 为电磁功率机械损耗和铁芯损耗合并考虑为空载损耗。励磁回路所消耗的电功率一般由原动机或其它电源供给，故不包括在功率流程图中，由图可得关系式：如这一同步机为电动机，则功率流程将倒转 为输入功率， 为 输出功率。取发电机输出功率为正值，电动机输入功率为负值。在发电机情 况下， ；在电动机的情况下， ，故上式同样

34、适 用于电动机和发电机。 1PmpFeppMPP1PMPpmpFepCu1aCuMrIpPP21P1PMPP MPP 2021-7-5河 海 大 学74一、功率表示式 隐极式同步发电机的 等效电路及其向量图 如右图所示， 由相量图得： 再从等效电路可以求得电枢电流为： 如把端电压 放在参考轴上，则有0EIarsxUsZIsx I jar I0EUIIEIErIUIPIUUIPaM 002coscoscossZUEI0000EEUU *2021-7-5河 海 大 学75同步电抗可以表示为式中整理得，将其带入 式，便得端点功率 与电磁功率 的表示式各为 如略去 ，则上式简化为)2(sszZsaxr

35、tg1)2()2(0sszUzEI *PMPsin)sin(20sszUzUEPsin)sin(200ssMzEzUEPsinsinmax0PxUEPPsMar2021-7-5河 海 大 学76三、转矩特性 同步电机的转速为同步转速，且经常保持不变，故转矩和功率成正比。如略去电枢电阻则得电磁转矩公式为 从功角特性公式可见，同步功率（或同步转矩）随着功角 而变化，且有一极限最大值 ，最大功率与额定功率之比称为过载过载能力能力用 表示，设一隐极式同步机，在额定运行时的功角为 则有sin0sMxUEpPpTmaxPMkNNMsNsNkxUEPxUEPsin1sin0max02021-7-5河 海 大

36、 学77二、功角特性 功率 或 随着 角而变化的关系称为功角特性。 不稳定 稳定 不稳定 隐极同步电机略去电阻时的功角特性PMPP220sxUE0sinsinmax0PxUEPPsM2021-7-5河 海 大 学78一、功率表示式 求凸极式同步电机的功率表示式时， 把电枢电阻略去不计，略去电阻后的 相量图如右图所示。从图可得到下列 关系 因为电阻被略去，故有 经过化简得 （功角特性表示式）cossin0UExIUxIddqqsincos)cos(cosdqMUIUIUIUIPP2sin2)(sin20qdqddMxxxxUxUEPPUIqx I jqqxI j0EddxI j)(qddxxI

37、j2021-7-5河 海 大 学79二、功角特性 对凸极机来说电磁功率包含两部分，第一项 称为基本基本 电磁功率电磁功率;第二项称为附加电磁功率附加电磁功率（磁阻功率磁阻功率） sin0dxUE2sin2)(2qdqdxxxxU2021-7-5河 海 大 学80n凸极机的最大电磁功率比具有相同 、 、 值的隐极机略大。n 越大附加电磁功率在总电磁功率中的比例越小。n功角为同步机的重要变量, 值决定同步机电磁功率大小;n且当转子磁场超前合成磁场时 设，发电机运行；n反之， 时，同步机作为电动机运行0EUdx0E002021-7-5河 海 大 学81一、有功功率的调节 要调节与电网并联的同步发电机

38、的输出有功功率，只需要调节发电机的输入机械功率，这时发电机内部会自行改变位移角 。 同步发电机在202稳定不稳定同步电动机在022稳定不稳定2021-7-5河 海 大 学82二、静态稳定的概念静态稳定的概念MPMPMPabcdef02abcMaP 同步发电机能在瞬时扰动消除后，继续保持原来的平衡运行状态，就称为这时的同步发电机是“静态稳定静态稳定”的，否则就是静态不稳定。 左图所示表示了静态稳定的概念。从图可以得出结论：处于功角特性曲线上升部分的工作点都是都是静态稳定的；下降部分的工作点都是静态不稳定。2021-7-5河 海 大 学83 静态稳定的条件用数学式表示为 用微分表示为 比整步功率

39、随 变化关系SSPP2SPMPmaxPMP00MP0ddPMddPM 为比整步功率，用符号 表 示。 对于隐极式同步电机的比整步功 率为SSPcos0sMSSxUEddPP 如左图所示，当功角发生一个变化 时，如果 愈大，即 数值愈大，发电机的运行就愈稳定。MPSSP2021-7-5河 海 大 学84一、无功功率的调节电网的负载包括有功功率有功功率和无功功率无功功率。同步发电机与电网并联后，要向电网供给有功功率有功功率和无功功率无功功率。 以隐极式同步电机为对象，并忽略电枢电阻， （感性为正） 右图为不计电枢电阻时的隐极式电机相量图，由图可见 将其代入无功功率表达式得sincos0sIxUEs

40、sxUxUEQ20cossinUIQ 2021-7-5河 海 大 学85上式即为无功功率的功角特性。当激磁不变时， 与 的关系为余弦函数，如右图所示若同步发电机输出的有功功率不变，则当 和 均不变时可得constxUEPconstUIPsMsincos0constEconstIsincos0QUdx2021-7-5河 海 大 学86下图是 时调节激磁电流的相量图 由图易出结论：当发电机与无穷大电网并联时，调节励磁电流大小，当发电机与无穷大电网并联时，调节励磁电流大小，就可以改变发电机输出的无功功率，不仅能改变无功功率的大小，而且能就可以改变发电机输出的无功功率，不仅能改变无功功率的大小，而且能

41、改变无功功率的特性。改变无功功率的特性。过过 激激电枢电流是滞后电流输出感性无功功率欠欠 激激电枢电流是超前电流输出容性无功功率constPMmmmm0EnncosIUIsx I jcossIxsin0EnnU01E02E03E04E1I2I3I4IsxI j1sxI j2sxI j3sxI j42021-7-5河 海 大 学87二、V形曲线n曲线 形状象字母“V”故称为V形曲线。n当P增加时，曲线向上移。n当调节If，使I最小，该点即V形曲线上的最低点，功率因数为1。nV形曲线族最低点连线表示 ； 右端为过激区， 左边为欠激区。注：如要只改变有功功率，在调节原动机功率输入的同时要适当改变同步

42、发电机的激磁。1cos ConstPfIfI2021-7-5河 海 大 学882021-7-5河 海 大 学89 两种分析方法： 仍按发电机观点，只要 大于90度即可 按电动机观点，另行分析，另列方程等发电机观点2021-7-5河 海 大 学90n(一） 仍按发电机观点 发出电功率0，即吸收电功率n1. 隐极电动机0:cos02:cos02PUIPUIsZIsx I jar I0EUI2021-7-5河 海 大 学91n2.凸极机 电动机 发电机2021-7-5河 海 大 学92（二）按电动机观点电势均为反电势（通过变压器、异步电机原方方程引出）隐极电动机平衡方程相量图凸极电动机：000taa

43、aaaUEEEIrEjIxjIxIrEIrjIx 00adaqaaddqqUEEEEIrEIrjI xjI x 2021-7-5河 海 大 学93n同步电机不能自起动，必须借助其他方法，现在主要是：n异步起动法 阻尼绕组与异步电机转子绕组类似，又称起动绕组把同步电动机的励磁绕组经过外电阻短接：R=10rf 将同步电动机定子绕组接通电源,类似异步电机起动，接近同步速度将励磁绕组与直流励磁电源接通（牵入同步）2021-7-5河 海 大 学94功率因数角0，P=0；Q0功率因数角180，P=0；Q0 2021-7-5河 海 大 学952021-7-5河 海 大 学96 同步发电机突然短路时,各绕组中

44、会出现很大的冲击电流,其峰值可达额定电流的十倍以上.突然短路的瞬态过程很短,却可能带来严重的后果。 如左图所示，合上开关使绕组1 突然短路，绕组中的电压方程为 如把电阻 忽略，则上式变成 它的一般解为： ， 设 ，则d轴n121i2i0a0dtdir0dtdrconst0t0t2021-7-5河 海 大 学97 所以没有电阻的闭合绕组的磁链不会变化，永远等于突然短路瞬间。 结论：在没有电阻的闭合回路中，磁链将保持不变，这一简单关系称为磁链不变原则磁链不变原则。 下面用磁链不变原则分析无阻尼绕组同步发电机空载运行时，在发电机出线端点处发生三相突然短路后电机各绕组中的磁链变化情况。分析时假设： 励

45、磁电流不变； 转子转速保持不变； 不计饱和影响。 2021-7-5河 海 大 学98 同步发电机空载时， 转子旋转磁场将在各定子 绕组中形成磁链 ， ， 和 ，如左图（a）所示， 因为此时定子绕组开路， 所以定子绕 组中没有电流， 不产生定子磁场。 左图(b)为A相磁链的 变化情况。 )(a)(bttA0B0C0A0fCfBfA00fAfAAAA0AAAAfAfBfC2021-7-5河 海 大 学99一、直轴瞬态电抗 下图为没有阻尼绕组的同步电机突然短路时（a）稳定短路（b）突然短路初瞬，电枢磁通所经过的路径。 （a） (b)adsfaNSNSsfaaddx2021-7-5河 海 大 学100

46、 稳定短路时，定子电流所遇到的磁阻较小，定子电流所遇到的电抗为数值较大的同步电抗 。 突然短路时，在短路初瞬，由于磁链不变原则，如图（b）所的， 被挤到转子外侧的漏磁路中去。 变大变大，则此时电枢电流的电抗变小变小，使突然短路初始瞬间有较大较大的短路电流。这个限制电枢电流的电抗称为直轴瞬态电抗直轴瞬态电抗，用 表示，可见 。 由于转子绕组有电阻，使突然短路时较大的冲击电流逐渐减小，最后短路电流为 所限制。此时，电机已从突然短路状态过渡到稳定短路状态。dxadaddxddxx dx2021-7-5河 海 大 学101二、直轴超瞬态电抗 当转子上装有阻尼绕组时，电枢磁通路径如右图 所示。此时，磁路

47、的磁阻更大更大了，与之相应的电抗将有更小更小的数值 ，称为直轴超瞬态电抗直轴超瞬态电抗。 短路初瞬，定子绕组中的短路电流将为 所限制，在最初几个周波后，定子电流为 所限制，最后到达稳态值时，定子电流为 所限制。 NSaad 0ad dx dx dxdxdx 2021-7-5河 海 大 学102三、 和 的表示式 同步发电机装有阻尼绕组时全部电枢磁通所经磁路的总磁导为 由于电抗和磁导成正比，则dx dxadd dfad11111addxxx dfadxxxx11111直轴超瞬态电抗等效电路图xdx adxfxdx12021-7-5河 海 大 学103 如转子上没有阻尼绕组或当阻尼绕组中的感应电流衰减完毕，磁路的总磁导为 直轴瞬态电抗 的表示式为xadxfxdxfadd111dxfadfadfaddxxxxxxxxx111直轴瞬态电抗等效电路图2021-7-5河 海 大 学104四、交轴瞬态电抗 及其表示式 如同步发电机经过负载阻抗短路，则由短路电流所产生的电枢磁场不仅有直轴分量，也有交轴分量。在突然短路初始瞬间，沿着交轴的电抗为 和 。 称为交轴瞬态电抗交轴瞬态电抗， 称为交轴超瞬态交轴超瞬态电抗电抗。 同步发电机在交轴上一般没有励磁绕组，所以一般交轴瞬态电抗和交轴同步电抗相等，即 qxqxqx qxqx qqxx 2021-7