电机学2之同步电机

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6.2 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6.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图凸极同步发电机的电压方程和相量图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6.6 同步电机参数的测定同步电机参数的测定6.7 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性 第六章第六章 同步电机的稳态分析同步电机的稳态分析6.8 同步发电机与电网并联运行同步发电机与

2、电网并联运行6.9 同步电动机与同步补偿机同步电动机与同步补偿机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 同步电机同步电机一、同步电机的基本结构一、同步电机的基本结构 旋转电枢式旋转电枢式 旋转磁极式旋转磁极式 隐极式隐极式（Cylindrical-Rotor） 凸极式凸极式（Salient-pole）细长细长水轮发电机水轮发电机汽轮发电机汽轮发电机短粗短粗不计齿槽时气隙均匀；不计齿槽时气隙均匀；机械强度高，适用于机械强度高，适用于高转速；一般用于汽高转速；一般用于汽轮发电机；外形细长。轮发电机；外形细长。气隙不均匀，极弧下较小，极间较气隙不均匀，极弧下较小，极间较大；

3、机械强度比隐极机低，适用于大；机械强度比隐极机低，适用于低转速；一般用于水轮发电机，外低转速；一般用于水轮发电机，外形扁盘形。形扁盘形。同步电机的基本结构同步电机的基本结构300MW300MW水氢冷发电机结构水氢冷发电机结构1 1、汽轮发电机结构、汽轮发电机结构 （1 1）定子铁心）定子铁心思考：定子铁心为什么要用思考：定子铁心为什么要用0.5mm0.5mm的硅钢片叠裝？的硅钢片叠裝？返回1 1、汽、汽轮发电轮发电机结构机结构返回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2 2、水轮发电机结构、水轮发电机结构转子结构转

4、子结构10000kW10000kW水轮机转子水轮机转子1.1.发电环节发电环节各种电机各种电机 引进引进600MW汽轮发电机汽轮发电机国产国产300MW汽轮发电机汽轮发电机国产国产200MW汽轮发电机定子汽轮发电机定子现场运行的水轮发电机现场运行的水轮发电机U2U1W2V1W1V2NSn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二、同步电机的运行状态二、同步电机的运行状态发电机发电机把机械能转换为电能把机械能转换为电能 电动机电动机把电能转换为机械能把电能转换为机械能补偿机补偿机没有有功功率的转换，只发出或吸没有有功功率的转换，只发出或吸 收无功功率收无功功率 同步电机运行状态，

5、主要取决于定子合成磁同步电机运行状态，主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角场与转子主磁场之间的夹角，称为功率角称为功率角 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 同步电机的三种同步电机的三种运行状态状态三、同步电机的励磁方式三、同步电机的励磁方式直流励磁机励磁直流励磁机励磁直流励磁机通常与同步发电机直流励磁机通常与同步发电机 同轴，采用并励或他励接法。同轴，采用并励或他励接法。 如图如图6868所示所示 整流器励磁整流器励磁静止式静止式如图如图6-96-9旋转式旋转式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 l额额 定定 容容 SN 指

6、额定运行时电机的指额定运行时电机的输出功率输出功率 l额定电压额定电压UN 指额定运行时定子的指额定运行时定子的线电压线电压 l额定电流额定电流IN 指额定运行时定子的指额定运行时定子的线电流线电流 l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 l额定频率额定频率fN 指额定运行时电枢的频率指额定运行时电枢的频率l额定转速额定转速nN 指额定运行时电机的转速，即为指额定运行时电机的转速，即为l 同步转速同步转速 四、额定值四、额定值 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 返回 空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所空载运行时，同步电

7、机内仅有由励磁电流所建立的主极磁场。图建立的主极磁场。图6l06l0表示一台四极电机空载表示一台四极电机空载时的磁通示意图。从图可见，主极磁通分成主磁时的磁通示意图。从图可见，主极磁通分成主磁通通0 0和漏磁通和漏磁通ff两部分，前者通过气隙并与定两部分，前者通过气隙并与定子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁绕组子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁绕组相交链。主磁通所经过的主磁路包括空气隙、电相交链。主磁通所经过的主磁路包括空气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭等五部分。枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭等五部分。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一、空载运行一

8、、空载运行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一、空载运行一、空载运行 当转子以同步转速旋转时，主磁场将在气隙中形成一个旋当转子以同步转速旋转时，主磁场将在气隙中形成一个旋转磁场，在定子绕组内感应出对称三相电动势（激磁电动势）转磁场，在定子绕组内感应出对称三相电动势（激磁电动势） 0000 EEA000120 EEA000120 EEA空载特性是同步电机的一条基本特性。如图空载特性是同步电机的一条基本特性。如图611611所示所示011044. 4wkfNE 011044. 4wkfNE 二、对称负载时的电枢反应二、对称负载时的电枢反应l 电枢磁动势的基波在气隙中所

9、产生的磁场就电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场就称为电枢反应。电枢反应的性质称为电枢反应。电枢反应的性质( (增磁、去磁或增磁、去磁或交磁交磁) )取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。分析表明，此相对位置取决于激磁电动势位置。分析表明，此相对位置取决于激磁电动势E E0 0和负载电流和负载电流I I之间的相角差之间的相角差0 0(0 0称为内功率称为内功率因数角因数角) )。下面分成两种情况来分析。下面分成两种情况来分析。 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 与与 同相时同相时0EI 定子绕组电动势、电定子绕组电动势、电

10、流和磁动势的空间矢流和磁动势的空间矢量图量图相相轴轴线线AfFA0BXZYBCNSsnsnaF时时间间参参考考轴轴CE0 A0 C0 BE0 AE0 B I1 00B0 AICI b)b)定子绕组电动势、电定子绕组电动势、电流和磁动势的时间矢流和磁动势的时间矢量图量图注意：空间上三相绕组是逆时针放置注意：空间上三相绕组是逆时针放置 与与 同相时同相时0EIc) c) 时时- -空统一矢量图空统一矢量图轴轴dfF)(aqnFF )(00 B I0 E1 d)d)气隙合成磁场与主气隙合成磁场与主 磁场的相对位置磁场的相对位置aFeTAXZYBCNS0BBsn 与与 不同相时不同相时0EI a) a

11、) 滞后于滞后于 时时 的空间矢量图的空间矢量图0 E IsnadF相轴线相轴线AAXZBCsnaFaqFNSfF b) b) 滞后滞后 时的时时的时- - 空统一矢量图空统一矢量图 I0 EfFadFaFaqF I0 0 1 0 E 与与 不同相时不同相时0EI c) c) 超前超前 时的时时的时- -空统一矢量图空统一矢量图0 E I1 0 IfFadFaF0 0 E返回同步发电机负载运行时物理量的关系：同步发电机负载运行时物理量的关系：l一、不考虑磁饱和时一、不考虑磁饱和时fI主主极极fF 0 0E E aE aaF I电枢电枢 E)( XIjE6.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和

12、等效电路 在时间相位上，在时间相位上， 滞后于滞后于 以以9090电角度，若不计定子电角度，若不计定子铁耗铁耗, , 与与 同相位，则同相位，则 将滞后于将滞后于 以以9090电角度于是电角度于是 亦可写成负电抗压降的形式，即亦可写成负电抗压降的形式，即 采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，电枢的电压方程为电枢的电压方程为 UjXRIEEaa)(0 因为电枢反应电动势因为电枢反应电动势EaEa正比于电枢反应磁通正比于电枢反应磁通aa不计磁饱不计磁饱和时，和时，aa又正比于电枢磁动势又正比于电枢磁动势FaFa和电枢电流和电枢电流I

13、I，即，即IFEaaaaEIaaXI jEaaaEI (65) (65) (66) (66) 将式将式(66)(66)代人式代人式(65)(65)，可得，可得saaaXI jRIUXI jXI jRIUE0 (67) (67) 式中，式中，XsXs称为隐极同步电机的同步电抗，称为隐极同步电机的同步电抗，Xs=Xa+XXs=Xa+X，它，它是对称稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两个效应的一是对称稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两个效应的一个综合参数。不计饱和时，个综合参数。不计饱和时，XsXs是一个常值。是一个常值。 图图615a615a和和b b表示与式表示与式(65)(65)和式和式(6

14、7)(67)相对应的相量相对应的相量图，图图，图615c615c表示与式表示与式(67)(67)相应的等效电路。从图相应的等效电路。从图615c615c可以看出，隐极同步发电机的等效电路由激磁电动势和同步可以看出，隐极同步发电机的等效电路由激磁电动势和同步阻抗阻抗Ra+jXsRa+jXs串联组成，其中串联组成，其中E E0 0表示主磁场的作用，表示主磁场的作用，XsXs表示电表示电枢反应和电枢漏磁场的作用。枢反应和电枢漏磁场的作用。 考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理不再适用。考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理不再适用。此时，应先求出作用在主磁路上的合成磁动势此时，应先求出作用在主

15、磁路上的合成磁动势F F，然后利用电，然后利用电机的磁化曲线机的磁化曲线 ( (空载曲线空载曲线) ) 求出负载时的气隙磁通求出负载时的气隙磁通 及相应及相应的气隙电动势的气隙电动势 。二、考虑磁饱和时二、考虑磁饱和时EfFFaaFk E k ka a是换算系数，表示产生同样大小的基波气隙磁动势时，是换算系数，表示产生同样大小的基波气隙磁动势时，1 1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。 再从气隙电动势再从气隙电动势 减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，使减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，使得电枢的端电压得电枢的端电压 ，即，即EUUjXR

16、IEa)()( jXRIUEa 相应的矢量图、相量图和相应的矢量图、相量图和F FE E间的关系如图间的关系如图616a616a和和6616b16b所示。图所示。图6-16a6-16a中既有电动势相量，又有磁动势矢量。故中既有电动势相量，又有磁动势矢量。故称为电动势称为电动势磁动势图。磁动势图。或或同步发电机稳态运行时，若所带负载为感性 ，则其电枢反应的性质为（ ）。 A 交轴电枢反应； B 直轴去磁电枢反应； C 直轴去磁与交轴电枢反应； D 直轴增磁与交轴电枢反应。答：Ccos0.82在同步电机中，只有存在 电枢反应才能实现机电能量转换。答：交轴例题*004.2500010.5cos0.8

17、()2.13NNNsPkWUkVYXEEI有一台， 联接，滞后的汽轮发电机，电枢电阻略去不计。试求额定负载下励磁电动势及与 的夹角 。3同步电机的功角有双重含义，一是 和 之间的夹角；二是 和 空间夹角。答：主极轴线，气隙合成磁场轴线， 励磁电动势，电压*0*0000*000=1 01 0136.82.13 2.845 36.7610.510.52.84517.253336.7636.873.6sNUEUjI XjEEkVkV 解：取故？*2* 2220*0000*00(cos)(sin)0.8(0.6 1 2.13)2.84510.510.52.84517.2533sin1 0.554 1

18、sin36.87tan1.4425coscos36.87cos0.8cos0.2812.84573.67NNsNNNEUUI XEEkVkVIXUUUE 解：故因得内功率因数角*2.2500010.5cos0.8()2.13NNNsPkWUkVYX有一台三相汽轮发电机， 联接，滞后，作单机运行，由试验测得它的同步电抗的标幺值为，电枢电阻略去不计。每相励磁电动势为7520V，试分别求下列几种情况接上三相对称负载时的电枢电流值，并说明其电枢反应的性质：（1）每相是7.52 纯电阻；（2）每相是7.52 纯电感作业；（3）每相是7.52 纯电容；（4）：每相是(7-.52 j7.52) 电阻电容性负

19、载。复习题3.同步发电机带有阻感负载时的电枢反应是（ ）。A.直轴去磁； B.直轴加磁；C.交轴及直轴加磁 ；D.交轴及直轴去磁；4.同步发电机并网联运行时，在下列哪种情况下其稳定性较好（ ）。A.正常励磁运行； B.欠励运行； C.过励运行； D.重载运行；5.负载并网运行的水轮发电机只减小励磁电流，发出的功率将（ ）A.不变 ； B.减小； C.增大； D.不确定；6. 单台水轮同步发电机带负载独立运行时，若水轮机的输出功率减小，而励磁电流和负载阻抗值不变时，发电机输出功率将（ ）。A.不变 ； B.减小； C.增大； D.不确定；7.凸极同步电机，其直轴同步电抗Xd和交轴同步电抗Xq相比

20、（ ）。A. XdXq； D. XdXq；复习题8.中小型交流电机，消除定子绕组中齿谐波电动势常采用的方法是（ ）。A.采用短距线圈； B.采用分布绕组； C.改善主极磁场分布； D.采用斜槽；9.三相异步电动机拖动恒转矩负载运行时，若电源电压下降10%，转速将（ ）。A.增大； B.不变； C.减小； D. 减小10%；10.为消除交流绕组中的5次和7次谐波电动势，可取y1等于（ ）。A.4/5T； B. 5/4T； C.5/6T； D.5/7T；11.三相异步电动机转子电流所产生的磁动势相对于转子的转速为（ ）A.ns ； B.n； C.sns ； D.0；12. 正常运行为接线的三相异步

21、电动机，常见的起动方法是（ ）。A.直接起动； B.自耦变压器降压起动；C.Y-换接起动；D.定子串电阻起动；8.D；9.C；10.C；11.C；12.C；复习题15.空载的变压器若电源电压不变，频率由50Hz变为60Hz，其铁心磁通将（ ）A.不变； B.变大； C.变小； D.不确定；16.一台配电变压器，保持一次侧额定电压不变，若二次侧空载电压和额定负载时电压相等，则这台变压器负载性质可能为（ ）。A.阻感性 ； B.纯感性； C.纯阻性； D.阻容性；15，C 16， D22.同步发电机实用的并网方法有两种，分别是_和 。23.减小同步发电机励磁电流，其功率角将 _。24.同步发电机转

22、子阻尼绕组的作用是_ _。25.绕线式异步电动机转子串电阻起动的优点是_ 和 _。复习题（5）升高异步电机的定子电压，最大转矩将_（减小，不变，增大）；在转子回路中串电阻，最大转矩将 _（减小，不变，增大）。（答案：增大；不变）（6）一台380V、50Hz的感应电动机，把它接在380V、60Hz的电源上运行，则电机的主磁通将_（下降，不变，上升）；电机的最大转矩将_（下降，不变，上升）。（答案：下降；下降）（7）在异步电动机的绕线转子中串入适当的电阻，则电机的最大转矩将_（下降，不变，上升）；电机的临界转差率将_（下降，不变，上升）。（答案：不变；上升）复习题22222111111222221

23、123914850.012750esssnrpmRrpmrpmRUmm Um U ssTRRRRcXcXssN有一台三相四极的绕线型感应电动机，额定转速，转子每相电阻。设负载转矩保持为额定值不变，今欲把转速从1485下调到，问转子每相串入多大的调速电阻？注：复习题40.某三相水轮发电机PN=15000kW，UN=6.3kV，Y接，cosN=0.8（滞后），已知：标么值Xd=1.0，Xq=0.65，电枢电阻Ra忽略不计。试求：额定运行时的功率角。2 两台额定电压相同的变压器并联运行，已知：SNI=3000kVA，uKI=5%；SNII=3000kVA，uKII=10%。 (1) 总负载为3000

24、kVA时，两台变压器的负载分别是多少？ (2) 为了不使任一台变压器过载，两台变压器的最大总输出容量是多少。 考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直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法，就称为双反应理论。轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，就称为双反应理论。 凸极同步电机的气隙是不均匀的，极面下气隙较小，凸极同步电机的气隙是不均匀的，极面下气隙较小，两极之间气隙较大，故直轴下单位面积的气隙磁导两极之间气隙较大，故直轴下单位面积的气隙磁导d d (d(d00 ) ) 要比交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q q (q(q00 )

25、) 大很多，如图大很多，如图618a618a所示。所示。 当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时，由于当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时，由于dd较较大，故在一定大小的磁动势下，直轴基波磁场的幅值大，故在一定大小的磁动势下，直轴基波磁场的幅值Bad1Bad1相对较大。相对较大。一、双反应理论一、双反应理论6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图dq 不考虑磁饱和时不考虑磁饱和时同步发电机负载运行时物理量的关系：同步发电机负载运行时物理量的关系：二、凸极同步发电机的电压方程和相量图二、凸极同步发电机的电压方程和相量图6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图fIfF0 0 E EadE ad ad

26、FaF Iaq aqE aqF E XI j合成电动势（气隙电动势）激磁电动势直轴电枢反应电动势交轴电枢反应电动势漏抗压降l 从气隙电动势中减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，便从气隙电动势中减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，便得电枢的端电压。采用发电机惯例，电枢的电压方程为：得电枢的端电压。采用发电机惯例，电枢的电压方程为：UjXRIEEEaaqad)(0qaqIE dadIE6-9l不计磁饱和时不计磁饱和时 和和 可以用相应的负电抗压降来表示可以用相应的负电抗压降来表示adEaqEaddadXI jEaqqaqXI jEqdIIIqqddaaqqaddaaqqaddaXI jXI jRIUXXI j

27、XXI jRIUXI jXI jXI jRIUE)()(06-10将式将式(6-10)(6-10)代入式代入式(6-9)(6-9)，并考虑，并考虑 ，可得可得 直轴电枢反应电抗交轴电枢反应电抗直轴同步电抗交轴同步电抗6-11 式中，式中，XdXd和和XqXq分别称为分别称为直轴同步电抗直轴同步电抗和和交轴同步电抗交轴同步电抗，它们是表征对称稳态运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反它们是表征对称稳态运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反应的一个综合参数。上式就是凸极同步发电机的电压方程。应的一个综合参数。上式就是凸极同步发电机的电压方程。图图6-196-19表示与上式相对应的相量图。表示与上式相对应的相量

28、图。 引入虚拟电动势引入虚拟电动势 ，使，使 可得可得QE)(0qddQXXI jEEqaqddqqddaQXI jRIUXXI jXI jXI jRIUE)()(6-126-12 式式6-126-12相量图如图相量图如图6-206-20所示。由图所示。由图6-206-20不难确定不难确定 由式由式6-126-12可得凸极同步发电机的等效电路，如图可得凸极同步发电机的等效电路，如图6-216-21所所示。示。 aqIRUIXUcossinarctan0三、直轴和交轴同步电抗的意义三、直轴和交轴同步电抗的意义 由于电抗与绕组匝数的平方和所经磁路由于电抗与绕组匝数的平方和所经磁路的磁导成正比，所以

29、的磁导成正比，所以 如图如图6-226-22所示。对于凸极电机，由于直所示。对于凸极电机，由于直轴下的气隙较交轴下小，轴下的气隙较交轴下小， ，所以，所以X XadadXXaqaq，因此在凸极同步电机中，因此在凸极同步电机中，X Xd dXXq q。 对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故X Xd dXXq qXXs s ddNX21qqNX21adaq例题例题返回思考题：l凸极同步电机转子励磁匝数增加使 和将 ；凸极同步电机气隙增加使 和将 l答：不变，减小qXdXqXdX 6.5 同步发电机的功率方程和转矩方程l一、功率方程和电磁功率一、功率方程和电磁功率 l

30、功率方程功率方程 若转子励磁损耗由另外的直流电源供给，则若转子励磁损耗由另外的直流电源供给，则发电机轴上输入的机械功率发电机轴上输入的机械功率PlPl扣除机械损耗扣除机械损耗 和定子铁和定子铁耗耗 后，余下的功率将通过旋转磁场和电磁感应的作用，后，余下的功率将通过旋转磁场和电磁感应的作用，转换成定子的电功率，所以转换功率就是电磁功率转换成定子的电功率，所以转换功率就是电磁功率PePe，即，即 (6-14)pFepeFePppP1 再从电磁功率再从电磁功率PePe中减去电枢铜耗中减去电枢铜耗 可得电枢端点输出可得电枢端点输出的电功率的电功率P2P2；即；即 (6-15)Cuap2PpPCuae

31、电磁功率电磁功率 从式从式(615)(615)可知，电磁功率可知，电磁功率PePe为为)cos(cos2aaeIRUmIRmImUIP0coscoscosQaEEIRU0coscosImEmEIPQe00cosImEPe 由图由图623623可见可见 故同步电机的电磁功率亦可写成故同步电机的电磁功率亦可写成 上式的第一部分与感应电机的电磁功率表达式相同，第上式的第一部分与感应电机的电磁功率表达式相同，第二部分则是同步电机常用的。对于隐极同步电机，由于二部分则是同步电机常用的。对于隐极同步电机，由于E EQ QE E0 0，故有，故有 二、转矩方程二、转矩方程 把功率方程把功率方程(614)(6

32、14)除以同步角速度，可得转矩方程除以同步角速度，可得转矩方程 式中，式中，T T1 1为原动机的驱动转矩为原动机的驱动转矩,T,Te e为电磁转矩为电磁转矩,T,T0 0为空载为空载转矩，分别为：转矩，分别为：e01TTTsPT11seePTsFeppT0(618)返回6.6 同步电机参数的测定一、用空载特性和短路特性确定一、用空载特性和短路特性确定X Xd d 空载特性可以用空载试验测出空载特性可以用空载试验测出, ,试验线路如图试验线路如图6-24a6-24a所示。试验时，所示。试验时，电枢开路电枢开路 ( (空载空载) )，用原动机把被试同步电机拖动到同步转速，改变励磁，用原动机把被试

33、同步电机拖动到同步转速，改变励磁电流电流IfIf，并记取相应的电枢端电压，并记取相应的电枢端电压U0 (U0 (空载时即等于空载时即等于E0E0，直到，直到U01.25UNU01.25UN左右，可得空载特性曲线左右，可得空载特性曲线 ，如图，如图624b624b所示所示。 短路特性可由三相稳态短路试验测得，试验线路如图短路特性可由三相稳态短路试验测得，试验线路如图6-24a6-24a所示。将所示。将被试同步电机的电枢端点三相短路，用原动机拖动被试电机到同步转速，被试同步电机的电枢端点三相短路，用原动机拖动被试电机到同步转速，调节励磁电流调节励磁电流IfIf使电枢电流使电枢电流I I从零起一直增

34、加到从零起一直增加到1.2IN1.2IN左右，便可得到短左右，便可得到短路特性曲线路特性曲线 ，如图，如图624b624b所示。所示。)(0fIfE )(fIfI 短路时，短路时， ，故，故 ， ，而，而 所以所以 因为短路试验时磁路为不饱和，所以这里的因为短路试验时磁路为不饱和，所以这里的E E0 0( (每相值每相值) )应从气隙线上查出，如图应从气隙线上查出，如图625625所示，求所示，求出的出的X Xd d值为不饱和值。值为不饱和值。 00900qIdIIdqqddaXI jXI jXI jRIUE0IEXd0 (619)(620) X Xd d的饱和值与主磁路的饱和情况有关。主磁路

35、的饱和值与主磁路的饱和情况有关。主磁路的饱和程度取决于实际运行时作用在主磁路上的合的饱和程度取决于实际运行时作用在主磁路上的合成磁动势，因而取决于相应的气隙电动势；如果不成磁动势，因而取决于相应的气隙电动势；如果不计漏阻抗压降，则可近似认为取决于电枢的端电压，计漏阻抗压降，则可近似认为取决于电枢的端电压，所以通常用对应于额定电压时的所以通常用对应于额定电压时的X Xd d值作为其饱和值。值作为其饱和值。为此，从空载曲线上查出对应于额定端电压为此，从空载曲线上查出对应于额定端电压U UN N时的时的励磁电流励磁电流I If0f0，再从短路特性上查出与该励磁电流相，再从短路特性上查出与该励磁电流相

36、应的短路电流，如图应的短路电流，如图626626所示，这样即可求出所示，这样即可求出 X Xd(d(饱和饱和) )IUXN)d(饱和例题例题l凸极电机的Xq可以利用经验公式求得Xq0.65Xd 6.7 同步发电机的运行特性一、同步发电机的运行特性一、同步发电机的运行特性 同步发电机的稳态运行特性包括同步发电机的稳态运行特性包括外特性、调整外特性、调整特性和效率特性。特性和效率特性。 外特性外特性外特性表示发电机的转速为同步转外特性表示发电机的转速为同步转速，且励磁电流和负载功率因数不变时，发电机的速，且励磁电流和负载功率因数不变时，发电机的端电压与电枢电流之间的关系：即端电压与电枢电流之间的关

37、系：即n nn nS S，I If f= =常值，常值，cos=cos=常值时，常值时，U=f(I)U=f(I)。 图图630 630 表示带有不同功率因数的负载时，同表示带有不同功率因数的负载时，同步发电机的外特性。步发电机的外特性。 调整特性调整特性调整特性表示发电机的转速为同调整特性表示发电机的转速为同步转速、端电压为额定电压、负载的功率因数不变步转速、端电压为额定电压、负载的功率因数不变时，励磁电流与电枢电流之间的关系；即时，励磁电流与电枢电流之间的关系；即n nn nS S，U U =U=UNN，cos=cos=常值时，常值时，If=f(I)If=f(I)。 图图631631表示带有

38、不同功率因数的负载时，同步表示带有不同功率因数的负载时，同步发电机的调整特性发电机的调整特性 效率特性效率特性效率特性是指转速为同步转速、效率特性是指转速为同步转速、端电压为额定电压、功率因数为额定功率因数时，端电压为额定电压、功率因数为额定功率因数时，发电机的效率与输出功率的关系；即发电机的效率与输出功率的关系；即n nn nS S，U =UU =UNN，cos= coscos= cosN N时，时，=f(P2)=f(P2)。 同步电机的空载磁路返回0 f同步电机的空载特性NU00, EFIf,0fIo空载特性空载特性 NU气隙线气隙线返回ffwwIkkfNkfNE11011044. 444

39、. 4双反应理论轴轴dad q 轴轴d轴轴q双反应理论双反应理论aqF0 adFNS aF1adbaqb1aqB1adBadb返回双反应理论双反应理论隐极同步发电机的向量图隐极同步发电机的向量图0 a aE 0 E E I XI jaXI j 90 UaRI 返回隐极同步发电机的向量（图隐极同步发电机的向量（图b ）返回隐极同步发电机的等效电路隐极同步发电机的等效电路 0EaR E I UaXsX X返回电动势电动势-磁动势图磁动势图返回 XI jfFaaFkF E U IaRI 由合成磁动势由合成磁动势F确定气隙电动势确定气隙电动势E0EE空载曲线空载曲线OFffIF 或或返回凸极同步发电机

40、的向量图凸极同步发电机的向量图0 qI 0 E 0 UdI qqXI j IaRI ddXI j 返回 角的确定角的确定0 0 EQE qI )(qddXXI j qXI j aRI dI I 0 返回凸极同步发电机的等效电路图凸极同步发电机的等效电路图 QEaR I UqX返回凸极同步电机电枢反磁通及所经磁路及磁导凸极同步电机电枢反磁通及所经磁路及磁导返回adF)(adad )( )(aqaq adF)( 直轴电枢磁导直轴电枢磁导交轴电枢磁导交轴电枢磁导从向量图导出从向量图导出aIRUE coscos返回空载、短路实验接线图空载、短路实验接线图返回A 励 磁电 枢AAAA 励 磁电 枢AAA

41、VV空载、短路特性曲线空载、短路特性曲线INIOfkIfI短路特性返回NU00, EFIf,0fIo空载特性空载特性 NU气隙线气隙线用空载和短路特性来确定用空载和短路特性来确定气隙 线空载载特短路特性IE ,00EIofIfIdX返回 (饱和饱和)和短路比的确定和短路比的确定NUdX0fI气隙 线空载载特短路特性IE ,00EIofIfI返回INIfkI同步发电机的外特性同步发电机的外特性IUNIONUcos=0.8滞后滞后cos=1cos=0.8超前超前返回图图631同步发电机的调整特性同步发电机的调整特性IUcos=0.8滞后滞后cos=1cos=0.8超前超前ONU返回旋转磁极式同步电

42、机的类型旋转磁极式同步电机的类型NS+隐极式隐极式返回NSNS+凸极式凸极式返回带副励磁机的励磁系统带副励磁机的励磁系统GG副励磁机副励磁机主励磁机主励磁机同步发电机同步发电机返回Ia1 If0Ia0Ia2If1静止整流器励磁系统交流副励磁机交流副励磁机交流主励磁机交流主励磁机不可控整不可控整流起器流起器电压调电压调整器整器主发电机主发电机电电压压互互感感器器电流互感器电流互感器可控整可控整流起器流起器自励恒自励恒压器压器返回 NNoNoNoNNSoSoSSSSoeT0 eTsnsnsneT主极主极主极主极同同步步电电机机的的三三种种运运行行状状态态发电机发电机补偿机补偿机电动机电动机返回l例

43、例62 有一台25000kW、10.5kV(星形联结)、 (滞后)的汽轮发电机，从其空载、短路试验中得到下列数据，试求同步电抗。l从空载特性上查得：相电压 kV时，If0155A；从短路特性上查得：IIN1718A时，Ifk280A；从气隙线上得查得：If280A时， kV l解解 从气隙线上查出，If280A时，激磁电动势 ；在同一励磁电流下，由短路特性查出，短路电流I1718A；所以同步电抗为 3/5 .10 U22.4/3U 129303/224000VEl用标幺值计算时用标幺值计算时 ， ，l故故l从空载和短路特性可知从空载和短路特性可知，l于是于是Xd(饱和饱和)为为 133. 21

44、71812930)(0IEXXSd即133. 25 .104 .220*0NUEE*0*2.1332.1331dEXI1*I*0/ /IIIIINfkf806. 11552801)(0)(* NNUUfIIfkdIIIX（饱和）（饱和）例例6-1 一台凸极同步发电机，其直轴和交一台凸极同步发电机，其直轴和交轴同步电抗的标幺值为轴同步电抗的标幺值为 ， ，电枢，电枢电阻略去不计，试计算该机在额定电压、电阻略去不计，试计算该机在额定电压、额定电流、额定电流、 (滞后滞后) 时激磁电动势的标时激磁电动势的标幺值幺值 (不计饱和不计饱和) l解解 以端电压作为参考相量以端电压作为参考相量 虚拟电动势为

45、虚拟电动势为0*01U0*87.361 I8 . 0cos *0E0 . 1*dX6 . 0* qX00*44.19442. 187.366 . 01jXI jUEqQl即即角为角为1944，于是，于是l电枢电流的直轴、交轴分量和激磁电动势电枢电流的直轴、交轴分量和激磁电动势分别为分别为000031.5687.3644.198321. 0sin0*IId5547. 0cos0*IIq775. 1) 6 . 01 (8321. 0442. 1)(*0qddQXXIEEl方法二：方法二：l直轴电枢电流为直轴电枢电流为l励磁电动势励磁电动势00sinarctancos0.60.6 arctan56.

46、310.8qI XUU8321. 0sin0*IId*00cos() 1 cos(56.31 36.87) 0.8321 1 1.775ddEUI X 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并联运行功角特性有功功率调节无功功率调节同步电机的其他运行方式主要内容主要内容l同步发电机的并联运行l发电机的整步l同步发电机的功角特性隐极机、凸极机l有功功率的调节、稳定概念l无功功率的调节、V形曲线l了解：同步电动机、同步补偿机一、同步发电机的并联运行l单机供电的缺点：不能保证供电质量(电压和频率的稳定性)和可靠性(发生故障就得停电)，无法实现供电的灵活性和经济性。l通过并联可将几台

47、发电机或几个电站并成一个电网。同步发电机并联成大电网1.1同步发电机并联运行的意义同步发电机并联运行的意义 l 减少发电厂的储备容量发电厂可以根据负荷的发展，相应地逐步增加发电机的台数。l 提高发电厂运行的经济性 发电厂可按照负荷变化倩况，确定投入并联运行的发电机台数。l 提高供用电的质量和可靠性由许多发电厂组成的电力系统，容量大，负荷变化时对系统的电压和频率的影响就小。 1.2 并联运行的基本条件l必须必须与电网有相同的额定电压和相同的额定频率l因激磁可以自由调节、空载电势可以不相因激磁可以自由调节、空载电势可以不相同（同步电抗的数值并不能决定负载电流同（同步电抗的数值并不能决定负载电流的分

48、配的分配与变压器并联运行对照与变压器并联运行对照）。l同步电抗有不同数值的发电机可并联运行，并获得合理的负载分配通过功率的调节手段。 电压幅值相同电压幅值相同电压相序一致电压相序一致初相角一样初相角一样二、投入并联的方法l整步过程 将发电机并联至电网的手续l在投入并联运行时必须避免产生巨大的冲击电流避免产生巨大的冲击电流，以防止同步发电机受到损坏、电网遭受干扰。2.1 投入并联运行条件l使发电机每相电势瞬时值与电网电压瞬时值保持一直相等1.相同的相序2.相等的电压波形、大小和相位3.相等或接近的频率波形由设计、制造自行满足频率不同，矢量E与U将产生相对运动，即产生一直变化的环流，引起发电机内的

49、功率震荡波形不同，如发电机中有高次谐波，将产生高次谐波环流，增加运行时损耗如电压大小、相位不同，也产生一换流。如在极性相反时投入，环流将达到20-30IN，在电磁冲力作用下，定子绕组端部将受到大的冲击2.2 整步过程的准备工作1.检查整步过程的条件通常用电压表测量电网电压 ，并调节发电机的励磁电流调节发电机的励磁电流使得发电机的输出电压输出电压U=U1。2.确定合闸时刻借助同步指示器检查并调整频率和相位调整频率和相位以确定合闸时刻。 同步指示灯法方法一方法一：通过调节发电机励磁电流的大小使电压相等 ；电压调整好后，如果相序一致，灯光应表现为明暗交替。如果灯光如果灯光不是明暗交替，则说明相序不一

50、致不是明暗交替，则说明相序不一致，应调整发电机的出线相序或电网的引线相序，严格保证相序一致；通过调节发电机的转速改变频率，直到灯光明暗交替十分缓慢时，说灯光明暗交替十分缓慢时，说明频率已十分接近明频率已十分接近，等待灯光完全变暗的瞬间（相位相同），即可合闸并车 同步指示灯法方法二方法二：通过调节发电机励磁电流的大小使电压相等 ；电压调整好后，如果相序一致，则灯光旋转，如灯光同步灯光同步则说明相序不一致则说明相序不一致；通过调节发电机的转速改变 频率，直到灯光旋转十分缓慢灯光旋转十分缓慢时，说明时，说明 频率十分接近频率十分接近，这时等待灯 3 完全熄灭的瞬间到来，即可合闸并车。自整步法l前提：

51、相序一致l将励磁绕组通过电阻短接l拖动到接近同步速(相差25)，在无励磁电流的情况下，将发电机接入电网l再接通励磁并调节励磁，依靠定子磁场和转子磁场之间的电磁转矩将转子拉入同步转速，并车过程结束。l需要注意的是，励磁绕组必须通过一限流电阻短接，因为直接开路，将在其中感应出危险的高压直接开路，将在其中感应出危险的高压；直接短路，将在直接短路，将在定、转子绕组间产生很大的冲击电流定、转子绕组间产生很大的冲击电流。l优点：操作简单，方便快捷；l缺点：合闸时有冲击电流。约为励磁电阻的10倍适用于事故状态下的并车 三、隐极同步发电机的功角特性pcu2电磁功率PM与励磁系统的情况有关。如是同轴励磁机，则P

52、1中应扣除输入励磁机的全部功率；如是单独拖动的电动机-励磁机组，则励磁损耗pcu2与P1无关，由励磁机组供给。sax I jr IUE0 等效电路 相量图功角内功率因数角功率因数角3.1 功率关系式200002002220200coscoscos0tansinsinsinsinMaassssssssMssPUIUIPUII rE IE IUUEErarcZzxEUEUIZzzE UUPzzE UEPzz 设，则，则sinsin0max0PxUEPPrsMa，则如忽略取实部，有功3.2 功角的时空概念l在时间上：端电压（U与与E相位基本相同相位基本相同）和励磁磁势之间的相位差l在空间上：合成磁场

53、轴线与转子磁场轴线之间夹角。 l稳定运行时， Ff和F 之间无相对运动，固定。 l功角为正值时，为发电机运行。功率角的空间概念3.3 隐极机的功角特性sinsinmax0PxUEPPsM发电机运行电动机运行过载能力kMl最大功率与额定功率之比越大越小，则，则设额定功率时功角MNNMNsNNkkxUEPsin1sin0减小xs，可减小N ，即有较大短路比，则电机过载能力大考虑电枢电阻后的功角特性l电枢电阻的存在，使最大功率减小23.4 隐极机的转矩特性l转矩特性与功角特性形状相同pppnnzUEpPpPTsMM1602602sin110电角速度四、凸极机的功角特性cossin0UExIUxIdd

54、qq20coscoscossinsinsin22MqddqddqPPmUImUImUImUIUxxE Ummxx x磁阻功率原因：凸机极电机直轴和交轴位置的磁阻不一样，电枢磁密矢量Ba与磁势磁势Fa不重合1. 作出相量图作出相量图2. 推导推导关键：关键：先作出先作出E0的方向的方向2sin2sin20qdqddxxxxUxUEP发电机发电机电动机电动机l例题例题6-4l注意注意：对应最大功率的功角与隐极电机进行比较计算出：根据极值条件：90700ddPM0max0.80.511cos0.8()123dqmMXXUIEPPk一台、的凸极同步发电机，接在的电网上，运行工况为，滞后。忽略定子电阻，

55、试求，和，和，习题习题l7同步发电机并网的条件是：（1） ；（2） ；（3） 。l答：发电机相序和电网相序要一致，发电机频率和电网频率要相同，发电机电压和电网电压大小要相等、相位要一致l10同步发电机与电网并联，如将发电机励磁电流减为零，此时发电机电磁功率为 。l答：l7同步发电机的额定功率指（ ）。A 转轴上输入的机械功率； B 转轴上输出的机械功率；C 电枢端口输入的电功率； D 电枢端口输出的电功率。l答：D2qdU11m()sin22XX习题为什么同步电机的气隙要比容量相同的感应电机的大？答：感应电机的励磁电流由电源供给，需要从电网吸取感性无功功率，如果气隙大，则励磁电流大，电机的功率

56、因数低，因此在机械允许的条件下，气隙要尽量小一些(2)。同步电机的气隙磁场由转子电流和定子电流共同激励，从同步电机运行稳定性考虑，气隙大，同步电抗小，短路比大，运行稳定性高。但气隙大，转子用铜量增大，制造成本增加。气隙大小的选择要综合考虑运行性能和制造成本这两方面的要求(3)。五、有功功率的调节稳定稳定不稳定5.1 有功功率的调节10MPPP功率平衡P=电机的极限功率电机的极限功率1空载时空载时：P=PM=0,P1=P0，处于平衡状态=02增加机械功率输入增加机械功率输入：P1P0， P1-P00过渡过程过渡过程：电机加速，转子磁场位置将超前合成磁场，0 随着 增加，P=PM0增加，当达到P1

57、-P0=PM时，电机加速过程结束稳定运行稳定运行：转化来的电磁功率，使输出有功功率输出有功功率P变化变化发电机内部自动改变位移角自动改变位移角，相应改变电磁功率和输出功率，达到新的功率平衡（如保持励磁电流不变）P1-P0PM问题：l若输入机械功率发生突然变化，发电机的运行状况l若输出端发生突然变化，5.2 静态稳定l扰动发电机输入功率的微动l静态稳定瞬时扰动消除后继续保持原来的平衡运行状态MbaPPa，转子加速，点：01，达到原有的功率平衡，转子减速扰动消失后，abMbPPP01ad点正常工作点点静态不稳定结论：处于功角特性的曲线上升部分的工作点，是静态稳定的，即0ddPM概念：比整步功率l空

58、载时， =0，Pss最大，最稳定l =/2，Pss=0，将进入不稳定状态l /2，PssU还是EU是判断电机作为发电机还是电动机运行的依据之一，在同步电机中，这个结论正确吗？答：在同步电机中，励磁电动势E0和电机端电压U都是相量，不能根据它们的大小来判断电机的运行状态，而应根据气隙合成磁场轴线与主磁极轴线的相对位置来决定。当主磁极轴线超前气隙合成磁场轴线时，为发电状态；重合时为调相状态；滞后时为电动机状态。000( )dqemUfXXEEUPfEU什么是同步电机的功角特性？ 角有什么物理意义？答：当电网电压和频率 恒定、参数、为常数、励磁电动势不变时，同步电机的电磁功率只决定于与 的夹角 ，称 为功率角，为同步电机的功角特性。由于电机的漏阻抗远小于同步阻抗，从空间上看，功率角可近似认为是主磁极轴线与气隙合成磁场轴线之间夹角；从时间上看，功率角是励磁电动势与 的夹角。习题 l一汽轮发电机，额定功率因数为0.8（滞后），同步电抗