同步电机,西南交大

1、第五篇第五篇 同步电机同步电机陈小勤陈小勤11/26/202111/26/2021第十二章第十二章 同步电机基本理同步电机基本理论和运行特性论和运行特性第十三章第十三章 同步发电机同步发电机在大电网上运行在大电网上运行第十四章第十四章 同步发电同步发电机的不对称运行机的不对称运行第十五章第十五章 同步电机的突然短路与振荡同步电机的突然短路与振荡定子通入三相电流定子通入三相电流产生转速为产生转速为n1的旋转磁场的旋转磁场切割转子导体切割转子导体在转子导体中产生感应电动势在转子导体中产生感应电动势形成感应电流形成感应电流与定子磁场作用产生力矩与定子磁场作用产生力矩转子转子旋转旋转回顾异步电机的原理

2、回顾异步电机的原理主要作电动机用主要作电动机用同步电机原理同步电机原理min)/(60 rpfn 步步。转转子子转转速速与与旋旋转转磁磁场场同同旋旋转转磁磁场场转转子子旋旋转转转转子子直直流流励励磁磁同步电机的运行状态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，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 第十二章第十二章 同步

3、电机的基本同步电机的基本理论和运行特性理论和运行特性12-1 同步电机的结构同步电机的结构 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 形式形式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（如汽轮发电机）（如汽轮发电机） 凸极式凸极式（如水轮发电机）（如水轮发电机） 磁极放在定子上磁极放在定子上 旋转磁极式同步电机的类型旋转磁极式同步电机的类型NS+隐极式隐极式NSNS+凸极式凸极式n同步电机由定子、转子、端盖和轴承等部件构成同步电机由定子、转子、端盖和轴承等部件构成12-1 同步电机的结构同步电机的结构 二、同步电机的结构特点二、同步电机的结构特点1.定子定子

4、定子绕组：三相对称，一般采用三相双层短距叠绕定子绕组：三相对称，一般采用三相双层短距叠绕 组，也称电枢绕组组，也称电枢绕组 定子铁芯：一般由厚定子铁芯：一般由厚0.35mm或或0.5mm的电工钢片的电工钢片叠成叠成 定子机座：支撑定子铁芯定子机座：支撑定子铁芯3.气隙气隙 处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。重大影响。 2.转子转子 汽轮发电机：隐极式，卧式结构，汽轮发电机：隐极式，卧式结构，P206，图，图12-5 注重通风和冷却注重通风和冷却 水轮发

5、电机：凸极式，立式结构，水轮发电机：凸极式，立式结构，P207，图，图12-7。 分悬式和伞式，包括轴、转子支架、磁分悬式和伞式，包括轴、转子支架、磁轭、磁极及励磁绕组、阻尼绕组等。轭、磁极及励磁绕组、阻尼绕组等。 另：凸极同步发电机也有卧式（横式）结构。如同步电动另：凸极同步发电机也有卧式（横式）结构。如同步电动机、同步补偿机等机、同步补偿机等12-1 同步电机的结构同步电机的结构 NNNNNNIUPS ,cos,三、同步电机的额定值三、同步电机的额定值NNNNNNIUP cos3cosS 三三相相交交流流发发电电机机：Ncos3 NNNNIUP 三三相相交交流流电电动动机机：对励磁系统的要

6、求：对励磁系统的要求：n正常运行时，供给励磁电流正常运行时，供给励磁电流n为维持端电压或电网电压值，随负载情况变化，为维持端电压或电网电压值，随负载情况变化，励磁励磁电流能电流能相应相应调节调节n当系统电压严重下降时（如发生短路故障等），能当系统电压严重下降时（如发生短路故障等），能强行励磁强行励磁提高电势，保持电压稳定提高电势，保持电压稳定n突然丢负荷时，如水轮机组转速明显升高，能突然丢负荷时，如水轮机组转速明显升高，能强行减磁强行减磁，限，限制端电压过度增高。制端电压过度增高。12-2 同步电机的直流励磁系统同步电机的直流励磁系统 对励磁系统的要求：对励磁系统的要求：n当电机内部发生短路故

7、障时，能快速当电机内部发生短路故障时，能快速灭磁灭磁和减磁，以和减磁，以减小故障的损坏程度。减小故障的损坏程度。n对两台以上并联运行发电机，能对两台以上并联运行发电机，能成组调节无功功率调节无功功率，使无功合理分配。使无功合理分配。n其他：反映迅速，运行可靠，结构简单，损耗小，成其他：反映迅速，运行可靠，结构简单，损耗小，成本低，体积小等本低，体积小等强励指标强励指标n励磁电流增长幅度励磁电流增长幅度n励磁电流增长速度励磁电流增长速度正正常常工工作作电电压压强强励励时时顶顶值值电电压压强强励励倍倍数数 K正正常常工工作作电电压压内内增增长长电电压压电电压压上上升升速速度度sv5 . 0 一般值

8、，一般值，K=1.5-2，v=0.5-1.0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。整流器励磁整流器励磁静止式静止式旋转式旋转式励磁系统供给励磁电流励磁系统供给励磁电流建立磁场，分以下两类建立磁场，分以下两类:用整流装置将交流变成直流后供给励磁用整流装置将交流变成直流后供给励磁 换向困难换向困难 火花严重火花严重 励磁容量增励磁容量增加引起集电环加引起集电环严重过热严重过热直流并励励磁系统直流并励励磁系统交流静止励磁系统交流静止励磁系统旋转整流器励磁系统旋转整流器励磁系统12-3 同步电机的空载运行同

9、步电机的空载运行 n空载磁势空载磁势n时空矢量时空矢量n空载电势空载电势n电压波形畸变电压波形畸变空载运行：空载运行： 原动机把同步电机拖入额定转速，转子绕组通入直流励原动机把同步电机拖入额定转速，转子绕组通入直流励磁电流，而定子磁电流，而定子 绕组开路时（无电流）的运行状态。绕组开路时（无电流）的运行状态。同步电机空载磁路同步电机空载磁路0 f主极磁通分成主磁通主极磁通分成主磁通0和漏磁通和漏磁通f两部分两部分60:;:44. 4E 110110pnfkNkfNNN 应应频频率率主主磁磁通通切切割割定定子子绕绕组组感感数数：定定子子绕绕组组基基波波绕绕组组系系数数定定子子一一相相串串联联导导

10、体体的的总总等等于于感感应应电电势势此此时时发发电电机机的的空空载载电电压压。磁磁化化曲曲线线曲曲线线通通过过试试验验画画空空载载特特性性及及得得到到不不同同的的改改变变)()(,)(0000000ffffffFfIfEIFEIfEEI NfffUEdcdhogodabacFfFfF00000k ;)()( 由由图图定定义义饱饱和和系系数数逐逐渐渐弯弯曲曲铁铁心心逐逐渐渐饱饱和和，成成线线性性关关系系，随随着着故故几几乎乎全全部部耗耗在在空空气气隙隙，势势动动较较小小时时磁磁场场不不饱饱和和，磁磁在在00 EffIF0fIo空空载载特特性性NU气隙线气隙线abchdg0E 25. 11 . 1

11、一般：k 一、空载磁势一、空载磁势 212sin8 fffFFk隐隐极极波波形形系系数数2sin41 fffFFk凸凸极极波波形形系系数数两极间中心线两极间中心线转子绕转子绕组轴线组轴线二、空载时二、空载时- -空矢量图空矢量图相绕组轴线（相轴）作为参考轴，令时间相量参考轴与空相绕组轴线（相轴）作为参考轴，令时间相量参考轴与空间矢量参考轴重合间矢量参考轴重合四个轴：时轴，相轴，交轴，直轴四个轴：时轴，相轴，交轴，直轴时间相量时间相量绕组的感应电势、电压和电流，匝链的磁通绕组的感应电势、电压和电流，匝链的磁通空间矢量空间矢量磁势和磁通密度（磁势和磁通密度（随时间变化随时间变化）空载时空载时-空矢

12、量图（以空矢量图（以A相为例）相为例）空间矢量图空间矢量图1 相相轴轴线线、交交轴轴AAXZB1fFNSCY直直轴轴1fB时间矢量图时间矢量图时时轴轴0E01 直直轴轴01fF1fB0E1 相相轴轴、时时轴轴时时-空矢量图空矢量图0度时度时空载时空载时-空矢量图（以空矢量图（以A相为例）相为例）空间矢量图空间矢量图1 相相轴轴线线、交交轴轴AAXZB1fFNSCY直直轴轴1fB时间矢量图时间矢量图时时轴轴0E01 1fF直直轴轴01fB0E1 相相轴轴、时时轴轴时时-空矢量图空矢量图逆时针转逆时针转90度时度时三、空载电势相量三、空载电势相量011000000000044. 41201200

13、KNfNEEEEEEECBA励励磁磁电电动动势势有有效效值值，122122322mnmnmmkmmvUUUUUUk 措施措施：使气隙磁密波形接近正弦波，定子采用分布和：使气隙磁密波形接近正弦波，定子采用分布和短距绕组，三相短距绕组，三相Y形接法消除三次及其倍数次谐波。形接法消除三次及其倍数次谐波。四、电压波形正弦畸变率四、电压波形正弦畸变率12-4 对称负载时的电枢反应对称负载时的电枢反应 000EUI ，端压，端压空载时，空载时，电电枢枢反反应应。响响电电枢枢感感应应电电势势变变化化磁磁场场发发生生改改变变，同同时时影影机机气气隙隙同同向向、同同速速旋旋转转，使使电电且且与与转转子子旋旋转转

14、磁磁场场磁磁场场电电枢枢产产生生电电枢枢磁磁势势称称电电流流负负载载后后，电电枢枢绕绕组组有有对对 0, aaFI。间间的的相相角角差差和和的的空空间间位位置置取取决决于于和和故故的的原原则则滞滞后后同同相相，与与同同相相，与与对对位位置置，按按照照的的空空间间相相和和和和大大小小有有关关，取取决决于于电电枢枢反反应应与与负负载载的的性性质质 IEFFEIFFFFafafaf0100001190 功率角功率角间的相角差间的相角差）和）和（或（或外功率因数角外功率因数角间的相角差间的相角差和和内功率因数角内功率因数角间的相角差间的相角差和和三个角三个角 UU0EEIIEn内功率因数角内功率因数角

15、=00 BI.AI.CI.AE0.时轴CE0.B0.Ed轴轴q轴轴 A轴轴A AX X Z ZB BCYFfNS+90+900 0FFa 交轴电枢反应滞滞后后。较较较较时时，气气隙隙磁磁场场结结论论是是在在）如如上上图图以以及及感感应应电电势势和和磁磁通通合合成成气气隙隙磁磁势势00,0,c EEEF )0(0时时的的电电枢枢反反应应同同相相和和一一、 EI交交轴轴电电枢枢反反应应对对主主极极磁磁场场的的影影响响为为交交轴轴磁磁势势正正交交直直轴轴轴轴与与滞滞后后于于 aafaFFFF)(d,901 内功率因数角内功率因数角=900时轴AE0.CE0.BE0.AI.CI.BI.直轴去磁电枢反应

16、d轴轴q轴轴 A轴轴A AX XZ ZB BCYFfNSFa的的电电枢枢反反应应滞滞后后二二、)90(90000 EI。机机向向电电网网输输出出无无功功功功率率发发电电率率为为零零，而而故故有有功功功功作作用用。磁磁此此种种情情况况电电枢枢反反应应为为去去反反向向，表表明明与与由由于于, 1sin, 0cos1 faFF步电动机运行状态。步电动机运行状态。为同为同功率由电网输入电机，功率由电网输入电机，有功有功反向，反向，与与1cos0 EI的的电电枢枢反反应应滞滞后后三三、 )180(180000 EIn内功率因数角内功率因数角=-900时轴时轴AE0.CE0.BE0.CI.BI.AI.直轴

17、助磁电枢反应直轴助磁电枢反应d轴轴q轴轴 A轴轴A AX XZ ZB BCYFfNSFan内功率因数角内功率因数角00900 时轴时轴AE0.CE0.BE0.AI.CI.BI.既有交轴又有直轴去磁电枢反应既有交轴又有直轴去磁电枢反应d轴轴q轴轴 A轴轴A AX XZ ZB BCYFfNS+90+900 0Fa输输出出容容性性无无功功功功率率。仅仅向向电电网网 , 1sin, 0cos cos cos sin sin IIFFIIFFIIIFFFFFqaaqdaadqdaaqadaaqad两个分量两个分量和交轴磁势和交轴磁势为直轴磁势为直轴磁势可以把电枢磁势分解可以把电枢磁势分解 )90(900

18、00超超前前四四、 EI起起去去磁磁作作用用。对对而而起起交交磁磁作作用用对对同同相相，与与110;fadfaqqFFFFEI 时的电枢反应时的电枢反应五、五、00900 输输出出容容性性无无功功。时时为为输输出出感感性性无无功功，当当时时为为电电动动机机运运行行状状态态，而而时时为为发发电电机机运运行行状状态态来来判判断断，当当的的相相角角和和以以由由同同步步电电机机的的运运行行状状态态可可0000000909027090;9090. 1 IE。磁磁化化作作用用时时，欠欠励励状状态态时时，为为过过励励状状态态；当当直直轴轴电电枢枢起起去去磁磁作作用用. 2：以以上上分分析析可可以以得得出出结

19、结论论了了能能量量的的传传递递方方向向。间间的的夹夹角角，该该夹夹角角决决定定改改变变了了定定、转转子子磁磁动动势势当当电电枢枢反反应应存存在在时时，它它. 3n1nAZBXCYSNemTIIaq电磁转矩电磁转矩，形成，形成，有功电流产生电磁力，有功电流产生电磁力时，时，当忽略电机本身参数，当忽略电机本身参数， 0 emTIIrd成成电电磁磁转转矩矩，不不形形，无无功功电电流流产产生生电电磁磁力力时时，当当忽忽略略电电机机本本身身参参数数， 09 n1TemAZBXCYNS综上：为维持发电机的转速不变，必须随有功负载的变化调综上：为维持发电机的转速不变，必须随有功负载的变化调节原动机的输入功率

20、；节原动机的输入功率； 为保持发电机的端电压不变，必须随无功负载的变化为保持发电机的端电压不变，必须随无功负载的变化相应调节转子的励磁电流。相应调节转子的励磁电流。当当角为不同值的电枢反应角为不同值的电枢反应 位置夹角记作电枢反应性质对电机的影响负载性质n(f)U=0=00 0q轴+90+900 0交轴波形畸变下降不变R=90=900 0d轴+90+900 0直、去削弱不变下降L=-90=-900 0d轴+90+900 0直、助增强不变上升C0 00 090900 0d、q轴+90+900 0交、直去削弱下降下降 R、L-90-900 00/2，Pss0，失去稳，失去稳定定 ddPPMss s

21、 2cos11coscos200 dqdsssssxxUxUEPxUEP凸极机：凸极机：隐极机：隐极机：2 2、动态稳定、动态稳定n扰动扰动负载突然变化（加、卸、短路、失磁、电压突变）负载突然变化（加、卸、短路、失磁、电压突变）曲线曲线1 a点：原正常运行点点：原正常运行点曲线曲线2：电网电压因事故明显降低：电网电压因事故明显降低曲线曲线3：电压降低很大：电压降低很大分析：比较下列情况电机的稳定性分析：比较下列情况电机的稳定性n短路比大小：短路比短路比大小：短路比 大，则同步电抗大，则同步电抗 小，小，Pmax大，一定大，一定P时，时，角角 较小，稳定性好。较小，稳定性好。n过激与欠激：有功一

22、定时，过激时过激与欠激：有功一定时，过激时E0大，大，角角 小，稳定小，稳定性好。性好。n轻载与满载：激磁相同时，轻载与满载：激磁相同时，Pmax相同，轻载时相同，轻载时角小，稳角小，稳定性好。定性好。n直接接电网或通过电抗接电网：通过外电抗接电网，则直接接电网或通过电抗接电网：通过外电抗接电网，则最大输出功率由电抗分配，较直接接电网时小，一定最大输出功率由电抗分配，较直接接电网时小，一定P时，时，角角 较大，稳定性差。较大，稳定性差。n不计电枢电阻时隐极电机的无功功率不计电枢电阻时隐极电机的无功功率13-5 无功功率调节无功功率调节和和V形曲线形曲线sssxUxUEQxUEIUIQ200co

23、scossinsin UIsxI j 0En设功率为设功率为PT，运行于，运行于a点，点，功角功角an假设原动机有功功率不变，假设原动机有功功率不变，减小励磁电流减小励磁电流，则，则E0减小减小n功角特性幅值降低，运行功角特性幅值降低，运行点变为点变为b点，功角为点，功角为b，相，相应无功变为应无功变为Qb，即，即减小了减小了无功输出无功输出。（静态稳定度。（静态稳定度降低）降低）PTaQabssxUxUEQ20cos 一、隐性机的无功功率特性一、隐性机的无功功率特性的的条条件件。满满足足直直线线的的条条件件上上的的点点满满足足直直线线从从相相量量图图看看出出：constEmmconstInn

24、 sin ;cos0变变即即中中保保持持有有功功功功率率输输出出不不设设调调节节无无功功功功率率的的过过程程即即可可。只只要要调调节节励励磁磁电电流流调调节节无无功功功功率率的的调调节节不不需需要要fIP ,1 sincossincos00 constEconstIconstxUEPconstUIPsxUsM 不不变变和和二、有功不变时的无功调节二、有功不变时的无功调节功功率率。电电网网提提供供可可调调节节的的无无功功由由滞滞后后角角变变成成超超前前角角向向点点、也也分分别别移移至至于于相相角角关关系系，及及各各点点，由由、移移至至沿沿无无功功功功率率点点，输输出出有有功功功功率率设设同同步步

25、电电机机开开始始工工作作于于 , ,sin ,cos431204030102202 IIIIEEEmmEIUIUIEf。仍仍然然只只能能是是，可可调调区区间间角角随随之之的的同同时时，功功调调节节在在由由滞滞后后无无功功向向超超前前无无00900 时时有有所所增增加加。后后无无功功，电电枢枢电电流流都都较较出出滞滞右右半半部部是是过过励励状状态态，输输无无功功是是欠欠励励状状态态，输输出出超超前前线线的的左左半半曲曲线线提提高高，输输出出有有功功功功率率和和对对应应的的曲曲线线中中的的最最低低点点是是1cos;cos,1cos PIIf结论结论：对于每一给定的有功功率都有一允许的最少激磁，：对

26、于每一给定的有功功率都有一允许的最少激磁，进一步减小激磁将使发电机失去稳定。进一步减小激磁将使发电机失去稳定。 欠激欠激过激过激cos =0.8超前超前cos =0.8滞后滞后表表示示。用用曲曲线线的的变变化化可可以以出出过过程程中中，电电流流率率输输调调节节的的方方法法调调节节无无功功功功用用励励磁磁在在保保持持)(, fIfIIconstP 结论：无功功率调节特性结论：无功功率调节特性n当发电机与无穷大电网并联时，调节激磁电流的大小，当发电机与无穷大电网并联时，调节激磁电流的大小，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

27、能改变无功功率的性质。率的大小，而且能改变无功功率的性质。n当过激时，电枢电流是滞后电流，发电机输出感性无功当过激时，电枢电流是滞后电流，发电机输出感性无功功率。功率。n当欠激时，发电机输出容性无功功率，电枢电流是超前当欠激时，发电机输出容性无功功率，电枢电流是超前电流。电流。 ?1 . 1)()3(?,1 . 1)2(,8 . 0cos,9 . 0)1(, 0 . 1),(8 . 0cos 01010*为为多多少少和和倍倍，为为额额定定运运行行时时的的感感性性使使不不变变调调励励磁磁如如和和不不变变时时将将如如何何变变化化不不变变，使使调调节节。、这这时时的的和和无无功功输输出出的的有有功功

28、时时而而当当并并网网运运行行。求求：滞滞后后态态时时例例：同同步步发发电电机机额额定定状状 EQIPEQQIPPPEQPIIxffNNNsN 0EIfFUsxIj，0E00*0*1 .251 .257 . 11)54. 072. 0(1 ,54. 072. 054. 06 . 09 . 01sin72. 08 . 09 . 01cos jjxIjUEjIIUQIUPs作作相相量量图图：解解： )1(0*0*0*0*01*0*1*0*0*5 . 3281. 11)66. 072. 0(166. 06 . 01 . 1,72. 0)3(8 .2977. 11)54. 088. 0(154. 02

29、.3117 . 1188. 0sinsin ,sin),(7 . 188. 08 . 01 . 11 . 1 , 8 . 0cos )2( jjxIjUEQPjjxIjUEQUExPxUEPEIPPIUPssssfNNN则则而而无无功功若若保保持持不不变变有有，若若保保持持由由不不变变不不变变，当当 功率调节总结功率调节总结n调输入调输入P1调节输出有功调节输出有功P输出的输出的P、Q均有变化，为使输出均有变化，为使输出Q不变则需调节励磁。不变则需调节励磁。n调励磁调励磁If调节输出无功调节输出无功Q 输出仅输出仅Q变化，变化，P不变。不变。n无论调节有功或无功，应注意同步电机的稳定范围。无论

30、调节有功或无功，应注意同步电机的稳定范围。成成为为同同步步电电动动机机运运行行。保保持持，由由电电网网吸吸收收功功率率后后，使使瞬瞬时时转转速速动动机机运运行行状状态态，械械功功率率输输入入，将将转转入入电电机机，去去掉掉原原动动机机的的机机并并联联在在电电网网的的同同步步发发电电1 0 nnn IUsxIj0E0EUsxIjIIUsxIj0E13-6 同步电动机与同步补偿机同步电动机与同步补偿机 同同步步电电动动机机运运行行。电电功功率率到到同同步步发发电电机机入入能能量量转转换换的的可可逆逆，当当输输动动机机一一、从从发发电电机机过过渡渡到到电电为为制制动动转转矩矩。矩矩输输出出电电功功率

31、率，且且电电磁磁转转，超超前前当当输输入入MsMTxEUPUEP 0sin , 0,)101 。时时当当减减小小011, 00,)2pPPnPM 为为空空转转的的同同步步电电动动机机。此此时时若若拆拆去去原原动动机机，成成机机从从电电网网吸吸收收电电功功率率，电电继继续续若若继继续续使使, 00)31 MPnP 10211100 )0( sin )3()2()1( MMsMmecadFeMMcudDdqDqaDsDaDPTxUEPPpppPPpPPxIjxIjrIEUxIjrIEU电电磁磁转转矩矩：每每相相电电磁磁功功率率，对对于于隐隐极极机机功功角角特特性性与与发发电电机机相相同同，则则功功

32、率率关关系系输输入入电电功功率率凸凸极极式式同同步步电电动动机机隐隐极极式式同同步步电电动动机机 DIUsDxIj 0EaDrI DI UdDdxIj 0EqDqxIj DqI DdI qdaDrI 性性方方程程、相相量量图图及及功功角角特特二二、同同步步电电动动机机的的电电压压隐极式隐极式凸极式凸极式fIDI1 cos过励过励欠励欠励容性电动机容性电动机感性电动机感性电动机0曲曲线线：载载，由由同同步步电电机机的的网网的的容容性性负负载载或或感感性性负负磁磁可可以以使使其其作作为为电电吸吸收收空空载载损损耗耗，调调节节励励同同步步电电动动机机，只只从从电电网网是是一一台台空空载载运运行行的的

33、出出。同同步步补补偿偿机机实实际际上上其其无无功功功功率率的的输输入入或或输输即即可可调调节节磁磁电电流流同同步步发发电电机机，只只调调节节励励不不论论是是同同步步电电动动机机还还是是VIf三三、同同步步补补偿偿机机可可以以设设同同步步补补偿偿机机。无无功功较较大大，通通常常情情况况下下网网上上的的感感性性功功功功率率可可以以吸吸收收电电网网的的感感性性无无电电动动机机为为感感性性负负载载，当当欠欠励励时时功功功功率率可可以以吸吸收收电电网网的的容容性性无无电电动动机机为为容容性性负负载载，当当过过励励时时; ffII)(262P四四、同同步步电电动动机机的的起起动动辅助电动机起动、变频起动、

34、异步起动辅助电动机起动、变频起动、异步起动不同于异步电机不同于异步电机kVarQQQkVarPQkWPPPkWPPkVarPQkWPPNN81.64315.218634.154234.15429 . 09 . 0153.3184sincos9 . 0cos53.318467.104186.214267.104196. 0100015.21867 . 07 . 0186.2142sincos86.21427 . 0150011121111111112111 网网吸吸收收的的无无功功功功率率为为同同步步电电动动机机应应从从电电无无功功功功率率为为滞滞后后时时，电电网网应应提提供供的的当当全全厂厂要

35、要求求功功率率为为电电网网供供给给的的总总有有功功吸吸收收的的有有功功功功率率为为同同步步电电动动机机从从电电网网功功率率为为从从电电网网吸吸取取的的无无功功网网取取得得的的有有功功功功率率为为解解：全全厂厂原原电电动动机机从从电电 率率因因数数为为多多少少？滞滞后后，同同步步电电动动机机的的功功厂厂功功率率因因数数输输出出，且且使使全全若若使使同同步步电电动动机机有有额额定定超超前前同同步步电电动动机机其其，有有一一台台总总功功率率因因数数为为平平均均效效率率为为电电动动机机，总总功功率率为为例例：某某厂厂使使用用多多台台感感应应9 .0cos%,96),(8 .0cos10007 .0co

36、s%,70,1500 NNNkWPkWP851. 081.64367.104167.1041cos2221211 QPP 调调至至同同步步电电动动机机的的功功率率因因数数13-7 同步电发机的进相运行（略）同步电发机的进相运行（略）P271:13-2, 4,6,7n进相运行：进相运行：电力系统无功电力系统无功Q过剩时，某些同步电发机须过剩时，某些同步电发机须发出容性无功，吸收感性无功。发出容性无功，吸收感性无功。n同步电发电机进相运行应注意的四个问题同步电发电机进相运行应注意的四个问题：（1）静态）静态稳定性低；稳定性低； （2）端部漏磁引起定子端部温升；）端部漏磁引起定子端部温升； （3）厂

37、用电压降低；厂用电压降低； （4）输出）输出P不变，电压不变，电压U下降，则下降，则I升升高，过负荷。高，过负荷。同步电机运行状态（以内功率同步电机运行状态（以内功率P PM M为例）为例）fF轴轴d轴轴q)(00 BQ发发出出感感性性发发电电机机，过过励励0 EQ吸吸收收容容性性电电动动机机，过过励励Q吸吸收收感感性性电电动动机机，欠欠励励Q发发出出容容性性发发电电机机，欠欠励励I同步发电机同步发电机的进相运行的进相运行第十四章第十四章 同步发电机的不同步发电机的不对称运行对称运行不对称运行不对称运行各序阻抗与等效电路各序阻抗与等效电路几种短路情况的分析与短路时的电枢反应简单分析几种短路情况

38、的分析与短路时的电枢反应简单分析回顾不对称运行回顾不对称运行n三相负载不对称三相负载不对称n分析方法分析方法对称分量法对称分量法：把不对称的三相系统分解为三把不对称的三相系统分解为三个独立的对称系统，个独立的对称系统，即正序系统、负序系统即正序系统、负序系统和和零序系统零序系统 CBAACBAACBAAIIIIIIIIIIII 310231231 不对称三相电流流过对称三相绕组的基波磁势不对称三相电流流过对称三相绕组的基波磁势n将不对称的三相系统分解为三个对称的系统，即正序系将不对称的三相系统分解为三个对称的系统，即正序系统、负序系统和零序系统。统、负序系统和零序系统。n每相电流分解为三个分量

39、，每相磁势也可分解为三个分每相电流分解为三个分量，每相磁势也可分解为三个分量。量。n当正序电流流过三相绕组时，产生正向旋转磁势，亦称当正序电流流过三相绕组时，产生正向旋转磁势，亦称正序旋转磁势正序旋转磁势n当负序电流流过三相绕组时，产生负向旋转磁势当负序电流流过三相绕组时，产生负向旋转磁势椭圆形旋转磁势椭圆形旋转磁势n当电流为一不对称的三相电流，当电流为一不对称的三相电流，合成磁势将有两个分量，正序合成磁势将有两个分量，正序分量和负序分量，各以同步速分量和负序分量，各以同步速向相反方向旋转。在任一瞬间向相反方向旋转。在任一瞬间的合成磁势仍按正弦分布，用的合成磁势仍按正弦分布，用旋转矢量表示为空

40、间矢量和，旋转矢量表示为空间矢量和，不同时刻，有不同的振幅，其不同时刻，有不同的振幅，其端点轨迹为一椭圆端点轨迹为一椭圆tFFFFvuF 2cos22222 电电压压方方程程表表示示为为：相相的的各各序序、则则相相序序阻阻抗抗为为忽忽略略电电阻阻、和和、个个对对称称电电压压电电流流分分别别是是相相正正序序、负负序序、零零序序三三称称分分量量法法。设设统统的的分分析析，通通常常采采用用对对对对于于三三相相不不对对称称系系称称。电电流流和和端端电电压压的的的的不不对对称称而而引引起起的的电电枢枢行行是是指指三三相相负负载载的的不不对对系系统统。所所谓谓的的不不对对称称运运是是对对称称的的正正序序三

41、三相相励励磁磁电电势势对对称称，同同步步电电机机三三相相绕绕组组结结构构AxxxrIIIUUUAEaAAAAAA;,0000 00000 0 xIjUxIjUxIjUEAAAAAAA0AE AUsx AI AI AUx0AU0AI0 x14-1 同步电机的各序阻抗与等效电路同步电机的各序阻抗与等效电路发电机各序等效图发电机各序等效图(a)正序正序(b)负序负序(c)零序零序注意注意：励磁磁场只在电枢绕组中：励磁磁场只在电枢绕组中感应产生有正序电势感应产生有正序电势 x一一、正正序序电电抗抗。遇遇到到的的电电抗抗是是同同步步电电抗抗旋旋转转磁磁场场，所所以以此此电电流流对对称称电电流流的的同同步

42、步产产生生的的磁磁场场等等同同于于三三相相正正序序电电流流 In产生正序旋转磁场产生正序旋转磁场同步速同步速n转子同步速，不在转子绕组中感应电势，即同步电机转子同步速，不在转子绕组中感应电势，即同步电机的对称运行情况，的对称运行情况，正序电抗即同步电抗正序电抗即同步电抗。凸凸隐隐遇遇到到的的电电抗抗是是短短路路时时，)();(dskxxxxI 且且计计算算出出电电机机，得得出出其其等等值值电电路路的的异异步步步步机机等等价价于于转转差差率率此此时时同同短短路路，等等效效电电抗抗很很小小。的的转转子子减减弱弱，相相当当与与异异步步电电机机成成磁磁场场场场的的作作用用，气气隙隙中中的的合合负负序序

43、磁磁产产生生交交变变电电流流，起起削削弱弱的的交交变变电电势势，绕绕组组中中感感应应在在转转子子转转子子的的相相对对转转速速为为它它对对磁磁场场与与转转子子转转向向相相反反，产产生生的的旋旋转转由由于于负负序序电电流流22,2121 sffnI x二二、负负序序电电抗抗1x2xmx 122 xxxx 即即虑虑尼尼作作用用，所所以以可可以以不不考考子子对对负负序序电电流流有有强强的的阻阻隐隐极极式式同同步步机机转转构构和和磁磁系系统统，一一般般来来说说还还须须考考虑虑转转子子绕绕组组的的结结折折算算于于转转子子的的毕毕竟竟是是两两个个磁磁场场系系统统，但但同同步步电电机机定定子子和和转转子子 2

44、12212xxxxxxxxxxxmmm xd-xadx xD fx 1I 1U mI 2I2x2r负序电流的负序电流的副作用作用n负序感应电流，产生附加的转子铜损耗负序感应电流，产生附加的转子铜损耗n负序磁场引起转子表面的涡流损耗，产生附加表面损耗负序磁场引起转子表面的涡流损耗，产生附加表面损耗n负序磁场与正序磁场相互作用，产生负序磁场与正序磁场相互作用，产生2f1频率的交变电磁频率的交变电磁转矩，引起振动转矩，引起振动规定：规定：在额定负载连续运行时，汽轮发电机三相电流之差在额定负载连续运行时，汽轮发电机三相电流之差不得超过额定值的不得超过额定值的10：水轮发电机和同步补偿机的三相：水轮发电

45、机和同步补偿机的三相电流之差不得超过额定值的电流之差不得超过额定值的20，同时，同时任一相的电流不得任一相的电流不得大于额定值大于额定值。 0 x三三、零零序序电电抗抗。磁磁场场产产生生旋旋转转磁磁场场，只只有有漏漏成成磁磁势势为为零零。因因此此不不大大小小相相同同、相相位位相相同同合合由由于于三三相相零零序序电电流流 xx 0 各序电抗不相同。各序电抗不相同。发电机发电机综上分析可以看出同步综上分析可以看出同步0 xxx 三相零序基波磁势合成为零，在气隙中不产生零序磁场。三相零序基波磁势合成为零，在气隙中不产生零序磁场。各相电枢绕组中的零序电流分量在各相绕组周围产生各相电枢绕组中的零序电流分

46、量在各相绕组周围产生零序零序漏漏磁通磁通。机机对对于于水水轮轮隐隐极极式式于于汽汽轮轮发发电电机机零零序序电电抗抗的的数数值值对对085. 0;056. 0)(00 xx14-2 同步发电机的不对称运行稳态分析同步发电机的不对称运行稳态分析n励磁电势励磁电势由于电机电枢绕组结构的对称性是由于电机电枢绕组结构的对称性是对称正序电势对称正序电势n电枢反应电势与电枢电流性质有关，用不同电枢反应电势与电枢电流性质有关，用不同的电抗表示的电抗表示正序阻抗正序阻抗负序阻抗负序阻抗零序阻抗零序阻抗 )(,0000，则则、和和、方方程程式式求求得得电电压压相相如如先先由由一一相相相相的的电电流流和和电电压压是

47、是已已知知的的，待待求求量量是是各各、和和各各序序电电抗抗运运行行情情况况，空空载载电电势势一一般般来来说说，分分析析不不对对称称AAAAAAIIIUUUAxxxE 0002022020002220200)(31 )(31 )(31 )(31)(31)(31 xIjUUUUxIjUaUaUUxIjEUaUaUUUaUaUUUaUaUUUUUUIIIIIaIaIIIaIaIIIaIaIIIaIaIIIIIIACBAAACBAAAACBAAAAACAAABAAAACBAACBAACBAAAAACAAABAAAA且且 0000000000000000000)1(00)()()()()(3 )( xx

48、xxExxxxjEjUxxxxExxxxjEjUxxxxxExxxxjEjEUAxxxjEIIxxxjEIAAAAAAAAAAAAkAAA相相各各序序电电压压，相相电电压压方方程程代代入入开开路路）短短路路相相对对中中点点，一一、单单相相（BCA 03131 0 00)1(0)1(AAAkAAAAkACBAUUUIIIIIIIIIU，由对称分量法有，由对称分量法有， )1()( )1()( 0200202020020 axaaxxxxEUaUaUUaxaaxxxxEUaUaUUCBAAAAACAAAAB两两相相的的电电压压、相相相相序序电电压压推推出出并并由由开路）开路）两相短路（两相短路（二

49、、二、ABC0 0)2( CBBCkCBAUUUIIII，）（ 103)(31)(313)(31)(31)2()2(22)2()2(22 AAkkCBAAkkCBAAIIIjIaaIaIaIIIjIaaIaIaII)3()1(00)3(3 kkskIIxEjxEjI 电电流流为为枢枢电电阻阻时时三三相相同同时时短短路路由由前前述述可可知知，当当忽忽略略电电 xxEajIaIxxEajIaIxxEjIIIUUUUaUaUUaUaUUAABAABAAAAAAAAAAAAACB22000202210 0 0)()(）代代入入相相序序电电压压方方程程：）、（且且将将式式（，无无中中线线（） 3/3:3

50、0320)2( xExEIIxxEjIIIIAA)k()k(ABBBk流流比比较较与与三三相相短短路路时时的的短短路路电电 xxxEUaaUaUaUUxxxEUUxxxEUUAAAACBAAAAAA)(2222短短路路短短路路电电压压标标么么值值。时时的的三三相相、两两相相、单单相相求求发发电电机机在在阻阻，忽忽略略零零序序阻阻抗抗及及定定子子电电得得定定子子电电流流为为步步转转速速反反向向旋旋转转时时，测测当当转转子子以以同同流流同同向向旋旋转转，测测得得定定子子电电使使转转子子与与旋旋转转磁磁场场同同步步转转子子励励磁磁绕绕组组短短路路加加对对称称三三相相电电压压：一一台台同同步步发发电电

51、机机定定子子例例NNUEIIU 0,;2 .0,2 .01的方法。的方法。这是用实验求短路参数这是用实验求短路参数单相稳态短路电流：单相稳态短路电流：两相稳态短路电流：两相稳态短路电流：则则三相稳态短路电流：三相稳态短路电流：，：又根据正序电抗的定义又根据正序电抗的定义义：义：解：根据正序电抗的定解：根据正序电抗的定5 . 22 . 013344. 12 . 01331 2 . 0 2 . 0 1 ,2 . 02 . 0 00)1(0)2(0)3( xxxEIxxEIxEIxIUxxIUIUxkkkNNNNNN 0020002020022212000)1()1(0)3(2 .10321. 0

52、)866. 05 . 1(069. 0)732. 1(22. 0156. 21)1()(2 .10321. 0)866. 05 . 1(069. 0)732. 1(22. 0156. 21)1()(866. 05 . 11 ,732. 1 866. 05 . 0 ,866. 05 . 0395. 1069. 022. 0867. 133 ,)2( 535. 0867. 11 (1) 0 jjaxaaxxxxEUjjaxaaxxxxEUjajaajajeaxxxEIUUAIxEIsCsBjskCBksk、相相短短路路，求求非非短短路路相相设设解解：及及各各端端电电压压。及及各各端端电电压压，求求

53、：空空载载电电压压：汽汽轮轮发发电电机机例例 )2()1()3(000)3()2()1(, 1,069. 0,22. 0,867. 1,1252kkksNIIIUExxxMWP105.02121.022.0867.122.02283.022.0867.133)3(00)2()2( ACBAkCBAkUUUxxxEUxxEIUUUI解解：、短短路路相相及及未未短短路路相相开路）开路）两相对中点短路（两相对中点短路（三、三、ABCAAAAAAAAACBAUUUUUIIIIUUI 3100 0000，由对称分量得：，由对称分量得：，,00 xxxxxjEIAAP283：14-1，14-2 000cB

54、AUUIAAAAAAAAUUUUIIII31000 xxxxxxxxEUUUxxxxxxxEjIxxxxxxxEjIxxxxxxxxEjxxxxxjEIAAAAAAAAAAA000000000000000000000033IUxxIxI jUUAAAA dkxEI03 xxEIk0230013xxxEIk 1:3:3:321kkkIII第十五章第十五章 同步电机突然短同步电机突然短路的过渡分析路的过渡分析突然短路的物理过程（掌握）突然短路的物理过程（掌握）瞬态电抗和超瞬态电抗（了解）瞬态电抗和超瞬态电抗（了解）三相突然短路分析三相突然短路分析不对称突然短路的概念（了解）不对称突然短路的概念（了

55、解）同步电机振荡的物理概念（了解）同步电机振荡的物理概念（了解）n突然短路的直观影响突然短路的直观影响n各绕组出现很大的冲击电流，峰值可达（各绕组出现很大的冲击电流，峰值可达（1020）倍）倍IN。n在电机内产生很大的电磁力和电磁转矩。在电机内产生很大的电磁力和电磁转矩。n 可能损坏绕组端部，或使转轴发生有害变形，破坏电网的稳定运可能损坏绕组端部，或使转轴发生有害变形，破坏电网的稳定运行。行。n主要原因主要原因n突然短路是一个暂态过程突然短路是一个暂态过程从正常运行到稳定短路的过渡阶段。从正常运行到稳定短路的过渡阶段。短路电流中包含有自由分量短路电流中包含有自由分量按一定时间常数衰减；当自由分

56、按一定时间常数衰减；当自由分量衰减完毕，即进入稳定短路。量衰减完毕，即进入稳定短路。1.突然短路时，电枢（定子）电流和相应的电枢磁场幅值发生突然突然短路时，电枢（定子）电流和相应的电枢磁场幅值发生突然变化，变化，定、转子绕组间产生变压器感应关系定、转子绕组间产生变压器感应关系，在转子绕组中感应，在转子绕组中感应电势和电流，反过来又影响定子绕组的电流。电势和电流，反过来又影响定子绕组的电流。15-1 突然短路的物理过程突然短路的物理过程分析时的假设分析时的假设（1）不考虑机械过渡过程，不考虑机械过渡过程，即即在过渡过程期间，电机的转在过渡过程期间，电机的转速保持为同步速不变；速保持为同步速不变；

57、（2）利用叠加原理，条件：电机的磁路不饱和；）利用叠加原理，条件：电机的磁路不饱和；（3）突然短路前为空载运行，突然短路发生在发电机的出）突然短路前为空载运行，突然短路发生在发电机的出线端；线端；（4）不考虑强励的情况不考虑强励的情况发生短路后，励磁系统的励磁电流发生短路后，励磁系统的励磁电流If0始终保持不变。始终保持不变。 。同同的的情情况况：有有与与超超导导体体相相磁磁链链不不能能突突变变，所所以以具具步步电电机机短短路路瞬瞬间间，由由于于链链不不变变。在在同同抵抵消消其其变变化化而而保保持持总总磁磁电电流流所所产产生生的的磁磁链链恰恰好好变变化化，由由感感应应路路无无论论交交链链的的磁

58、磁链链如如何何说说明明任任何何超超导导体体闭闭合合回回)0( t 程程。计计入入电电阻阻考考虑虑其其衰衰减减过过击击电电流流的的最最大大值值，然然后后回回路路，导导出出冲冲子子绕绕组组看看成成超超导导体体闭闭合合磁磁链链守守恒恒原原理理，先先把把定定体体闭闭合合回回路路的的程程，通通常常应应用用所所谓谓超超导导分分析析突突然然短短路路的的过过渡渡过过. 0 0 1 constdtdrdtdir ，或或则则有有不不计计当当，绕绕组组的的电电压压方方程程为为相相绕绕组组突突然然短短路路时时，该该当当图图中中在没有电阻的闭合回路中，磁在没有电阻的闭合回路中，磁链将保持不变链将保持不变相相磁磁链链为为

59、间间为为正正弦弦变变化化量量，短短路路瞬瞬链链短短路路前前磁磁相相磁磁链链为为场场与与定定子子相相为为研研究究对对象象，旋旋转转磁磁激激磁磁，以以并并额额定定，有有转转子子步步发发电电机机三三相相短短路路瞬瞬间间讨讨论论一一种种空空载载情情况况下下同同AttAAnnmfAfA, 0)sin(,001 时时刻刻有有：，即即相相绕绕组组中中建建立立磁磁链链）在在感感应应电电流流（短短路路电电流流绕绕组组不不变变，还还需需由由闭闭合合定定子子维维持持仍仍按按正正弦弦规规律律变变化化，为为此此后后，0A10 tiAAAkAfA 正正比比即即与与定定子子短短路路电电流流并并忽忽略略定定子子电电阻阻建建立

60、立的的磁磁链链，相相应应大大小小不不等等直直流流分分量量是是，抵抵消消其其中中AAAAAkaAffAir sin)0(0mfAA A)0( )0(AAfAAAAAAfA AAAkiii 1 1、定子电流的分量、定子电流的分量n直流分量直流分量。以以抵抵消消转转子子磁磁场场，、建建立立定定子子旋旋转转磁磁场场，、定定子子电电流流产产生生周周期期分分量量当当定定子子三三相相突突然然短短路路，CBAfCfBfACBAiii 不变。不变。、以维持以维持、，建立定子恒定磁场，建立定子恒定磁场、同时产生直流分量同时产生直流分量)0()0()0()0()0()0(CBACCBBAACBAiii ， n交流分