第五篇同步电机

1、第第1616章章 同步电机原理同步电机原理、结构及、结构及额定值额定值 第第1717章章 同步发电机的基本理论同步发电机的基本理论 第第1818章同步发电机的并网运行章同步发电机的并网运行 第第1919章同步电动机章同步电动机 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, ,因其转速恒因其转速恒等于同步速等于同步速而而得名。同步电机主要用作发电机，也可得名。同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和调相机（补偿机）。本篇主要分析同步用作电动机和调相机（补偿机）。本篇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

2、运行状态。动机和调相机的运行状态。第五篇第五篇 同步电机同步电机第第2020章章同步发电机的不正常运行同步发电机的不正常运行第16章 同步电机原理、结构及额定值1 1、同、同步电机的基本步电机的基本结构结构（以以转场式发电机为转场式发电机为例）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( (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

3、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16.116.1同步发电机原理简述同步发电机原理简述2 2、 同步电机同步电机的基本工作的基本工作原理原理大小大小：01104 44wE.fN k 频率频率：60pnf 励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动转子励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动转子以以转速转速 旋转旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势 。 n0E相序

4、相序：由转子的转向决定。：由转子的转向决定。波形波形：由：由 可知可知，波，波形取决于形取决于 的空间分布。的空间分布。( x )eBlv ( x )Bppfn3000603 3、同步电机同步电机的分类的分类按按运行运行方式，同步电机分方式，同步电机分发电机发电机、电动机电动机和和补偿机补偿机。按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。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。 按按原动机类别原动机类别, ,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和

5、柴油发电机等。柴油发电机等。 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，转极，转速为速为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。 同步电动机同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。16.2 同步发电机的型式和结构同步发电机的型式和结构1.两种基本型式 凸极式转子上有明显凸凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和集中励磁绕出的成对磁极和集中励磁绕组。多极电机做成凸极结构，组。多极电机做成凸极结构，工艺较为简单，所以凸极电工艺较为简单

6、，所以凸极电机与转速较低的水轮机相配机与转速较低的水轮机相配套。套。u 凸极凸极式转子式转子 隐极式转子上没有凸出的磁极。转子本体表面开有槽，隐极式转子上没有凸出的磁极。转子本体表面开有槽，槽中嵌放励磁绕组。隐极转子适合于槽中嵌放励磁绕组。隐极转子适合于2 2极高速电机，常与大容极高速电机，常与大容量高转速汽轮机量高转速汽轮机( (线速度可达线速度可达170170米米/ /秒秒) )配套。为了减小转子本配套。为了减小转子本体及转子上各部件所承受的巨大离心力，大型汽轮发电机都做体及转子上各部件所承受的巨大离心力，大型汽轮发电机都做成细长的隐极式圆柱体转子。考虑转子冷却和强度方面的要求，成细长的隐

7、极式圆柱体转子。考虑转子冷却和强度方面的要求，隐极式转子的结构和加工工艺较为复杂。隐极式转子的结构和加工工艺较为复杂。u 隐极式转子隐极式转子2、同步发电机同步发电机的结构特点的结构特点u汽轮发电机汽轮发电机（TurbogeneratorTurbogenerator） 定子铁心定子铁心：叠片结构，圆形或扇形：叠片结构，圆形或扇形冲片。冲片。 机座机座：由钢板焊接而成：由钢板焊接而成- -能满足强能满足强度度- -刚度刚度- -通风通风- -散热的需要。散热的需要。 定子绕组定子绕组：要有足够的绝缘强度：要有足够的绝缘强度( (高高压压) )，一般采用，一般采用 B B 级或级或 F F 级绝缘

8、级绝缘转子转子：采用隐极式。细长：采用隐极式。细长- -铣槽铣槽- -槽槽型型- -同心式励磁绕组同心式励磁绕组- -不导磁槽楔。不导磁槽楔。u 汽轮发电机结构汽轮发电机结构u 汽轮发电机汽轮发电机结构结构 定子铁心定子铁心汽轮发电机转子汽轮发电机转子 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国产国产200MW汽轮发电机定子铁心汽轮发电机定子铁心2、同步电机的结构特点、同步电机的结构特点u 水轮发电机水轮发电机 极数多极数多- -直径大直径大- -轴向长度短轴向长度短- -立式。立式。 定子铁心定子铁心由扇形电工

9、钢片拼叠。有径向通风沟。由扇形电工钢片拼叠。有径向通风沟。 转子转子采用凸极式，采用凸极式，磁极由厚度为磁极由厚度为1 12mm2mm的钢片叠成，阻尼绕组的钢片叠成，阻尼绕组( (启启动绕组动绕组) )抑制短路电流抑制短路电流和减弱电机振荡，磁极和减弱电机振荡，磁极与与转子转子轭部采用轭部采用 T T 形或形或鸽尾形连接。鸽尾形连接。 u 水轮发电机水轮发电机结构结构(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u 水轮发电机水轮发电机转子转子结构结构10000kW10000kW水轮机转子水轮机转子现场运行的水轮发电机现场运行的水轮发电机世界上最大的水轮发电机

10、转子世界上最大的水轮发电机转子向家坝水电站向家坝水电站3、同步发电机励磁、同步发电机励磁方式简介方式简介 获得励磁电流的方法称为励磁方式。 目前采用的励磁方式分两大类：一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统；另一类是用硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统。(1)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同轴，采用并励或者他励接法。采用他励接法时，励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。 (2)静止整流器励磁静止整流器励磁：同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供

11、，待电压建立起来后再转为自励(有时采用永磁发电机)。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机，而主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。(3)旋转整流器励磁旋转整流器励磁 静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大容量的同步发电机，其励磁电流达到数千安培，使得集电环严重过热。因此，在大容量的同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统。 主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机

12、经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。3、励磁方式简介、励磁方式简介 16.3 16.3 同步电机额定值同步电机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：3NNNNNNPScosU Icos )(kVUN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。NNPS和额定功率额定容量 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

13、。电动机额定额定功率功率是是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是KWKW。补偿补偿机用机用KvarKvar表示。表示。)(AIN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.fNfNNNNUInf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Ncos本本 章章 小小 结结 同步发电机同步发电机的基本原理仍然是电磁感应原理。原动机拖的基本原理仍然是电磁感应原理。原动机拖动转子以同步转速旋转，极性相间的转子磁极掠过分布于定子槽动转子以同步转速旋转，极性相间的转子磁极掠过分布于定子槽内的对称三相交流绕组而在

14、其中感应出三相对称的交变电势，该内的对称三相交流绕组而在其中感应出三相对称的交变电势，该电势可以作为电源向电网或者电负载提供电能，从而将原动机输电势可以作为电源向电网或者电负载提供电能，从而将原动机输入的机械能转变为电能入的机械能转变为电能。 作为作为发电机运行是同步电机的最主要和最普遍的运行方式，发电机运行是同步电机的最主要和最普遍的运行方式，由于原动机的要求，汽轮发电机和水轮发电机在设计结构上有较由于原动机的要求，汽轮发电机和水轮发电机在设计结构上有较大的差别。汽轮发电机常制成两极隐极式转子结构，机身细长，大的差别。汽轮发电机常制成两极隐极式转子结构，机身细长，转动惯量较小，适合于汽轮机的

15、高速拖动；而水轮发电机常制成转动惯量较小，适合于汽轮机的高速拖动；而水轮发电机常制成多极的凸极式转子结构，机身扁平，适合于水轮机的低速拖动。多极的凸极式转子结构，机身扁平，适合于水轮机的低速拖动。 同步发电机同步发电机的励磁的励磁系统系统很很复杂复杂，本章简单介绍了直流励磁，本章简单介绍了直流励磁机励磁、静止整流器励磁和旋转整流器励磁机励磁、静止整流器励磁和旋转整流器励磁3 3种基本种基本的的励磁励磁系系统。统。第第1717章章 同步发电机的基本理论同步发电机的基本理论 当当原动机带动发电机在同步转速下运行，励磁绕组通入励原动机带动发电机在同步转速下运行，励磁绕组通入励磁电流，电枢绕组磁电流，

16、电枢绕组不带任何负载时的运行情况，称为空载运行。不带任何负载时的运行情况，称为空载运行。空载运行是同步发电机最简单的运行方式，其气隙磁场由转子空载运行是同步发电机最简单的运行方式，其气隙磁场由转子磁势单独建立，分析较为简单。磁势单独建立，分析较为简单。 凸极电机：凸极电机：气隙不均、径向磁密气隙不均、径向磁密分布近似于平顶的波形、相邻磁分布近似于平顶的波形、相邻磁极中线上磁密为极中线上磁密为0 0、磁密分解出空、磁密分解出空间基波和谐波。偏心气隙可以使间基波和谐波。偏心气隙可以使气隙磁密分布接近正弦。气隙磁密分布接近正弦。17.1 空载运行分析空载运行分析一、空载气隙一、空载气隙磁场磁场 隐极

17、电机：隐极电机：气隙视为均匀、励气隙视为均匀、励磁磁势分布为阶梯形、齿槽影磁磁势分布为阶梯形、齿槽影响与磁密波动。合理地选择大响与磁密波动。合理地选择大齿的宽度可以使气隙磁密分布齿的宽度可以使气隙磁密分布接近正弦。接近正弦。 感应感应电势的波形和大小与气隙磁密的分布形状及幅值大电势的波形和大小与气隙磁密的分布形状及幅值大小紧密相关，在设计和制造电机时，应采取适当的措施，以小紧密相关，在设计和制造电机时，应采取适当的措施，以获得尽可能接近正弦分布的气隙磁密，从而得到品质较高的获得尽可能接近正弦分布的气隙磁密，从而得到品质较高的感应电势感应电势。本书仅考虑磁通密度和感应电势的基波分量。本书仅考虑磁

18、通密度和感应电势的基波分量。一、空载气隙一、空载气隙磁场磁场 二、空载特性二、空载特性fIfF0 f 0E 电磁关系：电磁关系：01104 44wE.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。fI空载电动势空载电动势 大小：大小：0E00Nfnn ,I,Ef ( I) u当当If较小时，较小时，Ff较小，磁路不饱和，较小，磁路不饱和，E0=f(If)呈直线（将其延呈直线（将其延长后的射线称为长后的射线称为气隙线气隙线）。）。

19、uIf增大时，磁路逐渐饱和，磁化曲线开始进入饱和段。增大时，磁路逐渐饱和，磁化曲线开始进入饱和段。 u为了合理地利用材料，空载额定电压为了合理地利用材料，空载额定电压UN一般设计在空载特一般设计在空载特性的弯曲处。性的弯曲处。 u空载特性可以通过计算或试验得到。试验测定的方法与直空载特性可以通过计算或试验得到。试验测定的方法与直流发电机类似。流发电机类似。 u同步电机的空载特性也常用同步电机的空载特性也常用标么值标么值表示，空载电势以额定表示，空载电势以额定电压电压UN为基值，取为基值，取E0=UN时的励磁电流时的励磁电流IfN(称为额定励磁电称为额定励磁电流流)为励磁电流的基值。为励磁电流的

20、基值。 u用标么值表示的空载特性具有典型性用标么值表示的空载特性具有典型性，不论电机容量的大，不论电机容量的大小，电压的高低，其空载特性彼此非常接近。小，电压的高低，其空载特性彼此非常接近。 u空载特性在同步发电机理论中有着重要作用：空载特性在同步发电机理论中有着重要作用： 判断电机设计是否合理。判断电机设计是否合理。 空载特性结合短路特性空载特性结合短路特性( (在后面介绍在后面介绍 ) )可以求取同步电机可以求取同步电机的的参数参数。 发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性以及发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性以及励磁系统的故障。励磁系统的故障。 u空载时，空载时，IfFf

21、 (机械旋转磁势机械旋转磁势)fE0 u负载后，负载后，IaFa (电气旋转磁势电气旋转磁势)。 17.2 负载负载运行和电枢反应分析运行和电枢反应分析uFf/Fa转速均为转速均为n1，转向一致，转向一致，Ff+Fa=F(合成磁势合成磁势)。u气隙磁场气隙磁场B可以看成是由可以看成是由F所所建立。建立。B也是转速为也是转速为n1的旋的旋转磁场。转磁场。 u负载后，磁势和磁场将发生负载后，磁势和磁场将发生显著变化，这一变化主要由显著变化，这一变化主要由电枢磁势的出现所致。电枢磁势的出现所致。 一一、负载后磁势分析负载后磁势分析 二二、电枢反应电枢反应 1I0E励磁磁势和电枢磁势的区别励磁磁势和电

22、枢磁势的区别基波基波波形波形大小大小位置位置转速转速转向转向励磁磁励磁磁动势动势正弦正弦波波恒定，由恒定，由励磁电流励磁电流决定决定由转子位由转子位置决定置决定由原动机的由原动机的转速决定转速决定由原动由原动机决定机决定电枢反电枢反应磁动应磁动势势正弦正弦波波恒定，由恒定，由电枢电流电枢电流决定决定由电流瞬由电流瞬时值决定时值决定由磁极对数由磁极对数和电流频率和电流频率决定决定由电流由电流相序决相序决定定1、 时的电枢反应00 d轴轴q轴轴 A轴轴A AX X Z ZB BCYNSC C轴轴B轴fFaFF090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

23、同同相位相位. .0EaI090角为之间夹与afFF三三、不同负载时电枢反应分析不同负载时电枢反应分析2、 时的电枢反应090 空载电动势空载电动势 超前电超前电枢电流枢电流 0EaI090电枢反应性质：电枢反应性质：直轴去磁电枢反应090 角为角为之间夹之间夹与与afFF3、 时时的电枢反应的电枢反应090 电枢反应性质：电枢反应性质：直轴助磁电枢反应090 角角为为之之间间夹夹与与afFF空载电动势空载电动势 滞后滞后电电枢枢电流电流 0EaI0904. . 一般情况下的电枢反应一般情况下的电枢反应空载电动势空载电动势 超前电超前电枢电流枢电流 电角度电角度009000EaI电枢反应性质：

24、电枢反应性质：既有交轴电枢反应,还有直轴去磁电枢反应090 角角为为之之间间夹夹与与afFFdqdqIIIIIsinIIcos -直轴分量直轴分量-交轴分量交轴分量0090成与EId同相位与0EIqaadaqadaaqaFFFFF sinFF cos -直轴分量直轴分量电流产生电流产生的直轴的直轴电枢磁势电枢磁势-交轴分量交轴分量电流产生电流产生的交轴电枢磁势的交轴电枢磁势4. 4. 一般情况下的电枢反应一般情况下的电枢反应一般情况下的电枢反应（总结）：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

25、d、q轴R、L削弱削弱交轴直交轴直轴去磁轴去磁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 负载负载性质性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aFafFFaFaqFadFaqadFF adFaqadFF F000900900090000090090)f(nU电枢反应对电机的影响：电枢反应对电机的影响：5.时时-空统一相量图空统一相量图 空间向量（主要指空间向量（主要指Ff、Fa、F）与时间相量（主要指）与时间相量（主要指f、U、E0、Ia）均以同步速旋转，电机运行过程中此关）均以同步速旋转，电机运行过程中此关系不变，因此将这

26、些空间向量和时间相量画在一起。系不变，因此将这些空间向量和时间相量画在一起。四、电枢反应电抗和同步电抗四、电枢反应电抗和同步电抗u其中其中Xd=Xad+X定义定义为为直轴同步电抗直轴同步电抗，Xq=Xaq+X定义定义为为交轴交轴同步电抗同步电抗。u对于隐极电机来说，由于电枢为圆柱体，可以认为直轴磁路对于隐极电机来说，由于电枢为圆柱体，可以认为直轴磁路和交轴磁路的磁阻相等，则和交轴磁路的磁阻相等，则Xad=Xaq=Xa ： u式中式中Xs=Xa+X定义定义为为隐极电机的同步电抗隐极电机的同步电抗。u由定义可知，同步电抗包括两部分：电枢绕组的漏电抗和电由定义可知，同步电抗包括两部分：电枢绕组的漏电

27、抗和电枢反应电抗，又称为主电抗和漏电抗。枢反应电抗，又称为主电抗和漏电抗。 Xs、Xa随着饱和程随着饱和程度的增加而减小；度的增加而减小；X不不随饱和程度的变化而改变，随饱和程度的变化而改变，X比比Xa小小得多得多。一、凸极同步发电机的一、凸极同步发电机的电势电势方程和相量图方程和相量图17.3 17.3 同步发电机的电势方程及相量图同步发电机的电势方程及相量图凸极同步发电机电磁凸极同步发电机电磁关系：关系：fIfFff0EdIadFadadEqIaqFaqaqEEaI不计磁路饱和时有下列不计磁路饱和时有下列关系关系: :addadaqqaqEjI XEjI XEjIX 由于由于qdIII且令

28、且令dadqaqXXXXXX则电动势则电动势平衡方程：平衡方程：UEEEEaqad0qqddIjXIjXUE0u凸极同步发电机的相量图aqqdqdqdIjXUIIjXUIXXjE)()(0qqddIjXIjXUE0aqdqdQIjXUIXXjEE.0.)( 虚拟电势：虚拟电势：dqdIXXjE)(0aqIjXUaqIjXaqIjXqqddIjXIjXUE0aqIXUBCUABsin,coscossinarctanUIXUqq 在下图中的三角形在下图中的三角形ABCABC中：中：二、隐极同步发电机的二、隐极同步发电机的电势方程及相量图电势方程及相量图1 1、电动势方程电动势方程电磁关系：电磁关系

29、：fIfF0f0EaaEEIaF不计磁路饱和时不计磁路饱和时有有：电动势电动势平衡方程：平衡方程：aaEjIXEjIX UEEEa0IjXUEs02 2、隐极同步发电机的相量、隐极同步发电机的相量图图 由相量图得内功率因数角：由相量图得内功率因数角：cossinarctanUIXUas思考题 分别分别作出同步发电机作出同步发电机带带阻性阻性、纯纯感性感性、纯容性纯容性、阻阻感性感性、阻阻容性容性负载时负载时的的相量相量图？并说明各种情况下图？并说明各种情况下电枢反应电枢反应的性的性质？质？ 相量图很直观地显示了同步电机各个相量之间的数值关系和相位关系，对于分析和计算同步电机的许多问题有较大的帮

30、助作用。一、短路特性一、短路特性u去磁作用减少了电机中的磁通，磁路不去磁作用减少了电机中的磁通，磁路不饱和，饱和，E0=f(If)呈线性。呈线性。由于短路电流由于短路电流Ik=E0/Xs ，所以，所以Ik=f(If)也呈线性，是一条通过原也呈线性，是一条通过原点的直线点的直线。17.4 17.4 同步发电机的基本特性及电抗测定同步发电机的基本特性及电抗测定0 65qdX.X 二、利用短路特性和空载特性求同步电抗二、利用短路特性和空载特性求同步电抗u在在E0=f(If)求得对应于额定求得对应于额定电压电压UN的励磁电流的励磁电流IfN，再，再从从Ik=f(If)上求得对应于上求得对应于IfN的短

31、路电流的短路电流Ik2，则，则选取某一选取某一If，求得对应的短，求得对应的短路电流路电流Ik1和对应于气隙线上和对应于气隙线上的电势的电势E01，则，则三、零功率因数负载特性三、零功率因数负载特性 已知已知空载特性空载特性E0(If)和同步和同步电抗电抗Xd(或或Xs)的情况下，就可以的情况下，就可以作出同步电机的零功率因数特性作出同步电机的零功率因数特性曲线。反过来通过测取空载特性曲线。反过来通过测取空载特性和零功率因数特性就可以求得同和零功率因数特性就可以求得同步电抗，经过进一步的处理，还步电抗，经过进一步的处理，还可以求得定子漏抗。可以求得定子漏抗。四、用零功率特性和空载特性求同步电抗

32、和漏四、用零功率特性和空载特性求同步电抗和漏抗抗u定子漏抗：定子漏抗：U=0时，对应于零功率因数特性上的励磁电流时，对应于零功率因数特性上的励磁电流If=OC=OB+BC，OB段用来产生漏抗电势段用来产生漏抗电势E=AB=XId。BC段段用来产生电枢电势用来产生电枢电势Ead=XadId，可见，可见ABC的的BC边代表纯去磁边代表纯去磁的电枢反应磁势，的电枢反应磁势，AB边边 代表代表定子漏抗。由于定子漏抗。由于BC和和AB 的的长度均和电枢电流长度均和电枢电流Id成正比成正比。 所以所以当当Id一定时，一定时，ABC是是固固 定定的，此三角形称为的，此三角形称为同步电机同步电机 的的特性三角

33、形特性三角形。只要。只要求得求得特性特性 三角形，三角形，我们就可以很方便我们就可以很方便地地 求得求得定子漏抗，即定子漏抗，即四、用零功率特性和空载特性求同步电抗和漏四、用零功率特性和空载特性求同步电抗和漏抗抗u特性特性三角形作法：三角形作法：Id一定时一定时，ABC是固定的，在空载特性是固定的，在空载特性曲线上移动曲线上移动ABC的顶点的顶点A时，时，C的轨迹即为零功率因数特性。的轨迹即为零功率因数特性。如果我们在如果我们在零功率因数特性上零功率因数特性上向上平移向上平移ABC的顶点的顶点C到额到额定电压定电压UN时时，得到，得到ABC ， 并且并且OC=OC,OA/OA，由由 此此可得到

34、特性三角形的作法可得到特性三角形的作法： 在额定电压在额定电压UN处作一处作一水平线水平线 交零功率因数曲线于交零功率因数曲线于C，截，截取取OC=OC ；过过O作作OA的平行线交空载的平行线交空载特性曲线于特性曲线于A；过过A作作ABOC于于B，则则ABC即即为特性为特性三角形。三角形。五、外特性和电压调整率五、外特性和电压调整率u对于对于 0，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同步电机的运行是可逆的，既可以用作发电机，逆的，既可以用作发电机，还可以用作电动机。还可以用作电动机。气隙磁场的等效磁极气隙磁场的等效磁极 逐步减少发电机的输逐步减少发电机的输入功

35、率，转子将瞬时减速，入功率，转子将瞬时减速，角减小，相应的电磁功角减小，相应的电磁功率也减少。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只能满足空载损耗时， =0，发电机发电机处于空载运处于空载运行行状态，不再向电网输送状态，不再向电网输送电功率。电功率。气隙磁场的等效磁极气隙磁场的等效磁极 继续减少发电机的输入功继续减少发电机的输入功率，则率，则和和 PM变为变为负值负值。撤撤掉掉原动机原动机，电机从电网吸收，电机从电网吸收功率满足空载损耗，成为空功率满足空载损耗，成为空转的电动机。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，负值的负值的增大增大，由电网

36、向电机，由电网向电机输入的电功率和相应的电磁输入的电功率和相应的电磁功率增大，转子磁极轴线落功率增大，转子磁极轴线落后定子合成磁极轴线，转子后定子合成磁极轴线，转子受到驱动性质的电磁转矩作受到驱动性质的电磁转矩作用。用。气隙磁场的等效磁极气隙磁场的等效磁极二、同步电动机的电势平衡方程和相量图 按照发电机惯例，同步电动机可以看成是一台输出负的按照发电机惯例，同步电动机可以看成是一台输出负的有功功率的发电机，其电动势方程与发电机的方程有功功率的发电机，其电动势方程与发电机的方程相同；相同； 按照按照电动机惯例，把输出负电流看成是输入正电流即可，其电动势电动机惯例，把输出负电流看成是输入正电流即可，

37、其电动势方程：方程：隐极机：隐极机：凸极机：凸极机： 接在电网上的负载绝大部分都是感性负载接在电网上的负载绝大部分都是感性负载(如异步电机、电如异步电机、电抗器等抗器等)，都需要从电网吸收大量滞后性电流，使得电网及其输，都需要从电网吸收大量滞后性电流，使得电网及其输电线路可供给的有功功率减小、损耗增加、压降增大。电线路可供给的有功功率减小、损耗增加、压降增大。 u发电厂要求用户的功率因数限制在一定的数值以内，以使电发电厂要求用户的功率因数限制在一定的数值以内，以使电网能得到合理、经济地利用。那么用户怎样提高功率因数呢？网能得到合理、经济地利用。那么用户怎样提高功率因数呢？ u方法有二：方法有二

38、：(1)是在线路上并联电容器来补偿电网的落后性功是在线路上并联电容器来补偿电网的落后性功率因数；率因数；(2)是用同步电动机代替部分异步电动机，因为同步是用同步电动机代替部分异步电动机，因为同步电动机能吸收超前性电流，即作为容性负载来改善电网的功电动机能吸收超前性电流，即作为容性负载来改善电网的功率因数。率因数。 u与发电机类似，同步电动机的功率因数可以通过改变励磁电与发电机类似，同步电动机的功率因数可以通过改变励磁电流的大小来调节。如果增大励磁电流使电动机处于过励状态，流的大小来调节。如果增大励磁电流使电动机处于过励状态，则励磁磁势则励磁磁势Ff增大，而合成磁势增大，而合成磁势F的大小是不变

39、的。的大小是不变的。 三、同步电动机的优缺点u按照磁势平衡原理，电网将输出给电动机一超前电流按照磁势平衡原理，电网将输出给电动机一超前电流Ia，该，该电流在电动机内部将产生去磁性的电枢反应，使得磁势得电流在电动机内部将产生去磁性的电枢反应，使得磁势得到平衡。电网输出给电动机超前电流相当于电网从电动机到平衡。电网输出给电动机超前电流相当于电网从电动机处吸取了滞后电流，正好满足了附近电感性负载的需要，处吸取了滞后电流，正好满足了附近电感性负载的需要，使得电网的功率因数得到补偿。使得电网的功率因数得到补偿。 u如果减小励磁电流使电动机处于欠励状态，则励磁磁势如果减小励磁电流使电动机处于欠励状态，则励

40、磁磁势Ff也也减小，电网必须输出给电动机一滞后电流来产生增磁电枢减小，电网必须输出给电动机一滞后电流来产生增磁电枢反应，以保持合成磁势反应，以保持合成磁势F不变。这种情况和异步电机的情况不变。这种情况和异步电机的情况类似，所以同步电动机一般不采用欠励运行。类似，所以同步电动机一般不采用欠励运行。 u如果保持机械负载不变（相当于有功功率不变），调节励如果保持机械负载不变（相当于有功功率不变），调节励磁电流磁电流If，对应的电枢电流，对应的电枢电流Ia随之而变，和发电机一样可画随之而变，和发电机一样可画出同步电动机的出同步电动机的V形曲线。形曲线。 同步电动机的V形曲线 与同步发电机相似与同步发电

41、机相似, ,当当同步电动机的输入有功功率恒同步电动机的输入有功功率恒定而调节励磁电流时定而调节励磁电流时, ,也有三也有三种励磁种励磁状态状态：“正常励磁正常励磁”时时, ,电动机没有无功功率输出；电动机没有无功功率输出；“过励过励”时电动机从电网吸收时电动机从电网吸收容性无功（或发出感性无功容性无功（或发出感性无功）；）；“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）。 调节调节励磁电流可以调节同步电动机的励磁电流可以调节同步电动机的无功功率和功率因数无功功率和功率因数, ,这是这是同步电动机主要的优点。同步电动机主要的优点。 利用这一优点

42、，可以设计制造专门用作改变电网功率因数的利用这一优点，可以设计制造专门用作改变电网功率因数的电动机，不带任何机械负载，这种不带机械负载的同步电动电动机，不带任何机械负载，这种不带机械负载的同步电动机称为机称为同步补偿机或调相机同步补偿机或调相机。同步调相机是在过励情况下空同步调相机是在过励情况下空载运行的同步电动机。载运行的同步电动机。 同步电动机的缺点：启动性能较差，结构上较异步电动机复同步电动机的缺点：启动性能较差，结构上较异步电动机复杂，还要有直流电源来励磁，成本高，维护复杂，所以一般杂，还要有直流电源来励磁，成本高，维护复杂，所以一般在小容量设备中还是采用异步电动机。中大容量设备中，尤

43、在小容量设备中还是采用异步电动机。中大容量设备中，尤其是在低速、恒速的拖动设备中，应优先选择同步电动机，其是在低速、恒速的拖动设备中，应优先选择同步电动机，如压缩机、离心泵、球磨机、粉碎机、通风机等。如压缩机、离心泵、球磨机、粉碎机、通风机等。 由于同步电动机的平均起动转矩为零，所不能自行由于同步电动机的平均起动转矩为零，所不能自行起起动。动。 常用的起动方法有：辅助电动机起动法、变频起动法和常用的起动方法有：辅助电动机起动法、变频起动法和异步起动法。其中异步起动法。其中异步起动法异步起动法应用最广泛。应用最广泛。四、同步电动机的启动同步发电机突然短路分析同步发电机突然短路分析一、分析的基本方

44、法超导闭合回路磁链不变原则 由电路定律知，任何一个链着磁通的自行闭合的线圈，都可由电路定律知，任何一个链着磁通的自行闭合的线圈，都可以写出下面的方程式：以写出下面的方程式： 实际闭合回路由于有电阻，磁链会变化。但最初瞬间仍然遵实际闭合回路由于有电阻，磁链会变化。但最初瞬间仍然遵循该原则。分析突然短路的方法是先由磁链不变原则求出突然短循该原则。分析突然短路的方法是先由磁链不变原则求出突然短路瞬间电流，然后将电阻考虑进去。在绕组电阻的作用下，瞬变路瞬间电流，然后将电阻考虑进去。在绕组电阻的作用下，瞬变时出现的电流最终将衰减为稳态短路电流。时出现的电流最终将衰减为稳态短路电流。二、三相突然短路的物理过程分析 假设：假设： （1）突然短路前发电机为空载运行；）突然短路前发电机为空载运行； （2）短路发生在机端，而且是三相同时短路；）短路发生在机端，而且是三相同时短路； （3）由于突然短路时的电磁瞬态过程要远快于机械运动的瞬）由于突然短路时的电磁瞬态过程要远快于机械运动的瞬态过程，因此认为突然短路瞬态过程中转子转速恒为同步转速；态过程，因此认为突然短路瞬态过程中转子转速