同步电机稳态分析

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主要内容：主要内容：同步电机运行的基本方程式，运行特性，并联运行，同步同步电机运行的基本方程式，运行特性，并联运行，同步 电动机和同步补偿机及同步发电机的不对称运行。电动机和同步补偿机及同步发电机的不对称运行。 发电机：将机械能变为电能，是主要用途。发电机：将机械能变为电能，是主要用途。按运行方式分按运行方式分 电动机：将电能变为机械能。用于不需调速的大功率机械。电动机：将电能变为机械能。用于不需调速的大功率机械。 补偿机：用来调节电网无功功率改善功率因数。补偿机：用来调节电网无功功率改善功率因数。 汽轮发电机：高速同步发电机，隐极式。汽轮发电

2、机：高速同步发电机，隐极式。 ( 火电）火电）按原动机类别分按原动机类别分 水轮发电机：低速同步发电机，凸极式。（水电）水轮发电机：低速同步发电机，凸极式。（水电） 柴油柴油(汽油汽油)发电机：低速同步发电机，凸极式。（机车、发电机：低速同步发电机，凸极式。（机车、 船舶，油田）船舶，油田） 旋转电枢式：用于小容量电机。旋转电枢式：用于小容量电机。按结构方式分按结构方式分 旋转磁极式：用于大容量电机，电刷和集电环负荷大旋转磁极式：用于大容量电机，电刷和集电环负荷大 为减轻，广泛采用。为减轻，广泛采用。 同步电机为双边激磁的电机。定子边用交流励磁，产生旋转磁场；同步电机为双边激磁的电机。定子边用

3、交流励磁，产生旋转磁场；转子用直流励磁，产生恒定磁场。定，转子磁场以磁拉力同步旋转。转子用直流励磁，产生恒定磁场。定，转子磁场以磁拉力同步旋转。 对旋转磁极式按转子主极的形状同步电机又可分为隐极式对旋转磁极式按转子主极的形状同步电机又可分为隐极式和凸极式两种基本型式和凸极式两种基本型式一、基本结构一、基本结构 旋转电枢式（反装）：旋转电枢式（反装）：三相交流绕组旋转，磁极静止。三相交流绕组旋转，磁极静止。 三相交流电由滑环、电刷引出。三相交流电由滑环、电刷引出。 旋转磁极式：旋转磁极式：三相交流绕组静止，磁极旋转三相交流绕组静止，磁极旋转 隐极隐极凸极凸极分：分： 从转子机械强度和妥善地固定励

4、磁绕组考虑，对高速电从转子机械强度和妥善地固定励磁绕组考虑，对高速电机采用隐极式，对低速电机采用制造简单的凸极式。机采用隐极式，对低速电机采用制造简单的凸极式。大型发电机通常用汽轮机和水轮机作为原动机来拖动。由于大型发电机通常用汽轮机和水轮机作为原动机来拖动。由于汽轮机是一种高速原动机，一般采用隐极式而水轮机是一种汽轮机是一种高速原动机，一般采用隐极式而水轮机是一种低速原动机，一般采用凸极式。低速原动机，一般采用凸极式。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1、隐极式同步电机、隐极式同步电机同步速为同步速为 3000r/min 提高运行速度可提高运行速度可提高汽轮机的

5、运行效提高汽轮机的运行效率，减小机组尺寸和率，减小机组尺寸和造价。由于转速高，造价。由于转速高，所以直径较小，转子所以直径较小，转子本体长度本体长度L和直径和直径D的的比比L/D=26 。容量越。容量越大，比值越大，汽轮大，比值越大，汽轮发电机均为卧式结构发电机均为卧式结构。 0.35mm 0.5 三相对称绕组绕组的冷扎硅钢片或铁心定子定子 转子转子 同心式绕组直流励磁绕组整体或低碳钢片迭成气隙不均匀凸极：整块高强度合金钢气隙均匀隐极：铁心 定子主要由铁芯、绕组、机座组成。铁心每叠厚约定子主要由铁芯、绕组、机座组成。铁心每叠厚约36cm，叠与叠之间留有，叠与叠之间留有0.81cm的通风槽，整个

6、铁芯的通风槽，整个铁芯由非磁性压板压紧，固定在定子机座上。由非磁性压板压紧，固定在定子机座上。 转子是汽轮发电机关键部分，从机械应力和发热看是汽转子是汽轮发电机关键部分，从机械应力和发热看是汽轮发电机最吃紧的部件。它即是电机磁路的主要组成部分，轮发电机最吃紧的部件。它即是电机磁路的主要组成部分，又高速旋转而承受很大的机械应力，材料即要求有好的导磁又高速旋转而承受很大的机械应力，材料即要求有好的导磁性能，又需要有很高的机械强度。所以转子一般用整块的具性能，又需要有很高的机械强度。所以转子一般用整块的具有良好导磁性的高强度合金钢锻成，转子表面约有良好导磁性的高强度合金钢锻成，转子表面约2/3部分铣

7、有部分铣有凹槽。用以嵌放励磁绕组，不开槽部分形成一大齿凹槽。用以嵌放励磁绕组，不开槽部分形成一大齿,齿的中心齿的中心线即为转子主极中心线。槽内插有非磁性金属槽楔，端口套线即为转子主极中心线。槽内插有非磁性金属槽楔，端口套有高强度非磁性钢锻成的护环。护环的作用是保证绕组端口有高强度非磁性钢锻成的护环。护环的作用是保证绕组端口不会因离心力甩动而损坏。不会因离心力甩动而损坏。2、凸极同步电机、凸极同步电机 分卧式和立式两种结构分卧式和立式两种结构 凸极同步电机与隐极凸极同步电机与隐极同步电机定子结构基本同步电机定子结构基本相同，所不同的是转子相同，所不同的是转子结构，它由磁极铁芯、结构，它由磁极铁芯

8、、励磁绕组、阻尼绕组等励磁绕组、阻尼绕组等部件组成。部件组成。 大型水轮发电机通常大型水轮发电机通常都是立式结构，凸极式都是立式结构，凸极式特点是短粗，特点是短粗，D/L=57 立式分悬式和伞式两种，悬式是把推力轴承装在转子上边立式分悬式和伞式两种，悬式是把推力轴承装在转子上边的机架上，整个转子是处于一种悬吊着的状态转动。伞式是把的机架上，整个转子是处于一种悬吊着的状态转动。伞式是把推力轴承放在下边的机架上，整个转子是处于一种被支托着的推力轴承放在下边的机架上，整个转子是处于一种被支托着的状态中转动。状态中转动。转子下机架推力轴承伞式推力轴承上机架转子悬式悬式水轮发电机运转时，机械稳定性好，但

9、机组的轴向高度高。悬式水轮发电机运转时，机械稳定性好，但机组的轴向高度高。 伞式的水轮发电机机械稳定性差，但由于推力轴承放在下机架上，轴伞式的水轮发电机机械稳定性差，但由于推力轴承放在下机架上，轴向高度低，通常高速采用悬式，低速采用伞式。向高度低，通常高速采用悬式，低速采用伞式。水轮发电机因直径大，轴向长度短，其冷却问题相对来说比较容易解决水轮发电机因直径大，轴向长度短，其冷却问题相对来说比较容易解决大型汽轮机发热问题比较严重，为了提高冷却效率，大型汽轮发电机，大型汽轮机发热问题比较严重，为了提高冷却效率，大型汽轮发电机，不用空气冷却而改用水和氢气冷却。氢导热率较空气大不用空气冷却而改用水和氢

10、气冷却。氢导热率较空气大7.4倍冷却效果好。倍冷却效果好。大型汽轮发电机用水来直接冷却导线内部，称为水内冷。导线做成空心大型汽轮发电机用水来直接冷却导线内部，称为水内冷。导线做成空心的，用洁净的冷水通入导线的内孔来冷却，因此是较为理想的冷却介质。的，用洁净的冷水通入导线的内孔来冷却，因此是较为理想的冷却介质。1956年英国试制成第一台定子线圈水内冷的汽轮发电机。年英国试制成第一台定子线圈水内冷的汽轮发电机。1958年我国研制成第一台定年我国研制成第一台定.转子线圈都采用水内冷的转子线圈都采用水内冷的12000千瓦双水内千瓦双水内冷汽轮发电机冷汽轮发电机。目前世界各主要工业国也相继将超导技术用于

11、同步电机。目前世界各主要工业国也相继将超导技术用于同步电机。我国于我国于1976年年研制成功一台研制成功一台400千瓦超导同步发电机。千瓦超导同步发电机。由于超导电机的绕组在超导状态由于超导电机的绕组在超导状态时电阻完全消失，从而彻底上解决了巨型电机绕组的发热温升问题。时电阻完全消失，从而彻底上解决了巨型电机绕组的发热温升问题。上电厂产上电厂产660WM汽轮发电机采用汽轮发电机采用水氢氢冷却方式，即定子绕组采用水水氢氢冷却方式，即定子绕组采用水冷，转子绕组为氢内冷，定子铁芯及结构部件为氢冷冷，转子绕组为氢内冷，定子铁芯及结构部件为氢冷，定子机座采用优质，定子机座采用优质钢板装焊而成，所以有焊缝

12、均为气密焊缝，氢冷却器设置在汽机上端。钢板装焊而成，所以有焊缝均为气密焊缝，氢冷却器设置在汽机上端。 汽轮发电机组侧视图汽轮发电机组侧视图1X、Y、Z引出线；引出线；2电流互感器；电流互感器；3A、B、C引出线；引出线；4自并励副自并励副励磁机；励磁机；5主励磁机；主励磁机；6励磁机轴承；励磁机轴承；7出线盒；出线盒；8气体冷却器；气体冷却器；9碳刷架隔音罩；碳刷架隔音罩；10端盖；端盖；11机壳；机壳；12测温引线盒测温引线盒二、同步电机运行状态二、同步电机运行状态 0 0 0 补偿机电动机发电机同步电动机的运行状态由转子磁场与合成磁场的相对位置决定同步电动机的运行状态由转子磁场与合成磁场的

13、相对位置决定 同步电机有三种运行状态：同步电机有三种运行状态：发电机，电动机，补偿机。发电机，电动机，补偿机。分析表明，同步电机运行于哪一种状态取决于定，转子磁场的相对分析表明，同步电机运行于哪一种状态取决于定，转子磁场的相对位置，即定子合成磁场与转子主极磁场之间的夹角位置，即定子合成磁场与转子主极磁场之间的夹角（功率角）（功率角）。 1、发电机、发电机若转子磁场超前于定子合成磁场若转子磁场超前于定子合成磁场0，则此时转子将受到一个与其旋转方向相反的制动性质的电磁转则此时转子将受到一个与其旋转方向相反的制动性质的电磁转矩。为使转子能以同步速旋转，必须从轴上输入机械功率电机矩。为使转子能以同步速

14、旋转，必须从轴上输入机械功率电机作为发电机运行。作为发电机运行。主极SNoTens NSo主极2、补偿机、补偿机当当=0，Te=0此时电机内没有有功功率的转换电机处于补偿机状态，或空载状态。此时电机内没有有功功率的转换电机处于补偿机状态，或空载状态。NoSnsTe=0NSo3、电动机、电动机NSoSNonsTe当转子磁场滞后定子磁场，当转子磁场滞后定子磁场， xq 隐极同步电机隐极同步电机 x d = x q = x s直轴电枢磁导交轴电枢磁导)(2121adddNNX)(2121aqqqNNX例 6-1 xd *= 1.0 xq* = 0.6 Ra* = 0 U* = 1 I* = 1 co

15、s = 0.8求： E0*（1） E0* = U*cos +Id *xd* = 1cos19.44+0.83211.0 = 1.7550031.568 .016 .016 .01arctancossinarctanaqRIUxIU 8321. 031.56sin1sinII0d 5547. 031.56cos1cosII0q44.1987.3631.56044.19775. 160. 044.195547. 00 . 1)44.1990(8321. 00 . 12000*0jjxI jxI jRIUEqqdda）（解：(3)44.19442. 136.87-0.6 j1xI j 0qUEQ00

16、0031.5644.1987.368321. 031.56sin1sinII0d5547. 031.56cos1cosII0q775. 1)6 . 01 (8321. 0442. 1)(*0qddQxxIEE442. 1)6 . 06 . 0(8 . 0)sin()cos(31.568 . 016 . 016 . 01arctancossinarctan222200qQaqXIUERIUxIU(4)EQE0UIqxI j)(qddxxjI6.5 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 ns p P 1机械损耗输入机械功率 I f B0 pFe 铁心损耗 （转子铁心中磁场恒

17、定无铁耗） 一、功率方程一、功率方程 机械能 损耗 电能 同步发电机是将轴上输入的机械功率，通过电磁感应作用转换成输出电功率m：定子相数。 U、I：定子每相电压和电流 cos I Um P ( RI m p P 2a2cuae输出功率电枢铜耗）定子铜耗电磁功率eFePPPP12PPPcuae二二. 转矩方程转矩方程 P1(p +pFe) = Pe T1T0 = Te 电磁转矩空载阻转矩原动机驱动转矩 PT pP T TseesFe01三三. 电磁功率及能量转换电磁功率及能量转换Pe = P2+Pcua = m U I cos +mI2Ra = mI (U cos +I Ra) = m I E

18、cos = m I EQ cos0 = m EQ Iq 隐极同步发电机中 ，EQ = E0 Iq 为电枢电流的有功分量，Iq 决定了（功率角）的大小。qeQqdqqQQeImEImEPEExxIIImEImEP000000cos)cos(cos时当因为 前已分析，当负载后，出现电枢反应，交轴电枢反应产前已分析，当负载后，出现电枢反应，交轴电枢反应产生气隙磁场与主极磁场之间的相角差，从而产生电磁转矩生气隙磁场与主极磁场之间的相角差，从而产生电磁转矩在发电机中，气隙磁场超前于气隙合成磁场。在旋转过程在发电机中，气隙磁场超前于气隙合成磁场。在旋转过程中原动机的驱动转矩克服制动的电磁转矩，并通过电枢绕

19、中原动机的驱动转矩克服制动的电磁转矩，并通过电枢绕组内产生运动电势向电网送出有功电流，使机械能变电能组内产生运动电势向电网送出有功电流，使机械能变电能功率角功率角（Eo与与U之间的夹角）随之间的夹角）随Iq的增加而增大，后将的增加而增大，后将证明证明越大，电磁功率和电磁转矩越大。所以交轴电枢反越大，电磁功率和电磁转矩越大。所以交轴电枢反应对产生电磁转矩进行能量转换具有重要的意义。应对产生电磁转矩进行能量转换具有重要的意义。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Xd1空载特性空载特性空载特性由空载实验测出，试验时，电枢开路，用原动机把被试同步电机拖动到同步速，改变If，测取电枢

20、端电压Uo,直到Uo=1.25UN ，得到特性曲线。 )(I fE U 97 1.25U0U I 0I nf00N0fs点测，使调定子三相绕组开路6.6同步电机参数的测定同步电机参数的测定 为了定量进行计算，除了需要知道电机的工况外（端电压，电流功率因数），还应知道同步电动机的参数。 下面说明同步电抗，电枢漏抗和电枢反应等效磁动势的实验确定法。2短路特性短路特性)0)(UnnIfIsf )(I f I 74 1.2I0I I 0UnfNfs点测，使调定子三相绕组短路因空载时U0=E0 为每相值。即为空载特性曲线00)(EIfEf短路特性是一条直线短路特性是一条直线短路时，端电压U=0，短路电流

21、仅受电机本身阻抗的限制。通常电枢电阻远小于同步电抗，因此可以认为短路电流是纯感性的，即0=90；于是İq=0，İ=İd，而dqqddaXI jXI jXI jRIUE0ax I jx I jRIUEI* = 1 时，E*=0.15左右，磁路不饱和，因电枢反应为纯去磁。 即短路特性是一条直线E0 IfffdIIIExEI003. Xd 的不饱和值的不饱和值IExd0 I E 0从短路特性上取值从气隙线上取值fI不饱和）饱和）饱和度(ddmmXXXR4. Xd 的饱和值的饱和值 饱和程度由F或E决定 )jxR( IUEa 电机正常运行时 UE UUNN IUxNd（饱和值） I U0从短路特性上取

22、值从空载特性上取值Xd不饱和值确定二二. 短路比短路比kc )(*x1 )(x1 ZUU ddbNN)()(0饱和值饱和值NNIIfkUUfcIIIIIIkNN U% k )(xcd 稳定性好小性能饱和值 )( )N(k xad21w1d I N F ) c ( c)U fff0ad0N11用铜量用铁量（NkwUNIf0I IUxNd（饱和值）对于隐机同步电机sdxx Xd饱和值确定饱和值确定例例6-2 有一台有一台25000KW、10.5KV（星形联结）、（星形联结）、cos=0.85（滞后）（滞后）的汽轮发电机，从其空载、短路实验中得到下列数据：的汽轮发电机，从其空载、短路实验中得到下列数

23、据： 从空载特性上查得：线电压从空载特性上查得：线电压UL=10.5KV时，时，If0=155A 从短路特性上查得：从短路特性上查得：I=IN=1718A时，时，Ifk=280A； 从气隙线上查得：从气隙线上查得：If=280A时，时，UL=22.4KV；试求同步电抗和短路比。试求同步电抗和短路比。133. 2732. 1/105001718528. 7528. 7171812930)(*0NNddsdIUXXIEXX即解：从气隙线上查出If=280A时，VE12930732.1224000, 1*,133. 25 .104 .220*0IUEEN133. 21133. 2*0IEXd5536

24、. 02801550fkfIIKc806. 15536. 011(*KcXd饱和） IIUfoN1552 求出空载特性上对应03.9511552801718 I806. 1/,375. 603.9513/10500*NNdddIUXXX（饱和）则用标幺值计算用标幺值计算三、用零功率因数负载实验确定定子漏抗和电枢等效磁动势三、用零功率因数负载实验确定定子漏抗和电枢等效磁动势零功率因数特性零功率因数特性 )(I f U U I II )( 0 cos n ffNs得测调纯电感负载反相位。与同相位，与，零功率因数时，faFFUE0090 F k-FF xI jUE aadf F kFF xIUE a

25、adf2.零功率因数特性与空载特性的关系零功率因数特性与空载特性的关系oIIoINcoscos0零功率因数负载特性：空载特性：空载特性是零功率因数特性的一个特例（即 ）。故两个特性具有相同的形状。0IBC表示空载时产生的额定电压所需要的励磁电流表示空载时产生的额定电压所需要的励磁电流AF用以抵消电枢等效磁动势用以抵消电枢等效磁动势kadFa CA用以克服电枢漏抗压降用以克服电枢漏抗压降IX 作用作用 EAF F F k F E faad特性三角形xIUNN不变不变不变不变改变时， EAF F k xI IUaadNN特性三角形在 上平移)(0fIfU得到零功率因数特性则F点的轨迹即为零功率因数

26、负载特性曲线。K点即为短路点。3.作图法求定子漏抗和电枢等效磁动势作图法求定子漏抗和电枢等效磁动势电机学图56-1.gif不变不变不变不变改变时， EAF F k xI IaadNNU F k xIaadN不变不变空载特性若已知零功率因数负载特性空载特性已知 EAF 特性三角形 F k xIaadN不变不变 AF 反应磁势额定电流时的等效电枢漏电抗压降EA不变特性三角形零功率因数特性空载特性EAF (1)取OKFO ； (2)过O作气隙线的平行线， 交空载特性与E (3)过E 点作O F的垂线交O F 与A点 aadNNFKAFIAExxIAE)4( 。即可求得X )UF(U 0)(Uk N空

27、载特性个点零功率因数特性上的两已知 I I I ff0ff0饱和度转子漏磁零功空载注：注： 这样求得的这样求得的X比实际值略大，比实际值略大，称为波梯电抗称为波梯电抗Xp原因：原因： 零功率因数负载时为了补偿电枢直轴去磁磁动势而增零功率因数负载时为了补偿电枢直轴去磁磁动势而增加主极磁动势，而主极磁动势的增加使转子漏磁将随之增加主极磁动势，而主极磁动势的增加使转子漏磁将随之增加，使得转子磁路的饱和程度增加，磁阻变大，因而需要加，使得转子磁路的饱和程度增加，磁阻变大，因而需要额外再增加一些主极磁动势额外再增加一些主极磁动势 xxp 转子与定子磁场不同步，定子磁场轴线交替与转子的转子与定子磁场不同步

28、，定子磁场轴线交替与转子的d、q轴重合。轴重合。与d轴重合时， xd Imin Umax IUxminmaxd不饱和值与q轴重合时， xq Imax Umin IUxmaxminq小，端电压最大电流最小，线路压降最，为且磁阻最小，电抗最大电枢电流dqdXIII, 0,最小。线路压降最大，端电压，电流最大，磁阻最大，电抗最小为qdqXIII, 0,四四. 用转差法测定用转差法测定Xd、Xq转向一致与且励磁绕组开路）定子加（sNnn%1)(%U5-2nns参数的典型值 Xd* Xq* Xp*隐极同步发电机 1.70 0.9xd* 0.18凸极同步发电机 1.15 0.75 0.32凸极同步电动机

29、1.8 1.15 d轴q轴d轴max2Umin2Umin2Imax2I转差试验时的端电压和定子电流波形均为不饱和值，和所以，由于试验在低压下进行qdXX 6.7 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性 、运行特性、运行特性基本数据。标志同步发电机性能的流和额定效率。这些是额定励磁电发电机的电压调整率，从这些特性中可以确定和效率特性。包括外特性，调整特性同步发电机的运行特性调整特性 ns U = UN co s = c If = f (I)效率特性 n = ns U = UN Ncos = c = f (P2)。因而使端电压反而升高的增加气隙磁通增加，是增磁的，随电枢反应降。而当容性负载时，压

30、降引起一定的电压下去磁作用，定子漏阻抗反应均为，因这两种情况下电枢载时，外特性是下降的在感性负载和纯电阻负。常数。常数，IIfUInnfs)(cos,外特性 ns If = c co s = c U = f (I)1 、外特性、外特性电压调整率。，速不变，卸去负载，即然后保持励磁电流和转时，此时、使当调节电压调整率。从外特性可求出发电机%1000coscos)(00fNfIINNfNfNNNfUUEuEUIIIUUIII同步发电机的外特性 由外特性求电压调整率 范围内。在对隐极同步电机，以内。在对凸极电机，应控制在一定范围内。，为防止卸载时电压上升可以不加限制了。但并不是说对，多数装有自动调压

31、装置。现代的同步发电机大班人员手动操作来调整去发电机端电压靠值对端电压进行调整。过不致有太大的波动，要。为了使电网电压化端电压变化小越小越好，即随负载变%4830%3018)(uuuUXud.fNfIUUII必须相应的减小枢反应是增磁的，所以而对于容性负载，因电。，以维持增加阻抗压降，必须相应的性的电枢反应和的增加，为了补偿去磁负载，随对于感性负载和纯电阻压降的影响。以补偿电枢反应和阻抗电流，须同时调节发电机励磁为保持端电压不变，必当发电机负载变化时，2、调整特性、调整特性.,coscos,fNfNNNIIIIUU时，当发电机的额定励磁电流从调整特性可确定同步调整特性 ns U = UN co

32、 s = c If = f (I)同步发电机的调整特性 。基本损耗分为：损耗和杂散损耗两部分同步电机的损耗分基本求取。接负载法和损耗分析法同步电机的效率可用直时，)(coscos,2PfUUnnNNs估算。定输出的负载时的杂散损耗按额对杂散损耗估算，额定。：电机中总损耗%5%1%100)1 (%100)(%10021112PPPPPPPPP3、效率特性、效率特性高次谐波引起的损耗的涡流损耗漏磁在结构部件中引起杂散耗可分为摩擦损耗和通风损耗机械损耗：轴承电枢的绕组铜耗基本铜耗：电枢和励磁滞和涡流换耗。子铁心中变化引起的磁基本铁耗：主磁通在定FePcufcuappp 直接负载法直接负载法 加负载测

33、加负载测 21PP 损耗分析法：损耗分析法： 计算总损耗计算总损耗 p%100PP%100PpP1211 额定效率额定效率 98.6)% (94.8 97.8)% (94 98.5)% (96 N大型氢冷汽轮发电机大型空冷汽轮发电机大型空冷水轮发电机二、作电动势二、作电动势磁动势图求磁动势图求 IfN 和和uu UIIUFKXRUIfNNNNaaPafN和，、电枢等效磁势、电枢漏抗电枢电阻发电机的空载特性曲线已知磁动势图法求出。势也可用考虑饱和的电动。和电压调整率额定励磁电流上述用直接负载法测定cos%100:,.),(90000NNffffNfNfNaafPaaUUEuEFNNFIFFKFF

34、EFFEXI jRIUXjRIUE的在空载特性上得对应励磁绕组匝数。求得额定励磁磁动势。超前，且对应特性上截取可画出向量图，在空载 电机学图6-381.FLA.swfu 用电动势-磁动势图(波梯图)确定同步发电机的IfN和u F k-FF x I jUE aadfNcos例6-5 有台水轮发电机，额定容量SN16667kVA，额定电压UN13.8kV， Y联结，额定功率因数0.8(滞后)，额定转速nN100rmin，24. 0*pX，电枢电阻忽略不计。发电机的短路特性为波梯电抗的标幺值一直线，当短路电流等于额定电流时，励磁电流Ifkl 78A，空载特性的数据为 0.25 0.45 0.79 1

35、.00 1.14 1.20 1.25 1.3045 85 150 205 250 300 350 400试用波梯图法确定该发电机的额定励磁电流和电压调整率。0EA/fI)274. 1%(4 .27,384)16. 1E27513543178,4324. 0k37*0*EuAIFKFFFAOTOKTKFKOKAOTXIXIRTfaadfaadP（对应去磁磁动势服电枢服漏抗压降，一部分克包括两部分。一部分克因短路时励磁磁动势，表示对应的磁势用励磁电流点先画出空载特性及例已知：参数，已知：参数，E0 = f (If) ，额定值，额定值 aadNFKUfK*paNNNI X R S I ， 用计算机求

36、用计算机求FfN 和和 u) F ) xI sin ()R I cos (2*p*2a*用励磁电流表示（也UUEkaFa F k OT- I OT xaafK*P（用励磁电流表示）*0cossinarctanaNpNRIUxIUf*00022F E )90cos(2)(及输出 UFFkFkFFaadaadfN隐极同步发电机隐极同步发电机PNaNNxI jRIUE)Fk(FFaafNIfN 6.8同步发电机与电网的并联同步发电机与电网的并联很小。电网的电压、频率影响个别负载的变动对整个，由于电网容量很大，站。枯水期主要是利用火电用水电站，后，在旺水期主要是利如水电站和火电站并联，合理利用动力资源

37、，提高机组运行效率。入运行的发电机台数，根据负载变化调整投提高供电可靠性。，不停电检修发电机，采用并联运行的优点：许多发电机并联运行，厂中又有并联组成，而每个发电通常都是由许多发电厂现代电力系统（电网）4321本节主要讨论并联运行的条件，以及并联后发电机有功，无功功率的调节本节主要讨论并联运行的条件，以及并联后发电机有功，无功功率的调节 电网电网 无穷大无穷大 c f CU一、投入并联运行的条件和方法一、投入并联运行的条件和方法 1、投入并联的条件、投入并联的条件 同步发电机投入并联时，为了避免电机和电网中产生同步发电机投入并联时，为了避免电机和电网中产生冲击电流及由此产生的冲击转矩，待投入并

38、联的发电机必冲击电流及由此产生的冲击转矩，待投入并联的发电机必须满足以下条件：须满足以下条件：（1）发电机的相序应于电网一致。）发电机的相序应于电网一致。（2）发电机的频率应与电网相同。）发电机的频率应与电网相同。（3）发电机的）发电机的E0应与电网电压应与电网电压U大小相等，相位相同。大小相等，相位相同。以上三个条件中，第一条必须满足以上三个条件中，第一条必须满足相序不同时频率不同时则相当于发电机端点加上一组负序电压，使发电机和电网之间存在巨大的电位差，产生巨大的环流和冲击转矩，属于严重的故障情况，必须避免。E0与U的大小不等或相位不同时若发电机频率和电网频率不同，可将U与E0设想为大小相等

39、但转速不同的旋转相量。E0与U之间便有相对运行，将产生一大小和相位随时变化的环流，从而引起电机内功率振荡，一会发出有功功率，一会吸收有功功率若E0与U的大小不等或者相位不同时，当将发电机投入并联时，存在差值电压，产生冲击电流，严重情况下，该电磁力的冲击将损坏绕组端部和转轴 关于相序问题，一般大型同步发电机的转向和相序在出厂前都已注明。对于关于相序问题，一般大型同步发电机的转向和相序在出厂前都已注明。对于没有标定的，可利用相序指示器来确定。没有标定的，可利用相序指示器来确定。 关于频率问题，关于频率问题，。只要调节原动机的转速,60Pnf 而而E0的大小可通过调节发电机的励磁电流进行调节的大小可

40、通过调节发电机的励磁电流进行调节 011044. 4WKfNE E0的相位可通过调节发电机瞬时速度来调整的相位可通过调节发电机瞬时速度来调整 2.投入并联的方法投入并联的方法为了投入并联所进行的调整和操作过程，称为整步过程，整步方法有两种：为了投入并联所进行的调整和操作过程，称为整步过程，整步方法有两种：准整步法，自整步法准整步法，自整步法 全部满足投入并联的条件，准整步法；全部满足投入并联的条件，准整步法； 部分满足投入并联的条件，自整步法。部分满足投入并联的条件，自整步法。 1、准整步法、准整步法 0U 360- U2U 270- U2U 180- U2U 90- 0U 0- ff U U

41、 0uEA0uEA0uEA0uE0uEAA时但相序一致灯光闪烁三个灯将同时出现时暗时亮的现象灯光闪烁三个灯将同时出现时暗时亮的现象 直接接法同步指示器：最简单的同步指示器为三个指示灯。同步指示器：最简单的同步指示器为三个指示灯。 U U C C U U B B U U A A CCBBAA电压表 U UUBAABA调 n ns ABBAUU0AAAUUU 灯不亮 0U 360- U2U 270- U2U 180- U2U 90- 0U 0- ff U U 0uEA0uEA0uEA0uE0uEAA时但相序一致灯光闪烁三个灯将同时出现时暗时亮的现象灯光闪烁三个灯将同时出现时暗时亮的现象 uaubu

42、cEAEbEcEAEbEcuaubucEAEbEcuaubuc在灯光全部熄灭时，合闸投入并联，称为灯光熄灭法（直接接法）在灯光全部熄灭时，合闸投入并联，称为灯光熄灭法（直接接法） U3U U-U U U3U U-U U 0 U BCBCCBBCBBA亮亮灭 U3 U 0U U3U BCBBA灭 0 U U3U U3 U CBBBA灭指示灯交替明暗，形成旋转 B C C B A A 交叉接法1灯灭，2、3灯亮。若 UA = UA 但 ffff，设：指示灯交替明暗，形成旋转 ff ff灯光顺时针方向旋转时灯光逆时针方向旋转时A待到灯1熄灭，灯2和灯3亮度相同，表示发电机已满足投入并联条件，可合闸并

43、网。交叉接法亦称为灯光旋转法灯光旋转法，此法的优点是能判断发电机频率比电网高还是低 。灯光顺时针方向旋转；旋转频率：灯光逆时针方向ffff 灯亮度相同、灯灭，灯光不旋转321 ff 并网：灯光旋转很慢 B C C B A A 亮度相同时合闸灭交叉法称为灯光旋转法（亮灯法）交叉法称为灯光旋转法（亮灯法） 采用直接接法时，若出现灯光旋转现象，说明相序不同；同理采用交叉接法时，采用直接接法时，若出现灯光旋转现象，说明相序不同；同理采用交叉接法时，若出现灯光明暗现象也是相序错误。若出现灯光明暗现象也是相序错误。 相序：灯光旋转，则相序正确。准整步的优点是：投入瞬间电网和电机没有冲击；准整步的优点是：投

44、入瞬间电网和电机没有冲击；缺点是：缺点是： 整步手续比较复杂。整步手续比较复杂。相序相同，相序相同， 沿旋转磁场的转向沿旋转磁场的转向n ns ， 励磁绕组通过电阻短路励磁绕组通过电阻短路2、自整步法、自整步法为了将发电机迅速投入电网，可采用自整步法。为了将发电机迅速投入电网，可采用自整步法。优点：投入迅速，装置简单。优点：投入迅速，装置简单。缺点：投入时定子电流冲击大缺点：投入时定子电流冲击大 然后先合闸投入电网，然后先合闸投入电网，（此时相当于一台异步电机）（此时相当于一台异步电机）（3）并立即加励磁电流（有冲击电流）牵入同步。）并立即加励磁电流（有冲击电流）牵入同步。二、与电网联时发电机

45、的功角特性二、与电网联时发电机的功角特性)(fPe当同步发电机的励磁电动势当同步发电机的励磁电动势0E和端电压和端电压U保持不变时，发电机产生的保持不变时，发电机产生的称为功角特性称为功角特性。电磁功率与功率角之间的关系电磁功率与功率角之间的关系cosemUIP )sincos()sinsincos(cos)cos(000edqIImUmUImUIPcossin0UEXIUXIddqqddqqXUEIXUIcos sin0，转子无励磁，仅靠转子无励磁，仅靠Pe2工作时，称为磁阻电机工作时，称为磁阻电机 是由于凸极效应引起的就存在。只要与励磁状态无关，即使为附加电磁功率。为基本电磁功率。其中并整

46、理得将以上两式代入2202221020000, 0, 02sin)11(2sin2sin)11(2sin)sincos(cos,sin.cossineedqfeedqeddqdedqeddqqddqqPPUXXEIPPXXUmPXUEmXXUmXUEmPIImUPXUEIXUIUEXIUXI由功角特性可见由功角特性可见qdXXEU, 0不变时，电磁功率的大小取决于不变时，电磁功率的大小取决于。18090045-180电动机发电机PePe1Pe2Pe同步电机的功角特性 018 90 900 P 0 180- 1800 P 00 00e20000e121电动机发电机电动机发电机eePPsin904

47、5)11(2,459001002max2200max110deeqdedqeedeeXUEmPPXXPXXUmPPXUEmPP极电机大小而定。对于隐位置视两项振幅的相对之间达到最大值，具体为在达到最大值达到最大值，当得将功角特性两端同除以max1eP。，明显，由图可见，凸极效应越两条曲线。和下图绘制出了maxmax1maxmax1max2maxmax1max2max1maxmax1max2max1)()(2sinsineeeeeeeeeeeePPPPfPPfPPPPPPmax：总电磁功率达到最大值时的功率角的夹角。和）表示（具有双重物理意义。机来处理。功率角电机都近似作为隐极电外，一般凸极者要

48、求精确计算的场合问题时，除励磁很弱或应用功角特性解决实际几，因此在很小，一般仅为百分之总电磁功率中所占比例因附加电磁功率在整个。，对凸极电机，大于隐极电机为电磁功率最大值，对注：000maxmax1EUXUEmXUEmPPdde之间的夹角。（与电枢合成磁场）表示主磁场（)(20ufBFBF B B U E u 00的角度，空间相位角超前时间相位角，的角度超前功率角qaqqqaqqqddQqQqqQeeaSaSaSsseZRXRZZXXjIEEEUZEmPPUERZRXRZZEUZEmParcsin:)(sin)sin(000arcsin:sin)sin(220002200。交轴同步电抗的阻抗角

49、交轴同步电抗对于凸极同步发电机：功率。，有微小正值电磁时，当），若时（当计及：同步阻抗的阻抗角隐极电机同步阻抗对隐极电机功角特性。考虑电枢电阻影响时的)(125500108 .12103. 103. 103. 14571241. 08 .12111.15)(1011.15)72. 219 . 11(279683)11(2)(108 .12172. 279681385531385572. 2)25.55sin2929(46.23cos7968cos25.5585. 079689 . 129295268. 079685268. 0sin79.3185. 0cos(2929108 .13310700

50、00,7968313800cossin3max1maxmax1maxmax1max2322max230max10000010013310KWPPPPPPKWXXUmPKWXUEmPEVXIUEtgSAIVUIRUIXUtgeeeeeedqededdNaq得查表不变则：保持）给出解：例例6-4max00ePE 、求：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、有功功率的调节有功功率的调节 现代电力系统的容量都很大，其频率和电压基本不受负载变化和其他扰动的现代电力系统的容量都很大，其频率和电压基本不受负载变化和其他扰动的影响而保持为常值影响而保持为常值, ,这种恒频恒压的交流电网

51、，称为无穷大电网。当发电机并联这种恒频恒压的交流电网，称为无穷大电网。当发电机并联于无穷大电网时，可向电网输出功率。于无穷大电网时，可向电网输出功率。 下面以隐极电机为例说明同步发电机与无穷大电网并联时有功功率的调节，为下面以隐极电机为例说明同步发电机与无穷大电网并联时有功功率的调节，为简化分析略去简化分析略去R Ra a不计，设发电机已接到一个无穷大电网。不计，设发电机已接到一个无穷大电网。向电网输出有功功率增大气门或水门增加发电机输入功率增加发电机输出功率点。，在功角特性上对应于载时，向电磁力为零，所以空只有径向磁拉力，而切，型分析载运行。从上图物理模发电机在电网上处于空，时，当esees

52、ePmXUEPPPXUEmPPUEsin0000sin002020 从物理模型看，分解出切向力，使转子上受到一制动性质的电磁转矩，从物理模型看，分解出切向力，使转子上受到一制动性质的电磁转矩，当制动转矩与原动机驱动转矩相平衡时。功率就不再增大，这时转子主极当制动转矩与原动机驱动转矩相平衡时。功率就不再增大，这时转子主极磁场拉着气隙磁场以同步速旋转，将输入的机械功率变为电功率输出，在磁场拉着气隙磁场以同步速旋转，将输入的机械功率变为电功率输出，在功角特性上对应于功角特性上对应于A点。点。 由此可见，由此可见，要调节发电机输出的有功功率，必须调节原动机的输入功要调节发电机输出的有功功率，必须调节原

53、动机的输入功率，使率，使增大，电磁功率和输出功率便会相应增加。增大，电磁功率和输出功率便会相应增加。原动机输入功率的增加不是无限制的，对于隐极电机，当原动机输入功率的增加不是无限制的，对于隐极电机，当达到达到90时，电时，电磁功率达到最大值。即隐极同步发电机的功率极限值磁功率达到最大值。即隐极同步发电机的功率极限值seXUEmP0maxIU0ESjIX02、静态稳定静态稳定 静态稳定指电网上并联运行的同步发电机，在受到电网或原动机方面的微小静态稳定指电网上并联运行的同步发电机，在受到电网或原动机方面的微小扰动后，能够自动的恢复到原先的平衡状态的能力。扰动后，能够自动的恢复到原先的平衡状态的能力

54、。如能复原，则发电机是如能复原，则发电机是稳定的，反之，则为不稳定。稳定的，反之，则为不稳定。 点。运行于微小增量输入功率有一由于某种原因，点，设原运行与发电机的静态稳定问题现以功角特性曲线说明APPPPPPAeeeAeeeA11,点是稳定的。所以点运行，又回到减速，使矩使转子大于输入功率，制动转磁功率将当扰动消失，发电机电AAA有相同的符号和定的，因部分，运行是稳和功率角是同增或减的曲线上，凡是电磁功率综上所述，在功角特性点是不稳定的。以，电机将失去同步，所进一步增大，发展下去继续加速，使磁功率，转子将电机输入功率仍大于电点，即使扰动消失，发运行与，当输入功率增加，点，电机工作在eeeeBe

55、eBPBBPPPPPPB,111和不稳定的交界，正处于稳定即当为不稳定运行。反之为稳定运行的条件。用数学公式表达为：090, 000ddPddPddPeee能力，称为干扰而保持稳定运行的是衡量同步发电机抵抗由此可见ddPe整步功率系数整步功率系数越大越稳定数为对隐极电机整步功率系cos0seXUEmddP越小，稳定性越差越大，两曲线正交。可知由ddPPfddPfPXUEmddPXUEmPeeeeseSe)()(cossin00为了使发电机能稳态运行，应使发电机的功率为了使发电机能稳态运行，应使发电机的功率极限比额定功率大一定的倍数，这个倍数称为极限比额定功率大一定的倍数，这个倍数称为过载能力过

56、载能力 定度是不经济的。所以过高的要求静态稳造价电机尺寸励磁安匝数励磁绕组过热，反比于均正比于和。约为，相应的SSeeNPNNssNePXEXEddPPKXUEmXUEmPPK00max0000max40300 . 26 . 1sin1sin四、无功功率的调节四、无功功率的调节 接到电网上的负载多数都是电感性的，所以与电网并联的发电机不仅接到电网上的负载多数都是电感性的，所以与电网并联的发电机不仅要向电网输出有功功率，而且还要输出无功功率。要向电网输出有功功率，而且还要输出无功功率。 下面以隐极同步发电机为例来说明同步发电机与无穷大电网并联时无下面以隐极同步发电机为例来说明同步发电机与无穷大电

57、网并联时无功功率的调节问题。功功率的调节问题。 为简单计，忽略电枢电阻和磁饱和影响，并假定调节励磁时，原动机为简单计，忽略电枢电阻和磁饱和影响，并假定调节励磁时，原动机的输入有功功率保持不变。的输入有功功率保持不变。 2201PPPPPPcuae常数常数均为定值，则和由于常数常数cossincossin020IEXUmUIPXUEmPSSeooojXsjXsjXsBACDEosin=常值Icos=常值“正常励磁” I E I 1.0 cos fN0“欠励”超前 I I E I cos ffN0 “过励”滞后 I I E I cos ffN0”发电机处与“欠励状态、若减少励磁电流。使输出滞后的无

58、功功率。输出有功功率外，还将角。此时发电机除继续于电网电压，此时电枢电流将滞后过励状态发电机运行在、若增加励磁电流，使。磁状态为“正常励磁”为有功功率。这时的励率全部纯为有功电流，输出功定子电流时，、，,3,20,101001001300220002111001EEEEEIIIEEIIEEEIIIIIIEEIIffffffff值所以励磁电流有一最低存在一不稳定区，稳定性欠励。过励，0EIIff)(ffNNIfIIIffUU即的变化，所引起的调节况下输出有功功率不变的情，将为“V形曲线”,曲线最低点为正常励磁点调节励磁电流可以调节无功功率这一现象，还可以用磁动势平衡关系解释调节励磁电流可以调节无

59、功功率这一现象，还可以用磁动势平衡关系解释 对同步电机进行励磁电流的调节，可改变无功电流，即改变无功功率和功率因数对同步电机进行励磁电流的调节，可改变无功电流，即改变无功功率和功率因数补偿主磁通的不足电枢反应为增磁欠励时补偿过多的主磁通电枢反应为去磁过励时CCU Ra jX o a o90 a j Xa过励，直轴电枢反应为去磁过励，直轴电枢反应为去磁五、功率因数变化时发电机的输出能力五、功率因数变化时发电机的输出能力 输出能力曲线：)(PfQUUNN点为额定点：NNfNnNPSIIcos对应NA段：电枢电流保持为额定，发电机功率因数逐渐上升到1。 此时若加大发电机的有功功率到A点，输出的无功功

60、 率要相应减少否则电机将过载运行。到A点无功功率为 零，发电机发出的有功功率达到最大值。从N点到A点，功率因数逐渐上升，电枢反应的去磁作用逐渐减少，所需的励磁电流逐渐渐少，发电机的输出能力主要受电枢电流的限制。对应NB段：励磁电流保持为额定，发电机功率因数逐渐下降到零。 此时发电机的有功因数降低，电枢反应去磁作用加大， 为使励磁电流不超过额定值，必须减少电枢电流否则 励磁绕组温升过高。到B点有功功率为零，发电机无 功功率达到最大值。从N点到B点，功率因数逐渐下降，电枢反应的去磁作用逐渐增加，电枢电流逐渐渐少，发电机的输出能力主要受励磁电流的限制。6.9 同步电动机与同步补偿机同步电动机与同步补