第11章 同步电机的基本理论与运行特性08

1、Page: 1 Date:2022-5-5第十二章第十二章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论和运行特性和运行特性Page: 2 Date:2022-5-5+AABCCB定子铁芯定子铁芯滑环滑环转子铁芯转子铁芯空气隙空气隙转子绕组转子绕组定子绕组定子绕组电刷电刷第一节第一节 同步电机的结构同步电机的结构一、同步电机的结构一、同步电机的结构旋转旋转磁极磁极式式Page: 3 Date:2022-5-5 与异步电机一样，同步电机也是由定子及转子与异步电机一样，同步电机也是由定子及转子两大部分所组成，对于两大部分所组成，对于旋转磁极式旋转磁极式同步电机，定子同步电机，定子上分布有三相对称交流绕组；

2、转子上绕有直流励磁上分布有三相对称交流绕组；转子上绕有直流励磁绕组，通入直流电流后，产生相对于转子静止的磁绕组，通入直流电流后，产生相对于转子静止的磁场。场。1、定子、定子 旋转磁极式旋转磁极式同步电机的定子也称为同步电机的定子也称为电枢电枢，主要，主要由铁芯、绕组、机座和端盖等部件所组成。由铁芯、绕组、机座和端盖等部件所组成。Page: 4 Date:2022-5-5汽轮机定子实物图汽轮机定子实物图Page: 5 Date:2022-5-5机座加工机座加工定子装配定子装配Page: 6 Date:2022-5-52、转子、转子 由磁极、转轴、由磁极、转轴、阻尼绕组阻尼绕组、滑环、电刷等组成。

3、、滑环、电刷等组成。根据磁极形状的不同分为隐极转子和凸极转子。根据磁极形状的不同分为隐极转子和凸极转子。Page: 7 Date:2022-5-5v 隐极发电机转子结构特点隐极发电机转子结构特点 原动机为汽轮机，转速高原动机为汽轮机，转速高发电机极对数少（发电机极对数少（p22），无），无明显的磁极（隐极式），气隙较均匀；铁芯细而长，采用卧明显的磁极（隐极式），气隙较均匀；铁芯细而长，采用卧式结构。式结构。v 凸极发电机转子结构特点凸极发电机转子结构特点 原动机为水轮机，转速低原动机为水轮机，转速低极对数多（极对数多（p3）；有明显的）；有明显的磁极（凸极式），气隙不均匀；铁芯短而粗，采用立式

4、结构。磁极（凸极式），气隙不均匀；铁芯短而粗，采用立式结构。Page: 8 Date:2022-5-5凸极转子实物图凸极转子实物图隐极转子实物图隐极转子实物图Page: 9 Date:2022-5-5水轮发电机组外观图水轮发电机组外观图汽轮发电机组外观图汽轮发电机组外观图Page: 10 Date:2022-5-5二、同步电机的额定值二、同步电机的额定值v 额定容量额定容量 SN 或额定功率或额定功率 PN ：发电机：可以用发电机：可以用容量容量表示出线端的表示出线端的视在视在功率或功率或用用功率功率表示表示输出输出的的有功有功功率；功率；电动机：用电动机：用功率功率表示轴上表示轴上输出输出的

5、的机械机械功率；功率；调相机：用调相机：用容量容量表示出线端表示出线端输出输出的的无功无功功率。功率。对于发电机而言，输出的是电功率，则对于发电机而言，输出的是电功率，则NNNNIUPcos3NNNNNIUPcos3对于电动机而言，输出的是机械功率，则对于电动机而言，输出的是机械功率，则Page: 11 Date:2022-5-5实题演练：实题演练：1、同步电机的基本特点是转子转速为某一固定的同步转速，即、同步电机的基本特点是转子转速为某一固定的同步转速，即n = n1 = _。同步电机最主要的用途是作为。同步电机最主要的用途是作为_（电动机、发（电动机、发电机、补偿机）运行，而还有一种较特殊

6、的应用，专门用来向电网输送电机、补偿机）运行，而还有一种较特殊的应用，专门用来向电网输送_功率的称为同步补偿机。功率的称为同步补偿机。2、汽轮发电机的原动机为汽轮机，转速较高，转子结构特点为：极对、汽轮发电机的原动机为汽轮机，转速较高，转子结构特点为：极对数数_，转子形状，转子形状_ ，通常采用，通常采用_结构；水轮发电机的结构；水轮发电机的原动机为水轮机，转速较低，转子结构特点为：极对数原动机为水轮机，转速较低，转子结构特点为：极对数_，转子，转子形状形状_ ，通常采用，通常采用_结构；结构；3、同步发电机中，阻尼绕组起抑制转子、同步发电机中，阻尼绕组起抑制转子_的作用，同步的作用，同步电动

7、机和补偿机中，阻尼绕组主要作为电动机和补偿机中，阻尼绕组主要作为_用，用，Page: 12 Date:2022-5-5励磁系统应满足的条件励磁系统应满足的条件: 能稳定提供发电机从能稳定提供发电机从空载空载到到满载满载所需的所需的If ; 当电网电压减小时，能快速强行励磁，提高系统稳当电网电压减小时，能快速强行励磁，提高系统稳定性；定性； 发电机突然甩负荷时能快速减磁，限制电压过高；发电机突然甩负荷时能快速减磁，限制电压过高； 当电机内部发生短路故障时当电机内部发生短路故障时,能快速灭磁；能快速灭磁； 运行可靠，维护方便，简单，经济；运行可靠，维护方便，简单，经济； 多台并联运行时，能够成组配

8、合调节无功功率；多台并联运行时，能够成组配合调节无功功率；第二节第二节 同步电机的励磁同步电机的励磁Page: 13 Date:2022-5-5第二节第二节 同步电机的励磁同步电机的励磁一、直流励磁机励磁系统一、直流励磁机励磁系统 直流励磁机与同步发电机同轴，当发电机旋转起直流励磁机与同步发电机同轴，当发电机旋转起来后，励磁机就可发出直流电供给励磁绕组。来后，励磁机就可发出直流电供给励磁绕组。Rfr1K图12-10 直流并励励磁系统Page: 14 Date:2022-5-5二、交流励磁机整流励磁系统二、交流励磁机整流励磁系统交 流 副 励 磁 机500Hz交 流 主 励 磁 机100Hz主

9、发 电 机自 动 电 压 调 节 器同 轴 连 接电 压 输 出图 12-11 他 励 式 静 止 整 流 励 磁 系 统 交流励磁机与整流装置相配合交流励磁机与整流装置相配合 又可分为静止整流励磁和旋转整流励磁又可分为静止整流励磁和旋转整流励磁 无换向器，系统运行可靠，励磁容量高无换向器，系统运行可靠，励磁容量高 1、静止整流励磁系统、静止整流励磁系统Page: 15 Date:2022-5-52、旋转整流励磁系统、旋转整流励磁系统交流副励磁机500Hz图12-12 旋转整流励磁系统主发电机交流主励磁机100Hz旋转电枢绕组电压输出自动电压调节器同轴连接主励磁机采用旋转电枢式三相同步发电机主

10、励磁机采用旋转电枢式三相同步发电机无电刷和集电环，运行可靠，适用于防燃防爆场合无电刷和集电环，运行可靠，适用于防燃防爆场合但灭磁时间常数大，转子绕组保护困难但灭磁时间常数大，转子绕组保护困难Page: 16 Date:2022-5-5第三节第三节 同步电机的空载运行同步电机的空载运行v 定义：定义：，NfNfnnII 定子绕组开路的状态定子绕组开路的状态v 物理过程：物理过程： 转子通直流励磁电流，产生转子通直流励磁电流，产生相对转子相对转子静止的磁静止的磁场，转子以同步速旋转，转子磁场以同步速切割定场，转子以同步速旋转，转子磁场以同步速切割定子绕组，在定子绕组内感应空载电动势，感应电动子绕组

11、，在定子绕组内感应空载电动势，感应电动势势随时间变化随时间变化规律与转子磁场规律与转子磁场沿空间分布沿空间分布规律相同。规律相同。Page: 17 Date:2022-5-5图12-13 隐极同步电机转子磁势Ff1Ffx一、隐极式同步电机的空载磁动势一、隐极式同步电机的空载磁动势fffFFk1v定义：励磁磁动势波形系数定义：励磁磁动势波形系数实际波形：阶梯波实际波形：阶梯波基波分量基波分量转子铁芯转子铁芯转子绕组转子绕组在波的在波的形状不变形状不变的情况下，基波幅植的情况下，基波幅植与其幅植之间的比值是固定的，该比与其幅植之间的比值是固定的，该比值称为波形系数。值称为波形系数。Page: 18

12、 Date:2022-5-5Ff1fFfx图12-14 凸极同步电机转子磁势二、凸极式同步电机的空载磁动势二、凸极式同步电机的空载磁动势2sin41ffFF2sin4fk实际波形：矩形波实际波形：矩形波基波分量基波分量转子铁芯转子铁芯转子绕组转子绕组Page: 19 Date:2022-5-5三、时间相量和空间矢量三、时间相量和空间矢量v时间相量：随时间相量：随时间时间按正弦规律按正弦规律变化变化的量的量v空间矢量：在空间矢量：在空间空间按正弦规律按正弦规律分布分布的量的量1fF励磁磁势励磁磁势基波基波分量分量1fB励磁磁密励磁磁密基波基波分量分量0绕组所绕组所匝链匝链的磁通的磁通0E定子绕组

13、感应电动势定子绕组感应电动势Page: 20 Date:2022-5-5v 注意注意：磁动势和磁通密度等空间矢量是由三相电：磁动势和磁通密度等空间矢量是由三相电枢和主极的共同作用产生的（相互叠加），是三相枢和主极的共同作用产生的（相互叠加），是三相共有的。而时间相量仅指一相的量，如某一相的电共有的。而时间相量仅指一相的量，如某一相的电动势、电压、电流及绕组动势、电压、电流及绕组匝链匝链的磁通量。的磁通量。v 磁动势和磁通密度等空间矢量随转子转过一个周磁动势和磁通密度等空间矢量随转子转过一个周期（注意：不是一个圆周），定子绕组交链的磁通期（注意：不是一个圆周），定子绕组交链的磁通量以及定子绕组中

14、的感应电动势等时间变量也变化量以及定子绕组中的感应电动势等时间变量也变化一个周期，即这些空间矢量和时间相量的变化频率一个周期，即这些空间矢量和时间相量的变化频率是相同的。这样我们就可以把这些空间矢量图和时是相同的。这样我们就可以把这些空间矢量图和时间相量图画在同一个坐标系里进行分析。相应的图间相量图画在同一个坐标系里进行分析。相应的图称为时空矢量图。称为时空矢量图。Page: 21 Date:2022-5-5v时空矢量图参考轴的选取时空矢量图参考轴的选取时间相量和空间矢量都以时间相量和空间矢量都以A相绕组轴线相绕组轴线作为参考轴。作为参考轴。A相绕组轴线相绕组轴线励磁绕组励磁绕组的轴线的轴线两

15、极间两极间的中线的中线Page: 22 Date:2022-5-5四、空载电动势相量四、空载电动势相量000EEA12000EEB12000EEC011044. 4NkfNEPage: 23 Date:2022-5-5五、电压波形的正弦畸变率五、电压波形的正弦畸变率v定义：定义：122122322mnmnmmkmmvUUUUUUk额定功率为额定功率为10到到1000kVA的交流发电机，其的交流发电机，其线电压线电压波形允许的正弦畸变率不超过波形允许的正弦畸变率不超过10%，额定功率为额定功率为1000kVA以上的交流发电机，其以上的交流发电机，其线电压线电压波形允许的正弦畸变率不超过波形允许的

16、正弦畸变率不超过5%。Page: 24 Date:2022-5-5实题演练：实题演练：1、凸极同步电机的转子绕组为、凸极同步电机的转子绕组为_（分布、集中）绕组，其转（分布、集中）绕组，其转子磁动势的空间分布波形为子磁动势的空间分布波形为_（正弦、阶梯、矩形）波，隐（正弦、阶梯、矩形）波，隐极同步电机的转子绕组为极同步电机的转子绕组为_绕组，其转子磁动势的空间分布波绕组，其转子磁动势的空间分布波形为形为_波。波。Page: 25 Date:2022-5-5第四节第四节 对称对称负载的电枢反应负载的电枢反应v 电枢反应的概念：电机带载后，电枢反应的概念：电机带载后，电枢电流电枢电流产生的磁场将使

17、产生的磁场将使原有的原有的气隙磁场的分布发生气隙磁场的分布发生变化，从而使绕组中的感应电动势发生变化，变化，从而使绕组中的感应电动势发生变化，这种现象称为这种现象称为电枢反应电枢反应。v 电枢反应的性质取决于电枢磁动势和主磁电枢反应的性质取决于电枢磁动势和主磁场磁动势之间的场磁动势之间的相对位置相对位置，而电枢磁动势和，而电枢磁动势和主磁场磁动势之间的主磁场磁动势之间的相对位置相对位置又取决于又取决于负载负载电流电流的性质，所以电枢反应的性质最终取决的性质，所以电枢反应的性质最终取决于于负载电流负载电流的性质。的性质。Page: 26 Date:2022-5-5v外功率因数角外功率因数角v内功

18、率因数角内功率因数角端电压端电压 与负载电流与负载电流 之间的夹角之间的夹角UI空载电动势空载电动势 与负载电流与负载电流 之间的夹角之间的夹角0EI 外功率因数角实际存在且可以测量外功率因数角实际存在且可以测量内功率因数角实际不存在也不可以测量，内功率因数角实际不存在也不可以测量，因为电机带载后，由于电枢反应，气隙磁因为电机带载后，由于电枢反应，气隙磁场发生变化，定子绕组感应电动势将不再场发生变化，定子绕组感应电动势将不再是空载时的电动势。是空载时的电动势。Page: 27 Date:2022-5-5实题演练：实题演练：1、同步电机的同步电机的空载空载磁场是磁场是_绕组中通入绕组中通入_流电

19、后产生流电后产生的，而电枢磁场则是的，而电枢磁场则是_绕组中流绕组中流过过_流电产生的流电产生的。Page: 28 Date:2022-5-5）时的电枢反应）时的电枢反应同相（同相（和和一、一、00 EINSdqnAXCYZBA相 轴时 轴B相 轴C相 轴A相 轴时 轴时 间 矢 量 图A相 轴时 轴dFf1qA 相 时 空 矢 量 图E0 AIAIBE0 CICE0 BIE0Faa0EEaF图 1 2 - 1 7 时 的 电 枢 反 应v 此时同步电机处于此时同步电机处于发电机发电机运行状态，仅输出运行状态，仅输出有功有功功率到电功率到电网。网。轴轴电电枢枢反反应应。，作作用用在在交交轴轴，

20、称称为为交交滞滞后后特特点点： 901faFF同方向。同方向。与与同方向，同方向，与与结论：时空矢量图上，结论：时空矢量图上，AafAIFF10 Page: 29 Date:2022-5-5）时的电枢反应）时的电枢反应（滞后滞后二、二、 90900 EIv此时同步电机处于此时同步电机处于发电机发电机运行状态，仅输出运行状态，仅输出感性无感性无功功功率功率到电网。到电网。磁作用。磁作用。反相位，电枢反应起去反相位，电枢反应起去与与由于由于轴电枢反应。轴电枢反应。，作用在直轴，称为直，作用在直轴，称为直滞后滞后特点：特点：11180fafaFFFF AXCYZBA相 轴时 轴B相 轴C相 轴A相

21、轴时 轴时 间 矢 量 图A相 轴时 轴dFf1qA 相 时 空 矢 量 图E0 AIAIBE0 CICE0 BIE0Faa0EEaF图 1 2 - 1 8 时 的 电 枢 反 应NSdqnPage: 30 Date:2022-5-5v 对于接在电网上的同步发电机，由于对于接在电网上的同步发电机，由于电网电压电网电压必必须保持不变，要求气隙合成磁场近似保持不变。增须保持不变，要求气隙合成磁场近似保持不变。增大直流励磁（过励）所引起的电枢反应必然是起去大直流励磁（过励）所引起的电枢反应必然是起去磁作用的，也就是说处于磁作用的，也就是说处于过励过励运行状态的同步电机运行状态的同步电机将向电网输送将

22、向电网输送感性感性无功功率。无功功率。）时的电枢反应）时的电枢反应（滞后滞后二、二、 90900 EIPage: 31 Date:2022-5-5）时的电枢反应）时的电枢反应（滞后滞后三、三、 1801800 EIA相轴时轴时间矢量图A相轴时轴dFf1qA 相时空矢量图E0AIAIBE0CICE0BIE0Faa0EEaF图12-19 时的电枢反应v 此时同步电机处于此时同步电机处于电动机电动机运行状态，仅从电网吸收运行状态，仅从电网吸收有功有功功功率。率。轴轴电电枢枢反反应应。，作作用用在在交交轴轴，称称为为交交超超前前特特点点： 901faFFPage: 32 Date:2022-5-5）时

23、的电枢反应）时的电枢反应（超前超前四、四、 90900 EIIBE0CICE0BIE0Faa0EEaF图12-20 时的电枢反应A相轴时轴时间矢量图A相轴时轴dFf1qA 相时空矢量图E0AIAv此时同步电机处于此时同步电机处于发电机发电机运行状态，仅输出运行状态，仅输出容性无容性无功功功率功率到电网。到电网。磁作用。磁作用。同相位，电枢反应起助同相位，电枢反应起助与与由于由于称为直轴电枢反应。称为直轴电枢反应。同相位，作用在直轴，同相位，作用在直轴，与与特点：特点：11fafaFFFFPage: 33 Date:2022-5-5）时的电枢反应）时的电枢反应（超前超前四、四、 90900 EI

24、v 对于接在电网上的同步发电机，由于对于接在电网上的同步发电机，由于电网电压电网电压必必须保持不变，要求气隙合成磁场近似保持不变。减须保持不变，要求气隙合成磁场近似保持不变。减小直流励磁（欠励）所引起的电枢反应必然是起助小直流励磁（欠励）所引起的电枢反应必然是起助磁作用的，也就是说处于磁作用的，也就是说处于欠励欠励运行状态的同步电机运行状态的同步电机将向电网输送将向电网输送容性容性无功功率。无功功率。Page: 34 Date:2022-5-5五、一般情况下的电枢反应五、一般情况下的电枢反应可以把电枢反应磁动势分解为两个分量：可以把电枢反应磁动势分解为两个分量：交轴分量：滞后为发电机运行、超前

25、为电动机运行；交轴分量：滞后为发电机运行、超前为电动机运行；直轴分量：去磁为过励状态、助磁为欠励状态。直轴分量：去磁为过励状态、助磁为欠励状态。A相轴时轴时间矢量图A相轴时轴dFf1qA 相时空矢量图E0AIAIBE0CICE0BIE0FaF图12-21 0时的电枢反应FadFaqIdIqPage: 35 Date:2022-5-5v 结论：同步电机的运行方式可以由内功率因数角结论：同步电机的运行方式可以由内功率因数角来判断。转子磁场超前于定子磁场时（来判断。转子磁场超前于定子磁场时（-/2 /2），同步电机作为发电机运行，定子磁场超前于），同步电机作为发电机运行，定子磁场超前于转子磁场时（转

26、子磁场时（/2 xa x 。Page: 44 Date:2022-5-50 a 0E EI x I jax I j 90 Uar I3、隐极发电机的相量图、隐极发电机的相量图i )(0 jxrIUEEEaa Page: 45 Date:2022-5-53、隐极发电机的相量图、隐极发电机的相量图Page: 46 Date:2022-5-5隐极发电机的简化相量图隐极发电机的简化相量图Page: 47 Date:2022-5-5二、考虑磁路饱和时的分析方法二、考虑磁路饱和时的分析方法1fF0EaFFEaEE磁磁路路饱饱和和v 步骤步骤1、求合成磁势、求合成磁势 F2、查、查磁化曲线磁化曲线得气隙磁通

27、得气隙磁通 3、求合成电动势、求合成电动势E4、求端电压、求端电压UPage: 48 Date:2022-5-5第六节第六节 凸极同步发电机的分析方法凸极同步发电机的分析方法v 问题：凸极同步电机气隙不均匀，各点磁问题：凸极同步电机气隙不均匀，各点磁阻不相同。同一电枢磁动势作用在气隙的不阻不相同。同一电枢磁动势作用在气隙的不同位置，其所遇到的磁阻是不同的。分析电同位置，其所遇到的磁阻是不同的。分析电枢反应时，不但要知道电枢磁动势的大小和枢反应时，不但要知道电枢磁动势的大小和空间位置，而且要求出不同位置的磁阻，而空间位置，而且要求出不同位置的磁阻，而求气隙不同位置的磁阻是非常困难的。求气隙不同位

28、置的磁阻是非常困难的。aaaaaEBHFI v 隐极同步发电机的分析方法隐极同步发电机的分析方法I？ Page: 49 Date:2022-5-5第六节第六节 凸极同步发电机的分析方法凸极同步发电机的分析方法一、双反应理论一、双反应理论v 方法：把电枢磁动势分解为分别作用在直方法：把电枢磁动势分解为分别作用在直轴和交轴的两个分量，它们又分别在电枢绕轴和交轴的两个分量，它们又分别在电枢绕组中感应出电枢反应电动势。组中感应出电枢反应电动势。v注意：由于气隙不均匀，交直轴注意：由于气隙不均匀，交直轴磁通密度磁通密度分布波将不是正弦波。分布波将不是正弦波。 aqaaqaqadaadadEFFIIEFF

29、II coscossinsinPage: 50 Date:2022-5-5二、电路方程和等效电路二、电路方程和等效电路)(0 jxrIUEEEEaaqad Page: 51 Date:2022-5-5三、直轴与交轴电枢反应电抗和同步电抗三、直轴与交轴电枢反应电抗和同步电抗1、直轴电枢反应电抗、直轴电枢反应电抗adadadadaddEBBFI11 其中：其中：addadBkB 1 ：直轴电枢磁通：直轴电枢磁通密度分布曲线的波形密度分布曲线的波形系数，与磁极的尺寸系数，与磁极的尺寸有关。有关。dkPage: 52 Date:2022-5-5考虑到相位关系，可以得到：考虑到相位关系，可以得到：dad

30、adIjxE pkklkmfNxdNad21204 其中：其中：adxk ddNadIpkklkmfNE 21204用同隐极机一样的分析方法可以求得：用同隐极机一样的分析方法可以求得：Page: 53 Date:2022-5-52、交轴电枢反应电抗、交轴电枢反应电抗aqaqaqaqaqqEBBFI11 其中：其中：aqqaqBkB 1kq：交轴电枢磁通密：交轴电枢磁通密度分布曲线的波形系度分布曲线的波形系数，与磁极的尺寸有数，与磁极的尺寸有关。关。v 注意：注意：baq是假设气隙是假设气隙均匀均匀的情况下，的情况下， faq所所对应的磁通密度波，是一个假想的波形。对应的磁通密度波，是一个假想的

31、波形。Page: 54 Date:2022-5-5考虑到相位关系，可以得到：考虑到相位关系，可以得到：qaqaqIjxE pkklkmfNxqNaq21204 其中：其中：aqxk qqNaqIpkklkmfNE 21204同理可以求得：同理可以求得：Page: 55 Date:2022-5-5四、凸极电机的相量图四、凸极电机的相量图)(0 jxrIUxI jxI jEaaqqadd )()(0aqqaddaxxI jxxI jr IUE qqddaxI jxI jr IU qaqddxI jr IUxxI jE )(0如何确定如何确定 和和 ？dIqI必须先确定必须先确定 的相位！的相位！0

32、E与与 同相位同相位0EPage: 56 Date:2022-5-5d 轴q 轴0E)(qddxxI j qx I jar IdII qEqqxI jddxI jqIU四、凸极电机的相量图四、凸极电机的相量图Page: 57 Date:2022-5-5四、凸极电机的相量图四、凸极电机的相量图Page: 58 Date:2022-5-5实题演练：实题演练：1、一台凸极同步发电机有以下参数、一台凸极同步发电机有以下参数 ：x , xad , xd , xaq 它它 们们 之之 间间 的的 大小大小关系是：关系是：_2、凸极同步发电机，以下几种情况，直轴同步电抗、凸极同步发电机，以下几种情况，直轴同

33、步电抗xd的数值怎样变化：的数值怎样变化：A：电枢绕组匝数减少，则：电枢绕组匝数减少，则xd数值数值_B：电机气隙减小，则：电机气隙减小，则xd数值数值_C：电机铁心饱和程度提高，则：电机铁心饱和程度提高，则xd数值数值_D：激磁绕组匝数增加，则：激磁绕组匝数增加，则xd数值数值_E：电机转速增加，则：电机转速增加，则xd数值数值_3、同步发电机带电阻电感性负载运行，卸去负载后，呈、同步发电机带电阻电感性负载运行，卸去负载后，呈_（去磁、（去磁、助磁）作用的电枢反应将随着电枢电流同时消失，因此端电压就会助磁）作用的电枢反应将随着电枢电流同时消失，因此端电压就会_（下降、上升）。（下降、上升）。

34、4、三相同步发电机空载时建立额定电压、三相同步发电机空载时建立额定电压U0。现加上纯电阻对称负载，频。现加上纯电阻对称负载，频率不变，激磁电流不变，端电压为率不变，激磁电流不变，端电压为U，则：，则： A： U0 U B： U0 = U C： U0 UPage: 59 Date:2022-5-5第七节第七节 电枢绕组的漏抗电枢绕组的漏抗互磁通互磁通槽漏磁通槽漏磁通端部漏磁通端部漏磁通电枢漏磁通电枢漏磁通高次谐波磁通高次谐波磁通基波磁通基波磁通谐波漏抗谐波漏抗电枢漏抗电枢漏抗Page: 60 Date:2022-5-5第八节第八节 同步发电机的空载、短路和负载特性同步发电机的空载、短路和负载特性

35、一、空载特性一、空载特性 E0 = f ( If )v 空载特性曲线可以通过实验的方法求得。空载特性曲线可以通过实验的方法求得。v 方法：调节方法：调节 If ，逐点测量，逐点测量 If 和和 E0 ，绘制空，绘制空载特性曲线。载特性曲线。v 注意：注意：1、 If 必须单向改变；必须单向改变；2、转速要保持恒定；、转速要保持恒定；3、E0为相电势。为相电势。Page: 61 Date:2022-5-5由于磁滞效应，单向增大电流和单向减小电由于磁滞效应，单向增大电流和单向减小电流所测得的曲线并不重合，以磁化曲线的下流所测得的曲线并不重合，以磁化曲线的下降分支经过校正后作为空载特性曲线。降分支经

36、过校正后作为空载特性曲线。Page: 62 Date:2022-5-5典型的空载特性典型的空载特性 If *0.51.01.52.02.53.03.5E0*0.581.01.211.331.401.461.51v 作用：作用： 指导电机的设计指导电机的设计 检查绕组对称性检查绕组对称性v 饱和系数：饱和系数：aback 2 . 1 Page: 63 Date:2022-5-5二、短路特性二、短路特性 Ik = f ( If )v 短路时电机内部各物理量之间的关系：短路时电机内部各物理量之间的关系：sskjxEZEIU000 短路电流滞后于空载电动势短路电流滞后于空载电动势 90，只有直轴分，只

37、有直轴分量，电枢反应为量，电枢反应为去磁去磁作用，磁路作用，磁路不饱和不饱和。kaffkakIFFFIIFIEF 1v 结论：短路特性为过原点的一条结论：短路特性为过原点的一条直线直线Page: 64 Date:2022-5-5三、负载特性三、负载特性 I = K，cos= K 时的时的U = f ( If )v 不同不同 I 和和cos对应的负对应的负载特性曲线的形状不同，载特性曲线的形状不同，除了除了I = 0 的空载特性外，的空载特性外，零功率因数曲线（感性负零功率因数曲线（感性负载特性曲线）也是一条重载特性曲线）也是一条重要的负载特性曲线。要的负载特性曲线。v 所谓零功率因数曲线就所谓

38、零功率因数曲线就是当是当 I = IN ,= 90, cos= 0 时的时的U = f ( If )Page: 65 Date:2022-5-5= 90的相量图如下图所示（略去的相量图如下图所示（略去 ra ） ： IxEIxEUFkFFsadadf0v 从相量图可以看出：从相量图可以看出：E0 和和U 同相位，则磁同相位，则磁动势和电动势间的关系都为动势和电动势间的关系都为代数代数关系：关系：Page: 66 Date:2022-5-5通过空载特性曲线求零功率因数特性曲线通过空载特性曲线求零功率因数特性曲线空载特性空载特性Ean ffFIom 01、作、作adadfFkImn 2、作、作 x

39、IabN 3、作、作 FIonf 则则UxIEbnN 则则4、作、作 ，则，则c点在点在 零功率因数特性上。零功率因数特性上。ombc/5、平移三角形、平移三角形abc得整条零功率因数特性曲线得整条零功率因数特性曲线零功率因数特性零功率因数特性电抗三角形电抗三角形Page: 67 Date:2022-5-51、电枢接、电枢接纯感性纯感性负载；负载；2、同时调节励磁电流和负载，使、同时调节励磁电流和负载，使 I = IN ，记录不同，记录不同 If 下的发电机端电压下的发电机端电压 U ；3、连接各点成零功率因数特性曲线；、连接各点成零功率因数特性曲线；v 对于大容量电机，没有合适的负载，可以用

40、简单对于大容量电机，没有合适的负载，可以用简单的方法确定两个关键点的方法确定两个关键点 e 点和点和 c 点。点。 e点：三相稳态短路，测点：三相稳态短路，测 Ik = IN 时的时的If 。 c点：电枢接点：电枢接额定电压额定电压电网，调节原动机和励电网，调节原动机和励磁电流，使发电机运行在过励状态，在磁电流，使发电机运行在过励状态，在 I = IN ，P = 0 时测时测 If 。通过实验求零功率因数特性曲线通过实验求零功率因数特性曲线Page: 68 Date:2022-5-5实题演练：实题演练：1、三相同步发电机短路特性是一条直线，原因是：、三相同步发电机短路特性是一条直线，原因是：_

41、A：激磁电流小使磁路不饱和：激磁电流小使磁路不饱和 B：电枢反应去磁作用使磁路不饱和：电枢反应去磁作用使磁路不饱和C：同步电抗气隙大使得磁路不饱和：同步电抗气隙大使得磁路不饱和2、三相同步发电机短路运行时，其电枢反应性质是、三相同步发电机短路运行时，其电枢反应性质是_的，的，此时电机的磁路此时电机的磁路_，短路特性曲线是一条，短路特性曲线是一条_。3、同步发电机带纯感性负载时，负载电流滞后端电压、同步发电机带纯感性负载时，负载电流滞后端电压_度，忽略电度，忽略电枢电阻，此时空载电动势与端电压枢电阻，此时空载电动势与端电压_。4、同步发电机短路时，电机磁路处于、同步发电机短路时，电机磁路处于_（

42、饱和、不饱和）状（饱和、不饱和）状态，因此其磁势和磁通间为态，因此其磁势和磁通间为_（线性、非线性）关系。（线性、非线性）关系。Page: 69 Date:2022-5-5第九节第九节 同步发电机参数的测定同步发电机参数的测定一、同步电抗的测定一、同步电抗的测定1、不饱和不饱和同步电抗的测定同步电抗的测定v 原理：同步发电机短路时电枢反应为去磁作用，原理：同步发电机短路时电枢反应为去磁作用，磁路不饱和。此时：磁路不饱和。此时：s0 xI jEk v 可以通过可以通过 E0 = f ( If ) 和和 Ik = f ( If ) 求求 xs 。v 注意：由于短路电流滞后电动势注意：由于短路电流滞

43、后电动势90，也就是只，也就是只有直轴分量，电枢反应磁动势作用在直轴，对于凸有直轴分量，电枢反应磁动势作用在直轴，对于凸极电机，此时的极电机，此时的 xs 即为即为 xd ，而，而 xq 需要通过其它方需要通过其它方法测定。法测定。 Page: 70 Date:2022-5-5v步骤：步骤： 将短路特性和空载特性画在同一坐标上。将短路特性和空载特性画在同一坐标上。 查得查得同一同一 If 所对应的所对应的 E0和和 Ik 。 通过通过 xs = E0 / Ik 求求 xs 。Page: 71 Date:2022-5-52、饱和饱和同步电抗的测定同步电抗的测定v 原理：同步发电机带原理：同步发电

44、机带纯感性纯感性负载时，负载时，E0 U = Ixs ,可以通过空载特性曲线可以通过空载特性曲线 E0 = f ( If ) 和零功率因数特和零功率因数特性曲线性曲线 U = f ( If ) 求饱和同步电抗求饱和同步电抗 xs 。abcaUUEUxIIUxxNNNsNNNss 0*v 注意：必须在对应端注意：必须在对应端电压为电压为UN 的的 If 下计算。下计算。Page: 72 Date:2022-5-5二、短路比二、短路比v 定义定义1：空载时使空载电动势为：空载时使空载电动势为 UN 的励磁电流，的励磁电流，与短路时使短路电流为与短路时使短路电流为 IN 的励磁电流之间的比值。的励磁

45、电流之间的比值。可以通过可以通过 E0 = f ( If ) 和和 Ik = f ( If ) 求得：求得：NfkNfKIIUIk 0NkII0 v 定义定义2：有额定励磁电流时：有额定励磁电流时的短路电流，与额定电流之的短路电流，与额定电流之间的比值。间的比值。Page: 73 Date:2022-5-5kkNNNkdkCIICUIIEx100000* 短路比与同步电抗的关系短路比与同步电抗的关系v 短路比略大于同步电抗的倒数。短路比略大于同步电抗的倒数。v 短路比是同步电机的重要参数，短路比是同步电机的重要参数，kk 大，大，xd 小，负小，负载变化引起的端电压变化小，稳定性高；但是气隙载

46、变化引起的端电压变化小，稳定性高；但是气隙大，转子额定励磁安匝和用铜量大，造价高。大，转子额定励磁安匝和用铜量大，造价高。v kk 小，则正好相反。小，则正好相反。v 汽轮机汽轮机 kk 在在0.5 0.7之间，水轮机转子散热条件之间，水轮机转子散热条件较好，对稳定性要求较高，较好，对稳定性要求较高，kk一般在一般在1.0 1.4之间。之间。Page: 74 Date:2022-5-5三、漏抗的测定和保梯电抗三、漏抗的测定和保梯电抗1、漏抗的测定、漏抗的测定v 原理：同步发电机带原理：同步发电机带纯感性纯感性负载时，端电负载时，端电压与空载电动势压与空载电动势同相位同相位，电动势间的关系为，电

47、动势间的关系为代数关系，即代数关系，即 E = U + I x 。如果已知。如果已知空载空载特性和零功率因数特性，可以通过它们求取特性和零功率因数特性，可以通过它们求取漏抗。漏抗。Page: 75 Date:2022-5-5v步骤：步骤： (1) 在零功率特性上确定额定端电压在零功率特性上确定额定端电压UN对应的点对应的点 c ；(2) 过过 c 点作直线点作直线 cd 平行横轴。平行横轴。cd = oe ；(3) 过过 d 点作点作 oa的平行线，交空载特性于的平行线，交空载特性于 a 点；点；(4) 过过 a 点作点作 ab 垂直垂直 cd ；(5) 由由 ab = INx求得求得 x 。

48、Page: 76 Date:2022-5-52、保梯电抗、保梯电抗v 理论上，理论上，a 点和点和 c 点有相同的气隙点有相同的气隙合成合成磁动势，磁动势，它们的气隙磁通密度也是一样的。实际上，由于它们的气隙磁通密度也是一样的。实际上，由于 c 点点励磁励磁磁动势大于磁动势大于 a 点励磁磁动势，使得零功率负点励磁磁动势，使得零功率负载时转子磁极间的漏磁通比空载时的大，气隙磁通载时转子磁极间的漏磁通比空载时的大，气隙磁通比较小。为了获得同样的气隙磁通，必须增大励磁比较小。为了获得同样的气隙磁通，必须增大励磁磁动势。磁动势。Page: 77 Date:2022-5-52、保梯电抗、保梯电抗v 对

49、于对于实测实测的零功率因数曲线的零功率因数曲线 3，应用前述的方法，应用前述的方法求求 x，则作出的电抗三角形为，则作出的电抗三角形为 a?b?c?，漏抗压降为漏抗压降为a?b?，由此算出的漏抗将大于前述的由此算出的漏抗将大于前述的 x，为了区别，把，为了区别，把a?b?c?称为保梯三角形，用称为保梯三角形，用 a?b?求出的电抗称为保梯电求出的电抗称为保梯电抗，用抗，用 xp表示。即表示。即 INxp = a?b? 。Page: 78 Date:2022-5-5四、转差法测不饱和四、转差法测不饱和 xd 和和 xqv 方法：原动机拖动转子以接近同步速（方法：原动机拖动转子以接近同步速（s 1

50、%）旋转，励磁绕组开路，定子外加三相对称电压（大旋转，励磁绕组开路，定子外加三相对称电压（大小：小：2%5%UN ，相序与转子转向相符）。用示波，相序与转子转向相符）。用示波器拍摄定子端电压和电流波形。器拍摄定子端电压和电流波形。v 原理：此时定子磁场与转子有一个低速的相对运原理：此时定子磁场与转子有一个低速的相对运动，则定子磁场轴线交替地与转子的直轴和交轴相动，则定子磁场轴线交替地与转子的直轴和交轴相重合。定子磁场与直轴重合时，对应的电抗为重合。定子磁场与直轴重合时，对应的电抗为xd ，此时电抗最大，定子电流最小，线路压降最小，端此时电抗最大，定子电流最小，线路压降最小，端电压最大。定子磁场

51、与交轴重合时情况则相反。根电压最大。定子磁场与交轴重合时情况则相反。根据定子端电压和电流波形可以求得据定子端电压和电流波形可以求得xd 和和 xq 。Page: 79 Date:2022-5-5 maxminminmaxIUxIUxqd四、转差法测不饱和四、转差法测不饱和 xd 和和 xqPage: 80 Date:2022-5-5实题演练：实题演练：1、利用三相同步发电机利用三相同步发电机_特性曲线和特性曲线和_特性曲线可特性曲线可以测定不饱和同步电抗；利用三相同步发电机以测定不饱和同步电抗；利用三相同步发电机_特性曲线和特性曲线和_特性曲线可以测定饱和同步电抗。特性曲线可以测定饱和同步电抗。2、同步电机的短路比是一个重要参数，当发电机有较大短路比时，其、同步电机的短路比是一个重要参数，当发电机有较大短路比时，其xd _ （较大、较小）（较大、较小） ，负载引起的端电压的变化则，负载引起的端电压的变化则_，稳，稳定性定性_（较差、较好）。（较差、较好）。Page: 81 Date:2022-5-5第十节第十节 同步发电机的稳态运行特性同步发电机的稳态运行特性一、外特性一、外特性KKIf cos，)(IfU 时