第6章同步电机课件播放定稿

交流电机分：同步电机----n=ns(ns为同步转速）异步电机----nns一、同步电机分类：旋转电枢式：电枢旋转，主极固定，因电枢功率不易由滑动部分送出，只适于较小容量发电机，实用少。旋转磁极式：磁极旋转，电枢固定，电枢功率由静止部分送出，可传送较大功率，实用广，是同步发电机的基本结构型式。同步电机第六章同步电机§6.1概述

6.1.1同步电机的基本结构型式

旋转磁极式隐极式转子：不计齿槽时气隙均匀；机械强度高，适用于高转速；一般用于汽轮发电机；外形细长。凸极式转子：气隙不均匀，极弧下较小，极间较大；机械强度比隐极机低，适用于低转速；一般用于水轮发电机，外形扁盘形。二、隐极同步电机（只有卧式支撑）1、隐极式转子结构：隐极式转子上没有凸出的磁极，如图6-1所示。沿着转子本体圆周表面上，开有许多槽，槽中嵌放励磁绕组。在转子表面约1/3部分没有开槽，构成所谓大齿，是磁极的中心区。励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也会出现N极和S极。图6-1隐极式转子2、隐极式转子特点：在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可达170米/秒。为了减小转子本体及转子上的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。考虑到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。转子长度/直径=2.5~6.5，且容量愈大比值愈大。3、汽轮发电机（如图6-2）

主要结构部件有：定子、转子、端盖和轴承。定子定子大体上与异步电机相同，定子铁心由0.35mm,0.5mm或其它厚度的电工钢片叠成。图6-2汽轮发电机定子外径较小时，采用圆形冲片，当定子外径大于1m

时，采用扇形冲片。定子铁心固定在机座上，机座常由钢板焊接而成，它必须有足够的强度和刚度，同时还必须满足通风和散热的需要。汽轮发电机的电压较高，要求定子绕组有足够的绝缘强度，一般采用B级或F级绝缘。转子（典型汽轮发电机转子结构散件示意图见图6-3）采用隐极式转子，外形常做成一个细长的圆柱体。转子铁心：铬镍钼合金钢锻制而成，与转轴锻为一个整体。，励磁绕组：励磁绕组为同心式绕组，以特制扁铜线绕制，并用不导磁的槽楔将绕组紧固在槽内。护环、中心环和滑环：护环为一金属圆筒，共两只，用于保护励磁绕组的两个端部，采用高强度非导磁合金钢制成。中心环用于支撑护环，阻止励磁绕组的轴向移动。滑环实现励磁绕组与励磁电源的连接，一方经引线接励磁绕组，另一方经电刷接励磁电源。端盖和轴承图6-3典型汽轮发电机转子结构散件示意图三、凸极同步电机（卧式、立式支撑）1支撑：卧式、立式支撑。立式水轮发电机据推力轴承的不同安放位置又分：悬式（推力轴承在转子上部）、伞式。2、水轮发电机的特点是：极数多，直径大，轴向长度短，整个转子在外形上与汽轮发电机大不相同。大多数水轮发电机为立式。3、定子：水轮发电机的直径很大，定子铁心由扇形电工钢片拼装叠成。为了散热的需要，定子铁心中留有径向通风沟。3、转子：水轮发电机由于水轮机的转速较低，要发出工频电能，发电机的极数就比较多，做成凸极式转子结构工艺上较为简单。凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈，如图6-4所示。转子铁心：由厚度为1～3mm的钢片叠成；磁极两端有磁极压板，用来压紧磁极冲片和固定磁极绕组。有些发电机磁极的极靴上开有一些槽，槽内放上铜条，并用端环将所有铜条连在一起构成阻尼绕组，其作用是用来抑制短路电流和减弱电机振荡，在电动机中作为起动绕组用。励磁绕组：励磁线圈中通过直流励磁电流后，每个磁极就出现一定的极性，相邻磁极交替为N极和S极。图6-4凸极式转子图6-5吊装中的水轮发电机转子一、励磁方式分类：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为两大类：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。二、直流励磁机励磁：（图6-6）直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励、他励或永磁励磁方式。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。6.1.2同步电机的励磁方式图6-6直流励磁机励磁三、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，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。(见图6-7）与传统直流系统的区别：变直流励磁机为交流主磁机，解决了换向器火花问题。图6-7静止整流器励磁四、旋转整流器励磁：静止整流器的直流输出必须经电刷和集电环输送到旋转的励磁绕组，对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，如图6-8所示。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。图6-8旋转整流器励磁系统冷却方式主要有以下几种：空气冷却、氢外冷却、水冷却、超导发电机。6.1.3同步电机的冷却方式6.1.4同步电机的额定值一、额定值☆额定电压UN(V,kV)：指额定运行时定子输出端的线电压。

☆额定电流IN(A)：指额定运行时定子的线电流。☆额定功率因数cosN：额定运行时电机的功率因数。

☆额定效率N：电机额定运行时的效率☆额定容量SN：对发电机指出线端额定视在功率，单位为VA，KVA，MVA；对调相机为线端额定无功功率，单位为Var,kVar,MVar。

SN=3UNIN☆额定功率PN(W,kW,MW）：发电机指额定输出有功电功率：PN=SN

cosN

=3UNIN

cosN

电动机指轴上输出的额定机械功率：

PN

=SN

cosNN=3UNIN

cosN

☆额定频率：额定运行时电机电枢输出端电能的频率，我国标准工业频率规定为50Hz。☆额定转速：额定运行时电机的转速，即同步转速。二、国产同步电机型号

☆型号：我国生产的汽轮发电机有QFQ、QFN、QFS等系列，前两个字母表示汽轮发电机；第三个字母表示冷却方式，Q表示氢外冷，N表示氢内冷，S表示双水内冷。大型水轮发电机为TS系列，T表示同步，S表示水轮。

同步电动机系列有TD、TDL等，TD表示同步电动机，后面的字母指出其主要用途。如TDG表示高速同步电动机；TDL表示立式同步电动机。同步补偿机为TT系列。☆举例来说：QFS-300-2表示容量为300MW双水内冷2极汽轮发电机。TSS1264/160-48表示双水内冷水轮发电机，定子外径为1264厘米，铁心长为160厘米，极数为48。§6.2同步电机的运行原理一、同步发电机工作原理：参考同步电机结构模型图6-91、定子上：三相绕组，空间互差1200电角度，匝数相等转子上：If,由转子N极出来气隙定子铁心气隙转子S极原动机n逆时针恒速旋转定子上导体切割磁力线产生e

图6-9二、e的大小：设沿极面正弦分布，则导体电势ec=Bxlv=Bmlvsinwt=EcmsinwtBm--正弦波磁通密度最大值则：eA=EcmsinwteB=Ecmsin（wt-1200）

eC=Ecmsin（wt+1200）三、转子转速n:

一对极：转子转一周，e为一个周波；

p对极：转子转一周，e为p个周波；则f=pn/60一般f=50HZ,则p、n成反比。P、f一定时，n=60f/p为恒值,同步电机n与f之间有严格不变的关系。nS=60f/p(同步转速）nS=n(同步电机)nSn(异步电机)6.2.1同步发电机的空载运行空载运行：原动机带动发电机在同步转速下运行,励磁（转子）绕组通过适当的励磁电流,电枢（定子）绕组不带任何负载（开路）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，其气隙磁场由转子磁势Ff（励磁磁势）单独建立，称励磁磁场。一、空载气隙磁场

1、主磁通：既与转子交链，又经气隙与定子交链的磁通。为一以同步转速旋转的旋转磁场，磁密波形沿气隙圆周近似作正弦分布，其基波分量的每极磁通用0表示，0参与电机的机电能量转换。2、漏磁通1

：除0外的所有谐波成分，及励磁磁场中仅与转子励磁绕组交链而不与定子交链的磁通。1不参与电机的机电能量转换。二、空载特性E0

=f(If)或E0=f(Ff)

：1、空载运行时,励磁电势随励磁电流变化的关系称为同步发电机的空载特性。2、转子同步速为n1，三相基波电势有效值为E0=4.44fNkN10

3、E0

=f(Ff)：改变If，可改变0及E0，由此得空载特性曲线如图6-10。空载特性与电机磁路的磁化曲线具有类似的变化规律。

☆励磁电流较小时，由于磁通较小，电机磁路没有饱和，空载特性呈直线（将其延长后的射线称气隙线）。图6-10空载特性曲线E0随着励磁电流的增大，磁路逐渐饱和，磁化曲线开始进入饱和段。为合理利用材料，空载额定电压一般设计在空载特性的弯曲处，如图中的c点。

☆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。同步电机的空载特性也常用标么值表示，空载电势以额定电压为基值，此时的励磁电流(称为额定励磁电流)为励磁电流的基值。用标么值表示的空载特性具有典型性，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。4、空载特性在同步发电机理论中有着重要作用：①根据设计好的电机的空载特性，可判断该电机的磁路是否过于饱和或者材料是否充分利用。②空载特性结合短路特性(在后面介绍)可以求取同步电机的参数。③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。5、饱和系数：饱和电机中E0一定时，气隙线上的横坐标为气隙磁动势空载特性上的横坐标为为励磁磁动势其差是由铁心饱和引起的磁压降饱和系数k=励磁磁动势/气隙磁动势=ac/ab=E0/UN三、空载运行时空矢量图（见图6-11）1、凸极机中：d轴-----直轴，转子磁极轴线

q轴-----交轴，N、S之间的中心线，与d轴垂直。2、时空矢量图（取定子绕组的时间参考轴即时轴与相轴重合）Ff中的基波分量Ff1(空间矢量）与由它产生的Bf1(空间矢量）及0(时间矢量）同相位，波幅为直轴正方向；E0(时间矢量）滞后0900

。...图6-11空载运行时空矢量图四、正弦波畸变率各次谐波电压有效值为：采用正弦波畸变率衡量波形的质量。正弦波畸变率kM6.2.2同步电机的电枢反应

一、负载后磁势分析

★空载时，同步电机中只有一个以同步转速旋转的励磁磁势Ff，它在电枢绕组中感应出三相对称交流电势，称为励磁电势。

★当电枢绕组接三相对称负载后，电枢绕组和负载一起构成闭合通路，通路中流过的是三相对称的交流电流，三相对称电流流过三相对称绕组时将会产生一个以同步速度旋转的旋转磁势。

★结论：同步发电机接上三相对称负载以后，电机中除了随轴同转的转子磁势Ff(称为机械旋转磁势)外，又多了一个电枢旋转磁势Fa(称为电气旋转磁势)。这两个旋转磁势的转速均为同步速，而且转向一致，二者在空间处于相对静止状态，可以用矢量加法将其合成为一个合成磁势F。气隙磁场可以看成是由合成磁势在电机的气隙中建立起来的磁场。也是以同步转速旋转的旋转磁场。1、电枢磁势的存在，将使气隙磁场的大小和位置发生变化，这一现象称为电枢反应。电枢反应会对电机性能产生重大影响。

2、电枢反应的性质（去磁、助磁或交链）决定于空间相量Fa

和Ff1之间的相对位置，这一相对位置仅与时间相量E0

和Ia之间的相位差y相关连。称为内功率因数角，其大小由负载的性质决定。E0超前，y大于0。二、电枢反应3、时-空矢量图：见图6-12图6-12同步电机的电枢反应

a电机原理图b时-空矢量图Ff1及0在d轴上，E0在q轴上,Fa与Ia重合。将Fa分解为直轴和交轴两个分量Fad和Faq...（a）（b）幅值：Fad=FasinyFaq=Facosy

4、电枢反应的性质(参图6-13）★

y=00

(参图6-13中a）Fa和Ff1之间的夹角为90度，即二者正交，转子磁势作用在直轴上，而电枢磁势作用在交轴上，这种作用在交轴上的电枢反应称为交轴电枢反应，简称交磁作用。结论：Fa对

大小无影响，但合成磁势F的轴线位置从空载时直轴处逆转子转向后移一个锐角，幅值增大Ff1FaFa、y=0图6-13交直轴电枢磁动势作用b、y=90Ff1FaFE0Ea...E0★y=900

(参图6-13中b）E0超前Ia

900

Fa和Ff1与之间的夹角为180度，即二者反相，转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相反，电枢反应为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小，这一电枢反应称为直轴去磁电枢反应。Ff1FaFE0Ea..★y=-900

(参图6-14）Ia超前E0

900

此时Fa和Ff1与之间的夹角为00

，即二者同相，转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相同，电枢反应为纯助磁作用，合成磁势的幅值增大，这一电枢反应称为直轴助磁电枢反应。图6-14y=-900交直轴电枢磁动势作用★y=-900

(参图6-15）

滞后

一个锐角

.E0Ia.Id=IasinyIq=IacosyA、直轴分量Id直轴去磁作用B、交轴分量

Iq交磁作用，F，其轴线位置从空载时直轴处逆转子转向后移一个锐角.Ff1FaFE0Ia.FadFaqIq(Id)图6-15

电枢反应对气隙磁场、感应电动机势的影响与电机的磁路结构有关，需把隐极机、凸极机分开讨论。隐极机：气隙均匀。只要Fa相同，不管它作用于圆周气隙上任何位置，其产生的气隙磁场和每极磁通量都相同，故不需分解为直轴、交磁两分量分别讨论，可整体考虑电枢反应的影响。三、隐极同步电机的电枢反应特点

1、磁路不饱和：采用叠加原理求解

Ff1

FaaEa

.E02、磁路饱和：磁场（、B）不再满足线性叠加条件，但由安培环路定律，磁动势(F)可叠加,故求解方法为：

F=Ff1+Fa

EE=Ea+.E0......1、凸极机：气隙不均匀。直轴磁路中的气隙短，磁阻小；交轴磁路中的气隙长，磁阻大。Fa相同，作用于圆周气隙上不同位置，其产生的气隙磁场和每极磁通量不相同，分解为直轴、交磁两分量分别讨论---引入双反应理论。四、凸极同步电机的双反应理论

2、双反应理论Fa的轴线既不与直轴又不与交轴重合时，可把Fa分解为Fad、Faq，然后分别求直轴、交轴电枢反应，最后将它们的效果进行叠加。3、直轴、交轴的折算把电枢（定子）磁动势折算到励磁绕组（转子绕组）侧。★励磁磁动势Ff的基波磁通密度Bf1：

Ff----方波，恒作用于d轴kf----波形系数kd----正弦波Fad作用于d轴的波形系数

Bf=0Ff

/(k)Bf1=Bfkf=kf

0Ff

/(k)为方波与基波之间关系式★类似地Bad1=kd0Fad/(k)

★正弦波Faq(马鞍形）作用于q轴等效到d轴上的基波磁通密度Baq1：Baq1=kq0Faq/(k)★直轴、交轴正弦波电枢（定子）磁动势折算为方波（转子绕组）励磁磁动势

kd0Fad/(k)=kf

0Fad'

/(k)kq0Faq/(k)=kf

0Faq'

/(k)即Fad'

=kdFad

/kf

=kadFadFaq'

=kqFaq

/kf

=kaqFaqkad

=kd

/kf直轴电枢磁动势折算系数交轴kaq=kq

/kf交轴电枢磁动势折算系数交轴物理意义：建立同样大小的基波磁场时，单位安匝的直轴或交轴正弦磁动势（Fad、Faq

）所对应的等效的方波励磁磁动势（Fad'

、

Faq'

）6.2.3隐极发电机的负载运行

一、不饱和时：1、电磁关系叠加原理计算E转子励磁电流IfFfFf10E0If定子三相电流IFa1aEaIaEa=-jIXa

EIaE=-jIXXa---电枢反应电抗X---漏电抗...........2、电势方程：由图6-16.E..E=E0+Ea=U+IRa+jIX.........Ea.E.E0.I.U图6-16.谐波基波E0=-Ea+U+IRa

+jIX=U+IRa

+jIX+jIXa

=U+IRa+jIXtXt

=X+

Xa大小：E0=4.44f1NKN10Xt--隐极机同步电抗，表征对称稳态运行时电枢反应基波磁场和漏磁场综合效应的电磁参数。...........U.I.IRa.E0.EjIX.jIXa..Ea.03、相量图：如右图6-17★由给定的功率因数cos及U、I作、★在末端加及★求★由图6-17忽略磁滞效应与同相位.I.U.UjIX.jIXa..E0.E0.0..a.Fa.a.Fa.Ea..E4、及E0的求取：：与I之间的夹角:U与I之间的夹角矢量法：利用2中的平衡方程求解设U或I初相角为00进行矢量运算即可标量法：根据相量图进行代数运算，运算简单tan=(IXt+Usin)/(IRa+Ucos)Eo=Ucos+IRacos+IXtsin此结论参书P376.E0.....5、等效电路：如图6-18图6-18不计饱和时隐极同步发电机等效电路图.E0Xa~.Ea.ERa.UE.X~.E0Xt.U1、电磁关系不能再用叠加原理计算E，+，转子励磁电流IfFfFf1定子三相电流IFa1

IaF1..E.E..0.a.E.E0+.Ea基波二、饱和时：与满足空载特性。F.E2、磁势方程

=Ff1+Fa1(*)F13、电势方程：=+=+Ra.E.E.E.U

I.或.E=.U+

I.Ra+jIX.4、饱和时，由F1求

（磁势Fa1折算）：求作用在主磁路上的合成磁势F'

，然后利用电机的磁化曲线（空载特性）求负载时气隙合成电势。.E.E

F1

=Ff1+Fa1为基波磁势，但空载特性E0=f(Ff

)是用励磁磁势(阶梯波，近似梯形波）最大值Ff=Nf

If或励磁电流If为横坐标，而F1为正弦波，Ff为阶梯波，Fa1为正弦波，故要将F1、Fa1折算为直流励磁磁动势梯形波。Ff1=FfKfFf

=KaFf1

Kf=Ff1/Ff=(8sinv/2)/2v----励磁磁势曲线波形系数

Ka

=1/Kf----电枢反应系数（0.97~1.035)Fa

'

=

KaFa1

Fa

'的基波幅值等于Fa1

Fa

'

---折算到直流励磁磁动势梯形波的等效电枢磁动势(*)式两侧同时乘KaKaF1=KaFf1+KaFa1

F'

=Ff+Fa

'F'

---折算到直流励磁磁动势梯形波的等效气隙磁动势小结：由Fa1得Fa

‘，加上Ff得F‘，再查空载特性求。.E5、相量图：如图6-19.I.E.URa.IjIX..E0FfFf1FaFa1Fa

'F'F图6-19计饱和时隐极同步发电机时—空矢量图6.2.4凸极发电机的负载运行

一、不饱和时：

1、电磁关系（叠加原理计算E）转子励磁电流IfFf10

定子三相电流IFaq

EIaE=-jIXId.Fad.ad.Ead.E0Iq..ad.Eaq.E2、电势方程：..E...E=+E=E0+Ead

+Eaq

+E

=U+IRa......

.E..=E0+Ead

+Eaq

=U+IRa....+jIX.Ead=-jIdXad..Eaq=-jIqXaq.E0..=U+IRa+jIX+jId

Xad不饱和+jIqXaq=U+IRa+jIdXd不饱和+jIqXq........Xd不饱和=X+Xad不饱和Xq=X+XaqXad

--直轴电枢反应电抗(与饱和有关）Xaq

--交轴电枢反应电抗(与饱和无关）Xd不饱和--直轴同步电抗不饱和值Xq

–交轴同步电抗EadadFad'FadIdEaqaq

Faq

'Faq

IqXad/Xaq=Kad/Kaq=Kd/Kq3、相量图★见下页图6-20，由电势平衡方程直接作出.0.U.I.IRa.E0.Ead.Eaq.E.Id.Iq.ad.aq..0.U.I.IRa.Id.Iq.ad.aq...E0jIdXd.jIqXq.图6-20不计饱和时凸极同步发电机的相量图作此图时假设为已知，可先作出Id及Iq..★相量图的实际作法：已知U、I、cos、Xaq、Xad、X应先通过已知条件求出相量图的实际作图见图6-21.U.I.IRa.Id.IqjIdXd.jIqXq..E0jIXq.OQTXSRWA、RQ=IqXq/cos=IXqB、由已知条件画出U、IC、作出=Ra+...EQ.EQ.U+.IjIXq.OQ与I的夹角即为角。D、将分解为、.I..Id.IqE、按前述方法可得相量图F、RX=ST/sin=IdXd/sin=IXd图6-21不计饱和时凸极同步发电机的相量图.EiIdXd4、及E0的求取：：与I之间的夹角:U与I之间的夹角=-矢量法：设U或I初相角为00利用平衡方程求解；再由电势平衡方程进行矢量运算标量法：根据相量图进行代数运算，运算简单tan=(IXq+Usin)/(IRa+Ucos)Eo=Ucos+IRacos+IXdsin此结论参书P376例6.1P305.E0......U+.EQ=IRa+jIXq..假设：直轴饱和、交轴不饱和、交直轴磁路分开计算不计交叉饱和的影响。1、电磁关系（叠加原理不再适应，双反应理论仍采用）转子励磁电流IfFfFd'

d'定子三相电流I

Faq

'

EIaE=-jIXId.Fad'.EdIq..aq.Eaq.E2、电势方程：...

....Ed=U+IRa+jIX+jIqXaq.Eaq=-jIqXaq....E.E=+E=Ed+Eaq

+E=U+IRa......二、饱和时：3、相量图见图6-22.U.I.IRa.E0.E.Id.IqjIqXaq..EaqjIX..EdFad'Faq'FfFad'Fd'图6-22计饱和时凸极同步发电机时—空矢量图作图方法：（参图6-23）★作、★作，连OQ得角★由角得★作得给定负载饱和时电机等效线性化空载特性OA,E0"=f(Ff)★求得Ed,查E0"

=f(Ff)得Fd'★由I1及Fa1=1.35INKN1/p,计算出Fa1★Fad=Fa1sinQO.U.I.EQ.EQjIXaq..Id、.Iq.E.EFad'=FadKadFaq'=FaqKaq

=Fa1Kaq

cos

★由Fd

‘=Ff+Fad‘Ff=Fd

‘

-Fad‘求得Ff数值上Ff=Fd

‘+Fad‘★由Ff查I=0时空载特性E0=f(Ff)曲线，求得E0图6-23凸极同步发电机空载特性FEEO气隙线E0=f(Ff)AE0"=f(Ff)F'Fd'EdFad'FfEad"E0Faq'EaqE0'=f(Ff)同步电机基值选取：励磁电流：Ifb=If0

（

E0

=UN时的励磁电流）其它参量选取与前面其它电机相同§6.3同步发电机的运行特性

6.3.1同步发电机的运行特性

一、空载特性：

1、nnN

I=O时，E0=f(Ff)，实验测得。（图6-24a）If：

0增大至1.3UN,再减小至0，因磁滞现象，上升、下降曲线不重合，一般取下降曲线。If=0时，E0，为剩磁电动势，将曲线由此延长与横轴相交，交点与原点距离为校正值，再将原实测曲线整体右移得工程中实用的校正曲线。IfU0=E0if0图b

三根空载特性曲线图a空载特性的实验测定及校正图6-24

空载特性曲线E0'=f(Ff)2、三根空载特性曲线(图6-24b)★电机空载，I=0，为空载特性E0=f(Ff)

★电机负载，且饱和时等效线性化空载特性,E0"=f(Ff)★电机负载，但不计饱和时为气隙线E0'=f(Ff)同步发电机运行于同步转速时，将电枢绕组三相的端点持续短路然后加上励磁电流，称为短路运行。

1、定义：nnN

U=O时，IK=f(If)曲线。2、短路时（U=O）电动势方程：隐极机：凸极机：即.E=E0+Ea=U+IK

Ra+jIK

X....=E0+Ead

+Eaq

=U+IRa....+jIX.E..E=U+IRa+jIX.....jIK

X..二、短路特性：X很小，F‘很小IK，电机磁路不饱和。3、短路特性曲线（图6-25）分析：已知U=0当Ra=0时，隐极机：E0=U+IKRa+jIKXt=jIKXt900,电枢磁势基本上为纯直轴去磁，Fa=Fad,Faq=0.凸极机：

F‘=Ff-Fad’(数值上）又因磁路不饱和，F‘

IKFad’IK

故有FfIK

即IfIK

短路特性为一条过原点的直线。......E0..=U+IRa+jIX+jId

Xad不饱和+jIqXaq=U+IRa+jIdXd不饱和+jIqXq=jIKXd不饱和..........E..=E0+Ead

+Eaq

=U+IRa....+jIkX稳态短路时，电机中的电枢反应为纯去磁作用，电机的磁通和感应电势较小，短路电流也不会过大，所以三相稳态短路运行没有危险。4、稳态短路时-空矢量图（图6-26）IKOIf图6-25短路特性.I.E0Ff.EFad'.EadFad'F'图6-26稳态短路时-空矢量=0=0=0=05、特性三角形（短路三角形）Ff

（If）EOCAE0=f(If)B三角形ABC为同步发电机的特性三角形。=Fad‘=INXEF'Fad‘E图6-27

特性三角形-AB-AC

（利用图6-28短路特性、空载特性求取）

①隐极机：短路时故

Xt=E0'/IK

短路时磁路不饱和，故在同一Ff(If)下，由空载特性中的气隙线E0'=f(Ff)求得E0’

，由短路特性求得IK，由Xt=E0'/IK得不饱和同步电抗Xt。

②凸极机：短路时

.E0'=U+IKRa+jIKXt=jIKXt....E0..=U+IRa+jIX+jId

Xad不饱和+jIqXaq=U+IRa+jIdXd不饱和+jIqXq=jIKXd不饱和.........'6、不饱和同步电抗的求取Xd不饱和=E0'/IKXd*不饱和=Xd不饱和/Zb

=(E0'IN)/(IKUN)=E0'

*

/IK

*同理在同一Ff(If)下，由空载特性中的气隙线E0'=f(Ff)求得E0’

，由短路特性求得IK，由Xd不饱和=E0'/IK得不饱和同步电抗Xd。根据经验公式Xq

0.65Xd可求Xq。(图6-28中黑线所示）★定义：指同步发电机在空载额定电压所对应的励磁电流

If0下，三相稳态短路时的短路电流

IK0与额定电流IN之比，用kc表示。★

kc=IK0/IN=If0(U0=UN)/IfK

(IK=IN)

=(If0/If0')*(If0'/IfK)=kUN

/E0'=k/Xd*不饱和7、短路比：IfEE0EE0'

气隙线IfKIKUNIf0IK0INIfKIf0'

图6-28由空载短路特性确定同步电抗和kc★短路比：产生空载额定电压和额定短路电流所需的励磁电流之比。If0---产生空载额定电压所需的励磁电流If0'

---产生气隙线上空载额定电压所需的励磁电流IfK

---产生额定短路电流所需的励磁电流k---电机主磁路的饱和系数★kc分析：kc小，负载变化时，发电机电压变化较大，并联运行时稳定性较差，但电机造价便宜。若：增大电机气隙,Xdkc此时，电机静态稳定性好，过载能力强，但要增大励磁磁动势，转子用铜量增大，造价高。汽轮发电机：kc=0.4~1水轮发电机：kc=0.8~1.81、定义：发电机的负载特性是指当负载电流=常数，功率因数cosj=常数的条件下，端电压U与励磁电流的关系。其中当cosj=0时一条负载特性称为零功率因数特性。三、零功率因数特性：2、相量图：cosj=0的负载为纯电感负载，Ra远小于回路电抗，故y=90度，零功率因数负载时的电枢磁动势也是纯去磁作用的直轴磁动势。由电势平衡方程不计Ra.=U+IRa+jIX..E.画出相量图见图6-29可以看出，与U处于同一方位，其相量加减可简化为代数加减，即=U+jIX....

I滞后于U900

jIX..I.E0FfFad'Fad'F'.UjIX..EFad'=Fa

'图6-29零功率因数负载时时-空矢量图.E=U+

IXF'

=Ff-

Fa

'3、零功率因数特性与空载特性之间存在一个特性三角形（见图6-30）Ff(If)UABEEE0=f(If)OKCFUN图6-30零功率因数负载特性的分析三角形EAF也为同步发电机的特性三角形。=UN=IX=If0=If=Ifa

:克服漏阻抗压降IX所需励磁电流-OB-EA-BC-BF-AF-AC在测定零功率因数负载特性时，I保持不变，故特性三角形大小不变。若X已知，对应于一固定I的去磁作用的等效励磁磁动势力Ifa，该三角形唯一确定，将左上角顶点沿空载特性移动时，其右下角顶点的轨迹即为所求的零功率因数负载特性。若零功率因数负载特性是实测(设I=IN)的，如图6-31中虚线所示，此时特性三角形为A“B”C“

，

大于，计算的电抗将大于漏抗X，称为保梯电抗XP，XP=

/IN

实测零功率因数负载特性3与理想零功率因数负载特性2不同是由于转子漏磁影响。若测零功率因数负载特性时电压低，磁路不饱和，则仍为曲线2，此时作特性三角形可求X。4、保梯电抗-BCB"C"_B"C"_Ff(If)UCE0=f(If)OAUNBO'B'A'C'B"A"C"O"图6-31由空载和零功率因数特性求特性三角形123三相稳定短路时，特性三角形纵边长为IX，横边长为Ifad=Ifa，称为短路三角形。随电压升高，纵边逐渐增长，横边逐渐变小，对应于U=UN时所得特性三角形纵边长为IXp，称保梯三角形。凸极机：Xp=(1.05~1.1)X

隐极机：

Xp=(1.1~1.3)X

IfaINXI=0I=IN1、外特性是指：n=nN,If=常数,cosj=常数条件下，同步发电机单机运行时,端电压U随负载电流而变化的关系曲线U=f(I)。

2、外特性曲线形状与负载的性质有关。感性负载及纯电阻负载：电枢反应去磁★感性负载(j>0,y>90>0，cos

j滞后)，励磁电流If不变时，随着电枢电流I的增大，有两个因素导致端电压下降：电枢反应的去磁EU；漏抗压降IRa的增大。故感性负载同步电机的外特性是下降的曲线。★容性负载对于(j<0,y<90，cos

j超前)，电枢反应为增磁作用，电枢电流I增大，端电压U反而增大。图6-32给出了各种情况下的外特性曲线。★纯电阻负载:电枢反应去磁,外特性是下降曲线.四、外特性和电压调整率3、为使不同cosj下，I=IN时均有U=UN，则感性负载下所需励磁电流If大----过励状态容性负载下所需励磁电流If小----欠励状态纯电阻负载cosj=1下所需励磁电流If----正常励磁状态cosj=O.8滞后cosj=O.8超前cosj=1INUN图6-32同步发电机的外特性IU4、电压调整率：同步发电机在额定负载时(I=IN，U=UN，cosj=cosjN)的励磁电流称额定励磁电流记为IfN。

发电机的端电压随着负载电流的改变而变,保持励磁电流If=IfN和转速n=nN,卸去负载,发电机的端电压将由UN变化为空载电势E0

，电压变化的幅度可以用电压调整率来表示U=（E0-UN）/UN*100%图6-33从外特性求电压调整率INUNIUE0UI=IfNcosj=cosjN1、发电机负载变化，为保持端电压U不变，必需调节发电机的励磁电流If。图6-34调整特性2、调整特性是当n=nN,U=常数,cosj=常数时，发电机励磁电流If与电枢(负载)电流的关系曲线If

=f(I)。3、调整特性曲线形状与负载的性质有关★感性负载及纯电阻负载：I

If

★容性负载：因负载电流助磁，I

If

调整特性见图6-34INIIf0Ifcosj=O.8滞后cosj=O.8超前cosj=O滞后cosj=1五、调整特性6.3.2特性曲线在参数计算中的应用一、利用空载特性和零功率因数特性确定Xd的饱和值（图6-35）Ff(If)UOA:额定点BI=0I=INUNCLKT线性化空载特性E0"=f(Ff)E0=f(Ff)=E=UN+INXd=+

=

INXd饱和故X*d饱和=Xd饱和/Zb=/IN*IN/=/-BL-KT-KA-AT-AT-AT-KA-KA-AT图6-35.U.I.IRa.E0.E.Id.IqjIqXaq..EaqjIX..EdFad'Faq'FfFad'Fd'图6-36计饱和时凸极同步发电机时—空矢量图设Ra、X、Kad、KaqU、I、

cosj等已知★求=IqXaq

=IXaq★由I1及Fa1=1.35INKN1/p,计算出Fa1★=可由磁动势Fa1Kaq=查空载特性的直线部分求得。★连OQ得角★知角及QO.EQjIXaq..E.E二、电压调整率和额定励磁磁势的求法

1、凸极同步发电机AB-AB-AQ-AQ-OX-XTFaq‘=FaqKaq

=Fa1Kaq

cos可求Fad’=FadKad=

Fa1sinKad★已知=Ed,查E0=f(Ff)得Fd'=★由矢量方程Fd

=Ff+Fad‘得Ff=Fd

‘

-Fad‘求得Ff

数值上Ff=Fd‘+Fad‘=★由Ff查I=0时空载特性E0=f(Ff)曲线,求得E0★电压调整率UU=(E0-UN)/UN*100%=()/UN*100%IfN

=/Nf图6-37凸极同步发电机电压调整率的图解求法-OYFfEEOE0=f(Ff)FadfFd'FfKaqFa1IqXaq/cosXT-OBYBNZE0-YZ=-OX/KaqsinKad-OZ-ON-UN-OZ2、隐极同步发电机饱和时可用保梯图求解将X用Xp代替，求得E由E'

查空载特性得F'

或If,在矢量图上作F'

超前E

'

900,最后由矢量合成得Ff=F'

-Fa

',再结合空载特性求得IfN和U。.=U+IRa+jIXp..E.IfEEOE0=f(Ff)IfNYE0jIXp..E

IRa..UBIfC

C'

I.Fa'(Ifa)Ifa.D'

G

G'

IfaEa将保梯图与空载特性画在一起如右图6-37。图6-37用保梯图与空载特性求IfN和U-DE=E0D

E

U=()/UN*100%-DE-UN-OB=IfN-OC=If-CB=Ifa

=

kaFa/Nf=Fa'

/Nf+j上述介绍的隐极同步发电机饱和时求解电压调整率和额定励磁磁势的保梯图法同样适用于凸极机，具体做法时：用kadFa代替kaFa，由于未对直轴和交轴电枢反应进行区别处理，结果存在误差，但当cosj=O.8时，所导致的IfN不会超过10%，工程上允许。例：P316--3186.3.3同步发电机稳态参数的测定测Xd、Xq的不饱和值方法----转差法一、试验方法：将被测发电机用原动机拖动到接近同步转速(s0.01)nnN,励磁绕组开路,定子侧加额定频率的相序与转子转向一致的三相对称低电压(0.02-0.15)UN,保证被测电机不被拉入同步。用示波器拍摄转子励磁绕组开路电压、定子电压电流波形(图6-38）。转速同步转速，电枢磁场轴线依此交替地与转子直轴、交轴重合。与直轴重合，Iq=0,电枢电抗达最大值Xd,定子电流为最大值Imin,供电线路压降减小，定子电压为Umax,故Xd=Umax/Imin同理Xq=Umin/Imax6.4同步发电机的并联运行★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。这些缺点可通过多机并联来改善。

★通过并联可将几台电机或几个电站并成一个电网。现代发电厂都是把几台同步发电机并联起来接在共同的汇流排上，一个地区总有多个发电厂并联起来组成一个强大的电力系统(电网)。

★电网供电优点：

①提高了供电可靠性。一台电机故障或检修不会引起停电事故。

②提高了供电的经济性和灵活性。若水电厂与火电厂并联，在枯水期和旺水期两种电厂可以调配发电。用电高峰期和低谷期可灵活决定投入电网的发电机数量，提高发电效率和供电灵活性。

③提高了供电质量。电网容量大(相对于单台发电机或个别负载可视为无穷大)，单台发电机投入与停机、个别负载变化对电网影响甚微，衡量供电质量的电压和频率可视为恒定不变的常数。同步发电机并联到电网后其电压、频率和电网一致不能单独变化。

6.4.1投入并联的条件和方法一、并联条件：把同步发电机并联至电网的过程称为投入并联(并列、并车、整步)。并车时必须避免产生巨大的冲击电流，以防止同步发电机受到损坏（电磁冲击、机械冲击）、电网遭受干扰。

★并联条件：

①波形相同；②频率相同；③相序相同；

相位相同；相序相同（多相系统相容的基本要求）。

★若以上条件中的任何一个不满足则在开关两端会出现差额电压，如果闭合开关，在发电机和电网组成的回路中必然会出现瞬态冲击电流。

★上述条件中相序一致是绝对条件，其它条件是相对的，因为通常电机可以承受一些小的冲击电流。二、并联方法

1、准确同步法：将发电机调整到完全符合并联条件后的合闸操作过程称准确同步法调整过程常用同步指示器来判断条件的满足情况。最简单的同步指示器由三相相灯组成，并有直接接法、交叉接法。

★直接接法（灯光明暗法）①接线图：

如图6-39所示，将三只灯泡直接跨接于电网与发电机的对应相之间。②采用直接接法，每组灯上电压相同，假设发电机与电网的电压幅值相同，而频率不同，其相量图见右图6-40。U.以频率（f2-f1)在(0—2)U1之间交变，即三组相灯以频率f2-f1闪烁，同暗同亮。

UA1.

UA2.

UB1.

UC1.

UB2.

UC2.UA.w2w1图6-40直接接法的相量图③电网图6-39直接接法接线图并车方法：A、调节发电机励磁电流大小使其端电压与电网电压相等；B、调节相序，如果相序一致，灯光应表现为明暗交替，如灯光不是明暗交替说明相序不一致，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；C、调节转速n，改变频率，直到灯光明暗交替频率很低，等待灯光完全变暗的瞬间到来，即可合闸并车。

并联后的自整步作用合闸前，灯光仍在亮、暗交替变化，说明f2和f1还不是严格相等，合闸后仍有存在。分析表明，由于U的存在所产生的自整步作用，使电机最终能同步运行。U.若f2>f1，合闸后相量图如图6-40。产生的环流Ih滞后约900，也滞后。对发电机相当于输出电功率，轴上受制动转矩，转速下降，直到严格同步,f2=f1

。同理f2<f1,发电机轴上受驱动转矩，转速上升(图略)，直到严格同步,f2=f1。U..U.U.U.U.U2.U1.U1.-.Ih图6-40自整步作用★交叉接法（灯光旋转法）①接线图：如图6-41所示，一相相灯直接接于某相开关两端，另两相相灯交叉连接。②采用交叉接法，每组灯上电压不相等，各组灯亮度不一样。假设发电机与电网的电压幅值相同，而频率不同，其相量图见右图6-42。w2

UA1.

UA2.

UB1.

UC1.

UB2.

UC2.UI.w1UII.UIII.图6-42各组同步指示灯的电压③分析灯光特点：假设发电机与电网的电压幅值相同，而频率不同(设w2>w1)，由相量图右图6-43可知三组灯的亮度变化情况。图6-41交叉接法接线图发电机电网UIII.图6-43旋转灯光法并网过程分析最亮半亮半亮半亮半亮半亮半亮UA1.UA2.UA1.UA2.UA1.UA2.UB1.UB1.UC2.UC2.UB1.UC2.UB2.UC1.UB2.UC1.UC1.UIII.UI.UII.UII.UII.UI.UI.UI.UIII.UB2.最亮最亮半亮旋转法并车方法为：A、通过调节发电机励磁电流的大小使得端电压与电网电压相等；B、电压调整好后，如果相序一致，则灯光旋转，否则说明相序不一致，这时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；C、通过调节发电机的转速改变的频率，直到灯光旋转十分缓慢时，频率f2f1，当灯I完全熄灭，另两组灯等亮度时迅速合闸并车。并联后最终由自整步作用牵入同步运行。准确同步法（灯光法）又称理想整步法，合闸时无明显的冲击电流；对并车条件逐一检查和调整，操作复杂，费时较多。2、自同步法：当电网出现故障，一般要求迅速将发电机投入，因电网电压和频率出现不稳定，准确同步法很难操作，往往用自同步法实现并联运行。①自同步法操作过程：在相序一致的情况下将励磁绕组通过适当的电阻短接，再用原动机把发电机拖动到接近同步速(相差小于2~5％)，在没有接通励磁电流的情况下合闸将发电机接入电网，并立即加入励磁，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，并车过程即告结束。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；直接短路，将在定、转子绕组间产生很大的冲击电流。自同步法的优点：操作简单，方便快捷；缺点：合闸时有冲击电流。

6.4.2功率和转矩平衡方程一、功率平衡：1、同步发电机的功率流程如图6-44所示。P1:原动机向发电机输入的机械功率Pmec:轴与轴承间的摩擦、转动部分与空气的摩擦及通风设备的损耗，为机械损耗PFe:定子铁心中的涡流和磁滞损耗，铁心损耗Pad:附加损耗Pem

:为通过电磁感应作用转变为定子绕组上的电功率，称电磁功率PCu1:负载运行时定子绕组中还存在定子铜耗P2:发电机输出功率。

2、同步发电机的功率平衡方程式为：

★功率平衡方程式:P1-(Pmec+PFe+Pad)=Pem=P2+PCu1P2=P1-(Pmec+PFe+Pad)-PCu1★Pem大小：Pem=P2+PCu1=mUIcos+mI2Ra=mEIcosii---

与之间的夹角PemP1P2PmecPadPFe图6-44功率流程图E.I.Pem=mEIcosiA、隐极同步发电机机：Ecosi=E0cos（参图6-45）则Pem=mEIcosi=mE0Icos

.U.I.I.E0.EjIX.jIXa..Ea.IRa.Ei图6-45不计饱和时隐极同步发电机电磁功率推导用图B、凸极同步发电机：Ecosi=EQcos=[E0-Id(Xd-Xq)]cos则Pem=mEIcosI=mE0Icos-mIdIq(Xd-Xq)（参图6-21)C、定子绕组的电阻一般较小，其铜耗可以忽略不计，则有PemP2=mUIcos=mUIcos(-)二、转矩平衡：将功率平衡方程式两侧同除转子机械角速度=2n/60即T1-(Tmec+TFe+Tad)=TemT1---驱动转矩Tmec、TFe、Tad、Tem---制动转矩6.4.2功角特性一、电磁功率：PemP2=mUIcos=mUIcos(-)=mUI(coscos+sinsin)=mUIqcos+mUIdsin二、功角特性★

y为内功率因数角，

=y-j定义为功角。它表示发电机的励磁电势

和端电压之间相角差。功角对于研究同步电机的功率变化和运行的稳定性有重要意义。.E0.U功角d在时间上表示端电压和励磁磁势之间的相位差，空间上表现为合成磁场轴线与转子磁场轴线之间夹角。（参图6-46）★凸极机：由图6-21

Usin=IqXq即Iq=Usin/XqIdXd=E0-Ucos即Id=(E0-Ucos)/Xd由上三式得：（切记）★

Pem=mE0Usin/Xd+mU2/2*(1/Xq-1/Xd)sin2凸极机：基本电磁功率---mE0Usin/Xd

附加电磁功率---mU2/2*(1/Xq-1/Xd)sin2图6-46功角空间概念★隐极机：Xq=Xd=Xt附加电磁功率=0Pem=mE0Usin/Xt★保持E0不变，电网电压U、频率f恒定（即电抗为常数），Pem=f()曲线即功角特性如图6-4790018000Pem9000Pem1800(a)(b)图6-47功角特性(a)隐极机(b)凸极机6.4.4有功功率调节与静态稳定一、

If一定，有功功率调节假设条件：无穷大电网---U=K、f=K、Z为隐极机且Ra=0

不饱和1、发电机输出：P2=mE0Usin/Xt空载时，=0

Pem=0Tem=0要调节有功功率，要调节2、要改变发电机输送给电网的有功功率，必须改变，改变原动机输入的机械功率（P1、T1），即改变原动机提供的动力转矩，这一改变可以通过调节水轮机的进水量或汽轮机的进汽量来达到。空载时T0=T1，现增大T1，T1T0转子加速，增大，直到转矩平衡，转子匀速运行。3、同步发电机的极限功率Pemmax：m：对应于最大电磁功率的功角,一般来说凸极电机的m在45～90之间；隐极机m=