同步电机,西南交大

第五篇同步电机陈小勤2/1/2023第十二章同步电机基本理论和运行特性第十三章同步发电机在大电网上运行第十四章同步发电机的不对称运行第十五章同步电机的突然短路与振荡定子通入三相电流→产生转速为n1的旋转磁场→切割转子导体→在转子导体中产生感应电动势→形成感应电流→与定子磁场作用产生力矩→转子旋转回顾异步电机的原理主要作电动机用同步电机原理同步电机的运行状态发电机——把机械能转换为电能

电动机——把电能转换为机械能补偿机——没有有功功率的转换，只发出或吸收无功功率

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δ，δ称为功率角

第十二章同步电机的基本理论和运行特性§12-1同步电机的结构

同步电机一、同步电机的基本结构

形式旋转电枢式

旋转磁极式

隐极式（如汽轮发电机）

凸极式（如水轮发电机）

磁极放在定子上

旋转磁极式同步电机的类型NS+隐极式NSNS+凸极式同步电机由定子、转子、端盖和轴承等部件构成§12-1同步电机的结构

二、同步电机的结构特点1.定子定子绕组：三相对称，一般采用三相双层短距叠绕组，也称电枢绕组定子铁芯：一般由厚0.35mm或0.5mm的电工钢片叠成定子机座：支撑定子铁芯3.气隙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重大影响。2.转子汽轮发电机：隐极式，卧式结构，P206，图12-5注重通风和冷却水轮发电机：凸极式，立式结构，P207，图12-7。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。

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§12-1同步电机的结构三、同步电机的额定值对励磁系统的要求：正常运行时，供给励磁电流为维持端电压或电网电压值，随负载情况变化，励磁电流能相应调节当系统电压严重下降时（如发生短路故障等），能强行励磁提高电势，保持电压稳定突然丢负荷时，如水轮机组转速明显升高，能强行减磁，限制端电压过度增高。§12-2同步电机的直流励磁系统对励磁系统的要求：当电机内部发生短路故障时，能快速灭磁和减磁，以减小故障的损坏程度。对两台以上并联运行发电机，能成组调节无功功率，使无功合理分配。其他：反映迅速，运行可靠，结构简单，损耗小，成本低，体积小等强励指标励磁电流增长幅度励磁电流增长速度一般值，K=1.5-2，v=0.5-1.0直流励磁机励磁——直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或他励接法。整流器励磁————静止式旋转式励磁系统供给励磁电流→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

换向困难

火花严重

励磁容量增加引起集电环严重过热直流并励励磁系统交流静止励磁系统旋转整流器励磁系统§12-3同步电机的空载运行空载磁势时空矢量空载电势电压波形畸变空载运行：原动机把同步电机拖入额定转速，转子绕组通入直流励磁电流，而定子绕组开路时（无电流）的运行状态。同步电机空载磁路主极磁通分成主磁通Φ0和漏磁通Φfσ两部分一、空载磁势两极间中心线转子绕组轴线二、空载时-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间矢量参考轴重合四个轴：时轴，相轴，交轴，直轴时间相量——绕组的感应电势、电压和电流，匝链的磁通空间矢量——磁势和磁通密度（随时间变化）空载时-空矢量图（以A相为例）空间矢量图时间矢量图时-空矢量图0度时空载时-空矢量图（以A相为例）空间矢量图时间矢量图时-空矢量图逆时针转90度时三、空载电势相量措施：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Y形接法消除三次及其倍数次谐波。四、电压波形正弦畸变率§12-4对称负载时的电枢反应内功率因数角Ψ=00

时轴d轴q轴A轴AX

ZBCYFfNSΨ+900FδFa

交轴电枢反应

内功率因数角Ψ=900时轴ψ直轴去磁电枢反应d轴q轴A轴AXZBCYFfNSFa内功率因数角Ψ=-900时轴ψ直轴助磁电枢反应d轴q轴A轴AXZBCYFfNSFa内功率因数角00<Ψ<900

时轴ψ既有交轴又有直轴去磁电枢反应d轴q轴A轴AXZBCYFfNSΨ+900Fan1nAZBXCYSNn1TemAZBXCYNS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；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。当ψ角为不同值的电枢反应Ψ

位置夹角记作电枢反应性质对电机的影响负载性质n(f)UΨ=00q轴Ψ+900交轴波形畸变下降不变RΨ=900d轴Ψ+900直、去削弱不变下降LΨ=-900d轴Ψ+900直、助增强不变上升C00<Ψ<900d、q轴Ψ+900交、直去削弱下降下降R、L-900<Ψ<00d、q轴Ψ+900交、直助增强下降上升R、C同步发电机负载运行时物理量的关系：一、不考虑磁饱和时隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路§12-5隐极式同步电机过励欠励

考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理不再适用。此时，应先求出作用在主磁路上的合成磁动势Fδ，然后利用电机的磁化曲线(空载曲线)求出负载时的气隙磁通及相应的气隙电动势。二、考虑磁饱和时

考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，就称为双反应理论。§12-6凸极式同步电机一、双反应理论二、凸极同步发电机的电路方程和相量图1.电路方程及等效电路不计磁饱和§12-7电枢绕组的漏抗（略）§12-8同步电机的空载、短路和负载运行a)隐极b)凸极§12-9同步发电机的参数测定一、同步电抗的测定二、短路比的测定三、漏电抗和保梯电抗示波器摄取的波形a)转子绕组端点的电压波；b)定子绕组端点的电压波；c)定子绕组的电流波§12-10同步发电机的稳态运行特性cosΦ=0.8超前cosΦ=1cosΦ=0.8滞后cosΦ=0.8滞后cosΦ=1cosΦ=0.8超前1008060402000.20.40.60.81.01.21.电动势法求△

U%五、电压变化率及额定励磁电流的求法*2.磁动势法求△U%p238（图12-51）(略)ψθ已知额定负载时U=UN，I=IN，cosθ=cosθN

已知电机参数ra，xp，Kad，KaqU、IIf2短路特性1空载特性UNINθN

I’f0

aI’f0IfaIfk-IfaIfNIfNE0△UEEσ

Ifa电枢反应相当的激磁电流额定激磁电流

E0*00.61.01.161.251.321.37If*00.51.01.52.02.53.0

IK*00.320.631.01.63

If*00.521.031.632.66

U*00.60.81.01.1

If*1.632.142.42.883.35E0*0.551.01.211.271.33If0*0.521.01.561.762.1第十三章同步发电机在大电网上运行并联运行功角特性有功功率调节无功功率调节同步电机的其他运行方式主要内容同步发电机的并联运行（发电机的整步）同步发电机的功角特性——隐极机、凸极机有功功率的调节、稳定概念无功功率的调节、V形曲线了解：同步电动机、同步补偿机单机供电的缺点：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。通过并联可将几台发电机或几个电站并成一个电网。§13-1同步发电机的并联运行同步发电机并联成大电网同步发电机并联运行的意义减少发电厂的储备容量----发电厂可以根据负荷的发展，相应地逐步增加发电机的台数。提高发电厂运行的经济性----发电厂可按照负荷变化情况，确定投入并联运行的发电机台数。提高供用电的质量和可靠性----由许多发电厂组成的电力系统，容量大，负荷变化时对系统的电压和频率的影响就小。大电网上有多组同步发电机向网上送电，以并联方式运行，有相同的端电压U和频率f.因激磁可以自由调节、空载电势可以不相同（同步电抗的数值并不能决定负载电流的分配——与变压器并联运行对照）。同步电抗有不同数值的发电机可并联运行，并获得合理的负载分配——通过功率的调节手段。避免产生巨大的冲击电流，以防止同步发电机受到损坏、电网遭受干扰。1、准确整步法----灯光明暗法（直接接法）和灯光旋转法（交叉接法）①通过调节发电机励磁电流的大小使电压相等（电压表测）；②电压调整好后，若相序一致，三灯光应同时明暗。否则相序不一致，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（任交换两相）；③通过调节发电机的转速改变频率，直到灯光明暗交替十分缓慢时，说明频率已十分接近，直到没有明暗变化（频率同）。④调节瞬时速度调相位，等待灯光完全变暗的瞬间（相位相同），即可合闸并车.2、自整步法前提：相序一致将励磁绕组通过电阻短接拖动到接近同步速(相差2~5％)，在无励磁电流的情况下，将发电机接入电网再接通励磁并调节励磁，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。优点：操作简单，方便快捷；缺点：合闸时有冲击电流。约为励磁电阻的10倍适用于事故状态下的并车

输入功率P1机械损耗pmec附加损耗pad铁损pFe电磁功率PM定子铜损pcu1输出功率P§13-2隐极同步发电机的功角特性

发电机电动机隐极同步发电机的等效电路和相量图隐极同步电机的功角特性§13-3凸极同步发电机的功角特性

0δ900PMPMmax1800发电机有功功率功角特性总结δPM18000900PMmax两种电机功角特性的区别隐极：凸极：功角δ的双重物理意义：1、是电动势和电压间的时间相角差2、是励磁磁势和合成磁势间的空间相角差功角δ意义的图示功角δ

是转子磁极轴线和定子合成磁极轴线的空间夹角。NSFδδNSFfT1nTn1NNoNoNoNNSoSoSSSSo主极主极同步电机的三种运行状态发电机补偿机电动机§13-4同步发电机的有功功率调节

扰动——发电机输入功率的微动静态稳定——瞬时扰动消除后继续保持原来的平衡运行状态a点稳定工作，d点不稳定工作1、静态稳定概念：比整步功率空载时，δ=0，Pss最大，最稳定δ=π/2，Pss=0，将进入不稳定状态δ>π/2，Pss<0，失去稳定s2、动态稳定扰动——负载突然变化（加、卸、短路、失磁、电压突变）曲线1a点：原正常运行点曲线2：电网电压因事故明显降低曲线3：电压降低很大分析：比较下列情况电机的稳定性短路比大小：短路比大，则同步电抗小，Pmax大，一定P时，δ角较小，稳定性好。过激与欠激：有功一定时，过激时E0大，δ角小，稳定性好。轻载与满载：激磁相同时，Pmax相同，轻载时δ角小，稳定性好。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P时，δ角较大，稳定性差。不计电枢电阻时隐极电机的无功功率§13-5无功功率调节和V形曲线设功率为PT，运行于a点，功角δa假设原动机有功功率不变，减小励磁电流，则E0减小功角特性幅值降低，运行点变为b点，功角为δb，相应无功变为Qb，即减小了无功输出。（静态稳定度降低）PTδaQaδb一、隐性机的无功功率特性二、有功不变时的无功调节结论：对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。欠激过激cosθ=0.8超前cosθ=0.8滞后结论：无功功率调节特性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，不仅能改变无功功率的大小，而且能改变无功功率的性质。当过激时，电枢电流是滞后电流，发电机输出感性无功功率。当欠激时，发电机输出容性无功功率，电枢电流是超前电流。功率调节总结调输入P1→调节输出有功P

输出的P、Q均有变化，为使输出Q不变则需调节励磁。调励磁If→调节输出无功Q

输出仅Q变化，P不变。无论调节有功或无功，应注意同步电机的稳定范围。§13-6同步电动机与同步补偿机隐极式凸极式辅助电动机起动、变频起动、异步起动不同于异步电机§13-7同步电发机的进相运行（略）P271:13-2,4,6,7进相运行：电力系统无功Q过剩时，某些同步电发机须发出容性无功，吸收感性无功。同步电发电机进相运行应注意的四个问题：（1）静态稳定性低；（2）端部漏磁引起定子端部温升；（3）厂用电压降低；（4）输出P不变，电压U下降，则I升高，过负荷。同步电机运行状态（以内功率PM为例）同步发电机的进相运行第十四章同步发电机的不对称运行不对称运行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回顾不对称运行三相负载不对称分析方法——对称分量法：把不对称的三相系统分解为三个独立的对称系统，即正序系统、负序系统和零序系统不对称三相电流流过对称三相绕组的基波磁势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。每相电流分解为三个分量，每相磁势也可分解为三个分量。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，正序分量和负序分量，各以同步速向相反方向旋转。在任一瞬间的合成磁势仍按正弦分布，用旋转矢量表示为空间矢量和，不同时刻，有不同的振幅，其端点轨迹为一椭圆§14-1同步电机的各序阻抗与等效电路发电机各序等效图(a)正序(b)负序(c)零序注意：励磁磁场只在电枢绕组中感应产生有正序电势产生正序旋转磁场——同步速转子同步速，不在转子绕组中感应电势，即同步电机的对称运行情况，正序电抗即同步电抗n1n12f1i-F-2n1相对于转子xq-xaqxxDb）当F-正对q轴（q轴无励磁绕组漏抗）xd-xadxxDa）当F-正对d轴凸极同步电机结构不对称，使交轴和直轴电枢反应电抗不等，直轴和交轴的等效电路也不相同。r1

x１xmrm负序电流的副作用负序感应电流，产生附加的转子铜损耗负序磁场引起转子表面的涡流损耗，产生附加表面损耗负序磁场与正序磁场相互作用，产生2f1频率的交变电磁转矩，引起振动规定：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10％：水轮发电机和同步补偿机的三相电流之差不得超过额定值的20％，同时任一相的电流不得大于额定值。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零序漏磁通§14-2同步发电机的不对称运行稳态分析励磁电势由于电机电枢绕组结构的对称性是对称正序电势电枢反应电势与电枢电流性质有关，用不同的电抗表示正序阻抗负序阻抗零序阻抗P283：14-1，14-2不同稳态短路电流的比较

机端三相短路稳态电流两相短路的稳态短路电流单相短路的稳态短路电流同步电机x+一般比x_和x0大得多，所以相同励磁电流时三种稳态短路电流的大小关系近似为：第十五章同步电机突然短路的过渡分析突然短路的物理过程（掌握）瞬态电抗和超瞬态电抗（了解）三相突然短路分析不对称突然短路的概念（了解）同步电机振荡的物理概念（了解）突然短路的直观影响各绕组出现很大的冲击电流，峰值可达（10~20）倍IN。在电机内产生很大的电磁力和电磁转矩。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。主要原因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。短路电流中包含有自由分量——按一定时间常数衰减；当自由分量衰减完毕，即进入稳定短路。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，定、转子绕组间产生变压器感应关系，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。§15-1突然短路的物理过程分析时的假设（1）不考虑机械过渡过程，即在过渡过程期间，电机的转速保持为同步速不变；（2）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线端；（4）不考虑强励的情况发生短路后，励磁系统的励磁电流If0始终保持不变。在没有电阻的闭合回路中，磁链将保持不变1、定子电流的分量直流分量交流分量2、转子电流的分量由于定子电流产生的旋转磁场和直流磁场的出现，转子磁链守恒将被破坏，转子电路中必将引起感应电流以建立恰能抵消上述磁场对转子绕组形成的磁链定子绕组交流分量产生的合成磁场Ψ~

，同步旋转与转子相对静止，转子有需直流分量If-，以抵消磁链Ψ~

定子电流直流分量产生磁场（静止）与转子相对转速为同步速，在转子中磁链Ψ-

感应工频交流电势，需交流电流分量If~，以抵消Ψ-。3、考虑绕组电阻后的影响实际情况下，定子、转子回路均有电阻存在，所以各瞬态电流分量均将按一定时间常数衰减，并最后消失。这时定子电流将是稳态短路电流，转子回路将是正常外施的激磁电流。如三相稳定短路时电流只有0.535IN，比额定电流都小§15-2同步电机的瞬态电抗和超瞬态电抗任一线圈产生一定数量磁通所需的电流大小将因磁通所走的路径不同而大不相同。为产生同样的磁通，如磁阻较小，所需电流较小，即有较大的电抗；如磁阻较大，所需电流较大，即有较小的电抗。稳定短路时，端电压等于零，电枢反应为纯去磁作用。不计电枢电阻和漏磁通的影响，由定子电流所产生的电枢反应磁通与由转子电流所产生的磁通，大小相等，方向相反。电枢反应磁通所经的路线如图所示.1、直轴瞬态电抗电枢反应磁通将穿过转子铁芯而闭合，磁阻较小定子电抗等于同步电抗xd（数值较大）突然短路初瞬：转子磁链不能突变。转子中产生一磁化方向与电枢磁场方向相反的感应电流，其磁通抵消要穿过转子绕组的电枢磁通。等效：电枢磁通从转子绕组外侧的漏磁路通过。电枢反应磁通将从转子绕组外漏磁路而闭合，所遇到的磁阻较大定子电抗为直轴瞬态电抗x’d（数值较小）2、直轴超瞬态电抗突然短路初瞬： 转子磁链不能突变。如转子上有阻尼绕组，其磁链也不能突变。等效：电枢磁通从阻尼绕组和转子绕组外侧的漏磁路通过。电枢反应磁通将从转子外漏磁路而闭合，所遇到的磁阻更大定子电抗为直轴超瞬态电抗x’’d（数值更小）3、x”d和x’d的表达式设ad代表空气隙的磁导，1d代表阻尼绕组旁的漏磁路的磁导，f代表激磁绕组旁的漏磁路的磁导电抗与磁导成正比，则：等效磁路阻尼绕组作用：提高电机运行的稳定性，削弱不对称运行时反向旋转磁场的不良影响x”d<x’d，突然短路时定子电流周期性分量幅值将比无阻尼时更大。在隐极发电机中，整块转子铁心起阻尼作用，不需另外的阻尼绕组。4、交轴瞬态电抗如短路电流中有交轴分量，产生交轴电枢磁场。由于交轴方向无励磁绕组，交轴瞬态电抗和交轴同步电抗相等。由于阻尼绕组的不对称性，在交轴方向有阻尼绕组作用（且与直轴方向作用不等）5、交轴超瞬态电抗阻尼绕组在交轴的漏抗6、与负序电抗的关系*对于负序电流，其电枢磁场与转子绕组有2n1的相对运动，在转子绕组中感应电势产生电流。由于磁链不能突变，即类似短路时情况外接电抗与负序电抗相当时直接外施负序电压经外接电抗（很大）施加负序电压如两相短路时7、静止法测定瞬态电抗*试验：定子绕组的一相开路，另两相串联并外施一单相低压交流电源——两相短路。转子激磁绕组由电流表短接。缓缓转动转子，定子电流和转子电流将发生变化，记录定子外施电压和定子电流。当转到转子直轴时，转子绕组中的感应电流最大，定子电流最大；当转至转子交轴时，转子绕组中的感应电流最小，定子电流最小值。如转子无阻尼绕组，切磁极由叠片构成，则测出的是瞬态电抗短路初瞬，突然短路电流增大，该短路电流中包含有交流分量（周期分量）和直流分量（非周期分量）。各相交流分量是一组三相对称的电流分量；直流分量与短路时的磁链有关（保持短路后磁链守恒）。如短路时短路绕组与交轴重合，则磁链如短路绕组与直轴重合，则磁链相应的短路电流中直流分量不相同，短路电流也不同。§15-3同步电机三相短路的突然短路电流1、当0=0

时的突然短路当t=0时，=0＝0，E0=Emax，Ik滞后E090°，Ik0=0。短路电流中直流分量I-=0，只有交流分量阻尼绕组的影响励磁绕组的影响同步电抗的作用2、当0=max时的突然短路当t=0时，＝0＝max，E0=0，周期分量I~=-Imax

初始条件，当t＝0时，绕组电流必须保持为零 短路电流中有非周期性的直流分量I-，且I-=Imax，使总电流的初值为零衰减中的直流分量交流分量如果衰减很缓慢，则在0．01s(半个周波)以后，最高冲