同步电机的稳态分析

第六章同步电机的稳态分析主要内容：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。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。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。(火电）按原动机类别分水轮发电机：低速同步发电机，凸极式。（水电）柴油(汽油)发电机：低速同步发电机，凸极式。（机车、船舶，油田）

旋转电枢式：用于小容量电机。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；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和凸极式两种基本型式一、基本结构

旋转电枢式（反装）：三相交流绕组旋转，磁极静止。三相交流电由滑环、电刷引出。

旋转磁极式：三相交流绕组静止，磁极旋转

隐极凸极分：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。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1、隐极式同步电机同步速为3000r/min

提高运行速度可提高汽轮机的运行效率，减小机组尺寸和造价。由于转速高，所以直径较小，转子本体长度L和直径D的比L/D=2—6。容量越大，比值越大，汽轮发电机均为卧式结构。定子

转子

定子主要由铁芯、绕组、机座组成。铁心每叠厚约3—6cm，叠与叠之间留有0.8—1cm的通风槽，整个铁芯由非磁性压板压紧，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2/3部分铣有凹槽。用以嵌放励磁绕组，不开槽部分形成一大齿,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。2、凸极同步电机

分卧式和立式两种结构

凸极同步电机与隐极同步电机定子结构基本相同，所不同的是转子结构，它由磁极铁芯、励磁绕组、阻尼绕组等部件组成。大型水轮发电机通常都是立式结构，凸极式特点是短粗，D/L=5—7

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。伞式悬式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7.4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。1958年我国研制成第一台定.转子线圈都采用水内冷的12000千瓦双水内冷汽轮发电机。目前世界各主要工业国也相继将超导技术用于同步电机。我国于1976年研制成功一台400千瓦超导同步发电机。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。上电厂产660WM汽轮发电机采用水氢氢冷却方式，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，定子机座采用优质钢板装焊而成，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1—X、Y、Z引出线；2—电流互感器；3—A、B、C引出线；4—自并励副励磁机；5—主励磁机；6—励磁机轴承；7—出线盒；8—气体冷却器；9—碳刷架隔音罩；10—端盖；11—机壳；12—测温引线盒二、同步电机运行状态

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

同步电机有三种运行状态：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，转子磁场的相对位置，即定子合成磁场与转子主极磁场之间的夹角δ（功率角）。

1、发电机若转子磁场超前于定子合成磁场δ>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作为发电机运行。主极SNoTensδ

NSo主极2、补偿机当δ=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。NoSnsTe=0NSo3、电动机δNSoSNonsTe当转子磁场滞后定子磁场，δ<0，则此时转子上受到一个与转向相同的拖动性质的转矩。此时定子从电网吸收电功率，转子可拖动负载而输出机械功率，电机做为电动机运行。三、同步电机的励磁方式

供给同步电机励磁的装置，称为励磁系统。获得励磁电流的方式称为励磁方式。为保证同步电机的正常运行，励磁系统应满足以下要求：（1）能稳定地提供同步电机从空载到满载到过载所需的励磁电流（2）当电力系统发生故障使电网电压降低时，励磁系统能快速强行励磁以提高系统稳定性；（3）当同步机内部发生短路故障时，应能快速灭磁。励磁系统对同步电动机的性能有重要影响。目前采用的励磁系统可分为两类：

1、直流发电机励磁系统

2、交流整流励磁系统1、直流励磁机励磁直流励磁机与同步发电机同轴并采用并励接法。Rt接到自动调节装置，自动调节IfK的作用是强行励磁，（K闭合，切除Rt，使励磁机输出电压大大提高）。同步发电机励磁系统有时为了提高励磁系统的响应速度，直流励磁机本身的励磁电流If采用它励式，由同轴的副励磁机供给，但由于多了一台副励磁机，使设备复杂，降低了运行的可靠性。直流发电机与同步发电机同轴并励直流发电机（副励磁机）+他励直流发电机（主励磁机）采用直流励磁机主要问题是高速、大容量励磁机换向困难。目前一般容量汽轮机和低速水轮机中大部分采用直流励磁机。带励磁机的同步发电机励磁系统2、静止整流器励磁(交流整流励磁系统）

分:自励式和他励式

（1）他励式

他励式由交流主励磁机，交流副励磁机，硅整流装置和电压调整器组成。主励磁机是一台与同步发电机同轴连接的三相同步发电机（频率通常为100赫兹）。主励磁机交流输出经整流后，由集电环装置接到主发电机励磁绕组，以供给直流励磁。主励磁机的励磁电流由交流副励磁机提供。交流副励磁机是一台与主发电机同轴连接的中频（一般为400赫）三相同步发电机。副励磁机的励磁可采用永磁式，也可采用励磁式。自动电压调整器是由电压互感器和电流互感器分别测得电压和电流的变化，（即根据主发电机端电压的偏差）通过自动电压调整器进行比较后，对交流主励磁机的励磁电流进行调节，从而实现对主发电机励磁的自动调节。由于这种励磁系统没有直流励磁机，不存在换向火花问题。因此运行维护方便，技术性能好，使励磁容量得以提高，用于大容量汽轮发电机。（2）自励式

自励式无旋转励磁机，当空载时，同步发电机的励磁由输出的交流电压经半控整流后供给。负载后励磁除由半控桥提供外，还由可控整流装置供给，它可实现对发电机随负载而变化得电压进行自动调整。自动电压调整器与他励式作用相同。该系统便于维护应用在中小型同步发电机中自励式静止整流器励磁系统3、旋转整流器励磁

副励磁机→主励磁机→主发电机无刷，适合大容量发电机。（旋转磁极式）（旋转电枢式）（旋转磁极式）目前我国新装发电机容量一般为30万kW、60万kW、90万kW。单机容量大，电机

η↑

静止的交流整流励磁系统，虽然去掉了直流励磁机的换向器，解决了换向火花问题，但还存在集电环和电刷，实践表明，当励磁电流超过2000A的时候，可引起集电环的严重过热。为了解决这个问题，研制出一种取消集电环的旋转整流器励磁系统。

因交流主励磁机的电枢、硅整流装置、主发电机的励磁绕组均装在同一旋转体上。所以无需集电环和电刷装置。所以这种系统称为无刷励磁系统或无触点励磁系统。交流主励磁机的励磁，由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流后供给。电压调整器的作用同上。旋转整流励磁系统四、额定值

额定电压

UN

单位为KV额定电流

IN

单位为A,KA额定功率因数

额定频率

fN

单位为Hz额定转速

nN单位为r/min额定温升

θN

额定励磁电流和电压

IfN

、UfN

额定容量注：6.2空载和负载时同步发电机的磁场本节主要研究空载和负载时发电机的磁场及电枢反应一、空载运行

将发电机用原动机拖动，使转子达到同步速ns=60f/P，励磁绕组通入直流励磁电流，电枢绕组开路时的情况ns,If,I=0,称为空载运行Ff

：主极磁势（励磁磁势）E0：激磁电动势，定子以ns的速度切割Φ0

而感应出频率为f的一组对称三相电势。同步电机的空载磁路（2p=4)空载特性

ns=cE0=f(If)

Ff

∝IfE0

∝

Φ0

电机的磁化曲线Φ0=f(Ff)即为空载特性曲线

改变If，即可得到不同的Φ0

以及E0，E0=f(If),即为空载特性曲线，即电机的磁化曲线。空载特性曲线反应了电机的磁路特性，在负载时已知总磁势，由该曲线求取气隙磁场在电枢绕组中感应的电势。

同步电机的空载特性及气隙线

空载时，同步发电机的气隙中只有一个同步旋转的主磁场Ff（Φ0），负载后，电枢绕组中有对称三相电流，产生旋转磁场称为电枢磁场Fa。因此负载后同步电机气隙同时存在两个磁势。若仅考虑基波，则这两个磁势以相同的转速相同的转向旋转。二、对称负载运行接三相对称负载

三、电枢反应

电枢基波磁动势对气隙基波磁场的影响称为电枢反应反应电枢反应的性质（增磁、去磁或交磁）取决于两个磁势Ff和Fa

在空间的相对位置电枢反应的结果：

1、使气隙磁场产生畸变；

2、增磁、去磁或交磁作用。由于E0滞后Φ0（即滞后Ff）900。而I与Fa相位相同。所以研究Ff和Fa

的相对位置，可归纳为研究I与E0的相位差称为内功率因数角，电枢反应的性质取决于。即负载的性质。1.Ψo=00时(电枢电流I与激磁电动势E0同相）

下面根据不同的角，分几种情况分析电枢反应的性质。A相电势最大A相电流最大三相旋转磁势的幅值在A相绕组轴线上空间矢量图时间相量图时同步电机的电枢反应

时-空统一矢量图气隙合成磁场与主磁场的相对位置产生交轴电枢反应，使气隙磁场的空间相位改变，转子磁极受到转矩作用，从而实现机电能量转换。时空矢量图

忽略铁耗时，

三相旋转转磁势的幅值总是与电流为最大值的一相绕组轴线重合

由于出现交轴电枢反应，使气隙合成磁场B与主磁场B0之间形成一定的空间相差角，从而产生一定的电磁转矩。对于同步发电机，=0时，Bo超前Bδ角，主极上受到一制动性质的电磁转矩,所以交轴电枢磁动势与电磁转矩的产生及能量转换直接相关,以后将证明同步电机的电磁转矩与sinδ成正比.

交轴磁动势所产生的电枢反应为交轴电枢反应2.Ψo=±900

时

Ψo=900产生直轴电枢反应，使气隙磁场减弱，去磁。

Ψo=-900

产生直轴电枢反应助磁，使气隙磁场增强，增磁。只有直轴电枢反应时，气隙磁场的空间相位不变，转子不受转矩的作用。

3.

0＜Ψo＜900时

Í滞后于È0时的空间矢量图Í滞后时È0的时-空矢量图Í超前È0时的时-空矢量图结论：（对于同步发电机）若I滞后Eo，则直轴电枢反应是去磁的。若I超前Eo，则直轴电枢反应是增磁的。电机单机运行时直轴电枢反应将直接影响端电压的大小并网运行时直轴电枢反应影响电机输出的无功功率。（若转子直流励磁不足，为维持气隙磁场为一定值，则同步电机将向电网输出一超前于Eo的交流容性电流，使直轴电枢反应为增磁，以补偿转子直流励磁的不足。反之，若转子直流励磁过大，则同步机将向电网输出一定的感性电流，直轴电枢反应为去磁。

）直轴电枢反应对同步电机的运行性能影响很大

负载时隐极同步发电机内的磁场分布图复习

作业：

6-4

6.3隐极同步发电机电压方程、相量图、等效电路一、磁路不饱和时

线性系统，可使用迭加原理进行分析

转子

定子

本节研究隐极同步发电机电压平衡方程式，相量图和等效电路。（分不饱和及饱和两种情况来分析）

1、电压方程式

同步发电机负载运行时的电磁过程如下：

E0：激磁电势Ea：电枢反应电势E：合成电势不计饱和时

同步电抗表征对称稳态运行时电枢反应和电枢漏磁两个效应的一个综合参数，不计饱和时,Xs为一常数。

2、相量图相量图如图所示。

已知

Ù、Í、COS

及电机参数，画相量图。步骤如下：

隐极同步发电机的相量图Ù

Í

ÍRa

jÍXσ

jÍ

XaĖoĖ

Ėa

Ǿ

Ǿo90

Ǿa

E0、Ea、E对应Φ0、Φa、Φ，且滞后对应的磁通90°不计饱和时，将励磁磁通与电枢反应磁通叠加（矢量相加），即可得负载时气隙中的基波磁通过激，直轴电枢反应为去磁

ÙÍÍRajÍXsĖoδΨo隐极同步发电机的相量图3、等效电路

等效电路如图所示。其中：

隐极同步发电机等效电路4、同步电抗

a)反映了Ǿa和Ǿσ的作用

b)磁路不饱和时为常数c)二、考虑磁路饱和时

E=f(F)就是电机的空载特性1、电压方程和磁势方程式

非线性，迭加原理不适用。首先求出作用在主磁路上的合成磁势F，然后利用电机的磁化曲线（空载特性曲线）求出及相应的E

2、电压相量图和磁势矢量图

Ù

Íφ

ÍRa

jÍX

σ

Ė

FFfkaFa考虑磁饱和时隐极同步发电机磁动势的矢量图和电动势的相量图3、电枢磁势换算系数是ka

对于汽轮发电机，ka=0.93~1.03，主要取决于大齿的宽度。

对隐极电机，励磁磁动势为一梯形波*考虑饱和特性的另一方法是根据运行点的饱和程度，找出相应的xs(饱和)。即把空载特性在工作点线性化。6.4凸极同步发电机的基本电磁关系特点：气隙不均匀

Fa

产生的Øa不但与Fa

有关，还与Ψo有关，解决的办法：采用双反应理论进行分析。一.双反应理论

本节讨论凸极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路。由于凸极电机极靴部分气隙小，两极之间部分气隙大，所以电枢圆周上的磁导各不相同。λ的变化与主极轴线对称，并以1800电角度为一周期。因此可用仅含偶次谐波的余弦级数表示同样大小的电枢磁势作用在直轴和交轴上时，所产生的磁场将有明显差别单位面积的气隙磁导当正弦分布的电枢磁势作用于直轴上时，

当电枢磁势作用于交轴上时，

Bad1大于Baq1，在一般情况下，当电枢磁势作用在空间任意位置时，将电枢磁势分解为直轴和交轴两个分量，直轴磁导和交轴磁导分别考虑直轴和交轴电枢磁势所产生的电枢反应。最后再把他们叠加起来，这种考虑直、交轴气隙磁阻不同，把电枢反应分为直轴和交轴电枢反应的处理方法称为双反应理论电枢磁动势分成直轴和交轴磁动势电枢磁势换算系数直轴电枢磁动势Fad换算到励磁磁动势时应乘以直轴换算系数Kad，交轴电枢磁动势Faq应乘以交轴换算系数Kaq

二、电压方程和相量图

（磁路不饱和时）

不计饱和时，可利用双反应理论和叠加原理，即主极磁场，直轴电枢反应磁场和交轴电枢反应磁场各自在定子绕组中感应电势，这些电势的总和为一相绕组的合成电动势（即气隙电动势）

已知Ù、Í、COSφ及电机参数，先假定ψ0，画相量图步骤如下：凸极同步发电机的相量图Øo

Í

Íd

Ψo

Íq

δ

ÍRa

jÍqXq

jÍd

XdÈo

Ù

φ

当U、I、cosФ已知（若Ra,、Xd,、Xq已知）可计算出ψ0

凸极同步发电机的等效电路Ù

Í

ÍRa

jÍXq

ÈQ

Ψo

Íq

Íd

jÍd(Xd-Xq)

Èo

Ψo

角的确定磁路饱和也可取

xd(饱和值)来考虑。

Xad（饱和）=Xad（未饱和）/KsXd（饱和）=Xad（饱和）+XσXq是未饱和值，为一常数。考虑饱和影响时，仅直轴磁路受饱和影响，而交轴磁路认为不饱和（因气隙较大），所以对应饱和磁路，可应用双反应理论分别求出直轴和交轴上的合成磁势。再用磁化曲线来计及直轴磁路饱和的影响。另一种考虑饱和效应的方法是，采用适当的饱和参数来计算饱和的影响。三、直轴和交轴同步电抗

xd>xq

隐极同步电机

xd=xq=xs直轴电枢磁导交轴电枢磁导例6-1xd*=1.0xq*=0.6Ra*=0U*=1I*=1cos

=0.8求：E0*（1）

E0*

=U*cos

+Id*xd*

=1×cos19.44+0.8321×1.0=1.755

解：(3)(4)EQE0UI6.5同步发电机的功率方程和转矩方程

ns

→

If

→B0

→

pFe

铁心损耗

（转子铁心中磁场恒定无铁耗）

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二.转矩方程

P1－(pΩ+pFe)=Pe

→T1－T0=Te

三.电磁功率及能量转换Pe=P2+Pcua=mUIcosφ+mI2Ra=mI(Ucosφ+IRa)=mIEcosΨ

=mIEQcosΨ0

=mEQ

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δ（功率角）的大小。

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δ（Eo与U之间的夹角）随Iq的增加而增大，后将证明δ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。一、用空载特性和短路特性确定Xd1．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，测取电枢端电压Uo,直到Uo=1.25UN

，得到特性曲线。

6.6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．短路特性因空载时U0=E0

短路特性是一条直线短路时，端电压U=0，短路电流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=90º；于是İq=0，İ=İd，而I*=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∝If3.Xd

的不饱和值4.Xd

的饱和值

饱和程度由F或E决定

电机正常运行时

Xd不饱和值确定二.短路比kc

UN→If0→I'对于隐机同步电机Xd饱和值确定例6-2有一台25000KW、10.5KV（星形联结）、cos=0.85（滞后）的汽轮发电机，从其空载、短路实验中得到下列数据：从空载特性上查得：线电压UL=10.5KV时，If0=155A

从短路特性上查得：I=IN=1718A时，Ifk=280A；从气隙线上查得：If=280A时，UL=22.4KV；试求同步电抗和短路比。解：从气隙线上查出If=280A时，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零功率因数特性2.零功率因数特性与空载特性的关系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。BC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kadFaCA用以克服电枢漏抗压降IX作用特性三角形在得到零功率因数特性则F点的轨迹即为零功率因数负载特性曲线。K点即为短路点。3.作图法求定子漏抗和电枢等效磁动势电机学图\5\6-1.gif(1)取；(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

。即可求得Xσ已知

注：

这样求得的Xσ比实际值略大，称为波梯电抗Xp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，因而需要额外再增加一些主极磁动势∵

转子与定子磁场不同步，定子磁场轴线交替与转子的d、q轴重合。与d轴重合时，

xd

Imin

Umax

与q轴重合时，

xqImax

Umin

四.用转差法测定Xd、Xq参数的典型值

Xd*Xq*Xp*隐极同步发电机1.700.9xd*0.18凸极同步发电机1.150.750.32凸极同步电动机1.81.15

d轴q轴d轴转差试验时的端电压和定子电流波形

6.7同步发电机的运行特性

、运行特性调整特性

nsU=UNcos

=cIf=f(I)效率特性

n=nsU=UN

=c=f(P2)外特性

nsIf=ccos

=cU=f(I)1、外特性同步发电机的外特性

由外特性求电压调整率

2、调整特性调整特性

nsU=UNcos

=cIf=f(I)同步发电机的调整特性

3、效率特性

直接负载法

加负载测

损耗分析法：

计算总损耗

额定效率

二、作电动势——磁动势图求

IfN

和Δu

电机学图\6-381.FLA.swf

用电动势-磁动势图(波梯图)确定同步发电机的IfN和[例6-5]有—台水轮发电机，额定容量SN＝16667kVA，额定电压UN＝13.8kV，

Y联结，额定功率因数0.8(滞后)，额定转速nN＝100r／min，，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Ifk＝l78A，空载特性的数据为

0.250.450.791.001.141.201.251.304585150205250300350400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。已知：参数，E0=f(If)，额定值

，

用计算机求FfN

和

kaFa

隐极同步发电机→IfN

6.8同步发电机与电网的并联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

电网无穷大一、投入并联运行的条件和方法

1、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：（1）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。（3）发电机的E0应与电网电压U大小相等，相位相同。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①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。

②关于频率问题，③而E0的大小可通过调节发电机的励磁电流进行调节

E0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

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。

1、准整步法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。电压表

调

n≈ns

灯不亮灯光闪烁三个灯将同时出现时暗时亮的现象

uaubucEAEbEcEAEbEcuaubucEAEbEcuaubuc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）

①

②

③

指示灯交替明暗，形成旋转

交叉接法1灯灭，2、3灯亮。若

UA’=UA

但

指示灯交替明暗，形成旋转

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，可合闸并网。交叉接法亦称为灯光旋转法，此法的优点是能判断发电机频率比电网高还是低

并网：灯光旋转很慢

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，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；缺点是：整步手续比较复杂。⑴相序相同，沿旋转磁场的转向n≈ns，励磁绕组通过电阻短路2、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。缺点：投入时定子电流冲击大⑵然后先合闸投入电网，（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。二、与电网联时发电机的功角特性当同步发电机的励磁电动势和端电压保持不变时，发电机产生的称为功角特性。电磁功率与功率角之间的关系转子无励磁，仅靠Pe2工作时，称为磁阻电机

由功角特性可见不变时，电磁功率的大小取决于δ。180°90°0°45°-180°电动机发电机PePe1Pe2Pe同步电机的功角特性δmax：总电磁功率达到最大值时的功率角例6-4三、有功功率的调节和静态稳定

1、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影响而保持为常值,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。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Ra不计，设发电机已接到一个无穷大电网。

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A点。

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率，使δ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δ达到90时，电磁功率达到最大值。即隐极同步发电机的功率极限值2、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扰动后，能够自动的恢复到原先的平衡状态的能力。如能复原，则发电机是稳定的，反之，则为不稳定。

整步功率系数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，这个倍数称为过载能力

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，原动机的输入有功功率保持不变。

ÙÌÈoÈo'Èo"Ì"Ì'jÌXsjÌ'XsjÌ"Xsφ'φ"BACDEosinδ=常值Icosφ=常值为“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Ù

Í

ÍRa

jÍXσ

ĖoĖ

Ėa

Ǿ

Ǿo90

Ǿa

jÍ

Xa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

输出能力曲线：N点为额定点：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

与感应电动机相比，同步电动机的主要特点是：转速与负载大小无关始终保持为同步速，且功率因数可调。

因此广泛应用于大功率恒转速的机械负载，如空气压缩机、粉碎机、鼓风机、水泵及电动发电机组同步补偿机相当于空载运行的同步电动机，用于补偿电网的无功功率和功率因数一、同步电机的可逆原理p1Pe=0此时功率角为零如将原动机去掉，空载损耗全部由电源提供这时如在轴上加负载，即输出机械功率变为电动机运行同步发电机

→

空载同步发电机

→同步电动机

二、同步电动机的电压方程和相量图

若仍用发电机惯例分析Ф大于900，即此时发出负的电功率，相当于输入正功率I超前E0电枢反应为增磁I滞后E0电枢反应为去磁

ÙÈojÌMXsψoMδMÌMRaÌM=-Ì隐极同步电动机相量图ÈoÙÌMRaÌM=-ÌδMψoMÌÌdMÌqMjÌdMXdjÌqMXq凸极同步电动机相量图三、同步电动机的功角特性，功率方程和转矩方程

1、功角特性

（Ra=0）

整步功率系数及过载能力与发电机相同2、功率和转矩方程

转矩特性电流特性功率因数特性效率特性与其他电机相同四、同步电动机的运行特性

1、工作特性

不同励磁时的功率因数特性2、V型曲线隐极同步电动机，忽略Ra从图可见，改变励磁电流，可使电动机在任意特定负载下的功率因数达到1，甚至变成超前。ÈoÈo"Èo'ÙEosinδM=常值IMcosφM=常值ÌM

Ì'MÌ"MjÌMXsjÌ'MXsjÌ"MXsABCD电机学图\片段.shs改变励磁时同步电动机相量图同步电动机调节

If

可改变功率因数，这是同步电动机的优点之一同步电机机与感应电机同时接入电网，并使同步机处于过励状态例6-5过励时功率因数变为超前五、同步电动机的起动方法

1、异步起动

在转子上装笼型起动绕组。定子加三相对称电压，转子励磁绕组通过电阻短路

R=(5~10)Rf异步起动阶段①异步转矩：与感应电动机相同②单轴转矩：

励磁绕组电流频率为sf1，产生相对于转子静止的脉动磁势，可分解为正转磁势：

n+sns=ns

与定子磁势相对静止，产生平均转矩；反转磁势：n-sns=(1-2s)ns,在定子绕组中感应电流，产生异步转矩，当s=0.5时，（1-2s）ns=0,与定子绕组相对静止，电磁转矩为0。异步转矩与单轴转矩的合成曲线构成异步起动阶段合成转矩异步起动阶段性能的好坏取决于Tst和Tpi。Tpi指转速达到95%ns时的转矩。Tst和Tpi与起动绕组的电阻有关注：励磁绕组切勿开路，且必须串一大电阻（为限制单转转矩）这两种转矩对牵入同步起决定作用当通入直流后，在同步转矩作用下即可牵入同步③磁阻转矩：

④同步转矩：牵入同步阶段

2、

辅助电机起动

同极数感应电动机，容量约为主机容量的（10~15）%的感应电机作为辅机，拖动主机使n接近同步速时，转子励磁绕组加入If

，由同步转矩拖入同步。缺点：不能带载起动，否则辅机容量太大。

3、变频起动

起动时f1很低，随着n↑逐步增加f1最后达到fN,

改变定子旋转磁场的转速利用同步转矩起动。缺点：必须具备变频电源六、同步补偿机

（同步调相机）

2、

同步补偿机的额定容量和结构特点额定容量是指过励时所能补偿的无功功率

感应电动机所需的滞后无功电流由过励的同步补偿机提供，从而避免了无功电流的远程输送，改善电网的功率因数。Pe

=0I=f(If)

1、同步补偿机的原理例:：6-6PQSQ’S’Q”P’S”6.10同步发电机的不对称运行

分析方法：

对称分量法

一组不对称的三相电压（电流），可以分解为正序、负序和零序三组对称电压（电流），后者称为原不对称电压（电流）的对称分量。

一、对称分量法电机不饱和时，可采用迭加原理进行分析对正序、负序、零序来说都是三相对称系统，只分析一相即可

（1）发电机气隙磁场为椭圆形旋转磁场（2）负序转矩引起振动力矩把一个不对称问题分解成正序、负序和零序三个彼此独立的对称问题，再把结果叠加由于发电机电枢绕组为三相对称绕组所以三相激磁电动势为对称二、各相序阻抗和等效电路

正序、负序和零序电流分别建立各自的气隙磁场，由于定子不同相序的电流所建立的磁场不同且与转子回路相交链的情况不同所以发电机对应于不同相序的阻抗是不同的。其各相序对应的阻抗分别为正序阻抗、负序阻抗和零序阻抗。应用对称分量法将负载端的不对称电压和电流分解成三组对称分量1、正序阻抗和正序等效电路

电枢磁势与转子同步旋转，励磁绕组接通，电枢绕组流过对称