山东大学 电机学 第六章

第六章同步电机主要内容：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。

同步电机为双边励磁的电机。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。

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、同步电机的基本结构

对于旋转磁极式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1、隐极式同步电机的结构同步速为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、凸极同步电机的结构

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阻尼绕组的结构与笼型感应电机的转子的笼型绕组相似。阻尼绕组的作用作用同步发电机中：抑制负序分量同步电动机和同步补偿机中：起动绕组与感应电机一样同步电机定、转子极数应相同。定子与隐极相同

转子

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。

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，大型汽轮发电机采用水和氢气冷却。大型汽轮发电机用水来直接冷却导线内部，称为水内冷。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，定子机座所有焊缝均为气密焊缝，氢冷却器设置在汽机上端。应用最广的冷却介质有空气、氢气、水、油。冷却方法有表冷（间接冷却）和内冷（直接冷却）。空气和氢气多应用于表冷；氢气和水多应用于内冷。现代大功率汽轮发电机的冷却介质和冷却方法多为组合式，其中主要有以下五种：1、定子绕组氢外冷，转子绕组氢内冷，铁心氢冷；2、定子绕组氢内冷，转子绕组氢内冷，铁心氢冷；3、定子绕组水内冷，转子绕组氢内冷，铁心氢冷；4、定子绕组水内冷，转子绕组水内冷，铁心氢冷；5、定子绕组水内冷，转子绕组水内冷，铁心空冷。其中第三种冷却方式应用最多，广泛应用于20~100万KW左右的机组上。

火电厂超超临界机组和超临界机组指的是锅炉内工质的压力和温度。锅炉内的工质是水，水的临界压力是:22.115MP,临界温度是374.15℃；在这个压力和温度时，水和蒸汽的密度是相同的，称水的临界点，炉内工质压力低于这个压力就叫亚临界锅炉，大于这个压力就是超临界锅炉，炉内蒸汽温度不低于593℃或蒸汽压力不低于31MPa被称为超超临界。超临界机组具有无可比拟经济性，单台机组发电热效率最高可达50%，每kW/h煤耗最低仅有255g（丹麦BWE公司），同时采用低氧化氮技术，在燃烧过程中减少65%的氮氧化合物及其它有害物质的形成，且脱硫率可超98%，可实现节能降耗、环保的目的。发展超临界和超超临界机组周向分区通风系统T:冷风区；k：热风区氢冷却通风系统简介通风系统分轴向多段通风和周向分区通风二、氢、油、水系统简介200MW汽轮发电机轴向通风系统图1、定子铁心；2、定子绕组；3、转子形成所谓“四进五出”的通风系统转子通风采取气隙取气斜流式转子风区与定子的风区一一对应。转子旋转时由于转子表面的进风斗对气隙气流的相对运动形成正压，出风斗为负压，形成了氢气在转子导体槽内流动的压力源。冷却介质从转子槽楔上的进风斗进入，经楔下绝缘垫条上相应孔道进入铜线的通风孔，槽楔的每个进、出风斗连接两个风道，形成“一风斗、二风道”结构。(a)转子槽断面（b）导体中间铣孔（c）导体内斜流风道定子冷却水系统定子绕组接线及进出水路定子冷却水系统密封油冷却系统

由于氢冷发电机的转子轴伸端必须穿出发电机端盖，这就提出了一个氢内冷发电机轴端密封的关键问题。所谓轴端密封就是在氢冷发电机转轴的两端伸出处与静止的端盖之间所采取的密封措施。油密封装置装于发电机转轴伸出的端盖处，将高于机内氢压的压力油注入密封瓦与转轴之间的气隙，以阻止机内氢气漏出机外。目前国内外均采用液体油密封结构，其机理是在高速旋转的轴与静止的密封瓦之间注入一连续的油流来封住气体，使机内的氢气不能外泄，外面的空气不能侵入机内。密封油分空侧和氢侧两个油路将油供给轴密封瓦上的两个环状配油槽。如果这两个油路中的供油油压在密封瓦处恰好相等，油就不会在两条配油槽之间的间隙中窜流。通常只要密封油压始终保持高于机内气体的压力，便可防止氢气从发电机内逸出。

密封油系统二、同步电机的运行状态

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）。

功率角δ转子磁场轴线领先合成磁场轴线的夹角。δ>0时，电磁转矩为制动转矩，原动机的驱动转矩与电磁转矩及空载阻转矩平衡。转子吸收机械功率，定子发出电功率。1.发电机运行状态δ<0时，电磁转矩为驱动转矩，带动负载运行。转子输出机械功率，定子吸收电功率。3.电动机运行状态δ=0时，Te=0不进行能量转换，仅发出或吸收无功功率。2.补偿机运行状态三、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电励磁系统可分为两类：

1、直流励磁机系统

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。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。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同步发电机的空载磁场和电枢反应本节主要研究空载和负载时发电机的磁场及电枢反应一、空载磁场

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：励磁电动势，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。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动势。

同步电机的空载特性及气隙线Ff

∝IfE0

∝

Φ0

电机的磁化曲线即为空载特性曲线ns=c空载特性

改变If，即可得到不同的Φ0

以及E0，即为空载特性曲线，即电机的磁化曲线。

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、对称负载时的电枢反应接三相对称负载

电枢基波磁动势对气隙基波磁场的影响称为电枢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。三相旋转磁势的幅值在A相绕组轴线上此时A相交链的磁通为零，因感应电动势滞后磁通900，所以A相电势最大，则A相电流最大空间矢量图时间相量图三相旋转磁势的幅值总是与电流为最大值的一相绕组轴线重合时空矢量

将时间参考轴与A相绕组轴线重合，得到时-空矢量图空间矢量图时间相量图

交轴磁动势所产生的电枢反应为交轴电枢反应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。2.Ψ0=90时

电流滞后电动势90°时轴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

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。Í滞后时È0的时-空矢量图Í超前È0时的时-空矢量图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（电网电压恒定）

，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

复习

课后思考：6-1、6-2、6-3电枢反应对运行性能的影响6.3隐极同步发电机电压方程、相量图和等效电路一、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。（分磁路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：励磁电势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

jÍXaĖoĖ

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励，直轴电枢反应为去磁

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

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F1，然后利用电机的磁化曲线（空载特性曲线）求出及相应的E

空载特性曲线2、电压相量图和磁势矢量图

Ù

Íφ

ÍRa

jÍXσ

Ė

F1Ff1Fa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。

隐极同步发电机主极磁动势分布对应正弦波磁场对应阶梯波磁场*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动势作用于直轴上时，

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，用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换算到励磁磁动势时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）

凸极同步发电机的相量图Øo

Í

Íd

Ψo

Íq

δ

ÍRa

jÍqXq

jÍdXdÈo

Ù

φ

已知Ù、Í、COSφ及电机参数，先假定ψ0，画相量图步骤如下：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角的确定三、直轴和交轴同步电抗的意义

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*=1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、转矩方程和功角特性

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－(pmec+pFe)=Pe

T1－T0=Te

三.电磁功率

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，交轴电枢反应使电枢合成磁场与主极磁场之间出现相角差，从而产生电磁转矩在发电机中，电枢合成磁场超前于主极磁场。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。四、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。一、用空载特性和短路特性确定Xd1．空载特性6.6同步电机参数的测定

为了定量进行计算，除了需知道电机的工况外（端电压、电流、功率因数），还应给出同步电动机的参数。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。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。

空载时U0=E0

2．短路特性短路时，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，而当I*=1时，一般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Xd不饱和值确定4.Xd的饱和值

饱和程度由F或E决定

电机正常运行时

Xd饱和值确定UN→If0→I'对于隐机同步电机二.短路比kc

Kc的确定例:有一台25000KW、10.5KV（星形联结）、cos=0.8（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：作气隙线从气隙线上查出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直轴电枢等效磁动势零功率因数特性零功率因数负载实验接线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。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

。3.作图法求定子漏抗和电枢等效磁动势

已知

即可求得Xσ和直轴电枢等效磁动势注：

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。kongzaihe空载和零功率因数负载时的磁场分布为了补偿电枢直轴去磁磁动势而增加主极磁动势∵

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，

xdIminUmax

与q轴重合时，

xqImaxUmin

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

、同步发电机的运行特性1、外特性外特性调整特性效率特性同步发电机的外特性

由外特性求电压调整率

2、调整特性同步发电机的调整特性

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、用电动势——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

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。编程：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运行本节主要讨论并联运行的条件，以及并联后发电机有功功率、无功功率的调节

电网无穷大一、同步发电机投入并联运行的条件和方法

以上三个条件中，第一条必须满足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。相序不同时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。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E0与U的大小不等或相位不同时频率不同时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.投入并联的方法和步骤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：准确同步法，自同步法

全部满足投入并联的条件，准确同步法；部分满足投入并联的条件，自同步法。

1、准确同步法直接接法同步指示器：最简单的同步指示器由三个指示灯组成。分为直接接法和交叉接法两种。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

uAucUBUA’UB’Uc‘UA’UB’Uc’uAuBucUA’UB’UC’uAuBuc在灯光全部熄灭时，合闸投入并联，直接接法也称为灯光熄灭法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

采用直接接法时，若出现灯光旋转现象，说明相序不同；采用交叉接法时，若出现灯光同时明暗现象也是相序错误。

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。准整确同步法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、自同步法为了将发电机迅速投入电网，可采用自同步法。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，（此时相当于一台感应电机）（3）再立即加励磁电流（有冲击电流）牵入同步。二、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有平衡状态的能力。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

随着电力系统的不断发展，超高压远距离输电线路相继投入运行，电网电压和无功功率的调节成为一个突出问题。

当电网处于高峰大负荷运行时，感性负荷引起电压下降，当电力负荷处于低谷期时，由于线路电容效应产生的无功功率引起电网电压升高。而现代城市电网均采用高压电缆供电方式，引起电力系统电容电流的增加，导致容性充电功率进一步加大。

低谷时期电网电压升高问题更为突出。三、无功功率的调节和V形曲线

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。忽略电枢电阻和磁饱和影响，原动机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同步发电机的V形曲线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

jÍXa过励，直轴电枢反应为去磁由隐极同步发电机额定运行时的相量图，各相量分别乘以3U/XS，可得到功率三角形，斜边OA为视在功率，两直角边分别为有功功率和无功功率。1、发电机运行容量图发电机运行容量图表示发电机在端电压和冷却介质温度为额定值的条件下有功功率和无功功率的关系，称为发电机输出能力曲线或运行容量图。隐极发电机运行容量图四、功率因数变化时发电机的输出能力

若A点为该发电机额定运行点对应的额定有功功率为PN对应的额定无功功率为QN当A点到达纵轴时，功率因数为1当A点到达横轴时，功率因数为0运行容量图(1)迟相运行范围迟相运行时为保证定、转子电流不超过额定，以B点为圆心，AB为半径，弧AC为转子额定电流图；以O点为圆心，OA为半径，弧AG为定子额定电流图，两圆弧交点A点为定、转子电流同时达到额定值。当增大迟相运行时，由于受转子电流限制发电机运行点不能超过弧AC，C点为，无功功达到极限当由A点降低功率因数时，受转子电流限制，到C点无功功率最大。由A点提高功率因数时，电枢反应去磁作用减小，所需励磁电流减小，主要受定子电流限制，此时转子绕组未充分利用迟相运行范围为OEDACO组成的区域另外增加有功功率还受原动机输出功率极限的的限制此时定子绕组未充分利用当进相运行时，所需励磁电流减小此时受定子电流限制发电机运行点不能超过弧AG，E点为，有功功达到极限，线段BF为考虑静态稳定的极限进相运行容量（即P和Q的值）应由（1）定子铁心端部过热（2）静稳定极限（3）定子过电流三者中的最小极限确定。(2)进相运行范围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、同步电机的可逆运行原理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

若仍用发电机惯例分析I超前E0电枢反应为增磁I滞后E0电枢反应为去磁

大于900，即此时发出负的电功率，相当于输入正功率二、同步电动机1、同步电动机的电压方程和相量图ÙÈojÌMXsψoMδMÌMRaÌM=-Ì隐极同步电动机相量图隐极同步电动机等效电路ÈoÙÌMRaÌM=-ÌδMψoMÌÌdMÌqMjÌdMXdjÌqMXq凸极同步电动机相量图2、同步电动机的功角特性，功率方程和转矩方程

功角特性整步功率系数及过载能力与发电机相同功率和转矩方程

3、同步电动机的运行特性

运行特性(1)工作特性

电磁转矩特性电枢电流特性效率特性与其他电机相同功率因数特性从图可见，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。图示表示不同励磁电流时同步电机的功率因数特性(2)V形曲线隐极同步电动机，忽略RaÈoÈo"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6-7过励时功率因数变为超前4、同步电动机的起动

(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待转速接近同步速时，接入直流牵入同步异步起动阶段①异步转矩：与感应电动机相同②单轴转矩：励磁绕组产生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电阻大Tst大、Tpi小注：励磁绕组切勿开路，且必须串一大电阻（为限制单转转矩）③磁阻转矩：

④同步转矩：牵入同步阶段转速越接近ns，负载越轻越容易牵入同步转矩为交变分量，使转子转速发生震荡；当通入直流后，在同步转矩作用下即可牵入同步这两种转矩对牵入同步起决定作用

(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5、同步电动机的调速和控制方式（1）调速原理由改变供电电源的频率，可以方便地控制同步电动机的转速。对于隐极同步电机当转子励磁电流不变时，若采用恒电压/频率比控制，则同步电机的最大转矩保持不变。（2）控制方式

同步电动机变频调速系统可分为它控式和自控式两种。它控式是从外部（开环）控制变频器频率来准确地控制转速。这种控制方式简单，但有失步和振荡问题，对急剧升、降速必须加以限制。自控式是频率的闭环控制，用转子位置传感器随时检测定、转子磁极相对位置和转子的转速，由位置传感器发出的位置信号去控制变频器中主开关元件的导通顺序和频率。电机的转速在任何时候都与变频器的供电频率保持严格的同步，故不存在失步和振荡现象，三、同步补偿机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

2.同步补偿机的特点同步补偿机的转子上装有起动绕组，供异步起动之用。为提高材料利用率，大型补偿机常常采用氢冷。同步补偿机的额定容量是按过励时所能补偿的无功功率来确定，其容量主要受定、转子绕组温升的限制。由于补偿机不带任何机械负载，故可没有轴伸，对其机械结构要求亦较低。允许其同步电抗稍大，因而电机的用铜量较少、造价较低。其结构特点例PQSQ’S’Q”P’S”6.10同步发电机的不对称运行

（1）三相负荷不对称主要是大的单相负载，如电力机车、冶金电炉等（2）输电线路三相阻抗不对称电力系统的非全相运行，分时分相停电检修线路等长期不对称短期不对称短时间的三相不对称，主要指电力系统或发电机发生不对称短路时的运行状态，输电线路中单相重合闸的过程也为短期不对称状态。分析方法：

对称分量法

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

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励磁电动势为对称二、同步发电机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，电枢绕组流过对称正序电流时，同步发电机所表现的阻抗为正序阻抗。（与三相对称运行时相同）正序等效电路对于凸极电机对于不对称短路时，电阻远小于电抗，正序电流滞后E0约为900，为感性直轴电流接线示意图

2、负序电抗和负序等效电路

转子正方向同步速旋转，电枢磁势逆向同步速旋转。励磁绕组短接，电枢绕组流过对称负序电流时，同步发电机所表现的阻抗为负序阻抗。

Z－=R－

+jx－

对应于感应电机

接线示意图①无阻尼绕组时转子上只有励磁绕组时（相当于感应电机转子绕组）负序磁场与直轴重合时直轴负序阻抗为Z-d由于负序磁场时而与直轴重合、时而与交轴重合因此负序阻抗值是变化的取上述两个典型位置平均值作为负序阻抗值直轴等效电路

对转子有无阻尼绕组两种情况分别研究负序阻抗Z-介于直轴与交轴之间当负序磁场与交轴重合时，交轴负序阻抗为Z-q注：交轴上通常无励磁绕组，所以无转子励磁支路参数交轴等效电路

直轴超瞬态电抗

②转子有阻尼绕组时

参照双笼转子感应电动机等效电路有阻尼绕组的直轴等效电路交轴超瞬态电抗

有阻尼绕组的交轴等效电路

阻尼回路参数对负序电抗影响较大负序等效电路3、零序阻抗和零序等效电路

转子正方向同步速旋转，励磁绕组短接，电枢绕组通过零序电流，同步发电机所表现的阻抗为零序阻抗。上述分析可见：同步发电机的各序电抗不相等零序等效电路接线示意图三、同步发电机的单相短路

如图所示，设A相短路，B、C相开路

同步发电机单相短路电压、电流的各相序分量等效电路实际上

A相绕组中还包含谐波电流

定子中含有

1，3，5，…

奇次谐波转子中含有

0，2，4，…

偶磁谐波相应地

uBuC

中也会有一系列的奇次谐波电压

四、同步发电机的线间短路

如图所示，设B、C相发生线间短路，A相为空载A相开路电压为：根据约束条件连接的等效电路五、不对称运行对发电机的影响

（1）发电机气隙磁场为椭圆形旋转磁场,

负序电流使发电机发热严重（2）负序转矩引起振动力矩（3）负序磁场在转子绕组及转子铁心内感应100HZ的感应电流引起铁耗电机效率降低（4）存在一系列高次谐波，使定子绕组过电压（5）对系统中的感应电动机运行产生影响（6）对通信线路引起高频干扰6.11同步发电机的三相突然短路同步发电机突然短路时，各绕组中会出现很大的冲击电流，其峰值可达额定电流的10倍以上，因而将在电机内产生很大的电磁力和电磁转矩。为了简化分析，作如下假设：(1)在整个电磁瞬态过程中，转子转速保持同步转速；(2)不计磁路饱和，可利用叠加原理来分析；(3)突然短路前，发电机空载运行；(4)转子上只有励磁绕组。研究突然短路,就是要确定短路电流的初始值和终值对于超导体闭合回路而言，无论外磁场交链的磁链如何变化，由感应电流产生的磁链恰好抵消其变化，从而保持磁路总的磁链不变，即为超导体闭合回路磁链守恒原理。实际电机的定转子绕组都有电阻要消耗一定能量磁链不能守恒，但磁链不能突变所以在研究突然短路时，可认为突然断路最初一、两个周波磁链不变。一、超导回路磁链守恒原理超导电阻为零二、三相突然短路过程中的基本电磁关系

假设：1、突然短路前发电机空载且短路发生在机端

2、突然短路后发电机的转速及励磁电流不变

3、电机磁路不饱和

4、先不计绕组电阻三相绕组中励磁磁链的波形1．定子各相绕组的磁链短路时刻励磁