第六章同步电机

转子转速与电网频率之间具有固定不变的关系：第一节同步电机的基本结构和运行状态第二节空载和负载时同步发电机的磁场第三节隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路第四节凸极同步发电机的电压方程和相量图第五节同步发电机的功率方程和转矩方程第六节同步电机参数的测定第七节同步发电机的运行特性第八节同步发电机与电网的并联运行第九节同步电动机与同步补偿机第十节同步发电机的不对称运行第十一节同步发电机的三相突然短路第六章同步电机的稳态分析异步电机和同步电机的区别：异步电机(感应电机)的工作原理是通过定子的旋转磁场在转子中产生感应电流,产生电磁转矩,转子中并不直接产生磁场.因此,转子的转速一定是小于同步速的(没有这个差值,即转差率,就没有转子感应电流),也因此叫做异步电机.

而同步电机转子本身产生固定方向的磁场(用永磁铁或直流电流产生),定子旋转磁场"拖着"转子磁场(转子)转动,因此转子的转速一定等于同步速,也因此叫做同步电机.作为电动机时,大部分是用异步机;发电机都是同步机。异步电机基本原理：(1)当三相异步电机接入三相交流电源时，三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场。(2)该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感应原理,转子导体产生感应电动势并产生感应电流。（3）根据电磁力定律，载流的转子导体在磁场中受到电磁力作用，形成电磁转矩，驱动转子旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。同步电机分为同步发电机和同步电动机。现代发电厂中的交流机以同步电机为主。最常用的是磁极式同步发电机,其定子铁心的内圆均匀散布着定子槽，槽内嵌放着按规律排列的三相对称绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。同步发电机工作原理：◆主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。◆切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。◆交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。◆交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。

第一节同步电机的基本结构和运行状态一、同步电机的基本结构旋转电枢式同步电机隐极式同步电机凸极式隐极式旋转磁极式旋转电枢式同步电机凸极式同步电机主要部件由硅钢片叠成。对称三相绕组。①定子铁心：②定子绕组：③机座和端盖等。①转子铁心：由整块铸（锻）钢制成。②励磁绕组：工作时施加直流励磁。③阻尼绕组和转轴等。阻尼绕组(2)转子(1)定子（电枢）励磁方式(1)直流励磁机励磁励磁绕组由小型直流发电机供电。(2)静止整流器励磁交流励磁机→整流→直流电(3)旋转整流器励磁交流励磁机→整流→直流电→励磁绕组。电刷集电环励磁绕组。转子结构由主磁极、磁轭、励磁绕组、集电环和转轴组成。定子结构由机座、铁心和定子绕组构成。1）转子：细而长的圆柱形，一般由高机械强度和导磁性较好的整块合金钢锻成，和转轴做成一个整体。励磁绕组是扁铜线绕成的同心式线圈。一般用于高速汽轮发电机，以及少数两极的高速同步电动机。1、隐极式同步电机汽轮发电机均为卧式结构。2）定子：由定子铁心、定子绕组、机座、端盖等组成。定子铁心一般用0.5mm硅钢片叠装而成，轴向每叠厚度3～6cm，叠与叠间为0.8～1cm。2、凸极同步电机1）卧式同步电机结构一般用于低速水轮发电机，同步电动机、由内燃机拖动的同步发电机以及同步补偿机。10000kW水轮机转子2)阻尼绕组转子磁极阻尼绕组左右视图在同步电动机和补偿机中为起动绕组用。在同步发电机中，起抑制转子机械震荡的作用。国产300MW汽轮发电机国产200MW汽轮发电机定子国产200MW汽轮发电机定子铁心转子主极磁场超前于定子合成磁场，δ>0。1、发电机运行状态把定子合成磁场与转子主极磁场之间的夹角称为功率角δ二、同步电机的运行状态发电机主极主极表征定子合成磁场的等效磁极转子主极磁场与定子合成磁场的轴线重合，δ=0。2、补偿机或空载运行补偿机主极主极表征定子合成磁场的等效磁极转子主极磁场滞后于定子合成磁场，δ<0。3、电动机运行状态电动机主极主极表征定子合成磁场的等效磁极三、同步电机的励磁方式（4）励磁系统应能长期可靠地运行，维护要方便，且力求简单、经济。（3）当同步电机内部发生短路故障时，应能快速灭磁；（2）当电力系统发生故障而使电网电压下降时，励磁系统应能快速强行励磁；（1）能够稳定地提供同步电机从空载到满载以及过载时所需的励磁电流；励磁系统应满足的要求：

供给同步电机励磁电流的装置，称为励磁系统。１、直流励磁机励磁带副励磁机的直流励磁系统主励磁机同步发电机副励磁机２、静止整流器励磁1）他励：励磁机为交流发电机，容量可以做大，用于容量较大的汽轮发电机中他励式静止整流器励磁系统自励恒压器～～～电压调整器交流副励磁机交流主励磁机可控整流器不可控整流器主发电机电压互感器电流互感器2）自励：系统便于维护，简单。用于中小型发电机中。自励式静止整流器励磁系统～电压调整器可控整流器主发电机电压互感器电流互感器励磁可靠，适合于防燃防爆的场合，但励磁回路灭磁时间常数较大。多用于大、中容量的汽轮发电机、补偿机及在特殊环境中工作的同步电动机。３、旋转整流器励磁旋转式整流器励磁系统自励恒压器～～～电压调整器交流副励磁机电枢旋转式交流主励磁机可控整流器不可控整流器主发电机电压互感器电流互感器旋转部分四、额定值同步电机的额定值有（1）额定容量SN（或额定功率PN）：指额定运行时电机的输出功率。同步发电机的额定容量既可以用输出的视在功率表示，也可以用有功功率表示。同步电动机的额定功率是指轴上的输出功率。补偿机则是指输出的最大无功功率。（2）额定电压UN：指额定运行时定子的线电压。（3）额定电流IN：指额定运行时定子的线电流。（4）额定功率因数cosψN：指额定运行时电机的功率因数。（5）额定频率fN

：指额定运行时电枢的频率。我国标准工频规定为50Hz。（6）额定转速nN。指额定运行时电机的转速。第二节空载和负载时同步发电机的磁场一、空载运行转子以同步转速旋转，转子励磁绕组通入直流励磁电流，电枢绕组开路或电枢电流为零。激磁电动势E0：主磁极磁场在定子绕组内感应的电动势。转子以同步速旋转，主磁极在气隙中形成旋转磁场，它切割对称三相定子绕组，在定子绕组中感应频率为f1的一组对称三相电动势。空载运行,电枢电流为零,电机内只有转子励磁电流建立的主极磁场.主极磁通分为主磁通和漏磁通,主磁通与定子绕组铰连,漏磁通只与转子励磁绕组铰链。主磁路包括气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭。同步电机的空载磁路改变激磁电流，可得到不同的主极磁通和相应的激磁电动势，从而得到电机的空载特性：不计高次谐波，每相激磁电动势有效值：同步电机空载特性空载特性气隙线转子以同步速旋转，负载后，电枢流过三相对称电流，电枢绕组产生电枢磁动势和电枢磁场，电枢磁动势基波与转子同速旋转，结果，负载后气隙内磁场由电枢磁动势和主极磁动势共同作用产生。电枢反应：电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场对主极磁场的影响。电枢反应使气隙磁场发生畸变，从而产生机电能量的转换。同时对主极磁场有去磁或增磁的作用。二、对称负载时的电枢反应同步电机的空载磁路电枢反应性质：（对主极是去磁、增磁、还是交磁）取决于电枢磁动势和主极磁场在空间的相对位置。电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置就是激磁电动势和负载电流之间的相位差加。Ψ0---内功率因数角，激磁电动势和负载电流之间的相位差。根据不同的Ψ0，分情况分析图A瞬间各相相量如图B所示:A相铰链磁通为零，感应电动势最大，电流最大。定子电枢反应合成磁动势与A相轴线重合。Fa与Ff均以同步转速旋转，其他瞬间，Fa的轴线恒与转子交轴重合，可见，时，Fa是一个交轴磁动势。B、时间相量图时间参考轴A、定子绕组内电动势、电流和磁动势的空间矢量图A相轴线1、电枢电流与激磁电动势同相位时交轴电枢磁动势所产生的电枢反应称为交轴电枢反应。B、时间相量图时间参考轴交轴电枢反应作用：电枢反应磁场Ba与主磁场B0形成一定的空间相角差，从而产生一定的电磁转矩，主磁场超前于气隙合成磁场，电机为发电机状态。A、定子绕组内电动势、电流和磁动势的空间矢量图A相轴线空间矢量图和时间相量图都比较复杂，寻求用一个较简单的时空统一矢相量图来表示相位关系。B、时间相量图时间参考轴A、定子绕组内电动势、电流和磁动势的空间矢量图A相轴线空间适量图与时间相量图的特点：用电角度表示，主磁场B0与电枢磁动势Fa之间的空间相位关系，恰好与铰链A相的主磁通与A相电流之间的时间相位关系相一致，且空间相量与时间相量均以同步旋转。把时间参考轴与A相绕组轴线取为重合，即得时--空统一矢相量图。C、时-空统一矢量图B、时间相量图时间参考轴A、定子绕组内电动势、电流和磁动势的空间矢量图A相轴线C、时-空统一矢量图B、时间相量图时间参考轴A、定子绕组内电动势、电流和磁动势的空间矢量图A相轴线时空统一矢相量图画法：三相相量对称，在统一矢量图中只画出A相相量，并省略下标A，写成、、。Ff既代表主极基波磁动势空间矢量，也表示时间相量的相位；既代表A相电流相量，又表示电枢磁动势Fa的空间相位。A、电枢电流滞后激磁电动势时空间矢量图2、电枢电流与激磁电动势不同相时A相时间相量图时间参考轴图中瞬间，t=0时A相绕组激磁电动势达到最大值。但电枢电流滞后于激磁电动势，则时A相电流达到最大值，即从图中瞬间开始，秒后，Fa的幅值才与A相绕组轴线重合，而图中瞬间，电枢磁动势矢量在距离A相轴线电角度处，即Fa滞后于Ff以电角度。Fa与Ff同向、同速旋转，相对位置保持不变。交轴电枢反应作用：产生电磁转矩。电枢电流超前激磁电动势时的时-空统一矢量图电枢电流滞后激磁电动势时时-空统一矢量图Ψ0≠0O时同步发电机的电枢反应隐极同步发电机负载时的磁场分布交轴直轴电枢电流滞后于激磁电动势，直轴去磁；电枢电流超前于，则直轴反应是增磁的。直轴反应将使电枢激磁电动势发生变化，影响功率因数或端电压。直轴电枢反应：第三节隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路一、不考虑磁饱和时电压方程、相量图、等效电路1、不考虑磁饱和时电压方程电流、磁动势和电动势的关系(不计磁饱和)：负载时，气隙磁通为主极磁动势和电枢磁动势合成激励的合成磁通，气隙磁通在一相绕组中感应的电动势称为气隙合成电动势：定子转子电枢绕组端电压：隐极同步电机同步电抗。整理：不计磁饱和电枢反应电动势写成负电抗压降形式（不计定子铁耗）为电枢反应电抗。同步电抗是表征对称稳态运行时电枢反应和电枢漏磁这两个效应的综合参数。电枢绕组端电压：隐极同步发电机相量图2、不考虑磁饱和时相量图δδ功角δ意义的图示A：NSFδδNSFfT1nTemn1功角δ意义的图示B功角δ

是转子磁极轴线和定子合成磁极轴线的空间夹角。隐极发电机等效电路～3、不考虑磁饱和时等效电路二、考虑磁饱和时电压方程相量图电枢端电压：1)先求出合成磁动势，2)利用空载特性曲线求出气隙磁通和气隙电动势。即：由磁动势确定电动势空载曲线1、考虑磁饱和时电压方程气隙合成电动势的求解1)电枢反应磁动势为正弦;2)而主极磁动势以及空载特性曲线中磁动势为梯形波磁动势;因此求合成磁动势时电枢磁动势需乘以换算系数换算成梯形波。

——一安匝的基波电枢磁动势相当于多少安匝的梯形波主极磁动势。气轮发电机主极磁动势的分布一般汽轮发电机：电枢磁动势乘以换算系数的原因：2、考虑磁饱和时统一矢相量图（已知及电机的参数）1）先用相量图求出一相气隙电动势由磁动势确定电动势空载曲线磁动势的矢量图和电动势的相量图2）利用空载特性求出合成磁动势F2、考虑磁饱和时统一矢相量图（已知及电机的参数）3）求出电枢反应磁动势。4）求出励磁磁动势空间矢量。5）求出同步发电机空载电动势。由磁动势确定电动势空载曲线磁动势的矢量图和电动势的相量图作电动势-磁动势图时，理论上讲，应当从负载时电机的磁化曲线上查出与气隙电动势E对应的合成磁动势F。但为简化计算，习惯上仍用空载时电机的磁化曲线(即空载曲线，)来查取F。为弥补由此引起的误差，通常计算气隙电动势E时，通常用波梯电抗Xp来代替定子漏抗Xσ式中，Xp比Xσ略大，Xp=Xσ+XΔ；XΔ是考虑负载时转子漏磁比空载时增大而作出的修正。考虑饱和的另一种方法时，通过运行点将磁化曲线线性化，并找出相应的同步电抗饱和值Xs(饱和)，把问题化作线性问题来处理。第四节凸极同步发电机的电压方程和相量图一、双反应理论电枢磁动势分成直轴和交轴凸极同步电机的气隙是不均匀的，极面下气隙较小，两极之间气隙较大。直轴气隙比磁导大于交轴比磁导。

(磁阻为Rm=l/μ0A，单位面积A＝1，气隙长度l=δ,比磁导λ＝μ0/δ)根据磁导表达式，它与气隙长度δ成反比。电枢表面不同位置处的气隙比磁导直轴和交轴电枢反应交轴直轴直轴一个相同幅值的磁动势作用在交轴和直轴时，激励的磁场波形不相同，直轴磁密幅值大于交轴磁密幅值，且交轴磁密基波幅值与交轴磁密幅值相差较大，直轴磁密基波幅值与直轴磁密幅值相差较小。利用空载特性曲线求取电枢反应电动势时需要对相应的磁动势进行波形换算（换算到励磁磁动势），交轴换算系数：直轴换算系数：若电枢磁动势在空间任意位置时：1）把电枢磁动势分解成直轴和交轴两个分量；2）再用对应的直轴磁导和交轴磁导分别算出直轴和交轴电枢反应；3）最后再把它们的效果叠加起来。这种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来分别处理的方法，就称为双反应理论。二、不计磁饱和时凸极同步发电机的电压方程和相量图采用发电机惯例：凸极同步发电机相量图电枢电流与激磁电动势的相位差就是电枢电流与转子交轴的相位差。1、不计磁饱和时凸极同步发电机的电压方程：交轴电枢反应电抗。：直轴电枢反应电抗，不考虑磁饱和：采用发电机惯例：：交轴同步电抗，：直轴同步电抗。整理：凸极同步发电机相量图2、凸极同步发电机电动势相量图已知发电机端电压、电流、功率因数角以及电机参数电压方程：电枢电流分解成直轴和交轴两个分量：1）先确定角。两边同减，并设——虚拟电动势相量与垂直,与同相位,和同相位.ψ0角的确定3）等效电路2）根据电压方程画出凸极电机相量图～电压方程：凸极同步发电机相量图三、直轴和交轴同步电抗的意义直轴和交轴同步电抗分别代表着电枢反应磁动势作用在具有不同气隙宽度的转子交、直轴时在电枢中产生的电枢反应电动势的大小。凸极同步电机中，直轴和交轴下的气隙不等，相应的代表着交、直轴反应的交轴同步电抗和直轴同步电抗不相等。电枢反应为交轴电枢反应为直轴隐极电机：凸极电机：直轴下的气隙比交轴小N1：绕组每相串联匝数；：电枢漏磁通所经磁路的磁导；：直轴和交轴电枢反应所经磁路的等效磁导；：稳态运行时直轴和交轴的电枢等效磁导；凸极同步发电机的相量图与同相位例6-1一台凸极同步发电机，其直轴与交轴同步电抗的标幺值Xd*=1.0Xq*=0.6Ra*=0U*=1I*=1cosφ=0.8（滞后）求：E*0（不饱和值）解：E0*

=U*cos+Id*xd*

=1×cos19.44+0.8321×1.0=1.755例：6-2，有一台400kW、6300V（星形联结）、（滞后）的三相凸极同步电机，若发电机在额定状态下运行，相值，试求该机的Xd和Xq（不计磁饱和与电枢电阻）解：已知凸极同步发电机相量图凸极同步发电机相量图【例题6-3】

某三相同步发电机，已知U1L=11kV，Y形联结，I1=460A，

=0.8（电感性），Xd=16Ω，Xq=8Ω，Ra忽略不计。求Ψ、δ、E0

。解：U1=U1L3==6351V11×1031.732tanΨ=

U1sin

＋XqI1U1cos

6351×0.6＋8×4606351×0.8=

=1.474Ψ=arctan1.474=55.85o

=

arcos0.8=36.87oδ=Ψ－

=55.85o－36.87o=18.98o

E0=U1cosδ

＋XdId=(6351×cos18.98o＋16×460×sin55.85o)=12096.63V第五节同步发电机的功率方程和转矩方程一、功率方程发电机转矩方程：二、转矩方程电枢端点输出功率：电磁功率：：电磁转矩。

:原动机驱动转矩；:发电机空载转矩；三、电磁功率从凸极电机相量图有：对于隐极电机：凸极电机相量图上式表明，要进行机电能量转换，电枢电流中必须要有有功分量。凸极同步电机相量图同步电机气隙合成磁场A相轴线由于交轴电枢反应的存在，气隙磁场发生畸变，电枢合成磁场与主极磁场之间出现相角差。在发电机中，交轴电枢反应使主极磁场超前于电枢合成磁场，主极上受到一个制动性质的电磁转矩；在旋转过程中，原动机克服电磁转矩而做功，并通过在绕组内产生运动电动势和向电网输出有功功率，使机械能转换为电能。凸极电机忽略电枢电阻压降,。电枢电流交轴分量越大,交轴电枢反应越强,功率角越大,输出功率越大。凸极同步电机相量图第六节同步电机参数的测定一、用空载特性和短路特性确定Xd1、空载特性曲线的测定电枢开路（空载），发电机拖到同步转速，改变，并记取相应的至到

左右，得到空载特性曲线：空载特性气隙线空载特性曲线注意：在绘制空载特性曲线时，应把E0换算成相值。同步电机的电枢端点三相短路，拖到同步转速，调节励磁电流If，使电枢电流，得到短路特性曲线。2、短路特性曲线的测定一般,短路时磁路不饱和。结果：短路特性电枢励磁3、Xd的确定1）不饱和Xd值用空载和短路特性来确定不饱和Xd气隙线空载特性短路特性Xd饱和值和短路比的确定气隙线空载特性短路特性2）饱和Xd值主磁路的饱和程度取决于实际运行时作用在主磁路上的合成磁动势，因而取决于相应的气隙电动势，如果不计漏阻抗压降，则可近似地认为取决于电枢的端电压。通常就用对应于额定电压时的为饱和值。[例6-3]

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：在励磁电流Ifk=280A下，由短路特性查出，短路电流I=1718A；所以同步电抗为试求：同步电抗。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，KV；解用标幺值计算时从空载和短路特性可知，If0=155A，Ifk=280A同步电抗的饱和值（标幺值）则为：饱和值小于不饱和值二、用转差法测定Xd和Xq1）被试同步电机用原动机驱动到接近同步转速，励磁绕组开路；2）在定子绕组上施加约为（2～5）％UN的三相对称低电压，外施电压的相序必须使定子旋转磁场的转向与转子转向一致；3）调节原动机的转速，使被试电机的转差率小于0.5％，但不被牵入同步，使定子旋转磁场的轴线交替地与转子直轴和交轴相重合；4）采用录波器录取试验中的电机端电压和电流波形。1、试验方法因为没有励磁电流，因此E0=0定子电枢磁场同转子转动速度不同电枢磁场同转子直轴重合因此定子电流最小，I=Imin电枢电抗最大，Xd电枢磁场同转子直轴重合时：线路压降最小，端电压最大，U=Umax电枢磁场同转子交轴重合因此定子电流最大，I=Imax电枢电抗最小，Xq电枢磁场同转子交轴重合时：线路压降最大，端电压最小，U=Umin测出的Xd和Xq均是不饱和值。当定子旋转磁场与交轴重合时：当定子旋转磁场与直轴重合时：2、Xd和Xq计算转差试验时的端电压和定子电流波形ｄ轴ｄ轴ｑ轴第七节同步发电机的运行特性一、同步发电机的运行特性1、外特性同步发电机外特性同步发电机外特性凸极同步发电机相量图额定电压调整率：额定励磁电流下的端电压变化率。对于凸极同步电机：对于隐极同步电机：从外特性求电压调整率保持不变，相应端电压为，2、调整特性(1)在感性负载和纯电阻负载时，调整特性是上升的，原因：随电枢电流的增大，电枢去磁和电枢漏抗压降增大，为保证端电压保持为额定值不变，必须提高励磁电流(2)容性负载时，调节特性有可能下降从调整特性确定发电机的额定励磁电流:同步发电机调整特性凸极同步发电机相量图3、效率特性300MW双水内冷水轮发电机的效率特性空气冷却时:大型水轮发电机:大型气轮发电机:。氢气冷却时相应提高0.8％。总损耗确定后：杂散损耗包括：漏磁涡流损耗高次谐波表面损耗基本损耗包括：电枢基本铁耗电枢基本铜耗励磁损耗机械损耗同步电机的损耗分为基本损耗和杂散损耗。二、用电动势、磁动势图求取额定励磁电流和电压调整率1）求出额定情况下发电机的气隙电动势。发电机空载特性，电枢电阻Ra、波梯电抗XP、额定电流时电枢等效磁动势以及电机的额定数据（）已知。则测定额定励磁电流和电压调整率的方法：大型电机，不好带负载，因此用考虑饱和时电动势磁动势矢相量图求。用电动势-磁动势图确定同步发电机的IfN和△U空载特性2）在空载曲线上查取合成磁动势F。3）根据求出励磁磁动势FfN4）求额定励磁电流IfN5）求额定励磁下的空载电动势E06）求出电压调整率用电动势-磁动势图确定同步发电机的IfN和△U空载特性从理论上讲，这种用电动势-磁动势图的方法求额定励磁电流和电压调整率仅适应于隐极同步发电机。对凸极同步发电机，若以kadFa代替kaFa，所得结果误差很小，因此工程上亦用此法确定凸极同步发电机的IfN和u例6-15、有一台25000kW、10kV（星形联结）、cosψ=0.8（滞后）的汽轮发电机，其空载、短路试验的数据如下：已知发电机的波梯电抗，基本铁耗

，定子基本铜耗杂散损耗，机械损耗

，励磁绕组电阻，试求发电机的额定励磁电流、电压调整率和额定效率。空载曲线短路曲线UL/kV6.210.512.313.4614.1I/A17180.621.051.231.3461.41I*0.952If/A77.5155232310388If/A280解：画出空载曲线和短路曲线额定气隙电动势：隐极电机空载曲线短路曲线从短路曲线知：对应的漏磁磁动势励磁电流为18A。漏磁磁动势：空载曲线上取一点R，使空载曲线短路曲线取，在空载曲线上画出，查出合成磁动势F对应励磁电流，从短路特性求得的额定短路电流时电枢等效励磁磁动势对应的励磁电流包括主极励磁电流和漏磁励磁电流，因此额定电流时电枢等效磁动势对应励磁电流：空载曲线短路曲线额定效率：电压调整率：额定激磁电动势：额定主极励磁磁动势对应的额定励磁电流：空载曲线短路曲线第八节同步发电机与电网的并联运行一、同步发电机投入并联的条件和方法调励磁调大小，调转子瞬时速度调相位。3）发电机激磁电动势

应与电网电压大小相等，相位相同；2）发电机频率应与电网相同；1）发电机相序应与电网一致；1、投入并联的条件发电机投入并联时的情况电网～2、投入并联的方法a、直接接法（灯光黑暗法）1）准确整步法:把发电机调整到完全合乎投入并联的条件后投入电网。整步方法：准确整步法（准确同步法）和自整步法（自同步法）2）自整步法（自同步法）b、交叉接法（灯光旋转法）准确同步法的优点：投入瞬间没有电网和电机之间的电流冲击。缺点：同步手续比较繁杂，不适合快速并网。优点：投入迅速，不需要增添复杂装置。缺点：投入时定子冲击电流稍大。直接接法的接线和相量图a、直接接法（灯光黑暗法）电网待投入的发电机三个同步指示灯分别跨接在电网和发电机的对应相之间。若频率，三个灯将同时亮暗．若频率，三个灯将不再闪烁．若相序不同，三个灯将轮流暗亮．调发电机相序和转速、电压、相位到三个灯同时熄灭，且电压表指示为０时，发电机满足投入并联条件。b、交叉接法（灯光旋转法）交叉接法的接线和相量图电网待投入的发电机灯１接在Ａ和Ａ‘之间，灯２接在Ｂ和Ｃ’之间，灯３接在Ｃ和Ｂ‘之间．若频率，三个同步指示灯交替暗亮，形成灯光旋转．调发电机转速、电压、相位到灯１灭，灯２灯３亮度相同，且电压表指示为０时，发电机满足投入并联条件．优点：能看到电机频率比电网频率的高低。2、自整步法（自同步法）3）把发电机投入电网，后立即加上直流励磁。依靠定转子间形成的电磁转矩把转子自动牵入同步。2）按规定方向把发电机拖到接近于同步转速，励磁绕组经限流电阻短接。1）检验发电机相序自同步法步骤：自整步法的接线示意图待投入的发电机待投入的发电机励磁电源二、与电网并联时同步发电机的功角特性1、功角特性激磁电动势和端电压之间夹角δ叫功率角，当E0和U保持不变时，发电机发出的电磁功率与功率角之间的关系为功角特性。通过功角特性可以分析同步电机接在电网上运行时发出的有功功率、机组的稳定性，还可以说明发电机与电动机之间的联系和转化。电磁功率：输出电功率从而有：而:1）凸极同步电机不计电枢电阻时凸极同步发电机相量图同步电机的功角特性：同步电机的功角特性电动机发电机同步电机的功角特性电动机发电机令：得：2）隐极电机同步电机的功角特性电动机发电机2、功率角δ的含意凸极同步发电机时-空统一矢量图功率角是时间相量与之间的相角差。激磁电动势由主磁场感应产生;电枢端电压（电网电压）可认为由电枢合成磁场（包括主磁场、电枢反应磁场和电枢漏磁场）感应产生；在时-空统一矢量图中，和分别超前于和以电角度；于是可近似认为功率角δ是主极磁场与电枢合成磁场之间的空间相角差。功率角δ的含意发电机功率角的近似空间表达主极主极表征定子合成磁场的等效磁极凸极同步发电机时-空统一矢量图三、有功功率的调节和静态稳定开始投入并联时：1、有功功率的调节（以隐极电机为例）同步发电机与电网并联时有功功率的调节～a）b）把容量极大的恒频恒压的交流电网叫作无穷大电网。同步发电机并联到无穷大电网后，其频率和端电压将受到电网的约束而与电网相一致。增加原动机输入功率，转子磁场瞬间加速，转子磁场将超前，从而c）d）可见，要增加发电机输出有功功率，必须增加原动机的输出功率，使功率角δ增大，电磁功率和输出功率相应增加；直到时，电磁功率达到极限值。2、静态稳定（以隐极电机为例）

:整步功率系数。与无穷大电网并联时同步发电机的静态稳定性稳定不稳定发电机运行在A点（）能抗干扰，运行稳定。运行在B点（），受扰动影响时运行不稳定。对于凸极发电机：对于隐极发电机：3、过载能力发电机最大电磁功率与额定功率之比气轮发电机：隐极电机：从两个公式看出

发电机最大功率和整步系数正比于，反比于，所以增大励磁、减小同步电抗可提高功率极限和静态稳定性。水轮发电机：功角特性整步功率系数四、无功功率的调节1、发电机在理想状态下并联合闸到电网。以隐极电机来说明并联在电网上的同步发电机无功功率的调节。忽略电枢电阻和磁饱和的影响。发电机处于纯无功补偿运行保持原动机功率不变:1）正常励磁时忽略电枢电阻和饱和影响,根据功率平衡U和Xs为定值:2、发电机带有功负载时无功功率的调节过做水平线AB，过作垂线CD。以端电压为水平参考相量作相量图，相量垂直于。改变励磁电流大小，激磁电动势将变化，但相量端点只能落在水平线AB上，相量端点只能落在垂线CD上。3）欠励磁:2）过励磁:五、功率因数变化时发电机的输出能力输出能力曲线：当发电机的端电压保持为额定值，输出的有功功率为P时，允许输出的最大无功功率Q与有功功率P之间的关系Q=f（P），就称为发电机的输出能力曲线。1、输出能力曲线N点是额定点。在NA段，受电枢绕组温升限制，电枢电流保持为额定值IN，发电机的功率因数从cosφN逐步上升到1，从N点到A点，电枢反应的去磁作用逐步减少，所需的励磁电流亦逐步减少，发电机输出能力主要受电枢电流（或者说电枢绕组温升）的限制。在NB段，由于功率因数降低，则电枢反应的去磁作用增大，为保持瑞电压为额定电压，在功率因数降低时，应当同时减少电枢电流和输出的视在功率值。因此从N点到B点，电枢电流逐步减少，发电机的输出能力主要受励磁电流（或者说励磁绕组温升）的限制。励磁电流保持为IfN，功率因数从COSφN逐步下降到0。输出能力曲线对发电厂和电力系统的调度人员十分有用，按照此曲线运行，一方面能使发电机充分发挥其能力，另一方面又保证了发电机的安全、可靠运行。2、输出能力曲线的求取为简单计，设发电机为隐极机，且不计电枢电阻和磁饱和的影响。1）先确定额定点：从原点起作直线ON，使ON与横坐标间的夹角等于额定功率因数角cosφN，ON的长度等于发电机的额定容量SN，即可得到N点。2）NA段NA段受制于电枢绕组的温升；NA段上各运行点的电枢电流始终保持为额定电流IN。于是在NA段上，P和Q的关系为NA段的P－Q曲线是一条以原点0为圆心、ON为半径的圆弧。3）NB段NB段主要受制于励磁绕组的温升；NB上各运行点的励磁电流保持为IfN（不计磁饱和时，就是使激磁电动势保持为E0N）。从而有上式两端分别乘以得NB段的P－Q曲线为：以O’点（坐标为）为圆心，为半径的圆弧。第九节同步电动机与同步补偿机一、同步电动机的电压方程和相量图沿用发电机惯例时隐极同步电动机的相量图1、沿用发电机惯例，以输出电枢电流为正方向2、用电动机惯例，以输入电枢电流为正方向1）隐极电机：发电机惯例电动机惯例电动机惯例隐极同步电动机相量图和等效电路～当超前时，取正值，当滞后时，取负值，当超前时，取正值，当滞后时，取负值，2）凸极同步电动机电枢反应超前为去磁，滞后为增磁采用电动机惯例后电动机惯例凸极同步电动机的相量图二、同步电动机的功角特性、功率方程和转矩方程输出转矩

空载转矩

电磁转矩转矩方程：从电网输入电功率：采用电动机惯例，把滞后的功率角规定为正值，表示。三、同步电动机的工作特性3）效率特性2）电枢电流特性1）转矩特性1、工作特性同步电动机工作特性忽略电枢电阻，电枢电流与输出功率成正比。4）功率因数特性5）过载能力曲线3：曲线2：曲线1：不同励磁时的功率因数特性超前滞后2、有功功率、端电压不变电枢电流与励磁电流关系电枢电阻和磁饱和忽略不计，调励磁前后输出功率不变,则有：若时励磁为正常励磁，则增大励磁，电枢电流增大且超前，电机输入超前的无功功率，发出滞后的无功功率。减小励磁，电枢电流增大且滞后，电机输入滞后的无功功率。恒功率、变励磁时隐极同步电动机的相量图稳定极限：调节励磁电流可调节电动机的无功电流和功率因数。同步电动机的V形曲线正常激励欠励过励滞后超前稳定极限V形曲线最低点为正常励磁、的工作点；其右侧为过励状态，功率因数超前；左侧为欠励状态，功率因数滞后。3、V形曲线：不同有功功率时电枢电流和励磁电流的关系曲线。四、同步电动机的起动

同步电动机在转子上装有类似异步电动机笼型绕组的起动绕组。先将同步机异步起动,待转速到接近同步速时投入励磁,电机牵入同步.3、异步起动

选用和同步电机极数相同的异步电机（5％～15％P2N）来拖动同步电动机，当转速接近同步转速时用自整步法牵入同步。2、辅助电动机起动1、变频起动用变频器从零频率开始变频起动,当电动机转速达到同步频率转速时,将电动机投入工频网异步起动的过程：3）将励磁绕组与直流励磁电源接通，旋转磁场将转子牵入同步。1）用电阻短接转子上励磁绕组。2）定子绕组接通电源，异步起动转速至。同步电动机异步起动时的转矩曲线合成转矩异步转矩单轴转矩异步转矩单轴转矩异步起动时，当励磁绕组上流过感应电流时，励磁绕组电流与定子旋转磁场作用，产生转差率为0.5的单轴转矩。1）励磁绕组短接电阻大，励磁绕组电压高，会损坏绝缘。2）短接电阻小，单轴转矩影响大，造成电机爬行在0.5ns附近，无法起动到同步速。一般短接电阻为励磁绕组电阻的5～10倍。五、同步补偿机结构特点：没有轴伸端，机械结构要求较低。允许同步电抗稍大，气隙较小，电机用铜较少，造价低。转子装有起动绕组。额定容量：按过励时所能补偿的无功功率来确定，容量主要受定、转子温升的限制。2、同步补偿机的额定容量和结构特点1、原理视为空载运行的同步电动机，过励时，补偿机从电网吸收超前无功电流，欠励时，从电网吸收滞后的无功功率。用于改善电网功率因数、不带任何机械负载的同步电动机。在电网受电端装设补偿机后电网电流相量图在电网受电端装设补偿机～感补同步发电机输电线例6-28、有一台同步电动机接到无穷大电网，电动机在额定电压下运行，已知电动机的同步电抗，定子电流为额定电流时功率角，试求：（1）此时的和；（2）该励磁下电动机的过载能力；（3）在此负载转矩下电动机能保持同步运行的最低；（4）转子失去励磁时电动机的最大电磁功率（标么值）。1）解：电枢电阻忽略不计电动机惯例凸极同步电动机的相量图激磁电动势：电枢电流直轴和交轴分量：试探法求得：电压、电流、功率角均为额定值电动机惯例凸极同步电动机的相量图2）电动机过载能力：即：3）最小激磁电动势令4）转子失去励磁，只有附加转矩第十节同步发电机的不对称运行一、对称分量法对三相不对称电压进行分解（以A相为基准）：任何一组不对称的三相电压或电流，总可分解为正序、负序和零序三组对称电压或电流，分解后的对称电压或电流称为原来不对称量的对称分量。电机为对称、磁路为线性，若电机端电压不对称，就把不对称的三相电压分解为正序、负序和零序三组电压，然后应用叠加原理，分别求出正序、负序和零序三组电压单独作用时电机内的各序电流和转矩，再把它们叠加，得到总的电流和转矩，这就是对称分量法。零序分量：负序分量：正序分量：二、同步发电机的各相序阻抗和等效电路同步发电机正序线路示意图同步发电机正序等效电路凸极电机：隐极电机：正序阻抗：转子正向同步旋转，励磁绕组接通，电枢三相绕组流过对称的正序电流，同步电机所表现的阻抗为正序阻抗。1、正序阻抗和正序等效电路电枢磁动势与交轴重合：电枢磁动势与直轴重合：正序激磁电动势：正序电压方程：2、负序阻抗和负序等效电路同步机负序电路接线示意图转子正向同步旋转，励磁绕组短接，电枢三相绕组流过一组对称的负序电流时，同步电机所表现的阻抗为负序阻抗。电枢流过对称负序电流时，电枢产生反向同步旋转磁场，与转子的相对速度为2ns，相当于感应电机s=2的情况。直轴负序阻抗：1）转子无阻尼绕组励磁绕组电阻和漏电抗折算值。转子上仅有励磁绕组时负序阻抗直轴等效电路直轴瞬态电抗：当时转子上仅有励磁绕组时负序阻抗交轴等效电路平均负序阻抗：交轴负序电抗：2）转子直轴和交轴有阻尼绕组转子上有阻尼绕组时负序阻抗直轴等效电路阻尼绕组直轴漏电抗和电阻折算值。直轴负序阻抗：转子上有阻尼绕组时负序阻抗交轴等效电路直轴负序电抗（直轴超瞬态电抗）：交轴负序阻抗：阻尼绕组交轴漏电抗和电阻折算值。平均负序阻抗：平均负序电抗：交轴负序电抗（交轴超瞬态电抗）：同步发电机负序等效电路负序电压方程：3）负序电压方程和等效电路电枢绕组激磁电动势为对称正序，无负序，因此激磁电动势负序分量：3、零序阻抗和零序等效电路电压方程：绕组为整距：绕组为短距：转子正向同步旋转，励磁绕组短接，电枢三相绕组流过一组零序电流时，同步电机所表现的阻抗为零序阻抗。零序电流三相同相位、同大小，空间互差1200，零序基波合成磁动势为0，所以零序电抗属于漏电抗，零序电阻为电枢电阻。同步发电机零序线路示意图、等效电路零序等效电路：电压方程：三、同步发电机的单相短路同步发电机单相短路有：对称分量法给出各相序电流：B、C相开路：A相短路：设同步发电机A相对中心点短路，B、C相为空栽，求A相稳态短路电流和B、C相开路电压。单相短路时正序、负序、零序电路的连接相序电流：相电流：单相短路时正序、负序、零序电路的连接激磁电动势：端电压分为对称分量：各相序电压：各相端电压为：四、同步发电机线间短路设B、C两相发生线间短路，A相为空载，求稳态短路电流和A相开路电压。B、C相线间短路：A相开路：发电机端点约束条件：B、C相线间短路：式中：利用对称分量法，找出各相序电流：利用对称分量法，找出各相序电压：各相序基本方程式：由方程解出：把各相序等效电路联系起来线间短路时正序电路和负序电路的连接实际的各相电压、电流值：负序和零序参数的测定测定方法：在定子的电枢绕组上施加降低了电压的负序电源，转子绕组短路并由原动机拖动以同步速正向旋转．这时测量每相的电枢电压U、电流I及输入功率P。1、负序参数的测定测定方法：同步电机的转子由原动机带至同步速度，转子绕组短路，电枢绕组上施加降低了电压的单相电源，量测电源电压U、电流I及输入功率P。2、零序阻抗的测定5不对称运行对发电机的影响a、负序电流所产生的反向旋转磁场，在励磁绕组、阻尼绕组和汽轮发电机的实心转子内感生1OOHz的感应电流，引起杂散铜耗和铁耗，使运行效率降低、转子过热，从而影响发电机的出力，严重的甚至会造成事故；b、负序由流还会引起转矩脉振和定子振动；c、负序谐波则会引起定子绕组的过电压现象。因此就发电机而言，希望避免不对称运行；但是从保证电力系统的稳定性和供电的可靠性来看，则希望发电机能忍受较长时间和较大的不对称负载。在同步电机的技术标准中，对负序电流的容许值通常有明确的规定，以使发电机能够长期、安全地运行。6.11同步发电机的三相突然短路同步发电机三相突然短路时：定于绕组中会出现很大的冲击电流，其峰值可达额定电流的十倍以上，因而将在电机内产生很大的电磁力和电磁转矩。若果设计和制造时未加充分考虑，就可能损坏定子绕组的端部，或使转轴发生有害变形，还可能破坏电网的稳定和正常运行。同步电机突然短路时，定子电流和相应的电枢磁场发生突变，从而产生电磁感应过程。为简化分析，假设：（l）在整个瞬态过程中，转子始终保持为同步转速；（2）不计磁饱和，因而可以利用叠加原理来分析；

（3）突然短路前，发电机定空载运行。根据磁通连续性原理，三相短路电流自由分量幅值将相互制约。1、三相突然短路电流的瞬态电磁过程三相同步发电机三相突然短路后将出现三相短路电流，在短路瞬间，每相短路电流中除周期性分量外还包含非周期衰减自由分量。周期性分量初始值为，稳态值为。设空载运行时励磁电流为。三相短路时，定子统组内将产生一组对称的三相短路电流，并形成电枢旋转磁动势和相应的电枢反应。定子绕组的电抗远大于电阻，所以短路时电枢反应基本为纯直轴的去磁性电枢反应。突然短路时，直轴去磁性电枢反应将在励磁绕组内产生感应电流，根据磁通不变原理，励磁绕组磁链应与进入励磁绕组的直轴去磁性电枢反应磁链相抵消；或式中；Lff为励磁绕组的自感；Mfa为定子相绕组与励磁绕组间互感幅值；短路电流中的周期分量的出现，使励磁电流增大为；不考虑磁饱和，主磁通和激磁电动势按同样倍数增加，从而引起短路电流周期分量初始幅值大幅度增大。短路电流初始幅值与稳态值的差值称为短路电流周期分量中的瞬态分量：短路时励磁电流瞬时值：：衰减的时间常数，称为直轴瞬态时间常数。随着的逐步衰减，定子短路电流中的周期性瞬态分量将一起衰减。到衰减为零、励磁电流恢复到If0时，短路过程就进入稳态短路。稳态分量瞬态分量突然短路时定子电流瞬时值：：定子短路电流周期稳态分量幅值；：定子短路电流周期分量初始幅值；：各相的初相角；对A相，；对B相，；对C相，。瞬态电枢磁场和瞬态电抗图示为突然短路时和转子转过900后励磁电流和短路电流周期分量产生的磁场分布图短路以后，短路电流的周期分量产生两束去磁的电枢反应磁通和一束电枢漏磁通；励磁绕组中的感应电流则使主磁通增加一束，励磁绕组漏磁通亦增加一束。由于所产生的磁链恰好与去磁的电枢反应磁链相等，所以在短路初瞬，励磁绕组的磁链保持不变；同样在短路初瞬，A相磁链亦保持不变。B相和C相绕组，其磁链亦保持不变。把图6-68中电枢反应两束去磁性磁通中的一束，与主磁通的增量（亦是一束）互相抵消；电枢反应磁通中的另外一束，与励磁绕组漏磁通的增量（亦是一束）加以归并，可得图6-69。图6-69特点：

励磁绕组中感应电流产生的磁通，不是用于主磁通的增强，而是用于改变瞬态时电枢反应磁通所经过的磁路。即突然短路初瞬主磁通和励磁绕组的漏磁通均未发生变化，但由于所产生磁动势的抵制，瞬态电枢反映磁通在通过主气隙以后，将绕道励磁绕组的漏磁路而闭合。稳态时直轴主气隙的磁阻为：瞬态时直轴电枢反应磁通的磁阻为：瞬态电枢反应磁导：考虑了与电枢反应磁路相并联的电枢反应漏磁路后，瞬态电枢反映直轴等效磁导：从而直轴瞬态电抗：为励磁绕组