第八章 同步電機(jī).doc

第八章 同步電機(jī)8.1 同步電機(jī)原理和結(jié)構(gòu) 1同步發(fā)電機(jī)原理簡(jiǎn)述 （1）結(jié)構(gòu)模型：同步發(fā)電機(jī)和其它類型的旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，由固定的定子和可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成。最常用的轉(zhuǎn)場(chǎng)式同步電機(jī)的定子鐵心的內(nèi)圓均勻分布著定子槽，槽內(nèi)嵌放著按一定規(guī)律排列的三相對(duì)稱交流繞組。這種同步電機(jī)的定子又稱為電樞，定子鐵心和繞組又稱為電樞鐵心和電樞繞組。轉(zhuǎn)子鐵心上裝有制成一定形狀的成對(duì)磁極，磁極上繞有勵(lì)磁繞組，通以直流電流時(shí)，將會(huì)在電機(jī)的氣隙中形成極性相間的分布磁場(chǎng)，稱為勵(lì)磁磁場(chǎng)（也稱主磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)）。除了轉(zhuǎn)場(chǎng)式同步電機(jī)外，還有轉(zhuǎn)樞式同步發(fā)電機(jī)，其磁極安裝于定子上，而交流繞組分布于轉(zhuǎn)子表面的槽內(nèi)，這種同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子充當(dāng)了電樞。圖8-1-1給出了典型的轉(zhuǎn)場(chǎng)式同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型。圖中用AX、BY，CZ 共3個(gè)在空間錯(cuò)開120電角度分布的線圈代表三相對(duì)稱交流繞組。（2）工作原理圖8-1-1 同步電機(jī)結(jié)構(gòu)模型同步電機(jī)電樞繞組是三相對(duì)稱交流繞組，當(dāng)原動(dòng)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，通入三相對(duì)稱電流后，會(huì)產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組（相當(dāng)于繞組的導(dǎo)體反向切割勵(lì)磁磁場(chǎng)），會(huì)在其中感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的交變電勢(shì)，每相感應(yīng)電勢(shì)的有效值為， E04.44fNfkw （8-1-1）式中 f電源頻率；f每極平均磁通； N繞組總導(dǎo)體數(shù)；kw繞組系數(shù)；E0是由勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁通f在電樞繞組中感應(yīng)而得，稱為勵(lì)磁電勢(shì)（也稱主電勢(shì)、空載電勢(shì)、轉(zhuǎn)子電勢(shì)）。由于三相電樞繞組在空間分布的對(duì)稱性，決定了三相繞組中的感應(yīng)電勢(shì)將在的時(shí)間上呈現(xiàn)出對(duì)稱性，即在時(shí)間相位上相互錯(cuò)開1/3周期。通過(guò)繞組的出線端將三相感應(yīng)電勢(shì)引出后可以作為交流電源。可見，同步發(fā)電機(jī)可以將原動(dòng)機(jī)提供給轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為三相對(duì)稱的交變電能。感應(yīng)電勢(shì)的頻率決定于同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n和極對(duì)數(shù)p，即供電品質(zhì)考慮，由眾多同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)構(gòu)成的交流電網(wǎng)的頻率應(yīng)該是一個(gè)不變的值，這就要求發(fā)電機(jī)的頻率應(yīng)該和電網(wǎng)的頻率一致。我國(guó)電網(wǎng)的頻率為f=50Hz。 2同步電機(jī)的額定值和型號(hào) （1）額定值：額定容量SN(VA,kVA,MVA)或額定功率PN(W,kW,MW)：指電機(jī)輸出功率的保證值。發(fā)電機(jī)通過(guò)額定容量值可以確定電樞電流，通過(guò)額定功率可以確定配套原動(dòng)機(jī)的容量。電動(dòng)機(jī)的額定容量一般用kW表示，補(bǔ)償機(jī)則用kWAR表示。額定電壓UN(V,kV)：指額定運(yùn)行時(shí)定子輸出端的線電壓。 額定電流IN(A)：指額定運(yùn)行時(shí)定子輸出端的線電流。 額定功率因數(shù) ：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的功率因數(shù)。 額定頻率fN(Hz)：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)電樞輸出端電能的頻率，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)頻率規(guī)定為50Hz。額定轉(zhuǎn)速nN(r/min)：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速。除上述額定值外，同步電機(jī)銘牌上還常列出一些其它的運(yùn)行數(shù)據(jù)，例如額定負(fù)載時(shí)的溫升N，勵(lì)磁容量PfN和勵(lì)磁電壓UfN等。（2）國(guó)產(chǎn)同步電機(jī)型號(hào)： 我國(guó)生產(chǎn)的汽輪發(fā)電機(jī)有QFQ，QFN，QFS等系列，前兩個(gè)字母表示汽輪發(fā)電機(jī)；第三個(gè)字母表示冷卻方式；Q表示氫外冷，N表示氫內(nèi)冷，S表示雙水內(nèi)冷。我國(guó)生產(chǎn)的大型水輪發(fā)電機(jī)為TS系列，T表示同步，S表示水輪。舉例來(lái)說(shuō)：QFS3002表示容量為300MW雙水內(nèi)冷2極汽輪發(fā)電機(jī)。TSS1264/48表赤雙水內(nèi)冷水輪發(fā)電機(jī)，定子外徑為1264cm，鐵心長(zhǎng)為160cm，極數(shù)為48。此外同步電動(dòng)機(jī)系列有TD，TDL等，TD表示同步電動(dòng)機(jī)，后面的字母指出其主要用途。如TDG表示高速同步電動(dòng)機(jī)；TDL表示立式同步電動(dòng)機(jī)。同步補(bǔ)償機(jī)為TT系列。8.2 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式簡(jiǎn)介 1直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁 直流勵(lì)磁機(jī)通常與同步發(fā)電機(jī)同軸，采用并勵(lì)或者他勵(lì)接法。采用他勵(lì)接法時(shí)，勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流由另一臺(tái)被稱為副勵(lì)磁機(jī)的同軸的直流發(fā)電機(jī)供給。如圖8-2-1所示。 圖8-2-1 直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)2靜止整流器勵(lì)磁同一軸上有3臺(tái)交流發(fā)電機(jī)，即主發(fā)電機(jī)、交流主勵(lì)磁機(jī)和交流副勵(lì)磁機(jī)。副勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流開始時(shí)由外部直流電源提供，待電壓建立起來(lái)再轉(zhuǎn)為自勵(lì)（有時(shí)采用永磁發(fā)電機(jī)）。副勵(lì)磁機(jī)的輸出電流經(jīng)過(guò)靜止晶閘管整流后供給主勵(lì)磁機(jī)，而主勵(lì)磁機(jī)的交流輸出電流經(jīng)過(guò)靜止的三相橋式硅整流器整流后供給主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。（見圖8-2-2）圖8-2-2靜止整流器勵(lì)磁系統(tǒng)3旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁靜止整流器的直流輸出必須經(jīng)過(guò)電刷和集電環(huán)才能輸送到旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁繞組，對(duì)于大容量的同步發(fā)電機(jī)，其勵(lì)磁電流達(dá)到數(shù)千安培，使得集電環(huán)嚴(yán)重過(guò)熱。因此，在大容量的同步發(fā)電機(jī)中，常采用不需要電刷和集電環(huán)的旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁系統(tǒng)，如圖8-2-3所示。主勵(lì)磁機(jī)是旋轉(zhuǎn)電樞式三相同步發(fā)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)電樞的交流電流經(jīng)與主軸一起旋轉(zhuǎn)的硅整器整流后，直接送到主發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)繞組。交流主勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流由同軸的交流副勵(lì)磁機(jī)靜止的晶閘管整流器整流后供給。由于這種勵(lì)磁系統(tǒng)取消了集電環(huán)和電環(huán)和電刷裝置，故又稱為無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)。圖8-2-3 旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁系統(tǒng)8.3 同步電機(jī)電樞反應(yīng)的概念 1負(fù)載后的磁勢(shì)分析空載時(shí)，同步電機(jī)中只有一個(gè)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁磁勢(shì)Ff，它在電樞繞組中感應(yīng)出三相對(duì)稱交流電勢(shì)，其每相有效值為E0，稱為勵(lì)磁電勢(shì)。電樞繞組每相端電壓UE0。當(dāng)電樞繞組接上三相對(duì)稱負(fù)載后，電樞繞組和負(fù)載一起構(gòu)成閉合通路，通路中流過(guò)的是三相對(duì)稱的交流電流 。我們知道，當(dāng)三相對(duì)稱電流流過(guò)三相對(duì)稱繞組時(shí)，將會(huì)形成一個(gè)以同步速度旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。由此可見，負(fù)載以后同步電機(jī)內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生又一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)Fa電樞旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。因此，同步發(fā)電機(jī)接上三相對(duì)稱負(fù)載以后，電機(jī)中除了隨軸同轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁勢(shì)Ff（稱為機(jī)械旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)）外，又多了一個(gè)電樞旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)Fa（稱為電氣旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)）。如圖8-3-1所示，不難證明這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)的轉(zhuǎn)速均為同步速，而且轉(zhuǎn)向一致，二者在空間處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，可以用矢量加法將其合成為一個(gè)合成磁勢(shì)F。氣隙磁場(chǎng)B可以看成是由合成磁勢(shì)F在電機(jī)的氣隙中建立起來(lái)的磁場(chǎng)。B也是以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。可見同步發(fā)電機(jī)負(fù)載以后，電機(jī)內(nèi)部的磁勢(shì)和磁場(chǎng)將發(fā)生顯著變化，這一變化主要由電樞磁勢(shì)的出現(xiàn)所致。2電樞反應(yīng)圖8-3-1 負(fù)載后電機(jī)中的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)電樞磁勢(shì)的存在，將使氣隙磁場(chǎng)的大小和位置發(fā)生變化，我們把這一現(xiàn)象稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)會(huì)對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生重大影響。電樞反應(yīng)的情況決定于空間相量Fa和Ff之間的夾角，從下面的分析可知，這一夾角又和時(shí)間相量之間的相位差相關(guān)連。稱為內(nèi)功率因數(shù)角，其大小由負(fù)載的性質(zhì)決定?？梢姷拇笮。簇?fù)載的性質(zhì)）決定了Fa和Ff之間的夾角，也即決定了電樞反應(yīng)的情況。為了分析方便，將轉(zhuǎn)子磁極的軸線定義為直軸，并用d表示；將與直軸正交的方向定義為交軸，并用q表示。以下從同步發(fā)電機(jī)的時(shí)空相量圖入手對(duì)各種情況下的電樞反應(yīng)進(jìn)行分析。（1）同步發(fā)電機(jī)的時(shí)空相量圖 如圖8-3-2所示的瞬間，A相繞組中感應(yīng)電勢(shì)達(dá)到最大值，此時(shí)如果，即A相電流亦達(dá)到最大值。由異步電機(jī)介紹可知，電樞磁勢(shì)（三相合成磁勢(shì)）Fa的軸線將和A相線圈的軸線重合。一般情況下，（時(shí)間相量）滯后或超前于（時(shí)間相量） 電角度時(shí)，F(xiàn)a（空間相量）的軸線位置也滯后或超前于A相繞組的軸線電角度。即在時(shí)間上的相位差等于Fa的軸線和A相繞組軸線的空間角度差。以上結(jié)論雖然是在一個(gè)特殊的瞬間（磁極軸線和A相繞組軸線重合時(shí)）得出的，由于Fa和Ff同速同步旋轉(zhuǎn)，故在負(fù)載一定的情況下，F(xiàn)a和Ff的空間相位差等于90電角度。圖8-3-2 同步發(fā)電機(jī)時(shí)空相量圖為了分析方便，人們常將時(shí)間相量 和空間相量Ff，F(xiàn)a，F(xiàn)畫在一起構(gòu)成所謂的時(shí)空相量圖（見圖8-3-2）。在時(shí)空相量圖中 （處于磁極軸線方向，即d方向）重合， 滯后電角度（處于相鄰一對(duì)磁極的中性線位置，即q方向）， 和 之間的相位差 由負(fù)載性質(zhì)決定，F(xiàn)a和 重合。利用時(shí)空相量圖（圖8-3-3），可以方便地分析不同負(fù)載情況時(shí)同步發(fā)電機(jī)電樞反應(yīng)的情況。（2） 和 同相位或者反相位時(shí)的電樞反應(yīng)此時(shí)，或者180，F(xiàn)a與Ff之間的夾角為90或者270，如圖8-3-3(a)所示，即二者正交，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)作用在直軸上，而電樞磁勢(shì)作用在交軸上，電樞反應(yīng)的結(jié)果使得合成磁勢(shì)的軸線位置產(chǎn)生一定的偏移，幅值發(fā)生一定的變化。這種作用在交軸上的電樞反應(yīng)稱為交軸電樞反應(yīng)，簡(jiǎn)稱交磁作用。圖8-3-3 用時(shí)空相量圖分析同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)(a)=0；(b) =90;(c) 090；(d)-900 （3）滯后于 90 時(shí)的電樞反應(yīng)此時(shí)=90，F(xiàn)a與Ff之間的夾角為180,如圖8-3-3(b)所示，即二者反相，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)和電樞磁勢(shì)一同作用在直軸上，方向相反，電樞反應(yīng)為純?nèi)ゴ抛饔茫铣纱艅?shì)的幅值減小，這一電樞反應(yīng)稱為直軸去磁電樞反應(yīng)。（4）超前于 90時(shí)的電樞反應(yīng)此時(shí)=90，F(xiàn)a與Ff之間的夾角為0，即二者同相，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)和電樞磁勢(shì)一同作用在直軸上，方向相同，電樞反應(yīng)為純?cè)龃抛饔茫铣纱艅?shì)的幅值加大，這一電樞反應(yīng)稱為直軸增磁電樞反應(yīng)。（5）一般情況下的電樞反應(yīng)（8-3-2）（8-3-1）一般情況下（為任意角度時(shí)），參看圖8-3-3(c)和(d)，可將 分解為直軸分量 和交軸分量 產(chǎn)生直軸電樞磁勢(shì)Fad，F(xiàn)ad與Ff同相或反相，起增磁或者去磁作用； 產(chǎn)生交軸電樞磁勢(shì)Faq，F(xiàn)aq與Ff正交，起交磁作用。根據(jù)正交分解原理有：84 電樞反應(yīng)電抗和同步電抗 當(dāng)三相對(duì)稱的電樞電流流過(guò)電樞繞組時(shí)，將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的電樞磁勢(shì)Fa，F(xiàn)a將在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生跨過(guò)氣隙的電樞反應(yīng)磁通和不通氣隙的漏磁通將在分別在電樞各相繞組中感應(yīng)出電樞反應(yīng)電勢(shì)和漏磁電勢(shì)的大小成正比（不計(jì)飽和），比例常數(shù)稱為電樞反應(yīng)電抗Xa，考慮到相位關(guān)系后，每相電樞反應(yīng)電勢(shì)為： (8-4-1) 電樞反應(yīng)電抗Xa的大小和電樞反應(yīng)磁通所經(jīng)過(guò)磁路的磁阻成反比，所經(jīng)過(guò)的磁路與電樞磁勢(shì)Fa軸線的位置有關(guān)。對(duì)于凸極電機(jī)而言，當(dāng)Fa和Ff重合時(shí)，即Fa和磁極的軸線重合時(shí)，經(jīng)過(guò)直軸氣隙和鐵心而閉合（這條磁路稱為交軸磁路），如圖8-4-1(a)所示。此時(shí)由于直軸磁路中的氣隙較短，磁阻較小，所以電樞反應(yīng)電抗就較大。當(dāng)Fa和Ff正交時(shí)，即Fa和磁極的軸線垂直時(shí)， 經(jīng)過(guò)交軸氣隙和鐵心而閉合（這條磁路稱為直軸磁路），如圖8-4-1(b)所示。此時(shí)由于交軸磁路中的氣隙較長(zhǎng)，磁阻較大，所以電樞反應(yīng)電抗就較小。一般情況下，F(xiàn)a和Ff之間的夾角由負(fù)載的性質(zhì)決定，為 的流通路徑介于直軸磁路和交軸磁路之間，電樞反應(yīng)電抗的大小也就介于最大和最小之間。8-4-1 凸極電機(jī)中樞磁通的流通路徑(a)直軸磁路； (b)交軸磁路由于Fa和Ff之間的夾角受制于內(nèi)功率因數(shù)角（即負(fù)載的性質(zhì)），不同負(fù)載時(shí)，F(xiàn)a和Ff之間的夾角不同，對(duì)應(yīng)的Xa也就不同，這給分析問(wèn)題帶來(lái)了諸多不便。為了解決這一問(wèn)題，人們采用了正交分解法和疊加原理，將Fa看成是其直軸分量Fad和交軸分量Faq的疊加，并認(rèn)為Fad單獨(dú)激勵(lì)直軸電樞反應(yīng)磁通，其流通路徑為直軸磁路，對(duì)應(yīng)有一個(gè)固定的直軸電樞反應(yīng)電抗Xad，并在電樞每組繞組中產(chǎn)生直軸電樞反應(yīng)電勢(shì)單獨(dú)激勵(lì)交軸電樞反應(yīng)磁通，其流通路徑為交軸磁路，對(duì)應(yīng)有一個(gè)固定的交軸電樞反應(yīng)電抗Xaq，并在電樞每相繞組中產(chǎn)生交軸電樞反應(yīng)電勢(shì)。電樞繞組總的電樞反應(yīng)電勢(shì)可以寫為 (8-4-2)（8-4-3）考慮到漏磁通 引起的漏抗電勢(shì)為電樞繞組的漏電抗）后，電樞繞組中由電樞電流引起的總的感應(yīng)電勢(shì)為 其中，Xd=Xad+X定義為直軸同步電抗，Xq= Xaq+ X定義為交軸同步電抗。對(duì)于隱極電機(jī)來(lái)說(shuō)，由于電樞為圓柱體，忽略轉(zhuǎn)子齒槽分布所引起的氣隙不均勻后，可以認(rèn)為隱極電機(jī)直軸磁路和交軸磁路的磁阻相等，直軸和交軸電樞反應(yīng)電抗相等，即Xa= Xad= Xaq。結(jié)合 ，并代入式（8-4-3）可得 (8-4-4) 式中Xs= Xa+ X定義為隱極電機(jī)的同步電抗。由定義可知，同步電抗包括兩部分：電樞繞組的漏電抗和電樞反應(yīng)電抗。在實(shí)用上，常將二者作為一個(gè)整體參數(shù)來(lái)處理，這樣便于分析和測(cè)量。8.5 同步發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)條件與方法把同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)至電網(wǎng)的過(guò)程稱為投入并聯(lián)，或稱為并列、并車、整步。在并車時(shí)必須避免產(chǎn)生巨大的沖擊電流，以防止同步發(fā)電機(jī)受到損壞、電網(wǎng)遭受干擾。為此，并車前必須檢查發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)是否適合以下條件：（1）雙方應(yīng)有一致的相序；（2）雙方應(yīng)有相等的電壓；（3）雙方應(yīng)有同樣或者十分接近的頻率和相位。圖8-5-1 同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行下面研究這些條件之一得不到滿足時(shí)會(huì)發(fā)生的情況。（1）如果雙方電壓有效值不相等，在圖8-5-1中，電網(wǎng)用一個(gè)等效發(fā)電機(jī)A來(lái)表示，B表示即將并車的發(fā)電機(jī)。若U不等于U1，在開關(guān)K的兩端，會(huì)出現(xiàn)差額電壓U=U1-U，如果閉合K，在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)組成的回路中必然會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊電流。因此，在并車時(shí)，電壓的有效值必須相等。（2）如果雙方頻率或者相位不相等，則U和U1不能同步變化，即U和U1的瞬時(shí)值將不相等，并車后也會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)電壓差U，從而引起并車沖擊電流。因此，要求頻率必須相等或十分接近。（3）如果雙方相序不一致，U和U1的瞬時(shí)值將會(huì)出現(xiàn)較大的差值電壓，錯(cuò)誤并車將會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流。因此，并車時(shí)必須嚴(yán)格保證相序一致。上述條件中，除相序一致是絕對(duì)條件外，其它條件都是相對(duì)的，因?yàn)橥ǔｋ姍C(jī)可以承受一些小的沖擊電流。并車的準(zhǔn)備工作是檢查并車條件和確定合閘時(shí)刻。通常用電壓表測(cè)量電網(wǎng)電壓U1，并調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流使得發(fā)電機(jī)的輸出電壓UU1的。再借助同步指示器檢查調(diào)整頻率和相位以確定合閘時(shí)刻。同步指示器通常采用以下兩種連接方法：1燈光明暗法 如圖8-5-2(a)所示，將3只燈泡直接跨接于電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)的對(duì)應(yīng)相之間，燈泡兩端的電壓即為發(fā)電機(jī)端電壓U電網(wǎng)電壓U1的差值UUU1，在圖8-5-3中，用相量A1，B1，C1表示電網(wǎng)的電壓相量，A，B，C代表發(fā)電機(jī)的電壓相量，兩組相量分別以角速度1，旋轉(zhuǎn)。如果兩組相量大小相等、相序一致、頻率接近，則兩組相量轉(zhuǎn)向相同且存在緩慢的相對(duì)角速度1，U的大小在02 U1之間變化，燈光呈現(xiàn)出明暗交替變化。調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速使得十分接近1，等待兩組相量完全重合時(shí)，U0，燈泡熄滅，此時(shí)刻是合閘并車的最佳時(shí)刻。圖8-5-2 三相同步發(fā)電機(jī)整步(a)燈光明暗法； (b)燈光旋轉(zhuǎn)法綜上所述，明暗法并車方法為：（1）通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小使得UU1；（2）電壓調(diào)整好后，如果相序一致，燈光應(yīng)表現(xiàn)為明暗交替，如果燈光不是明暗交替，則說(shuō)明相序不一致，這時(shí)應(yīng)調(diào)整發(fā)電機(jī)的出線相序或電網(wǎng)的引相序，嚴(yán)格保證相序一致；（3）通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變U的頻率，直到燈光明暗交替十分緩慢時(shí)，說(shuō)明U和U1的頻率已十分接近，這時(shí)等待燈光完全變暗的瞬間到來(lái)，即可合閘并車。2燈光旋轉(zhuǎn)法圖8-5-3 燈光明暗法電壓相量圖參看圖8-5-2(b)和圖8-5-4，燈1跨接于AB1，燈2跨接于A1B，燈3跨接于C1C 。如果兩組相量大小相等、相序一致、頻率接近，則加于3只指示燈的電壓U1，U2，U3的大小將交替變化。假設(shè)1旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)到C和C1重合時(shí)，3熄滅，1和2亮度一樣；再轉(zhuǎn)到C和B1重合時(shí)，B將和A1重合，2熄滅，3，1同亮；到C和A1重合時(shí)，A亦與B1重合，熄滅2，3同亮?？梢姛艄獍l(fā)亮的順序?yàn)?2312312，在圓形的指示器上，相當(dāng)于燈光順時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)。同理，如果1快于則燈光逆時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)。調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，直到燈光旋轉(zhuǎn)十分緩慢，等待燈3完全熄滅時(shí)，合閘并車。綜上所述，旋轉(zhuǎn)法并車方法為：（1）通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小使得UU1；（2）電壓調(diào)整好后，如果相序一致，則燈光旋轉(zhuǎn)，否則說(shuō)明相序不一致，這時(shí)應(yīng)調(diào)整發(fā)電機(jī)的出線相序或電網(wǎng)的引線相序，嚴(yán)格保證相序一致；（3）通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變U的頻率，直到燈光旋轉(zhuǎn)十分緩慢時(shí)，說(shuō)明U和U1頻率已十分接近，這時(shí)等待燈3完全熄滅的瞬間到來(lái)，即可合閘并車。圖8-5-4 燈光旋轉(zhuǎn)法電壓相量圖燈光法又稱為理想整步法。由于它對(duì)并車條件逐一檢查和調(diào)整，所以費(fèi)時(shí)較多。一般可采用簡(jiǎn)單的自整步法：在相序一致的情況下將勵(lì)磁繞組通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娮瓒探樱儆迷瓌?dòng)機(jī)把發(fā)電機(jī)拖動(dòng)到接近同步速（相差2%5%），在沒有接通勵(lì)磁電流的情況下將發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)，再接通勵(lì)磁并調(diào)節(jié)勵(lì)磁強(qiáng)弱，依靠定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間的電磁轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子拉入同步轉(zhuǎn)速，并車過(guò)程即告結(jié)束。需要注意的是，勵(lì)磁繞組必須通過(guò)一限流電阻短接，因?yàn)橹苯娱_路，將在其中感應(yīng)出危險(xiǎn)的高壓；直接短路，將在定、轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生很大的沖擊電流。自整步法的優(yōu)點(diǎn)是：操作簡(jiǎn)單，方便快捷；缺點(diǎn)是：合閘時(shí)有沖擊電流。86 同步發(fā)電機(jī)有功功率及無(wú)功功率的調(diào)節(jié)方法 1功率平衡與功角概念同步發(fā)電機(jī)的功率流程如圖8-6-1所示。P1為自原動(dòng)機(jī)向發(fā)電機(jī)的輸入的機(jī)械功率，其中一部分提供軸與軸承間的摩擦、轉(zhuǎn)動(dòng)部分與空氣的摩擦及通風(fēng)設(shè)備的損耗，總計(jì)為機(jī)械損耗pm，另一部分供給定子鐵心中的渦流和磁滯損耗，總計(jì)為鐵心損耗pFe，PM=P1-( pm+ pFe)為通過(guò)電磁感應(yīng)作用轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄗ永@組上的電功率，稱為電磁功率。如果是負(fù)載運(yùn)行，定子繞組中還存在定子銅耗pCul，P2=PM- pCul就是發(fā)電機(jī)的輸出功率。同步發(fā)電機(jī)的功率平衡方程式為圖8-6-1 同步發(fā)電機(jī)功率流程圖(8-6-1)PPMpFepm+PM=P2+ pCul定子繞組的電阻一般較小，其銅耗可以忽略不計(jì)，則有PMP2mUIcosmUIcos(-) (8-6-2) 其中為內(nèi)功率因數(shù)角，-定義為功角。它表示發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電勢(shì) 和端電壓 圖8-6-2 功角的空間概念之間相位差。功角對(duì)于研究同步電機(jī)的功率變化和運(yùn)行的穩(wěn)定性有重要意義。圖8-6-2畫出了同步電機(jī)的簡(jiǎn)化時(shí)空相量圖。圖中忽略了定子繞組的漏磁電勢(shì)，認(rèn)為對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁勢(shì)對(duì)應(yīng)于電樞磁勢(shì)Fa，所以可近似認(rèn)為端電壓由合成磁勢(shì)F=Ff+Fa所感應(yīng)。F和Ff之間的空間相角差即為和之間的時(shí)間相角差，可見功角在時(shí)間上表示端電壓和勵(lì)磁電勢(shì)之間的相位差，在空間上表現(xiàn)為合成磁場(chǎng)軸線與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線之間的夾角。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)， 為電網(wǎng)電壓，其大小和頻率不變，對(duì)應(yīng)的合成磁勢(shì)F總是以同步速度1=2f旋轉(zhuǎn)。因此功角的大小只能由轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的角速度決定。穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，=1，因此F與Ff之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)每一種穩(wěn)定狀態(tài)，具有固定的值。2功角特性功角特性指的是電磁功率PM隨功角變化的關(guān)系曲線PM=f ()，下面分別是凸極電機(jī)和隱極電機(jī)的功角特性。（1）凸極電機(jī)功角特性式中 基本電磁功率；附加電磁功率。 （2）隱極電機(jī)的功角特性：在上式中，令Xd=Xq=Xs即得，只有基本電磁功率。 （3）有功功率的調(diào)節(jié)功角特性PM=f ()反映了同步發(fā)電機(jī)的電磁功率隨著功角變化的情況。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)的頻率決定，恒等于同步轉(zhuǎn)速，即發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩TM和電磁功率PM之間成正比關(guān)系：式中，為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。電磁轉(zhuǎn)矩與原動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力轉(zhuǎn)矩及空載阻力轉(zhuǎn)矩相平衡T1TMT0其中T0為空載轉(zhuǎn)矩（因摩擦、風(fēng)阻等引起的阻力轉(zhuǎn)矩）。圖8-6-3 同步發(fā)電機(jī)的V形曲線可見要改變發(fā)電機(jī)輸送給電網(wǎng)的有功功率PM，就必須改變?cè)瓌?dòng)機(jī)提供的動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，這一改變可以通過(guò)調(diào)節(jié)水輪機(jī)的進(jìn)水量或汽輪機(jī)的汽門來(lái)達(dá)到。當(dāng)功角處于0到m范圍內(nèi)時(shí)，隨著的增大，PM亦增大，同步發(fā)電機(jī)在這一區(qū)間能夠穩(wěn)定運(yùn)行。而當(dāng)m時(shí)，隨著的增大，PM反而減小，電磁功率無(wú)法與輸入的機(jī)械功率相平衡，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速越來(lái)越大，發(fā)電機(jī)將失去同步，故在這一區(qū)間發(fā)電機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行。（4）并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)無(wú)功功率的調(diào)節(jié)：由異步發(fā)電機(jī)的V形曲線（如圖8-6-3），通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流可以達(dá)到調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)無(wú)功功率的目的。當(dāng)某一欠勵(lì)狀態(tài)開始增加，勵(lì)磁電流時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出的超前無(wú)功功率開始減少，電樞電流中的無(wú)功分量開始減少；達(dá)到正常勵(lì)磁狀態(tài)時(shí)，無(wú)功功率變?yōu)榱悖姌须娏髦械臒o(wú)功分量也變?yōu)榱?，此時(shí)cos=1;如果繼續(xù)增加勵(lì)磁電流，發(fā)電機(jī)將輸出滯后性的無(wú)功功率，電樞電流中的無(wú)功分量又開始增加。電樞電流隨勵(lì)磁電流變化的關(guān)系表現(xiàn)為一個(gè)V形曲線。V形曲線是一簇曲線，每一條V形曲線對(duì)應(yīng)一定的有功功率。V形曲線上都有一個(gè)最低點(diǎn)，對(duì)應(yīng)cos=1的情況。將所有的最低點(diǎn)連接起來(lái)，將得到與cos=1對(duì)應(yīng)的線，該線左邊為欠勵(lì)狀態(tài)，功率因數(shù)超前，右邊為過(guò)勵(lì)狀態(tài)，功率因數(shù)滯后。87 同步電動(dòng)機(jī)時(shí)運(yùn)行特性 1V形曲線：與發(fā)電機(jī)類似，同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)可以通過(guò)改變勵(lì)磁電流的大小來(lái)調(diào)節(jié)。如果增大勵(lì)磁電流使電動(dòng)機(jī)處于過(guò)勵(lì)狀態(tài)，則勵(lì)磁磁勢(shì)Ff增大，而合成磁勢(shì)F的大小是不變的（由電網(wǎng)電壓決定），按照磁勢(shì)平衡原理，電網(wǎng)將輸出給電動(dòng)機(jī)一超前電流 ，該電流在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部將產(chǎn)生去磁性的電樞反應(yīng)，使得磁勢(shì)得到平衡。電網(wǎng)輸出給電動(dòng)機(jī)超前電流相當(dāng)于電網(wǎng)從電動(dòng)機(jī)處吸取了滯后電流，正好滿足了附近電感性負(fù)載的需要，使得電網(wǎng)的功率因數(shù)得到補(bǔ)償。如果減小勵(lì)磁電流使電動(dòng)機(jī)處于欠勵(lì)狀態(tài)，則勵(lì)磁磁勢(shì)F也減小，電網(wǎng)必須輸出給電動(dòng)機(jī)一滯后電流來(lái)產(chǎn)生增磁電樞反應(yīng)，以保持合成磁勢(shì)F不變。這種情況和異步電動(dòng)機(jī)的情況類似，所以同步電動(dòng)機(jī)一般不采用欠勵(lì)運(yùn)行。如果保持機(jī)械負(fù)載不變（相當(dāng)于有功功率不變），調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If，對(duì)應(yīng)的電樞電流Ia隨之而變，和發(fā)電機(jī)一樣可畫出同步電動(dòng)機(jī)的V形曲線（見圖8-7-1）。但是同步電動(dòng)機(jī)亦有一些缺點(diǎn)，如起動(dòng)性能較差，結(jié)構(gòu)上較異步電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，還要有直流電源來(lái)勵(lì)磁，價(jià)格比較貴，維護(hù)又較為復(fù)雜，所以一般在小容量設(shè)備中還是采用異步電動(dòng)機(jī)。在中大容量的設(shè)備中，尤其是在低速、恒速的拖動(dòng)設(shè)備中，應(yīng)優(yōu)先考慮選用同步電動(dòng)機(jī)，如拖動(dòng)恒速軋鋼機(jī)、電動(dòng)發(fā)電機(jī)組、壓縮機(jī)、離心泵、球磨機(jī)、粉碎機(jī)、通風(fēng)機(jī)等。圖8-7-1 同步電動(dòng)機(jī)V形曲線利用同步電動(dòng)機(jī)能夠改變電網(wǎng)功率因數(shù)這一優(yōu)點(diǎn)，亦有制造專門用作改變電網(wǎng)功率因數(shù)的電動(dòng)機(jī)，不帶任何機(jī)械負(fù)載，這種不帶機(jī)械負(fù)載的同步電動(dòng)機(jī)稱之為同步補(bǔ)償機(jī)或同步調(diào)相機(jī)。同步調(diào)相機(jī)是在過(guò)勵(lì)情況下空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)。2同步電動(dòng)機(jī)的功角特性同步電動(dòng)機(jī)以凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比較多，因此以凸極電機(jī)的功角特性為例來(lái)研究。同步電動(dòng)機(jī)的功角特性公式和發(fā)電機(jī)的一樣都可以從相量圖中導(dǎo)出來(lái)。電動(dòng)機(jī)的功角為 的角度，如將發(fā)電機(jī)功角特性中的用來(lái)替代，這樣電磁功率就變成了負(fù)值，電動(dòng)機(jī)狀態(tài)下是電網(wǎng)向電動(dòng)機(jī)提供有功功率，所以寫電動(dòng)機(jī)公式時(shí)，將負(fù)號(hào)去掉，于是功角特性就和發(fā)電機(jī)的功角特性具有相同的形式： (8-7-1)相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為： (8-7-2)從上面式子可以看出： 同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩包括基本電磁轉(zhuǎn)矩 和附加電磁轉(zhuǎn)矩 兩部分，當(dāng)勵(lì)磁電流為零時(shí)，即E00時(shí)，仍具有附加電磁轉(zhuǎn)矩 。利用此原理，可以制成所謂的磁阻同步電動(dòng)機(jī)。這種電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有勵(lì)磁繞組，是凸極式的，靠它的直軸與交軸磁阻不相等而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。它的容量一般很小，常做成10kW以下的電動(dòng)機(jī)，能在變頻、變壓的電源下運(yùn)行，而且速度比較均勻，常在轉(zhuǎn)速需要均勻的情況下被采用，如精密機(jī)床工業(yè)、人造纖維工業(yè)、電子計(jì)算機(jī)等方面。3同步電動(dòng)機(jī)的異步起動(dòng)當(dāng)定子繞組接到電源后，按照同步電機(jī)的原理，同步電動(dòng)機(jī)是不能產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的。目前工礦企業(yè)中看到的同步電動(dòng)機(jī)都能夠起動(dòng)，這是利用異步電動(dòng)機(jī)的原理來(lái)產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使得電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的。下面我們分析同步電動(dòng)機(jī)沒有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的原因及起動(dòng)問(wèn)題的解決方法。圖8-7-2是一臺(tái)兩極同步電動(dòng)機(jī)，假設(shè)在合閘瞬間，轉(zhuǎn)子（已經(jīng)加勵(lì)磁）處于圖8-7-2(a)所示的位置，此時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩T傾向于使轉(zhuǎn)子逆時(shí)鐘轉(zhuǎn)動(dòng)；在另一個(gè)瞬間（圖8-7-2(b)所示），定子磁場(chǎng)已轉(zhuǎn)過(guò)180，而轉(zhuǎn)子由于機(jī)械慣性尚未起動(dòng)，電磁轉(zhuǎn)矩T傾向于使轉(zhuǎn)子順時(shí)鐘轉(zhuǎn)動(dòng)。由于定子磁場(chǎng)以同步速旋轉(zhuǎn)，作用于轉(zhuǎn)子上的力矩隨時(shí)間以f=50Hz作交變，那么轉(zhuǎn)子上受到的平均轉(zhuǎn)矩為零。因此同步電動(dòng)機(jī)是不能自行起動(dòng)的。同步電動(dòng)機(jī)沒有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是它的一大缺點(diǎn)，它的起動(dòng)只能依靠其它方法，使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到接近同步速時(shí)，經(jīng)過(guò)拉入同步過(guò)程，才能實(shí)現(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法，目前幾乎都采用異步起動(dòng)法。要實(shí)現(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)的異步起動(dòng)，就需要在轉(zhuǎn)子磁極表面裝有類似異步電動(dòng)機(jī)鼠籠轉(zhuǎn)子的短路繞組，稱之為起動(dòng)繞組。與異步機(jī)工作相似，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將在轉(zhuǎn)子起動(dòng)繞組中感應(yīng)電流，此電流和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩，這樣同步電動(dòng)機(jī)就按照異步電動(dòng)機(jī)的原理轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。在轉(zhuǎn)速上升到接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，再給勵(lì)磁繞組中通入直流勵(lì)磁電流，使得轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁極磁場(chǎng)，此時(shí)它和氣隙磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速已經(jīng)十分接近，依靠這兩個(gè)磁場(chǎng)間的相互吸引力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩（稱為同步轉(zhuǎn)矩），將轉(zhuǎn)子磁極拉入同步，這個(gè)過(guò)程稱為拉入同步過(guò)程。