電機學第6章同步電機

1、 同步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是常值且與同步速相等，與負載的同步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是常值且與同步速相等，與負載的大小無關(guān)。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與氣隙磁場轉(zhuǎn)速保持嚴格同步。大小無關(guān)。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與氣隙磁場轉(zhuǎn)速保持嚴格同步。60(r/min)sfnnp同步電機主要用作同步電機主要用作發(fā)電機發(fā)電機，也可以用作，也可以用作電動機電動機和和補償機補償機。主要內(nèi)容主要內(nèi)容同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)對稱運行同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)對稱運行同步電動機和補償機同步電動機和補償機同步發(fā)電機的不對稱運行和三相突然短路同步發(fā)電機的不對稱運行和三相突然短路 第第6章章 同步電機同步電機同步電機的用途同步電機的用途同步電機同步電機同步發(fā)電機同步發(fā)電機同步電動機同步電動

2、機同步補償機（調(diào)相機）同步補償機（調(diào)相機）（火電廠、水電廠、核電廠）（火電廠、水電廠、核電廠）（主要用于驅(qū)動不要求調(diào)速的大功率機械，（主要用于驅(qū)動不要求調(diào)速的大功率機械，優(yōu)點是通過調(diào)節(jié)勵磁改善電網(wǎng)的功率因數(shù)）優(yōu)點是通過調(diào)節(jié)勵磁改善電網(wǎng)的功率因數(shù)）（空轉(zhuǎn)的電動機，補償電網(wǎng)的無功）（空轉(zhuǎn)的電動機，補償電網(wǎng)的無功）同步電機的分類同步電機的分類l按用途分：按用途分：發(fā)電機、電動機和補償機。發(fā)電機、電動機和補償機。 l按結(jié)構(gòu)特點分：按結(jié)構(gòu)特點分：凸極、隱極。凸極、隱極。l按冷卻方式分：按冷卻方式分：l按勵磁方式分：按勵磁方式分：電勵磁式、永磁式同步電機電勵磁式、永磁式同步電機 ?？绽?、氫冷、水冷、混合冷

3、卻?？绽?、氫冷、水冷、混合冷卻。臥式、立式。臥式、立式。6.1 同步電機的基本結(jié)構(gòu)和運行狀態(tài)同步電機的基本結(jié)構(gòu)和運行狀態(tài)1. 1. 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)電樞式：旋轉(zhuǎn)電樞式：電樞裝在轉(zhuǎn)子上，主極裝在定子上電樞裝在轉(zhuǎn)子上，主極裝在定子上。只用于小容量同步電機中只用于小容量同步電機中旋轉(zhuǎn)磁極式旋轉(zhuǎn)磁極式：磁極裝在轉(zhuǎn)子上，為大中型同步電機的基本形式：磁極裝在轉(zhuǎn)子上，為大中型同步電機的基本形式旋轉(zhuǎn)電樞式旋轉(zhuǎn)電樞式旋轉(zhuǎn)磁極式旋轉(zhuǎn)磁極式隱極式隱極式凸極式凸極式旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機的結(jié)構(gòu) : 0.35mm 0.5 三相對稱繞組繞組的冷軋硅鋼片或鐵心:轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 。同心式繞組或集中繞組直流

4、勵磁繞組整體或低碳鋼片迭成。，氣隙不均勻凸極整塊高強度合金鋼。氣隙均勻，隱極鐵心 : :定子定子 同步電機又分為同步電機又分為隱極式隱極式和和凸極式凸極式兩種。兩種。有明顯的凸出的磁極，氣有明顯的凸出的磁極，氣隙不均勻，制作簡單。隙不均勻，制作簡單。適合于高速發(fā)電機適合于高速發(fā)電機適合于低速發(fā)電機適合于低速發(fā)電機轉(zhuǎn)子圓柱形，氣隙均勻，轉(zhuǎn)子機轉(zhuǎn)子圓柱形，氣隙均勻，轉(zhuǎn)子機械強度高，勵磁繞組固定容易。械強度高，勵磁繞組固定容易。NS+隱極式隱極式NSNS+凸極式凸極式同步電機的基本類型同步電機的基本類型同步同步發(fā)電機發(fā)電機汽輪發(fā)電機汽輪發(fā)電機水輪發(fā)電機水輪發(fā)電機隱極隱極結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)凸極凸極結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)汽輪發(fā)

5、電機汽輪發(fā)電機 由汽輪機驅(qū)動的同步發(fā)電機由汽輪機驅(qū)動的同步發(fā)電機 p = 1 n = 3000r/min (50Hz) n = 3600r/min (60Hz) 采用隱極結(jié)構(gòu)采用隱極結(jié)構(gòu) 6222D L 轉(zhuǎn)子細而長轉(zhuǎn)子細而長轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，對鐵心的強度要求很高，就目前材料，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，對鐵心的強度要求很高，就目前材料，轉(zhuǎn)子直徑一般不超過子直徑一般不超過1.1m1.1m。 基本采用臥式結(jié)構(gòu)基本采用臥式結(jié)構(gòu)隱極發(fā)電機的剖面圖隱極發(fā)電機的剖面圖同步電機的外形圖汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)水輪發(fā)電機水輪發(fā)電機 由水輪機驅(qū)動的同步發(fā)電機由水輪機驅(qū)動的同步發(fā)電機 n = 幾十幾十 幾百幾百r/min 極對數(shù)多極

6、對數(shù)多采用采用凸極凸極結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)子粗而短轉(zhuǎn)子粗而短7522LD 勵磁繞組為集中繞組勵磁繞組為集中繞組 立式立式結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 阻尼繞組阻尼繞組水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)阻尼繞組的結(jié)構(gòu)與籠型感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子的籠型繞組相似。阻尼繞組的結(jié)構(gòu)與籠型感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子的籠型繞組相似。阻尼繞組的作用阻尼繞組的作用同步發(fā)電機中同步發(fā)電機中：阻尼繞組中感應(yīng)電流產(chǎn)生：阻尼繞組中感應(yīng)電流產(chǎn)生 電磁轉(zhuǎn)矩，抑制轉(zhuǎn)速振蕩。電磁轉(zhuǎn)矩，抑制轉(zhuǎn)速振蕩。同步電動機和同步補償機中同步電動機和同步補償機中：起動繞組：起動繞組與感應(yīng)電機一樣同步電機定、轉(zhuǎn)子極數(shù)應(yīng)相同。與感應(yīng)電機一樣同步電機定、轉(zhuǎn)子極數(shù)應(yīng)相同。水輪發(fā)電機的磁極水輪

7、發(fā)電機的定子結(jié)構(gòu)320MW水輪發(fā)電機水輪發(fā)電機思考題 1.一臺頻率一臺頻率f=50Hz，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速n=3000r/min的汽輪的汽輪發(fā)電機的極數(shù)是發(fā)電機的極數(shù)是多少多少？ 2.一臺頻率一臺頻率f=50Hz，極數(shù)，極數(shù)2p=100的水輪發(fā)電的水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)速是多少？機的轉(zhuǎn)速是多少？2. 2. 同步電機的運行狀態(tài)同步電機的運行狀態(tài) 轉(zhuǎn)子主極磁場轉(zhuǎn)子主極磁場 轉(zhuǎn)子通入直流勵磁電流產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子通入直流勵磁電流產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。定子合成磁場定子合成磁場 定子三相對稱繞組流過三相對稱電流產(chǎn)定子三相對稱繞組流過三相對稱電流產(chǎn) 生，以同步速旋轉(zhuǎn)（等于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速）。生，以同步速旋轉(zhuǎn)（等于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

8、）。同步電機有同步電機有發(fā)電機發(fā)電機、電動機電動機、補償機補償機三種運行狀態(tài)。三種運行狀態(tài)。運行狀態(tài)取決于磁場的相對位置運行狀態(tài)取決于磁場的相對位置功率角功率角 轉(zhuǎn)子磁場軸線轉(zhuǎn)子磁場軸線領(lǐng)先定子合成磁場軸線領(lǐng)先定子合成磁場軸線的夾角。的夾角。 0時時，Te為制動轉(zhuǎn)矩，原動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩，原動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩Te 平衡平衡 。轉(zhuǎn)子吸收機械功率，定子發(fā)出電功率。轉(zhuǎn)子吸收機械功率，定子發(fā)出電功率。 發(fā)電機運行狀態(tài)發(fā)電機運行狀態(tài)發(fā)電機運行狀態(tài)示意圖 0 時，時，Te為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，帶動負載運行。帶動負載運行。轉(zhuǎn)子輸轉(zhuǎn)子輸出機械功率，定子吸收出機械功率，定子吸收電功率。電

9、功率。 電動機運行狀態(tài)電動機運行狀態(tài) = 0 時，電磁轉(zhuǎn)矩為時，電磁轉(zhuǎn)矩為0，不進行能量轉(zhuǎn)換，不進行能量轉(zhuǎn)換，僅發(fā)僅發(fā)出或吸收無功功率。出或吸收無功功率。 補償機運行狀態(tài)補償機運行狀態(tài)電動機補償機運行狀態(tài)示意圖3.3.同步電機的勵磁方式同步電機的勵磁方式 （1 1）電勵磁）電勵磁 1）直流勵磁機勵磁）直流勵磁機勵磁 并勵直流發(fā)電機（與同步電機同軸）并勵直流發(fā)電機（與同步電機同軸）G同步發(fā)電機同步發(fā)電機并勵直流發(fā)電機并勵直流發(fā)電機直流發(fā)電機勵磁直流電機存在電刷和換向器，可靠性差，受換向限制，容量受限。直流電機存在電刷和換向器，可靠性差，受換向限制，容量受限。 并勵并勵 + 他勵直流發(fā)電機勵磁他勵

10、直流發(fā)電機勵磁與并勵直流發(fā)電機勵磁相比，可提高勵磁系統(tǒng)的反應(yīng)速度，并使勵磁與并勵直流發(fā)電機勵磁相比，可提高勵磁系統(tǒng)的反應(yīng)速度，并使勵磁機在較低的電壓下也能穩(wěn)定運行。機在較低的電壓下也能穩(wěn)定運行。帶副勵磁機的勵磁系統(tǒng)帶副勵磁機的勵磁系統(tǒng)GG副勵磁機副勵磁機主勵磁機主勵磁機同步發(fā)電機同步發(fā)電機2) 2) 靜止整流器勵磁靜止整流器勵磁 他勵式他勵式自勵自勵恒壓器恒壓器電壓電壓調(diào)整器調(diào)整器交流副勵磁機（中頻）交流副勵磁機（中頻）交流主勵磁機（交流主勵磁機（100Hz）可控可控整流器整流器不可控不可控整流器整流器主發(fā)電機主發(fā)電機電壓互感器電壓互感器電流互感器電流互感器靜止整流器勵磁靜止整流器勵磁 優(yōu)點：

11、優(yōu)點：運行、維護方便，沒有直流勵磁機，使勵磁容量得運行、維護方便，沒有直流勵磁機，使勵磁容量得以提高，因而在大以提高，因而在大 容量汽輪發(fā)電機中得到了廣泛的容量汽輪發(fā)電機中得到了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用。 自勵式自勵式主發(fā)電機發(fā)出的功率經(jīng)靜止整流器整流為直流，然后通過主發(fā)電機發(fā)出的功率經(jīng)靜止整流器整流為直流，然后通過電刷和集電環(huán)通入到主發(fā)電機的勵磁繞組中。電刷和集電環(huán)通入到主發(fā)電機的勵磁繞組中。缺點：缺點：存在電刷、集電環(huán)的滑動接觸（薄弱環(huán)節(jié)）。存在電刷、集電環(huán)的滑動接觸（薄弱環(huán)節(jié)）。 優(yōu)點：優(yōu)點：取消了電刷和集電環(huán)，運行比較可靠，適合大容量取消了電刷和集電環(huán)，運行比較可靠，適合大容量發(fā)電機，尤其適合

12、于要求防爆、防燃的特殊場合。發(fā)電機，尤其適合于要求防爆、防燃的特殊場合。無刷勵磁無刷勵磁多用于大、中容量的汽輪發(fā)電機、補償機以及在特多用于大、中容量的汽輪發(fā)電機、補償機以及在特殊環(huán)境下的同步發(fā)電機。殊環(huán)境下的同步發(fā)電機。目前我國新裝發(fā)電機容量一般為目前我國新裝發(fā)電機容量一般為 30萬萬kW 、60萬萬kW、90萬萬kW等。多采用整流器勵磁系統(tǒng)。等。多采用整流器勵磁系統(tǒng)。一般地，單機容量越大，一般地，單機容量越大， 電機效率越高。電機效率越高。 3 3）旋轉(zhuǎn)整流器勵磁）旋轉(zhuǎn)整流器勵磁 （2 2）永磁勵磁）永磁勵磁 永磁勵磁采用永磁材料建立同步電機的磁場。永磁勵磁采用永磁材料建立同步電機的磁場。優(yōu)

13、點：優(yōu)點：轉(zhuǎn)子上無勵磁繞組和勵磁電流，取消了電刷和滑環(huán)，轉(zhuǎn)子上無勵磁繞組和勵磁電流，取消了電刷和滑環(huán)，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，效率高，維護工作量??；轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，效率高，維護工作量小；轉(zhuǎn)子上永磁材料的形狀和尺寸可以靈活多樣，尤其適子上永磁材料的形狀和尺寸可以靈活多樣，尤其適合于低速和高速電機。合于低速和高速電機。 目前永磁勵磁在小型和微型同步電機中獲得了廣泛應(yīng)用。目前永磁勵磁在小型和微型同步電機中獲得了廣泛應(yīng)用。永磁勵磁的永磁勵磁的缺點是其磁場不能根據(jù)電機的運行狀態(tài)進行缺點是其磁場不能根據(jù)電機的運行狀態(tài)進行方便和有效的調(diào)節(jié)方便和有效的調(diào)節(jié)。 額定電壓額定電壓UN 單位為單位為kV 額定電流

14、額定電流IN 單位為單位為A, kA 額定功率因數(shù)額定功率因數(shù) N cos 額定頻率額定頻率 f N 單位為單位為Hz 額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速n N 單位為單位為r/min 額定勵磁電流和電壓額定勵磁電流和電壓 IfN 、UfN 額定容量額定容量 SN 或額定功率或額定功率PN 單位為單位為 kW, kVA同步發(fā)電機同步發(fā)電機是指額定運行時輸出的電功率；是指額定運行時輸出的電功率；同步電動機同步電動機是是指額定運行時軸上輸出的機械功率；指額定運行時軸上輸出的機械功率；補償機補償機是指額定運行是指額定運行時輸出的無功功率。時輸出的無功功率。4. 同步電機的額定值同步電機的額定值6.2 同步發(fā)電機的空載

15、運行同步發(fā)電機的空載運行 一、空載運行一、空載運行 n s I f I = 01.1.空載磁場空載磁場主磁場主磁場 主磁通 在三相繞組中感應(yīng)對稱電動勢 00 B FIff f漏磁通 If0f同步電機的空載磁場同步電機的空載磁場01w104.44 E f N ks60pnf 240120000 EE EEEE0C0B0A 0若主磁場若主磁場B0 在氣隙中正弦分布，且以同步速在氣隙中正弦分布，且以同步速n ns s旋轉(zhuǎn)，則在旋轉(zhuǎn)，則在定子繞組中產(chǎn)生對稱三相電動勢定子繞組中產(chǎn)生對稱三相電動勢 有效值：有效值：頻率：頻率：空載電動勢，即激磁電動勢。空載電動勢，即激磁電動勢。三相對稱電動勢三相對稱電動勢

16、2.2.空載特性空載特性 E0 = f (I f) 同步電機的空載特性同步電機的空載特性 0較小時，磁路不飽和，空較小時，磁路不飽和，空載曲線的下部是一條直線；隨載曲線的下部是一條直線；隨 o的增大，鐵心逐漸飽和，的增大，鐵心逐漸飽和，空空 載載 曲線彎曲。曲線彎曲。 氣隙線氣隙線：不計鐵心磁磁飽：不計鐵心磁磁飽和的空載特性曲線。和的空載特性曲線。 空載特性是同步電機的一空載特性是同步電機的一條基本特性。條基本特性。氣隙線空載特性00,Eo0fIff,FINU二、對稱三相負載時的電樞反應(yīng)二、對稱三相負載時的電樞反應(yīng)1.1.接三相對稱負載時的物理過程接三相對稱負載時的物理過程 1160 1 35

17、saawf n pI F NF.k I p基波合成磁動勢B 氣隙合成磁場空載時，同步電機的空載時，同步電機的氣隙磁場氣隙磁場是由勵磁磁動勢所產(chǎn)生的是由勵磁磁動勢所產(chǎn)生的主主磁場磁場B0。0(aBB電樞反應(yīng)磁場空載磁場）2. 電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)電樞磁動勢的基波對氣隙磁場的影響電樞磁動勢的基波對氣隙磁場的影響 電樞反應(yīng)使氣隙磁場空間位置發(fā)生變化，直接關(guān)系到電機的電樞反應(yīng)使氣隙磁場空間位置發(fā)生變化，直接關(guān)系到電機的 機電能量轉(zhuǎn)換。機電能量轉(zhuǎn)換。 電樞反應(yīng)的去磁或增磁，對電機的運行性能產(chǎn)生影響。電樞反應(yīng)的去磁或增磁，對電機的運行性能產(chǎn)生影響。電樞反應(yīng)的性質(zhì)（電樞反應(yīng)的性質(zhì)（交磁，去磁或增磁交磁，去磁或增

18、磁）取決于電樞磁動勢和）取決于電樞磁動勢和主磁場在空間的相對位置。主磁場在空間的相對位置。這一相對位置決定于空載電動勢這一相對位置決定于空載電動勢 和負載電流和負載電流 之間的之間的的相位差的相位差 ，稱為，稱為內(nèi)功率因數(shù)角內(nèi)功率因數(shù)角。0EI01） 0 = 0 時時 定子繞組電動勢、電流及磁動勢定子繞組電動勢、電流及磁動勢在此時刻，在此時刻，A相電動勢、相電動勢、電流達到最大值，電樞電流達到最大值，電樞磁動勢的軸線與磁動勢的軸線與A相繞相繞組軸線重合，同時也與組軸線重合，同時也與q軸重合，即軸重合，即 Faq=Fa，稱為稱為交軸電樞反應(yīng)磁動交軸電樞反應(yīng)磁動勢。勢。相軸線AfFA0BXZYBC

19、NSsnsnaF同步發(fā)電機的交軸電樞反應(yīng)同步發(fā)電機的交軸電樞反應(yīng)定子繞組電動勢、電流和磁通的時間相量圖定子繞組電動勢、電流和磁通的時間相量圖時時間間參參考考軸軸C0EA0C00BEA0EB Is 00BAICI各相電動勢、電各相電動勢、電流和磁通間的相流和磁通間的相位關(guān)系是相同的，位關(guān)系是相同的，所以后邊只畫出所以后邊只畫出一相。一相。定子繞組電動勢、電流和磁通的時間相量圖定子繞組電動勢、電流和磁通的時間相量圖在時在時 - 空統(tǒng)一矢量空統(tǒng)一矢量圖中，電樞磁動圖中，電樞磁動勢勢Fa（空間矢量）（空間矢量）與電樞電流與電樞電流 （時（時間相量）同相位；間相量）同相位；空載磁通空載磁通 與勵與勵磁磁

20、動勢磁磁動勢Ff同相位。同相位。時時- -空統(tǒng)一矢量圖空統(tǒng)一矢量圖軸軸dfF)(aqaFF)(00B I0 EsI0時時-空統(tǒng)一矢量圖空統(tǒng)一矢量圖氣隙合成磁場與主磁場的相對位置氣隙合成磁場與主磁場的相對位置aFeTAXZYBCNS0BBsn相對于主磁場，氣隙合相對于主磁場，氣隙合成磁場的軸線偏移了一成磁場的軸線偏移了一個角度，且幅值有所增個角度，且幅值有所增加。這是由于電樞磁動加。這是由于電樞磁動勢（勢（Fa=Faq）的作用造成）的作用造成的，稱之為的，稱之為交磁作用交磁作用。氣隙合成磁場與主磁場的相對位置圖氣隙合成磁場與主磁場的相對位置圖2）0 0 時時 cos aaq交磁FF電流滯后電動勢

21、電流滯后電動勢snadF相軸線AAXZBCsnaFaqFNSfFY弱作用稱之為去磁。軸磁場有削向，對反與dsinfaadFFF電流滯后電動勢的向量圖電流滯后電動勢的向量圖 cos aaq交磁FF電流超前電動勢電流超前電動勢相軸線AsnadFAXZBCsnaFaqFNSfFY強作用稱之為助磁。軸磁場有加向，對同與dsinfaadFFF電流超前電動勢的向量圖電流超前電動勢的向量圖 并網(wǎng)運行時，直軸電樞反應(yīng)影響電機輸出的無功功率。并網(wǎng)運行時，直軸電樞反應(yīng)影響電機輸出的無功功率。直軸電樞反應(yīng)的影響直軸電樞反應(yīng)的影響 電機單機運行時，直軸電樞反應(yīng)將直接影響端電壓的大電機單機運行時，直軸電樞反應(yīng)將直接影響

22、端電壓的大小。小。去磁去磁時，端電壓降低；時，端電壓降低；助磁助磁時端電壓升高。時端電壓升高。當當角為不同值的電樞反應(yīng)角為不同值的電樞反應(yīng)位置位置電樞反應(yīng)性質(zhì)電樞反應(yīng)性質(zhì)負載性質(zhì)負載性質(zhì)=0=00 0q q軸軸交軸交軸R R=90=900 0d d軸軸直、去直、去L L=-90=-900 0d d軸軸直、增直、增C C0 00 090900 0d d、q q軸軸交、直去交、直去R R、L L-90-900 00 交軸磁導(dǎo)交軸磁導(dǎo)aq，所以，所以XadXaq，因此在凸極同步電機中，因此在凸極同步電機中，XdXq。 對于隱極電機，由于氣隙是均勻的，故對于隱極電機，由于氣隙是均勻的，故XdXqXs。

23、 Xad為為直軸電樞反應(yīng)電抗，直軸電樞反應(yīng)電抗，反映三相對稱電樞電流產(chǎn)生的反映三相對稱電樞電流產(chǎn)生的直軸電樞反應(yīng)磁通在一相繞組中感應(yīng)電動勢的電抗。直軸電樞反應(yīng)磁通在一相繞組中感應(yīng)電動勢的電抗。 Xaq為為交軸電樞反應(yīng)電抗交軸電樞反應(yīng)電抗，反映三相對稱電樞電流產(chǎn)生的，反映三相對稱電樞電流產(chǎn)生的交軸電樞反應(yīng)磁通在一相繞組中感應(yīng)電動勢的電抗。交軸電樞反應(yīng)磁通在一相繞組中感應(yīng)電動勢的電抗。 Xd為為直軸同步電抗，直軸同步電抗，反映直軸電樞總磁通（包括電樞反應(yīng)反映直軸電樞總磁通（包括電樞反應(yīng)磁通和漏磁通）感應(yīng)電動勢的電抗。磁通和漏磁通）感應(yīng)電動勢的電抗。 Xq為為交軸同步電抗交軸同步電抗，反映交軸電樞總

24、磁通（包括電樞反應(yīng)，反映交軸電樞總磁通（包括電樞反應(yīng)磁通和漏磁通）感應(yīng)電動勢的電抗。磁通和漏磁通）感應(yīng)電動勢的電抗。Xd X Xad ， Xq X XaqeFePppP12PpPCuae6.5 6.5 同步發(fā)電機的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程同步發(fā)電機的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程1 1、功率方程和電磁功率、功率方程和電磁功率 功率方程：功率方程： 若轉(zhuǎn)子勵磁損耗由另外的直流電源供給，則發(fā)電機軸若轉(zhuǎn)子勵磁損耗由另外的直流電源供給，則發(fā)電機軸上輸入的機械功率上輸入的機械功率Pl扣除機械損耗扣除機械損耗P和和定子鐵耗定子鐵耗PFe后，后，余下的功率將通過旋轉(zhuǎn)磁場和電磁感應(yīng)的作用，轉(zhuǎn)換成定余下的功率將通過旋轉(zhuǎn)磁場和電磁

25、感應(yīng)的作用，轉(zhuǎn)換成定子的電功率，所以轉(zhuǎn)換功率就是電磁功率子的電功率，所以轉(zhuǎn)換功率就是電磁功率Pe，即：，即： 再從電磁功率再從電磁功率Pe中減去電樞銅耗中減去電樞銅耗PCua可得電樞端點輸可得電樞端點輸出的電功率出的電功率P2；即：；即：)cos(cos2aaeIRUmIRmImUIP電磁功率：電磁功率： aRI 0 U E QE 0EI XI j從向量圖導(dǎo)出從向量圖導(dǎo)出2PpPCuae0coscoscosQaEEIRU0coscoscosQaEEIRU0coscosImEmEIPQe00cosImEPe可見：可見：故同步電機的電磁功率亦可寫成：故同步電機的電磁功率亦可寫成： 上式的第一部分與

26、感應(yīng)電機的電磁功率表達式相同，上式的第一部分與感應(yīng)電機的電磁功率表達式相同，第二部分則是同步電機常用的。對于隱極同步電機，由于第二部分則是同步電機常用的。對于隱極同步電機，由于EQ= =E0，故有：，故有： (cos)eaPmI UIReTTT01sPT11seePT sFeppT02 2、轉(zhuǎn)矩方程、轉(zhuǎn)矩方程把功率方程除以同步角速度，可得轉(zhuǎn)矩方程：把功率方程除以同步角速度，可得轉(zhuǎn)矩方程：式中，式中，T1為原動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為原動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩, ,Te為電磁轉(zhuǎn)矩為電磁轉(zhuǎn)矩, ,T0為空載轉(zhuǎn)為空載轉(zhuǎn)矩，分別為：矩，分別為：6.7 6.7 同步發(fā)電機的運行特性同步發(fā)電機的運行特性 同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)同步

27、發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)運行特性包括外特性、運行特性包括外特性、調(diào)整特性和效率特性。調(diào)整特性和效率特性。 外特性：外特性： 外特性表示發(fā)電機外特性表示發(fā)電機的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，且的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，且勵磁電流和負載功率因勵磁電流和負載功率因數(shù)不變時，發(fā)電機的端數(shù)不變時，發(fā)電機的端電壓與電樞電流之間的電壓與電樞電流之間的關(guān)系：即關(guān)系：即nns，If= =常值，常值，cos= =常值時，常值時， U=f (I)。IUNIONUcos=0.8（滯后）滯后）cos=1cos=0.8（超前）超前）調(diào)整特性：調(diào)整特性： 調(diào)整特性表示發(fā)調(diào)整特性表示發(fā)電機的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、端電壓為額定電速、端電壓為額定電壓

28、、負載的功率因數(shù)壓、負載的功率因數(shù)不變時，勵磁電流與不變時，勵磁電流與電樞電流之間的關(guān)系；電樞電流之間的關(guān)系；即即nnS，U =UN，cos= =常值時，常值時，If=f (I)。IfIcos=0.8滯后滯后cos=1cos=0.8超前超前O6.9 同步發(fā)電機與電網(wǎng)的并聯(lián)運行同步發(fā)電機與電網(wǎng)的并聯(lián)運行1. 投入并聯(lián)的條件和方法投入并聯(lián)的條件和方法2. 與電網(wǎng)并聯(lián)的功角特性與電網(wǎng)并聯(lián)的功角特性3. 有功功率的調(diào)節(jié)與靜態(tài)穩(wěn)定有功功率的調(diào)節(jié)與靜態(tài)穩(wěn)定4. 無功功率的調(diào)節(jié)無功功率的調(diào)節(jié) l一臺發(fā)電機獨立向負載供電的缺點一臺發(fā)電機獨立向負載供電的缺點w 每一臺發(fā)電機的容量有限制。每一臺發(fā)電機的容量有限制

29、。w 若負載經(jīng)常變化，輕載時運行效率低。若負載經(jīng)常變化，輕載時運行效率低。w 發(fā)電機檢修則需要停電；否則要備用一臺同發(fā)電機檢修則需要停電；否則要備用一臺同容量的機組，平時卻不用，不經(jīng)濟。容量的機組，平時卻不用，不經(jīng)濟。w 一臺發(fā)電機供電，供電的品質(zhì)會受影響一臺發(fā)電機供電，供電的品質(zhì)會受影響頻率和電壓會變化（負載突變時）。頻率和電壓會變化（負載突變時）。一般在較偏遠或無法與電網(wǎng)相聯(lián)的場合下使用。一般在較偏遠或無法與電網(wǎng)相聯(lián)的場合下使用。1. 并聯(lián)投入的條件和方法并聯(lián)投入的條件和方法 無限大電網(wǎng)的概念：無限大電網(wǎng)的概念：現(xiàn)代電力系統(tǒng)（電網(wǎng)）通常總是由現(xiàn)代電力系統(tǒng)（電網(wǎng)）通?？偸怯稍S多發(fā)電廠并聯(lián)組成

30、，每個電廠內(nèi)又有多臺發(fā)電機在一起許多發(fā)電廠并聯(lián)組成，每個電廠內(nèi)又有多臺發(fā)電機在一起并聯(lián)運行。并聯(lián)運行。并聯(lián)運行：并聯(lián)運行：把發(fā)電機并聯(lián)到電網(wǎng)上運行的運行方式稱為并把發(fā)電機并聯(lián)到電網(wǎng)上運行的運行方式稱為并聯(lián)運行。聯(lián)運行。 提高供電的質(zhì)量；提高供電的質(zhì)量； 并聯(lián)運行的優(yōu)點：并聯(lián)運行的優(yōu)點： 提高供電的可靠性；提高供電的可靠性； 提高供電的經(jīng)濟性。提高供電的經(jīng)濟性。 研究同步發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)運行問題，不僅具有理論研究同步發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)運行問題，不僅具有理論意義，而且還有很大的實際意義。意義，而且還有很大的實際意義。l無限大電網(wǎng)無限大電網(wǎng) 一臺發(fā)電機單獨供電時，電壓的頻率由原動機決定，調(diào)一臺發(fā)電機單

31、獨供電時，電壓的頻率由原動機決定，調(diào)節(jié)勵磁電流可以調(diào)節(jié)電壓的大小。節(jié)勵磁電流可以調(diào)節(jié)電壓的大小。 一臺發(fā)電機并聯(lián)于無限大電網(wǎng)運行時，調(diào)節(jié)原動機的轉(zhuǎn)一臺發(fā)電機并聯(lián)于無限大電網(wǎng)運行時，調(diào)節(jié)原動機的轉(zhuǎn)速不會改變其電壓的頻率；調(diào)節(jié)勵磁電流也不能改變其速不會改變其電壓的頻率；調(diào)節(jié)勵磁電流也不能改變其電壓的大小。電壓的大小。 當一臺發(fā)電機的容量遠小于它所并聯(lián)的電網(wǎng)的容量時，當一臺發(fā)電機的容量遠小于它所并聯(lián)的電網(wǎng)的容量時，電網(wǎng)可看成是無限大電網(wǎng)。電網(wǎng)可看成是無限大電網(wǎng)。 無限大電網(wǎng)的容量可近似認為是無窮大，電網(wǎng)的電壓和無限大電網(wǎng)的容量可近似認為是無窮大，電網(wǎng)的電壓和頻率不變。頻率不變。 同步發(fā)電機投入并聯(lián)時

32、，為了同步發(fā)電機投入并聯(lián)時，為了避免電機和電網(wǎng)中產(chǎn)生避免電機和電網(wǎng)中產(chǎn)生沖擊電流沖擊電流，以及由此在電機轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生的沖擊轉(zhuǎn)距，待投，以及由此在電機轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生的沖擊轉(zhuǎn)距，待投入并聯(lián)的發(fā)電機應(yīng)當滿足：入并聯(lián)的發(fā)電機應(yīng)當滿足：投入并聯(lián)的條件投入并聯(lián)的條件（1） 發(fā)電機的發(fā)電機的相序相序應(yīng)與電網(wǎng)一致；應(yīng)與電網(wǎng)一致；（2）發(fā)電機的發(fā)電機的頻率頻率應(yīng)與電網(wǎng)相同；應(yīng)與電網(wǎng)相同；（3） 發(fā)電機的激磁電動勢應(yīng)與電網(wǎng)電壓發(fā)電機的激磁電動勢應(yīng)與電網(wǎng)電壓大小相同，相位大小相同，相位 相同相同，UE0即：分析：分析：1）相序不同；）相序不同；2）頻率不同；）頻率不同；3）電壓不同。）電壓不同。第一個條件必須滿足，其余兩

33、個條件允許有些差別。第一個條件必須滿足，其余兩個條件允許有些差別。并連接線圖和向量圖如何才能達到這些條件？如何才能達到這些條件？關(guān)于相序問題：關(guān)于相序問題：一般大型同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)向和相序在出一般大型同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)向和相序在出廠以前都已經(jīng)標定。對于沒有表明相序的電機，可以利廠以前都已經(jīng)標定。對于沒有表明相序的電機，可以利用用相序指示器相序指示器來確定。來確定。要使發(fā)電機的頻率、電壓與電網(wǎng)相同，分別調(diào)節(jié)原動機的要使發(fā)電機的頻率、電壓與電網(wǎng)相同，分別調(diào)節(jié)原動機的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機的勵磁電流就可以達到。轉(zhuǎn)速和發(fā)電機的勵磁電流就可以達到。關(guān)于電動勢的頻率和大?。宏P(guān)于電動勢的頻率和大?。喊l(fā)電機的頻率和勵磁電動勢

34、為：發(fā)電機的頻率和勵磁電動勢為：fpns/60和和E04.44fN1kw1 0電動勢的相位：電動勢的相位：可以調(diào)節(jié)發(fā)電機的瞬時速度來調(diào)整。可以調(diào)節(jié)發(fā)電機的瞬時速度來調(diào)整。投入并聯(lián)的方法投入并聯(lián)的方法投入并聯(lián)所進行的調(diào)節(jié)和操作過程稱為整步。投入并聯(lián)所進行的調(diào)節(jié)和操作過程稱為整步。實用的整步方法有兩種：實用的整步方法有兩種： 準確整步法準確整步法和和自整步法自整步法準確整步法：準確整步法：把發(fā)電機調(diào)整到完全合乎投入并聯(lián)的條件，然后投入電網(wǎng)。把發(fā)電機調(diào)整到完全合乎投入并聯(lián)的條件，然后投入電網(wǎng)。判斷是否滿足投入并聯(lián)的條件方法判斷是否滿足投入并聯(lián)的條件方法采用同步指示器采用同步指示器最簡單的同步指示器由

35、三個指示燈組成，可以有兩種接法：最簡單的同步指示器由三個指示燈組成，可以有兩種接法：直接接法直接接法和和交叉接法。交叉接法。 直接法直接法是把三個同步指示燈分別跨接在電網(wǎng)和發(fā)電機的是把三個同步指示燈分別跨接在電網(wǎng)和發(fā)電機的對應(yīng)相之間，即接在對應(yīng)相之間，即接在 之間。（1）直接接法（又稱燈光熄滅法或暗燈法）直接接法（又稱燈光熄滅法或暗燈法）CCBBAA、，、，、燈光明滅的直接連接法分析時將無限大電網(wǎng)視為一臺同步發(fā)電機，其電壓分析時將無限大電網(wǎng)視為一臺同步發(fā)電機，其電壓的大小和頻率不變。的大小和頻率不變。起動原動機，使其轉(zhuǎn)速接近同步速；調(diào)節(jié)勵磁電流，使發(fā)起動原動機，使其轉(zhuǎn)速接近同步速；調(diào)節(jié)勵磁電流

36、，使發(fā)電機的電壓接近電網(wǎng)電壓。電機的電壓接近電網(wǎng)電壓。頻率：頻率：調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，到三個燈的亮度不再閃爍或閃調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，到三個燈的亮度不再閃爍或閃爍頻率很低時，就表示爍頻率很低時，就表示f f。電壓的大小：電壓的大?。赫{(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流，使發(fā)電機電壓與調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流，使發(fā)電機電壓與電網(wǎng)電壓相等。電網(wǎng)電壓相等。電壓的相位：電壓的相位：燈滅且燈滅且UAA=0時即可合閘投入并聯(lián)。時即可合閘投入并聯(lián)。條件檢查條件檢查相序：相序： 燈光同時明暗，說明相序正確，若輪流亮暗，燈光同時明暗，說明相序正確，若輪流亮暗，則相序不同。則相序不同。(2) 交叉接法（又稱亮燈法）交叉接法（又稱亮燈法）交

37、叉接法交叉接法是把三個同步指示燈分別跨接在電網(wǎng)和發(fā)電機的是把三個同步指示燈分別跨接在電網(wǎng)和發(fā)電機的 之間。BCCBAA、，、，、燈光旋轉(zhuǎn)的交叉連接法起動原動機，使其轉(zhuǎn)速接近同步速；調(diào)節(jié)勵磁電流，使發(fā)起動原動機，使其轉(zhuǎn)速接近同步速；調(diào)節(jié)勵磁電流，使發(fā)電機的電壓接近電網(wǎng)電壓。電機的電壓接近電網(wǎng)電壓。頻率：頻率：調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，到燈光旋轉(zhuǎn)速度很低時，就表調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，到燈光旋轉(zhuǎn)速度很低時，就表示示f f。電壓的大小：電壓的大?。赫{(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流，使發(fā)電機電壓與調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流，使發(fā)電機電壓與電網(wǎng)電壓相等。電網(wǎng)電壓相等。電壓的相位：電壓的相位：A相相燈滅燈滅（UAA=0）時，）時，且且B

38、C相燈亮度相同相燈亮度相同時，即可合閘投入并聯(lián)。時，即可合閘投入并聯(lián)。條件檢查條件檢查相序：相序： 燈光旋轉(zhuǎn)，說明相序正確。燈光旋轉(zhuǎn)，說明相序正確。準確整步法準確整步法的優(yōu)點是的優(yōu)點是可以比較準確地確定合閘時刻，可以比較準確地確定合閘時刻，投入投入瞬間電網(wǎng)和電機沒有瞬間電網(wǎng)和電機沒有 （或很少）沖擊；缺點是整步手續(xù)比（或很少）沖擊；缺點是整步手續(xù)比較復(fù)雜，時間長，不能滿足快速并網(wǎng)要求。較復(fù)雜，時間長，不能滿足快速并網(wǎng)要求。 實際中，在需要將發(fā)電機很快投入并網(wǎng)運行時，可采用實際中，在需要將發(fā)電機很快投入并網(wǎng)運行時，可采用自整步法。自整步法。自整步法自整步法自整步法自整步法 校驗發(fā)電機的相序；校驗

39、發(fā)電機的相序； 勵磁繞組經(jīng)限流電阻短路；勵磁繞組經(jīng)限流電阻短路； 發(fā)電機的轉(zhuǎn)速接近同步速；發(fā)電機的轉(zhuǎn)速接近同步速； 并網(wǎng)；并網(wǎng)； 加勵磁電流。加勵磁電流。操作簡單，裝置簡單，但是合閘有較大的操作簡單，裝置簡單，但是合閘有較大的電流沖擊（達額定電流的電流沖擊（達額定電流的38倍）。倍）。2. 與電網(wǎng)并聯(lián)時同步發(fā)電機的功角特性與電網(wǎng)并聯(lián)時同步發(fā)電機的功角特性當當E0和和U保持不變時，發(fā)電機發(fā)出的電磁功率與功率角之保持不變時，發(fā)電機發(fā)出的電磁功率與功率角之間的關(guān)系間的關(guān)系Pef( )稱為功角特性。稱為功角特性。22cosecuaPpPPmUI0cos()mUI00(coscossinsin )mUI

40、)sincos(dqIImU設(shè)法消去設(shè)法消去Id和和Iqcos sin0UEXIUXIddqqqqXUIsinddXUEIcos02011sin()sin22edqdE UUPmmXXX凸極機功角特性曲線凸極機功角特性曲線01sinedE UPmX為基本電磁功率為基本電磁功率基本電磁功率與激磁電動勢成正比，與端電壓成正比，基本電磁功率與激磁電動勢成正比，與端電壓成正比，與功角的正弦成正比，與直軸同步電抗成反比。與功角的正弦成正比，與直軸同步電抗成反比。當當 時，達到最大值。時，達到最大值。cos sin0UEXIUXIddqq凸極機功角特性曲線凸極機功角特性曲線附加電磁功率與激磁電動勢（電流）

41、的大小無關(guān)，且僅當附加電磁功率與激磁電動勢（電流）的大小無關(guān)，且僅當 時時 才存在，它是由凸極效應(yīng)（即交、直軸磁阻不相才存在，它是由凸極效應(yīng)（即交、直軸磁阻不相等）所引起，故亦稱為等）所引起，故亦稱為磁阻功率磁阻功率。在隱極同步電機中附加電。在隱極同步電機中附加電磁功率等于零。磁功率等于零。qdXX 當當 時達到最大值。時達到最大值。2211()sin22eqdUPmXX稱為附加電磁功率稱為附加電磁功率總的電磁功率，發(fā)電機運行時，在總的電磁功率，發(fā)電機運行時，在 為為4590之間達到之間達到最大值最大值Pe(max),其具體位置和數(shù)值視其具體位置和數(shù)值視Pe1(max) 和和 Pe2(max)

42、的相對的相對大小而定。大小而定。對于隱極電機，由于對于隱極電機，由于XdXqXs，附加電磁功率為零，故，附加電磁功率為零，故Pe就等于基本電磁功率就等于基本電磁功率0sinedE UPmX對于凸極電機，電磁功率對于凸極電機，電磁功率Pe亦可以寫成亦可以寫成0coscossineQQQqqPmUImE IE UmE ImX要注意，式中的要注意，式中的EQ為虛擬電動勢，為虛擬電動勢，EQ本身也是功角本身也是功角 的的函數(shù)，隨著負載的變化而變化。函數(shù)，隨著負載的變化而變化。)(0qddQXXI jEE功率角的空間含意功率角的空間含意功率角功率角 亦可看作是合成磁場滯后空載磁場的角度。亦可看作是合成磁

43、場滯后空載磁場的角度。()aEUI RjXU3. 有功功率的調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定有功功率的調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定(1) 有功功率的調(diào)節(jié)有功功率的調(diào)節(jié)以以隱極電機隱極電機為例，說明同步發(fā)電機與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時有功為例，說明同步發(fā)電機與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時有功功率的調(diào)節(jié)。為簡化分析，略去功率的調(diào)節(jié)。為簡化分析，略去電樞電阻和磁飽和的影響電樞電阻和磁飽和的影響。準確整步法并網(wǎng)時準確整步法并網(wǎng)時，UE0，功率角002sin0esE UPPmX有功功率的調(diào)節(jié)有功功率的調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)距電磁轉(zhuǎn)距Te 0，發(fā)電機在電網(wǎng)上，發(fā)電機在電網(wǎng)上處于空載狀態(tài)；原動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)處于空載狀態(tài)；原動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩僅用于克服發(fā)電機的空載轉(zhuǎn)矩。矩僅用于克

44、服發(fā)電機的空載轉(zhuǎn)矩。欲使發(fā)電機輸出有功功率，根據(jù)能量守恒原理，應(yīng)當增加發(fā)欲使發(fā)電機輸出有功功率，根據(jù)能量守恒原理，應(yīng)當增加發(fā)電機的輸入功率，即調(diào)節(jié)原動機，這可以由開大汽輪機的汽電機的輸入功率，即調(diào)節(jié)原動機，這可以由開大汽輪機的汽門（或水輪機的水門）來實現(xiàn)。門（或水輪機的水門）來實現(xiàn)。原動機的功率增加時，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩原動機的功率增加時，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T1也增大，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子加也增大，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子加速，于是與轉(zhuǎn)子主磁場相對應(yīng)的電動勢速，于是與轉(zhuǎn)子主磁場相對應(yīng)的電動勢E0將超前于電網(wǎng)電壓將超前于電網(wǎng)電壓U以以 角。角。根據(jù)功角特性，此時發(fā)電機將向電網(wǎng)輸出一定的有功功率根據(jù)功角特性，此時發(fā)電機將向電網(wǎng)輸出一定的

45、有功功率P2。02sinesE UPPmX同時轉(zhuǎn)子上將受到一個制動的電磁轉(zhuǎn)矩同時轉(zhuǎn)子上將受到一個制動的電磁轉(zhuǎn)矩Te，使驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和制，使驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和制動的電磁轉(zhuǎn)矩重新取得平衡；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速仍然保持為同步轉(zhuǎn)速。動的電磁轉(zhuǎn)矩重新取得平衡；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速仍然保持為同步轉(zhuǎn)速。此時發(fā)電機已處于負載運行狀態(tài)，如圖中的此時發(fā)電機已處于負載運行狀態(tài)，如圖中的A點所示。點所示。隱極機功角特性曲線隱極機功角特性曲線由此可見，要增加發(fā)電機的輸出有功功率，必須增加原動機由此可見，要增加發(fā)電機的輸出有功功率，必須增加原動機的輸出功率，使功率角的輸出功率，使功率角 增大，電磁功率和輸出功率便會相增大，電磁功率和輸出功率便會相應(yīng)的增加；直到應(yīng)的增