同步電機的基本工作原理與結構

1、第章同步電機6.1 6.1 同步電機的基本工作原理與結構同步電機的基本工作原理與結構6.2 6.2 同步發(fā)電機的空載運行同步發(fā)電機的空載運行6.36.3同步發(fā)電機的電樞反應同步發(fā)電機的電樞反應6.4 6.4 同步發(fā)電機的負載運行同步發(fā)電機的負載運行6.56.5同步發(fā)電機的并聯(lián)運行同步發(fā)電機的并聯(lián)運行6.66.6同步電動機和同步調(diào)相機同步電動機和同步調(diào)相機思考題與習題 同步電機是交流旋轉電機的一種同步電機是交流旋轉電機的一種, ,因其轉速恒等于同步速因其轉速恒等于同步速機時得名。同步電機主要用作發(fā)電機，也可用作電動機和調(diào)相機時得名。同步電機主要用作發(fā)電機，也可用作電動機和調(diào)相機。本章主要分析同步

2、發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)運行原理和運行特性，簡機。本章主要分析同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)運行原理和運行特性，簡要分析同步電動機和調(diào)相機的運行狀態(tài)。要分析同步電動機和調(diào)相機的運行狀態(tài)。第章同步電機.1同步電機的基本工作原理與結構.1.1 同步電機的基本結構以汽輪發(fā)電機為例以汽輪發(fā)電機為例: :定子鐵心：硅鋼片疊成。定子鐵心：硅鋼片疊成。機座：鋼板焊接面成，有足夠的強度和鋼度。機座：鋼板焊接面成，有足夠的強度和鋼度。電樞繞組：三相對稱繞組電樞繞組：三相對稱繞組銅線制成銅線制成定子定子( (電樞電樞) )轉子鐵心：采用整塊的含鉻、鎳和鉬的合金鋼鍛成轉子鐵心：采用整塊的含鉻、鎳和鉬的合金鋼鍛成護環(huán)：保護勵磁繞組受離心力時不

3、甩出護環(huán)：保護勵磁繞組受離心力時不甩出勵磁繞組：銅線制成勵磁繞組：銅線制成滑環(huán)：引勵磁電流經(jīng)電刷、滑環(huán)進入勵磁繞組滑環(huán)：引勵磁電流經(jīng)電刷、滑環(huán)進入勵磁繞組中心環(huán)：支持護環(huán)，阻止勵磁繞組軸向移動中心環(huán)：支持護環(huán)，阻止勵磁繞組軸向移動轉子轉子第章同步電機機械端口機械端口轉子轉子定子繞組定子繞組定子鐵心定子鐵心電端口電端口ABC返回第章同步電機返回第章同步電機1 1、汽輪發(fā)電機結構、汽輪發(fā)電機結構 （1 1）定子鐵心）定子鐵心返回第章同步電機返回第章同步電機1 1、汽、汽輪發(fā)電輪發(fā)電機結構機結構返回第章同步電機2 2、水輪發(fā)電機結構、水輪發(fā)電機結構(1)(1)立式水輪發(fā)電機立式水輪發(fā)電機(2)(2)

4、臥式水輪發(fā)電機臥式水輪發(fā)電機第章同步電機2 2、水輪發(fā)電機結構、水輪發(fā)電機結構轉子結構轉子結構10000kW10000kW水輪機轉子水輪機轉子第章同步電機1.1.發(fā)電環(huán)節(jié)發(fā)電環(huán)節(jié)各種電機各種電機 引進引進600MW汽輪發(fā)電機汽輪發(fā)電機第章同步電機國產(chǎn)國產(chǎn)300MW汽輪發(fā)電機汽輪發(fā)電機第章同步電機國產(chǎn)國產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機定子汽輪發(fā)電機定子第章同步電機國產(chǎn)國產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機定子鐵心汽輪發(fā)電機定子鐵心第章同步電機現(xiàn)場運行的水輪發(fā)電機現(xiàn)場運行的水輪發(fā)電機第章同步電機.1同步電機的基本工作原理與結構.1.2 同步電機的基本工作原理與分類一、同步發(fā)電機的基本工作原理大小大小：01104 44wE

5、.fN k 頻率頻率：60pnf 勵磁繞組通入直流電流后建立恒定磁勵磁繞組通入直流電流后建立恒定磁場，原動機拖動轉子以轉速場，原動機拖動轉子以轉速 旋轉時，其旋轉時，其磁場切割定子繞組而感應交流電動勢磁場切割定子繞組而感應交流電動勢 . . n0E相序相序：由轉子的轉向決定。：由轉子的轉向決定。波形波形：由：由 可知，波形可知，波形取決于取決于 的空間分布。的空間分布。( x )eBlv ( x )B第章同步電機U2U1W2V1W1V2NSn發(fā)電機的物理過發(fā)電機的物理過程可用圖示表示程可用圖示表示旋轉示意圖1旋轉示意圖2第章同步電機二、同步電機的分類按按運行運行方式，同步電機分發(fā)電機、電動機和

6、調(diào)相機。方式，同步電機分發(fā)電機、電動機和調(diào)相機。按按結構結構型式，同步電機分旋轉電樞式和旋轉磁極式。型式，同步電機分旋轉電樞式和旋轉磁極式。旋轉磁極式同步電機按磁極形狀，又分隱極式和凸極式兩種。旋轉磁極式同步電機按磁極形狀，又分隱極式和凸極式兩種。按原動機類別按原動機類別, ,同步電機分為汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機和柴同步電機分為汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機和柴油發(fā)電機等。油發(fā)電機等。汽輪發(fā)電機一般作成隱極式，現(xiàn)代汽輪發(fā)電機均為汽輪發(fā)電機一般作成隱極式，現(xiàn)代汽輪發(fā)電機均為2 2極，轉速極，轉速為為30003000轉轉/ /分鐘，水輪發(fā)電機采用凸極式，極數(shù)多，轉速低。分鐘，水輪發(fā)電機采用凸極式，極數(shù)多，轉

7、速低。同步電動機、柴油發(fā)電機和調(diào)相機一般作成凸極式。同步電動機、柴油發(fā)電機和調(diào)相機一般作成凸極式。第章同步電機.1.3 同步電機的額定值對同步發(fā)電機額定值之間關系為：對同步發(fā)電機額定值之間關系為：3NNNNNNPScosU Icos )(kVUN額定電壓額定運行時加在額定運行時加在三相定子繞組上三相定子繞組上的線電壓。的線電壓。NNPS 額定功率額定容量 指電機額定運行時，輸出功率的保證值。同步發(fā)電機是指指電機額定運行時，輸出功率的保證值。同步發(fā)電機是指輸出的額定視在功率或有功功率，單位是輸出的額定視在功率或有功功率，單位是KVAKVA或或KWKW。電動機額定。電動機額定容量是指額定條件下轉軸

8、上輸出的機械功率，單位是容量是指額定條件下轉軸上輸出的機械功率，單位是KWKW。調(diào)相。調(diào)相機用機用KVAKVA或或KvarKvar表示。表示。)(AIN額定電流在額定運行狀在額定運行狀態(tài)下三相定子態(tài)下三相定子繞組的線電流繞組的線電流.fNfNNNNUInf額定勵磁電壓額定勵磁電流額定轉速額定效率額定頻率額定功率因數(shù)Ncos第章同步電機.2 同步發(fā)電機的空載運行fIfF0 f 0E 電磁關系：電磁關系：01104 44wE.fN k 空載特性：空載特性： 同步發(fā)電機被原動機拖動到同步轉速，勵磁繞組中通入直流同步發(fā)電機被原動機拖動到同步轉速，勵磁繞組中通入直流電流電流 ，定子繞組開路的運行稱為，定

9、子繞組開路的運行稱為空載運行空載運行。fI空載電動勢空載電動勢 大小：大?。?E00Nfnn ,I,Ef(I ) 第章同步電機.3 同步電機的電樞反應電樞反應電樞反應: :電機帶上負載后，電樞磁動勢的基波在氣隙中使氣隙電機帶上負載后，電樞磁動勢的基波在氣隙中使氣隙磁通的大小及位置均發(fā)生變化磁通的大小及位置均發(fā)生變化, , 這種影響稱為電樞反應這種影響稱為電樞反應. .電樞反應的性質(zhì)，取決于電樞磁動勢基波電樞反應的性質(zhì)，取決于電樞磁動勢基波 和勵磁磁動勢基波和勵磁磁動勢基波 之間的相對位置，即與空載電動勢之間的相對位置，即與空載電動勢 和電樞電流和電樞電流 之間的夾角之間的夾角 有關有關. .0

10、E I fFaF勵磁磁勢和電樞磁勢的區(qū)別勵磁磁勢和電樞磁勢的區(qū)別基波基波波形波形大小大小位置位置轉速轉速轉向轉向勵磁磁動勵磁磁動勢勢正弦正弦波波恒定，由勵恒定，由勵磁電流決定磁電流決定由轉子位置由轉子位置決定決定由原動機的轉速由原動機的轉速決定決定由原動機由原動機決定決定電樞反應電樞反應磁動勢磁動勢正弦正弦波波恒定，由電恒定，由電樞電流決定樞電流決定由電流瞬時由電流瞬時值決定值決定由磁極對數(shù)和電由磁極對數(shù)和電流頻率決定流頻率決定由電流相由電流相序決定序決定第章同步電機.3.1 時的電樞反應00 d軸軸q軸軸 U軸軸U1U1U2U2 W2W2V1V1W1V2NSW軸軸V軸fFaFF090電樞反應

11、性質(zhì)：電樞反應性質(zhì)：交軸電樞反應空載電動勢空載電動勢 和和電樞電流電樞電流 同同相位相位. .0EI090 角為角為之間夾之間夾與與afFFaqaFF 為為記記第章同步電機d軸軸q軸軸 U軸軸U1U1U2U2 W2W2V1V1W1V2NSW軸軸V軸fF.3.2 時的電樞反應090 空載電動勢空載電動勢 超超前電樞電流前電樞電流 0EI090電樞反應性質(zhì)：電樞反應性質(zhì)：直軸去磁電樞反應aF090 角為角為之間夾之間夾與與afFFadaFF 為為記記第章同步電機d軸軸q軸軸 U軸軸U1U1U2U2 W2W2V1V1W1V2NSW軸軸V軸fF6.3.36.3.3 時的電樞反應時的電樞反應090 空載

12、電動勢空載電動勢 滯后滯后電樞電流電樞電流 0EI090電樞反應性質(zhì)：電樞反應性質(zhì)：直軸助磁電樞反應aF090 角角為為之之間間夾夾與與afFFadaFF 為為記記第章同步電機d軸軸q軸軸 U軸軸U1U1U2U2 W2W2V1V1W1V2NSW軸軸V軸fF6.3.4 一般情況下的電樞反應空載電動勢空載電動勢 超前超前電樞電流電樞電流 角角, , 009000EIaF090 電樞反應性質(zhì)：電樞反應性質(zhì)：既有交軸,還有直軸去磁電樞反應090 角角為為之之間間夾夾與與afFF第章同步電機此種情況下此種情況下dqdqIIIII sinII cos -直軸分量直軸分量-交軸分量交軸分量0090成與EId

13、同相位與0EIqaadaqadaaqaFFFFF sinFF cos -直軸分量直軸分量電流產(chǎn)生的合成磁動勢電流產(chǎn)生的合成磁動勢-交軸分量交軸分量電流產(chǎn)生的合成磁動勢電流產(chǎn)生的合成磁動勢第章同步電機6.3.4 一般情況下的電樞反應（總結）上升上升下降下降 上升上升下降下降下降下降下降下降不變不變不變不變下降下降R、C增強增強交軸直交軸直軸助磁軸助磁d、q軸R、L削弱削弱交軸直交軸直軸去磁軸去磁d、q軸C增強增強直軸直軸助磁助磁d軸L削弱削弱直軸直軸去磁去磁d軸R波形波形畸變畸變交軸交軸q軸 負載負載性質(zhì)性質(zhì)對電機的影響電樞反應性質(zhì)記作記作夾角夾角 位置位置aFafFFaFaqFadFaqadF

14、F adFaqadFF F000900900090000090090)f(nU第章同步電機6.3.5 電樞反應與機-電能量轉換 電樞反應是同步電機在負載運行時的重要物理現(xiàn)象，它不電樞反應是同步電機在負載運行時的重要物理現(xiàn)象，它不僅是引起端電壓變化的主要原因，而且也是電機實現(xiàn)機僅是引起端電壓變化的主要原因，而且也是電機實現(xiàn)機-電能電能量轉換的樞紐。量轉換的樞紐。.T，em電電磁磁轉轉矩矩轉轉軸軸上上產(chǎn)產(chǎn)生生制制動動性性質(zhì)質(zhì)的的在在勵勵磁磁電電流流共共同同作作用用交交軸軸的的電電樞樞反反應應磁磁場場與與.II ,IE,qq的的有有功功分分量量可可以以認認為為是是產(chǎn)產(chǎn)生生的的同同相相的的勢勢與與空空

15、載載電電動動交交軸軸電電樞樞反反應應磁磁動動勢勢是是時時當當000 輸出的有功功率越大，有功分量電流就越輸出的有功功率越大，有功分量電流就越大，交軸電樞反應越強，大，交軸電樞反應越強， 越大，這就越大，這就要求原動機輸入更大的驅(qū)動轉矩，維持電要求原動機輸入更大的驅(qū)動轉矩，維持電機的轉速不變。機的轉速不變。emT第章同步電機.II,IE,）(dd的的無無功功分分量量是是可可以以認認為為的的產(chǎn)產(chǎn)生生的的成成與與直直軸軸電電樞樞反反應應磁磁動動勢勢是是時時或或當當0000909090 說明發(fā)電機帶感性說明發(fā)電機帶感性( (或容性或容性) )無無功負載時功負載時, ,不需要原動機增加能量不需要原動機增

16、加能量. . 但是直軸去磁（或助磁）電樞反應對氣隙但是直軸去磁（或助磁）電樞反應對氣隙磁場有去磁（或助磁）作用，致使電壓下降磁場有去磁（或助磁）作用，致使電壓下降（或上升）。為維持電壓恒定所需的勵磁電流（或上升）。為維持電壓恒定所需的勵磁電流也需要相應增加（或減?。?。也需要相應增加（或減?。?。 直軸電樞反應磁場與勵磁直軸電樞反應磁場與勵磁電流共同作用電流共同作用, ,在勵磁繞組上產(chǎn)在勵磁繞組上產(chǎn)生電磁力生電磁力, ,但不能形成電磁轉矩但不能形成電磁轉矩. .第章同步電機 一般情況下，發(fā)電機既帶有功負載，又帶感性無功負一般情況下，發(fā)電機既帶有功負載，又帶感性無功負載，有功電流的變化影響發(fā)電機的轉

17、速及頻率，無功電流載，有功電流的變化影響發(fā)電機的轉速及頻率，無功電流的變化影響發(fā)電機的電壓。的變化影響發(fā)電機的電壓。 綜上所述，交軸電樞反應的存在是實現(xiàn)機綜上所述，交軸電樞反應的存在是實現(xiàn)機電能量轉電能量轉換的關鍵。換的關鍵。為了保持發(fā)電機的頻率和電壓的穩(wěn)定，必須隨負載變?yōu)榱吮３职l(fā)電機的頻率和電壓的穩(wěn)定，必須隨負載變化及時調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸入功率和勵磁電流?；皶r調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸入功率和勵磁電流。第章同步電機6.4.1 凸極同步發(fā)電機的電動勢方程和相量圖.4 同步電機的負載運行一、凸極同步發(fā)電機的電動勢方程電磁關系：電磁關系：fIfF0f0EdIadFadadEqIaqFaqaqEEI不計磁路飽和時

18、有下列關系不計磁路飽和時有下列關系addadaqqaqEjI XEjI XEjIX 由于由于qdIII且令且令dadqaqXXXXXX則電動勢平衡方程則電動勢平衡方程0addqqEUIRjI XjI XdqXX-直軸同步電抗直軸同步電抗-交軸同步電抗交軸同步電抗分別表征在對稱負載下，單位直軸或分別表征在對稱負載下，單位直軸或交軸三相電流產(chǎn)生的總電樞磁場在電交軸三相電流產(chǎn)生的總電樞磁場在電樞每一相繞組中感應的電動勢。樞每一相繞組中感應的電動勢。第章同步電機二、凸極同步發(fā)電機的相量圖作圖步驟作圖步驟;IU)(和和根根據(jù)據(jù)已已知知條條件件繪繪出出1;IEEXI jRIUE)(QQqaQ的的夾夾角角與

19、與及及作作出出根根據(jù)據(jù) 2;III)(qd和和分分解解成成角角將將根根據(jù)據(jù)3.EOG,G,XI jXI jM,XI jXI jRIUE)(ddqqqqdda004線線段段即即得得連連接接端端得得到到末末及及點點依依次次作作出出從從根根據(jù)據(jù) 第章同步電機6.4.2隱極同步發(fā)電機的電動勢方程、相量圖和等效電路一、電動勢方程電磁關系：電磁關系：fIfF0f0EaaEEIaF不計磁路飽和時有下列關系不計磁路飽和時有下列關系令令taXXX 電動勢平衡方程電動勢平衡方程0atEUIRjIX tX-同步電抗同步電抗aaEjIXEjIX 表征在對稱負載下，單位三相電流表征在對稱負載下，單位三相電流產(chǎn)生的電樞總

20、磁場在電樞每一相繞組中產(chǎn)生的電樞總磁場在電樞每一相繞組中感應的電動勢。感應的電動勢。第章同步電機二、等效電路和相量圖等效電路等效電路相量圖相量圖根據(jù)相量圖可求出根據(jù)相量圖可求出 220atEU cosR IU sinX I taX IU sinarctanR IU cos 第章同步電機 當忽略電樞回路電阻時得到的等效電路稱為當忽略電樞回路電阻時得到的等效電路稱為簡化等簡化等效電路效電路, ,對應的相量圖稱為對應的相量圖稱為簡化相量圖簡化相量圖思考題 分別作出汽輪同步發(fā)電機帶分別作出汽輪同步發(fā)電機帶阻性阻性、純感性純感性、純?nèi)菪约內(nèi)菪?、電感性電感性、電容性電容性負負載時的簡化相量圖？并說明各種情

21、況載時的簡化相量圖？并說明各種情況下下電樞反應電樞反應的性質(zhì)？的性質(zhì)？第章同步電機6.4.3 同步發(fā)電機特性一、空載特性定義定義：1000fnn ,I,UEf ( I ) 空載特性是發(fā)電機的基本特性空載特性是發(fā)電機的基本特性之一。它一方面表征了磁路的飽和之一。它一方面表征了磁路的飽和情況，另一方面把它和短路特性、情況，另一方面把它和短路特性、零功率因數(shù)負載特性配合，可確定零功率因數(shù)負載特性配合，可確定電機的基本參數(shù)、額定勵磁電流和電機的基本參數(shù)、額定勵磁電流和電壓變化率等。電壓變化率等。 實際生產(chǎn)中，它還可以檢查三實際生產(chǎn)中，它還可以檢查三相電樞繞組的對稱性、匝間短路、相電樞繞組的對稱性、匝間

22、短路、判斷勵磁繞組和定子鐵心有無故障判斷勵磁繞組和定子鐵心有無故障等。等。 第章同步電機二、短路特性定義定義：10Sfnn ,U,If ( I ) 短路時的等效電路短路時的等效電路短路特性曲線短路特性曲線 短路特性與短路特性與空載特性配合可空載特性配合可以求出電機的同以求出電機的同步電抗。步電抗。第章同步電機三、外特性定義定義：1fnn ,IC ,cosC ,Uf ( I ) 外特性曲線外特性曲線 當發(fā)電機帶當發(fā)電機帶阻性阻性和和感性負載感性負載時，時，外特性是下降的，原因是電樞反應的外特性是下降的，原因是電樞反應的去磁作用和電樞漏阻抗產(chǎn)生了電壓降去磁作用和電樞漏阻抗產(chǎn)生了電壓降. 帶帶容性容

23、性負載時且（發(fā)電機負載的負載時且（發(fā)電機負載的容抗大于同步電抗）時，外特性是上容抗大于同步電抗）時，外特性是上升的，原因是電樞反應的助磁作用和升的，原因是電樞反應的助磁作用和容性電流在漏抗上的壓降。容性電流在漏抗上的壓降。第章同步電機四、調(diào)節(jié)特性定義定義：1fnn ,UC ,cosC ,If ( I ) 調(diào)整特性曲線調(diào)整特性曲線 在在感性感性和和阻性阻性負載時，隨著負載電流負載時，隨著負載電流的增加，必須增加勵磁電流，補償電樞反的增加，必須增加勵磁電流，補償電樞反應的去磁作用和漏阻抗壓降，保持端電壓應的去磁作用和漏阻抗壓降，保持端電壓恒定；對恒定；對容性容性負載，隨著負載電流的增加，負載，隨著

24、負載電流的增加，必須減小勵磁電流。必須減小勵磁電流。 在功率因數(shù)一定情況下在功率因數(shù)一定情況下, ,根據(jù)調(diào)整特根據(jù)調(diào)整特性曲線性曲線, ,可確定在負載變化范圍內(nèi)可確定在負載變化范圍內(nèi), ,維持維持電壓不變所需的勵磁電流的變化范圍。電壓不變所需的勵磁電流的變化范圍。運行人員可利用調(diào)整特性曲線運行人員可利用調(diào)整特性曲線, ,使系統(tǒng)中使系統(tǒng)中無功功率的分配更合理一些。無功功率的分配更合理一些。第章同步電機并聯(lián)運行的含義.5 同步電機的并聯(lián)運行1 1、提高供電的可靠性；、提高供電的可靠性；2 2、提高供電的經(jīng)濟性；、提高供電的經(jīng)濟性；3 3、提高電能的質(zhì)量。、提高電能的質(zhì)量。無窮大電網(wǎng)的含義0cccS

25、UCfCZ 將兩臺或更多臺發(fā)電機分別接在電力系統(tǒng)對應母線上，或?qū)膳_或更多臺發(fā)電機分別接在電力系統(tǒng)對應母線上，或通過變壓器、輸電線接在電力系統(tǒng)的公共母線上，共同向負荷通過變壓器、輸電線接在電力系統(tǒng)的公共母線上，共同向負荷供電。供電。并聯(lián)運行的優(yōu)點并列方法1.1.準同期法準同期法2.2.自同期法自同期法第章同步電機6.5.1 并聯(lián)運行的條件一、準同期并列的條件1.1.待并發(fā)電機的電壓與電網(wǎng)電壓大小相等；待并發(fā)電機的電壓與電網(wǎng)電壓大小相等；2.2.待并發(fā)電機電壓相位相同與電網(wǎng)電壓相位相同；待并發(fā)電機電壓相位相同與電網(wǎng)電壓相位相同；3.3.待并發(fā)電機電壓頻率與電網(wǎng)電壓頻率相同；待并發(fā)電機電壓頻率與電

26、網(wǎng)電壓頻率相同； 4.4.待并發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序相同。待并發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序相同。 上述條件（上述條件（4 4）一般在安裝發(fā)電機時，根據(jù)發(fā)電機的轉向確）一般在安裝發(fā)電機時，根據(jù)發(fā)電機的轉向確定了發(fā)電機的相序而滿足，因此運行人員在并列時只需調(diào)節(jié)發(fā)定了發(fā)電機的相序而滿足，因此運行人員在并列時只需調(diào)節(jié)發(fā)電機使其滿足其它三個條件即可。電機使其滿足其它三個條件即可。 不滿足任一條件的并列稱為非同期并列，將對電機產(chǎn)生嚴不滿足任一條件的并列稱為非同期并列，將對電機產(chǎn)生嚴重的危害。重的危害。重點重點內(nèi)容內(nèi)容第章同步電機1. 1. 電壓大小不等電壓大小不等此時此時,ab,ab兩端有電位差兩端有電位差

27、gcUUU 在電位差的作用下發(fā)電機產(chǎn)生在電位差的作用下發(fā)電機產(chǎn)生沖擊電流，即沖擊電流，即gccddUUUIjxjx 沖擊電流為無功沖擊電流為無功分量，不會加重原動分量，不會加重原動機的負擔，但會在電機的負擔，但會在電樞繞組中產(chǎn)生很大的樞繞組中產(chǎn)生很大的沖擊力，使電樞繞組沖擊力，使電樞繞組端部受沖擊力的作用端部受沖擊力的作用而變形。而變形。第章同步電機2. 2. 相位不同相位不同如如圖圖反反相相和和若若,UUcg 電位差可達發(fā)電機電位差可達發(fā)電機電壓的兩倍，若此時并電壓的兩倍，若此時并列，會產(chǎn)生很大的沖擊列，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，發(fā)電機會因遭受電流，發(fā)電機會因遭受巨大的沖擊力而損壞。巨大的沖擊力

28、而損壞。如如圖圖稍稍超超前前若若,UUcg沖擊電流的影響：沖擊電流的影響：1)1)電樞繞組端電樞繞組端部受部受力力變形變形; 2); 2)轉軸上受沖擊轉軸上受沖擊轉矩轉矩的作用的作用, ,使機軸扭曲變形使機軸扭曲變形; ;) )電樞繞組電樞繞組發(fā)熱發(fā)熱. .此時此時,ab,ab兩端有電位差兩端有電位差gcUUU 第章同步電機3. 3. 頻率不同頻率不同。UUcg同同為為大大小小相相等等而而角角速速度度不不和和。、U變變化化的的拍拍振振電電壓壓時時小小時時大大為為瞬瞬時時值值的的幅幅值值有有規(guī)規(guī)律律轉軸上時而產(chǎn)生制動轉矩、時而產(chǎn)轉軸上時而產(chǎn)生制動轉矩、時而產(chǎn)生驅(qū)動轉矩，結果是電機振動。生驅(qū)動轉矩

29、，結果是電機振動。拍振電流使電樞繞組端拍振電流使電樞繞組端部受力變形，使電樞繞部受力變形，使電樞繞組發(fā)熱。組發(fā)熱。第章同步電機 頻率差過大電機不能并列；頻率差較小時，靠頻率差過大電機不能并列；頻率差較小時，靠自整步作用，可以把發(fā)電機拉入同步。作用，可以把發(fā)電機拉入同步。.cgcaccgcgff，II，UU,ff 直直到到使使轉轉子子減減速速矩矩轉轉軸軸產(chǎn)產(chǎn)生生制制動動轉轉對對的的有有功功分分量量沖沖擊擊電電流流前前超超時時當當.cgcaccgff，II,ff 直直到到速速使使轉轉子子加加矩矩軸軸產(chǎn)產(chǎn)生生驅(qū)驅(qū)動動轉轉對對轉轉功功分分量量的的有有擊擊電電流流沖沖時時當當?shù)谡峦诫姍C4. 4. 相序

30、不同相序不同.,UU,UU,gcg流流而而危危及及電電機機它它將將產(chǎn)產(chǎn)生生巨巨大大的的沖沖擊擊電電等等于于恒恒恒恒差差與與因因為為此此時時能能并并列列相相序序不不同同的的發(fā)發(fā)電電機機絕絕不不31200 發(fā)電機實際并列時，除了相序必須一致外，其它條件允發(fā)電機實際并列時，除了相序必須一致外，其它條件允許有一定的偏差，如許有一定的偏差，如U U不超過不超過10%10%，相位差不超過，相位差不超過10%10%，頻率，頻率偏差不超過偏差不超過0.2%0.5%0.2%0.5%（0.10.25Hz)0.10.25Hz)。二、自同期法 相序正確前提下，起動未加勵磁的發(fā)電機，當其轉速接近同相序正確前提下，起動未

31、加勵磁的發(fā)電機，當其轉速接近同步速時，合上同步開關，將發(fā)電機并網(wǎng)，然后加上發(fā)電機勵磁步速時，合上同步開關，將發(fā)電機并網(wǎng)，然后加上發(fā)電機勵磁將發(fā)電機牽入同步。并網(wǎng)前，勵磁繞組需經(jīng)限流電阻閉合。將發(fā)電機牽入同步。并網(wǎng)前，勵磁繞組需經(jīng)限流電阻閉合。第章同步電機6.5.2 有功功角特性及有功功率調(diào)節(jié).5 同步電機的并聯(lián)運行一、功率和轉矩平衡110212emmecFeademcuPP( PPP)PPPPPPmUI cos 輸入輸入功率功率P1機械損機械損耗耗pmec附加損附加損耗耗p padad鐵損鐵損pFe電磁功電磁功率率Pem定子銅損定子銅損pcu1輸出功輸出功率率P P2 2第章同步電機60211

32、01nPPPem角速度兩邊同時除以同步機械在01111emPPP 可得轉矩平衡方程為可得轉矩平衡方程為10emTTT 10emTTT 或 上式說明，電機穩(wěn)定運行時，驅(qū)動性質(zhì)的原動機轉矩與制上式說明，電機穩(wěn)定運行時，驅(qū)動性質(zhì)的原動機轉矩與制動性質(zhì)的電磁轉矩和空載轉矩之和平衡。動性質(zhì)的電磁轉矩和空載轉矩之和平衡。第章同步電機二、有功功率功角特性定義定義：tqd、X、XX0EfI)(fPem 并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機，當電網(wǎng)電壓和頻率一定、并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機，當電網(wǎng)電壓和頻率一定、參數(shù)（參數(shù)（ ）為常數(shù)、空載電動勢）為常數(shù)、空載電動勢 不變（即不變（即 不變）時，不變）時， 為有功功率

33、功角特性。為有功功率功角特性。凸極發(fā)電機的有功功率功角特性凸極發(fā)電機的有功功率功角特性2021122emdqdE UUPPmUIcosmsinmsinXXX 隱極發(fā)電機的有功功率功角特性隱極發(fā)電機的有功功率功角特性0emtE UPmUI cosmsinX 第章同步電機水輪發(fā)電機有功功水輪發(fā)電機有功功率功角特性曲線率功角特性曲線 水輪發(fā)電機的有功水輪發(fā)電機的有功功率功角特性分兩部分功率功角特性分兩部分: :基基本本電電磁磁功功率率 sinXUEmPdem0附加電磁功率的特點附加電磁功率的特點: :;時附加電磁功率最大045;E 無關附加電磁功率與0.XXqd產(chǎn)生的附加電磁功率是由于附附加加電電磁

34、磁功功率率 21122sin)XX(UmPdqem第章同步電機汽輪發(fā)電機的功角特汽輪發(fā)電機的功角特性曲線性曲線汽輪發(fā)電機的有功功汽輪發(fā)電機的有功功率功角特性的特點率功角特性的特點: :;sinP)em成成正正比比的的正正弦弦函函數(shù)數(shù)與與功功角角電電磁磁功功率率1;XUmEP,)tmaxem00902功率達到極限值時.,P,)em動機運行電機轉為電為負值01803第章同步電機1 1、是電動勢、是電動勢 和電壓和電壓 間的時間相位角間的時間相位角; ;0EUfFuF或稱是勵磁磁勢或稱是勵磁磁勢 和合成磁勢和合成磁勢 間的空間夾角。間的空間夾角。2 2、是感應電動勢、是感應電動勢 的主磁通和產(chǎn)生電壓

35、的主磁通和產(chǎn)生電壓 的電樞等效假想的電樞等效假想磁通之間的夾角。磁通之間的夾角。0EU0u。FF,)(,、,U,ufuauuu間間的的空空間間夾夾角角之之與與定定子子合合成成磁磁極極極極之之間間的的夾夾角角即即為為轉轉子子磁磁由由因因此此所所產(chǎn)產(chǎn)生生簡簡稱稱定定子子合合成成磁磁極極個個等等效效合合成成磁磁極極并并假假定定它它是是由由定定子子的的一一合合成成和和由由產(chǎn)產(chǎn)生生的的是是假假定定發(fā)發(fā)電電機機的的端端電電壓壓是是一一個個虛虛擬擬磁磁通通00功角功角 的雙重物理意義的雙重物理意義第章同步電機用圖示功角的雙重物理意義用圖示功角的雙重物理意義第章同步電機）。（，。),(UE,制制動動轉轉矩矩極

36、極一一個個反反作作用用力力定定子子合合成成磁磁極極給給轉轉子子磁磁轉轉磁磁極極同同步步旋旋轉轉子子磁磁極極拖拖動動定定子子合合成成穩(wěn)穩(wěn)定定運運行行時時角角磁磁極極軸軸線線一一個個合合成成轉轉子子磁磁極極軸軸線線超超前前定定子子超超前前在在發(fā)發(fā)電電機機運運行行時時000 轉子因有原動機的驅(qū)動轉矩克服定子合成磁極的制動轉矩而作功,實現(xiàn)機電能量轉換,將由原動機輸入的機械能轉變?yōu)殡娔茌敵觥?可見，功角是研究同步發(fā)電機運行狀態(tài)的一個重要參數(shù)，可見，功角是研究同步發(fā)電機運行狀態(tài)的一個重要參數(shù)，它不僅決定了發(fā)電機輸出有功功率的大小，而且還反映發(fā)電它不僅決定了發(fā)電機輸出有功功率的大小，而且還反映發(fā)電機轉子的相

37、對空間位置，通過它把同步電機的電磁關系和機機轉子的相對空間位置，通過它把同步電機的電磁關系和機械運動緊密聯(lián)系起來。械運動緊密聯(lián)系起來。第章同步電機 發(fā)電機空載運行時，原動機輸入的功率用來平衡各種損耗，發(fā)電機空載運行時，原動機輸入的功率用來平衡各種損耗，此時此時 ，定、轉子磁極軸線重合，它們之間只有徑向力而無，定、轉子磁極軸線重合，它們之間只有徑向力而無切向力，所以切向力，所以 ，在功角特性的，在功角特性的0 0點上。點上。0000emPemP0。a,TT，TP，TT，P),(emememem點點如如圖圖為為止止直直到到逐逐漸漸增增大大和和電電磁磁轉轉矩矩功功率率逐逐漸漸變變大大輸輸出出增增大大

38、入入功功率率發(fā)發(fā)電電機機輸輸開開大大汽汽門門增增大大原原動動轉轉矩矩 111aa1P 可見，并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)可見，并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機要調(diào)節(jié)有功功率輸出，只需調(diào)節(jié)原電機要調(diào)節(jié)有功功率輸出，只需調(diào)節(jié)原動轉矩。在功率極限角范圍內(nèi)，輸入轉動轉矩。在功率極限角范圍內(nèi)，輸入轉矩越大，有功功率輸出就越大。矩越大，有功功率輸出就越大。第章同步電機四、靜態(tài)穩(wěn)定的概念靜態(tài)穩(wěn)定：指并聯(lián)在電網(wǎng)上穩(wěn)定運行的同步發(fā)電機，當受電指并聯(lián)在電網(wǎng)上穩(wěn)定運行的同步發(fā)電機，當受電網(wǎng)或原動機方面某些微小擾動時，能在這種干擾消失后，繼網(wǎng)或原動機方面某些微小擾動時，能在這種干擾消失后，繼續(xù)保持原來穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。續(xù)保

39、持原來穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。emP0aa1Pbb在在a a點運行時電機具有靜態(tài)穩(wěn)定的能力。點運行時電機具有靜態(tài)穩(wěn)定的能力。若干擾使功角若干擾使功角增大到增大到aa點，點， P Pemem和和T Temem增大，迫使電機減速，功角增大，迫使電機減速，功角變小，電機變小，電機回到回到a a點。點。a干擾使功角干擾使功角減小時，有同樣結論。所以減小時，有同樣結論。所以a a點稱為穩(wěn)定運行點。點稱為穩(wěn)定運行點。而而b b點為不穩(wěn)定運行點，分析略。點為不穩(wěn)定運行點，分析略。第章同步電機靜態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)：比整步功率(kW/rad)0emsyndPPd 對汽輪發(fā)電機，對汽輪發(fā)電機，比整步功率為比整步功率為0em

40、syntdPE UPmcosdx emP0synPsynPemP090在電機穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，在電機穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)， 越大，電機穩(wěn)定增越大，電機穩(wěn)定增長性越好。長性越好。synP第章同步電機五、過載能力汽輪發(fā)電機的過載能力汽輪發(fā)電機的過載能力em maxNPP 001em maxtNNNtE UmPxE UPsinmsinx 最大電磁功率與額定功率的比值稱為過載能力。最大電磁功率與額定功率的比值稱為過載能力。 過載能力越大，電機的穩(wěn)定性越好。過載能力是表達靜態(tài)穩(wěn)過載能力越大，電機的穩(wěn)定性越好。過載能力是表達靜態(tài)穩(wěn)定的能力，不是發(fā)電機可以過載的倍數(shù)。定的能力，不是發(fā)電機可以過載的倍數(shù)。 過載能力設計得在一

41、點，是從提高稱定觀點考慮的，不是從過載能力設計得在一點，是從提高稱定觀點考慮的，不是從發(fā)熱觀點考慮的。發(fā)熱觀點考慮的。第章同步電機6.5.3 無功功角特性及V形曲線一、無功功率功角特性 并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機當電網(wǎng)電壓和頻率恒定、參并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機當電網(wǎng)電壓和頻率恒定、參數(shù)（數(shù)（x xd d、x xq q、x xt t）為常數(shù)、空載電勢）為常數(shù)、空載電勢E E0 0不變（即不變（即 I If f 不變）時，不變）時，Q=f()Q=f()為無功功率功角特性為無功功率功角特性。水輪發(fā)電機無功功率的功角特性水輪發(fā)電機無功功率的功角特性2201111222dqdqdE UUUQmUI

42、 sinmcosmmsinxxxxx 汽輪發(fā)電機無功功率的功角特性汽輪發(fā)電機無功功率的功角特性20ttE UUQmUI sinmcosmxx 第章同步電機汽輪發(fā)電機無功功率的功角特性曲線汽輪發(fā)電機無功功率的功角特性曲線tXUmQ2t0XU)U(EmQQ001EUcos 090 幾個特殊點幾個特殊點: :001EUcos0Q090第章同步電機QPem1P1emP1Qaabb2Qb2emP 從能量守恒觀點看，并從能量守恒觀點看，并網(wǎng)運行的同步發(fā)電機調(diào)節(jié)無網(wǎng)運行的同步發(fā)電機調(diào)節(jié)無功功率，不需調(diào)節(jié)原動機來功功率，不需調(diào)節(jié)原動機來的輸入功率，只需改變勵磁的輸入功率，只需改變勵磁電流。電流。調(diào)節(jié) 前，ae

43、maemQ，QPP fIbemaembemQ，QPPP 增大 后fI調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 不影響發(fā)電機的有功功率輸出不影響發(fā)電機的有功功率輸出, ,但影響電機的穩(wěn)定性能。但影響電機的穩(wěn)定性能。fI調(diào)節(jié)無功時不影響有功功率的輸出調(diào)節(jié)無功時不影響有功功率的輸出, ,但是調(diào)節(jié)有功時影響無功功但是調(diào)節(jié)有功時影響無功功率輸出率輸出. .第章同步電機三、相量分析1.1.正常勵磁正常勵磁0100,cos,P,QUI0EtXI j2.2.過勵磁過勵磁01E1tXI j11I)Q(QP),(cos,CL或吸發(fā)滯后003.3.欠勵磁欠勵磁tXI j202E22I)Q(QP),(cos,LC或或吸吸發(fā)發(fā)超超前前00 303E3

44、ItXI j3第章同步電機四、V形曲線 并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機，保持有功功率不變時，表并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機，保持有功功率不變時，表示電樞電流示電樞電流 和勵磁電流和勵磁電流 的關系曲線的關系曲線 稱為稱為“V”V”形形曲線。曲線。IfI)f(IIf 發(fā)電機運行時，發(fā)電機運行時，定子電流定子電流和和勵磁電流勵磁電流是運行人員主要監(jiān)視的是運行人員主要監(jiān)視的兩個物理量，這兩個量關系到定子繞組和勵磁繞組的溫度，又兩個物理量，這兩個量關系到定子繞組和勵磁繞組的溫度，又牽涉到功率因數(shù)的超前或滯后以及運行的穩(wěn)定性問題。牽涉到功率因數(shù)的超前或滯后以及運行的穩(wěn)定性問題。 對于一個給定的有功功率輸出

45、就有一條對于一個給定的有功功率輸出就有一條V V形曲線，有功功率形曲線，有功功率越大，曲線向上移，因此可是以得到一簇越大，曲線向上移，因此可是以得到一簇“V”V”形曲線。形曲線。第章同步電機勵磁正常IfI01cos欠勵過勵eemememmPPPP 區(qū)域不穩(wěn)定0900emP emPemPemP第章同步電機V形曲線的特點2.2.不穩(wěn)定區(qū)域邊緣：不穩(wěn)定區(qū)域邊緣：=90=900 0，連線向右傾斜，連線向右傾斜; ;1.1.每條曲線的最低點每條曲線的最低點, , ,定子電流最小定子電流最小, ,且全為有功電流，且全為有功電流，這些點的連線向右傾斜；這些點的連線向右傾斜；1cos3.3.每條曲線上的電流變

46、化量每條曲線上的電流變化量I I 為無功分量為無功分量; ;4.4.勵磁電流從零開始增大時，定子電樞電流變化規(guī)律為先減小勵磁電流從零開始增大時，定子電樞電流變化規(guī)律為先減小后增大。后增大。表明要輸出純有功功率，必須相應增加一些勵磁電流。表明要輸出純有功功率，必須相應增加一些勵磁電流。表明輸出有功功率越多，維持穩(wěn)定所需的勵磁電流也越大。第章同步電機6.6.1 同步電動機.6 同步電動機和同步調(diào)相機一、同步電機的可逆原理 同步電機運行于發(fā)電同步電機運行于發(fā)電機狀態(tài)時，如圖所示。機狀態(tài)時，如圖所示。 轉子磁極軸線超前定子轉子磁極軸線超前定子合成磁極軸線，合成磁極軸線，00，電機，電機把機械能轉變成電

47、能。把機械能轉變成電能。 同步電機的運行是可逆同步電機的運行是可逆的，既可以用作發(fā)電機，還的，既可以用作發(fā)電機，還可以用作電動機?？梢杂米麟妱訖C。第章同步電機 逐步減少發(fā)電機的逐步減少發(fā)電機的輸入功率，轉子將瞬時輸入功率，轉子將瞬時減速，減速，角減小，相應角減小，相應的電磁功率也減少。的電磁功率也減少。 當發(fā)電機的輸入功率當發(fā)電機的輸入功率只能滿足空載損耗時，發(fā)只能滿足空載損耗時，發(fā)電機處于空載運行狀態(tài)。電機處于空載運行狀態(tài)。第章同步電機 繼續(xù)減少發(fā)電機的輸入功率，繼續(xù)減少發(fā)電機的輸入功率，則則和和 P Pemem變?yōu)樨撝底優(yōu)樨撝?。卸動原動機，。卸動原動機，電機從電網(wǎng)吸收功率滿足空載損耗，電機從電網(wǎng)吸收功率滿足空載損耗，成為空轉的電動機。成為空轉的電動機。 電機軸上加上機械負載，電機軸上