第6章同步電機(jī)

1、第第6章章 同步電機(jī)同步電機(jī) 河北科技大學(xué)河北科技大學(xué)電氣教研室電氣教研室 安國慶安國慶電機(jī)學(xué)電機(jī)學(xué)6.1 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運行狀態(tài)行狀態(tài)n6.1.1概述概述同步電機(jī)與異步電機(jī)的同步電機(jī)與異步電機(jī)的根本區(qū)別根本區(qū)別是轉(zhuǎn)子裝有是轉(zhuǎn)子裝有磁極，并通入直流電勵磁，因而具有確定的磁極，并通入直流電勵磁，因而具有確定的極性。極性。同步電機(jī)的同步電機(jī)的運行特點運行特點是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速必須與是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速必須與定子三相旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（又稱同步轉(zhuǎn)速）定子三相旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（又稱同步轉(zhuǎn)速）嚴(yán)格同步，故同步電機(jī)由此而得名。嚴(yán)格同步，故同步電機(jī)由此而得名。 snn n同步發(fā)電機(jī)，其發(fā)出的電動勢頻

2、率滿足同步發(fā)電機(jī)，其發(fā)出的電動勢頻率滿足 60pnfn同步電動機(jī)，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速滿足同步電動機(jī)，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速滿足pfn60 我國規(guī)定交流電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)工作頻率為我國規(guī)定交流電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)工作頻率為50Hz 50Hz ，當(dāng)當(dāng)p p=1=1時，時，n n=3000=3000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/ /分，為同步發(fā)電機(jī)最高分，為同步發(fā)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速。6.1.2 同步電機(jī)的分類同步電機(jī)的分類（1 1）按運行方式和功率轉(zhuǎn)換方向，同步電）按運行方式和功率轉(zhuǎn)換方向，同步電機(jī)可分為以下幾種：機(jī)可分為以下幾種：發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能；把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能；電動機(jī)電動機(jī)把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能補(bǔ)償機(jī)補(bǔ)償機(jī)基本上不轉(zhuǎn)換有功功

3、率，而?；旧喜晦D(zhuǎn)換有功功率，而專門用來調(diào)節(jié)電網(wǎng)的無功功率，改善電網(wǎng)的門用來調(diào)節(jié)電網(wǎng)的無功功率，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。補(bǔ)償機(jī)又稱調(diào)相機(jī)。功率因數(shù)。補(bǔ)償機(jī)又稱調(diào)相機(jī)。6.1.2 同步電機(jī)的分類同步電機(jī)的分類 （2 2）按原動機(jī)的類別，同步電機(jī)可分為）按原動機(jī)的類別，同步電機(jī)可分為以下幾種：以下幾種：汽輪發(fā)電機(jī)；汽輪發(fā)電機(jī)；水輪發(fā)電機(jī)；水輪發(fā)電機(jī)；柴油（或汽油）發(fā)電機(jī)；柴油（或汽油）發(fā)電機(jī)；風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)火力發(fā)電（電能的產(chǎn)生）火力發(fā)電（電能的產(chǎn)生） 熱電廠熱電廠1 煤傳送帶煤傳送帶2 加煤機(jī)加煤機(jī)3 粉碎機(jī)粉碎機(jī)4 鍋爐鍋爐5 煤渣煤渣6 空氣預(yù)熱器空氣預(yù)熱器 7 靜電除塵靜電除塵8 煙囪煙囪

4、9 汽輪機(jī)汽輪機(jī)10 冷凝器冷凝器11變壓器變壓器12 冷卻塔冷卻塔13 發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)14 輸電線輸電線燃燃燒燒室室燃燃料料鍋爐的鍋爐的爐膛爐膛循環(huán)水循環(huán)水汽輪機(jī)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)升壓變升壓變壓器壓器超熱高壓蒸汽超熱高壓蒸汽電能輸出電能輸出火力發(fā)電（電能的產(chǎn)生）火力發(fā)電（電能的產(chǎn)生）火力發(fā)電火力發(fā)電勵磁機(jī)勵磁機(jī)汽輪機(jī)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)水利發(fā)電站的示意圖水力發(fā)電站水力發(fā)電站小浪底電站水輪機(jī)組安裝小浪底電站水輪機(jī)組安裝三峽電站首臺水輪機(jī)組安裝三峽電站首臺水輪機(jī)組安裝GF1 系列單相柴油發(fā)電機(jī)組系列單相柴油發(fā)電機(jī)組GF2 系列三相柴油發(fā)電機(jī)組系列三相柴油發(fā)電機(jī)組 一般采用一般采用旋轉(zhuǎn)磁極旋轉(zhuǎn)磁極式式

5、結(jié)構(gòu)，根據(jù)磁極結(jié)構(gòu)，根據(jù)磁極形狀可分為形狀可分為隱極隱極和和凸極凸極兩種型式。兩種型式。 n同步電機(jī)同步電機(jī)按結(jié)構(gòu)型式按結(jié)構(gòu)型式 ： 旋轉(zhuǎn)磁極式旋轉(zhuǎn)磁極式和和旋轉(zhuǎn)電樞式。旋轉(zhuǎn)電樞式。 凸極同步電機(jī)氣隙不均勻，適合于中速或低速旋轉(zhuǎn)場合凸極同步電機(jī)氣隙不均勻，適合于中速或低速旋轉(zhuǎn)場合 隱極同步電機(jī)在不考慮齒槽效應(yīng)時，氣隙均勻，適合于隱極同步電機(jī)在不考慮齒槽效應(yīng)時，氣隙均勻，適合于 高速旋轉(zhuǎn)高速旋轉(zhuǎn)n隱極轉(zhuǎn)子n凸極轉(zhuǎn)子6.1.3 同步電機(jī)的工作原理同步電機(jī)的工作原理n原動機(jī)拖動轉(zhuǎn)子以恒定速原動機(jī)拖動轉(zhuǎn)子以恒定速度旋轉(zhuǎn)，勵磁磁場隨軸一度旋轉(zhuǎn)，勵磁磁場隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相

6、繞組。定子繞組中將會相繞組。定子繞組中將會感應(yīng)出三相對稱的正弦感感應(yīng)出三相對稱的正弦感應(yīng)電動勢。各相距應(yīng)電動勢。各相距120120，從而三相電動勢時間相位從而三相電動勢時間相位差差120120，實現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。為電能。6.1.4 隱極同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)隱極同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)n隱極式汽輪發(fā)電機(jī)大多隱極式汽輪發(fā)電機(jī)大多作成兩極的，同步轉(zhuǎn)速作成兩極的，同步轉(zhuǎn)速為為3000r/min3000r/min（50Hz50Hz） 由于轉(zhuǎn)速高，所以汽輪發(fā)由于轉(zhuǎn)速高，所以汽輪發(fā)電機(jī)的直徑較小，長度則電機(jī)的直徑較小，長度則較長較長 汽輪發(fā)電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋及軸承等部件構(gòu)成汽輪發(fā)電機(jī)由定子、

7、轉(zhuǎn)子、端蓋及軸承等部件構(gòu)成 1. 定子定子n定子是由定子是由鐵心、繞組、機(jī)鐵心、繞組、機(jī)座座以及固定這些部件的其以及固定這些部件的其它結(jié)構(gòu)件組成它結(jié)構(gòu)件組成n定子鐵心一般采用厚度為定子鐵心一般采用厚度為0.35mm0.35mm或或0.5mm0.5mm含硅量較含硅量較高的無取向冷軋硅鋼片分高的無取向冷軋硅鋼片分組疊壓而成。組疊壓而成。 大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心槽 2. 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子n轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、勵磁繞組、護(hù)環(huán)、中心環(huán)、滑環(huán)及風(fēng)扇等部件組成 沿轉(zhuǎn)子鐵心表面，有一部沿轉(zhuǎn)子鐵心表面，有一部分開的槽較多，那里的齒分開的槽較多，那里的齒較窄，稱為小齒；在另一較窄，稱為小齒；在另一部分沒有開槽，形成了大部分沒

8、有開槽，形成了大齒。大齒的中心線就是主齒。大齒的中心線就是主磁極的中心。磁極的中心。 汽輪機(jī)的勵磁繞組示意圖6.1.5 凸極同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)凸極同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)n凸極同步電機(jī)通常分為凸極同步電機(jī)通常分為臥式臥式和和立式立式兩種結(jié)構(gòu)。絕大兩種結(jié)構(gòu)。絕大多數(shù)同步電動機(jī)、調(diào)相機(jī)和用內(nèi)燃機(jī)或沖擊式水輪多數(shù)同步電動機(jī)、調(diào)相機(jī)和用內(nèi)燃機(jī)或沖擊式水輪機(jī)拖動的發(fā)電機(jī)都采用臥式結(jié)構(gòu)；低速、大容量的機(jī)拖動的發(fā)電機(jī)都采用臥式結(jié)構(gòu)；低速、大容量的水輪發(fā)電機(jī)和拖動大型水泵的同步電動機(jī)則采用立水輪發(fā)電機(jī)和拖動大型水泵的同步電動機(jī)則采用立式結(jié)構(gòu)。式結(jié)構(gòu)。 1. 臥式凸極同步電機(jī)的特點臥式凸極同步電機(jī)的特點n臥式凸極同步

9、電機(jī)的轉(zhuǎn)子由臥式凸極同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子由主磁極、磁軛、主磁極、磁軛、勵磁繞組、阻尼繞組、集電環(huán)和轉(zhuǎn)軸勵磁繞組、阻尼繞組、集電環(huán)和轉(zhuǎn)軸等部等部件組成。件組成。 注意：注意：書書P228圖圖6-6有錯有錯阻尼繞組n阻尼繞組和異步電機(jī)的籠型結(jié)構(gòu)相似，是用裸銅條插入極阻尼繞組和異步電機(jī)的籠型結(jié)構(gòu)相似，是用裸銅條插入極靴的槽中，然后在兩端用銅環(huán)（稱為端環(huán)）焊接在一起。靴的槽中，然后在兩端用銅環(huán)（稱為端環(huán)）焊接在一起。在在同步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)中，阻尼繞組起中，阻尼繞組起抑制轉(zhuǎn)子機(jī)械振蕩抑制轉(zhuǎn)子機(jī)械振蕩的作用；的作用；在在同步電動機(jī)和同步補(bǔ)償機(jī)同步電動機(jī)和同步補(bǔ)償機(jī)中，阻尼繞組在電機(jī)起動時可中，阻尼繞組在電機(jī)起

10、動時可產(chǎn)生異步起動轉(zhuǎn)矩，主要作為產(chǎn)生異步起動轉(zhuǎn)矩，主要作為起動繞組用起動繞組用。 2. 立式凸極同步電機(jī)的特點立式凸極同步電機(jī)的特點n大型水輪發(fā)電機(jī)通常都是立式結(jié)構(gòu)，水輪機(jī)大型水輪發(fā)電機(jī)通常都是立式結(jié)構(gòu)，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速低，極對數(shù)就很多、電機(jī)直徑大、軸的轉(zhuǎn)速低，極對數(shù)就很多、電機(jī)直徑大、軸向長度短，外形短粗，呈扁盤形。向長度短，外形短粗，呈扁盤形。n立式水輪發(fā)電機(jī)分為立式水輪發(fā)電機(jī)分為懸式懸式和和傘式傘式兩種形式：兩種形式： 1)1)懸式懸式水輪發(fā)電機(jī)運行穩(wěn)定，適用于水輪發(fā)電機(jī)運行穩(wěn)定，適用于轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)速高的水輪發(fā)電機(jī)組。的水輪發(fā)電機(jī)組。 2)2)傘式傘式水輪發(fā)電機(jī)軸向長度小，可以降低廠水輪發(fā)電機(jī)軸

11、向長度小，可以降低廠房高度，用于房高度，用于低速低速水輪發(fā)電機(jī)組。水輪發(fā)電機(jī)組。 6.1.6 同步電機(jī)的運行狀態(tài)同步電機(jī)的運行狀態(tài)n在穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子也是同步轉(zhuǎn)速，在穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子也是同步轉(zhuǎn)速，所以定子旋轉(zhuǎn)磁場也是同步轉(zhuǎn)速，兩者保所以定子旋轉(zhuǎn)磁場也是同步轉(zhuǎn)速，兩者保持相對靜止。持相對靜止。n同步電機(jī)有三種運行狀態(tài)：發(fā)電機(jī)、電動同步電機(jī)有三種運行狀態(tài)：發(fā)電機(jī)、電動機(jī)和補(bǔ)償機(jī)（又稱調(diào)相機(jī)）。同步電機(jī)運機(jī)和補(bǔ)償機(jī)（又稱調(diào)相機(jī)）。同步電機(jī)運行于哪一種狀態(tài)，主要取決于行于哪一種狀態(tài)，主要取決于氣隙合成磁氣隙合成磁場場與與轉(zhuǎn)子主極磁場轉(zhuǎn)子主極磁場之間的夾角之間的夾角，此角稱，此角稱為為功率角功率

12、角。 同步電機(jī)的三種狀態(tài)SNn0NSn0發(fā)電機(jī)運行發(fā)電機(jī)運行NSSNn0n0理想空載狀態(tài)理想空載狀態(tài)NSSNn0n0電動機(jī)狀態(tài)電動機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)子主極磁場轉(zhuǎn)子主極磁場超前超前于于合成氣隙磁場合成氣隙磁場轉(zhuǎn)子主極磁場與轉(zhuǎn)子主極磁場與合成氣隙磁場軸線合成氣隙磁場軸線重合重合轉(zhuǎn)子主極磁場轉(zhuǎn)子主極磁場滯后滯后于于合成氣隙磁場合成氣隙磁場0=00n1.直流勵磁機(jī)勵磁6.1.7 同步電機(jī)的勵磁方式同步電機(jī)的勵磁方式n 2.靜止整流器勵磁靜止整流器勵磁 副勵磁機(jī)的勵磁電流開始時由外部直流電源提供，副勵磁機(jī)的勵磁電流開始時由外部直流電源提供，待電壓建立起來后再轉(zhuǎn)為自勵待電壓建立起來后再轉(zhuǎn)為自勵(或用永磁發(fā)電機(jī)或用永

13、磁發(fā)電機(jī))。副勵磁機(jī)的輸出電流經(jīng)過靜止晶閘管整流后供給主副勵磁機(jī)的輸出電流經(jīng)過靜止晶閘管整流后供給主勵磁機(jī)，而主勵磁機(jī)的交流輸出電流經(jīng)過靜止的三勵磁機(jī)，而主勵磁機(jī)的交流輸出電流經(jīng)過靜止的三相橋式硅整流器整流后給主發(fā)電機(jī)的勵磁。相橋式硅整流器整流后給主發(fā)電機(jī)的勵磁。配置集電環(huán)配置集電環(huán)注意：靜止整流器的直流輸出必須經(jīng)過電刷和集電環(huán)才能輸送到主發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的勵磁繞組。靜動動n對于大容量的同步發(fā)電機(jī)，其勵磁電流達(dá)到數(shù)千安對于大容量的同步發(fā)電機(jī)，其勵磁電流達(dá)到數(shù)千安培，使得集電環(huán)嚴(yán)重過熱。因此，在大容量的同步培，使得集電環(huán)嚴(yán)重過熱。因此，在大容量的同步發(fā)電機(jī)中，將主勵磁機(jī)作成旋轉(zhuǎn)電樞式（發(fā)電機(jī)中，將主勵

14、磁機(jī)作成旋轉(zhuǎn)電樞式（見見P225P225圖圖6-26-2電樞交流輸出本身是旋轉(zhuǎn)的電樞交流輸出本身是旋轉(zhuǎn)的），并將整流器也），并將整流器也固定在轉(zhuǎn)軸上一起旋轉(zhuǎn)，省去集電環(huán)。固定在轉(zhuǎn)軸上一起旋轉(zhuǎn)，省去集電環(huán)。3.3.旋轉(zhuǎn)整流器勵磁旋轉(zhuǎn)整流器勵磁省去集電環(huán)省去集電環(huán)動動動動6.1.8 同步電機(jī)的額定值同步電機(jī)的額定值1. 額定電壓額定電壓 UN ：線電壓的額定值。：線電壓的額定值。2. 額定電流額定電流 IN ：線電流的額定值。：線電流的額定值。3. 額定功率額定功率 PN ：輸出功率的額定值。：輸出功率的額定值。 5. 額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速 nN ：額定運行時的轉(zhuǎn)速。：額定運行時的轉(zhuǎn)速。6. 額定功率

15、因數(shù)額定功率因數(shù) cos N ：額定運行時的功率因數(shù)：額定運行時的功率因數(shù)。7. 額定勵磁電壓額定勵磁電壓 UfN ,額定勵磁電流額定勵磁電流 IfN ： 保證輸出額定值時需要的勵磁量保證輸出額定值時需要的勵磁量4. 額定容量額定容量 SN ：額定運行時輸出的容量。：額定運行時輸出的容量。注意關(guān)于額定功率：同步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)是指額定運行時是指額定運行時輸出的電功率輸出的電功率；同步電動機(jī)同步電動機(jī)是指額定運行時軸上是指額定運行時軸上輸出的機(jī)械功率輸出的機(jī)械功率；補(bǔ)償機(jī)補(bǔ)償機(jī)是指額定運行時是指額定運行時輸出的無功功率輸出的無功功率以以kvar或或Mvar表示表示 。6.2 空載和負(fù)載時同步發(fā)電

16、機(jī)的空載和負(fù)載時同步發(fā)電機(jī)的磁場磁場n6.2.1 空載時同步發(fā)電機(jī)的磁場空載時同步發(fā)電機(jī)的磁場n用原動機(jī)把同步發(fā)電機(jī)拖動到同步轉(zhuǎn)速，勵磁繞用原動機(jī)把同步發(fā)電機(jī)拖動到同步轉(zhuǎn)速，勵磁繞組通入直流勵磁電流，而電樞（定子）繞組開路組通入直流勵磁電流，而電樞（定子）繞組開路的運行狀態(tài)，稱為同步發(fā)電機(jī)的空載運行。的運行狀態(tài)，稱為同步發(fā)電機(jī)的空載運行。 n這時電樞（定子）電流為零，電機(jī)氣隙中僅有由這時電樞（定子）電流為零，電機(jī)氣隙中僅有由勵磁（轉(zhuǎn)子）電流所建立的主極磁場。而由勵磁勵磁（轉(zhuǎn)子）電流所建立的主極磁場。而由勵磁電流單獨產(chǎn)生的磁動勢電流單獨產(chǎn)生的磁動勢Ff和磁場，稱為勵磁磁動和磁場，稱為勵磁磁動勢和

17、勵磁磁場勢和勵磁磁場 （又稱主極磁場）（又稱主極磁場） 1. 空載運行時的物理情況空載運行時的物理情況n當(dāng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，定子繞組內(nèi)將感應(yīng)三相對稱電動勢： 60spnf =011044. 4wkfNE2. 同步電機(jī)的空載特性同步電機(jī)的空載特性E0 = f (I f) 因為因為Ff If E0 0 所以可反映所以可反映 0= f (F f) 0較小時，磁路不飽和，較小時，磁路不飽和， 空載曲線是一條直線；空載曲線是一條直線； 隨隨 o的增大，鐵心逐漸飽和，的增大，鐵心逐漸飽和， 空載曲線彎曲?？蛰d曲線彎曲。 氣隙線氣隙線：不計鐵心磁阻的空載特性曲線。：不計鐵心磁阻的空載特性曲線。氣隙線空載

18、載特00,Eo0fIff,FINU6.2.2 同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)n當(dāng)同步發(fā)電機(jī)帶上三相對當(dāng)同步發(fā)電機(jī)帶上三相對稱負(fù)載后，電樞產(chǎn)生同步稱負(fù)載后，電樞產(chǎn)生同步旋轉(zhuǎn)的磁動勢旋轉(zhuǎn)的磁動勢F Fa a，并與轉(zhuǎn)，并與轉(zhuǎn)子保持同步。子保持同步。n氣隙合成磁動勢由電樞磁氣隙合成磁動勢由電樞磁動勢以及主極磁動勢共同動勢以及主極磁動勢共同產(chǎn)生：產(chǎn)生：主磁極基波磁動勢主磁極基波磁動勢afFFF1 電樞反應(yīng)的性質(zhì)（增磁、去磁和交磁）電樞反應(yīng)的性質(zhì)（增磁、去磁和交磁）還取決于還取決于Fa和和Ff1之間的相對位置關(guān)系之間的相對位置關(guān)系 現(xiàn)定義一個新變量：內(nèi)功率因數(shù)角n能放映能放映FaFa和和Ff1F

19、f1之間的關(guān)系之間的關(guān)系之間的相位差和定義為IE0 afFFF1 對應(yīng)對應(yīng)下面我們根據(jù)負(fù)載性質(zhì)討論下面我們根據(jù)負(fù)載性質(zhì)討論介紹時-空矢量圖的繪制方法n同步電機(jī)中需要定義坐標(biāo)軸定義:n直軸（縱軸或d軸）：主磁極軸線位置；n交軸（橫軸或q軸）：與直軸成90度電角度的位置；n相軸：一般取A相繞組的軸線為參考軸；n時軸：通常令時間參考軸與空間參考軸重合。 時軸介紹時-空矢量圖的繪制方法 I步驟：步驟：逆時針為正方向逆時針為正方向n電樞磁動勢電樞磁動勢FaFa恰好在交軸上，恰好在交軸上，此時稱為此時稱為交軸電樞反應(yīng)交軸電樞反應(yīng)。n交軸電樞磁動勢不僅使氣隙合交軸電樞磁動勢不僅使氣隙合成磁動勢的幅值有所成磁

20、動勢的幅值有所增大增大，而，而且使氣隙合成磁動勢的軸線位且使氣隙合成磁動勢的軸線位置從空載時直軸處逆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向置從空載時直軸處逆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向后移了一個銳角，使主極磁動后移了一個銳角，使主極磁動勢勢超前超前氣隙合成磁動勢。氣隙合成磁動勢。逆時針為正方向逆時針為正方向1） =0 時的電樞反應(yīng)時的電樞反應(yīng)逆時針為正方向逆時針為正方向轉(zhuǎn)子磁勢和電樞磁勢轉(zhuǎn)子磁勢和電樞磁勢一同作用在直軸上，一同作用在直軸上，方向相反，電樞反應(yīng)方向相反，電樞反應(yīng)為純?nèi)ゴ抛饔?，合成為純?nèi)ゴ抛饔茫铣纱艅莸姆禍p小。這磁勢的幅值減小。這一電樞反應(yīng)稱為一電樞反應(yīng)稱為直軸直軸去磁電樞反應(yīng)去磁電樞反應(yīng)。 2） =90 時的電樞反應(yīng)時的電樞

21、反應(yīng)3） =-90 時的電樞反應(yīng)時的電樞反應(yīng)n此時此時F Ff f與與F Fa a同相，轉(zhuǎn)子同相，轉(zhuǎn)子磁勢和電樞磁勢一同作磁勢和電樞磁勢一同作用在直軸上，方向相同，用在直軸上，方向相同，電樞反應(yīng)為純增磁作用，電樞反應(yīng)為純增磁作用，合成磁勢的幅值加大，合成磁勢的幅值加大，這一電樞反應(yīng)稱為這一電樞反應(yīng)稱為直軸直軸增磁電樞反應(yīng)增磁電樞反應(yīng) 逆時針為正方向逆時針為正方向4）一般情況下時的電樞反應(yīng) 0 90并且有saaa0XI jRIUXI jXI jRIUE補(bǔ)充：補(bǔ)充：等效電路saaa0XI jRIUXI jXI jRIUE三相對稱三相對稱取一相分析取一相分析向量圖saaa0XI jRIUXI jXI

22、 jRIUE逆時針為正方向逆時針為正方向區(qū)分學(xué)習(xí)同步電機(jī)三個重要角度1.負(fù)載阻抗角負(fù)載阻抗角U與與I中間的夾角中間的夾角2.內(nèi)功率因數(shù)角內(nèi)功率因數(shù)角 E0與與I之間的夾角之間的夾角3.功角功角(功率角功率角)E0與與U之間的夾角之間的夾角 . . . . . . . .6.3.2 考慮飽和時的電壓方程和考慮飽和時的電壓方程和相量圖相量圖n實際的同步電機(jī)往往運行在接近飽和的區(qū)域?？紝嶋H的同步電機(jī)往往運行在接近飽和的區(qū)域?？紤]磁飽和時，由于磁化曲線的非線性，疊加原理慮磁飽和時，由于磁化曲線的非線性，疊加原理不再適用。不再適用。 主磁路上的基波合成磁動勢：主磁路上的基波合成磁動勢： E此處此處不能簡

23、單等于不能簡單等于a0 EE該過程要借助空載特性完成該過程要借助空載特性完成電壓方程：電壓方程：或或6.4 凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖和等效電路相量圖和等效電路n6.4.1 雙反應(yīng)理論雙反應(yīng)理論n凸極同步電機(jī)的氣隙通常是不均勻的，氣隙各處凸極同步電機(jī)的氣隙通常是不均勻的，氣隙各處的磁阻不相同。極面下氣隙較小，所以極面下的的磁阻不相同。極面下氣隙較小，所以極面下的磁阻較小、直軸磁導(dǎo)較大；兩極之間氣隙較大，磁阻較小、直軸磁導(dǎo)較大；兩極之間氣隙較大，所以兩極之間的磁阻較大、交軸磁導(dǎo)較小。所以兩極之間的磁阻較大、交軸磁導(dǎo)較小。 IEXEFIaaaaa 電樞反應(yīng)可用電樞反

24、應(yīng)可用Xa直接表達(dá)出來直接表達(dá)出來n為了便于分析和計算勃郞德（為了便于分析和計算勃郞德（BlondelBlondel）引入）引入雙反應(yīng)理論。雙反應(yīng)理論分析過程是雙反應(yīng)理論。雙反應(yīng)理論分析過程是: :n雙反應(yīng)理論雙反應(yīng)理論電樞基波磁勢電樞基波磁勢F Fa a分解為直軸分解為直軸上的直軸電樞反應(yīng)磁勢分量上的直軸電樞反應(yīng)磁勢分量F Fadad和交軸上的交和交軸上的交軸電樞反應(yīng)磁勢分量軸電樞反應(yīng)磁勢分量F Faqaq雙反應(yīng)理論：n把電樞的基波磁動勢把電樞的基波磁動勢FaFa分解成直軸磁動勢分解成直軸磁動勢FadFad和交軸磁動勢和交軸磁動勢FaqFaq兩個分量，再分別求兩個分量，再分別求出直軸和交軸電

25、樞反應(yīng)磁通以及它們的感出直軸和交軸電樞反應(yīng)磁通以及它們的感應(yīng)電動勢，然后把它們疊加起來。這種考應(yīng)電動勢，然后把它們疊加起來。這種考慮到凸極電機(jī)氣隙的不均勻性，把電樞反慮到凸極電機(jī)氣隙的不均勻性，把電樞反應(yīng)分成直軸和交軸電樞反應(yīng)分別來處理的應(yīng)分成直軸和交軸電樞反應(yīng)分別來處理的方法，稱為方法，稱為雙反應(yīng)理論。雙反應(yīng)理論。 電樞磁勢和電樞電流的分解cossinaaqaadFFFF電樞磁勢電樞磁勢的分解的分解cossinIIIIqd電樞電流電樞電流的分解的分解6.4.2 不考慮飽和時的電壓方程、不考慮飽和時的電壓方程、相量圖和等效電路相量圖和等效電路電樞電壓方程式：電樞電壓方程式：與隱極同步發(fā)電機(jī)類似

26、addadXI jEaqqaqXI jE直軸反應(yīng)電抗直軸反應(yīng)電抗交軸反應(yīng)電抗交軸反應(yīng)電抗代入代入考慮考慮aqqadda0XI jXI jXI jRIUE）（）（aqqaddaXXI jXXI jRIUqqddaXI jXI jRIU=addXXX 直軸同步電抗直軸同步電抗交軸同步電抗交軸同步電抗aqqXXX 不考慮飽和時的相量圖不考慮飽和時的相量圖0 qI0 E 0 UdIqdjXI IaRIddj XIqqddaXI jXI jRIU=0E逆時針為正方向逆時針為正方向可得到該向量圖可得到該向量圖內(nèi)功率因數(shù)角內(nèi)功率因數(shù)角：只是分析中的一個輔助量，只是分析中的一個輔助量，并不能事先給定并不能事先

27、給定 ，需根，需根據(jù)其他參數(shù)求出來據(jù)其他參數(shù)求出來為求解內(nèi)功率因數(shù)角引入虛擬電動勢引入虛擬電動勢 的概念的概念QE注意：本概念和本課程的計算題相關(guān)！注意：本概念和本課程的計算題相關(guān)！虛擬電動勢沒有任何物理意義，它只是方虛擬電動勢沒有任何物理意義，它只是方便大家計算內(nèi)功率角的一個中間變量便大家計算內(nèi)功率角的一個中間變量定義：定義：0 qI0 E UdIqj XI IaRI）（qddjXXI cossinarctan aq IRUIXU QE qaQXI jRIUE等效電路等效電路該等效電路在計算凸極同步電機(jī)在電網(wǎng)中的運行性能該等效電路在計算凸極同步電機(jī)在電網(wǎng)中的運行性能和功角時常常用到。和功角時

28、常常用到。 QE I UqXaR相關(guān)計算實例見書相關(guān)計算實例見書P244例例6-16.4.3 考慮飽和時的電壓方程和考慮飽和時的電壓方程和相量圖相量圖n考慮磁飽和時，疊加原理不再適用，此時氣隙合考慮磁飽和時，疊加原理不再適用，此時氣隙合成磁場將取決于主極和電樞兩者的合成磁動勢。成磁場將取決于主極和電樞兩者的合成磁動勢。 Fad和和Faq折算到勵磁繞組折算到勵磁繞組的等效方波勵磁磁動勢的等效方波勵磁磁動勢 n慮到交軸方面的氣隙較大，交軸磁路基本是線性的，因此與不計飽和時相類似aqqaqXI jE6.5 同步發(fā)電機(jī)的功率方程和轉(zhuǎn)同步發(fā)電機(jī)的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程矩方程 I f B0 pFe 鐵心損耗鐵

29、心損耗 （轉(zhuǎn)子鐵心中磁場恒定，無鐵耗）（轉(zhuǎn)子鐵心中磁場恒定，無鐵耗） P1-p-pFe-p = Pe ns 1機(jī)械損耗輸入機(jī)械功率pP勵磁損耗由另外的直流電源供給勵磁損耗由另外的直流電源供給 Pe-pcua = P2 同步發(fā)電機(jī)的功率方程：同步發(fā)電機(jī)的功率方程：。定子銅耗；電磁功率； 輸出功率cos 22 m U I PRmIpPacuae6.5.1 6.5.1 同步發(fā)電機(jī)的功率方程同步發(fā)電機(jī)的功率方程6.5.2 同步發(fā)電機(jī)的電磁功率同步發(fā)電機(jī)的電磁功率n對于凸極電機(jī)對于凸極電機(jī)0 qI0 E UdIqj XI IaRI）（qddjXXIQE 由圖可見由圖可見n對于隱極電機(jī)對于隱極電機(jī)6.5.

30、3 同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程e01TTTs11PTseePTsFe0pppT輸入轉(zhuǎn)矩輸入轉(zhuǎn)矩空載轉(zhuǎn)矩空載轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩6.6 同步發(fā)電機(jī)的運行特性及參數(shù)的測定同步發(fā)電機(jī)的運行特性及參數(shù)的測定n6.6.1 用空載特性、短路特性求取同步電用空載特性、短路特性求取同步電抗的不飽和值和短路比抗的不飽和值和短路比 （1）空載特性）空載特性n空載特性試驗方法：用原動機(jī)把被試同步空載特性試驗方法：用原動機(jī)把被試同步發(fā)電機(jī)拖動到同步轉(zhuǎn)速，然后改變勵磁電發(fā)電機(jī)拖動到同步轉(zhuǎn)速，然后改變勵磁電流，并記取相應(yīng)的電樞端電壓流，并記取相應(yīng)的電樞端電壓,直到直到1.3UN 左右，可得空載特性左右，可得

31、空載特性（2）短路特性試驗條件試驗條件電樞繞組短路電樞繞組短路用原動機(jī)把被試同步電機(jī)拖動到同步轉(zhuǎn)速用原動機(jī)把被試同步電機(jī)拖動到同步轉(zhuǎn)速試驗?zāi)康脑囼災(zāi)康臏y得短路特性：測得短路特性：I=f(If)調(diào)節(jié)勵磁電流使電樞電流調(diào)節(jié)勵磁電流使電樞電流 I 從零一直增加到從零一直增加到1.2IN左右，左右，便可以得到短路特性曲線。便可以得到短路特性曲線。 短路試驗時磁路不飽和，短路試驗時磁路不飽和，空載電動勢應(yīng)在氣隙線上空載電動勢應(yīng)在氣隙線上查取。查取。 所計算的電抗所計算的電抗Xd為不飽和電抗為不飽和電抗kIEX0d因為短路時因為短路時（3）利用空載特性和短路特性確定利用空載特性和短路特性確定 Xd的飽和值

32、與磁路的飽和情況有關(guān)。的飽和值與磁路的飽和情況有關(guān)。 主磁路的飽和程度取決于實際運行主磁路的飽和程度取決于實際運行時作用在主磁路上的合成磁動勢，時作用在主磁路上的合成磁動勢，因而取決于相應(yīng)的氣隙電動勢，如因而取決于相應(yīng)的氣隙電動勢，如果不計漏阻抗壓降，則可近似地認(rèn)果不計漏阻抗壓降，則可近似地認(rèn)為取決于電樞的端電壓。為取決于電樞的端電壓。 正常運行時，同步電機(jī)端電壓變化不大，所以通常用對應(yīng)正常運行時，同步電機(jī)端電壓變化不大，所以通常用對應(yīng)于額定電壓時的于額定電壓時的Xd值作為其飽和值。值作為其飽和值。0k)(IUXNd 飽和(4)利用空載特性和短路特性求短路比利用空載特性和短路特性求短路比 路比

33、是同步發(fā)電機(jī)的一個重要數(shù)據(jù)路比是同步發(fā)電機(jī)的一個重要數(shù)據(jù),是指同是指同步電機(jī)在相應(yīng)于空載額定電壓的勵磁電流步電機(jī)在相應(yīng)于空載額定電壓的勵磁電流下，電樞繞組三相穩(wěn)態(tài)短路時的短路電流下，電樞繞組三相穩(wěn)態(tài)短路時的短路電流與額定電流之比值與額定電流之比值. NIIkIIKff）（00c）（）（NNIIfkUUfIIK00c0kIdNXE0（飽和）dddNNNdNNNNdNNkXXkXUEUXIUEIXEIIK111/0000c 所以所以相關(guān)計算實例見書相關(guān)計算實例見書P250例例6-26.6.2 用轉(zhuǎn)差法測定同步電抗用轉(zhuǎn)差法測定同步電抗n試驗時轉(zhuǎn)子（勵磁）繞組應(yīng)開路，定子（電樞）試驗時轉(zhuǎn)子（勵磁）繞組

34、應(yīng)開路，定子（電樞）繞組接三相調(diào)壓器。首先將被試同步電機(jī)用原動繞組接三相調(diào)壓器。首先將被試同步電機(jī)用原動機(jī)拖動到接近于同步轉(zhuǎn)速，勵磁繞組開路，再在機(jī)拖動到接近于同步轉(zhuǎn)速，勵磁繞組開路，再在定子繞組上施加約為（定子繞組上施加約為（215）的三相對稱）的三相對稱低電壓，外施電壓的相序必須使定子旋轉(zhuǎn)磁場的低電壓，外施電壓的相序必須使定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向一致。調(diào)節(jié)原動機(jī)的轉(zhuǎn)速，使被轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向一致。調(diào)節(jié)原動機(jī)的轉(zhuǎn)速，使被試電機(jī)的轉(zhuǎn)差率小于試電機(jī)的轉(zhuǎn)差率小于0.01，但不被牽入同步，但不被牽入同步，這時定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子之間將保持一個低速的這時定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子之間將保持一個低速的相對運動，使

35、電樞旋轉(zhuǎn)磁場的軸線不斷交替地與相對運動，使電樞旋轉(zhuǎn)磁場的軸線不斷交替地與轉(zhuǎn)子的直軸和交軸相重合。待轉(zhuǎn)差穩(wěn)定后，用示轉(zhuǎn)子的直軸和交軸相重合。待轉(zhuǎn)差穩(wěn)定后，用示波器拍攝電樞電壓、電樞電流的波形。波器拍攝電樞電壓、電樞電流的波形。由于沒有勵磁電流 E0=0n一般電樞電阻可忽略 qqddaXI jXI jRIU0=qqddXI jXI jU當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)磁場的軸線與直軸重合時 minmaxdIUX當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)磁場的軸線與交軸重合時 maxminqIUX6.6.3 零功率因數(shù)負(fù)載特性及漏電抗的求取零功率因數(shù)負(fù)載特性及漏電抗的求取n1. 零功率因數(shù)負(fù)載特性（簡稱零功率因數(shù)特性）零功率因數(shù)負(fù)載特性（簡稱零功率因數(shù)

36、特性） 常數(shù)，常數(shù)， 時的時的I0cos)(fIfU ， IXUEFkFFaadf 表示空載時產(chǎn)生額定電壓所需的勵磁磁動勢，在零表示空載時產(chǎn)生額定電壓所需的勵磁磁動勢，在零功率因數(shù)負(fù)載時，為保持端電壓為額定值，所需勵磁磁功率因數(shù)負(fù)載時，為保持端電壓為額定值，所需勵磁磁動勢動勢 應(yīng)大于應(yīng)大于 。增加的勵磁磁動勢有兩部分：其。增加的勵磁磁動勢有兩部分：其中一部分中一部分 用以克服電樞漏抗壓降用以克服電樞漏抗壓降 的作用；另一的作用；另一部分部分 用以抵消電樞等效磁動勢用以抵消電樞等效磁動勢 的去磁作用。的去磁作用。 由于電樞電流的大小和相位不變，三角形由于電樞電流的大小和相位不變，三角形AEF也不

37、變，也不變，稱為稱為特性三角形特性三角形。BCBFBCCAIXAFaadFk由空載特性和零功率因數(shù)特性可求得特性三角形，即可由空載特性和零功率因數(shù)特性可求得特性三角形，即可得到電樞樓抗壓降得到電樞樓抗壓降 和電樞反應(yīng)等效磁動勢和電樞反應(yīng)等效磁動勢 。IXaadFk(2)由空載特性和零功率因數(shù)負(fù)由空載特性和零功率因數(shù)負(fù)載特性求載特性求 和和 XaFkad過過 點作氣隙線的平行線，點作氣隙線的平行線，與空載特性交于與空載特性交于E點。從點。從E點作鉛垂線，并交點作鉛垂線，并交 于于A點，得特性三角形點，得特性三角形 。在零功率因數(shù)特性上取在零功率因數(shù)特性上取 F點和點和K點點。通過。通過F點作平行

38、點作平行于橫坐標(biāo)的水平線，并截于橫坐標(biāo)的水平線，并截取線段取線段 。OKFOOFOAEFIEAXAFFkaad6.6.4 同步發(fā)電機(jī)的外特性同步發(fā)電機(jī)的外特性n外特性表示發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，且勵外特性表示發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，且勵磁電流和負(fù)載功率因數(shù)不變時，發(fā)電機(jī)的端磁電流和負(fù)載功率因數(shù)不變時，發(fā)電機(jī)的端電壓與電樞電流之間的關(guān)系：電壓與電樞電流之間的關(guān)系：n即即nn1，If=常值，常值，cos=常值時，常值時，U=f(I)。 n在感性負(fù)載和純電阻負(fù)載在感性負(fù)載和純電阻負(fù)載時，外特性是下降的，這時，外特性是下降的，這是由于電樞反應(yīng)的去磁作是由于電樞反應(yīng)的去磁作用和漏阻抗壓降所引起。用和漏阻

39、抗壓降所引起。在容性負(fù)載且內(nèi)功率因數(shù)在容性負(fù)載且內(nèi)功率因數(shù)角為超前時，由于電樞反角為超前時，由于電樞反應(yīng)的增磁作用和容性電流應(yīng)的增磁作用和容性電流的漏抗電壓上升，外特性的漏抗電壓上升，外特性亦可能是上升的。亦可能是上升的。 電壓調(diào)整率定義：電壓調(diào)整率定義：%100)(0fNfIINNUUEu6.6.5 同步電機(jī)的調(diào)整特性和效率特性同步電機(jī)的調(diào)整特性和效率特性n1. 同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性n當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流變化時，為了保當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流變化時，為了保證發(fā)電機(jī)的端電壓不變，必須調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)證發(fā)電機(jī)的端電壓不變，必須調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁電流。的勵磁電流。n同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性

40、是指發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性是指發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、端電壓為額定電壓、負(fù)載的為同步轉(zhuǎn)速、端電壓為額定電壓、負(fù)載的功率因數(shù)不變時，勵磁電流與電樞電流之功率因數(shù)不變時，勵磁電流與電樞電流之間的關(guān)系間的關(guān)系 。n在感性負(fù)載和純電阻在感性負(fù)載和純電阻負(fù)載時，為補(bǔ)償電樞負(fù)載時，為補(bǔ)償電樞電流所產(chǎn)生的去磁性電流所產(chǎn)生的去磁性電樞反應(yīng)和漏阻抗壓電樞反應(yīng)和漏阻抗壓降，隨著電樞電流的降，隨著電樞電流的增加，必須相應(yīng)地增增加，必須相應(yīng)地增加勵磁電流，此時調(diào)加勵磁電流，此時調(diào)整特性是上升的。在整特性是上升的。在容性負(fù)載時，調(diào)整特容性負(fù)載時，調(diào)整特性亦可能是下降的。性亦可能是下降的。從調(diào)整特性可以確定從調(diào)

41、整特性可以確定額定勵磁電流額定勵磁電流2. 同步電機(jī)的效率特性同步電機(jī)的效率特性n效率特性是指轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、端電壓為效率特性是指轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、端電壓為額定電壓、功率因數(shù)為額定功率因數(shù)時，額定電壓、功率因數(shù)為額定功率因數(shù)時，發(fā)電機(jī)的效率與輸出功率的關(guān)系；發(fā)電機(jī)的效率與輸出功率的關(guān)系；n即即nn1，U =UN，cos= cosN時，時，=f(P2)。同步電機(jī)各種損耗：n同步電機(jī)的基本損耗包括電樞的基本鐵耗、電樞同步電機(jī)的基本損耗包括電樞的基本鐵耗、電樞基本銅耗、勵磁損耗和機(jī)械損耗。基本銅耗、勵磁損耗和機(jī)械損耗。n電樞基本鐵耗是指主磁通在電樞鐵心齒部和軛部電樞基本鐵耗是指主磁通在電樞鐵心齒部和軛

42、部中交變所引起的損耗。中交變所引起的損耗。n電樞基本銅耗是換算到基準(zhǔn)工作溫度時，電樞繞電樞基本銅耗是換算到基準(zhǔn)工作溫度時，電樞繞組的直流電阻損耗。組的直流電阻損耗。n勵磁損耗包括勵磁繞組的基本銅耗、變阻器內(nèi)的勵磁損耗包括勵磁繞組的基本銅耗、變阻器內(nèi)的損耗、電刷的電損耗以及勵磁設(shè)備的全部損耗。損耗、電刷的電損耗以及勵磁設(shè)備的全部損耗。n機(jī)械損耗包括軸承、電刷摩擦損耗和通風(fēng)損耗。機(jī)械損耗包括軸承、電刷摩擦損耗和通風(fēng)損耗。n雜散損耗包括電樞漏磁通在電樞繞組和其它金屬雜散損耗包括電樞漏磁通在電樞繞組和其它金屬結(jié)構(gòu)部件中所引起的渦流損耗，高次諧波磁場掠結(jié)構(gòu)部件中所引起的渦流損耗，高次諧波磁場掠過主極表面

43、所引起的表面損耗等。過主極表面所引起的表面損耗等。%100)1 (%100212pPpPP現(xiàn)代現(xiàn)代空氣冷卻的大型水輪發(fā)空氣冷卻的大型水輪發(fā)電機(jī)電機(jī)，額定效率大致在，額定效率大致在9698.5這一范圍內(nèi)；這一范圍內(nèi)；空冷汽輪發(fā)電機(jī)空冷汽輪發(fā)電機(jī)的額定效率的額定效率大致在大致在9497.8這一范這一范圍內(nèi)；圍內(nèi)；氫冷時氫冷時，額定效率約，額定效率約可增高可增高0.8。6.6.6 用電動勢磁動勢圖求取用電動勢磁動勢圖求取額定勵磁電流和電壓調(diào)整率額定勵磁電流和電壓調(diào)整率已知：已知：發(fā)電機(jī)的空載特性發(fā)電機(jī)的空載特性E0=f(If) 電樞電阻電樞電阻Ra電樞漏抗（波梯電抗）電樞漏抗（波梯電抗）Xp額定電流

44、時的電樞等效磁動勢額定電流時的電樞等效磁動勢kaFa電機(jī)的額定數(shù)據(jù)（每相值）電機(jī)的額定數(shù)據(jù)（每相值）就可畫出電動勢就可畫出電動勢磁動勢矢量圖，從而求出額定勵磁電流磁動勢矢量圖，從而求出額定勵磁電流和電壓調(diào)整率。和電壓調(diào)整率。1）先求出額定情況下發(fā)電機(jī)的氣隙電動勢先求出額定情況下發(fā)電機(jī)的氣隙電動勢E；將電壓將電壓U畫在縱軸上畫在縱軸上2）在空載曲線上查取產(chǎn)生在空載曲線上查取產(chǎn)生E所需的合成磁動勢；所需的合成磁動勢；paXIjRIUE UpXI jEffIF ，UIaRIFEUpXI jE)(ffIFUIaRIFEaaFkaaFkFfNF3）求出額定勵磁磁動勢求出額定勵磁磁動勢UpXI jE)(f

45、fIFUIaRIFEaaFkaaFkFfNF5）求出勵磁磁動勢下的空載電動勢求出勵磁磁動勢下的空載電動勢E04）求額定勵磁電流求額定勵磁電流額定勵磁電流除以勵磁繞組匝數(shù)得額定勵磁電流。額定勵磁電流除以勵磁繞組匝數(shù)得額定勵磁電流。6）計算計算 u%100)(0fNfIINNUUEu6.7 同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的并聯(lián)運行同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的并聯(lián)運行n同步發(fā)電機(jī)作單機(jī)運行時，隨著負(fù)載的變同步發(fā)電機(jī)作單機(jī)運行時，隨著負(fù)載的變化，同步發(fā)電機(jī)的頻率和端電壓將發(fā)生相化，同步發(fā)電機(jī)的頻率和端電壓將發(fā)生相應(yīng)的變化，供電的質(zhì)量和可靠性較差。為應(yīng)的變化，供電的質(zhì)量和可靠性較差。為了克服這些缺點，現(xiàn)代電力系統(tǒng)（電網(wǎng)）了克服

46、這些缺點，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，每個電通?？偸怯稍S多發(fā)電廠并聯(lián)組成，每個電廠內(nèi)又有多臺發(fā)電機(jī)在一起并聯(lián)運行。廠內(nèi)又有多臺發(fā)電機(jī)在一起并聯(lián)運行。同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運行有許多優(yōu)點：同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運行有許多優(yōu)點：（1 1）提高了供電的可靠性）提高了供電的可靠性 一臺發(fā)電機(jī)發(fā)生故障不會引起停電事故，也一臺發(fā)電機(jī)發(fā)生故障不會引起停電事故，也便于各發(fā)電機(jī)輪流檢修。便于各發(fā)電機(jī)輪流檢修。（2 2）提高了供電的經(jīng)濟(jì)性和靈活性）提高了供電的經(jīng)濟(jì)性和靈活性 在用電高峰期和低谷期，可以靈活地決定投在用電高峰期和低谷期，可以靈活地決定投入并聯(lián)的發(fā)電機(jī)數(shù)量，提高發(fā)電機(jī)的效率。入并聯(lián)的

47、發(fā)電機(jī)數(shù)量，提高發(fā)電機(jī)的效率。（3 3）提高了供電質(zhì)量）提高了供電質(zhì)量 負(fù)載變化對整個電網(wǎng)電壓、頻率影響甚微。負(fù)載變化對整個電網(wǎng)電壓、頻率影響甚微。6.7.1 并聯(lián)運行的條件和方法并聯(lián)運行的條件和方法n投入并聯(lián)的條件投入并聯(lián)的條件1 1）發(fā)電機(jī)的頻率）發(fā)電機(jī)的頻率f f與電網(wǎng)的頻率與電網(wǎng)的頻率f f相同，即相同，即 f ff f。2 2）發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的電壓波形相同。）發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的電壓波形相同。3 3）發(fā)電機(jī)的勵磁電動勢）發(fā)電機(jī)的勵磁電動勢應(yīng)與電網(wǎng)電壓應(yīng)與電網(wǎng)電壓的幅的幅 值大小相等。值大小相等。4 4）并聯(lián)合閘瞬間，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)對應(yīng)相的電壓）并聯(lián)合閘瞬間，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)對應(yīng)相的電壓 應(yīng)同相位。

48、應(yīng)同相位。5 5）發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的相序要相同。）發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的相序要相同。第五個條件必須滿足，其余條件允許稍有出入。第五個條件必須滿足，其余條件允許稍有出入。 2. 同步發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)的方法同步發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)的方法n為了投入并聯(lián)所進(jìn)行的調(diào)節(jié)和操作過程，稱為了投入并聯(lián)所進(jìn)行的調(diào)節(jié)和操作過程，稱為為整步過程整步過程。n實用的整步方法有兩種，一種稱為實用的整步方法有兩種，一種稱為準(zhǔn)確同步準(zhǔn)確同步法法，另一種稱為，另一種稱為自同步法自同步法。1)準(zhǔn)確同步法：直接接法和交叉接法接線圖向量圖直接接法直接接法（燈光熄滅法） ：電機(jī)各端與電網(wǎng)同相端對應(yīng)，電機(jī)各端與電網(wǎng)同相端對應(yīng)，三燈泡同時亮、暗，當(dāng)燈泡亮、暗頻

49、率很低并且燈泡變暗三燈泡同時亮、暗，當(dāng)燈泡亮、暗頻率很低并且燈泡變暗的瞬間為合閘的最佳時機(jī)。的瞬間為合閘的最佳時機(jī)。接線圖向量圖交叉接法（燈光旋轉(zhuǎn)法）交叉接法（燈光旋轉(zhuǎn)法）：一相燈泡同端連接，另外兩組：一相燈泡同端連接，另外兩組交叉連接，三組燈泡依次亮、暗，當(dāng)三組燈泡亮度旋轉(zhuǎn)速交叉連接，三組燈泡依次亮、暗，當(dāng)三組燈泡亮度旋轉(zhuǎn)速度很慢且第一組燈泡變暗的瞬間為合閘的最佳時機(jī)。度很慢且第一組燈泡變暗的瞬間為合閘的最佳時機(jī)。1)準(zhǔn)確同步法：直接接法和交叉接法2)自同步法準(zhǔn)確同步法準(zhǔn)確同步法( (直接接法和交叉接法直接接法和交叉接法) )缺點缺點：整步手續(xù)較復(fù)雜時間長，不能滿足快速并網(wǎng)要求。：整步手續(xù)較

50、復(fù)雜時間長，不能滿足快速并網(wǎng)要求。 校驗發(fā)電機(jī)的相序；校驗發(fā)電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速接近同步速；發(fā)電機(jī)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。 6.7.2 與電網(wǎng)并聯(lián)時同步發(fā)電機(jī)的功角特性與電網(wǎng)并聯(lián)時同步發(fā)電機(jī)的功角特性n1. 凸極同步發(fā)電機(jī)的功角特性凸極同步發(fā)電機(jī)的功角特性且由下圖且由下圖功角特性的表達(dá)式 定義定義基本電磁功率附加電磁功率2. 隱極同步發(fā)電機(jī)的功角特性隱極同步發(fā)電機(jī)的功角特性對于隱極同步發(fā)電機(jī)eP=sins0XUEm3. 功率角的物理意義功率角的物理意義n功率角有著雙重的物理意義：功率角有著雙重的物理意義：

51、n一個意義是時間相量勵磁電動勢與電一個意義是時間相量勵磁電動勢與電樞端電壓之間的時間相角；樞端電壓之間的時間相角；n另一個意義則表示空間矢量主極磁場另一個意義則表示空間矢量主極磁場和氣隙合成磁場兩者在空間的夾角。和氣隙合成磁場兩者在空間的夾角。 6.7.3 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n1. 有功功率的調(diào)節(jié)有功功率的調(diào)節(jié)準(zhǔn)確整步法并網(wǎng)時準(zhǔn)確整步法并網(wǎng)時，UE0，功率角00sin02seXUEmPP電磁轉(zhuǎn)距電磁轉(zhuǎn)距Te 0，發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)上處于空載狀態(tài)；原動機(jī)的，發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)上處于空載狀態(tài)；原動機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩僅用于克服發(fā)電機(jī)的空載阻轉(zhuǎn)矩。驅(qū)動轉(zhuǎn)矩僅用于克服發(fā)電機(jī)的空載阻轉(zhuǎn)矩。欲使

52、發(fā)電機(jī)輸出有功功率，根據(jù)能量守恒原理，應(yīng)當(dāng)增加發(fā)欲使發(fā)電機(jī)輸出有功功率，根據(jù)能量守恒原理，應(yīng)當(dāng)增加發(fā)電機(jī)的輸入功率，即調(diào)解原動機(jī)，這可以由開大汽輪機(jī)的汽電機(jī)的輸入功率，即調(diào)解原動機(jī)，這可以由開大汽輪機(jī)的汽門（或水輪機(jī)的水門）來實現(xiàn)。門（或水輪機(jī)的水門）來實現(xiàn)。原動機(jī)的功率增加時，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩原動機(jī)的功率增加時，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T1增大，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子加速，增大，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子加速，于是與轉(zhuǎn)子主磁場相應(yīng)電動勢于是與轉(zhuǎn)子主磁場相應(yīng)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(jī)將向電網(wǎng)輸出一定有功功率根據(jù)功角特性，此時發(fā)電機(jī)將向電網(wǎng)輸出一定有功功率P2。sin02seXUEmPP

53、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，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。此時發(fā)電機(jī)已處于負(fù)載運行狀態(tài)，如圖中的轉(zhuǎn)速。此時發(fā)電機(jī)已處于負(fù)載運行狀態(tài)，如圖中的A點點由此可見，要增加發(fā)電機(jī)的輸出有功功率，必須增加原動由此可見，要增加發(fā)電機(jī)的輸出有功功率，必須增加原動機(jī)的輸出功率，使功率角機(jī)的輸出功率，使功率角 增大，電磁功率和輸出功率便增大，電磁功率和輸出功率便會相應(yīng)的增加；直到會相應(yīng)的增加；直到 90時，電磁功率達(dá)到最大值時，電磁功率達(dá)到最大值Pe（max）。seX

54、UEmP0(max)在電機(jī)的最大功率增大到在電機(jī)的最大功率增大到Pe（max）時，不能再增加輸入功率。時，不能再增加輸入功率。否則驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與制動轉(zhuǎn)矩不能實現(xiàn)平衡，發(fā)電機(jī)會失去同步。否則驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與制動轉(zhuǎn)矩不能實現(xiàn)平衡，發(fā)電機(jī)會失去同步。2. 靜態(tài)穩(wěn)定靜態(tài)穩(wěn)定穩(wěn)態(tài)運行于某一工作點的穩(wěn)態(tài)運行于某一工作點的同步發(fā)電機(jī)，當(dāng)外界（電同步發(fā)電機(jī)，當(dāng)外界（電網(wǎng)或原動機(jī)）發(fā)生微小的網(wǎng)或原動機(jī)）發(fā)生微小的擾動時，工作點發(fā)生偏移，擾動時，工作點發(fā)生偏移，擾動消失后，發(fā)電機(jī)能回擾動消失后，發(fā)電機(jī)能回到原先狀態(tài)穩(wěn)定運行，稱到原先狀態(tài)穩(wěn)定運行，稱為為同步發(fā)電機(jī)靜態(tài)是穩(wěn)定同步發(fā)電機(jī)靜態(tài)是穩(wěn)定的；的；否則是否則是靜態(tài)不穩(wěn)定的

55、靜態(tài)不穩(wěn)定的。正常工作于正常工作于A點或點或B點，看發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運行情況。點，看發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運行情況。cos0seXUEmddP當(dāng)90時，0ddPe發(fā)電機(jī)就變?yōu)椴环€(wěn)定。相關(guān)計算實例見相關(guān)計算實例見書書P264例例6-36.7.4 無功功率的調(diào)節(jié)與無功功率的調(diào)節(jié)與V形曲線形曲線 以隱極電機(jī)為例，說明同步發(fā)電機(jī)與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時無以隱極電機(jī)為例，說明同步發(fā)電機(jī)與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時無功功率的調(diào)節(jié)。功功率的調(diào)節(jié)。忽略電樞電阻，原動機(jī)的輸入功率保持不變。忽略電樞電阻，原動機(jī)的輸入功率保持不變。根據(jù)功率平衡關(guān)系可知，在調(diào)節(jié)勵磁前后，發(fā)電機(jī)的電磁根據(jù)功率平衡關(guān)系可知，在調(diào)節(jié)勵磁前后，發(fā)電機(jī)的電磁功率和輸出的有

56、功功率均應(yīng)近似的保持不變。功率和輸出的有功功率均應(yīng)近似的保持不變。常值sin0seXUEmP常值cos2mUIP常值常值cossin0IE1. 無功功率的調(diào)節(jié)無功功率的調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)時無功功率的調(diào)節(jié)正常勵磁正常勵磁 cos=1過勵過勵 加大勵磁電流，加大勵磁電流，電樞電流將滯后于電網(wǎng)電壓。電樞電流將滯后于電網(wǎng)電壓。欠勵欠勵 減小勵磁電流，電樞電流將超前于電網(wǎng)電壓。減小勵磁電流，電樞電流將超前于電網(wǎng)電壓。調(diào)節(jié)勵磁電流就可以調(diào)節(jié)無功功率這一現(xiàn)象，還可以用磁調(diào)節(jié)勵磁電流就可以調(diào)節(jié)無功功率這一現(xiàn)象，還可以用磁動勢平衡關(guān)系來解釋。動勢平衡關(guān)系來解釋。 發(fā)電機(jī)與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時，其端電壓恒為常值

57、，所以無發(fā)電機(jī)與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時，其端電壓恒為常值，所以無論勵磁如何變化，電樞繞組的合成磁通近似不變。論勵磁如何變化，電樞繞組的合成磁通近似不變。 反之，減小勵磁電流而變?yōu)榉粗?，減小勵磁電流而變?yōu)椤扒穭钋穭睢睍r，主磁通減少，為時，主磁通減少，為了維持合成磁通不變，發(fā)電機(jī)必須輸出超前電流，以減小了維持合成磁通不變，發(fā)電機(jī)必須輸出超前電流，以減小去磁性的電樞反應(yīng)，甚至使電樞反應(yīng)變?yōu)樵龃判?，以補(bǔ)償去磁性的電樞反應(yīng)，甚至使電樞反應(yīng)變?yōu)樵龃判?，以補(bǔ)償主磁通。主磁通。 當(dāng)增加勵磁電流并達(dá)到當(dāng)增加勵磁電流并達(dá)到“過勵過勵”時，主磁通增多，為維持時，主磁通增多，為維持電樞繞組的合成磁通不變，發(fā)電機(jī)應(yīng)輸出滯后電

58、流，使去電樞繞組的合成磁通不變，發(fā)電機(jī)應(yīng)輸出滯后電流，使去磁性的電樞反應(yīng)增加，以補(bǔ)償過多的主磁通。磁性的電樞反應(yīng)增加，以補(bǔ)償過多的主磁通。注意：正常勵磁、過勵、欠勵是由注意：正常勵磁、過勵、欠勵是由功率因數(shù)角功率因數(shù)角決定的；而決定的；而電樞反應(yīng)去磁或助磁是由電樞反應(yīng)去磁或助磁是由內(nèi)功率因數(shù)角內(nèi)功率因數(shù)角決定的。決定的。2. V形曲線形曲線)(Cf2sIfIPnn時，6.8 同步電動機(jī)與同步補(bǔ)償機(jī)同步電動機(jī)與同步補(bǔ)償機(jī)同步電機(jī)的可逆原理同步電機(jī)的可逆原理6.8.1 同步電動機(jī)的電壓方程和同步電動機(jī)的電壓方程和相量圖相量圖改變電樞電流的參考方向，以輸入電流作為電樞電流的正改變電樞電流的參考方向，

59、以輸入電流作為電樞電流的正方向，記為方向，記為IM，此時輸入電功率為正值，電壓方程式為，此時輸入電功率為正值，電壓方程式為 隱極同步電動機(jī)隱極同步電動機(jī)sMaMsaXI jRIEXI jRIEU00 )()(畫凸極同步電動機(jī)向量圖時，需要先確定畫凸極同步電動機(jī)向量圖時，需要先確定0M角。角。 cossinarctan 0M RIUxIUaMMqMMqMaMQXI jRIUE凸極同步電動機(jī)凸極同步電動機(jī)qqMddMaMXI jXI jRIEU06.8.2 同步電動機(jī)的功角特性同步電動機(jī)的功角特性 在電動機(jī)慣例下，把在電動機(jī)慣例下，把 滯后滯后 的功率角為正，用的功率角為正，用 M表示，則表示，則

60、MdqMdeXXUmXUEmP2sin112sin20這時這時電磁功率為正，表示從電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能電磁功率為正，表示從電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。將上式除以同步角速度將上式除以同步角速度s，便得電動機(jī)的，便得電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩MdqssdXXmUXUmT2sin112sinE2M0e同步電動機(jī)的同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動性質(zhì)電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動性質(zhì)的。的。0EU6.8.3 同步電動機(jī)的功率方程和同步電動機(jī)的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程轉(zhuǎn)矩方程功率方程功率方程Pe=pFe+p+P2 Te=T0+T2seePTTe為電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩sFeppT0T0為空載轉(zhuǎn)矩為空載轉(zhuǎn)矩sPT22T2為輸出轉(zhuǎn)矩為輸出