同步電機(第六章)

1、第六章第六章 同步電機的穩(wěn)態(tài)分析同步電機的穩(wěn)態(tài)分析同步機：同步機：pfnns60 本章討論內容：同步電機的基本結構，工作原理，本章討論內容：同步電機的基本結構，工作原理，電磁過程；基本平衡方程；運行特性以及同步發(fā)電機與電磁過程；基本平衡方程；運行特性以及同步發(fā)電機與電網并聯(lián)運行；同步機的不對稱運行。電網并聯(lián)運行；同步機的不對稱運行。運行方式：同步電動機運行方式：同步電動機; 同步發(fā)電機同步發(fā)電機; 同步補償機同步補償機一、同步電機的基本結構一、同步電機的基本結構同步電機旋轉電樞式旋轉磁極式機）氣隙不均勻（水輪發(fā)電凸極式（多用于汽輪發(fā)電機）忽略齒槽影響氣隙均勻隱極式1、隱極同步電機、隱極同步電機

2、汽輪發(fā)電機一般都是兩極：汽輪發(fā)電機一般都是兩極：分轉/300060pfnns定子繞組定子繞組三相對稱繞組（又稱電樞繞組）。三相對稱繞組（又稱電樞繞組）。定子：定子：定子鐵芯定子鐵芯內圓周均勻開槽的硅鋼片疊成。內圓周均勻開槽的硅鋼片疊成。轉子繞組轉子繞組置于轉子槽中，通直流電勵磁（有時稱勵置于轉子槽中，通直流電勵磁（有時稱勵磁繞組）磁繞組）轉子：轉子：轉子鐵芯轉子鐵芯整塊具有良好導磁性能的高強度合金鋼整塊具有良好導磁性能的高強度合金鋼鍛成，不開槽部分約鍛成，不開槽部分約1/3圓周）稱為圓周）稱為“大齒大齒”汽輪發(fā)電機一般采用細長結構汽輪發(fā)電機一般采用細長結構（國產（國產200200MW汽輪發(fā)電機

3、）汽輪發(fā)電機）（國產（國產600600MW汽輪發(fā)電機）汽輪發(fā)電機）Stator of Turbo-dynamo with 330MW Made in China（國產（國產330330MW汽輪發(fā)電機）汽輪發(fā)電機）Stator Core of Turbo-dynamo with 330MW Made in China（國產（國產330330MW汽輪發(fā)電機定子鐵心）汽輪發(fā)電機定子鐵心）定子鐵心定子繞組端部汽輪發(fā)電機轉子結構汽輪發(fā)電機轉子結構2、凸極同步電機、凸極同步電機 如圖所示，一般水輪發(fā)電機為凸極同步機，電機極如圖所示，一般水輪發(fā)電機為凸極同步機，電機極數(shù)較多。對數(shù)較多。對50Hz電網而言，轉

4、速在幾百到幾十轉電網而言，轉速在幾百到幾十轉/分。所分。所以通常水輪機為以通常水輪機為“扁平扁平”結構。結構。定子鐵芯和繞組與汽輪機相似。轉子鐵芯為凸極式結構，定子鐵芯和繞組與汽輪機相似。轉子鐵芯為凸極式結構，轉子繞組為集中勵磁繞組。轉子繞組為集中勵磁繞組。(1) (1) 立式水輪發(fā)電機立式水輪發(fā)電機(2) (2) 臥式水輪發(fā)電機臥式水輪發(fā)電機(3) 燈泡貫流式水輪發(fā)電機燈泡貫流式水輪發(fā)電機(4)(4)轉子結構轉子結構10000kw水輪機轉子 凸極極通常有臥式和立式兩種結構，通常同步電動機、凸極極通常有臥式和立式兩種結構，通常同步電動機、同步補償機、內燃機和沖擊式水輪機拖動同步發(fā)電機采用同步補

5、償機、內燃機和沖擊式水輪機拖動同步發(fā)電機采用臥式結構，而大型水輪發(fā)電機采用立式結構，立式水輪發(fā)臥式結構，而大型水輪發(fā)電機采用立式結構，立式水輪發(fā)電機的推力軸承是關鍵部件。電機的推力軸承是關鍵部件。 除了轉子勵磁繞組，通常在轉子上還裝有阻尼繞組。除了轉子勵磁繞組，通常在轉子上還裝有阻尼繞組。起抑制轉子轉速的作用。在同步電動機和補償機中，主要起抑制轉子轉速的作用。在同步電動機和補償機中，主要作為起動繞組用。作為起動繞組用。Hydraulic Turbine Generator in Operation（現(xiàn)場運行的水輪發(fā)電機）（現(xiàn)場運行的水輪發(fā)電機）二、同步電機的運行狀態(tài)二、同步電機的運行狀態(tài) 旋轉

6、磁場，同時轉子轉速也是同步轉速，所以定、旋轉磁場，同時轉子轉速也是同步轉速，所以定、轉子磁勢保持相對靜止，它們之間相互作用產生電磁轉轉子磁勢保持相對靜止，它們之間相互作用產生電磁轉距，實現(xiàn)機電能量轉換，距，實現(xiàn)機電能量轉換， 同步電機三種運行狀態(tài)：電機運行狀態(tài)主要決定于轉同步電機三種運行狀態(tài)：電機運行狀態(tài)主要決定于轉子磁場和定子合成磁場之間的夾角功率角子磁場和定子合成磁場之間的夾角功率角 。發(fā)電機：發(fā)電機：將機械能轉換為電能，所以定、轉子磁場相對位將機械能轉換為電能，所以定、轉子磁場相對位置如圖所示，轉子主磁場超前于定子合成磁場置如圖所示，轉子主磁場超前于定子合成磁場 ，轉，轉子從原動機輸入驅

7、動轉距（子從原動機輸入驅動轉距（ ），轉子上受到制動性質），轉子上受到制動性質的電磁轉距（的電磁轉距（ ）當）當 時電機轉子以同步轉速時電機轉子以同步轉速恒速旋轉，定子繞組向電網輸出功率。恒速旋轉，定子繞組向電網輸出功率。eT001TTTe1TSNons Te主極主極N So主極主極發(fā)電機發(fā)電機SNons Te N So電動機電動機 電動機電動機:將電能轉換成機械能，所以定、轉子磁場相對位將電能轉換成機械能，所以定、轉子磁場相對位置如圖置如圖6-7c)所示所示 。電磁轉距。電磁轉距Te是驅動性質轉距。定是驅動性質轉距。定子從電網吸收電功率，轉子可以拖動負載，而輸出機械功子從電網吸收電功率，轉子

8、可以拖動負載，而輸出機械功率。率。0補償機補償機:當當 時，此時電機沒有有功功率的轉換，電機時，此時電機沒有有功功率的轉換，電機處于補償機狀態(tài)或空載狀態(tài)。處于補償機狀態(tài)或空載狀態(tài)。0SNNo Sons Te=0補償機補償機 并勵或他勵直流發(fā)電機與同步發(fā)電機同軸安裝。若是并勵或他勵直流發(fā)電機與同步發(fā)電機同軸安裝。若是他勵直流發(fā)電機，則同軸還有一副勵磁機供給直流機勵磁，他勵直流發(fā)電機，則同軸還有一副勵磁機供給直流機勵磁，直流機發(fā)出直流電供給同步發(fā)電機轉子勵磁繞組。同時為直流機發(fā)出直流電供給同步發(fā)電機轉子勵磁繞組。同時為了隨負載變化能同步發(fā)電機勵磁而保證輸出電壓恒定，稱了隨負載變化能同步發(fā)電機勵磁而

9、保證輸出電壓恒定，稱為復式勵磁系統(tǒng)。為復式勵磁系統(tǒng)。1、直流勵磁機勵磁、直流勵磁機勵磁2、整流器勵磁、整流器勵磁圖6-9 靜止整流器勵磁系統(tǒng)1、額定容量、額定容量 （或額定功率（或額定功率 ）指額定運行時電機）指額定運行時電機的輸出功率的輸出功率NSNPVkUN2、額定電壓、額定電壓 指額定運行時定子的線電壓指額定運行時定子的線電壓. AIN3、額定電流、額定電流 指額定運行時定子的線電流指額定運行時定子的線電流Ncos4、額定功率因數(shù)、額定功率因數(shù) 指額定運行時電機的功率因數(shù)指額定運行時電機的功率因數(shù)7、額定勵磁電流、額定勵磁電流 有時也作為額定值寫在銘牌有時也作為額定值寫在銘牌上上fNfN

10、UINf5、額定頻率、額定頻率 指額定運行時電樞繞組的電壓或電流的指額定運行時電樞繞組的電壓或電流的頻率我國標準工頻為頻率我國標準工頻為50HzNn6、額定轉速、額定轉速 指額定運行時電機的轉速指額定運行時電機的轉速6.2 空載和負載時同步發(fā)電機磁場空載和負載時同步發(fā)電機磁場 勵磁繞組通直流勵磁電流，原動機拖動轉子以同步勵磁繞組通直流勵磁電流，原動機拖動轉子以同步轉速旋轉，電樞繞組開路的情況，稱為同步發(fā)電機的空轉速旋轉，電樞繞組開路的情況，稱為同步發(fā)電機的空載運行。載運行。 同步電機空載時，轉子勵磁繞組通直流電所產生磁場分同步電機空載時，轉子勵磁繞組通直流電所產生磁場分兩部分：兩部分：主磁通主

11、磁通 穿過氣隙匝鏈定子繞組；穿過氣隙匝鏈定子繞組；主極漏主極漏磁磁 不通過氣隙與定子繞組匝鏈。主磁場不通過氣隙與定子繞組匝鏈。主磁場“切割切割”定子定子三相繞組，在定子繞組中感應三相對稱感應電勢，稱其為三相繞組，在定子繞組中感應三相對稱感應電勢，稱其為激磁電勢（或空載電勢激磁電勢（或空載電勢 ）0f0E00EEoA1200EEoB1200EEoC011044. 4kfNE其中其中: 空載時每極磁通量空載時每極磁通量0 fIfE 0 空載特性的下部是一直線，與下部相切的直線稱為氣空載特性的下部是一直線，與下部相切的直線稱為氣隙線，當隙線，當 增大增大 增大時，由于磁路飽和，空載特性逐增大時，由于

12、磁路飽和，空載特性逐漸彎曲。漸彎曲。fI0O0fIffFI ,00,EUN氣隙線空載特性空載特性空載特性空載特性是同步電機的一條基本特性?？蛰d特性是同步電機的一條基本特性。二、對稱負載時的電樞反應二、對稱負載時的電樞反應 當電機運行時，電樞繞組將流過對稱三相電流，此當電機運行時，電樞繞組將流過對稱三相電流，此時電樞繞組將產生旋轉的電樞磁勢，電樞磁勢基波分量時電樞繞組將產生旋轉的電樞磁勢，電樞磁勢基波分量與轉子勵磁磁勢轉向和轉速相同，此時，氣隙中磁場由與轉子勵磁磁勢轉向和轉速相同，此時，氣隙中磁場由定、轉子磁勢共同產生。電樞磁動勢的基波在氣隙中產定、轉子磁勢共同產生。電樞磁動勢的基波在氣隙中產生

13、的磁場就稱為生的磁場就稱為電樞反應。電樞反應。 電樞反應的性質取決于激磁電動勢和主磁場在空間電樞反應的性質取決于激磁電動勢和主磁場在空間的相對位置，此相對位置取決于激磁電動勢的相對位置，此相對位置取決于激磁電動勢 和負載和負載電流電流 之間的相位角之間的相位角 （稱其為內功率因數(shù)角）（稱其為內功率因數(shù)角）0EI0FFFaf同方向同速度旋轉，二者的相對位置始終不會改變。同方向同速度旋轉，二者的相對位置始終不會改變。1、 與與 同相位同相位00I0EaqaFF 00此時電樞反應為交軸電樞反應。此時電樞反應為交軸電樞反應。 對于同步發(fā)電機，當對于同步發(fā)電機，當 時，主磁場將超前于氣隙時，主磁場將超前

14、于氣隙合成磁場，主極將受到一個制動性質的電磁轉距，所以合成磁場，主極將受到一個制動性質的電磁轉距，所以交軸電樞磁動勢與產生電磁轉距及能量轉換直接有關。交軸電樞磁動勢與產生電磁轉距及能量轉換直接有關。00時時空矢量圖上空矢量圖上 與相位相同與相位相同IaF2、 與與 不同相位不同相位IE00900將將Fa分解為兩個分量：分解為兩個分量：adaqaFFF00cossinaaqaadFFFFaqF交軸電樞磁動勢交軸電樞磁動勢adF直軸的電樞磁動勢直軸的電樞磁動勢adF交軸電樞磁動勢交軸電樞磁動勢 與能量轉換直接有關；直軸電樞與能量轉換直接有關；直軸電樞磁動勢磁動勢 的作用是去磁或助磁的作用是去磁或助

15、磁.。aqF6.3 隱極同步發(fā)電機的電壓方程、隱極同步發(fā)電機的電壓方程、相量圖和等效電路相量圖和等效電路fFaF不計飽和時，不計飽和時， 和和 的作用分別考慮，再把它們作用結的作用分別考慮，再把它們作用結果疊加起來。果疊加起來。電樞：電樞： 主極：主極：00EFIffaaaEFIEXIjEEF按發(fā)電機慣例由回路電壓定律可得：按發(fā)電機慣例由回路電壓定律可得：隱極同步發(fā)電機等效電路隱極同步發(fā)電機等效電路aXUIaRX0EE)(jXRIEUa)(0jXRIUEEEaa所以：所以：IFEaaaaaXIjE)(0jXRIEEUaaXa是電樞反應磁通相應的電抗，稱為是電樞反應磁通相應的電抗，稱為電樞反應電

16、抗電樞反應電抗。（電樞電流產生電樞反應磁場，在定子每相繞組中感應（電樞電流產生電樞反應磁場，在定子每相繞組中感應電勢可以表示為電樞繞組相電流與電樞反應電抗的乘積）電勢可以表示為電樞繞組相電流與電樞反應電抗的乘積）所以：所以：saaaaaXIjRIUXXjIRIUjXRIEUE)()(090IUaRIXI jaXI jaE0EEa0a)0IUaRIEsXI jb)aXEaRIXsXU0EXXXas隱極同步電機的同步電抗。隱極同步電機的同步電抗。二、考慮磁飽和時二、考慮磁飽和時 考慮飽和時，由于磁路的非線性，應先將磁勢進行合考慮飽和時，由于磁路的非線性，應先將磁勢進行合成，再利用磁化曲線求相應的氣

17、隙合成磁場成，再利用磁化曲線求相應的氣隙合成磁場和感應電和感應電勢勢 ，即：，即：EaafFkFFEFfFfIaIaF 電壓平衡方程式：電壓平衡方程式：)(jXRIUEaUjXRIEa)( aafFkFF ka的物理意義：產生同樣大小的基波氣隙磁場，一的物理意義：產生同樣大小的基波氣隙磁場，一安匝的電樞磁動勢相當于多少安匝的梯形波主極磁動勢安匝的電樞磁動勢相當于多少安匝的梯形波主極磁動勢ka0.931.03fF階梯波幅值階梯波幅值aF正弦波幅值正弦波幅值6.4凸極同步發(fā)電機的電壓方程和凸極同步發(fā)電機的電壓方程和相量圖相量圖 凸極同步發(fā)電機氣隙是不均勻的，直軸處氣隙小，凸極同步發(fā)電機氣隙是不均勻

18、的，直軸處氣隙小，交軸處氣隙大，極面下氣隙小，兩極間氣隙大，所以直交軸處氣隙大，極面下氣隙小，兩極間氣隙大，所以直軸下單位面積的氣隙磁導要比交軸下單位面積的氣隙磁軸下單位面積的氣隙磁導要比交軸下單位面積的氣隙磁導大的多。導大的多。 當正弦分布的電樞磁動勢作用在直軸上時，產生的當正弦分布的電樞磁動勢作用在直軸上時，產生的基波磁場的幅值較大，而作用于交軸上時，產生的基波基波磁場的幅值較大，而作用于交軸上時，產生的基波磁場幅值較小磁場幅值較小. 一般情況下，一般情況下，F(xiàn)a既不作用于直軸，也不作用于交軸上，既不作用于直軸，也不作用于交軸上，而是在空間任意處（而是在空間任意處（Fa位置決定于負載性質）

19、，可將位置決定于負載性質），可將Fa分分解成直軸和交軸兩個分量解成直軸和交軸兩個分量aqadFF 、 再用對應的直軸和交軸磁導分別算出直軸和交軸的再用對應的直軸和交軸磁導分別算出直軸和交軸的電樞反應。最后再將它們效果相加，這種將電樞反應分電樞反應。最后再將它們效果相加，這種將電樞反應分解為交、直軸分量，分別處理的方法，稱為雙反應理論。解為交、直軸分量，分別處理的方法，稱為雙反應理論。aqadaFFFaqadBBB1、電壓方程、電壓方程不計飽和時：不計飽和時：E00EFIffaqaqaqadadadEFEFaFI )(XIjEEXI jRIUEEEaaqad0列出電壓方程：列出電壓方程：00co

20、ssinaaqaadFFFF00cossinIIIIqddIE00EFIffaqaqaqadadadEFEFI)(XI jEEqI所以不計飽和時：所以不計飽和時：qaqqaqdaddadIFEIFE00qaqaqdadadIjXEIjXE直軸電樞反應電抗直軸電樞反應電抗adX交軸電樞反應電抗交軸電樞反應電抗aqXqqddaaqqaddaaqqaddaXIjXIjRIUXXIjXXIjRIUXIjXIjXIjRIUE)()(0-直軸同步電抗直軸同步電抗dXqX交軸同步電抗交軸同步電抗XXXaddXXXaqqqqddaXIjXIjRIUE0qdqqddaqdXIjXIjXIjRIUXIjE0qaq

21、ddXIjRIUXXIjE)(0qaqddQXIjRIUXXIjEE)(0)(0qddQXXIjEEqaQXIjRIUEaqIXUIXUarctgcossin0 2、相量圖、相量圖 aXEaRIXsXU0E由于電抗與繞組匝數(shù)平方成正比與磁場所經磁路磁導成由于電抗與繞組匝數(shù)平方成正比與磁場所經磁路磁導成正比，所以：正比，所以：qqddNXNX2121 電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù) 直軸和交軸磁路等效磁導直軸和交軸磁路等效磁導 -主磁導所對應的磁路，主磁導所對應的磁路， 漏磁路磁導漏磁路磁導1Nqd ,aqad,aqqadd6.5 同步發(fā)電機的功率方程和轉矩同步發(fā)電機的功率方程和轉矩方

22、程方程eFePppP1 若同步電機的轉子交流勵磁由別的直流電流供給時，若同步電機的轉子交流勵磁由別的直流電流供給時，則轉子軸上輸入機械功率則轉子軸上輸入機械功率P1，扣除機械損耗，扣除機械損耗P 和鐵耗和鐵耗PFe ，即為靠電磁感應傳遞給電樞繞組的功率，即為靠電磁感應傳遞給電樞繞組的功率電磁電磁功率功率Pe 。電樞繞組得到的電磁功率電樞繞組得到的電磁功率Pe扣除電樞繞組銅耗，可得輸扣除電樞繞組銅耗，可得輸出電功率出電功率P22PpPcuae其中：其中：acuaRmIp2cos2mUIP 對于隱極機而言對于隱極機而言 所以：所以：0EEQ00cosImEPe)cos(cos2aaeIRUmIRm

23、ImUIP0coscosImEmEIPQe0coscoscosQaEEIRU由由要進行能量轉換，則要進行能量轉換，則 即電樞電流中必須要有交即電樞電流中必須要有交軸電樞電流軸電樞電流 在發(fā)電機中由于交軸電樞反應存在，使得氣在發(fā)電機中由于交軸電樞反應存在，使得氣隙合成磁場與轉子主極磁場之間錯開一定角度，使主極上隙合成磁場與轉子主極磁場之間錯開一定角度，使主極上受到制動的電磁轉距，原動機克服電磁轉矩而做功，將機受到制動的電磁轉距，原動機克服電磁轉矩而做功，將機械能轉換為電能。械能轉換為電能。 與與 夾角稱為功率角夾角稱為功率角 ，不難看出，不難看出， 愈大，交軸電樞愈大，交軸電樞反應愈強，反應愈強

24、， 角就愈大，在一定范圍內，電磁轉距和電磁角就愈大，在一定范圍內，電磁轉距和電磁功率愈大。功率愈大。o00EUqIeFePppP1eTTT01sssn602-同步機械角速度同步機械角速度sFeppT0To -同步發(fā)電機空載轉矩同步發(fā)電機空載轉矩seePTTe -電磁轉矩電磁轉矩sPT11T1 -原動機驅動轉矩原動機驅動轉矩eTTT016.6 同步電機參數(shù)的測定同步電機參數(shù)的測定空載特性：空載特性：I = 0時時 Eo = f ( If ),可以由實驗求取可以由實驗求取 實驗時，讓電機電樞繞組開路，原動機拖動轉子以同實驗時，讓電機電樞繞組開路，原動機拖動轉子以同步轉速旋轉，調節(jié)兩勵磁電流步轉速旋

25、轉，調節(jié)兩勵磁電流If,記錄不同勵磁電流所對應記錄不同勵磁電流所對應端電壓端電壓Uo直到直到Uo = 1.25UN左右。做出左右。做出U = Eo = f ( If )曲線。曲線。短路特性：短路特性：U = 0時時I = f ( If )曲線，也可以由實驗求?。呵€，也可以由實驗求?。?電樞繞組短路，原動機拖動轉子以同步轉速旋轉，電樞繞組短路，原動機拖動轉子以同步轉速旋轉，調節(jié)勵磁電流調節(jié)勵磁電流If，記錄不同，記錄不同If 時的電樞繞組短路電流時的電樞繞組短路電流Ik ,直直到到Ik = 1.25IN左右。做出左右。做出U = 0時時I = f ( If )曲線曲線.分析：分析：短路時，由于

26、端電壓短路時，由于端電壓U = 0，所以電樞繞組的短路，所以電樞繞組的短路電流主要在電樞繞組內阻抗限制，一般電樞繞組電樞遠電流主要在電樞繞組內阻抗限制，一般電樞繞組電樞遠小于內阻抗。所以，短路電流可以認為是純感性的小于內阻抗。所以，短路電流可以認為是純感性的)(09000ddqjXEIIIIddqddaXIjXIjXIjRIUE0IEXd0電樞電流是純去磁性質的直軸電樞反應電流。所以電樞電樞電流是純去磁性質的直軸電樞反應電流。所以電樞磁路不飽和，短路特性接近于是一直線。磁路不飽和，短路特性接近于是一直線。 由于短路特性對應磁路不飽和，所以求出的由于短路特性對應磁路不飽和，所以求出的Xd亦為亦為

27、不飽和值，不飽和值，Eo也應查空載特性的氣隙線。也應查空載特性的氣隙線。Eo,IEoO If IfI氣隙線氣隙線空載特性空載特性短路特性短路特性sdXX 忽略漏阻抗壓降則電機的飽和程度決定于端電壓，忽略漏阻抗壓降則電機的飽和程度決定于端電壓，不同的飽和程度有不同的不同的飽和程度有不同的Xd飽和值，通常用對應額定電飽和值，通常用對應額定電壓時的壓時的Xd作為其飽和值。從空載特性曲線查出對應的短作為其飽和值。從空載特性曲線查出對應的短路電流路電流 。I氣隙線氣隙線空載特性空載特性短路特性短路特性Eo,INUIN IO Ifo Ifk If對于隱極電機：6.7 同步電機的運行特性同步電機的運行特性

28、同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)運行特性包括外特性，調整特性同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)運行特性包括外特性，調整特性和效率特性，從這些特性可以確定發(fā)電機的電壓調整率，和效率特性，從這些特性可以確定發(fā)電機的電壓調整率，額定勵磁電流和額定效率。額定勵磁電流和額定效率。1、外特性、外特性 = 常數(shù)，常數(shù)， = 常數(shù)時常數(shù)時U = f ( I )關系，稱為外特關系，稱為外特性。性。fsInn cos8 . 0cos超前O IN IUNU8 . 0cos滯后1cos 感性和阻性負載時，隨負載電流增加端電壓將減感性和阻性負載時，隨負載電流增加端電壓將減小，外特性曲線是下降的。這是因為電樞反應的去磁小，外特性曲線是下降的。這是因為電樞

29、反應的去磁和漏阻抗壓降所引起的。在容性負載時，由于電樞反和漏阻抗壓降所引起的。在容性負載時，由于電樞反應的增磁作用，外特性可能是上升的。應的增磁作用，外特性可能是上升的。為說明端電壓的變化，引入電壓調整率：為說明端電壓的變化，引入電壓調整率：%1000NNUUEufNfII 電機從額定運行狀態(tài)卸去負載過渡到空載狀態(tài)時電機從額定運行狀態(tài)卸去負載過渡到空載狀態(tài)時端電壓的升高值與額定值之比的百分值。端電壓的升高值與額定值之比的百分值。凸極機：凸極機：%30%18u隱極機：隱極機：%48%30u8 . 0cos超前滯后8 . 0cos,NNUUO IN IIfIfN1cos2、調整特性、調整特性 =

30、常數(shù)時，常數(shù)時，If = f ( I )關系稱為調整關系稱為調整特性特性cosNsUUnn汽輪發(fā)電機：汽輪發(fā)電機：1112%100PPPPP%100)1 (211pPpPPP%5 .98%96%8 .97%943、效率特性、效率特性由于由于:所以電機的效率決定于電機的損耗。所以電機的效率決定于電機的損耗。Fepcuapcufpp同步電機基本損耗有：基本鐵耗同步電機基本損耗有：基本鐵耗 ，電樞基本銅耗，電樞基本銅耗 勵磁繞組損耗勵磁繞組損耗 和機械損耗和機械損耗 。大型水輪發(fā)電機大型水輪發(fā)電機 ：6.8 同步發(fā)電機與電網的并聯(lián)運行同步發(fā)電機與電網的并聯(lián)運行 現(xiàn)代電力系統(tǒng)通?？偸怯稍S多發(fā)電廠并聯(lián)組

31、成。每現(xiàn)代電力系統(tǒng)通?？偸怯稍S多發(fā)電廠并聯(lián)組成。每個發(fā)電廠又有多臺發(fā)電機在一起并聯(lián)運行。個發(fā)電廠又有多臺發(fā)電機在一起并聯(lián)運行。并聯(lián)運行的優(yōu)點：并聯(lián)運行的優(yōu)點：1）可以提高電力系統(tǒng)的供電質量。）可以提高電力系統(tǒng)的供電質量。 2）可以合理利用動力資源。）可以合理利用動力資源。3）可以減少電機的備用臺數(shù)，提高電網供電的可靠性。）可以減少電機的備用臺數(shù)，提高電網供電的可靠性。投入并聯(lián)的條件：投入并聯(lián)的條件： 為了避免電機和電網之間產生電流沖擊，投入并聯(lián)為了避免電機和電網之間產生電流沖擊，投入并聯(lián)的同步發(fā)電機應當滿足的條件為：的同步發(fā)電機應當滿足的條件為：u1）發(fā)電機的相序與電網的相序一致。）發(fā)電機的相

32、序與電網的相序一致。u2）發(fā)電機所發(fā)出的電壓頻率與電網的電壓頻率相同。）發(fā)電機所發(fā)出的電壓頻率與電網的電壓頻率相同。u3）發(fā)電機所發(fā)出電壓與電網電壓大小相等，相位相同。）發(fā)電機所發(fā)出電壓與電網電壓大小相等，相位相同。上述三條件中，第一個條件是應絕對滿足的。上述三條件中，第一個條件是應絕對滿足的。 上述三條件，若有一個不滿足，則會在發(fā)電機和電上述三條件，若有一個不滿足，則會在發(fā)電機和電網之間引起電流、功率和轉矩的沖擊。網之間引起電流、功率和轉矩的沖擊。 若相序不同，則對應調發(fā)電機三個出線中的任意若相序不同，則對應調發(fā)電機三個出線中的任意兩個，若頻率不同，則對應調節(jié)原動機的轉速，若電兩個，若頻率不

33、同，則對應調節(jié)原動機的轉速，若電壓不同，則應調節(jié)勵磁電流和原動機轉速。（電網為壓不同，則應調節(jié)勵磁電流和原動機轉速。（電網為無窮大電網無窮大電網 U = 常數(shù)常數(shù)f = 常數(shù)）常數(shù)） 投入并聯(lián)的方法：投入并聯(lián)的方法：為了投入并聯(lián)運行而進行的調節(jié)為了投入并聯(lián)運行而進行的調節(jié)和操作過程稱為整步過程，實用的整步方法有兩種，一和操作過程稱為整步過程，實用的整步方法有兩種，一種叫種叫，一種叫，一種叫。 若將發(fā)電機調整到完全滿足并網條件而投入電網，若將發(fā)電機調整到完全滿足并網條件而投入電網，稱為準確整步。常采用同步指示器。同步指示器有三個稱為準確整步。常采用同步指示器。同步指示器有三個同步指示燈組成，它們

34、可以有兩種接法。同步指示燈組成，它們可以有兩種接法。1、直接接法、直接接法將三組指示燈分別接于將三組指示燈分別接于 和和 之間。之間。AABBCC當三組燈同時亮，同時滅表明相序一致，否則對調發(fā)電當三組燈同時亮，同時滅表明相序一致，否則對調發(fā)電機出線端任意兩頭；機出線端任意兩頭；當三組燈光亮滅變化閃爍越慢時當三組燈光亮滅變化閃爍越慢時 與與 越接近。越接近。ff當不閃爍時當不閃爍時 = ；否則調節(jié)原動機的轉速；否則調節(jié)原動機的轉速；ff 圖6-35直接接法的接線和向量圖a)接線圖 b)向量圖 同理，也可以如圖同理，也可以如圖6-36a)所示接線。相序正確時，三所示接線。相序正確時，三組指示燈燈光

35、交替變暗。燈光旋轉現(xiàn)象（相序不正確時，組指示燈燈光交替變暗。燈光旋轉現(xiàn)象（相序不正確時，三組指示燈同時亮滅），調節(jié)原動機轉速，使燈光不再三組指示燈同時亮滅），調節(jié)原動機轉速，使燈光不再旋轉，調節(jié)勵磁電流調電壓大小，當直接跨接燈熄滅時，旋轉，調節(jié)勵磁電流調電壓大小，當直接跨接燈熄滅時，電壓表讀數(shù)為零時，表明電壓大小相等，相位相同，滿電壓表讀數(shù)為零時，表明電壓大小相等，相位相同，滿足投入并聯(lián)條件，合閘并網。稱此法為亮燈法。足投入并聯(lián)條件，合閘并網。稱此法為亮燈法。準確同步法并網，電網和發(fā)電機之間無電流沖擊，但手準確同步法并網，電網和發(fā)電機之間無電流沖擊，但手續(xù)較復雜，不適合于發(fā)生故障時要求發(fā)電機迅

36、速投入電續(xù)較復雜，不適合于發(fā)生故障時要求發(fā)電機迅速投入電網的情況。此時可采用自整步法。網的情況。此時可采用自整步法。 自整步法的原理如圖所示。自整步法的優(yōu)點是：投入自整步法的原理如圖所示。自整步法的優(yōu)點是：投入迅速，不需增添復雜的裝置，缺點是會在發(fā)電機和電網迅速，不需增添復雜的裝置，缺點是會在發(fā)電機和電網之間引起較大的電流沖擊。之間引起較大的電流沖擊。 NSnsn限流電阻NSnsnSoNoIf勵磁電源忽略電樞電阻忽略電樞電阻Ra 0)cos(cos02mUImUIPPesincossinsincoscos00dqemUImUImUIP功角特性功角特性 當同步發(fā)電機激磁電動勢當同步發(fā)電機激磁電動

37、勢Eo和端電壓和端電壓U保持不變時，保持不變時，發(fā)電機發(fā)出的電磁功率與功角發(fā)電機發(fā)出的電磁功率與功角 之間的關系之間的關系Pe = f ( )稱為功角特性。功角特性是同步電機的基本特性之一。稱為功角特性。功角特性是同步電機的基本特性之一。其中：其中：ddXUEIcos0cos0UEXIddqqXUIsinsinUXIqq將式代入式則得：將式代入式則得：21202sin)11(2sineedqdePPXXUmXUEmPsin01deXUEmP稱為基本電磁功率稱為基本電磁功率2sin)11(222dqeXXUmP稱為附加電磁功率稱為附加電磁功率附加電磁功率與勵磁無關，它是由附加電磁功率與勵磁無關，

38、它是由 起的，所以亦起的，所以亦稱為磁阻功率。稱為磁阻功率。qdXX 隱極同步發(fā)電機：隱極同步發(fā)電機：Xd = Xq = Xs 附加電磁功率為零。附加電磁功率為零。sin0seXUmEP 功角特性為正弦型函數(shù)。功角特性為正弦型函數(shù)。 是發(fā)電機狀態(tài)是發(fā)電機狀態(tài) ， 是電動機狀態(tài)。是電動機狀態(tài)。出現(xiàn)最大電磁功率出現(xiàn)最大電磁功率 。180001809045凸極同步發(fā)電機凸極同步發(fā)電機: 圖6-39 隱極同步電機的功角特性功率角的含義：功率角的含義：功率角功率角 是時間向量是時間向量 和和 之間的相角差。之間的相角差。0EU可以近似認為功率角可以近似認為功率角 是主磁場是主磁場Bo與電樞和成與電樞和成

39、磁場磁場Bu之間的空間相角差。之間的空間相角差。BoBuoEUSNNoSo 當當 時，時，Bo超前于超前于Bu同步電機做發(fā)電機運行。同步電機做發(fā)電機運行。 時時Bu超前超前Bo，電機做電動機運行。，電機做電動機運行。0000UE02emPP三、有功功率的調節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定三、有功功率的調節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定1、有功功率調節(jié)、有功功率調節(jié) 并聯(lián)與無窮大電網（恒頻、恒壓）的同步發(fā)電機，開并聯(lián)與無窮大電網（恒頻、恒壓）的同步發(fā)電機，開始投入并聯(lián)時，始投入并聯(lián)時，發(fā)電機空載，發(fā)電機空載， T1 = To，由能量守恒原理，當欲增大輸出有功功率，則應增加發(fā)由能量守恒原理，當欲增大輸出有功功率，則應增加發(fā)電機輸入功率電

40、機輸入功率.要增加同步發(fā)電機的輸出功率，必須增加原動機的輸入功要增加同步發(fā)電機的輸出功率，必須增加原動機的輸入功率，使率，使 角增大。當角增大。當 時，時，Pe達到最大達到最大90seXUEmP0(max) 與電網并聯(lián)。在某一工作點穩(wěn)定運行的同步發(fā)電機，與電網并聯(lián)。在某一工作點穩(wěn)定運行的同步發(fā)電機，當受到外界微小擾動時，擾動消失后，電機能否恢復到當受到外界微小擾動時，擾動消失后，電機能否恢復到原先的穩(wěn)定運行狀態(tài)。此問題稱為靜態(tài)穩(wěn)定問題，若能原先的穩(wěn)定運行狀態(tài)。此問題稱為靜態(tài)穩(wěn)定問題，若能則是穩(wěn)定的。若不能，則是不穩(wěn)定的。則是穩(wěn)定的。若不能，則是不穩(wěn)定的。2、靜態(tài)穩(wěn)定、靜態(tài)穩(wěn)定NNsseNepX

41、UEmXUmEPPksin1sin00max0 . 26 . 1pk為使同步發(fā)電機能夠穩(wěn)定地運行，應使最大電磁功率比為使同步發(fā)電機能夠穩(wěn)定地運行，應使最大電磁功率比額定功率大的多，額定功率大的多，Kp稱為過載能力：稱為過載能力：cos0seXUnEddP隱極機：隱極機：ddPe0ddPe整步功率系數(shù)整步功率系數(shù):電機穩(wěn)定運行條件：電機穩(wěn)定運行條件：0ddPe 是電機靜態(tài)穩(wěn)定運行的極限。是電機靜態(tài)穩(wěn)定運行的極限。隱極同步發(fā)電機穩(wěn)定運行范圍：隱極同步發(fā)電機穩(wěn)定運行范圍：09004030N四、無功功率的調節(jié)四、無功功率的調節(jié) 與無窮大電網并聯(lián)的同步發(fā)電機，不僅要向電網輸與無窮大電網并聯(lián)的同步發(fā)電機，

42、不僅要向電網輸有功，還需要向電網輸出無功功率，經前分析可知，調有功，還需要向電網輸出無功功率，經前分析可知，調節(jié)發(fā)電機的勵磁，可以調節(jié)電機輸出的無功功率。（調節(jié)發(fā)電機的勵磁，可以調節(jié)電機輸出的無功功率。（調勵磁調無功）勵磁調無功）常值常值cossin20mUIPXUEmPse保持有功不變調無功保持有功不變調無功，即：，即：常數(shù)常數(shù)cossin0IE當當 時電機輸出無功為零。對應的勵磁稱為時電機輸出無功為零。對應的勵磁稱為“正常勵磁正常勵磁” II1cos由上可知：由上可知： 調節(jié)勵磁電流不但可以改變同步發(fā)電機輸出無功功調節(jié)勵磁電流不但可以改變同步發(fā)電機輸出無功功率的大小，而且可以改變輸出無功的

43、性質，率的大小，而且可以改變輸出無功的性質，“過勵過勵”時時電機輸出感性無功，電機輸出感性無功，“欠勵欠勵”時，電機輸出容性無功。時，電機輸出容性無功。 若從若從“正常勵磁正常勵磁”使使 減小，減小， ，電機欠勵，電機欠勵，Eo減小，減小， 由圖可見此時電機輸出有功不變，同時向外輸出容性無功，由圖可見此時電機輸出有功不變，同時向外輸出容性無功，但但 減小的極限值為減小的極限值為 這點也可由磁動勢平衡來解釋。這點也可由磁動勢平衡來解釋。fIffII 00 IIEEfI 0E6.9 同步電動機和同步補償機同步電動機和同步補償機 用于轉速不需調節(jié)的拖動場合，可以改善功率因數(shù)。用于轉速不需調節(jié)的拖動場

44、合，可以改善功率因數(shù)。常用于恒速負載及需要改善功率因數(shù)的場合。常用于恒速負載及需要改善功率因數(shù)的場合。 對于隱極電動機的對于隱極電動機的 等效電路等效電路,由此可得隱極機的電壓由此可得隱極機的電壓方程：（此稱為電動機慣例）方程：（此稱為電動機慣例）sMaMXIjRIEU0采用電動機慣例時，凸極同步電動機的電壓方程為：采用電動機慣例時，凸極同步電動機的電壓方程為：qqMddMaMXI jXI jRIEU0分別是定子電流的直軸和交軸分量。分別是定子電流的直軸和交軸分量。qMdMII,0EMI0EMI0EI0EI 在分析電樞反應性質時，在分析電樞反應性質時，若采用發(fā)電機慣例，若采用發(fā)電機慣例，則則

45、滯后于滯后于 時電樞反應為去磁；時電樞反應為去磁； 超前于超前于 時，電樞反應時，電樞反應為增磁作用。為增磁作用。 若采用電動機慣例時，若采用電動機慣例時， 滯后于滯后于 為增磁作用，為增磁作用， 超前于超前于 時為去磁作用。時為去磁作用。按發(fā)電機慣例導出的功角特性為：按發(fā)電機慣例導出的功角特性為：2sin)11(2sin20dqdeXXmUXmEP改用電動機慣例時改用電動機慣例時Pe為輸入電磁功率，則功角特性的表為輸入電磁功率，則功角特性的表達式為：達式為：MdqMdeXXUmXUmEP2sin)11(2sin20MdqsMdseXXmUXUEmT2sin)11(2sin2021PPpPPp

46、PFeeecua電磁功率從電能轉換為機械能：電磁功率從電能轉換為機械能：同步發(fā)電機的電磁轉矩是驅動性質的，所以，功率平衡：同步發(fā)電機的電磁轉矩是驅動性質的，所以，功率平衡：轉矩方程：轉矩方程：20TTTe運行特性包括工作特性和運行特性包括工作特性和 V形曲線形曲線1、工作特性、工作特性工作特性是指定子電壓工作特性是指定子電壓 ，勵磁電流，勵磁電流 時，時，電磁轉矩、電樞電流、效率、功率因數(shù)與輸出功率之間電磁轉矩、電樞電流、效率、功率因數(shù)與輸出功率之間的關系。的關系。fNfIINUU 即：即：)(,2pfITmeTeToIo0 0.25 0.5 0.75 1.0 2PIm,TeIM2、V形曲線形

47、曲線 V形曲線是指形曲線是指 ，Pe = 常數(shù)時，電樞電流與勵電常數(shù)時，電樞電流與勵電流之間關系流之間關系Im = f ( If )NUU 當增大或減小勵磁電流時，當增大或減小勵磁電流時，Im都將增大，所以有都將增大，所以有V形曲形曲線，如圖線，如圖6-51所示所示,調節(jié)勵磁可以調節(jié)同步電動機的無功調節(jié)勵磁可以調節(jié)同步電動機的無功電流和功率因數(shù)電流和功率因數(shù)0 正常勵磁 If滯后超前欠勵穩(wěn)定極限IM1cos MPePePe=0 若將同步電動機定子直接投入電網，同步電動機平若將同步電動機定子直接投入電網，同步電動機平均轉矩為零，電機不能自起動，通常采用的起動方法有：均轉矩為零，電機不能自起動，通

48、常采用的起動方法有：過勵321 同步發(fā)電機有時運行在不對稱的狀態(tài)下，不對成運同步發(fā)電機有時運行在不對稱的狀態(tài)下，不對成運行下的基本分析方法為：對稱分量法。行下的基本分析方法為：對稱分量法。 任何一組不對稱的三相電壓（電流、磁通），總可任何一組不對稱的三相電壓（電流、磁通），總可以分解為正序、負序和零序三組對稱電壓（電流、磁通）以分解為正序、負序和零序三組對稱電壓（電流、磁通）之和，稱后者為原有量的對稱分量。這種分解結果是唯之和，稱后者為原有量的對稱分量。這種分解結果是唯一的。一的。000CCCCBBBBAAAAUUUUUUUUUUUU正序正序 負序負序 零序零序 以電壓為例：以電壓為例：由于：由于：CBAUUU-為正序分量為正序分量則：則：ACABUaUUaU2同理：同理：0002CABACABUUUUaUUaU00UUUUUUAAA設：設：則：則：02020UUaUaUUUaUaUUUUUCBA其中：其中：012120aaeajCBACBACBAUUUUUaUaUUUaUaUU313131022 若電機對稱，磁路線形。則用三組對稱分量（正若電機對稱，磁路線形。則用三組對稱分量（正序、負序和零序分量）作用于電機，作用結