第四篇-同步發(fā)電機(空載負載 分析)-2017-wh

1同步發(fā)電機二、同步電機的電樞反應(yīng)三、同步發(fā)電機的負載運行四、同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩方程式五、同步發(fā)電機的特性六、同步發(fā)電機的并聯(lián)運行一、同步發(fā)電機的空載運行本章基本要求1.理解同步電機電樞反應(yīng)的物理概念，并掌握電樞反應(yīng)的性質(zhì)與哪些因素有關(guān)；2.熟練掌握同步發(fā)電機的電壓平衡方程式和相應(yīng)的相量圖的畫法。3.熟練掌握同步發(fā)電機的功角特性，分析當勵磁電流改變時，空載電勢和功角特性變化的規(guī)律。4.了解同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩方程式、工作特性。6.掌握同步發(fā)電機有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)以及同步發(fā)電機的U形曲線；掌握無功功率的性質(zhì)與勵磁電流的關(guān)系。5.了解同步發(fā)電機并聯(lián)運行的條件及其整步方法。一

同步發(fā)電機的空載運行（一）、同步電機的基本作用原理1.兩種旋轉(zhuǎn)磁場當對稱三相電流流過對稱三相繞組時，將在氣隙中產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，基波磁勢有下列特性：振幅恒定是單相繞組最大振幅的1.5倍，轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速n1，旋轉(zhuǎn)方向是從電流超前的相轉(zhuǎn)向電流滯后的相，當某相電流達到最大值時，旋轉(zhuǎn)磁場的振幅恰好在該相繞組的軸線上。同步電機無論作為發(fā)電機運行還是作為電動機運行，和異步電機一樣，只要它們的定子三相繞組中流過三相對稱電流，都將在氣隙中產(chǎn)生上述的旋轉(zhuǎn)磁場。因該磁場是交流勵磁的，故稱為交流勵磁的旋轉(zhuǎn)磁場，同步電機的定子繞組又稱為電樞繞組，因此又稱為電樞磁場。如果在轉(zhuǎn)子上裝有由直流勵磁的磁極，且用原動機把轉(zhuǎn)子帶到同步轉(zhuǎn)速，就像同步電機那樣，則在氣隙中同樣出現(xiàn)一個圓形旋轉(zhuǎn)磁場，這樣獲得的旋轉(zhuǎn)磁場又稱直流勵磁的旋轉(zhuǎn)磁場或稱機械旋轉(zhuǎn)磁場。同步發(fā)電機空載時，定子繞組中的電流為零，在氣隙中只有直流勵磁的旋轉(zhuǎn)磁場，在負載的情況下，兩種旋轉(zhuǎn)磁場均存在。在同步電機的氣隙中存在著兩種不同的旋轉(zhuǎn)磁場，只要這兩個旋轉(zhuǎn)磁場在空間有位移，它們之間便會有電磁力，猶如兩塊磁鐵之間存在相互作用力一樣。3.同步電機的運行方式同步電機在工作時，由于兩種旋轉(zhuǎn)磁場之間沒有相對運動，因此它們之間的相互位置決定著同步電機的運行情況：如轉(zhuǎn)子磁場在前，則當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，便拉著定子磁場旋轉(zhuǎn)，這時轉(zhuǎn)子磁場超前電樞磁場，這便是發(fā)電機運行；反之定子磁場旋轉(zhuǎn)拉著轉(zhuǎn)子磁場旋轉(zhuǎn)，便是電動機運行情況。2.同步電機的作用力4.同步電機的電路方程及等效電路在正常運行時，同步電機的定子磁場與轉(zhuǎn)子繞組之間沒有相對運動，因而不能在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電勢，轉(zhuǎn)子回路中只有直流勵磁電流，故從電路的觀點來看，同步電機要比變壓器或異步電機更為簡單，可不考慮轉(zhuǎn)子支路，而只為定子電路單獨寫出電壓方程式。同步電機正常運行時的等效電路是一個沒有副方回路與原方耦合的獨立回路，求解時也不用聯(lián)立方程，非常簡單。同步發(fā)電機各物理量的正方向規(guī)定如圖所示。同步發(fā)電機等效電路如圖所示。如不考慮飽和現(xiàn)象，利用迭加原理：—轉(zhuǎn)子磁場在定子繞組中的感應(yīng)電勢，也稱勵磁電勢；—定子磁場在定子繞組中的感應(yīng)電勢，稱為電樞反應(yīng)電勢。ra—定子繞組的電阻，x—定子繞組漏抗?！ㄗ永@組端電壓—定子繞組輸出電流E0EaE

＋U1－I1或5.同步電機的氣隙合成磁場將氣隙中的定子和轉(zhuǎn)子磁場合并為一合成氣隙磁場來考慮，這種分析方法更符合同步電機的實際情況。由于定、轉(zhuǎn)子磁場均以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，氣隙中合成旋轉(zhuǎn)磁場便也按同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，和轉(zhuǎn)子繞組之間仍無相對運動；因此同步電機作為發(fā)電機運行時，轉(zhuǎn)子磁場軸線便超前于氣隙合成磁場軸線；而同步電機作為電動機運行時，轉(zhuǎn)子磁場軸線將滯后于氣隙合成磁場的軸線。同步電機的運行方式，也常用合成旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子磁場之間的相對位置來確定；當轉(zhuǎn)子磁場超前于定子磁場時，合成的氣隙磁場便滯后于轉(zhuǎn)子磁場，當轉(zhuǎn)子磁場滯后于定子磁場時，合成的氣隙磁場便將超前于轉(zhuǎn)子磁場；電樞（定子）：I1(Fa

)=0轉(zhuǎn)子每極磁通：Φ0

空載電動勢：E0

=4.44f1

kw1

W1Φ0

或電樞相電壓：U0P

=E0電樞線電壓（Y形聯(lián)結(jié)）：E0

=－j4.44f1kw1

W1Φ0U0L

=√3E0E0

的頻率：f1

=pn60（二）、同步發(fā)電機的空載運行

同步發(fā)電機被原動機拖動至同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子繞組通入直流勵磁電流，定子繞組開路時稱為空載運行。二、

同步電機的電樞反應(yīng)

空載時，同步電機中只有一個以同步旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁場，即勵磁磁場，它在三相繞組中感應(yīng)出對稱的三相電勢，每一相為E0，稱為勵磁電勢，定子每相電壓為E0=U。當定子繞組接上對稱的負載后，氣隙合成磁勢由電樞磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢相互作用共同建立，并建立負載時的氣隙磁場；盡管勵磁電流未變，但氣隙磁場已不同于原來的勵磁磁場，所以感應(yīng)電勢已不再是E0了。對于功率因數(shù)滯后的感性負載，此時電勢將明顯地低于空載電勢E0，再計入電樞繞組中的電阻和漏抗壓降后，這就使U更加低于E0。對稱負載時電樞磁動勢的基波對主極磁場基波的影響，簡稱對稱負載時的電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)的性質(zhì)主要取決于E0與I之間的相位差

，亦即主要取決于負載的性質(zhì)。下面就角的幾種情況，分別討論電樞反應(yīng)的性質(zhì)。叫做內(nèi)功率因數(shù)角，電壓與電流的相位差叫做外功率因數(shù)角。注意內(nèi)功率因數(shù)角無法測量，外功率因數(shù)角可以測量。只有在電流等于零的情況下，才能測到電勢E0，負載時測到的是電壓。為什么？AXBYZCNSn當

=0o時，圖中所示瞬間，A相繞組的軸線與主磁極的交軸（q軸）重合；此時A相繞組勵磁電動勢為最大值，其方向按右手定則確定。（一）、E0和I同相（=0）時的電樞反應(yīng)因為=0o，所以此瞬間A繞組中的電流也達到最大值。AXBYZCNSnFfFaF三相電流聯(lián)合產(chǎn)生的電樞磁勢Fa的基波振幅便落在A相繞組軸線上；d軸超前于A相相軸90o，勵磁磁勢Ff的基波相量在d軸上；Fa的基波分量在q軸上（稱為轉(zhuǎn)子交軸），它們和轉(zhuǎn)子一起以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生合成磁勢F。qd這種電樞磁動勢稱為交軸電樞磁動勢，用Faq表示，相應(yīng)的電樞反應(yīng)稱為交軸電樞反應(yīng)。對于氣隙磁場交軸電樞反應(yīng)將使合成磁場的軸線位置從空載時的直軸處逆轉(zhuǎn)向后移了一個銳角，且幅值也有所增加。但因磁路的飽和現(xiàn)象，交軸電樞反應(yīng)使幅值增加的很小。對主磁場而言，交軸電樞反應(yīng)在前極尖將起去磁作用，在后極尖則起增磁作用。見課本257頁圖13-3(c)時—空相量圖已知氣隙合成磁勢，并產(chǎn)生氣隙合成磁密和磁通，該磁通在電樞繞組中產(chǎn)生合成電勢。同理若忽略鐵心飽和的影響：這時應(yīng)有可從勵磁磁勢和電樞磁勢分別求出勵磁電勢和電樞反應(yīng)電勢，即相應(yīng)地有應(yīng)注意：這里所述的所有的時間相量都是屬于定子中某一相中的物理量。當各相時軸和相軸都取在繞組的軸線上時，時—空相量圖存在下列關(guān)系。時軸：若取某軸為時間參考軸時，則旋轉(zhuǎn)相量在該軸上的投影即為電流的瞬時值，即當相量與該軸重合時，正弦量達到最大值。相軸：繞組的軸線。當某相電流達到最大值時，旋轉(zhuǎn)磁勢的幅值就落在該相繞組的軸線上。(1)磁通相量(時間相量)應(yīng)與產(chǎn)生它的磁密相量(空間相量)重合；相量圖的畫法：(2)忽略鐵心中的損耗影響時，磁通相量應(yīng)與產(chǎn)生它的電流相量同相位；(3)當磁通與感應(yīng)電勢正方向符合右手螺旋法則時，電勢滯后于產(chǎn)生它的磁通90o。而磁勢與產(chǎn)生它的電流重合。(時軸與相軸取在一起)根據(jù)這些基本關(guān)系，便可畫出時空相量圖如下圖所示。FaF0IaEE0EaFf=0時的時—空相量圖就是說A相電流達到最大值時，轉(zhuǎn)子已向前轉(zhuǎn)過90o。（二）、當E0超前I90o（=90o）時的電樞反應(yīng)當=90o時，在圖示瞬間，此時A相勵磁電動勢為最大值，但定子A相電流為零。AXBYZCNSnFfFaFAXBYZCNSn可見=90o

時直軸電樞反應(yīng)的性質(zhì)是純粹去磁的。電樞磁動勢的幅值恰好位于勵磁磁動勢的軸線上，但方向相反。此時的電樞磁動勢稱為直軸電樞磁動勢，用Fad表示，相應(yīng)的電樞反應(yīng)稱為直軸電樞反應(yīng)，（三）、當E0滯后I90o（=-90o）時的電樞反應(yīng)當=-90o時，在圖示瞬間，此時A相勵磁電動勢為最大值，但定子A相電流為零。若保證電壓不變，即氣隙的合成磁場不變，必須加大直流勵磁，這種電機叫做過激狀態(tài)的同步電機。就是說A相電流達到最大值時，轉(zhuǎn)子已向后轉(zhuǎn)過90°;AXBYZCNSnFfFaFAXBYZCNSn電樞磁動勢的幅值也恰好位于勵磁磁動勢的軸線上，但方向相同?？梢?-90o

時直軸電樞反應(yīng)的性質(zhì)是純粹助磁的。此時的電樞磁動勢稱為直軸電樞磁動勢，用Fad表示，相應(yīng)的電樞反應(yīng)稱為直軸電樞反應(yīng)。（四）、一般情況下（0<<90o）時的電樞反應(yīng)

此時I滯后E0一個銳角圖示瞬間，A相的勵磁電動勢恰好達到最大值，但由于電樞電流I滯后勵磁電動勢E0角，所示A相電流必須過了一段時間，等轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過空間電角度時，才能達到最大值。若保證電壓不變，即氣隙的合成磁場不變，必須減少直流勵磁，這種電機叫做欠激狀態(tài)的同步電機。當A相電流達到最大值時，轉(zhuǎn)子已向前轉(zhuǎn)過角;AXBYZCNSnFfFaFaqAXBYZCNSn此時電樞磁動勢Fa滯后勵磁磁動勢Ff(90o＋)空間電角度。這時的電樞反應(yīng)既非交磁性質(zhì)也非純?nèi)ゴ判再|(zhì)，而是兼有兩種性質(zhì)。Fad電樞磁動勢Fa分解成直軸和交軸兩個分量，即Faq起交磁作用，F(xiàn)ad起去磁作用。此時的電樞反應(yīng)也可以這樣說明：其中Iq與勵磁電動勢E0同相位，它們（指三相的該分量，即IqA、IqB、IqC）產(chǎn)生交軸電樞磁動勢FaqIq叫做I的交軸分量，而Id滯后勵磁電動勢E090o，產(chǎn)生直軸電樞磁動勢Fad，把分量Id叫做I的直軸分量。如將每一相的電樞電流I都分解Id和Iq兩個分量，即（五）、電樞反應(yīng)的重要性電樞反應(yīng)是同步電機負載運行時重要的物理現(xiàn)象，它不僅是引起負載時端電壓變化時的主要原因，而且也是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的樞紐；考慮電樞反應(yīng)作用，負載時電樞繞組中的感應(yīng)電勢將由氣隙合成磁場建立，氣隙電勢減去漏阻抗壓降，便得到端電壓。下圖表示了不同負載性質(zhì)時，電樞磁場與轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生電磁力（即電磁轉(zhuǎn)矩）的情況。圖為=0時電樞磁場即交軸電樞磁場對轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的情況；AXBYZCNS=0o由左手定則可知，這時的電磁力將構(gòu)成一個電磁轉(zhuǎn)矩，它的方向正好和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，企阻止轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；交軸電樞磁場是由與空載電勢同相的電流分量即電流的有功分量Iq產(chǎn)生的。n發(fā)電機要輸出有功功率，原動機就必須克服由于有功分量引起的交軸電樞反應(yīng)磁場對轉(zhuǎn)子的阻力矩；AXBYZCNS=90on電樞電流的無功分量Id所產(chǎn)生的直軸電樞反應(yīng)磁場與轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生的電磁力，并不形成力矩，不妨礙轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)；輸出的有功功率越大，交軸電樞反應(yīng)磁場越強，所產(chǎn)生的阻力矩也就越大，原動機要輸入更大的能量才能克服電磁阻力矩，以維護發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不變。當=90o時電樞磁場即直軸電樞磁場對轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的電磁力情況；所以，為了維持發(fā)電機轉(zhuǎn)速不變，必須隨負載的有功分量變化調(diào)節(jié)原動機的輸入功率；為了維護發(fā)電機端電壓不變，必須隨著負載無功分量的變化，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的勵磁電流。

為維護一定端電壓，所需的轉(zhuǎn)子直流勵磁電流就應(yīng)增加或減少。表明：當發(fā)電機供給純感性和純?nèi)菪詿o功功率負載時，并不需要原動機付出功率，但直軸電樞反應(yīng)磁場對轉(zhuǎn)子磁場起去磁或助磁作用；三、

同步發(fā)電機的負載運行（一）、隱極式同步發(fā)電機的電勢方程式和相量圖

1.電勢方程式在不計飽和時，可利用迭加原理分別求出勵磁磁勢和電樞磁勢單獨作用時產(chǎn)生于每一相得磁通和電勢，再考慮到電樞漏磁場產(chǎn)生于每一相的漏磁通和漏電勢。電磁關(guān)系如下：在隱極式同步發(fā)電機中，由于氣隙是均勻的，故電樞反應(yīng)不必分為交、直軸兩部分;(電樞反應(yīng)電動勢)Uf→If→Ff→Φ0I

→Fa→E0→Φa→Ea

→E(勵磁電動勢)E0EaE

＋U－I由等效電路，根據(jù)KVL可得=EE0+Ea+UraI+因為

Ea∝Φa∝Fa∝I

，Ea滯后于Φa90o

，不計磁飽和不計電樞鐵耗，Φa與I

同相位。Ea

=－j

xa

I

E

=－j

x

I

※xa

—電樞反應(yīng)電抗。x

—電樞漏電抗。電樞反應(yīng)電抗物理意義為：電樞反應(yīng)磁場在定子每相繞組中所感應(yīng)的電樞反應(yīng)電勢可把它看作相電流所產(chǎn)生的一個電抗壓降。這個電抗便是電樞反應(yīng)電抗。E0=U+raI＋j

xI＋j

xaIE0=U+raI＋j

xsI※xs

—同步電抗。同步電抗是表征對稱穩(wěn)態(tài)運行時，電樞旋轉(zhuǎn)磁場和電樞漏磁場的一個綜和參數(shù)。前述，電樞反應(yīng)磁場與轉(zhuǎn)子均以同步轉(zhuǎn)速同方向旋轉(zhuǎn)，定子磁場并不切割轉(zhuǎn)子繞組，所以同步電抗也就是定子方面的總電抗；雖然轉(zhuǎn)子繞組在電路方面不起副繞組的作用，但轉(zhuǎn)子鐵心為旋轉(zhuǎn)磁場所經(jīng)磁路的一個組成部分，所以在磁路方面卻起重要作用；如轉(zhuǎn)子抽去，則定子電流所過遇到的電抗將不再是同步電抗而是接近于漏抗。若已知電機的參數(shù)、負載的大小和性質(zhì)，作相量圖。并設(shè)：

U

=U0o。2.相量圖UIraIjxs

IE0各種情況下的相量圖如下圖所示。需要強調(diào)指出：只有當電樞繞組流過對稱三相電流，即氣隙磁場為圓形旋轉(zhuǎn)磁場時，同步電抗才有意義，而當電樞繞組中流過不對稱三相電流時，便不能無條件地用同步電抗。Ejx

IFfF以后不再畫空間向量，但應(yīng)注意他們之間的關(guān)系。(c)電容性(a)電感性(b)電阻性UIraIjxs

IE0UIraIjxs

IE0UIraIjxs

IE0UIjxs

IE0UIjxs

IE0

忽略ra時：UIjxs

IE0根據(jù)相量圖也可以計算出E0的值（二）、凸極式同步發(fā)電機的電勢方程式和相量圖UIraIjxs

IE01.電勢平衡方程式電磁關(guān)系：Uf→If→Ff→Φ0→E0

I→Fad

→Faq

→Φad

→Φaq

→Id→Iq→Ead

→EaqΦ

→E34E0EadEaqE不計飽和時等效電路如圖，由圖可得Eaq∝Φaq∝Faq∝Iq；Ead∝Φad∝Fad∝Id；E

∝Φ

∝Fa∝I

因此有如下關(guān)系：Ead

=－jxad

IdE

=－j

xIEaq

=－jxaqIq式中xad和xaq分別稱為直軸和交軸電樞反應(yīng)電抗。所以ra＋U－I若把漏抗壓降也分成交軸和直軸分量，代入上式得xq=xaq+xxd=xad+x它表征：當對稱三相直軸或交軸電流每相為1A時，三相聯(lián)合產(chǎn)生的總電樞磁場（包括氣隙中旋轉(zhuǎn)的電樞反應(yīng)磁場和漏磁場）在電樞每一相繞組中感應(yīng)的電勢。分別稱為凸極同步電機的交軸和直軸同步電抗。由于氣隙不均勻，凸極式同步電機有兩個同步電抗。2.相量圖

根據(jù)電路方程、負載的大小和性質(zhì)、電機的參數(shù)和做相量圖如下圖所示。

設(shè)：U

=U0oUIraIjxqIEQjxdIdE0jxqIqNOQMGIdIq實際上這個相量圖是做不出來的。因為是未知的。線段MQ的長度為相量圖的實際做法

根據(jù)電路方程、負載的大小和性質(zhì)、電機的參數(shù)作相量圖如下圖所示。

設(shè)：U

=U0oUIraIjxqIEQjxdIdE0jxqIqNOQMGIdIq做圖時要注意：EQ、E0的長度，兩者不在一起。線段NQ的長度為因為xd>xq所以E0>EQ（感性）UIraIjxqIEQjxdIdE0jxqIqUIraIjxqIEQjxdIdjxqIqE0UIraIjxqIEQjxdIdjxqIqE0(c)電容性(a)電感性(b)電阻性

忽略ra時UIjxqIEQjxdIdE0jxqIqUIjxqIEQjxdIdjxqIqE0UIjxqIEQjxdIdjxqIqE0

忽略電樞電阻，相量圖重畫如下UIjxqIEQjxdIdE0jxqIqNOGIdIq線段ON的長度為所以勵磁電勢E0由相量圖可得例：某三相同步發(fā)電機，已知UN=11kV，Y形聯(lián)結(jié)，IN=460A，cos

=0.8（感性），xd=16Ω，xq=8Ω，ra忽略不計。求、、E0

。

U

=UN3==6351V11×1031.732Vtan

=Usin

＋xqIUcos6351×0.6＋8×4606351×0.8=V=1.474

=arctan1.474=55.85o=－

=55.85o－36.87o=18.98o

E0=Ucos＋xdId=(6351×cos18.98o＋16×460×sin55.85o)V=12096.63V解：1.一臺凸極式同步發(fā)電機，額定值為PN=72500kW，UN=10.5kV,，Y接法，cosN=0.8（滯后），已知xd*=1，xq*=0.544，不計電阻，求額定狀態(tài)下發(fā)電機的、Id*、Iq*及E0*各為多少？2.有一臺400kW、6300V、Y接法cosN=0.8（滯后）的三相凸極式同步發(fā)電機，若發(fā)電機在額定狀態(tài)下運行時=60o，電樞每相勵磁電勢為7400V，試求Id、Iq、xd、xq。補充作業(yè)四、三相同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩1.功率(1)輸入功率(2)空載損耗(3)電磁功率(4)銅損耗(5)輸出功率(6)功率關(guān)系P1=T1Ωp0

=pFe＋p＋psPM

=P1－p0pCu=3raI2P2=PM－pcu=3UIcosP1

=p0＋PM=pFe＋p＋ps＋pCu＋P2

(7)功率流程圖和效率P1p0PMpCuP2=×100%P2P12.轉(zhuǎn)矩(1)輸入轉(zhuǎn)矩(2)空載轉(zhuǎn)矩(3)電磁轉(zhuǎn)矩(4)轉(zhuǎn)矩關(guān)系T1=P1Ω1T0

=p0Ω1TM=PMΩ1T1=TM

+T0=P1n602=p0n602=PMn602五、三相同步發(fā)電機的特性同步發(fā)電機的對稱運行是指電機轉(zhuǎn)速為額定值且保持恒定，并供給三相對稱負載時的一種穩(wěn)態(tài)運行方式。同步發(fā)電機的運行性能可以通過它的基本特性以及由這些特性所求得的一些主要參數(shù)來加以說明。同步發(fā)電機在轉(zhuǎn)速不變時，有三個互相影響的變量，即端電壓U，電樞電流I和勵磁電流If。負載的功率因數(shù)cos對它們之間的關(guān)系也有影響，為便于分析，設(shè)cos不變；

在端電壓、電樞電流和勵磁電流三者中令其一為常數(shù)，而求其他二者之間的關(guān)系，就稱為同步發(fā)電機的基本特性。本節(jié)還要介紹同步發(fā)電機穩(wěn)態(tài)的功角特性。重要?。ㄒ唬?、空載特性和短路特性1.空載特性指在發(fā)電機的轉(zhuǎn)速保持為同步轉(zhuǎn)速（n=n1），電樞電路開路（I=0）的情況下?？蛰d電壓（U0=E0）與勵磁電流If之間的關(guān)系曲線U0=f(If)?？蛰d特性曲線實際上就是電機的磁化曲線，它可用計算法得到，也可用實驗法測出。可用下圖電路。實驗測定時，電樞繞組開路，用原動機把發(fā)電機拖到同步轉(zhuǎn)速，然后逐漸增加勵磁電流并記錄不同勵磁電流下對應(yīng)的電樞端電壓，直到U0=1.3UN左右，再逐步減少If，記錄對應(yīng)的U0和If值，由于鐵磁材料的磁滯現(xiàn)象，將得到上升和下降兩條不同的曲線見下圖。(b)空載特性的校正(a)不同剩磁下的空載特性空載特性是同步發(fā)電機的基本特性之一，是一條非常重要的特性，它體現(xiàn)了電機中電與磁的關(guān)系。一方面表征了電機磁路的飽和情況，另一方面把它和短路特性、零功率因數(shù)特性配合在一起，可以確定電機的基本參數(shù)額定勵磁電流和電壓調(diào)整率等。2.短路特性短路特性是指發(fā)電機的轉(zhuǎn)速保持不變，將電樞繞組穩(wěn)態(tài)短路，短路電流Ik與勵磁電流If之間的關(guān)系曲線，即Ik=f(If)。它不僅可用來說明同步發(fā)電機的性能，更重要的是可借以測定電機參數(shù)。短路試驗的接線圖中只需把空載實驗圖中的A、B、C三端短接即可。試驗時發(fā)電機轉(zhuǎn)速保持為同步轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)勵磁電流If使電樞的短路電流從零開始一直到1.25IN左右為至，記取對應(yīng)的短路電流Ik和勵磁電流If，得短路特性曲線如下圖所示。IfIkINIfko短路特性曲線短路時，發(fā)電機端電壓U=0，限制短路電流的僅是電機的內(nèi)部阻抗，由于一般同步發(fā)電機的電樞電阻遠小于同步電抗可忽略不計，所以（隱極式）短路電流所以短路電流可認為是純感性的，即=90o，這時電樞電流只有直軸分量，它所產(chǎn)生的電樞磁勢基本上是一個起純?nèi)ゴ抛饔玫闹陛S磁勢，即Fa=Fad，而Faq=0。E0Ik

jxdFfFadFadFEa=-jxadIkE0=jxdIkE=jxIkIk(b)短路時的相量圖(a)短路時的等效電路此時繞組的電抗，若為凸極式發(fā)電機，則為直軸同步電抗，因此短路時，不論是隱極機還是凸極機都具有相同形式的等效電路和相量圖，電路如下圖(a)所示。從等效電路可看出，由于U=0，ra=0，則相量圖如圖(b)所示。此時氣隙合成磁勢F很小，合成磁勢所產(chǎn)生的氣隙磁場在電樞繞組中感應(yīng)的電勢完全被漏抗壓降所平衡，即

所以對應(yīng)的氣隙合成磁通很小，電機的磁路處于不飽和狀態(tài)，磁勢和磁通成線性關(guān)系，因此另一方面，由于電樞磁勢正比于電樞電流，即所以勵磁磁勢也與Ik成正比，所以同時故短路特性是一條直線，即511.外特性當n=n1，If、cos=常數(shù)時，U

與I

的關(guān)系，即

U=f(I)。調(diào)節(jié)If，使I=IN、

cos=cosN

、U

=UN時，

If=IfN。電壓調(diào)整率：保持n1、cosN、IfN時，OUIcos=0.8(＞0)cos=0.8(＜0)cos=1UNINU%

=×100%E0－UNPUNP（二）、外特性和調(diào)節(jié)特性為了使同步發(fā)電機的端電壓不隨負載電流的變化而劇烈變動，它的電壓變化率應(yīng)盡量地小。電壓變化率是表征同步發(fā)電機運行性能的重要數(shù)據(jù)之一。實際上，由于同步電抗的數(shù)值較大，負載電流變化產(chǎn)生的同步電抗壓降必然要引起端電壓明顯地變化?，F(xiàn)代同步發(fā)電機都裝有快速自動電壓調(diào)節(jié)器，它能根據(jù)端電壓的變化自動改變勵磁電流的大小，使發(fā)電機端電壓基本不變，所以對U%的要求大為放寬。凸極式同步發(fā)電機的U%大體在18%~30%以內(nèi)；汽輪發(fā)電機由于電樞反應(yīng)較大，故U%也較大，大體在30~48%這一范圍內(nèi)（均為cos滯后的數(shù)值）。

2.調(diào)節(jié)特性保持n=n1、U=UN、cos=cosN時，If

與I

的關(guān)系,即If=f(I

)。OIfIcos=0.8(＞0)cos=0.8(＜0)cos=1調(diào)整特性的變化趨勢與外特性正好相反，對于感性和純阻性負載，為補償電樞反應(yīng)的去磁作用及電樞漏阻抗壓降，隨著負載的增加，若要保持端電壓為常數(shù)，就必須增加勵磁電流；所以這兩種情況下的調(diào)節(jié)特性都是上升的。在容性負載時，隨著負載的增加，必須減少勵磁電流，以維持端電壓恒定。（三）、穩(wěn)態(tài)的功角特性功角特性：保持n、If

、U

不變時，電磁功率PM

與功率角的關(guān)系，即PM=f()。同步電機的電磁功率除了可用電勢、電樞電流以及它們之間的夾角來表示外，還可以用便于計算、調(diào)節(jié)和更能顯示電機內(nèi)部物理過程的一些物理量來表示，即勵磁電勢E0、端電壓U和功率角等。

正如轉(zhuǎn)差率是異步電機的基本變量一樣，對于并聯(lián)運行于電網(wǎng)的同步電機來說，功率角是它的一個基本物理量。1.隱極式同步發(fā)電機的功角特性PM

=P2=3UIcos=3E0Icos因在同步發(fā)電機中ra<<xs，故可忽略ra，這樣根據(jù)簡化電路的相量圖求得PM，由相量圖中可以看出：UIjxs

IE0COABPM

=3sin

UE0xs得所以O(shè)PM

90o

Pmax電磁功率和功率角之間是一個正弦關(guān)系，如圖所示?！?90o時:

PM

=Pmax功率表達式說明在恒定勵磁和恒定電網(wǎng)電壓（即U=C、E0=C）時，電磁功率的大小只取決于功率角。從功角特性公式可見，同步功率隨功率角而變化，且有一極限值Pmax，我們把最大功率與額定功率之比稱為過載能力，用km表示，若隱極式同步電機在額定運行時的功率角為N，則N越小，則過載能力km愈大，從相量圖可見，在一定的負載情況下，如要減少N就必須減小同步電抗xs。只有增大氣隙，同步電抗才能減少，但增大電機的氣隙即增加成本，故過載能力不應(yīng)規(guī)定得過大，汽輪發(fā)電機的過載能力一般不小于1.5。2.凸極式同步發(fā)電機的功角特性如果忽略電樞電阻，則有

PM

=P2=3UIcos=3UIcos(-)=3UIcoscos＋3UIsinsin=3UIqcos＋3UIdsin由相量圖

xq

Iq

=Usinxd

Id

=E0－UcosUsinxqIq

=E0－UcosxdId

=所以UIjxqIEQjxdIdE0jxqIqNOGIdIqPM=3UIqcos＋3UIdsinUsinxq

=3U

cosE0－

Ucosxd+3U

sinPM3UE0xd

=sin1xq＋

(

－

)

sin23U221xdPM=PM'

＋

PM"

討論：①3UE0xd

PM'=sinPM'∝E0，當轉(zhuǎn)子有勵磁即If≠0時存在。

②1xqPM"=(

－

)

sin2

3U221xdPM"是由于xd≠xq

而引起的，與If

是否存在無關(guān)。

結(jié)論：①PM"使Pmax。②Pmax產(chǎn)生在

＜90o

處。③功角特性不再是正弦波。—基本電磁功率?！郊与姶殴β?。OPM

90o

PmaxPM'PM"例：一臺xd*=0.8、xq*=0.5的凸極式同步發(fā)電機，接在U*=1的電網(wǎng)上運行于I*=1，cos=0.8（滯后）下，略去定子電阻；試求：（1）E0與；（2）PM與Pmax；（3）過載能力km。解：(1)由相量圖(2)功率的基值取SN=mUNPINP，電磁功率的標么值為代入數(shù)據(jù)得為求得Pmax，令，求PM=Pmax時的角，即

令上式變?yōu)橛捎谒约唇庵?舍去)所以(3)過載能力六、同步發(fā)電機的并聯(lián)運行（一）、并聯(lián)運行優(yōu)點可以根據(jù)負載的變化來調(diào)節(jié)投入運行的機組數(shù)目，提高機組的運行效率；便于輪流檢修，提高供電的可靠性，減少發(fā)電機檢修和事故的備用容量；對于由火力電廠和水力發(fā)電廠聯(lián)合組成的電力系統(tǒng)，并聯(lián)運行尚可達到合理調(diào)度電能，充分利用水能，使發(fā)電成本降低的目的；許多發(fā)電廠并聯(lián)在一起時，形成強大的電網(wǎng)，因此負載變化對電壓和頻率的影響就很小，從而提高了供電的質(zhì)量和可靠性。（二）、并聯(lián)運行的條件同步發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)合閘時，為了避免產(chǎn)生巨大的沖激電流，以防止同步發(fā)電機受到損壞，電力系統(tǒng)受到嚴重干擾，應(yīng)滿足下列條件：1.發(fā)電機的電壓和電網(wǎng)電壓應(yīng)具有相同的有效值、極性和相位。2.發(fā)電機電壓的頻率應(yīng)與電網(wǎng)的頻率相等。3.對三相發(fā)電機，還要求其相序和電網(wǎng)相一致。4.發(fā)電機的電壓波形應(yīng)與電網(wǎng)電壓波形相同，即均為正弦波形。上述第3條在安裝發(fā)電機時，根據(jù)發(fā)電機規(guī)定的轉(zhuǎn)向，確定發(fā)電機的相序得到滿足。第4條在制造發(fā)電機時得到保證。并網(wǎng)操作時只需注意滿足第1和第2項條件。下面分析不滿足這些條件時，將會造成怎樣的后果。

＋U

－S＋

U－(1)電壓相等如果則U≠U△U=U－U

≠0△U(2)頻率相等如果：≠UU—△U=0~2UUUUU△UUU△UUU△UUAUBUC(3)相序一致如果相序不一致，則△UA=

0△UB=UB－UB△UC=UC－UCUAUBUC△UB△UC若波形不同，例U為正弦波，而U中除了基波分量外還含有高次諧波分量，將在電機和電網(wǎng)內(nèi)產(chǎn)生高次諧波環(huán)流，就會增加運行損耗，使運行溫度升高效率降低，對電機和電網(wǎng)均不利。(4)波形相同（三）、并聯(lián)投入方法把同步發(fā)電機并聯(lián)至電網(wǎng)所進行的操作過程稱為整步(并車)過程，實際整步方法有兩種即準整和自整步法。1.準整步法把發(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)，這種方法稱為準整步法。利用三組同步指示燈來檢驗合閘的條件。(1)燈光黑暗法把三組燈分別接在電網(wǎng)和發(fā)電機間并列開關(guān)的兩側(cè)，如圖（a）所示，即接在A和A，B和B

，C和C

之間，這時作用在每一組同步指示燈上的電壓就等于電網(wǎng)的相電壓和發(fā)電機對應(yīng)的相電壓之差。當待并車的發(fā)電機頻率與電網(wǎng)頻率不同時，兩邊電壓將有不同的旋轉(zhuǎn)速度，即發(fā)電機和電網(wǎng)兩組電壓之間將有相對運動。設(shè)電網(wǎng)電壓相量取作固定不動，發(fā)電機的電壓相量按照雙方頻率之差轉(zhuǎn)動。在不同瞬間兩組相量有不同的位置，各組同步指示燈上所受的電壓將不斷地變化。于是同步指示燈的燈光便忽亮忽暗地閃爍。當兩頻率越為接近時，燈光的閃爍便越緩慢根據(jù)燈光的閃爍情況，可以調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機電勢的頻率，盡可能接近電網(wǎng)的頻率。若發(fā)電機電壓與電網(wǎng)電壓不相等，可調(diào)節(jié)勵磁電流。下面通過相量圖來分析。設(shè)電源頻率f小于發(fā)電機的頻率f。UCUAUBUAUBUCUAUBUC△U△U△UUAUBUCUAUBUCUAUBUC△U△U△U應(yīng)在三組燈全暗時合閘，此時開關(guān)兩側(cè)電位差已很小，即發(fā)電機與電網(wǎng)電壓差U0。由相量圖可以看出，在不同的瞬間，三組指示燈所受的電壓總相等，指示燈將同時明暗，其明、暗變化的頻率就是發(fā)電機與電網(wǎng)相差的頻率。調(diào)節(jié)發(fā)電機原動機的轉(zhuǎn)速使燈光明暗頻率很低時，就可以準備合閘。(2)燈光旋轉(zhuǎn)法（交叉接法）接線圖如下圖(a)所示，方法是把一組燈直接跨線接在A和A之間，而把另二組燈交叉跨接在B和C及C和B之間。下面用相量圖分析各組燈上的電壓。設(shè)電源頻率f小于發(fā)電機的頻率f。UCUAUBUAUBUCUAUBUC△UCB△UAAUAUBUC△UCB△UBC△UBCUAUBUC△UCB△UAAUAUBUC△UBCUAUBUC△UCB△UAAUAUBUC△UBC由相量圖可見，在不同的時刻，加于三組同步燈的電壓各不相等。從圖可見先是第I組燈最亮，接著輪到第II組燈最亮，然后是第III組最亮，燈光按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。如果發(fā)電機的頻率低于電網(wǎng)頻率，則燈光將按順時針方向旋轉(zhuǎn)；根據(jù)燈光旋轉(zhuǎn)方向，適當調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速，使燈光旋轉(zhuǎn)速度變得很低，就可準備合閘。當直接跨接在開關(guān)兩端的同步指示燈熄滅(上圖中第I組，開關(guān)兩端電壓差為零)，而另外兩組燈亮度相同的時刻迅速合上開關(guān)，即完成投入并聯(lián)運行的操作。以上兩種方法顯然是燈光旋轉(zhuǎn)法較好，因為從燈光的轉(zhuǎn)向可明確指示操作者應(yīng)將轉(zhuǎn)速調(diào)高還調(diào)低。如果等并車的發(fā)電機電網(wǎng)的相序不同，則所產(chǎn)生的燈光閃爍現(xiàn)象將適相反，當用燈光黑暗法時，三相指示燈交依次明暗，形成燈光旋轉(zhuǎn)；反之亦然。2.自整步法準整步法并車的優(yōu)點是能使新投入的發(fā)電機和電網(wǎng)不受或僅受輕微沖擊，但其裝置比較復(fù)雜。當電網(wǎng)出了事故，例如大容量機組因故障突然退出運行而要求重新起動一臺機組代替它投入電網(wǎng)時，由于這時電網(wǎng)還處在異常狀態(tài)，電壓和頻率都在不斷變動，用準整步法比較困難。采用“自整步”的并車方法，其步驟如下：先將發(fā)電機的勵磁繞組經(jīng)過約等于勵磁繞組電阻10倍的電阻短路；當發(fā)電機轉(zhuǎn)速升到接近同步轉(zhuǎn)速時，先合上開關(guān)，將發(fā)電機接入電網(wǎng)，接著立即加上勵磁；即可利用電機的“自整步作用”使它迅速被牽入同步。此法優(yōu)點是操作簡單迅速，不需增添復(fù)雜的設(shè)備，缺點是合閘及投入勵磁時有電流沖擊，因此自整步法常用于緊急情況下的發(fā)電機并網(wǎng)運行。四、有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)為了簡化分析，設(shè)發(fā)電機為隱極機，不計磁路飽和，不計電樞電阻，且電網(wǎng)為“無窮大電網(wǎng)”。無窮大電網(wǎng)：指電網(wǎng)的容量相對于分析的同步發(fā)電機容量來說要大很多。因此電網(wǎng)的電壓和頻率不會因并聯(lián)上去的同步發(fā)電機功率調(diào)節(jié)的影響而改變，即電網(wǎng)的電壓和頻率恒定為常值。實際上，電網(wǎng)上的負載發(fā)生變化時，總要引起電網(wǎng)電壓和頻率的波動，在定性分析中可忽略不計。在分析中都認為電網(wǎng)電壓U=常數(shù)，電網(wǎng)頻率f=常數(shù)。1.有功功率的調(diào)節(jié)增加輸入機械功率P1，使P1＞p0，輸入功率扣除了空載損耗后，其余的轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶殴β?，即P1-p0=PM，發(fā)電機開始輸出有功功率。要改變發(fā)電機輸出的有功功率，必須相應(yīng)地改變由原動機輸入的機械功率。發(fā)電機整步過程結(jié)束處在空載運行狀態(tài)，發(fā)電機的輸入機械功率P1和空載損耗p0相平衡，電磁功率為零，即P1=po，T1=T0，PM=0，發(fā)電機處于平衡狀態(tài)。(1)從能量守恒觀點來看有功功率這個過程從能量守恒觀點來看，發(fā)電機輸出有功功率是由原動機輸入的機械功率轉(zhuǎn)換來的。(2)利用功率角δ來加以說明有功功率空載時E0=U。功率角=0，如圖(a)所示，電磁功率PM=0，此時氣隙合成磁場和轉(zhuǎn)子磁場的軸一重合，發(fā)電機無功率輸出。此時轉(zhuǎn)子就要加速，就使轉(zhuǎn)子磁場超前于氣隙合成磁場(即E0超前于U)，也就是使功率角逐漸增大如圖(b)所示。UE0Ff=FFjxsIUIE0Ff(a)(b)增加原動機的輸入功率P1時，即增加發(fā)電機的輸入轉(zhuǎn)矩T1，這時T1＞T0；結(jié)論：要調(diào)節(jié)與電網(wǎng)并聯(lián)的同步發(fā)電機的有功功率，必須調(diào)節(jié)原動機的輸入功率，這時發(fā)電機內(nèi)部會自行改變功率角δ，相應(yīng)地改變電磁功率和輸出功率，達到新的平衡狀態(tài)。角的增大引起電磁功率PM增大，發(fā)電機便輸出有功功率。當增大到某一數(shù)值，使相應(yīng)的電磁功率達到PM=P1-p0（TM=T1-T0）時，轉(zhuǎn)子加速的趨勢即停止，發(fā)電機便處于新的平衡狀態(tài)。→T1→T1＞T0→n→

→產(chǎn)生TM、PM、I、P2→T1>TM+T0有功功率的調(diào)節(jié)方法如下：=0，T1=T0n＞n1TM

←

←n←n=n1←穩(wěn)定←T1=TM+T0←79原動機輸入功率的增加也不是無限制的。對于隱極發(fā)電機，當δ=90o時，電磁功率達到最大值Pmax時，若再增加輸入功率，則δ＞90o，這時電磁功率將隨著δ的增大而減小；輸入功率扣掉空載損耗和減小了的電磁功率后還有剩余，剩余的功率將使轉(zhuǎn)子繼續(xù)加速，δ角繼續(xù)增大，電磁功率PM繼續(xù)減小，功率再不能保持平衡，發(fā)電機將“失去同步”，或叫做失去“靜態(tài)穩(wěn)定”。2.靜態(tài)穩(wěn)定指電網(wǎng)或原動機方面出現(xiàn)某些微小擾動時，發(fā)電機能在這種瞬時擾動消除后，繼續(xù)保持原來的平衡運行狀態(tài)。就稱這時的同步發(fā)電機是“靜態(tài)穩(wěn)定”的，否則就是靜態(tài)不穩(wěn)定。0PM/T

90o

a'0PM/T

90o

aTT1=T

+

T0a點：

干擾使T1

→

→T抑制了

進一步增大→b點。bT1'

=T'

+

T0

干擾消失后，較大的T，使機組恢復(fù)到a點運行。a'

點：

干擾使T1

→n

→

→T

→n

→

→T···→失步。干擾消失后，n

不可能恢復(fù)到n1，即工作點不可能恢復(fù)到a'點運行。穩(wěn)定運行區(qū)結(jié)論：凡處于功角特性曲線上升部分的工作點，都是靜態(tài)穩(wěn)定的，下降部分的工作都是靜態(tài)不穩(wěn)定的?；蛘哒f在功角特性曲線上電磁功率和功率角同時增大，或同時減小的那一部分是靜態(tài)穩(wěn)定的。靜態(tài)穩(wěn)定的判斷依據(jù)：比整步功率(kW/rad)對隱極發(fā)電機，比整步功率為:電機穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，Pcx越大，電機穩(wěn)定增長性越好。Pcx可以表示發(fā)電機運行穩(wěn)定度。當=90o時，Pcx=0，正處在穩(wěn)定的交界。如圖，當=0o時，Pcx最大，故同步發(fā)電機在空載時最為穩(wěn)定。此時發(fā)電機保持同步的能力為零，故該點即為靜態(tài)穩(wěn)定的極限。當>90o時，Pcx為負值，發(fā)電機便失去了穩(wěn)定。3.無功功率的調(diào)節(jié)以隱極發(fā)電機為例，不計磁路飽和電樞電阻，分析同步發(fā)電機無功功率的調(diào)節(jié)，無功功率與勵磁電流的關(guān)系。(1)空載運行空載時電樞電流和電樞磁動勢為零，E0=U，F(xiàn)f=F，這時的勵磁電流稱為“正常”勵磁電流If0。如圖所示。UE0Ff=F若增大勵磁電流(If

>If0),則E0

>U，由于電網(wǎng)電壓不變，發(fā)電機必然輸出一個滯后的無功電流(感性)，它產(chǎn)生去磁的電樞磁動勢Fa,以維持氣隙合成磁動勢F不變(F=Ff+Fa)；這時勵磁電流稱為過勵的勵磁電流。如圖所示。UE0FfFFaIjxsIUE0FfFFaIjxsI若減小勵磁電流(If<If0)，則E0<U，發(fā)電機輸出一個超前的無功電流(容性)，它產(chǎn)生助磁的電樞磁動勢Fa，以維持氣隙合成磁動勢F不變(F=Ff+Fa)；這時勵磁電流稱為欠激的勵磁電流。如圖所示。結(jié)論：當發(fā)電機的勵磁電流變化時，發(fā)電機向電網(wǎng)發(fā)出的無功功率也將發(fā)生變化，過勵時發(fā)出感性的無功功率，欠勵時發(fā)出容性的無功功率。(2)負載運行調(diào)節(jié)無功功率時，不改變原動機的輸入，有功功率將保持不變，由電磁功率表達式可得Pe

=3sinU1E0Xs=3UIcos=常數(shù)(1)正常勵磁當If=If0時，=0，cos=1，Q2=0，發(fā)電機不輸出無功功率。I與U

同相，UE0j

xsII即：E0sin=常數(shù)

Icos=常數(shù)在恒定的有功功率下調(diào)節(jié)勵磁電流時，電流相量I端點的軌跡為AB線（見下圖），電動勢相量E0端點的軌跡為CD線，不同勵磁電流時的E0和I的相量端點在軌跡線上有不同位置。(2)欠勵磁（當If

＜If0時）

If

→E0→

。