電機學(xué)第5章同步電機(20121011按新書修改)

電機學(xué)電氣工程學(xué)院2023/2/2河海大學(xué)2目錄第2章變壓器

第1章緒論

第5章同步電機第4章異步電機第3章交流電機的共同問題第6章直流電機2023/2/2河海大學(xué)3第5章

同步電機

5.2同步電機的運行原理

5.3（補）同步電機的分析方法

5.1同步電機的基本結(jié)構(gòu)

5.4同步電機的運行特征

5.5同步電機并聯(lián)運行5.6同步電動機與同步調(diào)相機

5.7同步電機的突然短路2023/2/2河海大學(xué)45.1同步電機的基本知識2023/2/2河海大學(xué)5第一節(jié)同步電機的基本知識定義：

同步電機是指電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與磁場轉(zhuǎn)速相同的交流電機。同步電機的轉(zhuǎn)速為一.基本類型與用途：

⑴主要用來作為發(fā)電機運行；⑵也可作為電動機應(yīng)用，一般使用在不需要調(diào)速的低速大功率機械中；⑶此外，可作為同步補償機，向電網(wǎng)輸送感性和容性無功功率。另外，從原動機分：汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機…2023/2/2河海大學(xué)6第一節(jié)同步電機的基本知識二、同步電機的基本結(jié)構(gòu)形式同步電機一般由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋和軸承等部件構(gòu)成。同步電機的定子和異步電機相同，定子鐵芯上有齒和槽，槽內(nèi)設(shè)置三相繞組。轉(zhuǎn)子上裝有磁極和勵磁繞組。同步電機的磁極通常裝在轉(zhuǎn)子上，而電樞繞組放在定子上，通常稱為旋轉(zhuǎn)磁極式電機。

旋轉(zhuǎn)磁極式電機同步電機的轉(zhuǎn)子有凸極和隱極兩種結(jié)構(gòu)形式。用汽輪機作為原動機來拖動的稱為汽輪發(fā)電機，一般采用隱極式結(jié)構(gòu)；用水輪機作為原動機來拖動的稱為水輪發(fā)電機，一般采用凸極式結(jié)構(gòu)。同步電動機、由內(nèi)燃機拖動的同步發(fā)電機以及同步補償機大多做成凸極式。2023/2/2河海大學(xué)7第一節(jié)同步電機的基本知識二、同步電機的構(gòu)造特點（一）定子同步電機的定子大體上和異步電機相同，是由鐵芯、繞組、機座以及固定這些部分的其他構(gòu)件組成。（二）轉(zhuǎn)子（以同步發(fā)電機為例）1、汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)現(xiàn)代汽輪發(fā)電機一般都是二極的，同步轉(zhuǎn)速為3000或3600r/min。這是因為提高轉(zhuǎn)速可以提高汽輪機的運行效率，減小整個機組的尺寸、降低機組的造價。轉(zhuǎn)子不能做得過大，所以汽輪發(fā)電機的直徑較小，長度較長。汽輪發(fā)電機均為臥式結(jié)構(gòu)。2、水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)大型水輪發(fā)電機通常都是立式結(jié)構(gòu)，它的轉(zhuǎn)速低、極數(shù)多，要求轉(zhuǎn)動慣量大，故其特點是直徑大、長度短。2023/2/2河海大學(xué)8第一節(jié)同步電機的基本知識1、汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)現(xiàn)代汽輪發(fā)電機一般都是二極的，同步轉(zhuǎn)速為3000或3600r/min。提高轉(zhuǎn)速可以提高汽輪機的運行效率，減小整個機組的尺寸、降低機組的造價。轉(zhuǎn)子不能做得過大，所以汽輪發(fā)電機的直徑較小，長度較長。汽輪發(fā)電機均為臥式結(jié)構(gòu)。2023/2/2河海大學(xué)9第一節(jié)同步電機的基本知識2、水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

大型水輪發(fā)電機通常都是立式結(jié)構(gòu)它的轉(zhuǎn)速低、極數(shù)多，要求轉(zhuǎn)動慣量大，故其特點是直徑大、長度短。轉(zhuǎn)子磁極上套裝勵磁繞組極靴上有阻尼繞組2023/2/2河海大學(xué)102023/2/2河海大學(xué)11中國制造的30萬千瓦雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機2023/2/2河海大學(xué)12同步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)2023/2/2河海大學(xué)13隱極同步電機剖面圖2023/2/2河海大學(xué)14第一節(jié)同步電機的基本知識三、同步電機的額定值同步電機的額定值（名牌值）由以下幾種：（1）額定容量或額定功率（2）額定電壓是指同步電機在額定運行時其定子三相的線電壓（4）額定電流是指同步電機在額定運行時流過其定子繞組的線電流同步發(fā)電機同步電動機同步調(diào)相機額定容量發(fā)電機出線端的額定視在功率（VA）轉(zhuǎn)軸上輸出的有效機械功率（W）發(fā)電機出線端輸出的無功功率（Var）額定功率發(fā)電機輸出的額定有功功率（W）2023/2/2河海大學(xué)15第一節(jié)同步電機的基本知識（4）額定功率因數(shù)是指同步電機在額定運行時的功率因數(shù)。（5）額定效率是指額定運行時的效率。（6）額定轉(zhuǎn)速和額定頻率是指同步電機運行時的轉(zhuǎn)速（r/min）和定子繞組中電流與電壓的工作頻率（Hz）。（7）額定勵磁電壓和額定勵磁電流是指同步電機額定運行時加到勵磁繞組上的直流電壓和電流。(對三相交流發(fā)電機)(對三相交流電動機)2023/2/2河海大學(xué)16第二節(jié)同步電機的勵磁系統(tǒng)同步電機運行時，必須在其轉(zhuǎn)子勵磁繞組中通入直流電流，以便建立磁場，這個直流稱為勵磁電流，供給勵磁電流的整個系統(tǒng)稱為勵磁系統(tǒng)。勵磁系統(tǒng)是同步電機的重要組成部分，勵磁系統(tǒng)和勵磁元件的性能對電機的運行性能有重要影響。

分類，勵磁系統(tǒng)主要有兩大類：一類是直流發(fā)電機作為勵磁電源的直流勵磁機勵磁系統(tǒng)；另一類是用整流裝置將交流變成直流后供給勵磁的交流勵磁機整流勵磁系統(tǒng)。2023/2/2河海大學(xué)17第二節(jié)同步電機的勵磁系統(tǒng)1、直流勵磁機勵磁系統(tǒng)直流勵磁機通常與同步發(fā)電機

同軸，當發(fā)電機轉(zhuǎn)起來以后，勵磁機就可以為其供給直流電流。最常用的是直流并勵發(fā)電機（如圖所示）；直流他勵發(fā)電機；直流復(fù)式勵磁發(fā)電機。2、交流勵磁機整流勵磁系統(tǒng)當發(fā)電機容量較大時，由于換向困難不適宜采用直流勵磁機，這時一般采用交流勵磁機與整流裝置相配合來共同構(gòu)成勵磁系統(tǒng)。2023/2/2河海大學(xué)18第二節(jié)同步電機的勵磁系統(tǒng)根據(jù)裝置的放置位置可以分為靜止整流勵磁和旋轉(zhuǎn)整流勵磁兩種1）靜止整流勵磁靜止整流勵磁分為他勵式和自勵式兩種，下圖為他勵式靜止整流勵磁系統(tǒng)。1—發(fā)電機；2—交流主勵磁機；3—交流副勵磁機；4—硅整流機；5—可控硅整流機；6—自動電壓調(diào)整器（主勵為100Hz同步發(fā)電機，副勵為500Hz中頻同步發(fā)電機）2023/2/2河海大學(xué)19第二節(jié)同步電機的勵磁系統(tǒng)他勵式靜止整流器勵磁系統(tǒng)原理：主勵(2)經(jīng)整流(4)向發(fā)電機(1)提供If;主勵的勵磁電流由副勵磁機(3)提供優(yōu)點：運行、維護方便，用硅整流代替換向器不僅提高了勵磁容量，而且大大提高了發(fā)電機運行可靠性；缺點：接線設(shè)備復(fù)雜，起動時需要另外的直流起勵電源向副勵磁機供給勵磁電流。

自勵式系統(tǒng)優(yōu)點：便于維護，電壓穩(wěn)定性較高，動態(tài)特性好。2023/2/2河海大學(xué)20第二節(jié)同步電機的勵磁系統(tǒng)2）旋轉(zhuǎn)整流勵磁

旋轉(zhuǎn)電樞式。交流主勵磁機:電樞、整流裝置與主發(fā)電機的勵磁繞組均裝設(shè)在同一旋轉(zhuǎn)體上，不需要集電環(huán)和電刷裝置，所以這種系統(tǒng)又稱為無刷勵磁系統(tǒng)。

1—交流副勵磁機；2—交流主勵磁機；3—同步發(fā)電機；4—自動電壓調(diào)節(jié)器2023/2/2河海大學(xué)21第二節(jié)同步電機的勵磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)整流勵磁系統(tǒng)優(yōu)點：由于取消了電刷和集電環(huán)，所以這種勵磁方式的運行比較

可靠，維護簡單，尤其適合于要求防燃、防爆的特殊場合。

缺點：發(fā)電機勵磁回路的滅磁時間常數(shù)較大，對迅速消除主發(fā)電機的內(nèi)部故障不利；轉(zhuǎn)子繞組保護困難。2023/2/2河海大學(xué)225.2同步電機的運行原理2023/2/2河海大學(xué)23第三節(jié)同步電機的空載運行1.同步發(fā)電機工作原理2023/2/2河海大學(xué)24第三節(jié)同步電機的空載運行當轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，主磁場就在氣隙中形成一個旋轉(zhuǎn)磁場，它“切割”對稱的三相定子繞組后，就將在定子繞組內(nèi)感應(yīng)出頻率為的一組對稱三相空載電動勢：忽略高次諧波時，勵磁電動勢的有效值為式中：為每極的主磁通量2023/2/2河海大學(xué)25第三節(jié)同步電機的空載運行2、主磁通與漏磁通空載運行時，電樞電流為零，僅有由勵磁電流所建立的主極磁場。主極磁通分為主磁通和主極漏磁通，主磁通所經(jīng)過的路徑稱為主磁路，包括：空氣隙、電樞齒、電樞軛、磁極極身和轉(zhuǎn)子軛五個部分。

主極磁通是否通過氣隙交鏈主磁通通過于定子繞住相交鏈主極漏磁通不通過僅與勵磁繞組相交鏈2023/2/2河海大學(xué)26第三節(jié)

同步電機的空載運行3、電壓波形正弦畸變率改善發(fā)電機發(fā)出電勢波形的基本途徑：勵磁電流產(chǎn)生接近與正弦分布的氣隙磁密波形；定子每相繞組采用分布和短距線圈；三相繞組采用Y接法。恒量指標：電壓波形正弦畸變率實際空載線電壓波形與正弦波形的偏差程度一般用電壓波形正弦畸變率來表示，即2023/2/2河海大學(xué)27第四節(jié)對稱負載時的電樞反應(yīng)1.電樞反應(yīng)空載：I≈0，F(xiàn)a≈0，氣隙磁場只由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生；負載時：I≠0，F(xiàn)a≠0,Fa對Ff的影響稱電樞反應(yīng)電樞磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢間的相對位置取決于負載電流的性質(zhì)。同步機空載電勢電機輸出電流之間的相角定義為內(nèi)功率因數(shù)角。時，時，電流滯后于；端電壓和之間的相位角稱為外功率因數(shù)角

。

下面將分析各種不同角時的電樞反應(yīng)。2023/2/2河海大學(xué)28第四節(jié)對稱負載時的電樞反應(yīng)

(簡略)一、內(nèi)功率因數(shù)角

2023/2/2河海大學(xué)29第四節(jié)對稱負載時的電樞反應(yīng)Fa在交軸，所以稱交軸電樞反應(yīng)，因合成磁勢有增磁作用因為I、E同相，所以不發(fā)無功功率

2023/2/2河海大學(xué)30第四節(jié)對稱負載時的電樞反應(yīng)二、內(nèi)功率因數(shù)角同步發(fā)電機的剖面簡圖磁勢的空間展開圖直軸相軸，交軸直軸交軸A相軸2023/2/2河海大學(xué)31第四節(jié)對稱負載時的電樞反應(yīng)二、內(nèi)功率因數(shù)角時間相量圖時空矢量圖相軸交軸時軸直軸時軸2023/2/2河海大學(xué)32第四節(jié)對稱負載時的電樞反應(yīng)

2023/2/2河海大學(xué)33第四節(jié)對稱負載時的電樞反應(yīng)三、內(nèi)功率因數(shù)角同步發(fā)電機的剖面簡圖磁勢的空間展開圖直軸相軸，交軸直軸交軸2023/2/2河海大學(xué)34第四節(jié)對稱負載時的電樞反應(yīng)三、內(nèi)功率因數(shù)角

Fa在交軸，所以稱交軸電樞反應(yīng)，因合成磁勢有增磁作用因為I、E反相，所以不發(fā)無功功率2023/2/2河海大學(xué)35第四節(jié)對稱負載時的電樞反應(yīng)四、內(nèi)功率因數(shù)角同步發(fā)電機的剖面簡圖磁勢的空間展開圖直軸相軸，交軸直軸交軸2023/2/2河海大學(xué)36第四節(jié)對稱負載時的電樞反應(yīng)四、內(nèi)功率因數(shù)角時間相量圖時空矢量圖時軸相軸，交軸時軸直軸2023/2/2河海大學(xué)37第四節(jié)對稱負載時的電樞反應(yīng)☆結(jié)論：同步電機的運行方式可以由內(nèi)功率因數(shù)角來判斷。同步電機作為發(fā)電機運行時，轉(zhuǎn)子磁場將較定子磁場超前

同步電機作為電動機運行時，定子磁場將較轉(zhuǎn)子磁場超前2023/2/2河海大學(xué)385.3同步發(fā)電機的分析方法（補充）2023/2/2河海大學(xué)39第五節(jié)隱極同步發(fā)電機的分析方法一、電磁關(guān)系

當不考慮磁路飽和現(xiàn)象時，認為轉(zhuǎn)子磁場與電樞磁場分別在定子繞組中感應(yīng)電勢。轉(zhuǎn)子感應(yīng)的電勢稱為空載電勢，用表示；電樞磁場感應(yīng)的電勢稱為電樞反應(yīng)電勢，用表示。電磁關(guān)系如下：2023/2/2河海大學(xué)40第五節(jié)隱極同步發(fā)電機的分析方法二、電路方程

三、等效電路等效電路，如右圖所示。隱極同步發(fā)電機在穩(wěn)態(tài)運行時的等效電路是簡單的獨立回路，沒有次級側(cè)回路和其它耦合回路。2023/2/2河海大學(xué)41第五節(jié)隱極同步發(fā)電機的分析方法四、電樞反應(yīng)電抗

比例系數(shù)是與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，稱為電樞反應(yīng)電抗。寫成相量形式：上式說明了電樞反應(yīng)電抗的物理意義：可以把電樞反應(yīng)磁場在定子每相繞組中所感應(yīng)的電樞反應(yīng)電勢看成相電流所產(chǎn)生的一個電抗電壓降，這個電抗就是電樞反應(yīng)電抗。2023/2/2河海大學(xué)42第五節(jié)隱極同步發(fā)電機的分析方法五、同步電抗▲定子回路電壓平衡式改寫為

其中

為同步電抗

為同步阻抗▲實際應(yīng)用中主要關(guān)心同步電抗：在計算同步電機的各種性能時，一般僅需應(yīng)用同步電抗；測量同步電抗較為方便?！刃щ娐纷兓[極同步發(fā)電機的等效電路2023/2/2河海大學(xué)43第五節(jié)隱極同步發(fā)電機的分析方法六、隱極發(fā)電機的相量圖

同步電機的三個角：外功率因數(shù)角

內(nèi)功率因數(shù)角

功角2023/2/2河海大學(xué)44第六節(jié)凸極同步發(fā)電機的分析方法一、凸極同步電機的電樞反應(yīng)——雙反應(yīng)理論

由于凸極同步機的氣隙不均勻，氣隙各處的磁阻不同，在極面下的磁導(dǎo)大，兩極之間的磁導(dǎo)小，所以在分析電樞反應(yīng)時，采用雙反應(yīng)法，即把電樞基波磁動勢分解為作用在直軸上的和作用在交軸上的，還可以將電樞電流分解為和，即2023/2/2河海大學(xué)45第六節(jié)凸極同步發(fā)電機的分析方法二、電磁關(guān)系當不計磁路飽和現(xiàn)象時，在定子繞組中分別成立直軸電樞反應(yīng)電勢和交軸電樞反應(yīng)電勢。其基波分量不別記作和。2023/2/2河海大學(xué)46第六節(jié)凸極同步發(fā)電機的分析方法二、電路方程和等效電路則凸極同步發(fā)電機的定子繞組的電壓平衡式為2023/2/2河海大學(xué)47第六節(jié)凸極同步發(fā)電機的分析方法三、直軸與交軸電樞反應(yīng)電抗和同步電抗

（1）直軸電樞反應(yīng)電抗、交軸電樞反應(yīng)電抗比例系數(shù)是與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。其中：xad、xaq分別稱直軸電樞反應(yīng)電抗，交軸電樞反應(yīng)電抗2023/2/2河海大學(xué)48第六節(jié)凸極同步發(fā)電機的分析方法寫成相量形式：(2)直軸同步電抗和交軸同步電抗

設(shè)為定子每相漏抗，則可把漏抗與電樞反應(yīng)電抗合并，即

式中：稱之為直軸同步電抗，稱之為交軸同步電抗。2023/2/2河海大學(xué)49第六節(jié)凸極同步發(fā)電機的分析方法四、凸極發(fā)電機的相量圖1.定子繞組的電壓平衡式若把電樞反應(yīng)電勢看作是電抗壓降，則定子繞組的電壓平衡式為

或

另：隱極同步電機可看作凸極同步電機的特例來看。因為隱極機的氣隙均勻，氣隙磁場波的波形系數(shù)。，只需要用一個參數(shù)來表示同步電抗。2023/2/2河海大學(xué)50第六節(jié)凸極同步發(fā)電機的分析方法2.的方向平衡方程中加、減2023/2/2河海大學(xué)51第六節(jié)凸極同步發(fā)電機的分析方法2.畫向量圖的步驟：凸極同步發(fā)電機的相量圖（過激時）2023/2/2河海大學(xué)525.4同步發(fā)電機的運行特性（對應(yīng)教材5.3）2023/2/2河海大學(xué)53第七節(jié)同步發(fā)電機的空載、短路

和負載特性一、空載特性

同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子套組加上直流勵磁，電樞繞組開路，即為同步發(fā)電機的空載運行?？蛰d特性就是討論轉(zhuǎn)子直流勵磁電流和空載電勢的關(guān)系。因為空載電動勢和轉(zhuǎn)子磁場的每極磁通成正比，轉(zhuǎn)子勵磁電流和轉(zhuǎn)子勵磁磁動勢成正比，因此只要選取不同的比例尺，和同步電機的磁化曲線是相同的。

空載特性可通過電機的磁路計算或?qū)嶒灉y得，接線圖如右所示，

AV2023/2/2河海大學(xué)54第七節(jié)同步發(fā)電機的空載、短路

和負載特性一、空載特性

1.定義選取不同的比例尺，與同步電機的磁化曲線相同。2.測量空載特性可通過電機的磁路計算或?qū)嶒灉y得，接線圖如右所示，

AV2023/2/2河海大學(xué)55第七節(jié)同步發(fā)電機的空載、短路

和負載特性磁滯回線0a為所求的空載特性，由剩磁所感應(yīng)的電動勢，稱為剩磁電動勢。存在剩磁，校正：向左平移oc。2023/2/2河海大學(xué)56第七節(jié)同步發(fā)電機的空載、短路

和負載特性典型的空載特征

開始一段實際上是一條直線，因為此時很小，電機磁路中的鐵磁部分未飽和。If增大，逐漸飽和。飽和系數(shù)：E0*=1時：總磁勢與氣隙磁勢之比

空載特性曲線的用途：a.求取同步電機的參數(shù)和特性外；b,.在發(fā)電廠中測空載特性以檢查三相電樞繞組的對稱性。2023/2/2河海大學(xué)57第七節(jié)同步發(fā)電機的空載、短路和負載特性二、短路特性1、定義2、用途

說明同步發(fā)電機的特性測定同步電機的參數(shù)3、短路特性

同步發(fā)電機在短路時的量相量圖。U＝0很小很?。ê苄。╇姍C磁路處于不飽和又，所以，短路特性為一直線（）。2023/2/2河海大學(xué)58第七節(jié)同步發(fā)電機的空載、短路和負載特性三、負載特性1。定義：

右圖為不同的和不同的時的負載特性，其中(1)空載特性，(2)零功率因數(shù)特性，通過零功率因數(shù)曲線和空載特性曲線可以求取飽和同步電抗及電樞電抗。2023/2/2河海大學(xué)59第八節(jié)同步發(fā)電機的參數(shù)及測定一、同步電抗的測定1、不飽和同步電抗的測定右圖1-空載特性,2-短路特性，不計電樞電阻，U=0時，隱極機：凸極機：因Ik滯后E090度,Iq=0,Id=Ik所以：

用近似，則這樣測得的同步電抗為不飽和同步電抗。對隱極機而言，所測定的同步電抗為；對凸極機而言，所測定的同步電抗為。2023/2/2河海大學(xué)60第八節(jié)同步發(fā)電機的參數(shù)及測定2、求飽和同步電抗純電感負載時，空載電動勢、端電壓和同步電抗之間的代數(shù)關(guān)系為

右圖所示為空載特性和的零功率因數(shù)曲線。其中，，所以飽和同步電抗的標么值為不飽和同步電抗比飽和同步電抗大得多。2023/2/2河海大學(xué)61第八節(jié)同步發(fā)電機的參數(shù)及測定二、短路比短路比：在空載時使空載電動勢有額定值時的勵磁電流與在短路時使短路電流有額定值時的勵磁電流之比。

短路比與同步電抗有關(guān)，設(shè)為不飽和同步電抗，則從圖中可得，，則同步電抗的標么值為2023/2/2河海大學(xué)62第八節(jié)同步發(fā)電機的參數(shù)及測定短路比大小與電機性能的關(guān)系（了解）一般，汽輪發(fā)電機較小:0.5~0.7水輪發(fā)電機較大:1.0~1.42023/2/2河海大學(xué)63第九節(jié)同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)運行特性一、外特性

外特性是指當，時，發(fā)電機的端電壓與電樞電流之間的關(guān)系曲線。右圖為不同功率因數(shù)的負載時同步發(fā)電機的外特性。由圖可見，感性負載和純電阻負載時，外特性下降；容性負載時，外特性上升。外特性即可以用直接負載法測取，亦可用作圖法求出。2023/2/2河海大學(xué)64第九節(jié)同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)運行特性二、電壓變化率當發(fā)電機的端電壓為額定值，并輸出額定負載(，)時，稱為同步發(fā)電機的額定工作狀態(tài)。如右圖所示，端電壓升高的數(shù)值用額定端電壓的百分數(shù)來表示就稱為同步發(fā)電機的電壓變化率，或稱為電壓調(diào)整率，用表示，即2023/2/2河海大學(xué)65第九節(jié)同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)運行特性三、調(diào)整特性同步發(fā)電機正常運行情況下，當端電壓和負載的功率因數(shù)一定時，表示負載電流和勵磁電流之間關(guān)系的曲線稱為調(diào)整特性，即

右圖表示了端電壓為額定，不同負載功率因數(shù)時的調(diào)節(jié)特性，調(diào)節(jié)特性的變化趨勢與外特性恰好相反。2023/2/2河海大學(xué)66第九節(jié)同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)運行特性四、效率特性同步發(fā)電機的效率特性是指，，時，發(fā)電機的效率與輸出功率的關(guān)系即發(fā)電機的效率可以通過直接負載法和損耗法分析求出。用損耗法計算公式如下2023/2/2河海大學(xué)675.5同步發(fā)電機在大電網(wǎng)上運行(書5.4)第11節(jié)隱極同步發(fā)電機的功角特性第12節(jié)凸極式同步發(fā)電機的功角特性第13節(jié)同步發(fā)電機的有功功率的調(diào)節(jié)第14節(jié)無功功率的調(diào)節(jié)和V形曲線第15節(jié)同步電動機與同步補償機

第10節(jié)同步發(fā)電機的并聯(lián)運行2023/2/2河海大學(xué)68第10節(jié)同步發(fā)電機的并聯(lián)運行對供電的要求主要是：保證足夠的用電量，高的供電質(zhì)量（電壓和頻率為額定值），以及經(jīng)濟、可靠。▲電力系統(tǒng)中有許多發(fā)電廠并聯(lián)供電，可以合理地利用動力資源，對國民經(jīng)濟有很大意義。同步發(fā)電機并聯(lián)運行，是同步發(fā)電機最基本地運行方式，研究和掌握它地運行性能是有主要意義的?！攩闻_發(fā)電機滿足U=const，f=const時，稱為無窮大電網(wǎng)或無窮大匯流排。▲同步發(fā)電機并聯(lián)運行與變壓器并聯(lián)運行的區(qū)別變壓器同步發(fā)電機初級、次級電壓必須相等，繞組阻抗決定負載電流的分配，負載電流能與容量成正比額定電壓、額定頻率相等，并聯(lián)后有共同的端電壓，空載電勢可不相同，同步電抗的數(shù)值不能決定負載電流的分配2023/2/2河海大學(xué)69第10節(jié)同步發(fā)電機的并聯(lián)運行一、并聯(lián)運行的方法為了投入并聯(lián)所進行的調(diào)節(jié)和操作過程稱為整步過程，有準確整步法和自整步法兩種方法。1、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)，叫做準確整步法。最簡單的同步指示器由三個同步指示燈組成，有直接接法和交叉接法兩種接法（見圖）。2023/2/2河海大學(xué)70第10節(jié)同步發(fā)電機的并聯(lián)運行直接接法的接線和相量圖VVV電網(wǎng)f待投入的發(fā)電機，fQ1231232023/2/2河海大學(xué)71第10節(jié)同步發(fā)電機的并聯(lián)運行交叉接法的接線和相量圖VVV電網(wǎng)f待投入的發(fā)電機，fA123ABCABCn1232023/2/2河海大學(xué)72第10節(jié)同步發(fā)電機的并聯(lián)運行2、自整步法自整步法的原理接線圖如下所示。投入的步驟：校驗發(fā)電機的相序，把發(fā)電機拖動到接近同步轉(zhuǎn)速；勵磁繞組經(jīng)限流電阻短路；把發(fā)電機投入電網(wǎng)，再立即加上直流勵磁；自動牽入同步。優(yōu)點：投入迅速，不需增添復(fù)雜的裝置；缺點：投入時定子電流沖擊稍大。勵磁電源2023/2/2河海大學(xué)73第11節(jié)隱極同步發(fā)電機的功角特性功率流程圖（均為每相值）其中為機械功率，為機械損耗為鐵芯損耗，為附加損耗為電磁功率△機械損耗和鐵芯損耗合并考慮為空載損耗。△勵磁回路所消耗的電功率一般由原動機或其它電源供給，故不包括在功率流程圖中，由圖可得關(guān)系式：△如這一同步機為電動機，則功率流程將倒轉(zhuǎn)為輸入功率，為輸出功率?！魅“l(fā)電機輸出功率為正值，電動機輸入功率為負值。在發(fā)電機情況下，；在電動機的情況下，，故上式同樣適用于電動機和發(fā)電機。

P1PMPpmpFepCu12023/2/2河海大學(xué)74第11節(jié)隱極同步發(fā)電機的功角特性一、功率表示式

隱極式同步發(fā)電機的等效電路及其向量圖如右圖所示，由相量圖得：再從等效電路可以求得電樞電流為：

如把端電壓放在參考軸上，則有2023/2/2河海大學(xué)75第11節(jié)隱極同步發(fā)電機的功角特性同步電抗可以表示為式中整理得，將其帶入式，便得端點功率與電磁功率的表示式各為如略去，則上式簡化為2023/2/2河海大學(xué)76第11節(jié)隱極同步發(fā)電機的功角特性三、轉(zhuǎn)矩特性同步電機的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，且經(jīng)常保持不變，故轉(zhuǎn)矩和功率成正比。如略去電樞電阻則得電磁轉(zhuǎn)矩公式為

從功角特性公式可見，同步功率（或同步轉(zhuǎn)矩）隨著功角而變化，且有一極限最大值，最大功率與額定功率之比稱為過載能力用表示，設(shè)一隱極式同步機，在額定運行時的功角為則有2023/2/2河海大學(xué)77第11節(jié)隱極同步發(fā)電機的功角特性二、功角特性

功率或隨著角而變化的關(guān)系稱為功角特性。

不穩(wěn)定穩(wěn)定不穩(wěn)定

隱極同步電機略去電阻時的功角特性2023/2/2河海大學(xué)78第12節(jié)凸極式同步發(fā)電機的功角特性一、功率表示式

求凸極式同步電機的功率表示式時，把電樞電阻略去不計，略去電阻后的相量圖如右圖所示。從圖可得到下列關(guān)系因為電阻被略去，故有經(jīng)過化簡得 （功角特性表示式）2023/2/2河海大學(xué)79第12節(jié)凸極式同步發(fā)電機的功角特性二、功角特性

對凸極機來說電磁功率包含兩部分，第一項稱為基本

電磁功率;第二項稱為附加電磁功率（磁阻功率）

2023/2/2河海大學(xué)80第12節(jié)凸極式同步發(fā)電機的功角特性凸極機的最大電磁功率比具有相同、、值的隱極機略大。越大附加電磁功率在總電磁功率中的比例越小。功角為同步機的重要變量,值決定同步機電磁功率大小;且當轉(zhuǎn)子磁場超前合成磁場時設(shè)，發(fā)電機運行；反之，時，同步機作為電動機運行2023/2/2河海大學(xué)81第13節(jié)同步發(fā)電機的有功功率的調(diào)節(jié)一、有功功率的調(diào)節(jié)要調(diào)節(jié)與電網(wǎng)并聯(lián)的同步發(fā)電機的輸出有功功率，只需要調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸入機械功率，這時發(fā)電機內(nèi)部會自行改變位移角。

同步發(fā)電機在穩(wěn)定不穩(wěn)定同步電動機在穩(wěn)定不穩(wěn)定2023/2/2河海大學(xué)82第13節(jié)同步發(fā)電機的有功功率的調(diào)節(jié)二、靜態(tài)穩(wěn)定的概念靜態(tài)穩(wěn)定的概念同步發(fā)電機能在瞬時擾動消除后，繼續(xù)保持原來的平衡運行狀態(tài)，就稱為這時的同步發(fā)電機是“靜態(tài)穩(wěn)定”的，否則就是靜態(tài)不穩(wěn)定。左圖所示表示了靜態(tài)穩(wěn)定的概念。從圖可以得出結(jié)論：處于功角特性曲線上升部分的工作點都是都是靜態(tài)穩(wěn)定的；下降部分的工作點都是靜態(tài)不穩(wěn)定。2023/2/2河海大學(xué)83第13節(jié)同步發(fā)電機的有功功率的調(diào)節(jié)靜態(tài)穩(wěn)定的條件用數(shù)學(xué)式表示為用微分表示為

比整步功率隨變化關(guān)系為比整步功率，用符號表示。對于隱極式同步電機的比整步功率為如左圖所示，當功角發(fā)生一個變化時，如果愈大，即數(shù)值愈大，發(fā)電機的運行就愈穩(wěn)定。2023/2/2河海大學(xué)84一、無功功率的調(diào)節(jié)◆電網(wǎng)的負載包括有功功率和無功功率。同步發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)后，要向電網(wǎng)供給有功功率和無功功率。以隱極式同步電機為對象，并忽略電樞電阻，

（感性為正）右圖為不計電樞電阻時的隱極式電機相量圖，由圖可見

將其代入無功功率表達式得5.4.5無功功率的調(diào)節(jié)和V形曲線2023/2/2河海大學(xué)855.4.5無功功率的調(diào)節(jié)和V形曲線上式即為無功功率的功角特性。當激磁不變時，與的關(guān)系為余弦函數(shù)，如右圖所示若同步發(fā)電機輸出的有功功率不變，則當和均不變時可得2023/2/2河海大學(xué)865.4.5無功功率的調(diào)節(jié)和V形曲線下圖是時調(diào)節(jié)激磁電流的相量圖

※由圖易出結(jié)論：當發(fā)電機與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時，調(diào)節(jié)勵磁電流大小，就可以改變發(fā)電機輸出的無功功率，不僅能改變無功功率的大小，而且能改變無功功率的特性。過激電樞電流是滯后電流輸出感性無功功率欠激電樞電流是超前電流輸出容性無功功率2023/2/2河海大學(xué)875.4.5無功功率的調(diào)節(jié)和V形曲線二、V形曲線曲線形狀象字母“V”故稱為V形曲線。當P增加時，曲線向上移。當調(diào)節(jié)If，使I最小，該點即V形曲線上的最低點，功率因數(shù)為1。V形曲線族最低點連線表示；右端為過激區(qū)，左邊為欠激區(qū)。◎注：如要只改變有功功率，在調(diào)節(jié)原動機功率輸入的同時要適當改變同步發(fā)電機的激磁。2023/2/2河海大學(xué)885.5同步電動機與同步調(diào)相機2023/2/2河海大學(xué)895.5同步電動機同步電動機的優(yōu)點功率因素高，可調(diào)（主要優(yōu)點）低速同步電機體積甚至小于異步機過載能力強兩種分析方法：仍按發(fā)電機觀點，只要大于90度即可按電動機觀點，另行分析，另列方程等發(fā)電機觀點2023/2/2河海大學(xué)90第15節(jié)同步電動機(一）仍按發(fā)電機觀點發(fā)出電功率＜0，即吸收電功率1.隱極電動機2023/2/2河海大學(xué)91第15節(jié)同步電動機2.凸極機

電動機發(fā)電機2023/2/2河海大學(xué)92第15節(jié)同步電動機（二）按電動機觀點電勢均為反電勢（通過變壓器、異步電機原方方程引出）隱極電動機（書235式5-5-1不妥）平衡方程相量圖凸極電動機：2023/2/2河海大學(xué)935.5.3同步電動機的起動同步電機不能自起動，必須借助其他方法，現(xiàn)在主要是：異步起動法

阻尼繞組與異步電機轉(zhuǎn)子繞組類似，又稱起動繞組①把同步電動機的勵磁繞組經(jīng)過外電阻短接：R=10rf

②將同步電動機定子繞組接通電源,類似異步電機起動，接近同步速度③將勵磁繞組與直流勵磁電源接通（牽入同步）其他起運方式輔助起運孌頻起運2023/2/2河海大學(xué)945.5.4同步調(diào)相機一、原理、用途功率因數(shù)角＝0，P=0；Q>0功率因數(shù)角＝180，P=0；Q<0二、特點容量為過勵時的S軸小、Xd適當大

2023/2/2河海大學(xué)955.7同步發(fā)電機突然短路

(6學(xué)分了解，4學(xué)分不要求)第17節(jié)同步發(fā)電機突然短路的物理過程第18節(jié)同步電機的瞬態(tài)電抗和超瞬態(tài)電抗第19節(jié)三相突然短路電流第20節(jié)同步電機振蕩的物理概念2023/2/2河海大學(xué)96第17節(jié)同步發(fā)電機突然短路的

物理過程同步發(fā)電機突然短路時,各繞組中會出現(xiàn)很大的沖擊電流,其峰值可達額定電流的十倍以上.突然短路的瞬態(tài)過程很短,卻可能帶來嚴重的后果。如左圖所示，合上開關(guān)使繞組1突然短路，繞組中的電壓方程為如把電阻忽略，則上式變成它的一般解為：，設(shè)，則d軸2023/2/2河海大學(xué)97第17節(jié)同步發(fā)電機突然短路的

物理過程所以沒有電阻的閉合繞組的磁鏈不會變化，永遠等于突然短路瞬間。

結(jié)論：在沒有電阻的閉合回路中，磁鏈將保持不變，這一簡單關(guān)系稱為磁鏈不變原則。

下面用磁鏈不變原則分析無阻尼繞組同步發(fā)電機空載運行時，在發(fā)電機出線端點處發(fā)生三相突然短路后電機各繞組中的磁鏈變化情況。分析時假設(shè)：

△勵磁電流不變；

△轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持不變；

△不計飽和影響。

2023/2/2河海大學(xué)98第17節(jié)同步發(fā)電機突然短路的

物理過程同步發(fā)電機空載時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場將在各定子繞組中形成磁鏈，，和，如左圖（a）所示，因為此時定子繞組開路，所以定子繞組中沒有電流，不產(chǎn)生定子磁場。

左圖(b)為A相磁鏈的變化情況。2023/2/2河海大學(xué)99第18節(jié)同步電機的瞬態(tài)電抗

和超瞬態(tài)電抗一、直軸瞬態(tài)電抗

下圖為沒有阻尼繞組的同步電機突然短路時（a）穩(wěn)定短路（b）突然短路初瞬，電樞磁通所經(jīng)過的路徑。（a）(b)2023/2/2河海大學(xué)100第18節(jié)同步電機的瞬態(tài)電抗

和超瞬態(tài)電抗穩(wěn)定短路時，定子電流所遇到的磁阻較小，定子電流所遇到的電抗為數(shù)值較大的同步電抗。突然短路時，在短路初瞬，由于磁鏈不變原則，如圖（b）所的，被擠到轉(zhuǎn)子外側(cè)的漏磁路中去。變大，則此時電樞電流的電抗變小，使突然短路初始瞬間有較大的短路電流。這個限制電樞電流的電抗稱為直軸瞬態(tài)電抗，用表示，可見。由于轉(zhuǎn)子繞組有電阻，使突然短路時較大的沖擊電流逐漸減小，最后短路電流為所限制。此時，電機已從突然短路狀態(tài)過渡到穩(wěn)定短路狀態(tài)。2023/2/2河海大學(xué)101第18節(jié)同步電機的瞬態(tài)電抗

和超瞬態(tài)電抗二、直軸超瞬態(tài)電抗當轉(zhuǎn)子上裝有阻尼繞組時，電樞磁通路徑如右圖所示。此時，磁路的磁阻更大了，與之相應(yīng)的電抗將有更小的數(shù)值，稱為直軸超瞬態(tài)電抗。短路初瞬，定子繞組中的短路電流將為所限制，在最初幾個周波后，定子電流為所限制，最后到達穩(wěn)態(tài)值時，定子電流為所限制。

2023/2/2河海大學(xué)102第18節(jié)同步電機的瞬態(tài)電抗

和超瞬態(tài)電抗三、和的表示式同步發(fā)電機裝有阻尼繞組時全部電樞磁通所經(jīng)磁路的總磁導(dǎo)為由于電抗和磁導(dǎo)成正比，則直軸超瞬態(tài)電抗等效電路圖2023/2/2河海大學(xué)103第18節(jié)同步電機的瞬態(tài)電抗

和超瞬態(tài)電抗如轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組或當阻尼繞組中的感應(yīng)電流衰減完畢，磁路的總磁導(dǎo)為直軸瞬態(tài)電抗的表示式為直軸瞬態(tài)電抗等效電路圖2023/2/2河海大學(xué)104第18節(jié)同步電機的瞬態(tài)電抗

和超瞬態(tài)電抗四、交軸瞬態(tài)電抗及其表示式

如同步發(fā)電機經(jīng)過負載阻抗短路，則由短路電流所產(chǎn)生的電樞磁場不僅有直軸分量，也有交軸分量。在突然短路初始瞬間，沿著交軸的電抗為和。稱為交軸瞬態(tài)電抗，稱為交軸超瞬態(tài)電抗。