第八章同步電機(新2)

第八章同步電機第一節(jié)同步發(fā)電機概述第二節(jié)同步發(fā)電機的電樞反應(yīng)第三節(jié)同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行第四節(jié)同步電動機第五節(jié)同步電機的勵磁第八章同步電機同步電機和異步電動機同屬于交流電機，同步電機與異步電機的區(qū)別是同步電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與電網(wǎng)頻率f之間具有固定不變的關(guān)系，而異步電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n＜n1。同步電機具有可逆性，同步電機按其運行方式分為：同步發(fā)電機：把機械能轉(zhuǎn)化為電能。同步電動機：把電能轉(zhuǎn)化為機械能。第一節(jié)同步發(fā)電機概述按磁極形狀分類隱極式：轉(zhuǎn)子圓柱形，氣隙均勻。凸極式：轉(zhuǎn)子有明顯凸出的磁極，氣隙不均勻。按原動機不同分類汽輪發(fā)電機：由汽輪機提供動力。水輪發(fā)電機：由水輪機提供動力。柴油發(fā)電機：由柴油機提供動力?？諝饫鋮s：空氣自然循環(huán)或風(fēng)扇吹風(fēng)強迫冷卻。氫氣冷卻：氫氣與空氣混合后有爆炸危險，需密封系統(tǒng)。水冷：水通過冷凝器及進、出水管循環(huán)。按冷卻介質(zhì)分類一、同步發(fā)電機的基本類型按冷卻方式分類外冷：冷卻介質(zhì)在發(fā)電機外部循環(huán)。內(nèi)冷：冷卻介質(zhì)在發(fā)電機內(nèi)部循環(huán)。二、同步發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)同步發(fā)電機由定子和轉(zhuǎn)子兩個基本部分組成。①定子：包括定子鐵心、定子繞組、機座、端蓋等。②轉(zhuǎn)子：包括轉(zhuǎn)子鐵心、勵磁繞組（轉(zhuǎn)子繞組）、滑環(huán)、風(fēng)扇等。同步電機（臥式）的結(jié)構(gòu)定子也常稱為電樞，就是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的部分。2)、勵磁繞組：用扁銅線繞成同心式線圈，嵌放在大齒兩側(cè)的轉(zhuǎn)子槽中，并用非磁性硬鋁槽楔壓緊。1)、轉(zhuǎn)子鐵心：一般用整塊的導(dǎo)磁性好的高強度合金鋼鍛成，轉(zhuǎn)子表面約2/3部分銑有軸向凹槽，用于嵌放勵磁繞組，不銑槽的約1/3部分形成大齒，即磁極。隱極式轉(zhuǎn)子：包括轉(zhuǎn)子鐵心、勵磁繞組、護環(huán)、風(fēng)扇等。隱極式同步發(fā)電機示意圖定子鐵芯定子繞組勵磁繞組轉(zhuǎn)子鐵芯磁極1、隱極式同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)2、凸極同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)（臥式或立式）臥式：沖擊式水輪機拖動的同步發(fā)電機。立式：低速、大容量水輪發(fā)電機。凸極式轉(zhuǎn)子：包括轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)軸、勵磁繞組、阻尼繞組等。阻尼繞組：由插入磁極極靴槽中的銅條和兩端的端環(huán)焊成一個閉合繞組。在發(fā)電機不對稱運行時，起削弱負序旋轉(zhuǎn)磁場、抑制轉(zhuǎn)子機械振蕩的作用。轉(zhuǎn)子鐵心：磁極與磁軛采用T形連接構(gòu)成，磁軛固定在轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)子鐵芯凸形磁極勵磁繞組磁軛

1、主磁極和三相電動勢的產(chǎn)生

定子上裝有三相對稱繞組，繞組互差120°電角度。

轉(zhuǎn)子上安放直流勵磁繞組。三、同步發(fā)電機的工作原理+-集電環(huán)電刷ACB設(shè)轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)n紫色為流入紅色為流出（1）產(chǎn)生電動勢的過程：同步發(fā)電機被原動機拖動以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子勵磁繞組通入直流勵磁電流時，轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生主極磁動勢及相應(yīng)的主極磁通（包括在氣隙中以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的主磁通和漏磁通）。主磁通通過氣隙與定子繞組交鏈，在定子繞組中感應(yīng)出三相交流電動勢。若定子繞組帶有負載，發(fā)電機將輸出電功率。

轉(zhuǎn)子磁通主磁通φ0：通過主磁路與勵磁繞組和電樞繞組都匝鏈，是進行能量轉(zhuǎn)換的磁通部分。漏磁通：只與勵磁繞組匝鏈的磁通部分。不與電樞繞組都匝鏈。主磁路包括氣隙、電樞齒、電樞軛、磁極極身和轉(zhuǎn)子軛五部分。當(dāng)f=50Hz時，n

=3000/p。汽輪發(fā)電機：p＝1――n=3000r/min；水輪發(fā)電機：例p＝30――n=100r/min。同步電機的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率有嚴(yán)格不變關(guān)系，即當(dāng)電網(wǎng)頻率一定時，電機轉(zhuǎn)速不變。（4）電動勢的頻率若轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)速為n，電動勢頻率為

當(dāng)磁極對數(shù)為1，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，電動勢交變一次；當(dāng)磁極對數(shù)為p，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，電動勢交變p次；（3）電動勢的大小三相定子繞組對稱，因此三相電動勢大小相等，相位互差120°電角度。

設(shè)

Em為每相電動勢幅值，A相初相角為0°，則：（2）電動勢的波形若主磁場的氣隙磁通密度B沿圓周按正弦規(guī)律分布，則定子繞組感應(yīng)電動勢隨時間按正弦規(guī)律變化：式中Em為電動勢幅值。ACB2、同步發(fā)電機的空載運行及其特性

空載運行：同步發(fā)電機被原動機拖動以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，勵磁繞組通入直流勵磁電流，電樞繞組開路或電樞電流為零的情況。設(shè)轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)n紫色為流入紅色為流出每相定子繞組空載電動勢的有效值1、空載時的電磁關(guān)系式中：N—定子每相繞組串聯(lián)的匝數(shù)；

KW

—繞組系數(shù)，由定子繞組中導(dǎo)體分布情況決定的常數(shù)，KW<1;

Φ0—每極主磁通的磁通量(Wb)，空載電動勢滯后于磁通量90°；

f—電動勢的頻率。在額定轉(zhuǎn)速n下，空載電動勢E0與勵磁電流IL之間的關(guān)系曲線E0=f(

IL)，稱為同步電機的空載特性。2、空載特性0

E0=f(

IL)E0

IL空載特性

IL0

Ue空載特性E0=f(IL)與轉(zhuǎn)子鐵芯的磁化曲線Φ0=f(

FL)相似。0Φ0

FL

磁化曲線Φ0=f(FL)為轉(zhuǎn)子鐵芯剩磁所產(chǎn)生的電動勢。第二節(jié)同步發(fā)電機的電樞反應(yīng)一、電樞反應(yīng)的概念同步發(fā)電機空載時，只有直流勵磁電流IL產(chǎn)生的主磁場以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，電樞中產(chǎn)生空載電動勢E0，若電樞三相繞組接有負載時，三相繞組中便有對稱三相電流通過，電樞繞組就產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場，稱為電樞磁場。電樞磁場的轉(zhuǎn)速為電樞磁場轉(zhuǎn)速等于主磁場轉(zhuǎn)速，且其旋轉(zhuǎn)方向與電樞電流相序排列方向一致，即與主磁場的旋轉(zhuǎn)方向一致，即同步。ACBn電樞反應(yīng)：

電樞磁場的存在，將使發(fā)電機空載時的轉(zhuǎn)子主磁場的大小及分布發(fā)生變化，這種電樞磁場對轉(zhuǎn)子主磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。發(fā)電機帶負載時的電磁關(guān)系：勵磁電流電樞電流可見，發(fā)電機帶負載時運行時，氣隙中實際磁場的是轉(zhuǎn)子主磁場和電樞磁場共同形成的合成磁場。電樞反應(yīng)的性質(zhì)取決于發(fā)電機負載電流的性質(zhì)。內(nèi)功率因數(shù)角：同步發(fā)電機空載電動勢與輸出電流（即電樞電流）之間的相位差定義為內(nèi)功率因數(shù)角。①同步發(fā)電機內(nèi)部存在兩個磁場，即電樞磁場與轉(zhuǎn)子主磁場；②電樞磁場與主磁場的是以相同方向、相同速度旋轉(zhuǎn)，它們相對靜止，所以同步；③電樞繞組和勵磁繞組氣隙中的實際磁場是由轉(zhuǎn)子主磁場與電樞磁場共同形成的合成磁場。結(jié)論：同步發(fā)電機帶載運行時，④電樞反應(yīng)的性質(zhì)取決于發(fā)電機負載電流的性質(zhì)。二、不同負載時的電樞反應(yīng)(a)軸線定義直軸（縱軸）：主磁極軸線稱直軸，以符號d表示。交軸（橫軸）：N、S極之間的中性線稱為交軸，以符號q表示。AXSNd軸q

軸n設(shè)轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)

設(shè)電流尾進首出為正(1)電樞電流與空載電動勢同相時(ψ=0°)(a)磁通相量圖(b)相量圖紫色為流入紅色為流出AXSNd軸q

軸n設(shè)轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)d軸q

軸由第六章變壓器已知空載電動勢滯后于主磁通90°。

從圖可以看出，電樞磁通與轉(zhuǎn)子磁通相疊加后才是氣隙中的合成磁通，顯然，由于交軸電樞存在，將是合成磁通的軸線位置產(chǎn)生一定的位移（扭磁），幅值發(fā)生一定的變化，即產(chǎn)生交軸電樞反應(yīng)。(2)電樞電流滯后空載電動勢90°時(ψ=90°)

(b)相量圖d軸q

軸紫色為流入紅色為流出設(shè)電流尾進首出為正設(shè)轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)AXSNd軸q

軸n(a)磁通相量圖

從圖可以看出，電樞磁通與轉(zhuǎn)子磁通相疊加后才是氣隙中的合成磁通，顯然，當(dāng)ψ=90°時，電樞磁通與主磁極軸線（即直軸）重合，并且產(chǎn)生去磁作用，即產(chǎn)生去磁電樞反應(yīng)。此時的電樞磁通就稱為直軸去磁電樞磁通。(3)電樞電流超前空載電動勢90°時(ψ=－90°)

(b)相量圖d軸q

軸紫色為流入紅色為流出設(shè)電流尾進首出為正設(shè)轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)AXSNd軸q

軸n(a)磁通相量圖

從圖可以看出，電樞磁通與轉(zhuǎn)子磁通相疊加后才是氣隙中的合成磁通，顯然，當(dāng)ψ=-90°時，電樞磁通也與主磁極軸線（即直軸）重合，但是產(chǎn)生增磁作用，即產(chǎn)生增磁電樞反應(yīng)。此時的電樞磁通就稱為直軸增磁電樞磁通。d軸q

軸(4)一般情況下（ψ=任意角度）的電樞反應(yīng)將分解為兩個分量，可以理解為將電樞磁通分解成作用在直軸磁路的磁通和作用在交軸磁路的磁通。①電樞電流滯后勵磁電動勢一個銳角ψ(0°＜ψ＜90°)，此時，可以利用疊加原理，將分解為兩個分量：(4)一般情況下（ψ=任意角度）的電樞反應(yīng)d軸q

軸②電樞電流超前空載電動勢一個銳角ψ(0°>ψ>-90°)。

與①同理，將分解為兩個分量：將分解為兩個分量，可以理解為將電樞磁通分解成作用在直軸磁路的磁通和作用在交軸磁路的磁通。小結(jié)：(2)同步發(fā)電機帶載時產(chǎn)生電樞反應(yīng)，電樞反應(yīng)的性質(zhì)與空載電動勢

和電樞電流的夾角ψ

(即內(nèi)功率因數(shù)角)有關(guān)。(3)電樞反應(yīng)的性質(zhì)有交磁、去磁、增磁三種。(4)交軸電樞反應(yīng)是實現(xiàn)機械能到電能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。因為只有交軸電樞反應(yīng)才產(chǎn)生制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，原動機必須克服制動電磁轉(zhuǎn)矩做功，從而將機械能轉(zhuǎn)變成電能。(1)同步發(fā)電機空載時，電樞電流=0，不存在電樞反應(yīng)，從而也沒有轉(zhuǎn)子到定子的能量轉(zhuǎn)遞。

(1)ψ＝0°時，為交軸電樞反應(yīng)，其作用是使氣隙磁場軸線從空載時的直軸處逆轉(zhuǎn)向后移了一個銳角θ，主磁場超前氣隙磁場，主極上受到制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，使發(fā)電機轉(zhuǎn)速降低，影響發(fā)電機有功功率的輸出。為維持發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不變，電動勢的頻率不變，必須增加原動機的動力。ψ＝0°、90°和-90°時電樞反應(yīng)的性質(zhì)、作用和對電機功率傳遞的影響？

(2)ψ＝90°時，為直軸去磁電樞反應(yīng)，其作用是使氣隙磁場削弱，發(fā)電機端電壓下降，影響發(fā)電機無功功率的輸出。為維持發(fā)電機端電壓不變，必須增加轉(zhuǎn)子勵磁電流。

(3)ψ＝-90°時，為直軸增磁電樞反應(yīng)，其作用是使氣隙磁場增強，發(fā)電機端電壓上升，影響發(fā)電機無功功率的輸出。為維持發(fā)電機端電壓不變，必須減小轉(zhuǎn)子勵磁電流。

同步發(fā)電機單機運行時，為維持其轉(zhuǎn)速不變，確保電動勢的頻率恒定，必須隨著有功負載的變化調(diào)節(jié)原動機的輸入功率。為維持發(fā)電機端電壓不變，可必須隨著無功功率的變化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的勵磁電流?？偨Y(jié)：三、隱極同步發(fā)電機的電壓方程、相量圖和等效電路不考慮飽和（磁路線性，可應(yīng)用疊加原理）1、電壓方程一相的等效電路滯后于90°電角度∴∵不計飽和在相位上，和同步旋轉(zhuǎn)，滯后于90°電角度，滯后于90°電角度，若不計定子鐵耗,與同相位，則將滯后于90°電角度。2、相量圖和等效電路等效電路相量圖~3、簡化等效電路和相量圖通常，則：簡化等效電路簡化相量圖4、同步發(fā)電機的輸出功率與θ角的關(guān)系電流有功分量為：電流無功分量為：有功功率為：無功功率為：為相電壓與相電流的相位差（負載的功率因數(shù)角），由負載參數(shù)決定

由上式可見，輸出功率不僅與U和E0有關(guān)，而且與角有關(guān)，故稱為功率角，簡稱功角。功率角θ越大，則磁場所產(chǎn)生的切向力及電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率也越大。忽略定子繞組電阻的功率損耗后，輸出功率近似等于轉(zhuǎn)子傳遞到定子的電磁功率。功率角的雙重物理意義

空載電動勢由主磁通感應(yīng)產(chǎn)生，電樞端電壓由電樞合成磁通感應(yīng)產(chǎn)生，因此功率角θ既是空載電動勢和電樞端電壓的時間相位差，也是主磁通與電樞合成磁通的空間電角度。1、外特性（即n=ne，IL=常數(shù)，=常數(shù)時，U=f(I)曲線）同步發(fā)電機的外特性四、外特性和調(diào)整特性同步發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速下，保持勵磁電流和負載功率因數(shù)為常數(shù)，測得端電壓U隨電樞電流I變化的關(guān)系曲線U=f(I)，稱為同步發(fā)電機的外特性。曲線2：電感性負載，，曲線下降，原因：（1）I↑→電樞反應(yīng)去磁作用↑→U↓

（2）I↑→漏阻抗壓降↑→U↓

曲線1：電阻性負載，

，曲線下降，原因：由于漏磁通，ψ≠0，

I↑→漏阻抗壓降↑→U↓曲線3：電容性負載，，曲線上升，原因：（1）I↑→電樞反應(yīng)增磁作用↑→U↑（2）I↑→漏阻抗壓降↑→U↓（但小于增磁作用對U所產(chǎn)生的影響。調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流，使電樞電流為額定電流，功率因數(shù)為額定功率因數(shù)，端電壓為額定電壓，這時的勵磁電流稱為發(fā)電機的額定勵磁電流ILe。從空載(即I=0)到額定負載(即I=Ie)的電壓變化程度用電壓調(diào)整率來表示，即從外特性求電壓調(diào)整率ΔU為使電網(wǎng)電壓不致有太大波動，要求凸極同步發(fā)電機ΔU=18%~30%，隱極同步發(fā)電機ΔU=30%~48%。（均為cos=0.8滯后時的數(shù)值）2、調(diào)整特性

在額定轉(zhuǎn)速下，保持端電壓為額定電壓，功率因數(shù)為常數(shù)時，勵磁電流

IL與電樞電流

I

的關(guān)系曲線IL=f(

I

)，稱為同步發(fā)電機的調(diào)整特性。（即

n=ne，U=Ue，

cos

常值時，IL=f(

I

)曲線）不同功率因數(shù)時同步發(fā)電機的調(diào)整特性

發(fā)電廠通常采用多臺發(fā)電機并聯(lián)運行方式，即兩臺或兩臺以上發(fā)電機的三相繞組分別接在公用三相母線上，共同向用戶提供有功、無功功率。許多發(fā)電廠再并聯(lián)起來組成強大電網(wǎng)。(1)提高供電質(zhì)量

單臺發(fā)電機容量小，電壓容易受到負載變化的影響，供電電壓和頻率不容易穩(wěn)定。單臺發(fā)電機的運行狀況對負載的影響也較大。許多發(fā)電廠的發(fā)電機并聯(lián)起來組成強大電網(wǎng)，對于單臺發(fā)電機和負載來說，電網(wǎng)的容量近似于無窮大，用電負荷的變化對系統(tǒng)電壓、頻率的影響就很小，可視為常數(shù)，單臺發(fā)電機的運行狀況對負載的影響特別小，從而提高供電質(zhì)量。一、并網(wǎng)運行的意義和條件1、發(fā)電機并網(wǎng)運行的意義：第三節(jié)同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行(2)有利提高電力系統(tǒng)經(jīng)濟效益電力系統(tǒng)可根據(jù)國民經(jīng)濟發(fā)展的需要，逐步增加發(fā)電機的臺數(shù)，分期分批投資興建，減少儲備容量；發(fā)電廠可根據(jù)季節(jié)、甚至日負荷的變動和需要，確定投入并聯(lián)運行的機組臺數(shù)，進行負荷調(diào)度，最大限度降低運行費用，(3)提高供電可靠性可使備用的發(fā)電機并網(wǎng)運行，使需要檢修的發(fā)電機脫網(wǎng)，進行必要的檢修，從而使供電系統(tǒng)正常供電，提高供電可靠性。特別是當(dāng)某個供電線路發(fā)生故障需要處理時，可調(diào)度其他發(fā)電機并網(wǎng)供電。(4)合理利用資源豐水年份、季節(jié)，讓水輪發(fā)電機多運行，減少汽輪發(fā)電機的并網(wǎng)臺數(shù)，減少煤炭資源的消耗。又如利用水輪發(fā)電機起動較快的特點，讓其作日荷調(diào)峰機組，抽水蓄能電站的建設(shè)，都是減少一次性能源消耗、充分利用自然資源的有效途徑。

(1)待并發(fā)電機的端電壓U2(空載時U2=E20)和電網(wǎng)電壓U1相等。發(fā)電機由空載到并聯(lián)接入電網(wǎng)運行的過程，稱為并網(wǎng)或并車。并車時必須避免產(chǎn)生強大的沖擊電流，以防止發(fā)電機受到強烈的電磁沖擊力而損傷，電網(wǎng)受到嚴(yán)重干擾。因此，同步發(fā)電機井網(wǎng)時應(yīng)滿足下列條件：2．發(fā)電機并網(wǎng)的條件G2~V電網(wǎng)K投入并聯(lián)示意圖G1~母線母線

(2)發(fā)電機電壓的相位和電網(wǎng)電壓的相位一致。

(3)發(fā)電機電壓的相序和電網(wǎng)電壓的相序一致。

(4)發(fā)電機電壓的頻率和電網(wǎng)電壓的頻率相等。不滿足并聯(lián)條件的后果：(3)頻率不等(4)相序不同電壓差→強大環(huán)流→巨大電磁力(破壞繞組)和沖擊力矩(轉(zhuǎn)軸受沖擊)(2)與相位不同(1)與大小不等變化電壓差(拍振電壓)→拍振電流→交變力矩(發(fā)電機振動)和功率振蕩絕不允許并聯(lián)整步、同步或同期為了滿足并網(wǎng)條件，通過調(diào)節(jié)勵磁電流及原動機的轉(zhuǎn)速，來調(diào)節(jié)發(fā)電機的電壓和頻率，并利用配套裝置和儀表檢查、復(fù)核其相序和相位，這些操作過程稱為整步、同步或同期。有如下兩種方法：準(zhǔn)確整步法（準(zhǔn)確同步法、準(zhǔn)確同期法），自整步法（自同步法、自同期法）(1)準(zhǔn)確整步法（準(zhǔn)確同步法、準(zhǔn)確同期法）把發(fā)電機調(diào)整到完全合乎并聯(lián)條件，然后再合閘投入電網(wǎng)的方法，稱為準(zhǔn)確整步法。準(zhǔn)確整步法優(yōu)點：無沖擊電流；缺點：操作復(fù)雜。判斷是否滿足并聯(lián)條件常采用同步指示器（同步指示燈、整步表等），最簡單的同步指示器由三組同步指示燈組成。檢查是否滿足并聯(lián)條件的方法：燈光法和整步表法。燈光法有兩種接法：直接接法（燈光熄滅法），交叉接法（燈光旋轉(zhuǎn)法）電網(wǎng)?QSNAnVVVABCABC123待投入的發(fā)電機f直接接法的接線圖和相量圖(a)接線圖(b)相量圖123ωω(a)頻率不等：三組燈同時忽亮忽暗，燈光閃爍；(b)頻率不等，電壓大小或相位不等：三組燈長亮不閃；

在三組燈同時熄滅，且A與A之間的電壓表指示為零時的瞬間，合閘投入并聯(lián)。(2)自然整步法（自同步法、自同期法）

在確定相序正確的前提下，先將轉(zhuǎn)子勵磁繞組經(jīng)附加電阻短接，按規(guī)定轉(zhuǎn)向?qū)l(fā)電機拖動到接近同步轉(zhuǎn)速(可相差士2％～5％)，將發(fā)電機合閘投入電網(wǎng)，再立即加上直流勵磁，利用定、轉(zhuǎn)子磁場間形成的電磁轉(zhuǎn)矩的自整步作用，迅速將發(fā)電機牽入同步。SNn~nsSNn~nsS0N0勵磁電源自整步法優(yōu)點：操作簡單、迅速；缺點：有沖擊電流?，F(xiàn)代電廠多裝備自動準(zhǔn)確同步裝置，同步過程很快，同步精度也很高。自然同步法對電網(wǎng)和機組本身均有沖擊，在電網(wǎng)發(fā)生故障和頻率和電壓波動較大情況下，很難調(diào)整到完全合乎并聯(lián)條件，為把發(fā)電機緊急投入電網(wǎng)，偶爾采用自整步法，二、功角特性（隱極式發(fā)電機）同步發(fā)電機接在電網(wǎng)上穩(wěn)態(tài)對稱運行時，在恒定勵磁和恒定電網(wǎng)電壓下（即E0=常值，U=常值），發(fā)電機發(fā)出的電磁功率P與功率角θ之間的關(guān)系曲線P=f(θ)，稱為同步發(fā)電機的功角特性。0θ900PPmax1800前面已分析得知，隱極式發(fā)電機功角特性為：由此式可見，隱極式發(fā)電機功角特性是呈正弦函數(shù)變化的曲線。隱極式發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩：（同步角速度）隱極式發(fā)電機功角特性Pe1PePe20°45°90°Peθ180°-180°發(fā)電機電動機凸極同步電機功角特性曲線功角特性(隱極式)0θ900PPmax1800同步發(fā)電機有功功率功角特性曲線θP18000900Pmax功角特性(凸極式)三、有功功率調(diào)節(jié)和穩(wěn)定分析輸入功率P1機械損耗pmec附加損耗pad鐵損pFe電磁功率P定子銅損pcu1輸出功率P2空載損耗P0分析前提：設(shè)保持IL

=常值，設(shè)發(fā)電機為隱極式，不計磁路飽和，忽略電樞電阻，電網(wǎng)為“無窮大電網(wǎng)”（即U和f為常值）。nsnsn功率角θ=0時的相量圖功率角為θ時的相量圖調(diào)節(jié)原動機輸入功率就可以調(diào)節(jié)同步發(fā)電機輸出的有功功率。（發(fā)電機空載時）

從能量守恒的觀點來看，發(fā)電機輸出的有功功率是由原動機輸入的機械功率轉(zhuǎn)換而來的，要改變輸出功率，必須相應(yīng)地改變輸入功率。電磁轉(zhuǎn)矩對原動機來說是阻轉(zhuǎn)矩。以上分析已知電磁功率為：對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為：空載時：式中P1為發(fā)電機的輸入功率

P0為發(fā)電機的功率損耗

P2為發(fā)電機的輸出功率式中M1為發(fā)電機的輸入轉(zhuǎn)矩

M0為發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩損耗即發(fā)電機空載時，發(fā)電機既不產(chǎn)生輸出功率，也不產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。并網(wǎng)帶載后，無限大容量電網(wǎng)的電壓U和頻率f為常數(shù)，產(chǎn)生端電壓的合成磁場的大小和轉(zhuǎn)速（n=60f/p）都固定不變。轉(zhuǎn)子加速θ角增大至某一數(shù)值轉(zhuǎn)子加速停止發(fā)電機便運行在新的穩(wěn)定狀態(tài)

由此可見，要調(diào)節(jié)并網(wǎng)發(fā)電機的輸出功率，必須調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸入功率，發(fā)電機內(nèi)部會自行改變功率角θ，相應(yīng)地改變電磁功率和輸出功率，達到新的平衡。當(dāng)然，θ角度的改變也會引起電樞電流、功率因數(shù)和無功功率的改變。0θ900PPmax1800假使連續(xù)不斷地增加P1，當(dāng)θ=90°時(指隱極式同步發(fā)電機)，電磁功率P和輸出功率P2及轉(zhuǎn)矩M便增大到極大值。若再增加Pl，則θ>90°，進入功角特性曲線的右半部，P隨θ角增大而減小(即阻轉(zhuǎn)矩減小)。轉(zhuǎn)子不斷加速而失去同步狀態(tài)，稱為失步。轉(zhuǎn)子加速正反饋導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不斷加速而失去同步狀態(tài)

功率角特性的右半部是不穩(wěn)定區(qū)域，左半部是穩(wěn)定區(qū)域，極點(90°，Pmax，)是同步發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定運行的臨界點。0θ900PPmax1800為了確保穩(wěn)定運行，提高供電可靠性，留有足夠靜穩(wěn)態(tài)儲備，額定工況時的θ角一般為20°～35°。靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)域的判據(jù)是：過載系數(shù):

Pmax與額定功率Pe

之比稱為同步發(fā)電機的過載系數(shù)。其值一般為1.7～3.0。四、無功功率的調(diào)節(jié)和V形曲線1、無功功率功角特性（以隱極同步發(fā)電機為例）0°90°θ180°θAθΔPQθA隱極同步電機有功、無功功角特性

IL=常值時，增加原動機輸入功率，θA→θA，功率角增大，P2增加，而Q減少。因此IL=常值時調(diào)節(jié)有功功率，會影響無功功率大小；反之IL=常值時調(diào)節(jié)無功功率，也會影響有功功率大小。前面分析已知無功功率為分析前提：設(shè)保持P2=常值，設(shè)發(fā)電機為隱極機，不計磁路飽和，忽略電樞電阻，電網(wǎng)為“無窮大電網(wǎng)”（即U=常值，f=常值）。ABCD輸出有功功率和感性無功功率；只輸出有功功率；輸出有功功率和容性無功功率。即發(fā)電機從電網(wǎng)吸收感性無功功率；cos=1時的勵磁電流IL稱為正常勵磁電流。勵磁電流為IL時，正常勵磁狀態(tài)：只輸出有功功率；IL＞IL，過勵狀態(tài)：輸出有功功率和感性無功功率；IL＜IL，欠勵狀態(tài)：輸出有功功率和容性無功功率?？梢姡{(diào)節(jié)勵磁電流就可以調(diào)節(jié)同步發(fā)電機的無功功率。三種狀態(tài)相比，欠勵狀態(tài)下功率角θ較大，同步電機穩(wěn)定性差，θ＞90°時為不穩(wěn)定區(qū)，欠勵區(qū)域靠近不穩(wěn)定區(qū)，因此同步電機一般不宜在欠勵狀態(tài)下運行。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，表示電樞電流I和勵磁電流IL的關(guān)系曲線I=f（IL）同步發(fā)電機的V形曲線V形曲線的幾個特點：1、每條曲線的最低點：連線向右傾斜。2、不穩(wěn)定區(qū)域邊緣：θ=900，連線向右傾斜。3、每條曲線上的電流變化量ΔI

為無功分量。同步發(fā)電機的V形曲線ΔI第四節(jié)同步電動機一、同步電動機運行狀態(tài)

說明：左圖中的δ對應(yīng)于本教材中的功角θ。

同步電機是能夠可逆運行的，既可以按發(fā)電機方式運行，也可以按電動機方式運行。當(dāng)原動機拖動同步電機，輸入機械功率而輸出是電功率時，即為發(fā)電機運行；當(dāng)同步電機接于電網(wǎng)，從電網(wǎng)吸收電功率，而輸出是機械功率時，即為電動機運行。從原動機吸收功率P1機，向電網(wǎng)輸送功率P2電≈P1機－P0，將機械能等轉(zhuǎn)化為電能。發(fā)電機狀態(tài)：合成磁極主磁極SNn1θN0S0n1電動機狀態(tài)：從電網(wǎng)吸收功率P1電，若加機械負載，則向機械負載傳遞功率P2機≈P1電-P0，將電能轉(zhuǎn)化為機械能。SNnθN0S0n合成磁極主磁極空載狀態(tài)：SNnN0S0nM=0主磁極合成磁極補償機同步電機從發(fā)電機運行狀態(tài)過渡到電動機運行狀態(tài)的分析：二、同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩和機械特性運行于容性的相量圖如右下圖所示，由圖可知：

對同步發(fā)電機的等效電路中的電流方向進行修改得同步電動機圖示簡化等效電路，則定子繞組電壓方程為簡化等效電路簡化相量圖電動機的輸入功率P1(≈P）為P1<0表示同步電動機從電網(wǎng)吸收功率。00θ同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩：（同步角速度）同步電動機功角特性當(dāng)電源頻率f1恒定時，ω為常數(shù)，即同步電機的轉(zhuǎn)速n=n1是恒定的，不隨負載變化，其機械特性曲線n=f(M)

是一條與橫軸平行的直線。同步電動機的基本特征：同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩：0由同步電動機M—曲線分析可知，當(dāng)<90°時，負載轉(zhuǎn)矩Mfz變化，引起θ變化，同步電動機內(nèi)部將自動調(diào)節(jié)而始終保持M=Mfz。但當(dāng)Mfz>時，電動機將失步，被迫停車。

同步電動機M—曲線

三、功率因數(shù)調(diào)節(jié)和V形曲線設(shè)同步電動機穩(wěn)定運行時，電源電壓U和輸入功率P1保持不變=常值（即U=常值，P2

=常值）。ABCD電動機相當(dāng)于電容性負載。電動機相當(dāng)于電感性負載。同步電動機的V形曲線在Mfz保持不變時，改變同步電動機的勵磁電流，可以調(diào)節(jié)其功率因數(shù)，即可以使同步電動機相當(dāng)于電感性、電阻性或電容性負載。這是同步電動機優(yōu)于異步電動機的重要特點。把過勵的同步電動機并聯(lián)在電網(wǎng)上，為超前于的容性電流，既能提高電網(wǎng)功率因數(shù)，又因增大而增大Mmax，提高其過載能力。因此，同步電動機通常都作過勵狀態(tài)運行。四、同步電動機的起動

如果轉(zhuǎn)于是靜止(未轉(zhuǎn)動)時，轉(zhuǎn)于和轉(zhuǎn)軸上生產(chǎn)機械的慣性，電樞磁極快速掠過轉(zhuǎn)子磁極，轉(zhuǎn)子只會重復(fù)受到異名極向前拖引和同名極向后推斥，不能自行起動。同步電動機必須借助其他方法起動。同步電動機的起動方法有輔助電機法，變頻起動法和異步起動法等。一般采用異步起動法。SNnθN0S0n合成磁極主磁極ABCNNS勵磁電源采用異步起動法時，轉(zhuǎn)子上需加設(shè)鼠籠式起動繞組，起動時，先把勵磁繞組短接，接通電源，靠起動繞組所產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩起動，待轉(zhuǎn)速上升至接近同步轉(zhuǎn)速時(約95%n0)，將勵磁繞組換接到勵磁電源上，使轉(zhuǎn)子建立勵磁磁場，此時氣隙磁場與勵磁磁場的轉(zhuǎn)速十分接近，依靠兩個磁場相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，能將電動機轉(zhuǎn)子牽入同步，以同步轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行。鼠籠繞組與電樞磁場沒有相對運動，自行失去作用。注意：異步起動過程異步起動時，先把勵磁繞組經(jīng)過大電阻短接，絕對不可以開路。（因為勵磁繞組匝數(shù)比較多，起動時定子旋轉(zhuǎn)磁場在勵磁繞組中感應(yīng)很高的電壓，可能會擊穿轉(zhuǎn)子繞組的絕緣）第五節(jié)同步電機的勵磁

勵磁系統(tǒng)是同步電機的重要組成部分，其主要作用是調(diào)節(jié)發(fā)電機的端電壓和無功功率。發(fā)電機在運行中，隨著負荷的增減和負荷性質(zhì)的變化，其端電壓和無功功率都隨之而變動，發(fā)電機在單機運行時，調(diào)節(jié)勵磁電流可以改變發(fā)電機的端電壓；與電網(wǎng)并聯(lián)運行的發(fā)電機，調(diào)節(jié)勵磁電流還可以改變發(fā)電機的無功功率。一、勵磁系統(tǒng)的作用

1、在正常運行條件下，供給同步發(fā)電機勵磁電流，并根據(jù)發(fā)電機電壓和負荷