第六章同步電機(jī)

第六章同步電機(jī)6.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)6.2空載和負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的磁場6.3隱極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖和等效電路6.4凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖6.5同步發(fā)電機(jī)的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程6.6同步電機(jī)參數(shù)的測定6.7同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性6.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)

同步電機(jī)一、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)電樞式

旋轉(zhuǎn)磁極式

隱極式（Salient-pole）

凸極式（Cylindrical-Rotor）

汽輪機(jī)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)火電廠(heat-engineplant)的生產(chǎn)現(xiàn)場汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)大亞灣核電站發(fā)電機(jī)組嶺澳一期核電站發(fā)電機(jī)組國產(chǎn)300MW汽輪發(fā)電機(jī)外(turbonator)形結(jié)構(gòu)圖用途：多用于汽輪發(fā)電機(jī)，一般為兩極，轉(zhuǎn)速為3000r/min。一般汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子長度L和定子內(nèi)徑D之比為2-6.5。隱極式同步發(fā)電機(jī)1.定子(stator)機(jī)座(baseframe)、端蓋(endclosure)、定子鐵心(statorcore)和定子繞組(statorwindings)等。大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心槽汽輪發(fā)電機(jī)完工后的定子汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)定子（1）機(jī)座和端蓋機(jī)座的作用：固定和支撐定子鐵心及定子繞組等部件，通過機(jī)座將整個(gè)定子安裝、固定在基礎(chǔ)上。機(jī)座內(nèi)部有冷卻風(fēng)道。汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)座一般采用鋼板焊接而成。對機(jī)座的要求，除了使安裝、運(yùn)輸方便外，還需要有足夠的強(qiáng)度和剛度。正常和故障時(shí)能承受可能發(fā)生的最大應(yīng)力，保證不產(chǎn)生不允許的變形。汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)端蓋的作用:保護(hù)定子和轉(zhuǎn)子的端部，使電機(jī)內(nèi)形成一個(gè)與外界隔絕的風(fēng)路系統(tǒng)。一般用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，也可采用灰鑄鐵或硅鋁合金鑄件，中等容量的電機(jī)端蓋也有采用玻璃鋼壓制的。有足夠的剛度。對于大型同步電機(jī)，由于端部漏磁通較大，所以固定端蓋的螺栓宜加以絕緣，以防止漏磁通引起的渦流流過螺栓而使其發(fā)熱。（1）機(jī)座和端蓋汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)定子鐵心由0.35mm、0.5mm或其它厚度的電工鋼片疊成。各段疊片間有寬約10mm的通風(fēng)槽，以改善定子鐵心散熱。定子外徑較小時(shí)，采用圓形沖片，當(dāng)定子外徑大于1m時(shí)，采用扇形沖片,目的是減少漏磁,防止渦流引起過熱。定子鐵心兩端用非磁性材料壓板將其壓緊，將整個(gè)鐵心固定在定子機(jī)座上。沿定子鐵心內(nèi)圓表面的槽內(nèi)放置三相定子繞組。（2）定子鐵心思考：定子鐵心為什么要用0.5mm的硅鋼片疊裝？

（2）定子鐵心汽輪發(fā)電機(jī)的電壓較高，要求定子繞組有足夠的絕緣強(qiáng)度，一般采用B級或F級絕緣。（3）定子繞組也稱電樞繞組，一般采用雙層三相對稱繞組。為便于繞組下線，定子槽采用矩形開口槽，定子繞組放入槽中后，槽口用槽楔封住，槽楔常用絕緣材料(如玻璃布板)做成。大型電機(jī)定子電流極大，要求繞組導(dǎo)線有較大的截面積。為減小導(dǎo)體集膚效應(yīng)帶來的附加損耗，定子繞組常由多股截面15平方毫米以下的扁銅線并繞而成，且沿槽長進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿Q位，使繞組的有效部分，有時(shí)甚至連同繞組的端接部分，成為編織形。汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)定子繞組下線定子繞組端部

定子繞組端部接頭定子端部

2．轉(zhuǎn)子汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子組成轉(zhuǎn)子鐵芯勵(lì)磁繞組阻尼繞組緊固件風(fēng)扇功能：傳遞原動(dòng)機(jī)供給的機(jī)械能、支撐旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁線圈、形成良好的磁通路徑和轉(zhuǎn)子散熱通道，因此對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、材料和加工工藝要求較高。轉(zhuǎn)子繞組的通風(fēng)口

護(hù)環(huán)

中心環(huán)

風(fēng)扇

汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子外形發(fā)

電

機(jī)

轉(zhuǎn)

子（1）轉(zhuǎn)子鐵心既有良好導(dǎo)磁性能，又有足夠機(jī)械強(qiáng)度和剛度，是汽輪發(fā)電機(jī)的最關(guān)鍵部件之一。一般采用優(yōu)質(zhì)合金鋼鍛制而成，在鐵心上開有兩組對稱的槽，槽與槽之間的部分稱為齒，有兩個(gè)齒特別寬稱為大齒，其余的叫小齒。小齒嵌放勵(lì)磁線圈，大齒形成磁極。大型電機(jī)有時(shí)為了加強(qiáng)轉(zhuǎn)子表面的冷卻，在大齒區(qū)也開有一些較小的槽并不安放線圈，而只作通風(fēng)之用，這種槽稱為通風(fēng)槽。汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子鐵心

大型兩極汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，當(dāng)長度與直徑的比值較大時(shí)，為了減小倍頻振動(dòng)的影響，常在大齒部分沿軸向每隔一定距離開有徑向月牙槽，使大齒方向與小齒方向的剛度盡可能接近。有的電機(jī)在大齒開有槽，內(nèi)裝阻尼繞組(dampingwindings)，阻尼繞組構(gòu)成自行短接的半鼠籠結(jié)構(gòu)，用來改善發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。（1）轉(zhuǎn)子鐵心汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子鐵心結(jié)構(gòu)（2）勵(lì)磁繞組汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)由矩形絕緣扁銅線繞成同心式線圈，兩線圈邊分別放在大齒兩側(cè)所開的槽內(nèi)，所有線圈串聯(lián)。勵(lì)磁繞組構(gòu)成電機(jī)直流回路，通過電刷與外電路連接。各線圈匝間有絕緣，對地也有絕緣。（3）護(hù)環(huán)和中心環(huán)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的端部在高速旋轉(zhuǎn)中將承受巨大的離心力，并在通過勵(lì)磁電流時(shí)產(chǎn)生熱膨脹，造成徑向和軸向位移．護(hù)環(huán)用來套在轉(zhuǎn)子繞組瑞部外面，防止徑向位移，而中心環(huán)則用來阻止軸向位移。為了避免因護(hù)環(huán)偏心引起的振動(dòng)以及不對稱運(yùn)行或異步運(yùn)行時(shí)因轉(zhuǎn)子表面感應(yīng)電流引起配合面上的電灼傷，要求護(hù)環(huán)與轉(zhuǎn)子本體、護(hù)環(huán)與中心環(huán)之間有較緊密的配合。汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子繞組的通風(fēng)口

護(hù)環(huán)

中心環(huán)

風(fēng)扇

汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子外形轉(zhuǎn)子線圈裝配發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子裝配汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)一種短路繞組，大型電機(jī)有。由放在槽楔下的銅條和轉(zhuǎn)子兩端銅環(huán)焊接成閉合回路。作用：在同步發(fā)電機(jī)短路或不對稱運(yùn)行時(shí)，利用其感應(yīng)電流來削弱負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場作用；發(fā)電機(jī)振蕩時(shí)起阻尼作用，使振蕩衰減。阻尼繞組以汽輪同步發(fā)電機(jī)為例，它的冷卻系統(tǒng)都是封閉的，冷卻介質(zhì)都是循環(huán)使用的。常用的冷卻介質(zhì)有空氣、氫氣和水。冷卻方式有：空氣冷卻；水-氫-氫，即定子繞組用水冷卻，轉(zhuǎn)子繞組采用氫內(nèi)冷，定子鐵心為氫冷；水-水-氫，即定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組用水冷卻，定子鐵心為氫冷。由于氫氣的密度僅為空氣的1/4，導(dǎo)熱性能比空氣好6倍，其冷卻效果比空氣好，所以，大容量同步發(fā)電機(jī)采用水-氫-氫。同步發(fā)電機(jī)的冷卻方式5.其他部件滑環(huán)與電刷：將直流電引入到轉(zhuǎn)動(dòng)的勵(lì)磁繞組?；h(huán)或稱集電環(huán)，一般用耐磨的鍛鋼制成，表面進(jìn)行硬度處理，加工完的滑環(huán)表面要求光潔。汽輪發(fā)電機(jī)一般采用石墨或電化石墨電刷。雖然每種電刷以石墨粉作為主要原料，但是含量和工藝的不同，在導(dǎo)電率、比重、硬度、強(qiáng)度、伏安特性等方面有不同的性能。為使兩滑環(huán)磨損均勻，在運(yùn)行中要定期改變滑環(huán)的極性。電刷放在刷盒內(nèi)，刷盒內(nèi)有彈簧給電刷一個(gè)均勻的壓力，以防止電刷正運(yùn)行時(shí)發(fā)生振動(dòng)，使其與滑環(huán)間保持有良好的滑動(dòng)接觸。風(fēng)扇：電機(jī)內(nèi)部通風(fēng)冷卻．一般裝在轉(zhuǎn)子兩瑞，當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)扇隨轉(zhuǎn)子而轉(zhuǎn)動(dòng)，使冷卻氣體流過線圈和鐵心，帶走熱量。

汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)總裝凸極式同步發(fā)電機(jī)用途：多用于水輪發(fā)電機(jī)。一般水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子長度L和定子內(nèi)徑D之比為0.125-0.07。水輪發(fā)電機(jī)(hydro-generator)的主要結(jié)構(gòu)型式有臥式、立式和燈泡貫流式。通常小容量水輪發(fā)電機(jī)多采用臥式結(jié)構(gòu)，中等容量水輪發(fā)電機(jī)采用立式或臥式結(jié)構(gòu)，而大容量水輪發(fā)電機(jī)則廣泛采用立式結(jié)構(gòu)。水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

（a）立式水輪發(fā)電機(jī)(b)臥式水輪發(fā)電機(jī)(c)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)水輪發(fā)電機(jī)的三種結(jié)構(gòu)形式立式水輪發(fā)電機(jī)分為：懸吊式和傘式。發(fā)電機(jī)推力軸承位于轉(zhuǎn)子上部的統(tǒng)稱為懸吊式，位于轉(zhuǎn)子下部的統(tǒng)稱為傘式。水輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)型式對電站主廠房高度、起重機(jī)容量、機(jī)組本身技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、運(yùn)行穩(wěn)定性以及檢修等方面都有直接影響，必須立足全局，對各種因素加以綜合考慮后作出判斷。一般低速大容量水輪發(fā)電機(jī)采用傘式，因?yàn)閭闶綑C(jī)組總高度比懸吊式低，可降低電站主廠房高度和減輕機(jī)組重量。水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)傘式機(jī)組推力軸承直徑較大，軸承損耗比懸吊式大。懸吊式機(jī)組適用于中、高速機(jī)組，優(yōu)點(diǎn)是：機(jī)組徑向機(jī)械穩(wěn)定性較好、軸承損耗較小和維護(hù)檢修方便。水輪發(fā)電機(jī)起動(dòng)和投入并聯(lián)所需時(shí)間較短，運(yùn)行調(diào)度較靈活，電力系統(tǒng)中，除可用來擔(dān)負(fù)基本負(fù)載外，還常用作調(diào)峰或作調(diào)相運(yùn)行。一般采用空氣冷卻，容量相當(dāng)大的發(fā)電機(jī)才考慮采用水內(nèi)冷卻方式。水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子定子機(jī)架推力軸承

1.定子水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

機(jī)座定子鐵心定子繞組定子鐵心：扇形硅鋼片疊成。鐵心在疊裝過程中將每層扇形片間接縫錯(cuò)開。厚度30~60mm留出一冷卻風(fēng)道。鐵心固定在機(jī)座內(nèi)圓支持筋上，機(jī)座外殼與鐵心外圓之間留有通風(fēng)道。鐵心內(nèi)圓均勻分布有槽，槽內(nèi)放置定子繞組。定子繞組：水輪發(fā)電機(jī)極數(shù)較多，每極每相槽數(shù)較小，為了改替電動(dòng)勢波形，廣泛采用分?jǐn)?shù)槽繞組。對于大容量的水輪發(fā)電機(jī)，為節(jié)省極間連接線．一般采用單匝波繞組，因此上、下層導(dǎo)線可用兩根線棒分別制造，嵌線后再連接起來。

1.定子水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)水輪發(fā)電機(jī)定子分段鐵心三峽電站發(fā)電機(jī)定子2.轉(zhuǎn)子凸極式，直徑大，軸向長度相對較短，整個(gè)轉(zhuǎn)子呈扁盤形。帶阻尼繞組的凸極同步機(jī)轉(zhuǎn)子

水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)三峽電站發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(1100t)

重792t、直徑為16.9m的1、2＃發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子葛洲壩大江電廠主發(fā)電機(jī)2.轉(zhuǎn)子水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)軸勵(lì)磁線圈轉(zhuǎn)子支架磁軛磁極2.轉(zhuǎn)子水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)大中型采用空心，高強(qiáng)度鋼鍛造而成。轉(zhuǎn)軸1-1.5mm鋼板沖片疊成。磁極采用絕緣扁銅線繞制，套裝在極上。勵(lì)磁繞組2.轉(zhuǎn)子水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)裝在極靴部位，減少并聯(lián)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子振蕩的振幅，中小容量電機(jī)磁極鐵心是整體的，一般無阻尼繞組。阻尼繞組磁軛是磁路的一部分，磁極固定在其圓柱表面，磁軛和轉(zhuǎn)子間用支架支撐。磁軛與支架2.轉(zhuǎn)子水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)導(dǎo)軸承：約束軸線位移和防止軸擺動(dòng)，承受徑向力。推力軸承：承受轉(zhuǎn)動(dòng)部分全部重量及軸向水推力，水輪機(jī)關(guān)鍵部件。軸承磁極與磁軛的連接凸極同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極與轉(zhuǎn)子繞組水輪發(fā)電機(jī)也有滑環(huán)、電刷、風(fēng)扇以及相應(yīng)的冷卻裝置。二、同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)電機(jī)——把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能

電動(dòng)機(jī)——把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能補(bǔ)償機(jī)——沒有有功功率的轉(zhuǎn)換，只發(fā)出或吸收無功功率

同步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，主要取決于定子合成磁場與轉(zhuǎn)子主磁場之間的夾角δ，δ稱為功率角

6.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)

NNoNoNoNNSoSoSSSSo主極主極發(fā)電機(jī)補(bǔ)償機(jī)電動(dòng)機(jī)同步電機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài)三、同步電機(jī)的勵(lì)磁方式直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁——直流勵(lì)磁機(jī)通常與同步發(fā)電機(jī)同軸，采用并勵(lì)或他勵(lì)接法。

如圖6—9所示

整流器勵(lì)磁————靜止式——如圖6-10旋轉(zhuǎn)式6.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)

額定容SN——指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的輸輔出功率

額定電壓UN——指額定運(yùn)行時(shí)定子的線電壓

額定電流IN——指額定運(yùn)行時(shí)定子的線電流

額定功率因數(shù)——指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的功率因數(shù)額定頻率fN——指額定運(yùn)行時(shí)電樞的頻率額定轉(zhuǎn)速nN——指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即為同步轉(zhuǎn)速

四、額定值6.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)

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空載運(yùn)行時(shí)，同步電機(jī)內(nèi)僅有由勵(lì)磁電流所建立的主極磁場。圖6—l1表示一臺(tái)四極電機(jī)空載時(shí)的磁通示意圖。從圖可見，主極磁通分成主磁通Φ0和漏磁通Φfσ兩部分，前者通過氣隙并與定子繞組相交鏈，后者不通過氣隙，僅與勵(lì)磁繞組相交鏈。主磁通所經(jīng)過的主磁路包括空氣隙電樞齒、電樞軛、磁極極身和轉(zhuǎn)子軛等五部分。6.2空載和負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的磁場一、空載運(yùn)行6.2空載和負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的磁場一、空載運(yùn)行（續(xù)）當(dāng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，主磁場將在氣隙中形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，在定子繞組內(nèi)感應(yīng)出對稱三相電動(dòng)勢（激磁電動(dòng)勢）

空載特性是同步電機(jī)的一條基本特性。如圖6—12所示二、對稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)電樞磁動(dòng)勢的基波在氣隙中所產(chǎn)生的磁場就稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)的性質(zhì)(增磁、去磁或交磁)取決于電樞磁動(dòng)勢和主磁場在空間的相對位置。分析表明，此相對位置取決于激磁電動(dòng)勢E0和扭載電流I之間的相角差Ψ0(Ψ0稱為內(nèi)功率因數(shù)角)。下面分成兩種情況來分析。。。。。

6.2空載和負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的磁場與同相時(shí)a)定子繞組電動(dòng)勢、電流和磁動(dòng)勢的空間矢量圖與同相時(shí)b)時(shí)間矢量圖與同相時(shí)c)時(shí)-空統(tǒng)一矢量圖與同相時(shí)d)氣隙合成磁場與主磁場的相對位置與不同相時(shí)

a)滯后于時(shí)的空間矢量圖與不同相時(shí)

b)滯后時(shí)的時(shí)-空統(tǒng)一矢量圖與不同相時(shí)

c)超前時(shí)得時(shí)-空統(tǒng)一矢量圖返回同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)物理量的關(guān)系：一、不考慮磁飽和時(shí)6.3隱極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖和等效電路在時(shí)間相位上，滯后于

以90°電角度，若不計(jì)定子鐵耗,

與同相位，則將滯后于以90°電角度于是亦可寫成負(fù)電抗壓降的形式，即采用發(fā)電機(jī)慣例，以輸出電流作為電樞電流的正方向時(shí)，電樞的電壓方程為

因?yàn)殡姌蟹磻?yīng)電動(dòng)勢Ea正比于電樞反應(yīng)磁通Φa不計(jì)磁飽和時(shí)，Φa又正比于電樞磁動(dòng)勢Fa和電樞電流I，即

(6—6)

(6—7)

將式(6—7)代人式(6—6)，可得

(6—8)

式中，Xs稱為隱極同步電機(jī)的同步電抗，Xs=Xa+Xσ，它是對稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)表征電樞反應(yīng)和電樞漏磁這兩個(gè)效應(yīng)的一個(gè)綜合參數(shù)。不計(jì)飽和時(shí)，Xs是一個(gè)常值。圖6—16a和b表示與式(6—6)和式(6—7)相對應(yīng)的相量圖，圖6—16c表示與式(6—7)相應(yīng)的等效電路。從圖6—16c可以看出，隱極同步發(fā)電機(jī)的等效電路由激磁電動(dòng)勢和同步阻抗Ra+jXs串聯(lián)組成，其中E0表示主磁場的作用，Xs表示電樞反應(yīng)和電樞漏磁場的作用?？紤]磁飽和時(shí)，由于磁路的非線性，疊加原理不再適用。此時(shí)，應(yīng)先求出作用在主磁路上的合成磁動(dòng)勢F，然后利用電機(jī)的磁化曲線

(空載曲線)求出負(fù)載時(shí)的氣隙磁通及相應(yīng)的氣隙電動(dòng)勢。二、考慮磁飽和時(shí)再從氣隙電動(dòng)勢減去電樞繞組的電阻和漏抗壓降，使得電樞的端電壓，即相應(yīng)的矢量圖、相量圖和F～E間的關(guān)系如圖6—17a和6—17b所示。圖6-17a中既有電動(dòng)勢相量，又有磁動(dòng)勢矢量。故稱為電動(dòng)勢—磁動(dòng)勢圖?；蚍祷乜紤]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)分別來處理的方法，就稱為雙反應(yīng)理論。凸極同步電機(jī)的氣隙是不均勻的，極面下氣隙較小，兩極之間氣隙較大，故直軸下單位面積的氣隙磁導(dǎo)λd(λd＝μ0／λd)要比交軸下單位面積的氣隙磁導(dǎo)λq(λq＝μ0／λq)大很多，如圖6—19a所示。當(dāng)正弦分布的電樞磁動(dòng)勢作用在直軸上時(shí)，由于λd較大，故在一定大小的磁動(dòng)勢下，直軸基波磁場的幅值Bad1相對較大。一、雙反應(yīng)理論6.4凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖不考慮磁飽和時(shí)同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)物理量的關(guān)系：二、凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖6.4凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖

從氣隙電動(dòng)勢云減去電樞繞組的電阻和漏抗壓降，便得電樞的端電壓。采用發(fā)電機(jī)慣例，電樞的電壓方程為：，

6-13不計(jì)磁飽和時(shí)

和可以用相應(yīng)的負(fù)電抗壓降來表示6-15將式(6-15)代入式(6-13)，并考慮，可得

式中，Xd和Xq分別稱為直軸同步電抗和交軸同步電抗，它們是表征對稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電樞漏磁和直軸或交軸電樞反應(yīng)的一個(gè)綜合參數(shù)。上式就是凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程。圖6-20表示與上式相對應(yīng)的相量圖。引入虛擬電動(dòng)勢，使可得6-18由式6-18相量圖如圖6-20所示。由圖6-21不難確定由式6-18可得凸極同步發(fā)電機(jī)的等效電路，如圖6-22所示。三、直軸和交軸同步電抗的意義由于電抗與繞組匝數(shù)的平方和所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)成正比，所以如圖6-23所示。對于凸極電機(jī)，由于直軸下的氣隙較交軸下小，>，所以Xad>Xaq，因此在凸極同步電機(jī)中，Xd>Xq。對于隱極電機(jī)，由于氣隙是均勻的，故Xd≈Xq≈Xs

例題返回

不考慮磁飽和時(shí)同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)物理量的關(guān)系：四、考慮磁飽和時(shí)Fd確定后，利用電機(jī)磁化曲線，即可查出Fd所產(chǎn)生的直軸氣隙磁通及其直軸氣隙電動(dòng)勢，交軸感生電動(dòng)勢總的氣隙電動(dòng)勢是直軸氣隙電動(dòng)勢與交軸電動(dòng)勢之和，即：考慮到把交軸電動(dòng)勢作為負(fù)電抗壓降來處理，可得6.5同步發(fā)電機(jī)的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程一、功率方程和電磁功率

功率方程

若轉(zhuǎn)子勵(lì)磁損耗由另外的直流電源供給，則發(fā)電機(jī)軸上輸入的機(jī)械功率Pl扣除機(jī)械損耗和定子鐵耗后，余下的功率將通過旋轉(zhuǎn)磁場和電磁感應(yīng)的作用，轉(zhuǎn)換成定子的電功率，所以轉(zhuǎn)換功率就是電磁功率Pe，即

(6-23)再從電磁功率Pe中減去電樞銅耗可得電樞端點(diǎn)輸出的電功率P2；即

(6-24)

電磁功率

從式(6—15)可知，電磁功率Pe為由圖6—27可見故同步電機(jī)的電磁功率亦可寫成上式的第一部分與感應(yīng)電機(jī)的電磁功率表達(dá)式相同，第二部分則是同步電機(jī)常用的。對于隱極同步電機(jī)，由于EQ＝E0，故有二、轉(zhuǎn)矩方程

把功率方程(6—14)除以同步角速度，可得轉(zhuǎn)矩方程

式中，T1為原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,Te為電磁轉(zhuǎn)矩,T0為空載轉(zhuǎn)矩，分別為：(6—27)返回6.6同步電機(jī)參數(shù)的測定一、用空載特性和短路特性確定Xd

空載特性可以用空載試驗(yàn)測出。試驗(yàn)時(shí)，電樞開路(空載)，用原動(dòng)機(jī)把被試同步電機(jī)拖動(dòng)到同步轉(zhuǎn)速，改變勵(lì)磁電流If，并記取相應(yīng)的電樞端電壓U0(空載時(shí)即等于E0，直到U0≈1.25UN左右，可得空載特性曲線。

短路特性可由三相穩(wěn)態(tài)短路試驗(yàn)測得，試驗(yàn)線路如圖6-24a所示。將被試同步電機(jī)的電樞端點(diǎn)三相短路，用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)被試電機(jī)到同步轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If使電樞電流I從零起一直增加到1.2IN左右，便可得到短路特性曲線，如圖6—24b所示。

短路時(shí)，，故，，而

所以

因?yàn)槎搪吩囼?yàn)時(shí)磁路為不飽和，所以這里的E0(每相值)應(yīng)從氣隙線上查出，如圖6—25所示，求出的Xd值為不飽和值。

(6—19)(6—20)

Xd的飽和值與主磁路的飽和情況有關(guān)。主磁路的飽和程度取決于實(shí)際運(yùn)行時(shí)作用在主磁路上的合成磁動(dòng)勢，因而取決于相應(yīng)的氣隙電動(dòng)勢；如果不計(jì)漏阻抗壓降，則可近似認(rèn)為取決于電樞的端電壓，所以通常用對應(yīng)于額定電壓時(shí)的Xd值作為其飽和值。為此，從空載曲線上查出對應(yīng)于額定端電壓UN時(shí)的勵(lì)磁電流If0，再從短路特性上查出與該勵(lì)磁電流相應(yīng)的短路電流，如圖6—26所示，這樣即可求出Xd(飽和)例題返回6.7同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性一、同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性包括外特性、調(diào)整特性和效率特性。

外特性——外特性表示發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，且勵(lì)磁電流和負(fù)載功率因數(shù)不變時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓與電樞電流之間的關(guān)系：即n＝nS，If=常值，cosφ=常值時(shí)，U=f(I)。

圖6—30

表示帶有不同功率因數(shù)的負(fù)載時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的外特性。

調(diào)整特性——調(diào)整特性表示發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、端電壓為額定電壓、負(fù)載的功率因數(shù)不變時(shí)，勵(lì)磁電流與電樞電流之間的關(guān)系；即n＝nS，U=UNΦ，cosφ=常值時(shí)，If=f(I)。

圖6—31表示帶有不同功率因數(shù)的負(fù)載時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性

效率特性——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(shí)，發(fā)電機(jī)的效率與輸出功率的關(guān)系；即n＝nS，U=UNΦ，cosφ=cosφN時(shí)，η=f(P2)。

返回6.7同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行為了提高供電的質(zhì)量和可靠性，多臺(tái)發(fā)電機(jī)及多個(gè)電廠并聯(lián)運(yùn)行。無限大電網(wǎng)的概念：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(gè)電廠內(nèi)又有多臺(tái)發(fā)電機(jī)在一起并聯(lián)運(yùn)行。并聯(lián)運(yùn)行：把發(fā)電機(jī)并聯(lián)到電網(wǎng)上運(yùn)行的運(yùn)行方式稱為并聯(lián)運(yùn)行。提高供電的質(zhì)量；并聯(lián)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)：提高供電的可靠性；提高供電的經(jīng)濟(jì)性。研究同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行問題，不僅具有理論意義，而且還有很大的實(shí)際意義。并聯(lián)投入的條件和方法：一、同步發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)的條件和方法同步發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)時(shí)，為了避免電機(jī)和電網(wǎng)中產(chǎn)生沖擊電流，以及由此在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生的沖擊轉(zhuǎn)距，待投入并聯(lián)的發(fā)電機(jī)應(yīng)當(dāng)滿足：1.投入并聯(lián)的條件（1）發(fā)電機(jī)的相序應(yīng)與電網(wǎng)一致；（2）發(fā)電機(jī)的頻率應(yīng)與電網(wǎng)相同；（3）發(fā)電機(jī)的激磁電動(dòng)勢應(yīng)與電網(wǎng)電壓大小相同，相位相同，分析：1）相序不同；2）頻率不同；3）電壓不同。第一個(gè)條件必須滿足，其余兩個(gè)條件允許有些差別。并連接線圖和向量圖如何才能達(dá)到這些條件？關(guān)于相序問題：一般大型同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和相序在出廠以前都已經(jīng)標(biāo)定。對于沒有表明轉(zhuǎn)向和相序的電機(jī)，可以利用相序指示器來確定。要使發(fā)電機(jī)的頻率、電壓與電網(wǎng)相同，分別調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流就可以達(dá)到。關(guān)于電動(dòng)勢的頻率和大小，發(fā)電機(jī)的頻率和勵(lì)磁電動(dòng)勢為：f＝pn1/60和E0＝4.44fN1kN10電動(dòng)勢的相位：可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的瞬時(shí)速度來調(diào)整。2.投入并聯(lián)的方法投入并聯(lián)所進(jìn)行的調(diào)節(jié)和操作過程稱為整步。實(shí)用的整步方法有兩種：準(zhǔn)確整步法和自然整步法準(zhǔn)確整步法：把發(fā)電機(jī)調(diào)整到完全合乎投入并聯(lián)的條件，然后投入電網(wǎng)。判斷是否滿足投入并聯(lián)的條件方法采用同步指示器最簡單的同步指示器由三個(gè)指示燈組成，可以有兩種接法：直接接法和交叉接法。直接法是把三個(gè)同步指示燈分別跨接在電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的對應(yīng)相之間，即接在

之間。（1）直接接法燈光明滅的直接連接法起動(dòng)原動(dòng)機(jī)，使其轉(zhuǎn)速接近同步速；調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)的電壓接近電網(wǎng)電壓。頻率：調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，到三個(gè)燈的亮度不再閃爍或閃爍頻率很低時(shí)，就表示f’≈f。電壓的大小：調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓相等。電壓的相位：燈滅且UAA’=0時(shí)即可合閘投入并聯(lián)。條件檢查相序：燈光同時(shí)明暗，說明相序正確。(2)交叉接法交叉接法是把三個(gè)同步指示燈分別跨接在電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的

之間。燈光旋轉(zhuǎn)的交叉連接法起動(dòng)原動(dòng)機(jī)，使其轉(zhuǎn)速接近同步速；調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)的電壓接近電網(wǎng)電壓。頻率：調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，到燈光旋轉(zhuǎn)速度很低時(shí)，就表示f’≈f。電壓的大?。赫{(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓相等。電壓的相位：A相燈滅且BC相等亮度相同時(shí)，即可合閘投入并聯(lián)。條件檢查相序：燈光旋轉(zhuǎn)，說明相序正確。自整步法準(zhǔn)確整步法的優(yōu)點(diǎn)是投入瞬間電網(wǎng)和電機(jī)沒有（或很少）沖擊；缺點(diǎn)是整步手續(xù)比較復(fù)雜，時(shí)間長，不能滿足快速并網(wǎng)要求。校驗(yàn)發(fā)電機(jī)的相序；勵(lì)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；并網(wǎng)；加勵(lì)磁電流。自整步法二、同步發(fā)電機(jī)與大電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的功角特性功角特性當(dāng)E0和U保持不變時(shí)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電磁功率與功率角之間的關(guān)系Pem＝f()稱為功角特性。設(shè)法消去Id和Iq凸極機(jī)功角特性曲線為基本電磁功率基本電磁功率與勵(lì)磁電動(dòng)勢成正比，與端電壓成正比，與功角的正弦成正比，與直軸同步電抗成反比。當(dāng)時(shí)，達(dá)到最大值。附加電磁功率與勵(lì)磁電動(dòng)勢（電流）的大小無關(guān)，且僅當(dāng)時(shí)才存在，它是由凸極效應(yīng)（即交、直軸磁阻不相等）所引起，故亦稱為磁阻功率。在隱極同步電機(jī)中附加電磁功率等于零。當(dāng)時(shí)達(dá)到最大值。稱為附加電磁功率總的電磁功率，發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，在為45°~90°之間達(dá)到最大值Pe(max),其具體位置和數(shù)值視Pe1(max)和Pe2(max)的相對大小而定。對于隱極電機(jī)，由于Xd＝Xq＝Xs，附加電磁功率為零，故Pe就等于基本電磁功率對于凸極電機(jī)，電磁功率Pe亦可以寫成要注意，式中的EQ為虛擬電動(dòng)勢，EQ本身也是功角的函數(shù)。功率角的空間含意功率角亦可近似的看作是合成磁場滯后空載磁場的角度。功角的空間含義[例18-1]有一臺(tái)70000kVA、13.8kV（Y接）、cos=0.85（滯后）的三相水輪發(fā)電機(jī)直接與電網(wǎng)相接，已知電機(jī)參數(shù)為：Xd＝2.272，Xq=1.90,電樞電阻忽略不計(jì)。試求額定負(fù)載時(shí)發(fā)電機(jī)的功率角和激磁電動(dòng)勢(不計(jì)磁飽和)。額定相電壓額定相電流解：先按算出額定負(fù)載時(shí)的角三、有功功率的調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定1.有功功率的調(diào)節(jié)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(shí)有功功率的調(diào)節(jié)。為簡化分析，略去電樞電阻和磁飽和的影響。準(zhǔn)確整步法并網(wǎng)時(shí)，，功率角＝0有功功率的調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)距Tem0，發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)上處于空載狀態(tài)；原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩僅用于克服發(fā)電機(jī)的空載阻轉(zhuǎn)矩。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)節(jié)原動(dòng)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(shí)現(xiàn)。原動(dòng)機(jī)的功率增加時(shí)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1也增大，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子加速，于是與轉(zhuǎn)子主磁場相對應(yīng)的電動(dòng)勢E0將超前于電網(wǎng)電壓U以角。根據(jù)功角特性，此時(shí)發(fā)電機(jī)將向電網(wǎng)輸出一定的有功功率P2。同時(shí)轉(zhuǎn)子上將受到一個(gè)制動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩Tem，使驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)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(shí)發(fā)電機(jī)已處于負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，如圖中的A點(diǎn)所示。隱極機(jī)功角特性曲線由此可見，要增加發(fā)電機(jī)的輸出有功功率，必須增加原動(dòng)機(jī)的輸出功率，使功率角增大，電磁功率和輸出功率便會(huì)相應(yīng)的增加；直到＝90°時(shí)，電磁功率達(dá)到最大值Pem（max）。在電機(jī)的最大功率增大到Pem（max）時(shí)，不能再增加輸入功率。否則驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不能實(shí)現(xiàn)平衡，發(fā)電機(jī)將會(huì)失去同步。2.靜態(tài)穩(wěn)定穩(wěn)態(tài)運(yùn)行于某一工作點(diǎn)的同步發(fā)電機(jī)，當(dāng)外界（電網(wǎng)或原動(dòng)機(jī)）發(fā)生微小的擾動(dòng)時(shí)，工作點(diǎn)發(fā)生偏移，擾動(dòng)消失后，發(fā)電機(jī)能回到原先狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行，稱為同步發(fā)電機(jī)靜態(tài)是穩(wěn)定的；否則是靜態(tài)不穩(wěn)定的。正常工作于A點(diǎn)或B點(diǎn)，看發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行情況。整步功率和靜態(tài)穩(wěn)定當(dāng)<90°時(shí)，發(fā)電機(jī)是靜態(tài)穩(wěn)定的。達(dá)到靜態(tài)穩(wěn)定極限。當(dāng)＝90°時(shí)當(dāng)>90°時(shí)，發(fā)電機(jī)就變?yōu)椴环€(wěn)定。3.整步功率系數(shù)功率角越接近90°越小，發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定程度也越低以隱極電機(jī)為例，說明同步發(fā)電機(jī)與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)無功功率的調(diào)節(jié)。忽略電樞電阻，原動(dòng)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(lì)磁前后，發(fā)電機(jī)的電磁功率和輸出的有功功率均應(yīng)近似的保持不變。1.無功功率的調(diào)節(jié)四、無功功率的調(diào)節(jié)和U形曲線不同勵(lì)磁電流時(shí)的相量圖欠勵(lì)正常過勵(lì)正常勵(lì)磁cos=1過勵(lì)加大勵(lì)磁電流，電樞電流將滯后于電網(wǎng)電壓。欠勵(lì)減小勵(lì)磁電流，電樞電流將超前于電網(wǎng)電壓。調(diào)節(jié)勵(lì)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(dòng)勢平衡關(guān)系來解釋