第4章 同步電機(jī)(徐)

04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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1第五節(jié)同步電機(jī)的基本特性第四章同步電機(jī)第二節(jié)同步電機(jī)的基本作用原理第三節(jié)同步電機(jī)的基本構(gòu)造第四節(jié)同步電機(jī)的基本分析方法第一節(jié)同步電機(jī)的基本功能及用途第四章同步電機(jī)第二節(jié)同步電機(jī)的基本作用原理第三節(jié)同步電機(jī)的基本構(gòu)造第五節(jié)同步電機(jī)的基本特性第一節(jié)同步電機(jī)的基本功能及用途第四節(jié)同步電機(jī)的基本分析方法第六節(jié)同步發(fā)電機(jī)的不對稱運行第六節(jié)同步發(fā)電機(jī)的不對稱運行04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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2本章基本要求4.理解同步電機(jī)電樞反應(yīng)的物理概念，掌握電樞反應(yīng)的性質(zhì)與哪些因素有關(guān)；5.熟練掌握同步發(fā)電機(jī)的電壓平衡方程式和相應(yīng)的相量圖的畫法。熟練掌握同步發(fā)電機(jī)的功角特性。

9.了解同步電動機(jī)和同步調(diào)相機(jī)的工作原理。6.了解同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩方程式、工作特性。8.掌握同步發(fā)電機(jī)有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)。7.了解同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運行的條件及其整步方法。1.了解同步電機(jī)的構(gòu)造，特別注意同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式。2.了解同步電機(jī)的工作原理、分類。3.熟練掌握同步電機(jī)的額定值的計算。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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3同步電機(jī)和直流電機(jī)、異步電機(jī)一樣，也是根據(jù)電磁感應(yīng)原理而工作的一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)，它是交流電機(jī)。第一節(jié)同步電機(jī)的基本功能及用途同步電機(jī)主要用作發(fā)電機(jī)，現(xiàn)在全世界的發(fā)電量幾乎都是由同步發(fā)電機(jī)發(fā)出，對于需要直流電流的地方，如今的趨勢也多從交流通過整流裝置而獲得。異步電動機(jī)因結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠而得到廣泛應(yīng)用，但它需從電網(wǎng)上吸取滯后的無功電流作為勵磁電流，使電網(wǎng)功率因數(shù)降低，發(fā)電站的裝機(jī)容量得不到充分利用；當(dāng)同步電機(jī)作為電動機(jī)時，可通過調(diào)節(jié)其勵磁電流來改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，因此對于不需調(diào)速的大型電動機(jī)，一般采用同步電動機(jī)。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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4同步電機(jī)的基本類型同步電機(jī)可以按運行方式和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類。1.按運行方式和功率轉(zhuǎn)換方式同步電機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能發(fā)電機(jī)電動機(jī)調(diào)相機(jī)專門用來調(diào)節(jié)電網(wǎng)的無功功率，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)2.按結(jié)構(gòu)形式同步電機(jī)小容量同步電機(jī)中得到某些應(yīng)用旋轉(zhuǎn)電樞式旋轉(zhuǎn)磁極式應(yīng)用比較廣泛，并成為同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)形式04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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5按照磁極的形狀又可分為隱極式和凸極式氣隙特性轉(zhuǎn)子形狀結(jié)構(gòu)特性采用條件實例凸極式不均勻，極弧底下氣隙較小，極間部氣隙較大圓柱形結(jié)構(gòu)制造簡單n1≤1500r/min（2p≥4）水輪發(fā)電機(jī)，同步電動機(jī)及由內(nèi)燃機(jī)拖動的同步發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)隱極式均勻圓柱形轉(zhuǎn)速較高汽輪機(jī)NS+－3~×3~·····×××××+－NS04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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6勵磁機(jī)發(fā)電機(jī)水輪機(jī)臥式、立式。按原動機(jī)的不同：汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)。按安裝方式的不同：04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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7三峽電站首臺機(jī)組安裝04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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8水力發(fā)電廠04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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9火力發(fā)電廠勵磁機(jī)發(fā)電機(jī)汽輪機(jī)04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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10燃燒室燃料鍋爐的爐膛循環(huán)水汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)3000r/min升壓變壓器超熱高壓蒸汽電能輸出電能的產(chǎn)生04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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11第二節(jié)同步電機(jī)的基本作用原理一、同步發(fā)電機(jī)的工作原理同步電機(jī)定子上有AX、BY、CZ三相對稱繞組，轉(zhuǎn)子上有磁極。如圖所示。BYZCAXNS定子+Uf－If轉(zhuǎn)子勵磁繞組如用原動機(jī)拖動發(fā)電機(jī)沿順時針方向恒速旋轉(zhuǎn)，則磁極的磁力線將切割定子繞組的導(dǎo)體，在定子導(dǎo)體中就會感應(yīng)出交變電勢；設(shè)主極磁場的磁密沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布，則導(dǎo)體內(nèi)電勢也隨時間按正弦規(guī)律變化。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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12設(shè)A相電勢的初相位為零，則三相電勢的瞬時值為二、電勢頻率的確定當(dāng)轉(zhuǎn)子為一對極時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周，繞組中的感應(yīng)電勢正好交變一次，當(dāng)電機(jī)中有p對極時，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周，繞組中的感應(yīng)電勢變化p次，而轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)n圈，因此電勢的頻率為如果作為電動機(jī)運行，則需要在定子繞組中通過三相交流電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，磁場轉(zhuǎn)速三、同步電動機(jī)的工作原理04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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13這時轉(zhuǎn)子繞組加上直流勵磁，則轉(zhuǎn)子將在定子旋轉(zhuǎn)磁場的帶動下，沿定子磁場的旋轉(zhuǎn)方向以相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。四、同步電機(jī)的特點:（1）轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n與電網(wǎng)頻率f之間具有固定不變的關(guān)系，轉(zhuǎn)速n稱為同步轉(zhuǎn)速。（2）若電網(wǎng)的頻率不變，則同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒為常值而與負(fù)載的大小無關(guān)。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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14第三節(jié)同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)2.轉(zhuǎn)子(隱極式)由硅鋼片疊成。對稱三相繞組。①定子鐵心：②定子繞組：③機(jī)座和端蓋等。①轉(zhuǎn)子鐵心：由整塊鑄（鍛）鋼制成。②勵磁繞組：工作時施加直流勵磁。③阻尼繞組和轉(zhuǎn)軸等。阻尼繞組1.定子（電樞）

轉(zhuǎn)子(凸極式)磁極、磁軛、轉(zhuǎn)子支架、阻尼繞組等組成04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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15一、隱極同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1.定子隱極同步電機(jī)都采用臥式結(jié)構(gòu)隱極式的定子與異步電機(jī)的基本相同。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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16汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

定子鐵心04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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1704二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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182.轉(zhuǎn)子：由轉(zhuǎn)子鐵心、勵磁繞組、護(hù)環(huán)、中心環(huán)、滑環(huán)及風(fēng)扇等部件組成。轉(zhuǎn)子鐵心的材料：既要求有良好的導(dǎo)磁性能，又需要有很高的機(jī)械強(qiáng)度，一般都采用整塊的高機(jī)械強(qiáng)度和良好導(dǎo)磁性能的合金鋼鍛成，與轉(zhuǎn)軸鍛成一個整體。沿轉(zhuǎn)子鐵心表面銑有槽以放置勵磁繞組。在一個極距內(nèi)約有1/3部分沒有開槽，叫大齒。大齒的中心實際上就是磁極中心。勵磁繞組：是由扁銅線繞成的同心式線圈。由于隱極電機(jī)轉(zhuǎn)速很高，因此勵磁繞組在槽內(nèi)需用不導(dǎo)磁高強(qiáng)度的硬鋁槽楔壓緊。端部套上用高強(qiáng)度非磁性鋼鍛成的護(hù)環(huán)。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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1904二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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20汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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22凸極同步電機(jī)臥式結(jié)構(gòu)立式結(jié)構(gòu)除立式結(jié)構(gòu)外的絕大多數(shù)的凸極同步電機(jī)低速、大容量的水輪發(fā)電機(jī)和大型水泵用的同步電動機(jī)推力軸承裝在轉(zhuǎn)子上邊的上機(jī)架上，整個轉(zhuǎn)子是以一種懸吊狀態(tài)轉(zhuǎn)動推力軸承裝在轉(zhuǎn)子下邊的機(jī)架上，整個轉(zhuǎn)子是以一種被托架著的狀態(tài)轉(zhuǎn)動懸式傘式懸式傘式1－推力軸承2－導(dǎo)軸承二、凸極同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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23運轉(zhuǎn)時機(jī)械穩(wěn)定性機(jī)組的軸向高度采用條件懸式好大轉(zhuǎn)速較高的電機(jī)（150r/min以上）傘式差小，廠房的高度和造價低轉(zhuǎn)速較低的電機(jī)（125r/min以下）1.定子定子結(jié)構(gòu)一般和隱極同步電機(jī)相同。大容量的水輪發(fā)電機(jī)，由于定子直徑太大，通常把它分成幾瓣，分別制造后，再運到電站拼裝成一整體。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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24發(fā)電機(jī)定子總裝配發(fā)電機(jī)定子鐵芯04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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25定子繞組設(shè)計為三相雙層波形繞組，每相5支路并聯(lián)，共1080根羅貝爾線棒組成。繞組輪換數(shù)為1—8—14，每極每相槽數(shù)為9/4，合成節(jié)距為13發(fā)電機(jī)定子總裝04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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26發(fā)電機(jī)定子總裝配

發(fā)電機(jī)定子繞組04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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272.轉(zhuǎn)子凸極同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子主要由磁極、勵磁繞組、阻尼繞組和轉(zhuǎn)軸組成。磁極：由厚1-1.5mm的鋼板沖成磁極沖片，用鉚釘裝成一體，磁極上套裝有勵磁繞組。勵磁繞組：由扁銅線繞成，各勵磁繞組串聯(lián)后接到集電環(huán)上。磁極的極靴上一般還裝有阻尼繞組。阻尼繞組：由插入極靴阻尼槽內(nèi)的裸銅條和端部銅環(huán)焊接而成。磁極固定在磁軛上，磁軛常用整塊鋼板或鑄鋼做成。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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28水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（10000kW）04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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29左江24MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在吊裝04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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30發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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31發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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32三、冷卻問題簡述在中、小型電機(jī)中，都采用空氣作為冷卻介質(zhì)。當(dāng)電機(jī)的容量很大時，電機(jī)內(nèi)部的損耗及發(fā)熱量迅速增加，冷卻問題顯得格外重要，此時必須加強(qiáng)通風(fēng)或采用其他的冷卻方式。在大型汽輪發(fā)電機(jī)中，為了提高其冷卻效率，往往用氫氣冷卻，但氫氣與空氣混合后，有爆炸危險，必須有一套控制設(shè)備來保證外界空氣不會滲入到電機(jī)內(nèi)部。目前在更大容量的發(fā)電機(jī)中，可以采用導(dǎo)線內(nèi)部直接冷卻。例如采用空心導(dǎo)體，冷卻介質(zhì)直接在導(dǎo)體中流通而把熱量帶走，這樣能更有效地降低電機(jī)的溫升。所采用的冷卻介質(zhì)一般有氫氣及水等。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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33四、同步電機(jī)的勵磁方式(1)直流勵磁機(jī)勵磁勵磁繞組由小型直流發(fā)電機(jī)供電。(2)靜止整流器勵磁交流勵磁機(jī)→整流→直流電(3)旋轉(zhuǎn)整流器勵磁交流勵磁機(jī)→整流→直流電→勵磁繞組。電刷集電環(huán)勵磁繞組。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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34五、同步電機(jī)的額定值及主要系列（一）同步電機(jī)的額定值1.額定容量SN（單位為kV·A）或額定功率PN（單位為kW）指輸出功率的保證值。對同步發(fā)電機(jī)來說，額定容量SN是指出線端的額定視在功率，一般以kVA或MVA為單位；而額定功率PN是指發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率，單位為kW或MW；對同步電動機(jī)PN是指軸上輸出的機(jī)械功率，單位為kW或MW；對同步調(diào)相機(jī)則用線端的額定無功功率來表示其容量，單位kVar、MVar。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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352.額定電壓UN：是指額定運行時加在定子的三相線電壓，單位V或kV；3.額定電流IN：是指額定運行時流過定子的線電流，單位A；4.額定功率因數(shù)cosN,電機(jī)額定運行時的功率因數(shù)；5.額定效率N：電機(jī)額定運行時的效率；6.額定頻率fN

我國標(biāo)準(zhǔn)工頻為50Hz；7.額定勵磁電壓UfN和額定勵磁電流IfN；8.額定溫升。對發(fā)電機(jī)來說對電動機(jī)來說04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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36（二）同步電機(jī)的主要系列1.TF—三相同步發(fā)電機(jī)；T—同步；F—發(fā)電機(jī)2．QFQ、QFN、QFS—不同冷卻方式的同步發(fā)電機(jī)QF—汽輪發(fā)電機(jī)，第三個字母表示冷卻方式Q—氫外冷，N—氫內(nèi)冷，S—雙水內(nèi)冷。例QFN—100—23.TS—三相同步水輪發(fā)電機(jī)，T—同步，S—水輪；TS1264/160—48表示三相同步水輪發(fā)電機(jī)；定子鐵心外徑為1264cm，鐵心長160cm，極數(shù)為48，即n=125rpm。4.TD—三相同步電動機(jī)；D—電動機(jī)5.TT—三相同步調(diào)相機(jī)，第二個T表示調(diào)相機(jī)。表示容量為100MW的2極的氫內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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37第四節(jié)同步發(fā)電機(jī)的基本分析方法一、同步電機(jī)的運行用原理1.兩種旋轉(zhuǎn)磁場當(dāng)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ns，旋轉(zhuǎn)方向是從電流超前的相轉(zhuǎn)向電流滯后的相，當(dāng)某相電流達(dá)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(jī)無論作為發(fā)電機(jī)運行還是作為電動機(jī)運行，和異步電機(jī)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。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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38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(jī)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(jī)把轉(zhuǎn)子帶到同步轉(zhuǎn)速，就像同步電機(jī)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(jī)械旋轉(zhuǎn)磁場。同步發(fā)電機(jī)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(fù)載的情況下，兩種旋轉(zhuǎn)磁場均存在。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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39在同步電機(jī)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(jī)的運行方式同步電機(jī)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(jī)的運行情況：如轉(zhuǎn)子磁場在前，則當(dāng)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(jī)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(jī)運行情況。2.同步電機(jī)的作用力04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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404.同步電機(jī)的電路方程及等效電路在正常運行時，同步電機(jī)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(jī)要比變壓器或異步電機(jī)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(jī)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(jī)各物理量的正方向規(guī)定如圖所示。同步發(fā)電機(jī)等效電路如圖所示。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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41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(jī)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(jī)的實際情況。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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42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(jī)作為發(fā)電機(jī)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(jī)作為電動機(jī)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(jī)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(dāng)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(dāng)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；04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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43電樞（定子）：I1(Fa

)=0轉(zhuǎn)子每極磁通：Φ0

空載電動勢：E0

=4.44f1

kw1

N1Φ0

或電樞相電壓：U0P

=E0電樞線電壓（Y形聯(lián)結(jié)）：E0

=－j4.44f1kw1

N1Φ0U0L

=√3E0E0

的頻率：f1

=pn60二、同步電機(jī)的空載運行

同步發(fā)電機(jī)被原動機(jī)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。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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44三、同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)

空載時，同步電機(jī)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(dāng)定子繞組接上對稱的負(fù)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(fù)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(fù)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。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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45對稱負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)載時測到的是電壓。為什么？04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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46AXBYZCNSn當(dāng)

=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(dá)到最大值。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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47AXBYZCNSnFfFaF三相電流聯(lián)合產(chǎn)生的電樞磁勢的基波振幅便落在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。qd04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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48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。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。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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49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。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(dāng)相量與該軸重合時，正弦量達(dá)到最大值。相軸：繞組的軸線。當(dāng)某相電流達(dá)到最大值時，旋轉(zhuǎn)磁勢的幅值就落在該相繞組的軸線上。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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50(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(dāng)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。當(dāng)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。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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51FaF0IaEE0EaFf=0時的時—空相量圖就是說A相電流達(dá)到最大值時，轉(zhuǎn)子已向前轉(zhuǎn)過90o。（二）當(dāng)E0超前I90o（=90o）時的電樞反應(yīng)當(dāng)=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。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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52AXBYZCNSnFfFaFAXBYZCNSn04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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53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(dāng)E0滯后I90o（=-90o）時的電樞反應(yīng)當(dāng)=-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(jī)叫做過激狀態(tài)的同步電機(jī)。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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54就是說A相電流達(dá)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。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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55可見=-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(dá)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(dá)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(jī)叫做欠激狀態(tài)的同步電機(jī)。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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56當(dāng)A相電流達(dá)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)。Fad04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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57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04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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58（五）電樞反應(yīng)的重要性電樞反應(yīng)是同步電機(jī)負(fù)載運行時重要的物理現(xiàn)象，它不僅是引起負(fù)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(fù)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(fù)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；04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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59AXBYZCNS=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(jī)要輸出有功功率，原動機(jī)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；04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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60AXBYZCNS=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(qiáng)，所產(chǎn)生的阻力矩也就越大，原動機(jī)要輸入更大的能量才能克服電磁阻力矩，以維護(hù)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變。當(dāng)=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；04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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61所以，為了維持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，必須隨負(fù)載的有功分量變化調(diào)節(jié)原動機(jī)的輸入功率；為了維護(hù)發(fā)電機(jī)端電壓不變，必須隨著負(fù)載無功分量的變化，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的勵磁電流。

為維護(hù)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(dāng)發(fā)電機(jī)供給純感性和純?nèi)菪詿o功功率負(fù)載時，并不需要原動機(jī)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；04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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62四、隱極式同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖（一）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(jī)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)04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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63E0EaE

＋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。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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64E0=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。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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65若已知電機(jī)的參數(shù)、負(fù)載的大小和性質(zhì)，作相量圖。并設(shè)：

U

=U0o。（二）相量圖UIraIjxs

IE0各種情況下的相量圖如下圖所示。需要強(qiáng)調(diào)指出：只有當(dāng)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(dāng)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。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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66(c)電容性(a)電感性(b)電阻性UIraIjxs

IE0UIraIjxs

IE0UIraIjxs

IE0UIjxs

IE0UIjxs

IE0

忽略ra

時：UIjxs

IE004二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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67根據(jù)相量圖也可以計算出E0的值UIraIjxs

IE004二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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68五、凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖凸極同步電機(jī)的特點：氣隙不均勻，直軸氣隙小，交軸氣隙大。相同大小的磁樞磁動勢作用于不同的氣隙位置時，產(chǎn)生不同的磁密。采用雙反應(yīng)理論分析凸極同步電機(jī)。（一）雙反應(yīng)理論

04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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69作用于直軸作用于交軸直軸電樞反應(yīng)磁場Bad1交軸電樞反應(yīng)磁場Baq1實際上，前面考慮電樞磁場的去磁、助磁及交磁時，已涉及這一問題，那時沒考慮各分量磁動勢所對應(yīng)的氣隙磁密的差異。當(dāng)電樞磁動勢作用于交、直軸間的任意位置時，可將之分解成直軸分量和交軸分量，先分別求出直、交軸電樞反應(yīng)，最后再把它們的效果疊加起來——雙反應(yīng)理論。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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70若Ff、Fad和Faq幅值相同，但產(chǎn)生的基波磁密明顯不同。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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71（二）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

→E等效電路如圖E0EadEaqEra＋U－I由圖可得04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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72不計飽和時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。所以若把漏抗壓降也分成交軸和直軸分量04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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73代入上式得xq=xaq+xxd=xad+x它表征：當(dāng)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(jī)的交軸和直軸同步電抗。由于氣隙不均勻，凸極式同步電機(jī)有兩個同步電抗。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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74（二）相量圖

根據(jù)電路方程、負(fù)載的大小和性質(zhì)、電機(jī)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04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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75相量圖的實際做法

根據(jù)電路方程、負(fù)載的大小和性質(zhì)、電機(jī)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，兩者不相等。線段NQ的長度為因為xd>xq所以E0>EQ（感性）04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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76UIraIjxqIEQjxdIdE0jxqIqUIraIjxqIEQjxdIdjxqIqE0UIraIjxqIEQjxdIdjxqIqE0(c)電容性(a)電感性(b)電阻性

忽略ra

時UIjxqIEQjxdIdE0jxqIqUIjxqIEQjxdIdjxqIqE0UIjxqIEQjxdIdjxqIqE004二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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77

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04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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78例：某三相同步發(fā)電機(jī)，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：04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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79第五節(jié)同步發(fā)電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩和功角特性一、功率平衡(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＋pmec＋padPe

=P1－p0pCu=3raI2P2=Pe－pcua=3UIcosP1

=p0＋Pe=pFe＋pmec＋pad＋pCua＋P2

04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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80(7)功率流程圖和效率P1p0PepCuP2=×100%P2P1二、轉(zhuǎn)矩(1)輸入轉(zhuǎn)矩(2)空載轉(zhuǎn)矩(3)電磁轉(zhuǎn)矩(4)轉(zhuǎn)矩方程T1=P1ΩsT0

=p0ΩsTe

=PeΩsT1=Te

+T0=P1n602=p0n602=Pen60204二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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81三、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Pe與功率角的關(guān)系，即Pe=f()。同步電機(jī)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(jī)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(jī)的基本變量一樣，對于并聯(lián)運行于電網(wǎng)的同步電機(jī)來說，功率角是它的一個基本物理量。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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821.隱極式同步發(fā)電機(jī)的功角特性Pe

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

IE0COABPe

=3sinUE0xs得所以O(shè)Pe

90o

Pmax電磁功率和功率角之間是一個正弦關(guān)系，如圖所示。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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83※當(dāng)=90o時:

Pe

=Pmax功率表達(dá)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(jī)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(fù)載情況下，如要減少N就必須減小同步電抗xs。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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84只有增大氣隙，同步電抗才能減少，但增大電機(jī)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(jī)的過載能力一般不小于1.5。2.凸極式同步發(fā)電機(jī)的功角特性如果忽略電樞電阻，則有

Pe

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

xq

Iq

=Usinxd

Id

=E0－Ucos04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

制作

85UsinxqIq

=E0－UcosxdId

=所以UIjxqIEQjxdIdE0jxqIqNOGIdIqPe=3UIqcos＋3UIdsinUsinxq

=3U

cosE0－

Ucosxd+3U

sinPe3UE0xd

=sin1xq＋

(

－

)

sin23U221xdPe=Pe'

＋

Pe"04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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86

討論：①3UE0xd

Pe'=sinPe'∝E0，當(dāng)轉(zhuǎn)子有勵磁即If≠0時存在。

②1xqPe"=(

－

)

sin2

3U221xdPe"是由于xd≠xq

而引起的，與If

是否存在無關(guān)。

結(jié)論：①Pe"使Pmax。②Pmax

產(chǎn)生在＜90o

處。③功角特性不再是正弦波?！倦姶殴β?。—附加電磁功率。OPe

90o

PmaxPe'Pe"04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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87例：一臺xd*=0.8、xq*=0.5的凸極式同步發(fā)電機(jī)，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）Pe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(biāo)么值為04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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88代入數(shù)據(jù)得為求得Pmax，令，求Pe=Pmax時的角，即

令上式變?yōu)?4二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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89由于所以即解之：(舍去)所以(3)過載能力04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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90第七節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運行特性同步發(fā)電機(jī)的對稱運行是指電機(jī)轉(zhuǎn)速為額定值且保持恒定，并供給三相對稱負(fù)載時的一種穩(wěn)態(tài)運行方式。同步發(fā)電機(jī)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(jī)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(fù)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(jī)的基本特性。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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91OUIcos=0.8(＞0)cos=0.8(＜0)cos=1UNINU%

=×100%E0－UNPUNP同步發(fā)電機(jī)的運行特性當(dāng)n=ns，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ns、cosN、IfN

時，一、外特性04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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92同步發(fā)電機(jī)的運行特性為了使同步發(fā)電機(jī)的端電壓不隨負(fù)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(jī)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(fù)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(jī)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(jī)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(jī)的U%大體在18%~30%以內(nèi)；汽輪發(fā)電機(jī)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）。

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93二、調(diào)節(jié)特性保持n=ns、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(fù)載，為補(bǔ)償電樞反應(yīng)的去磁作用及電樞漏阻抗壓降，隨著負(fù)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(fù)載時，隨著負(fù)載的增加，必須減少勵磁電流，以維持端電壓恒定。同步發(fā)電機(jī)的運行特性04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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94第八節(jié)同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運行一、并聯(lián)運行優(yōu)點可以根據(jù)負(fù)載的變化來調(diào)節(jié)投入運行的機(jī)組數(shù)目，提高機(jī)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(jī)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(dá)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(qiáng)大的電網(wǎng)，因此負(fù)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。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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95同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運行二、并聯(lián)運行的條件同步發(fā)電機(jī)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(jī)受到損壞，電力系統(tǒng)受到嚴(yán)重干擾，應(yīng)滿足下列條件：1.發(fā)電機(jī)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(jī)電壓的頻率應(yīng)與電網(wǎng)的頻率相等。3.對三相發(fā)電機(jī)，還要求其相序和電網(wǎng)相一致。4.發(fā)電機(jī)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(jī)時，根據(jù)發(fā)電機(jī)規(guī)定的轉(zhuǎn)向，確定發(fā)電機(jī)的相序得到滿足。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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96同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運行第4條在制造發(fā)電機(jī)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△U04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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97UAUBUC(3)相序一致如果相序不一致，則△UA=

0△UB=UB－UB△UC=UC－UCUAUBUC△UB△UC同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運行若波形不同，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(jī)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(jī)和電網(wǎng)均不利。(4)波形相同04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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98同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運行三、并聯(lián)投入方法把同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)至電網(wǎng)所進(jìn)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(zhǔn)整和自整步法。（一）準(zhǔn)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)，這種方法稱為準(zhǔn)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(jī)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(jī)對應(yīng)的相電壓之差。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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99同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運行當(dāng)待并車的發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)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。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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100同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運行于是同步指示燈的燈光便忽亮忽暗地閃爍。當(dāng)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(jī)的轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)電勢的頻率，盡可能接近電網(wǎng)的頻率。若發(fā)電機(jī)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(jī)的頻率f。UCUAUBUAUBUCUAUBUC△U△U△UUAUBUCUAUBUCUAUBUC△U△U△U04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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101同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運行應(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(jī)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(jī)與電網(wǎng)相差的頻率。調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)原動機(jī)的轉(zhuǎn)速使燈光明暗頻率很低時，就可以準(zhǔn)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。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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102同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運行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(jī)的頻率f。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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103同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運行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)。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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104同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運行如果發(fā)電機(jī)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(dāng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使燈光旋轉(zhuǎn)速度變得很低，就可準(zhǔn)備合閘。當(dāng)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(jī)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(dāng)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。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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105同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運行（二）自整步法準(zhǔn)整步法并車的優(yōu)點是能使新投入的發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)不受或僅受輕微沖擊，但其裝置比較復(fù)雜。當(dāng)電網(wǎng)出了事故，例如大容量機(jī)組因故障突然退出運行而要求重新起動一臺機(jī)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(zhǔn)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(jī)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(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升到接近同步轉(zhuǎn)速時，先合上開關(guān)，將發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)，接著立即加上勵磁；即可利用電機(jī)的“自整步作用”使它迅速被牽入同步。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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106同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運行此法優(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(jī)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(jī)為隱極機(jī)，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(jī)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(jī)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(fù)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(rèn)為電網(wǎng)電壓U=常數(shù)，電網(wǎng)頻率f=常數(shù)。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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107（一）有功功率的調(diào)節(jié)增加輸入機(jī)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剩碢1-p0=Pe，發(fā)電機(jī)開始輸出有功功率。要改變發(fā)電機(jī)輸出的有功功率，必須相應(yīng)地改變由原動機(jī)輸入的機(jī)械功率。發(fā)電機(jī)整步過程結(jié)束處在空載運行狀態(tài)，發(fā)電機(jī)的輸入機(jī)械功率P1和空載損耗p0相平衡，電磁功率為零，即P1=po，T1=T0，Pe=0，發(fā)電機(jī)處于平衡狀態(tài)。1.從能量守恒觀點來看有功功率同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運行這個過程從能量守恒觀點來看，發(fā)電機(jī)輸出有功功率是由原動機(jī)輸入的機(jī)械功率轉(zhuǎn)換來的。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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1082.利用功率角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Pe=0，此時氣隙合成磁場和轉(zhuǎn)子磁場的軸重合，發(fā)電機(jī)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(jī)的輸入功率P1時，即增加發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩T1，這時T1＞T0；同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運行04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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109同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運行結(jié)論：要調(diào)節(jié)與電網(wǎng)并聯(lián)的同步發(fā)電機(jī)的有功功率，必須調(diào)節(jié)原動機(jī)的輸入功率，這時發(fā)電機(jī)內(nèi)部會自行改變功率角，相應(yīng)地改變電磁功率和輸出功率，達(dá)到新的平衡狀態(tài)。角的增大引起電磁功率Pe增大，發(fā)電機(jī)便輸出有功功率。當(dāng)增大到某一數(shù)值，使相應(yīng)的電磁功率達(dá)到Pe=P1-p0（Te=T1-T0）時，轉(zhuǎn)子加速的趨勢即停止，發(fā)電機(jī)便處于新的平衡狀態(tài)。→T1→T1＞T0→n→

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

←←n←n=ns←穩(wěn)定←T1=Te+T0←04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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110原動機(jī)輸入功率的增加也不是無限制的。對于隱極發(fā)電機(jī)，當(dāng)=90o時，電磁功率達(dá)到最大值Pmax時，若再增加輸入功率，則＞90o

，這時電磁功率將隨著的增大而減?。惠斎牍β士鄣艨蛰d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，角繼續(xù)增大，電磁功率Pe繼續(xù)減小，功率再不能保持平衡，發(fā)電機(jī)將“失去同步”，或叫做失去“靜態(tài)穩(wěn)定”。（二）靜態(tài)穩(wěn)定指電網(wǎng)或原動機(jī)方面出現(xiàn)某些微小擾動時，發(fā)電機(jī)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(jī)是“靜態(tài)穩(wěn)定”的，否則就是靜態(tài)不穩(wěn)定。同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運行04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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1110Pe/T

90o

a'0Pe/T

90o

aTT1=T

+

T0a點：

干擾使T1

→

→T抑制了進(jìn)一步增大→b點。bT1'

=T'

+

T0

干擾消失后，較大的T，使機(jī)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)同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運行04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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112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。同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運行靜態(tài)穩(wěn)定的判斷依據(jù)：比整步功率(kW/rad)對隱極發(fā)電機(jī)，比整步功率為:電機(jī)穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，Pcx

越大，電機(jī)穩(wěn)定增長性越好。Pcx可以表示發(fā)電機(jī)運行穩(wěn)定度。04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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113當(dāng)=90o時，Pcx=0，正處在穩(wěn)定的交界。如圖，當(dāng)=0o時，Pcx最大，故同步發(fā)電機(jī)在空載時最為穩(wěn)定。此時發(fā)電機(jī)保持同步的能力為零，故該點即為靜態(tài)穩(wěn)定的極限。當(dāng)>90o時，Pcx為負(fù)值，發(fā)電機(jī)便失去了穩(wěn)定。三、無功功率的調(diào)節(jié)以隱極發(fā)電機(jī)為例，不計磁路飽和電樞電阻，分析同步發(fā)電機(jī)無功功率的調(diào)節(jié)，無功功率與勵磁電流的關(guān)系。同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運行04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu

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114同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運行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?！眲畲烹娏鱅f0。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(jī)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。UE0FfFFaIjxsI04二月2023山東理工大學(xué)電工電子教研室weipeiyu