電機與拖動課程第5章同步電機的基本理論

*5.7微型同步電動機5.10三相同步發(fā)電機的運行特性5.2三相同步電機的基本結(jié)構(gòu)5.1三相同步電機的工作原理第5章同步電機的基本理論5.2三相同步電機的基本結(jié)構(gòu)5.3三相同步電動機的運行分析5.4三相同步電動機的功率和轉(zhuǎn)矩5.5三相同步電動機的的運行特性5.6三相同步電動機功率因數(shù)的調(diào)節(jié)5.8三相同步發(fā)電機的運行分析5.9三相同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩5.11同步發(fā)電機與電網(wǎng)的并聯(lián)運行5.1三相同步電機的工作原理第5章（作者：賀曉蓉）V1V2W2W1U1U2NS5.1三相同步電機的工作原理定子+Uf－If轉(zhuǎn)子勵磁繞組一、三相同步電動機

定子旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子直流磁極。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同步60f1pn=n0=第5章（作者：賀曉蓉）V1V2W2W1U1U2NS

同步電動機中的磁通勢定子——電樞。電樞旋轉(zhuǎn)磁通勢Fam轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁通勢F0m氣隙旋轉(zhuǎn)磁通勢Fm

NSSNn0n0θ

電樞反應(yīng)——Fam對Fm

的影響。NSSN電動機狀態(tài)n0n0理想空載狀態(tài)F0mFamFmθ功角第5章（作者：賀曉蓉）

同步電動機中的感應(yīng)電動勢V1V2W2W1U1U2NSF0mFamFmθF0m電樞三相繞組中感應(yīng)E0Fm電樞三相繞組中感應(yīng)E1E0在時間上滯后于E1θ角F0m在空間上滯后于Fmθ角－E0在時間上滯后于－

E1θ角第5章（作者：賀曉蓉）二、三相同步發(fā)電機勵磁機→F0m旋轉(zhuǎn)的F0m和Φ0E0原動機電樞三相繞組中感應(yīng)SNn0NSn0θ發(fā)電機運行NSSNn0n0理想空載狀態(tài)V1V2W2W1U1U2NSF0mFamFmθ閉合回路三相交流電

第5章（作者：賀曉蓉）三、三相同步電機的可逆運行NSSNn0n0θ電動機狀態(tài)NSSNn0n0理想空載狀態(tài)SNn0NSn0θ發(fā)電機運行第5章（作者：賀曉蓉）同步電機與異步電機主要結(jié)構(gòu)部件對比：從結(jié)構(gòu)上看，二者定子繞組和定子鐵心完全一樣，而且轉(zhuǎn)子鐵心也都由導(dǎo)磁材料構(gòu)成，二者的區(qū)別就在于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。5.2三相同步電機的基本結(jié)構(gòu)第5章（作者：賀曉蓉）在同步電機中，轉(zhuǎn)子是主磁極，當(dāng)外加的直流勵磁電流流入轉(zhuǎn)子繞組時，轉(zhuǎn)子鐵芯便表現(xiàn)出固定的極性，隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，相當(dāng)于一塊旋轉(zhuǎn)的磁鐵。在異步電機中轉(zhuǎn)子繞組是一個自行閉合的繞組，當(dāng)氣隙磁場切割轉(zhuǎn)子繞組時，便會在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電勢產(chǎn)生電流，轉(zhuǎn)子鐵芯便表現(xiàn)為表面旋轉(zhuǎn)變化的磁極。第5章（作者：賀曉蓉）第5章（作者：賀曉蓉）一、主要部件1.定子（電樞）由硅鋼片疊成。對稱三相繞組。(1)定子鐵心：(2)定子繞組：(3)機座和端蓋等。定子鐵芯端蓋第5章（作者：賀曉蓉）汽輪發(fā)電機的定子第5章（作者：賀曉蓉）(1)轉(zhuǎn)子鐵心：由整塊鑄（鍛）鋼制成。(2)勵磁繞組：工作時施加直流電勵磁。(3)阻尼繞組和轉(zhuǎn)軸等。阻尼繞組在同步發(fā)電機中，阻尼繞組抑制轉(zhuǎn)子機械振蕩；在同步電動機中，阻尼繞組做起動繞組用。2.轉(zhuǎn)子第5章（作者：賀曉蓉）NS+－3~×3~·····×××××+－NS按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同：隱極式、凸極式。(a)凸極式(b)隱極式磁極數(shù)多、直徑大、氣隙不均勻。多用于水輪發(fā)電機和一般中小型同步電機。磁極數(shù)少，直徑小，氣隙均勻。主要用于大型汽輪發(fā)電機。第5章（作者：賀曉蓉）轉(zhuǎn)子鐵芯(a)凸極式(b)隱極式第5章（作者：賀曉蓉）區(qū)別：對于高速旋轉(zhuǎn)的同步電機，在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上，我們采用隱極式，而對于低速旋轉(zhuǎn)的電機，由于轉(zhuǎn)子的圓周速度較低，離心力較小，故采用制造簡單、勵磁繞組集中安放的凸極式結(jié)構(gòu)。大型同步發(fā)電機通常用汽輪機或水輪機作為原動機來拖動，前者稱為汽輪發(fā)電機，后者稱為水輪發(fā)電機。汽輪發(fā)電機：由氣輪機作為原動機，臥式安裝、轉(zhuǎn)速高、極對數(shù)少，采用隱極式?；痣娬竞秃穗娬静捎谩Ｋ啺l(fā)電機：由水輪機作為原動機，立式安裝、轉(zhuǎn)速低、極對數(shù)多，采用凸極式。水電站采用。第5章（作者：賀曉蓉）水輪發(fā)電機：立式安裝勵磁機發(fā)電機水輪機第5章（作者：賀曉蓉）小浪底電站水輪機組安裝第5章（作者：賀曉蓉）三峽電站首臺機組安裝第5章（作者：賀曉蓉）大連理工大學(xué)電氣工程系水力發(fā)電第5章（作者：賀曉蓉）汽輪發(fā)電機：臥式安裝勵磁機發(fā)電機汽輪機第5章（作者：賀曉蓉）火力發(fā)電廠第5章（作者：賀曉蓉）燃燒室燃料鍋爐的爐膛循環(huán)水汽輪機發(fā)電機3600r/min升壓變壓器超熱高壓蒸汽電能輸出電能的產(chǎn)生第5章（作者：賀曉蓉）

熱電廠1煤傳送帶2加煤機3粉碎機4鍋爐5煤渣6空氣預(yù)熱器7靜電除塵8煙囪9汽輪機10冷凝器11變壓器12冷卻塔13發(fā)電機14輸電線第5章（作者：賀曉蓉）二、勵磁方式1.直流勵磁機勵磁勵磁繞組由小型直流發(fā)電機供電。2.靜止整流器勵磁交流勵磁機→整流→直流電3.旋轉(zhuǎn)整流器勵磁交流勵磁機→整流→直流電→勵磁繞組。由于這種勵磁系統(tǒng)取消了集電環(huán)和電刷裝置，故又稱為無刷勵磁系統(tǒng)。電刷集電環(huán)勵磁繞組。第5章（作者：賀曉蓉）在中、小型電機中，都采用空氣作為冷卻介質(zhì)。當(dāng)電機的容量很大時，電機內(nèi)部的損耗及發(fā)熱量迅速增加，冷卻問題顯得格外重要，此時必須加強通風(fēng)或采用其他的冷卻方式。在大型汽輪發(fā)電機中，為了提高其冷卻效率，往往用氫氣冷卻，但是氫氣與空氣混合后，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內(nèi)部。目前在更大容量的發(fā)電機中，可以采用導(dǎo)線內(nèi)部直接冷卻。例如采用空心導(dǎo)體（如圖），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的溫升。所采用的冷卻介質(zhì)一般有氫氣及水等。三、冷卻系統(tǒng)第5章（作者：賀曉蓉）補充：超導(dǎo)體發(fā)電機近年來世界各國開始研制超導(dǎo)體氣輪發(fā)電機，它是巨型氣輪發(fā)電機的一種很有前途的冷卻方式。由于超導(dǎo)狀態(tài)下電機繞組的電阻完全消失，從而徹底解決了電機的溫升問題，也大大提高了電機的效率。所謂超導(dǎo)發(fā)電機是指常規(guī)發(fā)電機的勵磁繞組導(dǎo)線采用超導(dǎo)體或勵磁繞組與電樞繞組均采用超導(dǎo)體的發(fā)電機后者又叫做全超導(dǎo)發(fā)電機?，F(xiàn)各國研制的超導(dǎo)發(fā)電機大多數(shù)是前者。世界首座高熱超導(dǎo)體氫發(fā)電廠2006年11月在德國巴伐利亞一座水電廠安裝。這座發(fā)電廠由Zenergy電力公司開發(fā)，裝機為1.25兆瓦。據(jù)公司宣稱，氫發(fā)電機以Zenergy公司有名的高溫超導(dǎo)體材料制造，它能使機器效率提高到98％以上。第5章（作者：賀曉蓉）超群的超導(dǎo)磁體

由于超導(dǎo)材料在超導(dǎo)狀態(tài)下具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得10萬高斯以上的穩(wěn)態(tài)強磁場。而用常規(guī)導(dǎo)體做磁體，要產(chǎn)生這么大的磁場，需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻水，投資巨大。

超導(dǎo)磁體在電力方面的應(yīng)用：可用于制作交流超導(dǎo)發(fā)電機、磁流體發(fā)電機和超導(dǎo)輸電線路等。超導(dǎo)發(fā)電機

在電力領(lǐng)域，利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機的磁場強度提高到5萬～6萬高斯，并且?guī)缀鯖]有能量損失，這種發(fā)電機便是交流超導(dǎo)發(fā)電機。超導(dǎo)發(fā)電機的單機發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機提高5～10倍，達(dá)1萬兆瓦，而體積卻減少1/2，整機重量減輕1/3，發(fā)電效率提高50％。第5章（作者：賀曉蓉）磁流體發(fā)電機磁流體發(fā)電機同樣離不開超導(dǎo)強磁體的幫助。磁流體發(fā)電，是利用高溫導(dǎo)電性氣體（等離子體）作導(dǎo)體，并高速通過磁場強度為5萬～6萬高斯的強磁場而發(fā)電。磁流體發(fā)電機的結(jié)構(gòu)非常簡單，用于磁流體發(fā)電的高溫導(dǎo)電性氣體還可重復(fù)利用。

超導(dǎo)輸電線路

超導(dǎo)材料還可以用于制作超導(dǎo)電線和超導(dǎo)變壓器，從而把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。據(jù)統(tǒng)計，目前的銅或鋁導(dǎo)線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失即達(dá)1000多億度。若改為超導(dǎo)輸電，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個大型發(fā)電廠。有專家預(yù)測，按現(xiàn)在的電價和用電量計算，如果我國輸電線路全部采用超導(dǎo)電纜，則每年可節(jié)約400億元。

第5章（作者：賀曉蓉）圖：75m、10.5kV/1.5kA交流高溫超導(dǎo)電纜

云電集團、英納超導(dǎo)公司于2004年完成33m長、35kV/2kA高溫超導(dǎo)交流電纜的開發(fā)，安裝在云南普吉變電站中運行。

第5章（作者：賀曉蓉）四、額定值1.額定電壓UN：線電壓的額定值。2.額定電流IN：線電流的額定值。3.額定功率PN：輸出功率的額定值。三相同步電動機：PN

=√3UNINNN三相同步發(fā)電機：PN

=√3UNINN4.額定轉(zhuǎn)速

nN：額定運行時的轉(zhuǎn)速。5.額定頻率fN：50Hz。第5章（作者：賀曉蓉）一、三相隱極同步電動機的運行分析1.基本方程式＋U1－Uf→If→F0mFmU1→I1→FamE1電樞感應(yīng)→Φ合成磁通勢U1=R1I1－E－E1E

=－j

X

I1※漏磁感應(yīng)電動勢：※R1、X——定子每相繞組的電阻、漏電抗。5.3三相同步電動機的運行分析R1I1E漏磁通E1ER1I1第5章（作者：賀曉蓉）(勵磁電動勢不變)(電樞反應(yīng)電動勢隨負(fù)載變化)如果不計磁路飽和，則Uf→If→F0m→Φ0U1→I1→Fam→E0→Φa→Ea

→ER1I1E1=E0

+EaU1=－E1+(R1＋j

X

)I1Ea

=－j

Xa

I1※Xa

——電樞反應(yīng)電抗。U1=－E0－Ea－E＋R1I1疊加定理忽略磁路飽和第5章（作者：賀曉蓉）在同樣大小電流情況下,如果越大，電樞反應(yīng)電勢也越大，表示著電樞磁勢所產(chǎn)生的電樞磁通很強。因此的大小可以說明電樞反應(yīng)的強弱?！鵛a

——電樞反應(yīng)電抗。第5章（作者：賀曉蓉）U1=－E0＋(R1＋j

X＋j

Xa

)

I1U1=－E0＋(R1＋jXs

)

I1※

Xs=X＋Xa——同步電抗。一般：R1＜＜

Xs，忽略R1，則U1=－E0＋j

XsI12.等效電路R1jXs+U1－I1－

+E0第5章（作者：賀曉蓉）3.相量圖U1=－E0＋(R1＋jXs

)

I1U1(a)電感性I1R1I1jXsI1－E0Ψ——功率因數(shù)角。Ψ——內(nèi)功率因數(shù)角。已知：－E0滯后于－E1θ角，U1=－E1＋(R1＋j

X)

I1θ因此－E0滯后于

U1θ角。≈－E1（忽略R1和X）(b)電阻性U1I1－E0jXsI1R1I1θ=Ψ(c)電容性U1I1R1I1jXsI1－E0θΨ

=±Ψ感性取負(fù)容性取正第5章（作者：賀曉蓉）U1=－E0＋jXsI1(a)電感性U1I1jXsI1－E0如果忽略R1，則有同樣有關(guān)系

Ψ=±(b)電阻性U1I1－E0jXsI1θ=Ψ(c)電容性U1I1jXsI1－E0θΨΨθ第5章（作者：賀曉蓉）大連理工大學(xué)電氣工程系二、三相凸極同步電動機的運行分析

特點：氣隙不均勻。同樣的(I1)Fam

→產(chǎn)生不同的Φa

→對應(yīng)不同的Xa

。

如果磁路不飽和：將I1分解為兩個分量。－E0I1IqΨId直軸分量：Id

=I1sinΨ交軸分量：Iq

=I1cosΨI1=

Id＋Iq——雙反應(yīng)理論。5.3三相同步電動機的運行分析V1V2W2W1U1U2NSFam直軸d交軸qF0mE0

=－j4.44kw1

N1f1Φ0第5章（作者：賀曉蓉）1.基本方程式＋U1－I1Uf→If→F0m→Φ0→E0U1→I1→Id→Iq→Fad→Faq→Φad→Φaq→Ead→EaqΦ

→E

R1I1U1=－E0－Ead－Eaq－E＋R1I1Ead

=－jXad

Id※Xad

——直軸電樞反應(yīng)電抗。Xaq

——交軸電樞反應(yīng)電抗。Eaq

=－jXaq

IqE0EEadEaqR1第5章（作者：賀曉蓉）E=－jXσI1I1=Id＋IqU1=－E0＋j

Xad

Id＋j

Xaq

Iq＋j

XσI1＋R1I1=－E0＋j

(Xad＋X)

Id＋j

(Xaq＋X)

Iq＋R1I1U1=－E0＋jXd

Id＋jXq

Iq＋R1I1※Xd

=

Xad＋X——直軸同步電抗。

Xq

=

Xaq＋X——交軸同步電抗。

如果忽略R1，則U1

=－E0＋jXd

Id＋jXq

Iq

∵交軸方向的氣隙大第5章（作者：賀曉蓉）Ψ－E0I1IqId－E0I1IqΨId－j(Xd－Xq)IdEQ

設(shè)虛擬電動勢EQ

=E0－j(Xd－Xq

)Id2.等效電路(a)I1滯后于－E0時jIdEQ(b)I1超前于－E0時jId結(jié)論：EQ

與E0同相位。U1

=－E0＋R1I1＋jXd

Id＋jXq

Iq－jXq

Id＋jXq

Id

U1=－EQ＋(R1＋jXq

)I1－j(Xd－Xq)IdE0E0第5章（作者：賀曉蓉）※

隱極電動機可視為凸極電動機的特例：

Xd=Xq=Xs

EQ=E0R1jXq+U1－I1－

+EQR1jXs+U1－I1－

+E0U1=－EQ＋(R1＋jXq

)I1第5章（作者：賀曉蓉）3.相量圖

設(shè)已知U1、I1、、Xd、Xq

。

取U1=U10o(1)畫I1。(2)畫R1I1和jXq

I1。(3)畫(－EQ)

，確定(－E0)的方位。(4)由I1分解出Id

和Iq。(5)畫jXd

Id和jXq

Iq。(6)畫(－E0)。IdU1I1R1I1jXqI1－EQIqjXd

IdjXq

Iq－E0U1=－EQ＋(R1＋jXq

)I1U1=－E0＋jXd

Id＋jXq

Iq＋R1I1第5章（作者：賀曉蓉）(a)電感性(b)電阻性IdU1I1R1I1jXqI1－EQIqjXd

IdjXq

Iq－E0R1I1IdU1I1jXqI1－EQIqjXd

IdjXq

Iq－E0U1I1R1I1jXqI1－EQIqIdjXd

IdjXq

Iq－E0(c)電容性第5章（作者：賀曉蓉）U1I1jXqI1－EQIdIqjXd

IdjXq

Iq－E0

忽略R1時的相量圖(簡化相量圖)

(a)電感性jXq

IqU1I1jXqI1－EQIqIdjXd

Id－E0(b)電阻性U1=－EQ

＋jXq

I1U1=－E0＋jXdId＋jXq

Iq－EQjXq

Iq－E0U1I1jXqI1IdIqjXd

IdΨθ(c)電容性第5章（作者：賀曉蓉）

由相量圖求得

Ψ=±θ

由簡化相量圖還可以求得tanΨ=U1sin±XqI1U1cos※電感性時取“－”，電容性時取“＋”。Xd=E0－U1cosθIdXq=U1sinθIq－EQjXq

Iq－E0U1I1jXqI1IdIqjXd

IdΨθ(c)電容性第5章（作者：賀曉蓉）5.4三相同步電動機的功率和轉(zhuǎn)矩一、功率1.輸入功率（不計勵磁功率）P1=3U1I1cos2.電樞銅損耗

PCu=3R1I123.電磁功率

Pe

=P1－PCu第5章（作者：賀曉蓉）U1I1R1I1jXsI1－E0Ψ

在隱極同步電動機中

Pe=3E0I1cosΨ

在凸極同步電動機中

Pe=3EQI1cosΨ4.空載損耗

P0

=PFe＋Pme＋Pad鐵損耗機械損耗附加損耗IdU1I1R1I1jXqI1－EQIqjXd

IdjXq

Iq－E0第5章（作者：賀曉蓉）5.輸出功率

P2=Pe－P06.總損耗Pal=

PCu＋PFe＋Pme＋Pad7.功率平衡方程式

P1

－P2=

Pal

8.效率

P1PCuPeP0P2

=×100%

P2P1第5章（作者：賀曉蓉）二、轉(zhuǎn)矩1.轉(zhuǎn)矩平衡方程式T2=T－T04.空載轉(zhuǎn)矩2.輸出轉(zhuǎn)矩3.電磁轉(zhuǎn)矩T2

=P2Ω==9.55P2n60P22nT

=PeΩ==9.55Pen60Pe2nT0

=P0Ω==9.55P0n60P02n第5章（作者：賀曉蓉）穩(wěn)定運行時T2=TL

忽略T0，則

T=T2=TL

第5章（作者：賀曉蓉）5.5三相同步電動機的運行特性

運行特性當(dāng)U1=UN，f1=fN

，

If=常數(shù)時，I1、T、、

=f(P2)的關(guān)系。當(dāng)U1與E0（即n

和If）為常數(shù)時：

Pe

=f(θ)

T

=f(θ)——功角特性——矩角特性一、隱極同步電動機的功角特性和矩角特性如果忽略R1，則有

U1sinθ=Xs

I1cosΨU1I1－E0θΨΨjXsI1感性第5章（作者：賀曉蓉）Pe

=3sinθ

U1E0XsT

=3sinθ

U1E0XsΩOPe

/

Tθ

90o

PeM(TM)※當(dāng)θ=90o時:

Pe

=PeM，T

=TM代入Pe和T的公式，可得Pe=3E0I1cosΨ將

U1sinθ=Xs

I1cosΨ第5章（作者：賀曉蓉）電動機為電容性時U1sinθ

=Xq

I1cosΨXd

Id

=E0－U1cosEQ

=E0－(Xd－Xq)Id二、凸極同步電動機的功角特性和矩角特性U1I1jXqI1－EQjXd

IdjXq

Iq－E0θΨΨ電動機為電感性時U1sinθ=XqI1cosΨXd

Id

=U1cos－E0EQ

=E0＋(Xd－Xq)IdU1I1jXqI1－EQIdIqjXd

IdjXq

Iq－E0θΨΨ第5章（作者：賀曉蓉）Pe代入Pe和T的公式可得

3U1E0Xd

=sin1Xq＋(

－

)

sin23U1221Xd3U1E0XdΩ

T

=sin1Xq+(

－

)

sin23U122Ω1XdPe=Pe'

＋

Pe"T

=T＋T

Pe=3E0I1cosΨ第5章（作者：賀曉蓉）

討論：(1)3U1E0Xd

Pe'=sinPe'∝E0，當(dāng)轉(zhuǎn)子有勵磁即If≠0時存在。(2)1XqPe"=

(

－

)

sin2

3U1221XdPe"是由于Xd≠Xq

而引起的，與If是否存在無關(guān)。

結(jié)論：(1)

Pe"使PeM。(2)

PeM

產(chǎn)生在θ＜90o

處。(3)

功角特性與矩角特性不再是正弦波?！痉至??！郊臃至俊Pe

/

Tθ

90o

PeM(TM)Pe'Pe"Pe第5章（作者：賀曉蓉）為了結(jié)構(gòu)上的簡單，在某些小容量同步電動機的轉(zhuǎn)子上不安放直流勵磁繞組，因此轉(zhuǎn)子就不能產(chǎn)生磁場，感應(yīng)電勢此時電動機的電磁功率并不為零，仍有

有了電磁功率就有電磁轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子沒有勵磁的凸極同步電動機也能旋轉(zhuǎn)。（附加分量與勵磁狀態(tài)無關(guān)。）第5章（作者：賀曉蓉）大連理工大學(xué)電氣工程系5.6三相同步電動機功率因數(shù)的調(diào)節(jié)

同步電動機的主要優(yōu)點

調(diào)節(jié)If

→

調(diào)節(jié)cos→－90o＜＜90o(純電容性)(純電感性)

調(diào)節(jié)If

改變cos的原理以隱極同步電動機為例，并忽略R1和T0。調(diào)節(jié)If時，U1、f1、TL都不變，則T和Pe

不變，即T和P1不變。根據(jù)：Pe

=3sinU1E0Xs

=P1=3U1I1cos第5章（作者：賀曉蓉）可得如下關(guān)系：E0sinθ=常數(shù)I1cos=常數(shù)另一方面:因此，改變If而使E0改變時，I1、θ和均要改變。當(dāng)If→E0→θ。當(dāng)If

→E0

→θ。U1=－E0＋j

XsI1U1jXsI1－E0－E0'aajXsI1I1'bb－E0"jXsI1I1"θI1O第5章（作者：賀曉蓉）(1)正常勵磁當(dāng)If=If0時，

I1

與U1同相，

=1,電機呈電阻性。(2)欠勵磁

當(dāng)If＜If0時，I1(I1'

)滯后于U1，電機呈電感性。If

→

，感性程度。U1jXsI1－E0θ－E0'aajXsI1I1'bb－E0"jXsI1I1"I1O(3)過勵磁當(dāng)If＞If0時，電機呈電容性，If

→||

，容性程度

。I1(I1")超前于U1，第5章（作者：賀曉蓉）通常同步電動機多在過勵狀態(tài)下運行，以便從電網(wǎng)吸收超前電流（即向電網(wǎng)輸出滯后電流），改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。即調(diào)節(jié)勵磁電流，就可以改變電網(wǎng)的功率因數(shù)。.當(dāng)勵磁電流If由小到大變化時，定子電流I1

從大小大。滯后超前第5章（作者：賀曉蓉）同步電動機的V形曲線當(dāng)U1=

UN、f1

=

fN、TL不變時：

I1=f(If

)OI1IfP2'P2"欠勵過勵

If0＜cos=1第5章（作者：賀曉蓉）調(diào)節(jié)同步電動機的勵磁電流，可改變其定子電流的無功分量和功率因數(shù)，這是同步電動機一種天賦的可貴特性。我們知道，感應(yīng)電動機必須從電網(wǎng)吸收激磁電流來建立磁場，所以現(xiàn)代電網(wǎng)的功率因數(shù)經(jīng)常是滯后性的。而同步電動機在過勵時，能夠從電網(wǎng)吸入超前電流。因此，如將同步電動機在過勵狀態(tài)下和感應(yīng)電動機接在同一電網(wǎng)上，便可以使供電系統(tǒng)的功率因數(shù)提高。據(jù)報道，我國每年因無功分量過大造成的線損高達(dá)15%左右，折成可變線損電量約為1200億kwh，如果用無功補償將電網(wǎng)功率因數(shù)從0.85提高到0.95，則每年可降低線損約240億kwh。第5章（作者：賀曉蓉）國家供用電規(guī)則規(guī)定：無功電力應(yīng)就地平衡，用戶應(yīng)在提高用電自然功率因數(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計和裝置無功補償設(shè)備，并做到隨其負(fù)荷和電壓變動及時投入或切除，防止無功倒送。還規(guī)定用戶的功率因數(shù)應(yīng)達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)（），否則供電部門可以拒絕供電。因此，無論對供電部門還是用電部門，對無功功率進行自動補償以提高功率因數(shù)，防止無功倒送，從而節(jié)約電能，提高運行質(zhì)量都具有非常重要的意義。

第5章（作者：賀曉蓉）功率因素補償問題問題與討論同步調(diào)相機：同步電動機工作于過勵狀態(tài)，可以使同步電機向電網(wǎng)“送出”無功功率，減少電網(wǎng)輸送給工礦企業(yè)的無功功率，從而提高了工礦企業(yè)的功率因數(shù)。同步電動機的突出優(yōu)點就是可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流來調(diào)節(jié)功率因數(shù)，可以使功率因數(shù)高到1.0甚至超前，在一個工廠中只需要有少數(shù)幾臺大容量恒轉(zhuǎn)速的設(shè)備（例如風(fēng)機、水泵、壓縮機等）采用同步電動機，就足以改善全廠的功率因數(shù)。異步電動機同步化：異步電動機同步運行就是將異步電動機三相轉(zhuǎn)子繞組適當(dāng)連接并通入直流勵磁電流，使其呈同步電動機運行，這就是“異步電動機同步化”。因而只要調(diào)節(jié)電機的直流勵磁電流，使其呈過勵狀態(tài)，即能向電網(wǎng)輸出無功，從而達(dá)到提高低壓網(wǎng)功率因數(shù)的目的。

第5章（作者：賀曉蓉）R1jXs+U1－I1－

+E0+U1－R1jXsI1＋－E0三相隱極同步發(fā)電機三相隱極同步電動機U1=E0－(R1＋j

Xs

)

I1U1=－E0＋(R1＋jXs

)

I15.8三相同步發(fā)電機的運行分析一、三相隱極同步發(fā)電機的運行分析第5章（作者：賀曉蓉）R1jXq+U1－I1－

+EQI1R1jXq+U1－＋－EQ三相凸極同步發(fā)電機三相凸極同步電動機U1=EQ－（R1＋j

Xq

)I1U1=－EQ＋(R1＋jXq

)I1二、三相凸極同步發(fā)電機的運行分析第5章（作者：賀曉蓉）P1P0PePCuP2P1PCuPeP0P2三相同步發(fā)電機P2=3U1I1cosT1=T+T0三相同步電動機P2=3U1I1cosT2=T－T05.9三相同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩第5章（作者：賀曉蓉）電樞反應(yīng)：電樞磁動勢(定子)對主極磁場(轉(zhuǎn)子)的影響。電樞反應(yīng)使氣隙磁場發(fā)生畸變，除直接關(guān)聯(lián)到機電能量轉(zhuǎn)換外，還有去磁或增磁作用，對同步電機的運行性能產(chǎn)生重要的影響。電樞反應(yīng)的性質(zhì)主要決定于勵磁（空載）電動勢和電樞負(fù)載電流之間的相位差（稱為內(nèi)功率因數(shù)角）

。三相同步電機的電樞反應(yīng)第5章（作者：賀曉蓉）這個結(jié)論十分重要，它對同步電機性能的影響將在后面提到。有直軸去磁電樞反應(yīng)。時，°<<°900y(輸出感性或純電阻性電流)，有直軸增磁電樞反應(yīng)。時，°<<°-090y(輸出容性電流)，第5章（作者：賀曉蓉）5.10三相同步發(fā)電機的運行特性一、外特性當(dāng)n=nN，If、=常數(shù)時，U1L與I1L的關(guān)系，即U1L=f(I1L)。調(diào)節(jié)If，使I1L=IN、

=N、U1L=UN時，

If=IfN。OU1LI1Lcos=0.8(＞0)cos=0.8(＜0)cos=1UNINVR=×100%E0－UNPUNP電壓調(diào)整率：保持nN、N、IfN時，第5章（作者：賀曉蓉）二、調(diào)節(jié)特性保持n=nN、U1L=UN、=N時，If與I1的關(guān)系，即If=f(I1)。OIfI1cos=0.8(＞0)cos=0.8(＜0)cos=1三、功角特性功角特性：保持n、If、U1不變時，Pe

與

的關(guān)系，即Pe

=f(

)。

矩角特性：保持n、If、U1不變時，T

與

的關(guān)系，即T

=f(

)?！?/p>

上述關(guān)系與同步電動機的關(guān)系相同。第5章（作者：賀曉蓉）5.11同步發(fā)電機與電網(wǎng)的并聯(lián)運行

并聯(lián)運行的優(yōu)點(1)提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟指標(biāo)。(2)減少發(fā)電廠備用機組的容量。(3)提高電能供應(yīng)的可靠性。(4)提高電能供應(yīng)的質(zhì)量。一、并聯(lián)運行的條件相序一致、頻率相同、電壓相等。以避免電網(wǎng)與發(fā)電機之間產(chǎn)生大的沖擊電流和在發(fā)電機軸上產(chǎn)生大的沖擊轉(zhuǎn)矩。第5章（作者：賀曉蓉）U＋U1A－S＋U1B－1.電壓相等如果則U1A≠U1B△U=U1A－U1B≠02.頻率相等如果：A≠BU1AU1BAB——U=0~2U1U1AU1BU1AU1BUU1AU1BUU1AU1BU第5章（作者：賀曉蓉）U1BUU1BVU1BW3.相序相同如果相序不同，則UU=

0UV=U1AV－U1BVUW=U1AW－U1BWU1AUU1AVU1AWUVUW二、并聯(lián)運行的方法調(diào)節(jié)If→調(diào)節(jié)E0

；調(diào)節(jié)n→調(diào)節(jié)f

。1.理想同步法（準(zhǔn)同步法）2.自同步法第5章（作者：賀曉蓉）準(zhǔn)同步法燈光明暗法操作步驟：(1)沖轉(zhuǎn)——將發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高到額定轉(zhuǎn)速；(2)投勵——調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流的大小，使系統(tǒng)側(cè)和待并發(fā)電機電壓表讀數(shù)相等，頻率表的讀數(shù)相等；(3)用燈光法檢查相序，相序相同；(4)將同步表s接入，繼續(xù)調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使整步表指針順時針緩慢轉(zhuǎn)動；(5)觀察整步表指針轉(zhuǎn)動情況，當(dāng)指針接近同步點時，迅速合閘，完成并列操作；(6)合閘成功后，將同步表退出。第5章（作者：賀曉蓉）第5章（作者：賀曉蓉）A.燈光明暗法檢查相序(看動畫)電壓調(diào)整好后，如果相序一致，燈光應(yīng)表現(xiàn)為明暗交替，如果燈光不是明暗交替，則說明相序不一致，這時應(yīng)調(diào)整發(fā)電機的出線相序或電網(wǎng)的引線相序，嚴(yán)格保證相序一致；通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速改變頻率，直到燈光明暗交替十分緩慢時，說明和電網(wǎng)的頻率已十分接近，這時等待燈光完全變暗的瞬間到來，即可合閘并車。燈光法檢查相序第5章（作者：賀曉蓉）B燈光旋轉(zhuǎn)法(看動畫)參看圖(b)，燈1跨接于A1B，燈2跨接于B1A，燈3跨接于C1C。旋轉(zhuǎn)法并車方法為：電壓調(diào)整好后，如果相序一致，則燈光旋轉(zhuǎn)，否則說明相序不一致，這時應(yīng)調(diào)整發(fā)電機的出線相序或電網(wǎng)的引線相序，嚴(yán)格保證相序一致；通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速改變頻率，直到燈光旋轉(zhuǎn)十分緩慢時，說明和電網(wǎng)頻率已十分接近，這時等待燈3完全熄滅而另外2組燈亮度相同的時刻，即可合閘并車。燈光法又稱為理想整步法。由于它對并車條件逐一檢查和調(diào)整，所以費時較多。第5章（作者：賀曉蓉）a)燈1滅，2、3亮；b)燈2滅，1、3亮；c)燈3滅，2、1亮第5章（作者：賀曉蓉）自同步法用自同步法進行并列操作，是在相序一致的情況下，將勵磁繞組通過適當(dāng)?shù)碾娮瓒探?，再用原動機把發(fā)電機拖動到接近同步轉(zhuǎn)速(相差2％～5％)，在沒有接通勵磁電流的情況下將發(fā)電機接入電網(wǎng)，再接通勵磁并調(diào)節(jié)勵磁強弱，依靠定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場之間的電磁轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子拉入同步轉(zhuǎn)速，并車過程即告結(jié)束。需要注意的是，勵磁繞組必須通過一限流電阻短接，因為直接開路，將在其中感應(yīng)出危險的高壓；直接短路，將在定、轉(zhuǎn)子繞組間產(chǎn)生很大的沖擊電流。自同步法的優(yōu)點是：操作簡單，方便快捷；缺點是：合閘時有沖擊電流，一般在要求把發(fā)電機迅速投入電網(wǎng)時采用。第5章（作者：賀曉蓉）三、有功功率的調(diào)節(jié)

無窮大電網(wǎng)容量很大、頻率和電壓基本不受負(fù)載與其他干擾的影響，即恒頻恒壓的電網(wǎng)。1.有功功率的調(diào)節(jié)方法調(diào)節(jié)進水量進汽量→T1(P1)→T1＞T

+T0→n→

→T(n)

→T1=T+T0為止，重新在n=n0下穩(wěn)定運行。第5章（作者：賀曉蓉）大連理工大學(xué)電氣工程系2.

靜態(tài)穩(wěn)定0Pe/Tθ

90o

aa'同步發(fā)電機能否穩(wěn)定運行取決于它工作在什么區(qū)域，這種穩(wěn)定稱為靜態(tài)穩(wěn)定。第5章（作者：賀曉蓉）0Pe/Tθ

90o

a'0Pe/Tθ

90o

aTT1=T

+

T0a點：

T1

→

→T…

T1=T+T0為止，在b點重新穩(wěn)定運行0<<M——穩(wěn)定運行區(qū)。bT1'

=T'

+

T0a'

點：

T1

→→T

···T1更大于T+T0，n再也回不到n0→失步。M<<180°——不穩(wěn)定運行區(qū)。穩(wěn)定運行區(qū)第5章（作者：賀曉蓉）振蕩幅度過大，超過穩(wěn)定區(qū)而引起的失步。阻尼繞組可抑制振蕩。4.過載能力MP=P2MPN=1.7~3.03.動態(tài)穩(wěn)定阻尼繞組抑制振蕩原理：正常運行時，阻尼繞組與轉(zhuǎn)子一起同步旋轉(zhuǎn)，與旋轉(zhuǎn)磁場沒有相對運動，不會感應(yīng)電勢；當(dāng)轉(zhuǎn)子在穩(wěn)定工作點振蕩時，阻尼繞組便會產(chǎn)生感應(yīng)電勢和感應(yīng)電流，該電流與磁場相互作用產(chǎn)生的電磁力與轉(zhuǎn)子的振蕩方向相反，因而可以抑制振蕩。阻尼繞組第5章（作者：賀曉蓉）四、無功功率的調(diào)節(jié)1.調(diào)節(jié)方法調(diào)節(jié)IfPe

=3sin

U1E0Xs=3U1I1cos=P2

即：E0sin=常數(shù)

I1cos=常數(shù)2.調(diào)節(jié)原理

調(diào)節(jié)If時，因U1和P2不變，忽略R1和T0，則

第5章（作者：賀曉蓉）(1)正常勵磁當(dāng)If=If0時，=0，=1，Q2=0，發(fā)電機不輸出無功功率。I1與U1同相，U1E0I1jXsI1E0'aajXsI1'I1'E0"jXsI1"I1"bb第5章（作者：賀曉蓉）2.欠勵磁當(dāng)If＜If0時，發(fā)電機輸出電容性無功功率；

If

→Q2

。3.過勵磁當(dāng)If＞If0時，發(fā)電機輸出電感性無功功率；If

→Q2

。I1(I1')超前于U1，I1(I1")滯后于U1，第5章（作者：賀曉蓉）練習(xí)題5.1.15.1.25.2.15.2.25.3.15.3.25.3.35.3.45.4.15.5.15.5.25.6.15.6.2*以教師畫勾的題為準(zhǔn)。5.8.15.8.25.9.1