第四章同步電機(jī)

第四章同步電機(jī)

同步電機(jī)可以按運(yùn)行方式和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類。1）按運(yùn)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)，在調(diào)相機(jī)內(nèi)基本上不轉(zhuǎn)換有功功率。

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)形式同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)機(jī)械端口轉(zhuǎn)子定子繞組定子鐵心電端口ABC1、汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)定子鐵心2、水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)(1)立式水輪發(fā)電機(jī)(2)臥式水輪發(fā)電機(jī)3）水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)10000kW水輪機(jī)轉(zhuǎn)子4）現(xiàn)場運(yùn)行的水輪發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)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(shí)例凸極式不均勻，極弧底下氣隙較小，極間部氣隙較大結(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)隱極式旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)凸極式1－定子2－凸極轉(zhuǎn)子3－隱極轉(zhuǎn)子4－集電環(huán)以常見的旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)為例，說明同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)一）定子隱極同步電機(jī)都采用臥式結(jié)構(gòu)，有定子和轉(zhuǎn)子兩大部分定子：由定子鐵心、定子繞組、機(jī)座、端蓋、擋風(fēng)裝置等部件組成。定子鐵心：由厚0.5mm的硅鋼片疊成，整個鐵心則固定于機(jī)座上。定子鐵心的內(nèi)圓槽內(nèi)安放定子繞組。二）轉(zhuǎn)子轉(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安放勵磁繞組（見右圖）。由圖可見在一個極距內(nèi)約有1/3部分沒有開槽，叫大齒。大齒的中心實(shí)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)束速很高，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)。隱極機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，所以轉(zhuǎn)子的直徑較小而長度較長。隱極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心凸極同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)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)軸承運(yùn)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）一）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(yùn)到電站拼裝成一整體。二）轉(zhuǎn)子凸極同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子主要由磁極、勵磁繞組和轉(zhuǎn)軸組成。磁極：由厚1-15mm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勵磁繞組磁極鐵心阻尼繞組磁極鋼板T尾阻尼繞組同步電機(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）指南輸出功率的保證值。對發(fā)電機(jī)通過額定容量可確定額定電流，通過PN數(shù)可以確定配套原動機(jī)的容量。電動機(jī)的額定容量一般都用kW表示。調(diào)相機(jī)則用kV·A表示。2）額定電壓UN（單位為V）電機(jī)在額定運(yùn)行時定子三相的線電壓3）額定電流IN（單位為A）電機(jī)在額定運(yùn)行時定子的線電流。4）額定頻率fN我國標(biāo)準(zhǔn)工頻為50Hz。5）額定功率因數(shù)。6）額定轉(zhuǎn)速nN（單位為r/min）。7）額定勵磁電壓UfN和額定勵磁電流IfN。8）額定溫升。同步電機(jī)的基本工作原理

1.同步電機(jī)的物理模型

2.同步電機(jī)的工作原理現(xiàn)以同步發(fā)電機(jī)為例來說明同步電機(jī)的工作原理。當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子在原動機(jī)的拖動下達(dá)到同步轉(zhuǎn)速n0時，由于轉(zhuǎn)子繞組是由直流電流If勵磁，所以轉(zhuǎn)子繞組在氣隙中所建立的磁場相對于定子來說是一個與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)速大小相等的旋轉(zhuǎn)磁場。該磁場切割定子上開路的三相對稱繞組，在三相對稱繞組中產(chǎn)生三相對稱空載感應(yīng)電動勢E0。若改變勵磁電流的大小則可相應(yīng)地改變感應(yīng)電動勢的大小，此時同步發(fā)電機(jī)處于空載運(yùn)行。當(dāng)同步發(fā)電機(jī)帶負(fù)載后，定子繞組構(gòu)成閉合回路，產(chǎn)生定子電流，該電流是三相對稱電流，因而要在氣隙中產(chǎn)生與與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)速大小相等的旋轉(zhuǎn)磁場。此時定、轉(zhuǎn)子間旋轉(zhuǎn)磁場相對靜止，氣隙中的磁場是定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的合成。由于氣隙中磁場的改變，定子繞組中感應(yīng)電動勢的大小也發(fā)生變化。U2U1W2V1W1V2發(fā)電機(jī)的物理過程可用圖示表示旋轉(zhuǎn)示意圖1旋轉(zhuǎn)示意圖2通常三相同步電機(jī)的定子是電樞，在定子鐵心上開有槽，槽內(nèi)安置三相繞組（圖中只畫出了一相），轉(zhuǎn)子上裝有磁極和勵磁繞組。當(dāng)勵磁繞組通以直流電流后，轉(zhuǎn)子即建立恒定磁場。式中p——電機(jī)的極對數(shù)；

n——轉(zhuǎn)速，單位為r/min；

f——頻率，單位為Hz。1)作為發(fā)電機(jī)，當(dāng)用原動機(jī)拖動施轉(zhuǎn)時，定子導(dǎo)體由于與此磁場有相對運(yùn)動而感生交流電動勢，

電動勢的頻率:電機(jī)的極對數(shù)、轉(zhuǎn)速一定，電機(jī)發(fā)出的交流電動動勢的頻率一定極同步電機(jī)的構(gòu)造原理圖3.同步電機(jī)的運(yùn)行方式

則需要在定子繞組上施以三相交流電壓，電機(jī)內(nèi)部便產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。

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)同步電機(jī)的特點(diǎn):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)。2)作為同步電動機(jī)運(yùn)行勵磁電流：同步電機(jī)運(yùn)行時，必須在勵磁繞組中通入的直流電流勵磁方式：指同步電機(jī)獲得直流勵磁電流的方式勵磁系統(tǒng)是同步電機(jī)的一個重要組成部分。它直接影響同步電機(jī)的運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性，并對同步電機(jī)的運(yùn)行特性如電壓主調(diào)整率、短路特性、過載能力等有重大影響。

同步電機(jī)的勵磁方式有以下幾種一、直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)勵磁系統(tǒng)：供給勵磁電流的整個系統(tǒng)直流勵磁機(jī)一般與同步發(fā)電機(jī)同軸，由同一原動機(jī)施動。其本身所需勵磁電流通常由并勵方式供給。直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)與外部交流電網(wǎng)無直接聯(lián)系，整個系統(tǒng)運(yùn)行可靠且比較簡單，在中小型汽輪發(fā)電機(jī)中廣泛采用。大容量的汽輪發(fā)電機(jī)不宜采用同軸直流勵磁機(jī)的勵磁方式。二、靜止的交流整流勵磁系統(tǒng)

靜止的交流整流勵磁系統(tǒng)可分為自勵式與他勵式兩種：1、

他勵式靜止半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)副勵磁機(jī)也是交流發(fā)電機(jī)共勵磁電流在電機(jī)運(yùn)行之初由外界直流電源供給，待建立輸出電壓后則改為自勵。汽輪發(fā)電機(jī)的勵磁電流由同軸交流主勵磁機(jī)發(fā)出的三相交流通過靜止的半導(dǎo)體硅整流器供給。供給主勵磁機(jī)勵磁電流的是副勵磁機(jī)。副勵磁機(jī)輸出的也是三相交流電，須由晶閘管整流后再供給主勵磁機(jī)。同步發(fā)電機(jī)主勵磁機(jī)副勵磁機(jī)他勵式靜止半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)2、自勵式靜止半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)

自勵式靜止半導(dǎo)體勵磁：取消交流勵磁機(jī)，交流勵磁電源直接取自同步發(fā)電機(jī)本身主發(fā)電機(jī)的勵磁電流以由整流變壓器取自自身輸出端，經(jīng)過三相晶閘管整流后變?yōu)橹绷麟?。靜止的交流整流勵磁系統(tǒng)沒有直流勵磁機(jī)的換向器火花等問題，運(yùn)行維護(hù)方便，技術(shù)性能較好國內(nèi)外已廣泛使用。同步發(fā)電機(jī)整流變壓器整流裝置自勵式靜止半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)三、旋轉(zhuǎn)的交流整流勵磁系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)的交流整流勵磁系統(tǒng)：用一臺旋轉(zhuǎn)電樞式的交流主動磁機(jī)，和主發(fā)電機(jī)同軸聯(lián)接，半導(dǎo)體整流裝置安裝在主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上，這樣就用固定聯(lián)接代替了電刷和滑環(huán)，因此又稱為無刷勵磁。主勵磁機(jī)的勵磁電流可由主發(fā)電機(jī)輸出端取得，也可通過同軸交流副勵磁機(jī)供給。無刷勵磁優(yōu)點(diǎn)：整個勵磁系統(tǒng)沒有觸點(diǎn)，運(yùn)行比較可靠，維護(hù)也比較方便。在國內(nèi)外大型汽輪發(fā)電機(jī)中已廣泛采用。旋轉(zhuǎn)部分副勵磁機(jī)旋轉(zhuǎn)電樞式主動磁機(jī)半導(dǎo)體整流裝置主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁繞組四、三次諧波勵磁

同步發(fā)電機(jī)的氣隙磁通密度分布，不可避免地存在三次諧波分量。這個諧波分量在同步發(fā)電機(jī)的電樞繞組內(nèi)雖然感應(yīng)出三次諧波電動勢，但經(jīng)過三相聯(lián)接，電樞繞組輸出線上并不存在三次諧波電動勢，即不影響供電質(zhì)量。三次諧波勵磁系統(tǒng)：利用三次諧波磁通密度，在定子槽中專門嵌放一套三次諧波繞組，其節(jié)距取極距的1/3，基波氣隙磁場在該繞組中的合成感應(yīng)電動勢等于零。三次諧波磁場則在該繞組中感應(yīng)一個三倍基波頻率的三次諧波電動勢。三次諧波勵磁就是將這個繞組中的三次諧波電動勢經(jīng)過半導(dǎo)體整流裝置后轉(zhuǎn)換為直流電流，再接到發(fā)電機(jī)的勵磁繞組。三次諧波勵磁是一種自勵方式，它和直流發(fā)電機(jī)的電壓建立過程相同，由于磁路具有剩磁和飽和現(xiàn)象，所以能自勵并具有穩(wěn)定工作點(diǎn)。

三次諧波勵磁在單機(jī)運(yùn)行的小型同步發(fā)電機(jī)中廣泛使用同步電動機(jī)的電壓方程和相量圖一、同步電動機(jī)的磁動勢當(dāng)同步電動機(jī)的定子三相對稱繞組連接到三相對稱電源上時，就會產(chǎn)生三相合成旋轉(zhuǎn)磁動勢，簡稱電樞磁動勢，用空間矢量Fa表示。設(shè)電樞磁動勢Fa的轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r針方向，轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速。在同步電動機(jī)負(fù)載運(yùn)行時，其轉(zhuǎn)子也是逆時針方向以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。由直流勵磁電流If產(chǎn)生的磁動勢稱為勵磁磁動勢，用Ff表示，它也是一個空間矢量。電樞磁動勢Fa與勵磁磁動勢Ff，兩者都以同步轉(zhuǎn)速按逆時針方向旋，但是兩者在空間的位置不一定相同。這里規(guī)定兩個軸方向：轉(zhuǎn)子N極和S極的中心線稱為直軸或縱軸，簡稱d軸；與直軸相距90空間電角度的方向稱為交軸或橫軸，簡稱q軸。直軸和交軸隨轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，如圖所示。先考慮勵磁磁動勢Ff單獨(dú)在電機(jī)主磁路中產(chǎn)生磁通時的情況。勵磁磁動勢Ff總是在直軸方向，產(chǎn)生的磁通如圖8-5所示。將由勵磁磁動勢Ff單獨(dú)產(chǎn)生的磁通叫勵磁磁通，用f表示。f經(jīng)過的磁路是以直軸為對稱的。同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行勵磁磁動勢和勵磁磁場：空載運(yùn)行時定子（電樞）電流為零，電機(jī)氣隙中只有轉(zhuǎn)子的勵磁電流If單獨(dú)產(chǎn)生的磁動勢Ff和磁場主磁通φ1：勵磁磁通中既交鏈轉(zhuǎn)子繞組，又經(jīng)過氣隙交鏈定子繞組的部分空載運(yùn)行：同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子被原動機(jī)拖動到同步轉(zhuǎn)速n=n1=轉(zhuǎn)子繞組通入直流勵磁電流而定子繞組開路。定子三相繞組切割主磁通而感應(yīng)出頻率為f的一組對稱三相交流電動勢基波分量的有效值：式中N1——定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；φ1——每極基波磁通，單位為Wb；Kw1——基波電動勢的繞組因數(shù)；E0——電動勢的基波分量有效值，單位為V。改變轉(zhuǎn)子的勵磁電流If，就可以相應(yīng)地改變主磁通φ1和空載電動勢E0。曲線E0=f(If)稱為發(fā)電機(jī)的空載特性。E0∝φ1，If∝Ff,改變坐標(biāo)后空載特性曲線也就可以表示為發(fā)電機(jī)的磁化曲線φ1=F(If)。說明了兩個特性曲線具有本質(zhì)上的內(nèi)在聯(lián)系，任何一臺發(fā)電機(jī)的空載特性曲線實(shí)際上也反應(yīng)了它的磁化曲線,當(dāng)主磁通φ1較小時，磁路處于不飽和狀態(tài)，鐵心部分所消耗的磁壓降相比較，可略去,認(rèn)為絕大部分磁動勢消耗于氣隙中，φ1∝Ff，所以空載曲線（磁化曲線）下部是一條直線。把它延長后所得直線0G（曲線2）稱為氣隙線。隨著φ1的增大，鐵心逐漸飽和，它所消耗的磁壓降不可忽略，此時空載曲線就逐漸變彎曲

設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)時，通常把發(fā)電機(jī)的額定電壓點(diǎn)設(shè)計(jì)在磁化曲線的彎曲處，如圖曲線1上a點(diǎn)，此時的磁動勢稱為額定勵磁磁動勢Ff0。線段ab表示消耗在鐵心部分的磁動勢。線段bc表示消耗在氣隙部分的動勢Fδ0。

E′0表示磁路不飽和時，對應(yīng)于勵磁磁動勢Ff0的空載電動勢Ff0與Fδ0的比值反映發(fā)電機(jī)磁路的飽和程度，用Ks表示，稱為飽和系數(shù)。通常，同步發(fā)電機(jī)的飽和系數(shù)Ks值約為1.1~1.25左右?？蛰d特性可以通過計(jì)算或試驗(yàn)得到。試驗(yàn)測定的方法與直流發(fā)電機(jī)類似。同步電機(jī)的空載特性也常用標(biāo)么值表示，空載電勢以額定電壓為基值。用標(biāo)么值表示的空載特性具有典型性，不論電機(jī)容量的大小，電壓的高低，其空載特性彼此非常接近。

空載特性在同步發(fā)電機(jī)理論中有著重要作用：①將設(shè)計(jì)好的電機(jī)的空載特性與相應(yīng)數(shù)據(jù)相比較，如果兩者接近，說明電機(jī)設(shè)計(jì)合理，反之，則說明該電機(jī)的磁路過于飽和或者材料沒有充分利用。②空載特性結(jié)合短路特性可以求取同步電機(jī)的參數(shù)。③發(fā)電廠通過測取空載特性來判斷三相繞組的對稱性以及勵磁系統(tǒng)的故障。幾點(diǎn)補(bǔ)充同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)

同步發(fā)電機(jī)有負(fù)載時，除了勵磁磁動勢外，由于定子繞組中有電流流過，定子繞組將在氣隙中產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁動勢—電樞磁動勢。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)。電樞磁動勢Fa與負(fù)載電流I同相所以研究Ff與Fa間的空間相對位置可以歸結(jié)為研究E0與I間的相位差φ（φ稱為內(nèi)功率因數(shù)角）。電樞反應(yīng)的性質(zhì)主要取決于E0與I之間的相位差φ，亦即主要取決于負(fù)載的性質(zhì)。下面就φ角的幾種情況，分別討論電樞反應(yīng)的性質(zhì)?；úㄐ未笮∥恢棉D(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向勵磁磁動勢正弦波恒定，由勵磁電流決定由轉(zhuǎn)子位置決定由原動機(jī)的轉(zhuǎn)速決定由原動機(jī)決定電樞反應(yīng)磁動勢正弦波恒定，由電樞電流決定由電流瞬時值決定由磁極對數(shù)和電流頻率決定由電流相序決定一、I和E0同相（φ=0）時的電樞反應(yīng)

當(dāng)φ=0°時，圖a中所示瞬間，U相繞組的軸線與主磁極的交軸（q軸）重合，此時U相繞組導(dǎo)體切割主磁通最多，故U相繞組勵磁電動勢為最大值，其方向按右手定則確定。因?yàn)棣?0°，所以此瞬間U繞組中的電流也達(dá)到最大值。這時三相勵磁電支勢的電樞電流的相量關(guān)系如圖b所示。由交流旋轉(zhuǎn)磁場原理可知，定子三相合成磁動勢的幅值總是位于電流為最大值的一相繞組軸線上，可見電樞磁動勢Fa滯后勵磁磁動勢Ff90°。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)。由圖c可見，對主磁場而主，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。對于氣隙磁場交軸電構(gòu)反應(yīng)將使合成磁場的軸線位置同步發(fā)電機(jī)原理圖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)有去磁作用。二、I滯后E090°（φ=90°）時的電樞反應(yīng)當(dāng)φ=90°時，定子各相電流的分布如圖a、b所示。此時U相勵磁電動勢雖為最大值。此時轉(zhuǎn)子的相對位置將如圖c、d所示，也就是說U相電流達(dá)到最大值時，轉(zhuǎn)子已向前轉(zhuǎn)過90°，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)，可見φ=90°時直軸電樞反應(yīng)的性質(zhì)是純粹去磁的。三、I超前E090°（φ=90°）時的電樞反應(yīng)說當(dāng)U相電流達(dá)到最大值時，轉(zhuǎn)子磁場的空間位置滯后φ=0°時的轉(zhuǎn)子磁場的位置90°。這時電樞磁動勢的幅值又位于勵磁磁動勢的軸線上，但兩者方向相同，其電樞反應(yīng)的性質(zhì)是純粹增磁的，同樣也稱為直軸電樞反應(yīng)。當(dāng)φ=90°時，定子各相電流的分布如圖a所示。此時U相勵磁電動勢雖為最大值，但電樞電流仍為零。U相電流在超前90°時達(dá)到最大值。此時轉(zhuǎn)子的相對位置交如圖c、d所示，也就是四、在一般情況下0°＜φ＜90°，I滯后E0一個銳角φ圖示瞬間，U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E0φ角，所示U相電流必須過了一段時間，等轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過φ空間電角度時（圖c所示位置）才能達(dá)到最大值，電樞磁動勢Fa的幅值才位于U相繞組的轉(zhuǎn)向位置上，此時電樞磁動勢Fa滯后勵磁磁動勢Ff(90＋φ)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)。將此時電樞磁動勢Fa分解成直軸和交軸兩個分量，即Faq起交磁作用，F(xiàn)aq起去磁作用。此時的電樞反應(yīng)也可以這樣說明，如將每一相的電樞電流I都分解Id和Iq兩個分量，即其中Iq與勵磁電動勢E0同相位，它們（指三相的該分量，即IQu、IqV、IqW）產(chǎn)生交軸電樞磁動勢Faq分量Iq叫做I的交軸分量，而Id滯后勵磁電動勢E090°，它們產(chǎn)生直軸電樞磁動勢Fad，把分量Id叫做I的直軸分量電樞反應(yīng)是同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時的重要物理現(xiàn)象，它不僅是引起有負(fù)載時端電壓變化的主原因，而且也是發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的樞紐?？紤]電樞反應(yīng)的作用，有負(fù)載時電樞繞組中的感應(yīng)電動勢將由氣隙合成磁場建立。氣隙電動勢減去定子漏阻抗壓降，便得到端電壓。通常發(fā)電機(jī)的負(fù)載為感性負(fù)載，電樞反應(yīng)含有去磁作用，使氣隙磁場削弱。相應(yīng)的氣隙電動勢將小于勵磁電動勢。隨著負(fù)載的增加，必須增大勵磁電流。綜

上

所

述同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行1凸極同步發(fā)電機(jī)的電動勢方程式和相量圖一、凸極同步發(fā)電機(jī)的電動勢方程式利用雙反應(yīng)理論和疊加原理進(jìn)行分析，即把電樞磁場分解為直軸和交軸電樞磁場，它們和勵磁磁場互相獨(dú)立地存在于同一磁路中，這些磁場各自在定子繞組中感應(yīng)電動勢，這些電動勢的總和便是每相繞組的氣隙合成電動勢Eδ,Eδ減去定子漏阻抗壓降后，便得到發(fā)電機(jī)的端電壓。電磁關(guān)系式表達(dá)：勵磁磁動勢Ff→φ1→E0直軸電樞反應(yīng)磁動勢Fad→φad→EadEδ交軸電樞反應(yīng)磁動勢Faq→φaq→Eaq電樞回路的電動勢方程：Eδ=E0+E=+Eaq=U+I(Ra+Jxa)

式中E0—勵磁磁動勢（或空載電動勢），由主磁磁通φ1產(chǎn)生

Ead及Eaq——直軸電樞反應(yīng)電動勢和交軸電樞反應(yīng)電動

勢，它們分別由直軸電樞反應(yīng)磁通φad和交軸電樞反應(yīng)磁

通φaq產(chǎn)生。不計(jì)飽和，φad與φaq正比于Fad及Faq，又分別正比于電流Id及Iq

即：滯后于，滯后于

，可寫成：式中Xad和Xaq——直軸電樞反應(yīng)電抗和交軸電樞反應(yīng)電抗。電樞磁動勢不僅產(chǎn)生電樞反應(yīng)磁通，還產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子無關(guān)的漏磁通φa，感應(yīng)漏磁通電動勢Ea：則由電樞回路的電動勢方程式可得：式中Xd——直軸同步電抗，Xd=Xa+Xad;Xq——交軸同步電抗，Xq=Xa+Xaq。一般Xd＞Xq。二、凸極同步發(fā)電機(jī)的相量圖

同步發(fā)電機(jī)帶感性負(fù)載，發(fā)電機(jī)的端電壓U、負(fù)載電流I和功率因數(shù)cosφ及參數(shù)Ra、Xd、Xq均勻已知，并假定已知φ，則按照上式可以畫出凸極同步發(fā)電機(jī)的相量圖Id滯后于OG90°，與OG同相。電阻壓降IRa與電流I同相，交軸同步電抗壓降MN=jIqXq及直軸同步電抗壓降NG=jIdXd分別超前電流Iq和Id90°,將U、IRa、jIdXd相量相加，即得勵磁電動勢E0=OG。作圖過程如下：先畫出電壓U及電流I，作OG直線越前于電流I一個φ角，OG直線E0的方向。然后將電流I分解為直軸分量Id和交軸分量Iq，

實(shí)際上相量圖很難直接畫出，這是因?yàn)镋0和I之間相位差φ角是無法測定，這樣就無法把電流I分解成直軸和交軸分量，整個相量圖就作不出來。求出了內(nèi)功率因數(shù)有φ，便可以把電流I分解為直軸分量Id和交軸分量Iq作出相量圖：EQ與E0的關(guān)系：φ角：2隱極同步發(fā)電機(jī)的電動勢方程式和相量圖隱極同步發(fā)電機(jī)中，由于氣隙是均勻的，電樞反應(yīng)用電樞反應(yīng)電抗Xt表示：隱極同步發(fā)電機(jī)的電動勢方程式：電動勢相量圖：知U、I、Rα、Xt及cosφ，則可按上式求出相量E0。根據(jù)相量圖可計(jì)算E0值，即E0=EQ圖b是根據(jù)隱極同步電動機(jī)的電壓方程式畫出的相量圖。

同步發(fā)電機(jī)的特性一、空載特性和短路特性1、空載特性空載特性：在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持同步轉(zhuǎn)速（n=n1）、電樞開路（I=0）的情況下，空載電壓（U0=E0）與勵磁電流If的關(guān)系曲線U0=f(If)?？蛰d特性是發(fā)電機(jī)的基本特性之一。表示征了發(fā)電機(jī)磁路的飽和情況下把它和短路特性、零功率因數(shù)負(fù)載特性配合在一起，可以確定發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)、額定勵磁電流和電壓調(diào)整率等2、短路特性

短路特性：指發(fā)電機(jī)在同步轉(zhuǎn)速下，電樞繞組端點(diǎn)三相短接時，電樞短路電流Ik與勵磁電流If的關(guān)系曲線。即n=n1,U=0時Ik=f(If)。短路特性可由三相穩(wěn)態(tài)短路試驗(yàn)測得。試驗(yàn)時：發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持為同步轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)勵磁電流If，使電樞的短路電流從零開始，一直到1.25IN左右為止，記取對應(yīng)的短路電流Ik和勵磁電流If，即可得到短路特性曲線短路試驗(yàn)的接線圖短路時由于電樞反應(yīng)的去磁作用，發(fā)電機(jī)中合成氣隙磁動勢數(shù)值很小，使磁路處于不飽和狀態(tài)，所以短路特性是一條直線短路時：發(fā)電機(jī)的端電壓U=0，限制短路電流的僅是發(fā)電機(jī)的內(nèi)部阻抗。由于一般同步發(fā)電機(jī)的電樞電阻Ra遠(yuǎn)小于同步電抗，所以短路電流可認(rèn)為是純感性的，即φ≈90°。這時的電樞電流幾乎全部為直軸電流，它所產(chǎn)生的電樞磁動勢基本上是一個純?nèi)ゴ抛饔玫闹陛S磁動勢，即Fa=Fad,Faq=0,此時電樞繞組的電抗為直軸同步電抗Xd，等效電路相量圖二、外特性和調(diào)整特性1、外特性外特性是指發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持同步轉(zhuǎn)速，勵磁電流和負(fù)載功率因數(shù)不變時，端電壓與負(fù)載電流的關(guān)系曲線，即n=n1,If=常值時，U=f(I)。

感性負(fù)載和純電阻負(fù)載時，外特性都是下降的（曲線1、2）。因?yàn)檫@兩種情況下電樞反應(yīng)均有去磁作用，此外定子漏阻抗壓降也引起一定的電壓下降。

容性負(fù)載時，電樞反應(yīng)是增磁的，因此端電壓U隨負(fù)載電流I的增大反而升高，外特性則是上升的（曲線3）。不同功率因數(shù)時同步發(fā)電機(jī)的外特性從外特性曲線上可求出發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率△U*(見下圖）調(diào)節(jié)勵磁電流，使額定負(fù)載時（I=IN，cosφ=cosφN）發(fā)電機(jī)的端電壓額定電壓UN，此時的勵磁電流稱為額定勵磁電流IfN。然后保持勵磁和轉(zhuǎn)速不變，卸去負(fù)載，此時端電壓升高的標(biāo)么值就稱為同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率，用△U*表示，要求已大為放寬，為防止卸載時電壓劇烈上升，以致?lián)舸├@組絕緣，所以△U*應(yīng)小于50%。近代凸極發(fā)電機(jī)的△U*大體在18%~30%以內(nèi)。汽輪發(fā)電由于電樞反應(yīng)較大，故△U*也較大，大體在30%~48%范圍內(nèi)（均為cosφN=0.8滯后）。電壓調(diào)整率是表征同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行性能的重要數(shù)據(jù)之一。近代同步發(fā)電機(jī)大多數(shù)均配有快速自動調(diào)壓裝置，因而對△U*2、調(diào)整特性

當(dāng)發(fā)電機(jī)的負(fù)載發(fā)生變化時，為保持端電壓不變，必須同時調(diào)節(jié)勵磁電流。保持發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，當(dāng)其端電壓和功率因數(shù)不變時，負(fù)載電流變化時其勵磁電流的高速特性曲線就稱為發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性，即n=n1,U=常值，cosφ=常值時，If=f(I)。

容性負(fù)載時，隨著負(fù)載的增加，必須相應(yīng)地減小勵磁電流，以維持端電壓恒定（曲線3），則曲線是不下降的。一常值，勵磁電流必須相應(yīng)增大。因此這兩種情況下的調(diào)整特性都是上升的（曲線1和2）。

感性和純電阻性負(fù)載時，為了克服負(fù)載電流所產(chǎn)生的去磁電樞反應(yīng)和阻抗壓降，隨著負(fù)載的增加，要保持端電壓為不同負(fù)載性質(zhì)時同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性一、同步電動機(jī)的功率方程同步電動機(jī)從電源吸收有功功率P1，在扣除消耗于定子繞組的銅損耗后，轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶殴β蔖em，即有從電磁功率Pem里再扣除鐵損耗和機(jī)械摩擦損耗后，得到輸出給負(fù)載的機(jī)械功率P2其中，鐵損耗與機(jī)械損耗之和稱為空載損耗P0，即圖是同步電動機(jī)的功率流程圖。三、穩(wěn)態(tài)功角特性

穩(wěn)態(tài)功角特性:指同步發(fā)電機(jī)接在網(wǎng)上穩(wěn)態(tài)對稱運(yùn)行時，發(fā)電機(jī)的電磁功率PM與功率角δ之間的關(guān)系。所謂功率角就是指勵磁電勢E0與端電壓U之間的相位角δ。由于現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)的電樞繞組小于同步電抗，故可把Ra忽略不計(jì)，則發(fā)電機(jī)的凸極發(fā)電機(jī)的有功功率功角特性隱極發(fā)電機(jī)的有功功率功角特性凸極發(fā)電機(jī)功角特性曲線凸極發(fā)電機(jī)的功角特性分兩部分:附加電磁功率的特點(diǎn):凸極發(fā)電機(jī)隱極發(fā)電機(jī)的功角特性曲線隱極發(fā)電機(jī)的有功功率功角特性的特點(diǎn):隱極發(fā)電機(jī)

三、同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與矩角特性首先根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩的通用公式推導(dǎo)同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式。第一章的式（1-46）即是電磁轉(zhuǎn)矩的通用公式：式中——電機(jī)極對數(shù)； ——每極合成磁通； ——定子磁動勢幅值； ——定子磁動勢與合成磁動勢間的夾角。這里，因?yàn)椋墒剑?-3）可得根據(jù)圖所示的磁動勢關(guān)系，可以得到如下關(guān)系把上述三式代入電磁轉(zhuǎn)矩的通用公式，可得式中——同步角速度。不計(jì)定子電阻時，，且，因此上式可以寫成根據(jù)功率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，同樣可以導(dǎo)出電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩平衡方程。與異步電動機(jī)一樣，電磁轉(zhuǎn)矩Te等于電磁功率Pem與電機(jī)角速度ω之比，但對于同步電動機(jī)，由式知道其轉(zhuǎn)速即為同步轉(zhuǎn)速。因此，同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩應(yīng)為將式等號兩邊同除以ω1，得到同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式中T0——空載轉(zhuǎn)矩。將電磁功率的表達(dá)式（8-20）代入式（8-25），得到的電磁轉(zhuǎn)矩為上式說明，在電源電壓Us、電源的頻率f1、勵磁電流If都保持不變時，同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te也僅是θ的函數(shù)。即當(dāng)θ角變化時，電磁轉(zhuǎn)矩Te也跟著變化。把的關(guān)系定義為同步電動機(jī)的矩角特性，由此所繪制出的曲線稱為矩角特性曲線。功角特性與矩角特性的表達(dá)式相互之間僅相差一個比例常數(shù)1，所以圖8-10和圖8-11中的曲線也可視為矩角特性曲線。若是隱極式同步電動機(jī)，因Xd=Xq，則功角特性和矩角特性的表達(dá)式為

四、同步電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行下面以隱極同步電動機(jī)為例來討論同步電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行問題。由圖可見，當(dāng)電動機(jī)拖動負(fù)載運(yùn)行在

=0～90的范圍內(nèi)，電動機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)電動機(jī)拖動負(fù)載運(yùn)行在

=90～180的范圍內(nèi)，電動機(jī)不能夠穩(wěn)定運(yùn)行。如果與異步電動機(jī)一樣，將最大電磁轉(zhuǎn)矩Tem與額定電磁轉(zhuǎn)矩TN之比，稱為過載倍數(shù)，用表示。這里（8-30）可見，為了滿足過載限制的要求，隱極同步電動機(jī)額定運(yùn)行時，。對于凸極同步電動機(jī)，額定運(yùn)行時的功率角還要小些。當(dāng)負(fù)載改變時，θ角隨之變化，就能使同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te或電磁功率Pem跟著變化，以達(dá)到新的平衡狀態(tài)。在同步電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時，電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n是嚴(yán)格按照同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，不發(fā)生任何變化。所以，同步電動機(jī)的機(jī)械特性為一條水平的直線。

第四節(jié)同步電動機(jī)的功率因數(shù)及U形曲線一、同步電動機(jī)的功率因數(shù)調(diào)節(jié)當(dāng)同步電動機(jī)接在交流電