《電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)》第九章-同步電機(jī)

同步電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度嚴(yán)格同步，由此而得名。設(shè)定子繞組通入頻率為f的交流電流，電機(jī)的極對(duì)數(shù)為p，則同步電機(jī)轉(zhuǎn)速n、通電頻率f和極對(duì)數(shù)p的關(guān)系為第九章同步電機(jī)我國(guó)電力系統(tǒng)的頻率規(guī)定為50Hz，因此同步轉(zhuǎn)速與極對(duì)數(shù)成反比，當(dāng)p=1時(shí)，轉(zhuǎn)速最高，為3000r/min。極對(duì)數(shù)越多，轉(zhuǎn)速越低。同步電機(jī)主要用作發(fā)電機(jī)，幾乎所有的電力都由同步發(fā)電機(jī)發(fā)出。同步電機(jī)也可以作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，并且同步電動(dòng)機(jī)能夠改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。

第九章同步電機(jī)第九章同步電機(jī)第一節(jié)概述第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理第三節(jié)同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式及相量圖第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性第九章同步電機(jī)第五節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的無功功率調(diào)節(jié)第六節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)第七節(jié)同步發(fā)電機(jī)原理第八節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性第九節(jié)同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行

同步電機(jī)結(jié)構(gòu)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成。定、轉(zhuǎn)子之間是空氣隙。轉(zhuǎn)子有旋轉(zhuǎn)磁極和旋轉(zhuǎn)電樞兩種結(jié)構(gòu)型式，分別如圖9.1和圖9.2所示。（a）隱極式圖9.1旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)示意圖第一節(jié)概述一、結(jié)構(gòu)形式(b)凸極式適合高速旋轉(zhuǎn)適合中低速旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)電樞式結(jié)構(gòu)只用于小容量電機(jī)，一般同步電機(jī)常采用旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)。在旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)中，又分為隱極式和凸極式兩種型式(上頁圖9.1)，其定子部分與三相異步電動(dòng)機(jī)的完全一樣。圖9.2旋轉(zhuǎn)電樞式同步電機(jī)示意圖

第一節(jié)概述額定功率因數(shù)：電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)。額定效率：電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的效率。額定轉(zhuǎn)速：?jiǎn)挝粸閞/min。額定電流

：電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)定子的線電流，單位為A。額定電壓

：電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)定子的線電壓，單位為V或kV。額定容量：發(fā)電機(jī)出線端額定視在功率，單位VA或kVA。二．同步電機(jī)的額定值第一節(jié)概述額定功率：對(duì)發(fā)電機(jī)為額定輸出有功電功率此外，銘牌上還有額定頻率，單位為Hz；額定勵(lì)磁電壓，單位為V；額定勵(lì)磁電流，單位為A。

對(duì)電動(dòng)機(jī)為軸上輸出的額定機(jī)械功率(9.1)(9.2)第一節(jié)概述當(dāng)同步電機(jī)定子三相對(duì)稱繞組接到三相對(duì)稱電源上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生三相合成圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，又稱電樞磁動(dòng)勢(shì)，用空間向量表示。設(shè)其轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針，轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速。在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中通入直流勵(lì)磁電流，就產(chǎn)生了勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。由于勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)于轉(zhuǎn)子是靜止的，但轉(zhuǎn)子本身以同步轉(zhuǎn)速逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，所以一．同步電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)于定子也以同步轉(zhuǎn)速逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。因此作用在同步電機(jī)的主磁路上的這兩個(gè)磁動(dòng)勢(shì)均以同步轉(zhuǎn)速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，且保持同步。為簡(jiǎn)單起見，假設(shè)電機(jī)主磁路不飽和，是線性的。這樣，作用在電機(jī)主磁路上的各個(gè)磁動(dòng)勢(shì)的影響就可以分別考慮，然后再采用疊加原理進(jìn)行合成。第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理

圖9.3同步電機(jī)的縱軸與橫軸圖9.4由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的磁通第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理

1．勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)從圖9.3看出，勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)作用在縱軸方向，產(chǎn)生的勵(lì)磁磁通如圖9.4所示。顯然的磁路關(guān)于縱軸對(duì)稱，并且隨著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。

2．電樞磁動(dòng)勢(shì)與同步旋轉(zhuǎn)，但位置未必一致。只要的方向不在縱軸上，由于凸極式同步電機(jī)氣隙不均勻，極間的氣隙較大，極下的氣隙小，磁路不對(duì)稱，無法求解。第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理同步電機(jī)的電樞反應(yīng)如圖9.5所示，電樞磁動(dòng)勢(shì)與勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的相對(duì)位置已知。為了求解磁場(chǎng)，把電樞磁動(dòng)勢(shì)分解成兩個(gè)分量：縱軸（d軸）電樞磁動(dòng)勢(shì)和橫軸（q軸）電樞磁動(dòng)勢(shì)。二．凸極同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理圖9.5同步電機(jī)的電樞反應(yīng)第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理

(9.3)即作用在縱軸方向，其磁路為對(duì)稱磁路；作用在橫軸方向，其磁路亦對(duì)稱。這樣，就將上述不對(duì)稱磁路即第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理的求解轉(zhuǎn)化為兩個(gè)獨(dú)立的對(duì)稱磁路的求解，問題得以簡(jiǎn)化。這種方法，稱為雙反應(yīng)原理。雙反應(yīng)原理的理論基礎(chǔ)實(shí)質(zhì)上就是疊加原理。實(shí)踐證明，若不計(jì)飽和，應(yīng)用雙反應(yīng)原理分析凸極同步電機(jī)的確可以得到令人滿意的結(jié)果。第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理（1）縱軸圖9.6電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)及磁通

由單獨(dú)作用產(chǎn)生的磁通稱為縱軸電樞磁通，如圖9.6(1)所示。第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理（2）橫軸圖9.6電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)及磁通由單獨(dú)作用產(chǎn)生的磁通稱為橫軸電樞磁通，如圖9.6(2)所示。第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理生磁動(dòng)勢(shì),產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)。，其中產(chǎn)即把電樞電流也分解成兩個(gè)分量仿照，將電樞電流進(jìn)行分解(9.4)

和第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理橫軸電樞磁動(dòng)勢(shì)的大小為縱軸電樞磁動(dòng)勢(shì)的大小為第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理第三節(jié)同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式及相量圖一．凸極同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，同步旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁磁通和電樞磁通、都要在定子繞組里感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。勵(lì)磁磁通、縱軸電樞磁通和橫軸電樞磁通在定子繞組里感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)分別用、和表示。

圖9.7同步電動(dòng)機(jī)各電量的正方向第三節(jié)同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式及相量圖式中，是定子繞組相電阻；是定子繞組相漏電抗。根據(jù)圖9.7，由基爾霍夫定律，可以列出繞組的電壓平衡方程式

(9.7)(9.5)

(9.6)

仿照變壓器及異步電機(jī)的分析方法，將電動(dòng)勢(shì)變成電抗壓降形式：第三節(jié)同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式及相量圖式中，稱為縱軸電樞反應(yīng)電抗，表示了縱軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)在定子繞組中感應(yīng)電勢(shì)的能力；稱為橫軸電樞反應(yīng)電抗，表示了橫軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)在定子繞組中感應(yīng)電勢(shì)的能力。把式(9.6)、(9.7)、(9.4)代入到電壓平衡方程式中，得第三節(jié)同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式及相量圖稱為橫軸同步電抗，為常數(shù)。式中，稱為縱軸同步電抗，為常數(shù)；

即：

(9.8)

當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)容量較大時(shí)，可忽略電阻，有：(9.9)第三節(jié)同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式及相量圖二．隱極同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式隱極式同步電動(dòng)機(jī)的氣隙是均勻的，縱軸、橫軸參數(shù)相同，即式中為隱極同步電動(dòng)機(jī)的同步電抗。電壓平衡方程式為

(9.10)忽略電阻時(shí)，有：

(9.11)第三節(jié)同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式及相量圖圖9.8凸極式同步電動(dòng)機(jī)相量圖三．相量圖根據(jù)式(9.8)，可以作出領(lǐng)先時(shí)的凸極同步電動(dòng)機(jī)的相量圖。如圖9.8所示。圖中與之間的夾角為，為功率因數(shù)角；與之間的夾角是，稱為功率角。（注意：）d軸第三節(jié)同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式及相量圖圖9.9是領(lǐng)先時(shí)的隱極式同步電動(dòng)機(jī)的相量圖。圖9.9隱極式同步電動(dòng)機(jī)的相量圖

(9.10)第三節(jié)同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式及相量圖扣除定子繞組的銅損耗，則電磁功率為一．功率和轉(zhuǎn)矩平衡方程式從電磁功率中扣除鐵損耗和機(jī)械摩擦損耗輸出功率。

(9.12)第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性

三相同步電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收的有功功率為式中，是同步電動(dòng)機(jī)的角速度。式中，為空載損耗，。因此，同步電動(dòng)機(jī)的功率平衡方程式為：

(9.13)電磁轉(zhuǎn)矩為第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性式中，稱為空載轉(zhuǎn)矩。

(9.14)把式(9.12)兩邊同時(shí)除以，就得到同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式。即第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性即忽略定子繞組的銅損耗忽略同步電動(dòng)機(jī)定子電阻時(shí)，電磁功率二．功角特性

根據(jù)圖9.8相量圖，可得又：圖9.8凸極式同步電動(dòng)機(jī)相量圖第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性上式中，第一項(xiàng)與即勵(lì)磁電流有關(guān)，稱為勵(lì)磁電磁功率。第二項(xiàng)，與電動(dòng)機(jī)縱軸、橫軸參數(shù)不相等有關(guān)，也就是由凸極式轉(zhuǎn)子引起的，稱為凸極電磁功率或磁阻功率。將上述關(guān)系代入電磁功率的表達(dá)式并化簡(jiǎn)得：

(9.15)第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性由式(9.15)可知，在電動(dòng)機(jī)參數(shù)一定的條件下，電磁功率是角度的函數(shù)，即稱為同步電動(dòng)機(jī)的功角特性，如圖9.10曲線3所示。圖9.10凸極同步電動(dòng)機(jī)的功角特性第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性勵(lì)磁電磁功率凸極電磁功率功角特性與呈正弦函數(shù)關(guān)系，如圖9.10中的曲線2。當(dāng)時(shí)，與呈正弦函數(shù)關(guān)系，如圖9.10中的曲線1。當(dāng)時(shí)，達(dá)到最大，最大值為。勵(lì)磁電磁功率凸極電磁功率達(dá)到最大，最大值為。第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性隱極同步電動(dòng)機(jī)可視為凸極同步電動(dòng)機(jī)的特例。對(duì)于隱極同步電動(dòng)機(jī)，，電磁功率與角的關(guān)系為功角特性如圖9.10曲線1所示。第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性把式(9.15)兩邊同除以機(jī)械角速度，得到電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩與的函數(shù)關(guān)系稱為矩角特性，與功角特性形狀一致。如圖9.10曲線3所示。三．矩角特性(9.16)對(duì)于隱極同步電動(dòng)機(jī)，電磁轉(zhuǎn)矩為隱極式同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性如圖9.10曲線1所示。

(9.17)第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性圖9.10凸極同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性以隱極式同步電動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行分析。1.功率角在區(qū)間四．穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間（a）

圖9.11隱極同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行在范圍內(nèi)，電機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性在范圍內(nèi)，電機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行。2.功率角在區(qū)間（b）

圖9.11隱極同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性最大電磁轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比，稱為過載倍數(shù)，用表示。即當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，角隨之變化，電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率也隨之變化，以達(dá)到新的平衡，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速卻嚴(yán)格按照同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。所以同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為一條水平直線，斜率為零。第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性根據(jù)同步電動(dòng)機(jī)的原理，角為電動(dòng)勢(shì)與之間的夾角，顯然是個(gè)時(shí)間電角度；同時(shí)，角也是勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)（產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)）與同步電動(dòng)機(jī)主磁路的合成磁動(dòng)勢(shì)之間的角度，是個(gè)空間電角度。對(duì)應(yīng)著，近似地對(duì)應(yīng)著。把合成磁動(dòng)勢(shì)視為等效磁極，吸引著轉(zhuǎn)子磁極以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，如圖9.12所示。第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性圖9.12等效磁極第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性同步電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行還是作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，要視轉(zhuǎn)子磁極與等效磁極之間的相對(duì)位置來決定。同步電機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行例9.1一臺(tái)三相四極同步電動(dòng)機(jī)，額定容量kW，額定電壓V，額定功率因數(shù)，額定效率，定子每相電阻，定子繞組為Y接。計(jì)算：(1)額定運(yùn)行時(shí)的輸入功率；(2)額定運(yùn)行時(shí)的電磁功率；(3)額定電磁轉(zhuǎn)矩。第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性解：(1)

kW(2)額定電流A額定電磁功率kW

(3)N·m第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速恒定，因此，從電網(wǎng)吸收的有功功率基本上取決于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)輸出的有功功率恒定而改變其勵(lì)磁電流時(shí)，其無功功率是可以調(diào)節(jié)的。不計(jì)磁路飽和影響，忽略電樞電阻，則有而恒定，忽略空載損耗（），則為常數(shù)，即一．無功功率調(diào)節(jié)第五節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的無功功率調(diào)節(jié)

正常勵(lì)磁圖9.13同步電動(dòng)機(jī)不同勵(lì)磁電流時(shí)的相量圖

即式(9.19)表示電動(dòng)機(jī)定子邊的有功電流保持不變。由此作出電動(dòng)機(jī)的相量圖，如圖9.13所示。

(9.18)

(9.19)

過勵(lì)欠勵(lì)第五節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的無功功率調(diào)節(jié)正常勵(lì)磁時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)只從電網(wǎng)吸收有功功率，不吸收無功功率。此時(shí)同步電動(dòng)機(jī)就像純電阻負(fù)載。

欠勵(lì)時(shí)，電動(dòng)機(jī)既從電網(wǎng)吸收有功功率還要吸收滯后性的無功功率。此時(shí)同步電動(dòng)機(jī)就像電阻電感負(fù)載，加重了電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)。過勵(lì)時(shí)，電動(dòng)機(jī)既從電網(wǎng)吸收有功功率，還要吸收領(lǐng)先的無功功率。此時(shí)同步電動(dòng)機(jī)就像電阻電容負(fù)載。對(duì)改善電網(wǎng)的功率因數(shù)有好處。

第五節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的無功功率調(diào)節(jié)由圖9.13相量圖可知，在電動(dòng)機(jī)輸出功率恒定時(shí)，改變勵(lì)磁電流將引起同步電動(dòng)機(jī)定子電流大小和相位的變化。正常勵(lì)磁時(shí)，定子電流最小；過勵(lì)或欠勵(lì)時(shí)，定子電流都會(huì)增大。把定子電流與勵(lì)磁電流的關(guān)系，用曲線表示，如圖9.14所示。二．V型曲線第五節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的無功功率調(diào)節(jié)圖9.14同步電動(dòng)機(jī)的V形曲線欠勵(lì)正常勵(lì)磁過勵(lì)不穩(wěn)定區(qū)超過電動(dòng)機(jī)失步第五節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的無功功率調(diào)節(jié)

改變勵(lì)磁電流可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，這是同步電動(dòng)機(jī)最重要的特點(diǎn)。因?yàn)殡娋W(wǎng)的負(fù)載主要是異步電動(dòng)機(jī)和變壓器，它們都吸收滯后的無功功率。利用同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)可調(diào)的特點(diǎn)，工作于過勵(lì)狀態(tài)，從電網(wǎng)吸收領(lǐng)先的無功功率，就可以改善電網(wǎng)的無功平衡狀況，從而提高電網(wǎng)的功率因數(shù)、運(yùn)行性能及效益。第五節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的無功功率調(diào)節(jié)第六節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)不能直接起動(dòng)，而必須借助一定的方法使它起動(dòng)。同步電動(dòng)機(jī)的常用起動(dòng)方法有下列三種。1.輔助電動(dòng)機(jī)起動(dòng)2.變頻起動(dòng)3.異步起動(dòng)1.輔助電動(dòng)機(jī)起動(dòng)選用與同步電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)相同的異步電動(dòng)機(jī)作為輔助電動(dòng)機(jī)。先將同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組經(jīng)限流電阻短路，用輔助電動(dòng)機(jī)將其拖動(dòng)至接近同步轉(zhuǎn)速后，將勵(lì)磁繞組所串的限流電阻切除，通入直流電流，電動(dòng)機(jī)自動(dòng)牽入同步，并切斷輔助電動(dòng)機(jī)電源。這種方法只適合于空載起動(dòng)，所需設(shè)備多，操作復(fù)雜。第六節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)2.變頻起動(dòng)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組通入勵(lì)磁電流。定子繞組由變頻電源供電，電源頻率很低，使轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)，逐步增加頻率至額定值，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速的上升而上升，直至達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。變頻起動(dòng)過程平穩(wěn)，性能優(yōu)越，在大中型同步電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用越來越廣泛。第六節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)3.異步起動(dòng)為了解決起動(dòng)問題，在同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上安裝起動(dòng)繞組，類似于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的鼠籠繞組。當(dāng)定子接入電源后，產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)能夠自起動(dòng)。起動(dòng)過程和異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程是完全一樣的，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，再加入勵(lì)磁，電動(dòng)機(jī)自動(dòng)牽入同步。第六節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)第七節(jié)同步發(fā)電機(jī)原理根據(jù)電機(jī)的可逆原理，同步電機(jī)在一定條件下，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。以隱極同步電機(jī)為例進(jìn)行說明。一臺(tái)隱極同步電機(jī)，從電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，經(jīng)過過渡狀態(tài)，到發(fā)電機(jī)狀態(tài)，分別如圖9.15(a)、9.15(b)、9.15(c)所示。輸入功率恰好承擔(dān)其空載損耗

(b)過渡狀態(tài)

圖9.15從電動(dòng)機(jī)狀態(tài)到發(fā)電機(jī)狀態(tài)的過渡(c)發(fā)電機(jī)

(a)電動(dòng)機(jī),,第七節(jié)同步發(fā)電機(jī)原理

隱極同步電機(jī)的電磁功率為當(dāng)時(shí)，，，將電功率轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率輸出，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。當(dāng)時(shí)，，，將機(jī)械功率轉(zhuǎn)換為電功率輸出，機(jī)械功率來源于原動(dòng)機(jī)。即從原動(dòng)機(jī)輸入機(jī)械功率，輸出電功率，發(fā)電機(jī)運(yùn)行。第七節(jié)同步發(fā)電機(jī)原理一．同步發(fā)電機(jī)的電壓平衡方程式采用發(fā)電機(jī)慣例，正方向如圖9.16所示，由基爾霍夫定律，可以得到凸極同步發(fā)電機(jī)相繞組的電壓平衡方程式(9.20)圖9.16同步發(fā)電動(dòng)機(jī)物理量的正方向第七節(jié)同步發(fā)電機(jī)原理

(9.21)隱極式同步發(fā)電機(jī)的的電壓平衡方程式

(9.22)忽略電阻時(shí)，有

(9.23)當(dāng)同步發(fā)電機(jī)容量較大時(shí)，可忽略電阻，于是第七節(jié)同步發(fā)電機(jī)原理根據(jù)式(9.20)，可以作出不計(jì)飽和時(shí)凸極同步發(fā)電機(jī)的相量圖，如圖9.17所示。二．同步發(fā)電機(jī)的相量圖第七節(jié)同步發(fā)電機(jī)原理圖9.17凸極同步發(fā)電機(jī)的相量圖(9.20)根據(jù)式(9.22)，可以作出隱極同步發(fā)電機(jī)的相量圖，如圖9.18所示。第七節(jié)同步發(fā)電機(jī)原理圖9.18隱極同步發(fā)電機(jī)的相量圖

同步發(fā)電機(jī)由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，在對(duì)稱負(fù)載下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，由原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率在扣除了機(jī)械損耗、鐵耗和附加損耗后，轉(zhuǎn)化為電磁功率，功率平衡方程為式中，為空載損耗。三．功率和轉(zhuǎn)矩平衡方程(9.24)(9.25)即第七節(jié)同步發(fā)電機(jī)原理上式中沒有考慮勵(lì)磁損耗,認(rèn)為勵(lì)磁功率與原動(dòng)機(jī)輸入功率無關(guān)。若勵(lì)磁機(jī)與發(fā)電機(jī)同軸運(yùn)轉(zhuǎn)，則還應(yīng)扣除勵(lì)磁機(jī)吸收的功率后才能得到。

電磁功率是通過電磁感應(yīng)作用由氣隙合成磁場(chǎng)傳遞到發(fā)電機(jī)定子的電功率。在扣除了電樞繞組銅耗后，就是發(fā)電機(jī)輸出的電功率，即第七節(jié)同步發(fā)電機(jī)原理式中，

為原動(dòng)機(jī)提供的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；而為空載阻轉(zhuǎn)矩，制動(dòng)性質(zhì)；為電磁轉(zhuǎn)矩，也是制動(dòng)性質(zhì)。

(9.27)

式(9.25)同時(shí)除以發(fā)電機(jī)角速度，就得到了同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程，即

(9.26)第七節(jié)同步發(fā)電機(jī)原理四．功角特性根據(jù)圖9.17相量圖，忽略電樞繞組電阻，可推導(dǎo)出凸極同步發(fā)電機(jī)功角特性：(9.28)

式中，第一項(xiàng)稱為勵(lì)磁電磁功率，第二項(xiàng)稱為凸極電磁功率或磁阻功率，是由d、q軸磁路不對(duì)稱產(chǎn)生的。第七節(jié)同步發(fā)電機(jī)原理對(duì)于隱極同步發(fā)電機(jī)，，電磁功率為

(9.29)隱極同步發(fā)電機(jī)只有勵(lì)磁電磁功率，其功角特性如圖9.19曲線1所示。圖9.19同步發(fā)電機(jī)的功角特性第七節(jié)同步發(fā)電機(jī)原理凸極同步發(fā)電機(jī)功角特性如圖9.19曲線3所示。其中，勵(lì)磁電磁功率為曲線1，凸極電磁功率為曲線2。第八節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性同步發(fā)電機(jī)在對(duì)稱負(fù)載下的運(yùn)行特性是確定電機(jī)主要參數(shù)、評(píng)價(jià)其性能的基本依據(jù)，可由實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得。同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性包括:空載特性短路特性負(fù)載特性外特性調(diào)節(jié)特性一.空載特性同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速，不帶負(fù)載。改變勵(lì)磁電流，空載電動(dòng)勢(shì)隨之變化的關(guān)系稱為空載特性。

由于鐵磁材料有磁滯現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)測(cè)定時(shí)，上升和下降的曲線不會(huì)重合。因此，一般采用從開始至的下降曲線，如圖9.20中上部的曲線所示。第八節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性圖9.20空載特性剩磁電動(dòng)勢(shì)校正值實(shí)測(cè)曲線校正曲線第八節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性短路特性是指同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速，定子三相繞組短路，電樞短路電流與勵(lì)磁電流的關(guān)系。如圖9.21所示。圖9.21短路特性二.短路特性第八節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性合成磁動(dòng)勢(shì)圖9.22穩(wěn)態(tài)短路時(shí)相量圖第八節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性由于端電壓為零，電樞電阻遠(yuǎn)小于電抗，因此，短路電流滯后感應(yīng)電勢(shì)近似為90o，基本上為純感性。電樞磁動(dòng)勢(shì)基本上就是去磁作用的直軸磁動(dòng)勢(shì)，即。合成電動(dòng)勢(shì)由于只與漏抗壓降平衡，數(shù)值不大，對(duì)應(yīng)的氣隙合成磁通也就很小，電機(jī)磁路處于不飽和狀態(tài)。當(dāng)短路電流增加時(shí)，電樞磁動(dòng)勢(shì)正比增加，也正比增加，由于磁路不飽和，合成磁動(dòng)勢(shì)也正比增加，勵(lì)磁電流也正比增加，短路電流與勵(lì)磁電流呈線性關(guān)系。電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程為第八節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性三.零功率因數(shù)負(fù)載特性同步發(fā)電機(jī)的零功率因數(shù)負(fù)載特性指的是發(fā)電機(jī)帶純電感負(fù)載，保持負(fù)載電流為常數(shù)的條件下，發(fā)電機(jī)端電壓與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系曲線如圖9.23所示。第八節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性圖9.23(a)為零功率因數(shù)負(fù)載時(shí)的相量圖。由于，且電樞電阻與回路電抗相比可忽略，即與的夾角故零功率因數(shù)負(fù)載時(shí)的電樞磁動(dòng)勢(shì)僅有去磁的直軸磁動(dòng)勢(shì)分量。于是圖9.23零功率因數(shù)負(fù)載特性

(a)，第八節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性(b)圖9.23零功率因數(shù)負(fù)載特性

第八節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性特性三角形為克服漏抗壓降所增加的勵(lì)磁電流;

是克服電樞反應(yīng)去磁作用所需要增加的勵(lì)磁電流。

是電機(jī)的特性三角形。

純電阻負(fù)載四.外特性外特性是指發(fā)電機(jī)運(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電流為常數(shù)、功率因數(shù)恒定的條件下，端電壓與負(fù)載電流之間的關(guān)系曲線。圖9.24同步發(fā)電機(jī)的外特性感性負(fù)載容性負(fù)載第八節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性額定工作點(diǎn)過勵(lì)欠勵(lì)要求從外特性可以求出發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率。發(fā)電機(jī)運(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速，保持勵(lì)磁電流為額定值，輸出電壓從額定電壓到空載電壓（電動(dòng)勢(shì)），如圖9.25所示。則同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率為第八節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性圖9.25同步發(fā)電機(jī)輸出電壓的變化五.調(diào)整特性當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載電流變化時(shí)，為保持端電壓不變，必須調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。調(diào)整特性是指發(fā)電機(jī)運(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速，端電壓保持不變，功率因數(shù)恒定的條件下，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流與電樞電流的關(guān)系曲線，如圖9.26所示。第八節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性與外特性相反，對(duì)于感性和電阻性負(fù)載，勵(lì)磁電流隨負(fù)載增加而增加，特性上升；而對(duì)容性負(fù)載，因負(fù)載電流的助磁作用，特性下降。圖9.26同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性第八節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性第九節(jié)同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行1、提高供電的可靠性；2、提高供電的質(zhì)量；3、電能的供應(yīng)可以相互調(diào)劑，合理使用；4、提高供電的穩(wěn)定性。在發(fā)電廠中，總是有多臺(tái)同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，而現(xiàn)代電力系統(tǒng)則是由多個(gè)發(fā)電廠并聯(lián)而成。同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行具有一系列的優(yōu)點(diǎn)：一．并聯(lián)運(yùn)行的條件(1)幅值相同；(2)波形相同；(3)頻率相同；(4)相序相同；(5)相位相同。第九節(jié)同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行幅值不相等電機(jī)與電網(wǎng)之間存在電位差，產(chǎn)生環(huán)流，從而使發(fā)電機(jī)損耗增大、溫升增高。波形不同在發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)間產(chǎn)生一系列高次諧波環(huán)流，從而損耗增大、溫升增高、效率降低。頻率不同發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)電壓相量之間