发电机讲义(励磁方式部分

1、5.2同步发电机的运行特性（空载特性、短路特性、外特性）5.3同步发电机的并列方法（定速、升压、并网前准备、准同期并网）。5.4同步发电机的功角特性（有功调节、无功调节、静态稳定性、V形曲线、发电机的PQ运行曲线）5.5同步发电机的故障分析（突然短路、不对称运行、失磁、失步、震荡） 同步电机原理和结构同步电机原理简述结构模型同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旅转的转子两大部分组成。一般分为转场式 同步电机和转枢式同步电机。图15. 1给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心的圆均匀分布着定子槽，槽嵌放着按 一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电

2、枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢 绕组。转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙 中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场（也称主磁场、转子磁场）。气隙处于电枢圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机部磁场的分布和同步电机的性能有重大影 响。除了转场式同步电机外，还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽， 这种同步电机的转子充当了电枢。图中用AX、BY、CZ三个在空间错开120电角度分布的线圈代表三相对称交 流绕组。定子铁也励磁绕组15.1同步电机结构融工作原理主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相

3、间的励磁磁场，即建立起主磁场。载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割 定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。感应电势有效值：由笫11章可知，每相感应电势的有效值为E厂444妙打匕(15. 1)感应电势頻率：感应电势的频率决定于同步电机的转速n和极对数p ,即交变性与对称性：由于旅转磁场极性相间，使得感应电势的极性

4、交变；由于电枢绕组的对称性，保证了 感应电势的三相对称性。同步转速同步转速从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求 发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz ,故有：_60/_ 3000 * P(15. 3)要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。例如2极电机的同步转速为3000r/min, 4极电机的同步转速为1500r/min,依次类推。只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电 机名称的由来。同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。作为发

5、电机运行是同步电机最主要 的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要 求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到 较多地应用。同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁 电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。隐极式转子隐扱式转子上没有凸出的磁极，如图15.2b所示。沿着转子本体圆周表面上，开有许多槽，这些槽中嵌放 着励磁绕组。在转子表面约1/3部分没有开槽，构成所谓大齿，是磁极的中心区。励磁绕组通入

6、励磁电流后， 沿转子圆周也会出现N极和S极。在大容虽高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可达170米/ 秒。为了:咸小转子本体及转子上的各部件所承受的巨大离心力，大型汽轮发电机都做成细长的隐极式圆柱体转 子。考虑到转子冷却和强度方面的要求，隐极式转子的结构和加工工艺较为复杂。图15. 4隐极式同步电机凸极式转子凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励礒线圈，如图15.3所示。当励磁线圈过直流励磁电流后，每个磁极 就出现一定的极性，相邻磁极交替为N极和S极。对水轮发电机来说，由于水轮机的转速较低，要发出工频 电能，发电机的极数就比较多，做成凸极式结构工艺上较为简单。另外，中小型同步电机多半也

7、做成凸极式。15.3凸极式同步电机汽轮发电机定子大体上与异步电机相同，定子铁心由0.35mm,0.5mm或其它厚度的电工钢片叠成。定子外径较小时，采用 圆形冲片，当定子外径大于lm时，采用扇形冲片。定子铁心固定在机座上，机座常由钢板焊接而成，它必须 有足够的强度和刚度，同时还必须满足通风和散热的需要。汽轮发电机的电压较高，要求定子绕组有足够的绝 缘强度，一般采用B级或F级绝缘。为了减少高速庚转引起的离心力，一般采用隐极式转子，其外形常做 成一个细长的圆柱体。转子铁心表面圆周上铳有许多槽，励磁绕组嵌放在这些槽。励磁绕组为同心式绕组， 以铜线绕制，并用不导磁的槽楔将绕组紧固在槽。水轮发电机水轮发电

8、机的特点是：极数多，宜径大，轴向长度短，整个转子在外形上与汽轮发电机大不相同。大多数水轮 发电机为立式。水轮发电机的直径很大，定子铁心由扇形电工钢片拼装叠成。为了散热的需要，定子铁心中留 有径向通风沟。转子磁极由厚度为12mm的钢片直成；磁极两端有磁极压板，用来压紧磁极冲片和固定磁极 绕组。有些发电机磁极的极靴上开有一些槽，槽放上铜条，并用端环将所有铜条连在一起构成阻尼绕组，其作 用是用来拟制短路电流和减弱电机振荡，在电动机中作为起动绕组用。磁圾与磁极純部采用T形或鸽尾形连 接，如图15.4所示。励磁方式简介荻得励磁电流的方法称为励磁方式。目前采用的励磁方式分为两大类：一类是用直流发电机作为励

9、磁电源的 直流励磁机励磁系统；另一类是用硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统。现说明如下：1直流励磁机励磁直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或者他励接法。釆用他励接法时，励楼机 的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。如图15.5所示。副励礒机主励磁机图15.5直流励磁机励磁2静止整流器励磁同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。副励磁机的励 磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励（有时采用永磁发电机）。副励磁机的输出电 流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机，而主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流

10、器整流 后供给主发电机的励磁绕组。（见图15.6）图15.6静止整流器励磁系统3旗转整流器励磁静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大容量的 同步发电机，其励磁电流达到数千安培，使得集电环严重过热。因此，在大容蚩的同步发电机中，常采用不需 要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统，如图15.7所示。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢 的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电 流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置，故 又称为无刷励磁系统。施转部分调整

11、器VE 15.7旋转整流器励磁系统国产同步电机型号我国生产的汽轮发电机有QFQ、QFN、QFS等系列，前两个字母表示汽轮发电机；第三个字母表示冷却方式，Q 表示氢外冷，N表示氢冷，S表示双水冷。我国生产的大型水轮发电机为TS系列，T表示同步，S表示水轮。 举例来说：QES-300-2表示容量为300MW双水冷2极汽轮发电机。TSS1264/160-48表示双水冷水轮发电机， 定子外径为1264厘米，铁心长为160厘米，极数为48。此外同步电动机系列有TD、TDL等，TD表示同步电 动机，后面的字母指出其主要用途。如TDG表示高速同步电动机；TDL表示立式同步电动机。同步补偿机为TT 系列。额定

12、值同步电机的额定值有：额定容量弘（VA.kVA.MVA等）或额定功率P必（W.kW.MW等）：指电机输出功率的保证值。发电机通 过额定容虽值可以确定电枢（定子/励磁）电流，通过额定功率可以确定配套原动机的容虽。电动机的额定容虽 一般用kW数表示，补偿机则用kVAR表示。额定电压（V.kV等）：指额定运行时定子输出端的线电压。额定电流（A）:指额定运行时定子的线电流。额定功率因数:额定运行时电机的功率因数。额定頻率办：额定运行时电机电枢输出端电能的頻率，我国标准工业频率规定为50Hzo额定转速:额定运行时电机的转速，即同步转速。除上述额定值外，同步电机名牌上还常列出一些其它的运行数据，例如额定负

13、载时的温升旨、励磁容量与耳和励磁电B押等。当原动机帶动发电机在同步转速下运行，励磁绕组通过适当的励磁电流，电枢绕组不帶任何负载时的运行情况, 称为空载运行。空载运行是同步发电机最简单的运行方式，其气隙磁场由转子磁势单独建立，分析较为简单。空载气隙磁场 对于凸极发电机来说，由于定转子间的气隙沿整个电枢圆周分布不均匀，极面下气隙较小，而极间气隙较大， 极面下的磁祖较小，而极间磁阻很大，而且在同一个极面下，在一个极的围气隙径向磁通密度的分布近似于平 顶的帽形。极靴以外的气隙磁通密度减少很快，相邻两极中线上的磁通密度为零。气隙磁密可以用付立叶谐波 分析的方法分解出空间基波和一系列谐波。图16.1a中画

14、出了基波波形。通常将极靴的极弧半径做成小于定 子的圆半径，而且两圆弧的圆心不重合（称为偏心气隙），从而形成极弧中心处的气隙最小，沿极弧中心线两侧 方向气隙逐渐增大，这样可以使得气隙磁通密度的分布较接近正弦波形。隐极电机的励磁绕组嵌埋于转子槽，沿转子圆周气隙可视为是均匀的。励磁磁势在空间的分布为一个阶梯形， 受齿槽的影响，气隙磁密呈现出波动变化。用谐波分析法可求出其基波分罐，如图16. 1 （b）所示。合理地选择 大齿的宽度可以使气隙磁密的分布接近正弦波。在本书以后的分析中，如无特殊说明，仅考虑磁通密度的基波 分量。感应电势的波形和大小与气隙磁密的分布形状及幅值大小紧密相关，在设计和制逍电机时，

15、应采取适当的措施, 以获得尽可能接近正弦分布的气隙磁密，从而得到品质较高的感应电势。在本课程以后的分析中，我们仅考虑 感应电势的基波分量。空载转性E 16.2同步发电机的空我特性当空载运行时励磁电势随励磁电流变化的关系称为同步发电机的空载特性。励磁电势的大小（有效值）与转 子每极磁通成正比，而励磁电流的大小又和作用于同步电机磁路上的励磁磁势正比例变化，所以空载特性与 电机磁路的磁化曲线具有类似的变化规律。如图16.2所示。由图可见，当励磁电流较小时，由于磁通较小，电机磁路没有饱和，空载特性呈直线（将其延长后的射线称为 气隙线）。随着励磁电流的増大，磁路逐渐饱和，磁化曲线开始进入饱和段。为了合理

16、地利用材料，空载额定 电压一般设计在空载特性的弯曲处，如图中的C点。空载特性可以通过计算或试验得到。试验测定的方法与直流发电机类似。同步电机的空载特性也常用标么值表 示，空载电势以额定电压为基值，取时的励磁电流（称为额定励磁电流）为励磁电流的基值。用标么值表示的 空载特性具有典型性，不论电机容虽的大小，电压的高低，其空载特性彼此非常接近。空载特性在同步发电机理论中有着重要作用：将设计好的电机的空载特性与表16-1中的数据相比较， 如果两者接近，说明电机设计合理，反之，则说明该电机的磁路过于饱和或者材料没有充分利用。空载特性 结合短路特性（在后面介绍）可以求取同步电机的参数。发电厂通过测取空载特

17、性来判断三相绕组的对称性 以及励磁系统的故障。同步发电机负载运行和电枢反应分析负载后磁势分析空载时，同步电机中只有一个以同步转速旋转的励磁磁势F ,它在电枢绕组中感应出三相对称交流电势称为励磁电势。当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组和负载一起构成闭合通路，通路中流过的是三相对称的 交流电流，我们知道，当三相对称电流流过三相对称绕组时，将会形成一个以同步速度旅转的旅转磁势。F由此可见，负载以后同步电机部将会产生又一个族转磁势 么一电枢族转磁势。因此，同步发电 机接上三相对称负载以后，电机中除了随轴同转的转子磁势專（称为机械庚转磁势）外，又多了一个电枢旋F转磁势a （称为电气旋转磁势）。参看异

18、步电机篇的介绍，不难证明这两个茂转磁势的转速均为同步速，而且转向一致，二者在空 间处于相对静止状态，可以用矢量加法将其合成为一个合成磁势戸O气隙犠场疔可以看成是由合成磁势F在电机的气隙中建立起来的磁场。也是以同步转速旋转 的旋转磁场。可见同步发电机负载以后，电机部的磁势和磁场将发生显著变化，这一变化主要由电枢磁势的 出现所致。 16.3负载后电机中的旋转磁势电枢反应电枢磁势的存在，将使气隙磁场的大小和位置发生变化，我们把这一现象称为电枢反应。电枢反应会对 电机性能产生重大影响。电枢反应的情况决定于空间相虽和巧之间的夹角，而这一夹角又和时间相虽E0和la之间的相位差 相关连。 称为功率因数角，其

19、大小由负载的性质决定。7时空相量图：如图16.4所示的瞬间，A相绕组中感应电势达到最大值，此时如果二0，即A相电流探和 同相位，则血亦达到最大值。由异步电机篇的介绍可知，电枢磁势（三相合成磁势）眄 的轴线在此瞬间将和A相线圈的轴线重合。iV（空间相虽）的轴线位-般情况下，比（时间相量）滞后或超前于（时间相量） 电角度时，f置也滞后或超前于A相绕组的轴线 电角度。即和总D在时间上的相位差等于码的轴线和A相绕组轴线的 空间角度差。以上结论虽然是在一个特殊的瞬间（磁极轴线和A相绕组轴线正交时）得出的，由于么和 才同速同步族转，故在负载一定的情况下，么和 才的空间相位差等于90+电角度。为了分析方便，

20、人们常将时间相虽用和空间相量為.專.戸画一起构成所谓的时空相量图（见图16.4）。在时空相量图中了和Ff （处于磁极轴线方向，称为直轴，用d表示）重合，滞后于9 了 90电角度（处于相邻一对磁极的中性线位置，称为交轴，用q表示），人和用d之间的相位差由负载性质 决定，码和人重合。利用时空相量图（图林），可以方便地分析不同负载情况时同步发电机电枢反应的情况。=0或者180度F此时a和Ff之间的夹角为90度或者270度，即二者正交，转子磁势作用在直轴上，而电枢磁势作用在交 轴上，电枢反应的结果使得合成磁势的轴线位置产生一定的偏移，幅值发生一定的变化。这种作用在交轴上的 电枢反应称为交轴电枢反应，简

21、称交磁作用。=90此时眄与巧之间的夹角为180度，即二者反相，转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相反，电枢反应为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小，这一电枢反应称为直轴去磁电枢反应。之间的夹角为0=-90,即二者同相，转子楼势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相同，电枢反应为纯增磁作用，合成磁势的幅值加大，这一电枢反应称为直轴増磁电枢反应。同步电抗和电枢反应电抗F F当三相对称电枢电流流过电枢绕组时，将产生旋转的电枢琏势立，幺将在电机部产生跨过气隙的电枢（）cb cbE反应就通。和不通过气隙的漏磁通忆和。将分别在电枢各相绕组中感应出电枢反应电势 和漏E1IV磁电势夕。与电枢电流圧的大小成正比（

22、不计饱和），比例常数称4为电枢反应电抗。考虑到相位关系 后，每相电枢反应电势为：（16-3）iF电枢反应电抗的大小和电枢反应磁通。所经过磁路的磁阻成反比，磁阻与电枢磁势仑轴线的位置有关。 对于凸极电机而言，当码和巧 重合时，$3经过直轴气隙和铁心而闭合（这条磁路称为直轴磁路），如图正交时,16. 6a所示。此时由于直轴磁路中的气隙较短，磁祖较小，所以电枢反应电抗就较大。当 即巧和磁极的轴线垂直时，出。经过交轴气隙和铁心而闭合（这条磁路称为交轴磁路），如图166b所示。此时由于交轴磁路中的气隙较长，磁阻较大，所以电枢反应电抗就较小。一般情况下，巧 和Ff之间的夹角 由负载的性质决定，为90+ ,

23、出。的流通路径介于直轴磁路和交轴磁路之间电枢反应电抗的大小也就介于 最大和最小之间。由于巧和町之间的夹角受制于功率因数角（即负载的性质），不同负载时，巧和町之 间的夹角不同，对应的&1也就不同，这给分析问题带来了诸多不便。为了解决这一问题，人们采用了正交分 解法和叠加原理，将巧看成是其直轴分量為和交轴分虽岛的叠加，并认为為单独激励宜轴电枢反应磁 通$皿,其流通路径为直轴磁路，对应有一个固定的直轴电枢反应电抗兀 并在定子每相绕组中产生直轴电枢反应电势盘皿;為单独激励交轴电枢反应琏通&即，其流通路径为交轴磁路，对应有一个固定的交轴Y片申电枢反应电抗 即，并在电枢每相绕组中产生交轴电枢反应电势 他。

24、电枢绕组总的电枢反应电势可以写Eq = % + % =_兀仏_込詁q(16-4)考虑到漏璇通。引起的漏抗电势宜山（乙为电枢绕组的漏电抗）后，电枢绕组中由电枢电流引起的总的感应电势为(16-5)E/ Eq = - jX/a _ jX“Iq _ jXC =阿恵-血厶-兀血+厶) =-赵必十X。)乙-鳩+ X。兀 =_心 - jXjq其中血二兀+血定义为直轴同步电抗，乙定义为交轴同步电抗。对于隐极电机 来说，由于电枢为圆柱体，忽略转子齿槽分布所引起的气隙些微不均匀后，可以认为隐极电机直轴磁路和交轴 磁路的磁阻相等，直轴和交轴电枢反应电抗相等，即XjXjXq ,结合并代入式（16-5）可得 爲 + 鳥

25、-込 Jq - jX=_ jX丸-=-/（兀+九=-眄厶（16_6）X式中.定义为隐极电机的同步电抗。由定义可知，同步电抗包括两部分：电枢绕组的漏电抗和电枢反 应电抗。在实用上，常将二者作为一个整体参数来处理，这样便于分析和测虽。一般情况下（为任意角度时）H图16.5c和d,可将血分解为直轴分量妇和交轴分量山，厶产生直轴电枢徹势卜、瓦，為与町同相或反相，起增磁或者去磁作用;人产生交轴电枢磁势月砌,正交，起交磁作用。（护同步发电机电势方程式和相量图电势方程式负载以后，同步发电机的电枢绕组中存在以下电势： 由励磁磁通产生的励磁电势； 由电枢反应磁通产生的电枢反应电势； 由电枢绕组漏磁通产生的漏磁电

26、势。由于电枢绕组的电阻很小，如果忽略电阻压降，则每相感应电势总和即为发电机的端电压，用方程式表示为(16-7)对于凸极电机来说，盘+=-j血厶-j血 山，其方程式可表示为盅卫+jK厶+j血厶(16-8)7Y /对于隐极电机来说，5仏，其方程式可表示为隐极发电机电势相虽图在同步电机理论中，用电势相虽图来进行分析是十分重要和方便的方法。在作相虽图时，我们认为发电 机的端电压，电枢电流，负载功率因数角以及同步电抗为已知虽，最终可以根摇方程式求得励磁电势。参看图16.7a,隐极电机相虽图可按以下步骤作出： 在水平方向作出相虽； 根据角找出h的方向并作出相量; 在的尾端，加上相虽占 ,它超前于人90 ；

27、7JX iw 作出由的首端指向j 5 a尾端的相虽，该相量便是凸极发电机电势相呈图 对于凸极电机来说，需要首先将佥分解为右和石，然后才能根据方程式(16-8)作出其电势相量图。由 于4与氏同方位，厶与盅正交，只要找出盅的方位，就可以方便地将人分解为厶和人。方程式(16-8)两边同时加上-j(XXq)id,即：上式左边的相量用D-丿(K 一兀)厶显然与处于同一方位，而右边的相1 U + /兀血可以很方便地求得,这样就找到了的方位。参看图16.7b,凸极电机的相量图可按下述步骤作出。在水平方位作出相罐，错开 角作出;77V 77777Y V 在 的尾端，加上相量j它超前于90。电角度，经过首端和j

28、 尾端的直线就确定了童。的方位，也即确定了 q轴，与q轴正交的方位即为d轴； 将入在正交分解为右和嘉； 根据方程式(16-8)即可作出童。电势相虽图很直观地显示了同步电机各个相虽之间的数值关系和相位关系，对于分析和计算同步电 机的许多问题有较大的帮助作用。对于凸极电机来说，(16-10)而对于隐极电机来说，有(16-11)U cos tp以上两式在分析同步电机问题经常用到。同步发电机的负载特性和电抗测定短路待性同步发电机运行于同步转速时，将电枢绕组三相的端点持续短路然后加上励磁电流，称为短路运行。这 时端电压u=o ,如果改变励磁电流 ,则电枢短路电流的有效值丘也改变。短路特性就是指二者之间的

29、关 系：亿F（与）o短路运行时，4和励琏电势直d之间的相位差 仅受同步电抗扎和绕组本身电阻的制约，在忽 略绕组电阻时，红将滞后于血90电角度，交轴分量兔=0 ,其电枢反应表现为纯去琏作用。去磁作用减少了电机中的磁通，磁路处于不饱和状态，励磁电势和励磁电流之间在数量上呈线性 关系。由于短路电流,所以血和励磁电流兮在数量也呈线性关系，短路特性就是一条通过原点 的直线。可见，稳态短路时，电机中的电枢反应为纯去磁作用，电机的磁通和感应电势较小，短路电流也 不会过大，所以三相稳态短路运行没有危险。图16.8给出了隐极同发电机稳态短路运行的等效电路和相量图。对凸极式电机来说，短路时交轴 电枢磁势岛=0 ,

30、故分析方法同隐极电机，只需将用血代替，将用来代替即可。(Q利用短路铸性和空载特性求取同步电抗设励磁电流为勺，每相空载电势为应D,如果把电枢端点短路，测得每相短路电流为/匕显然在略去电枢电阻时，同步电抗上的压降厶 即为童 (参看图16.8(a).根据此关系可以得到测定同步电抗的简单方法： 用原动机带动同步发电机在同步转速下运转，测取其开路和短路特性。 将测取的数据在同一坐标纸上绘制成曲线，并作出气隙线 选取一固定的占，求得对应的短路电流厶和对应于气隙线上的电势尿，则同步电抗可按下式 求得x,或x_Eq z4(16一按照上述方法求得的是不饱和同步电抗，而实际运行中磁路总是有点饱和，求取同步电抗饱和

31、值的近似方法为：从空载曲线求得对应于额定电压 的励磁电流 ,再从短路特性求得对应于的短路电流Z 的饱和值二 g(16-13)凸极电机的交轴同步电抗可以利用经验公式求得(16-14)零功率因数负载转性发电机的负栽特性是指当负载电流打=常数，功率因数cos =常数的条件下，端电压U与励磁电流的 关系。其中当cos =0时一条负载特性称为零功率因数特性。 cos =0的负载为纯电感负载，即=90度，从相量图(图16. 10)可以看出，昭.处于 同一方位，其相量加减可简化为代数加减，即U = -XdId = If)-XdId(&在巳知空载特性总 ()和同步电抗乙(或的情况下，由式(16-15)可以作出

32、同步电机的零 功率因数特性曲线，见图16.11。反之通过测取空载特性和零功率因数特性就可以求得同步电抗，经过进一步 的处理，还可以求得定子漏抗。图1610 cosg? = 0时同步电机相量图图16.11毒功率因数特性与空我特性同步电抗和漏抗的测定，再在空载特性曲参看图16. 11)同步电抗在2二作二乙时的零功率因数待性曲线上取出对应于的励磁电流线上取出对应于的空栽电势阳“，由式(16-15)就可求得同步电抗的饱和值，即(耳=（%_）/&一定子漏抗U=0时，对应于零功率因数特性上的励磁电流；/=0C ,将该电流分为两部分，0B段用来产生 电势漏抗电势扇以平衡定子漏抗压降AB=, BC段用来产生电

33、枢电势童加以平衡电枢反应电抗压降,可见AABC的BC边代表纯去磁的电枢反应磁势，AB边代表定子漏抗。由于BC和AB均和电枢电流玄 成正比。所以当爲一定时，ABC是固定的，此三角形称为同步电机的待性三角形。只要求得特性三角形，我 们就可以很方便地求得定子漏抗，即特性三角形的作法：对于一定的电枢电流a ,由于AABC是固定的，所以在空载特性曲线上移动 ABC的顶点A时，C的轨迹即为零功率因数特性。如果我们在零功率因数待性曲线上向上平移AABC的顶点C 到额定电压 时，将得到 ABC,并且OCOC.OAV/OA,由此可得到恃性三角形的作法：在额定电 压处作一水平线交零功率因数曲线于C,截取OC=OC

34、 ；过O作0A的平行线交空载特性曲线于A; 过八作AB丄OC于B,则厶ABC即为特性三角形（见图16-11）。外转性和电压调整率外特性是指：n=nl“=常数,cos二常数的条件下，同步发电机作单机运行时,端电压U随负载电流匚 而变牝的关系，即）曲线。外特性曲线的走向和负载的性质有关。对于感性负载（0,90）,在励磁电流不变的情况下，随着电枢电流的増大，有两个因素导致端电压下降，其一是电枢反应的去磁作用的増强，其二是漏抗压降的增 大，所以感性负载时，同步电机的外待性是下降的曲线。对于0,90的容性负载，电枢反应表现为增磁作用，随着电枢电流的增大，端电压反而增大。图16-12给出了各种情况下的外特

35、性曲线。发电机的端电压随着负载电流的改变而变.保持额定运行时的励琏电流弘 和转速不变，将发电7750机的完全卸载发电机的端电压将由变化为空载电势 ,电压变化的幅度可以用电压调整率来表示2=氏 _Joo%川（16-U是发电机的性能指标之一，按国家标准规定应不大于4风。16.12同步发电机外特性曲銭并联条件及其方法并网运行的优势单机供电的缺点是明显的：既不能保证供电质虽（电压和频率的稳定性）和可靠性（发生故障就得停电）， 又无法实现供电的灵活性和经济性。这些缺点可以通过多机并联来改善。通过并联可将几台电机或几个电站并成一个电网。现代发电厂中都是把几台同步发电机并联起来接 在共同的汇流排上（见图17

36、. 1）, 一个地区总是有好几个发电厂并联起来组成一个强大的电力系统（电网）。电网供电比单机供电有许多优点： 提高了供电的可靠性，一台电机发生故障或定期检修不会引起停电爭故。 提高了供电的经济性和灵活性，例如水电厂与火电厂并联时，在枯水期和旺水期，两种电厂可 以调配发电，使得水资源得到合理使用。在用电高峰期和低谷期，可以灵活地决定投入电网的发电机数虽，提 高了发电效率和供电灵活性。 提高了供电质虽，电网的容咼巨大（相对于单台发电机或者个别负载可视为无穷大），单台发电 机的投入与停机，个别负载的变化，对电网的彩响甚微，衡虽供电质虽的电压和频率可视为恒定不变的常数。 电网对单台发电机来说可视为无穷

37、大电网或无穷大汇流排。同步发电机并联到电网后，它的运行情况要受到电 网的制约，也就是说它的电压、频率要和电网一致而不能单独变化。【f图17.1同步发电机并联成大电网并联条件把同步发电机并联至电网的过程称为投入并联，或称为并列、并车、整步。在并车时必须避免产生巨大 的冲击电流，以防止同步发电机受到损坏、电网遭受干扰。并车前必须检查发电机和电网是否适合以下条件： 双方应有一致的相序； 双方应有相等的电压； 双方应有同样或者十分接近的频率和相位。若以上条件中的任何一个不满足则在开关K的两端，会出现差额电压，如果闭合K,在发电机和电 网组成的回路中必然会出现瞬态冲击电流。上述条件中，除相序一致是绝对条

38、件外，其它条件都是相对的，因为通常电机可以承受一些小的冲 击电流。并车的准备工作是检查并车条件和确定合闸时刻。通常用电压表测虽电网电压，并调节发电机的 励磁电流使得发电机的输出电压U=U1。再借助同步指示器检查并调整频率和相位以确定合闸时刻。汇流排b(y汇流排图17.2同步发电机并联运行2同步指示灯W（b）S 17.3三相同步发电机整步M灯光明暗法（b）灯光能转法并联方法同步指示器：1灯光明暗法（看动画）如图17.3a所示，将三只灯泡直接跨接于电网与发电机的对应相之间。并车方 法为：通过调节发电机励磁电流的大小使得；电压调整好后，如果相序一致，灯光应表现为明暗交替， 如果灯光不是明暗交替，则说

39、明相序不一致，这时应调整发电机的出线相序或电网的引线相序，严格保证相序 一致；通过调节发电机的转速改变的频率，直到灯光明暗交替十分缓慢时，说明和的頻率已十分接近，这时 等待灯光完全变暗的瞬间到来，即可合闸并车。2灯光旗转法（看动画）参看图17.3（b）和图，灯1跨接于A1B,灯2跨接于B1A,灯3跨接于C1C。旋转 法并车方法为：通过调节发电机励磁电流的大小使得；电压调整好后，如果相序一致，则灯光.旋转，否 则说明相序不一致，这时应调整发电机的出线相序或电网的引线相序，严格保证相序一致；通过调节发电机 的转速改变的頻率，直到灯光族转十分缓慢时，说明和頻率已十分接近，这时等待灯3完全熄灭的瞬间到

40、 来，即可合闸并车。灯光法又称为理想整步法。由于它对并李条件逐一检查和调整，所以费时较多。自整步法自整步法：在相序一致的情况下将励磁绕组通过适当的电阻短接，再用原动机把发电机拖动到接近同步 速（相差25%）,在没有接通励磁电流的情况下将发电机接入电网，再接通励磁并调节励磁强弱，依靠定子磁 场和转子磁场之间的电磁转矩将转子拉入同步转速，并车过程即告结束。需要注意的是，励磁绕组必须通过一 限流电阻短接，因为宜接开路，将在其中感应出危险的高压；直樓短路，将在定、转子绕组间产生很大的冲击 电流。自同步法的优点是：操作简单，方便烘捷；缺点是：合闸时有冲击电流。功角特性及有功功率调节功率平衡同步发电机的功

41、率流程如图17.6所示。占为自原动机向发电机的输入的机械功率，其中一部分提供轴与轴承间的摩擦.转动部分与空气的摩擦及通风设备的损耗，总计为机械损耗芒糧，另一部分供给定子铁心中 的涡流和磁滞损耗，总计为铁心损耗耳为通过电琳感应作用转变为定子绕组上的电功率，称 *率。如果是负载运行，定子绕组中还存在定子铜耗Pu =就是发电机的输出功率。同步发电机的功率平衡方程式为好=2%+卩兔+j?K比=芯(17T)定子绕组的电阻一般较小，其铜耗可以忽略不计，则有(17-2)Pcul= mUIcos(jp = mUIcoszr- 3)图17.6同步发电机功率疣程團功角的槪念 为功率因数角，定义为功角。它表示发电机的励磁电势用D和端电压之间相角差。功角对于研究同步电机的功率变化和运行的稳定性有重要意义。图17.7画出了同步电机的时空相量图。图中忽略