电机学课件—53

1、第六节第六节 同步电机参数的测定同步电机参数的测定一、用空载特性和短路特性确定一、用空载特性和短路特性确定Xd同步发电机标准空载特性数据同步发电机标准空载特性数据1、空载特性曲线的测定空载特性曲线的测定 电枢开路（空载），发电机拖到同步转电枢开路（空载），发电机拖到同步转速，改变速，改变 ，并记取相应的，并记取相应的 至到至到 左右，得到空载特性曲线：左右，得到空载特性曲线：,00EUNUU2510.fIfE 0fI下降下降上升上升0Eb 0fI空载特性空载特性下降下降上升上升气隙线气隙线空载特性曲线空载特性曲线0EfIb0 一般取下降的曲线作为空载特性曲线一般取下降的曲线作为空载特性曲线,并

2、将整个曲线向右移到原点的位置。并将整个曲线向右移到原点的位置。同步电机的电枢端点三相短路，拖到同步转速，调节励磁电流同步电机的电枢端点三相短路，拖到同步转速，调节励磁电流If，使使电枢电流电枢电流 ，得到短路特性曲线得到短路特性曲线 。2、短路特性曲线的测定、短路特性曲线的测定1501150.,.EIX时时，一般一般,短路时磁路不饱和。短路时磁路不饱和。ddqoXXRqqddaXI jEIIIXI jXI jRIEUqda00,0, 0,900fIfI NII210.结果：结果：fdfIIXEIIE00,fFIFaaFk0E0090XI jENI短路特性fkIfII0电枢电枢AAAA励磁励磁X

3、I jXI jRIUEa气隙电动势3、Xd的确定的确定1）不饱和）不饱和Xd值值IEXd0不饱和不饱和IUXNd饱饱和和用空载和短路特性来确定不饱和用空载和短路特性来确定不饱和Xd气隙线气隙线空载特性空载特性短路特性短路特性0fIIE ,00EIfIXd饱和值和短路比的确定饱和值和短路比的确定NUNII气隙线气隙线空载特性空载特性短路特性短路特性IE ,000fIfkIfI2）饱和）饱和Xd值值 不计漏阻抗压降，磁路饱和程度取决不计漏阻抗压降，磁路饱和程度取决于电枢端电压。通常就用对应于额定电压于电枢端电压。通常就用对应于额定电压时的时的 为饱和值。为饱和值。dX凸极同步电机，选较大的短路比，

4、有时可以超凸极同步电机，选较大的短路比，有时可以超1；隐极同步电机，短路比一般小于隐极同步电机，短路比一般小于1，随容量增加，随容量增加，短路比逐步降低。短路比逐步降低。 Kc较大，同步电抗小，短路电流大，较大，同步电抗小，短路电流大，U小，对电力系统稳定性有利。但小，对电力系统稳定性有利。但Xd小，小，气隙大，产生一定的磁通时相应的磁动气隙大，产生一定的磁通时相应的磁动势要大，增加转子绕组用铜量，提高了势要大，增加转子绕组用铜量，提高了电机造价。电机造价。 Kc较小，较小， U大，但电机造大，但电机造价低。价低。饱饱和和饱饱和和ddNNNNNNfkfcXXIUIUUIIIIIk10在短路特性

5、图上在短路特性图上NNIIfkUUfcIIk0Kc：产生空载额定电压所需励磁电流产生空载额定电压所需励磁电流If0与产生短路额定电流所需励磁与产生短路额定电流所需励磁电流电流Ifk之比。之比。二、短路比二、短路比Xd饱和值和短路比的确定饱和值和短路比的确定NUNII气隙线气隙线空载特性空载特性短路特性短路特性IE ,000fIfkIfI三、用零功率因数负载试验确定定子漏抗和直轴电枢等效磁动势三、用零功率因数负载试验确定定子漏抗和直轴电枢等效磁动势fIfUI常常值值时时的的,cos01、试验方法、试验方法A励磁励磁同步发电机同步发电机纯电感负载纯电感负载AAA 把同步电机驱动到同步转速，电枢接可

6、调三相对称纯感性负载，使把同步电机驱动到同步转速，电枢接可调三相对称纯感性负载，使负载功率因数负载功率因数 ，改变励磁电流，同时调节负载电抗的大小，使，改变励磁电流，同时调节负载电抗的大小，使电枢电流保持为常值，一般电枢电流保持为常值，一般 ，记录不同励磁下发电机端电压，得，记录不同励磁下发电机端电压，得发电机零功率因数负载特性：发电机零功率因数负载特性：0cosNII aadfFkFFXI jUEadaddXI jEXXI jUXI jUE0负载接近纯感性，电机负载接近纯感性，电机 ，XRa总阻抗接近于纯感性，总阻抗接近于纯感性，o900IId1）零功率因数负载特性分析）零功率因数负载特性分

7、析2、零功率因数负载试验确定定子漏抗和直轴电枢等效磁动势的原理、零功率因数负载试验确定定子漏抗和直轴电枢等效磁动势的原理磁动势在一条水平线上相加减磁动势在一条水平线上相加减电压在一条垂直线上相加减电压在一条垂直线上相加减零功率因数负载时相量图零功率因数负载时相量图aadFkUXI jE0EfFFI在空载特性和零功率因数特性曲线上在空载特性和零功率因数特性曲线上取额定电压时的交点，得到空载时的取额定电压时的交点，得到空载时的磁动势磁动势BC和零功率因数负载时的磁动和零功率因数负载时的磁动势势BF（励磁电流）；（励磁电流）；在空载特性曲线上找出气隙电动势在空载特性曲线上找出气隙电动势E，过过E作作

8、BF垂线垂线EA；磁动势磁动势CA是为保持端电压不变而增加是为保持端电压不变而增加用以抵消漏抗压降的励磁磁动势；用以抵消漏抗压降的励磁磁动势；磁动势磁动势AF为抵消电枢反应直轴去磁磁为抵消电枢反应直轴去磁磁动势动势 而增加的励磁磁动势。而增加的励磁磁动势。aadFk组组成成直直角角三三角角形形。水水平平边边和和垂垂边边特特性性曲曲线线之之间间率率因因数数在在空空载载特特性性曲曲线线和和零零功功aadFkIX特性三角形：特性三角形：零功率因数负载特性与空载特性之间的联零功率因数负载特性与空载特性之间的联系系UNUKEGaadFk零功率因数特性零功率因数特性空载特性空载特性0fFfIFBCFAIX

9、只要保持电枢电流不变，漏电抗压降只要保持电枢电流不变，漏电抗压降 和电枢反应去磁磁动势和电枢反应去磁磁动势 保保持不变，三角形持不变，三角形EAF不变。不变。IXaadFk 在零功率因数特性上取两点，一点为额定电压附近的点在零功率因数特性上取两点，一点为额定电压附近的点F，另一，另一点为短路点点为短路点K，过，过F做平行于横坐标的水平线，截取线段做平行于横坐标的水平线，截取线段 ，从从 点做气隙线的平行线与空载特性交于点做气隙线的平行线与空载特性交于E点，过点，过E点做垂线交于点点做垂线交于点A，则则AEF为发电机特性三角形。为发电机特性三角形。KFo0o2）电枢漏抗）电枢漏抗X和电枢等效磁动

10、势和电枢等效磁动势kadFa的确定的确定AFFkaad电枢电流电枢电流I产生的直轴电枢等效磁动势产生的直轴电枢等效磁动势为：为：电流电流 I为零功率因数负载特性试验为零功率因数负载特性试验电枢电流。电枢电流。电枢电抗：电枢电抗：IEAX相电压值相电压值电枢漏抗和直轴电枢等效磁动势的确定电枢漏抗和直轴电枢等效磁动势的确定零功率因数特性零功率因数特性UNUKE空载特性气隙线o0fIFA 用实测的零功率因数特性和空载特性所确定的漏抗将比实际用实测的零功率因数特性和空载特性所确定的漏抗将比实际的电枢漏抗略大。为了加以区别，通常把由零功率因数特性所确的电枢漏抗略大。为了加以区别，通常把由零功率因数特性所

11、确定的漏抗称为波梯电抗，并用定的漏抗称为波梯电抗，并用Xp表示。表示。3）波梯电抗）波梯电抗a、零功率因数负载时、零功率因数负载时,为补偿电枢直轴去磁磁动势为补偿电枢直轴去磁磁动势,要增加主极磁要增加主极磁动势动势,相应的转子漏磁将随着增加相应的转子漏磁将随着增加,增加的转子漏磁将需要消耗一增加的转子漏磁将需要消耗一些主极磁动势。些主极磁动势。b、转子漏磁的增加将使转子磁路饱和程度增加，从而磁阻增大，、转子漏磁的增加将使转子磁路饱和程度增加，从而磁阻增大，产生相同的气隙磁场就需增加一些主极磁动势。产生相同的气隙磁场就需增加一些主极磁动势。四、用转差法测定四、用转差法测定Xd和和Xq1）被试同步

12、电机用原动机驱动到接近同步转速，励磁绕组开路；）被试同步电机用原动机驱动到接近同步转速，励磁绕组开路；2）在定子绕组上施加约为（）在定子绕组上施加约为（25）UN的三相对称低电压，外施的三相对称低电压，外施电压的相序必须使定子旋转磁场的转向与转子转向一致；电压的相序必须使定子旋转磁场的转向与转子转向一致；3）调节原动机的转速，使被试电机的转差率小于）调节原动机的转速，使被试电机的转差率小于1，但不被牵入，但不被牵入同步，使定子旋转磁场的轴线交替地与转子直轴和交轴相重合；同步，使定子旋转磁场的轴线交替地与转子直轴和交轴相重合；4）采用录波器录取试验中的电机端电压和电流波形。）采用录波器录取试验中

13、的电机端电压和电流波形。1、试验方法试验方法转差法试验转差法试验降压变压器降压变压器交流电源交流电源1n1nn略小于略小于fIn 测出的测出的Xd和和Xq均是不饱和值。均是不饱和值。maxminIUXq当定子旋转磁场与交轴重合时：当定子旋转磁场与交轴重合时：minmaxIUXd当定子旋转磁场与直轴重合时：当定子旋转磁场与直轴重合时：2、Xd和和Xq计算计算转差试验时的端电压和定子电流波形转差试验时的端电压和定子电流波形轴轴轴轴轴轴maxU2minU2maxI2minI2tt第七节第七节 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性一、同步发电机的运行特性一、同步发电机的运行特性1、外特性、外特性

14、IfUInnfs常值时的常值， cos,同步发电机外特性同步发电机外特性U0ININU1cos超超前前80.cos滞滞后后80.cosUjXRIIsa纯纯电电阻阻负负载载，saqqddajXRIEXI jXI jRIEU00同步发电机外特性同步发电机外特性U0ININU1cos超超前前80.cos滞滞后后80.cosUXI jXI jRIIqqdda, 0电感性负载，UI电枢反应增磁电枢反应增磁可能超前可能超前则会有则会有负向达到一定程度，负向达到一定程度，当当电容性负载，电容性负载，,000凸极同步发电机相量图凸极同步发电机相量图0dIqI0 IUaRIqqXI jddXI j0EjXRIE

15、jXRIEXI jXI jRIEUasaqqdda00额定电压调整率：额定励磁电流下的端电压变化率。额定电压调整率：额定励磁电流下的端电压变化率。fNNNNfIUII,cos，达达到到调调对于凸极同步电机：对于凸极同步电机：%30%18U对于隐极同步电机：对于隐极同步电机：%48%30U%1000fNfIINNUUEU从外特性求电压调整率从外特性求电压调整率uU0E0NIINUNfNfIIcoscos,保持保持 不变，不变， 相应端电压为相应端电压为 ，fNI0I0E2、调整特性、调整特性从调整特性可以知道，发电机运行在一定的功率因数下，维持从调整特性可以知道，发电机运行在一定的功率因数下，维

16、持端电压不变，励磁电流不超过制造厂的规定时负载电流可以达端电压不变，励磁电流不超过制造厂的规定时负载电流可以达到多大。到多大。 IfIUUnnfNs,cos,常常值值从调整特性确定发电机的额定励磁电流从调整特性确定发电机的额定励磁电流:NfNNNsIfIUUnn,coscos,同步发电机调整特性同步发电机调整特性fIfNI0NIINUU 1cos超前超前80.cos滞后滞后80.cos凸极同步发电机相量图凸极同步发电机相量图0dIqI0 IUaRIqqXI jddXI j0E3、效率特性、效率特性2PfUUnnNNs,coscos,时时的的300MW双水内冷水轮发电机的效率特性双水内冷水轮发电

17、机的效率特性020.40.60.80.01.808590951002P8750.cosN%/空气冷却时空气冷却时:大型水轮发电机大型水轮发电机: 大型气轮发电机大型气轮发电机: 。 氢气冷却时相应提高氢气冷却时相应提高0.8。%5 .98%96N%8 .97%94N%10012pPp总损耗确定后：总损耗确定后：杂散损耗包括：杂散损耗包括：漏磁涡流损耗漏磁涡流损耗 高次谐波表面损耗高次谐波表面损耗基本损耗包括：电枢基本铁耗基本损耗包括：电枢基本铁耗 电枢基本铜耗电枢基本铜耗 励磁损耗励磁损耗 机械损耗机械损耗Fepcuapcufpp同步电机的损耗分为基本损耗和杂散损耗。同步电机的损耗分为基本损耗

18、和杂散损耗。二、用电动势、磁动势图求取额定励磁电流和电压调整率二、用电动势、磁动势图求取额定励磁电流和电压调整率paXI jRIUEXXp1）求出额定情况下发电机）求出额定情况下发电机的气隙电动势。的气隙电动势。发电机空载特性发电机空载特性 ， 电枢电阻电枢电阻Ra、电枢漏抗电枢漏抗 XP、额定电流时电枢等效磁动势额定电流时电枢等效磁动势 以及电机的额定数据以及电机的额定数据（ ）已知。则）已知。则测定额定励磁电流和电压调整测定额定励磁电流和电压调整率的方法：率的方法：fIfE 0aaFkNNNIUcos,大型电机，不好带负载，因此用考虑饱和时电动势磁动势矢相量图求。大型电机，不好带负载，因此

19、用考虑饱和时电动势磁动势矢相量图求。用电动势用电动势-磁动势图确定同步发电机的磁动势图确定同步发电机的IfN和和UUEE0EuFfFaaFkFfFffIF ,UIaaFkaRIpXI j 空载特性空载特性2）在空载曲线上查取合成磁动势在空载曲线上查取合成磁动势F。3）根据根据 求出励磁磁动势求出励磁磁动势FfNaafNFkFFffNfNNFI4）求额定励磁电流求额定励磁电流IfN5）求额定励磁下的空载电动势求额定励磁下的空载电动势E0%1000fNfIINNUUEU6）求出电压调整率求出电压调整率用电动势用电动势-磁动势图确定同步发电机的磁动势图确定同步发电机的IfN和和UUEE0EuFfFa

20、aFkFfFffIF ,UIaaFkaRIpXI j 空载特性空载特性例例 6-15、有一台、有一台25000 kW 、10k V（星形联结）、星形联结）、cos=0.8（滞后）的滞后）的汽轮发电机，其空载、短路试验的数据如下：汽轮发电机，其空载、短路试验的数据如下：已知发电机的波梯电抗已知发电机的波梯电抗 ，基本铁耗基本铁耗 ，定子基本铜耗定子基本铜耗 杂散损耗杂散损耗 ，机械损耗机械损耗 ，励磁绕组电阻励磁绕组电阻 ，试求发电机的额试求发电机的额定励磁电流、电压调整率和额定效率。定励磁电流、电压调整率和额定效率。4320.pXkWpNUUFe138kWpNoIIcua14775kWp100

21、kWp260461075.ofRNU解：画出空载曲线和短路曲线解：画出空载曲线和短路曲线AUPINNN2180432.cos015050218043101473232.NcuaaIpRoooopNaNNjXI jRIUE54. 52 .6292432. 087.362 .180401505. 087.362 定气隙电动势：额定气隙电动势：oN8736.6080.sin.cosNN滞后，滞后，隐极电机隐极电机fI010020030040050050.01.11.41.51.EENI空载曲线空载曲线短路曲线短路曲线20.10.0851.421.NU从短路曲线知：从短路曲线

22、知：AIAIAIAIfkNf294,2 .1804280,1718对应的漏磁磁动势励磁电流为对应的漏磁磁动势励磁电流为18A。1350310000432021804.*pNXIRT漏磁磁动势：漏磁磁动势： 空载曲线上取一点空载曲线上取一点R，使使fI010020030040050050.01.11.41.51.EENIFRT空载曲线空载曲线短路曲线短路曲线20.10.0851.NU取取 ，在空载曲线上画出，在空载曲线上画出 ，查出合成磁动势查出合成磁动势F对应励磁电流，对应励磁电流，paXI jRIUE1UEAF165AIFkfaad27618294从短路特性求得的额定短路电流时从短路特性求得

23、的额定短路电流时电枢等效励磁磁动势对应的励磁电电枢等效励磁磁动势对应的励磁电流包括主极励磁电流和漏磁励磁电流包括主极励磁电流和漏磁励磁电流，因此额定电流时电枢等效磁动流，因此额定电流时电枢等效磁动势对应励磁电流：势对应励磁电流：fI010020030040050050.01.11.41.51.EENIFRT空载曲线空载曲线短路曲线短路曲线20.10.0851.NU97204610412101001026010138101471025000102500023333332212.fFecuaNpppppPPPP额定效率：额定效率：00420010011421001000.fNfIINNUUEu电压

24、调整率：电压调整率：4210.E额定激磁电动势：额定激磁电动势：aadaadfNFkFFkFFAIfN412额定主极励磁磁动势对应的额定励磁电流：额定主极励磁磁动势对应的额定励磁电流：fI010020030040050050.01.11.41.51.EENIFRT空载曲线空载曲线短路曲线短路曲线20.10.0851.NU第八节第八节 同步发电机与电网的并联运行同步发电机与电网的并联运行一、同步发电机投入并联的条件和方法一、同步发电机投入并联的条件和方法00UEU60pnf 0110444wkfNE.调励磁调大小，调转子瞬时速度调相位。调励磁调大小，调转子瞬时速度调相位。3）发电机激磁电动势）发

25、电机激磁电动势 应与电网电压应与电网电压 大小相等，相位相同；大小相等，相位相同；0EU2）发电机频率应与电网相同；）发电机频率应与电网相同；1）发电机相序应与电网一致；）发电机相序应与电网一致；1、投入并联的条件、投入并联的条件发电机投入并联时的情况发电机投入并联时的情况UQ0E电网V0EUUU0EU2、投入并联的方法、投入并联的方法a 、直接接法（直接接法（灯光黑暗法灯光黑暗法）1）准确整步法）准确整步法: 把发电机调整到完全合乎投入并联的条件后投入电网。把发电机调整到完全合乎投入并联的条件后投入电网。整步方法：准确整步法（准确同步法）和自整步法（自同步法）整步方法：准确整步法（准确同步法

26、）和自整步法（自同步法）2）自整步法（自同步法）自整步法（自同步法）b 、交叉接法（灯光旋转法）交叉接法（灯光旋转法）准确同步法的优点：投入瞬间没有电网和电机之间的电流冲击。准确同步法的优点：投入瞬间没有电网和电机之间的电流冲击。 缺点：同步手续比较繁杂，不适合快速并网。缺点：同步手续比较繁杂，不适合快速并网。优点：投入迅速，不需要增添复杂装置。优点：投入迅速，不需要增添复杂装置。缺点：投入时定子冲击电流稍大。缺点：投入时定子冲击电流稍大。直接接法的接线和相量图a 、直接接法（灯光黑暗法）直接接法（灯光黑暗法）AUCUBUAUBUCU123nfIYBAXZCA123QABCABCV电网电网f待

27、投入的发电机f三个同步指示灯分别跨接在电网和发电机的对应相之间。三个同步指示灯分别跨接在电网和发电机的对应相之间。若频率，三个灯将同时亮暗若频率，三个灯将同时亮暗ff 若频率，三个灯将不再闪烁若频率，三个灯将不再闪烁ff 若相序不同，三个灯将轮流暗亮若相序不同，三个灯将轮流暗亮调发电机相序和转速、电压、相位到调发电机相序和转速、电压、相位到三个灯同时熄灭，且电压表指示为三个灯同时熄灭，且电压表指示为时，发电机满足投入并联条件。时，发电机满足投入并联条件。AUCUBUAUCUBU123b 、交叉接法（灯光旋转法）交叉接法（灯光旋转法）交叉接法的接线和相量图顺顺序序旋旋转转。三三灯灯按按若若频频率

28、率顺顺序序旋旋转转。三三灯灯按按若若频频率率231321,ffffnfIYBAXZCA123QABCABCV电网电网f待投入的发电机fAUCUBUAUBUCU123灯接在和灯接在和之间，灯接在和之间，灯接在和之间，灯接在和之间，灯接在和之间之间若频率，三个同步指示灯交替暗亮，形成灯光旋转若频率，三个同步指示灯交替暗亮，形成灯光旋转ff 调发电机转速、电压、相位到灯灭，灯调发电机转速、电压、相位到灯灭，灯灯亮度相同，且电压表指示为时，灯亮度相同，且电压表指示为时，发电机满足投入并联条件发电机满足投入并联条件优点：能看到电机频率优点：能看到电机频率比电网频率的高低。比电网频率的高低。2、自整步法（

29、自同步法）、自整步法（自同步法）3）把发电机投入电网，后立即加上直流励磁。依靠）把发电机投入电网，后立即加上直流励磁。依靠定转子间形成的电磁转矩把转子自动牵入同步。定转子间形成的电磁转矩把转子自动牵入同步。2）按规定方向把发电机拖到接近于同步转速，励）按规定方向把发电机拖到接近于同步转速，励磁绕组经限流电阻短接。磁绕组经限流电阻短接。1）检验发电机相序）检验发电机相序自同步法步骤：自同步法步骤：自整步法的接线示意图自整步法的接线示意图nfIYBAXZC待投入的发电机NSsnnfIYBAXZC待投入的发电机NSsn励磁励磁电源电源fI0S0N二、与电网并联时同步发电机的功角特性二、与电网并联时同

30、步发电机的功角特性1、功角特性、功角特性激磁电动势激磁电动势 和端电压和端电压 之间夹角之间夹角叫功率角，当叫功率角，当E0和和U保持不变保持不变时，发电机发出的电磁功率与功率角之间的关系时，发电机发出的电磁功率与功率角之间的关系 为功角为功角特性。特性。0EU fPe通过功角特性可以分析同步电机接在电网上运行时发出的有功功率、通过功角特性可以分析同步电机接在电网上运行时发出的有功功率、机组的稳定性，还可以说明发电机与电动机之间的联系和转化。机组的稳定性，还可以说明发电机与电动机之间的联系和转化。qdsaaeXXXRRmImUIP,cos大大中中型型电电机机，2电磁功率：电磁功率：cosmUI

31、Pe输出电功率输出电功率0sinsincoscoscos000mUImUIPesincosdqIImU21121200sinsinsincoscossindqddqeXXmUXEmUXUEmUXUmUP从而有：从而有：ddddqqqqXUEIUEXIXUIUXIcoscossinsin00而而: 1）凸极同步电机）凸极同步电机不计电枢电阻时凸极同步发电机相量图不计电枢电阻时凸极同步发电机相量图qqddXI jXI jUE00dIqI0 IUqqXI jddXI j0E同步电机的功角特性：同步电机的功角特性：2112120sinsindqdeXXmUXEmUP电动机状态发电机状态, 0,0180

32、, 0,1800PePeoooodqeodeoXXUmPXUEmP11245902201maxmax,。磁阻功率，附加电磁功率基本电磁功率；2sin1121,sin2201dqedeXXmUPXEmUP同步电机的功角特性ePeP1eP2eP0180018009004500电动机发电机2112120sinsindqdeXXmUXEmUPmax1max2eePPq 同步电机的功角特性ePeP1eP2eP0180018009004500电动机发电机02cos11cos20dqdeXXmUXEmUddP令：令：得：得：5 . 08181arccos2maxqqmaxmaxmax1maxcos21sin

33、qPPeesqdXXX2）隐极电机）隐极电机sinsinsinsdqdeXEmUXXmUXEmUP02021121同步电机的功角特性同步电机的功角特性ePeP0180018009000电动机电动机发电机发电机2、功率角、功率角的含意的含意凸极同步发电机凸极同步发电机时时-空统一矢量图空统一矢量图0dIqI0 IUaRIqqXI jddXI j0EUB0B功率角是时间相量功率角是时间相量 与与 之间的相角差。之间的相角差。0EUU激磁电动势激磁电动势 由主磁场由主磁场 感应产生感应产生;电枢端电压电枢端电压 （电网电压）可认为（电网电压）可认为由电枢合成磁场由电枢合成磁场 （包括主磁场、（包括主

34、磁场、电枢反应磁场和电枢漏磁场）感应电枢反应磁场和电枢漏磁场）感应产生；产生；在时在时-空统一矢量图中，空统一矢量图中， 和和 分分别超前于别超前于 和和 以以 电角度；电角度；于是可近似认为功率角于是可近似认为功率角是主极磁场是主极磁场 与电枢合成磁场与电枢合成磁场 之间的空间相角之间的空间相角差。差。0E0BUB0E0BUUB0900BUB功率角功率角的含意的含意发电机发电机功率角的近似空间表达功率角的近似空间表达N0NS0S主极主极sneT表征定子合成磁场的等效磁极凸极同步发电机凸极同步发电机时时-空统一矢量图空统一矢量图0dIqI0 IUaRIqqXI jddXI j0EUB0B三、有

35、功功率的调节和静态稳定三、有功功率的调节和静态稳定01020, 0, 0sin, 0,TTTXUEmPPUEese开始投入并联时：开始投入并联时：1、有功功率的调节、有功功率的调节（以隐极电机为例）同步发电机与电网并联时有功功率的调节sXE ，0Ua）000EUb）把容量极大的恒频恒压的交流电网叫作无穷大电网把容量极大的恒频恒压的交流电网叫作无穷大电网 。同步发电机并联到无穷大电网后，其频率和端电压将受到电网同步发电机并联到无穷大电网后，其频率和端电压将受到电网的约束而与电网相一致。的约束而与电网相一致。01020sin, 0,TTTXUEmPPIUEese输出有功功率产生超前增加原动机输入功

36、率，转子磁场瞬间加速，转子磁场将超前，从而增加原动机输入功率，转子磁场瞬间加速，转子磁场将超前，从而I0EUsXI jc）ePePAmaxeP00900180d） 可见，要增加发电可见，要增加发电机输出有功功率，必须机输出有功功率，必须增加原动机的输出功率，增加原动机的输出功率，使功率角使功率角增大，电磁增大，电磁功率和输出功率相应增功率和输出功率相应增加；直到加；直到 时，电时，电磁功率达到极限值。磁功率达到极限值。0902、静态稳定、静态稳定（以隐极电机为例）为临界为临界运行不稳定，运行不稳定，运行稳定，运行稳定，000ddPddPddPeeesinseXUEmP0ddPe :整步功率系数

37、。整步功率系数。与无穷大电网并联时同步发电机的静态稳定性与无穷大电网并联时同步发电机的静态稳定性ePePeePPAABBePePAB090018000ddPe0ddPe0ddPeddPe稳定稳定不稳定不稳定 发电机运行在发电机运行在A点（点（ ）能抗干扰，运行稳定。）能抗干扰，运行稳定。运行在运行在B点（点（ ），受扰动影响时运行不稳定。），受扰动影响时运行不稳定。090A090B cosseXUEmddP021120coscosqddeXXmUXUEmddP009045 在在临临界界功功率率角角2112120sinsinqddeXXmUXUEmP对于凸极发电机：对于凸极发电机：cosseXU

38、EmddP0运行不稳定，运行不稳定，运行稳定，运行稳定，009090对于隐极发电机：对于隐极发电机：3、过载能力、过载能力NepPPkmax发电机最大电磁功率与额定功率之比发电机最大电磁功率与额定功率之比02614030.,pooNk气轮发电机：气轮发电机：Npksin1隐极电机：隐极电机： 从两个公式看出从两个公式看出 发电机最大功率和整步系数正比于发电机最大功率和整步系数正比于 ，反比，反比于于 ，所以增大励磁、减小同步电抗可提高功率极限和静态稳定性。，所以增大励磁、减小同步电抗可提高功率极限和静态稳定性。0ESXooN3020 水轮发电机：水轮发电机：21120coscosqddeXXm

39、UXUEmddP2112120sinsinqddeXXmUXUEmP功角特性功角特性整步功率系数整步功率系数四、无功功率的调节四、无功功率的调节为正常励磁电流。此时理想并网，fIIUE, 1cos, 0, 0,0U0E1、发电机在理想状态下并联合闸到电网。、发电机在理想状态下并联合闸到电网。 以隐极电机来说明并联在电网上的同步发电机无功功率的调节。以隐极电机来说明并联在电网上的同步发电机无功功率的调节。忽略电枢电阻和磁饱和的影响。忽略电枢电阻和磁饱和的影响。为过励磁电流。向电网提供感性电流。为去磁的纯无功，为滞后fsfIUIjXUEIIUEI,90,) 1000为欠励磁电流。向电网提供容性电流

40、。增磁的纯无功，为超前fsfIUIjXUEIIUEI,90,)20 0 0I0EI 0E发电机处于纯无功补偿运行发电机处于纯无功补偿运行保持原动机功率不变保持原动机功率不变:U0E这时输出全部为有功。正常励磁电流作为时的同相，与取,1cos, 0fIIU1）正常励磁时）正常励磁时常值常值sinseXUEmP0常值常值cosmUIP2忽略电枢电阻和饱和影响忽略电枢电阻和饱和影响,根据功率平衡根据功率平衡常值cosI常值sin0EU和和Xs为定值为定值:2、发电机带有功负载时无功功率的调节、发电机带有功负载时无功功率的调节0EUIsXI j过过 做水平线做水平线AB，过，过 作垂线作垂线CD。0E

41、I以端电压以端电压 为水平参考相量作相量图，相量为水平参考相量作相量图，相量 垂直于垂直于 。UsXI jU改变励磁电流大小，激磁电改变励磁电流大小，激磁电动势将变化，但相量动势将变化，但相量 端点端点只能落在水平线只能落在水平线AB上，相量上，相量 端点只能落在垂线端点只能落在垂线CD上。上。I0EABCD0EUI常常值值cosI常值sin0EsXI j常值cosI常值sin0E。输出有功和超前的无功超前增大，,0, 0 0 OffUIEEII3）欠励磁）欠励磁:输出有功和滞后无功。滞后减小，,0,000UIEEIIff2）过励磁）过励磁:0EsXI jIABCD0EUI常常值值cosI常值

42、sin0EsXI j 0E IsXI j 五、功率因数变化时发电机的输出能力五、功率因数变化时发电机的输出能力输出能力曲线：当发电输出能力曲线：当发电机的端电压保持为额定机的端电压保持为额定值，输出的有功功率为值，输出的有功功率为P P时，允许输出的最大无时，允许输出的最大无功功率功功率 Q Q与有功功率与有功功率 P P之间的关系之间的关系 Q=fQ=f（P P），），就称为发电机的输出能就称为发电机的输出能力曲线。力曲线。1 1、输出能力曲线、输出能力曲线N N点是额定点。点是额定点。 在在NANA段，受电枢绕组段，受电枢绕组温升限制，电枢电流保持温升限制，电枢电流保持为额定值为额定值I

43、IN N，发电机的功，发电机的功率因数从率因数从coscosN N逐步上升逐步上升到到1 1，从，从N N点到点到A A点，电枢反点，电枢反应的去磁作用逐步减少，应的去磁作用逐步减少，所需的励磁电流亦逐步减所需的励磁电流亦逐步减少，发电机输出能力主要少，发电机输出能力主要受电枢电流（或者说电枢受电枢电流（或者说电枢绕组温升）的限制。绕组温升）的限制。 在在NBNB段，由于功率因段，由于功率因数降低，则电枢反应的去数降低，则电枢反应的去磁作用增大，为保持瑞电磁作用增大，为保持瑞电压为额定电压，在功率因压为额定电压，在功率因数降低时，应当同时减少数降低时，应当同时减少电枢电流和输出的视在功电枢电流

44、和输出的视在功率值。率值。因此从因此从N N点到点到B B点，点，电枢电流逐步减少，发电电枢电流逐步减少，发电机的输出能力主要受励磁机的输出能力主要受励磁电流（或者说励磁绕组温电流（或者说励磁绕组温升）的限制。升）的限制。励磁电流保励磁电流保持为持为I IfNfN，功率因数从，功率因数从COSCOSN N逐步下降到逐步下降到0 0。 输出能力曲线对发电输出能力曲线对发电厂和电力系统的调度人员十厂和电力系统的调度人员十分有用，按照此曲线运行，分有用，按照此曲线运行，一方面能使发电机充分发挥一方面能使发电机充分发挥其能力，另一方面又保证了其能力，另一方面又保证了发电机的安全、可靠运行。发电机的安全

45、、可靠运行。2 2、输出能力曲线的求取、输出能力曲线的求取为简单计，设发电机为隐极为简单计，设发电机为隐极机，且不计电枢电阻和磁饱机，且不计电枢电阻和磁饱和的影响。和的影响。1 1）先确定额定点）先确定额定点：从原点起从原点起作直线作直线ONON，使，使ONON与横坐标间与横坐标间的夹角等于额定功率因数角的夹角等于额定功率因数角coscosN N，ONON的长度等于发电机的长度等于发电机的额定容量的额定容量S SN N，即可得到，即可得到N N点。点。2 2）NANA段段NANA段受制于电枢绕组的温升；段受制于电枢绕组的温升；NANA段上各运行点的电枢电流始终段上各运行点的电枢电流始终保持为额

46、定电流保持为额定电流I IN N。于是在于是在NANA段上，段上，P P和和Q Q的关系为的关系为NANA段的段的P PQ Q曲线是一条以原点曲线是一条以原点0 0为圆心、为圆心、ONON为半径的圆弧。为半径的圆弧。2N22SQP3 3）NBNB段段NBNB段主要受制于励磁绕组的温升段主要受制于励磁绕组的温升；NBNB上各运行点的励磁电流保持为上各运行点的励磁电流保持为I IfNfN（不计磁饱和时，就是使激磁电动势（不计磁饱和时，就是使激磁电动势保持为保持为 E E0N0N）。）。cosjIXsinIXUX-jI0UXI jUESSNS0S0N从而有从而有22SN2S0NIcosIsinXUX

47、E22S2N2SN0NPQX3UXU3E上式两端分别乘以上式两端分别乘以得得2N3UNBNB段的段的P PQ Q曲线为：曲线为：以以OO点（坐标为点（坐标为 ）为圆心，为圆心， 为半径的为半径的圆弧。圆弧。S2NX3U,0SN0NXU3E第九节第九节 同步电动机与同步补偿机同步电动机与同步补偿机一、同步电动机的电压方程和相量图一、同步电动机的电压方程和相量图,ooeP01800ooooePU为驱动转矩，滞后于cossinmUIXEmUPse0沿用发电机惯例时隐极同步电动机沿用发电机惯例时隐极同步电动机的相量图的相量图IU0EsXI jaRI1、沿用发电机惯例，以输出电

48、枢电流为正方向、沿用发电机惯例，以输出电枢电流为正方向2、用电动机惯例，以输入电枢电流为正方向、用电动机惯例，以输入电枢电流为正方向IIMoMooMo9090909001）隐极电机：）隐极电机：saXI jRIUE0发电机惯例发电机惯例sMaMsaXI jRIEXIjRIEU00电动机惯例电动机惯例电动机惯例隐极同步电动机相量图和等效电电动机惯例隐极同步电动机相量图和等效电路路IIMUMMM0sMXI jaMRIaIIMaRU0EsXb0E当当 超前超前 时，时， 取正值，当取正值，当 滞后滞后 时，时， 取负值，取负值，MIUMIUMM当当 超前超前 时，时， 取正值，当取正值，当 滞后滞后

49、 时，时， 取负值，取负值，MI0EMI0EM0M02）凸极同步电动机）凸极同步电动机qMaMQqqMddMaMqqddaXI jRIEXI jXI jRIEXIjXIjRIEU00qqddaXI jXI jRIUE0qaqddqqddaqddQXI jRIUXXI jXI jXI jRIUXXI jEE0aMMqMMMRIUXIUcossinarctan0电枢反应电枢反应 超前超前 为去磁，为去磁， 滞后滞后 为增磁为增磁MI0EMI0E, IIM采用电动机惯例后采用电动机惯例后qMaMQqqMddMaMXI jRIEXI jXI jRIEU0电动机惯例凸极同步电动机的相量图电动机惯例凸极同

50、步电动机的相量图IdMIqMIIIMUaMRIqqMXI jddMXI j0EMMM0qMXIdddMXXI jQE二、同步电动机的功角特性、功率方程和转矩方程二、同步电动机的功角特性、功率方程和转矩方程MdqMdeXXmUXEmUP2112120sinsinMdqsMdsseeXXmUXEmUPT211220sinsinsPT22输出转矩输出转矩sFeppT0 空载转矩空载转矩seePT 电磁转矩电磁转矩20TTTe转矩方程：转矩方程：2PppPFeeecuaPpP1从电网输入电功率：从电网输入电功率：采用电动机惯例，把采用电动机惯例，把 滞后滞后 的功率角规定为正值，的功率角规定为正值，

51、表示。表示。0EUM三、同步电动机的工作特性三、同步电动机的工作特性220220200PTPTTPPTTTTeese增大时，增大时，时时,ppRmIPmUIPFeaMMM221coscos常常值值，22200PPP后后，过过，时时max2Pf3）效率特性）效率特性2PfIM2）电枢电流特性）电枢电流特性2PfTe1）转矩特性）转矩特性2PfITIIUUMMefNfNcos,、时时1、工作特性、工作特性MMeITcos,同步电动机工作特性同步电动机工作特性025. 05 . 075. 000. 12P0I0TMcosMIeT忽略电枢电阻，电枢电流与输出功率成正比。忽略电枢电阻，电枢电流与输出功率

52、成正比。4）功率因数特性）功率因数特性2PfMcoscefkPEImax05）过载能力）过载能力超超前前电电流流不不变变，时时的的励励磁磁、保保持持MMNPPPcoscos212曲线曲线3：滞滞后后。由由超超前前变变为为电电流流不不变变，时时的的励励磁磁、保保持持MMNPPPcoscos2122曲线曲线2：滞滞后后时时的的励励磁磁电电流流不不变变，、保保持持MMPPcoscos2210曲线曲线1：不同励磁时的功率因数特性不同励磁时的功率因数特性025. 05 . 075. 000. 12P2 . 04 . 06 . 08 . 00 . 18 . 06 . 0Mcos超前超前滞后滞后123Mdq

53、MdeXXmUXEmUP2112120sinsin2、有功功率、端电压不变电枢电流与励磁电流关系、有功功率、端电压不变电枢电流与励磁电流关系fMeNIfIPUU常值，常值，,常常值值MMIcos常常值值MMmUIPcos1常值常值MseXUEmPsin0常值常值MEsin0电枢电阻和磁饱和忽略不计，调励磁前后输出功率不变电枢电阻和磁饱和忽略不计，调励磁前后输出功率不变,则有：则有： 若若 时励磁时励磁为正常励磁，则增大励磁，为正常励磁，则增大励磁，电枢电流增大且超前，电机电枢电流增大且超前，电机输入超前的无功功率，发出输入超前的无功功率，发出滞后的无功功率。减小励磁，滞后的无功功率。减小励磁，

54、电枢电流增大且滞后，电机电枢电流增大且滞后，电机输入滞后的无功功率。输入滞后的无功功率。1Mcos恒功率、变励磁时隐极同步电动机的相量图恒功率、变励磁时隐极同步电动机的相量图常常值值MMIcosCMIMIU MIDAB常值常值MEsin00E0E 0EsMXI j sMXI jsMXI jLMMsePmUIXUEmPcosmax0稳定极限：稳定极限： 调节励磁电流可调节电动机的无功调节励磁电流可调节电动机的无功电流和功率因数。电流和功率因数。同步电动机的同步电动机的V形曲线形曲线MIfI0 ePeP0eP正常激励正常激励欠励欠励过励过励滞后滞后超前超前1Mcos稳定极限稳定极限V形曲线最低点为

55、正常励磁、形曲线最低点为正常励磁、 的工作点；其右侧为过励状态，功率因的工作点；其右侧为过励状态，功率因数超前；左侧为欠励状态，功率因数滞数超前；左侧为欠励状态，功率因数滞后。后。1Mcos3、V形曲线：不同有功功率时电枢电流和励磁电流的关系曲线。形曲线：不同有功功率时电枢电流和励磁电流的关系曲线。四、同步电动机的起动四、同步电动机的起动 同步电动机在转子上装有类似异步电动机笼型绕组的起动绕组。同步电动机在转子上装有类似异步电动机笼型绕组的起动绕组。先将同步机异步起动先将同步机异步起动,待转速到接近同步速时投入励磁待转速到接近同步速时投入励磁,电机牵入同步电机牵入同步.3、异步起动、异步起动

56、选用和同步电机极数相同的异步电机（选用和同步电机极数相同的异步电机（515P2N）来拖动来拖动同步电动机，当转速接近同步转速时用自整步法牵入同步。同步电动机，当转速接近同步转速时用自整步法牵入同步。2、辅助电动机起动、辅助电动机起动pfn601、变频起动、变频起动 用变频器从零频率开始变频起动用变频器从零频率开始变频起动,当电动机转速达到同步频率当电动机转速达到同步频率转速时转速时,将电动机投入工频网将电动机投入工频网异步起动的过程：异步起动的过程：3）将励磁绕组与直流励磁电源接通，旋转磁场将转子牵入同步。）将励磁绕组与直流励磁电源接通，旋转磁场将转子牵入同步。1）用电阻短接转子上励磁绕组。）

57、用电阻短接转子上励磁绕组。2）定子绕组接通电源，异步起动转速至）定子绕组接通电源，异步起动转速至 。snn%95同步电动机异步起动时的转矩曲线同步电动机异步起动时的转矩曲线s050.1T合成转矩合成转矩异步转矩异步转矩单轴转矩单轴转矩 aLTs050.1T1R2R3R异步转矩异步转矩321RRR 合成转矩单轴转矩单轴转矩 b异步起动时，当励磁绕组上流过感应电流时，励磁绕组电流与定异步起动时，当励磁绕组上流过感应电流时，励磁绕组电流与定子旋转磁场作用，产生转差率为子旋转磁场作用，产生转差率为0.5的单轴转矩。的单轴转矩。1）励磁绕组短接电阻大，励磁绕组电压高，会损坏绝缘。）励磁绕组短接电阻大，励

58、磁绕组电压高，会损坏绝缘。2）短接电阻小，单轴转矩影响大，造成电机爬行在）短接电阻小，单轴转矩影响大，造成电机爬行在0.5ns附近，附近，无法起动到同步速。无法起动到同步速。 一般短接电阻为励磁绕组电阻的一般短接电阻为励磁绕组电阻的510倍。倍。五、同步补偿机五、同步补偿机结构特点：没有轴伸端，机械结构要求较低。结构特点：没有轴伸端，机械结构要求较低。 允许同步电抗稍大，气隙较小，电允许同步电抗稍大，气隙较小，电 机用铜较少，造价低。机用铜较少，造价低。 转子装有起动绕组。转子装有起动绕组。额定容量：按过励时所能补偿的无功功率来确额定容量：按过励时所能补偿的无功功率来确 定，容量主要受定、转子

59、温升的限定，容量主要受定、转子温升的限 制。制。2、同步补偿机的额定容量和结构特点、同步补偿机的额定容量和结构特点1、原理、原理 视为空载运行的同步电动机，过励时，视为空载运行的同步电动机，过励时，补偿机从电网吸收超前无功电流，欠励时，补偿机从电网吸收超前无功电流，欠励时，从电网吸收滞后的无功功率。从电网吸收滞后的无功功率。用于改善电网功率因数、不带任何机械负载的同步电动机。用于改善电网功率因数、不带任何机械负载的同步电动机。在电网受电端装设补偿机后在电网受电端装设补偿机后电网电流相量图电网电流相量图UIcIaI在电网受电端装设补偿机在电网受电端装设补偿机感感补补同步发电机同步发电机输电线输电

60、线IaIcIU例例 6-28、有一台同步电动机接到无穷大电网，电动机在额定电压下运、有一台同步电动机接到无穷大电网，电动机在额定电压下运行，已知电动机的同步电抗行，已知电动机的同步电抗 ，定子电流为额定电流，定子电流为额定电流时功率角时功率角 ，试求：，试求：（1）此时的）此时的 和和 ；（2）该励磁下电动机的过载能力；该励磁下电动机的过载能力；（3）在此负载转矩下电动机能保持同步运行的最低）在此负载转矩下电动机能保持同步运行的最低 ；（4）转子失去励磁时电动机的最大电磁功率（标么值）。转子失去励磁时电动机的最大电磁功率（标么值）。5080.,.qdXXoN250E0EcosaMqMMIRUI