第6章同步电机

1、第第6章章 同步电机同步电机 河北科技大学河北科技大学电气教研室电气教研室 安国庆安国庆电机学电机学6.1 同步电机的基本结构和运同步电机的基本结构和运行状态行状态n6.1.1概述概述同步电机与异步电机的同步电机与异步电机的根本区别根本区别是转子装有是转子装有磁极，并通入直流电励磁，因而具有确定的磁极，并通入直流电励磁，因而具有确定的极性。极性。同步电机的同步电机的运行特点运行特点是转子的转速必须与是转子的转速必须与定子三相旋转磁场的转速（又称同步转速）定子三相旋转磁场的转速（又称同步转速）严格同步，故同步电机由此而得名。严格同步，故同步电机由此而得名。 snn n同步发电机，其发出的电动势频

2、率满足同步发电机，其发出的电动势频率满足 60pnfn同步电动机，其转子转速满足同步电动机，其转子转速满足pfn60 我国规定交流电网的标准工作频率为我国规定交流电网的标准工作频率为50Hz 50Hz ，当当p p=1=1时，时，n n=3000=3000转转/ /分，为同步发电机最高分，为同步发电机最高转速。转速。6.1.2 同步电机的分类同步电机的分类（1 1）按运行方式和功率转换方向，同步电）按运行方式和功率转换方向，同步电机可分为以下几种：机可分为以下几种：发电机发电机把机械能转换为电能；把机械能转换为电能；电动机电动机把电能转换为机械能把电能转换为机械能补偿机补偿机基本上不转换有功功

3、率，而专基本上不转换有功功率，而专门用来调节电网的无功功率，改善电网的门用来调节电网的无功功率，改善电网的功率因数。补偿机又称调相机。功率因数。补偿机又称调相机。6.1.2 同步电机的分类同步电机的分类 （2 2）按原动机的类别，同步电机可分为）按原动机的类别，同步电机可分为以下几种：以下几种：汽轮发电机；汽轮发电机；水轮发电机；水轮发电机；柴油（或汽油）发电机；柴油（或汽油）发电机；风力发电机风力发电机火力发电（电能的产生）火力发电（电能的产生） 热电厂热电厂1 煤传送带煤传送带2 加煤机加煤机3 粉碎机粉碎机4 锅炉锅炉5 煤渣煤渣6 空气预热器空气预热器 7 静电除尘静电除尘8 烟囱烟囱

4、9 汽轮机汽轮机10 冷凝器冷凝器11变压器变压器12 冷却塔冷却塔13 发电机发电机14 输电线输电线燃燃烧烧室室燃燃料料锅炉的锅炉的炉膛炉膛循环水循环水汽轮机汽轮机发电机发电机升压变升压变压器压器超热高压蒸汽超热高压蒸汽电能输出电能输出火力发电（电能的产生）火力发电（电能的产生）火力发电火力发电励磁机励磁机汽轮机汽轮机发电机发电机水利发电站的示意图水力发电站水力发电站小浪底电站水轮机组安装小浪底电站水轮机组安装三峡电站首台水轮机组安装三峡电站首台水轮机组安装GF1 系列单相柴油发电机组系列单相柴油发电机组GF2 系列三相柴油发电机组系列三相柴油发电机组 一般采用一般采用旋转磁极旋转磁极式式

5、结构，根据磁极结构，根据磁极形状可分为形状可分为隐极隐极和和凸极凸极两种型式。两种型式。 n同步电机同步电机按结构型式按结构型式 ： 旋转磁极式旋转磁极式和和旋转电枢式。旋转电枢式。 凸极同步电机气隙不均匀，适合于中速或低速旋转场合凸极同步电机气隙不均匀，适合于中速或低速旋转场合 隐极同步电机在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，适合于隐极同步电机在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，适合于 高速旋转高速旋转n隐极转子n凸极转子6.1.3 同步电机的工作原理同步电机的工作原理n原动机拖动转子以恒定速原动机拖动转子以恒定速度旋转，励磁磁场随轴一度旋转，励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各起旋转并顺次切割定子各相

6、绕组。定子绕组中将会相绕组。定子绕组中将会感应出三相对称的正弦感感应出三相对称的正弦感应电动势。各相距应电动势。各相距120120，从而三相电动势时间相位从而三相电动势时间相位差差120120，实现机械能转换，实现机械能转换为电能。为电能。6.1.4 隐极同步电机的基本结构隐极同步电机的基本结构n隐极式汽轮发电机大多隐极式汽轮发电机大多作成两极的，同步转速作成两极的，同步转速为为3000r/min3000r/min（50Hz50Hz） 由于转速高，所以汽轮发由于转速高，所以汽轮发电机的直径较小，长度则电机的直径较小，长度则较长较长 汽轮发电机由定子、转子、端盖及轴承等部件构成汽轮发电机由定子、

7、转子、端盖及轴承等部件构成 1. 定子定子n定子是由定子是由铁心、绕组、机铁心、绕组、机座座以及固定这些部件的其以及固定这些部件的其它结构件组成它结构件组成n定子铁心一般采用厚度为定子铁心一般采用厚度为0.35mm0.35mm或或0.5mm0.5mm含硅量较含硅量较高的无取向冷轧硅钢片分高的无取向冷轧硅钢片分组叠压而成。组叠压而成。 大型汽轮发电机定子铁心槽 2. 转子转子n转子由转子铁心、励磁绕组、护环、中心环、滑环及风扇等部件组成 沿转子铁心表面，有一部沿转子铁心表面，有一部分开的槽较多，那里的齿分开的槽较多，那里的齿较窄，称为小齿；在另一较窄，称为小齿；在另一部分没有开槽，形成了大部分没

8、有开槽，形成了大齿。大齿的中心线就是主齿。大齿的中心线就是主磁极的中心。磁极的中心。 汽轮机的励磁绕组示意图6.1.5 凸极同步电机的基本结构凸极同步电机的基本结构n凸极同步电机通常分为凸极同步电机通常分为卧式卧式和和立式立式两种结构。绝大两种结构。绝大多数同步电动机、调相机和用内燃机或冲击式水轮多数同步电动机、调相机和用内燃机或冲击式水轮机拖动的发电机都采用卧式结构；低速、大容量的机拖动的发电机都采用卧式结构；低速、大容量的水轮发电机和拖动大型水泵的同步电动机则采用立水轮发电机和拖动大型水泵的同步电动机则采用立式结构。式结构。 1. 卧式凸极同步电机的特点卧式凸极同步电机的特点n卧式凸极同步

9、电机的转子由卧式凸极同步电机的转子由主磁极、磁轭、主磁极、磁轭、励磁绕组、阻尼绕组、集电环和转轴励磁绕组、阻尼绕组、集电环和转轴等部等部件组成。件组成。 注意：注意：书书P228图图6-6有错有错阻尼绕组n阻尼绕组和异步电机的笼型结构相似，是用裸铜条插入极阻尼绕组和异步电机的笼型结构相似，是用裸铜条插入极靴的槽中，然后在两端用铜环（称为端环）焊接在一起。靴的槽中，然后在两端用铜环（称为端环）焊接在一起。在在同步发电机同步发电机中，阻尼绕组起中，阻尼绕组起抑制转子机械振荡抑制转子机械振荡的作用；的作用；在在同步电动机和同步补偿机同步电动机和同步补偿机中，阻尼绕组在电机起动时可中，阻尼绕组在电机起

10、动时可产生异步起动转矩，主要作为产生异步起动转矩，主要作为起动绕组用起动绕组用。 2. 立式凸极同步电机的特点立式凸极同步电机的特点n大型水轮发电机通常都是立式结构，水轮机大型水轮发电机通常都是立式结构，水轮机的转速低，极对数就很多、电机直径大、轴的转速低，极对数就很多、电机直径大、轴向长度短，外形短粗，呈扁盘形。向长度短，外形短粗，呈扁盘形。n立式水轮发电机分为立式水轮发电机分为悬式悬式和和伞式伞式两种形式：两种形式： 1)1)悬式悬式水轮发电机运行稳定，适用于水轮发电机运行稳定，适用于转速高转速高的水轮发电机组。的水轮发电机组。 2)2)伞式伞式水轮发电机轴向长度小，可以降低厂水轮发电机轴

11、向长度小，可以降低厂房高度，用于房高度，用于低速低速水轮发电机组。水轮发电机组。 6.1.6 同步电机的运行状态同步电机的运行状态n在稳态运行状态下，转子也是同步转速，在稳态运行状态下，转子也是同步转速，所以定子旋转磁场也是同步转速，两者保所以定子旋转磁场也是同步转速，两者保持相对静止。持相对静止。n同步电机有三种运行状态：发电机、电动同步电机有三种运行状态：发电机、电动机和补偿机（又称调相机）。同步电机运机和补偿机（又称调相机）。同步电机运行于哪一种状态，主要取决于行于哪一种状态，主要取决于气隙合成磁气隙合成磁场场与与转子主极磁场转子主极磁场之间的夹角之间的夹角，此角称，此角称为为功率角功率

12、角。 同步电机的三种状态SNn0NSn0发电机运行发电机运行NSSNn0n0理想空载状态理想空载状态NSSNn0n0电动机状态电动机状态转子主极磁场转子主极磁场超前超前于于合成气隙磁场合成气隙磁场转子主极磁场与转子主极磁场与合成气隙磁场轴线合成气隙磁场轴线重合重合转子主极磁场转子主极磁场滞后滞后于于合成气隙磁场合成气隙磁场0=00n1.直流励磁机励磁6.1.7 同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式n 2.静止整流器励磁静止整流器励磁 副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，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待电压建立起来后再转为自励(或用永磁发电机或用永

13、磁发电机)。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流后供给主副励磁机的输出电流经过静止晶闸管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器整流后给主发电机的励磁。相桥式硅整流器整流后给主发电机的励磁。配置集电环配置集电环注意：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主发电机旋转的励磁绕组。静动动n对于大容量的同步发电机，其励磁电流达到数千安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，在大容量的同步培，使得集电环严重过热。因此，在大容量的同步发电机中，将主励磁机作成旋转电枢式（发电机中，将主励

14、磁机作成旋转电枢式（见见P225P225图图6-26-2电枢交流输出本身是旋转的电枢交流输出本身是旋转的），并将整流器也），并将整流器也固定在转轴上一起旋转，省去集电环。固定在转轴上一起旋转，省去集电环。3.3.旋转整流器励磁旋转整流器励磁省去集电环省去集电环动动动动6.1.8 同步电机的额定值同步电机的额定值1. 额定电压额定电压 UN ：线电压的额定值。：线电压的额定值。2. 额定电流额定电流 IN ：线电流的额定值。：线电流的额定值。3. 额定功率额定功率 PN ：输出功率的额定值。：输出功率的额定值。 5. 额定转速额定转速 nN ：额定运行时的转速。：额定运行时的转速。6. 额定功率

15、因数额定功率因数 cos N ：额定运行时的功率因数：额定运行时的功率因数。7. 额定励磁电压额定励磁电压 UfN ,额定励磁电流额定励磁电流 IfN ： 保证输出额定值时需要的励磁量保证输出额定值时需要的励磁量4. 额定容量额定容量 SN ：额定运行时输出的容量。：额定运行时输出的容量。注意关于额定功率：同步发电机同步发电机是指额定运行时是指额定运行时输出的电功率输出的电功率；同步电动机同步电动机是指额定运行时轴上是指额定运行时轴上输出的机械功率输出的机械功率；补偿机补偿机是指额定运行时是指额定运行时输出的无功功率输出的无功功率以以kvar或或Mvar表示表示 。6.2 空载和负载时同步发电

16、机的空载和负载时同步发电机的磁场磁场n6.2.1 空载时同步发电机的磁场空载时同步发电机的磁场n用原动机把同步发电机拖动到同步转速，励磁绕用原动机把同步发电机拖动到同步转速，励磁绕组通入直流励磁电流，而电枢（定子）绕组开路组通入直流励磁电流，而电枢（定子）绕组开路的运行状态，称为同步发电机的空载运行。的运行状态，称为同步发电机的空载运行。 n这时电枢（定子）电流为零，电机气隙中仅有由这时电枢（定子）电流为零，电机气隙中仅有由励磁（转子）电流所建立的主极磁场。而由励磁励磁（转子）电流所建立的主极磁场。而由励磁电流单独产生的磁动势电流单独产生的磁动势Ff和磁场，称为励磁磁动和磁场，称为励磁磁动势和

17、励磁磁场势和励磁磁场 （又称主极磁场）（又称主极磁场） 1. 空载运行时的物理情况空载运行时的物理情况n当转子以同步转速旋转时，定子绕组内将感应三相对称电动势： 60spnf =011044. 4wkfNE2. 同步电机的空载特性同步电机的空载特性E0 = f (I f) 因为因为Ff If E0 0 所以可反映所以可反映 0= f (F f) 0较小时，磁路不饱和，较小时，磁路不饱和， 空载曲线是一条直线；空载曲线是一条直线； 随随 o的增大，铁心逐渐饱和，的增大，铁心逐渐饱和， 空载曲线弯曲。空载曲线弯曲。 气隙线气隙线：不计铁心磁阻的空载特性曲线。：不计铁心磁阻的空载特性曲线。气隙线空载

18、载特00,Eo0fIff,FINU6.2.2 同步发电机的电枢反应同步发电机的电枢反应n当同步发电机带上三相对当同步发电机带上三相对称负载后，电枢产生同步称负载后，电枢产生同步旋转的磁动势旋转的磁动势F Fa a，并与转，并与转子保持同步。子保持同步。n气隙合成磁动势由电枢磁气隙合成磁动势由电枢磁动势以及主极磁动势共同动势以及主极磁动势共同产生：产生：主磁极基波磁动势主磁极基波磁动势afFFF1 电枢反应的性质（增磁、去磁和交磁）电枢反应的性质（增磁、去磁和交磁）还取决于还取决于Fa和和Ff1之间的相对位置关系之间的相对位置关系 现定义一个新变量：内功率因数角n能放映能放映FaFa和和Ff1F

19、f1之间的关系之间的关系之间的相位差和定义为IE0 afFFF1 对应对应下面我们根据负载性质讨论下面我们根据负载性质讨论介绍时-空矢量图的绘制方法n同步电机中需要定义坐标轴定义:n直轴（纵轴或d轴）：主磁极轴线位置；n交轴（横轴或q轴）：与直轴成90度电角度的位置；n相轴：一般取A相绕组的轴线为参考轴；n时轴：通常令时间参考轴与空间参考轴重合。 时轴介绍时-空矢量图的绘制方法 I步骤：步骤：逆时针为正方向逆时针为正方向n电枢磁动势电枢磁动势FaFa恰好在交轴上，恰好在交轴上，此时称为此时称为交轴电枢反应交轴电枢反应。n交轴电枢磁动势不仅使气隙合交轴电枢磁动势不仅使气隙合成磁动势的幅值有所成磁

20、动势的幅值有所增大增大，而，而且使气隙合成磁动势的轴线位且使气隙合成磁动势的轴线位置从空载时直轴处逆转子转向置从空载时直轴处逆转子转向后移了一个锐角，使主极磁动后移了一个锐角，使主极磁动势势超前超前气隙合成磁动势。气隙合成磁动势。逆时针为正方向逆时针为正方向1） =0 时的电枢反应时的电枢反应逆时针为正方向逆时针为正方向转子磁势和电枢磁势转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，一同作用在直轴上，方向相反，电枢反应方向相反，电枢反应为纯去磁作用，合成为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小。这磁势的幅值减小。这一电枢反应称为一电枢反应称为直轴直轴去磁电枢反应去磁电枢反应。 2） =90 时的电枢反应时的电枢

21、反应3） =-90 时的电枢反应时的电枢反应n此时此时F Ff f与与F Fa a同相，转子同相，转子磁势和电枢磁势一同作磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相同，用在直轴上，方向相同，电枢反应为纯增磁作用，电枢反应为纯增磁作用，合成磁势的幅值加大，合成磁势的幅值加大，这一电枢反应称为这一电枢反应称为直轴直轴增磁电枢反应增磁电枢反应 逆时针为正方向逆时针为正方向4）一般情况下时的电枢反应 0 90并且有saaa0XI jRIUXI jXI jRIUE补充：补充：等效电路saaa0XI jRIUXI jXI jRIUE三相对称三相对称取一相分析取一相分析向量图saaa0XI jRIUXI jXI

22、 jRIUE逆时针为正方向逆时针为正方向区分学习同步电机三个重要角度1.负载阻抗角负载阻抗角U与与I中间的夹角中间的夹角2.内功率因数角内功率因数角 E0与与I之间的夹角之间的夹角3.功角功角(功率角功率角)E0与与U之间的夹角之间的夹角 . . . . . . . .6.3.2 考虑饱和时的电压方程和考虑饱和时的电压方程和相量图相量图n实际的同步电机往往运行在接近饱和的区域。考实际的同步电机往往运行在接近饱和的区域。考虑磁饱和时，由于磁化曲线的非线性，叠加原理虑磁饱和时，由于磁化曲线的非线性，叠加原理不再适用。不再适用。 主磁路上的基波合成磁动势：主磁路上的基波合成磁动势： E此处此处不能简

23、单等于不能简单等于a0 EE该过程要借助空载特性完成该过程要借助空载特性完成电压方程：电压方程：或或6.4 凸极同步发电机的电压方程、凸极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路相量图和等效电路n6.4.1 双反应理论双反应理论n凸极同步电机的气隙通常是不均匀的，气隙各处凸极同步电机的气隙通常是不均匀的，气隙各处的磁阻不相同。极面下气隙较小，所以极面下的的磁阻不相同。极面下气隙较小，所以极面下的磁阻较小、直轴磁导较大；两极之间气隙较大，磁阻较小、直轴磁导较大；两极之间气隙较大，所以两极之间的磁阻较大、交轴磁导较小。所以两极之间的磁阻较大、交轴磁导较小。 IEXEFIaaaaa 电枢反应可用电枢反

24、应可用Xa直接表达出来直接表达出来n为了便于分析和计算勃郞德（为了便于分析和计算勃郞德（BlondelBlondel）引入）引入双反应理论。双反应理论分析过程是双反应理论。双反应理论分析过程是: :n双反应理论双反应理论电枢基波磁势电枢基波磁势F Fa a分解为直轴分解为直轴上的直轴电枢反应磁势分量上的直轴电枢反应磁势分量F Fadad和交轴上的交和交轴上的交轴电枢反应磁势分量轴电枢反应磁势分量F Faqaq双反应理论：n把电枢的基波磁动势把电枢的基波磁动势FaFa分解成直轴磁动势分解成直轴磁动势FadFad和交轴磁动势和交轴磁动势FaqFaq两个分量，再分别求两个分量，再分别求出直轴和交轴电

25、枢反应磁通以及它们的感出直轴和交轴电枢反应磁通以及它们的感应电动势，然后把它们叠加起来。这种考应电动势，然后把它们叠加起来。这种考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直轴和交轴电枢反应分别来处理的应分成直轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，称为方法，称为双反应理论。双反应理论。 电枢磁势和电枢电流的分解cossinaaqaadFFFF电枢磁势电枢磁势的分解的分解cossinIIIIqd电枢电流电枢电流的分解的分解6.4.2 不考虑饱和时的电压方程、不考虑饱和时的电压方程、相量图和等效电路相量图和等效电路电枢电压方程式：电枢电压方程式：与隐极同步发电机类似

26、addadXI jEaqqaqXI jE直轴反应电抗直轴反应电抗交轴反应电抗交轴反应电抗代入代入考虑考虑aqqadda0XI jXI jXI jRIUE）（）（aqqaddaXXI jXXI jRIUqqddaXI jXI jRIU=addXXX 直轴同步电抗直轴同步电抗交轴同步电抗交轴同步电抗aqqXXX 不考虑饱和时的相量图不考虑饱和时的相量图0 qI0 E 0 UdIqdjXI IaRIddj XIqqddaXI jXI jRIU=0E逆时针为正方向逆时针为正方向可得到该向量图可得到该向量图内功率因数角内功率因数角：只是分析中的一个辅助量，只是分析中的一个辅助量，并不能事先给定并不能事先

27、给定 ，需根，需根据其他参数求出来据其他参数求出来为求解内功率因数角引入虚拟电动势引入虚拟电动势 的概念的概念QE注意：本概念和本课程的计算题相关！注意：本概念和本课程的计算题相关！虚拟电动势没有任何物理意义，它只是方虚拟电动势没有任何物理意义，它只是方便大家计算内功率角的一个中间变量便大家计算内功率角的一个中间变量定义：定义：0 qI0 E UdIqj XI IaRI）（qddjXXI cossinarctan aq IRUIXU QE qaQXI jRIUE等效电路等效电路该等效电路在计算凸极同步电机在电网中的运行性能该等效电路在计算凸极同步电机在电网中的运行性能和功角时常常用到。和功角时

28、常常用到。 QE I UqXaR相关计算实例见书相关计算实例见书P244例例6-16.4.3 考虑饱和时的电压方程和考虑饱和时的电压方程和相量图相量图n考虑磁饱和时，叠加原理不再适用，此时气隙合考虑磁饱和时，叠加原理不再适用，此时气隙合成磁场将取决于主极和电枢两者的合成磁动势。成磁场将取决于主极和电枢两者的合成磁动势。 Fad和和Faq折算到励磁绕组折算到励磁绕组的等效方波励磁磁动势的等效方波励磁磁动势 n虑到交轴方面的气隙较大，交轴磁路基本是线性的，因此与不计饱和时相类似aqqaqXI jE6.5 同步发电机的功率方程和转同步发电机的功率方程和转矩方程矩方程 I f B0 pFe 铁心损耗铁

29、心损耗 （转子铁心中磁场恒定，无铁耗）（转子铁心中磁场恒定，无铁耗） P1-p-pFe-p = Pe ns 1机械损耗输入机械功率pP励磁损耗由另外的直流电源供给励磁损耗由另外的直流电源供给 Pe-pcua = P2 同步发电机的功率方程：同步发电机的功率方程：。定子铜耗；电磁功率； 输出功率cos 22 m U I PRmIpPacuae6.5.1 6.5.1 同步发电机的功率方程同步发电机的功率方程6.5.2 同步发电机的电磁功率同步发电机的电磁功率n对于凸极电机对于凸极电机0 qI0 E UdIqj XI IaRI）（qddjXXIQE 由图可见由图可见n对于隐极电机对于隐极电机6.5.

30、3 同步发电机的转矩方程同步发电机的转矩方程e01TTTs11PTseePTsFe0pppT输入转矩输入转矩空载转矩空载转矩电磁转矩电磁转矩6.6 同步发电机的运行特性及参数的测定同步发电机的运行特性及参数的测定n6.6.1 用空载特性、短路特性求取同步电用空载特性、短路特性求取同步电抗的不饱和值和短路比抗的不饱和值和短路比 （1）空载特性）空载特性n空载特性试验方法：用原动机把被试同步空载特性试验方法：用原动机把被试同步发电机拖动到同步转速，然后改变励磁电发电机拖动到同步转速，然后改变励磁电流，并记取相应的电枢端电压流，并记取相应的电枢端电压,直到直到1.3UN 左右，可得空载特性左右，可得

31、空载特性（2）短路特性试验条件试验条件电枢绕组短路电枢绕组短路用原动机把被试同步电机拖动到同步转速用原动机把被试同步电机拖动到同步转速试验目的试验目的测得短路特性：测得短路特性：I=f(If)调节励磁电流使电枢电流调节励磁电流使电枢电流 I 从零一直增加到从零一直增加到1.2IN左右，左右，便可以得到短路特性曲线。便可以得到短路特性曲线。 短路试验时磁路不饱和，短路试验时磁路不饱和，空载电动势应在气隙线上空载电动势应在气隙线上查取。查取。 所计算的电抗所计算的电抗Xd为不饱和电抗为不饱和电抗kIEX0d因为短路时因为短路时（3）利用空载特性和短路特性确定利用空载特性和短路特性确定 Xd的饱和值

32、与磁路的饱和情况有关。的饱和值与磁路的饱和情况有关。 主磁路的饱和程度取决于实际运行主磁路的饱和程度取决于实际运行时作用在主磁路上的合成磁动势，时作用在主磁路上的合成磁动势，因而取决于相应的气隙电动势，如因而取决于相应的气隙电动势，如果不计漏阻抗压降，则可近似地认果不计漏阻抗压降，则可近似地认为取决于电枢的端电压。为取决于电枢的端电压。 正常运行时，同步电机端电压变化不大，所以通常用对应正常运行时，同步电机端电压变化不大，所以通常用对应于额定电压时的于额定电压时的Xd值作为其饱和值。值作为其饱和值。0k)(IUXNd 饱和(4)利用空载特性和短路特性求短路比利用空载特性和短路特性求短路比 路比

33、是同步发电机的一个重要数据路比是同步发电机的一个重要数据,是指同是指同步电机在相应于空载额定电压的励磁电流步电机在相应于空载额定电压的励磁电流下，电枢绕组三相稳态短路时的短路电流下，电枢绕组三相稳态短路时的短路电流与额定电流之比值与额定电流之比值. NIIkIIKff）（00c）（）（NNIIfkUUfIIK00c0kIdNXE0（饱和）dddNNNdNNNNdNNkXXkXUEUXIUEIXEIIK111/0000c 所以所以相关计算实例见书相关计算实例见书P250例例6-26.6.2 用转差法测定同步电抗用转差法测定同步电抗n试验时转子（励磁）绕组应开路，定子（电枢）试验时转子（励磁）绕组

34、应开路，定子（电枢）绕组接三相调压器。首先将被试同步电机用原动绕组接三相调压器。首先将被试同步电机用原动机拖动到接近于同步转速，励磁绕组开路，再在机拖动到接近于同步转速，励磁绕组开路，再在定子绕组上施加约为（定子绕组上施加约为（215）的三相对称）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。调节原动机的转速，使被转向与转子转向一致。调节原动机的转速，使被试电机的转差率小于试电机的转差率小于0.01，但不被牵入同步，但不被牵入同步，这时定子旋转磁场与转子之间将保持一个低速的这时定子旋转磁场与转子之间将保持一个低速的相对运动，使

35、电枢旋转磁场的轴线不断交替地与相对运动，使电枢旋转磁场的轴线不断交替地与转子的直轴和交轴相重合。待转差稳定后，用示转子的直轴和交轴相重合。待转差稳定后，用示波器拍摄电枢电压、电枢电流的波形。波器拍摄电枢电压、电枢电流的波形。由于没有励磁电流 E0=0n一般电枢电阻可忽略 qqddaXI jXI jRIU0=qqddXI jXI jU当电枢旋转磁场的轴线与直轴重合时 minmaxdIUX当电枢旋转磁场的轴线与交轴重合时 maxminqIUX6.6.3 零功率因数负载特性及漏电抗的求取零功率因数负载特性及漏电抗的求取n1. 零功率因数负载特性（简称零功率因数特性）零功率因数负载特性（简称零功率因数

36、特性） 常数，常数， 时的时的I0cos)(fIfU ， IXUEFkFFaadf 表示空载时产生额定电压所需的励磁磁动势，在零表示空载时产生额定电压所需的励磁磁动势，在零功率因数负载时，为保持端电压为额定值，所需励磁磁功率因数负载时，为保持端电压为额定值，所需励磁磁动势动势 应大于应大于 。增加的励磁磁动势有两部分：其。增加的励磁磁动势有两部分：其中一部分中一部分 用以克服电枢漏抗压降用以克服电枢漏抗压降 的作用；另一的作用；另一部分部分 用以抵消电枢等效磁动势用以抵消电枢等效磁动势 的去磁作用。的去磁作用。 由于电枢电流的大小和相位不变，三角形由于电枢电流的大小和相位不变，三角形AEF也不

37、变，也不变，称为称为特性三角形特性三角形。BCBFBCCAIXAFaadFk由空载特性和零功率因数特性可求得特性三角形，即可由空载特性和零功率因数特性可求得特性三角形，即可得到电枢楼抗压降得到电枢楼抗压降 和电枢反应等效磁动势和电枢反应等效磁动势 。IXaadFk(2)由空载特性和零功率因数负由空载特性和零功率因数负载特性求载特性求 和和 XaFkad过过 点作气隙线的平行线，点作气隙线的平行线，与空载特性交于与空载特性交于E点。从点。从E点作铅垂线，并交点作铅垂线，并交 于于A点，得特性三角形点，得特性三角形 。在零功率因数特性上取在零功率因数特性上取 F点和点和K点点。通过。通过F点作平行

38、点作平行于横坐标的水平线，并截于横坐标的水平线，并截取线段取线段 。OKFOOFOAEFIEAXAFFkaad6.6.4 同步发电机的外特性同步发电机的外特性n外特性表示发电机的转速为同步转速，且励外特性表示发电机的转速为同步转速，且励磁电流和负载功率因数不变时，发电机的端磁电流和负载功率因数不变时，发电机的端电压与电枢电流之间的关系：电压与电枢电流之间的关系：n即即nn1，If=常值，常值，cos=常值时，常值时，U=f(I)。 n在感性负载和纯电阻负载在感性负载和纯电阻负载时，外特性是下降的，这时，外特性是下降的，这是由于电枢反应的去磁作是由于电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降所引起。用和漏阻

39、抗压降所引起。在容性负载且内功率因数在容性负载且内功率因数角为超前时，由于电枢反角为超前时，由于电枢反应的增磁作用和容性电流应的增磁作用和容性电流的漏抗电压上升，外特性的漏抗电压上升，外特性亦可能是上升的。亦可能是上升的。 电压调整率定义：电压调整率定义：%100)(0fNfIINNUUEu6.6.5 同步电机的调整特性和效率特性同步电机的调整特性和效率特性n1. 同步发电机的调整特性同步发电机的调整特性n当同步发电机的负载电流变化时，为了保当同步发电机的负载电流变化时，为了保证发电机的端电压不变，必须调节发电机证发电机的端电压不变，必须调节发电机的励磁电流。的励磁电流。n同步发电机的调整特性

40、是指发电机的转速同步发电机的调整特性是指发电机的转速为同步转速、端电压为额定电压、负载的为同步转速、端电压为额定电压、负载的功率因数不变时，励磁电流与电枢电流之功率因数不变时，励磁电流与电枢电流之间的关系间的关系 。n在感性负载和纯电阻在感性负载和纯电阻负载时，为补偿电枢负载时，为补偿电枢电流所产生的去磁性电流所产生的去磁性电枢反应和漏阻抗压电枢反应和漏阻抗压降，随着电枢电流的降，随着电枢电流的增加，必须相应地增增加，必须相应地增加励磁电流，此时调加励磁电流，此时调整特性是上升的。在整特性是上升的。在容性负载时，调整特容性负载时，调整特性亦可能是下降的。性亦可能是下降的。从调整特性可以确定从调

41、整特性可以确定额定励磁电流额定励磁电流2. 同步电机的效率特性同步电机的效率特性n效率特性是指转速为同步转速、端电压为效率特性是指转速为同步转速、端电压为额定电压、功率因数为额定功率因数时，额定电压、功率因数为额定功率因数时，发电机的效率与输出功率的关系；发电机的效率与输出功率的关系；n即即nn1，U =UN，cos= cosN时，时，=f(P2)。同步电机各种损耗：n同步电机的基本损耗包括电枢的基本铁耗、电枢同步电机的基本损耗包括电枢的基本铁耗、电枢基本铜耗、励磁损耗和机械损耗。基本铜耗、励磁损耗和机械损耗。n电枢基本铁耗是指主磁通在电枢铁心齿部和轭部电枢基本铁耗是指主磁通在电枢铁心齿部和轭

42、部中交变所引起的损耗。中交变所引起的损耗。n电枢基本铜耗是换算到基准工作温度时，电枢绕电枢基本铜耗是换算到基准工作温度时，电枢绕组的直流电阻损耗。组的直流电阻损耗。n励磁损耗包括励磁绕组的基本铜耗、变阻器内的励磁损耗包括励磁绕组的基本铜耗、变阻器内的损耗、电刷的电损耗以及励磁设备的全部损耗。损耗、电刷的电损耗以及励磁设备的全部损耗。n机械损耗包括轴承、电刷摩擦损耗和通风损耗。机械损耗包括轴承、电刷摩擦损耗和通风损耗。n杂散损耗包括电枢漏磁通在电枢绕组和其它金属杂散损耗包括电枢漏磁通在电枢绕组和其它金属结构部件中所引起的涡流损耗，高次谐波磁场掠结构部件中所引起的涡流损耗，高次谐波磁场掠过主极表面

43、所引起的表面损耗等。过主极表面所引起的表面损耗等。%100)1 (%100212pPpPP现代现代空气冷却的大型水轮发空气冷却的大型水轮发电机电机，额定效率大致在，额定效率大致在9698.5这一范围内；这一范围内；空冷汽轮发电机空冷汽轮发电机的额定效率的额定效率大致在大致在9497.8这一范这一范围内；围内；氢冷时氢冷时，额定效率约，额定效率约可增高可增高0.8。6.6.6 用电动势磁动势图求取用电动势磁动势图求取额定励磁电流和电压调整率额定励磁电流和电压调整率已知：已知：发电机的空载特性发电机的空载特性E0=f(If) 电枢电阻电枢电阻Ra电枢漏抗（波梯电抗）电枢漏抗（波梯电抗）Xp额定电流

44、时的电枢等效磁动势额定电流时的电枢等效磁动势kaFa电机的额定数据（每相值）电机的额定数据（每相值）就可画出电动势就可画出电动势磁动势矢量图，从而求出额定励磁电流磁动势矢量图，从而求出额定励磁电流和电压调整率。和电压调整率。1）先求出额定情况下发电机的气隙电动势先求出额定情况下发电机的气隙电动势E；将电压将电压U画在纵轴上画在纵轴上2）在空载曲线上查取产生在空载曲线上查取产生E所需的合成磁动势；所需的合成磁动势；paXIjRIUE UpXI jEffIF ，UIaRIFEUpXI jE)(ffIFUIaRIFEaaFkaaFkFfNF3）求出额定励磁磁动势求出额定励磁磁动势UpXI jE)(f

45、fIFUIaRIFEaaFkaaFkFfNF5）求出励磁磁动势下的空载电动势求出励磁磁动势下的空载电动势E04）求额定励磁电流求额定励磁电流额定励磁电流除以励磁绕组匝数得额定励磁电流。额定励磁电流除以励磁绕组匝数得额定励磁电流。6）计算计算 u%100)(0fNfIINNUUEu6.7 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n同步发电机作单机运行时，随着负载的变同步发电机作单机运行时，随着负载的变化，同步发电机的频率和端电压将发生相化，同步发电机的频率和端电压将发生相应的变化，供电的质量和可靠性较差。为应的变化，供电的质量和可靠性较差。为了克服这些缺点，现代电力系统（电网）了克服

46、这些缺点，现代电力系统（电网）通常总是由许多发电厂并联组成，每个电通常总是由许多发电厂并联组成，每个电厂内又有多台发电机在一起并联运行。厂内又有多台发电机在一起并联运行。同步发电机与电网并联运行有许多优点：同步发电机与电网并联运行有许多优点：（1 1）提高了供电的可靠性）提高了供电的可靠性 一台发电机发生故障不会引起停电事故，也一台发电机发生故障不会引起停电事故，也便于各发电机轮流检修。便于各发电机轮流检修。（2 2）提高了供电的经济性和灵活性）提高了供电的经济性和灵活性 在用电高峰期和低谷期，可以灵活地决定投在用电高峰期和低谷期，可以灵活地决定投入并联的发电机数量，提高发电机的效率。入并联的

47、发电机数量，提高发电机的效率。（3 3）提高了供电质量）提高了供电质量 负载变化对整个电网电压、频率影响甚微。负载变化对整个电网电压、频率影响甚微。6.7.1 并联运行的条件和方法并联运行的条件和方法n投入并联的条件投入并联的条件1 1）发电机的频率）发电机的频率f f与电网的频率与电网的频率f f相同，即相同，即 f ff f。2 2）发电机与电网的电压波形相同。）发电机与电网的电压波形相同。3 3）发电机的励磁电动势）发电机的励磁电动势应与电网电压应与电网电压的幅的幅 值大小相等。值大小相等。4 4）并联合闸瞬间，发电机与电网对应相的电压）并联合闸瞬间，发电机与电网对应相的电压 应同相位。

48、应同相位。5 5）发电机与电网的相序要相同。）发电机与电网的相序要相同。第五个条件必须满足，其余条件允许稍有出入。第五个条件必须满足，其余条件允许稍有出入。 2. 同步发电机投入并联的方法同步发电机投入并联的方法n为了投入并联所进行的调节和操作过程，称为了投入并联所进行的调节和操作过程，称为为整步过程整步过程。n实用的整步方法有两种，一种称为实用的整步方法有两种，一种称为准确同步准确同步法法，另一种称为，另一种称为自同步法自同步法。1)准确同步法：直接接法和交叉接法接线图向量图直接接法直接接法（灯光熄灭法） ：电机各端与电网同相端对应，电机各端与电网同相端对应，三灯泡同时亮、暗，当灯泡亮、暗频

49、率很低并且灯泡变暗三灯泡同时亮、暗，当灯泡亮、暗频率很低并且灯泡变暗的瞬间为合闸的最佳时机。的瞬间为合闸的最佳时机。接线图向量图交叉接法（灯光旋转法）交叉接法（灯光旋转法）：一相灯泡同端连接，另外两组：一相灯泡同端连接，另外两组交叉连接，三组灯泡依次亮、暗，当三组灯泡亮度旋转速交叉连接，三组灯泡依次亮、暗，当三组灯泡亮度旋转速度很慢且第一组灯泡变暗的瞬间为合闸的最佳时机。度很慢且第一组灯泡变暗的瞬间为合闸的最佳时机。1)准确同步法：直接接法和交叉接法2)自同步法准确同步法准确同步法( (直接接法和交叉接法直接接法和交叉接法) )缺点缺点：整步手续较复杂时间长，不能满足快速并网要求。：整步手续较

50、复杂时间长，不能满足快速并网要求。 校验发电机的相序；校验发电机的相序； 励磁绕组经限流电阻短路；励磁绕组经限流电阻短路； 发电机的转速接近同步速；发电机的转速接近同步速； 并网；并网； 加励磁电流。加励磁电流。 6.7.2 与电网并联时同步发电机的功角特性与电网并联时同步发电机的功角特性n1. 凸极同步发电机的功角特性凸极同步发电机的功角特性且由下图且由下图功角特性的表达式 定义定义基本电磁功率附加电磁功率2. 隐极同步发电机的功角特性隐极同步发电机的功角特性对于隐极同步发电机eP=sins0XUEm3. 功率角的物理意义功率角的物理意义n功率角有着双重的物理意义：功率角有着双重的物理意义：

51、n一个意义是时间相量励磁电动势与电一个意义是时间相量励磁电动势与电枢端电压之间的时间相角；枢端电压之间的时间相角；n另一个意义则表示空间矢量主极磁场另一个意义则表示空间矢量主极磁场和气隙合成磁场两者在空间的夹角。和气隙合成磁场两者在空间的夹角。 6.7.3 有功功率的调节和静态稳定有功功率的调节和静态稳定n1. 有功功率的调节有功功率的调节准确整步法并网时准确整步法并网时，UE0，功率角00sin02seXUEmPP电磁转距电磁转距Te 0，发电机在电网上处于空载状态；原动机的，发电机在电网上处于空载状态；原动机的驱动转矩仅用于克服发电机的空载阻转矩。驱动转矩仅用于克服发电机的空载阻转矩。欲使

52、发电机输出有功功率，根据能量守恒原理，应当增加发欲使发电机输出有功功率，根据能量守恒原理，应当增加发电机的输入功率，即调解原动机，这可以由开大汽轮机的汽电机的输入功率，即调解原动机，这可以由开大汽轮机的汽门（或水轮机的水门）来实现。门（或水轮机的水门）来实现。原动机的功率增加时，驱动转矩原动机的功率增加时，驱动转矩T1增大，发电机的转子加速，增大，发电机的转子加速，于是与转子主磁场相应电动势于是与转子主磁场相应电动势E0将超前于电网电压将超前于电网电压U以以 角。角。根据功角特性，此时发电机将向电网输出一定有功功率根据功角特性，此时发电机将向电网输出一定有功功率P2。sin02seXUEmPP

53、同时转子上将受到一个制动的电磁转矩同时转子上将受到一个制动的电磁转矩Te，使驱动转矩和，使驱动转矩和制动的电磁转矩重新取得平衡；转子转速仍然保持为同步制动的电磁转矩重新取得平衡；转子转速仍然保持为同步转速。此时发电机已处于负载运行状态，如图中的转速。此时发电机已处于负载运行状态，如图中的A点点由此可见，要增加发电机的输出有功功率，必须增加原动由此可见，要增加发电机的输出有功功率，必须增加原动机的输出功率，使功率角机的输出功率，使功率角 增大，电磁功率和输出功率便增大，电磁功率和输出功率便会相应的增加；直到会相应的增加；直到 90时，电磁功率达到最大值时，电磁功率达到最大值Pe（max）。seX

54、UEmP0(max)在电机的最大功率增大到在电机的最大功率增大到Pe（max）时，不能再增加输入功率。时，不能再增加输入功率。否则驱动转矩与制动转矩不能实现平衡，发电机会失去同步。否则驱动转矩与制动转矩不能实现平衡，发电机会失去同步。2. 静态稳定静态稳定稳态运行于某一工作点的稳态运行于某一工作点的同步发电机，当外界（电同步发电机，当外界（电网或原动机）发生微小的网或原动机）发生微小的扰动时，工作点发生偏移，扰动时，工作点发生偏移，扰动消失后，发电机能回扰动消失后，发电机能回到原先状态稳定运行，称到原先状态稳定运行，称为为同步发电机静态是稳定同步发电机静态是稳定的；的；否则是否则是静态不稳定的

55、静态不稳定的。正常工作于正常工作于A点或点或B点，看发电机的稳定运行情况。点，看发电机的稳定运行情况。cos0seXUEmddP当90时，0ddPe发电机就变为不稳定。相关计算实例见相关计算实例见书书P264例例6-36.7.4 无功功率的调节与无功功率的调节与V形曲线形曲线 以隐极电机为例，说明同步发电机与无穷大电网并联时无以隐极电机为例，说明同步发电机与无穷大电网并联时无功功率的调节。功功率的调节。忽略电枢电阻，原动机的输入功率保持不变。忽略电枢电阻，原动机的输入功率保持不变。根据功率平衡关系可知，在调节励磁前后，发电机的电磁根据功率平衡关系可知，在调节励磁前后，发电机的电磁功率和输出的有

56、功功率均应近似的保持不变。功率和输出的有功功率均应近似的保持不变。常值sin0seXUEmP常值cos2mUIP常值常值cossin0IE1. 无功功率的调节无功功率的调节同步发电机与电网并联时无功功率的调节正常励磁正常励磁 cos=1过励过励 加大励磁电流，加大励磁电流，电枢电流将滞后于电网电压。电枢电流将滞后于电网电压。欠励欠励 减小励磁电流，电枢电流将超前于电网电压。减小励磁电流，电枢电流将超前于电网电压。调节励磁电流就可以调节无功功率这一现象，还可以用磁调节励磁电流就可以调节无功功率这一现象，还可以用磁动势平衡关系来解释。动势平衡关系来解释。 发电机与无穷大电网并联时，其端电压恒为常值

57、，所以无发电机与无穷大电网并联时，其端电压恒为常值，所以无论励磁如何变化，电枢绕组的合成磁通近似不变。论励磁如何变化，电枢绕组的合成磁通近似不变。 反之，减小励磁电流而变为反之，减小励磁电流而变为“欠励欠励”时，主磁通减少，为时，主磁通减少，为了维持合成磁通不变，发电机必须输出超前电流，以减小了维持合成磁通不变，发电机必须输出超前电流，以减小去磁性的电枢反应，甚至使电枢反应变为增磁性，以补偿去磁性的电枢反应，甚至使电枢反应变为增磁性，以补偿主磁通。主磁通。 当增加励磁电流并达到当增加励磁电流并达到“过励过励”时，主磁通增多，为维持时，主磁通增多，为维持电枢绕组的合成磁通不变，发电机应输出滞后电

58、流，使去电枢绕组的合成磁通不变，发电机应输出滞后电流，使去磁性的电枢反应增加，以补偿过多的主磁通。磁性的电枢反应增加，以补偿过多的主磁通。注意：正常励磁、过励、欠励是由注意：正常励磁、过励、欠励是由功率因数角功率因数角决定的；而决定的；而电枢反应去磁或助磁是由电枢反应去磁或助磁是由内功率因数角内功率因数角决定的。决定的。2. V形曲线形曲线)(Cf2sIfIPnn时，6.8 同步电动机与同步补偿机同步电动机与同步补偿机同步电机的可逆原理同步电机的可逆原理6.8.1 同步电动机的电压方程和同步电动机的电压方程和相量图相量图改变电枢电流的参考方向，以输入电流作为电枢电流的正改变电枢电流的参考方向，

59、以输入电流作为电枢电流的正方向，记为方向，记为IM，此时输入电功率为正值，电压方程式为，此时输入电功率为正值，电压方程式为 隐极同步电动机隐极同步电动机sMaMsaXI jRIEXI jRIEU00 )()(画凸极同步电动机向量图时，需要先确定画凸极同步电动机向量图时，需要先确定0M角。角。 cossinarctan 0M RIUxIUaMMqMMqMaMQXI jRIUE凸极同步电动机凸极同步电动机qqMddMaMXI jXI jRIEU06.8.2 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性 在电动机惯例下，把在电动机惯例下，把 滞后滞后 的功率角为正，用的功率角为正，用 M表示，则表示，则

60、MdqMdeXXUmXUEmP2sin112sin20这时这时电磁功率为正，表示从电能转换为机械能电磁功率为正，表示从电能转换为机械能。将上式除以同步角速度将上式除以同步角速度s，便得电动机的，便得电动机的电磁转矩电磁转矩MdqssdXXmUXUmT2sin112sinE2M0e同步电动机的同步电动机的电磁转矩是驱动性质电磁转矩是驱动性质的。的。0EU6.8.3 同步电动机的功率方程和同步电动机的功率方程和转矩方程转矩方程功率方程功率方程Pe=pFe+p+P2 Te=T0+T2seePTTe为电动机的电磁转矩为电动机的电磁转矩sFeppT0T0为空载转矩为空载转矩sPT22T2为输出转矩为输出