第6章同步电机的基本理论

1、LFChun 制作 大连理工大学电气工程系6.7 同步电动机同步电动机5.10 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性第第 5 章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构5.1 三相同步电机的工作原理三相同步电机的工作原理6.2 同步电机的运行原理同步电机的运行原理6.3 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性6.4 同步电动机的功率和转矩同步电动机的功率和转矩6.5 同步电动机的的运行特性同步电动机的的运行特性6.6 同步电动机功率因数的调节同步电动机功率因数的调节6.8 同步发电机的运行分析同步发电机的运行分析5.9 同步发电机的功率

2、和转矩同步发电机的功率和转矩5.11 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6.1 概述概述电机与拖动电机与拖动*5.12 同步发电机的三相突然短路同步发电机的三相突然短路返回主页返回主页大连理工大学电气工程系V1V2W2W1U1U2NS5.1 三相同步电机的工作原理三相同步电机的工作原理定子定子+UfIf转子转子励磁励磁绕组绕组一、三相同步电动机一、三相同步电动机 定子定子 旋转磁场。旋转磁场。 转子转子 直流磁极。直流磁极。 转子转速转子转速同步同步第第5章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论60 f1pn = n0 = 同步电机是一种交流电机，主要作发电机使用；也可作同

3、步电机是一种交流电机，主要作发电机使用；也可作 电动机和调相机（专门用于电网的无功补偿）使用；电动机和调相机（专门用于电网的无功补偿）使用； 同步电机定义：定、转子磁场相对静止和合成磁场恒定是同步电机定义：定、转子磁场相对静止和合成磁场恒定是 -实现机电能量转换的两个前提条件。同步电机转子转实现机电能量转换的两个前提条件。同步电机转子转 速和旋转磁场的转速相同。转速速和旋转磁场的转速相同。转速 n n 与定子电流频率与定子电流频率f f 和极和极 对数对数p p保持严格不变的关系，即保持严格不变的关系，即前言：前言：pfn60可知，同步发电机发出的电频率与极数和转速有关，转速与极可知，同步发电

4、机发出的电频率与极数和转速有关，转速与极数成反比。数成反比。60pnf 第六章第六章 同步电机同步电机6 6.1 .1 概概 述述6 6.1.1.1.1 同步电机的结构同步电机的结构 同步电机的转子有两种结构型式，即同步电机的转子有两种结构型式，即凸极凸极式和式和隐极隐极式。这是式。这是根据定转子之间的气隙的分布情况来定义的。根据定转子之间的气隙的分布情况来定义的。（1）凸极式：有上图可见，转子有明显的突出的磁极，气隙分）凸极式：有上图可见，转子有明显的突出的磁极，气隙分 布不均匀。布不均匀。NS+3 （2）隐极式：转子作成圆柱形，气隙均匀分布。）隐极式：转子作成圆柱形，气隙均匀分布。3 +N

5、S 凸极式与隐极式电机区别：凸极式与隐极式电机区别： 对于低速旋转的电机，由于转子的圆周速度较低，离心力对于低速旋转的电机，由于转子的圆周速度较低，离心力较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构。高速较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构。高速电机转子是隐极式。电机转子是隐极式。 一、隐极同步电机一、隐极同步电机 隐极式电机转子作成圆柱形，气隙均匀分布，机械强度隐极式电机转子作成圆柱形，气隙均匀分布，机械强度高，适合于高速旋转。用在汽轮机为原动机的机组中，如：高，适合于高速旋转。用在汽轮机为原动机的机组中，如：火电厂等。火电厂等。 大型同步发电机通常用汽轮机或水轮机作为原

6、动机来拖动，大型同步发电机通常用汽轮机或水轮机作为原动机来拖动，故前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。故前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。汽轮发电机：转速高，采用隐极式。汽轮发电机：转速高，采用隐极式。水论发电机：转速低，采用凸极式。水论发电机：转速低，采用凸极式。特点特点: : 转速高转速高为保证频率为保证频率 f f = 50Hz,= 50Hz,则发电机的极对数则发电机的极对数P P少少( (一般为二极一般为二极,2P=2),2P=2)。离心力大离心力大, ,需细长转子需细长转子( (隐极式隐极式) )。1. 1. 定子定子定子铁心定子铁心定子绕组定子绕组0.5mm0.5mm硅钢

7、片叠压而成。硅钢片叠压而成。大型电机由扇型片拼成圆形。大型电机由扇型片拼成圆形。 矩形开口槽矩形开口槽, ,径向径向, ,轴向通风道。轴向通风道。- - 三相双层绕组三相双层绕组, ,扁铜线绕制而成扁铜线绕制而成, ,采采 用成型线圈。用成型线圈。 2 2转子转子 由合金钢锻成由合金钢锻成, ,与转轴制成一个整体与转轴制成一个整体, ,外园开外园开 槽槽, ,大齿和小齿。大齿和小齿。 励磁绕组为同心式绕组。励磁绕组为同心式绕组。 采用高强度铝合金槽楔采用高强度铝合金槽楔, ,端部采用保护环固定。端部采用保护环固定。3. 3. 外外 壳壳- - 用钢板焊接而成。用钢板焊接而成。4 4滑环滑环(

8、(集电环集电环) )与电刷装置。与电刷装置。旋转磁极式同步电机的类型旋转磁极式同步电机的类型NS+隐极式隐极式返回励磁机励磁机发电机发电机水轮机水轮机三峡电站首台机组安装三峡电站首台机组安装隐极同步发电机的基本结构隐极同步发电机的基本结构左江左江24MW24MW发电机转子在吊装发电机转子在吊装大连理工大学电气工程系水力发电水力发电5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系火力发电厂火力发电厂励励磁磁机机发发电电机机汽汽轮轮机机5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系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

9、发电机发电机3 600 r/min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电能的产生电能的产生5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系 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5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系三相同步电机三相同步电机5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构 更多的图

10、片更多的图片 大连理工大学电气工程系三相同步电机三相同步电机5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构 更多的图片更多的图片 大连理工大学电气工程系同步发电机同步发电机5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构 更多的图片更多的图片 小型同步电机小型同步电机 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构 更多的图片更多的图片 1. 1. 直流励磁机励磁直流励磁机励磁 励磁绕组由小型直流发电机供电。励磁绕组由小型直流发电机供电。2. 2. 静止整流器励磁静止整流器励磁 交流励磁机交流励磁机整流整流直流电直流电3. 3. 旋转整流器励磁旋转整流器励磁 交流励磁机交流励磁机整流整

11、流直流电直流电励磁绕组。励磁绕组。电刷电刷集电环集电环励磁绕组。励磁绕组。 6 6.1.1.2.2 同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式6 6.1.1.3.3 同步电机的冷却方式同步电机的冷却方式冷却方式有：冷却方式有： 1 1空气冷却：空气冷却： 适用于容量小于适用于容量小于50MW50MW以下的汽轮发电机。以下的汽轮发电机。2 2氢气冷却：氢气冷却： 适用于内冷式，注意防暴。适用于内冷式，注意防暴。3 3水冷却：水冷却： 适用于内冷式，注意泄露和堵塞。适用于内冷式，注意泄露和堵塞。 4 4超导发电机：超导发电机： 关键技术问题。关键技术问题。6.1.4 6.1.4 额定值额定值1. 1.

12、额定电压额定电压 U UN N ：线电压的额定值。：线电压的额定值。2. 2. 额定电流额定电流 I IN N ：线电流的额定值。：线电流的额定值。3. 3. 额定功率额定功率 P PN N ：输出功率的额定值。：输出功率的额定值。 三相同步电动机：三相同步电动机：NNNNIUPcos3三相同步发电机：三相同步发电机：cos3NNNIUP 4. 4. 额定转速额定转速 n nN N ：额定运行时的转速。：额定运行时的转速。5. 5. 额定频率额定频率 f fN N ： 50Hz50Hz。NNNIUS36. 6. 容量：容量：7.7.单位：单位： S SN N: VA: VA， kVA kVA；

13、 P PN N: W, kW: W, kW； Q QN N: Var: Var， kVar,MVar kVar,MVar；6 6. .2 2 同步电机的运行原理同步电机的运行原理 同步电机转子励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动同步电机转子励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动转子以转速机拖动转子以转速 n n1 1 旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势。电动势。 V1V2W2W1U1U2NS定子定子+UfIf转子转子励磁励磁绕组绕组6 6. .2.12.1 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行 同步发电机转子由原动同步发电机转子由原动

14、机拖动到同步转速，转子绕机拖动到同步转速，转子绕组通以恒定的直流励磁电流组通以恒定的直流励磁电流，定子电枢绕组开路，称为，定子电枢绕组开路，称为同步发电机的同步发电机的空载运行。空载运行。此此时电机内只有转子直流励磁时电机内只有转子直流励磁电流单独产生的励磁磁场。电流单独产生的励磁磁场。定子绕组感应空载电动势定子绕组感应空载电动势E E0 0。转子每极磁通：转子每极磁通： 0 0 ( (转子电流转子电流I IFF0 00 0） 电枢线电压电枢线电压( (Y Y形联结形联结) )： E E0 0 = = j4.44 j4.44 k kw1 w1 N N1 1f f1 1 0 0E E0 0 的频

15、率：的频率：如果：如果： f f1 1 = 50Hz= 50Hz，则：，则： pnpn = = 3000 3000 r/minr/min 003EUL601pnf 电枢相电压：电枢相电压： U U0P0P = = E E0 0电枢（定子）：电枢（定子）： I I1 1( (F Famam)= 0)= 0空载电动势：空载电动势：E E0 0 = = 4.444.44k kw1w1N N1 1f f1 10 0（定子绕组产生的交流电动势）（定子绕组产生的交流电动势） 或或 主磁通：主磁通：同时切割定、同时切割定、转子绕组，参与能量转换转子绕组，参与能量转换过程。过程。 漏磁通：漏磁通：之切割定子或

16、之切割定子或转子绕组，不参与能量转换转子绕组，不参与能量转换过程。过程。电枢指的是定子绕组。电枢指的是定子绕组。6 6. .2.22.2 同步发电机的电枢反应（负载运行）同步发电机的电枢反应（负载运行） 同步电机在空载时，定子绕组开路，气隙中仅存在着转子磁同步电机在空载时，定子绕组开路，气隙中仅存在着转子磁势，定子绕组中只存在恒定的电动势势，定子绕组中只存在恒定的电动势E E0 0，保持平衡状态。，保持平衡状态。 负载以后，电机中除转子磁势外，也有定子三相电流产生的负载以后，电机中除转子磁势外，也有定子三相电流产生的电枢磁势。空载时的平衡关系被破坏。电枢磁势。空载时的平衡关系被破坏。 设电机带

17、对称三相负载，定子三相对称绕组出现三相对称电设电机带对称三相负载，定子三相对称绕组出现三相对称电流。当定子三相对称绕组通过三相对称电流时会产生圆形旋转流。当定子三相对称绕组通过三相对称电流时会产生圆形旋转磁动势磁动势 F Fa a。此磁动势与转子磁动势。此磁动势与转子磁动势 F Ff f 在空间上相对静止。于在空间上相对静止。于是，是，负载时电机内的气隙磁场由负载时电机内的气隙磁场由 F Fa a和和 F Ff f 共同建立的共同建立的。此时，尽管转子励磁电流没有变，但气隙磁场、电动势都发生变化。此时，尽管转子励磁电流没有变，但气隙磁场、电动势都发生变化。 电枢磁势电枢磁势 F Fa a 的存

18、在，将使气隙中磁场的大小及位置发生变化，这种现的存在，将使气隙中磁场的大小及位置发生变化，这种现象称之为象称之为电枢反应电枢反应。 电枢反应的性质（电枢反应的性质（增磁、去磁、交磁增磁、去磁、交磁）取决于电枢磁动势）取决于电枢磁动势 F Fa a与励磁磁与励磁磁动势动势F Ff f的空间相对位置，也就是励磁电动势的空间相对位置，也就是励磁电动势 E E0 0 和电枢电流和电枢电流 I I 之间的相位之间的相位 差有关。差有关。电枢反应的性质（不同负载）电枢反应的性质（不同负载） 假设：为了分析问题方便，我们取假设：为了分析问题方便，我们取 E E0A0A为最大值。为最大值。 (1)E (1)E

19、0 0与与I I 同相位，同相位，= 0= 0时：时： 由于交轴电枢磁动势的存在，合成磁动势的位置和幅值发生由于交轴电枢磁动势的存在，合成磁动势的位置和幅值发生一定的变化。一定的变化。 此时电枢磁动势起交磁作用。此时电枢磁动势起交磁作用。(2)I(2)I落后落后E E0 0 90 90 ，= 90= 90 时：时： 由于电枢磁动势方向与励磁磁动势的方向相反，电枢磁动由于电枢磁动势方向与励磁磁动势的方向相反，电枢磁动势起去磁作用（称直轴去磁电枢磁势）。势起去磁作用（称直轴去磁电枢磁势）。 电枢磁动势的存在气隙磁场的大小发生变化。电枢磁动势的存在气隙磁场的大小发生变化。FaSNFfnXA=-900

20、 时的电枢反应fE0=-900Ia(3)I(3)I超前超前E E0 0 90 90，= -90 = -90 时：时： 由于电枢磁动势方向与励磁磁动势的方向相同，电枢磁动由于电枢磁动势方向与励磁磁动势的方向相同，电枢磁动势起增磁作用（称直轴增磁电枢磁势）。势起增磁作用（称直轴增磁电枢磁势）。 电枢磁动势的存在气隙磁场的大小发生变化。电枢磁动势的存在气隙磁场的大小发生变化。(4) 0 (4) 0 - - 9090 时：时： 这时为了分析方便，这时电枢磁动势分成交轴这时为了分析方便，这时电枢磁动势分成交轴 F Fq q 和直轴和直轴 F Fd d 两个分量。两个分量。aqadaFFFqdIIIsin

21、IIdcosIIq 当当 0 -90 0 -90 时直轴电枢磁动势时直轴电枢磁动势F Fd d 起增磁作用，交轴电枢起增磁作用，交轴电枢磁动势磁动势F Fq q 起交磁作用。起交磁作用。 电枢磁动势的存在气隙磁场的大小和方向发生变化。电枢磁动势的存在气隙磁场的大小和方向发生变化。(5) 90(5) 90 00 时：时： 这时电枢磁动势分成两个分量：交轴和直轴分量。这时电枢磁动势分成两个分量：交轴和直轴分量。 当当 90 900 00 0时直轴电枢磁动势时直轴电枢磁动势F Fd d 起去磁作用，交轴电枢起去磁作用，交轴电枢磁动势磁动势F Fq q 起交磁作用。起交磁作用。 电枢磁动势的存在气隙磁

22、场的大小和方向发生变化。电枢磁动势的存在气隙磁场的大小和方向发生变化。 总之：电枢磁动势总之：电枢磁动势 F Fa a 的存在，将使气隙中磁场的大小及的存在，将使气隙中磁场的大小及位置发生变化，这种现象称之为位置发生变化，这种现象称之为-电枢反应电枢反应。 1. 1. 隐极同步电机的电枢反应特点隐极同步电机的电枢反应特点 隐极同步电机的结构特点是气隙均匀。因此，同一电枢磁隐极同步电机的结构特点是气隙均匀。因此，同一电枢磁动势作用在气隙任何位置所产生的气隙磁场每极磁通量都是动势作用在气隙任何位置所产生的气隙磁场每极磁通量都是相同的，没有必要分解。相同的，没有必要分解。 当磁路不饱和时（线性），可

23、以采用叠加原理。当磁路不饱和时（线性），可以采用叠加原理。a0aEEE0或或 当磁路饱和时（非线性），求解磁场时不能采用叠加原理。当磁路饱和时（非线性），求解磁场时不能采用叠加原理。求解磁动势时可以采用叠加原理，应为磁动势不会饱和的。因求解磁动势时可以采用叠加原理，应为磁动势不会饱和的。因此，先求解磁动势，后求磁通。此，先求解磁动势，后求磁通。 2. 2. 凸极同步电机的双反应理论凸极同步电机的双反应理论 凸极同步电机的结构特点是气隙不均匀。因此，同一电枢凸极同步电机的结构特点是气隙不均匀。因此，同一电枢磁动势作用在气隙任何位置所产生的气隙磁场每极磁通量都磁动势作用在气隙任何位置所产生的气隙磁

24、场每极磁通量都是不相同的，因此采用双反应理论。双反应理论的理论基础是不相同的，因此采用双反应理论。双反应理论的理论基础是叠加原理，磁动势分解为直轴分量和交轴分量，最后结果是叠加原理，磁动势分解为直轴分量和交轴分量，最后结果叠加。叠加。6 6. .2.32.3 隐极同步发电机的负载运行隐极同步发电机的负载运行 从以上分析可知，保持励磁电流和转速不变的情况下，发电从以上分析可知，保持励磁电流和转速不变的情况下，发电机带上负载后，发电机内部的各参数发生变化。机带上负载后，发电机内部的各参数发生变化。 1.不考虑饱和不考虑饱和 可利用叠加原理。此时各物理量之间的电磁关系如下。可利用叠加原理。此时各物理

25、量之间的电磁关系如下。a0EaEE0EIaFfFfIaRI 定子电动势平衡方程式为：定子电动势平衡方程式为：taaaXIjRIUXIjXIjIRUE0隐极电机不计饱和时的相量图隐极电机不计饱和时的相量图 电枢反应电动势为：电枢反应电动势为：aaXIjE 漏电动势为：漏电动势为：XIjE 其中其中atXXX X Xt t 是隐极电机的同步电抗。是隐极电机的同步电抗。反应电枢反应的强弱。反应电枢反应的强弱。 2. 考虑饱和考虑饱和 考虑饱和后再不能用叠加原理，这时先求出合成气隙磁动势，考虑饱和后再不能用叠加原理，这时先求出合成气隙磁动势，再利用磁化曲线（空载特性曲线）确定合成磁通和合成电动势。再利

26、用磁化曲线（空载特性曲线）确定合成磁通和合成电动势。空载时的物理过程：空载时的物理过程：IaFfFfIFEEaRI大连理工大学电气工程系 磁动势平衡方程式：磁动势平衡方程式：afFFF1电动势平衡方程式为：电动势平衡方程式为：aRIUEEE 可以改写为：可以改写为：XIjRIUEa6 6. .2.2.4 4 凸极同步发电机的负载运行凸极同步发电机的负载运行 与隐极同步发电机不同点是运用双反应理论。与隐极同步发电机不同点是运用双反应理论。 1.不考虑饱和不考虑饱和 凸极同步发电机不饱和运行时的电磁关系是：凸极同步发电机不饱和运行时的电磁关系是：0daE0EIdaFfFfIdIdaqaEaRIqI

27、qaFqaEE 定子电动势平衡方程式为：定子电动势平衡方程式为：qqddaXIjXIjIRUE0隐极电机不计饱和时的相量图隐极电机不计饱和时的相量图 式中式中addadXIjE 其中其中XXXadd X Xd d 和是和是X Xq q是是凸极电机的直轴凸极电机的直轴和交轴同步电抗。和交轴同步电抗。aqqaqXIjEXXXaqq 2.考虑饱和考虑饱和 考虑饱和后再不能用叠加原理，气隙合成磁场由合成电动势考虑饱和后再不能用叠加原理，气隙合成磁场由合成电动势来决定，并考虑直、交磁动势之间的交叉保护影响。来决定，并考虑直、交磁动势之间的交叉保护影响。凸极同步发电机饱和运行时的电磁关系是：凸极同步发电机

28、饱和运行时的电磁关系是：dfFfIdIqaEaRIqIqaEEdFdEIdaFqaF电动势平衡方程式：电动势平衡方程式：aqqadXIjXIjIRUE6 6.3 .3 同步电机的运行特性同步电机的运行特性 同步发电机的开路、短路及零功率因数特性都是同步发电机同步发电机的开路、短路及零功率因数特性都是同步发电机的基本特性，通过它们可以求出同步电机的同步电抗及漏电抗，的基本特性，通过它们可以求出同步电机的同步电抗及漏电抗，以确定同步发电机的其他特性。以确定同步发电机的其他特性。6 6.3.1 .3.1 同步电机的运行特性同步电机的运行特性1.1.空载特性空载特性v当同步发电机运行于当同步发电机运行

29、于n=n1, I=0 时，即称为空载运行。时，即称为空载运行。 空载时我们通过改变励磁电流，空载时我们通过改变励磁电流，则气隙中的旋转磁通及电枢绕组则气隙中的旋转磁通及电枢绕组中的感应电动势都会随之发生变中的感应电动势都会随之发生变化。化。开路特性主要有两个用处：开路特性主要有两个用处：1）开路特性可以反映出电机设计是否合）开路特性可以反映出电机设计是否合理。额定电压位于特性开始弯曲的部分。理。额定电压位于特性开始弯曲的部分。v2）开路特性配合短路特性可以求出同步电抗。）开路特性配合短路特性可以求出同步电抗。2.2.短路特性短路特性v 当同步发电机运行与当同步发电机运行与 n=n1 ，电枢三相

30、绕组持续稳态短路（即，电枢三相绕组持续稳态短路（即U=0）时，时，Ik=f (If) 的特性称为短路特性。如改变励磁电流，三的特性称为短路特性。如改变励磁电流，三相短路电流也随之而改变。相短路电流也随之而改变。 因为因为U=0，限制短路电流的只有同步电抗，由于电枢电阻远，限制短路电流的只有同步电抗，由于电枢电阻远小于同步电抗，因此，短路电流是纯感性，所以，电枢磁动势小于同步电抗，因此，短路电流是纯感性，所以，电枢磁动势是纯去磁的直轴磁动势，因此电机磁路不饱和。是纯去磁的直轴磁动势，因此电机磁路不饱和。XI jXI jIRUEa 图中的三角形图中的三角形ABC是同步发电机的是同步发电机的特性三角

31、形，特性三角形，AB为等效直轴电枢反应为等效直轴电枢反应磁动势，磁动势，AC为对应漏抗压降为对应漏抗压降IX。3 3. .零功率因数负载特性零功率因数负载特性 零功率因数特性指：在零功率因数特性指：在n=nn=nN N ,I = ,I =恒定值的条件下所得到恒定值的条件下所得到的端电压与励磁电流的变化关系特性。的端电压与励磁电流的变化关系特性。IfU00UNcosf =0,f 0cosf =0.8,f 0cosf =0,f 0E0=f(If)负载特性 其中零功率因其中零功率因数最有使用价值。数最有使用价值。特性在感性负载条特性在感性负载条件下保证功率因数件下保证功率因数零零coscos=0=0

32、，并保持，并保持I=II=IN N。零功率因数。零功率因数负载时的电枢磁动负载时的电枢磁动势也是一个纯去磁势也是一个纯去磁作用的直轴磁动势。作用的直轴磁动势。注意：空载特性与零功率因数特性之间存在一个特性三角形。注意：空载特性与零功率因数特性之间存在一个特性三角形。XIUE.4 4. .外特性外特性 是指是指n=nn=n1 1、I If f= =常数、常数、coscos= =常条件下，端电压与负常条件下，端电压与负载电流之间的关系曲线载电流之间的关系曲线 U =U =f f(I)(I)。负载性质的不同，特性曲线也不同：负载性质的不同，特性曲线也不同： 感性负载时：电枢反应的去磁作用和定子漏抗压

33、降感性负载时：电枢反应的去磁作用和定子漏抗压降影响，外特性是下降的。过励状态。影响，外特性是下降的。过励状态。 水轮机：水轮机：181830%30%； 汽轮机：汽轮机：303048%48%。 容性负载是：电枢反应的助磁作容性负载是：电枢反应的助磁作用和容性电流的漏抗压降使端电压上用和容性电流的漏抗压降使端电压上升的。欠励状态。升的。欠励状态。 阻性负载时：定子漏抗压降影响，阻性负载时：定子漏抗压降影响，外特性也是下降的。外特性也是下降的。 同步发电机的电压调整了率为：同步发电机的电压调整了率为：5 5调整特性调整特性是指是指n=nn=nN N、U=U=常数、常数、coscos= =常条件下，发

34、电机负载电流常条件下，发电机负载电流变化时，要调整励磁电流，关系曲线变化时，要调整励磁电流，关系曲线I If f= =f f(I)(I)。 与外特性相与外特性相 反，感性负载反，感性负载和电阻性负载，和电阻性负载，转子电流随负转子电流随负载增加而增加，载增加而增加，特性是上升的；特性是上升的；而容性负载时，而容性负载时，因负载电流的因负载电流的助磁作助磁作用，特性会下用，特性会下降。降。6.4 6.4 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并联运行的优点：并联运行的优点：(1) (1) 提高供电质量提高供电质量,(,(稳频稳频, ,稳压稳压) )和可靠性；和可靠性；(2) (2)

35、 提高发电厂的运行效率；提高发电厂的运行效率；(3) (3) 减少备用容量；减少备用容量；6.4.16.4.1投入并联的条件和方法投入并联的条件和方法一、投入并联的条件一、投入并联的条件 同步发电机并联投入电网时，为了避免发生电磁冲击和机同步发电机并联投入电网时，为了避免发生电磁冲击和机械冲击，要满足以下条件：械冲击，要满足以下条件： 1 1发电机和电网的电压波形相同。发电机和电网的电压波形相同。2 2发电机的频率应发电机的频率应f f与电网频率与电网频率f f相同，相同，f f= =f f2 2。3 3发电机和电网的电压幅值相同。发电机和电网的电压幅值相同。4 4发电机和电网电压的相位相同。

36、发电机和电网电压的相位相同。 5 5发电机和电网的相序相同。发电机和电网的相序相同。1 1波形不相同时，并联时将在电机与电网之间产生一系列高次波形不相同时，并联时将在电机与电网之间产生一系列高次 谐波环流，使运行损耗和温升增高，效率降低。谐波环流，使运行损耗和温升增高，效率降低。2 2波形相同了，若频率不相同，波形相同了，若频率不相同，f f2 2f f1 1，此时发电机输出电压，此时发电机输出电压 与电网电压之间存在相对运动，出现相位差，出现差频环流，与电网电压之间存在相对运动，出现相位差，出现差频环流， 在电机内引起功率振荡。在电机内引起功率振荡。3 3频率和波形相同，但发电机输出电压与电

37、网电压但幅值或频率和波形相同，但发电机输出电压与电网电压但幅值或 相位不相等，也会在电机与电网间产生环流。特别是极性相位不相等，也会在电机与电网间产生环流。特别是极性 相反，即相位相差相反，即相位相差180180时合闸，冲击电流时合闸，冲击电流(20(2030)I30)IN N, ,产产 生的电磁力会损坏电机。生的电磁力会损坏电机。4 4相序不相同时，虽然一相满足条件，但另外两相之间出现巨相序不相同时，虽然一相满足条件，但另外两相之间出现巨 大大 的电位差产生巨大的环流和极性冲击，会损坏电机。的电位差产生巨大的环流和极性冲击，会损坏电机。 如果不满足以上条件时出现什么现象？如果不满足以上条件时

38、出现什么现象？判断上述条件的方法判断上述条件的方法 同步指示器。同步指示器。二、投入并联的方法二、投入并联的方法1 1准确同步法准确同步法将发电机调整到符合并联的条件后的合闸过程称为准确同步将发电机调整到符合并联的条件后的合闸过程称为准确同步法。法。判断上述条件的方法：判断上述条件的方法： 同步指示器同步指示器灯光法灯光法 直接接法直接接法-三个灯同时熄灭时可以合闸。三个灯同时熄灭时可以合闸。交叉接法交叉接法-灯光不在旋转时可以合闸。灯光不在旋转时可以合闸。灯光法灯光法 （1 1）直接接法）直接接法-三个灯同时熄灭时可以合闸三个灯同时熄灭时可以合闸 直接接法直接接法- - -按按三个灯的亮、熄

39、灭时间判断频率的相差程三个灯的亮、熄灭时间判断频率的相差程度，并在三个灯同时熄灭时的瞬间合闸。度，并在三个灯同时熄灭时的瞬间合闸。UUA A=U=UA1A1-U-UA2A2；UUB B=U=UB1B1-U-UB2B2；UUC C=U=UC1C1-U-UC2C2； 由于由于f1f2, 所以相量所以相量1和相量和相量2速速度不相同度不相同12。 当两组相量旋转当两组相量旋转UA1和和UA2重合时，重合时，所有电压差所有电压差U为零，灯为零，灯、熄灭，这时要迅速合闸。熄灭，这时要迅速合闸。 当两组相量当两组相量UA1和和UA2不重合时，不重合时，所有电压差所有电压差U不为零，灯全部亮，不为零，灯全部

40、亮，这时不能合闸。这时不能合闸。频率频率f f1 1和和f f2 2相差越相差越大大, 3 , 3 个灯亮、灭速度越快。个灯亮、灭速度越快。 这种方法也叫灯光熄灭法。这种方法也叫灯光熄灭法。为了调节频率要调节发电机速度。为了调节频率要调节发电机速度。不满足其他条件时，不满足其他条件时，3个灯始终亮。个灯始终亮。（2 2）交叉接法）交叉接法UU = U= UA1A1-U-UA2A2；UU = U= UB1B1-U-UC2C2；UU = U= UC1C1-U-UB2B2； 如果如果f f1 1f f2 2时时, , 相量相量1 1和相量和相量2 2速速度也不相同度也不相同1 12 2。 当两组相量

41、旋转当两组相量旋转UA1和和UA2重合时，重合时，电压差电压差U为零，灯为零，灯灭，但灭，但U、U不为零，所以灯不为零，所以灯和和亮；亮； 当当UB1和和UC2重合时，重合时，U为零，为零，灯灯灭，但、灭，但、U和和U不为零，不为零，所以灯所以灯 和和亮；亮； 当当UC1和和UB2重合时，重合时，U为零，为零，灯灯灭，但、灭，但、U和和U不为零，不为零，所以灯所以灯 和和亮；亮； 从以上分析可知，灯从以上分析可知，灯、的光顺时针方向旋转，所的光顺时针方向旋转，所以叫灯光旋转法，灯光不在旋转时，灯以叫灯光旋转法，灯光不在旋转时，灯灭，灯灭，灯和和亮时可亮时可以合闸。以合闸。 灯光旋转速度越快，说

42、明频率相差越大，这时为零合闸要灯光旋转速度越快，说明频率相差越大，这时为零合闸要调节发电机转速。调节发电机转速。 如果，其他条件不满足要求时，灯全部亮，就不能合闸如果，其他条件不满足要求时，灯全部亮，就不能合闸。准确同步法的优点是没有明显的电流冲击，缺点是操作准确同步法的优点是没有明显的电流冲击，缺点是操作复杂，费时间。复杂，费时间。自同步法的优点是操作简便。缺点是有较大的电流冲击。自同步法的优点是操作简便。缺点是有较大的电流冲击。2 2自同步法自同步法 自同步法的步骤：先把励磁绕组通过限流电阻短路，当自同步法的步骤：先把励磁绕组通过限流电阻短路，当发电机转速发电机转速接近同步转速时，合上并网

43、开关，并立即接入励磁电流，接近同步转速时，合上并网开关，并立即接入励磁电流，这时自同步法转子拉入同步。这时自同步法转子拉入同步。6.4.2 6.4.2 功率和转矩平衡方程功率和转矩平衡方程一、一、 功率功率 同步发电机带对称负载稳态运行时，由原动机输入的机械功同步发电机带对称负载稳态运行时，由原动机输入的机械功率率P P1 1扣除机械损耗扣除机械损耗p pmecmec、铁耗、铁耗p pFeFe、附加损耗、附加损耗p padad后转化为电磁功率后转化为电磁功率P Pemem：P P1 1- - ( (p pmecmec+ +p pFeFe+ +p padad) )= = PemPem式中：式中：

44、1. 1. 输入功率输入功率P1 = T1 原动机输入的机械功率原动机输入的机械功率2. 2. 空载损耗空载损耗p0 = pFepmepad3. 3. 电磁功率电磁功率Pem = P1p0=mEIcos 14. 4. 铜损耗铜损耗pCu = 3RaI125. 5. 输出功率输出功率P2 = Pempcu= 3U1I1cos p p = = p pFeFep pCuCup padadp pmemec c 6. 6. 总损耗总损耗7. 功率平衡方程式功率平衡方程式 P1 = p pFeFep pCuCup padadp pmemec c P2P Pe em m = = mEmE0 0IcosIco

45、s对不饱和的隐极电机：对不饱和的隐极电机：对不饱和的凸极电机：对不饱和的凸极电机：E Ecoscos i=Ei=EQ Qcoscos=E=E0 0-I-Id d(X(Xd d-X-Xq q)cos)cos对称功率为：对称功率为：P Pemem=mE=mE0 0IcosIcos- mI- mId dI Iq q(X(Xd d-X-Xq q) )P1P0PemPCuP2p0 = pFepmepad二、转矩二、转矩 P P1 1- - ( (p pmecmec+ +p pFeFe+ +p padad)/)/= = Pem/Pem/TT1 1- - ( (T Tmecmec+T+TFeFe+T+Tad

46、ad)/)/= = Tem/Tem/6.4.3 6.4.3 功角特性功角特性P Pe em m = = mEmE0 0IcosIcos隐极电机电磁功率：隐极电机电磁功率：凸极电机电磁功率：凸极电机电磁功率： P Pemem=mE=mE0 0IcosIcos- mI- mId dI Iq q(X(Xd d-X-Xq q) ) 从以上公式可知，同步电机电磁功率与电动势从以上公式可知，同步电机电磁功率与电动势E E0 0、电流、电流I I和和他们之间的角度他们之间的角度有关。角度有关。角度的物理意义不直观，电流的物理意义不直观，电流I与这与这角度间的关系也复杂。因此推导出另外一个公式。角度间的关系也

47、复杂。因此推导出另外一个公式。凸极电机的有功功率功角特性凸极电机的有功功率功角特性：2sin112sincos202dqdemXXUmxUEmmUIPP隐极电机的有功功率功角特性隐极电机的有功功率功角特性:sincos0temxUEmmUIP角度角度实际上是气隙旋转磁场和转实际上是气隙旋转磁场和转子直流磁场之间的角度。子直流磁场之间的角度。角度角度实际上是气隙旋转磁场和转实际上是气隙旋转磁场和转子直流磁场之间的角度。子直流磁场之间的角度。发电机有功功率功角特性曲线发电机有功功率功角特性曲线隐极隐极90时功率最大时功率最大凸极凸极4590时功率最大时功率最大功率极限值(隐极)temxUEmP0m

48、ax6.4.6.4.4 4 有功功率调节与静态稳定有功功率调节与静态稳定一、有功功率调一、有功功率调调节调节进水量进水量进汽量进汽量T1(P1) T1 T +T0 n T T1 =T +T0为止，重新在为止，重新在n = n0下稳定运行。下稳定运行。 上述分析可知，为了增加发电机的输出的有功功率，必上述分析可知，为了增加发电机的输出的有功功率，必须增加原动机的输入功率。须增加原动机的输入功率。 如果继续增加增加原动机输入的功率，如果继续增加增加原动机输入的功率，角进一步增加，角进一步增加，输出电磁功率也进一步增加。当输出电磁功率也进一步增加。当角角9090时，电磁功率达到时，电磁功率达到最大值

49、。如果继续增加输入功率最大值。如果继续增加输入功率角超过角超过9090时，输入、输时，输入、输出功率之间的平衡关系破坏，最终失步，对电网构成冲击。出功率之间的平衡关系破坏，最终失步，对电网构成冲击。二、静态稳定二、静态稳定0Pe /T 90o aT T1= T + T0a 点点： T1 T T1 =T +T0为止为止 ，在在b 点重新稳定运行点重新稳定运行0 M 稳定运行区。稳定运行区。bT1 = T + T00Pe /T 90o aa 点点： T1 T T1更大于更大于T +T0 ，n再也回不到再也回不到n0失步失步。 M 180不稳定运行区。不稳定运行区。 稳定稳定运行区运行区6.4.56

50、.4.5 无功功率调节和无功功率调节和V V形曲线形曲线1. 1. 调节方法调节方法 调节调节 I If f2. 2. 调节原理调节原理 调节调节I If f 时，因时，因U U1 1和和P P2 2 不变，忽略不变，忽略R R1 1和和T T0 0，则，则 常数sin0temXUmEP常数cos2mUIP常数sin0E常数cosI或或 或或 emPP 2即即常数cossin0IXEtU1E0I1jXsI1E0aajXsI1I1 E0jXsI1I1 bb(1) 正常励磁正常励磁 当当If = If0 时，时， = 0， = 1，Q2 = 0，发电机不输出无功功率。，发电机不输出无功功率。 I1

51、与与U1 同相，同相， 2. 欠励磁欠励磁 当当If If0 时，时， 发电机输出电容性无功功率；发电机输出电容性无功功率； If Q2 。3. 过励磁过励磁 当当If If0 时，时， 发电机输出电感性无功功率；发电机输出电感性无功功率； If Q2 。 I1 ( I1 ) 超前于超前于U1，大连理工大学电气工程系一、三相隐极同步电动机的运行分析一、三相隐极同步电动机的运行分析第第5章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论1. 基本方程式基本方程式U1I1Uf If F0mFU1 I1FamE1 电枢电枢 感应感应合成合成磁通势磁通势U1 = R1I1E E1E =j X I1 漏磁感应电

52、动势：漏磁感应电动势： R1、X 定子每相绕组的电阻、漏电抗。定子每相绕组的电阻、漏电抗。5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析R1I1 E 漏磁通漏磁通 E1E 大连理工大学电气工程系( (励磁电动势不变励磁电动势不变) )( (电枢反应电动势随负载变化电枢反应电动势随负载变化) ) 如果不计磁路饱和，则如果不计磁路饱和，则 Uf If F0m 0U1 I1 FamE0aEa E R1I1 E1= E0 + Ea U1 =E1+(R1 j X )I1 所以所以 Ea =j Xa I1 Xa 电枢反应电抗。电枢反应电抗。5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析

53、U1 =E0EaE R1I1 大连理工大学电气工程系U1 =E0(R1j X j Xa ) I1 U1 =E0(R1jXs ) I1 Xs = X Xa 同步电抗。同步电抗。一般：一般：R1 Xs ，忽略，忽略 R1 ，则，则 U1 =E0j Xs I1 2. 等效电路等效电路R1 jXs+U1I1 +E05.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系3. 相量图相量图U1 =E0(R1jXs ) I1 U1(a) 电电感感性性I1 R1 I1jXsI1E0 功率因数角。功率因数角。 内功率因数角。内功率因数角。 已知：已知：E0 滞后于滞后于E1角，角， U1

54、 =E1(R1j X ) I1 因此因此E0 滞后于滞后于 U1。E1（忽略（忽略 R1 和和 X ）(b) 电电阻阻性性U1I1E0 jXsI1 R1 I1=(c) 电电容容性性U1I1 R1 I1 jXsI1 E0 = 5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系U1 =E0jXs I1 (a) 电电感性感性 U1 I1 jXsI1 E0 如果忽略如果忽略 R1 ，则有，则有 同样有关系同样有关系 = (b) 电阻电阻性性 U1 I1 E0 jXsI1 =(c) 电电容性容性 U1I1 jXsI1 E0 5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行

55、分析 大连理工大学电气工程系 【例例5.3.1】 某三相隐极同步电动机，某三相隐极同步电动机， PN = 50 kW，UN = 380 V，Y 形联结，形联结， IN = 90 A， N = 0.8（电感性），（电感性），R1 = 0.2 ， Xs = 1.2 。求在上。求在上述条件下运行时的述条件下运行时的 E0、 、 和和 。解：电枢相电压和相电流为解：电枢相电压和相电流为U1 =UN 3 I1 = IN = 90 A = arccos0.8 = 36.87o 取参考相量：取参考相量： U1 = 220 0o V 则则I1 = 90 36.87o A = V = 220 V 380 35.

56、3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系由此求得由此求得 E0 = 159.72 V = 28.34o = = 8.53o E0 = U1( R1jXs ) I1 =220 0o ( 0.2j1.2 )90 36.87o V = 159.72 28.34o V 5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系F0m二、三相凸极同步电动机的运行分析二、三相凸极同步电动机的运行分析 特点：气隙不均匀。特点：气隙不均匀。 同样的同样的 Fam 产生不同的产生不同的a 对应不同的对应不同的 Xa 。 V1V2W2W1U1U2NSFamFa

57、m 如果磁路不饱和：如果磁路不饱和：将将 I1 分解为两个分量。分解为两个分量。 直轴直轴交交轴轴E0 I1 Iq Id 直轴分量：直轴分量：Id = I1 sin 交轴分量：交轴分量：Iq = I1 cos I1 = IdIq 双反应理论。双反应理论。 5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系1. 基本方程式基本方程式 U1I1Uf IfF0m0E0U1 I1IdIqFadFaqadaqEad Eaq E R1I1 U1 =E0EadEaqE R1I1 Ead =jXad Id Xad 直轴电枢反应电抗直轴电枢反应电抗。 Xaq 交轴电枢反应电抗交轴电枢

58、反应电抗。 Eaq =jXaq Iq 5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析E0E EadEaq大连理工大学电气工程系E =jXI1 I1 = IdIqU1 =E0 j Xad Idj Xaq Iqj XI1R1I1=E0j (XadX ) Idj (XaqX ) IqR1I1 U1 =E0jXd IdjXq IqR1I1 Xd = XadX 直轴同步电抗。直轴同步电抗。 Xq = XaqX 交轴同步电抗。交轴同步电抗。 如果忽略如果忽略 R1，则，则U1 =E0jXd IdjXq Iq 5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系E0 I1

59、 IqIdE0 I1 Iq Id j(XdXq)Id EQ 设虚拟电动势设虚拟电动势 EQ = E0j (XdXq ) Id 2. 等效电路等效电路(a) I1 滞后于滞后于E0 时时 jIdEQ(b) I1 超前于超前于E0 时时 jId 结论：结论： EQ 与与 E0 同相位。同相位。 U1 =E0R1I1jXd IdjXq IqjXq IdjXq Id U1 =EQ(R1jXq )I1 5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析j(XdXq)Id 大连理工大学电气工程系 隐极电动机可视为凸极电动机的特例：隐极电动机可视为凸极电动机的特例： Xd = Xq = Xs EQ =

60、 E0 R1 jXq +U1I1 +EQ5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系3. 相量图相量图 设已知设已知 U1、I1、 、Xd、Xq 。 取取 U1 = U1 0o(1) 画画 I1 。 (2) 画画 R1I1 和和 j Xq I1 。 (3) 画画(EQ) ，确定，确定(E0)的方位。的方位。 (4) 由由 I1 分解出分解出 Id 和和 Iq 。 (5) 画画 j Xd Id 和和 j Xq Iq 。 (6) 画画 (E0)。 5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系(a) 电感性电感性(b) 电阻性电阻性