第六章_同步电机

1、同步电机的运行原理同步电机的运行原理第六章第六章 同步电机同步电机 同步电机同步电机转子转速是常值且与同步速相等，与负载的大转子转速是常值且与同步速相等，与负载的大小无关。小无关。min)r/(60pfnns同步电机主要用作同步电机主要用作发电机发电机，也可以用作，也可以用作电动机电动机和和补偿机补偿机。主要内容主要内容同步发电机的稳态对称运行同步发电机的稳态对称运行同步电动机和调相机同步电动机和调相机同步发电机的不对称运行和三相突然短路同步发电机的不对称运行和三相突然短路 同步电机为双边激磁的电机。定子边用交流励磁，产生旋转磁场；同步电机为双边激磁的电机。定子边用交流励磁，产生旋转磁场；转子

2、用直流励磁，产生恒定磁场。定，转子磁场以磁拉力同步旋转。转子用直流励磁，产生恒定磁场。定，转子磁场以磁拉力同步旋转。 同步电机的分类：同步电机的分类： 发电机：将机械能变为电能，是主要用途。按运行方式分 电动机：将电能变为机械能。用于不需调速的大功率机械。 补偿机：用来调节电网无功功率改善功率因数。 汽轮发电机：高速同步发电机，隐极式。 ( 火电）按原动机类别分 水轮发电机：低速同步发电机，凸极式。（水电） 柴油(汽油)发电机：低速同步发电机，凸极式。（机车、 船舶，油田） 旋转电枢式：用于小容量电机。按结构方式分 旋转磁极式：用于大容量电机，电刷和集电环负荷大 为减轻，广泛采用。6.1 同步

3、电机的基本结构和运行同步电机的基本结构和运行状态状态一、基本结构一、基本结构 同步电机分为同步电机分为旋转电枢式：旋转电枢式：磁极装在定子上，磁极装在定子上，用于小容量同步电机中。用于小容量同步电机中。旋转电枢式旋转电枢式旋转磁极式旋转磁极式旋转磁极式旋转磁极式：磁极装在转子上，为大中型同步电机的基：磁极装在转子上，为大中型同步电机的基本形式。本形式。旋转磁极式同步电机的结构旋转磁极式同步电机的结构 : 0.35mm 0.5 三相对称绕组绕组的冷轧硅钢片或铁心:转子转子 。同心式绕组或集中绕组直流励磁绕组整体或低碳钢片迭成。，气隙不均匀凸极整块高强度合金钢。气隙均匀，隐极铁心 : :定子定子

4、电刷和集电环电刷和集电环同步电机又分为同步电机又分为隐极式隐极式和和凸极式凸极式两种。两种。有明显的凸出的磁极，气有明显的凸出的磁极，气隙不均匀，制作简单。隙不均匀，制作简单。适合于高速发电机适合于高速发电机适合于低速发电机适合于低速发电机转子圆柱形，气隙均匀，转子机转子圆柱形，气隙均匀，转子机械强度高，励磁绕组固定容易。械强度高，励磁绕组固定容易。NS+隐极式隐极式NSNS+凸极式凸极式汽轮发电机汽轮发电机 由汽轮机驱动的同步发电机由汽轮机驱动的同步发电机 p = 1 n = 3000r/min (50Hz) n = 3600r/min (60Hz) 采用隐极结构采用隐极结构 6222D L

5、 转子细而长转子细而长转子高速旋转，对铁心的强度要求很高，就目前材料，转转子高速旋转，对铁心的强度要求很高，就目前材料，转子直径不能超过子直径不能超过1.1m1.1m。 基本采用卧式结构基本采用卧式结构水轮发电机水轮发电机 由水轮机驱动的同步发电机由水轮机驱动的同步发电机 n = 几十几十 几百几百r/min 极对数多极对数多采用凸极结构采用凸极结构 转子粗而短转子粗而短7522LD 励磁绕组为集中绕组励磁绕组为集中绕组 立式结构立式结构 阻尼绕组阻尼绕组阻尼绕组的结构与笼型感应电机的转子的笼型绕组相似。阻尼绕组的结构与笼型感应电机的转子的笼型绕组相似。阻尼绕组的作用阻尼绕组的作用同步发电机中

6、同步发电机中：抑制转子机械振荡：抑制转子机械振荡同步电动机和同步补偿机中同步电动机和同步补偿机中：起动绕组：起动绕组与感应电机一样同步电机定转子极数应相同。与感应电机一样同步电机定转子极数应相同。二、同步电机的运行状态二、同步电机的运行状态 转子磁场转子磁场 转子通入直流励磁电流产生，与转子同步旋转转子通入直流励磁电流产生，与转子同步旋转。定子磁场定子磁场 定子三相对称绕组流过三相对称电流产生，以定子三相对称绕组流过三相对称电流产生，以同步速旋转（等于转子转速）。同步速旋转（等于转子转速）。同步电机有同步电机有发电机发电机、电动机电动机、补偿机补偿机三种运行状态。三种运行状态。运行状态取决于磁

7、场的相对位置运行状态取决于磁场的相对位置合成磁场合成磁场 定子磁场和转子磁场的合成，以同步速旋转。定子磁场和转子磁场的合成，以同步速旋转。功率角功率角 转子磁场轴线转子磁场轴线领先合成磁场轴线的夹领先合成磁场轴线的夹角。角。 0时时，Te为制动转矩，原动机的驱动转矩与电磁转矩为制动转矩，原动机的驱动转矩与电磁转矩Te 平衡平衡 。转子吸收机械功率，定子发出电功率。转子吸收机械功率，定子发出电功率。 发电机运行状态发电机运行状态 Xq ，隐极同步电机隐极同步电机 X d = X q = Xs adF)(adad )( )(aqaq aqF)( 例例 6-1 Xd *= 1.0 Xq* = 0.6

8、 Ra* = 0 U* = 1 I* = 1 cos = 0.8（滞后）（滞后） 求：求： E*0（不饱和值）（不饱和值）0031.568 . 016 . 016 . 01arctancossinarctanaqRIUxIU8321. 031.56sin1sin0IId5547. 031.56cos1cos0IIq44.1987.3631.560解：方法解：方法1：通过相量图求解：通过相量图求解E0* = U*cos +Id *Xd* = 1cos19.44+0.83211.0 = 1.75587.36101*IUdIIqI0UqXI j0EQEddXI jdIIqI0UqXI j0EQEdd

9、XI j)(*0qddQXXIEE*qaQXI jRIUE )90( 01*0qqddddqqaIIIIUXI jXI jRIUE方法方法2：通过基本方程求解：通过基本方程求解 QE0qdII 一、功率方程一、功率方程 I f B0 pFe 铁心损耗铁心损耗 （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 = 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 同

10、步发电机的功率方程和转矩方程和功角特性同步发电机的功率方程和转矩方程和功角特性机械能机械能 损耗损耗 电能电能二二、转矩转矩方程方程 P1(p +pFe) = PeT1T0 = Te两边同时除以同步角速度s=2ns/60原动机驱动转矩 s11PT 空载阻转矩 sFe0 ppT电磁转矩 seePT 三、电磁功率 Pepcua = P2 Pe = P2+pcua= mI (U cos +I Ra)= m I EQ cos0= m U I cos +mI2Ra= m I E cos=mEQIq之间的相角与电流电动势IE:0qI0E 0 UdIj XI IaRI）（qddjXXIQEQEE隐极同步发电

11、机中)(0qddQXXI jEE因为：qdXX EQ = E0Pe= m I E cos = m I EQ cos0 =mEQIq=mE0Iq 要想进行能量转换，电枢电流中必须有有功分量要想进行能量转换，电枢电流中必须有有功分量 对E来说，Icos 就是电流的有功分量 对EQ来说，Icos0=Iq 就是电流的有功分量 与前面的分析相符，交轴电流产生交轴电枢反应，使气隙与前面的分析相符，交轴电流产生交轴电枢反应，使气隙磁场磁场轴线移位，气隙磁场与主极磁场轴线间有相位差。轴线移位，气隙磁场与主极磁场轴线间有相位差。 Iq 决定了决定了（功率角）的大小。（功率角）的大小。 ：功率角：功率角交轴电流越

12、大，交轴电流越大，交轴电枢反映交轴电枢反映越强越强 也就越大。也就越大。 交轴电枢电流对产生电磁转矩和进行能量转换具有直接交轴电枢电流对产生电磁转矩和进行能量转换具有直接关系关系 。0qI0E 0 UdIqqj XI IaRIddj XIQEQE四、功角特性四、功角特性当当E0和和U保持不变时，发电机发出的电磁功率与功率角之保持不变时，发电机发出的电磁功率与功率角之间的关系间的关系Pef( )称为功角特性。称为功角特性。cos222mUIPPpPcue)cos(0 mUI)sinsincos(cos00 mUI)sincos(dqIImU设法消去设法消去Id和和Iqcos sin0UEXIUX

13、IddqqqqXUIsinddXUEIcos02sin)11(2sin20dqdeXXUmXUEmP功角特性功角特性sin01deXUEmP 为基本电磁功率为基本电磁功率基本电磁功率与励磁电动势成正比，与端电压成正比，基本电磁功率与励磁电动势成正比，与端电压成正比，与功角的正弦成正比，与直轴同步电抗成反比。与功角的正弦成正比，与直轴同步电抗成反比。当当 时，达到最大值。时，达到最大值。附加电磁功率与励磁电动势（电流）的大小无关，且仅当附加电磁功率与励磁电动势（电流）的大小无关，且仅当 时时 才存在，它是由凸极效应（即交、直轴磁阻不才存在，它是由凸极效应（即交、直轴磁阻不相等）所引起，故亦称为相

14、等）所引起，故亦称为磁阻功率磁阻功率。在隐极同步电机中附。在隐极同步电机中附加电磁功率等于零。加电磁功率等于零。qdXX 当当 时达到最大值。时达到最大值。2sin)11(222dqeXXUmP称为附加电磁功率称为附加电磁功率总的电磁功率，发电机运行时，在总的电磁功率，发电机运行时，在 为为4590之间达到之间达到最大值最大值Pe(max),其具体位置和数值视其具体位置和数值视Pe1(max) 和和 Pe2(max)的相对的相对大小而定。大小而定。对于隐极电机，由于对于隐极电机，由于XdXqXs，附加电磁功率为零，故，附加电磁功率为零，故Pe就等于基本电磁功率就等于基本电磁功率sin0deXU

15、EmP 对于凸极电机，电磁功率对于凸极电机，电磁功率Pe亦可以写成亦可以写成sincoscos0qQqQQeXUEmImEImEmUIP要注意，式中的要注意，式中的EQ为虚拟电动势，为虚拟电动势，EQ本身也是功角本身也是功角 的的函数。函数。功率角的空间含意功率角的空间含意功率角功率角 亦可近似的看作是合成磁场滞后空载磁场的角度。亦可近似的看作是合成磁场滞后空载磁场的角度。UjXRIUE)(额定相电压额定相电压V7968V3108 .133U额定相电流额定相电流A2929A108 .133107000033I解解 ：先按算出额定负载时的：先按算出额定负载时的 0角角79.3185. 0arcc

16、os5268. 0sin25.5585. 079689 . 129295268. 07968arctancossinarctan0UIXUq46.2379.3125.550ddXIUEcos0V1385572. 2)25.55sin2929(46.23cos79686.6 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Xd1. 空载试验空载试验试验条件试验条件电枢开路（空载）电枢开路（空载）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改变励磁电流改变励磁电流If，并记取相应的电枢端电压，并记取相应的电枢端电压U0（空载（

17、空载时时U0=E0），直到），直到U0=1.25UN左右，就可以得到空载特左右，就可以得到空载特性曲线性曲线E0= f（If）。）。试验目的试验目的测得空载特性测得空载特性E0=f（If）注意：注意：在绘制空载特性曲线时，应注意把在绘制空载特性曲线时，应注意把E0换算成相值。换算成相值。2. 短路试验短路试验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

18、线。便可以得到短路特性曲线。短路特性曲线是一条直线，因为短路时短路特性曲线是一条直线，因为短路时ajjXIXIRIUE合成电动势较小，此路不饱和。合成电动势较小，此路不饱和。相量图相量图dqqddaXI jXI jXI jRIUE0IEXd03. 同步电抗同步电抗Xd的计算的计算 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4. 饱和同步电抗饱和同步电抗Xd的计算的计算 Xd的饱和值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

19、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。IUXNd)(饱和值二、短路比二、短路比短路比是同步发电机的一个重要数据，定义为短路比是同步发电机的一个重要数据，定义为)()(0NNIIfkUUfcIIK*)()(1饱和值饱和值ddbNNNNXXZ

20、UUIIII短路比大，电机的运行性能好，但造价较高。短路比大，电机的运行性能好，但造价较高。 例例6-3 有一台有一台25000 kW，10.5kV，Y接，接，cos =0.85（滞（滞后）的汽轮发电机，从其空载、短路实验中得到下列数：后）的汽轮发电机，从其空载、短路实验中得到下列数：kV/0EA/fIA/IA/fI空载试验数据空载试验数据0.0 6.2 10.5 12.3 13.46 14.10.0 77.5 155 232 310 388短路实验数据短路实验数据0.0 860 1718 0.0 140 280 试求电机的同步电抗和短路比。试求电机的同步电抗和短路比。解解:V129303/2

21、24000E从空载特性上查得：线电压从空载特性上查得：线电压U0=10.5 kV时，时，If0=155A。1718A8 . 0105 .1031025000cos333NNNNUPI额定电流为额定电流为连接空载特性的前两个点作为气隙线，由气隙线算得当连接空载特性的前两个点作为气隙线，由气隙线算得当If=280A时时2800 . 05 .770 . 02 . 6LU22.4kV，相电动势相电动势 5536. 02801550fkfcIIK由由， 可求得短路比可求得短路比所以同步电抗为所以同步电抗为528. 71718129300IEXd 用标幺值计算时用标幺值计算时1* 133. 25 .104

22、 .220*0IUEEN133. 21133. 2*0*IEXdA280A1550fkfII，806. 15536. 011*)(cdKX饱和 常数，常数， 时的时的三、定子漏抗和直轴电枢等效磁动势的确定三、定子漏抗和直轴电枢等效磁动势的确定1. 零功率因数特性零功率因数特性I0cos)(fIfU ， IXUEFkFFaadf在零功率因数条件下在零功率因数条件下 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

23、：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过过 点作气隙线的平行线，点作气隙线的平行线，与空载特

24、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 。2. 定子漏抗和电枢等效磁动势的确定定子漏抗和电枢等效磁动势的确定OKFOOFOAEFIEAXAFFkaad由零功率因数特性所确定的漏抗称为波梯电抗，并用由零功率因数特性所确定的漏抗称为波梯电抗，并用 表表示。示。pXp1). 105. 1 (XXp3). 11 . 1 (XX 对于隐极电机对于隐极电机对于凸极电机对于凸极电机原因是零功率

25、因原因是零功率因数时，转子磁路数时，转子磁路的饱和程度高，的饱和程度高，导致特性三角形导致特性三角形右移。右移。波梯电抗波梯电抗 尽管不是电枢漏抗尽管不是电枢漏抗 ，但在利用磁动势，但在利用磁动势-电电动势统一矢量图计算同步发电机的负载运行时，由于动势统一矢量图计算同步发电机的负载运行时，由于一般负载都是感性的居多，主磁极铁心都有额外的饱一般负载都是感性的居多，主磁极铁心都有额外的饱和现象发生，与零功率因数负载试验时类似，因此在和现象发生，与零功率因数负载试验时类似，因此在这种情况下用波梯电抗这种情况下用波梯电抗 代替电枢漏抗代替电枢漏抗 ，反而会得，反而会得到更精确的结果。到更精确的结果。

26、pXXpXX四、四、 转差法测定转差法测定Xd和和Xq采用转差法可同时测得采用转差法可同时测得Xd和和Xq。（1）将被测同步电机用原动机驱动到）将被测同步电机用原动机驱动到同步转速同步转速; （3）再在定子绕组上施加约为（）再在定子绕组上施加约为（25）UN的三相对称低的三相对称低电压，这一电压电压，这一电压 满足两个条件：满足两个条件：（2）励磁绕组开路；）励磁绕组开路； 磁场旋转方向与转子转向一致磁场旋转方向与转子转向一致 磁场不太强，该磁场不会将转磁场不太强，该磁场不会将转子拉入到同步速子拉入到同步速maxminminmaxIUXIUXqdqqddXI jXI jUE0qqddXI jX

27、I jU因为没有励磁电流，因为没有励磁电流，E0=0电枢磁场同转子转动速度不同电枢磁场同转子转动速度不同,电电枢磁动势交替与直、交轴重合枢磁动势交替与直、交轴重合定子电流最小，定子电流最小，I=Imin电枢电抗最大，电枢电抗最大，Xd，Iq=0电枢磁场同转子直轴重合时电枢磁场同转子直轴重合时线路压降最小，端线路压降最小，端电压最大，电压最大，U=UmaxadFaqF定子电流最大，定子电流最大，I=Imax电枢电抗最小，电枢电抗最小，Xq，Id=0电枢磁场同转子交轴重合时电枢磁场同转子交轴重合时线路压降最大，端线路压降最大，端电压最小，电压最小，U=Umin试验是在低电压下进行的，测出的试验是在

28、低电压下进行的，测出的 Xd和和Xq均不是饱和值。均不是饱和值。 参数参数电机类型电机类型汽轮发电机汽轮发电机凸极同步发电机凸极同步发电机凸极同步电动机凸极同步电动机现代同步电机电抗参数的典型值现代同步电机电抗参数的典型值1.6065. 015. 11.040. 00.750.400.170.3220. 250. 180. 11.4095. 015. 1*dX*qX*pX（不饱和值）（不饱和值） 5 . 290. 070. 1*d9 . 0X26. 010. 00.186.7 同步电机的运行特性同步电机的运行特性一、运行特性一、运行特性 包括包括外特性外特性、调整特性调整特性和和效率特性效率特

29、性。1.外特性外特性n=ns，If=常值时，常值时，cos 常值时常值时 U=f(I)外特性曲线外特性曲线（1）在感性负载和纯电阻负载时，外特性是下降的。）在感性负载和纯电阻负载时，外特性是下降的。原因：原因：电枢反应的电枢反应的 去磁作用和漏阻抗压降所引起。去磁作用和漏阻抗压降所引起。（2）容性负载时，外特性）容性负载时，外特性有可能有可能上升。上升。外特性上升条件：外特性上升条件：直轴电枢反应的助磁作用能够抵消电直轴电枢反应的助磁作用能够抵消电枢漏抗压降。枢漏抗压降。电压调整率定义：电压调整率定义：%100)(0fNfIINNUUEuE0为保持额定励磁电流和同步转速不变，卸去负载（即空为保

30、持额定励磁电流和同步转速不变，卸去负载（即空载载I=0）时，发电机的空载相电压。）时，发电机的空载相电压。对凸极同步发电机对凸极同步发电机， u最好控制在最好控制在1830%；对隐极同步发电机对隐极同步发电机，由于电枢反应较强，由于电枢反应较强， u最好控制在最好控制在3048%。电压调整率是同步发电机的性能指标之一。电压调整率是同步发电机的性能指标之一。2.调整特性调整特性n=ns，U=UN，cos=常值时，If=f(I)调整特性曲线调整特性曲线（1）在感性负载和纯电阻负载时，调整特性是上升的。）在感性负载和纯电阻负载时，调整特性是上升的。原因：原因：随电枢电流的增大，电枢去磁和电枢漏抗压降

31、增随电枢电流的增大，电枢去磁和电枢漏抗压降增大，为保证端电压保持为额定值不变，必须提高励磁电大，为保证端电压保持为额定值不变，必须提高励磁电流。流。（2）容性负载时，调节特性有可能下降。）容性负载时，调节特性有可能下降。外特性下降条件：外特性下降条件：内功率因数角超前较大，能够抵消电内功率因数角超前较大，能够抵消电枢漏抗压降。枢漏抗压降。从调整特性可以确定同步发电机的额定励磁电流从调整特性可以确定同步发电机的额定励磁电流IfN。n=ns，U=UN，cosc os N时3. 效率特性效率特性f(P2)同步电机的损耗同步电机的损耗 可以分为基本损耗和杂散损耗两部分。p%100)1 (%100212

32、pPpPP基本损耗：基本损耗：基本铁耗基本铁耗pFe电枢基本铜耗电枢基本铜耗pCu,机械损耗机械损耗p 励磁损耗励磁损耗pCuf杂散损耗：杂散损耗：电枢漏磁通在电枢绕组和其他金属结构部件中电枢漏磁通在电枢绕组和其他金属结构部件中所引起的涡流损耗，高次谐波磁场掠过转子表所引起的涡流损耗，高次谐波磁场掠过转子表面所引起的表面的损耗等。面所引起的表面的损耗等。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；额定效率额定效率亦是同步发电机的性能指标之一。亦是同步发电机的性能指标之一。空冷汽轮发电机空冷汽轮发电机的额定效率的额定

33、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。二、二、 电动势磁动势图求取额定励磁电流和电压调整率电动势磁动势图求取额定励磁电流和电压调整率同步发电机的同步发电机的额定励磁电流额定励磁电流和和电压调整率电压调整率既可以用既可以用直接负载直接负载法测定法测定，亦可用考虑饱和时的，亦可用考虑饱和时的电动势磁动势矢量图求出电动势磁动势矢量图求出。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

34、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。UpXI jEffIF ，UIaRI1）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；paXI jRIUE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F；FE3）求出额定励磁磁动势求出额定励磁磁动势)(aafNFkFFaafNFkFFUpXI jE)(ffIFUIaRIFEaaFkaaFkFfNF5）求出励磁磁动势下的空载电动势求出励磁磁动势

35、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。UpXI jE)(ffIFUIaRIFEaaFkaaFkFfNFfNF0EffNfNWFIUpXI jE)(ffIFUIaRIFEaaFkaaFkFfNFfNF0E6）计算计算 u%100)(0fNfIINNUUEuu从理论上讲，这种用电动势从理论上讲，这种用电动势-磁动势图的方法求额定励磁磁动势图的方法求额定励磁电流和电压调整率仅适应于电流和电压调整率仅适应于隐极同步发电机隐极同步发电机。对凸极同步发电机，若以对凸极同步发电机，若以kadFa代替代替kaF

36、a，所得结果误差，所得结果误差很小，因此工程上很小，因此工程上亦用此法确定凸极同步发电机的亦用此法确定凸极同步发电机的IfN和和 u。这一电动势这一电动势-磁动势通常亦称为波梯图磁动势通常亦称为波梯图发电机的短路特性为一直线，当短路电流等于额定电流时发电机的短路特性为一直线，当短路电流等于额定电流时励磁电流励磁电流Ifk178A。空载特性数据为空载特性数据为:E*00.25 0.45 0.49 1.00 1.14 1.20 1.25If/A45 85 150 205 250 300 350例例 6-5 有一台水轮发电机有一台水轮发电机SN=16667kVA，UN13.8kV（星（星形联结），形

37、联结），cos N=0.8 (滞后），滞后），nN=100r/min，X*p=0.24，电，电枢电阻忽略不计。枢电阻忽略不计。试用波梯图法确定该发电机的额定励磁电流和电压调整率。试用波梯图法确定该发电机的额定励磁电流和电压调整率。1） 先画出空载特性曲线先画出空载特性曲线24. 0*pXIRT3）取取得 OT43A2）OK=178A4）kadFaOK-OT=178A-43A =135A 5）作电动势作电动势-磁动势磁动势图得图得E=1.16时的合时的合成磁动势成磁动势F=267A6）FfN=384A7）E0=1.2748）u=27.46.8 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

38、 电网的概念：电网的概念：现代电力系统（电网）通常总是由许多发现代电力系统（电网）通常总是由许多发电厂并联组成，每个电厂内又有多台发电机在一起并联运电厂并联组成，每个电厂内又有多台发电机在一起并联运行。行。并联运行：并联运行：把发电机并联到电网上运行的运行方式称为并把发电机并联到电网上运行的运行方式称为并联运行。联运行。 提高供电的质量；提高供电的质量；并联运行的优待点：并联运行的优待点： 提高供电的可靠性；提高供电的可靠性； 提高供电的经济性。提高供电的经济性。研究同步发电机与电网地并联运行问题，不仅具有理论意研究同步发电机与电网地并联运行问题，不仅具有理论意义，而且还有很大的实际意义。义，

39、而且还有很大的实际意义。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同步发电机投入并联时，为了避免电机和电网中产生冲击同步发电机投入并联时，为了避免电机和电网中产生冲击电流，以及由此在电机转轴上产生的冲击转距，待投入并电流，以及由此在电机转轴上产生的冲击转距，待投入并联的发电机应当满足：联的发电机应当满足：1. 投入并联的条件投入并联的条件（1） 发电机的相序应与电网一致；发电机的相序应与电网一致；（2）发电机的频率应与电网相同；发电机的频率应与电网相同；（3） 发电机的激磁电动势应与电网电压大小相同，相位发电机的激磁电动势应与电网电压大小相同，相位 相同，相同，UE0

40、即：分析：分析：1）相序不同；）相序不同；2）频率不同；）频率不同；3）电压不同。）电压不同。第一个条件必须满足，其余两个条件允许有些差别。第一个条件必须满足，其余两个条件允许有些差别。如何才能达到这些条件？如何才能达到这些条件？关于相序问题：关于相序问题：一般大型同步发电机的转向和相序在出一般大型同步发电机的转向和相序在出厂以前都已经标定。对于没有表明转向和相序的电机，厂以前都已经标定。对于没有表明转向和相序的电机，可以利用可以利用相序指示器相序指示器来确定。来确定。要使发电机的频率、电压与电网相同，分别调节原动机的要使发电机的频率、电压与电网相同，分别调节原动机的转速和发电机的励磁电流就可

41、以达到。转速和发电机的励磁电流就可以达到。关于电动势的频率和大小：关于电动势的频率和大小：发电机的频率和励磁电动势为：发电机的频率和励磁电动势为：fpn/60和和E04.44fN1kw1 0电动势的相位：电动势的相位：可以调节发电机的瞬时速度来调整。可以调节发电机的瞬时速度来调整。2. 投入并联的方法投入并联的方法投入并联所进行的调节和操作过程称为整步。投入并联所进行的调节和操作过程称为整步。实用的整步方法由两种：实用的整步方法由两种： 准确整步法准确整步法和和自然整步法自然整步法准确整步法：准确整步法：把发电机调整到完全合乎投入并联的条件，然后投入电网。把发电机调整到完全合乎投入并联的条件，

42、然后投入电网。判断是否满足投入并联的条件方法判断是否满足投入并联的条件方法采用同步指示器采用同步指示器最简单的同步指示器由三个指示灯组成，可以有两种接法：最简单的同步指示器由三个指示灯组成，可以有两种接法：直接接法直接接法和和交叉接法。交叉接法。直接法直接法是把三个同步指示灯分别跨接在电网和发电机的对应是把三个同步指示灯分别跨接在电网和发电机的对应相之间，即接在相之间，即接在 之间。（1）直接接法）直接接法CCBBAA、，、，、起动原动机，使其转速接近同步速；调节励磁电流，使发起动原动机，使其转速接近同步速；调节励磁电流，使发电机的电压接近电网电压。电机的电压接近电网电压。频率：频率：调节发电

43、机的转速，到三个灯的亮度不再闪烁或调节发电机的转速，到三个灯的亮度不再闪烁或闪烁频率很低时，就表示闪烁频率很低时，就表示f f。电压的大小：电压的大小：调节发电机的励磁电流，使发电机电压与调节发电机的励磁电流，使发电机电压与电网电压相等。电网电压相等。电压的相位：电压的相位：灯灭且灯灭且UAA=0时即可合闸投入并联。时即可合闸投入并联。条件检查条件检查相序：相序： 灯光同时明暗，说明相序正确。灯光同时明暗，说明相序正确。(2) 交叉接法交叉接法交叉接法交叉接法是把三个同步指示灯分别跨接在电网和发电机的是把三个同步指示灯分别跨接在电网和发电机的 之间。BCCBAA、，、，、起动原动机，使其转速接

44、近同步速；调节励磁电流，使发起动原动机，使其转速接近同步速；调节励磁电流，使发电机的电压接近电网电压。电机的电压接近电网电压。频率：频率：调节发电机的转速，到灯光旋转速度很低时，就调节发电机的转速，到灯光旋转速度很低时，就表示表示f f。电压的大小：电压的大小：调节发电机的励磁电流，使发电机电压与调节发电机的励磁电流，使发电机电压与电网电压相等。电网电压相等。电压的相位：电压的相位：A相相灯灭且灯灭且BC相等亮度相同时，即可合闸相等亮度相同时，即可合闸投入并联。投入并联。条件检查条件检查相序：相序： 灯光旋转，说明相序正确。灯光旋转，说明相序正确。AUBUBUCUCUAUCUAUAUBUBUC

45、UAUBUCUAUBUCU 1号灯灭 2号灯灭 3号灯灭若若f f若若f fAUBUBUCUCUAUCUAUAUBUBUCUAUBUCUAUBUCU 1号灯灭 3号灯灭 2号灯灭灯光旋转的说明灯光旋转的说明自整步法自整步法准确整步法的优点是准确整步法的优点是投入瞬间电网和电机没有 （或很少）冲击；缺点是整步手续比较复杂，时间长，不能满足快速冲击；缺点是整步手续比较复杂，时间长，不能满足快速并网要求。并网要求。(1) 校验发电机的相序；校验发电机的相序；(2) 励磁绕组经限流电阻短路；励磁绕组经限流电阻短路；(3) 发电机的转速接近同步速；发电机的转速接近同步速；(4) 并网；并网；(5) 加励

46、磁电流。加励磁电流。二、有功功率的调节和静态稳定二、有功功率的调节和静态稳定1. 有功功率的调节有功功率的调节以隐极电机为例，说明同步发电机与无穷大电网并联时有以隐极电机为例，说明同步发电机与无穷大电网并联时有功功率的调节。为简化分析，略去电枢电阻和磁饱和的影功功率的调节。为简化分析，略去电枢电阻和磁饱和的影响。响。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。欲使发电机输出有功功率，根据

47、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，即调节原动机，这可以由开大汽轮机的汽电机的输入功率，即调节原动机，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对应的电动势于是与转子主磁场相对应的电动势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的有功功率根据功角特性，此时发电机将向电网输出一定的有功功率P2。sin02seXUEmPP同时转子上将

48、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点所示。点所示。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

49、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稳态运行于某一工作点的同步发电机，当外界的同步发电机，当外界（电网或原动机）发生（电网或原动机）发生微小的扰动时，工作点微小的扰动时，工作点发生偏移，扰动消失后，发生偏移，扰动消失后，发电机能回到原先状态发电机能回到原先状态稳定运行，称为稳定运行，称为同步发同步发电机静态是稳定的；电机静态是稳定的；否否则是则是静态不稳定的

50、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。整步功率系数整步功率系数越大越稳定数为对隐极电机整步功率系cos0seXUEmddP越小，稳定性越差越大，两曲线正交。可知由ddPPfddPfPXUEmddPXUEmPeeeeseSe)()(cossin00为了使发电机能稳态运行，应使发电机的功率为了使发电机能稳态运行，应使发电机的功率极限比额定功率大一定的倍数，这个倍数称为极限比额定功率大一定的倍数，这个倍数称为过载能力过载能力 定度是不经济的。所以过高的要求静态稳造价电机尺

51、寸励磁安匝数励磁绕组过热，反比于均正比于和。约为，相应的SSeeNPNNssNePXEXEddPPKXUEmXUEmPPK00max0000max40300 . 26 . 1sin1sin三、无功功率的调节三、无功功率的调节以隐极电机为例，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

52、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不同励磁电流是的向量图不同励磁电流是的向量图正常励磁正常励磁 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，所以无发电机与无穷大电网并联时，其端电压恒为

53、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流，使去电枢绕组的合成磁通不变，发电机应输出滞

54、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，6.9 同步电动机与同步补偿机同步电动机与同步补偿机一、同步电机的可逆原理一、同步电机的可逆原理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，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

55、值，电压方程式为 隐极同步电动机隐极同步电动机sMaMsaXI jRIEXI jRIEU00 )()( 1. 同步电动机的电压方程和向量图同步电动机的电压方程和向量图 二、同步电动机二、同步电动机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 jRIEU02. 同步电动机的功角特性，功率方程和转矩方程同步电动机的功角特性，功率方程和转矩方程在电动机惯例下，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

56、 M表示，则表示，则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。0EU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为输出转矩为输出转矩P1 = pcua+Pe转矩方程转矩方程3. 3

57、. 同步电动机的运行特性同步电动机的运行特性 同步电动机的运行特性包括工作特性工作特性和V形曲线形曲线两部分。U=UN、If=IfN时，Te、IM、cosM=f(P2)。当输出功率当输出功率P2=0时，电枢电流为很小的空载电流；随着输时，电枢电流为很小的空载电流；随着输出功率的增加，电枢电流也随之增大，电枢电流也随之增出功率的增加，电枢电流也随之增大，电枢电流也随之增大，大，IM=f(P2)近似为一直线近似为一直线。（1）工作特性工作特性 SePTTTT2020Te=f(P2)是一条直线是一条直线同步电动机的同步电动机的效效率特性率特性与其他电与其他电机基本相同。空机基本相同。空载时，载时，=

58、0，随随着输出功率的增着输出功率的增加，效率逐步增加，效率逐步增加，达到某个最加，达到某个最大之后开始下降。大之后开始下降。同步电动机的同步电动机的功率因数特性功率因数特性与额定功率因数有关。与额定功率因数有关。曲线曲线1对应励磁电流较小，对应励磁电流较小，空载时功率因数等于空载时功率因数等于1。曲线曲线2对应励磁电流稍大，对应励磁电流稍大，半载时功率因数等于半载时功率因数等于1。曲线曲线3对应励磁电流更大，对应励磁电流更大，满载时功率因数等于满载时功率因数等于1。改变励磁电流，改变励磁电流，可使电动机在任意特定负载下的功率因数可使电动机在任意特定负载下的功率因数达到达到1 1，甚至变成超前，

59、甚至变成超前。同步电动机的最大电磁功率与额定功率之比，称为过载同步电动机的最大电磁功率与额定功率之比，称为过载能力。能力。和发电机一样，增加电动机的励磁，可以提高最和发电机一样，增加电动机的励磁，可以提高最大电磁功率大电磁功率Pe(max)，从而提高过载能力。从而提高过载能力。U=UN，Pe=C时，IM=f(If)。 (2) V形曲线形曲线将变成多少？数，问电枢电流和功率因磁增加）若负载转矩不变，励（势下的功角特性；的标么值和该激磁电动电动势的情况下运行时，激磁）该机在额定电流，（不计，求：电枢电阻和磁饱和忽略，电动机的参数为额定功率因数电动机的无穷大电网上运行有一台同步电动机接在例 %202

60、 1cos15 . 08 . 01cos,76*MqdMXX57.2615 . 0arctancossinarctan00 . 1, 1cos00 . 1100*M*q*MM*MMMMUXIUIU为：，于是内功率因数角故电枢电流。由于参考相量，）取电动机的端电压为（解：采用标幺值计算。8944. 057.26coscos4473. 057.26sinsin00MMqMMMdMIIII轴分量于是，电流的直轴和交252. 18 . 04473. 057.26cos1 cos*0*0ddMMXIUEE为：激磁电动势作为功率基值额定视在功率且以电动机的，中无相数值表示时，式注意：用标幺mUI0EddX