第六章同步电机学习教案

1、会计学1第六章同步电机第六章同步电机第一页，共104页。发电机、电动机和补偿发电机、电动机和补偿(bchng)(bchng)机。机。 l按结构特点分：按结构特点分：凸极、隐极。凸极、隐极。l按冷却方式分：按冷却方式分：l按励磁方式分：按励磁方式分：电励磁式、永磁式同步电机电励磁式、永磁式同步电机 。空冷、氢冷、水冷、混合冷却空冷、氢冷、水冷、混合冷却。卧式、立式。卧式、立式。第1页/共104页第二页，共104页。6.1 同步电机的基本同步电机的基本(jbn)结构和运行状态结构和运行状态1. 1. 基本基本(jbn)(jbn)结构结构 旋转电枢旋转电枢(din sh)式：电枢式：电枢(din s

2、h)装在转子上，主极装在定子上装在转子上，主极装在定子上。只用于小容量同步电机中只用于小容量同步电机中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本形式：磁极装在转子上，为大中型同步电机的基本形式旋转电枢式旋转电枢式旋转磁极式旋转磁极式隐极式隐极式凸极式凸极式第2页/共104页第三页，共104页。旋转旋转(xunzhun)磁极式同步电机的结构磁极式同步电机的结构转子转子(zhun z) (zhun z) 定子定子(dngz) (dngz) 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。第3页/共104页第四页，共104页。有明显的凸出的磁极，有明显的凸出的磁

3、极，气隙不均匀气隙不均匀(jnyn)，制，制作简单。作简单。适合适合(shh)于高速发电机于高速发电机适合适合(shh)于低速发电机于低速发电机转子圆柱形，气隙均匀，转子机械强转子圆柱形，气隙均匀，转子机械强度高，励磁绕组固定容易。度高，励磁绕组固定容易。NS+隐极式隐极式NSNS+凸极式凸极式同步电机的基本类型同步电机的基本类型第4页/共104页第五页，共104页。同步同步(tngb(tngb)发电机发电机汽轮发电机汽轮发电机水轮水轮(shu ln)(shu ln)发电机发电机隐极结构隐极结构(jigu)凸极凸极结构结构第5页/共104页第六页，共104页。汽轮发电机汽轮发电机 由汽轮机驱动

4、由汽轮机驱动(q dn)(q dn)的同步发电机的同步发电机 p = 1 n = 3000r/min (50Hz) n = 3600r/min (60Hz) 采用采用(ciyng)(ciyng)隐极结构隐极结构 转子(zhun z)细而长转子高速旋转，对铁心的强度要求很高，就目前材料，转子转子高速旋转，对铁心的强度要求很高，就目前材料，转子直径一般不超过直径一般不超过1.1m1.1m。 基本采用卧式结构基本采用卧式结构隐极发电机的剖面图隐极发电机的剖面图第6页/共104页第七页，共104页。同步电机的外形(wi xn)图第7页/共104页第八页，共104页。汽轮发电机的转子(zhun z)结构

5、第8页/共104页第九页，共104页。水轮发电机水轮发电机 由水轮机驱动由水轮机驱动(q dn)的同步发电机的同步发电机 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 励磁绕组(roz)为集中绕组(roz) 立式(l sh)结构 阻尼绕组阻尼绕组水轮发电机的转子结构水轮发电机的转子结构第9页/共104页第十页，共104页。阻尼绕组的结构与笼型感应电机阻尼绕组的结构与笼型感应电机(dinj)的转子的笼型绕组相似。的转子的笼型绕组相似。阻尼阻尼(zn)绕组的作用绕组的作用同步发电机中：阻尼绕组中感应电流产生同步发电机中：阻尼绕组中感应电流产生

6、 电磁转矩，抑制电磁转矩，抑制(yzh)转速振荡转速振荡。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。水轮发电机的磁极第10页/共104页第十一页，共104页。水轮(shu ln)发电机的定子结构第11页/共104页第十二页，共104页。320MW水轮水轮(shu ln)发电机发电机第12页/共104页第十三页，共104页。第13页/共104页第十四页，共104页。2. 2. 同步电机的运行同步电机的运行(ynxng)(ynxng)状态状态 转子主极磁场转子主极磁场 转子通入直流励磁电流

7、转子通入直流励磁电流(dinli)产生，与转子产生，与转子同步旋转。同步旋转。定子合成磁场定子合成磁场 定子三相对称绕组流过三相对称电流定子三相对称绕组流过三相对称电流(dinli)产产 生，以同步速旋转（等于转子转速）。生，以同步速旋转（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。运行状态取决于磁场的相对位置运行状态取决于磁场的相对位置第14页/共104页第十五页，共104页。功率角功率角 转子磁场轴转子磁场轴线领先定子合成线领先定子合成(hchng)磁场轴线的夹磁场轴线的夹角。角。 0时，时，Te为制动转矩，原动机的驱动转矩与电磁

8、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。转子吸收机械功率，定子(dngz)发出电功率。发出电功率。 发电机运行(ynxng)状态发电机运行状态示意图第15页/共104页第十六页，共104页。 0 时，时，Te为驱动转矩为驱动转矩，带动负载运行。转子输，带动负载运行。转子输出出(shch)机械功率，定机械功率，定子吸收电功率。子吸收电功率。 电动机运行(ynxng)状态 = 0 时，电磁转矩为时，电磁转矩为0，不进行，不进行(jnxng)能量能量转换，仅发出或吸收无转换，仅发出或吸收无功功率。功功率。 补偿机运行状态补偿机运行状态电动机补偿机运行状态示

9、意图第16页/共104页第十七页，共104页。3.3.同步电机的励磁同步电机的励磁(l c)(l c)方式方式 （1 1）电励磁）电励磁(l c) (l c) 1）直流励磁）直流励磁(l c)机励磁机励磁(l c) 并励直流发电机（与同步电机同轴）并励直流发电机（与同步电机同轴）G同步发电机同步发电机并励直流发电机并励直流发电机直流发电机励磁第17页/共104页第十八页，共104页。直流电机存在直流电机存在(cnzi)(cnzi)电刷和换向器，可靠性差，受换向限制，容量受限。电刷和换向器，可靠性差，受换向限制，容量受限。 并励并励 + 他励直流发电机励磁他励直流发电机励磁(l c)与并励直流发

10、电机励磁相比，可提高励磁系统的反应速度，并使励磁机在与并励直流发电机励磁相比，可提高励磁系统的反应速度，并使励磁机在较低的电压较低的电压(diny)下也能稳定运行。下也能稳定运行。带副励磁机的励磁系统带副励磁机的励磁系统GG副励磁机副励磁机主励磁机主励磁机同步发电机同步发电机第18页/共104页第十九页，共104页。2) 2) 静止静止(jngzh)(jngzh)整流器励磁整流器励磁 他励式他励式自励自励恒压器恒压器电压电压调整器调整器交流副励磁机（中频）交流副励磁机（中频）交流主励磁机（交流主励磁机（100Hz）可控可控整流器整流器不可控不可控整流器整流器主发电机主发电机电压互感器电压互感器

11、电流互感器电流互感器静止静止(jngzh)整流器励磁整流器励磁 第19页/共104页第二十页，共104页。优点：运行优点：运行(ynxng)、维护方便，没有直流励磁机，使励磁、维护方便，没有直流励磁机，使励磁容量得以提高，因而在大容量得以提高，因而在大 容量汽轮发电机中得到了容量汽轮发电机中得到了广泛的应用。广泛的应用。 自励(z l)式主发电机发出的功率经静止整流器整流为直流，然后通过电主发电机发出的功率经静止整流器整流为直流，然后通过电刷和集电环通入到主发电机的励磁刷和集电环通入到主发电机的励磁(l c)绕组中。绕组中。缺点：缺点：存在电刷、集电环的滑动接触（薄弱环节）。存在电刷、集电环的

12、滑动接触（薄弱环节）。 第20页/共104页第二十一页，共104页。优点：取消了电刷和集电环，运行比较可靠，适合大容量发电机，尤优点：取消了电刷和集电环，运行比较可靠，适合大容量发电机，尤其适合于要求其适合于要求(yoqi)防爆、防燃的特殊场合。防爆、防燃的特殊场合。无刷励磁多用于大、中容量无刷励磁多用于大、中容量(rngling)的汽轮发电机、补偿的汽轮发电机、补偿机以及在特殊环境下的同步发电机。机以及在特殊环境下的同步发电机。目前目前(mqin)我国新装发电机容量一般为我国新装发电机容量一般为 30万万kW 、60万万kW、90万万kW等。多采用整流器励磁系统。等。多采用整流器励磁系统。一

13、般地，单机容量越大，一般地，单机容量越大， 电机效率越高。电机效率越高。 3 3）旋转整流器励磁）旋转整流器励磁 第21页/共104页第二十二页，共104页。（2 2）永磁励磁）永磁励磁(l c) (l c) 永磁励磁采用永磁材料建立永磁励磁采用永磁材料建立(jinl)同步电机的磁场。同步电机的磁场。优点：转子上无励磁绕组和励磁电流，取消了电刷和滑环，结优点：转子上无励磁绕组和励磁电流，取消了电刷和滑环，结构简单，运行可靠构简单，运行可靠(kko)，效率高，维护工作量小；，效率高，维护工作量小；转子上永磁材料的形状和尺寸可以灵活多样，尤其适转子上永磁材料的形状和尺寸可以灵活多样，尤其适合于低速

14、和高速电机。合于低速和高速电机。 目前永磁励磁在小型和微型同步电机中获得了广泛应用。目前永磁励磁在小型和微型同步电机中获得了广泛应用。永磁励磁的永磁励磁的缺点是其磁场不能根据电机的运行状态进行方便和有缺点是其磁场不能根据电机的运行状态进行方便和有效的调节效的调节。第22页/共104页第二十三页，共104页。 额定( dng)电压UN 单位为kV 额定电流IN 单位(dnwi)为A, kA 额定( dng)功率因数 额定频率额定频率 f N 单位为单位为Hz 额定转速额定转速n N 单位为单位为r/min 额定励磁电流和电压额定励磁电流和电压 IfN 、UfN 额定容量额定容量 SN 或额定功率

15、或额定功率PN 单位为单位为 kW, kVA同步发电机同步发电机是指额定运行时输出的电功率；是指额定运行时输出的电功率；同步电动机同步电动机是指额定是指额定运行时轴上输出的机械功率；运行时轴上输出的机械功率；补偿机补偿机是指额定运行时输出的无功是指额定运行时输出的无功功率。功率。4. 同步电机的额定值同步电机的额定值第23页/共104页第二十四页，共104页。6.2 同步发电机的空载同步发电机的空载(kn zi)运行运行 一、空载一、空载(kn zi)(kn zi)运行运行 n s I f I = 01.1.空载空载(kn zi)(kn zi)磁场磁场主磁场主磁场 0f同步电机的空载磁场同步电

16、机的空载磁场第24页/共104页第二十五页，共104页。若主磁场若主磁场B0 B0 在气隙中正弦分布，且以同步速在气隙中正弦分布，且以同步速nsns旋转旋转(xunzhun)(xunzhun)，则在定子绕组中产生对称三相电动势，则在定子绕组中产生对称三相电动势 有效值：有效值：频率频率(pnl)：空载空载(kn zi)电动势，即激磁电动势。电动势，即激磁电动势。三相对称电动势三相对称电动势第25页/共104页第二十六页，共104页。2.2.空载空载(kn zi)(kn zi)特性特性 E0 = f (I f) 同步电机的空载同步电机的空载(kn zi)特性特性 0较小时，磁路不饱和，空载(kn

17、 zi)曲线的下部是一条直线；随 o的增大，铁心逐渐饱和，空 载 曲线弯曲。气隙线气隙线：不计铁心磁磁饱：不计铁心磁磁饱和的空载特性曲线。和的空载特性曲线。空载特性是同步电机的一条基空载特性是同步电机的一条基本特性。本特性。第26页/共104页第二十七页，共104页。二、对称三相负载时的电枢二、对称三相负载时的电枢(din sh)反应反应1.1.接三相对接三相对(xingdu)(xingdu)称负载时的物理过程称负载时的物理过程 空载时，同步电机的气隙磁场空载时，同步电机的气隙磁场(cchng)是由励磁磁动势所产生是由励磁磁动势所产生的主磁场的主磁场(cchng)B0。第27页/共104页第二

18、十八页，共104页。2. 电枢反应电枢反应电枢磁动势的基波对气隙磁场电枢磁动势的基波对气隙磁场(cchng)的影响的影响 电枢反应使气隙磁场空间电枢反应使气隙磁场空间(kngjin)位置发生变化，直接关系到电位置发生变化，直接关系到电机的机的 机电能量转换。机电能量转换。 电枢(din sh)反应的去磁或增磁，对电机的运行性能产生影响。电枢反应的性质（电枢反应的性质（交磁，去磁或增磁交磁，去磁或增磁）取决于电枢磁动势和主磁场）取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。在空间的相对位置。这一相对位置决定于空载电动势这一相对位置决定于空载电动势 和负载电流和负载电流 之间的的相位差之间的的相位差

19、，称为，称为内功率因数角内功率因数角。0第28页/共104页第二十九页，共104页。1） 0 = 0 时时 定子定子(dngz)绕组电动势、电流及磁动绕组电动势、电流及磁动势势在此时刻在此时刻(shk)，A相相电动势、电流达到最电动势、电流达到最大值，电枢磁动势的大值，电枢磁动势的轴线与轴线与A相绕组轴线重相绕组轴线重合，同时也与合，同时也与q轴重合轴重合，即，即 Faq=Fa，称为交，称为交轴电枢反应磁动势。轴电枢反应磁动势。相轴线AfFA0BXZYBCNSsnsnaF同步同步(tngb)发电机的交轴电枢反应发电机的交轴电枢反应第29页/共104页第三十页，共104页。定子绕组定子绕组(ro

20、z)(roz)电动势、电流和磁通的时间电动势、电流和磁通的时间相量图相量图时时间间参参考考轴轴C0EA0C00BEA0EB Is 00BAICI各相电动势、电流各相电动势、电流和磁通间的相位关和磁通间的相位关系是相同系是相同(xin tn)的，所以后的，所以后边只画出一相。边只画出一相。定子绕组电动势、电流定子绕组电动势、电流(dinli)和磁通的时间相量图和磁通的时间相量图第30页/共104页第三十一页，共104页。在时在时 - 空统一矢空统一矢量图中，电枢磁量图中，电枢磁动势动势Fa（空间矢（空间矢量）与电枢电流量）与电枢电流 （时间相量）同（时间相量）同相位；空载相位；空载(kn zi)

21、磁通磁通 与励磁与励磁磁动势磁动势Ff同相位同相位。时时- -空统一空统一(tngy)(tngy)矢量图矢量图轴轴dfF)(aqaFF)(00B I0 Es时时-空统一空统一(tngy)矢量图矢量图第31页/共104页第三十二页，共104页。气隙合成气隙合成(hchng)磁场与主磁场的相磁场与主磁场的相对位置对位置aFeTAXZYBCNS0BBsn相对于主磁场，气隙合成相对于主磁场，气隙合成(hchng)磁场的轴线偏移磁场的轴线偏移了一个角度，且幅值有所了一个角度，且幅值有所增加。这是由于电枢磁动增加。这是由于电枢磁动势（势（Fa=Faq）的作用造）的作用造成的，称之为交磁作用。成的，称之为交

22、磁作用。气隙合成磁场气隙合成磁场(cchng)与主磁场与主磁场(cchng)的相对位置图的相对位置图第32页/共104页第三十三页，共104页。2）0 0 时时 电流电流(dinli)滞后电动势滞后电动势snadF相轴线AAXZBCsnaFaqFNSfFY电流电流(dinli)滞后电动势的向量图滞后电动势的向量图第33页/共104页第三十四页，共104页。电流电流(dinli)超前电动势超前电动势snadFAXZBCsnaFaqFNSfFY电流电流(dinli)超前电动势的向量图超前电动势的向量图第34页/共104页第三十五页，共104页。 并网运行时，直轴电枢反应影响电机输出(shch)的无

23、功功率。直轴电枢直轴电枢(din sh)反应的影响反应的影响 电机单机运行时，直轴电枢反应将直接影响端电压的大电机单机运行时，直轴电枢反应将直接影响端电压的大小。去磁时，端电压降低小。去磁时，端电压降低(jingd)；助磁时端电压升高；助磁时端电压升高。第35页/共104页第三十六页，共104页。当当角为不同值的电枢角为不同值的电枢(din sh)反反应应位置位置电枢反应性质电枢反应性质负载性质负载性质=0=00 0q q轴轴交轴交轴R R=90=900 0d d轴轴直、去直、去L L=-90=-900 0d d轴轴直、增直、增C C0 00 090900 0d d、q q轴轴交、直去交、直去

24、R R、L L-90-900 0000 0d d、q q轴轴交、直增交、直增R R、C C第36页/共104页第三十七页，共104页。励磁磁动势和电枢(din sh)磁动势的区别基波波形基波波形幅值大小幅值大小位位 置置转转 速速励磁励磁磁动势磁动势正弦波正弦波恒定，由励磁恒定，由励磁电流决定电流决定由转子位置由转子位置决定决定由原动机的由原动机的转速决定转速决定电枢电枢磁动势磁动势正弦波正弦波恒定，由电枢恒定，由电枢电流决定电流决定由电流瞬时由电流瞬时值决定值决定由电流的由电流的 f 和和p p决定决定第37页/共104页第三十八页，共104页。同步发电机负载同步发电机负载(fzi)运行时物

25、理量的关系：运行时物理量的关系：fI主极fF00EEaEaaFI电枢E)(XIjE6.3 6.3 隐极同步发电机的电压隐极同步发电机的电压(diny)(diny)方程、相量图方程、相量图 和等效电路和等效电路第38页/共104页第三十九页，共104页。 采用发电机惯例，以输出电流作为采用发电机惯例，以输出电流作为(zuwi)(zuwi)电枢电流的正方向电枢电流的正方向时，电枢的电压方程为时，电枢的电压方程为: : 因为电枢反应因为电枢反应(fnyng)(fnyng)电动势电动势EaEa正比于电枢反应正比于电枢反应(fnyng)(fnyng)磁通磁通aa不计磁饱和时，不计磁饱和时，aa又正比于电

26、枢磁动势又正比于电枢磁动势FaFa和电枢电流和电枢电流I I，即，即: :aaEI第39页/共104页第四十页，共104页。 式中，式中，XsXs称为隐极同步电机的同步电抗，称为隐极同步电机的同步电抗，Xs=Xa+XXs=Xa+X，它，它是对称是对称(duchn)(duchn)稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两个效应的一个综合参数。不计饱和时，个效应的一个综合参数。不计饱和时，XsXs是一个常值。是一个常值。隐极同步隐极同步(tngb)发电机发电机的等效电路：的等效电路： 0EaR E IUaXsXX第40页/共104页第四十一页，共104页。0aaE 0

27、 E E I XI jaXIj 90 UaRI 第41页/共104页第四十二页，共104页。0EaRIUsXIj0第42页/共104页第四十三页，共104页。Xs X Xa 第43页/共104页第四十四页，共104页。 考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理不再适用。此考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理不再适用。此时，应先求出作用在主磁路上的合成磁动势时，应先求出作用在主磁路上的合成磁动势F F，然后利用电机的磁，然后利用电机的磁化曲线化曲线 ( (空载曲线空载曲线) ) 求出负载求出负载(fzi)(fzi)时的气隙磁通时的气隙磁通 及相应及相应的气隙电动势的气隙电动势 。第44页/共

28、104页第四十五页，共104页。或或 从气隙电动势从气隙电动势 减去电枢绕组的电阻减去电枢绕组的电阻(dinz)(dinz)和漏抗压降，和漏抗压降，使得电枢的端电压使得电枢的端电压 ，即：，即： XIjfFaaFkF E U IaRI 电动势电动势磁动势图：磁动势图：第45页/共104页第四十六页，共104页。6.4 6.4 凸极同步发电机的电压凸极同步发电机的电压(diny)(diny)方程和相量图方程和相量图 考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成(fn chn)(fn chn)直轴和交轴电枢反应分别来处理，就称为双直轴和交轴电枢反应分别来

29、处理，就称为双反应理论。反应理论。 凸极同步电机的极面下气隙较小，两极之间气隙较凸极同步电机的极面下气隙较小，两极之间气隙较大，故直轴下单位面积的气隙磁导大，故直轴下单位面积的气隙磁导d (dd (d00d) d) 要比交轴下单位面积的气隙磁导要比交轴下单位面积的气隙磁导q (qq (q00q) q) 大很多。大很多。 第46页/共104页第四十七页，共104页。轴轴dad q 轴轴d轴轴qaqF0 adFNS aF第47页/共104页第四十八页，共104页。fIfF00EEadEadadFaFIaqaqEaqFEXI j2 2、凸极同步、凸极同步(tngb)(tngb)发电机的电压方程和相量

30、图发电机的电压方程和相量图不考虑磁饱和时同步发电机负载不考虑磁饱和时同步发电机负载(fzi)运行时物理量的关运行时物理量的关系：系：第48页/共104页第四十九页，共104页。不计磁饱和不计磁饱和(boh)(boh)时：时： 从气隙电动势中减去电枢绕组的电阻从气隙电动势中减去电枢绕组的电阻(dinz)和漏抗和漏抗压降，便得电枢的端电压。压降，便得电枢的端电压。 采用发电机惯例，电枢的电压方程为：采用发电机惯例，电枢的电压方程为：第49页/共104页第五十页，共104页。考虑考虑(kol) (kol) ，可得：，可得： 由于由于(yuy) (yuy) 和和 分别滞后分别滞后 和和 900 900

31、电角度，可电角度，可以用相应的负电抗压降来表示：以用相应的负电抗压降来表示：式中，式中，XdXd和和XqXq分别称为直轴同步分别称为直轴同步(tngb)(tngb)电抗和交轴同步电抗和交轴同步(tngb)(tngb)电抗。电抗。式中，式中，Xad和和Xaq分别称为分别称为直轴电枢反映电抗直轴电枢反映电抗和和交轴电枢反映电交轴电枢反映电抗抗。第50页/共104页第五十一页，共104页。凸极同步凸极同步(tngb)发电机的向量图发电机的向量图0qI0E 0 UdIqqXI jIaRIddXI j第51页/共104页第五十二页，共104页。 引入一个引入一个(y )(y )虚拟电动势虚拟电动势 ，使

32、，使 可得：可得：由相量图可确定由相量图可确定(qudng)：第52页/共104页第五十三页，共104页。 QEsR IUqX凸极同步凸极同步(tngb)发电机的等效电路发电机的等效电路第53页/共104页第五十四页，共104页。3 3、直轴和交轴同步、直轴和交轴同步(tngb)(tngb)电抗电抗的意义的意义 由于由于(yuy)电抗与绕组匝数的平方和所经磁路的磁导成电抗与绕组匝数的平方和所经磁路的磁导成正比，所以：正比，所以：)( 直轴电枢直轴电枢(din sh)磁导磁导交轴电枢磁导交轴电枢磁导第54页/共104页第五十五页，共104页。第55页/共104页第五十六页，共104页。Xd X

33、Xad ， Xq X Xaq第56页/共104页第五十七页，共104页。第57页/共104页第五十八页，共104页。6.5 6.5 同步发电机的功率同步发电机的功率(gngl)(gngl)方程和转矩方程方程和转矩方程1 1、功率方程和电磁功率、功率方程和电磁功率 功率方程：功率方程： 若转子励磁损耗由另外的直流电源供给，则发电机轴上若转子励磁损耗由另外的直流电源供给，则发电机轴上输入的机械功率输入的机械功率PlPl扣除机械损耗扣除机械损耗PP和定子铁耗和定子铁耗PFePFe后，余下后，余下的功率将通过旋转磁场和电磁感应的作用，转换成定子的电的功率将通过旋转磁场和电磁感应的作用，转换成定子的电功

34、率，所以功率，所以(suy)(suy)转换功率就是电磁功率转换功率就是电磁功率PePe，即：，即： 再从电磁功率再从电磁功率PePe中减去电枢中减去电枢(din sh)(din sh)铜耗铜耗PCuaPCua可得电枢可得电枢(din sh)(din sh)端点输出的电功率端点输出的电功率P2P2；即：；即：第58页/共104页第五十九页，共104页。电磁电磁(dinc)(dinc)功率：功率： aRI 0 U E QE 0EI XI j从向量从向量(xingling)图导出图导出第59页/共104页第六十页，共104页。可见可见(kjin)(kjin)：故同步电机的电磁故同步电机的电磁(din

35、c)(dinc)功率亦可写成：功率亦可写成： 上式的第一部分与感应电机的电磁上式的第一部分与感应电机的电磁(dinc)(dinc)功率表达式相同，第二功率表达式相同，第二部分则是同步电机常用的。对于隐极同步电机，由于部分则是同步电机常用的。对于隐极同步电机，由于EQ=E0EQ=E0，故有：，故有： 第60页/共104页第六十一页，共104页。2 2、转矩方程、转矩方程(fngchng)(fngchng)把功率方程把功率方程(fngchng)除以同步角速度，可除以同步角速度，可得转矩方程得转矩方程(fngchng)：式中，式中，T1T1为原动机的驱动转矩为原动机的驱动转矩,Te,Te为电磁为电磁

36、(dinc)(dinc)转矩转矩,T0,T0为空载为空载转矩，分别为：转矩，分别为：第61页/共104页第六十二页，共104页。6.7 6.7 同步发电机的运行同步发电机的运行(ynxng)(ynxng)特性特性 同步发电机的稳态运同步发电机的稳态运行特性包括外特性、调整行特性包括外特性、调整特性和效率特性。特性和效率特性。 外特性：外特性： 外特性表示外特性表示(biosh)(biosh)发电机的转速为同步转速发电机的转速为同步转速，且励磁电流和负载功率，且励磁电流和负载功率因数不变时，发电机的端因数不变时，发电机的端电压与电枢电流之间的关电压与电枢电流之间的关系：即系：即n nnsns，I

37、f=If=常值，常值，cos=cos=常值时，常值时， U=f (I) U=f (I)。IUNIONUcos=0.8（滞后）滞后）cos=1cos=0.8（超前）超前）第62页/共104页第六十三页，共104页。调整特性：调整特性： 调整特性表示发电调整特性表示发电机的转速为同步转速、机的转速为同步转速、端电压为额定电压、负端电压为额定电压、负载的功率因数不变时，载的功率因数不变时，励磁电流与电枢励磁电流与电枢(din (din sh)sh)电流之间的关系；电流之间的关系；即即n nnSnS，U =UNU =UN，cos=cos=常值时，常值时，If=f If=f (I)(I)。IfIcos=

38、0.8滞后滞后cos=1cos=0.8超前超前O第63页/共104页第六十四页，共104页。1. 投入并联的条件投入并联的条件(tiojin)和方法和方法2. 与电网并联的功角特性与电网并联的功角特性3. 有功功率的调节与静态稳定有功功率的调节与静态稳定4. 无功功率的调节无功功率的调节 第64页/共104页第六十五页，共104页。l一台发电机独立向负载供电的缺点一台发电机独立向负载供电的缺点l每一台发电机的容量有限制。每一台发电机的容量有限制。l若负载经常变化若负载经常变化(binhu)，轻载时运行效率低，轻载时运行效率低。l发电机检修则需要停电；否则要备用一台同容量发电机检修则需要停电；否

39、则要备用一台同容量的机组，平时却不用，不经济。的机组，平时却不用，不经济。l一台发电机供电，供电的品质会受影响一台发电机供电，供电的品质会受影响l频率和电压会变化频率和电压会变化(binhu)（负载突变时）。（负载突变时）。一般一般(ybn)在较偏远或无法与电网相联的场合下使在较偏远或无法与电网相联的场合下使用。用。1. 并联投入并联投入(tur)的条件和的条件和方法方法第65页/共104页第六十六页，共104页。 无限大电网的概念无限大电网的概念(ginin)：现代电力系统（电网）通常总是由许：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行。多发电厂

40、并联组成，每个电厂内又有多台发电机在一起并联运行。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联运行。 提高供电的质量；提高供电的质量； 并联运行的优点：并联运行的优点： 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并联运行问题，不仅具有理论意义，而研究同步发电机与电网并联运行问题，不仅具有理论意义，而且还有很大的实际意义。且还有很大的实际意义。第66页/共104页第六十七页，共104页。一台发电机单独一台发电机单独(dnd)供电时，电压的频率由原动机决定，调节供电时，电压的频率

41、由原动机决定，调节励磁电流可以调节电压的大小。励磁电流可以调节电压的大小。一台发电机并联于无限大电网运行时，调节原动机的转速不会改一台发电机并联于无限大电网运行时，调节原动机的转速不会改变其电压的频率；调节励磁电流也不能改变其电压的大小。变其电压的频率；调节励磁电流也不能改变其电压的大小。当一台发电机的容量远小于它所并联的电网的容量时，当一台发电机的容量远小于它所并联的电网的容量时，电网可看成是无限大电网。电网可看成是无限大电网。无限大电网的容量可近似无限大电网的容量可近似(jn s)认为是无穷大，电网的认为是无穷大，电网的电压和频率不变。电压和频率不变。第67页/共104页第六十八页，共10

42、4页。 同步发电机投入并联时，为了避免电机和电网中产生同步发电机投入并联时，为了避免电机和电网中产生(chnshng)冲击电流，以及由此在电机转轴上产生冲击电流，以及由此在电机转轴上产生(chnshng)的冲的冲击转距，待投入并联的发电机应当满足：击转距，待投入并联的发电机应当满足：投入并联投入并联(bnglin)的条的条件件（1） 发电机的相序应与电网发电机的相序应与电网(dinwng)一致；一致；（2）发电机的发电机的频率频率应与电网相同；应与电网相同；（3） 发电机的激磁电动势应与电网电压发电机的激磁电动势应与电网电压大小相同，相位大小相同，相位 相同相同，第68页/共104页第六十九页

43、，共104页。分析：分析：1）相序不同）相序不同(b tn)；2）频率不同）频率不同(b tn)；3）电压）电压不同不同(b tn)。第一个条件必须第一个条件必须(bx)满足，其余两个条件允许有些差满足，其余两个条件允许有些差别。别。并连接线图和向量(xingling)图第69页/共104页第七十页，共104页。如何才能达到如何才能达到(d do)这些条件这些条件？关于相序问题：一般大型关于相序问题：一般大型(dxng)同步发电机的转向和相序在同步发电机的转向和相序在出厂以前都已经标定。对于没有表明相序的电机，可以利用相出厂以前都已经标定。对于没有表明相序的电机，可以利用相序指示器来确定。序指

44、示器来确定。要使发电机的频率、电压与电网相同，分别调节原动机的转速和发要使发电机的频率、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机的励磁(l c)电流就可以达到。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：fpns/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。第70页/共104页第七十一页，共104页。投入投入(tur)并联的方法并联的方法投入并联投入并联(bnglin)所进行的调节和操作过程称为整步。所进行的调节和操作过程

45、称为整步。实用的整步方法有两种：实用的整步方法有两种： 准确整步法准确整步法和和自整步法自整步法准确准确(zhnqu)整步法整步法：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，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：直接直接接法接法和和交叉接法。交叉接法。第71页/共104页第七十二页，共104页。 直接法是把三个同步指示灯分别跨接在电网直接法是把三个同步指示灯分别跨接在电网(dinw

46、ng)和发电和发电机的对应相之间，即接在机的对应相之间，即接在 之间。之间。（1）直接接法（又称灯光）直接接法（又称灯光(dnggung)熄灭法或暗灯法）熄灭法或暗灯法）灯光(dnggung)明灭的直接连接法第72页/共104页第七十三页，共104页。分析时将无限大电网分析时将无限大电网(dinwng)视为一台同步发电视为一台同步发电机，其电压的大小和频率不变。机，其电压的大小和频率不变。第73页/共104页第七十四页，共104页。起动起动(q dn)原动机，使其转速接近同步速；调节励磁电流，使发原动机，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

47、频率(pnl)：调节发电机的转速，到三个灯的亮度不再闪烁或闪烁频：调节发电机的转速，到三个灯的亮度不再闪烁或闪烁频率率(pnl)很低时，就表示很低时，就表示f f。电压电压(diny)的大小：调节发电机的励磁电流，使发电机的大小：调节发电机的励磁电流，使发电机电压电压(diny)与电网电压与电网电压(diny)相等。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，若轮流亮暗，则相序不灯光同时明暗，说明相序正确，若轮流亮暗，则相序不同。同。第74页/共104页第七十五页，共104页。(2) 交叉

48、交叉(jioch)接法（又称亮接法（又称亮灯法）灯法）交叉接法是把三个同步指示灯分别交叉接法是把三个同步指示灯分别(fnbi)跨接在电网和发跨接在电网和发电机的电机的 之间。之间。灯光旋转(xunzhun)的交叉连接法第75页/共104页第七十六页，共104页。第76页/共104页第七十七页，共104页。起动原动机，使其转速接近同步速；调节励磁电流起动原动机，使其转速接近同步速；调节励磁电流(dinli)，使发电，使发电机的电压接近电网电压。机的电压接近电网电压。频率：调节频率：调节(tioji)发电机的转速，到灯光旋转速度很低时，就表发电机的转速，到灯光旋转速度很低时，就表示示f f。电压的

49、大小电压的大小(dxio)：调节发电机的励磁电流，使发电机电压：调节发电机的励磁电流，使发电机电压与电网电压相等。与电网电压相等。电压的相位：电压的相位：A相相灯灭灯灭（UAA=0）时，）时，且且BC相灯亮度相同时，相灯亮度相同时，即可合闸投入并联。即可合闸投入并联。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。第77页/共104页第七十八页，共104页。准确整步法的优点是可以比较准确地确定合闸时刻，投入准确整步法的优点是可以比较准确地确定合闸时刻，投入瞬间电网和电机没有瞬间电网和电机没有 （或很少）冲击；缺点是整步手续（或很少）冲击；缺点是整步手续比较复杂，时

50、间长，不能满足快速比较复杂，时间长，不能满足快速(kui s)并网要求。并网要求。实际实际(shj)中，在需要将发电机很快投入并网运行时，中，在需要将发电机很快投入并网运行时，可采用自整步法。可采用自整步法。第78页/共104页第七十九页，共104页。自整步法自整步法自整步法自整步法(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(bn wn)；(5) 加励磁电流。加励磁电流。操作操作(cozu)简单，装置简单，但是合闸有较大的简单，装置简单，但是合闸有较大的电流冲击（达

51、额定电流的电流冲击（达额定电流的38倍）。倍）。第79页/共104页第八十页，共104页。2. 与电网并联与电网并联(bnglin)时同步发电机的功角特性时同步发电机的功角特性当当E0和和U保持不变时，发电机发出的电磁功率保持不变时，发电机发出的电磁功率(gngl)与功率与功率(gngl)角之间的关系角之间的关系Pef( )称为功角特性。称为功角特性。设法设法(shf)消去消去Id和和Iq第80页/共104页第八十一页，共104页。凸极机功角特性凸极机功角特性(txng)曲曲线线为基本为基本(jbn)电磁功率电磁功率基本基本(jbn)电磁功率与激磁电动势成正比，与端电压成正比电磁功率与激磁电动

52、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。cos sin0UEXIUXIddqq第81页/共104页第八十二页，共104页。凸极机功角特性凸极机功角特性(txng)曲线曲线附加电磁功率附加电磁功率(gngl)与激磁电动势（电流）的大小无关，且与激磁电动势（电流）的大小无关，且仅当仅当 时时 才存在，它是由凸极效应（即交才存在，它是由凸极效应（即交、直轴磁阻不相等）所引起，故亦称为磁阻功率、直轴磁阻不相等）所引起，故亦称为磁阻功率(gngl)。在。在隐极同步电机中附加电磁功率隐极同步电机中

53、附加电磁功率(gngl)等于零。等于零。当当时达到时达到(d do)最大值。最大值。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之间达到最大值之间达到最大值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)的相对大小而定的相对大小而定。第82页/共104页第八十三页，共104页。对于隐极电机，由于对于隐极电机，由于(yuy)XdXqXs，附加电磁功率为零，附加电磁功率为零，故故Pe就等于基本电磁功率就等于基本电磁功率对于凸极电机，电磁对于凸极电机，电磁(dinc)功率功率Pe亦可以写成亦可以

54、写成要注意要注意(zh y)，式中的，式中的EQ为虚拟电动势，为虚拟电动势，EQ本身也是功本身也是功角角的函数，随着负载的变化而变化。的函数，随着负载的变化而变化。)(0qddQXXI jEE第83页/共104页第八十四页，共104页。功率功率(gngl)角的空间含角的空间含意意功率角功率角 亦可看作是合成磁场滞后亦可看作是合成磁场滞后(zh hu)空载磁场的角度。空载磁场的角度。第84页/共104页第八十五页，共104页。3. 有功功率有功功率(gngl)的调节和静态稳定的调节和静态稳定(1) 有功有功(yu n)功功率的调节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功功以隐

55、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。为简化率的调节。为简化(jinhu)分析，略去电枢电阻和磁饱和的影分析，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，功率角0有功功率的调节有功功率的调节电磁转距电磁转距Te 0，发电机在电网上处，发电机在电网上处于空载状态；原动机的驱动转矩仅于空载状态；原动机的驱动转矩仅用于克服发电机的空载转矩。用于克服发电机的空载转矩。第85页/共104页第八十六页，共104页。欲使发电机输出有功功率，根据欲使发电机输出有功功率，根据(gnj)能量守恒原理，应当增加发电能量守恒原理，应当增加发电机的输入功率，即调节原动机，这可

56、以由开大汽轮机的汽门（或水轮机的输入功率，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。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也增大，发电机的转子加速，于也增大，发电机的转子加速，于是是(ysh)与转子主磁场相对应的电动势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。根据根据(gnj)功角特性，此时发电机将向电网输出一定的有功功率功角特性，此时发电机将向电网输出一定的有功功率P2。第86页/共104页第八十七页，共104页。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

57、和制动的电，使驱动转矩和制动的电磁转矩重新取得平衡；转子转速仍然保持磁转矩重新取得平衡；转子转速仍然保持(boch)为同步转速。此时为同步转速。此时发电机已处于负载运行状态，如图中的发电机已处于负载运行状态，如图中的A点所示。点所示。隐极机功角特性隐极机功角特性(txng)曲线曲线第87页/共104页第八十八页，共104页。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，使功率角输出功率，使功率角 增大，电磁功率和输出功率便会相应的增大，电磁功率和输出功率便会相应的增加；直到增加；直到(zhdo)90时，电磁功率达到最大值时

58、，电磁功率达到最大值Pe（max）。）。在电机在电机(dinj)的最大功率增大到的最大功率增大到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。否则驱动转矩与制动转矩不能实现平衡，发电机(dinj)将会失去将会失去同步。同步。第88页/共104页第八十九页，共104页。(2) 静态静态(jngti)稳定稳定 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（电网或同步发电机，当外界（电网或原动机）发生微小的扰动时，原动机）发生微小的扰动时，工作点发生偏移，扰动消失后工作点发生偏移，扰动消失后，发电机能回到原先状态稳定，发电

59、机能回到原先状态稳定(wndng)运行，称为同步发电运行，称为同步发电机静态是稳定机静态是稳定(wndng)的；否的；否则是静态不稳定则是静态不稳定(wndng)的。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点，看发电机的稳定运行(ynxng)情况情况。整步功率和静态稳定整步功率和静态稳定第89页/共104页第九十页，共104页。当90时，0ddPe发电机就变为不稳定。整步功率整步功率(gngl)系数系数功率角越接近90ddPe越小， 发电机静态稳定程度也越低第90页/共104页第九十一页，共104页。 以隐极电机以隐极电机(dinj)为例，说明同步发电机为例，说明同步发电机(dinj)与无与无穷大电网并联时无功功率的调节。穷大电网并联时无功功率的调节。忽略电枢忽略电枢(din sh)电阻，原动机的输入功率保持不变。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，发电机的电磁功率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