第6章同步电机.ppt

1、第6章 同步电机,河北科技大学 石家庄铁道大学,电机学,6.1 同步电机的基本结构和运行状态,6.1.1概述 同步电机与异步电机的根本区别是转子装有 磁极，并通入直流电励磁，因而具有确定的 极性。 同步电机的运行特点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） 严格同步，故同步电机由此而得名。,同步发电机，其发出的电动势频率满足,同步电动机，其转子转速满足,我国规定交流电网的标准工作频率为50Hz ，当p=1时，n=3000转/分，为同步发电机最高转速。,6.1.2 同步电机的分类,（1）按运行方式和功率转换方向，同步电机可分为以下几种： 发电机把机械能转换为电能； 电动机把电能

2、转换为机械能 补偿机基本上不转换有功功率，而专门用来调节电网的无功功率，改善电网的功率因数。补偿机又称调相机。,6.1.2 同步电机的分类,（2）按原动机的类别，同步电机可分为以下几种： 汽轮发电机； 水轮发电机； 柴油（或汽油）发电机； 风力发电机,火力发电（电能的产生）,热电厂 1 煤传送带 2 加煤机 3 粉碎机 4 锅炉 5 煤渣 6 空气预热器 7 静电除尘 8 烟囱 9 汽轮机 10 冷凝器 11变压器 12 冷却塔 13 发电机 14 输电线,燃烧室,燃料,锅炉的炉膛,循环水,汽轮机,发电机,升压变压器,超热高压蒸汽,电能输出,火力发电（电能的产生）,火力发电,励磁机,汽轮机,发

3、电机,水利发电站的示意图,水力发电站,小浪底电站水轮机组安装,三峡电站首台水轮机组安装,GF1 系列单相柴油发电机组,GF2 系列三相柴油发电机组,一般采用旋转磁极式结构，根据磁极形状可分为隐极和凸极两种型式。,同步电机按结构型式 ： 旋转磁极式和旋转电枢式。,凸极同步电机气隙不均匀，适合于中速或低速旋转场合 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,隐极转子,凸极转子,6.1.3 同步电机的工作原理,原动机拖动转子以恒定速度旋转，励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组。定子绕组中将会感应出三相对称的正弦感应电动势。各相距120，从而三相电动势时间相位差120，实现机械能

4、转换为电能。,励磁绕组通以直流电流时，在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(主磁场)。,6.1.4 隐极同步电机的基本结构,隐极式汽轮发电机大多作成两极的，同步转速为3000r/min（50Hz）,由于转速高，所以汽轮发电机的直径较小，长度则较长,汽轮发电机由定子、转子、端盖及轴承等部件构成,1. 定子,定子是由铁心、绕组、机座以及固定这些部件的其它结构件组成 定子铁心一般采用厚度为0.35mm或0.5mm含硅量较高的无取向冷轧硅钢片分组叠压而成。,大型汽轮发电机定子铁心槽,2. 转子,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，有一部分开的槽较

5、多，那里的齿较窄，称为小齿；在另一部分没有开槽，形成了大齿。大齿的中心线就是主磁极的中心。,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,凸极同步电机通常分为卧式和立式两种结构。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式结构。,1. 卧式凸极同步电机的特点,卧式凸极同步电机的转子由主磁极、磁轭、励磁绕组、阻尼绕组、集电环和转轴等部件组成。,注意： 书P228图6-6有错,阻尼绕组,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。在同步

6、发电机中，阻尼绕组起抑制转子机械振荡的作用；在同步电动机和同步补偿机中，阻尼绕组在电机起动时可产生异步起动转矩，主要作为起动绕组用。,2. 立式凸极同步电机的特点,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、轴向长度短，外形短粗，呈扁盘形。 立式水轮发电机分为悬式和伞式两种形式： 1)悬式水轮发电机运行稳定，适用于转速高的水轮发电机组。 2)伞式水轮发电机轴向长度小，可以降低厂房高度，用于低速水轮发电机组。,6.1.6 同步电机的运行状态,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，两者保持相对静止。 同步电机有三种运行状态：发电机、电动机和

7、补偿机（又称调相机）。同步电机运行于哪一种状态，主要取决于气隙合成磁场与转子主极磁场之间的夹角，此角称为功率角。,同步电机的三种状态,转子主极磁场超前于 合成气隙磁场,转子主极磁场与 合成气隙磁场轴线重合,转子主极磁场滞后于 合成气隙磁场,0,=0,0,1.直流励磁机励磁,这种励磁方式以直流发电机作为励磁电源，在同步发电机发展的早期历史，首先获得应用。目前中、小型发电机还有一部分采用这种励磁方式。直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或者他励接法，或采用负载电流反馈的复式励磁。采用他励接法时，励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给 ，如图所示。,6.1.7 同步电机的励

8、磁方式,2.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，待电压建立起来后再转为自励(或用永磁发电机)。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。,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,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，在大容量的同步发电机中，将主励磁机作成旋转电枢式（见P225图6-2电枢交流输出本身是旋转的），并将整流器也固定在转轴上一起旋转，省去集电环。,3.旋转整流器励磁,省去集电环,动

9、,动,6.1.8 同步电机的额定值,1. 额定电压 UN ：线电压的额定值。 2. 额定电流 IN ：线电流的额定值。 3. 额定功率 PN ：输出功率的额定值。,5. 额定转速 nN ：额定运行时的转速。 6. 额定功率因数 cos N ：额定运行时的功率因数。,7. 额定励磁电压 UfN ,额定励磁电流 IfN ： 保证输出额定值时需要的励磁量,4. 额定容量 SN ：额定运行时输出的容量。,注意关于额定功率：,同步发电机是指额定运行时输出的电功率；,同步电动机是指额定运行时轴上输出的机械功率；,补偿机是指额定运行时输出的无功功率以kvar或Mvar表示 。,6.2 空载和负载时同步发电机

10、的磁场,6.2.1 空载时同步发电机的磁场 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）绕组开路的运行状态，称为同步发电机的空载运行。 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。而由励磁电流单独产生的磁动势Ff和磁场，称为励磁磁动势和励磁磁场 （又称主极磁场）,1. 空载运行时的物理情况,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：,f =,2. 同步电机的空载特性,E0 = f (I f),因为Ff If E0 0 所以可反映 0= f (F f),0较小时，磁路不饱和， 空载曲线是一条直线； 随 o的增大，铁心逐

11、渐饱和， 空载曲线弯曲。,气隙线：不计铁心磁阻的空载特性曲线。,6.2.2 同步发电机的电枢反应,当同步发电机带上三相对称负载后，电枢产生同步旋转的磁动势Fa，并与转子保持同步。 气隙合成磁动势由电枢磁动势以及主极磁动势共同产生：,主磁极基波磁动势,电枢反应的性质（增磁、去磁和交磁）还取决于Fa和Ff1之间的相对位置关系,现定义一个新变量：内功率因数角,能放映Fa和Ff1之间的关系,对应,下面我们根据负载性质讨论,介绍时-空矢量图的绘制方法,同步电机中需要定义坐标轴定义: 直轴（纵轴或d轴）：主磁极轴线位置； 交轴（横轴或q轴）：与直轴成90度电角度的位置； 相轴：一般取A相绕组的轴线为参考轴

12、； 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,1、根据负载性质定出,4、画出与对应的,2、选时轴、相轴和q、d轴,3、画Ff1在d轴上， E0在q轴上,5、Fa与I同“相”，,步骤：,逆时针为正方向,电枢磁动势Fa恰好在交轴上，此时称为交轴电枢反应。 交轴电枢磁动势不仅使气隙合成磁动势的幅值有所增大，而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后移了一个锐角，使主极磁动势超前气隙合成磁动势。,逆时针为正方向,1） =0 时的电枢反应,逆时针为正方向,转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相反，电枢反应为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小。这一电枢反应称

13、为直轴去磁电枢反应。,2） =90 时的电枢反应,3） =-90 时的电枢反应,此时Ff与Fa同相，转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相同，电枢反应为纯增磁作用，合成磁势的幅值加大，这一电枢反应称为直轴增磁电枢反应,逆时针为正方向,4）一般情况下时的电枢反应 090,如图，此时电枢反应的性质即有交磁电枢反应，又有直轴去磁电枢反应,起交磁作用。,6.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路,6.3.1 不考虑饱和时的电压方程、相量图和等效电路 1）电磁过程,气隙电动势,2)不考虑磁饱和时的电压方程,Ea滞后I 90度,电枢电抗,电枢漏抗,电压方程,同步电抗,同步电抗：,Xs称为隐极同

14、步电机的同步电抗，它是对称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，Xs是一个常值。,同步电抗的物理意义：表征地对称负载下单位电枢电流三相联合产生的电枢总磁场在电枢每相绕组中感应电势,s,X,X,X,a,s,+,=,s,X,X,X,a,s,并且有,补充：,等效电路,三相对称 取一相分析,向量图,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 U与I中间的夹角 2.内功率因数角 E0与I之间的夹角 3.功角(功率角) E0与U之间的夹角,.,.,.,.,.,.,6.3.2 考虑饱和时的电压方程和相量图,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

15、，由于磁化曲线的非线性，叠加原理不再适用。 主磁路上的基波合成磁动势：,此处,不能简单等于,该过程要借助空载特性完成,电压方程：,或,6.4 凸极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路,6.4.1 双反应理论 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。,隐极机: 气隙均匀，m 为常数,I,E,X,E,F,I,a,a,a,a,a,=,F,电枢反应可用Xa直接表达出来,为了便于分析和计算勃郞德（Blondel）引入双反应理论。双反应理论分析过程是: 双反应理论电枢基波磁势Fa分

16、解为直轴上的直轴电枢反应磁势分量Fad和交轴上的交轴电枢反应磁势分量Faq,双反应理论：,把电枢的基波磁动势Fa分解成直轴磁动势Fad和交轴磁动势Faq两个分量，再分别求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方法，称为双反应理论。,电枢磁势和电枢电流的分解,电枢磁势的分解,电枢电流的分解,6.4.2 不考虑饱和时的电压方程、相量图和等效电路,电枢电压方程式：,与隐极同步发电机类似,直轴反应电抗,交轴反应电抗,代入,考虑,=,=,直轴同步电抗,交轴同步电抗,不考虑饱和时的相量图,=,逆时针为

17、正方向,可得到该向量图,内功率因数角： 只是分析中的一个辅助量，并不能事先给定 ，需根据其他参数求出来,为求解内功率因数角引入虚拟电动势 的概念,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，它只是方便大家计算内功率角的一个中间变量,定义：,y,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和功角时常常用到。,a,R,相关计算实例见书P244例6-1,6.4.3 考虑饱和时的电压方程和相量图,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。,Fad和Faq折算到励磁绕组 的等效方波励磁磁动势,虑到交轴方面的气隙较大，交轴磁路基本是

18、线性的，因此与不计饱和时相类似,6.5 同步发电机的功率方程和转矩方程,I f B0 pFe 铁心损耗 （转子铁心中磁场恒定，无铁耗）,P1-p-pFe-p = Pe,ns ,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：,6.5.1 同步发电机的功率方程,6.5.2 同步发电机的电磁功率,对于凸极电机,y,由图可见,对于隐极电机,6.5.3 同步发电机的转矩方程,输入转矩,空载转矩,电磁转矩,6.6 同步发电机的运行特性及参数的测定,6.6.1 用空载特性、短路特性求取同步电抗的不饱和值和短路比 （1）空载特性 空载特性试验方法：用原动机把被试同步发电机拖动到

19、同步转速，然后改变励磁电流，并记取相应的电枢端电压,直到1.3UN 左右，可得空载特性,（2）短路特性,试验条件,电枢绕组短路 用原动机把被试同步电机拖动到同步转速,试验目的,测得短路特性：I=f(If),调节励磁电流使电枢电流 I 从零一直增加到1.2IN左右，便可以得到短路特性曲线。,短路试验时磁路不饱和，空载电动势应在气隙线上查取。,所计算的电抗Xd为不饱和电抗,因为短路时,（3）利用空载特性和短路特性确定,Xd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，如果不计漏阻抗压降，则可近似地认为取决于电枢的端电压。,正

20、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Xd值作为其饱和值。,(4)利用空载特性和短路特性求短路比,路比是同步发电机的一个重要数据,是指同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与额定电流之比值.,所以,相关计算实例见书 P250例6-2,6.6.2 用转差法测定同步电抗,试验时转子（励磁）绕组应开路，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（215）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。调节原动机的转速，使被试电机的转差率小于0.0

21、1，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，用示波器拍摄电枢电压、电枢电流的波形。,由于没有励磁电流 E0=0,一般电枢电阻可忽略,0=,当电枢旋转磁场的轴线与直轴重合时,当电枢旋转磁场的轴线与交轴重合时,6.6.3 零功率因数负载特性及漏电抗的求取,1. 零功率因数负载特性（简称零功率因数特性）,常数， 时的,，,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，所需励磁磁动势 应大于 。增加的励磁磁动势有两部分：其中一部分 用以克服电枢漏抗压降 的作用；另一部分

22、 用以抵消电枢等效磁动势 的去磁作用。,由于电枢电流的大小和相位不变，三角形AEF也不变，称为特性三角形。,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 和电枢反应等效磁动势 。,(2)由空载特性和零功率因数负载特性求 和,过 点作气隙线的平行线，与空载特性交于E点。从E点作铅垂线，并交 于A点，得特性三角形 。,在零功率因数特性上取 F点和K点。通过F点作平行于横坐标的水平线，并截取线段 。,6.6.4 同步发电机的外特性,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，发电机的端电压与电枢电流之间的关系： 即nn1，If=常值，cos=常值时，U=f

23、(I)。,在感性负载和纯电阻负载时，外特性是下降的，这是由于电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降所引起。在容性负载且内功率因数角为超前时，由于电枢反应的增磁作用和容性电流的漏抗电压上升，外特性亦可能是上升的。,电压调整率定义：,6.6.5 同步电机的调整特性和效率特性,1. 同步发电机的调整特性 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，必须调节发电机的励磁电流。 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、负载的功率因数不变时，励磁电流与电枢电流之间的关系 。,在感性负载和纯电阻负载时，为补偿电枢电流所产生的去磁性电枢反应和漏阻抗压降，随着电枢电流的增加，必须

24、相应地增加励磁电流，此时调整特性是上升的。在容性负载时，调整特性亦可能是下降的。从调整特性可以确定额定励磁电流,2. 同步电机的效率特性,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，发电机的效率与输出功率的关系； 即nn1，U =UN，cos= cosN时，=f(P2)。,同步电机各种损耗：,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。 电枢基本铁耗是指主磁通在电枢铁心齿部和轭部中交变所引起的损耗。 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。 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

25、损耗。 机械损耗包括轴承、电刷摩擦损耗和通风损耗。 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，高次谐波磁场掠过主极表面所引起的表面损耗等。,现代空气冷却的大型水轮发电机，额定效率大致在9698.5这一范围内；,空冷汽轮发电机的额定效率大致在9497.8这一范围内；氢冷时，额定效率约可增高0.8。,6.6.6 用电动势磁动势图求取额定励磁电流和电压调整率,已知：,发电机的空载特性E0=f(If) 电枢电阻Ra 电枢漏抗（波梯电抗）Xp 额定电流时的电枢等效磁动势kaFa 电机的额定数据（每相值）,就可画出电动势磁动势矢量图，从而求出额定励磁电流和电压调整率。,1）先求

26、出额定情况下发电机的气隙电动势E；,将电压U画在纵轴上,2）在空载曲线上查取产生E所需的合成磁动势；,E,U,F,E,F,3）求出额定励磁磁动势,U,F,E,F,5）求出励磁磁动势下的空载电动势E0,4）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。,6）计算u,6.7 同步发电机与电网的并联运行,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）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。,同步发电机与电网并联运行有许多优点：,（1）提高了供电的可靠性 一台发

27、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。 （2）提高了供电的经济性和灵活性 在用电高峰期和低谷期，可以灵活地决定投入并联的发电机数量，提高发电机的效率。 （3）提高了供电质量 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,投入并联的条件 1）发电机的频率f与电网的频率f相同，即 ff。 2）发电机与电网的电压波形相同。 3）发电机的励磁电动势应与电网电压的幅 值大小相等。 4）并联合闸瞬间，发电机与电网对应相的电压 应同相位。 5）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。,2. 同步发电机投入并联的方法,为了投入并联所进行

28、的调节和操作过程，称为整步过程。 实用的整步方法有两种，一种称为准确同步法，另一种称为自同步法。,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（灯光熄灭法） ：电机各端与电网同相端对应，三灯泡同时亮、暗，当灯泡亮、暗频率很低并且灯泡变暗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）：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(直接接法和交叉接法) 缺点：整步手续较复杂时间长，不能满足快速并网要求。,校验发电机的相序； 励

29、磁绕组经限流电阻短路； 发电机的转速接近同步速； 并网； 加励磁电流。,限流电阻作用： 直接开路，将在其中感应出危险的高压； 直接短路，将在定、转子绕组间产生很大的冲击电流。,6.7.2 与电网并联时同步发电机的功角特性,1. 凸极同步发电机的功角特性,且由下图,功角特性的表达式,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,对于隐极同步发电机,=,3. 功率角的物理意义,功率角有着双重的物理意义： 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； 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。,6.7.3 有功功率的调节和静态稳定,1. 有功功率

30、的调节,准确整步法并网时，,，功率角0,电磁转距Te0，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。,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门（或水轮机的水门）来实现。,原动机的功率增加时，驱动转矩T1增大，发电机的转子加速，于是与转子主磁场相应电动势E0将超前于电网电压U以角。,根据功角特性，此时发电机将向电网输出一定有功功率P2。,同时转子上将受到一个制动的电磁转矩Te，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转速。此时发电机已处于负载运行状态，如图中的A点,由此可见，要增

31、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 增大，电磁功率和输出功率便会相应的增加；直到90时，电磁功率达到最大值Pe（max）。,在电机的最大功率增大到Pe（max）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。,2. 静态稳定,稳态运行于某一工作点的同步发电机，当外界（电网或原动机）发生微小的扰动时，工作点发生偏移，扰动消失后，发电机能回到原先状态稳定运行，称为同步发电机静态是稳定的；否则是静态不稳定的。,正常工作于A点或B点，看发电机的稳定运行情况。,当90时，发电机是静态稳定的。,相关计算实例见 书P264例6-3,6.7.4 无功功率的

32、调节与V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功功率的调节。,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，发电机的电磁功率和输出的有功功率均应近似的保持不变。,1. 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 cos=1,过励 加大励磁电流，电枢电流将滞后于电网电压。,欠励 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“欠励”时，主

33、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。,当增加励磁电流并达到“过励”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、欠励是由功率因数角决定的；而电枢反应去磁或助磁是由内功率因数角决定的。,2. V形曲线,6.8 同步电动机与同步补偿机,同步电机的可逆原理,6.8.1 同步电动机的电压方程和相量图,改变电枢电流的参考方向，以输入电流作为电枢电流的正方向，记为IM，此时输入电功率为正值，电压方程式为,隐极同步电动机,画凸极同步电动

34、机向量图时，需要先确定0M角。,凸极同步电动机,6.8.2 同步电动机的功角特性,在电动机惯例下，把 滞后 的功率角为正，用M表示，则,这时电磁功率为正，表示从电能转换为机械能。,将上式除以同步角速度s，便得电动机的电磁转矩,同步电动机的电磁转矩是驱动性质的。,6.8.3 同步电动机的功率方程和转矩方程,功率方程,Pe=pFe+p+P2,Te=T0+T2,Te为电动机的电磁转矩,T0为空载转矩,T2为输出转矩,P1 = pcua+Pe,转矩方程,6.8.4 同步电动机的工作特性,U=UN、If=IfN时，Te、IM、cosM=f(P2)。,当输出功率P2=0时，电枢电流为很小的空载电流；随着输

35、出功率的增加，电枢电流也随之增大，电枢电流也随之增大，IM=f(P2)近似为一直线。,Te=f(P2)是一条直线,同步电动机的效率特性与其他电机基本相同。空载时，=0，随着输出功率的增加，效率逐步增加，达到某个最大之后开始下降。,同步电动机的功率因数特性与额定功率因数有关。,曲线1对应励磁电流较小，空载时功率因数等于1。,曲线2对应励磁电流稍大，半载时功率因数等于1。,曲线3对应励磁电流更大，满载时功率因数等于1。,改变励磁电流，可使电动机在任意特定负载下的功率因数达到1，甚至变成超前。,6.8.5 同步电动机无功功率的调节和V形曲线,1. 同步电动机无功功率的调节,发电机励磁电势等于端电压，

36、电枢电流为零，且不存在电枢电势，励磁绕组的主磁势与合成磁势相等，此时称发电机正常励磁,若增大励磁，电机便处于“过励”状态，此时电枢电流将超前电枢电压，电枢电流较正常励磁时大。反之，若减小励磁，电机便处于“欠励”状态，此时电枢电流 将滞后电枢电压，电枢电流值也比正常励磁时大。,2. 同步电动机的V形曲线,U=UN，Pe=C时，IM=f(If)。,6.8.6 同步电动机的启动,同步电动机的电磁转矩是由定子（电枢）电流建立的旋转磁场与转子（主极）磁场相互作用而产生的，仅仅在两者相对静止时，才能得到恒定的电磁转矩。,同步电动机启动时的问题,起动时，在把定子直接投入电网，转子加上直流励磁的瞬间，定子三相

37、电流所产生的旋转磁场以同步转速旋转，而转子磁场静止不动，这时定、转子磁场之间具有相对运动，所以不能产生恒定方向的电磁转矩，故同步电动机不能起动。,电磁转矩的方向倾向于拖动转子逆时针方向旋转。但是，由于机械惯性，转子还未转起来，定子磁场已转了180，转子有倾向于顺时针转动，结果作用在转子上的电磁转矩快速地正、负交变，转子承受了一个交变的脉振转矩，其平均转矩为零，故同步电动机不能自行起动。,同步电动机常用的起动方法,1. 辅助电动机起动法,三相同步电动机 磁极对数：p 功率： PN,辅助电动机 磁极对数：p 功率：(10% 15%) PN,同步电动机接近同步转速时，合主闸， 并立即给同步电动机励磁

38、， 同步电动机自己被电网拉入同步。,2.变频起动法,缺点：需要配备和电动机功率所匹配的变频器,3. 异步起动法,起动过程： (1) 异步起动： 励磁绕组不能开路、短路，需接限流电阻：RS( 8 12 ) Rf (2) 牵入同步,笼型起动绕组,Q2,6.8.7 同步补偿机,1.同步补偿机的原理,同步补偿机可以看作为空载运行的同步电动机。在正常励磁时，电枢电流极小，接近于零。过励时，从电网吸收超前的无功电流；欠励时，则从电网吸取滞后的无功电流。,2. 同步补偿机的用途,由于电力系统的大部分负载为异步电动机，它们要从电网中吸取一定的滞后无功电流来建立电机内的磁场，致使整个电网的功率因数降低，线路的电

39、压降和铜耗增大，电站中同步发电机的容量不能有效利用。如果能在电网的受电端装设一台同步补偿机，使其从电网吸收超前的无功电流，则电网的功率因数就可以得到改善。,3. 同步补偿机的特点,1）同步补偿机的额定容量，是指过励时同步补偿机所能补偿的最大无功功率，它主要受定、转子绕组温升的限制。 2）由于补偿机不带任何机械负载，故可以没有轴伸，部件所受的机械应力也较低，转轴可以较细。 3）由于同步补偿机不拖动机械负载，因而没有静态过载能力的要求，因而同步电抗可设计得较大，使得气隙较小，励磁也较小，励磁绕组的用铜量减少、造价降低。 4）同步补偿机也存在起动问题，一般采用异步起动，转子上通常装有起动绕组。,6.

40、9 同步发电机的不对称运行,系统内部接有较大容量的单相负载，或由于某处发生不对称短路事故等导致同步发电机的不对称运行。 同步发电机不对称运行属于异常运行状态，即介于正常和具有破坏性事故运行之间的一种运行状态。本节将介绍如何用对称分量法来分析同步发电机不对称运行的电磁关系和对发电机的影响。,6.9.1 对称分量法,若电机为对称、磁路为线性，当电机端点加有三相不对称电压时，可以把不对称电压分解为正序、负序和零序三组对称电压，然后应用叠加原理，分别求出这三组电压单独作用时电机内的各序电流和电磁转矩，再把它们叠加起来，得到总的电流和电磁转矩，这就是对称分量法。,6.9.2 同步发电机的各相序电动势、相序阻抗和等效电路,1. 各相序电动势 由于转子的旋转方向是由轴轴轴，所以感应电动势的相序为，即为正序电动势。由于没有反转的励磁磁通，所以不会有负序电动势，更不会有零序电动势:,2. 正序阻抗,正序阻抗是转子通入励磁电流正向同步旋转时，电枢绕组中所产生的正序三相对称电流所遇到的阻抗。即正常稳态对称运行的同步电抗，对应的就是三相正序阻抗。所以正序阻抗就是同步阻抗的不饱和值。,对于隐极发电机,对于凸极发电机，由于气隙不均匀，仍用双反应理论，具体数值与正序磁动势和转子的相对位置有关，当发生三相稳态短路时，忽略电枢电阻，电枢反应磁通在直轴,3. 负序阻抗,在转子正向同步旋转