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1、电枢反应电抗和同步电抗的概念电枢反应电抗和同步电抗的概念1 1 隐极同步电机的电枢反应：隐极同步电机的电枢反应：隐隐极极同同步步电电机机有有一一个个特特点点就就是是定定转转子子之之间间的的气气隙隙是是匀匀整整分分布布的的。电电枢枢磁磁动动势势作作用用在在任任一位置，其效果是一样的一位置，其效果是一样的已知：已知：其中的其中的 称为电枢反应电抗。在同样大小称为电枢反应电抗。在同样大小电流状况下电流状况下,假如假如 越大，电枢反应电势越大，电枢反应电势也越大，表示着电枢磁势所产生的电枢也越大，表示着电枢磁势所产生的电枢磁通很强。因此磁通很强。因此 的大小可以说明电枢的大小可以说明电枢反应的强弱。反
2、应的强弱。当然，电枢电流除了产生主磁通外，还要当然，电枢电流除了产生主磁通外，还要产生确定的漏磁通，由于漏磁通也会交产生确定的漏磁通，由于漏磁通也会交链电枢绕组，所以对应产生电动势链电枢绕组，所以对应产生电动势v所所以以在在三三相相对对称称电电流流通通过过电电枢枢绕绕组组后后，所产生的匝链定子绕组的磁通为（所产生的匝链定子绕组的磁通为（），两两者者在在电电枢枢绕绕组组中中所所产产生生的的全全部部电电势势为为v式式中中 称称为为隐隐极极同同步步电电机机的的同步电抗。同步电抗。v这这样样同同步步发发电电机机在在负负载载下下，电电枢枢反反应应磁磁通通及及漏漏磁磁通通所所产产生生的的作作用用，可可以以
3、通通过过同同步步电电抗抗压压降降的的形式来表示了。形式来表示了。v同同步步电电机机在在正正常常状状态态下下工工作作，磁磁路路略略呈呈饱饱和和。磁磁路路的的饱饱和和程程度度越越高高，它它的的磁磁阻阻便便越越大大，所所对对应应的的电电抗抗便便函函越越小小。所所以以 或或 的的大大小小是是随随着磁路饱和程度的变更而变更的。着磁路饱和程度的变更而变更的。v2 2、凸极同步电机：、凸极同步电机：v凸凸极极同同步步电电机机的的特特点点就就是是气气隙隙分分布布不不匀匀整整。这这样样我我们们就就不不能能用用分分析析隐隐极极式式同同样样的的方方法法来来分分析析凸凸极极同同步步电电机机的的电电抗抗。在在凸凸极极电
4、电机机中中，极极面面下下气隙较小，两极之间气隙较大。气隙较小，两极之间气隙较大。很明显，由于直轴处的气隙比交轴处小，很明显，由于直轴处的气隙比交轴处小，故直轴磁导比交轴磁导大。这样，同样大故直轴磁导比交轴磁导大。这样，同样大小的电枢磁动势作用在直轴和交轴上时，小的电枢磁动势作用在直轴和交轴上时，所产生的电枢磁场将有明显的差别。而不所产生的电枢磁场将有明显的差别。而不同的磁阻将对应着不同的电抗。同的磁阻将对应着不同的电抗。所以，在这里，我们将磁动势所以，在这里，我们将磁动势 分解成沿分解成沿直轴和交轴方向的两个重量。直轴和交轴方向的两个重量。v直直轴轴电电枢枢磁磁势势固固定定地地作作用用在在直直
5、轴轴磁磁路路上上，对对应应于于一一个个恒恒定定不不变变的的磁磁阻阻，产产生生磁磁通通。交交轴轴电电枢枢磁磁势势固固定定地地作作用用在在交交轴轴磁磁路路，也也对对应应于于一一个个恒恒定定不不变变的的磁磁阻阻，产产生生磁磁通通 。磁磁通通 与与 分分别别切切割割定定子子绕绕组组而而在在其其中中感感应应出出电电势势 及及 。由由于于交交轴轴及及直直轴轴的的磁磁阻阻都都恒恒定定不不变变，所所以以 正比于正比于 ，正比于正比于 ，因此，因此，v和和隐隐极极电电机机一一样样，直直轴轴和和交交轴轴电电枢枢反反应应电电抗抗各各和和定定子子漏漏抗抗相相加加，便便可可以以得得到到直直轴同步电抗和交轴同步电抗，即轴
6、同步电抗和交轴同步电抗，即v留留意意：在在直直轴轴磁磁路路上上，由由于于气气隙隙小小，磁磁阻阻小小，所所以以 较较大大。在在交交轴轴磁磁路路上上，由由于于气气隙隙很很大大，磁磁阻阻大大，所所以以 较较小小。当当直直轴轴及及交交轴轴的的同同步步电电抗抗相相等等时时，就就是是隐极电机。隐极电机。6.2.3 隐极同步发电机的负载运行隐极同步发电机的负载运行v6.2.3.1 6.2.3.1 负载电流对端电压的影响：负载电流对端电压的影响：v一一台台同同步步发发电电机机，保保持持励励磁磁电电流流和和电电机机的的转转速速不不变变，给给发发电电机机带带上上负负载载，则则发发电电机机的的端端电电压压将将随随着
7、着负负载载电电流流的的变变更更而而变变更更。不不同同性性质质负负载载下下，其其变变更更规规律律也也不不同同。在在电电阻阻负负载载时时，负负载载电电流流增增大大端端电电压压下下降降；在在电电感感负负载载时时，负负载载电电流流增增大大端端电电压压下下降降的的更更厉厉害害；在在电电容容负负载载时时，负负载载电电流流增增大大时时，端端电电压压不不但但不不下下降降反反而而会会上上升升。这这说说明明发发电电机机端端电电压压的的变变更更，不不但但与与负负载载电电流流的的大大小小有有关关，还还与与负负载电流的性质有关载电流的性质有关 。1 隐极发电机的电磁过程2 隐极同步发电机的电势方程式：同同步步发电机机在
8、在对称称负载下下运运行行，气气隙隙中中存存在在着着两两种种磁磁势，即即定定子子上上的的电枢枢磁磁势和和转子子的的磁磁极极磁磁势。在在不不考考虑磁磁路路的的饱和和现象象时，应用用迭迭加加原原理理，认为它它们各各自自独独立立地地产生生相相应磁磁通通，并并在在电枢枢绕组内内产生生感感应电势。3 隐极发电机的相量图已知发电机的端电压、负载电流和功率因数已知发电机的端电压、负载电流和功率因数cos及参数及参数ra、xt当功率因数当功率因数cos 滞后时滞后时的相量图的相量图v在在图图中中，与与 的的夹夹角角用用表表示示；与与的的 夹夹角角用用表表示示；与与 的的夹夹角角用用 表表示示。在在以以上上三三个
9、个角角度度间间存存在在有有下下列列关关系：系：v依依据据图图的的相相量量关关系系，将将电电压压按按 角角分分解解成成 及及 后后，可可以以得得到到的的计计算公式：算公式：4 4 隐极发电机的等效电路：隐极发电机的等效电路：raxt只要去掉只要去掉 r ra a 即可得到简化等效电路即可得到简化等效电路凸极同步发电机的负载运行凸极同步发电机的负载运行v当凸极同步发电机在对称负载下运行时，气隙当凸极同步发电机在对称负载下运行时，气隙中也存在着两种旋转磁势，即转子上磁极磁势中也存在着两种旋转磁势，即转子上磁极磁势和定子上电枢磁势。由于凸极电机中，转子直和定子上电枢磁势。由于凸极电机中，转子直轴和交轴
10、上的气隙不等，在分析电枢磁势影响轴和交轴上的气隙不等，在分析电枢磁势影响时，必需依据式前面我们所分析的将磁动势分时，必需依据式前面我们所分析的将磁动势分解成直轴和交轴两个重量，然后和处理隐极电解成直轴和交轴两个重量，然后和处理隐极电机一样，不计及磁路的饱和现象，应用迭加原机一样，不计及磁路的饱和现象，应用迭加原理认为它们各自独立地产生相应的磁通，并在理认为它们各自独立地产生相应的磁通，并在电枢绕组内产生感应电势。电枢绕组内产生感应电势。凸极发电机的电磁过程v这样，产生的端电压为：这样，产生的端电压为：v整理得：整理得：v可以把漏抗压降分解成两个重量，即：可以把漏抗压降分解成两个重量，即：v这就
11、是凸极发电机的电动势平衡方程式，这就是凸极发电机的电动势平衡方程式，这样我们就可以作出相应的相量图。但这样我们就可以作出相应的相量图。但是很明显，要做出向量图还缺是很明显，要做出向量图还缺 和和 两两个重量。也就是要知道个重量。也就是要知道 与与 之间的夹角之间的夹角。凸极发电机的相量图的作法凸极发电机的相量图的作法已知发电机的端电压、负载电流和功率因数及已知发电机的端电压、负载电流和功率因数及参数参数ra、xd、xq 。1 1、已知内功率因数角、已知内功率因数角依据电势方程式的关系作出相量图2、未知内功率因数角1）利用方程式求出：2）利用公式求出：6.3 6.3 同步发电机的运行特性同步发电
12、机的运行特性v同同步步发发电电机机的的开开路路、短短路路及及零零功功率率因因数数特特性性都都是是同同步步发发电电机机的的基基本本特特性性，通通过过它它们们可可以以求求出出同同步步电电机机的的同同步步电电抗抗及及漏漏电电抗抗，以以确确定定同步发电机的其他特性。同步发电机的其他特性。v一、空载特性：一、空载特性：v当同步发电机运行于当同步发电机运行于 时，即称为时，即称为空载运行。空载运行。v明显，此时我们通过变更励磁电流，则明显，此时我们通过变更励磁电流，则气隙中的旋转磁通及电枢绕组中的感应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更。电动势都会随之发生变更。v1）开路特性：空载时不
13、同励磁电流和产）开路特性：空载时不同励磁电流和产生空载电势之间的关系，生空载电势之间的关系，v如图所见：如图所见：v因因 正比于正比于 ，而励磁电流又正比于励磁磁，而励磁电流又正比于励磁磁势，所以开路特性曲线与电机的磁化曲线在形势，所以开路特性曲线与电机的磁化曲线在形态上完全相同。开路特性主要有两个用处：态上完全相同。开路特性主要有两个用处：v（1 1）开路特性可以反映出电机设计是否合理。）开路特性可以反映出电机设计是否合理。犹如前面所分析的状况一样，额定电压应位于犹如前面所分析的状况一样，额定电压应位于开路特性起先弯曲的部分，例如图中的开路特性起先弯曲的部分，例如图中的A A点，点，这样才比
14、较经济合理。这样才比较经济合理。v（2 2）同步电抗是同步电机中一个极为重要的）同步电抗是同步电机中一个极为重要的参数，同步电机的很多性能由它所确定。开路参数，同步电机的很多性能由它所确定。开路特性协作短路特性可以求出同步电抗。特性协作短路特性可以求出同步电抗。v2.2.短路特性：短路特性：v当当同同步步发发电电机机运运行行与与 ，电电枢枢三三相相绕绕组组持持续续稳稳态态短短路路（即即U=0U=0）时时，称称为为短短路路运运行行。如如变变更更它它的的励励磁磁电电流流，三三相相短短路路电电流流也也随随之之而而变变更更。短短路路特特性性就就是是探探讨讨这这两两个个量量之之间间的的变变更更关关系系，
15、曲线。曲线。v假假如如略略去去电电枢枢电电阻阻，并并将将 代代入上式可以得到：入上式可以得到：v依据上式可以画出短路运行时的相量图依据上式可以画出短路运行时的相量图见图：因为忽视了电阻效应，电枢是纯见图：因为忽视了电阻效应，电枢是纯电感电路，短路电流滞后于电势电感电路，短路电流滞后于电势9090电角电角度，所以产生的电枢反应是直轴去磁效度，所以产生的电枢反应是直轴去磁效应。此时电机内的磁通很弱，磁路是不应。此时电机内的磁通很弱，磁路是不饱和的，所以同步电抗为一个常数。从饱和的，所以同步电抗为一个常数。从上式我们可以看出：上式我们可以看出：v 正比于正比于 ，而，而 又正比于又正比于 ，所以，所
16、以 正比于正比于 ，因此短路特性是一条通过原，因此短路特性是一条通过原点的直线，如图中直线点的直线，如图中直线2 2所示。所示。v三三相相短短路路时时，由由于于 滞滞后后于于 9090电电角角度度，即即=90=90，因因此此在在凸凸极极电电机机中中，短短路路电电流流全全是是直直轴轴重重量量，而而交交轴轴重重量量为为零零。所所以以v v和和隐隐极极电电机机一一样样，凸凸极极同同步步电电机机在在三三相相短短路路时时，由由于于电电枢枢磁磁势势的的直直轴轴去去磁磁作作用用，使使电电机机中中磁磁通通小小，磁磁路路也也不不饱饱和和，所所以以式上式中的式上式中的 也是一个常数。也是一个常数。v同同步步发发电
17、电机机在在三三相相稳稳态态短短路路时时，由由于于短短路路电电流流所所产产生生的的电电枢枢磁磁势势对对主主磁磁极极去去磁磁，削削减减了了电电机机中中的的磁磁通通及及感感应应电电势势，使使短短路路电电流流不不致致过过大大，所所以以稳稳态态的的三三相相短短路路是没有紧急的。是没有紧急的。v3.3.由开路及短路特性求取同步电抗：由开路及短路特性求取同步电抗：v从特性曲线图上我们可以看出：从特性曲线图上我们可以看出：v1 1）在在不不饱饱和和区区间间，即即当当 很很小小时时，运运行行于于开开路路特特性性不不饱饱和和部部分分（直直线线部部分分），那那么么 与与 之之比比求求得得的的是是同同步步电电抗抗的不
18、饱和值。的不饱和值。v2）当处于饱和区间：首先从空载特性上）当处于饱和区间：首先从空载特性上找到对应于额定电压时的励磁电流值，找到对应于额定电压时的励磁电流值，如图中的如图中的 ，再从短路特性上找到对应，再从短路特性上找到对应于此励磁电流所产生的短路电流，这样于此励磁电流所产生的短路电流，这样饱和同步电抗的近似值为：饱和同步电抗的近似值为：v在凸极电机中，通过开路试验及短路试在凸极电机中，通过开路试验及短路试验只能求出直轴同步电抗。依据阅历公验只能求出直轴同步电抗。依据阅历公式，可以得到交轴同步电抗为：式，可以得到交轴同步电抗为：v4.4.零功率因数特性：零功率因数特性：v所所谓谓零零功功率率
19、因因数数特特性性指指：在在 ，=恒恒定值、定值、=0 =0的条件下，所得到的特性。的条件下，所得到的特性。v在在 =定定值值条条件件下下，把把电电压压及及励励磁磁电电流流的的变变更更关关系系描描绘绘成成曲曲线线，便便得得到到零零功功率率因因数特性（见图）。数特性（见图）。v由由于于同同步步电电机机是是在在电电感感负负载载下下运运行行，而而电电机机本本身身的的阻阻抗抗也也是是电电感感性性的的，因因此此，电电势势和和电电流流之之间间夹夹角角=90=90，所所以以电电枢枢反反应应是是纯纯粹粹的的直直轴轴去磁效应。此时的相量图如图所示。去磁效应。此时的相量图如图所示。v同同步步发发电电机机在在电电感感
20、负负载载下下运运行行，磁磁极极磁磁势势补补偿偿了了电电枢枢反反应应去去磁磁磁磁势势后后，剩剩余余部部分分在在电电机机气气隙隙内内产产生生磁磁通通。所所以以励励磁磁电电流流增增加加时时，磁磁路路能能渐渐渐渐饱饱和和，电电压压上上升升渐渐渐渐缓缓慢慢，使使曲曲线线弯弯曲曲，事事实实上上，零零功功率率因因数数特特性性曲曲线线的的形形态态与与开开路路特特性性曲曲线线颇颇为为类类似似。下下面面探探讨讨零零功功率率因因数数特特性性与与开开路特性之间的关系。路特性之间的关系。v在上图中我们可以看出，当在上图中我们可以看出，当U=0时的状况。时的状况。在开路特性上，在开路特性上，时，时，；而在零功率因；而在零
21、功率因数曲线上，数曲线上，时，时，。为什么在零功率因。为什么在零功率因数曲线上，电压为零时，励磁电流不为零数曲线上，电压为零时，励磁电流不为零呢？这是因为：呢？这是因为：v（1）零功率因数特性是在）零功率因数特性是在 定值条件下得定值条件下得到的，由于绕组中流过电流，产生漏抗压到的，由于绕组中流过电流，产生漏抗压降降 ，所以须要确定励磁电流，所以须要确定励磁电流 ，以产生，以产生电势电势 来平衡此漏电抗压降。来平衡此漏电抗压降。（2 2）零零功功率率因因数数曲曲线线是是在在纯纯电电感感负负载载下下得得到到的的，从从图图右右以以看看出出，此此时时的的电电枢枢反反应应是是一一个个纯纯粹粹的的去去磁
22、磁作作用用，所所以以再再须须要要确确定定的的励励磁磁电电流流来来抵抵消消此此电电枢枢反反应应去去磁磁作作用的影响。用的影响。称称为为特特性性三三角角形形，它它的的垂垂直直边边是是定定子子漏漏抗抗压压降降，水水平平边边是是电电枢枢反反应应去去磁磁磁磁势势，这这 两两 边边 都都 正正 比比 于于 电电 枢枢 电电 流流，因因 此此 在在 电电 枢枢电电流流确确定定时时，此此特特性性三三角角形形的的大大小小不不变变。所所以以当当特特性性三三角角形形的的A A点点在在开开路路特特性性上上移移动动时时，C C点点的的轨轨迹迹就就是是零零功功率率因因数数特特性。当然也可以用作图的方法求特性。性。当然也可
23、以用作图的方法求特性。13.6 同步发电机的外特性和电压同步发电机的外特性和电压调整率调整率v13.6.1 外特性：外特性：v外特性：在外特性：在v 的条件下，同步发电机作单机运行，端电的条件下，同步发电机作单机运行，端电压压U随负载电流而变更的关系特性曲线随负载电流而变更的关系特性曲线v。明显，外特性曲线和负载的性质亲密相关。明显，外特性曲线和负载的性质亲密相关。如图所示：如图所示：1）当是感性负载时：曲线（）当是感性负载时：曲线（1），此时随），此时随着负载电流的削减，端电压逐步上升。着负载电流的削减，端电压逐步上升。这是因为考虑了电枢反应的去磁作用的这是因为考虑了电枢反应的去磁作用的影响
24、，随着电枢电流的削减，电枢反应影响，随着电枢电流的削减，电枢反应的去磁作用减弱，电机中的合成磁通增的去磁作用减弱，电机中的合成磁通增加，所以端电压渐渐增加。加，所以端电压渐渐增加。2）当是容性负载时：曲线（）当是容性负载时：曲线（3），此时电），此时电流超前电压，此时的电枢反应是增磁作流超前电压，此时的电枢反应是增磁作用，随着电枢电流的削减，合成的磁通用，随着电枢电流的削减，合成的磁通在减小，所以端电压下降。在减小，所以端电压下降。3）纯电阻负载：曲线（）纯电阻负载：曲线（2）。）。13.6.2电压调整率：定义：发电机的端电压随负载的变更而变更，变更的程度我们可以通过电压调整率 来衡量。即：空
25、载与额定负载之间的电压调整率。当然，负载是随意负载，不仅仅指额定负载。如图，从图上我们可以看出：影响电压调整率的因素有：功率因数和同影响电压调整率的因素有：功率因数和同步电抗。一般发电机的电压调整率较大，步电抗。一般发电机的电压调整率较大，常在常在20%-40%之间。之间。14.2 隐极同步发电机功率平衡方程式隐极同步发电机功率平衡方程式和功角特性和功角特性一、功率平衡方程式：一、功率平衡方程式：P1=PM+pm+pFe PM=PCU+P2由此可见：由此可见：P1=pm+pFe+PCU+P2在发电机中，定子铜耗是微小的一部分，在发电机中，定子铜耗是微小的一部分，为了分析简洁，常常忽视，因此：为
26、了分析简洁，常常忽视，因此：PM=P2=从隐极同步发电机向量图可以看出：从隐极同步发电机向量图可以看出：从图得：所以有最终：可得v由此，我们得到了隐极同步电机的功由此，我们得到了隐极同步电机的功v角特性表达式角特性表达式，即当，即当e0和和u为常数时，为常数时，电电v磁功率和功角之间的函数关系。明显，磁功率和功角之间的函数关系。明显，当当v功角功角=900 时，电磁功率达到最大值。时，电磁功率达到最大值。即即它正比于它正比于E0（即励磁电流）（即励磁电流）,反比于同步反比于同步电电抗。从功角特性可以确定电磁转矩与功角抗。从功角特性可以确定电磁转矩与功角之间的关系，由此可以得出相应的电磁之间的关
27、系，由此可以得出相应的电磁转矩，为转矩，为 式中，单位是式中，单位是W；单位是；单位是rad/s；单位是；单位是Nm。v14.3 凸极同步发电机的功角特性凸极同步发电机的功角特性v犹如隐极电机功角特性推导方法一犹如隐极电机功角特性推导方法一样，可样，可v以得到凸极同步发电机的功角特性。以得到凸极同步发电机的功角特性。假如假如v略去电阻损耗，式（略去电阻损耗，式（14-4）对凸极）对凸极电机电机v也能成立。参看式（也能成立。参看式（13-2）得）得:下面，我们来看一下它的向量图：下面，我们来看一下它的向量图：v从凸极发电机的相量图图从凸极发电机的相量图图14-12可以看出：可以看出：v或或v最终
28、，可得：最终，可得：式中式中 为基本电磁功率；为基本电磁功率；为附加电为附加电磁功率磁功率明显明显,此时当功角此时当功角=900时时,电磁功率并不电磁功率并不象象隐极式一样达到最大隐极式一样达到最大,而是提前而是提前.凸极同凸极同步发电机的电磁转矩和隐极发电机的推步发电机的电磁转矩和隐极发电机的推导方法一样，在恒定转速导方法一样，在恒定转速1下，转矩和下，转矩和功率成正比，于是得：功率成正比，于是得：式式中中 为为基基本本电电磁磁转转矩矩；为为附附加加电电磁磁转矩，又称磁阻转矩。转矩，又称磁阻转矩。14.4功角的物理意义及静态稳定概功角的物理意义及静态稳定概念念v一、功角的物理意义:v我们已经
29、知道功角和电磁功率是亲密相关v的，事实上同步发电机输出功率的大小及v稳定运行问题，都和功角是紧密相连的。v已知：v在这里我们忽视了，作出相应的向量图可以看出：此时，磁通此时，磁通 与与 之间的夹角就是之间的夹角就是E0和和U之间的夹角之间的夹角 ，也就是转子磁极与合，也就是转子磁极与合成磁场之间的夹角成磁场之间的夹角，由此可见，在发电，由此可见，在发电机运行时机运行时,E0恒久超前于恒久超前于U，也就是说，也就是说，转子磁极轴线恒久超前合成磁场轴线一转子磁极轴线恒久超前合成磁场轴线一个个 角度。角度。二、同步电机的稳定运行问题：二、同步电机的稳定运行问题：同步电机能否稳定运行，与功角的大同步电
30、机能否稳定运行，与功角的大小有小有亲密关系。在这里，我们先来看一下亲密关系。在这里，我们先来看一下什么是电机的静态稳定，为了分析什么是电机的静态稳定，为了分析简便起见，略去铁芯损耗和机械损简便起见，略去铁芯损耗和机械损耗耗，这样，可得，这样，可得P1=PM，静态稳定：电机在运行时，受到外界静态稳定：电机在运行时，受到外界的干扰，从而导致运行偏离原先的的干扰，从而导致运行偏离原先的运行点，而当干扰撤去后，电机又运行点，而当干扰撤去后，电机又能自行回到原先的点接着工作，就能自行回到原先的点接着工作，就叫做电机的静态稳定。这样一来，叫做电机的静态稳定。这样一来，如图所示：如图所示：v作如下分析：作如
31、下分析：v 1）在）在a点，点，P1=PM，即输入，即输入P1和输出和输出PM相相v 等，电机稳态运行等，电机稳态运行v 2）来一个干扰，假定使得）来一个干扰，假定使得P1增加到增加到P1，v 明显电机的转速将增大，因为功角和转速明显电机的转速将增大，因为功角和转速v 成正比关系变更，所以，功角也将增大，成正比关系变更，所以，功角也将增大，v 推出推出PM也增大也增大，这样一来，我们可以看出，这样一来，我们可以看出v 在在b点电机将达到一个新的平衡点，从而点电机将达到一个新的平衡点，从而v 接着稳定运行。接着稳定运行。v 3）由此可以推出，当功角在）由此可以推出，当功角在00-900之间变之间
32、变更时，发电机有自动保持同步的实力，是发电更时，发电机有自动保持同步的实力，是发电机稳定机稳定 运行区域。在稳定运行范围内，电磁功率运行区域。在稳定运行范围内，电磁功率 的变更只会变更功角的大小，而转子的稳的变更只会变更功角的大小，而转子的稳 定转速是不会变更的，恒久以同步速旋转。定转速是不会变更的，恒久以同步速旋转。4 4）而在）而在90018009001800之间，电机是不稳定运之间，电机是不稳定运 行的，在功角行的，在功角=900=900时，输入的机械功率到时，输入的机械功率到 达与最大电磁功率相等，即达与最大电磁功率相等，即 当功角大于900时将失去同步，失去同步后，装在电网与间的疼惜
33、开关产生动作，将发电机从电网上拉开。14.5 同步发电机有功功率及无功功率的调整、V形曲线 一、有功功率的调整：一、有功功率的调整：已知，在忽视铜耗的前提下，已知，在忽视铜耗的前提下，PM=P2=而而PM和和P1从功角特性可以看出是成正比关从功角特性可以看出是成正比关系的，所以，想要增加电机输出的有功功率，系的，所以，想要增加电机输出的有功功率，从功率平衡的观点来看，从功率平衡的观点来看，只有增加原动机的输入功率只有增加原动机的输入功率P1。二、无功功率的调整：二、无功功率的调整：为简便起见，在调整无功功率时，假定发为简便起见，在调整无功功率时，假定发电机输出的有功功率不变，于是：电机输出的有
34、功功率不变，于是：由于由于m、U、Xs均是定值，所以均是定值，所以在有功功率不变的状况下调整电机的无功在有功功率不变的状况下调整电机的无功功率看图：功率看图：E0的变更必需满足在的变更必需满足在CD直线，而相应直线，而相应的的Ia的变更必需在的变更必需在AB线上。线上。1）当）当Ia1与与U同相，即同相，即 =1。此时发电。此时发电 机向电网输出的全部功率都是有功功率，机向电网输出的全部功率都是有功功率，无功功率为零，此时的电枢电流为最小无功功率为零，此时的电枢电流为最小值，值，所对应的励磁电流我们叫做正常励磁电所对应的励磁电流我们叫做正常励磁电流，流，此时组成的是一个直角三角形此时组成的是一
35、个直角三角形 2 2）增加励磁电流，则空载电动势）增加励磁电流，则空载电动势E0E0相应相应增加，看图可见，电枢电流由增加，看图可见，电枢电流由Ia1,Ia2,Ia1,Ia2,电动势变更到电动势变更到E02E02，此时整个系统出现了，此时整个系统出现了无功电流，并且是滞后，即此时发电机无功电流，并且是滞后，即此时发电机将向外输出滞后性的无功功率，整个状将向外输出滞后性的无功功率，整个状态我们称之为态我们称之为 过励。过励。3）减小励磁电流，则电动势亦减小（在正）减小励磁电流，则电动势亦减小（在正常励磁电流对应的状况下），由图可见，常励磁电流对应的状况下），由图可见，此时电流超前，即向外输出超前
36、性质的无此时电流超前，即向外输出超前性质的无功功率的电流，整个状态我们称之为欠厉。功功率的电流，整个状态我们称之为欠厉。由上可见，对于无功功率的调整，可以通由上可见，对于无功功率的调整，可以通过对励磁电流的调整实现。过对励磁电流的调整实现。三、同步发电机的三、同步发电机的V型曲线：型曲线：将不同励磁电流及与其对应的电枢电流画将不同励磁电流及与其对应的电枢电流画成曲线，此曲线称成曲线，此曲线称V形曲线，曲线的最低形曲线，曲线的最低点对应的是点对应的是 ，相当于，相当于 =1的状况，此时的励磁电流为正常励磁电的状况，此时的励磁电流为正常励磁电流，假如增大则进入过厉，输出滞后的流，假如增大则进入过厉
37、，输出滞后的无功电流反之为欠厉，输出超前的无功无功电流反之为欠厉，输出超前的无功电流。电流。如图所示：如图所示：第第15章章 三相同步电动三相同步电动机机同步电动机：转速不随负载的变更而变更同步电动机：转速不随负载的变更而变更15.1 同步电机的三种运行方式同步电机的三种运行方式一、同步电机的三种运行方式：一、同步电机的三种运行方式：如右图：如右图：1）转子轴线超前定子轴线，产生的电磁转）转子轴线超前定子轴线，产生的电磁转矩为制动性质明显是发电机。矩为制动性质明显是发电机。2）转子轴线和定子轴线相重合，此时的功）转子轴线和定子轴线相重合，此时的功角为零，电磁转矩为角为零，电磁转矩为0，所以这是
38、一种从发，所以这是一种从发电机向电动机过度的临界状态。电机向电动机过度的临界状态。3）转子轴线滞后与定子轴线一个功角，此）转子轴线滞后与定子轴线一个功角，此时产生的电磁转矩为驱动性质，所以我们时产生的电磁转矩为驱动性质，所以我们可以断定电机为电动机。可以断定电机为电动机。15.2同步电动机的基本方程式、相同步电动机的基本方程式、相量图及功角特性量图及功角特性同步电动机的电势平衡方程式及相量图，同步电动机的电势平衡方程式及相量图，可可以以通通过过同同步步发发电电机机的的电电势势平平衡衡方方程程式式及及相相量图转化求得。量图转化求得。一、基本方程式：一、基本方程式：1、电动势：、电动势：同理可得出
39、凸极式：同理可得出凸极式：2、相量图：相对与发电机，即可作出相应的、相量图：相对与发电机，即可作出相应的电动机的相量图。电动机的相量图。3）功角特性：在同步发电机中，我们令电）功角特性：在同步发电机中，我们令电流流出的方向为正方向，而在电动机中，流流出的方向为正方向，而在电动机中，理论上，我们照旧可以这样，但为了大理论上，我们照旧可以这样，但为了大家好理解，我们设电流流入的方向为正家好理解，我们设电流流入的方向为正方向。这样，我们可以仿照同步发电机方向。这样，我们可以仿照同步发电机列出同步电动机的功角特性表达示：列出同步电动机的功角特性表达示：即：即：这样，我们就可以画出凸极同步电动机的功这样
40、，我们就可以画出凸极同步电动机的功角特性曲线。为了结构上的简洁，在某些小角特性曲线。为了结构上的简洁，在某些小容量同步电动机的转子上担忧放直流励磁绕容量同步电动机的转子上担忧放直流励磁绕组，因此转子就不能产生磁场，感应电势组，因此转子就不能产生磁场，感应电势 ，此时电动机的电磁功率并不为零，此时电动机的电磁功率并不为零，仍有仍有 有了电磁功率就有电磁转矩，因此转子没有励磁有了电磁功率就有电磁转矩，因此转子没有励磁的凸极同步电动机也能旋转。的凸极同步电动机也能旋转。15.3同步电动机无功功率的调整同步电动机无功功率的调整一、无功功率的调整：一、无功功率的调整：同步电动机的功率因数是超前还是滞后，
41、和同步电动机的功率因数是超前还是滞后，和发电机一样确定于励磁状态。发电机一样确定于励磁状态。先看一下同先看一下同步电动机的步电动机的V型曲线，留意到：型曲线，留意到：1）过励时，电动机从电网中吸入超前的无）过励时，电动机从电网中吸入超前的无功电流，功电流，2）欠励时，从电网中吸入滞后的无功功率电流，）欠励时，从电网中吸入滞后的无功功率电流，明显，电动机的功率因数是可以通过变更励磁明显，电动机的功率因数是可以通过变更励磁电流来进行调整的。电流来进行调整的。我们知道，感应电动机必需从电网吸取激磁我们知道，感应电动机必需从电网吸取激磁电流来建立磁场，所以现代电网的功率因数电流来建立磁场，所以现代电网
42、的功率因数常常是滞后性的。而同步电动机在过励时，常常是滞后性的。而同步电动机在过励时，能够从电网吸入超前电流。因此，如将同步能够从电网吸入超前电流。因此，如将同步电动机在过励状态下和感应电动机接在同一电动机在过励状态下和感应电动机接在同一电网上，便可以使供电系统的功率因数提高。电网上，便可以使供电系统的功率因数提高。同步电动机能够改善电网的功率因数，这是同步电动机能够改善电网的功率因数，这是它最珍贵的优点。它最珍贵的优点。15.4同步电动机的起动一、异步起动方法：一、异步起动方法：同步电动机的起动不同于异步电动机的启动同步电动机的起动不同于异步电动机的启动方式，它有特殊特殊的地方，如图所示：方
43、式，它有特殊特殊的地方，如图所示：即：转子绕组加入直流励磁以后，在气隙中生成静止的转子磁场。当在定子绕组中能入三相沟通电以后，在气隙中则产生旋转磁场。定、转子磁场之间存在有相对运动，转子上的平均转矩为零，所以同步电动机不产生起动转矩。因此，在同步电动机起动时，我们常常接受的是异步起动方法。异步启动法：在磁极表面上装设有类似感应电机异步启动法：在磁极表面上装设有类似感应电机笼型导条的短路绕组，称为起动绕组。在起动笼型导条的短路绕组，称为起动绕组。在起动时，电压施加于定子绕组，在气隙中产生旋转时，电压施加于定子绕组，在气隙中产生旋转磁场，犹如感应电机工作原理一样，这个旋转磁场，犹如感应电机工作原理
44、一样，这个旋转磁场将在转子上的起动绕组中感应电波经电流磁场将在转子上的起动绕组中感应电波经电流和旋转磁场相互作用产生转矩，所以同步电机和旋转磁场相互作用产生转矩，所以同步电机依据感应电机原理转动起来。待速度上升到接依据感应电机原理转动起来。待速度上升到接近同步转速时，再赐予直流励磁，产生转子磁近同步转速时，再赐予直流励磁，产生转子磁场，此时它和定子磁场间得到转速已特殊接近，场，此时它和定子磁场间得到转速已特殊接近，依靠这两个磁场间相互吸引力，把转子拉入同依靠这两个磁场间相互吸引力，把转子拉入同步速一起旋转。所以同步电动机步速一起旋转。所以同步电动机的起动过程可以分为两个阶段：的起动过程可以分为
45、两个阶段：（1 1）首先按感应电机方式起动，使转子转速接近）首先按感应电机方式起动，使转子转速接近同步速；同步速；（2 2）加直流励磁，使转子拉入同步。）加直流励磁，使转子拉入同步。由于磁阻转矩的影响，凸极式同步电动机很由于磁阻转矩的影响，凸极式同步电动机很 简洁拉简洁拉 入同步。甚至在未加励磁的状况下，入同步。甚至在未加励磁的状况下，有时转子也能拉入同步。因此，为了改善起有时转子也能拉入同步。因此，为了改善起 动性能，同步电动机绝大多数接受凸极式结动性能，同步电动机绝大多数接受凸极式结 构。构。留意：当同步电动机按感应电机方式起留意：当同步电动机按感应电机方式起 动时，励磁绕组确定不能开路动时，励磁绕组确定不能开路 ！必需短路必需短路 ！