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1、第六章第六章同步电机的稳态分析同步电机的稳态分析主要内容：主要内容：同步电机运行的基本方程式，运行特性，并联运行，同步同步电机运行的基本方程式，运行特性，并联运行，同步电动机和同步补偿机及同步发电机的不对称运行。电动机和同步补偿机及同步发电机的不对称运行。发电机：将机械能变为电能，是主要用途。发电机：将机械能变为电能，是主要用途。按运行方式分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。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。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。汽轮发电机：高速同步
2、发电机，隐极式。(火电）火电）按原动机类别分按原动机类别分水轮发电机：低速同步发电机，凸极式。（水电）水轮发电机：低速同步发电机，凸极式。（水电）柴油柴油(汽油汽油)发电机：低速同步发电机，凸极式。（机车、发电机：低速同步发电机，凸极式。（机车、船舶，油田）船舶，油田）旋转电枢式：用于小容量电机。旋转电枢式：用于小容量电机。按结构方式分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。为减轻，广泛采用。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；转子用
3、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。第一页，编辑于星期六：二十点五分。对旋转磁极式按转子主极的形状同步电机又可分为隐极式和凸对旋转磁极式按转子主极的形状同步电机又可分为隐极式和凸极式两种基本型式极式两种基本型式一、基本结构一、基本结构旋转电枢式（反装）：旋转电枢式（反装）：三相交流绕组旋转，磁极静止。三相交流绕组旋转，磁极静止。三相交流电由滑环、电刷引出。三相交流电由滑环、电刷引出。旋转磁极式：旋转磁极式：三相交流绕组静止，磁极旋转三相交流绕组静止，磁极旋转隐极隐极凸极凸极分：分：从转子机械强度和妥善地固定励磁绕组考
4、虑，对高速电从转子机械强度和妥善地固定励磁绕组考虑，对高速电机采用隐极式，对低速电机采用制造简单的凸极式。机采用隐极式，对低速电机采用制造简单的凸极式。大型发电机通常用汽轮机和水轮机作为原动机来拖动。由于汽大型发电机通常用汽轮机和水轮机作为原动机来拖动。由于汽轮机是一种高速原动机，一般采用隐极式而水轮机是一种低速轮机是一种高速原动机，一般采用隐极式而水轮机是一种低速原动机，一般采用凸极式。原动机，一般采用凸极式。6.1 同步电机的基本结构和运行状态同步电机的基本结构和运行状态第二页，编辑于星期六：二十点五分。1、隐极式同步电机、隐极式同步电机同步速为同步速为 3000r/min 提高运行速度可
5、提提高运行速度可提高汽轮机的运行效率，高汽轮机的运行效率，减小机组尺寸和造价。减小机组尺寸和造价。由于转速高，所以直径由于转速高，所以直径较小，转子本体长度较小，转子本体长度L和直径和直径D的比的比L/D=26。容量越大，比值越大，。容量越大，比值越大，汽轮发电机均为卧式结汽轮发电机均为卧式结构。构。第三页，编辑于星期六：二十点五分。定子定子转子转子定子主要由铁芯、绕组、机座组成。铁心每叠厚约定子主要由铁芯、绕组、机座组成。铁心每叠厚约36cm，叠与叠之间留有叠与叠之间留有0.81cm的通风槽，整个铁芯由非磁性压板的通风槽，整个铁芯由非磁性压板压紧，固定在定子机座上。压紧，固定在定子机座上。第
6、四页，编辑于星期六：二十点五分。转子是汽轮发电机关键部分，从机械应力和发热看是汽转子是汽轮发电机关键部分，从机械应力和发热看是汽轮发电机最吃紧的部件。它即是电机磁路的主要组成部分，轮发电机最吃紧的部件。它即是电机磁路的主要组成部分，又高速旋转而承受很大的机械应力，材料即要求有好的导磁又高速旋转而承受很大的机械应力，材料即要求有好的导磁性能，又需要有很高的机械强度。所以转子一般用整块的具性能，又需要有很高的机械强度。所以转子一般用整块的具有良好导磁性的高强度合金钢锻成，转子表面约有良好导磁性的高强度合金钢锻成，转子表面约2/3部分铣有部分铣有凹槽。用以嵌放励磁绕组，不开槽部分形成一大齿凹槽。用以
7、嵌放励磁绕组，不开槽部分形成一大齿,齿的中心齿的中心线即为转子主极中心线。槽内插有非磁性金属槽楔，端口套线即为转子主极中心线。槽内插有非磁性金属槽楔，端口套有高强度非磁性钢锻成的护环。护环的作用是保证绕组端口有高强度非磁性钢锻成的护环。护环的作用是保证绕组端口不会因离心力甩动而损坏。不会因离心力甩动而损坏。第五页，编辑于星期六：二十点五分。第六页，编辑于星期六：二十点五分。2、凸极同步电机、凸极同步电机分卧式和立式两种结构分卧式和立式两种结构 凸极同步电机与隐极凸极同步电机与隐极同步电机定子结构基本同步电机定子结构基本相同，所不同的是转子相同，所不同的是转子结构，它由磁极铁芯、结构，它由磁极铁
8、芯、励磁绕组、阻尼绕组等励磁绕组、阻尼绕组等部件组成。部件组成。大型水轮发电机通常都大型水轮发电机通常都是立式结构，凸极式特点是是立式结构，凸极式特点是短粗，短粗，D/L=57第七页，编辑于星期六：二十点五分。第八页，编辑于星期六：二十点五分。立式分悬式和伞式两种，悬式是把推力轴承装在转子上边的机立式分悬式和伞式两种，悬式是把推力轴承装在转子上边的机架上，整个转子是处于一种悬吊着的状态转动。伞式是把推力轴承架上，整个转子是处于一种悬吊着的状态转动。伞式是把推力轴承放在下边的机架上，整个转子是处于一种被支托着的状态中转动。放在下边的机架上，整个转子是处于一种被支托着的状态中转动。伞式悬式悬式水轮
9、发电机运转时，机械稳定性好，但机组的轴向高度高。悬式水轮发电机运转时，机械稳定性好，但机组的轴向高度高。伞式的水轮发电机机械稳定性差，但由于推力轴承放在下机架上，轴向高度低，伞式的水轮发电机机械稳定性差，但由于推力轴承放在下机架上，轴向高度低，通常高速采用悬式，低速采用伞式。通常高速采用悬式，低速采用伞式。第九页，编辑于星期六：二十点五分。水轮发电机因直径大，轴向长度短，其冷却问题相对来说比较容易解决水轮发电机因直径大，轴向长度短，其冷却问题相对来说比较容易解决大型汽轮机发热问题比较严重，为了提高冷却效率，大型汽轮发电机，不用大型汽轮机发热问题比较严重，为了提高冷却效率，大型汽轮发电机，不用空
10、气冷却而改用水和氢气冷却。氢导热率较空气大空气冷却而改用水和氢气冷却。氢导热率较空气大7.4倍冷却效果好。倍冷却效果好。大型汽轮发电机用水来直接冷却导线内部，称为水内冷。导线做成空心的，大型汽轮发电机用水来直接冷却导线内部，称为水内冷。导线做成空心的，用洁净的冷水通入导线的内孔来冷却，因此是较为理想的冷却介质。用洁净的冷水通入导线的内孔来冷却，因此是较为理想的冷却介质。1956年英年英国试制成第一台定子线圈水内冷的汽轮发电机。国试制成第一台定子线圈水内冷的汽轮发电机。1958年我国研制成第一台定年我国研制成第一台定.转子线圈都采用水内冷的转子线圈都采用水内冷的12000千瓦双水内冷汽轮千瓦双水
11、内冷汽轮发电机发电机。目前世界各主要工业国也相继将超导技术用于同步电机。目前世界各主要工业国也相继将超导技术用于同步电机。我国于我国于1976年研制年研制成功一台成功一台400千瓦超导同步发电机。千瓦超导同步发电机。由于超导电机的绕组在超导状态时电阻由于超导电机的绕组在超导状态时电阻完全消失，从而彻底上解决了巨型电机绕组的发热温升问题。完全消失，从而彻底上解决了巨型电机绕组的发热温升问题。上电厂产上电厂产660WM汽轮发电机采用汽轮发电机采用水氢氢冷却方式，即定子绕组采用水冷，转水氢氢冷却方式，即定子绕组采用水冷，转子绕组为氢内冷，定子铁芯及结构部件为氢冷子绕组为氢内冷，定子铁芯及结构部件为氢
12、冷，定子机座采用优质钢板装焊而成，定子机座采用优质钢板装焊而成，所以有焊缝均为气密焊缝，氢冷却器设置在汽机上端。所以有焊缝均为气密焊缝，氢冷却器设置在汽机上端。第十页，编辑于星期六：二十点五分。汽轮发电机组侧视图汽轮发电机组侧视图1X、Y、Z引出线；引出线；2电流互感器；电流互感器；3A、B、C引出线；引出线；4自并励副励磁机；自并励副励磁机；5主励磁机；主励磁机；6励磁机轴承；励磁机轴承；7出线盒；出线盒；8气体冷却器；气体冷却器；9碳刷架隔音罩；碳刷架隔音罩；10端端盖；盖；11机壳；机壳；12测温引线盒测温引线盒第十一页，编辑于星期六：二十点五分。二、同步电机运行状态二、同步电机运行状态
13、同步电动机的运行状态由转子磁场与合成磁场的相对位置决定同步电动机的运行状态由转子磁场与合成磁场的相对位置决定同步电机有三种运行状态：同步电机有三种运行状态：发电机，电动机，补偿机。发电机，电动机，补偿机。分析表明，同步电机运行于哪一种状态取决于定，转子磁场的相对分析表明，同步电机运行于哪一种状态取决于定，转子磁场的相对位置，即定子合成磁场与转子主极磁场之间的夹角位置，即定子合成磁场与转子主极磁场之间的夹角（功率角）（功率角）。1、发电机、发电机若转子磁场超前于定子合成磁场若转子磁场超前于定子合成磁场0，则此时转子将受到一个与其旋转方向相反的制动性质的电磁转则此时转子将受到一个与其旋转方向相反的
14、制动性质的电磁转矩。为使转子能以同步速旋转，必须从轴上输入机械功率电机矩。为使转子能以同步速旋转，必须从轴上输入机械功率电机作为发电机运行。作为发电机运行。第十二页，编辑于星期六：二十点五分。主极SNoTensNSo主极2、补偿机、补偿机当当=0，Te=0此时电机内没有有功功率的转换电机处于补偿机状态，或空载状态。此时电机内没有有功功率的转换电机处于补偿机状态，或空载状态。NoSnsTe=0NSo第十三页，编辑于星期六：二十点五分。3、电动机、电动机NSoSNonsTe当转子磁场滞后定子磁场，当转子磁场滞后定子磁场，xq隐极同步电机隐极同步电机xd=xq=xs直轴电枢磁导交轴电枢磁导第六十五页
15、，编辑于星期六：二十点五分。例6-1xd*=1.0 xq*=0.6Ra*=0U*=1I*=1cos=0.8求：E0*（1）E0*=U*cos+Id*xd*=1cos19.44+0.83211.0=1.755解：第六十六页，编辑于星期六：二十点五分。(3)(4)EQE0UI第六十七页，编辑于星期六：二十点五分。6.5同步发电机的功率方程和转矩方程同步发电机的功率方程和转矩方程nsIfB0pFe铁心损耗（转子铁心中磁场恒定无铁耗）一、功率方程一、功率方程机械能损耗电能同步发电机是将轴上输入的机械功率，通过电磁感应作用转换成输出电功率m：定子相数。U、I：定子每相电压和电流第六十八页，编辑于星期六：
16、二十点五分。二二.转矩方程转矩方程P1(p+pFe)=PeT1T0=Te第六十九页，编辑于星期六：二十点五分。三三.电磁功率及能量转换电磁功率及能量转换Pe=P2+Pcua=mUIcos+mI2Ra=mI(Ucos+IRa)=mIEcos=mIEQcos0=mEQIq隐极同步发电机中，EQ=E0Iq为电枢电流的有功分量，Iq决定了（功率角）的大小。第七十页，编辑于星期六：二十点五分。前已分析，当负载后，出现电枢反应，交轴电枢反应产生气隙磁前已分析，当负载后，出现电枢反应，交轴电枢反应产生气隙磁场与主极磁场之间的相角差，从而产生电磁转矩场与主极磁场之间的相角差，从而产生电磁转矩在发电机中，气隙磁
17、场超前于气隙合成磁场。在旋转过程在发电机中，气隙磁场超前于气隙合成磁场。在旋转过程中原动机的驱动转矩克服制动的电磁转矩，并通过电枢绕中原动机的驱动转矩克服制动的电磁转矩，并通过电枢绕组内产生运动电势向电网送出有功电流，使机械能变电能组内产生运动电势向电网送出有功电流，使机械能变电能功率角功率角（Eo与与U之间的夹角）随之间的夹角）随Iq的增加而增大，后将证明的增加而增大，后将证明越越大，电磁功率和电磁转矩越大。所以交轴电枢反应对产生电磁转大，电磁功率和电磁转矩越大。所以交轴电枢反应对产生电磁转矩进行能量转换具有重要的意义。矩进行能量转换具有重要的意义。第七十一页，编辑于星期六：二十点五分。一、
18、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空空载载特性特性空载特性由空载实验测出，试验时，电枢开路，用原动机把被试同步电机拖动到同步速，改变If，测取电枢端电压Uo,直到Uo=1.25UN，得到特性曲线。6.6同步电机参数的测定同步电机参数的测定为了定量进行计算，除了需要知道电机的工况外（端电压，电流功率因数），还应知道同步电动机的参数。下面说明同步电抗，电枢漏抗和电枢反应等效磁动势的实验确定法。第七十二页，编辑于星期六：二十点五分。2短路特性短路特性因空载时U0=E0第七十三页，编辑于星期六：二十点五分。短路特性是一条直线短路特性是一条直线短路时，端电压U=0，短路电流仅受电
19、机本身阻抗的限制。通常电枢电阻远小于同步电抗，因此可以认为短路电流是纯感性的，即0=90；于是İq=0，İ=İd，而I*=1时，E*=0.15左右，磁路不饱和，因电枢反应为纯去磁。即短路特性是一条直线E0If第七十四页，编辑于星期六：二十点五分。3.Xd 的不饱和值的不饱和值4.Xd 的饱和值的饱和值饱和程度由F或E决定电机正常运行时Xd不饱和值确定第七十五页，编辑于星期六：二十点五分。二二.短路比短路比kcUNIf0I对于隐机同步电机Xd饱和值确定饱和值确定第七十六页，编辑于星期六：二十点五分。例例6-2 有一台有一台25000KW、10.5KV（星形联结）、（星形联结）、cos=0.85（
20、滞后）的（滞后）的汽轮发电机，从其空载、短路实验中得到下列数据：汽轮发电机，从其空载、短路实验中得到下列数据：从空载特性上查得：线电压从空载特性上查得：线电压UL=10.5KV时，时，If0=155A 从短路特性上查得：从短路特性上查得：I=IN=1718A时，时，Ifk=280A；从气隙线上查得：从气隙线上查得：If=280A时，时，UL=22.4KV；试求同步电抗和短路比。试求同步电抗和短路比。解：从气隙线上查出If=280A时，第七十七页，编辑于星期六：二十点五分。用标幺值计算用标幺值计算第七十八页，编辑于星期六：二十点五分。三、用零功率因数负载实验确定定子漏抗和电枢等效磁动势三、用零功
21、率因数负载实验确定定子漏抗和电枢等效磁动势1.零功率因数特性零功率因数特性第七十九页，编辑于星期六：二十点五分。2.零功率因数特性与空载特性的关系零功率因数特性与空载特性的关系空载特性是零功率因数特性的一个特例（即）。故两个特性具有相同的形状。第八十页，编辑于星期六：二十点五分。BC表示空载时产生的额定电压所需要的励磁电流表示空载时产生的额定电压所需要的励磁电流AF用以抵消电枢等效磁动势用以抵消电枢等效磁动势kadFa CA用以克服电枢漏抗压降用以克服电枢漏抗压降IX 作用作用第八十一页，编辑于星期六：二十点五分。特性三角形在得到零功率因数特性则F点的轨迹即为零功率因数负载特性曲线。K点即为短
22、路点。3.作作图图法求定子漏抗和法求定子漏抗和电电枢等效磁枢等效磁动势动势电机学图56-1.gif第八十二页，编辑于星期六：二十点五分。(1)取；(2)过O作气隙线的平行线，交空载特性与E(3)过E点作OF的垂线交OF与A点。第八十三页，编辑于星期六：二十点五分。即可求得X已知注：注：这样这样求得的求得的X比实际值略大，比实际值略大，称为波梯电抗称为波梯电抗Xp原因：原因：零功率因数负载时为了补偿电枢直轴去磁磁动势而增零功率因数负载时为了补偿电枢直轴去磁磁动势而增加主极磁动势，而主极磁动势的增加使转子漏磁将随之增加主极磁动势，而主极磁动势的增加使转子漏磁将随之增加，使得转子磁路的饱和程度增加，
23、磁阻变大，因而需要加，使得转子磁路的饱和程度增加，磁阻变大，因而需要额外再增加一些主极磁动势额外再增加一些主极磁动势第八十四页，编辑于星期六：二十点五分。转转子与定子磁子与定子磁场场不同步，定子磁不同步，定子磁场轴线场轴线交替与交替与转转子的子的d、q轴轴重重合。合。与d轴重合时，xdIminUmax与q轴重合时，xqImaxUmin四四.用转差法测定用转差法测定Xd、Xq第八十五页，编辑于星期六：二十点五分。参数的典型值Xd*Xq*Xp*隐极同步发电机1.700.9xd*0.18凸极同步发电机1.150.750.32凸极同步电动机1.81.15d轴q轴d轴转差试验时的端电压和定子电流波形第八
24、十六页，编辑于星期六：二十点五分。6.7 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性1、运行特性、运行特性调整特性nsU=UNcos=cIf=f(I)效率特性n=nsU=UN=c=f(P2)外特性nsIf=ccos=cU=f(I)1、外特性、外特性第八十七页，编辑于星期六：二十点五分。同步发电机的外特性由外特性求电压调整率第八十八页，编辑于星期六：二十点五分。第八十九页，编辑于星期六：二十点五分。2、调整特性、调整特性调整特性nsU=UNcos=cIf=f(I)同步发电机的调整特性第九十页，编辑于星期六：二十点五分。3、效率特性、效率特性第九十一页，编辑于星期六：二十点五分。直接直接负载负载法法
25、加加负载测负载测损损耗分析法：耗分析法：计计算算总损总损耗耗额额定效率定效率第九十二页，编辑于星期六：二十点五分。二、作二、作电动势电动势磁磁动势图动势图求求IfN和和uu电机学图6-381.FLA.swf第九十三页，编辑于星期六：二十点五分。用电动势-磁动势图(波梯图)确定同步发电机的IfN和第九十四页，编辑于星期六：二十点五分。例6-5有台水轮发电机，额定容量SN16667kVA，额定电压UN13.8kV，Y联结，额定功率因数0.8(滞后)，额定转速nN100rmin，电枢电阻忽略不计。发电机的短路特性为波梯电抗的标幺值一直线，当短路电流等于额定电流时，励磁电流Ifkl78A，空载特性的数
26、据为0.250.450.791.001.141.201.251.304585150205250300350400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。第九十五页，编辑于星期六：二十点五分。第九十六页，编辑于星期六：二十点五分。已知：参数，已知：参数，E0=f(If)，额额定定值值，用用计计算机求算机求FfN和和kaFa隐隐极同步极同步发电发电机机IfN 第九十七页，编辑于星期六：二十点五分。6.8同步发电机与电网的并联同步发电机与电网的并联本节主要讨论并联运行的条件，以及并联后发电机有功，无功功率的调节本节主要讨论并联运行的条件，以及并联后发电机有功，无功功率的调节电网电网 无穷
27、大无穷大第九十八页，编辑于星期六：二十点五分。一、投入并联运行的条件和方法一、投入并联运行的条件和方法1、投入并联的条件、投入并联的条件 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及由此产生的冲击转矩，待投入并联的发电机必须满足以电流及由此产生的冲击转矩，待投入并联的发电机必须满足以下条件：下条件：（1）发电机的相序应于电网一致。）发电机的相序应于电网一致。（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）发电机的E0应与电网电压应与电网电压U大小相等，相位相同。大小相等，相位相同。以上三个条件中，第一条必
28、须满足以上三个条件中，第一条必须满足第九十九页，编辑于星期六：二十点五分。相序不同时频率不同时则相当于发电机端点加上一组负序电压，使发电机和电网之间存在巨大的电位差，产生巨大的环流和冲击转矩，属于严重的故障情况，必须避免。E0与U的大小不等或相位不同时若发电机频率和电网频率不同，可将U与E0设想为大小相等但转速不同的旋转相量。E0与U之间便有相对运行，将产生一大小和相位随时变化的环流，从而引起电机内功率振荡，一会发出有功功率，一会吸收有功功率若E0与U的大小不等或者相位不同时，当将发电机投入并联时，存在差值电压，产生冲击电流，严重情况下，该电磁力的冲击将损坏绕组端部和转轴第一百页，编辑于星期六
29、：二十点五分。关于相序问题，一般大型同步发电机的转向和相序在出厂前都已注明。对于关于相序问题，一般大型同步发电机的转向和相序在出厂前都已注明。对于没有标定的，可利用相序指示器来确定。没有标定的，可利用相序指示器来确定。关于关于频频率率问题问题，而而E0的大小可通的大小可通过调节发电过调节发电机的励磁机的励磁电电流流进进行行调节调节E0的相位可通过调节发电机瞬时速度来调整的相位可通过调节发电机瞬时速度来调整2.投入并联的方法投入并联的方法为了投入并联所进行的调整和操作过程，称为整步过程，整步方法有两种：为了投入并联所进行的调整和操作过程，称为整步过程，整步方法有两种：准整步法，自整步法准整步法，
30、自整步法 全部满足投入并联的条件，准整步法；全部满足投入并联的条件，准整步法；部分满足投入并联的条件，自整步法。部分满足投入并联的条件，自整步法。第一百零一页，编辑于星期六：二十点五分。1、准整步法、准整步法灯光闪烁三个灯将同时出现时暗时亮的现象灯光闪烁三个灯将同时出现时暗时亮的现象直接接法同步指示器：最同步指示器：最简单简单的同步指示器的同步指示器为为三个指示灯。三个指示灯。电压表调nns灯不亮第一百零二页，编辑于星期六：二十点五分。灯光闪烁三个灯将同时出现时暗时亮的现象灯光闪烁三个灯将同时出现时暗时亮的现象uaubucEAEbEcEAEbEcuaubucEAEbEcuaubuc在灯光全部熄
31、灭时，合闸投入并联，称为灯光熄灭法（直接接法）在灯光全部熄灭时，合闸投入并联，称为灯光熄灭法（直接接法）第一百零三页，编辑于星期六：二十点五分。指示灯交替明暗，形成旋转交叉接法1灯灭，2、3灯亮。若UA=UA但第一百零四页，编辑于星期六：二十点五分。指示灯交替明暗，形成旋转待到灯1熄灭，灯2和灯3亮度相同，表示发电机已满足投入并联条件，可合闸并网。交叉接法亦称为灯光旋灯光旋转转法法，此法的优点是能判断发电机频率比电网高还是低第一百零五页，编辑于星期六：二十点五分。并网：灯光旋转很慢交叉法称为灯光旋转法（亮灯法）交叉法称为灯光旋转法（亮灯法）采用直接接法时，若出现灯光旋转现象，说明相序不同；同理
32、采用交叉接法时，采用直接接法时，若出现灯光旋转现象，说明相序不同；同理采用交叉接法时，若出现灯光明暗现象也是相序错误。若出现灯光明暗现象也是相序错误。相序：灯光旋转，则相序正确。第一百零六页，编辑于星期六：二十点五分。准整步的优点是：投入瞬间电网和电机没有冲击；准整步的优点是：投入瞬间电网和电机没有冲击；缺点是：缺点是：整步手续比较复杂。整步手续比较复杂。相序相同，相序相同，沿旋转磁场的转向沿旋转磁场的转向n ns，励磁绕组通过电阻短路励磁绕组通过电阻短路2、自整步法、自整步法为了将发电机迅速投入电网，可采用自整步法。为了将发电机迅速投入电网，可采用自整步法。优点：投入迅速，装置简单。优点：投
33、入迅速，装置简单。缺点：投入时定子电流冲击大缺点：投入时定子电流冲击大 然后先合闸投入电网，然后先合闸投入电网，（此时相当于一台异步电机）（此时相当于一台异步电机）（3）并立即加励磁电流（有冲击电流）牵入同步。）并立即加励磁电流（有冲击电流）牵入同步。第一百零七页，编辑于星期六：二十点五分。二、与电网联时发电机的功角特性二、与电网联时发电机的功角特性当同步当同步发电发电机的励磁机的励磁电动势电动势和端和端电压电压保持不保持不变时变时，发电发电机机产产生的生的称称为为功角特性功角特性。电磁功率与功率角之间的关系电磁功率与功率角之间的关系第一百零八页，编辑于星期六：二十点五分。转子无励磁，仅靠转子
34、无励磁，仅靠Pe2工作时，称为磁阻电机工作时，称为磁阻电机第一百零九页，编辑于星期六：二十点五分。第一百一十页，编辑于星期六：二十点五分。由功角特性可由功角特性可见见不不变时变时，电电磁功率的大小取决于磁功率的大小取决于。180900 45-180电动机发电机PePe1Pe2Pe同步电机的功角特性第一百一十一页，编辑于星期六：二十点五分。max：总电磁功率达到最大值时的功率角第一百一十二页，编辑于星期六：二十点五分。第一百一十三页，编辑于星期六：二十点五分。第一百一十四页，编辑于星期六：二十点五分。第一百一十五页，编辑于星期六：二十点五分。例例6-4第一百一十六页，编辑于星期六：二十点五分。三
35、、有功功率的调节和静态稳定三、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 现现代代电电力力系系统统的的容容量量都都很很大大，其其频频率率和和电电压压基基本本不不受受负负载载变变化化和和其其他他扰扰动动的的影影响响而而保保持持为为常常值值,这这种种恒恒频频恒恒压压的的交交流流电电网网，称称为为无无穷穷大大电电网网。当当发发电电机机并并联联于于无无穷穷大大电网时，可向电网输出功率。电网时，可向电网输出功率。下下面面以以隐隐极极电电机机为为例例说说明明同同步步发发电电机机与与无无穷穷大大电电网网并并联联时时有有功功功功率率的的调调节节，为为简化分析略去简化分析略去R Ra a不计，设发
36、电机已接到一个无穷大电网。不计，设发电机已接到一个无穷大电网。第一百一十七页，编辑于星期六：二十点五分。从从物物理理模模型型看看，分分解解出出切切向向力力，使使转转子子上上受受到到一一制制动动性性质质的的电电磁磁转转矩矩，当当制制动动转转矩矩与与原原动动机机驱驱动动转转矩矩相相平平衡衡时时。功功率率就就不不再再增增大大，这这时时转转子子主主极极磁磁场场拉拉着着气气隙隙磁磁场场以以同同步步速速旋旋转转，将将输输入入的的机机械械功功率率变变为为电电功功率率输输出出，在在功角特性上对应于功角特性上对应于A点。点。由由此此可可见见，要要调调节节发发电电机机输输出出的的有有功功功功率率，必必须须调调节节
37、原原动动机机的的输输入入功功率，使率，使增大，电磁功率和输出功率便会相应增加。增大，电磁功率和输出功率便会相应增加。原原动动机机输输入入功功率率的的增增加加不不是是无无限限制制的的，对对于于隐隐极极电电机机，当当达达到到90时时，电电磁磁功率达到最大值。即隐极同步发电机的功率极限值功率达到最大值。即隐极同步发电机的功率极限值第一百一十八页，编辑于星期六：二十点五分。2、静态稳定静态稳定 静态稳定指电网上并联运行的同步发电机，在受到电网或原动机方面的微小扰动后，能静态稳定指电网上并联运行的同步发电机，在受到电网或原动机方面的微小扰动后，能够自动的恢复到原先的平衡状态的能力。够自动的恢复到原先的平
38、衡状态的能力。如能复原，则发电机是如能复原，则发电机是稳定的，反之，则为不稳定。稳定的，反之，则为不稳定。第一百一十九页，编辑于星期六：二十点五分。整步功率系数整步功率系数第一百二十页，编辑于星期六：二十点五分。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 第一百二十一页，编辑于星期六：二十点五分。四、无功功率的调节四、无功功率的调节 接接到到电电网网上上的的负负载载多多数数都都是是电电感感性性的的，所所以以与与电电网网并并联联的的发发电电机机不不仅仅要向电网输出
39、有功功率，而且还要输出无功功率。要向电网输出有功功率，而且还要输出无功功率。下下面面以以隐隐极极同同步步发发电电机机为为例例来来说说明明同同步步发发电电机机与与无无穷穷大大电电网网并并联联时时无无功功功功率率的的调调节节问题。问题。为简单计，忽略电枢电阻和磁饱和影响，并假定调节励磁时，原动机的输入有为简单计，忽略电枢电阻和磁饱和影响，并假定调节励磁时，原动机的输入有功功率保持不变。功功率保持不变。第一百二十二页，编辑于星期六：二十点五分。ooojXsjXsjXsBACDEosin=常值Icos=常值第一百二十三页，编辑于星期六：二十点五分。为“V形曲线”,曲线最低点为正常励磁点第一百二十四页，
40、编辑于星期六：二十点五分。调节励磁电流可以调节无功功率这一现象，还可以用磁动势平衡关系解释调节励磁电流可以调节无功功率这一现象，还可以用磁动势平衡关系解释对同步电机进行励磁电流的调节，可改变无功电流，即改变无功功率和功率因数对同步电机进行励磁电流的调节，可改变无功电流，即改变无功功率和功率因数RajXoao90ajXa过励，直轴电枢反应为去磁过励，直轴电枢反应为去磁第一百二十五页，编辑于星期六：二十点五分。五、功率因数变化时发电机的输出能力五、功率因数变化时发电机的输出能力输出能力曲线：N点为额定点：对应NA段：电枢电流保持为额定，发电机功率因数逐渐上升到1。此时若加大发电机的有功功率到A点，
41、输出的无功功率要相应减少否则电机将过载运行。到A点无功功率为零，发电机发出的有功功率达到最大值。第一百二十六页，编辑于星期六：二十点五分。从N点到A点，功率因数逐渐上升，电枢反应的去磁作用逐渐减少，所需的励磁电流逐渐渐少，发电机的输出能力主要受电枢电流的限制。对应NB段：励磁电流保持为额定，发电机功率因数逐渐下降到零。此时发电机的有功因数降低，电枢反应去磁作用加大，为使励磁电流不超过额定值，必须减少电枢电流否则励磁绕组温升过高。到B点有功功率为零，发电机无功功率达到最大值。从N点到B点，功率因数逐渐下降，电枢反应的去磁作用逐渐增加，电枢电流逐渐渐少，发电机的输出能力主要受励磁电流的限制。第一百
42、二十七页，编辑于星期六：二十点五分。6.9同步电动机与同步补偿机同步电动机与同步补偿机与感应电动机相比，同步电动机的主要特点是：与感应电动机相比，同步电动机的主要特点是：转速与负载大小无关始终保持为转速与负载大小无关始终保持为同步速，且功率因数可调。同步速，且功率因数可调。因此广泛应用于大功率恒转速的机械负载，如空气压缩机、粉碎机、鼓风机、水泵因此广泛应用于大功率恒转速的机械负载，如空气压缩机、粉碎机、鼓风机、水泵及电动发电机组及电动发电机组 同步补偿机相当于空载运行的同步电动机，用于补偿电网的无功功率和功率因数同步补偿机相当于空载运行的同步电动机，用于补偿电网的无功功率和功率因数一、同步电机
43、的可逆原理一、同步电机的可逆原理p1Pe=0此时功率角为零此时功率角为零 如将原动机去掉，空载损耗全部由电源提供如将原动机去掉，空载损耗全部由电源提供这时如在轴上加负载，即输出机械功率变为电动机运行这时如在轴上加负载，即输出机械功率变为电动机运行同步发电机同步发电机空载同步发电机空载同步发电机同步电动机同步电动机 第一百二十八页，编辑于星期六：二十点五分。二、同步电动机的电压方程和相量图二、同步电动机的电压方程和相量图若仍用发电机惯例分析若仍用发电机惯例分析大于大于900，即此时发出负的电功率，即此时发出负的电功率，相当于输入正功率相当于输入正功率I超前超前E0电枢反应为增磁电枢反应为增磁 I
44、滞后滞后E0电枢反应为去磁电枢反应为去磁第一百二十九页，编辑于星期六：二十点五分。ojMXsoMMMRaM=-隐极同步电动机相量图第一百三十页，编辑于星期六：二十点五分。oMRaM=-MoMdMqMjdMXdjqMXq凸极同步电动机相量图第一百三十一页，编辑于星期六：二十点五分。三、同步电动机的功角特性，功率方程和转矩方程三、同步电动机的功角特性，功率方程和转矩方程1 1、功角特性、功角特性（Ra=0）整步功率系数整步功率系数 及过载能力及过载能力 与发电机相同与发电机相同第一百三十二页，编辑于星期六：二十点五分。2 2、功率和转矩方程、功率和转矩方程第一百三十三页，编辑于星期六：二十点五分。
45、转矩特性电流特性功率因数特性效率特性与其他电机相同四、同步电动机的运行特性四、同步电动机的运行特性1 1、工作特性、工作特性第一百三十四页，编辑于星期六：二十点五分。不同励磁时的功率因数特性不同励磁时的功率因数特性2、V型曲线型曲线隐极同步电动机，忽略Ra从图可见，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。第一百三十五页，编辑于星期六：二十点五分。oooEosinM=常值IMcosM=常值MMMjMXsjMXsjMXsABCD电机学图片段.shs改变励磁时同步电动机相量图第一百三十六页，编辑于星期六：二十点五分。同步电动机调节同步电动机调节If可改变功率因数，这是
46、同步电动机的优点之一可改变功率因数，这是同步电动机的优点之一同步电机机与感应电机同时接入电网，并使同步机处于过励状态同步电机机与感应电机同时接入电网，并使同步机处于过励状态第一百三十七页，编辑于星期六：二十点五分。例例6-5第一百三十八页，编辑于星期六：二十点五分。过励时功率因数变为超前过励时功率因数变为超前第一百三十九页，编辑于星期六：二十点五分。五、同步电动机的起动方法五、同步电动机的起动方法1、异步起动、异步起动 在转子上装笼型起动绕组。定子加三相对称电压，转子励磁绕组 通过电阻短路R=(510)Rf第一百四十页，编辑于星期六：二十点五分。异步起动阶段异步起动阶段异步转矩：与感应电动机相
47、同单轴转矩：励磁绕组电流频率为sf1，产生相对于转子静止的脉动磁势，可分解为正转磁势：n+sns=ns与定子磁势相对静止，产生平均转矩；反转磁势：n-sns=(1-2s)ns,在定子绕组中感应电流，产生异步转矩，当s=0.5时，（1-2s）ns=0,与定子绕组相对静止，电磁转矩为0。异步转矩与单轴转矩的合成曲线构成异步起动阶段合成转矩异步转矩与单轴转矩的合成曲线构成异步起动阶段合成转矩异步起动阶段性能的好坏取决于异步起动阶段性能的好坏取决于Tst和和Tpi。Tpi指转速达到指转速达到95%ns时的转矩。时的转矩。Tst和和Tpi与起动绕组的电阻有关与起动绕组的电阻有关第一百四十一页，编辑于星期
48、六：二十点五分。注：励磁绕组切勿开路，且必须串一大电阻（为限制单转转矩）这两种转矩对牵入同步起决定作用这两种转矩对牵入同步起决定作用当通入直流后，在同步转矩作用下即可牵入同步当通入直流后，在同步转矩作用下即可牵入同步磁阻转矩：磁阻转矩：同步转矩：同步转矩：牵入同步阶段牵入同步阶段第一百四十二页，编辑于星期六：二十点五分。2、辅助电机起动辅助电机起动同极数感应电动机，容量约为主机容量的（同极数感应电动机，容量约为主机容量的（1015）%的感的感应电机作为辅机，拖动主机使应电机作为辅机，拖动主机使n接近同步速时，转子励磁绕组接近同步速时，转子励磁绕组加入加入If，由同步转矩拖入同步。，由同步转矩拖
49、入同步。缺点：不能带载起动，否则辅机容量太大。缺点：不能带载起动，否则辅机容量太大。3、变频起动、变频起动起动时起动时f1很低，随着很低，随着n逐步增加逐步增加f1最后达到最后达到fN,改变定子旋转磁场的转速利用同步转矩起动。改变定子旋转磁场的转速利用同步转矩起动。缺点：必须具备变频电源缺点：必须具备变频电源第一百四十三页，编辑于星期六：二十点五分。六、同步补偿机六、同步补偿机（同步调相机）（同步调相机）2、同步补偿机的额定容量和结构特点同步补偿机的额定容量和结构特点额定容量是指过励时所能补偿的无功功率感应电动机所需的滞后无功电流由过励的同步补偿机提供，从而避免了无功电流的远程输送，改善电网的
50、功率因数。Pe=0I=f(If)1、同步补偿机的原理同步补偿机的原理第一百四十四页，编辑于星期六：二十点五分。例:：6-6PQSQSQ”PS”第一百四十五页，编辑于星期六：二十点五分。6.10同步发电机的不对称运行同步发电机的不对称运行分析方法：分析方法：对称分量法对称分量法一组不对称的三相电压（电流），可以分解为正序、负序和零序三组对称电压（电流），后者称为原不对称电压（电流）的对称分量。一、对称分量法一、对称分量法电机不饱和时，可采用迭加原理进行分析对正序、负序、零序来说都是三相对称系统，只分析一相即可（1）发电机气隙磁场为椭圆形旋转磁场（2）负序转矩引起振动力矩第一百四十六页，编辑于星期