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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均均匀匀分分布布的的。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。称为电枢反应电抗。在同样大小在同样大小电流情况下电流情况下,如果如果 越大，电枢反应电越大，电枢反应电势也越大，表示着电枢磁势所产生的电势也越大，表示着电枢磁势所产生的电枢磁通很强。因此枢磁通很强。因此 的大小可以说明的大小可以说明电枢反应的强弱。电枢反
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，还要产生一定的漏磁通，由于漏磁通也会交产生一定的漏磁通，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同步电机在正常状态下工作，磁路略呈饱和。同步电机在正常状态下工作，磁路略呈饱和。磁路的饱和程度越高，它的磁阻便越大，所对磁路的饱和程度越高，它的磁阻便越大，所对应的电抗便函越小。所以应的电抗便函越小。所以 或或 的大小是随的大小是随着磁路饱和程度的改变而改变的。着磁路饱和程度的改变而改变的。2 2、凸极同步电机：、凸极同步电机：v凸极同步电机的特点就是气隙分布不均匀。这凸极同步电机的特点就是气隙分布不均匀。这样我们就不能用分析隐极式同样的方法来分析样我们就不能用分析隐极式同样的方法来分析凸极同步电机的电抗。在凸极电机中，极面下凸
4、极同步电机的电抗。在凸极电机中，极面下气隙较小，两极之间气隙较大。气隙较小，两极之间气隙较大。很显然，由于直轴处的气隙比交轴处小，很显然，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。所产生的电枢磁场将有明显的差别。而不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分量。直轴和交轴方向的两个分量。v直直轴轴电电枢枢磁磁势势固固定定地地作
5、作用用在在直直轴轴磁磁路路上上，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
6、同步电抗，即轴同步电抗和交轴同步电抗，即注注意意：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：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
7、将将随随着着负负载载电电流流的的变变化化而而变变化化。不不同同性性质质负负载载下下，其其变变化化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化化，不不但但与与负负载载电电流流的的大大小小有有关关，还还与与负负载载电电流流的的性性质质有有关关 。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
8、发发电电机机在在对对称称负负载载下下运运行行，气气隙隙中中存存在在着着两两种种磁磁势势，即即定定子子上上的的电电枢枢磁磁势势和和转转子子的的磁磁极极磁磁势势。在在不不考考虑虑磁磁路路的的饱饱和和现现象象时时，应应用用迭迭加加原原理理，认认为为它它们们各各自自独独立立地地产产生生相相应应磁磁通通，并并在在电电枢枢绕绕组组内内产产生生感感应电势应电势。3 隐极发电机的相量图已知发电机的端电压已知发电机的端电压、负载电流和功率因数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
9、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个角角度度间间存存在在有有下下列列关关系：系：v根根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6.2.4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
10、。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，必须按照式前面我们所分析的将磁动势分时，必须按照式前面我们所分析的将磁动势分解成直轴和交轴两个分量，然后和处理隐极电解成直轴和交轴两个分量，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
11、以把漏抗压降分解成两个分量，即：可以把漏抗压降分解成两个分量，即：v这就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 两两个分量。个分量。也就是要知道也就是要知道 与与 之间的之间的夹角夹角。凸极凸极发电机的相量图的作法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、已知内功率因数角按照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
12、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显然，此时我们通过改变励磁电流，则显然，此时我们通过改变励磁电流，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
13、电动势都会随之发生变化。电动势都会随之发生变化。v1）开路特性：空载时不同励磁电流和产）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状上完全相同。开路特性主要有两个用处：状上完全相同。开路特性主要有两个用处：v（1 1）开开路路特特性性可可以以反反映映出出电电机机设设计计是是否否合合理理。如如同同前前面面所所分分析析的的情情况况一一样样，额额定定电电压压应应位位于于开开路路特特性性开开始始
14、弯弯曲曲的的部部分分，例例如如图图中中的的A A点点，这样才比较经济合理。这样才比较经济合理。v（2 2）同同步步电电抗抗是是同同步步电电机机中中一一个个极极为为重重要要的的参参数数，同同步步电电机机的的许许多多性性能能由由它它所所决决定定。开开路路特性配合短路特性可以求出同步电抗。特性配合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。如如改改变变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改改变变。短短路路特特性性就就是是
15、研研究究这这两两个个量量之之间间的的变变化化关关系系，曲曲线。线。v如如果果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根据上式可以画出短路运行时的相量图根据上式可以画出短路运行时的相量图见图：因为忽略了电阻效应，电枢是纯见图：因为忽略了电阻效应，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，度，所以产生的电枢反应是直轴去磁效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
16、 正正比比于于 ，而而 又又正正比比于于 ，所所以以 正正比比于于 ，因因此此短短路路特特性性是是一一条条通通过过原原点的直线，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分分量量，而而交交轴轴分分量量为为零零。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
17、的 也是一个常数。也是一个常数。v同同步步发发电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，减减少少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危险的。是没有危险的。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：1 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
18、 之之比比求求得得的的是是同同步步电电抗抗的的不饱和值。不饱和值。v2）当处于饱和区间：）当处于饱和区间：首先从空载特性上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于，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，这样饱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：和同步电抗的近似值为：v在在凸凸极极电电机机中中，通通过过开开路路试试验验及及短短路路试试验验只只能能求求出出直直轴轴同同步步电电抗抗。根根据据经经验验公公式，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
19、性：零功率因数特性：所所谓谓零零功功率率因因数数特特性性指指：在在 ，=恒恒定定值值、=0 =0的条件下，所得到的特性。的条件下，所得到的特性。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化化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数特性（见图）。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
20、。v同同步步发发电电机机在在电电感感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，磁磁路路能能逐逐渐渐饱饱和和，电电压压上上升升逐逐渐渐缓缓慢慢，使使曲曲线线弯弯曲曲，实实际际上上，零零功功率率因因数数特特性性曲曲线线的的形形状状与与开开路路特特性性曲曲线线颇颇为为类类似似。下下面面研研究究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时的情况。时的情况。在开路特性上，在开路特
21、性上，时，时，；而在零；而在零功率因数曲线上，功率因数曲线上，时，时，。为什。为什么在零功率因数曲线上，电压为零时，励么在零功率因数曲线上，电压为零时，励磁电流不为零呢？这是因为：磁电流不为零呢？这是因为：（1 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 ，所以需要一定励磁电流，所以需要一定励磁电流 ，以，以产生电势产生电势 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
22、反反应应是是一一个个纯纯粹粹的的去去磁磁作作用用，所所以以再再需需要要一一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 枢枢电电流流一一定定时时，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
23、也可以用作图的方法求特性。性。当然也可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 的条件下，同步发电机作单机运行，端电压的条件下，同步发电机作单机运行，端电压U随负载电流而变化的关系特性曲线随负载电流而变化的关系特性曲线。显然，。显然，外特性曲线和负载的性质密切相关。外特性曲线和负载的性质密切相关。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减少，端电压逐步上升。着负载电流的减少，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
24、是因为考虑了电枢反应的去磁作用的影响，随着电枢电流的减少，电枢反应影响，随着电枢电流的减少，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，所以端电压逐渐增加。加，所以端电压逐渐增加。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，随着电枢电流的减少，合成的磁通用，随着电枢电流的减少，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改变而变化，变化的程度我
25、们可以通过电压调整率来衡量。即：空载与额定负载之间的电压调整率。当然，负载是任意负载，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，定子铜耗是极小的一部分，在发电机中，定子铜耗是极小的一部分
26、，为了分析简单，常常忽略，因此：为了分析简单，常常忽略，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：v所以有vv最后：可得由此，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角特性表达式角特性表达式，即当，即当e0和和u为常数时，电为常数时，电磁功率和功角之间的函数关系。显然，当磁功率和功角之间的函数关系。显然，当功角功角=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）,反比于同步电反比于同步电抗。从功角特性可以决定电磁转矩与功角抗。从功角特性可以决定电磁转矩与功角之间的关系，
27、由此可以得出相应的电磁之间的关系，由此可以得出相应的电磁转矩，为转矩，为 式式中中，单单位位是是W；单单位位是是rad/s；单单位位是是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如同隐极电机功角特性推导方法一样，可如同隐极电机功角特性推导方法一样，可以得到凸极同步发电机的功角特性。如果以得到凸极同步发电机的功角特性。如果略去电阻损耗，式（略去电阻损耗，式（14-4）对凸极电机）对凸极电机也能成立。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
28、出：v或或v最后，可得：最后，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显然显然,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
29、意义:我们已经知道功角和电磁功率是密切相关的，实际上同步发电机输出功率的大小及稳定运行问题，都和功角是紧密相连的。已知：在这里我们忽略了，作出相应的向量图可以看出：此时，此时，磁通磁通 与与 之间的夹角就是之间的夹角就是E E0 0和和U U之间的夹角之间的夹角 ，也就是转子磁极也就是转子磁极与合成磁场之间的夹角与合成磁场之间的夹角，由此可见，由此可见，在在发电机运行时发电机运行时,E E0 0永远超前于永远超前于U U，也就是，也就是说，转子磁极轴线永远超前合成磁场轴说，转子磁极轴线永远超前合成磁场轴线一个线一个 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
30、否稳定运行，与功角的大小有同步电机能否稳定运行，与功角的大小有密切关系。在这里，我们先来看一下什么密切关系。在这里，我们先来看一下什么是电机的静态稳定，为了分析简便起见，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耗略去铁芯损耗和机械损耗，这样，可得，这样，可得P1=PM，静态稳定：电机在运行时，受到外界的干静态稳定：电机在运行时，受到外界的干扰，从而导致运行偏离原先的运行点，扰，从而导致运行偏离原先的运行点，而当干扰撤去后，电机又能自行回到原而当干扰撤去后，电机又能自行回到原先的点继续工作，就叫做电机的静态稳先的点继续工作，就叫做电机的静态稳定。这样一来，如图所示：定。这样一来，
31、如图所示：v作如下分析：作如下分析：1）在）在a点，点，P1=PM，即输入即输入P1和输出和输出PM相相 等，电机稳态运行等，电机稳态运行 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，显然电机的转速将增大，因为功角和转速显然电机的转速将增大，因为功角和转速 成正比关系变化，所以，功角也将增大，成正比关系变化，所以，功角也将增大，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 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 继续稳定运行。继续稳定运行。3）由此可以推出，当功角在）由此可以推出，当功角在00-900之间变化之
32、间变化时，发电机有自动保持同步的能力，时，发电机有自动保持同步的能力，是发电机是发电机稳定稳定 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 的改变只会改变功角的大小，而转子的稳的改变只会改变功角的大小，而转子的稳 定转速是不会改变的，永远以同步速旋转。定转速是不会改变的，永远以同步速旋转。4）而在）而在9001800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时，时，输入的机械功率到输入的机械功率到 达与最大电磁功率相等，即达与最大电磁功率相等，即 当当功功角角大大于于900时时将将失失去去同同步步，失失去去同同步步后后，装在电网与间
33、的保护开关产生动作，装在电网与间的保护开关产生动作，将发电机从电网上拉开。将发电机从电网上拉开。14.5 14.5 同步发电机有功功率及无功功率的同步发电机有功功率及无功功率的调节、调节、V形曲线形曲线一、有功功率的调节：一、有功功率的调节：已知，在忽略铜耗的前提下，已知，在忽略铜耗的前提下，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，系的，所以，想要增加电机输出的有功功率，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、无功功率的调节：二、无功功率的调节：为简
34、便起见，在调节无功功率时，假定发为简便起见，在调节无功功率时，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情况下调节电机的无功在有功功率不变的情况下调节电机的无功功率看图：功率看图：E0的变化必须满足在的变化必须满足在CD直线，而相应直线，而相应的的Ia的变化必须在的变化必须在AB线上。线上。1）当Ia1与U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值，无功功率为零，此时的电枢电流为最小值，所对应的励磁电流我们叫
35、做正常励磁电流，所对应的励磁电流我们叫做正常励磁电流，此时组成的是一个直角三角形此时组成的是一个直角三角形 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E E0 0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I Ia1a1,I,Ia2,a2,电电动势变化到动势变化到E E0202，此时整个系统出现了无此时整个系统出现了无功电流，并且是滞后，即功电流，并且是滞后，即此时发电机将此时发电机将向外输出滞后性的无功功率，整个状态向外输出滞后性的无功功率，整个状态我们称之为我们称之为 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
36、常励磁电流对应的情况下），由图可见，常励磁电流对应的情况下），由图可见，此时电流超前，即向外输出此时电流超前，即向外输出超前性质的无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，对于无功功率的调节，由上可见，对于无功功率的调节，可以通可以通过对励磁电流的调节实现。过对励磁电流的调节实现。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，曲线的最低点点对应的是对应的是 ，相当于，相当于 =1的情况，此时的励磁电流为
37、正常励磁电的情况，此时的励磁电流为正常励磁电流，如果增大则进入过厉，输出滞后的流，如果增大则进入过厉，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：转速不随负载的变化而改变同步电动机：转速不随负载的变化而改变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显然是发电机。矩为制动性质显然是发电机。2）转子轴线和定子轴线
38、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
39、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，我们仍然可以这样，但为了大理论上，我们仍然可以这样，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
40、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，我们就可以画出凸极同步电动机的功角特性曲线。为了结构上的简单，在某些小角特性曲线。为了结构上的简单，在某些小容量同步电动机的转子上不安放直流励磁绕容量同步电动机的转子上不安放直流励磁绕组，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节
41、同步电动机无功功率的调节一、无功功率的调节：一、无功功率的调节：同步电动机的功率因数是超前还是滞后，和同步电动机的功率因数是超前还是滞后，和发电机一样决定于励磁状态。发电机一样决定于励磁状态。先看一下同先看一下同步电动机的步电动机的V型曲线，注意到：型曲线，注意到：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，显然，电动机的功率因数是可以通过改变励磁显然，电动机的功率因数是可以通过改变励磁电流来进行调节的。电流来进行调节的。我们知道，感应电动机必须从电网吸收激磁我们
42、知道，感应电动机必须从电网吸收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，所以现代电网的功率因数经常是滞后性的。而同步电动机在过励时，经常是滞后性的。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，电网上，便可以使供电系统的功率因数提高。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，这是它最可贵的优点。它最可贵的优点。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
43、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，它有非常特殊的地方，如图所示：方式，它有非常特殊的地方，如图所示：即：即：转子绕组加入直流励磁以后，在气隙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。当在定子绕组中生成静止的转子磁场。当在定子绕组中能入三相交流电以后，在气隙中则产中能入三相交流电以后，在气隙中则产生旋转磁场。定、转子磁场之间存在有生旋转磁场。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，以同步电动机不产生起动转矩。因此，在同步电动机起动时，我们经常采用的在同步电动机起动时，
44、我们经常采用的是异步起动方法。是异步起动方法。异步启动法：异步启动法：在磁极表面上装设有类似感应电机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，如同感应电机工作原理一样，这个旋转磁场，如同感应电机工作原理一样，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，所以同步电机按照感应电机原理转动起来。待速度上升到接按照感应电机原理转动起来。待速
45、度上升到接近同步转速时，再给予直流励磁，产生转子磁近同步转速时，再给予直流励磁，产生转子磁场，此时它和定子磁场间得到转速已非常接近，场，此时它和定子磁场间得到转速已非常接近，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两个阶段：（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）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 容易拉容易拉 入同步。甚至在未加励磁的情况下，入同步。甚至在未加励磁的情况下，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采用凸极式结动性能，同步电动机绝大多数采用凸极式结 构。构。注意：注意：当同步电动机按感应电机方式起当同步电动机按感应电机方式起 动时，励磁绕组绝对不能开路动时，励磁绕组绝对不能开路 ！必须短路必须短路 ！