《电机拖动基础第4篇同步电机.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机拖动基础第4篇同步电机.ppt（150页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 第四篇第四篇 同步电机同步电机第第12章章 同步电机的基本工作原同步电机的基本工作原理和主要结构理和主要结构12.1 同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理:我们有了前面对异步电动机的结我们有了前面对异步电动机的结构的认识，再这里我们就直接从构的认识，再这里我们就直接从同步电机的基本工作原理入手同步电机的基本工作原理入手。n如图所示：如图所示：感感应应电电势势由由电电势势的的频频率率、电电势势的的波波形形和和电电势势的的大大小三个基本要素所决定。小三个基本要素所决定。12.2 同步电机的主要结构同步电机的主要结构n与与感感应应电电机机一一样样，同同步步电电机机也也是是由由定定子子及及转
2、转子子两两大大部部分分所所组组成成，定定子子上上有有三三相相交交流流绕绕组组；转转子子上上则则有有励励磁磁绕绕组组，通通入入直流电流后，能产生磁场。直流电流后，能产生磁场。n12.2.1 12.2.1 定子：定子：n同同步步电电机机的的定定子子有有时时也也称称为为电电枢枢，由由定定子子铁铁芯芯、电电枢枢三三相相绕绕组组、机机座座和和端端盖盖等等部件所组成。部件所组成。n同步电机的定子铁芯是由硅钢片冲制后同步电机的定子铁芯是由硅钢片冲制后叠装而成。当大型同步电机冲片外圆的叠装而成。当大型同步电机冲片外圆的直径大于直径大于1m时，由于材料标准尺寸的限时，由于材料标准尺寸的限制，必须做成制，必须做成
3、扇形冲片，然后按圆周拼扇形冲片，然后按圆周拼合起来叠装而成。合起来叠装而成。n如图所示：如图所示：12.2.2转子：转子：同同步步电电机机的的转转子子有有两两种种结结构构型型式式，即即凸凸极极式式和和隐隐极极式式。这这是是根根据据定定转转子子之之间间的的气气隙的分布情况来定义的。隙的分布情况来定义的。见图：见图：1）凸极式：有上图可见，转子有明显的突出的）凸极式：有上图可见，转子有明显的突出的磁极，气隙分布不均匀。磁极，气隙分布不均匀。2）隐极式：转子作成圆柱形，气隙均匀分布。）隐极式：转子作成圆柱形，气隙均匀分布。区别：对于高速旋转区别：对于高速旋转的同步电机，在转子结构的同步电机，在转子结
4、构上，我们采用隐极式，而对于低速旋转的电机，上，我们采用隐极式，而对于低速旋转的电机，由于转子的圆周速度较低，离心力较小，故采由于转子的圆周速度较低，离心力较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构。用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构。大型同步发电机通常用汽轮机或水轮机作为原大型同步发电机通常用汽轮机或水轮机作为原动机来拖动，故前者称为汽轮发电机，后者称动机来拖动，故前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。为水轮发电机。汽轮发电机：转速高，采用隐极式。汽轮发电机：转速高，采用隐极式。水论发电机：转速低，采用凸极式。水论发电机：转速低，采用凸极式。n12.2.3冷却问题简述冷却问题
5、简述：n在中、小型电机中，都采用空气作为冷却介质。在中、小型电机中，都采用空气作为冷却介质。当电机的容量很大时，电机内部的损耗及发热当电机的容量很大时，电机内部的损耗及发热量迅速增加，冷却问题显得格外重要，此时必量迅速增加，冷却问题显得格外重要，此时必须加强通风或采用其他的冷却方式。须加强通风或采用其他的冷却方式。n1）在大型汽轮发电机中，为了提高其冷却效）在大型汽轮发电机中，为了提高其冷却效率，往往用氢气冷却，是氢气与空气混合后，率，往往用氢气冷却，是氢气与空气混合后，有爆炸危险，必须有一套控制设备来保证外界有爆炸危险，必须有一套控制设备来保证外界空气不会渗入到电机内部。空气不会渗入到电机内
6、部。n目前在更大容量的发电机中，可以采用导线内目前在更大容量的发电机中，可以采用导线内部直接冷却。例如采用空心导体（如图），冷部直接冷却。例如采用空心导体（如图），冷却介质直接在导体中流通而把热量带走，这样却介质直接在导体中流通而把热量带走，这样能更有效地降低电机的温升。所采用的冷却介能更有效地降低电机的温升。所采用的冷却介质一般有氢气质一般有氢气及水等。及水等。12.3 同步电机的额定值同步电机的额定值同步电机的额定值有：同步电机的额定值有：1）额定电压：）额定电压：是指在正常运行时，按照制是指在正常运行时，按照制造厂的规定，定子三相绕组上的造厂的规定，定子三相绕组上的线电压线电压。电压的单
7、位用电压的单位用V V或或kVkV表示。表示。2 2）额定电流：）额定电流：流流过过定子定子绕组绕组的的线电线电流流 。3 3）额定功率：）额定功率：是指在正常运行是指在正常运行时时，电电机的机的输出功率输出功率 。A：对于发电机而言：输出的是电功率。对于发电机而言：输出的是电功率。B：对于电动机而言：输出的是机械功率。对于电动机而言：输出的是机械功率。单位是单位是KW。4.4.相数相数m m ：一般一般m=3m=3。5.5.额定频率额定频率:我国额定工业频率规定我国额定工业频率规定 =50 =50Hz.Hz.n6）额定转速：）额定转速：额定转速即为电机的同步额定转速即为电机的同步速，在一定极
8、数及频率时，它的转速是速，在一定极数及频率时，它的转速是定值。定值。第第13章章 同步发电机的运行原理同步发电机的运行原理13.1 电电 枢枢 反反 应应 同同步步电电机机在在空空载载时时，气气隙隙中中仅仅存存在在着着转转子子磁磁势势。负负载载以以后后，除除转转子子磁磁势势外外，定定子子三三相相电电流流也也产产生生电电枢枢磁磁势势。电电枢枢磁磁势势的的存存在在，将将使使气气隙隙中中磁磁场场的的大大小小及及位位置置发发生生变变化化，这这种种现象称之为电枢反应。现象称之为电枢反应。电枢反应：电枢磁动势对主极磁场的影响。电枢反应：电枢磁动势对主极磁场的影响。电枢反应除使气隙磁场发生畸变，从而电枢反应
9、除使气隙磁场发生畸变，从而直接关联到机电能量转换外，还有去磁直接关联到机电能量转换外，还有去磁或增磁作用，对同步电机的运行性能产或增磁作用，对同步电机的运行性能产生重要的影响。生重要的影响。电枢反应的性质取决与电枢磁动势和主电枢反应的性质取决与电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。分析表明，这磁场在空间的相对位置。分析表明，这一相对位置与激磁电动势一相对位置与激磁电动势根据不同的根据不同的值，下面我们将分别进行分值，下面我们将分别进行分析。析。13.1.1 13.1.1 和和 同同相相位位（=0=0）时时的的电电枢枢反应：反应：如图所示：如图所示：n电枢磁动势电枢磁动势与转子磁势与转子磁势相加后
10、才是相加后才是气隙中的合成磁动势。气隙中的合成磁动势。n在这里需要注意的是：我们习惯上称转在这里需要注意的是：我们习惯上称转子磁极轴线为直轴，用子磁极轴线为直轴，用d来进行表示，而来进行表示，而N，S极之间的中线为交轴，用极之间的中线为交轴，用q来进行来进行表示。所以，由于交轴磁势的存在，使表示。所以，由于交轴磁势的存在，使合成磁势的轴线的位置产生一定的位移，合成磁势的轴线的位置产生一定的位移，幅值发生一定的变化。幅值发生一定的变化。n13.1.2滞后滞后 90 90电角度（电角度（=90=90）时的电枢反应时的电枢反应 ：见相量图：见相量图：显然，此时的电枢磁势和气隙磁势方向相反，电显然，此
11、时的电枢磁势和气隙磁势方向相反，电枢反应是去磁效果。枢反应是去磁效果。n13.1.3 13.1.3 超超 前前 9090电电 角角 度度（=-=-9090）时的电枢反应：时的电枢反应：显然，此时的电枢反应是增磁的，所以电显然，此时的电枢反应是增磁的，所以电枢磁势称之为直轴增磁电枢磁势。枢磁势称之为直轴增磁电枢磁势。13.1.4 13.1.4 一般情况下（一般情况下（=任意角度时）的任意角度时）的电枢反应电枢反应：在这里要注意是电流滞后电动势还是超前在这里要注意是电流滞后电动势还是超前电动势。电动势。1）电流滞后电动势）电流滞后电动势：90900 0此此时时，可可以以利利用用迭迭加加原原理理，将
12、将 分分解解成成两两个个分分量量，即即 与与 同同相相分分量量；滞滞后后于于 9090电电角角度度分分量量 （图图13-413-4），它它们们有有如如下关系：下关系：n产产生生直直轴轴电电枢枢磁磁势势，对对主主磁磁极极起起去去磁磁作作用用。与与 同同相相位位，起起交交磁磁作作用用。也也可可以以理理解解为为电电枢枢磁磁势势 按按角角分分解解成成作作用用在在直直轴轴磁磁路路的的磁磁势势 及及作作用用在在交交轴轴磁磁路路的磁势的磁势n2）电流超前电动势：）电流超前电动势：即即00-90-90n从图上可以看出：从图上可以看出：n此此时时直直轴轴分分量量电电流流产产生生的的直直轴轴磁磁势势对对主主极极磁
13、磁势势起起增增磁磁作作用用。交交轴轴分分量量电电流流产产生生的交轴磁势对主极磁势起交磁作用。的交轴磁势对主极磁势起交磁作用。n综综合合以以下下分分析析可可以以看看出出：当当同同步步发发电电机机供供给给滞滞后后电电流流时时，电电枢枢磁磁势势除除了了一一部部分分产产生生交交轴轴电电枢枢反反应应外外，还还有有一一部部分分产产生生直直轴轴去去磁磁电电枢枢反反应应；当当电电电电机机供供给给超超前前电电流流时时，电电枢枢磁磁势势除除了了一一部部分分产产生生交交轴轴电电枢枢反反应应外外，还还有有一一部部分分产产生生直直轴轴增增磁磁电电枢枢反反应应。这这个个结结论论十十分分重重要要，它它对对发发电机性能的影响
14、将在后面几章提到。电机性能的影响将在后面几章提到。13.2 同步电抗的概念同步电抗的概念 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，它它的的大大小小对对同同步步电电机机的的性性能能有有很很大大影影响响，因因此此在在未未具具体体研研究究同同步步电电机机性性能能以前，先对同步电抗的概念作一介绍。以前，先对同步电抗的概念作一介绍。13.2.1 13.2.1 隐极同步电机：隐极同步电机：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。下下面面我我们们就就来来分分析他的电抗。析他的电抗。已知：已知：其中的其
15、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n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
16、绕组的磁通为（n），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为势为n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。n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。n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
17、变的。着磁路饱和程度的改变而改变的。n二、凸极同步电机：二、凸极同步电机：n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
18、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。n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
19、 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，n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。13.3 隐极同步发
20、电机的负载运行隐极同步发电机的负载运行n13.3.1 13.3.1 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
21、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大小有关，的大小有关，还还与与负载电负载电流的性流的性质质有关有关 。13.3.2 13.3.2 隐极同步发电机的电势方程式：隐极同步发电机的电势方程式：同同步步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
22、在在电电枢枢绕绕组组内内产产生感生感应电势应电势。n将上式整理：n如图所示：n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个角角度度间间存存在在有有下下列列关关系：系：n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：13.4凸极同步发电机的负载运行凸极同步发电机的负载运行n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
23、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。n这样，产生的端电压为：这样，产生的端电压为：n整理得：整理得：n可以把漏抗压
24、降分解成两个分量，即：可以把漏抗压降分解成两个分量，即：n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。因此，还需要整理，在上式的因此，还需要整理，在上式的基础上，我们在等式的两边都减去基础上，我们在等式的两边都减去n再加上再加上 ，得到，得到 这样，我们就可以作出相应的向量图：这样，我们就可以作出相应的向量图：n在上图中，在上图中，将电压按将电压按 角分解成角分解成 及及
25、 ，可以求得，可以求得角的计算式：角的计算式：13.5 13.5 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性n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抗，以确定同步发电机的其他特性。电抗，以确定同步发电机的其他特性。n一、空载特性：一、空载特性：n当同步发电机运行于当同步发电机运行于 时，即时，即称为空载运行。称为空载运行。n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
26、转磁通及电枢绕组中的感应电动势都会随之发生变化。电动势都会随之发生变化。n1）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，n如图所见：如图所见：n因因 正比于正比于 ，而励磁电流又正比于励，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磁磁势，所以开路特性曲线与电机的磁化曲线在形状上完全相同。开路特性主化曲线在形状上完全相同。开路特性主要有两个用处：要有两个用处：n（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
27、开开路路特特性性开开始始弯弯曲曲的的部部分分，例如图中的例如图中的A A点，这样才比较经济合理。点，这样才比较经济合理。n（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。开开路路特特性性配配合合短短路路特特性性可可以以求求出出同步电抗。同步电抗。n2.2.短路特性短路特性：n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。
28、短短路路特特性性就就是是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。n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：n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
29、出：上式我们可以看出：n 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。n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n n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
30、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。n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。n3.3.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：n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
31、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的不饱和值。不饱和值。n2）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：n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
32、：n4.4.零功率因数特性：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）。n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
33、应。此时的相量图如图所示。n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。n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
34、。在开路特性上，在开路特性上，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
35、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
36、率率因因数数特特性。当然也可以用作图的方法求特性。性。当然也可以用作图的方法求特性。13.6 同步发电机的外特性和电同步发电机的外特性和电压调整率压调整率n13.6.1 外特性：外特性：n外特性：在外特性：在 的条件下，同步发电机作单机运行，端的条件下，同步发电机作单机运行，端电压电压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外特性曲线和负载的性质密切相关。如图所示：关。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，端电压诼步上升。着负载电流的减少，端电压诼步上升。这是因为考虑
37、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，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，所以端电压诼渐增加。加，所以端电压诼渐增加。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，随着电枢电流的增加，合成的磁通用，随着电枢电流的增加，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
38、改变而变化，变化的程度我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。第第14章章 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行n14.1同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行一、并联运行的优点：一、并联运行的优点：同步发电机在运行时，总是并联在一起的，同步发电机在运行时，总是并联在一起的，而发电厂彼此之间也是并联在一起以达到而发电厂彼此
39、之间也是并联在一起以达到组成强大的电力系统，这一点不难理解因组成强大的电力系统，这一点不难理解因为：为：1提高电能供应的可靠性提高电能供应的可靠性2、提高发电厂的运行效率、提高发电厂的运行效率二、发电厂投入并联时的理想条件：二、发电厂投入并联时的理想条件：我们知道由发电厂生产的电能首先考虑的我们知道由发电厂生产的电能首先考虑的就是并网运行，然后供给各个用户，那么就是并网运行，然后供给各个用户，那么这里就存在着一个很重要的问题，就是在这里就存在着一个很重要的问题，就是在怎样的条件下，发电机才能并网运行？怎样的条件下，发电机才能并网运行？1、发电机电压的有效值、发电机电压的有效值U与电网电压与电网
40、电压 的有的有 效值效值U1相等，且相位相同相等，且相位相同2、发电机的频率、发电机的频率f与电网的频率与电网的频率f1相等相等3、发电机的相序与电网的相序一致、发电机的相序与电网的相序一致n那么，如果上述条件不满足，将会怎样那么，如果上述条件不满足，将会怎样呢？呢？1）如果电压的有效值不等：如图可见）如果电压的有效值不等：如图可见。在由电网在由电网A和发电机和发电机B所构成的回路所构成的回路中将会产生一个差额电压：中将会产生一个差额电压：显然，当开关显然，当开关K闭合时再整个回路中闭合时再整个回路中必然出现瞬态冲击电流，因此，条必然出现瞬态冲击电流，因此，条件件1）必须满足必须满足。2）如果
41、频率不等如果频率不等：同理，在频率不相等的：同理，在频率不相等的情况下并网运行，也将会产生瞬态冲击电情况下并网运行，也将会产生瞬态冲击电流，进一步延伸，当相序不同的时候，显流，进一步延伸，当相序不同的时候，显见，不能进行并网运行！见，不能进行并网运行！三、三相同步发电机的并联方法：三、三相同步发电机的并联方法：1）直接接法（灯光熄灭法）：）直接接法（灯光熄灭法）：如图可见:如果电网电压和发电机电压的大小、如果电网电压和发电机电压的大小、频率一致，并且向量频率一致，并且向量A1，B1，C1和和A，B，C完全重合，则差额电压完全重合，则差额电压=0，显然此时灯是熄灭的，显然此时灯是熄灭的，可以，可
42、以和闸并网。和闸并网。n而如果频率不相等时而如果频率不相等时，则两组相量以不则两组相量以不同的角速度旋转，即，同的角速度旋转，即，因此存因此存在着相对运动在着相对运动,如图所示如图所示。此时两组相量此时两组相量端点的距离端点的距离 、n 分别表示三个灯上所承受的电压分别表示三个灯上所承受的电压 、随着两组相量旋转速率不同，随着两组相量旋转速率不同，的大小发生改变，在的大小发生改变，在02U之间作周期之间作周期性变化，所以灯时亮时暗。灯光闪烁的性变化，所以灯时亮时暗。灯光闪烁的次数决定于两组相量间的相对速率。次数决定于两组相量间的相对速率。此时可以调节发电机的转速，使发电机的此时可以调节发电机的
43、转速，使发电机的频率接近于电网频率。当它们十分接近，频率接近于电网频率。当它们十分接近，而且两组相量完全重合时（图而且两组相量完全重合时（图14-5a），），表示表示=0，此时可以合上开关，发电，此时可以合上开关，发电机并联到电网上了。机并联到电网上了。2）灯光旋转法灯光旋转法：如图可见，灯：如图可见，灯1的接法的接法不变，不变，灯灯2和和3交叉接于发电机的端点，不难想象，交叉接于发电机的端点，不难想象，灯灯1熄灭，而熄灭，而2，3同时明亮时，应该是同时明亮时，应该是发电机和电网完全重合时，即同相位，发电机和电网完全重合时，即同相位，同频率，同大小，可以合闸。同频率，同大小，可以合闸。而当频率
44、而当频率不相等或不同相时，又是怎样的呢？不相等或不同相时，又是怎样的呢？A、频率不等时：即发电机和电网的角速频率不等时：即发电机和电网的角速度度w,w1不相等，其中，令不相等，其中，令A1，B1，C1表示电网电压，表示电网电压，A，B，C表示发电机电表示发电机电压，这样如图：压，这样如图：a)灯灯1灭，灭，2、3亮亮b)灯灯2灭，灭，1、3亮亮c)灯灯3灭，灭，2、1亮亮正因为我们所看到的是旋转的灯光因此正因为我们所看到的是旋转的灯光因此叫做叫做灯光旋转法灯光旋转法。这显然不是我们所希。这显然不是我们所希望看到的，可以通过调整发电机的转速，望看到的，可以通过调整发电机的转速，以达到改变频率的目
45、的以达到改变频率的目的，这样，当满足要求时，可以合闸。，这样，当满足要求时，可以合闸。B、相位不等时相位不等时：进行并网运行时，如果：进行并网运行时，如果我们看到的是三个灯同时明暗，则可断我们看到的是三个灯同时明暗，则可断定发电机和电网的相序肯定不同。因为定发电机和电网的相序肯定不同。因为我们采用的是交叉接法，如果相序是对我们采用的是交叉接法，如果相序是对的，应该是依次旋转的，而现象却是同的，应该是依次旋转的，而现象却是同时明暗，这就证明实际上是直接接法，时明暗，这就证明实际上是直接接法，这时只需调换发电机接到开关这时只需调换发电机接到开关K上上B、C两相的接法，就可以改正相序。两相的接法，就
46、可以改正相序。n总结：总结：1、在直接接法中：频率不同时，灯光是同、在直接接法中：频率不同时，灯光是同时明灭的，相位不同时，是旋转的时明灭的，相位不同时，是旋转的2、在交叉接法中：当频率和相位不相同时，、在交叉接法中：当频率和相位不相同时，灯光是依次旋转的。灯光是依次旋转的。3）自整步（自同步）法）自整步（自同步）法：利用同步指示灯进行：利用同步指示灯进行并联的方法，在现代的电厂中已不再采用，而并联的方法，在现代的电厂中已不再采用，而代之以各种半自动或全自动的并车装置，不过代之以各种半自动或全自动的并车装置，不过它们的基本功能还是一致的。它们的基本功能还是一致的。合闸瞬间必须注意的是：合闸瞬间
47、必须注意的是：励磁绕组必须通过一限励磁绕组必须通过一限流电阻短接起来。流电阻短接起来。因为励磁绕组如果开路，将在因为励磁绕组如果开路，将在其中感应出危险的高电压；励磁绕组如果直接短其中感应出危险的高电压；励磁绕组如果直接短路，将在定、转子绕组中产生很大的冲击电流，路，将在定、转子绕组中产生很大的冲击电流，自同步法的优点是：操作简单，能在紧急情况自同步法的优点是：操作简单，能在紧急情况下将发电机迅速并入电网；缺点是：合闸时有冲下将发电机迅速并入电网；缺点是：合闸时有冲击电流。击电流。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
48、平衡方程式：P1=PM+pm+pFePM=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，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：n所以有nn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
49、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，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。n14.3 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
50、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：n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：n或或n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