电机及拖动基础 第九章.ppt

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1、 同步电机的运行特点是转子的旋转速度与定子磁同步电机的运行特点是转子的旋转速度与定子磁场的旋转速度严格同步，由此而得名。场的旋转速度严格同步，由此而得名。设定子绕组通入频率为设定子绕组通入频率为 f 的交流电流，电机的极对的交流电流，电机的极对数为数为 p，则同步电机转速，则同步电机转速 n、通电频率、通电频率 f 和极对数和极对数 p 的的关系为关系为第九章第九章 同步电机同步电机 我国电力系统的频率规定为我国电力系统的频率规定为 50Hz，因此同步转速与极，因此同步转速与极对数成反比，当对数成反比，当 p=1 时，转速最高，为时，转速最高，为3000r/min。极对。极对数越多，转速越低。

2、数越多，转速越低。同步电机主要用作发电机，几乎所有的电力都由同同步电机主要用作发电机，几乎所有的电力都由同步发电机发出。同步电机也可以作电动机运行，并且同步发电机发出。同步电机也可以作电动机运行，并且同步电动机能够改善电网的功率因数。步电动机能够改善电网的功率因数。第九章第九章 同步电机同步电机第九章第九章 同步电机同步电机第一节第一节 概述概述第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性第九章第九章 同步电机同步电机第五节第五节 同步电动机的无功功率调

3、节同步电动机的无功功率调节第六节第六节 同步电动机的起动同步电动机的起动第七节第七节 同步发电机原理同步发电机原理第八节第八节 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性第九节第九节 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行 同步电机结构主要由定子和转子两大部分构成。定、同步电机结构主要由定子和转子两大部分构成。定、转子之间是空气隙。转子有旋转磁极和旋转电枢两种结构转子之间是空气隙。转子有旋转磁极和旋转电枢两种结构型式，分别如图型式，分别如图9.1和图和图9.2所示。所示。（a）隐极式）隐极式图图9.1 旋转磁极式同步电机示意图旋转磁极式同步电机示意图 第一节第一节 概述概述一、结构形式一、结构

4、形式(b)凸极式凸极式适合高速适合高速旋转旋转适合中低适合中低速旋转速旋转 旋转电枢式结构只用于旋转电枢式结构只用于小容量电机，一般同步电机小容量电机，一般同步电机常采用旋转磁极式结构。常采用旋转磁极式结构。在旋转磁极式结构中，在旋转磁极式结构中，又分为又分为隐极式隐极式和和凸极式凸极式两种两种型式型式(上页图上页图9.1)，其定子部，其定子部分与三相异步电动机的完全分与三相异步电动机的完全一样。一样。图图9.2 旋转电枢式同步电机示意图旋转电枢式同步电机示意图 第一节第一节 概述概述v 额定功率因数额定功率因数 ：电机额定运行时的功率因数。：电机额定运行时的功率因数。v 额定效率额定效率 ：

5、电机额定运行时的效率。：电机额定运行时的效率。v 额定转速额定转速 ：单位为：单位为 r/min。v 额定电流额定电流 ：电机额定运行时定子的线电流，单位为：电机额定运行时定子的线电流，单位为 A。v 额定电压额定电压 ：电机额定运行时定子的线电压，单位为：电机额定运行时定子的线电压，单位为 V 或或 kV。v 额定容量额定容量 ：发电机出线端额定视在功率，单：发电机出线端额定视在功率，单 位位 VA 或或 kVA。二同步电机的额定值二同步电机的额定值第一节第一节 概述概述v 额定功率额定功率 ：对发电机为额定输出有功电功率：对发电机为额定输出有功电功率 此外，铭牌上还有额定频率此外，铭牌上还

6、有额定频率 ，单位为，单位为 Hz；额定励；额定励磁电压磁电压 ，单位为，单位为 V；额定励磁电流；额定励磁电流 ，单位为，单位为 A。对电动机为轴上输出的额定机械功率对电动机为轴上输出的额定机械功率(9.1)(9.2)第一节第一节 概述概述 当同步电机定子三相对称绕组接到三相对称电源当同步电机定子三相对称绕组接到三相对称电源上时，就会产生三相合成圆形旋转磁动势，又称电枢上时，就会产生三相合成圆形旋转磁动势，又称电枢磁动势，用空间向量磁动势，用空间向量 表示。设其转向为逆时针，转表示。设其转向为逆时针，转速为速为同步转速同步转速。在转子励磁绕组中通入直流励磁电流在转子励磁绕组中通入直流励磁电流

7、 ，就产生，就产生了励磁磁动势了励磁磁动势 。由于励磁磁动势。由于励磁磁动势 相对于转子是静相对于转子是静止的，止的，但转子本身以同步转速逆时针方向旋转，所以但转子本身以同步转速逆时针方向旋转，所以一同步电机的磁动势一同步电机的磁动势第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理励磁磁励磁磁动势动势 相对于定子也以同步转速逆时针方向旋相对于定子也以同步转速逆时针方向旋转。因此作用在同步电机的主磁路上的这转。因此作用在同步电机的主磁路上的这两个磁动势两个磁动势均均以同步转速逆时针旋转，且以同步转速逆时针旋转，且保持同步保持同步。为简单起见，假设电机主磁路不饱和，是线性的。为简单起见，假设

8、电机主磁路不饱和，是线性的。这样，作用在电机主磁路上的各个磁动势的影响就可以这样，作用在电机主磁路上的各个磁动势的影响就可以分别考虑，然后再采用叠加原理进行合成。分别考虑，然后再采用叠加原理进行合成。第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理 图图9.3 同步电机的纵轴与横轴同步电机的纵轴与横轴图图9.4 由励磁磁动势产生的磁通由励磁磁动势产生的磁通第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理 1励磁磁动势励磁磁动势 从图从图9.3看出，励磁磁动势看出，励磁磁动势 作用在纵轴方向，产生作用在纵轴方向，产生的励磁磁通的励磁磁通 如图如图9.4所示。显然的磁路关于纵轴对称，所

9、示。显然的磁路关于纵轴对称，并且并且 随着转子一起旋转。随着转子一起旋转。2电枢磁动势电枢磁动势 与与 同步旋转，但位置未必一致。只要同步旋转，但位置未必一致。只要 的方向不的方向不在纵轴上，由于凸极式同步电机气隙不均匀，极间的气在纵轴上，由于凸极式同步电机气隙不均匀，极间的气隙较大，极下的气隙小，磁路不对称，无法求解。隙较大，极下的气隙小，磁路不对称，无法求解。第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理 同步电机的电枢反应如图同步电机的电枢反应如图9.5所示，电枢磁动势所示，电枢磁动势 与励磁磁与励磁磁动势动势 的相对位置已知。为了求的相对位置已知。为了求解磁场，把电枢磁动势解磁

10、场，把电枢磁动势 分解成分解成两个分量：纵轴（两个分量：纵轴（d轴）电枢磁轴）电枢磁动势动势 和横轴（和横轴（q轴）电枢磁动轴）电枢磁动势势 。二凸极同步电机的双反应原理二凸极同步电机的双反应原理图图9.5 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理 (9.3)即即 作用在纵轴方向，其磁路为对称磁路；作用在纵轴方向，其磁路为对称磁路；作用在作用在横轴方向，其磁路亦对称。这样，就将上述不对称磁路横轴方向，其磁路亦对称。这样，就将上述不对称磁路即即第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理的求解的求解转化为两个独立的对称磁路的求解，问题得

11、以简转化为两个独立的对称磁路的求解，问题得以简化。这种方法，称为化。这种方法，称为双反应原理双反应原理。双反应原理的理论基础实质上就是叠加原理。实践双反应原理的理论基础实质上就是叠加原理。实践证明，若不计饱和，应用双反应原理分析凸极同步电机证明，若不计饱和，应用双反应原理分析凸极同步电机的确可以得到令人满意的结果。的确可以得到令人满意的结果。第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理（1）纵轴）纵轴图图9.6电枢反应磁动势及磁通电枢反应磁动势及磁通 由由 单独作用产生的磁通称为纵轴电枢磁通单独作用产生的磁通称为纵轴电枢磁通 ，如图，如图9.6(1)所示。所示。第二节第二节 同步电机

12、的双反应原理同步电机的双反应原理（2）横轴）横轴图图9.6电枢反应磁动势及磁通电枢反应磁动势及磁通 由由 单独作用产生的磁通称为横轴电枢磁通单独作用产生的磁通称为横轴电枢磁通 ，如图，如图9.6(2)所示。所示。第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理生磁动势生磁动势 ,产生磁动势产生磁动势 。，其中，其中 产产即把电枢电流即把电枢电流 也分解成两个分量也分解成两个分量仿照仿照，将电枢电流进行分解，将电枢电流进行分解(9.4)和和第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理横轴电枢磁动势横轴电枢磁动势 的大小为的大小为纵轴电枢磁动势纵轴电枢磁动势 的大小为的大小为第二节

13、第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图一凸极同步电动机电压平衡方程式一凸极同步电动机电压平衡方程式 同步电动机运行时，同步旋转的励磁磁通同步电动机运行时，同步旋转的励磁磁通 和电枢和电枢磁通磁通 、都要在定子绕组里感应电动势。都要在定子绕组里感应电动势。励磁磁通励磁磁通 、纵轴电枢磁通、纵轴电枢磁通 和横轴电枢磁通和横轴电枢磁通 在定子绕组里感应的电动势分别用在定子绕组里感应的电动势分别用 、和和 表示。表示。图图9.7 同步电动机各电量的正方向同步电动机各电量的正方向第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式

14、及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图式中，式中，是定子绕组相电阻；是定子绕组相电阻；是定子绕组相漏电抗。是定子绕组相漏电抗。根据图根据图9.7，由基尔霍夫定律，可以列出绕组的电压平，由基尔霍夫定律，可以列出绕组的电压平衡方程式衡方程式 (9.7)(9.5)(9.6)仿照变压器及异步电机的分析方法，将电动势变成电抗仿照变压器及异步电机的分析方法，将电动势变成电抗压降形式：压降形式：第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图 式中，式中，称为纵轴电枢反应电抗，表示了纵轴电枢反应称为纵轴电枢反应电抗，表示了纵轴电枢反应磁场在定子绕组中感应电势的能力；磁场在定子

15、绕组中感应电势的能力；称为横轴电枢反应电抗，表示了横轴电枢反应磁场称为横轴电枢反应电抗，表示了横轴电枢反应磁场在定子绕组中感应电势的能力。在定子绕组中感应电势的能力。把式把式(9.6)、(9.7)、(9.4)代入到电压平衡方程式中，得代入到电压平衡方程式中，得第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图 称为称为横轴同步电抗横轴同步电抗，为常数。，为常数。式中，式中，称为称为纵轴同步电抗纵轴同步电抗，为常数；，为常数；即：即：(9.8)当同步电动机容量较大时，可忽略电阻当同步电动机容量较大时，可忽略电阻 ，有：，有：(9.9)第三节第三节 同步电动机电压平衡方

16、程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图二隐极同步电动机电压平衡方程式二隐极同步电动机电压平衡方程式 隐极式同步电动机的气隙是均匀的，纵轴、横轴参数相隐极式同步电动机的气隙是均匀的，纵轴、横轴参数相同，即同，即式中式中 为为隐极同步电动机的同步电抗隐极同步电动机的同步电抗。电压平衡方程式为电压平衡方程式为(9.10)忽略电阻忽略电阻 时，有：时，有：(9.11)第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图图图9.8 凸极式同步电动机相量图凸极式同步电动机相量图三相量图三相量图 根据根据式式(9.8)，可以作出，可以作出 领先时的凸极同步电动机的相量领先时的

17、凸极同步电动机的相量图。如图图。如图9.8所示。图中所示。图中 与与 之之间的夹角为间的夹角为 ，为，为功率因数角功率因数角；与与 之间的夹角是之间的夹角是 ，称为，称为功率功率角角。（注意：。（注意：）d轴轴第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图 图图9.9是是 领先时的隐极式同步电动机的相量图。领先时的隐极式同步电动机的相量图。图图9.9 隐极式同步电动机的相量图隐极式同步电动机的相量图 (9.10)第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图扣除定子绕组的铜损耗扣除定子绕组的铜损耗 ，则电磁功率，则电磁功率 为为一

18、功率和转矩平衡方程式一功率和转矩平衡方程式 从电磁功率中扣除铁损耗从电磁功率中扣除铁损耗 和机械摩擦损耗和机械摩擦损耗 输出功率输出功率 。(9.12)第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性 三相同步电动机从电网吸收的有功功率为三相同步电动机从电网吸收的有功功率为式中，式中，是同步电动机的角速度。是同步电动机的角速度。式中，式中，为空载损耗，为空载损耗，。因此，同步电动机的功率平衡方程式为：因此，同步电动机的功率平衡方程式为：(9.13)电磁转矩为电磁转矩为第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性式中，式中，称为空载转矩。称为空载转矩。(9.14)把式把式(9.1

19、2)两边同时除以两边同时除以 ，就得到同步电动机的转矩平，就得到同步电动机的转矩平衡衡方程式。方程式。即即第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性即忽略定子绕组的铜损耗即忽略定子绕组的铜损耗忽略同步电动机定子电阻忽略同步电动机定子电阻 时，电磁功率时，电磁功率二功角特性二功角特性 根据图根据图9.8相量图，可得相量图，可得又：又：图图9.8 凸极式同步电动机相量图凸极式同步电动机相量图第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性 上式中，第一项与上式中，第一项与 即励磁电流即励磁电流 有关，称为有关，称为励磁电励磁电磁功率磁功率。第二项，与电动机纵轴、横轴参数不相等有关

20、，也。第二项，与电动机纵轴、横轴参数不相等有关，也就是由凸极式转子引起的，称为就是由凸极式转子引起的，称为凸极电磁功率凸极电磁功率或或磁阻功率磁阻功率。将上述关系代入电磁功率的表达式并化简得：将上述关系代入电磁功率的表达式并化简得：(9.15)第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性 由式由式(9.15)可知，在电动机参可知，在电动机参数一定的条件下，电磁功率数一定的条件下，电磁功率 是是角度角度 的函数，即的函数，即 称称为同步电动机的功角特性，如图为同步电动机的功角特性，如图9.10曲线曲线3所示。所示。图图9.10 凸极同步电动机的功角特性凸极同步电动机的功角特性第四节第四

21、节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性励磁电磁功率励磁电磁功率凸极电磁功率凸极电磁功率功角特性功角特性 与与 呈正弦函数关系，如图呈正弦函数关系，如图9.10中的曲线中的曲线2。当。当 时，时，与与 呈正弦函数关系，如图呈正弦函数关系，如图9.10中的曲线中的曲线1。当。当 时，时，达到最大，最大值为达到最大，最大值为 。励磁电磁功率励磁电磁功率凸极电磁功率凸极电磁功率达到最大，最大值为达到最大，最大值为 。第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性 隐极同步电动机可视为凸极同步电动机的特例。隐极同步电动机可视为凸极同步电动机的特例。对于隐极同步电动机，对于隐极同步电动机，电

22、磁功率，电磁功率 与与 角角的关系为的关系为 功角特性如图功角特性如图9.10曲线曲线1所示。所示。第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性把式把式(9.15)两边同除以机械角速度两边同除以机械角速度 ，得到电磁转矩，得到电磁转矩 电磁转矩电磁转矩 与与 的函数关系称为矩角特性，与功角特性的函数关系称为矩角特性，与功角特性形状一致。如图形状一致。如图9.10曲线曲线3所示。所示。三矩角特性三矩角特性(9.16)对于隐极同步电动机，电磁转矩为对于隐极同步电动机，电磁转矩为隐极式同步电动机的矩角特性如图隐极式同步电动机的矩角特性如图9.10曲线曲线1所示。所示。(9.17)第四节第四

23、节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性图图9.10 凸极同步电动机的矩角特性凸极同步电动机的矩角特性以隐极式同步电动机为例进行分析。以隐极式同步电动机为例进行分析。1.功率角功率角 在在 区间区间四稳定运行区间四稳定运行区间（a）图图9.11 隐极同步电动机的稳定运行隐极同步电动机的稳定运行 在在 范围内，范围内，电机能够稳定运行。电机能够稳定运行。第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性 在在 范围内，电机不能稳定运行。范围内，电机不能稳定运行。2.功率角功率角 在在 区间区间（b）图图9.11 隐极同步电动机的稳定运

24、行隐极同步电动机的稳定运行第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性 最大电磁转矩最大电磁转矩 与额定转矩与额定转矩 之比，称为过载倍数，之比，称为过载倍数，用用 表示。即表示。即 当当负负载载变变化化时时，角角随随之之变变化化，电电磁磁转转矩矩 和和电电磁磁功功率率 也也随随之之变变化化，以以达达到到新新的的平平衡衡，而而电电机机的的转转速速 却却严严格格按按照照同同步步转转速速旋旋转转。所所以以同同步步电电动动机机的的机机械械特特性性为为一一条条水平直线水平直线，斜率为零。，斜率为零。第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性 根据同步电动机的原理，根据同步电动机的

25、原理，角为电动势角为电动势 与与 之间的夹之间的夹角，显然是个时间电角度；同时，角，显然是个时间电角度；同时，角也是励磁磁动势角也是励磁磁动势 （产（产生电动势生电动势 ）与同步电动机主磁路的合成磁动势与同步电动机主磁路的合成磁动势 之间的角之间的角度，是个空间电角度。度，是个空间电角度。对应着对应着 ，近似地对应着近似地对应着 。把把合成磁动势合成磁动势 视为等效磁极，吸引着转子磁极以同步转速视为等效磁极，吸引着转子磁极以同步转速 旋转，如图旋转，如图9.12所示。所示。第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性图图9.12 等效磁极等效磁极第四节第四节 同步电动机的功角特性同步

26、电动机的功角特性 同步电机作电动机运行还是作发电机运行，要视转子同步电机作电动机运行还是作发电机运行，要视转子磁极与等效磁极之间的相对位置来决定。磁极与等效磁极之间的相对位置来决定。同步电机作同步电机作电动运行电动运行例例 9.1 一台三相四极同步电动机，额定容量一台三相四极同步电动机，额定容量 kW，额定电压额定电压 V，额定功率因数，额定功率因数 ，额定效，额定效率率 ，定子每相电阻，定子每相电阻 ，定子绕组为，定子绕组为 Y 接。接。计算：计算：(1)额定运行时的输入功率额定运行时的输入功率 ；(2)额定运行时的电磁功率额定运行时的电磁功率 ；(3)额定电磁转矩额定电磁转矩 。第四节第四

27、节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性解：解：(1)kW(2)额定电流额定电流A额定电磁功率额定电磁功率kW(3)Nm第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性 同步电动机运行时，转速恒定，因此，从电网吸收的同步电动机运行时，转速恒定，因此，从电网吸收的有功功率有功功率 基本上取决于负载转矩。当同步电动机输出的基本上取决于负载转矩。当同步电动机输出的有功功率有功功率 恒定而改变其励磁电流时，其无功功率是可以恒定而改变其励磁电流时，其无功功率是可以调节的。调节的。不计磁路饱和影响，忽略电枢电阻，则有不计磁路饱和影响，忽略电枢电阻，则有 而而 恒定，忽略空载损耗（恒定，忽略空载损

28、耗（），则），则 为常数，即为常数，即一无功功率调节一无功功率调节第五节第五节 同步电动机的无功功率调节同步电动机的无功功率调节 正常励磁正常励磁图图9.13 同步电动机不同励磁电流时的相量图同步电动机不同励磁电流时的相量图 即即 式式(9.19)表示电动机定表示电动机定子边的有功电流保持不变。子边的有功电流保持不变。由此作出电动机的相量图，由此作出电动机的相量图，如图如图9.13所示。所示。(9.18)(9.19)过励过励欠励欠励第五节第五节 同步电动机的无功功率调节同步电动机的无功功率调节v 正常励磁时，同步电动机只从电网吸收有功功率，不吸正常励磁时，同步电动机只从电网吸收有功功率，不吸收

29、无功功率。此时同步电动机就像纯电阻负载。收无功功率。此时同步电动机就像纯电阻负载。v 欠励时，电动机既从电网吸收有功功率还要吸收滞后性欠励时，电动机既从电网吸收有功功率还要吸收滞后性的无功功率。此时同步电动机就像电阻电感负载，加重了电的无功功率。此时同步电动机就像电阻电感负载，加重了电网的负担。网的负担。v 过励时，电动机既从电网吸收有功功率，还要吸收领先过励时，电动机既从电网吸收有功功率，还要吸收领先的无功功率。此时同步电动机就像电阻电容负载。对改善电的无功功率。此时同步电动机就像电阻电容负载。对改善电网的功率因数有好处。网的功率因数有好处。第五节第五节 同步电动机的无功功率调节同步电动机的

30、无功功率调节 由图由图9.13相量图可知，在电动机输出功率相量图可知，在电动机输出功率 恒定时，恒定时，改变励磁电流将引起同步电动机定子电流大小和相位的变改变励磁电流将引起同步电动机定子电流大小和相位的变化。正常励磁时，定子电流最小；过励或欠励时，定子电化。正常励磁时，定子电流最小；过励或欠励时，定子电流都会增大。把定子电流流都会增大。把定子电流 与励磁电流与励磁电流 的关系，用曲线的关系，用曲线表示，如图表示，如图9.14所示。所示。二二V型曲线型曲线第五节第五节 同步电动机的无功功率调节同步电动机的无功功率调节图图9.14 同步电动机的同步电动机的 V 形曲线形曲线欠励欠励正常励磁正常励磁

31、过励过励不稳定区不稳定区超过超过 电动机失步电动机失步第五节第五节 同步电动机的无功功率调节同步电动机的无功功率调节 改变励磁电流改变励磁电流可以调节电动机的功率因数，这是同步可以调节电动机的功率因数，这是同步电动机最重要的特点。因为电网的负载主要是异步电动机电动机最重要的特点。因为电网的负载主要是异步电动机和变压器，它们都吸收滞后的无功功率。利用同步电动机和变压器，它们都吸收滞后的无功功率。利用同步电动机功率因数可调的特点，工作于过励状态，从电网吸收领先功率因数可调的特点，工作于过励状态，从电网吸收领先的无功功率，就可以改善电网的无功平衡状况，从而提高的无功功率，就可以改善电网的无功平衡状况

32、，从而提高电网的功率因数、运行性能及效益。电网的功率因数、运行性能及效益。第五节第五节 同步电动机的无功功率调节同步电动机的无功功率调节第六节第六节 同步电动机的起动同步电动机的起动 同步电动机不能直接起动，而必须借助一定的方法使它同步电动机不能直接起动，而必须借助一定的方法使它起动。起动。同步电动机的常用起动方法有下列三种。同步电动机的常用起动方法有下列三种。1.辅助电动机起动辅助电动机起动2.变频起动变频起动3.异步起动异步起动1.辅助电动机起动辅助电动机起动 选用与同步电动机极对数相同的异步电动机作为辅助电选用与同步电动机极对数相同的异步电动机作为辅助电动机。先将同步电动机励磁绕组经限流

33、电阻短路，用辅助电动机。先将同步电动机励磁绕组经限流电阻短路，用辅助电动机将其拖动至接近同步转速后，将励磁绕组所串的限流电动机将其拖动至接近同步转速后，将励磁绕组所串的限流电阻切除，通入直流电流，电动机自动牵入同步，并切断辅助阻切除，通入直流电流，电动机自动牵入同步，并切断辅助电动机电源。这种方法只适合于空载起动，所需设备多，操电动机电源。这种方法只适合于空载起动，所需设备多，操作复杂作复杂。第六节第六节 同步电动机的起动同步电动机的起动2.变频起动变频起动 起动时，转子绕组通入励磁电流。定子绕组由变频电源供起动时，转子绕组通入励磁电流。定子绕组由变频电源供电，电源频率很低，使转子开始旋转，逐

34、步增加频率至额定电，电源频率很低，使转子开始旋转，逐步增加频率至额定值，则转子转速将随定子旋转磁场转速的上升而上升，直至值，则转子转速将随定子旋转磁场转速的上升而上升，直至达到额定转速。变频起动过程平稳，性能优越，在大中型同达到额定转速。变频起动过程平稳，性能优越，在大中型同步电动机中应用越来越广泛。步电动机中应用越来越广泛。第六节第六节 同步电动机的起动同步电动机的起动3.异步起动异步起动 为了解决起动问题，在同步电动机的转子上安装起动绕为了解决起动问题，在同步电动机的转子上安装起动绕组，类似于鼠笼式异步电动机的鼠笼绕组。当定子接入电源组，类似于鼠笼式异步电动机的鼠笼绕组。当定子接入电源后，

35、产生起动转矩，电动机能够自起动。起动过程和异步电后，产生起动转矩，电动机能够自起动。起动过程和异步电动机的起动过程是完全一样的，当电机的转速接近同步转速动机的起动过程是完全一样的，当电机的转速接近同步转速时，再加入励磁，电动机自动牵入同步。时，再加入励磁，电动机自动牵入同步。第六节第六节 同步电动机的起动同步电动机的起动第七节第七节 同步发电机原理同步发电机原理 根据电机的可逆原理，同步电机在一定条件下，也可以根据电机的可逆原理，同步电机在一定条件下，也可以作为发电机运行。作为发电机运行。以隐极同步电机为例进行说明。以隐极同步电机为例进行说明。一台隐极同步电机，从电动机状态，经过过渡状态，到一

36、台隐极同步电机，从电动机状态，经过过渡状态，到发电机状态，分别如图发电机状态，分别如图9.15(a)、9.15(b)、9.15(c)所示。所示。输入功率恰好承输入功率恰好承担其空载损耗担其空载损耗(b)过渡状态过渡状态 图图9.15 从电动机状态到发电机状态的过渡从电动机状态到发电机状态的过渡(c)发电机发电机(a)电动机电动机,第七节第七节 同步发电机原理同步发电机原理 隐极同步电机的电磁功率隐极同步电机的电磁功率 为为v 当当 时，时，将电功率转换为机械功率，将电功率转换为机械功率输出，电动机运行。输出，电动机运行。v 当当 时，时，将机械功率转换为电功率，将机械功率转换为电功率输出，机械

37、功率来源于原动机。即从原动机输入机械功率，输出，机械功率来源于原动机。即从原动机输入机械功率，输出电功率，发电机运行。输出电功率，发电机运行。第七节第七节 同步发电机原理同步发电机原理一同步发电机的电压平衡方程式一同步发电机的电压平衡方程式 采用发电机惯例，正方采用发电机惯例，正方向如图向如图9.16所示，由基尔霍所示，由基尔霍夫定律，可以得到凸极同步夫定律，可以得到凸极同步发电机相绕组的电压平衡方发电机相绕组的电压平衡方程式程式(9.20)图图9.16 同步发电动机物理量的正方向同步发电动机物理量的正方向第七节第七节 同步发电机原理同步发电机原理(9.21)隐极式同步发电机的的电压平衡方程式

38、隐极式同步发电机的的电压平衡方程式(9.22)忽略电阻忽略电阻 时，有时，有(9.23)当同步发电机容量较大时，可忽略电阻当同步发电机容量较大时，可忽略电阻 ，于是，于是第七节第七节 同步发电机原理同步发电机原理 根根据据式式(9.20)，可可以以作作出出不不计计饱饱和和时时凸凸极极同同步步发发电电机机的相量图，如图的相量图，如图9.17所示。所示。二同步发电机的相量图二同步发电机的相量图第七节第七节 同步发电机原理同步发电机原理图图9.17凸极凸极同步发电机同步发电机的相量图的相量图(9.20)根据式根据式(9.22)，可以作出隐极同步发电机的相量图，如，可以作出隐极同步发电机的相量图，如图

39、图9.18所示。所示。第七节第七节 同步发电机原理同步发电机原理图图9.18 隐极同步发电机的相量图隐极同步发电机的相量图 同步发电机由原动机拖动，在对称负载下稳态运行时，由同步发电机由原动机拖动，在对称负载下稳态运行时，由原动机输入的机械功率原动机输入的机械功率 在扣除了机械损耗在扣除了机械损耗 、铁耗、铁耗 和和附加损耗附加损耗 后，转化为电磁功率后，转化为电磁功率 ，功率平衡方程为，功率平衡方程为式中式中 ，为空载损耗。，为空载损耗。三功率和转矩平衡方程三功率和转矩平衡方程(9.24)(9.25)即即第七节第七节 同步发电机原理同步发电机原理 上式中没有考虑励磁损耗上式中没有考虑励磁损耗

40、,认为励磁功率与原动机输入认为励磁功率与原动机输入功率无关。若励磁机与发电机同轴运转，则功率无关。若励磁机与发电机同轴运转，则 还应扣除励还应扣除励磁机吸收的功率后才能得到磁机吸收的功率后才能得到 。电磁功率电磁功率 是通过电磁感应作用由气隙合成磁场传递是通过电磁感应作用由气隙合成磁场传递到发电机定子的电功率。在扣除了电枢绕组铜耗到发电机定子的电功率。在扣除了电枢绕组铜耗 后，就是发电机输出的电功率后，就是发电机输出的电功率 ，即，即第七节第七节 同步发电机原理同步发电机原理 式中，式中，为原动机提供的拖动转矩；而为原动机提供的拖动转矩；而 为空载阻转矩，为空载阻转矩，制动性质；制动性质；为电

41、磁转矩，也是制动性质。为电磁转矩，也是制动性质。(9.27)式式(9.25)同时除以发电机角速度同时除以发电机角速度 ，就得到了同步发电机，就得到了同步发电机的转矩平衡方程，即的转矩平衡方程，即(9.26)第七节第七节 同步发电机原理同步发电机原理四功角特性四功角特性 根据图根据图9.17相量图，忽略电枢绕组电阻相量图，忽略电枢绕组电阻 ，可推导出凸极，可推导出凸极同步发电机功角特性：同步发电机功角特性：(9.28)式中，第一项称为励磁电磁功率，第二项称为凸极电磁式中，第一项称为励磁电磁功率，第二项称为凸极电磁功率或磁阻功率，是功率或磁阻功率，是 由由 d、q 轴磁路不对称产生的。轴磁路不对称

42、产生的。第七节第七节 同步发电机原理同步发电机原理对于隐极同步发电机，对于隐极同步发电机，电磁功率，电磁功率 为为(9.29)隐极同步发电机只有励磁电隐极同步发电机只有励磁电磁功率，其功角特性如图磁功率，其功角特性如图9.19曲曲线线1所示。所示。图图9.19同步发电机的功角特性同步发电机的功角特性第七节第七节 同步发电机原理同步发电机原理 凸极同步发电机功角特性凸极同步发电机功角特性如图如图9.19曲线曲线3所示。其中，励所示。其中，励磁电磁功率为曲线磁电磁功率为曲线1，凸极电磁，凸极电磁功率为曲线功率为曲线2。第八节第八节 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性 同同步步发发电电机机在在

43、对对称称负负载载下下的的运运行行特特性性是是确确定定电电机机主主要要参参数数、评评价价其其性性能能的的基基本本依依据据，可可由由实实验验方方法法测测得得。同同步步发发电机运行特性包括电机运行特性包括:v空载特性空载特性v短路特性短路特性v负载特性负载特性v外特性外特性v调节特性调节特性一一.空载特性空载特性 同步发电机运行在同步转速，不带负载。改变励磁电流，同步发电机运行在同步转速，不带负载。改变励磁电流，空载电动势随之变化的关系称为空载特性。空载电动势随之变化的关系称为空载特性。由于铁磁材料有磁滞现象，实验测定时，上升和下降的曲由于铁磁材料有磁滞现象，实验测定时，上升和下降的曲线不会重合。因

44、此，一般采用从线不会重合。因此，一般采用从 开始至开始至 的下的下降曲线，如图降曲线，如图9.20中上部的曲线所示。中上部的曲线所示。第八节第八节 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性图图9.20 空载特性空载特性剩磁电动势剩磁电动势校正值校正值实测曲线实测曲线校正曲线校正曲线第八节第八节 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性 短路特性是指同步发电机运行在同步转速，定子三相短路特性是指同步发电机运行在同步转速，定子三相绕组短路，绕组短路，电枢短路电流电枢短路电流 与励磁电流与励磁电流 的关系。如图的关系。如图9.21所示。所示。图图9.21短路特性短路特性二二.短路特性短路特性第八节第

45、八节 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性合成磁动势合成磁动势图图9.22 稳态短路时相量图稳态短路时相量图第八节第八节 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性 由于端电压为零，电枢由于端电压为零，电枢电阻远小于电抗，因此，短电阻远小于电抗，因此，短路电流滞后感应电势近似为路电流滞后感应电势近似为90，基本上为纯感性。电枢，基本上为纯感性。电枢磁动势基本上就是去磁作用磁动势基本上就是去磁作用的直轴磁动势，即的直轴磁动势，即 。合成电合成电动势动势 由于由于 只与漏抗压降平衡，数值不大，对应的气隙合只与漏抗压降平衡，数值不大，对应的气隙合成磁通成磁通 也就很小，电机磁路处于不饱和状态。当短

46、路电也就很小，电机磁路处于不饱和状态。当短路电流增加时，电枢磁动势流增加时，电枢磁动势 正比增加，正比增加，也正比增加，由也正比增加，由于于磁路不饱和，合成磁动势也正比增加，励磁电流也正比增磁路不饱和，合成磁动势也正比增加，励磁电流也正比增 加，短路电流与励磁电流呈线性关系。加，短路电流与励磁电流呈线性关系。电机的电动势平衡方程为电机的电动势平衡方程为第八节第八节 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性三三.零功率因数负载特性零功率因数负载特性 同步发电机的零功率因数负载特性指的是发电机带纯同步发电机的零功率因数负载特性指的是发电机带纯电感负载，保持负载电流为常数的条件下，发电机端电压电感负

47、载，保持负载电流为常数的条件下，发电机端电压与励磁电流之间的关系曲线与励磁电流之间的关系曲线 如图如图9.23所示。所示。第八节第八节 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性 图图9.23(a)为零功率因数负为零功率因数负载时的相量图。由于载时的相量图。由于 ，且电枢电阻与回路电抗相比可且电枢电阻与回路电抗相比可忽略，即忽略，即 与与 的夹角的夹角 故零功率因数负载时的电枢磁故零功率因数负载时的电枢磁动势仅有去磁的直轴磁动势分动势仅有去磁的直轴磁动势分量。于是量。于是图图9.23零功率因数负载特性零功率因数负载特性(a)，第八节第八节 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性(b)图图9.2

48、3 零功率因数负载特性零功率因数负载特性 第八节第八节 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性特性三角形特性三角形 为克服漏抗压降所为克服漏抗压降所增加的励磁电流增加的励磁电流;是克服电枢反应去是克服电枢反应去磁作用所需要增加的励磁电磁作用所需要增加的励磁电流流 。是电机的特性三是电机的特性三角形。角形。纯电阻负载纯电阻负载四四.外特性外特性 外特性是指发电机运行在同步转速、励磁电流为常数、功外特性是指发电机运行在同步转速、励磁电流为常数、功率因数恒定的条件下，端电压与负载电流之间的关系曲线。率因数恒定的条件下，端电压与负载电流之间的关系曲线。图图9.24 同步发电机的外特性同步发电机的外特

49、性感性负载感性负载容性负载容性负载第八节第八节 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性额定工作点额定工作点过励过励欠励欠励要求要求 从外特性可以求出发电机从外特性可以求出发电机的电压调整率。发电机运行在的电压调整率。发电机运行在同步转速，保持励磁电流为额同步转速，保持励磁电流为额定值，输出电压从额定电压定值，输出电压从额定电压 到空载电压（电动势）到空载电压（电动势），如，如图图9.25所示。则同步发电机的所示。则同步发电机的电压调整率为电压调整率为第八节第八节 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性图图9.25 同步发电机输出电压的变化同步发电机输出电压的变化五五.调整特性调整特性 当发

50、电机负载电流变化时，为保持端电压不变，必须当发电机负载电流变化时，为保持端电压不变，必须调节发电机的励磁电流。调整特性是指发电机运行在同步调节发电机的励磁电流。调整特性是指发电机运行在同步转速，端转速，端电压保持不变，功率因数恒定的条件下，发电机电压保持不变，功率因数恒定的条件下，发电机励磁电流与电枢电流的关系曲线，如图励磁电流与电枢电流的关系曲线，如图9.26所示。所示。第八节第八节 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性 与外特性相反，对于感性和电阻性负载，励磁电流随负与外特性相反，对于感性和电阻性负载，励磁电流随负载增加而增加，特性上升；而对容性负载，因负载电流的助载增加而增加，特性上