電機(jī)學(xué) 第5章 同步電機(jī) (20121011按新書修改).ppt

1、電 機(jī) 學(xué),電氣工程學(xué)院,2020/12/10,河 海 大 學(xué),2,目 錄,第2章 變 壓 器,第1章 緒 論,第5章 同 步 電 機(jī),第4章 異 步 電 機(jī),第3章 交流電機(jī)的共同問題,第6章 直 流 電 機(jī),2020/12/10,河 海 大 學(xué),3,第5章 同 步 電 機(jī),5.2 同 步 電 機(jī) 的運(yùn)行原理,5.3（補(bǔ)）同 步 電 機(jī) 的 分 析 方 法,5.1 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu),5.4 同 步 電 機(jī) 的 運(yùn) 行 特 征,5.5 同 步 電 機(jī) 并 聯(lián) 運(yùn) 行,5.6 同步電動機(jī)與同步調(diào)相機(jī),5.7 同步電機(jī)的突然短路,2020/12/10,河 海 大 學(xué),4,5.1 同步電機(jī)的基本知

2、識,2020/12/10,河 海 大 學(xué),5,第一節(jié) 同步電機(jī)的基本知識,定義： 同步電機(jī)是指電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與磁場轉(zhuǎn)速相同的交流電機(jī)。同步 電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 一.基本類型與用途,2020/12/10,河 海 大 學(xué),6,第一節(jié) 同步電機(jī)的基本知識,二、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)形式 同步電機(jī)一般由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋和軸承等部件構(gòu)成。 同步電機(jī)的定子和異步電機(jī)相同，定子鐵芯上有齒和槽，槽內(nèi)設(shè)置三相繞組。 轉(zhuǎn)子上裝有磁極和勵磁繞組。 同步電機(jī)的磁極通常裝在轉(zhuǎn)子上，而電樞繞組放在定子上，通常稱為旋轉(zhuǎn)磁極式電機(jī)。旋轉(zhuǎn)磁極式電機(jī)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子有凸極和隱極兩種結(jié)構(gòu)形式。 用汽輪機(jī)作為原動機(jī)來拖動的稱為汽輪發(fā)電機(jī)，一般采

3、用隱極式結(jié)構(gòu)；用水輪機(jī)作為原動機(jī)來拖動的稱為水輪發(fā)電機(jī)，一般采用凸極式結(jié)構(gòu)。 同步電動機(jī)、由內(nèi)燃機(jī)拖動的同步發(fā)電機(jī)以及同步補(bǔ)償機(jī)大多做成凸極式,2020/12/10,河 海 大 學(xué),7,第一節(jié) 同步電機(jī)的基本知識,二、同步電機(jī)的構(gòu)造特點(diǎn) （一）定子 同步電機(jī)的定子大體上和異步電機(jī)相同，是由鐵芯、 繞組、機(jī)座以及固定這些部分的其他構(gòu)件組成。 （二）轉(zhuǎn)子 （以同步發(fā)電機(jī)為例） 1、汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代汽輪發(fā)電機(jī)一般都是二極的，同步轉(zhuǎn)速為3000或3600r/min。這是因為提高轉(zhuǎn)速可以提高汽輪機(jī)的運(yùn)行效率，減小整個機(jī)組的尺寸、降低機(jī)組的造價。轉(zhuǎn)子不能做得過大，所以汽輪發(fā)電機(jī)的直徑較小，長度較長

4、。汽輪發(fā)電機(jī)均為臥式結(jié)構(gòu)。 2、水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 大型水輪發(fā)電機(jī)通常都是立式結(jié)構(gòu)，它的轉(zhuǎn)速低、極數(shù)多，要求轉(zhuǎn)動慣量大，故其特點(diǎn)是直徑大、長度短,2020/12/10,河 海 大 學(xué),8,第一節(jié) 同步電機(jī)的基本知識,1、汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代汽輪發(fā)電機(jī)一般都是二極的，同步轉(zhuǎn)速為3000或3600r/min。 提高轉(zhuǎn)速可以提高汽輪機(jī)的運(yùn)行效率，減小整個機(jī)組的尺寸、降低機(jī)組的造價。 轉(zhuǎn)子不能做得過大，所以汽輪發(fā)電機(jī)的直徑較小，長度較長。汽輪發(fā)電機(jī)均為臥式結(jié)構(gòu),2020/12/10,河 海 大 學(xué),9,第一節(jié) 同步電機(jī)的基本知識,2、水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 大型水輪發(fā)電機(jī)通常都是立式結(jié)構(gòu) 它的轉(zhuǎn)速低、

5、極數(shù)多，要求轉(zhuǎn)動慣量大，故其特點(diǎn)是直徑大、長度短。 轉(zhuǎn)子磁極上套裝勵磁繞組 極靴上有阻尼繞組,2020/12/10,河 海 大 學(xué),10,2020/12/10,河 海 大 學(xué),11,中國制造的30萬千瓦雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī),2020/12/10,河 海 大 學(xué),12,同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),2020/12/10,河 海 大 學(xué),13,隱極同步電機(jī)剖面圖,2020/12/10,河 海 大 學(xué),14,第一節(jié) 同步電機(jī)的基本知識,三、同步電機(jī)的額定值 同步電機(jī)的額定值（名牌值）由以下幾種： （1）額定容量 或額定功率 （2）額定電壓 是指同步電機(jī)在額定運(yùn)行時其定子三相的線電壓 （4）額定電流 是指同步電機(jī)在

6、額定運(yùn)行時流過其定子繞組的線 電流,2020/12/10,河 海 大 學(xué),15,第一節(jié) 同步電機(jī)的基本知識,4）額定功率因數(shù) 是指同步電機(jī)在額定運(yùn)行時的功率因數(shù)。 （5）額定效率 是指額定運(yùn)行時的效率。 （6）額定轉(zhuǎn)速 和額定頻率 是指同步電機(jī)運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速（r/min）和定子繞組中電流與電壓的工作頻率（Hz）。 （7）額定勵磁電壓 和額定勵磁電流 是指同步電機(jī)額定運(yùn)行時加到勵磁繞組上的直流電壓和電流,對三相交流發(fā)電機(jī),對三相交流電動機(jī),2020/12/10,河 海 大 學(xué),16,第二節(jié) 同步電機(jī)的勵磁系統(tǒng),同步電機(jī)運(yùn)行時，必須在其轉(zhuǎn)子勵磁繞組中通入直流電流，以便建立磁場，這個直流稱為勵磁電流，

7、供給勵磁電流的整個系統(tǒng)稱為勵磁系統(tǒng)。勵磁系統(tǒng)是同步電機(jī)的重要組成部分，勵磁系統(tǒng)和勵磁元件的性能對電機(jī)的運(yùn)行性能有重要影響。 分類，勵磁系統(tǒng)主要有兩大類： 一類是直流發(fā)電機(jī)作為勵磁電源的直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)； 另一類是用整流裝置將交流變成直流后供給勵磁的交流勵磁機(jī)整流勵磁系統(tǒng),2020/12/10,河 海 大 學(xué),17,第二節(jié) 同步電機(jī)的勵磁系統(tǒng),1、直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng) 直流勵磁機(jī)通常與同步發(fā)電機(jī) 同軸，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)起來以后， 勵磁機(jī)就可以為其供給直流電 流。最常用的是 直流并勵發(fā)電機(jī)（如圖所示）； 直流他勵發(fā)電機(jī)； 直流復(fù)式勵磁發(fā)電機(jī)。 2、交流勵磁機(jī)整流勵磁系統(tǒng) 當(dāng)發(fā)電機(jī)容量較大時，由于換向困難

8、不適宜采用直流勵磁機(jī)，這時一般采用交流勵磁機(jī)與整流裝置相配合來共同構(gòu)成勵磁系統(tǒng),2020/12/10,河 海 大 學(xué),18,第二節(jié) 同步電機(jī)的勵磁系統(tǒng),根據(jù)裝置的放置位置可以分為靜止整流勵磁和旋轉(zhuǎn)整流勵磁兩種 1）靜止整流勵磁 靜止整流勵磁分為他勵式和自勵式兩種，下圖為他勵式靜止整流 勵磁系統(tǒng)。 1發(fā)電機(jī)；2交流主勵磁機(jī)；3交流副勵磁機(jī)；4硅整流機(jī)； 5可控硅整流機(jī)；6自動電壓調(diào)整器 （主勵為100Hz同步發(fā)電機(jī)，副勵為500Hz中頻同步發(fā)電機(jī),2020/12/10,河 海 大 學(xué),19,第二節(jié) 同步電機(jī)的勵磁系統(tǒng),他勵式靜止整流器勵磁系統(tǒng) 原理：主勵(2)經(jīng)整流(4)向發(fā)電機(jī)(1)提供If

9、;主勵的勵磁電流由副勵磁機(jī)(3)提供 優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行、維護(hù)方便，用硅整流代替換向器不僅提高了勵磁容量，而且大大提高了發(fā)電機(jī)運(yùn)行可靠性； 缺點(diǎn)：接線設(shè)備復(fù)雜，起動時需要另外的直流起勵電源向副 勵磁機(jī)供給勵磁電流。 自勵式系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)：便于維護(hù)，電壓穩(wěn)定性較高，動態(tài)特性好,2020/12/10,河 海 大 學(xué),20,第二節(jié) 同步電機(jī)的勵磁系統(tǒng),2）旋轉(zhuǎn)整流勵磁 旋轉(zhuǎn)電樞式。 交流主勵磁機(jī):電樞、整流裝置與主發(fā)電機(jī)的勵磁繞組均裝設(shè)在同一旋轉(zhuǎn)體上，不需要集電環(huán)和電刷裝置，所以這種系統(tǒng)又稱為無刷勵磁系統(tǒng)。 1交流副勵磁機(jī)；2交流主勵磁機(jī)；3同步發(fā)電機(jī)； 4自動電壓調(diào)節(jié)器,2020/12/10,河 海 大 學(xué),

10、21,第二節(jié) 同步電機(jī)的勵磁系統(tǒng),旋轉(zhuǎn)整流勵磁系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)：由于取消了電刷和集電環(huán)，所以這種勵磁方式的運(yùn)行比較 可靠，維護(hù)簡單，尤其適合于要求防燃、防爆的特殊場合。 缺點(diǎn)：發(fā)電機(jī)勵磁回路的滅磁時間常數(shù)較大，對迅速消除主發(fā)電 機(jī)的內(nèi)部故障不利；轉(zhuǎn)子繞組保護(hù)困難,2020/12/10,河 海 大 學(xué),22,5.2 同步電機(jī)的運(yùn)行原理,2020/12/10,河 海 大 學(xué),23,第三節(jié) 同步電機(jī)的空載運(yùn)行,1.同步發(fā)電機(jī)工作原理,2020/12/10,河 海 大 學(xué),24,第三節(jié)同步電機(jī)的空載運(yùn)行,當(dāng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，主磁場就在氣隙中形成一個旋轉(zhuǎn)磁 場，它“切割”對稱的三相定子繞組后，就將在定子繞

11、組內(nèi)感應(yīng)出頻 率為 的一組對稱三相空載電動勢： 忽略高次諧波時，勵磁電動勢的有效值為 式中： 為每極的主磁通量,2020/12/10,河 海 大 學(xué),25,第三節(jié)同步電機(jī)的空載運(yùn)行,2、主磁通與漏磁通 空載運(yùn)行時，電樞電流為零，僅有由勵磁電流所建立的主極磁場。 主極磁通分為主磁通和主極漏磁通，主磁通所經(jīng)過的路徑稱為 主磁路，包括：空氣隙、電樞齒、電樞軛、磁極極身和轉(zhuǎn)子軛五個部分,2020/12/10,河 海 大 學(xué),26,第三節(jié) 同步電機(jī)的空載運(yùn)行,3、電壓波形正弦畸變率 改善發(fā)電機(jī)發(fā)出電勢波形的基本途徑： 勵磁電流產(chǎn)生接近與正弦分布的氣隙磁密波形； 定子每相繞組采用分布和短距線圈； 三相繞組

12、采用Y接法。 恒量指標(biāo)：電壓波形正弦畸變率 實(shí)際空載線電壓波形與正弦波形的偏差程度一般用電壓波形正 弦畸變率來表示，即,2020/12/10,河 海 大 學(xué),27,第四節(jié) 對稱負(fù)載時的電樞反應(yīng),1.電樞反應(yīng) 空載：I0，F(xiàn)a 0，氣隙磁場只由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生； 負(fù)載時：I0，F(xiàn)a 0,Fa對Ff的影響稱電樞反應(yīng) 電樞磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢間的相對位置取決于負(fù)載電流的性質(zhì)。 同步機(jī)空載電勢 電機(jī)輸出電流 之間的相角 定義為內(nèi)功率因數(shù)角。 時， 時，電流 滯后于 ； 端電壓 和 之間的相位角 稱為外功率因數(shù)角 。 下面將分析各種不同 角時的電樞反應(yīng),2020/12/10,河 海 大 學(xué),28,第四節(jié) 對稱負(fù)載

13、時的電樞反應(yīng)(簡略,一、內(nèi)功率因數(shù)角,2020/12/10,河 海 大 學(xué),29,第四節(jié) 對稱負(fù)載時的電樞反應(yīng),Fa在交軸，所以稱交軸電樞反應(yīng)，因合成磁勢 有增磁作用 因為I、E同相，所以不發(fā)無功功率,2020/12/10,河 海 大 學(xué),30,第四節(jié) 對稱負(fù)載時的電樞反應(yīng),二、內(nèi)功率因數(shù)角 同步發(fā)電機(jī)的剖面簡圖 磁勢的空間展開圖,2020/12/10,河 海 大 學(xué),31,第四節(jié) 對稱負(fù)載時的電樞反應(yīng),二、內(nèi)功率因數(shù)角 時間相量圖 時空矢量圖,2020/12/10,河 海 大 學(xué),32,第四節(jié) 對稱負(fù)載時的電樞反應(yīng),2020/12/10,河 海 大 學(xué),33,第四節(jié) 對稱負(fù)載時的電樞反應(yīng),三

14、、內(nèi)功率因數(shù)角 同步發(fā)電機(jī)的剖面簡圖 磁勢的空間展開圖,2020/12/10,河 海 大 學(xué),34,第四節(jié) 對稱負(fù)載時的電樞反應(yīng),三、內(nèi)功率因數(shù)角 Fa在交軸，所以稱交軸電樞反應(yīng)，因合成磁勢 有增磁作用 因為I、E反相，所以不發(fā)無功功率,2020/12/10,河 海 大 學(xué),35,第四節(jié) 對稱負(fù)載時的電樞反應(yīng),四、內(nèi)功率因數(shù)角 同步發(fā)電機(jī)的剖面簡圖 磁勢的空間展開圖,2020/12/10,河 海 大 學(xué),36,第四節(jié) 對稱負(fù)載時的電樞反應(yīng),四、內(nèi)功率因數(shù)角 時間相量圖 時空矢量圖,2020/12/10,河 海 大 學(xué),37,第四節(jié) 對稱負(fù)載時的電樞反應(yīng),結(jié)論： 同步電機(jī)的運(yùn)行方式可以由內(nèi)功率因

15、數(shù)角 來判斷。 同步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子磁場將較定子磁場超前 同步電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)行時，定子磁場將較轉(zhuǎn)子磁場超前,2020/12/10,河 海 大 學(xué),38,5.3 同步發(fā)電機(jī)的分析方法（補(bǔ)充,2020/12/10,河 海 大 學(xué),39,第五節(jié) 隱極同步發(fā)電機(jī)的分析方法,一、電磁關(guān)系 當(dāng)不考慮磁路飽和現(xiàn)象時，認(rèn)為轉(zhuǎn)子磁場與電樞磁場分別在定 子繞組中感應(yīng)電勢。轉(zhuǎn)子感應(yīng)的電勢稱為空載電勢，用表 示；電 樞磁場感應(yīng)的電勢稱為電樞反應(yīng)電勢，用 表示。電磁關(guān)系如下,2020/12/10,河 海 大 學(xué),40,第五節(jié) 隱極同步發(fā)電機(jī)的分析方法,二、電路方程 三、等效電路 等效電路，如右圖所示。 隱極

16、同步發(fā)電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的 等效電路是簡單的獨(dú)立回路， 沒有次級側(cè)回路和其它耦合回路,2020/12/10,河 海 大 學(xué),41,第五節(jié) 隱極同步發(fā)電機(jī)的分析方法,四、電樞反應(yīng)電抗 比例系數(shù)是與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，稱為電樞反應(yīng)電抗 。 寫成相量形式： 上式說明了電樞反應(yīng)電抗的物理意義： 可以把電樞反應(yīng)磁場在定子每相繞組中所感應(yīng)的電樞反應(yīng)電勢 看成相電流所產(chǎn)生的一個電抗電壓降，這個電抗就是電樞反應(yīng)電抗,2020/12/10,河 海 大 學(xué),42,第五節(jié) 隱極同步發(fā)電機(jī)的分析方法,五、 同步電抗 定子回路電壓平衡式改寫為 其中 為同步電抗 為同步阻抗 實(shí)際應(yīng)用中主要關(guān)心同步電抗： 在計算同步電機(jī)的各

17、種性能時， 一般僅需應(yīng)用同步電抗； 測量同步電抗較為方便。 等效電路變化,隱極同步發(fā)電機(jī) 的等效電路,2020/12/10,河 海 大 學(xué),43,第五節(jié) 隱極同步發(fā)電機(jī)的分析方法,六、隱極發(fā)電機(jī)的相量圖 同步電機(jī)的三個角： 外功率因數(shù)角 內(nèi)功率因數(shù)角 功角,2020/12/10,河 海 大 學(xué),44,第六節(jié) 凸極同步發(fā)電機(jī)的分析方法,一、凸極同步電機(jī)的電樞反應(yīng)雙反應(yīng)理論 由于凸極同步機(jī)的氣隙不均勻，氣隙各處的磁阻不同，在極面 下的磁導(dǎo)大，兩極之間的磁導(dǎo)小，所以在分析電樞反應(yīng)時，采用雙 反應(yīng)法，即把電樞基波磁動勢 分解為作用在直軸上的 和作用 在交軸上的 ， 還可以將電樞電流 分解為 和 ，即,

18、2020/12/10,河 海 大 學(xué),45,第六節(jié) 凸極同步發(fā)電機(jī)的分析方法,二、電磁關(guān)系 當(dāng)不計磁路飽和現(xiàn)象時，在定子繞組中分別成立直軸電樞反應(yīng) 電勢和交軸電樞反應(yīng)電勢。其基波分量不別記作 和,2020/12/10,河 海 大 學(xué),46,第六節(jié) 凸極同步發(fā)電機(jī)的分析方法,二、電路方程和等效電路 則凸極同步發(fā)電機(jī)的定子繞組的電壓平衡式為,2020/12/10,河 海 大 學(xué),47,第六節(jié) 凸極同步發(fā)電機(jī)的分析方法,三、直軸與交軸電樞反應(yīng)電抗和同步電抗 （1）直軸電樞反應(yīng)電抗、交軸電樞反應(yīng)電抗 比例系數(shù)是與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。 其中：xad、xaq分別稱直軸電樞反應(yīng)電抗，交軸電樞反應(yīng)電抗,202

19、0/12/10,河 海 大 學(xué),48,第六節(jié) 凸極同步發(fā)電機(jī)的分析方法,寫成相量形式： (2)直軸同步電抗和交軸同步電抗 設(shè)為定子每相漏抗，則可把漏抗與電樞反應(yīng)電抗合并，即 式中： 稱之為直軸同步電抗， 稱之為交軸同步電抗,2020/12/10,河 海 大 學(xué),49,第六節(jié) 凸極同步發(fā)電機(jī)的分析方法,四、凸極發(fā)電機(jī)的相量圖 1. 定子繞組的電壓平衡式 若把電樞反應(yīng)電勢看作是電抗壓降，則定子繞組的電壓平衡式為 或 另：隱極同步電機(jī)可看作凸極同步電機(jī)的特例來看。因為隱極機(jī) 的氣隙均勻，氣隙磁場波的波形系數(shù) 。 ， 只需要用一個參數(shù) 來表示同步電抗,2020/12/10,河 海 大 學(xué),50,第六節(jié)

20、 凸極同步發(fā)電機(jī)的分析方法,2. 的方向 平衡方程中加 、減,2020/12/10,河 海 大 學(xué),51,第六節(jié) 凸極同步發(fā)電機(jī)的分析方法,2. 畫向量圖的步驟： 凸極同步發(fā)電機(jī)的相量圖（過激時,2020/12/10,河 海 大 學(xué),52,5.4 同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性,對應(yīng)教材5.3,2020/12/10,河 海 大 學(xué),53,第七節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的空載、短路 和負(fù)載特性,一、空載特性 同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子套組加上直流勵磁，電樞繞組開路，即為同 步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行?？蛰d特性就是討論轉(zhuǎn)子直流勵磁電流和空載 電勢的關(guān)系。因為空載電動勢和轉(zhuǎn)子磁場的每極磁通成正比，轉(zhuǎn)子 勵磁電流和轉(zhuǎn)子勵磁磁動勢成正比，因此

21、只要選取不同的比例尺， 和同步電機(jī)的磁化曲線 是相同的。 空載特性可通過電機(jī) 的磁路計算或?qū)嶒灉y得， 接線圖如右所示,2020/12/10,河 海 大 學(xué),54,第七節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的空載、短路 和負(fù)載特性,一、空載特性 1. 定義 選取不同的比例尺，與同步電機(jī)的 磁化曲線相同。 2.測量 空載特性可通過電機(jī) 的磁路計算或?qū)嶒灉y得， 接線圖如右所示,2020/12/10,河 海 大 學(xué),55,第七節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的空載、短路 和負(fù)載特性,磁滯回線 0a為所求的空載特性， 由剩磁所感應(yīng)的電 動勢，稱為剩磁電動勢。 存在剩磁，校正：向左平移oc,2020/12/10,河 海 大 學(xué),56,第七節(jié) 同步

22、發(fā)電機(jī)的空載、短路 和負(fù)載特性,典型的空載特征 開始一段實(shí)際上是一條直線，因為此時 很小，電機(jī)磁路中的鐵磁部分未飽和。If增大，逐漸飽和。 飽和系數(shù)： E0*=1時： 總磁勢與氣隙磁勢之比 空載特性曲線的用途：a.求取同步電機(jī)的參數(shù)和特性外； b,.在發(fā)電廠中測空載特性以檢查三相電樞繞組的對稱性,2020/12/10,河 海 大 學(xué),57,第七節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的空載、短路和負(fù)載特性,二、短路特性 1、定義 2、用途 說明同步發(fā)電機(jī)的特性 測定同步電機(jī)的參數(shù) 3、短路特性 同步發(fā)電機(jī)在短路時的量相量圖。 U0 很小 很小（ 很?。?電機(jī) 磁路處于不飽和 又 ，所以，短路特性為一直線 （,2020/

23、12/10,河 海 大 學(xué),58,第七節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的空載、短路和負(fù)載特性,三、負(fù)載特性 1。定義： 右圖為不同的 和不同的 時的負(fù)載特性，其中 (1)空載特性， (2)零功率因數(shù)特性， 通過零功率因數(shù)曲線和空載 特性曲線可以求取飽和同步電抗及 電樞電抗,2020/12/10,河 海 大 學(xué),59,第八節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)及測定,一、同步電抗的測定 1、不飽和同步電抗的測定 右圖1-空載特性,2-短路特性， 不計電樞電阻，U=0時， 隱極機(jī)： 凸極機(jī)：因Ik滯后E090度,Iq=0,Id=Ik 所以： 用 近似 ，則 這樣測得的同步電抗為不飽和同步電抗。 對隱極機(jī)而言，所測定的同步電抗為 ；

24、對凸極機(jī)而言，所測定的同步電抗為,2020/12/10,河 海 大 學(xué),60,第八節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)及測定,2、求飽和同步電抗 純電感負(fù)載時，空載電動勢、端電壓 和同步電抗之間的代數(shù)關(guān)系為 右圖所示為空載特性和的 零功率因數(shù)曲線。 其中 ， ， 所以飽和同步電抗的標(biāo)么值為 不飽和同步電抗比飽和同步電抗大得多,2020/12/10,河 海 大 學(xué),61,第八節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)及測定,二、短路比 短路比：在空載時使空載電動勢有額定值時的勵磁電流與在短 路時使短路電流有額定值時的勵磁電流之比。 短路比與同步電抗有關(guān)，設(shè) 為不飽和同步電抗，則從圖中可得， ，則同步電抗的標(biāo)么值為,2020/12/1

25、0,河 海 大 學(xué),62,第八節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)及測定,短路比大小與電機(jī)性能的關(guān)系（了解） 一般，汽輪發(fā)電機(jī)較小: 0.50.7 水輪發(fā)電機(jī)較大: 1.01.4,2020/12/10,河 海 大 學(xué),63,第九節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性,一、外特性 外特性是指當(dāng) ， 時，發(fā)電機(jī)的端電 壓與電樞電流之間的關(guān)系曲線 。 右圖為不同功率因數(shù)的負(fù)載時同步發(fā) 電機(jī)的外特性。 由圖可見，感性負(fù)載和純電阻負(fù)載時， 外特性下降；容性負(fù)載時，外特性上升 。 外特性即可以用直接負(fù)載法測取，亦可用 作圖法求出,2020/12/10,河 海 大 學(xué),64,第九節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性,二、電壓變化率 當(dāng)發(fā)電機(jī)

26、的端電壓為額定值，并輸出 額定負(fù)載( ， )時 ， 稱為同步發(fā)電機(jī)的額定工作狀態(tài)。 如右圖所示，端電壓升高的數(shù)值 用額定端電壓的百分?jǐn)?shù)來表示就稱為 同步發(fā)電機(jī)的電壓變化率，或稱為電 壓調(diào)整率，用 表示，即,2020/12/10,河 海 大 學(xué),65,第九節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性,三、調(diào)整特性 同步發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行情況下，當(dāng)端電壓和負(fù)載的功率因數(shù)一定 時，表示負(fù)載電流和勵磁電流之間關(guān)系的曲線稱為調(diào)整特性，即 右圖表示了端電壓為額定，不同 負(fù)載功率因數(shù)時的調(diào)節(jié)特性，調(diào)節(jié)特 性的變化趨勢與外特性恰好相反,2020/12/10,河 海 大 學(xué),66,第九節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性,四、效率特性 同

27、步發(fā)電機(jī)的效率特性是指 ， ， 時，發(fā)電機(jī)的效率與輸出功率的關(guān)系即 發(fā)電機(jī)的效率可以通過直接負(fù)載法和損耗法分析求出。用損耗 法計算公式如下,2020/12/10,河 海 大 學(xué),67,5.5 同步發(fā)電機(jī)在大電網(wǎng)上運(yùn)行(書5.4,第11節(jié) 隱極同步發(fā)電機(jī)的功角特性,第12節(jié) 凸極式同步發(fā)電機(jī)的功角特性,第13節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的有功功率的調(diào)節(jié),第14節(jié) 無功功率的調(diào)節(jié)和V形曲線,第15節(jié) 同步電動機(jī)與同步補(bǔ)償機(jī),第10節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行,2020/12/10,河 海 大 學(xué),68,第10節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行,對供電的要求主要是：保證足夠的用電量，高的供電質(zhì)量（電 壓和頻率為額定值），以及經(jīng)

28、濟(jì)、可靠。 電力系統(tǒng)中有許多發(fā)電廠并聯(lián)供電，可以合理地利用動力資源，對國民經(jīng)濟(jì)有很大意義。同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，是同步發(fā)電機(jī)最基本地運(yùn)行方式，研究和掌握它地運(yùn)行性能是有主要意義的。 當(dāng)單臺發(fā)電機(jī)滿足U=const，f=const時，稱為無窮大電網(wǎng)或無窮大匯流排。 同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行與變壓器并聯(lián)運(yùn)行的區(qū)別,2020/12/10,河 海 大 學(xué),69,第10節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行,一、并聯(lián)運(yùn)行的方法 為了投入并聯(lián)所進(jìn)行的調(diào)節(jié)和操作過程稱為整步過程，有準(zhǔn)確 整步法和自整步法兩種方法。 1、準(zhǔn)確整步法 把發(fā)電機(jī)調(diào)整到完全合乎投入并聯(lián)的條件，然后投入電網(wǎng)，叫 做準(zhǔn)確整步法。 最簡單的同步指示器由三個同步

29、指示燈組成，有直接接法和交 叉接法兩種接法（見圖,2020/12/10,河 海 大 學(xué),70,第10節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行,直接接法的接線和相量圖,2020/12/10,河 海 大 學(xué),71,第10節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行,交叉接法的接線和相量圖,2020/12/10,河 海 大 學(xué),72,第10節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行,2、自整步法 自整步法的原理接線圖如下所示。投入的步驟： 校驗發(fā)電機(jī)的相序，把發(fā)電機(jī)拖動到接近同步轉(zhuǎn)速； 勵磁繞組經(jīng)限流電阻短路； 把發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)，再立即加上直流勵磁； 自動牽入同步。 優(yōu)點(diǎn)：投入迅速，不需增添復(fù)雜的裝置； 缺點(diǎn)：投入時定子電流沖擊稍大,2020/12/1

30、0,河 海 大 學(xué),73,第11節(jié) 隱極同步發(fā)電機(jī)的功角特性,功率流程圖（均為每相值） 其中 為機(jī)械功率， 為機(jī)械損耗 為鐵芯損耗， 為附加損耗 為電磁功率 機(jī)械損耗和鐵芯損耗合并考慮為空載損耗。 勵磁回路所消耗的電功率一般由原動機(jī)或其它電源供給，故不包括在功率流程圖中，由圖可得關(guān)系式： 如這一同步機(jī)為電動機(jī)，則功率流程將倒轉(zhuǎn) 為輸入功率， 為 輸出功率。 取發(fā)電機(jī)輸出功率為正值，電動機(jī)輸入功率為負(fù)值。在發(fā)電機(jī)情 況下， ；在電動機(jī)的情況下， ，故上式同樣適 用于電動機(jī)和發(fā)電機(jī),2020/12/10,河 海 大 學(xué),74,第11節(jié) 隱極同步發(fā)電機(jī)的功角特性,一、功率表示式 隱極式同步發(fā)電機(jī)的

31、等效電路及其向量圖 如右圖所示， 由相量圖得： 再從等效電路可以求得電樞電流為： 如把端電壓 放在參考軸上，則有,2020/12/10,河 海 大 學(xué),75,第11節(jié) 隱極同步發(fā)電機(jī)的功角特性,同步電抗可以表示為 式中 整理得， 將其帶入 式，便得端點(diǎn)功率 與電磁功率 的表示式各為 如略去 ，則上式簡化為,2020/12/10,河 海 大 學(xué),76,第11節(jié) 隱極同步發(fā)電機(jī)的功角特性,三、轉(zhuǎn)矩特性 同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，且經(jīng)常保持不變，故轉(zhuǎn)矩和功率成正比。如略去電樞電阻則得電磁轉(zhuǎn)矩公式為 從功角特性公式可見，同步功率（或同步轉(zhuǎn)矩）隨著功角 而變化，且有一極限最大值 ，最大功率與額定功率之比

32、稱為過載能力用 表示，設(shè)一隱極式同步機(jī)，在額定運(yùn)行時的功角為 則有,2020/12/10,河 海 大 學(xué),77,第11節(jié) 隱極同步發(fā)電機(jī)的功角特性,二、功角特性 功率 或 隨著 角而變化的關(guān)系稱為功角特性。 不穩(wěn)定 穩(wěn)定 不穩(wěn)定 隱極同步電機(jī)略去電阻時的功角特性,2020/12/10,河 海 大 學(xué),78,第12節(jié) 凸極式同步發(fā)電機(jī)的功角特性,一、功率表示式 求凸極式同步電機(jī)的功率表示式時， 把電樞電阻略去不計，略去電阻后的 相量圖如右圖所示。從圖可得到下列 關(guān)系 因為電阻被略去，故有 經(jīng)過化簡得 （功角特性表示式,2020/12/10,河 海 大 學(xué),79,第12節(jié) 凸極式同步發(fā)電機(jī)的功角特

33、性,二、功角特性 對凸極機(jī)來說電磁功率包含兩部分，第一項 稱為基本 電磁功率;第二項稱為附加電磁功率（磁阻功率,2020/12/10,河 海 大 學(xué),80,第12節(jié) 凸極式同步發(fā)電機(jī)的功角特性,凸極機(jī)的最大電磁功率比具有相同 、 、 值的隱極機(jī)略大。 越大附加電磁功率在總電磁功率中的比例越小。 功角為同步機(jī)的重要變量, 值決定同步機(jī)電磁功率大小; 且當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場超前合成磁場時 設(shè)，發(fā)電機(jī)運(yùn)行； 反之， 時，同步機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)行,2020/12/10,河 海 大 學(xué),81,第13節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的有功功率的調(diào)節(jié),一、有功功率的調(diào)節(jié) 要調(diào)節(jié)與電網(wǎng)并聯(lián)的同步發(fā)電機(jī)的輸出有功功率，只需要調(diào)節(jié) 發(fā)電機(jī)的輸入

34、機(jī)械功率，這時發(fā)電機(jī)內(nèi)部會自行改變位移角,同步發(fā)電機(jī)在,穩(wěn)定,不穩(wěn)定,同步電動機(jī)在,穩(wěn)定,不穩(wěn)定,2020/12/10,河 海 大 學(xué),82,第13節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的有功功率的調(diào)節(jié),二、靜態(tài)穩(wěn)定的概念,靜態(tài)穩(wěn)定的概念,同步發(fā)電機(jī)能在瞬時擾動消除后，繼續(xù)保持原來的平衡運(yùn)行狀態(tài)，就稱為這時的同步發(fā)電機(jī)是“靜態(tài)穩(wěn)定”的，否則就是靜態(tài)不穩(wěn)定。 左圖所示表示了靜態(tài)穩(wěn)定的概念。從圖可以得出結(jié)論：處于功角特性曲線上升部分的工作點(diǎn)都是都是靜態(tài)穩(wěn)定的；下降部分的工作點(diǎn)都是靜態(tài)不穩(wěn)定,2020/12/10,河 海 大 學(xué),83,第13節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的有功功率的調(diào)節(jié),靜態(tài)穩(wěn)定的條件用數(shù)學(xué)式表示為 用微分表示為,比整步

35、功率 隨 變化關(guān)系,為比整步功率，用符號 表 示。 對于隱極式同步電機(jī)的比整步功 率為,如左圖所示，當(dāng)功角發(fā)生一個變化 時，如果 愈大，即 數(shù)值愈大，發(fā)電機(jī)的運(yùn)行就愈 穩(wěn)定,2020/12/10,河 海 大 學(xué),84,一、無功功率的調(diào)節(jié) 電網(wǎng)的負(fù)載包括有功功率和無功功率。同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)后，要向電網(wǎng)供給有功功率和無功功率。 以隱極式同步電機(jī)為對象，并忽略電樞電阻， （感性為正） 右圖為不計電樞電阻時的隱極式電機(jī)相量圖， 由圖可見 將其代入無功功率表達(dá)式得,5.4.5 無功功率的調(diào)節(jié)和V形曲線,2020/12/10,河 海 大 學(xué),85,5.4.5 無功功率的調(diào)節(jié)和V形曲線,上式即為無功功率

36、的功角特性。當(dāng)激磁不變時， 與 的關(guān)系為余弦 函數(shù)，如右圖所示 若同步發(fā)電機(jī)輸出的有功功率不變， 則 當(dāng) 和 均不變時可得,2020/12/10,河 海 大 學(xué),86,5.4.5 無功功率的調(diào)節(jié)和V形曲線,下圖是 時調(diào)節(jié)激磁電流的相量圖 由圖易出結(jié)論：當(dāng)發(fā)電機(jī)與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時，調(diào)節(jié)勵磁電流大小， 就可以改變發(fā)電機(jī)輸出的無功功率，不僅能改變無功功率的大小，而且能 改變無功功率的特性,2020/12/10,河 海 大 學(xué),87,5.4.5 無功功率的調(diào)節(jié)和V形曲線,二、V形曲線 曲線 形狀象字母“V”故稱為V形曲線。 當(dāng)P增加時，曲線向上移。 當(dāng)調(diào)節(jié)If，使I最小，該點(diǎn)即V形曲線上的最低點(diǎn)，功率

37、因數(shù)為1。 V形曲線族最低點(diǎn)連線表示 ； 右端為過激區(qū)， 左邊為欠激區(qū)。 注：如要只改變有功功率，在調(diào)節(jié) 原動機(jī)功率輸入的同時要適當(dāng)改變同步 發(fā)電機(jī)的激磁,2020/12/10,河 海 大 學(xué),88,5.5 同步電動機(jī)與同步調(diào)相機(jī),2020/12/10,河 海 大 學(xué),89,5.5 同步電動機(jī),同步電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 功率因素高，可調(diào)（主要優(yōu)點(diǎn)） 低速同步電機(jī)體積甚至小于異步機(jī) 過載能力強(qiáng) 兩種分析方法： 仍按發(fā)電機(jī)觀點(diǎn)，只要 大于90度即可 按電動機(jī)觀點(diǎn)，另行分析，另列方程等 發(fā)電機(jī)觀點(diǎn),2020/12/10,河 海 大 學(xué),90,第15節(jié) 同步電動機(jī),一） 仍按發(fā)電機(jī)觀點(diǎn) 發(fā)出電功率0，即吸收電

38、功率 1. 隱極電動機(jī),2020/12/10,河 海 大 學(xué),91,第15節(jié) 同步電動機(jī),2.凸極機(jī) 電動機(jī) 發(fā)電機(jī),2020/12/10,河 海 大 學(xué),92,第15節(jié) 同步電動機(jī),二）按電動機(jī)觀點(diǎn) 電勢均為反電勢 （通過變壓器、異步電機(jī)原方方程引出） 隱極電動機(jī)（書235式5-5-1不妥） 平衡方程 相量圖 凸極電動機(jī),2020/12/10,河 海 大 學(xué),93,5.5.3 同步電動機(jī)的起動,同步電機(jī)不能自起動，必須借助其他方法，現(xiàn)在主要是： 異步起動法 阻尼繞組與異步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組類似，又稱起動繞組 把同步電動機(jī)的勵磁繞組經(jīng)過外電阻短接：R=10rf 將同步電動機(jī)定子繞組接通電源,類似異步

39、電機(jī)起動，接近同步速度 將勵磁繞組與直流勵磁電源接通（牽入同步） 其他起運(yùn)方式 輔助起運(yùn) 孌頻起運(yùn),2020/12/10,河 海 大 學(xué),94,5.5.4 同步調(diào)相機(jī),一、原理、用途 功率因數(shù)角0，P=0；Q0 功率因數(shù)角180，P=0；Q0 二、特點(diǎn) 容量為過勵時的S 軸小、Xd適當(dāng)大,2020/12/10,河 海 大 學(xué),95,5.7同步發(fā)電機(jī)突然短路(6學(xué)分了解，4學(xué)分不要求,第17節(jié) 同步發(fā)電機(jī)突然短路的物理過程,第18節(jié) 同步電機(jī)的瞬態(tài)電抗和超瞬態(tài)電抗,第19節(jié) 三 相 突 然 短 路 電 流,第20節(jié) 同步電機(jī)振蕩的物理概念,2020/12/10,河 海 大 學(xué),96,第17節(jié) 同

40、步發(fā)電機(jī)突然短路的 物理過程,同步發(fā)電機(jī)突然短路時,各繞組中會出現(xiàn)很大的沖擊電流,其峰 值可達(dá)額定電流的十倍以上.突然短路的瞬態(tài)過程很短,卻可能帶來 嚴(yán)重的后果。 如左圖所示，合上開關(guān)使繞組1 突然短路，繞組中的電壓方程為 如把電阻 忽略，則上式變成 它的一般解為： ， 設(shè) ，則,d軸,2020/12/10,河 海 大 學(xué),97,第17節(jié) 同步發(fā)電機(jī)突然短路的 物理過程,所以沒有電阻的閉合繞組的磁鏈不會變化，永遠(yuǎn)等于突然短路 瞬間。 結(jié)論：在沒有電阻的閉合回路中，磁鏈將保持不變，這一簡單 關(guān)系稱為磁鏈不變原則。 下面用磁鏈不變原則分析無阻尼繞組同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時， 在發(fā)電機(jī)出線端點(diǎn)處發(fā)生三相

41、突然短路后電機(jī)各繞組中的磁鏈變化 情況。分析時假設(shè)： 勵磁電流不變； 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持不變； 不計飽和影響,2020/12/10,河 海 大 學(xué),98,第17節(jié) 同步發(fā)電機(jī)突然短路的 物理過程,同步發(fā)電機(jī)空載時， 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場將在各定子 繞組中形成磁鏈 ， ， 和 ，如左圖（a）所示， 因為此時定子繞組開路， 所以定子繞 組中沒有電流， 不產(chǎn)生定子磁場。 左圖(b)為A相磁鏈的 變化情況,2020/12/10,河 海 大 學(xué),99,第18節(jié) 同步電機(jī)的瞬態(tài)電抗 和超瞬態(tài)電抗,一、直軸瞬態(tài)電抗 下圖為沒有阻尼繞組的同步電機(jī)突然短路時（a）穩(wěn)定短路（b） 突然短路初瞬，電樞磁通所經(jīng)過的路徑。 （a）

42、(b,2020/12/10,河 海 大 學(xué),100,第18節(jié) 同步電機(jī)的瞬態(tài)電抗 和超瞬態(tài)電抗,穩(wěn)定短路時，定子電流所遇到的磁阻較小，定子電流所遇到的 電抗為數(shù)值較大的同步電抗 。 突然短路時，在短路初瞬，由于磁鏈不變原則，如圖（b）所的， 被擠到轉(zhuǎn)子外側(cè)的漏磁路中去。 變大，則此時電樞電流的 電抗變小，使突然短路初始瞬間有較大的短路電流。這個限制電樞 電流的電抗稱為直軸瞬態(tài)電抗，用 表示，可見 。 由于轉(zhuǎn)子繞組有電阻，使突然短路時較大的沖擊電流逐漸減小， 最后短路電流為 所限制。此時，電機(jī)已從突然短路狀態(tài)過渡到穩(wěn) 定短路狀態(tài),2020/12/10,河 海 大 學(xué),101,第18節(jié) 同步電機(jī)的

43、瞬態(tài)電抗 和超瞬態(tài)電抗,二、直軸超瞬態(tài)電抗 當(dāng)轉(zhuǎn)子上裝有阻尼繞組時， 電樞磁通路徑如右圖 所示。 此時，磁路的磁阻更大了，與之 相應(yīng)的電抗將有更小的數(shù)值 ， 稱為直軸超瞬態(tài)電抗。 短路初瞬，定子繞組中的短 路電流將為 所限制，在最初 幾個周波后，定子電流為 所 限制，最后到達(dá)穩(wěn)態(tài)值時，定子 電流為 所限制,2020/12/10,河 海 大 學(xué),102,第18節(jié) 同步電機(jī)的瞬態(tài)電抗 和超瞬態(tài)電抗,三、 和 的表示式 同步發(fā)電機(jī)裝有阻尼繞組時全部 電樞磁通所經(jīng)磁路的總磁導(dǎo)為 由于電抗和磁導(dǎo)成正比，則,直軸超瞬態(tài)電抗等效電路圖,2020/12/10,河 海 大 學(xué),103,第18節(jié) 同步電機(jī)的瞬態(tài)電抗 和超瞬態(tài)電抗,如轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組或當(dāng)阻尼 繞組中的感應(yīng)電流衰減完畢，磁路的 總磁導(dǎo)為 直軸瞬態(tài)電抗 的表示式為,直軸瞬態(tài)電抗等效電路圖,2020/12/10,河 海 大 學(xué),104,第18節(jié) 同步電機(jī)的瞬態(tài)電抗 和超瞬態(tài)電抗,四、交軸瞬態(tài)電抗 及其表示式 如同步發(fā)電機(jī)經(jīng)過負(fù)載阻抗短路，則由短路電流所產(chǎn)生的電樞 磁場不僅有直軸分量，也有交軸分量。在突然短路初始瞬間，沿著 交軸的電抗為 和 。 稱為交軸瞬態(tài)電抗， 稱為交軸超瞬態(tài) 電抗。 同步發(fā)電機(jī)在交軸上一般沒有勵磁繞組，所以一般交軸瞬態(tài)電 抗和