同步電機工作原理

1、第章同步電機 6.1 6.1 同步電機的基本工作原理與結構同步電機的基本工作原理與結構 6.2 6.2 同步發(fā)電機的空載運行同步發(fā)電機的空載運行 6.36.3同步發(fā)電機的電樞反應同步發(fā)電機的電樞反應 6.4 6.4 同步發(fā)電機的負載運行同步發(fā)電機的負載運行 6.56.5同步發(fā)電機的并聯運行同步發(fā)電機的并聯運行 6.66.6同步電動機和同步調相機同步電動機和同步調相機 思考題與習題 同步電機是交流旋轉電機的一種同步電機是交流旋轉電機的一種, ,因其轉速恒等于同步速因其轉速恒等于同步速 機時得名。同步電機主要用作發(fā)電機，也可用作電動機和調相機時得名。同步電機主要用作發(fā)電機，也可用作電動機和調相 機

2、。本章主要分析同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)運行原理和運行特性，簡機。本章主要分析同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)運行原理和運行特性，簡 要分析同步電動機和調相機的運行狀態(tài)。要分析同步電動機和調相機的運行狀態(tài)。 第章同步電機 .1同步電機的基本工作原理與結構 .1.1 同步電機的基本結構 以汽輪發(fā)電機為例以汽輪發(fā)電機為例: : 定子鐵心定子鐵心：硅鋼片疊成。：硅鋼片疊成。 機座：鋼板焊接面成，有足夠的強度和鋼度。機座：鋼板焊接面成，有足夠的強度和鋼度。 電樞繞組電樞繞組：三相對稱繞組：三相對稱繞組銅線制成銅線制成定子定子( (電樞電樞) ) 轉子鐵心：采用整塊的含鉻、鎳和鉬的合金鋼鍛成轉子鐵心：采用整塊的含鉻、鎳和鉬的合金

3、鋼鍛成 護環(huán)：保護勵磁繞組受離心力時不甩出護環(huán)：保護勵磁繞組受離心力時不甩出 勵磁繞組：銅線制成勵磁繞組：銅線制成 滑環(huán)：引勵磁電流經電刷、滑環(huán)進入勵磁繞組滑環(huán)：引勵磁電流經電刷、滑環(huán)進入勵磁繞組 中心環(huán)：支持護環(huán)，阻止勵磁繞組軸向移動中心環(huán)：支持護環(huán)，阻止勵磁繞組軸向移動 轉子轉子 第章同步電機 機械端口機械端口 轉子轉子 定子繞組定子繞組 定子鐵心定子鐵心 電端口電端口 A B C 返回 第章同步電機 返回 第章同步電機 1 1、汽輪發(fā)電機結構、汽輪發(fā)電機結構 （1 1）定子鐵心）定子鐵心 返回 第章同步電機 返回 第章同步電機 1 1、汽、汽 輪發(fā)電輪發(fā)電 機結構機結構 返回 第章同步電

4、機 2 2、水輪發(fā)電機結構、水輪發(fā)電機結構 (1)(1)立式水輪發(fā)電機立式水輪發(fā)電機(2)(2)臥式水輪發(fā)電機臥式水輪發(fā)電機 第章同步電機 2 2、水輪發(fā)電機結構、水輪發(fā)電機結構轉子結構轉子結構 10000kW10000kW水輪機轉子水輪機轉子 第章同步電機 1.1.發(fā)電環(huán)節(jié)發(fā)電環(huán)節(jié)各種電機各種電機 引進引進600MW汽輪發(fā)電機汽輪發(fā)電機 第章同步電機 國產國產300MW汽輪發(fā)電機汽輪發(fā)電機 第章同步電機 國產國產200MW汽輪發(fā)電機定子汽輪發(fā)電機定子 第章同步電機 國產國產200MW汽輪發(fā)電機定子鐵心汽輪發(fā)電機定子鐵心 第章同步電機 現場運行的水輪發(fā)電機現場運行的水輪發(fā)電機 第章同步電機 .

5、1同步電機的基本工作原理與結構 .1.2 同步電機的基本工作原理與分類 一、同步發(fā)電機的基本工作原理 大小大?。?頻率頻率： 勵磁繞組通入直流電流后建立恒定磁勵磁繞組通入直流電流后建立恒定磁 場，原動機拖動轉子以轉速場，原動機拖動轉子以轉速 旋轉時，其旋轉時，其 磁場切割定子繞組而感應交流電動勢磁場切割定子繞組而感應交流電動勢 . . 相序相序：由轉子的轉向決定。：由轉子的轉向決定。 波形波形：由：由 可知，波形可知，波形 取決于取決于 的空間分布。的空間分布。 第章同步電機 U2 U1 W2 V1 W1 V2 發(fā)電機的物理過發(fā)電機的物理過 程可用圖示表示程可用圖示表示 旋轉示意圖1 旋轉示意

6、圖2 第章同步電機 二、同步電機的分類 按按運行運行方式，同步電機分發(fā)電機、電動機和調相機。方式，同步電機分發(fā)電機、電動機和調相機。 按按結構結構型式，同步電機分旋轉電樞式和旋轉磁極式。型式，同步電機分旋轉電樞式和旋轉磁極式。 旋轉磁極式同步電機按磁極形狀，又分隱極式和凸極式兩種。旋轉磁極式同步電機按磁極形狀，又分隱極式和凸極式兩種。 按原動機類別按原動機類別, ,同步電機分為汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機和柴同步電機分為汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機和柴 油發(fā)電機等。油發(fā)電機等。 汽輪發(fā)電機一般作成隱極式，現代汽輪發(fā)電機均為汽輪發(fā)電機一般作成隱極式，現代汽輪發(fā)電機均為2 2極，轉速極，轉速 為為300030

7、00轉轉/ /分鐘，水輪發(fā)電機采用凸極式，極數多，轉速低。分鐘，水輪發(fā)電機采用凸極式，極數多，轉速低。 同步電動機、柴油發(fā)電機和調相機一般作成凸極式。同步電動機、柴油發(fā)電機和調相機一般作成凸極式。 第章同步電機 .1.3 同步電機的額定值 對同步發(fā)電機額定值之間關系為：對同步發(fā)電機額定值之間關系為： 額定運行時加在額定運行時加在 三相定子繞組上三相定子繞組上 的線電壓。的線電壓。 指電機額定運行時，輸出功率的保證值。同步發(fā)電機是指指電機額定運行時，輸出功率的保證值。同步發(fā)電機是指 輸出的額定視在功率或有功功率，單位是輸出的額定視在功率或有功功率，單位是KVAKVA或或KWKW。電動機額定。電動

8、機額定 容量是指額定條件下轉軸上輸出的機械功率，單位是容量是指額定條件下轉軸上輸出的機械功率，單位是KWKW。調相。調相 機用機用KVAKVA或或KvarKvar表示。表示。 在額定運行狀在額定運行狀 態(tài)下三相定子態(tài)下三相定子 繞組的線電流繞組的線電流. 第章同步電機 .2 同步發(fā)電機的空載運行 電磁關系：電磁關系： 空載特性：空載特性： 同步發(fā)電機被原動機拖動到同步轉速，勵磁繞組中通入直流同步發(fā)電機被原動機拖動到同步轉速，勵磁繞組中通入直流 電流電流 ，定子繞組開路的運行稱為，定子繞組開路的運行稱為空載運行空載運行。 空載電動勢空載電動勢 大?。捍笮。?第章同步電機 .3 同步電機的電樞反應

9、 電樞反應電樞反應: :電機帶上負載后，電樞磁動勢的基波在氣隙中使氣隙電機帶上負載后，電樞磁動勢的基波在氣隙中使氣隙 磁通的大小及位置均發(fā)生變化磁通的大小及位置均發(fā)生變化, , 這種影響稱為電樞反應這種影響稱為電樞反應. . 電樞反應的性質，取決于電樞磁動勢基波電樞反應的性質，取決于電樞磁動勢基波 和勵磁磁動勢基波和勵磁磁動勢基波 之間的相對位置，即與空載電動勢之間的相對位置，即與空載電動勢 和電樞電流和電樞電流 之間的夾角之間的夾角 有關有關. . 勵磁磁勢和電樞磁勢的區(qū)別勵磁磁勢和電樞磁勢的區(qū)別 基波基波 波形波形 大小大小位置位置轉速轉速轉向轉向 勵磁磁動勵磁磁動 勢勢 正弦正弦 波波

10、恒定，由勵恒定，由勵 磁電流決定磁電流決定 由轉子位置由轉子位置 決定決定 由原動機的轉速由原動機的轉速 決定決定 由原動機由原動機 決定決定 電樞反應電樞反應 磁動勢磁動勢 正弦正弦 波波 恒定，由電恒定，由電 樞電流決定樞電流決定 由電流瞬時由電流瞬時 值決定值決定 由磁極對數和電由磁極對數和電 流頻率決定流頻率決定 由電流相由電流相 序決定序決定 第章同步電機 .3.1 時的電樞反應 d軸軸 q軸軸 U軸軸 U1U1U2U2 W2W2 V1V1 W1V2 NS W軸軸 V軸 電樞反應性質：電樞反應性質： 交軸電樞反應 空載電動勢空載電動勢 和和 電樞電流電樞電流 同同 相位相位. . 第

11、章同步電機 d軸軸 q軸軸 U軸軸 U1U1U2U2 W2W2 V1V1 W1V2 NS W軸軸 V軸 .3.2 時的電樞反應 空載電動勢空載電動勢 超超 前電樞電流前電樞電流 電樞反應性質：電樞反應性質： 直軸去磁電樞反應 第章同步電機 d軸軸 q軸軸 U軸軸 U1U1U2U2 W2W2 V1V1 W1V2 NS W軸軸 V軸 6.3.36.3.3 時的電樞反應時的電樞反應 空載電動勢空載電動勢 滯后滯后 電樞電流電樞電流 電樞反應性質：電樞反應性質： 直軸助磁電樞反應 第章同步電機 d軸軸 q軸軸 U軸軸 U1U1U2U2 W2W2 V1V1 W1V2 NS W軸軸 V軸 6.3.4 一般

12、情況下的電樞反應 空載電動勢空載電動勢 超前超前 電樞電流電樞電流 角角, , 電樞反應性質：電樞反應性質： 既有交軸,還有直軸 去磁電樞反應 第章同步電機 此種情況下此種情況下 -直軸分量直軸分量 -交軸分量交軸分量 -直軸分量直軸分量電流產生的合成磁動勢電流產生的合成磁動勢 -交軸分量交軸分量電流產生的合成磁動勢電流產生的合成磁動勢 第章同步電機 6.3.4 一般情況下的電樞反應（總結） 上升上升 下降下降 上升上升 下降下降 下降下降 下降下降 不變不變 不變不變 下降下降 R、C 增強增強交軸直交軸直 軸助磁軸助磁 d、q 軸 R、L 削弱削弱交軸直交軸直 軸去磁軸去磁 d、q 軸 C

13、 增強增強直軸直軸 助磁助磁 d軸 L 削弱削弱直軸直軸 去磁去磁 d軸 R 波形波形 畸變畸變 交軸交軸q軸 負載負載 性質性質 對電機的影響 電樞反 應性質 記作記作夾角夾角 位置位置 第章同步電機 6.3.5 電樞反應與機-電能量轉換 電樞反應是同步電機在負載運行時的重要物理現象，它不電樞反應是同步電機在負載運行時的重要物理現象，它不 僅是引起端電壓變化的主要原因，而且也是電機實現機僅是引起端電壓變化的主要原因，而且也是電機實現機-電能電能 量轉換的樞紐。量轉換的樞紐。 輸出的有功功率越大，有功分量電流就越輸出的有功功率越大，有功分量電流就越 大，交軸電樞反應越強，大，交軸電樞反應越強，

14、 越大，這就越大，這就 要求原動機輸入更大的驅動轉矩，維持電要求原動機輸入更大的驅動轉矩，維持電 機的轉速不變。機的轉速不變。 第章同步電機 說明發(fā)電機帶感性說明發(fā)電機帶感性( (或容性或容性) )無無 功負載時功負載時, ,不需要原動機增加能量不需要原動機增加能量. . 但是直軸去磁（或助磁）電樞反應對氣隙但是直軸去磁（或助磁）電樞反應對氣隙 磁場有去磁（或助磁）作用，致使電壓下降磁場有去磁（或助磁）作用，致使電壓下降 （或上升）。為維持電壓恒定所需的勵磁電流（或上升）。為維持電壓恒定所需的勵磁電流 也需要相應增加（或減小）。也需要相應增加（或減小）。 直軸電樞反應磁場與勵磁直軸電樞反應磁場

15、與勵磁 電流共同作用電流共同作用, ,在勵磁繞組上產在勵磁繞組上產 生電磁力生電磁力, ,但不能形成電磁轉矩但不能形成電磁轉矩. . 第章同步電機 一般情況下，發(fā)電機既帶有功負載，又帶感性無功負一般情況下，發(fā)電機既帶有功負載，又帶感性無功負 載，有功電流的變化影響發(fā)電機的轉速及頻率，無功電流載，有功電流的變化影響發(fā)電機的轉速及頻率，無功電流 的變化影響發(fā)電機的電壓。的變化影響發(fā)電機的電壓。 綜上所述，交軸電樞反應的存在是實現機綜上所述，交軸電樞反應的存在是實現機電能量轉電能量轉 換的關鍵。換的關鍵。 為了保持發(fā)電機的頻率和電壓的穩(wěn)定，必須隨負載變?yōu)榱吮３职l(fā)電機的頻率和電壓的穩(wěn)定，必須隨負載變

16、化及時調節(jié)發(fā)電機的輸入功率和勵磁電流。化及時調節(jié)發(fā)電機的輸入功率和勵磁電流。 第章同步電機 6.4.1 凸極同步發(fā)電機的電動勢方程和相量圖 .4 同步電機的負載運行 一、凸極同步發(fā)電機的電動勢方程 電磁關系：電磁關系： 不計磁路飽和時有下列關系不計磁路飽和時有下列關系 由于由于 且令且令 則電動勢平衡方程則電動勢平衡方程 -直軸同步電抗直軸同步電抗 -交軸同步電抗交軸同步電抗 分別表征在對稱負載下，單位直軸或分別表征在對稱負載下，單位直軸或 交軸三相電流產生的總電樞磁場在電交軸三相電流產生的總電樞磁場在電 樞每一相繞組中感應的電動勢。樞每一相繞組中感應的電動勢。 第章同步電機 二、凸極同步發(fā)電

17、機的相量圖 作圖步驟作圖步驟 第章同步電機 6.4.2隱極同步發(fā)電機的電動勢方程、相量圖和等效電路 一、電動勢方程 電磁關系：電磁關系： 不計磁路飽和時有下列關系不計磁路飽和時有下列關系 令令 電動勢平衡方程電動勢平衡方程 -同步電抗同步電抗 表征在對稱負載下，單位三相電流表征在對稱負載下，單位三相電流 產生的電樞總磁場在電樞每一相繞組中產生的電樞總磁場在電樞每一相繞組中 感應的電動勢。感應的電動勢。 第章同步電機 二、等效電路和相量圖 等效電路等效電路 相量圖相量圖 根據相量圖可求出根據相量圖可求出 第章同步電機 當忽略電樞回路電阻時得到的等效電路稱為當忽略電樞回路電阻時得到的等效電路稱為簡

18、化等簡化等 效電路效電路, ,對應的相量圖稱為對應的相量圖稱為簡化相量圖簡化相量圖 思 考 題 分別作出汽輪同步發(fā)電機帶分別作出汽輪同步發(fā)電機帶阻性阻性、 純感性純感性、純容性純容性、電感性電感性、電容性電容性負負 載時的簡化相量圖？并說明各種情況載時的簡化相量圖？并說明各種情況 下下電樞反應電樞反應的性質？的性質？ 第章同步電機 6.4.3 同步發(fā)電機特性 一、空載特性 定義定義： 空載特性是發(fā)電機的基本特性空載特性是發(fā)電機的基本特性 之一。它一方面表征了磁路的飽和之一。它一方面表征了磁路的飽和 情況，另一方面把它和短路特性、情況，另一方面把它和短路特性、 零功率因數負載特性配合，可確定零功

19、率因數負載特性配合，可確定 電機的基本參數、額定勵磁電流和電機的基本參數、額定勵磁電流和 電壓變化率等。電壓變化率等。 實際生產中，它還可以檢查三實際生產中，它還可以檢查三 相電樞繞組的對稱性、匝間短路、相電樞繞組的對稱性、匝間短路、 判斷勵磁繞組和定子鐵心有無故障判斷勵磁繞組和定子鐵心有無故障 等。等。 第章同步電機 二、短路特性 定義定義： 短路時的等效電路短路時的等效電路 短路特性曲線短路特性曲線 短路特性與短路特性與 空載特性配合可空載特性配合可 以求出電機的同以求出電機的同 步電抗。步電抗。 第章同步電機 三、外特性 定義定義： 外特性曲線外特性曲線 當發(fā)電機帶當發(fā)電機帶阻性阻性和和

20、感性負載感性負載時，時， 外特性是下降的，原因是電樞反應的外特性是下降的，原因是電樞反應的 去磁作用和電樞漏阻抗產生了電壓降去磁作用和電樞漏阻抗產生了電壓降. 帶帶容性容性負載時且（發(fā)電機負載的負載時且（發(fā)電機負載的 容抗大于同步電抗）時，外特性是上容抗大于同步電抗）時，外特性是上 升的，原因是電樞反應的助磁作用和升的，原因是電樞反應的助磁作用和 容性電流在漏抗上的壓降。容性電流在漏抗上的壓降。 第章同步電機 四、調節(jié)特性 定義定義： 調整特性曲線調整特性曲線 在在感性感性和和阻性阻性負載時，隨著負載電流負載時，隨著負載電流 的增加，必須增加勵磁電流，補償電樞反的增加，必須增加勵磁電流，補償電

21、樞反 應的去磁作用和漏阻抗壓降，保持端電壓應的去磁作用和漏阻抗壓降，保持端電壓 恒定；對恒定；對容性容性負載，隨著負載電流的增加，負載，隨著負載電流的增加， 必須減小勵磁電流。必須減小勵磁電流。 在功率因數一定情況下在功率因數一定情況下, ,根據調整特根據調整特 性曲線性曲線, ,可確定在負載變化范圍內可確定在負載變化范圍內, ,維持維持 電壓不變所需的勵磁電流的變化范圍。電壓不變所需的勵磁電流的變化范圍。 運行人員可利用調整特性曲線運行人員可利用調整特性曲線, ,使系統(tǒng)中使系統(tǒng)中 無功功率的分配更合理一些。無功功率的分配更合理一些。 第章同步電機 并聯運行的含義 .5 同步電機的并聯運行 1

22、 1、提高供電的可靠性；、提高供電的可靠性； 2 2、提高供電的經濟性；、提高供電的經濟性； 3 3、提高電能的質量。、提高電能的質量。 無窮大電網的含義 將兩臺或更多臺發(fā)電機分別接在電力系統(tǒng)對應母線上，或將兩臺或更多臺發(fā)電機分別接在電力系統(tǒng)對應母線上，或 通過變壓器、輸電線接在電力系統(tǒng)的公共母線上，共同向負荷通過變壓器、輸電線接在電力系統(tǒng)的公共母線上，共同向負荷 供電。供電。 并聯運行的優(yōu)點并列方法 1.1.準同期法準同期法 2.2.自同期法自同期法 第章同步電機 6.5.1 并聯運行的條件 一、準同期并列的條件 1.1.待并發(fā)電機的電壓與電網電壓大小相等；待并發(fā)電機的電壓與電網電壓大小相等

23、； 2.2.待并發(fā)電機電壓相位相同與電網電壓相位相同；待并發(fā)電機電壓相位相同與電網電壓相位相同； 3.3.待并發(fā)電機電壓頻率與電網電壓頻率相同；待并發(fā)電機電壓頻率與電網電壓頻率相同； 4.4.待并發(fā)電機的相序與電網的相序相同。待并發(fā)電機的相序與電網的相序相同。 上述條件（上述條件（4 4）一般在安裝發(fā)電機時，根據發(fā)電機的轉向確）一般在安裝發(fā)電機時，根據發(fā)電機的轉向確 定了發(fā)電機的相序而滿足，因此運行人員在并列時只需調節(jié)發(fā)定了發(fā)電機的相序而滿足，因此運行人員在并列時只需調節(jié)發(fā) 電機使其滿足其它三個條件即可。電機使其滿足其它三個條件即可。 不滿足任一條件的并列稱為非同期并列，將對電機產生嚴不滿足任

24、一條件的并列稱為非同期并列，將對電機產生嚴 重的危害。重的危害。 重點重點 內容內容 第章同步電機 1. 1. 電壓大小不等電壓大小不等 此時此時,ab,ab兩端有電位差兩端有電位差 在電位差的作用下發(fā)電機產生在電位差的作用下發(fā)電機產生 沖擊電流，即沖擊電流，即 沖擊電流為無功沖擊電流為無功 分量，不會加重原動分量，不會加重原動 機的負擔，但會在電機的負擔，但會在電 樞繞組中產生很大的樞繞組中產生很大的 沖擊力，使電樞繞組沖擊力，使電樞繞組 端部受沖擊力的作用端部受沖擊力的作用 而變形。而變形。 第章同步電機 2. 2. 相位不同相位不同 電位差可達發(fā)電機電位差可達發(fā)電機 電壓的兩倍，若此時并

25、電壓的兩倍，若此時并 列，會產生很大的沖擊列，會產生很大的沖擊 電流，發(fā)電機會因遭受電流，發(fā)電機會因遭受 巨大的沖擊力而損壞。巨大的沖擊力而損壞。 沖擊電流的影響：沖擊電流的影響：1)1)電樞繞組端電樞繞組端 部受部受力力變形變形; 2); 2)轉軸上受沖擊轉軸上受沖擊 轉矩轉矩的作用的作用, ,使機軸扭曲變形使機軸扭曲變形; ;) ) 電樞繞組電樞繞組發(fā)熱發(fā)熱. . 此時此時,ab,ab兩端有電位差兩端有電位差 第章同步電機 3. 3. 頻率不同頻率不同 轉軸上時而產生制動轉矩、時而產轉軸上時而產生制動轉矩、時而產 生驅動轉矩，結果是電機振動。生驅動轉矩，結果是電機振動。 拍振電流使電樞繞組

26、端拍振電流使電樞繞組端 部受力變形，使電樞繞部受力變形，使電樞繞 組發(fā)熱。組發(fā)熱。 第章同步電機 頻率差過大電機不能并列；頻率差較小時，靠頻率差過大電機不能并列；頻率差較小時，靠自整步 作用，可以把發(fā)電機拉入同步。作用，可以把發(fā)電機拉入同步。 第章同步電機 4. 4. 相序不同相序不同 發(fā)電機實際并列時，除了相序必須一致外，其它條件允發(fā)電機實際并列時，除了相序必須一致外，其它條件允 許有一定的偏差，如許有一定的偏差，如U U不超過不超過10%10%，相位差不超過，相位差不超過10%10%，頻率，頻率 偏差不超過偏差不超過0.2%0.5%0.2%0.5%（0.10.25Hz)0.10.25Hz)

27、。 二、自同期法 相序正確前提下，起動未加勵磁的發(fā)電機，當其轉速接近同相序正確前提下，起動未加勵磁的發(fā)電機，當其轉速接近同 步速時，合上同步開關，將發(fā)電機并網，然后加上發(fā)電機勵磁步速時，合上同步開關，將發(fā)電機并網，然后加上發(fā)電機勵磁 將發(fā)電機牽入同步。并網前，勵磁繞組需經限流電阻閉合。將發(fā)電機牽入同步。并網前，勵磁繞組需經限流電阻閉合。 第章同步電機 6.5.2 有功功角特性及有功功率調節(jié) .5 同步電機的并聯運行 一、功率和轉矩平衡 輸入輸入 功率功率P1 機械損機械損 耗耗pmec 附加損附加損 耗耗p pad ad 鐵損鐵損pFe 電磁功電磁功 率率Pem 定子銅損定子銅損 pcu1 輸

28、出功輸出功 率率P P2 2 第章同步電機 可得轉矩平衡方程為可得轉矩平衡方程為 或 上式說明，電機穩(wěn)定運行時，驅動性質的原動機轉矩與制上式說明，電機穩(wěn)定運行時，驅動性質的原動機轉矩與制 動性質的電磁轉矩和空載轉矩之和平衡。動性質的電磁轉矩和空載轉矩之和平衡。 第章同步電機 二、有功功率功角特性 定義定義： 并聯于無窮大電網的同步發(fā)電機，當電網電壓和頻率一定、并聯于無窮大電網的同步發(fā)電機，當電網電壓和頻率一定、 參數（參數（ ）為常數、空載電動勢）為常數、空載電動勢 不變（即不變（即 不變）時，不變）時， 為有功功率功角特性。為有功功率功角特性。 凸極發(fā)電機的有功功率功角特性凸極發(fā)電機的有功功

29、率功角特性 隱極發(fā)電機的有功功率功角特性隱極發(fā)電機的有功功率功角特性 第章同步電機 水輪發(fā)電機有功功水輪發(fā)電機有功功 率功角特性曲線率功角特性曲線 水輪發(fā)電機的有功水輪發(fā)電機的有功 功率功角特性分兩部分功率功角特性分兩部分: : 附加電磁功率的特點附加電磁功率的特點: : 第章同步電機 汽輪發(fā)電機的功角特汽輪發(fā)電機的功角特 性曲線性曲線 汽輪發(fā)電機的有功功汽輪發(fā)電機的有功功 率功角特性的特點率功角特性的特點: : 第章同步電機 1 1、是電動勢、是電動勢 和電壓和電壓 間的時間相位角間的時間相位角; ; 或稱是勵磁磁勢或稱是勵磁磁勢 和合成磁勢和合成磁勢 間的空間夾角。間的空間夾角。 2 2、

30、是感應電動勢、是感應電動勢 的主磁通和產生電壓的主磁通和產生電壓 的電樞等效假想的電樞等效假想 磁通之間的夾角。磁通之間的夾角。 功角功角 的雙重物理意義的雙重物理意義 第章同步電機 用圖示功角的雙重物理意義用圖示功角的雙重物理意義 第章同步電機 轉子因有原動機的驅動轉矩克服定子合成磁極的制 動轉矩而作功,實現機電能量轉換,將由原動機輸入的 機械能轉變?yōu)殡娔茌敵觥?可見，功角是研究同步發(fā)電機運行狀態(tài)的一個重要參數，可見，功角是研究同步發(fā)電機運行狀態(tài)的一個重要參數， 它不僅決定了發(fā)電機輸出有功功率的大小，而且還反映發(fā)電它不僅決定了發(fā)電機輸出有功功率的大小，而且還反映發(fā)電 機轉子的相對空間位置，通

31、過它把同步電機的電磁關系和機機轉子的相對空間位置，通過它把同步電機的電磁關系和機 械運動緊密聯系起來。械運動緊密聯系起來。 第章同步電機 發(fā)電機空載運行時，原動機輸入的功率用來平衡各種損耗，發(fā)電機空載運行時，原動機輸入的功率用來平衡各種損耗， 此時此時 ，定、轉子磁極軸線重合，它們之間只有徑向力而無，定、轉子磁極軸線重合，它們之間只有徑向力而無 切向力，所以切向力，所以 ，在功角特性的，在功角特性的0 0點上。點上。 可見，并聯于無窮大電網的同步發(fā)可見，并聯于無窮大電網的同步發(fā) 電機要調節(jié)有功功率輸出，只需調節(jié)原電機要調節(jié)有功功率輸出，只需調節(jié)原 動轉矩。在功率極限角范圍內，輸入轉動轉矩。在功

32、率極限角范圍內，輸入轉 矩越大，有功功率輸出就越大。矩越大，有功功率輸出就越大。 第章同步電機 四、靜態(tài)穩(wěn)定的概念 靜態(tài)穩(wěn)定：指并聯在電網上穩(wěn)定運行的同步發(fā)電機，當受電指并聯在電網上穩(wěn)定運行的同步發(fā)電機，當受電 網或原動機方面某些微小擾動時，能在這種干擾消失后，繼網或原動機方面某些微小擾動時，能在這種干擾消失后，繼 續(xù)保持原來穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。續(xù)保持原來穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。 在在a a點運行時電機具有靜態(tài)穩(wěn)定的能力。點運行時電機具有靜態(tài)穩(wěn)定的能力。 若干擾使功角若干擾使功角增大到增大到aa點，點， P Pem em和 和T Tem em 增大，迫使電機減速，功角增大，迫使電機減速，功角變小，

33、電機變小，電機 回到回到a a點。點。 干擾使功角干擾使功角減小時，有同樣結論。所以減小時，有同樣結論。所以 a a點稱為穩(wěn)定運行點。點稱為穩(wěn)定運行點。 而而b b點為不穩(wěn)定運行點，分析略。點為不穩(wěn)定運行點，分析略。 第章同步電機 靜態(tài)穩(wěn)定的判據：比整步功率(kW/rad) 對汽輪發(fā)電機，對汽輪發(fā)電機，比整步功率為比整步功率為 在電機穩(wěn)定區(qū)域內，在電機穩(wěn)定區(qū)域內， 越大，電機穩(wěn)定增越大，電機穩(wěn)定增 長性越好。長性越好。 第章同步電機 五、過載能力 汽輪發(fā)電機的過載能力汽輪發(fā)電機的過載能力 最大電磁功率與額定功率的比值稱為過載能力。最大電磁功率與額定功率的比值稱為過載能力。 過載能力越大，電機的

34、穩(wěn)定性越好。過載能力是表達靜態(tài)穩(wěn)過載能力越大，電機的穩(wěn)定性越好。過載能力是表達靜態(tài)穩(wěn) 定的能力，不是發(fā)電機可以過載的倍數。定的能力，不是發(fā)電機可以過載的倍數。 過載能力設計得在一點，是從提高稱定觀點考慮的，不是從過載能力設計得在一點，是從提高稱定觀點考慮的，不是從 發(fā)熱觀點考慮的。發(fā)熱觀點考慮的。 第章同步電機 6.5.3 無功功角特性及V形曲線 一、無功功率功角特性 并聯于無窮大電網的同步發(fā)電機當電網電壓和頻率恒定、參并聯于無窮大電網的同步發(fā)電機當電網電壓和頻率恒定、參 數（數（x xd d、x xq q、x xt t）為常數、空載電勢）為常數、空載電勢E E0 0不變（即不變（即 I If

35、 f 不變）時，不變）時， Q=f()Q=f()為無功功率功角特性為無功功率功角特性。 水輪發(fā)電機無功功率的功角特性水輪發(fā)電機無功功率的功角特性 汽輪發(fā)電機無功功率的功角特性汽輪發(fā)電機無功功率的功角特性 第章同步電機 汽輪發(fā)電機無功功率的功角特性曲線汽輪發(fā)電機無功功率的功角特性曲線 幾個特殊點幾個特殊點: : 第章同步電機 從能量守恒觀點看，并從能量守恒觀點看，并 網運行的同步發(fā)電機調節(jié)無網運行的同步發(fā)電機調節(jié)無 功功率，不需調節(jié)原動機來功功率，不需調節(jié)原動機來 的輸入功率，只需改變勵磁的輸入功率，只需改變勵磁 電流。電流。 調節(jié) 前， 增大 后 調節(jié)調節(jié) 不影響發(fā)電機的有功功率輸出不影響發(fā)電

36、機的有功功率輸出, ,但影響電機的穩(wěn)定性能。但影響電機的穩(wěn)定性能。 調節(jié)無功時不影響有功功率的輸出調節(jié)無功時不影響有功功率的輸出, ,但是調節(jié)有功時影響無功功但是調節(jié)有功時影響無功功 率輸出率輸出. . 第章同步電機 三、相量分析 1.1.正常勵磁正常勵磁 2.2.過勵磁過勵磁 3.3.欠勵磁欠勵磁 第章同步電機 四、V形曲線 并聯于無窮大電網的同步發(fā)電機，保持有功功率不變時，表并聯于無窮大電網的同步發(fā)電機，保持有功功率不變時，表 示電樞電流示電樞電流 和勵磁電流和勵磁電流 的關系曲線的關系曲線 稱為稱為“V V”形形 曲線。曲線。 發(fā)電機運行時，發(fā)電機運行時，定子電流定子電流和和勵磁電流勵磁

37、電流是運行人員主要監(jiān)視的是運行人員主要監(jiān)視的 兩個物理量，這兩個量關系到定子繞組和勵磁繞組的溫度，又兩個物理量，這兩個量關系到定子繞組和勵磁繞組的溫度，又 牽涉到功率因數的超前或滯后以及運行的穩(wěn)定性問題。牽涉到功率因數的超前或滯后以及運行的穩(wěn)定性問題。 對于一個給定的有功功率輸出就有一條對于一個給定的有功功率輸出就有一條V V形曲線，有功功率形曲線，有功功率 越大，曲線向上移，因此可是以得到一簇越大，曲線向上移，因此可是以得到一簇“V V”形曲線。形曲線。 第章同步電機 第章同步電機 V形曲線的特點 2.2.不穩(wěn)定區(qū)域邊緣：不穩(wěn)定區(qū)域邊緣：=90=900 0，連線向右傾斜連線向右傾斜; ; 1

38、.1.每條曲線的最低點每條曲線的最低點, , ,定子電流最小定子電流最小, ,且全為有功電流且全為有功電流， 這些點的這些點的連線向右傾斜；連線向右傾斜； 3.3.每條曲線上的電流變化量每條曲線上的電流變化量I I 為無功分量為無功分量; ; 4.4.勵磁電流從零開始增大時，定子電樞電流變化規(guī)律為先減小勵磁電流從零開始增大時，定子電樞電流變化規(guī)律為先減小 后增大。后增大。 表明要輸出純有功功率，必須相應增加一些勵磁電流。表明要輸出純有功功率，必須相應增加一些勵磁電流。 表明輸出有功功率越多，維持穩(wěn)定所需的勵磁電流也越大。 第章同步電機 6.6.1 同步電動機 .6 同步電動機和同步調相機 一、

39、同步電機的可逆原理 同步電機運行于發(fā)電同步電機運行于發(fā)電 機狀態(tài)時，如圖所示。機狀態(tài)時，如圖所示。 轉子磁極軸線超前定子轉子磁極軸線超前定子 合成磁極軸線，合成磁極軸線，00，電機，電機 把機械能轉變成電能。把機械能轉變成電能。 同步電機的運行是可逆同步電機的運行是可逆 的，既可以用作發(fā)電機，還的，既可以用作發(fā)電機，還 可以用作電動機?？梢杂米麟妱訖C。 第章同步電機 逐步減少發(fā)電機的逐步減少發(fā)電機的 輸入功率，轉子將瞬時輸入功率，轉子將瞬時 減速，減速，角減小，相應角減小，相應 的電磁功率也減少。的電磁功率也減少。 當發(fā)電機的輸入功率當發(fā)電機的輸入功率 只能滿足空載損耗時，發(fā)只能滿足空載損耗時

40、，發(fā) 電機處于空載運行狀態(tài)。電機處于空載運行狀態(tài)。 第章同步電機 繼續(xù)減少發(fā)電機的輸入功率，繼續(xù)減少發(fā)電機的輸入功率， 則則和和 P Pem em變?yōu)樨撝?變?yōu)樨撝?。卸動原動機，卸動原動機， 電機從電網吸收功率滿足空載損耗，電機從電網吸收功率滿足空載損耗， 成為空轉的電動機。成為空轉的電動機。 電機軸上加上機械負載，電機軸上加上機械負載，負負 值的值的增大增大，由電網向電機輸入，由電網向電機輸入 的電功率和相應的電磁功率增大，的電功率和相應的電磁功率增大， 轉子磁極軸線落后定子合成磁極轉子磁極軸線落后定子合成磁極 軸線，轉子受到驅動性質的電磁軸線，轉子受到驅動性質的電磁 轉矩作用。轉矩作用。 第章同步電機 二、同步電動機的基本方程 按照發(fā)電機慣例，同步電動機可以看成是一臺輸出負的有