同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析

第六章同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析主要內(nèi)容：同步電機(jī)運(yùn)行的基本方程式，運(yùn)行特性，并聯(lián)運(yùn)行，同步電動(dòng)機(jī)和同步補(bǔ)償機(jī)及同步發(fā)電機(jī)的不對(duì)稱運(yùn)行。

發(fā)電機(jī)：將機(jī)械能變?yōu)殡娔?，是主要用途。按運(yùn)行方式分電動(dòng)機(jī)：將電能變?yōu)闄C(jī)械能。用于不需調(diào)速的大功率機(jī)械。補(bǔ)償機(jī)：用來調(diào)節(jié)電網(wǎng)無功功率改善功率因數(shù)。

汽輪發(fā)電機(jī)：高速同步發(fā)電機(jī)，隱極式。(火電）按原動(dòng)機(jī)類別分水輪發(fā)電機(jī)：低速同步發(fā)電機(jī)，凸極式。（水電）柴油(汽油)發(fā)電機(jī)：低速同步發(fā)電機(jī)，凸極式。（機(jī)車、船舶，油田）

旋轉(zhuǎn)電樞式：用于小容量電機(jī)。按結(jié)構(gòu)方式分旋轉(zhuǎn)磁極式：用于大容量電機(jī)，電刷和集電環(huán)負(fù)荷大為減輕，廣泛采用。

同步電機(jī)為雙邊激磁的電機(jī)。定子邊用交流勵(lì)磁，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場；轉(zhuǎn)子用直流勵(lì)磁，產(chǎn)生恒定磁場。定，轉(zhuǎn)子磁場以磁拉力同步旋轉(zhuǎn)。

對(duì)旋轉(zhuǎn)磁極式按轉(zhuǎn)子主極的形狀同步電機(jī)又可分為隱極式和凸極式兩種基本型式一、基本結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)電樞式（反裝）：三相交流繞組旋轉(zhuǎn)，磁極靜止。三相交流電由滑環(huán)、電刷引出。

旋轉(zhuǎn)磁極式：三相交流繞組靜止，磁極旋轉(zhuǎn)

隱極凸極分：從轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度和妥善地固定勵(lì)磁繞組考慮，對(duì)高速電機(jī)采用隱極式，對(duì)低速電機(jī)采用制造簡單的凸極式。大型發(fā)電機(jī)通常用汽輪機(jī)和水輪機(jī)作為原動(dòng)機(jī)來拖動(dòng)。由于汽輪機(jī)是一種高速原動(dòng)機(jī)，一般采用隱極式而水輪機(jī)是一種低速原動(dòng)機(jī)，一般采用凸極式。6.1同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)1、隱極式同步電機(jī)同步速為3000r/min

提高運(yùn)行速度可提高汽輪機(jī)的運(yùn)行效率，減小機(jī)組尺寸和造價(jià)。由于轉(zhuǎn)速高，所以直徑較小，轉(zhuǎn)子本體長度L和直徑D的比L/D=2—6。容量越大，比值越大，汽輪發(fā)電機(jī)均為臥式結(jié)構(gòu)。定子

轉(zhuǎn)子

定子主要由鐵芯、繞組、機(jī)座組成。鐵心每疊厚約3—6cm，疊與疊之間留有0.8—1cm的通風(fēng)槽，整個(gè)鐵芯由非磁性壓板壓緊，固定在定子機(jī)座上。

轉(zhuǎn)子是汽輪發(fā)電機(jī)關(guān)鍵部分，從機(jī)械應(yīng)力和發(fā)熱看是汽輪發(fā)電機(jī)最吃緊的部件。它即是電機(jī)磁路的主要組成部分，又高速旋轉(zhuǎn)而承受很大的機(jī)械應(yīng)力，材料即要求有好的導(dǎo)磁性能，又需要有很高的機(jī)械強(qiáng)度。所以轉(zhuǎn)子一般用整塊的具有良好導(dǎo)磁性的高強(qiáng)度合金鋼鍛成，轉(zhuǎn)子表面約2/3部分銑有凹槽。用以嵌放勵(lì)磁繞組，不開槽部分形成一大齒,齒的中心線即為轉(zhuǎn)子主極中心線。槽內(nèi)插有非磁性金屬槽楔，端口套有高強(qiáng)度非磁性鋼鍛成的護(hù)環(huán)。護(hù)環(huán)的作用是保證繞組端口不會(huì)因離心力甩動(dòng)而損壞。2、凸極同步電機(jī)

分臥式和立式兩種結(jié)構(gòu)

凸極同步電機(jī)與隱極同步電機(jī)定子結(jié)構(gòu)基本相同，所不同的是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，它由磁極鐵芯、勵(lì)磁繞組、阻尼繞組等部件組成。大型水輪發(fā)電機(jī)通常都是立式結(jié)構(gòu)，凸極式特點(diǎn)是短粗，D/L=5—7

立式分懸式和傘式兩種，懸式是把推力軸承裝在轉(zhuǎn)子上邊的機(jī)架上，整個(gè)轉(zhuǎn)子是處于一種懸吊著的狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)。傘式是把推力軸承放在下邊的機(jī)架上，整個(gè)轉(zhuǎn)子是處于一種被支托著的狀態(tài)中轉(zhuǎn)動(dòng)。傘式懸式懸式水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)械穩(wěn)定性好，但機(jī)組的軸向高度高。傘式的水輪發(fā)電機(jī)機(jī)械穩(wěn)定性差，但由于推力軸承放在下機(jī)架上，軸向高度低，通常高速采用懸式，低速采用傘式。水輪發(fā)電機(jī)因直徑大，軸向長度短，其冷卻問題相對(duì)來說比較容易解決大型汽輪機(jī)發(fā)熱問題比較嚴(yán)重，為了提高冷卻效率，大型汽輪發(fā)電機(jī)，不用空氣冷卻而改用水和氫氣冷卻。氫導(dǎo)熱率較空氣大7.4倍冷卻效果好。大型汽輪發(fā)電機(jī)用水來直接冷卻導(dǎo)線內(nèi)部，稱為水內(nèi)冷。導(dǎo)線做成空心的，用潔凈的冷水通入導(dǎo)線的內(nèi)孔來冷卻，因此是較為理想的冷卻介質(zhì)。1956年英國試制成第一臺(tái)定子線圈水內(nèi)冷的汽輪發(fā)電機(jī)。1958年我國研制成第一臺(tái)定.轉(zhuǎn)子線圈都采用水內(nèi)冷的12000千瓦雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)。目前世界各主要工業(yè)國也相繼將超導(dǎo)技術(shù)用于同步電機(jī)。我國于1976年研制成功一臺(tái)400千瓦超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)。由于超導(dǎo)電機(jī)的繞組在超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)電阻完全消失，從而徹底上解決了巨型電機(jī)繞組的發(fā)熱溫升問題。上電廠產(chǎn)660WM汽輪發(fā)電機(jī)采用水氫氫冷卻方式，即定子繞組采用水冷，轉(zhuǎn)子繞組為氫內(nèi)冷，定子鐵芯及結(jié)構(gòu)部件為氫冷，定子機(jī)座采用優(yōu)質(zhì)鋼板裝焊而成，所以有焊縫均為氣密焊縫，氫冷卻器設(shè)置在汽機(jī)上端。

汽輪發(fā)電機(jī)組側(cè)視圖1—X、Y、Z引出線；2—電流互感器；3—A、B、C引出線；4—自并勵(lì)副勵(lì)磁機(jī)；5—主勵(lì)磁機(jī)；6—?jiǎng)?lì)磁機(jī)軸承；7—出線盒；8—?dú)怏w冷卻器；9—碳刷架隔音罩；10—端蓋；11—機(jī)殼；12—測溫引線盒二、同步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)由轉(zhuǎn)子磁場與合成磁場的相對(duì)位置決定

同步電機(jī)有三種運(yùn)行狀態(tài)：發(fā)電機(jī)，電動(dòng)機(jī)，補(bǔ)償機(jī)。分析表明，同步電機(jī)運(yùn)行于哪一種狀態(tài)取決于定，轉(zhuǎn)子磁場的相對(duì)位置，即定子合成磁場與轉(zhuǎn)子主極磁場之間的夾角δ（功率角）。

1、發(fā)電機(jī)若轉(zhuǎn)子磁場超前于定子合成磁場δ>0，則此時(shí)轉(zhuǎn)子將受到一個(gè)與其旋轉(zhuǎn)方向相反的制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。為使轉(zhuǎn)子能以同步速旋轉(zhuǎn)，必須從軸上輸入機(jī)械功率電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。主極SNoTensδ

NSo主極2、補(bǔ)償機(jī)當(dāng)δ=0，Te=0此時(shí)電機(jī)內(nèi)沒有有功功率的轉(zhuǎn)換電機(jī)處于補(bǔ)償機(jī)狀態(tài)，或空載狀態(tài)。NoSnsTe=0NSo3、電動(dòng)機(jī)δNSoSNonsTe當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場滯后定子磁場，δ<0，則此時(shí)轉(zhuǎn)子上受到一個(gè)與轉(zhuǎn)向相同的拖動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩。此時(shí)定子從電網(wǎng)吸收電功率，轉(zhuǎn)子可拖動(dòng)負(fù)載而輸出機(jī)械功率，電機(jī)做為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。三、同步電機(jī)的勵(lì)磁方式

供給同步電機(jī)勵(lì)磁的裝置，稱為勵(lì)磁系統(tǒng)。獲得勵(lì)磁電流的方式稱為勵(lì)磁方式。為保證同步電機(jī)的正常運(yùn)行，勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：（1）能穩(wěn)定地提供同步電機(jī)從空載到滿載到過載所需的勵(lì)磁電流（2）當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障使電網(wǎng)電壓降低時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)能快速強(qiáng)行勵(lì)磁以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；（3）當(dāng)同步機(jī)內(nèi)部發(fā)生短路故障時(shí)，應(yīng)能快速滅磁。勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)同步電動(dòng)機(jī)的性能有重要影響。目前采用的勵(lì)磁系統(tǒng)可分為兩類：

1、直流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)

2、交流整流勵(lì)磁系統(tǒng)1、直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁直流勵(lì)磁機(jī)與同步發(fā)電機(jī)同軸并采用并勵(lì)接法。Rt接到自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，自動(dòng)調(diào)節(jié)IfK的作用是強(qiáng)行勵(lì)磁，（K閉合，切除Rt，使勵(lì)磁機(jī)輸出電壓大大提高）。同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)有時(shí)為了提高勵(lì)磁系統(tǒng)的響應(yīng)速度，直流勵(lì)磁機(jī)本身的勵(lì)磁電流If采用它勵(lì)式，由同軸的副勵(lì)磁機(jī)供給，但由于多了一臺(tái)副勵(lì)磁機(jī)，使設(shè)備復(fù)雜，降低了運(yùn)行的可靠性。直流發(fā)電機(jī)與同步發(fā)電機(jī)同軸并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)（副勵(lì)磁機(jī)）+他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)（主勵(lì)磁機(jī)）采用直流勵(lì)磁機(jī)主要問題是高速、大容量勵(lì)磁機(jī)換向困難。目前一般容量汽輪機(jī)和低速水輪機(jī)中大部分采用直流勵(lì)磁機(jī)。帶勵(lì)磁機(jī)的同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)2、靜止整流器勵(lì)磁(交流整流勵(lì)磁系統(tǒng)）

分:自勵(lì)式和他勵(lì)式

（1）他勵(lì)式

他勵(lì)式由交流主勵(lì)磁機(jī)，交流副勵(lì)磁機(jī)，硅整流裝置和電壓調(diào)整器組成。主勵(lì)磁機(jī)是一臺(tái)與同步發(fā)電機(jī)同軸連接的三相同步發(fā)電機(jī)（頻率通常為100赫茲）。主勵(lì)磁機(jī)交流輸出經(jīng)整流后，由集電環(huán)裝置接到主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組，以供給直流勵(lì)磁。主勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流由交流副勵(lì)磁機(jī)提供。交流副勵(lì)磁機(jī)是一臺(tái)與主發(fā)電機(jī)同軸連接的中頻（一般為400赫）三相同步發(fā)電機(jī)。副勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁可采用永磁式，也可采用勵(lì)磁式。自動(dòng)電壓調(diào)整器是由電壓互感器和電流互感器分別測得電壓和電流的變化，（即根據(jù)主發(fā)電機(jī)端電壓的偏差）通過自動(dòng)電壓調(diào)整器進(jìn)行比較后，對(duì)交流主勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的自動(dòng)調(diào)節(jié)。由于這種勵(lì)磁系統(tǒng)沒有直流勵(lì)磁機(jī)，不存在換向火花問題。因此運(yùn)行維護(hù)方便，技術(shù)性能好，使勵(lì)磁容量得以提高，用于大容量汽輪發(fā)電機(jī)。（2）自勵(lì)式

自勵(lì)式無旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁機(jī)，當(dāng)空載時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁由輸出的交流電壓經(jīng)半控整流后供給。負(fù)載后勵(lì)磁除由半控橋提供外，還由可控整流裝置供給，它可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)隨負(fù)載而變化得電壓進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。自動(dòng)電壓調(diào)整器與他勵(lì)式作用相同。該系統(tǒng)便于維護(hù)應(yīng)用在中小型同步發(fā)電機(jī)中自勵(lì)式靜止整流器勵(lì)磁系統(tǒng)3、旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁

副勵(lì)磁機(jī)→主勵(lì)磁機(jī)→主發(fā)電機(jī)無刷，適合大容量發(fā)電機(jī)。（旋轉(zhuǎn)磁極式）（旋轉(zhuǎn)電樞式）（旋轉(zhuǎn)磁極式）目前我國新裝發(fā)電機(jī)容量一般為30萬kW、60萬kW、90萬kW。單機(jī)容量大，電機(jī)

η↑

靜止的交流整流勵(lì)磁系統(tǒng)，雖然去掉了直流勵(lì)磁機(jī)的換向器，解決了換向火花問題，但還存在集電環(huán)和電刷，實(shí)踐表明，當(dāng)勵(lì)磁電流超過2000A的時(shí)候，可引起集電環(huán)的嚴(yán)重過熱。為了解決這個(gè)問題，研制出一種取消集電環(huán)的旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁系統(tǒng)。

因交流主勵(lì)磁機(jī)的電樞、硅整流裝置、主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組均裝在同一旋轉(zhuǎn)體上。所以無需集電環(huán)和電刷裝置。所以這種系統(tǒng)稱為無刷勵(lì)磁系統(tǒng)或無觸點(diǎn)勵(lì)磁系統(tǒng)。交流主勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁，由同軸的交流副勵(lì)磁機(jī)經(jīng)靜止的晶閘管整流后供給。電壓調(diào)整器的作用同上。旋轉(zhuǎn)整流勵(lì)磁系統(tǒng)四、額定值

額定電壓

UN

單位為KV額定電流

IN

單位為A,KA額定功率因數(shù)

額定頻率

fN

單位為Hz額定轉(zhuǎn)速

nN單位為r/min額定溫升

θN

額定勵(lì)磁電流和電壓

IfN

、UfN

額定容量注：6.2空載和負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的磁場本節(jié)主要研究空載和負(fù)載時(shí)發(fā)電機(jī)的磁場及電樞反應(yīng)一、空載運(yùn)行

將發(fā)電機(jī)用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，使轉(zhuǎn)子達(dá)到同步速ns=60f/P，勵(lì)磁繞組通入直流勵(lì)磁電流，電樞繞組開路時(shí)的情況ns,If,I=0,稱為空載運(yùn)行Ff

：主極磁勢（勵(lì)磁磁勢）E0：激磁電動(dòng)勢，定子以ns的速度切割Φ0

而感應(yīng)出頻率為f的一組對(duì)稱三相電勢。同步電機(jī)的空載磁路（2p=4)空載特性

ns=cE0=f(If)

Ff

∝IfE0

∝

Φ0

電機(jī)的磁化曲線Φ0=f(Ff)即為空載特性曲線

改變If，即可得到不同的Φ0

以及E0，E0=f(If),即為空載特性曲線，即電機(jī)的磁化曲線。空載特性曲線反應(yīng)了電機(jī)的磁路特性，在負(fù)載時(shí)已知總磁勢，由該曲線求取氣隙磁場在電樞繞組中感應(yīng)的電勢。

同步電機(jī)的空載特性及氣隙線

空載時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的氣隙中只有一個(gè)同步旋轉(zhuǎn)的主磁場Ff（Φ0），負(fù)載后，電樞繞組中有對(duì)稱三相電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場稱為電樞磁場Fa。因此負(fù)載后同步電機(jī)氣隙同時(shí)存在兩個(gè)磁勢。若僅考慮基波，則這兩個(gè)磁勢以相同的轉(zhuǎn)速相同的轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)。二、對(duì)稱負(fù)載運(yùn)行接三相對(duì)稱負(fù)載

三、電樞反應(yīng)

電樞基波磁動(dòng)勢對(duì)氣隙基波磁場的影響稱為電樞反應(yīng)反應(yīng)電樞反應(yīng)的性質(zhì)（增磁、去磁或交磁）取決于兩個(gè)磁勢Ff和Fa

在空間的相對(duì)位置電樞反應(yīng)的結(jié)果：

1、使氣隙磁場產(chǎn)生畸變；

2、增磁、去磁或交磁作用。由于E0滯后Φ0（即滯后Ff）900。而I與Fa相位相同。所以研究Ff和Fa

的相對(duì)位置，可歸納為研究I與E0的相位差稱為內(nèi)功率因數(shù)角，電樞反應(yīng)的性質(zhì)取決于。即負(fù)載的性質(zhì)。1.Ψo=00時(shí)(電樞電流I與激磁電動(dòng)勢E0同相）

下面根據(jù)不同的角，分幾種情況分析電樞反應(yīng)的性質(zhì)。A相電勢最大A相電流最大三相旋轉(zhuǎn)磁勢的幅值在A相繞組軸線上空間矢量圖時(shí)間相量圖時(shí)同步電機(jī)的電樞反應(yīng)

時(shí)-空統(tǒng)一矢量圖氣隙合成磁場與主磁場的相對(duì)位置產(chǎn)生交軸電樞反應(yīng)，使氣隙磁場的空間相位改變，轉(zhuǎn)子磁極受到轉(zhuǎn)矩作用，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。時(shí)空矢量圖

忽略鐵耗時(shí)，

三相旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)磁勢的幅值總是與電流為最大值的一相繞組軸線重合

由于出現(xiàn)交軸電樞反應(yīng)，使氣隙合成磁場B與主磁場B0之間形成一定的空間相差角，從而產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩。對(duì)于同步發(fā)電機(jī)，=0時(shí)，Bo超前Bδ角，主極上受到一制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩,所以交軸電樞磁動(dòng)勢與電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生及能量轉(zhuǎn)換直接相關(guān),以后將證明同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與sinδ成正比.

交軸磁動(dòng)勢所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)為交軸電樞反應(yīng)2.Ψo=±900

時(shí)

Ψo=900產(chǎn)生直軸電樞反應(yīng)，使氣隙磁場減弱，去磁。

Ψo=-900

產(chǎn)生直軸電樞反應(yīng)助磁，使氣隙磁場增強(qiáng)，增磁。只有直軸電樞反應(yīng)時(shí)，氣隙磁場的空間相位不變，轉(zhuǎn)子不受轉(zhuǎn)矩的作用。

3.

0＜Ψo＜900時(shí)

í滯后于è0時(shí)的空間矢量圖í滯后時(shí)è0的時(shí)-空矢量圖í超前è0時(shí)的時(shí)-空矢量圖結(jié)論：（對(duì)于同步發(fā)電機(jī)）若I滯后Eo，則直軸電樞反應(yīng)是去磁的。若I超前Eo，則直軸電樞反應(yīng)是增磁的。電機(jī)單機(jī)運(yùn)行時(shí)直軸電樞反應(yīng)將直接影響端電壓的大小并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)直軸電樞反應(yīng)影響電機(jī)輸出的無功功率。（若轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁不足，為維持氣隙磁場為一定值，則同步電機(jī)將向電網(wǎng)輸出一超前于Eo的交流容性電流，使直軸電樞反應(yīng)為增磁，以補(bǔ)償轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁的不足。反之，若轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁過大，則同步機(jī)將向電網(wǎng)輸出一定的感性電流，直軸電樞反應(yīng)為去磁。

）直軸電樞反應(yīng)對(duì)同步電機(jī)的運(yùn)行性能影響很大

負(fù)載時(shí)隱極同步發(fā)電機(jī)內(nèi)的磁場分布圖復(fù)習(xí)

作業(yè)：

6-4

6.3隱極同步發(fā)電機(jī)電壓方程、相量圖、等效電路一、磁路不飽和時(shí)

線性系統(tǒng)，可使用迭加原理進(jìn)行分析

轉(zhuǎn)子

定子

本節(jié)研究隱極同步發(fā)電機(jī)電壓平衡方程式，相量圖和等效電路。（分不飽和及飽和兩種情況來分析）

1、電壓方程式

同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電磁過程如下：

E0：激磁電勢Ea：電樞反應(yīng)電勢E：合成電勢不計(jì)飽和時(shí)

同步電抗表征對(duì)稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電樞反應(yīng)和電樞漏磁兩個(gè)效應(yīng)的一個(gè)綜合參數(shù)，不計(jì)飽和時(shí),Xs為一常數(shù)。

2、相量圖相量圖如圖所示。

已知

ù、í、COS

及電機(jī)參數(shù)，畫相量圖。步驟如下：

隱極同步發(fā)電機(jī)的相量圖ù

í

íRa

jíXσ

jí

Xa?o?

?a

?

?o90

?a

E0、Ea、E對(duì)應(yīng)Φ0、Φa、Φ，且滯后對(duì)應(yīng)的磁通90°不計(jì)飽和時(shí)，將勵(lì)磁磁通與電樞反應(yīng)磁通疊加（矢量相加），即可得負(fù)載時(shí)氣隙中的基波磁通過激，直軸電樞反應(yīng)為去磁

ùííRajíXs?oδΨo隱極同步發(fā)電機(jī)的相量圖3、等效電路

等效電路如圖所示。其中：

隱極同步發(fā)電機(jī)等效電路4、同步電抗

a)反映了?a和?σ的作用

b)磁路不飽和時(shí)為常數(shù)c)二、考慮磁路飽和時(shí)

E=f(F)就是電機(jī)的空載特性1、電壓方程和磁勢方程式

非線性，迭加原理不適用。首先求出作用在主磁路上的合成磁勢F，然后利用電機(jī)的磁化曲線（空載特性曲線）求出及相應(yīng)的E

2、電壓相量圖和磁勢矢量圖

ù

íφ

íRa

jíX

σ

?

FFfkaFa考慮磁飽和時(shí)隱極同步發(fā)電機(jī)磁動(dòng)勢的矢量圖和電動(dòng)勢的相量圖3、電樞磁勢換算系數(shù)是ka

對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)，ka=0.93~1.03，主要取決于大齒的寬度。

對(duì)隱極電機(jī)，勵(lì)磁磁動(dòng)勢為一梯形波*考慮飽和特性的另一方法是根據(jù)運(yùn)行點(diǎn)的飽和程度，找出相應(yīng)的xs(飽和)。即把空載特性在工作點(diǎn)線性化。6.4凸極同步發(fā)電機(jī)的基本電磁關(guān)系特點(diǎn)：氣隙不均勻

Fa

產(chǎn)生的?a不但與Fa

有關(guān)，還與Ψo有關(guān)，解決的辦法：采用雙反應(yīng)理論進(jìn)行分析。一.雙反應(yīng)理論

本節(jié)討論凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖和等效電路。由于凸極電機(jī)極靴部分氣隙小，兩極之間部分氣隙大，所以電樞圓周上的磁導(dǎo)各不相同。λ的變化與主極軸線對(duì)稱，并以1800電角度為一周期。因此可用僅含偶次諧波的余弦級(jí)數(shù)表示同樣大小的電樞磁勢作用在直軸和交軸上時(shí)，所產(chǎn)生的磁場將有明顯差別單位面積的氣隙磁導(dǎo)當(dāng)正弦分布的電樞磁勢作用于直軸上時(shí)，

當(dāng)電樞磁勢作用于交軸上時(shí)，

Bad1大于Baq1，在一般情況下，當(dāng)電樞磁勢作用在空間任意位置時(shí)，將電樞磁勢分解為直軸和交軸兩個(gè)分量，直軸磁導(dǎo)和交軸磁導(dǎo)分別考慮直軸和交軸電樞磁勢所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)。最后再把他們疊加起來，這種考慮直、交軸氣隙磁阻不同，把電樞反應(yīng)分為直軸和交軸電樞反應(yīng)的處理方法稱為雙反應(yīng)理論電樞磁動(dòng)勢分成直軸和交軸磁動(dòng)勢電樞磁勢換算系數(shù)直軸電樞磁動(dòng)勢Fad換算到勵(lì)磁磁動(dòng)勢時(shí)應(yīng)乘以直軸換算系數(shù)Kad，交軸電樞磁動(dòng)勢Faq應(yīng)乘以交軸換算系數(shù)Kaq

二、電壓方程和相量圖

（磁路不飽和時(shí)）

不計(jì)飽和時(shí)，可利用雙反應(yīng)理論和疊加原理，即主極磁場，直軸電樞反應(yīng)磁場和交軸電樞反應(yīng)磁場各自在定子繞組中感應(yīng)電勢，這些電勢的總和為一相繞組的合成電動(dòng)勢（即氣隙電動(dòng)勢）

已知ù、í、COSφ及電機(jī)參數(shù)，先假定ψ0，畫相量圖步驟如下：凸極同步發(fā)電機(jī)的相量圖?o

í

íd

Ψo

íq

δ

íRa

jíqXq

jíd

Xdèo

ù

φ

當(dāng)U、I、cosФ已知（若Ra,、Xd,、Xq已知）可計(jì)算出ψ0

凸極同步發(fā)電機(jī)的等效電路ù

í

íRa

jíXq

èQ

Ψo

íq

íd

jíd(Xd-Xq)

èo

Ψo

角的確定磁路飽和也可取

xd(飽和值)來考慮。

Xad（飽和）=Xad（未飽和）/KsXd（飽和）=Xad（飽和）+XσXq是未飽和值，為一常數(shù)?？紤]飽和影響時(shí)，僅直軸磁路受飽和影響，而交軸磁路認(rèn)為不飽和（因氣隙較大），所以對(duì)應(yīng)飽和磁路，可應(yīng)用雙反應(yīng)理論分別求出直軸和交軸上的合成磁勢。再用磁化曲線來計(jì)及直軸磁路飽和的影響。另一種考慮飽和效應(yīng)的方法是，采用適當(dāng)?shù)娘柡蛥?shù)來計(jì)算飽和的影響。三、直軸和交軸同步電抗

xd>xq

隱極同步電機(jī)

xd=xq=xs直軸電樞磁導(dǎo)交軸電樞磁導(dǎo)例6-1xd*=1.0xq*=0.6Ra*=0U*=1I*=1cos

=0.8求：E0*（1）

E0*

=U*cos

+Id*xd*

=1×cos19.44+0.8321×1.0=1.755

解：(3)(4)EQE0UI6.5同步發(fā)電機(jī)的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程

ns

→

If

→B0

→

pFe

鐵心損耗

（轉(zhuǎn)子鐵心中磁場恒定無鐵耗）

一、功率方程

機(jī)械能

損耗

電能

同步發(fā)電機(jī)是將軸上輸入的機(jī)械功率，通過電磁感應(yīng)作用轉(zhuǎn)換成輸出電功率m：定子相數(shù)。U、I：定子每相電壓和電流二.轉(zhuǎn)矩方程

P1－(pΩ+pFe)=Pe

→T1－T0=Te

三.電磁功率及能量轉(zhuǎn)換Pe=P2+Pcua=mUIcosφ+mI2Ra=mI(Ucosφ+IRa)=mIEcosΨ

=mIEQcosΨ0

=mEQ

Iq

隱極同步發(fā)電機(jī)中

，EQ=E0

Iq

為電樞電流的有功分量，Iq

決定了δ（功率角）的大小。

前已分析，當(dāng)負(fù)載后，出現(xiàn)電樞反應(yīng)，交軸電樞反應(yīng)產(chǎn)生氣隙磁場與主極磁場之間的相角差，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩在發(fā)電機(jī)中，氣隙磁場超前于氣隙合成磁場。在旋轉(zhuǎn)過程中原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩克服制動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩，并通過電樞繞組內(nèi)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)電勢向電網(wǎng)送出有功電流，使機(jī)械能變電能功率角δ（Eo與U之間的夾角）隨Iq的增加而增大，后將證明δ越大，電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩越大。所以交軸電樞反應(yīng)對(duì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換具有重要的意義。一、用空載特性和短路特性確定Xd1．空載特性空載特性由空載實(shí)驗(yàn)測出，試驗(yàn)時(shí)，電樞開路，用原動(dòng)機(jī)把被試同步電機(jī)拖動(dòng)到同步速，改變If，測取電樞端電壓Uo,直到Uo=1.25UN

，得到特性曲線。

6.6同步電機(jī)參數(shù)的測定

為了定量進(jìn)行計(jì)算，除了需要知道電機(jī)的工況外（端電壓，電流功率因數(shù)），還應(yīng)知道同步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)。下面說明同步電抗，電樞漏抗和電樞反應(yīng)等效磁動(dòng)勢的實(shí)驗(yàn)確定法。2．短路特性因空載時(shí)U0=E0

短路特性是一條直線短路時(shí)，端電壓U=0，短路電流僅受電機(jī)本身阻抗的限制。通常電樞電阻遠(yuǎn)小于同步電抗，因此可以認(rèn)為短路電流是純感性的，即0=90o；于是?q=0，?=?d，而I*=1時(shí)，E*=0.15左右，磁路不飽和，因電樞反應(yīng)為純?nèi)ゴ拧?/p>

即短路特性是一條直線E0∝If3.Xd

的不飽和值4.Xd

的飽和值

飽和程度由F或E決定

電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)

Xd不飽和值確定二.短路比kc

UN→If0→I'對(duì)于隱機(jī)同步電機(jī)Xd飽和值確定例6-2有一臺(tái)25000KW、10.5KV（星形聯(lián)結(jié)）、cos=0.85（滯后）的汽輪發(fā)電機(jī)，從其空載、短路實(shí)驗(yàn)中得到下列數(shù)據(jù)：從空載特性上查得：線電壓UL=10.5KV時(shí)，If0=155A

從短路特性上查得：I=IN=1718A時(shí)，Ifk=280A；從氣隙線上查得：If=280A時(shí)，UL=22.4KV；試求同步電抗和短路比。解：從氣隙線上查出If=280A時(shí)，用標(biāo)幺值計(jì)算三、用零功率因數(shù)負(fù)載實(shí)驗(yàn)確定定子漏抗和電樞等效磁動(dòng)勢零功率因數(shù)特性2.零功率因數(shù)特性與空載特性的關(guān)系空載特性是零功率因數(shù)特性的一個(gè)特例（即）。故兩個(gè)特性具有相同的形狀。BC表示空載時(shí)產(chǎn)生的額定電壓所需要的勵(lì)磁電流AF用以抵消電樞等效磁動(dòng)勢kadFaCA用以克服電樞漏抗壓降IX作用特性三角形在得到零功率因數(shù)特性則F點(diǎn)的軌跡即為零功率因數(shù)負(fù)載特性曲線。K點(diǎn)即為短路點(diǎn)。3.作圖法求定子漏抗和電樞等效磁動(dòng)勢電機(jī)學(xué)圖\5\6-1.gif(1)??；(2)過O'作氣隙線的平行線，交空載特性與E

(3)過E點(diǎn)作O'

F的垂線交O'

F

與A點(diǎn)

。即可求得Xσ已知

注：

這樣求得的Xσ比實(shí)際值略大，稱為波梯電抗Xp原因：零功率因數(shù)負(fù)載時(shí)為了補(bǔ)償電樞直軸去磁磁動(dòng)勢而增加主極磁動(dòng)勢，而主極磁動(dòng)勢的增加使轉(zhuǎn)子漏磁將隨之增加，使得轉(zhuǎn)子磁路的飽和程度增加，磁阻變大，因而需要額外再增加一些主極磁動(dòng)勢∵

轉(zhuǎn)子與定子磁場不同步，定子磁場軸線交替與轉(zhuǎn)子的d、q軸重合。與d軸重合時(shí)，

xd

Imin

Umax

與q軸重合時(shí)，

xqImax

Umin

四.用轉(zhuǎn)差法測定Xd、Xq參數(shù)的典型值

Xd*Xq*Xp*隱極同步發(fā)電機(jī)1.700.9xd*0.18凸極同步發(fā)電機(jī)1.150.750.32凸極同步電動(dòng)機(jī)1.81.15

d軸q軸d軸轉(zhuǎn)差試驗(yàn)時(shí)的端電壓和定子電流波形

6.7同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性

、運(yùn)行特性調(diào)整特性

nsU=UNcos

=cIf=f(I)效率特性

n=nsU=UN

=c=f(P2)外特性

nsIf=ccos

=cU=f(I)1、外特性同步發(fā)電機(jī)的外特性

由外特性求電壓調(diào)整率

2、調(diào)整特性調(diào)整特性

nsU=UNcos

=cIf=f(I)同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性

3、效率特性

直接負(fù)載法

加負(fù)載測

損耗分析法：

計(jì)算總損耗

額定效率

二、作電動(dòng)勢——磁動(dòng)勢圖求

IfN

和Δu

電機(jī)學(xué)圖\6-381.FLA.swf

用電動(dòng)勢-磁動(dòng)勢圖(波梯圖)確定同步發(fā)電機(jī)的IfN和[例6-5]有—臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)，額定容量SN＝16667kVA，額定電壓UN＝13.8kV，

Y聯(lián)結(jié)，額定功率因數(shù)0.8(滯后)，額定轉(zhuǎn)速nN＝100r／min，，電樞電阻忽略不計(jì)。發(fā)電機(jī)的短路特性為波梯電抗的標(biāo)幺值一直線，當(dāng)短路電流等于額定電流時(shí)，勵(lì)磁電流Ifk＝l78A，空載特性的數(shù)據(jù)為

0.250.450.791.001.141.201.251.304585150205250300350400試用波梯圖法確定該發(fā)電機(jī)的額定勵(lì)磁電流和電壓調(diào)整率。已知：參數(shù)，E0=f(If)，額定值

，

用計(jì)算機(jī)求FfN

和

kaFa

隱極同步發(fā)電機(jī)→IfN

6.8同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的并聯(lián)本節(jié)主要討論并聯(lián)運(yùn)行的條件，以及并聯(lián)后發(fā)電機(jī)有功，無功功率的調(diào)節(jié)

電網(wǎng)無窮大一、投入并聯(lián)運(yùn)行的條件和方法

1、投入并聯(lián)的條件同步發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)時(shí)，為了避免電機(jī)和電網(wǎng)中產(chǎn)生沖擊電流及由此產(chǎn)生的沖擊轉(zhuǎn)矩，待投入并聯(lián)的發(fā)電機(jī)必須滿足以下條件：（1）發(fā)電機(jī)的相序應(yīng)于電網(wǎng)一致。（2）發(fā)電機(jī)的頻率應(yīng)與電網(wǎng)相同。（3）發(fā)電機(jī)的E0應(yīng)與電網(wǎng)電壓U大小相等，相位相同。以上三個(gè)條件中，第一條必須滿足相序不同時(shí)頻率不同時(shí)則相當(dāng)于發(fā)電機(jī)端點(diǎn)加上一組負(fù)序電壓，使發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間存在巨大的電位差，產(chǎn)生巨大的環(huán)流和沖擊轉(zhuǎn)矩，屬于嚴(yán)重的故障情況，必須避免。E0與U的大小不等或相位不同時(shí)若發(fā)電機(jī)頻率和電網(wǎng)頻率不同，可將U與E0設(shè)想為大小相等但轉(zhuǎn)速不同的旋轉(zhuǎn)相量。E0與U之間便有相對(duì)運(yùn)行，將產(chǎn)生一大小和相位隨時(shí)變化的環(huán)流，從而引起電機(jī)內(nèi)功率振蕩，一會(huì)發(fā)出有功功率，一會(huì)吸收有功功率若E0與U的大小不等或者相位不同時(shí)，當(dāng)將發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)時(shí)，存在差值電壓，產(chǎn)生沖擊電流，嚴(yán)重情況下，該電磁力的沖擊將損壞繞組端部和轉(zhuǎn)軸①關(guān)于相序問題，一般大型同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和相序在出廠前都已注明。對(duì)于沒有標(biāo)定的，可利用相序指示器來確定。

②關(guān)于頻率問題，③而E0的大小可通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)

E0的相位可通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)瞬時(shí)速度來調(diào)整

2.投入并聯(lián)的方法為了投入并聯(lián)所進(jìn)行的調(diào)整和操作過程，稱為整步過程，整步方法有兩種：準(zhǔn)整步法，自整步法

全部滿足投入并聯(lián)的條件，準(zhǔn)整步法；部分滿足投入并聯(lián)的條件，自整步法。

1、準(zhǔn)整步法燈光閃爍三個(gè)燈將同時(shí)出現(xiàn)時(shí)暗時(shí)亮的現(xiàn)象

直接接法同步指示器：最簡單的同步指示器為三個(gè)指示燈。電壓表

調(diào)

n≈ns

燈不亮燈光閃爍三個(gè)燈將同時(shí)出現(xiàn)時(shí)暗時(shí)亮的現(xiàn)象

uaubucEAEbEcEAEbEcuaubucEAEbEcuaubuc在燈光全部熄滅時(shí)，合閘投入并聯(lián)，稱為燈光熄滅法（直接接法）

①

②

③

指示燈交替明暗，形成旋轉(zhuǎn)

交叉接法1燈滅，2、3燈亮。若

UA’=UA

但

指示燈交替明暗，形成旋轉(zhuǎn)

待到燈1熄滅，燈2和燈3亮度相同，表示發(fā)電機(jī)已滿足投入并聯(lián)條件，可合閘并網(wǎng)。交叉接法亦稱為燈光旋轉(zhuǎn)法，此法的優(yōu)點(diǎn)是能判斷發(fā)電機(jī)頻率比電網(wǎng)高還是低

并網(wǎng)：燈光旋轉(zhuǎn)很慢

交叉法稱為燈光旋轉(zhuǎn)法（亮燈法）采用直接接法時(shí)，若出現(xiàn)燈光旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，說明相序不同；同理采用交叉接法時(shí)，若出現(xiàn)燈光明暗現(xiàn)象也是相序錯(cuò)誤。

相序：燈光旋轉(zhuǎn)，則相序正確。準(zhǔn)整步的優(yōu)點(diǎn)是：投入瞬間電網(wǎng)和電機(jī)沒有沖擊；缺點(diǎn)是：整步手續(xù)比較復(fù)雜。⑴相序相同，沿旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向n≈ns，勵(lì)磁繞組通過電阻短路2、自整步法為了將發(fā)電機(jī)迅速投入電網(wǎng)，可采用自整步法。優(yōu)點(diǎn)：投入迅速，裝置簡單。缺點(diǎn)：投入時(shí)定子電流沖擊大⑵然后先合閘投入電網(wǎng)，（此時(shí)相當(dāng)于一臺(tái)異步電機(jī)）（3）并立即加勵(lì)磁電流（有沖擊電流）牽入同步。二、與電網(wǎng)聯(lián)時(shí)發(fā)電機(jī)的功角特性當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電動(dòng)勢和端電壓保持不變時(shí)，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的稱為功角特性。電磁功率與功率角之間的關(guān)系轉(zhuǎn)子無勵(lì)磁，僅靠Pe2工作時(shí)，稱為磁阻電機(jī)

由功角特性可見不變時(shí)，電磁功率的大小取決于δ。180°90°0°45°-180°電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)PePe1Pe2Pe同步電機(jī)的功角特性δmax：總電磁功率達(dá)到最大值時(shí)的功率角例6-4三、有功功率的調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定

1、有功功率的調(diào)節(jié)

現(xiàn)代電力系統(tǒng)的容量都很大，其頻率和電壓基本不受負(fù)載變化和其他擾動(dòng)的影響而保持為常值,這種恒頻恒壓的交流電網(wǎng)，稱為無窮大電網(wǎng)。當(dāng)發(fā)電機(jī)并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)時(shí)，可向電網(wǎng)輸出功率。下面以隱極電機(jī)為例說明同步發(fā)電機(jī)與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)有功功率的調(diào)節(jié)，為簡化分析略去Ra不計(jì)，設(shè)發(fā)電機(jī)已接到一個(gè)無窮大電網(wǎng)。

從物理模型看，分解出切向力，使轉(zhuǎn)子上受到一制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，當(dāng)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩相平衡時(shí)。功率就不再增大，這時(shí)轉(zhuǎn)子主極磁場拉著氣隙磁場以同步速旋轉(zhuǎn)，將輸入的機(jī)械功率變?yōu)殡姽β瘦敵?，在功角特性上?duì)應(yīng)于A點(diǎn)。

由此可見，要調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率，必須調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的輸入功率，使δ增大，電磁功率和輸出功率便會(huì)相應(yīng)增加。原動(dòng)機(jī)輸入功率的增加不是無限制的，對(duì)于隱極電機(jī)，當(dāng)δ達(dá)到90時(shí)，電磁功率達(dá)到最大值。即隱極同步發(fā)電機(jī)的功率極限值2、靜態(tài)穩(wěn)定

靜態(tài)穩(wěn)定指電網(wǎng)上并聯(lián)運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)，在受到電網(wǎng)或原動(dòng)機(jī)方面的微小擾動(dòng)后，能夠自動(dòng)的恢復(fù)到原先的平衡狀態(tài)的能力。如能復(fù)原，則發(fā)電機(jī)是穩(wěn)定的，反之，則為不穩(wěn)定。

整步功率系數(shù)為了使發(fā)電機(jī)能穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，應(yīng)使發(fā)電機(jī)的功率極限比額定功率大一定的倍數(shù)，這個(gè)倍數(shù)稱為過載能力

四、無功功率的調(diào)節(jié)

接到電網(wǎng)上的負(fù)載多數(shù)都是電感性的，所以與電網(wǎng)并聯(lián)的發(fā)電機(jī)不僅要向電網(wǎng)輸出有功功率，而且還要輸出無功功率。下面以隱極同步發(fā)電機(jī)為例來說明同步發(fā)電機(jī)與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)無功功率的調(diào)節(jié)問題。為簡單計(jì)，忽略電樞電阻和磁飽和影響，并假定調(diào)節(jié)勵(lì)磁時(shí)，原動(dòng)機(jī)的輸入有功功率保持不變。

ùìèoèo'èo"ì"ì'jìXsjì'Xsjì"Xsφ'φ"BACDEosinδ=常值Icosφ=常值為“V形曲線”,曲線最低點(diǎn)為正常勵(lì)磁點(diǎn)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流可以調(diào)節(jié)無功功率這一現(xiàn)象，還可以用磁動(dòng)勢平衡關(guān)系解釋對(duì)同步電機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)，可改變無功電流，即改變無功功率和功率因數(shù)ù

í

íRa

jíXσ

?o?

?a

?

?o90

?a

jí

Xa過勵(lì)，直軸電樞反應(yīng)為去磁五、功率因數(shù)變化時(shí)發(fā)電機(jī)的輸出能力

輸出能力曲線：N點(diǎn)為額定點(diǎn)：對(duì)應(yīng)NA段：電樞電流保持為額定，發(fā)電機(jī)功率因數(shù)逐漸上升到1。此時(shí)若加大發(fā)電機(jī)的有功功率到A’點(diǎn)，輸出的無功功率要相應(yīng)減少否則電機(jī)將過載運(yùn)行。到A點(diǎn)無功功率為零，發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率達(dá)到最大值。從N點(diǎn)到A點(diǎn)，功率因數(shù)逐漸上升，電樞反應(yīng)的去磁作用逐漸減少，所需的勵(lì)磁電流逐漸漸少，發(fā)電機(jī)的輸出能力主要受電樞電流的限制。對(duì)應(yīng)NB段：勵(lì)磁電流保持為額定，發(fā)電機(jī)功率因數(shù)逐漸下降到零。此時(shí)發(fā)電機(jī)的有功因數(shù)降低，電樞反應(yīng)去磁作用加大，為使勵(lì)磁電流不超過額定值，必須減少電樞電流否則勵(lì)磁繞組溫升過高。到B點(diǎn)有功功率為零，發(fā)電機(jī)無功功率達(dá)到最大值。從N點(diǎn)到B點(diǎn)，功率因數(shù)逐漸下降，電樞反應(yīng)的去磁作用逐漸增加，電樞電流逐漸漸少，發(fā)電機(jī)的輸出能力主要受勵(lì)磁電流的限制。6.9同步電動(dòng)機(jī)與同步補(bǔ)償機(jī)

與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，同步電動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)是：轉(zhuǎn)速與負(fù)載大小無關(guān)始終保持為同步速，且功率因數(shù)可調(diào)。

因此廣泛應(yīng)用于大功率恒轉(zhuǎn)速的機(jī)械負(fù)載，如空氣壓縮機(jī)、粉碎機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、水泵及電動(dòng)發(fā)電機(jī)組同步補(bǔ)償機(jī)相當(dāng)于空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，用于補(bǔ)償電網(wǎng)的無功功率和功率因數(shù)一、同步電機(jī)的可逆原理p1Pe=0此時(shí)功率角為零如將原動(dòng)機(jī)去掉，空載損耗全部由電源提供這時(shí)如在軸上加負(fù)載，即輸出機(jī)械功率變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)

→

空載同步發(fā)電機(jī)

→同步電動(dòng)機(jī)

二、同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程和相量圖

若仍用發(fā)電機(jī)慣例分析Ф大于900，即此時(shí)發(fā)出負(fù)的電功率，相當(dāng)于輸入正功率I超前E0電樞反應(yīng)為增磁I滯后E0電樞反應(yīng)為去磁

ùèojìMXsψo(hù)MδMìMRaìM=-ì隱極同步電動(dòng)機(jī)相量圖èoùìMRaìM=-ìδMψo(hù)MììdMìqMjìdMXdjìqMXq凸極同步電動(dòng)機(jī)相量圖三、同步電動(dòng)機(jī)的功角特性，功率方程和轉(zhuǎn)矩方程

1、功角特性

（Ra=0）

整步功率系數(shù)及過載能力與發(fā)電機(jī)相同2、功率和轉(zhuǎn)矩方程

轉(zhuǎn)矩特性電流特性功率因數(shù)特性效率特性與其他電機(jī)相同四、同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性

1、工作特性

不同勵(lì)磁時(shí)的功率因數(shù)特性2、V型曲線隱極同步電動(dòng)機(jī)，忽略Ra從圖可見，改變勵(lì)磁電流，可使電動(dòng)機(jī)在任意特定負(fù)載下的功率因數(shù)達(dá)到1，甚至變成超前。èoèo"èo'ùEosinδM=常值IMcosφM=常值ìM

ì'Mì"MjìMXsjì'MXsjì"MXsABCD電機(jī)學(xué)圖\片段.shs改變勵(lì)磁時(shí)同步電動(dòng)機(jī)相量圖同步電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)

If

可改變功率因數(shù)，這是同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)之一同步電機(jī)機(jī)與感應(yīng)電機(jī)同時(shí)接入電網(wǎng)，并使同步機(jī)處于過勵(lì)狀態(tài)例6-5過勵(lì)時(shí)功率因數(shù)變?yōu)槌拔濉⑼诫妱?dòng)機(jī)的起動(dòng)方法

1、異步起動(dòng)

在轉(zhuǎn)子上裝籠型起動(dòng)繞組。定子加三相對(duì)稱電壓，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組通過電阻短路

R=(5~10)Rf異步起動(dòng)階段①異步轉(zhuǎn)矩：與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同②單軸轉(zhuǎn)矩：

勵(lì)磁繞組電流頻率為sf1，產(chǎn)生相對(duì)于轉(zhuǎn)子靜止的脈動(dòng)磁勢，可分解為正轉(zhuǎn)磁勢：

n+sns=ns

與定子磁勢相對(duì)靜止，產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩；反轉(zhuǎn)磁勢：n-sns=(1-2s)ns,在定子繞組中感應(yīng)電流，產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩，當(dāng)s=0.5時(shí)，（1-2s）ns=0,與定子繞組相對(duì)靜止，電磁轉(zhuǎn)矩為0。異步轉(zhuǎn)矩與單軸轉(zhuǎn)矩的合成曲線構(gòu)成異步起動(dòng)階段合成轉(zhuǎn)矩異步起動(dòng)階段性能的好壞取決于Tst和Tpi。Tpi指轉(zhuǎn)速達(dá)到95%ns時(shí)的轉(zhuǎn)矩。Tst和Tpi與起動(dòng)繞組的電阻有關(guān)注：勵(lì)磁繞組切勿開路，且必須串一大電阻（為限制單轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩）這兩種轉(zhuǎn)矩對(duì)牽入同步起決定作用當(dāng)通入直流后，在同步轉(zhuǎn)矩作用下即可牽入同步③磁阻轉(zhuǎn)矩：

④同步轉(zhuǎn)矩：牽入同步階段

2、

輔助電機(jī)起動(dòng)

同極數(shù)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，容量約為主機(jī)容量的（10~15）%的感應(yīng)電機(jī)作為輔機(jī)，拖動(dòng)主機(jī)使n接近同步速時(shí)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組加入If

，由同步轉(zhuǎn)矩拖入同步。缺點(diǎn)：不能帶載起動(dòng)，否則輔機(jī)容量太大。

3、變頻起動(dòng)

起動(dòng)時(shí)f1很低，隨著n↑逐步增加f1最后達(dá)到fN,

改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速利用同步轉(zhuǎn)矩起動(dòng)。缺點(diǎn)：必須具備變頻電源六、同步補(bǔ)償機(jī)

（同步調(diào)相機(jī)）

2、

同步補(bǔ)償機(jī)的額定容量和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)額定容量是指過勵(lì)時(shí)所能補(bǔ)償?shù)臒o功功率

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)所需的滯后無功電流由過勵(lì)的同步補(bǔ)償機(jī)提供，從而避免了無功電流的遠(yuǎn)程輸送，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。Pe

=0I=f(If)

1、同步補(bǔ)償機(jī)的原理例:：6-6PQSQ’S’Q”P’S”6.10同步發(fā)電機(jī)的不對(duì)稱運(yùn)行

分析方法：

對(duì)稱分量法

一組不對(duì)稱的三相電壓（電流），可以分解為正序、負(fù)序和零序三組對(duì)稱電壓（電流），后者稱為原不對(duì)稱電壓（電流）的對(duì)稱分量。

一、對(duì)稱分量法電機(jī)不飽和時(shí)，可采用迭加原理進(jìn)行分析對(duì)正序、負(fù)序、零序來說都是三相對(duì)稱系統(tǒng)，只分析一相即可

（1）發(fā)電機(jī)氣隙磁場為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場（2）負(fù)序轉(zhuǎn)矩引起振動(dòng)力矩把一個(gè)不對(duì)稱問題分解成正序、負(fù)序和零序三個(gè)彼此獨(dú)立的對(duì)稱問題，再把結(jié)果疊加由于發(fā)電機(jī)電樞繞組為三相對(duì)稱繞組所以三相激磁電動(dòng)勢為對(duì)稱二、各相序阻抗和等效電路

正序、負(fù)序和零序電流分別建立各自的氣隙磁場，由于定子不同相序的電流所建立的磁場不同且與轉(zhuǎn)子回路相交鏈的情況不同所以發(fā)電機(jī)對(duì)應(yīng)于不同相序的阻抗是不同的。其各相序?qū)?yīng)的阻抗分別為正序阻抗、負(fù)序阻抗和零序阻抗。應(yīng)用對(duì)稱分量法將負(fù)載端的不對(duì)稱電壓和電流分解成三組對(duì)稱分量1、正序阻抗和正序等效電路

電樞磁勢與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，勵(lì)磁繞組接通，電樞繞組流過對(duì)稱