山東大學(xué) 電機學(xué) 第六章

第六章同步電機主要內(nèi)容：同步電機運行的基本方程式，運行特性，并聯(lián)運行，同步電動機和同步補償機及同步發(fā)電機的不對稱運行。

發(fā)電機：將機械能變?yōu)殡娔?，是主要用途。按運行方式分電動機：將電能變?yōu)闄C械能。用于不需調(diào)速的大功率機械。補償機：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：高速同步發(fā)電機，隱極式。(火電）按原動機類別分水輪發(fā)電機：低速同步發(fā)電機，凸極式。（水電）柴油(汽油)發(fā)電機：低速同步發(fā)電機，凸極式。（機車、船舶，油田）

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

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

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

對于旋轉(zhuǎn)磁極式從轉(zhuǎn)子機械強度和妥善地固定勵磁繞組考慮，對高速電機采用隱極式，對低速電機采用制造簡單的凸極式。大型發(fā)電機通常用汽輪機和水輪機作為原動機來拖動。由于汽輪機是一種高速原動機，一般采用隱極式而水輪機是一種低速原動機，一般采用凸極式。6.1同步電機的基本結(jié)構(gòu)和運行狀態(tài)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1、隱極式同步電機的結(jié)構(gòu)同步速為3000r/min

提高運行速度可提高汽輪機的運行效率，減小機組尺寸和造價。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)電機均為臥式結(jié)構(gòu)。定子

轉(zhuǎn)子

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

轉(zhuǎn)子是汽輪發(fā)電機關(guān)鍵部分，從機械應(yīng)力和發(fā)熱看是汽輪發(fā)電機最吃緊的部件。它即是電機磁路的主要組成部分，又高速旋轉(zhuǎn)而承受很大的機械應(yīng)力，材料即要求有好的導(dǎo)磁性能，又需要有很高的機械強度。所以轉(zhuǎn)子一般用整塊的具有良好導(dǎo)磁性的高強度合金鋼鍛成，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因離心力甩動而損壞。2、凸極同步電機的結(jié)構(gòu)

分臥式和立式兩種結(jié)構(gòu)

凸極同步電機與隱極同步電機定子結(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、勵磁繞組、阻尼繞組等部件組成。大型水輪發(fā)電機通常都是立式結(jié)構(gòu)，凸極式特點是短粗，D/L=5—7阻尼繞組的結(jié)構(gòu)與籠型感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子的籠型繞組相似。阻尼繞組的作用作用同步發(fā)電機中：抑制負(fù)序分量同步電動機和同步補償機中：起動繞組與感應(yīng)電機一樣同步電機定、轉(zhuǎn)子極數(shù)應(yīng)相同。定子與隱極相同

轉(zhuǎn)子

立式分懸式和傘式兩種，懸式是把推力軸承裝在轉(zhuǎn)子上邊的機架上，整個轉(zhuǎn)子是處于一種懸吊著的狀態(tài)轉(zhuǎn)動。傘式是把推力軸承放在下邊的機架上，整個轉(zhuǎn)子是處于一種被支托著的狀態(tài)中轉(zhuǎn)動。傘式懸式懸式水輪發(fā)電機運轉(zhuǎn)時，機械穩(wěn)定性好，但機組的軸向高度高。傘式的水輪發(fā)電機機械穩(wěn)定性差，但由于推力軸承放在下機架上，軸向高度低，通常高速采用懸式，低速采用傘式。

汽輪發(fā)電機組側(cè)視圖1—X、Y、Z引出線；2—電流互感器；3—A、B、C引出線；4—自并勵副勵磁機；5—主勵磁機；6—勵磁機軸承；7—出線盒；8—氣體冷卻器；9—碳刷架隔音罩；10—端蓋；11—機殼；12—測溫引線盒水輪發(fā)電機因直徑大，軸向長度短，其冷卻問題相對來說比較容易解決。大型汽輪機發(fā)熱問題比較嚴(yán)重，為了提高冷卻效率，大型汽輪發(fā)電機采用水和氫氣冷卻。大型汽輪發(fā)電機用水來直接冷卻導(dǎo)線內(nèi)部，稱為水內(nèi)冷。1956年英國試制成第一臺定子線圈水內(nèi)冷的汽輪發(fā)電機。

1958年我國研制成第一臺定.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。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。我國于1976年研制成功一臺400千瓦超導(dǎo)同步發(fā)電機。由于超導(dǎo)電機的繞組在超導(dǎo)狀態(tài)時電阻完全消失，從而徹底上解決了巨型電機繞組的發(fā)熱溫升問題。上電廠產(chǎn)660WM汽輪發(fā)電機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，定子機座所有焊縫均為氣密焊縫，氫冷卻器設(shè)置在汽機上端。應(yīng)用最廣的冷卻介質(zhì)有空氣、氫氣、水、油。冷卻方法有表冷（間接冷卻）和內(nèi)冷（直接冷卻）?？諝夂蜌錃舛鄳?yīng)用于表冷；氫氣和水多應(yīng)用于內(nèi)冷?，F(xiàn)代大功率汽輪發(fā)電機的冷卻介質(zhì)和冷卻方法多為組合式，其中主要有以下五種：1、定子繞組氫外冷，轉(zhuǎn)子繞組氫內(nèi)冷，鐵心氫冷；2、定子繞組氫內(nèi)冷，轉(zhuǎn)子繞組氫內(nèi)冷，鐵心氫冷；3、定子繞組水內(nèi)冷，轉(zhuǎn)子繞組氫內(nèi)冷，鐵心氫冷；4、定子繞組水內(nèi)冷，轉(zhuǎn)子繞組水內(nèi)冷，鐵心氫冷；5、定子繞組水內(nèi)冷，轉(zhuǎn)子繞組水內(nèi)冷，鐵心空冷。其中第三種冷卻方式應(yīng)用最多，廣泛應(yīng)用于20~100萬KW左右的機組上。

火電廠超超臨界機組和超臨界機組指的是鍋爐內(nèi)工質(zhì)的壓力和溫度。鍋爐內(nèi)的工質(zhì)是水，水的臨界壓力是:22.115MP,臨界溫度是374.15℃；在這個壓力和溫度時，水和蒸汽的密度是相同的，稱水的臨界點，爐內(nèi)工質(zhì)壓力低于這個壓力就叫亞臨界鍋爐，大于這個壓力就是超臨界鍋爐，爐內(nèi)蒸汽溫度不低于593℃或蒸汽壓力不低于31MPa被稱為超超臨界。超臨界機組具有無可比擬經(jīng)濟性，單臺機組發(fā)電熱效率最高可達(dá)50%，每kW/h煤耗最低僅有255g（丹麥BWE公司），同時采用低氧化氮技術(shù)，在燃燒過程中減少65%的氮氧化合物及其它有害物質(zhì)的形成，且脫硫率可超98%，可實現(xiàn)節(jié)能降耗、環(huán)保的目的。發(fā)展超臨界和超超臨界機組周向分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)T:冷風(fēng)區(qū)；k：熱風(fēng)區(qū)氫冷卻通風(fēng)系統(tǒng)簡介通風(fēng)系統(tǒng)分軸向多段通風(fēng)和周向分區(qū)通風(fēng)二、氫、油、水系統(tǒng)簡介200MW汽輪發(fā)電機軸向通風(fēng)系統(tǒng)圖1、定子鐵心；2、定子繞組；3、轉(zhuǎn)子形成所謂“四進(jìn)五出”的通風(fēng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)子通風(fēng)采取氣隙取氣斜流式轉(zhuǎn)子風(fēng)區(qū)與定子的風(fēng)區(qū)一一對應(yīng)。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時由于轉(zhuǎn)子表面的進(jìn)風(fēng)斗對氣隙氣流的相對運動形成正壓，出風(fēng)斗為負(fù)壓，形成了氫氣在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體槽內(nèi)流動的壓力源。冷卻介質(zhì)從轉(zhuǎn)子槽楔上的進(jìn)風(fēng)斗進(jìn)入，經(jīng)楔下絕緣墊條上相應(yīng)孔道進(jìn)入銅線的通風(fēng)孔，槽楔的每個進(jìn)、出風(fēng)斗連接兩個風(fēng)道，形成“一風(fēng)斗、二風(fēng)道”結(jié)構(gòu)。(a)轉(zhuǎn)子槽斷面（b）導(dǎo)體中間銑孔（c）導(dǎo)體內(nèi)斜流風(fēng)道定子冷卻水系統(tǒng)定子繞組接線及進(jìn)出水路定子冷卻水系統(tǒng)密封油冷卻系統(tǒng)

由于氫冷發(fā)電機的轉(zhuǎn)子軸伸端必須穿出發(fā)電機端蓋，這就提出了一個氫內(nèi)冷發(fā)電機軸端密封的關(guān)鍵問題。所謂軸端密封就是在氫冷發(fā)電機轉(zhuǎn)軸的兩端伸出處與靜止的端蓋之間所采取的密封措施。油密封裝置裝于發(fā)電機轉(zhuǎn)軸伸出的端蓋處，將高于機內(nèi)氫壓的壓力油注入密封瓦與轉(zhuǎn)軸之間的氣隙，以阻止機內(nèi)氫氣漏出機外。目前國內(nèi)外均采用液體油密封結(jié)構(gòu)，其機理是在高速旋轉(zhuǎn)的軸與靜止的密封瓦之間注入一連續(xù)的油流來封住氣體，使機內(nèi)的氫氣不能外泄，外面的空氣不能侵入機內(nèi)。密封油分空側(cè)和氫側(cè)兩個油路將油供給軸密封瓦上的兩個環(huán)狀配油槽。如果這兩個油路中的供油油壓在密封瓦處恰好相等，油就不會在兩條配油槽之間的間隙中竄流。通常只要密封油壓始終保持高于機內(nèi)氣體的壓力，便可防止氫氣從發(fā)電機內(nèi)逸出。

密封油系統(tǒng)二、同步電機的運行狀態(tài)

同步電動機的運行狀態(tài)由轉(zhuǎn)子磁場與合成磁場的相對位置決定

同步電機有三種運行狀態(tài)：發(fā)電機，電動機，補償機。分析表明，同步電機運行狀態(tài)取決于定，轉(zhuǎn)子磁場的相對位置，即定子合成磁場與轉(zhuǎn)子主極磁場之間的夾角δ（功率角）。

功率角δ轉(zhuǎn)子磁場軸線領(lǐng)先合成磁場軸線的夾角。δ>0時，電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩，原動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩及空載阻轉(zhuǎn)矩平衡。轉(zhuǎn)子吸收機械功率，定子發(fā)出電功率。1.發(fā)電機運行狀態(tài)δ<0時，電磁轉(zhuǎn)矩為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，帶動負(fù)載運行。轉(zhuǎn)子輸出機械功率，定子吸收電功率。3.電動機運行狀態(tài)δ=0時，Te=0不進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，僅發(fā)出或吸收無功功率。2.補償機運行狀態(tài)三、同步電機的勵磁方式

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

1、直流勵磁機系統(tǒng)

2、交流整流勵磁系統(tǒng)1、直流勵磁機勵磁直流勵磁機與同步發(fā)電機同軸并采用并勵接法。Rt接到自動調(diào)節(jié)裝置，自動調(diào)節(jié)IfK的作用是強行勵磁，（K閉合，切除Rt，使勵磁機輸出電壓大大提高）。同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)有時為了提高勵磁系統(tǒng)的響應(yīng)速度，直流勵磁機本身的勵磁電流If采用它勵式，由同軸的副勵磁機供給，但由于多了一臺副勵磁機，使設(shè)備復(fù)雜，降低了運行的可靠性。采用直流勵磁機主要問題是高速、大容量勵磁機換向困難。目前一般容量汽輪機和低速水輪機中大部分采用直流勵磁機。2、靜止整流器勵磁(交流整流勵磁系統(tǒng)）

分:自勵式和他勵式

（1）他勵式由交流主勵磁機、交流副勵磁機、硅整流裝置和電壓調(diào)整器組成。

主勵磁機是一臺與同步發(fā)電機同軸連接的三相同步發(fā)電機（頻率通常為100赫茲）。主勵磁機交流輸出經(jīng)整流后，由集電環(huán)裝置接到主發(fā)電機勵磁繞組，以供給直流勵磁。主勵磁機的勵磁電流由交流副勵磁機提供。交流副勵磁機是一臺與主發(fā)電機同軸連接的中頻（一般為400赫）三相同步發(fā)電機。副勵磁機的勵磁可采用永磁式，也可采用勵磁式。自動電壓調(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)電機端電壓的偏差）通過自動電壓調(diào)整器進(jìn)行比較后，對交流主勵磁機的勵磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對主發(fā)電機勵磁的自動調(diào)節(jié)。

由于這種勵磁系統(tǒng)沒有直流勵磁機，不存在換向火花問題。因此運行維護(hù)方便，技術(shù)性能好，使勵磁容量得以提高，用于大容量汽輪發(fā)電機。（2）自勵式自勵式無旋轉(zhuǎn)勵磁機，當(dāng)空載時，同步發(fā)電機的勵磁由輸出的交流電壓經(jīng)半控整流后供給。負(fù)載后勵磁除由半控橋提供外，還由可控整流裝置供給，它可實現(xiàn)對發(fā)電機隨負(fù)載而變化得電壓進(jìn)行自動調(diào)整。自動電壓調(diào)整器與他勵式作用相同，該系統(tǒng)便于維護(hù)應(yīng)用在中小型同步發(fā)電機中自勵式靜止整流器勵磁系統(tǒng)3、旋轉(zhuǎn)整流器勵磁

副勵磁機→主勵磁機→主發(fā)電機無刷，適合大容量發(fā)電機。（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)電機容量一般為30萬kW、60萬kW、90萬kW。單機容量大，電機

η↑

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

因交流主勵磁機的電樞、硅整流裝置、主發(fā)電機的勵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)稱為無刷勵磁系統(tǒng)或無觸點勵磁系統(tǒng)。交流主勵磁機的勵磁，由同軸的交流副勵磁機經(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

額定勵磁電流和電壓

IfN

、UfN

額定容量注：6.2同步發(fā)電機的空載磁場和電樞反應(yīng)本節(jié)主要研究空載和負(fù)載時發(fā)電機的磁場及電樞反應(yīng)一、空載磁場

將發(fā)電機用原動機拖動，使轉(zhuǎn)子達(dá)到同步速ns=60f/P，勵磁繞組通入直流勵磁電流，電樞繞組開路時的情況ns,If,I=0,稱為空載運行Ff

：主極磁勢（勵磁磁勢）E0：勵磁電動勢，定子以ns的速度切割Φ0

而感應(yīng)出頻率為f的一組對稱三相電勢。空載特性曲線反應(yīng)了電機的磁路特性，在負(fù)載時已知總磁勢，由該曲線求取氣隙磁場在電樞繞組中感應(yīng)的電動勢。

同步電機的空載特性及氣隙線Ff

∝IfE0

∝

Φ0

電機的磁化曲線即為空載特性曲線ns=c空載特性

改變If，即可得到不同的Φ0

以及E0，即為空載特性曲線，即電機的磁化曲線。

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

電樞基波磁動勢對氣隙基波磁場的影響稱為電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)的性質(zhì)（增磁、去磁或交磁）取決于兩個磁勢Ff和Fa在空間的相對位置電樞反應(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)。三相旋轉(zhuǎn)磁勢的幅值在A相繞組軸線上此時A相交鏈的磁通為零，因感應(yīng)電動勢滯后磁通900，所以A相電勢最大，則A相電流最大空間矢量圖時間相量圖三相旋轉(zhuǎn)磁勢的幅值總是與電流為最大值的一相繞組軸線重合時空矢量

將時間參考軸與A相繞組軸線重合，得到時-空矢量圖空間矢量圖時間相量圖

交軸磁動勢所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)為交軸電樞反應(yīng)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。對于同步發(fā)電機，=0時，Bo超前Bδ角，主極上受到一制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩,所以交軸電樞磁動勢與電磁轉(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的電磁轉(zhuǎn)矩與sinδ成正比。2.Ψ0=90時

電流滯后電動勢90°時軸只有直軸電樞反應(yīng)時，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

結(jié)論：（對于同步發(fā)電機）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。í滯后時è0的時-空矢量圖í超前è0時的時-空矢量圖電機單機運行時直軸電樞反應(yīng)將直接影響端電壓的大小并網(wǎng)運行時直軸電樞反應(yīng)影響電機輸出的無功功率。若轉(zhuǎn)子直流勵磁不足，為維持氣隙磁場為一定值（電網(wǎng)電壓恒定）

，則同步電機將向電網(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，以補償轉(zhuǎn)子直流勵磁的不足。反之，若轉(zhuǎn)子直流勵磁過大，則同步機將向電網(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)對同步電機的運行性能影響很大

復(fù)習(xí)

課后思考：6-1、6-2、6-3電樞反應(yīng)對運行性能的影響6.3隱極同步發(fā)電機電壓方程、相量圖和等效電路一、磁路不飽和時

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)電機電壓平衡方程式，相量圖和等效電路。（分磁路不飽和及飽和兩種情況來分析）

1、電壓方程式

同步發(fā)電機負(fù)載運行時的電磁過程如下：

E0：勵磁電勢Ea：電樞反應(yīng)電勢E：合成電勢不計飽和時

同步電抗表征對稱穩(wěn)態(tài)運行時電樞反應(yīng)和電樞漏磁兩個效應(yīng)的一個綜合參數(shù)，不計飽和時,Xs為一常數(shù)。

2、相量圖相量圖如圖所示。

已知

ù、í、COS及電機參數(shù)，畫相量圖。步驟如下：

隱極同步發(fā)電機的相量圖ù

í

íRa

jíXσ

jíXa?o?

?a

?

?o90

?a

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

隱極同步發(fā)電機的相量圖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)磁路不飽和時為常數(shù)c)二、考慮磁路飽和時

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F1，然后利用電機的磁化曲線（空載特性曲線）求出及相應(yīng)的E

空載特性曲線2、電壓相量圖和磁勢矢量圖

ù

íφ

íRa

jíXσ

?

F1Ff1Fa考慮磁飽和時隱極同步發(fā)電機磁動勢的矢量圖和電動勢的相量圖3、電樞磁勢換算系數(shù)是ka

對于汽輪發(fā)電機，ka=0.93~1.03，主要取決于大齒的寬度。

隱極同步發(fā)電機主極磁動勢分布對應(yīng)正弦波磁場對應(yīng)階梯波磁場*考慮飽和特性的另一方法是根據(jù)運行點的飽和程度，找出相應(yīng)的xs(飽和)。即把空載特性在工作點線性化。6.4凸極同步發(fā)電機的基本電磁關(guān)系特點：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)電機的電壓方程、相量圖和等效電路。由于凸極電機極靴部分氣隙小，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數(shù)表示同樣大小的電樞磁勢作用在直軸和交軸上時，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)正弦分布的電樞磁動勢作用于直軸上時，

當(dāng)電樞磁勢作用于交軸上時

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，將電樞磁勢分解為直軸和交軸兩個分量，用直軸磁導(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)理論電樞磁動勢分成直軸和交軸磁動勢電樞磁勢換算系數(shù)直軸電樞磁動勢Fad換算到勵磁磁動勢時應(yīng)乘以直軸換算系數(shù)Kad，交軸電樞磁動勢Faq換算到勵磁磁動勢時應(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）

不計飽和時，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勢（即氣隙電動勢）

凸極同步發(fā)電機的相量圖?o

í

íd

Ψo

íq

δ

íRa

jíqXq

jídXdèo

ù

φ

已知ù、í、COSφ及電機參數(shù)，先假定ψ0，畫相量圖步驟如下：當(dāng)U、I、cosФ已知（若Ra,、Xd,、Xq已知）可計算出ψ0

凸極同步發(fā)電機的等效電路ù

í

íRa

jíXq

èQ

Ψo

íq

íd

jíd(Xd-Xq)

èo

Ψo角的確定三、直軸和交軸同步電抗的意義

xd>xq

隱極同步電機

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*=1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)電機的功率方程、轉(zhuǎn)矩方程和功角特性

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

機械能

損耗

電能

同步發(fā)電機是將軸上輸入的機械功率，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－(pmec+pFe)=Pe

T1－T0=Te

三.電磁功率

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)使電樞合成磁場與主極磁場之間出現(xiàn)相角差，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩在發(fā)電機中，電樞合成磁場超前于主極磁場。在旋轉(zhuǎn)過程中原動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩克服制動的電磁轉(zhuǎn)矩，并通過電樞繞組內(nèi)產(chǎn)生運動電勢向電網(wǎng)送出有功電流，使機械能變電能功率角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)對產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換具有重要的意義。四、功角特性當(dāng)同步發(fā)電機的勵磁電動勢和端電壓保持不變時，發(fā)電機產(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)子無勵磁，僅靠Pe2工作時，稱為磁阻電機

由功角特性可見不變時，電磁功率的大小取決于δ。一、用空載特性和短路特性確定Xd1．空載特性6.6同步電機參數(shù)的測定

為了定量進(jìn)行計算，除了需知道電機的工況外（端電壓、電流、功率因數(shù)），還應(yīng)給出同步電動機的參數(shù)。下面說明同步電抗，電樞漏抗和電樞反應(yīng)等效磁動勢的實驗確定法?？蛰d特性由空載實驗測出，試驗時，電樞開路，用原動機把被試同步電機拖動到同步速，改變If，測取電樞端電壓Uo,直到Uo=1.25UN

，得到特性曲線。

空載時U0=E0

2．短路特性短路時，端電壓U=0，短路電流僅受電機本身阻抗的限制。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，而當(dāng)I*=1時，一般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Xd不飽和值確定4.Xd的飽和值

飽和程度由F或E決定

電機正常運行時

Xd飽和值確定UN→If0→I'對于隱機同步電機二.短路比kc

Kc的確定例:有一臺25000KW、10.5KV（星形聯(lián)結(jié)）、cos=0.8（滯后）的汽輪發(fā)電機，從其空載、短路實驗中得到下列數(shù)據(jù)：從空載特性上查得：線電壓UL=10.5KV時，If0=155A

從短路特性上查得：I=IN=1718A時，Ifk=280A；從氣隙線上查得：If=280A時，UL=22.4KV；試求同步電抗和短路比。解：作氣隙線從氣隙線上查出If=280A時，用標(biāo)幺值計算三、用零功率因數(shù)負(fù)載實驗確定定子漏抗和直軸電樞等效磁動勢零功率因數(shù)特性零功率因數(shù)負(fù)載實驗接線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)特性的一個特例（即）。故兩個特性具有相同的形狀。BC表示空載時產(chǎn)生額定電壓所需要的勵磁電流AF用以抵消電樞等效磁動勢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點的軌跡即為零功率因數(shù)負(fù)載特性曲線。K點即為短路點。電機學(xué)圖\5\6-1.gif(1)取；(2)過O'作氣隙線的平行線，交空載特性與E

(3)過E點作O'

F的垂線交O'

F

與A點

。3.作圖法求定子漏抗和電樞等效磁動勢

已知

即可求得Xσ和直軸電樞等效磁動勢注：

這樣求得的Xσ比實際值略大，稱為波梯電抗Xp,原因：零功率因數(shù)負(fù)載時為了補償電樞直軸去磁磁動勢而增加主極磁動勢，而主極磁動勢的增加使轉(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勢。kongzaihe空載和零功率因數(shù)負(fù)載時的磁場分布為了補償電樞直軸去磁磁動勢而增加主極磁動勢∵

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，

xdIminUmax

與q軸重合時，

xqImaxUmin

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1.700.9xd*0.18凸極同步發(fā)電機1.150.750.32凸極同步電動機1.81.15

d軸q軸d軸轉(zhuǎn)差試驗時的端電壓和定子電流波形

6.7同步發(fā)電機的運行特性

、同步發(fā)電機的運行特性1、外特性外特性調(diào)整特性效率特性同步發(fā)電機的外特性

由外特性求電壓調(diào)整率

2、調(diào)整特性同步發(fā)電機的調(diào)整特性

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：

計算總損耗

額定效率

二、用電動勢——磁動勢圖求

IfN

和Δu

電機學(xué)圖\6-381.FLA.swf

用電動勢-磁動勢圖(波梯圖)確定同步發(fā)電機的IfN和[例6-5]有—臺水輪發(fā)電機，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。發(fā)電機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，勵磁電流Ifk＝l78A，空載特性的數(shù)據(jù)為

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

，

用計算機求FfN

和

kaFa

隱極同步發(fā)電機→IfN

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

電網(wǎng)無窮大一、同步發(fā)電機投入并聯(lián)運行的條件和方法

以上三個條件中，第一條必須滿足1、投入并聯(lián)的條件同步發(fā)電機投入并聯(lián)時，為了避免電機和電網(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)電機必須滿足以下條件：（1）發(fā)電機的相序應(yīng)于電網(wǎng)一致。（2）發(fā)電機的頻率應(yīng)與電網(wǎng)相同。（3）發(fā)電機的E0應(yīng)與電網(wǎng)電壓U大小相等，相位相同。相序不同時使發(fā)電機和電網(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。若發(fā)電機頻率和電網(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之間便有相對運行，將產(chǎn)生一大小和相位隨時變化的環(huán)流，從而引起電機內(nèi)功率振蕩，一會發(fā)出有功功率，一會吸收有功功率若E0與U的大小不等或者相位不同時，當(dāng)將發(fā)電機投入并聯(lián)時，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E0與U的大小不等或相位不同時頻率不同時①關(guān)于相序問題，一般大型同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)向和相序在出廠前都已注明。對于沒有標(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)電機的勵磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)

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

2.投入并聯(lián)的方法和步驟為了投入并聯(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)確同步法，自同步法

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

1、準(zhǔn)確同步法直接接法同步指示器：最簡單的同步指示器由三個指示燈組成。分為直接接法和交叉接法兩種。電壓表

調(diào)

n≈ns

燈不亮燈光閃爍三個燈將同時出現(xiàn)時暗時亮的現(xiàn)象

uAucUBUA’UB’Uc‘UA’UB’Uc’uAuBucUA’UB’UC’uAuBuc在燈光全部熄滅時，合閘投入并聯(lián)，直接接法也稱為燈光熄滅法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)點是能判斷發(fā)電機頻率比電網(wǎng)高還是低

采用直接接法時，若出現(xiàn)燈光旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，說明相序不同；采用交叉接法時，若出現(xiàn)燈光同時明暗現(xiàn)象也是相序錯誤。

優(yōu)點是：投入瞬間電網(wǎng)和電機沒有沖擊；缺點是：整步手續(xù)比較復(fù)雜。準(zhǔn)整確同步法⑴相序相同，沿旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向n≈ns，勵磁繞組通過電阻短路2、自同步法為了將發(fā)電機迅速投入電網(wǎng)，可采用自同步法。優(yōu)點：投入迅速，裝置簡單缺點：投入時定子電流沖擊大⑵然后先合閘投入電網(wǎng)，（此時相當(dāng)于一臺感應(yīng)電機）（3）再立即加勵磁電流（有沖擊電流）牽入同步。二、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)電機并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)時，可向電網(wǎng)輸出功率。下面以隱極電機為例說明同步發(fā)電機與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時有功功率的調(diào)節(jié)，為簡化分析略去Ra不計，設(shè)發(fā)電機已接到一個無窮大電網(wǎng)。

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

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

靜態(tài)穩(wěn)定指電網(wǎng)上并聯(lián)運行的同步發(fā)電機，在受到電網(wǎng)或原動機方面的微小擾動后，能夠自動的恢復(fù)到原有平衡狀態(tài)的能力。如能復(fù)原，則發(fā)電機是穩(wěn)定的，反之，則為不穩(wěn)定。

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

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，超高壓遠(yuǎn)距離輸電線路相繼投入運行，電網(wǎng)電壓和無功功率的調(diào)節(jié)成為一個突出問題。

當(dāng)電網(wǎng)處于高峰大負(fù)荷運行時，感性負(fù)荷引起電壓下降，當(dāng)電力負(fù)荷處于低谷期時，由于線路電容效應(yīng)產(chǎn)生的無功功率引起電網(wǎng)電壓升高。而現(xiàn)代城市電網(wǎng)均采用高壓電纜供電方式，引起電力系統(tǒng)電容電流的增加，導(dǎo)致容性充電功率進(jìn)一步加大。

低谷時期電網(wǎng)電壓升高問題更為突出。三、無功功率的調(diào)節(jié)和V形曲線

與電網(wǎng)并聯(lián)的發(fā)電機不僅要向電網(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)電機為例說明同步發(fā)電機與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時無功功率的調(diào)節(jié)問題。忽略電樞電阻和磁飽和影響，原動機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”,曲線最低點為正常勵磁點同步發(fā)電機的V形曲線調(diào)節(jié)勵磁電流可以調(diào)節(jié)無功功率這一現(xiàn)象，還可以用磁動勢平衡關(guān)系解釋調(diào)節(jié)勵磁電流可改變無功電流，即改變無功功率和功率因數(shù)ù

í

íRa

jíXσ

?o?

?a

?

?o90

?a

jíXa過勵，直軸電樞反應(yīng)為去磁由隱極同步發(fā)電機額定運行時的相量圖，各相量分別乘以3U/XS，可得到功率三角形，斜邊OA為視在功率，兩直角邊分別為有功功率和無功功率。1、發(fā)電機運行容量圖發(fā)電機運行容量圖表示發(fā)電機在端電壓和冷卻介質(zhì)溫度為額定值的條件下有功功率和無功功率的關(guān)系，稱為發(fā)電機輸出能力曲線或運行容量圖。隱極發(fā)電機運行容量圖四、功率因數(shù)變化時發(fā)電機的輸出能力

若A點為該發(fā)電機額定運行點對應(yīng)的額定有功功率為PN對應(yīng)的額定無功功率為QN當(dāng)A點到達(dá)縱軸時，功率因數(shù)為1當(dāng)A點到達(dá)橫軸時，功率因數(shù)為0運行容量圖(1)遲相運行范圍遲相運行時為保證定、轉(zhuǎn)子電流不超過額定，以B點為圓心，AB為半徑，弧AC為轉(zhuǎn)子額定電流圖；以O(shè)點為圓心，OA為半徑，弧AG為定子額定電流圖，兩圓弧交點A點為定、轉(zhuǎn)子電流同時達(dá)到額定值。當(dāng)增大遲相運行時，由于受轉(zhuǎn)子電流限制發(fā)電機運行點不能超過弧AC，C點為，無功功達(dá)到極限當(dāng)由A點降低功率因數(shù)時，受轉(zhuǎn)子電流限制，到C點無功功率最大。由A點提高功率因數(shù)時，電樞反應(yīng)去磁作用減小，所需勵磁電流減小，主要受定子電流限制，此時轉(zhuǎn)子繞組未充分利用遲相運行范圍為OEDACO組成的區(qū)域另外增加有功功率還受原動機輸出功率極限的的限制此時定子繞組未充分利用當(dāng)進(jìn)相運行時，所需勵磁電流減小此時受定子電流限制發(fā)電機運行點不能超過弧AG，E點為，有功功達(dá)到極限，線段BF為考慮靜態(tài)穩(wěn)定的極限進(jìn)相運行容量（即P和Q的值）應(yīng)由（1）定子鐵心端部過熱（2）靜穩(wěn)定極限（3）定子過電流三者中的最小極限確定。(2)進(jìn)相運行范圍6.9同步電動機與同步補償機

與感應(yīng)電動機相比，同步電動機的主要特點是：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)速的機械負(fù)載，如空氣壓縮機、粉碎機、鼓風(fēng)機、水泵及電動發(fā)電機組同步補償機相當(dāng)于空載運行的同步電動機，用于補償電網(wǎng)的無功功率和功率因數(shù)一、同步電機的可逆運行原理p1Pe=0此時功率角為零如將原動機去掉，空載損耗全部由電源提供這時如在軸上加負(fù)載，即輸出機械功率變?yōu)殡妱訖C運行同步發(fā)電機

→

空載同步發(fā)電機

→同步電動機

若仍用發(fā)電機慣例分析I超前E0電樞反應(yīng)為增磁I滯后E0電樞反應(yīng)為去磁

大于900，即此時發(fā)出負(fù)的電功率，相當(dāng)于輸入正功率二、同步電動機1、同步電動機的電壓方程和相量圖ùèojìMXsψo(hù)MδMìMRaìM=-ì隱極同步電動機相量圖隱極同步電動機等效電路èoùìMRaìM=-ìδMψo(hù)MììdMìqMjìdMXdjìqMXq凸極同步電動機相量圖2、同步電動機的功角特性，功率方程和轉(zhuǎn)矩方程

功角特性整步功率系數(shù)及過載能力與發(fā)電機相同功率和轉(zhuǎn)矩方程

3、同步電動機的運行特性

運行特性(1)工作特性

電磁轉(zhuǎn)矩特性電樞電流特性效率特性與其他電機相同功率因數(shù)特性從圖可見，改變勵磁電流，可使電動機在任意特定負(fù)載下的功率因數(shù)達(dá)到1，甚至變成超前。圖示表示不同勵磁電流時同步電機的功率因數(shù)特性(2)V形曲線隱極同步電動機，忽略Raèoèo"èo'ùEosinδM=常值IMcosφM=常值ìM

ì'Mì"MjìMXsjì'MXsjì"MXsABCD電機學(xué)圖\片段.shs改變勵磁時同步電動機相量圖同步電動機調(diào)節(jié)

If

可改變功率因數(shù)，這是同步電動機的優(yōu)點之一同步電機機與感應(yīng)電機同時接入電網(wǎng)，并使同步機處于過勵狀態(tài)例6-7過勵時功率因數(shù)變?yōu)槌?、同步電動機的起動

(1)異步起動

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

R=(5~10)Rf待轉(zhuǎn)速接近同步速時，接入直流牽入同步異步起動階段①異步轉(zhuǎn)矩：與感應(yīng)電動機相同②單軸轉(zhuǎn)矩：勵磁繞組產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩與單軸轉(zhuǎn)矩的合成曲線構(gòu)成異步起動階段合成轉(zhuǎn)矩異步起動階段性能的好壞取決于Tst和Tpi。Tpi指轉(zhuǎn)速達(dá)到95%ns時的轉(zhuǎn)矩。Tst和Tpi與起動繞組的電阻有關(guān)電阻大Tst大、Tpi小注：勵磁繞組切勿開路，且必須串一大電阻（為限制單轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩）③磁阻轉(zhuǎn)矩：

④同步轉(zhuǎn)矩：牽入同步階段轉(zhuǎn)速越接近ns，負(fù)載越輕越容易牽入同步轉(zhuǎn)矩為交變分量，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速發(fā)生震蕩；當(dāng)通入直流后，在同步轉(zhuǎn)矩作用下即可牽入同步這兩種轉(zhuǎn)矩對牽入同步起決定作用

(2)

輔助電機起動

同極數(shù)感應(yīng)電動機，容量約為主機容量的（10~15）%的感應(yīng)電機作為輔機，拖動主機使n接近同步速時，轉(zhuǎn)子勵磁繞組加入If

，由同步轉(zhuǎn)矩拖入同步。缺點：不能帶載起動，否則輔機容量太大。

(3)變頻起動

起動時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。缺點：必須具備變頻電源5、同步電動機的調(diào)速和控制方式（1）調(diào)速原理由改變供電電源的頻率，可以方便地控制同步電動機的轉(zhuǎn)速。對于隱極同步電機當(dāng)轉(zhuǎn)子勵磁電流不變時，若采用恒電壓/頻率比控制，則同步電機的最大轉(zhuǎn)矩保持不變。（2）控制方式

同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)可分為它控式和自控式兩種。它控式是從外部（開環(huán)）控制變頻器頻率來準(zhǔn)確地控制轉(zhuǎn)速。這種控制方式簡單，但有失步和振蕩問題，對急劇升、降速必須加以限制。自控式是頻率的閉環(huán)控制，用轉(zhuǎn)子位置傳感器隨時檢測定、轉(zhuǎn)子磁極相對位置和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，由位置傳感器發(fā)出的位置信號去控制變頻器中主開關(guān)元件的導(dǎo)通順序和頻率。電機的轉(zhuǎn)速在任何時候都與變頻器的供電頻率保持嚴(yán)格的同步，故不存在失步和振蕩現(xiàn)象，三、同步補償機感應(yīng)電動機所需的滯后無功電流由過勵的同步補償機提供，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、同步補償機的原理

2.同步補償機的特點同步補償機的轉(zhuǎn)子上裝有起動繞組，供異步起動之用。為提高材料利用率，大型補償機常常采用氫冷。同步補償機的額定容量是按過勵時所能補償?shù)臒o功功率來確定，其容量主要受定、轉(zhuǎn)子繞組溫升的限制。由于補償機不帶任何機械負(fù)載，故可沒有軸伸，對其機械結(jié)構(gòu)要求亦較低。允許其同步電抗稍大，因而電機的用銅量較少、造價較低。其結(jié)構(gòu)特點例PQSQ’S’Q”P’S”6.10同步發(fā)電機的不對稱運行

（1）三相負(fù)荷不對稱主要是大的單相負(fù)載，如電力機車、冶金電爐等（2）輸電線路三相阻抗不對稱電力系統(tǒng)的非全相運行，分時分相停電檢修線路等長期不對稱短期不對稱短時間的三相不對稱，主要指電力系統(tǒng)或發(fā)電機發(fā)生不對稱短路時的運行狀態(tài)，輸電線路中單相重合閘的過程也為短期不對稱狀態(tài)。分析方法：

對稱分量法

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

把一個不對稱問題分解成正序、負(fù)序和零序三個彼此獨立的對稱問題，再把結(jié)果疊加由于發(fā)電機電樞繞組為三相對稱繞組所以三相勵磁電動勢為對稱二、同步發(fā)電機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)電機對應(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)用對稱分量法將負(fù)載端的不對稱電壓和電流分解成三組對稱分量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)，勵磁繞組接通，電樞繞組流過對稱正序電流時，同步發(fā)電機所表現(xiàn)的阻抗為正序阻抗。（與三相對稱運行時相同）正序等效電路對于凸極電機對于不對稱短路時，電阻遠(yuǎn)小于電抗，正序電流滯后E0約為900，為感性直軸電流接線示意圖

2、負(fù)序電抗和負(fù)序等效電路

轉(zhuǎn)子正方向同步速旋轉(zhuǎn)，電樞磁勢逆向同步速旋轉(zhuǎn)。勵磁繞組短接，電樞繞組流過對稱負(fù)序電流時，同步發(fā)電機所表現(xiàn)的阻抗為負(fù)序阻抗。

Z－=R－

+jx－

對應(yīng)于感應(yīng)電機

接線示意圖①無阻尼繞組時轉(zhuǎn)子上只有勵磁繞組時（相當(dāng)于感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子繞組）負(fù)序磁場與直軸重合時直軸負(fù)序阻抗為Z-d由于負(fù)序磁場時而與直軸重合、時而與交軸重合因此負(fù)序阻抗值是變化的取上述兩個典型位置平均值作為負(fù)序阻抗值直軸等效電路

對轉(zhuǎn)子有無阻尼繞組兩種情況分別研究負(fù)序阻抗Z-介于直軸與交軸之間當(dāng)負(fù)序磁場與交軸重合時，交軸負(fù)序阻抗為Z-q注：交軸上通常無勵磁繞組，所以無轉(zhuǎn)子勵磁支路參數(shù)交軸等效電路

直軸超瞬態(tài)電抗

②轉(zhuǎn)子有阻尼繞組時

參照雙籠轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機等效電路有阻尼繞組的直軸等效電路交軸超瞬態(tài)電抗

有阻尼繞組的交軸等效電路

阻尼回路參數(shù)對負(fù)序電抗影響較大負(fù)序等效電路3、零序阻抗和零序等效電路

轉(zhuǎn)子正方向同步速旋轉(zhuǎn)，勵磁繞組短接，電樞繞組通過零序電流，同步發(fā)電機所表現(xiàn)的阻抗為零序阻抗。上述分析可見：同步發(fā)電機的各序電抗不相等零序等效電路接線示意圖三、同步發(fā)電機的單相短路

如圖所示，設(shè)A相短路，B、C相開路

同步發(fā)電機單相短路電壓、電流的各相序分量等效電路實際上

A相繞組中還包含諧波電流

定子中含有

1，3，5，…

奇次諧波轉(zhuǎn)子中含有

0，2，4，…

偶磁諧波相應(yīng)地

uBuC

中也會有一系列的奇次諧波電壓

四、同步發(fā)電機的線間短路

如圖所示，設(shè)B、C相發(fā)生線間短路，A相為空載A相開路電壓為：根據(jù)約束條件連接的等效電路五、不對稱運行對發(fā)電機的影響

（1）發(fā)電機氣隙磁場為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場,

負(fù)序電流使發(fā)電機發(fā)熱嚴(yán)重（2）負(fù)序轉(zhuǎn)矩引起振動力矩（3）負(fù)序磁場在轉(zhuǎn)子繞組及轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)感應(yīng)100HZ的感應(yīng)電流引起鐵耗電機效率降低（4）存在一系列高次諧波，使定子繞組過電壓（5）對系統(tǒng)中的感應(yīng)電動機運行產(chǎn)生影響（6）對通信線路引起高頻干擾6.11同步發(fā)電機的三相突然短路同步發(fā)電機突然短路時，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10倍以上，因而將在電機內(nèi)產(chǎn)生很大的電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。為了簡化分析，作如下假設(shè)：(1)在整個電磁瞬態(tài)過程中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持同步轉(zhuǎn)速；(2)不計磁路飽和，可利用疊加原理來分析；(3)突然短路前，發(fā)電機空載運行；(4)轉(zhuǎn)子上只有勵磁繞組。研究突然短路,就是要確定短路電流的初始值和終值對于超導(dǎo)體閉合回路而言，無論外磁場交鏈的磁鏈如何變化，由感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁鏈恰好抵消其變化，從而保持磁路總的磁鏈不變，即為超導(dǎo)體閉合回路磁鏈?zhǔn)睾阍?。實際電機的定轉(zhuǎn)子繞組都有電阻要消耗一定能量磁鏈不能守恒，但磁鏈不能突變所以在研究突然短路時，可認(rèn)為突然斷路最初一、兩個周波磁鏈不變。一、超導(dǎo)回路磁鏈?zhǔn)睾阍沓瑢?dǎo)電阻為零二、三相突然短路過程中的基本電磁關(guān)系

假設(shè)：1、突然短路前發(fā)電機空載且短路發(fā)生在機端

2、突然短路后發(fā)電機的轉(zhuǎn)速及勵磁電流不變

3、電機磁路不飽和

4、先不計繞組電阻三相繞組中勵磁磁鏈的波形1．定子各相繞組的磁鏈短路時刻勵磁