第七章 同步電機(jī)

第七章同步電機(jī)同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理同步電機(jī)的電樞反應(yīng)同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行同步電動(dòng)機(jī)和同步補(bǔ)償機(jī)同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)電樞式

旋轉(zhuǎn)磁極式

隱極式凸極式同步電機(jī)同步發(fā)電機(jī)（機(jī)械能電能）同步電動(dòng)機(jī)（電能機(jī)械能）同步調(diào)相機(jī)（改善電網(wǎng)功率因數(shù)）2.主要分類(lèi)：1.同步電機(jī)：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（n）與電樞繞組感應(yīng)電勢(shì)的頻率（f）嚴(yán)格成正比的電機(jī)。7.1同步電機(jī)的類(lèi)型和構(gòu)造按用途按結(jié)構(gòu)一、隱極同步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)（圖片）定子轉(zhuǎn)子大型發(fā)電機(jī)吊裝現(xiàn)場(chǎng)圖片左江24MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在吊裝三峽左岸發(fā)電機(jī)定子總裝配VGS發(fā)電機(jī)定子鐵芯三峽左岸發(fā)電機(jī)定子總裝配發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子

VGS發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同步電機(jī)一般采用旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)，根據(jù)磁極形狀可分為隱極和凸極兩種型式。凸極同步電機(jī)氣隙不均勻，適合于中速或低速旋轉(zhuǎn)場(chǎng)合隱極同步電機(jī)在不考慮齒槽效應(yīng)時(shí)，氣隙均勻，適合于高速旋轉(zhuǎn)同步電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)轉(zhuǎn)子：磁極（直流激磁）定子：電樞（三相對(duì)稱(chēng)繞組）磁極：凸極式：有明顯磁極，集中繞組，氣隙不均勻。隱極式：圓柱形，氣隙均勻，分布繞組。同步電機(jī)的分類(lèi)①按運(yùn)行方式和功轉(zhuǎn)換方向：同步發(fā)電機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)、同步調(diào)相機(jī)②按結(jié)構(gòu)分：旋轉(zhuǎn)磁極式、旋轉(zhuǎn)電樞式(小容量)③按磁極的形狀分：隱極機(jī)、凸極機(jī)④按原動(dòng)機(jī)的類(lèi)別分：汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、燃汽輪發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)汽輪發(fā)電機(jī)——轉(zhuǎn)速高、離心力大(p=1,p=2)——隱極式水輪發(fā)電機(jī)——轉(zhuǎn)速低、極數(shù)多——凸極式一、同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)電機(jī)——把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能

電動(dòng)機(jī)——把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能補(bǔ)償機(jī)——沒(méi)有有功功率的轉(zhuǎn)換，只發(fā)出或吸收無(wú)功功率

同步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，主要取決于定子合成磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)之間的夾角δ，δ稱(chēng)為功率角

7.2同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和勵(lì)磁方式NNoNoNoNNSoSoSSSSo主極主極同步電機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài)發(fā)電機(jī)補(bǔ)償機(jī)電動(dòng)機(jī)二、同步電機(jī)的勵(lì)磁方式1、直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁——直流勵(lì)磁機(jī)通常與同步發(fā)電機(jī)同軸，采用并勵(lì)或他勵(lì)接法。

2、整流器勵(lì)磁——靜止式旋轉(zhuǎn)式GG副勵(lì)磁機(jī)主勵(lì)磁機(jī)同步發(fā)電機(jī)帶副勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)交流副勵(lì)磁機(jī)交流主勵(lì)磁機(jī)不可控整流起器電壓調(diào)整器主發(fā)電機(jī)電壓互感器電流互感器可控整流起器自勵(lì)恒壓器靜止整流器勵(lì)磁系統(tǒng)在中、小型電機(jī)中，都采用空氣作為冷卻介質(zhì)。當(dāng)電機(jī)的容量很大時(shí)，電機(jī)內(nèi)部的損耗及發(fā)熱量迅速增加，冷卻問(wèn)題顯得格外重要，此時(shí)必須加強(qiáng)通風(fēng)或采用其他的冷卻方式。在大型汽輪發(fā)電機(jī)中，為了提高其冷卻效率，往往用氫氣冷卻，但氫氣與空氣混合后，有爆炸危險(xiǎn)，必須有一套控制設(shè)備來(lái)保證外界空氣不會(huì)滲入到電機(jī)內(nèi)部。目前在更大容量的發(fā)電機(jī)中，可以采用導(dǎo)線內(nèi)部直接冷卻。例如采用空心導(dǎo)體（如圖），冷卻介質(zhì)直接在導(dǎo)體中流通而把熱量帶走，這樣能更有效地降低電機(jī)的溫升。所采用的冷卻介質(zhì)一般有氫氣及水等。7.2.2冷卻方式7.2.3額定值額定容量SN(或額定功率PN)——指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的輸出功率額定電壓UN

——指額定運(yùn)行時(shí)定子的線電壓額定電流IN——指額定運(yùn)行時(shí)定子的線電流額定功率因數(shù)cosΦ——指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的功率因數(shù)額定頻率fN——指額定運(yùn)行時(shí)電樞的頻率。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)工頻規(guī)定為50Hz額定轉(zhuǎn)速nN

——指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，對(duì)同步電機(jī)而言，即為同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子通直流電流If勵(lì)磁磁場(chǎng)Bf電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度ω三相對(duì)稱(chēng)負(fù)載運(yùn)行時(shí)旋轉(zhuǎn)基波磁動(dòng)勢(shì)三相對(duì)稱(chēng)電樞電流iabc(同步電機(jī))SNneaebecIf7.3同步電機(jī)的工作原理同步發(fā)電機(jī)

同步機(jī)的定子（電樞）和三相異步電動(dòng)機(jī)的一樣；而它的轉(zhuǎn)子是磁極，由直流勵(lì)磁。同步電動(dòng)機(jī)定子三相繞組通入三相交流電旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近n1時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)因受定子磁場(chǎng)磁拉力的作用而隨定子磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，達(dá)到同步轉(zhuǎn)速。若轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)與定子磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)相等。課堂討論2、同步電機(jī)的定子還是轉(zhuǎn)子稱(chēng)為電樞？定子，轉(zhuǎn)子稱(chēng)為磁極3、凸極機(jī)和隱極機(jī)氣隙大小的差別1、何為同步？何為異步？7.4同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行一、空載磁場(chǎng)空載運(yùn)行時(shí)，同步電機(jī)內(nèi)僅有由勵(lì)磁電流所建立的主極磁場(chǎng)。主極磁通分成主磁通Φ0和漏磁通Φfσ兩部分，前者通過(guò)氣隙并與定子繞組相交鏈，后者不通過(guò)氣隙，僅與勵(lì)磁繞組相交鏈。主磁通所經(jīng)過(guò)的主磁路包括空氣隙電樞齒、電樞軛、磁極極身和轉(zhuǎn)子軛等五部分。二、空載特性當(dāng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，主磁場(chǎng)將在氣隙中形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在定子繞組內(nèi)感應(yīng)出對(duì)稱(chēng)三相電動(dòng)勢(shì)（激磁電動(dòng)勢(shì)）

空載特性：激磁電動(dòng)勢(shì)與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系。1.空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與頻率基波電動(dòng)勢(shì)：E0=4.44fNkN1Φ0n速旋轉(zhuǎn)主磁通Φ0漏磁通Φfσ定子感應(yīng)電勢(shì)eabcn感應(yīng)電勢(shì)勵(lì)磁電流磁動(dòng)勢(shì)2.空載電動(dòng)勢(shì)與勵(lì)磁電流的關(guān)系電機(jī)磁路的飽和系數(shù)當(dāng)轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí)，為磁路的磁化特性曲線相似(成比例)與)()(00ffIfFfE=F=IfFf隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為n基波E0（）接三相對(duì)稱(chēng)負(fù)載三相對(duì)稱(chēng)電流iabc(f)旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)基波(電樞磁勢(shì))大小轉(zhuǎn)速方向與轉(zhuǎn)子同向Ff(激磁電流）與Fa同速同相旋轉(zhuǎn)，相對(duì)靜止。一．電磁過(guò)程

7.4.2對(duì)稱(chēng)負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)jY····dj+=Y::;,:0與負(fù)載有關(guān)；的時(shí)間相位角與是外功率因數(shù)角與電機(jī)參數(shù)與是內(nèi)功率因數(shù)角d功率角(功角)··:0三者關(guān)系的時(shí)間相位角。與UEIUIE直軸（縱軸、d軸）：主磁極軸線位置。

交軸（橫軸、q軸）：與直軸成900電角度的位置。相軸：

每相繞組的軸線位置。

的時(shí)間相位角時(shí)軸:時(shí)間相量在其上投影可得瞬時(shí)值

幾個(gè)基本概念的時(shí)間相位角，及負(fù)載有關(guān)。二．電樞反應(yīng)

電樞反應(yīng):同步發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)電樞磁通勢(shì)的基波在氣隙中所產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)基波的影響，稱(chēng)為電樞反應(yīng)。氣隙磁通的大小及位置均發(fā)生變化。Ψ+900FδFad軸q軸A軸AX

ZBCYFfNS時(shí)軸結(jié)論：Fa=Faq，為交軸電樞磁勢(shì)，產(chǎn)生交軸電樞反應(yīng)，“交磁作用”，使氣隙磁場(chǎng)“歪扭”1.內(nèi)功率因數(shù)角ψ=0o時(shí)(負(fù)載為純阻性)2.內(nèi)功率因數(shù)角ψ=90o時(shí)(負(fù)載為純感性)時(shí)軸ψd軸q軸A軸AXZBCYFfNSFa結(jié)論：Fa=Fad直軸去磁電樞反應(yīng)。滯后90o3.內(nèi)功率因數(shù)角ψ＝－90o時(shí)(負(fù)載為容性)結(jié)論：Fa=Fad直軸助磁電樞反應(yīng)。時(shí)軸ψd軸q軸A軸AXZBCYFfNSFa超前90o4.內(nèi)功率因數(shù)角ψ：90o>ψ>-90o時(shí)時(shí)軸ψd軸q軸A軸AXZBCYFfNSΨ+900FaFa(1)0<ψ<90o時(shí)(負(fù)載為感性)

FaFad，與Ff1反向，去磁性質(zhì)Faq，與Ff1正交，交磁性質(zhì)(2)－90o<ψ<0o時(shí)(負(fù)載為容性)

FaFad，與Ff1同向，助磁性質(zhì)Faq，與Ff1正交，交磁性質(zhì)當(dāng)ψ角為不同值的電樞反應(yīng)

位置夾角記作電樞反應(yīng)性質(zhì)對(duì)電機(jī)的影響負(fù)載性質(zhì)n(f)UΨ=00q軸Ψ+900交軸波形畸變下降不變RΨ=900d軸Ψ+900直、去削弱不變下降LΨ=-900d軸Ψ+900直、助增強(qiáng)不變上升C00<Ψ<900d、q軸Ψ+900交、直去削弱下降下降R、L-900<Ψ<00d、q軸Ψ+900交、直助增強(qiáng)下降上升R、C同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)物理量的關(guān)系：一、不考慮磁飽和時(shí)7.5隱極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖和等效電路采用發(fā)電機(jī)慣例，以輸出電流作為電樞電流的正方向時(shí)，電樞的電壓方程為因可---電樞反應(yīng)電抗稱(chēng)為隱極同步電機(jī)的同步電抗，不計(jì)飽和時(shí)，是一個(gè)常值。Xs=Xa+Xσ隱極同步發(fā)電機(jī)的向量圖返回隱極同步發(fā)電機(jī)的向量（角度關(guān)系）返回隱極同步發(fā)電機(jī)的等效電路考慮磁飽和時(shí)，由于磁路的非線性，疊加原理不再適用。此時(shí)，應(yīng)先求出作用在主磁路上的合成磁動(dòng)勢(shì)F，然后利用電機(jī)的磁化曲線(空載曲線)求出負(fù)載時(shí)的氣隙磁通及相應(yīng)的氣隙電動(dòng)勢(shì)。二、考慮磁飽和時(shí)再?gòu)臍庀峨妱?dòng)勢(shì)減去電樞繞組的電阻和漏抗壓降，使得電樞的端電壓，即或返回電動(dòng)勢(shì)-磁動(dòng)勢(shì)圖空載曲線返回由合成磁動(dòng)勢(shì)F確定氣隙電動(dòng)勢(shì)E一、雙反應(yīng)理論7.6凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖雙反應(yīng)理論：考慮到凸極電機(jī)氣隙的不均勻性，把電樞反應(yīng)分成直軸和交軸電樞反應(yīng)分別處理然后疊加的方法。凸極同步電機(jī)的氣隙是不均勻的，極面下氣隙較小，兩極之間氣隙較大，故直軸下單位面積的氣隙磁導(dǎo)λd要比交軸下單位面積的氣隙磁導(dǎo)λq大很多。當(dāng)正弦分布的電樞磁動(dòng)勢(shì)作用在直軸上時(shí)，由于λd較大，故在一定大小的磁動(dòng)勢(shì)下，直軸基波磁場(chǎng)的幅值Bad1相對(duì)較大。直軸與交軸的氣隙磁導(dǎo)雙反應(yīng)理論—磁動(dòng)勢(shì)雙反應(yīng)理論—?dú)庀洞艌?chǎng)不考慮磁飽和時(shí)同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)物理量的關(guān)系：二、凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖，采用發(fā)電機(jī)慣例，電樞的電壓方程為：不計(jì)磁飽和時(shí)用相應(yīng)的負(fù)電抗壓降來(lái)表示--直軸電樞反應(yīng)電抗--交軸電樞反應(yīng)電抗--交軸同步電抗--直軸同步電抗返回凸極同步發(fā)電機(jī)的向量圖引入虛擬電動(dòng)勢(shì)，使確定內(nèi)功率因數(shù)角可得對(duì)應(yīng)的相量圖如圖所示由此得凸極同步發(fā)電機(jī)的等效電路，如圖所示返回角的確定凸極同步發(fā)電機(jī)的等效電路圖返回由于電抗與繞組匝數(shù)的平方和所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)成正比，所以如圖所示。對(duì)于凸極電機(jī)，由于直軸下的氣隙較交軸下小，>，所以Xad>Xaq，因此在凸極同步電機(jī)中，Xd>Xq。對(duì)于隱極電機(jī)，由于氣隙是均勻的，故Xd≈Xq≈Xs

三、直軸和交軸同步電抗的意義直軸電樞磁導(dǎo)交軸電樞磁導(dǎo)凸極同步電機(jī)電樞反應(yīng)磁通及所經(jīng)磁路及磁導(dǎo)返回練習(xí)：一臺(tái)凸極同步發(fā)電機(jī)，其直軸和交軸同步電抗的標(biāo)幺值為，，電樞電阻略去不計(jì)，試計(jì)算該機(jī)在額定電壓、額定電流、(滯后)時(shí)激磁電動(dòng)勢(shì)

的標(biāo)幺值(不計(jì)飽和)

虛擬電動(dòng)勢(shì)為解以端電壓作為參考相量即δ角為19．44°，于是電樞電流的直軸、交軸分量和激磁電動(dòng)勢(shì)分別為練習(xí)二：計(jì)算上題中凸極發(fā)電機(jī)在額定電壓、額定電流、額定功率因數(shù)（滯后）

的情況下運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電磁功率。已知發(fā)電機(jī)的額定容量為93750kVA。解：用標(biāo)幺值計(jì)算注意：用標(biāo)幺值計(jì)算時(shí)，不用乘以3，因?yàn)榛鶞?zhǔn)值是三相容量7.6同步電機(jī)參數(shù)的測(cè)定一、用空載特性和短路特性確定Xd空載試驗(yàn)試驗(yàn)過(guò)程：電樞開(kāi)路(空載)，用原動(dòng)機(jī)把被試同步電機(jī)拖動(dòng)到同步轉(zhuǎn)速，改變勵(lì)磁電流If，并記取相應(yīng)的電樞端電壓U0(空載時(shí)即等于E0），直到U0≈1.25UN左右，可得空載特性曲線空載曲線短路實(shí)驗(yàn)接線圖短路特性圖短路試驗(yàn)試驗(yàn)過(guò)程：將被試同步電機(jī)的電樞端點(diǎn)三相短路，用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)被試電機(jī)到同步轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If使電樞電流I從零起一直增加到1.2IN左右，便可得到短路特性曲線，

短路時(shí)，，故，，而

所以

因?yàn)槎搪吩囼?yàn)時(shí)磁路為不飽和，所以這里的E0(每相值)應(yīng)從氣隙線上查出，如圖所示，求出的Xd值為不飽和值。

返回用空載和短路特性來(lái)確定Xd的飽和值與主磁路的飽和情況有關(guān)。主磁路的飽和程度取決于實(shí)際運(yùn)行時(shí)作用在主磁路上的合成磁動(dòng)勢(shì)，因而取決于相應(yīng)的氣隙電動(dòng)勢(shì)；如果不計(jì)漏阻抗壓降，則可近似認(rèn)為取決于電樞的端電壓，所以通常用對(duì)應(yīng)于額定電壓時(shí)的Xd值作為其飽和值。為此，從空載曲線上查出對(duì)應(yīng)于額定端電壓UN時(shí)的勵(lì)磁電流If0，再?gòu)亩搪诽匦陨喜槌雠c該勵(lì)磁電流相應(yīng)的短路電流，如圖所示，這樣即可求出Xd(飽和)(飽和)的確定7.7同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性一、同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性外特性:發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，且勵(lì)磁電流和負(fù)載功率因數(shù)不變時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓與電樞電流之間的關(guān)系：即n＝n1，If=常值，cosφ=常值時(shí)，U=f(I)。

運(yùn)行特性包括外特性、調(diào)整特性和效率特性。

cosΦ=0.8滯后cosΦ=1cosΦ=0.8超前同步發(fā)電機(jī)的外特性cosΦ=0.8滯后cosΦ=1cosΦ=0.8超前同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性調(diào)整特性:發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、端電壓為額定電壓、負(fù)載的功率因數(shù)不變時(shí)，勵(lì)磁電流與電樞電流之間的關(guān)系；即n＝n1，U=UN，cosφ=常值時(shí)，If=f(I)。效率特性:轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、端電壓為額定電壓、功率因數(shù)為額定功率因數(shù)時(shí)，發(fā)電機(jī)的效率與輸出功率的關(guān)系；即n＝n1，U=UN，cosφ=cosφN時(shí)，η=f(P2)。7.8同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)的條件和方法同步發(fā)電機(jī)的功角特性并聯(lián)運(yùn)行時(shí)同步發(fā)電機(jī)的功率調(diào)節(jié)7.8.1投入并聯(lián)的條件和方法(1)波形相同(2)頻率相同(3)幅值相同(4)相位相同(5)相序相同1.并聯(lián)條件發(fā)電機(jī)端電壓與電網(wǎng)電壓滿(mǎn)足以下條件：整步過(guò)程：為了將發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)運(yùn)行所進(jìn)行的調(diào)節(jié)和操作過(guò)程。準(zhǔn)確整步法：將發(fā)電機(jī)調(diào)到完全符合投入并聯(lián)條件，然后投入電網(wǎng)。自整步法：先驗(yàn)證發(fā)電機(jī)相序，拖到同步轉(zhuǎn)速，然后直接加入電網(wǎng)。準(zhǔn)確同步法－直接接法接線圖向量圖電機(jī)各端與電網(wǎng)同相端對(duì)應(yīng)，三燈泡同時(shí)亮、暗，當(dāng)燈泡亮、暗頻率很低并且燈泡變暗的瞬間為合閘的最佳時(shí)機(jī)。2.并聯(lián)方法接線圖向量圖準(zhǔn)確同步法－交叉接法一相燈泡同端連接，另外兩組交叉連接，三組燈泡依次亮、暗，當(dāng)三組燈泡亮度旋轉(zhuǎn)速度很慢且第一組燈泡變暗的瞬間為合閘的最佳時(shí)機(jī)。7.9同步發(fā)電機(jī)的功角特性4.9.1同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩原動(dòng)機(jī)nP1P2(輸入功率)(電磁功率)機(jī)械損耗鐵耗附加損耗定子繞組銅耗輸出電功率可得功率平衡方程又有由凸極機(jī)與隱極機(jī)向量圖，有所以有兩邊除以機(jī)械角速度Ω，有：空載損耗轉(zhuǎn)矩平衡方程由功率關(guān)系有：7.9.2同步發(fā)電機(jī)的功角特性功角特性：當(dāng)E0和U保持不變時(shí)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電磁功率和功率角之間的關(guān)系忽略定子電阻時(shí)，由凸極機(jī)向量圖，有代入上式，得功角特性表達(dá)式基本電磁功率附加電磁功率隱極同步發(fā)電機(jī)功角特性用標(biāo)么值表示為：凸極同步發(fā)電機(jī)功角特性凸極電機(jī)功角特性的一般化表達(dá)式基本電磁功率附加電磁功率用標(biāo)么值表示為：練習(xí)：有一臺(tái)70000kVA、13.8kV（星形連接），（滯后）的三相水輪發(fā)電機(jī)直接與電網(wǎng)相連。已知發(fā)電機(jī)參數(shù)：，，電樞電阻忽略不計(jì)。試求額定負(fù)載時(shí)發(fā)電機(jī)的功率角和激磁電動(dòng)勢(shì)，以及保持該勵(lì)磁時(shí)發(fā)電機(jī)的基本電磁功率及附加電磁功率的最大值。解：額定相電壓：額定相電流：內(nèi)功率因數(shù)角：功率角：由向量圖，有激磁電動(dòng)勢(shì)：基本電磁功率最大值：附加電磁功率最大值:7.10并聯(lián)運(yùn)行時(shí)同步發(fā)電機(jī)的功率調(diào)節(jié)無(wú)窮大電網(wǎng)：電網(wǎng)的頻率和電壓不受負(fù)載變化或其他擾動(dòng)的影響而保持為常數(shù)的電網(wǎng)。即恒頻恒壓的交流電網(wǎng)。為分析簡(jiǎn)便，以下都以隱極電機(jī)為例，并且不計(jì)飽和影響，忽略電樞電阻，視電網(wǎng)為“無(wú)窮大電網(wǎng)”，即U和f保持恒定。

要增加發(fā)電機(jī)輸出功率(有功功率)，就必須增加原動(dòng)機(jī)輸入功率，使功率角增大。當(dāng)角增至90°，輸出電磁功率達(dá)最大值Pemmax時(shí)，若繼續(xù)增加輸入功率，則輸入和輸出之間的平衡關(guān)系被破壞，致使電機(jī)轉(zhuǎn)子不斷加速并最終失步。一、有功功率調(diào)節(jié)Pemmax：極限功率功角δ的雙重物理意義1、是電動(dòng)勢(shì)和電壓間的時(shí)間相角差。2、是勵(lì)磁磁勢(shì)和合成磁勢(shì)間的空間相角差。δδ功角δ意義的圖示A：NSFδδNSFfT1nTemn1功角δ意義的圖示B功角δ是轉(zhuǎn)子磁極軸線和定子合成磁極軸線的空間夾角P090180（o）c１.靜態(tài)穩(wěn)定的分析發(fā)電機(jī)輸入功率增量（擾動(dòng)）使，，如圖10-2(a)中實(shí)線所示如圖10-2(a)中虛線所示二、靜態(tài)穩(wěn)定功－角特性曲線擾動(dòng)消失2.靜態(tài)不穩(wěn)定的分析擾動(dòng)使，如圖10-2(b)中實(shí)線所示，a’°°a’’at=0t(a)°°t=0t(b)

圖10-2功率角的變化過(guò)程(a)在a點(diǎn)運(yùn)行;(b)在b點(diǎn)運(yùn)行擾動(dòng)消失靜態(tài)穩(wěn)定的條件

靜態(tài)穩(wěn)定極限點(diǎn)：

其對(duì)應(yīng)的功率稱(chēng)為靜態(tài)穩(wěn)定極限功率當(dāng)電網(wǎng)或原動(dòng)機(jī)偶然發(fā)生微小擾動(dòng)時(shí)，若在擾動(dòng)消失后發(fā)電機(jī)能自行回復(fù)到原運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行，則稱(chēng)發(fā)電機(jī)是靜態(tài)穩(wěn)定的；反之，就是不穩(wěn)定的。整步功率系數(shù)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域：對(duì)隱極電機(jī)，則穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域?yàn)檫^(guò)載能力：最大電磁功率與額定功率之比整步功率系數(shù)其值越大，表明保持同步的能力越高，發(fā)電機(jī)的性能越好對(duì)隱極機(jī)由圖可以看出，E0的末端軌跡在直線CD上移動(dòng)，I的末端軌跡在直線AB上移動(dòng)。三、無(wú)功功率調(diào)節(jié)與V形曲線1.無(wú)功功率調(diào)節(jié)以隱極電機(jī)為例，忽略電樞電阻，輸出有功功率恒定Imin2.V形曲線當(dāng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If

時(shí)，E0變化，負(fù)載電流I改變。但是和不變化V形曲線特點(diǎn)：1、每條曲線的最低點(diǎn)：cosφ=1，連線向右傾斜2、不穩(wěn)定區(qū)域邊緣：δ=900，連線向右傾斜。1、正常勵(lì)磁：φ=0，cosφ=1，發(fā)P，Q=02、過(guò)勵(lì)磁：φ>0，cosφ滯后，發(fā)P，Q感性3、欠勵(lì)磁：φ<0，cosφ超前，發(fā)P，Q容性同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)一般采用凸極結(jié)構(gòu)；磁極表面安裝有起動(dòng)繞組（阻尼繞組）。同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)可以改善功率因數(shù)；低速時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)的體積與重量比同容量、同轉(zhuǎn)速的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)要小；氣隙大，Xd小，過(guò)載能力高，靜態(tài)穩(wěn)定性好。同步電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)起動(dòng)不方便；只適合恒速負(fù)載；結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。4.11同步電動(dòng)機(jī)與同步補(bǔ)償機(jī)

同步機(jī)的定子（電樞）和三相異步電動(dòng)機(jī)的一樣；而它的轉(zhuǎn)子是磁極，由直流勵(lì)磁。同步電動(dòng)機(jī)工作原理定子三相繞組通入三相交流電旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近n1時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)因受定子磁場(chǎng)磁拉力的作用而隨定子磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，達(dá)到同步轉(zhuǎn)速。若轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)與定子磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)相等。同步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化SN定子合成磁場(chǎng)N0S0主磁極TeδnsT1SN定子合成磁場(chǎng)Te=0N0S0主磁極nsT1SN定子合成磁場(chǎng)N0S0主磁極T2δnsTe同步電機(jī)電壓方程與相量圖發(fā)電機(jī)慣例：電動(dòng)機(jī)慣例：同步電動(dòng)機(jī)電壓方程～同步電機(jī)電壓方程與相量圖發(fā)電機(jī)慣例：電動(dòng)機(jī)慣例：同步電動(dòng)機(jī)的功角特性發(fā)電機(jī)慣例：電動(dòng)機(jī)慣例：同步電動(dòng)機(jī)的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程功率方程：轉(zhuǎn)矩方程：其中：同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性O(shè)前提：U＝UN，If＝IfN工作特性：Te＝f(P2)IM＝f(P2)η＝f(P2)cosφ＝f(P2)ηTeT0IMI0一、同步電動(dòng)機(jī)的工作特性同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)特性IfI’fI”fIf<I’f<I”f1.01.0O超前滯后結(jié)論：在同一勵(lì)磁電流下，隨著負(fù)載的增加，功率因數(shù)從超前變到滯后；在同一負(fù)載下，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，可以改善功率因數(shù)。同步電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率的調(diào)節(jié)正常勵(lì)磁：φM=0，cosφM=1，Q=0過(guò)勵(lì)磁：φM<0，cosφM超前，Q<0(容性)欠勵(lì)磁：φM>0，cosφM滯后，Q>0(感性)同步電動(dòng)機(jī)的V形曲線正常勵(lì)磁超前過(guò)勵(lì)滯后欠勵(lì)不穩(wěn)定區(qū)IfIMOPe=0P’e>0P”e>P’ecosφM=1cosφM=0.8