電機與拖動課程第5章同步電機的基本理論

*5.7微型同步電動機5.10三相同步發(fā)電機的運行特性5.2三相同步電機的基本結(jié)構(gòu)5.1三相同步電機的工作原理第5章同步電機的基本理論5.2三相同步電機的基本結(jié)構(gòu)5.3三相同步電動機的運行分析5.4三相同步電動機的功率和轉(zhuǎn)矩5.5三相同步電動機的的運行特性5.6三相同步電動機功率因數(shù)的調(diào)節(jié)5.8三相同步發(fā)電機的運行分析5.9三相同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩5.11同步發(fā)電機與電網(wǎng)的并聯(lián)運行5.1三相同步電機的工作原理第5章（作者：賀曉蓉）V1V2W2W1U1U2NS5.1三相同步電機的工作原理定子+Uf－If轉(zhuǎn)子勵磁繞組一、三相同步電動機

定子旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子直流磁極。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同步60f1pn=n0=第5章（作者：賀曉蓉）V1V2W2W1U1U2NS

同步電動機中的磁通勢定子——電樞。電樞旋轉(zhuǎn)磁通勢Fam轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁通勢F0m氣隙旋轉(zhuǎn)磁通勢Fm

NSSNn0n0θ

電樞反應——Fam對Fm

的影響。NSSN電動機狀態(tài)n0n0理想空載狀態(tài)F0mFamFmθ功角第5章（作者：賀曉蓉）

同步電動機中的感應電動勢V1V2W2W1U1U2NSF0mFamFmθF0m電樞三相繞組中感應E0Fm電樞三相繞組中感應E1E0在時間上滯后于E1θ角F0m在空間上滯后于Fmθ角－E0在時間上滯后于－

E1θ角第5章（作者：賀曉蓉）二、三相同步發(fā)電機勵磁機→F0m旋轉(zhuǎn)的F0m和Φ0E0原動機電樞三相繞組中感應SNn0NSn0θ發(fā)電機運行NSSNn0n0理想空載狀態(tài)V1V2W2W1U1U2NSF0mFamFmθ閉合回路三相交流電

第5章（作者：賀曉蓉）三、三相同步電機的可逆運行NSSNn0n0θ電動機狀態(tài)NSSNn0n0理想空載狀態(tài)SNn0NSn0θ發(fā)電機運行第5章（作者：賀曉蓉）同步電機與異步電機主要結(jié)構(gòu)部件對比：從結(jié)構(gòu)上看，二者定子繞組和定子鐵心完全一樣，而且轉(zhuǎn)子鐵心也都由導磁材料構(gòu)成，二者的區(qū)別就在于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。5.2三相同步電機的基本結(jié)構(gòu)第5章（作者：賀曉蓉）在同步電機中，轉(zhuǎn)子是主磁極，當外加的直流勵磁電流流入轉(zhuǎn)子繞組時，轉(zhuǎn)子鐵芯便表現(xiàn)出固定的極性，隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，相當于一塊旋轉(zhuǎn)的磁鐵。在異步電機中轉(zhuǎn)子繞組是一個自行閉合的繞組，當氣隙磁場切割轉(zhuǎn)子繞組時，便會在轉(zhuǎn)子繞組中感應電勢產(chǎn)生電流，轉(zhuǎn)子鐵芯便表現(xiàn)為表面旋轉(zhuǎn)變化的磁極。第5章（作者：賀曉蓉）第5章（作者：賀曉蓉）一、主要部件1.定子（電樞）由硅鋼片疊成。對稱三相繞組。(1)定子鐵心：(2)定子繞組：(3)機座和端蓋等。定子鐵芯端蓋第5章（作者：賀曉蓉）汽輪發(fā)電機的定子第5章（作者：賀曉蓉）(1)轉(zhuǎn)子鐵心：由整塊鑄（鍛）鋼制成。(2)勵磁繞組：工作時施加直流電勵磁。(3)阻尼繞組和轉(zhuǎn)軸等。阻尼繞組在同步發(fā)電機中，阻尼繞組抑制轉(zhuǎn)子機械振蕩；在同步電動機中，阻尼繞組做起動繞組用。2.轉(zhuǎn)子第5章（作者：賀曉蓉）NS+－3~×3~·····×××××+－NS按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同：隱極式、凸極式。(a)凸極式(b)隱極式磁極數(shù)多、直徑大、氣隙不均勻。多用于水輪發(fā)電機和一般中小型同步電機。磁極數(shù)少，直徑小，氣隙均勻。主要用于大型汽輪發(fā)電機。第5章（作者：賀曉蓉）轉(zhuǎn)子鐵芯(a)凸極式(b)隱極式第5章（作者：賀曉蓉）區(qū)別：對于高速旋轉(zhuǎn)的同步電機，在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上，我們采用隱極式，而對于低速旋轉(zhuǎn)的電機，由于轉(zhuǎn)子的圓周速度較低，離心力較小，故采用制造簡單、勵磁繞組集中安放的凸極式結(jié)構(gòu)。大型同步發(fā)電機通常用汽輪機或水輪機作為原動機來拖動，前者稱為汽輪發(fā)電機，后者稱為水輪發(fā)電機。汽輪發(fā)電機：由氣輪機作為原動機，臥式安裝、轉(zhuǎn)速高、極對數(shù)少，采用隱極式?；痣娬竞秃穗娬静捎谩Ｋ啺l(fā)電機：由水輪機作為原動機，立式安裝、轉(zhuǎn)速低、極對數(shù)多，采用凸極式。水電站采用。第5章（作者：賀曉蓉）水輪發(fā)電機：立式安裝勵磁機發(fā)電機水輪機第5章（作者：賀曉蓉）小浪底電站水輪機組安裝第5章（作者：賀曉蓉）三峽電站首臺機組安裝第5章（作者：賀曉蓉）大連理工大學電氣工程系水力發(fā)電第5章（作者：賀曉蓉）汽輪發(fā)電機：臥式安裝勵磁機發(fā)電機汽輪機第5章（作者：賀曉蓉）火力發(fā)電廠第5章（作者：賀曉蓉）燃燒室燃料鍋爐的爐膛循環(huán)水汽輪機發(fā)電機3600r/min升壓變壓器超熱高壓蒸汽電能輸出電能的產(chǎn)生第5章（作者：賀曉蓉）

熱電廠1煤傳送帶2加煤機3粉碎機4鍋爐5煤渣6空氣預熱器7靜電除塵8煙囪9汽輪機10冷凝器11變壓器12冷卻塔13發(fā)電機14輸電線第5章（作者：賀曉蓉）二、勵磁方式1.直流勵磁機勵磁勵磁繞組由小型直流發(fā)電機供電。2.靜止整流器勵磁交流勵磁機→整流→直流電3.旋轉(zhuǎn)整流器勵磁交流勵磁機→整流→直流電→勵磁繞組。由于這種勵磁系統(tǒng)取消了集電環(huán)和電刷裝置，故又稱為無刷勵磁系統(tǒng)。電刷集電環(huán)勵磁繞組。第5章（作者：賀曉蓉）在中、小型電機中，都采用空氣作為冷卻介質(zhì)。當電機的容量很大時，電機內(nèi)部的損耗及發(fā)熱量迅速增加，冷卻問題顯得格外重要，此時必須加強通風或采用其他的冷卻方式。在大型汽輪發(fā)電機中，為了提高其冷卻效率，往往用氫氣冷卻，但是氫氣與空氣混合后，有爆炸危險，必須有一套控制設備來保證外界空氣不會滲入到電機內(nèi)部。目前在更大容量的發(fā)電機中，可以采用導線內(nèi)部直接冷卻。例如采用空心導體（如圖），冷卻介質(zhì)直接在導體中流通而把熱量帶走，這樣能更有效地降低電機的溫升。所采用的冷卻介質(zhì)一般有氫氣及水等。三、冷卻系統(tǒng)第5章（作者：賀曉蓉）補充：超導體發(fā)電機近年來世界各國開始研制超導體氣輪發(fā)電機，它是巨型氣輪發(fā)電機的一種很有前途的冷卻方式。由于超導狀態(tài)下電機繞組的電阻完全消失，從而徹底解決了電機的溫升問題，也大大提高了電機的效率。所謂超導發(fā)電機是指常規(guī)發(fā)電機的勵磁繞組導線采用超導體或勵磁繞組與電樞繞組均采用超導體的發(fā)電機后者又叫做全超導發(fā)電機?，F(xiàn)各國研制的超導發(fā)電機大多數(shù)是前者。世界首座高熱超導體氫發(fā)電廠2006年11月在德國巴伐利亞一座水電廠安裝。這座發(fā)電廠由Zenergy電力公司開發(fā)，裝機為1.25兆瓦。據(jù)公司宣稱，氫發(fā)電機以Zenergy公司有名的高溫超導體材料制造，它能使機器效率提高到98％以上。第5章（作者：賀曉蓉）超群的超導磁體

由于超導材料在超導狀態(tài)下具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得10萬高斯以上的穩(wěn)態(tài)強磁場。而用常規(guī)導體做磁體，要產(chǎn)生這么大的磁場，需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻水，投資巨大。

超導磁體在電力方面的應用：可用于制作交流超導發(fā)電機、磁流體發(fā)電機和超導輸電線路等。超導發(fā)電機

在電力領域，利用超導線圈磁體可以將發(fā)電機的磁場強度提高到5萬～6萬高斯，并且?guī)缀鯖]有能量損失，這種發(fā)電機便是交流超導發(fā)電機。超導發(fā)電機的單機發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機提高5～10倍，達1萬兆瓦，而體積卻減少1/2，整機重量減輕1/3，發(fā)電效率提高50％。第5章（作者：賀曉蓉）磁流體發(fā)電機磁流體發(fā)電機同樣離不開超導強磁體的幫助。磁流體發(fā)電，是利用高溫導電性氣體（等離子體）作導體，并高速通過磁場強度為5萬～6萬高斯的強磁場而發(fā)電。磁流體發(fā)電機的結(jié)構(gòu)非常簡單，用于磁流體發(fā)電的高溫導電性氣體還可重復利用。

超導輸電線路

超導材料還可以用于制作超導電線和超導變壓器，從而把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。據(jù)統(tǒng)計，目前的銅或鋁導線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失即達1000多億度。若改為超導輸電，節(jié)省的電能相當于新建數(shù)十個大型發(fā)電廠。有專家預測，按現(xiàn)在的電價和用電量計算，如果我國輸電線路全部采用超導電纜，則每年可節(jié)約400億元。

第5章（作者：賀曉蓉）圖：75m、10.5kV/1.5kA交流高溫超導電纜

云電集團、英納超導公司于2004年完成33m長、35kV/2kA高溫超導交流電纜的開發(fā)，安裝在云南普吉變電站中運行。

第5章（作者：賀曉蓉）四、額定值1.額定電壓UN：線電壓的額定值。2.額定電流IN：線電流的額定值。3.額定功率PN：輸出功率的額定值。三相同步電動機：PN

=√3UNINNN三相同步發(fā)電機：PN

=√3UNINN4.額定轉(zhuǎn)速

nN：額定運行時的轉(zhuǎn)速。5.額定頻率fN：50Hz。第5章（作者：賀曉蓉）一、三相隱極同步電動機的運行分析1.基本方程式＋U1－Uf→If→F0mFmU1→I1→FamE1電樞感應→Φ合成磁通勢U1=R1I1－E－E1E

=－j

X

I1※漏磁感應電動勢：※R1、X——定子每相繞組的電阻、漏電抗。5.3三相同步電動機的運行分析R1I1E漏磁通E1ER1I1第5章（作者：賀曉蓉）(勵磁電動勢不變)(電樞反應電動勢隨負載變化)如果不計磁路飽和，則Uf→If→F0m→Φ0U1→I1→Fam→E0→Φa→Ea

→ER1I1E1=E0

+EaU1=－E1+(R1＋j

X

)I1Ea

=－j

Xa

I1※Xa

——電樞反應電抗。U1=－E0－Ea－E＋R1I1疊加定理忽略磁路飽和第5章（作者：賀曉蓉）在同樣大小電流情況下,如果越大，電樞反應電勢也越大，表示著電樞磁勢所產(chǎn)生的電樞磁通很強。因此的大小可以說明電樞反應的強弱?！鵛a

——電樞反應電抗。第5章（作者：賀曉蓉）U1=－E0＋(R1＋j

X＋j

Xa

)

I1U1=－E0＋(R1＋jXs

)

I1※

Xs=X＋Xa——同步電抗。一般：R1＜＜

Xs，忽略R1，則U1=－E0＋j

XsI12.等效電路R1jXs+U1－I1－

+E0第5章（作者：賀曉蓉）3.相量圖U1=－E0＋(R1＋jXs

)

I1U1(a)電感性I1R1I1jXsI1－E0Ψ——功率因數(shù)角。Ψ——內(nèi)功率因數(shù)角。已知：－E0滯后于－E1θ角，U1=－E1＋(R1＋j

X)

I1θ因此－E0滯后于

U1θ角?！郑璄1（忽略R1和X）(b)電阻性U1I1－E0jXsI1R1I1θ=Ψ(c)電容性U1I1R1I1jXsI1－E0θΨ

=±Ψ感性取負容性取正第5章（作者：賀曉蓉）U1=－E0＋jXsI1(a)電感性U1I1jXsI1－E0如果忽略R1，則有同樣有關(guān)系

Ψ=±(b)電阻性U1I1－E0jXsI1θ=Ψ(c)電容性U1I1jXsI1－E0θΨΨθ第5章（作者：賀曉蓉）大連理工大學電氣工程系二、三相凸極同步電動機的運行分析

特點：氣隙不均勻。同樣的(I1)Fam

→產(chǎn)生不同的Φa

→對應不同的Xa

。

如果磁路不飽和：將I1分解為兩個分量。－E0I1IqΨId直軸分量：Id

=I1sinΨ交軸分量：Iq

=I1cosΨI1=

Id＋Iq——雙反應理論。5.3三相同步電動機的運行分析V1V2W2W1U1U2NSFam直軸d交軸qF0mE0

=－j4.44kw1

N1f1Φ0第5章（作者：賀曉蓉）1.基本方程式＋U1－I1Uf→If→F0m→Φ0→E0U1→I1→Id→Iq→Fad→Faq→Φad→Φaq→Ead→EaqΦ

→E

R1I1U1=－E0－Ead－Eaq－E＋R1I1Ead

=－jXad

Id※Xad

——直軸電樞反應電抗。Xaq

——交軸電樞反應電抗。Eaq

=－jXaq

IqE0EEadEaqR1第5章（作者：賀曉蓉）E=－jXσI1I1=Id＋IqU1=－E0＋j

Xad

Id＋j

Xaq

Iq＋j

XσI1＋R1I1=－E0＋j

(Xad＋X)

Id＋j

(Xaq＋X)

Iq＋R1I1U1=－E0＋jXd

Id＋jXq

Iq＋R1I1※Xd

=

Xad＋X——直軸同步電抗。

Xq

=

Xaq＋X——交軸同步電抗。

如果忽略R1，則U1

=－E0＋jXd

Id＋jXq

Iq

∵交軸方向的氣隙大第5章（作者：賀曉蓉）Ψ－E0I1IqId－E0I1IqΨId－j(Xd－Xq)IdEQ

設虛擬電動勢EQ

=E0－j(Xd－Xq

)Id2.等效電路(a)I1滯后于－E0時jIdEQ(b)I1超前于－E0時jId結(jié)論：EQ

與E0同相位。U1

=－E0＋R1I1＋jXd

Id＋jXq

Iq－jXq

Id＋jXq

Id

U1=－EQ＋(R1＋jXq

)I1－j(Xd－Xq)IdE0E0第5章（作者：賀曉蓉）※

隱極電動機可視為凸極電動機的特例：

Xd=Xq=Xs

EQ=E0R1jXq+U1－I1－

+EQR1jXs+U1－I1－

+E0U1=－EQ＋(R1＋jXq

)I1第5章（作者：賀曉蓉）3.相量圖

設已知U1、I1、、Xd、Xq

。

取U1=U10o(1)畫I1。(2)畫R1I1和jXq

I1。(3)畫(－EQ)

，確定(－E0)的方位。(4)由I1分解出Id

和Iq。(5)畫jXd

Id和jXq

Iq。(6)畫(－E0)。IdU1I1R1I1jXqI1－EQIqjXd

IdjXq

Iq－E0U1=－EQ＋(R1＋jXq

)I1U1=－E0＋jXd

Id＋jXq

Iq＋R1I1第5章（作者：賀曉蓉）(a)電感性(b)電阻性IdU1I1R1I1jXqI1－EQIqjXd

IdjXq

Iq－E0R1I1IdU1I1jXqI1－EQIqjXd

IdjXq

Iq－E0U1I1R1I1jXqI1－EQIqIdjXd

IdjXq

Iq－E0(c)電容性第5章（作者：賀曉蓉）U1I1jXqI1－EQIdIqjXd

IdjXq

Iq－E0

忽略R1時的相量圖(簡化相量圖)

(a)電感性jXq

IqU1I1jXqI1－EQIqIdjXd

Id－E0(b)電阻性U1=－EQ

＋jXq

I1U1=－E0＋jXdId＋jXq

Iq－EQjXq

Iq－E0U1I1jXqI1IdIqjXd

IdΨθ(c)電容性第5章（作者：賀曉蓉）

由相量圖求得

Ψ=±θ

由簡化相量圖還可以求得tanΨ=U1sin±XqI1U1cos※電感性時取“－”，電容性時取“＋”。Xd=E0－U1cosθIdXq=U1sinθIq－EQjXq

Iq－E0U1I1jXqI1IdIqjXd

IdΨθ(c)電容性第5章（作者：賀曉蓉）5.4三相同步電動機的功率和轉(zhuǎn)矩一、功率1.輸入功率（不計勵磁功率）P1=3U1I1cos2.電樞銅損耗

PCu=3R1I123.電磁功率

Pe

=P1－PCu第5章（作者：賀曉蓉）U1I1R1I1jXsI1－E0Ψ

在隱極同步電動機中

Pe=3E0I1cosΨ

在凸極同步電動機中

Pe=3EQI1cosΨ4.空載損耗

P0

=PFe＋Pme＋Pad鐵損耗機械損耗附加損耗IdU1I1R1I1jXqI1－EQIqjXd

IdjXq

Iq－E0第5章（作者：賀曉蓉）5.輸出功率

P2=Pe－P06.總損耗Pal=

PCu＋PFe＋Pme＋Pad7.功率平衡方程式

P1

－P2=

Pal

8.效率

P1PCuPeP0P2

=×100%

P2P1第5章（作者：賀曉蓉）二、轉(zhuǎn)矩1.轉(zhuǎn)矩平衡方程式T2=T－T04.空載轉(zhuǎn)矩2.輸出轉(zhuǎn)矩3.電磁轉(zhuǎn)矩T2

=P2Ω==9.55P2n60P22nT

=PeΩ==9.55Pen60Pe2nT0

=P0Ω==9.55P0n60P02n第5章（作者：賀曉蓉）穩(wěn)定運行時T2=TL

忽略T0，則

T=T2=TL

第5章（作者：賀曉蓉）5.5三相同步電動機的運行特性

運行特性當U1=UN，f1=fN

，

If=常數(shù)時，I1、T、、

=f(P2)的關(guān)系。當U1與E0（即n

和If）為常數(shù)時：

Pe

=f(θ)

T

=f(θ)——功角特性——矩角特性一、隱極同步電動機的功角特性和矩角特性如果忽略R1，則有

U1sinθ=Xs

I1cosΨU1I1－E0θΨΨjXsI1感性第5章（作者：賀曉蓉）Pe

=3sinθ

U1E0XsT

=3sinθ

U1E0XsΩOPe

/

Tθ

90o

PeM(TM)※當θ=90o時:

Pe

=PeM，T

=TM代入Pe和T的公式，可得Pe=3E0I1cosΨ將

U1sinθ=Xs

I1cosΨ第5章（作者：賀曉蓉）電動機為電容性時U1sinθ

=Xq

I1cosΨXd

Id

=E0－U1cosEQ

=E0－(Xd－Xq)Id二、凸極同步電動機的功角特性和矩角特性U1I1jXqI1－EQjXd

IdjXq

Iq－E0θΨΨ電動機為電感性時U1sinθ=XqI1cosΨXd

Id

=U1cos－E0EQ

=E0＋(Xd－Xq)IdU1I1jXqI1－EQIdIqjXd

IdjXq

Iq－E0θΨΨ第5章（作者：賀曉蓉）Pe代入Pe和T的公式可得

3U1E0Xd

=sin1Xq＋(

－

)

sin23U1221Xd3U1E0XdΩ

T

=sin1Xq+(

－

)

sin23U122Ω1XdPe=Pe'

＋

Pe"T

=T＋T

Pe=3E0I1cosΨ第5章（作者：賀曉蓉）

討論：(1)3U1E0Xd

Pe'=sinPe'∝E0，當轉(zhuǎn)子有勵磁即If≠0時存在。(2)1XqPe"=

(

－

)

sin2

3U1221XdPe"是由于Xd≠Xq

而引起的，與If是否存在無關(guān)。

結(jié)論：(1)

Pe"使PeM。(2)

PeM

產(chǎn)生在θ＜90o

處。(3)

功角特性與矩角特性不再是正弦波?！痉至俊！郊臃至?。OPe

/

Tθ

90o

PeM(TM)Pe'Pe"Pe第5章（作者：賀曉蓉）為了結(jié)構(gòu)上的簡單，在某些小容量同步電動機的轉(zhuǎn)子上不安放直流勵磁繞組，因此轉(zhuǎn)子就不能產(chǎn)生磁場，感應電勢此時電動機的電磁功率并不為零，仍有

有了電磁功率就有電磁轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子沒有勵磁的凸極同步電動機也能旋轉(zhuǎn)。（附加分量與勵磁狀態(tài)無關(guān)。）第5章（作者：賀曉蓉）大連理工大學電氣工程系5.6三相同步電動機功率因數(shù)的調(diào)節(jié)

同步電動機的主要優(yōu)點

調(diào)節(jié)If

→

調(diào)節(jié)cos→－90o＜＜90o(純電容性)(純電感性)

調(diào)節(jié)If

改變cos的原理以隱極同步電動機為例，并忽略R1和T0。調(diào)節(jié)If時，U1、f1、TL都不變，則T和Pe

不變，即T和P1不變。根據(jù)：Pe

=3sinU1E0Xs

=P1=3U1I1cos第5章（作者：賀曉蓉）可得如下關(guān)系：E0sinθ=常數(shù)I1cos=常數(shù)另一方面:因此，改變If而使E0改變時，I1、θ和均要改變。當If→E0→θ。當If

→E0

→θ。U1=－E0＋j

XsI1U1jXsI1－E0－E0'aajXsI1I1'bb－E0"jXsI1I1"θI1O第5章（作者：賀曉蓉）(1)正常勵磁當If=If0時，

I1

與U1同相，

=1,電機呈電阻性。(2)欠勵磁

當If＜If0時，I1(I1'

)滯后于U1，電機呈電感性。If

→

，感性程度。U1jXsI1－E0θ－E0'aajXsI1I1'bb－E0"jXsI1I1"I1O(3)過勵磁當If＞If0時，電機呈電容性，If

→||

，容性程度

。I1(I1")超前于U1，第5章（作者：賀曉蓉）通常同步電動機多在過勵狀態(tài)下運行，以便從電網(wǎng)吸收超前電流（即向電網(wǎng)輸出滯后電流），改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。即調(diào)節(jié)勵磁電流，就可以改變電網(wǎng)的功率因數(shù)。.當勵磁電流If由小到大變化時，定子電流I1

從大小大。滯后超前第5章（作者：賀曉蓉）同步電動機的V形曲線當U1=

UN、f1

=

fN、TL不變時：

I1=f(If

)OI1IfP2'P2"欠勵過勵

If0＜cos=1第5章（作者：賀曉蓉）調(diào)節(jié)同步電動機的勵磁電流，可改變其定子電流的無功分量和功率因數(shù)，這是同步電動機一種天賦的可貴特性。我們知道，感應電動機必須從電網(wǎng)吸收激磁電流來建立磁場，所以現(xiàn)代電網(wǎng)的功率因數(shù)經(jīng)常是滯后性的。而同步電動機在過勵時，能夠從電網(wǎng)吸入超前電流。因此，如將同步電動機在過勵狀態(tài)下和感應電動機接在同一電網(wǎng)上，便可以使供電系統(tǒng)的功率因數(shù)提高。據(jù)報道，我國每年因無功分量過大造成的線損高達15%左右，折成可變線損電量約為1200億kwh，如果用無功補償將電網(wǎng)功率因數(shù)從0.85提高到0.95，則每年可降低線損約240億kwh。第5章（作者：賀曉蓉）國家供用電規(guī)則規(guī)定：無功電力應就地平衡，用戶應在提高用電自然功率因數(shù)的基礎上，設計和裝置無功補償設備，并做到隨其負荷和電壓變動及時投入或切除，防止無功倒送。還規(guī)定用戶的功率因數(shù)應達到相應的標準（），否則供電部門可以拒絕供電。因此，無論對供電部門還是用電部門，對無功功率進行自動補償以提高功率因數(shù)，防止無功倒送，從而節(jié)約電能，提高運行質(zhì)量都具有非常重要的意義。

第5章（作者：賀曉蓉）功率因素補償問題問題與討論同步調(diào)相機：同步電動機工作于過勵狀態(tài)，可以使同步電機向電網(wǎng)“送出”無功功率，減少電網(wǎng)輸送給工礦企業(yè)的無功功率，從而提高了工礦企業(yè)的功率因數(shù)。同步電動機的突出優(yōu)點就是可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流來調(diào)節(jié)功率因數(shù)，可以使功率因數(shù)高到1.0甚至超前，在一個工廠中只需要有少數(shù)幾臺大容量恒轉(zhuǎn)速的設備（例如風機、水泵、壓縮機等）采用同步電動機，就足以改善全廠的功率因數(shù)。異步電動機同步化：異步電動機同步運行就是將異步電動機三相轉(zhuǎn)子繞組適當連接并通入直流勵磁電流，使其呈同步電動機運行，這就是“異步電動機同步化”。因而只要調(diào)節(jié)電機的直流勵磁電流，使其呈過勵狀態(tài)，即能向電網(wǎng)輸出無功，從而達到提高低壓網(wǎng)功率因數(shù)的目的。

第5章（作者：賀曉蓉）R1jXs+U1－I1－

+E0+U1－R1jXsI1＋－E0三相隱極同步發(fā)電機三相隱極同步電動機U1=E0－(R1＋j

Xs

)

I1U1=－E0＋(R1＋jXs

)

I15.8三相同步發(fā)電機的運行分析一、三相隱極同步發(fā)電機的運行分析第5章（作者：賀曉蓉）R1jXq+U1－I1－

+EQI1R1jXq+U1－＋－EQ三相凸極同步發(fā)電機三相凸極同步電動機U1=EQ－（R1＋j

Xq

)I1U1=－EQ＋(R1＋jXq

)I1二、三相凸極同步發(fā)電機的運行分析第5章（作者：賀曉蓉）P1P0PePCuP2P1PCuPeP0P2三相同步發(fā)電機P2=3U1I1cosT1=T+T0三相同步電動機P2=3U1I1cosT2=T－T05.9三相同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩第5章（作者：賀曉蓉）電樞反應：電樞磁動勢(定子)對主極磁場(轉(zhuǎn)子)的影響。電樞反應使氣隙磁場發(fā)生畸變，除直接關(guān)聯(lián)到機電能量轉(zhuǎn)換外，還有去磁或增磁作用，對同步電機的運行性能產(chǎn)生重要的影響。電樞反應的性質(zhì)主要決定于勵磁（空載）電動勢和電樞負載電流之間的相位差（稱為內(nèi)功率因數(shù)角）

。三相同步電機的電樞反應第5章（作者：賀曉蓉）這個結(jié)論十分重要，它對同步電機性能的影響將在后面提到。有直軸去磁電樞反應。時，°<<°900y(輸出感性或純電阻性電流)，有直軸增磁電樞反應。時，°<<°-090y(輸出容性電流)，第5章（作者：賀曉蓉）5.10三相同步發(fā)電機的運行特性一、外特性當n=nN，If、=常數(shù)時，U1L與I1L的關(guān)系，即U1L=f(I1L)。調(diào)節(jié)If，使I1L=IN、

=N、U1L=UN時，

If=IfN。OU1LI1Lcos=0.8(＞0)cos=0.8(＜0)cos=1UNINVR=×100%E0－UNPUNP電壓調(diào)整率：保持nN、N、IfN時，第5章（作者：賀曉蓉）二、調(diào)節(jié)特性保持n=nN、U1L=UN、=N時，If與I1的關(guān)系，即If=f(I1)。OIfI1cos=0.8(＞0)cos=0.8(＜0)cos=1三、功角特性功角特性：保持n、If、U1不變時，Pe

與

的關(guān)系，即Pe

=f(

)。

矩角特性：保持n、If、U1不變時，T

與

的關(guān)系，即T

=f(

)。※

上述關(guān)系與同步電動機的關(guān)系相同。第5章（作者：賀曉蓉）5.11同步發(fā)電機與電網(wǎng)的并聯(lián)運行

并聯(lián)運行的優(yōu)點(1)提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟指標。(2)減少發(fā)電廠備用機組的容量。(3)提高電能供應的可靠性。(4)提高電能供應的質(zhì)量。一、并聯(lián)運行的條件相序一致、頻率相同、電壓相等。以避免電網(wǎng)與發(fā)電機之間產(chǎn)生大的沖擊電流和在發(fā)電機軸上產(chǎn)生大的沖擊轉(zhuǎn)矩。第5章（作者：賀曉蓉）U＋U1A－S＋U1B－1.電壓相等如果則U1A≠U1B△U=U1A－U1B≠02.頻率相等如果：A≠BU1AU1BAB——U=0~2U1U1AU1BU1AU1BUU1AU1BUU1AU1BU第5章（作者：賀曉蓉）U1BUU1BVU1BW3.相序相同如果相序不同，則UU=

0UV=U1AV－U1BVUW=U1AW－U1BWU1AUU1AVU1AWUVUW二、并聯(lián)運行的方法調(diào)節(jié)If→調(diào)節(jié)E0

；調(diào)節(jié)n→調(diào)節(jié)f

。1.理想同步法（準同步法）2.自同步法第5章（作者：賀曉蓉）準同步法燈光明暗法操作步驟：(1)沖轉(zhuǎn)——將發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高到額定轉(zhuǎn)速；(2)投勵——調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流的大小，使系統(tǒng)側(cè)和待并發(fā)電機電壓表讀數(shù)相等，頻率表的讀數(shù)相等；(3)用燈光法檢查相序，相序相同；(4)將同步表s接入，繼續(xù)調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使整步表指針順時針緩慢轉(zhuǎn)動；(5)觀察整步表指針轉(zhuǎn)動情況，當指針接近同步點時，迅速合閘，完成并列操作；(6)合閘成功后，將同步表退出。第5章（作者：賀曉蓉）第5章（作者：賀曉蓉）A.燈光明暗法檢查相序(看動畫)電壓調(diào)整好后，如果相序一致，燈光應表現(xiàn)為明暗交替，如果燈光不是明暗交替，則說明相序不一致，這時應調(diào)整發(fā)電機的出線相序或電網(wǎng)的引線相序，嚴格保證相序一致；通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速改變頻率，直到燈光明暗交替十分緩慢時，說明和電網(wǎng)的頻率已十分接近，這時等待燈光完全變暗的瞬間到來，即可合閘并車。燈光法檢查相序第5章（作者：賀曉蓉）B燈光旋轉(zhuǎn)法(看動畫)參看圖(b)，燈1跨接于A1B，燈2跨接于B1A，燈3跨接于C1C。旋轉(zhuǎn)法并車方法為：電壓調(diào)整好后，如果相序一致，則燈光旋轉(zhuǎn)，否則說明相序不一致，這時應調(diào)整發(fā)電機的出線相序或電網(wǎng)的引線相序，嚴格保證相序一致；通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速改變頻率，直到燈光旋轉(zhuǎn)十分緩慢時，說明和電網(wǎng)頻率已十分接近，這時等待燈3完全熄滅而另外2組燈亮度相同的時刻，即可合閘并車。燈光法又稱為理想整步法。由于它對并車條件逐一檢查和調(diào)整，所以費時較多。第5章（作者：賀曉蓉）a)燈1滅，2、3亮；b)燈2滅，1、3亮；c)燈3滅，2、1亮第5章（作者：賀曉蓉）自同步法用自同步法進行并列操作，是在相序一致的情況下，將勵磁繞組通過適當?shù)碾娮瓒探?，再用原動機把發(fā)電機拖動到接近同步轉(zhuǎn)速(相差2％～5％)，在沒有接通勵磁電流的情況下將發(fā)電機接入電網(wǎng)，再接通勵磁并調(diào)節(jié)勵磁強弱，依靠定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場之間的電磁轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子拉入同步轉(zhuǎn)速，并車過程即告結(jié)束。需要注意的是，勵磁繞組必須通過一限流電阻短接，因為直接開路，將在其中感應出危險的高壓；直接短路，將在定、轉(zhuǎn)子繞組間產(chǎn)生很大的沖擊電流。自同步法的優(yōu)點是：操作簡單，方便快捷；缺點是：合閘時有沖擊電流，一般在要求把發(fā)電機迅速投入電網(wǎng)時采用。第5章（作者：賀曉蓉）三、有功功率的調(diào)節(jié)

無窮大電網(wǎng)容量很大、頻率和電壓基本不受負載與其他干擾的影響，即恒頻恒壓的電網(wǎng)。1.有功功率的調(diào)節(jié)方法調(diào)節(jié)進水量進汽量→T1(P1)→T1＞T

+T0→n→

→T(n)

→T1=T+T0為止，重新在n=n0下穩(wěn)定運行。第5章（作者：賀曉蓉）大連理工大學電氣工程系2.

靜態(tài)穩(wěn)定0Pe/Tθ

90o

aa'同步發(fā)電機能否穩(wěn)定運行取決于它工作在什么區(qū)域，這種穩(wěn)定稱為靜態(tài)穩(wěn)定。第5章（作者：賀曉蓉）0Pe/Tθ

90o

a'0Pe/Tθ

90o

aTT1=T

+

T0a點：

T1

→

→T…

T1=T+T0為止，在b點重新穩(wěn)定運行0<<M——穩(wěn)定運行區(qū)。bT1'

=T'

+

T0a'

點：

T1

→→T

···T1更大于T+T0，n再也回不到n0→失步。M<<180°——不穩(wěn)定運行區(qū)。穩(wěn)定運行區(qū)第5章（作者：賀曉蓉）振蕩幅度過大，超過穩(wěn)定區(qū)而引起的失步。阻尼繞組可抑制振蕩。4.過載能力MP=P2MPN=1.7~3.03.動態(tài)穩(wěn)定阻尼繞組抑制振蕩原理：正常運行時，阻尼繞組與轉(zhuǎn)子一起同步旋轉(zhuǎn)，與旋轉(zhuǎn)磁場沒有相對運動，不會感應電勢；當轉(zhuǎn)子在穩(wěn)定工作點振蕩時，阻尼繞組便會產(chǎn)生感應電勢和感應電流，該電流與磁場相互作用產(chǎn)生的電磁力與轉(zhuǎn)子的振蕩方向相反，因而可以抑制振蕩。阻尼繞組第5章（作者：賀曉蓉）四、無功功率的調(diào)節(jié)1.調(diào)節(jié)方法調(diào)節(jié)IfPe

=3sin

U1E0Xs=3U1I1cos=P2

即：E0sin=常數(shù)

I1cos=常數(shù)2.調(diào)節(jié)原理

調(diào)節(jié)If時，因U1和P2不變，忽略R1和T0，則

第5章（作者：賀曉蓉）(1)正常勵磁當If=If0時，=0，=1，Q2=0，發(fā)電機不輸出無功功率。I1與U1同相，U1E0I1jXsI1E0'aajXsI1'I1'E0"jXsI1"I1"bb第5章（作者：賀曉蓉）2.欠勵磁當If＜If0時，發(fā)電機輸出電容性無功功率；

If

→Q2

。3.過勵磁當If＞If0時，發(fā)電機輸出電感性無功功率；If

→Q2

。I1(I1')超前于U1，I1(I1")滯后于U1，第5章（作者：賀曉蓉）練習題5.1.15.1.25.2.15.2.25.3.15.3.25.3.35.3.45.4.15.5.15.5.25.6.15.6.2*以教師畫勾的題為準。5.8.15.8.25.9.1