第六章同步電機的穩(wěn)態(tài)分析

1、第六章第六章 同步電機的穩(wěn)態(tài)分析同步電機的穩(wěn)態(tài)分析n同步電機和感應電機同屬于交流電機，與感應電機同步電機和感應電機同屬于交流電機，與感應電機 的區(qū)別是同步電機的轉子轉速的區(qū)別是同步電機的轉子轉速 n 與電網頻率與電網頻率 f 之間之間具有固定不變的關系具有固定不變的關系 ，而感應電機的轉，而感應電機的轉子轉速子轉速 nns。n本章主要講述同步發(fā)電機的工作原理、電磁關系，本章主要講述同步發(fā)電機的工作原理、電磁關系，導出基本方程、等效電路和相量圖；導出基本方程、等效電路和相量圖；n分析同步發(fā)電機的運行特性，以及與電網的并聯(lián)運分析同步發(fā)電機的運行特性，以及與電網的并聯(lián)運行和功率調節(jié)問題。行和功率調節(jié)

2、問題。n最后介紹同步電動機和同步補償機。最后介紹同步電動機和同步補償機。pfnns60第一節(jié) 同步電機的結構、工作原理和運行狀態(tài)第二節(jié) 同步發(fā)電機的的空載和負載運行第三節(jié) 隱極同步發(fā)電機電壓方程、相量圖和等效電路第四節(jié) 凸極同步發(fā)電機電壓方程和相量圖第五節(jié) 同步發(fā)電機的功率和轉矩方程第六節(jié) 同步電機參數的測定第七節(jié) 同步發(fā)電機的運行特性第八節(jié) 同步發(fā)電機與電網的并聯(lián)運行第九節(jié) 同步電動機與同步補償機第六章第六章 同步電機的穩(wěn)態(tài)分析同步電機的穩(wěn)態(tài)分析第一節(jié)第一節(jié) 同步電機的結構同步電機的結構 、工作原理和運行狀態(tài)工作原理和運行狀態(tài)一、同步電機的基本類型二、同步電機的基本結構三、同步發(fā)電機的工作原

3、理四、同步電機的運行狀態(tài)五、同步電機的勵磁方式六、同步電機的銘牌數據一、同步電機的基本類型同步電機的基本類型n按結構形式分轉樞式：用于小容量同步電機轉極式：用于高壓、大容量同步電機n按磁極形狀分隱極式：轉子圓柱形，氣隙均勻凸極式：轉子有明顯凸出的磁極，氣隙不均勻n發(fā)電機按原動機不同分汽輪發(fā)電機：高速，轉子隱極式, 細長形水輪發(fā)電機：低速，轉子凸極式, 短粗形n按冷卻介質和 冷卻方式分空冷外冷：空氣自然循環(huán)或風扇吹風強迫冷卻水冷內冷：需進水管、出水管等氫冷外冷或內冷：需密封系統(tǒng)，防爆防漏2)、定子繞組：由許多線圈按一定規(guī)律連接而成。大容量電機由于尺寸大，制成半匝式（線棒），每個線棒由若干銅線并在

4、一起，分成一排或兩排，兩個線棒的一端焊在一起，即成一個線圈。3)、機座：固定和支撐定子鐵心，并形成風道。二、同步電機的基本結構同步電機的基本結構(一)、隱極同步電機（臥式）隱極同步電機（臥式）1)、定子鐵心：由0.5mm厚的硅鋼片疊成，沿軸向分成好幾疊，每疊36cm，疊與疊之間留有寬0.81cm的通風溝。1、定子定子：包括定子鐵心、定子繞組、機座、端蓋等。2)、勵磁繞組：用扁銅線繞成同心式線圈，嵌放在大齒兩側的轉子槽中，并用非磁性硬鋁槽楔壓緊。3)、護環(huán)：為使勵磁繞組可靠地固定在轉子上，繞組端部還要套上用高強度非磁性鋼鍛成的護環(huán)。1)、轉子鐵心：一般用整塊的導磁性好的高強度合金鋼鍛成，轉子表面

5、約2/3部分銑有軸向凹槽，用于嵌放勵磁繞組，不銑槽的約1/3部分形成大齒，即磁極。2、轉子轉子：包括轉子鐵心、勵磁繞組、護環(huán)、風扇等。2)、定子繞組：大、中容量凸極電機采用波繞組，小容量凸極電機采用疊繞組。3)、機座：固定和支撐定子鐵心，并形成風道。因直徑大，通常采用分瓣機座。(二)、凸極同步電機（臥式或立式）凸極同步電機（臥式或立式）1)、定子鐵心：由0.5mm厚硅鋼片疊成，因直徑大，一般采用幾片扇形硅鋼片拼成一個圓形。1、定子定子：包括定子鐵心、定子繞組、機座等。臥式臥式：同步電動機、同步補償機和用內燃機或沖擊式水輪 機拖動的同步發(fā)電機。立式立式：低速、大容量水輪發(fā)電機和大型水泵用同步電動

6、機。3)、阻尼繞組：由插入磁極極靴槽中的銅條和兩端的端環(huán)焊成一個閉合繞組。在發(fā)電機不對稱運行時，起削弱負序旋轉磁場，抑制轉子機械振蕩的作用。2)、轉軸：用高強度鋼鍛成。因轉速低，轉子鐵心與轉軸分開鍛造。1)、轉子鐵心：即磁極，采用T尾或鳩尾與磁軛連接，磁軛與轉軸間用轉子支架支撐著，轉子支架固定在轉軸上。2、轉子轉子：包括轉子鐵心、轉軸、勵磁繞組、阻尼繞組等。4)、推力軸承：懸式：推力軸承裝在轉子上面的上機架上，整個轉子懸吊著。機械穩(wěn)定性好，但機組的軸向高度大，轉速較高的電機(150r/min以上)采用。傘式：推力軸承裝在轉子下面的下機架上，整個轉子被托架著。機械穩(wěn)定性差，但機組的軸向高度小，轉

7、速較低的電機(125r/min以下)采用。 定子上裝有三相對稱繞組互差120電角度。 轉子上安放直流勵磁繞組。ACBSN設轉子設轉子順時針旋轉順時針旋轉紫色為流入紫色為流入紅色為流出紅色為流出ns三、同步發(fā)電機的工作原理同步發(fā)電機的工作原理+ -集電環(huán)電刷當同步發(fā)電機被原動機拖動以同步轉速旋轉，轉子勵磁繞組通入直流勵磁電流時，轉子將產生主極磁動勢及相應的主極磁場（包括在氣隙中以同步轉速旋轉的主磁場和主極漏磁場）。主磁場通過氣隙并與定子繞組交鏈，在定子繞組中感應出三相交流電動勢，若定子繞組帶有負載，發(fā)電機將輸出電功率。)240sin()120sin(sintEetEetEemCmBmA2、電動勢

8、的大小電動勢的大小 三相定子繞組對稱，因此三相電動勢大小相等， 相位互差120電角度。 設 Em為相電動勢幅值，A相初相角為0，則：tEtlvBblvesin2sin1111、電動勢的波形電動勢的波形 若主磁場的氣隙磁密氣隙磁密沿圓周按正弦規(guī)律分布按正弦規(guī)律分布， 則定子導體感應電動勢感應電動勢隨時間按正弦規(guī)律變化按正弦規(guī)律變化：當 f =50Hz時，n =3000/p。汽輪發(fā)電機： p1 n=3000r/min；水輪發(fā)電機：例 p30 n=100r/min。同步電機的轉速與電網頻率有嚴格不變關系，同步電機的轉速與電網頻率有嚴格不變關系，即當電網頻率一定時，電機轉速不變即當電網頻率一定時，電機

9、轉速不變。3、電動勢的頻率電動勢的頻率若轉子每分鐘轉速為n，電動勢頻率為 當p1，轉子轉一周，電動勢交變一次；當p對極，轉子轉一周，電動勢交變p次；60pnf 四、同步電機的運行狀態(tài)同步電機的運行狀態(tài)當定子（電樞）繞組中流過對稱三相電流時，定子將產生電樞磁動勢及相應的電樞磁場（包括在氣隙中以同步轉速旋轉的電樞反應磁場和電樞漏磁場）。在氣隙中均以同步轉速旋轉的主磁場和電樞反應磁場共同合成為氣隙磁場。氣隙磁場在轉子內部深處沿著主極軸線然后逐漸扭斜，在進入定子時其軸線已偏離主極軸線一個角度，再加上電樞漏磁場，電樞合成磁場（包括主磁場、電樞反應磁場和電樞漏磁場）與主磁場之間的夾角為，稱為功率角。它越大

10、，則磁場所產生的切向力及電磁轉矩和電磁功率也越大。(a) 發(fā)電機(b) 補償機(c) 電動機SN表征電樞合成磁場的等效磁極nsN0S0主極nsTeN0S0主極nsSN表征電樞合成磁場的等效磁極nsTeSN表征電樞合成磁場的等效磁極nsN0S0主極nsTe= 0五、同步電機的勵磁方式同步電機的勵磁方式指同步電機獲得直流勵磁電流的方式；而供給勵磁電流的整個系統(tǒng)，稱為勵磁系統(tǒng)。(一)、直流勵磁機勵磁系統(tǒng)直流勵磁機勵磁系統(tǒng)：用同軸直流發(fā)電機供給勵磁。(二)、整流器勵磁系統(tǒng)整流器勵磁系統(tǒng)： (用晶閘管取代直流發(fā)電機電刷和換向器)1、靜止整流器勵磁系統(tǒng)靜止整流器勵磁系統(tǒng)：1)、他勵式：用同軸交流主勵磁機發(fā)

11、出交流電，經靜止半導體整流器整流后供給勵磁。2)、自勵式：(取消了交流勵磁機)取自同步發(fā)電機輸出的交流電，經晶閘管整流后供給勵磁。2、旋轉整流器勵磁系統(tǒng)旋轉整流器勵磁系統(tǒng)： (取消了同步發(fā)電機集電環(huán)和電刷) 用同軸轉樞式交流主勵磁機發(fā)出交流電，經同步發(fā)電機轉子上的半導體整流器整流后供給勵磁，稱為無刷勵磁系統(tǒng)。六、同步電機的額定值同步電機的額定值 1、額定容量額定容量SN (或額定功率或額定功率PN ) ：額定運行時電機的 輸出功率。 同步發(fā)電機SN (kVA)或PN (kW)；同步電動機PN (kW)； 同步補償機SN (kvar)。2、額定電壓額定電壓UN：額定運行時定子繞組的線電壓，單位為

12、伏(V)。3、額定電流額定電流IN：額定運行時定子繞組中的線電流， 單位為安(A)。4、額定功率因數額定功率因數cos N：額定運行時電機的功率因數。5、額定頻率額定頻率 fN：額定運行時電樞的頻率，我國工頻為50赫(Hz)。6、 額定轉速額定轉速nN：額定運行時電機的轉速，為同步轉速ns； 單位為轉/分(r/min)。還有絕緣等級、允許溫升、額定勵磁電壓和額定勵磁電流等。第二節(jié)第二節(jié) 同步發(fā)電機的同步發(fā)電機的空載和負載運行空載和負載運行一、同步發(fā)電機的空載運行空載特性二、同步發(fā)電機的負載運行電樞反應ACBSN一、同步發(fā)電機的空載運行同步發(fā)電機的空載運行 同步發(fā)電機被原動機拖動以同步轉速旋轉，

13、勵磁繞組通 入直流勵磁電流，電樞繞組開路或電樞電流為零的情況。設轉子設轉子順時針旋轉順時針旋轉紫色為流入紫色為流入紅色為流出紅色為流出ns0f主磁路包括氣隙、電樞齒、電樞軛、磁極極身和轉子軛五部分。)2 . 01 . 0(0f主極磁通主磁通0主極漏磁通f激磁電動勢的有效值011044. 4wkfNE 在同步轉速下，激磁電動勢E0與勵磁電流 If 之間的關系曲線E0= f ( If )，稱為同步電機的空載特性。fI0E0f1F1、空載時的電磁關系空載時的電磁關系0B2、空載特性空載特性0 E0= f ( If )E0,0 If , Ff氣隙線空載特性 If0 UN電機的磁化曲線0= f ( Ff

14、 )E025. 11 . 1 0f0f0NUEIIk空載額定電壓時主磁路飽和系數 If0不計飽和時：對稱負載時電樞磁動勢的基波對主磁場基波的影響稱為電樞反應。二、同步發(fā)電機的負載運行同步發(fā)電機的負載運行fIf1F1、負載時的電磁關系負載時的電磁關系IaF)( 0)( 0EEfI0E0IaEaaFf1FB0BaB把主磁場 和電樞反應磁場 疊加，即可得到負載時的氣隙合成磁場 。 （教材中把電樞磁動勢的基波在氣隙中所產生的磁場稱為電樞反應）0BaBBFA相相軸 (A相時軸)(1)、任一相的電流相量與該電流系統(tǒng)產生的合成磁動勢矢量重合；(2)、旋轉磁場與任一相繞組交鏈的磁通相量與旋轉磁場的磁密波矢量重

15、合；再加上(3)、忽略磁滯、渦流影響時，旋轉磁場的磁密波矢量與產生它的磁動勢矢量重合；(4)、磁通與其感應電動勢的正方向符合右手螺旋定則時，電動勢相量滯后于產生它的磁通相量90。復習時空矢量圖：復習時空矢量圖：aaBaFI把時間相量圖和空間矢量圖畫在一起，稱為時空矢量圖。把時間相量圖和空間矢量圖畫在一起，稱為時空矢量圖。對于對稱多相系統(tǒng)，在時空矢量圖中，若每一相都取自己的相軸作為時軸，則存在下列關系：aE同步發(fā)電機A相電流 達最大值時的 時空矢量圖時軸 A軸0BaFaB2、對稱負載時的電樞反應對稱負載時的電樞反應BC軸ACZXYB軸2mI設電流尾進設電流尾進首出為正，首出為正，IaF0f1F，

16、交軸電樞反應 000E(1)、電樞電流 與激磁電動勢 同相時 (0=0)0EIaB0Bf1FAI0AE0CE0BECIBImISNd軸(a) 空間矢量圖(c) 時空矢量圖(b) 時間相量圖q 軸紫色為流入紫色為流入紅色為流出紅色為流出Bns設轉子設轉子順時針旋轉順時針旋轉d軸 A軸q 軸時軸取主極軸線超前A相軸線90的時刻繪圖時軸 A軸0BaFaBBC軸ACZXYB軸IaF0f1F，直軸去磁電樞反應 9000E(2)、電樞電流 滯后激磁電動勢 90時 (0=90) 0EIaB0Bf1FAI0AE0CE0BECIBISNd軸(a) 空間矢量圖(c) 時空矢量圖(b) 時間相量圖q 軸nsd軸 A

17、軸q 軸時軸請同學們取A相電流達最大值的時刻繪圖時軸 A軸aFBC軸ACZXYB軸I)(aaBF0)(0f1BF，直軸增磁電樞反應 9000E(3)、電樞電流 超前激磁電動勢 90時 (0=90) 0EIf1FAI0AE0CE0BECIBISNd軸(a) 空間矢量圖(c) 時空矢量圖(b) 時間相量圖q 軸nsd軸 A軸q 軸時軸請同學們取A相電流達最大值的時刻繪圖時軸 A軸0BaFaBBC軸ACZXYB軸IaF0f1F電樞反應，兼有交軸和直軸去磁90000E(4)、一般情況下的電樞反應電樞電流 滯后激磁電動勢 一個銳角 (0090) 0EIaB0Bf1FAI0AE0CE0BECIBISNd軸

18、(a) 空間矢量圖(c) 時空矢量圖(b) 時間相量圖q 軸nsd軸 A軸q 軸時軸0adFaqF對稱負載時的電樞反應對稱負載時的電樞反應IaF0f1F0E0電樞反應取決于 與 的空間夾角，即取決于 與 的時間夾角0。fFaF0EIIaF0f1F，交磁 00IaF0f1F0IaF0f1F00E0E0E，去磁 900，增磁 900小結：(1)、電樞反應的性質與激磁電動勢 和電樞電流的夾角0(即內功率因數角)有關。(2)、電樞反應的性質有交磁、去磁、增磁三種。(3)、交軸電樞反應是實現機電能量轉換的關鍵，因為只有交軸電樞反應才產生制動性質的電磁轉矩，原動機必須克服制動電磁轉矩做功，從而將機械能轉變

19、成電能。0EI(1)00時，為交軸電樞反應，作用是使氣隙磁場軸線從空載時的直軸處逆轉向后移了一個銳角，主磁場超前氣隙磁場，主極上受到制動性質的電磁轉矩，使發(fā)電機轉速降低，影響發(fā)電機有功功率的輸出。(2)090時，為直軸去磁電樞反應，作用是使氣隙磁場削弱，發(fā)電機端電壓下降，影響發(fā)電機無功功率的輸出。(3)0-90時，為直軸增磁電樞反應，作用是使氣隙磁場增強，發(fā)電機端電壓上升，影響發(fā)電機無功功率的輸出。00、90和90時電樞反應的性質、作用和對電機功率傳遞的影響？一、隱極同步發(fā)電機的電壓方程、相量圖和等效電路二、凸極同步發(fā)電機的電壓方程和相量圖同步發(fā)電機的電壓方程、同步發(fā)電機的電壓方程、相量圖和等

20、效電路相量圖和等效電路第三節(jié)第三節(jié) 隱極同步發(fā)電機的隱極同步發(fā)電機的電壓方程、相量圖和等效電路電壓方程、相量圖和等效電路一、不考慮飽和（磁路線性，可應用疊加原理）fI0E0IaEaaFf1F1、電壓方程EEURIEEEaa0a11a44. 4wkfNjE1144. 4wkfNjEXXXXXI jRIUjXXI jRIUEas ssaaa0同步電抗電樞繞組漏電抗同理XXI jE 同相與同相與不計定子鐵耗， aaaIFBaaEIF a不計飽和IEXXaa a電樞反應電抗aaXI jE為分析方便，引入一個反映電樞反應磁通的參數，將電樞反應電動勢與電樞電流直接聯(lián)系起來 。激磁電動勢 與端電壓 的夾角稱

21、為功率角0EU2、相量圖和等效電路U0EaRIXI jaE0EaXI jEIa等效電路相量圖XaRIU0EsXaXE0二、考慮飽和（磁路非線性，不能應用疊加原理）fIIaFf1F1、電壓方程E)(XI jEE)(ajXRIUEURIEEaFaaaFkF2、磁動勢電動勢矢量圖具體計算時利用空載特性可直接求出氣隙合成磁動勢建立的氣隙電動勢，為此需要把基波電樞磁動勢換算到階梯形波的主極磁動勢上，即乘以電樞磁動勢的換算系數ka。ka的意義是：產生同樣大小的基波氣隙磁場時，一安匝基波電樞 磁動勢相當于多少安匝階梯形波主極磁動勢。aakINkFFffff1EFFFFkFkFkFFFaaaaaaff1f1

22、空載特性 EB正弦波：階梯形波：Ff 或 If E0UaFaRIXI j0EEI磁動勢電動勢矢量圖0空載特性F EFfE0FfFF1fFaF 第四節(jié)第四節(jié) 凸極同步發(fā)電機的凸極同步發(fā)電機的電壓方程和相量圖電壓方程和相量圖一、雙反應理論一、雙反應理論凸極同步電機的氣隙是不均勻的，極弧下氣隙較小，極間氣隙較大，即氣隙磁導是變化的，同樣大小的電樞磁動勢作用在不同位置時電樞反應將不相同。當電樞磁動勢恰好作用在直軸或交軸位置時，電樞磁場波形是對稱的，電樞反應不難確定。Baq1Baq()Faqq軸Bad1BadFadd軸一般情況下，電樞反應既不作用在直軸也不作用在交軸，此時電樞磁場分布是不對稱的，且無法用

23、解析式來表達，電樞反應難于直接確定。當電樞磁動勢既不作用在直軸也不作用在交軸時，可把電樞磁動勢分解成直軸和交軸兩個分量，然后分別求出直軸和交軸電樞磁動勢的電樞反應，最后再把它們的效果疊加起來。稱為雙反應理論二、凸極同步發(fā)電機的電壓方程和相量圖二、凸極同步發(fā)電機的電壓方程和相量圖fI0E0IadEaqaFfF(1)、電壓方程E1、不考慮飽和（磁路線性，可應用疊加原理）adFaqFadaqEURIEEEEaaqad0)(XI jEEaqqqadddqqddaaqqaddaaqqadda0 )()( XXXXXXXXXI jXI jRIUXXI jXXI jRIUjXXI jXI jRIUE交軸同步

24、電抗直軸同步電抗qaqaqaqaqqaqIEXXXI jE 交軸電樞反應電抗同理同相與同相與不計定子鐵耗，dadadadIFBadadE)sin( 0dadIIIFd不計飽和dadadIEXX ad直軸電樞反應電抗addadXI jE (2)、相量圖U0aRIqXI j00EUU，求激磁電動勢設0EddXI jI相量圖qqXI jdIqIQE00aqIRUIXUtgcossin10)(0qddQXXI jEE0)(0qddQXXIEE22)cos()sin(aqQIRUIXUEQqaQEXI jRIUE0 cos , sin0q0dIIIIqdXI j cos , sin0q0dIIII)(0

25、qddQXXIEE00EE00EE、相量法、有效值 法 cos sin0q0dIIII0 角是 與 的夾角，畫相量圖須先確定0 角。 與 不能同時存在，0 角是無法測出的。0EI0EI注意：第五節(jié)第五節(jié) 同步發(fā)電機的同步發(fā)電機的功率和轉矩方程功率和轉矩方程一、功率方程二、電磁功率三、轉矩方程1P機械功率pFepeP電磁功率p2P 電功率功率轉換流程圖功率轉換流程圖cuap機械損耗定子鐵耗雜散損耗電樞銅耗 (2) 2cuaepPP一、功率方程一、功率方程(1) 1pppPPFee設轉子勵磁損耗由獨立的直流電源供給)cos( cos 22aacuaeIRUmIRmImUIpPPaRI0EI相量圖Q

26、E0UXI jEqXI jqQQImEImEmEI cos cos 0二、電磁功率二、電磁功率的夾角與電樞電流是氣隙電動勢IE0coscoscosQaEEIRU三三、轉矩方程、轉矩方程0111 )()( TTTpppPPpppPPesFesesFee原動機驅動轉矩電磁轉矩空載制動轉矩第六節(jié)第六節(jié) 同步電機參數的測定同步電機參數的測定一、直軸同步電抗Xd的測定二、短路比三、定子漏抗X的測定四、直軸電樞等效磁動勢一、用空載特性和短路特性確定一、用空載特性和短路特性確定Xd1、空載特性0E0 If空載特性 If0 UN氣隙線將電樞繞組開路，在同步轉速下，測得激磁電動勢E0隨勵磁電流 If 變化的關系

27、曲線E0= f ( If )，稱為同步電機的空載特性。（即 n = ns，I = 0時，E0= f (If )曲線）2、短路特性將電樞繞組三相端頭短接，在同步轉速下，測得電樞穩(wěn)態(tài)短路電流 I 隨勵磁電流 If 變化的關系曲線 I = f ( If )，稱為同步電機的短路特性。（即 n = ns，U = 0時，I = f (If )曲線）IfIfk0IIN短路特性短路時，端電壓U0，短路電流僅受電機本身阻抗的限制，一般電樞電阻遠小于同步電抗，因此短路電流可認為是純感性的，即090，電樞磁動勢基本上是純去磁的直軸磁動勢，因此 ，于是 ，可得 I Eo 氣隙電動勢 ，可見氣隙電動勢很小，僅等于電樞漏

28、抗壓降，因此其對應的氣隙合成磁通很小，電機磁路處于不飽和狀態(tài)，于是 Eo If，而短路電流I Eo，因此I If，短路特性為一條直線。dqqddaXI jXI jXI jRIUE0dqIII ，0XI jXI jRIUEa為什么短路特性是一條直線？為什么短路特性是一條直線？qqddaXI jXI jRIUE0IEXd0Eo 應從氣隙線上查出0E0 If空載特性 If氣隙線0E0, I If空載特性 If0氣隙線短路特性I短路特性 UNIUXNd)(飽和E0, I IkXIEEUdN00E0線性磁化曲線3、直軸同步電抗的確定0E0, I If空載特性 If0氣隙線IfkI短路特性 UNIN二二、

29、短路比短路比Kc)fk()f0(NNIIUUcIIKdddbNXkXXZIUUIII11)()(NNN飽和飽和三、用零功率因數負載特性確定定子漏抗三、用零功率因數負載特性確定定子漏抗X和直軸和直軸電樞等效磁動勢電樞等效磁動勢1、零功率因數負載特性將電樞接到一個可調的三相對稱純感性負載上，使 ， 在同步轉速下，保持電樞電流為常值(例如I = IN)，測得同步電機端電壓U 隨勵磁電流 If 變化的關系曲線U = f ( If )，稱為同步電機的零功率因數負載特性。（即 n = ns，I =常值， 時，U = f (If )曲線）0cos0cosUXI j0EE零功率因數負載的相量圖fFFaadaF

30、kFIaF 900IXUEFkFFaadfIEAXfffaNAFNIFFkaaadIX0U If空載特性 Ifa UN零功率因數特性EBCAFEpIX實測的零功率因數特性(虛線) 表示空載時產生額定電壓所需的勵磁電流； 表示零功率因數負載時產生額定電壓所需的勵磁電流， 表示克服定子漏抗壓降所需增加的勵磁電流， 表示克服去磁電樞反應所需增加的勵磁電流。BCCAAFBF零功率因數負載特性的分析第七節(jié)第七節(jié) 同步發(fā)電機的運行特性同步發(fā)電機的運行特性n一、外特性n二、調整特性n三、效率特性IU)(8 . 0cos 1 滯后：0NI1cos 2：)(8 . 0cos 3超前：一、外特性一、外特性在同步轉

31、速下，保持勵磁電流和負載功率因數為常值，測得同步發(fā)電機端電壓U 隨電樞電流 I 變化的關系曲線U = f ( I )，稱為同步發(fā)電機的外特性。（即 n = ns，If =常值， =常值時，U = f( I )曲線）cosNU不同功率因數時同步發(fā)電機的外特性電樞反應增磁作用和容性電流的漏抗電壓引起端電壓U曲線1： ，曲線下降，原因：)(8 . 0cos滯后曲線2： ，曲線下降，原因：1cos曲線3： ，曲線上升，原因：)(8 . 0cos超前U0aRIXI j0EEI容性負載時相量圖aXI ja（1）I電樞反應去磁作用U （2）I漏阻抗壓降U 0，00，原因同上。If = IfN，%100 0N

32、NUUEu調節(jié)發(fā)電機的勵磁電流，使電樞電流為額定電流，功率因數為額定功率因數，端電壓為額定電壓，此勵磁電流稱為發(fā)電機的額定勵磁電流IfN。保持勵磁電流為IfN，轉速為同步轉速ns不變，卸去負載(即I = 0)，此時端電壓升高的百分值稱為同步發(fā)電機的電壓調整率。從外特性求電壓調整率從外特性求電壓調整率uIU0NINUcos cosNu0E為使電網電壓不致有太大波動，要求凸極同步發(fā)電機u=18%30%，隱極同步發(fā)電機u=30%48%。（均為cos = 0.8滯后時的數值）二、調整特性調整特性 在同步轉速下，保持端電壓為額定電壓，功率因數為常值時，勵磁電流 If 與電樞電流 I 的關系曲線If =

33、f ( I ) ，稱為同步發(fā)電機的調整特性。（即 n = ns，U = UN， cos 常值時， If = f ( I )曲線）IfI)(8 . 0cos 1 滯后：0NI1cos 2：)(8 . 0cos 3超前：fNI不同功率因數時同步發(fā)電機的調整特性f0I在同步轉速下，保持端電壓為額定電壓，功率因數為額定功率因數時，同步發(fā)電機的效率與輸出功率P2的關系曲線 = f ( P2 )，稱為同步發(fā)電機的效率特性。（即 n = ns，U = UN， cos cosN時， = f ( p2 )曲線）三、效率特性效率特性max2p01.0max發(fā)生在(0.71.1)PN 空冷大型水輪發(fā)電機：N=96%

34、98.5% 空冷汽輪發(fā)電機：N=94%97.8%100)1 (%100%10022212pPppPPPP電機效率比變壓器效率低，可用直接負載法：測量P1、P2來計算效率。也可用間接法（損耗分析法）：先測出損耗 ，再計算效率。ppppppcufcuaFe同軸勵磁機：勵磁損耗 pcuf由P1供給；單獨拖動的電動機勵磁機組：勵磁損耗pcuf由勵磁機組供給，而與P1無關。第八節(jié)第八節(jié) 同步發(fā)電機與電網的同步發(fā)電機與電網的并聯(lián)運行并聯(lián)運行一、并聯(lián)運行二、功角特性三、有功功率調節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定四、無功功率調節(jié)一、并聯(lián)運行一、并聯(lián)運行發(fā)電廠通常采用發(fā)電機并聯(lián)運行方式，即兩臺或兩臺以上發(fā)電機的三相繞組分別接在公用

35、三相母線上，共同向用戶提供有功、無功功率。許多發(fā)電廠再并聯(lián)起來組成強大電網。并聯(lián)運行優(yōu)點：(1)、提高發(fā)電廠運行效率；(2)、提高供電可靠性；(3)、提高供電質量；(4)、合理利用能源，提高經濟效益。1、投入并聯(lián)的條件(1)、發(fā)電機相序應與電網一致；(2)、發(fā)電機頻率應與電網相同；(3)、 發(fā)電機激磁電動勢 應與電網電壓 大小相等、相位相同，即 。0EUUE0GVU電網0EQ投入并聯(lián)示意圖不滿足并聯(lián)條件的后果：(3)、頻率不等(4)、相序不同電壓差強大環(huán)流巨大電磁力(破壞繞組)和沖擊力矩(轉軸受沖擊)(2)、 與 相位不同0EUU0EU(1)、 與 大小不等0EUU0EU變化電壓差(拍振電壓)

36、拍振電流交變力矩(發(fā)電機振動)和功率振蕩AU)(0AEBUCU)(0CE)(0BEUU3絕不允許并聯(lián)2、投入并聯(lián)的方法(1)、準確整步法（準確同步法、準確同期法）把發(fā)電機調整到完全合乎并聯(lián)條件，然后投入電網，稱為準確整步。為了投入并聯(lián)所進行的調節(jié)和操作過程，稱為整步過程。將發(fā)電機調整到符合并聯(lián)條件時，稱發(fā)電機達到同步或同期。將發(fā)電機投入電網，稱為并網、并列、或并車。準確整步法優(yōu)點：無沖擊電流；缺點：操作復雜。(2)、自整步法（自同步法、自同期法）電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，電壓、頻率均在變化，很難調整到完全合乎并聯(lián)條件，為把發(fā)電機迅速投入電網，采用自整步法，事故后能迅速合閘，但沖擊電流大。自整步法優(yōu)點

37、：操作簡單、迅速；缺點：有沖擊電流。判斷是否滿足并聯(lián)條件常采用同步指示器（包括同步指示燈、電壓表、頻率表、整步表等），最簡單的同步指示器由三組同步指示燈組成。檢查是否滿足并聯(lián)條件的方法：燈光法和整步表法。燈光法有兩種接法：直接接法（燈光熄滅法） 交叉接法（燈光旋轉法）(1)、準確整步法電網QSNAnVVVABCABC123待投入的發(fā)電機 f AUBUCUAUBUCU直接接法的接線圖和相量圖(a) 接線圖(b) 相量圖123(a)、頻率不等：三組燈同時忽亮忽暗，燈光閃爍；(b)、電壓大小或相位不等：長亮不閃；(c)、相序不同且頻率不等時：三組燈輪流亮暗，燈光旋轉。在三組燈同時熄滅，且A與A之間的

38、電壓表指示為零時的瞬間，合閘投入并聯(lián)。直接接法電網QSNAnVVVABCABC123待投入的發(fā)電機 f AUBUCUAUBUCU交叉接法的接線圖和相量圖(a) 接線圖(b) 相量圖123(a)、頻率不等：三組燈輪流亮暗，燈光旋轉； f f，燈光按逆時針方向旋轉； f f，燈光按順時針方向旋轉。(b)、電壓大小或相位不等：長亮不閃；(c)、相序不同且頻率不等時：三組燈同時忽亮忽暗，燈光閃爍。在燈1熄滅，燈2和燈3亮度相同，且A與A之間的電壓表指示為零時的瞬間，合閘投入并聯(lián)。交叉接法1U3U2U交叉接法燈光旋轉的分析AUBUCUAUBUCUAUBUCUAUBUCU2U3U123最亮半亮半亮123半

39、亮最亮半亮123半亮半亮最亮(假設 f f )AUBUCU1U3UCUAUBU2U1U (a)(b)(c)(2)、自整步法首先校驗發(fā)電機相序，然后將勵磁繞組經限流電阻短路，用原動機將發(fā)電機拖動到接近同步轉速時，將發(fā)電機投入電網，再立即加上直流勵磁，利用定、轉子磁場間形成的電磁轉矩的“自整步作用”，迅速將發(fā)電機牽入同步。SNnSNn自整步法的接線示意圖nsnsS0N0勵磁電源二、功角特性二、功角特性同步發(fā)電機接在電網上穩(wěn)態(tài)對稱運行時，在恒定勵磁和恒定電網電壓下（即E0 = 常值，U = 常值）， 發(fā)電機發(fā)出的電磁功率Pe與功率角之間的關系曲線Pe= f ()，稱為同步發(fā)電機的功角特性。不計電樞電

40、阻時的相量圖U00EddXI jIqqXI jqI0dI)sincos( )sinsincos(cos )cos( cos000dqeIImUmUImUImUIP（忽略電樞電阻）cos sin0UEXIUXIddqqddqqXUEIXUIcos sin02sin)11(2sin20dqdeXXUmXUEmP功率附加電磁功率，或磁阻基本電磁功率2sin)11(2sin2201dqedeXXUmPXUEmP )11(245 902max20max1dqedeXXUmPXUEmP時，時，Pe1PePe204590Pe180-180發(fā)電機電動機同步電機功角特性max2max1max9045eeePPP

41、時功率角的雙重物理意義功率角的雙重物理意義U0EuB0B激磁電動勢 由主磁場 感應產生，電樞端電壓 由電樞合成磁場 感應產生，因此功率角既是激磁電動勢 和電樞端電壓 的時間相位差，也是主磁場 與電樞合成磁場 的空間相位差。U0EU0E0BuB0BuBN0S0主極nsSN表征電樞合成磁場的等效磁極ns(a) 時空矢量圖(b) 功率角的近似空間表達電樞合成磁場由主磁場、電樞反應磁場和電樞漏磁場合成令激磁電動勢 與氣隙電動勢 的夾角為i，因為主磁場 和氣隙合成磁場 分別超前 和 90 ，因此i 也是主磁場與氣隙合成磁場的空間相位差，它反映了負載后氣隙磁場的位移，所以將i 稱為位移角。0EE0BB0EE當同步發(fā)電機被原動機拖動以同步轉速旋轉，轉子勵磁繞組通入直流勵磁電流時，轉子將產生主極磁動勢及相應的主極磁場（包括在氣隙中以同步轉速旋轉的主磁場和主極漏磁場）。