第八章 同步電機

1、精選文檔第八章 同步電機8.1 同步電機原理和結(jié)構(gòu) 1同步發(fā)電機原理簡述 （1）結(jié)構(gòu)模型：同步發(fā)電機和其它類型的旋轉(zhuǎn)電機一樣，由固定的定子和可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成。最常用的轉(zhuǎn)場式同步電機的定子鐵心的內(nèi)圓均勻分布著定子槽，槽內(nèi)嵌放著按一定規(guī)律排列的三相對稱交流繞組。這種同步電機的定子又稱為電樞，定子鐵心和繞組又稱為電樞鐵心和電樞繞組。轉(zhuǎn)子鐵心上裝有制成一定形狀的成對磁極，磁極上繞有勵磁繞組，通以直流電流時，將會在電機的氣隙中形成極性相間的分布磁場，稱為勵磁磁場（也稱主磁場、轉(zhuǎn)子磁場）。除了轉(zhuǎn)場式同步電機外，還有轉(zhuǎn)樞式同步發(fā)電機，其磁極安裝于定子上，而交流繞組分布于轉(zhuǎn)子表面的槽內(nèi)，這種同步電機的

2、轉(zhuǎn)子充當了電樞。圖8-1-1給出了典型的轉(zhuǎn)場式同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)模型。圖中用AX、BY，CZ 共3個在空間錯開120°電角度分布的線圈代表三相對稱交流繞組。（2）工作原理圖8-1-1 同步電機結(jié)構(gòu)模型同步電機電樞繞組是三相對稱交流繞組，當原動拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，通入三相對稱電流后，會產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)磁場，隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組（相當于繞組的導體反向切割勵磁磁場），會在其中感應出大小和方向按周期性變化的交變電勢，每相感應電勢的有效值為， E04.44fNfkw （8-1-1）式中 f電源頻率；f每極平均磁通； N繞組總導體數(shù)；kw繞組系數(shù)；E0是由勵磁繞組產(chǎn)生的磁通f在電樞繞組中感應

3、而得，稱為勵磁電勢（也稱主電勢、空載電勢、轉(zhuǎn)子電勢）。由于三相電樞繞組在空間分布的對稱性，決定了三相繞組中的感應電勢將在的時間上呈現(xiàn)出對稱性，即在時間相位上相互錯開1/3周期。通過繞組的出線端將三相感應電勢引出后可以作為交流電源?？梢?，同步發(fā)電機可以將原動機提供給轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)化為三相對稱的交變電能。感應電勢的頻率決定于同步電機的轉(zhuǎn)速n和極對數(shù)p，即供電品質(zhì)考慮，由眾多同步發(fā)電機并聯(lián)構(gòu)成的交流電網(wǎng)的頻率應該是一個不變的值，這就要求發(fā)電機的頻率應該和電網(wǎng)的頻率一致。我國電網(wǎng)的頻率為f=50Hz。 2同步電機的額定值和型號 （1）額定值：額定容量SN(VA,kVA,MVA)或額定功率PN(W,

4、kW,MW)：指電機輸出功率的保證值。發(fā)電機通過額定容量值可以確定電樞電流，通過額定功率可以確定配套原動機的容量。電動機的額定容量一般用kW表示，補償機則用kWAR表示。額定電壓UN(V,kV)：指額定運行時定子輸出端的線電壓。 額定電流IN(A)：指額定運行時定子輸出端的線電流。 額定功率因數(shù) ：額定運行時電機的功率因數(shù)。 額定頻率fN(Hz)：額定運行時電機電樞輸出端電能的頻率，我國標準工業(yè)頻率規(guī)定為50Hz。額定轉(zhuǎn)速nN(r/min)：額定運行時電機的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速。除上述額定值外，同步電機銘牌上還常列出一些其它的運行數(shù)據(jù)，例如額定負載時的溫升N，勵磁容量PfN和勵磁電壓UfN等。（2

5、）國產(chǎn)同步電機型號： 我國生產(chǎn)的汽輪發(fā)電機有QFQ，QFN，QFS等系列，前兩個字母表示汽輪發(fā)電機；第三個字母表示冷卻方式；Q表示氫外冷，N表示氫內(nèi)冷，S表示雙水內(nèi)冷。我國生產(chǎn)的大型水輪發(fā)電機為TS系列，T表示同步，S表示水輪。舉例來說：QFS3002表示容量為300MW雙水內(nèi)冷2極汽輪發(fā)電機。TSS1264/48表赤雙水內(nèi)冷水輪發(fā)電機，定子外徑為1264cm，鐵心長為160cm，極數(shù)為48。此外同步電動機系列有TD，TDL等，TD表示同步電動機，后面的字母指出其主要用途。如TDG表示高速同步電動機；TDL表示立式同步電動機。同步補償機為TT系列。8.2 同步發(fā)電機勵磁方式簡介 1直流勵磁機勵

6、磁 直流勵磁機通常與同步發(fā)電機同軸，采用并勵或者他勵接法。采用他勵接法時，勵磁機的勵磁電流由另一臺被稱為副勵磁機的同軸的直流發(fā)電機供給。如圖8-2-1所示。 圖8-2-1 直流勵磁機勵磁系統(tǒng)2靜止整流器勵磁同一軸上有3臺交流發(fā)電機，即主發(fā)電機、交流主勵磁機和交流副勵磁機。副勵磁機的勵磁電流開始時由外部直流電源提供，待電壓建立起來再轉(zhuǎn)為自勵（有時采用永磁發(fā)電機）。副勵磁機的輸出電流經(jīng)過靜止晶閘管整流后供給主勵磁機，而主勵磁機的交流輸出電流經(jīng)過靜止的三相橋式硅整流器整流后供給主發(fā)電機的勵磁繞組。（見圖8-2-2）圖8-2-2靜止整流器勵磁系統(tǒng)3旋轉(zhuǎn)整流器勵磁靜止整流器的直流輸出必須經(jīng)過電刷和集電環(huán)

7、才能輸送到旋轉(zhuǎn)的勵磁繞組，對于大容量的同步發(fā)電機，其勵磁電流達到數(shù)千安培，使得集電環(huán)嚴重過熱。因此，在大容量的同步發(fā)電機中，常采用不需要電刷和集電環(huán)的旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)，如圖8-2-3所示。主勵磁機是旋轉(zhuǎn)電樞式三相同步發(fā)電機，旋轉(zhuǎn)電樞的交流電流經(jīng)與主軸一起旋轉(zhuǎn)的硅整器整流后，直接送到主發(fā)電機的轉(zhuǎn)子勵繞組。交流主勵磁機的勵磁電流由同軸的交流副勵磁機靜止的晶閘管整流器整流后供給。由于這種勵磁系統(tǒng)取消了集電環(huán)和電環(huán)和電刷裝置，故又稱為無刷勵磁系統(tǒng)。圖8-2-3 旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)8.3 同步電機電樞反應的概念 1負載后的磁勢分析空載時，同步電機中只有一個以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的勵磁磁勢Ff，它在電樞繞組中感

8、應出三相對稱交流電勢，其每相有效值為E0，稱為勵磁電勢。電樞繞組每相端電壓UE0。當電樞繞組接上三相對稱負載后，電樞繞組和負載一起構(gòu)成閉合通路，通路中流過的是三相對稱的交流電流 。我們知道，當三相對稱電流流過三相對稱繞組時，將會形成一個以同步速度旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁勢。由此可見，負載以后同步電機內(nèi)部將會產(chǎn)生又一個旋轉(zhuǎn)磁勢Fa電樞旋轉(zhuǎn)磁勢。因此，同步發(fā)電機接上三相對稱負載以后，電機中除了隨軸同轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁勢Ff（稱為機械旋轉(zhuǎn)磁勢）外，又多了一個電樞旋轉(zhuǎn)磁勢Fa（稱為電氣旋轉(zhuǎn)磁勢）。如圖8-3-1所示，不難證明這兩個旋轉(zhuǎn)磁勢的轉(zhuǎn)速均為同步速，而且轉(zhuǎn)向一致，二者在空間處于相對靜止狀態(tài)，可以用矢量加法將其合成為

9、一個合成磁勢F。氣隙磁場B可以看成是由合成磁勢F在電機的氣隙中建立起來的磁場。B也是以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場?？梢娡桨l(fā)電機負載以后，電機內(nèi)部的磁勢和磁場將發(fā)生顯著變化，這一變化主要由電樞磁勢的出現(xiàn)所致。2電樞反應圖8-3-1 負載后電機中的旋轉(zhuǎn)磁勢電樞磁勢的存在，將使氣隙磁場的大小和位置發(fā)生變化，我們把這一現(xiàn)象稱為電樞反應。電樞反應會對電機性能產(chǎn)生重大影響。電樞反應的情況決定于空間相量Fa和Ff之間的夾角，從下面的分析可知，這一夾角又和時間相量之間的相位差相關(guān)連。稱為內(nèi)功率因數(shù)角，其大小由負載的性質(zhì)決定。可見的大?。簇撦d的性質(zhì)）決定了Fa和Ff之間的夾角，也即決定了電樞反應的情況。為了分析

10、方便，將轉(zhuǎn)子磁極的軸線定義為直軸，并用d表示；將與直軸正交的方向定義為交軸，并用q表示。以下從同步發(fā)電機的時空相量圖入手對各種情況下的電樞反應進行分析。（1）同步發(fā)電機的時空相量圖 如圖8-3-2所示的瞬間，A相繞組中感應電勢達到最大值，此時如果，即A相電流亦達到最大值。由異步電機介紹可知，電樞磁勢（三相合成磁勢）Fa的軸線將和A相線圈的軸線重合。一般情況下，（時間相量）滯后或超前于（時間相量） 電角度時，F(xiàn)a（空間相量）的軸線位置也滯后或超前于A相繞組的軸線電角度。即在時間上的相位差等于Fa的軸線和A相繞組軸線的空間角度差。以上結(jié)論雖然是在一個特殊的瞬間（磁極軸線和A相繞組軸線重合時）得出的

11、，由于Fa和Ff同速同步旋轉(zhuǎn)，故在負載一定的情況下，F(xiàn)a和Ff的空間相位差等于90°電角度。圖8-3-2 同步發(fā)電機時空相量圖為了分析方便，人們常將時間相量 和空間相量Ff，F(xiàn)a，F(xiàn)畫在一起構(gòu)成所謂的時空相量圖（見圖8-3-2）。在時空相量圖中 （處于磁極軸線方向，即d方向）重合， 滯后電角度（處于相鄰一對磁極的中性線位置，即q方向）， 和 之間的相位差 由負載性質(zhì)決定，F(xiàn)a和 重合。利用時空相量圖（圖8-3-3），可以方便地分析不同負載情況時同步發(fā)電機電樞反應的情況。（2） 和 同相位或者反相位時的電樞反應此時，或者180°，F(xiàn)a與Ff之間的夾角為90°或者27

12、0°，如圖8-3-3(a)所示，即二者正交，轉(zhuǎn)子磁勢作用在直軸上，而電樞磁勢作用在交軸上，電樞反應的結(jié)果使得合成磁勢的軸線位置產(chǎn)生一定的偏移，幅值發(fā)生一定的變化。這種作用在交軸上的電樞反應稱為交軸電樞反應，簡稱交磁作用。圖8-3-3 用時空相量圖分析同步發(fā)電機的電樞反應(a)=0°；(b) =90°(c) 0°<<90°；(d)-90°0° （3）滯后于 90 °時的電樞反應此時=90°，F(xiàn)a與Ff之間的夾角為180°,如圖8-3-3(b)所示，即二者反相，轉(zhuǎn)子磁勢和電樞磁勢一同作用

13、在直軸上，方向相反，電樞反應為純?nèi)ゴ抛饔茫铣纱艅莸姆禍p小，這一電樞反應稱為直軸去磁電樞反應。（4）超前于 90°時的電樞反應此時=90°，F(xiàn)a與Ff之間的夾角為0°，即二者同相，轉(zhuǎn)子磁勢和電樞磁勢一同作用在直軸上，方向相同，電樞反應為純增磁作用，合成磁勢的幅值加大，這一電樞反應稱為直軸增磁電樞反應。（5）一般情況下的電樞反應（8-3-2）（8-3-1）一般情況下（為任意角度時），參看圖8-3-3(c)和(d)，可將 分解為直軸分量 和交軸分量 產(chǎn)生直軸電樞磁勢Fad，F(xiàn)ad與Ff同相或反相，起增磁或者去磁作用； 產(chǎn)生交軸電樞磁勢Faq，F(xiàn)aq與Ff正交，起交磁

14、作用。根據(jù)正交分解原理有：84 電樞反應電抗和同步電抗 當三相對稱的電樞電流流過電樞繞組時，將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的電樞磁勢Fa，F(xiàn)a將在電機內(nèi)部產(chǎn)生跨過氣隙的電樞反應磁通和不通氣隙的漏磁通將在分別在電樞各相繞組中感應出電樞反應電勢和漏磁電勢的大小成正比（不計飽和），比例常數(shù)稱為電樞反應電抗Xa，考慮到相位關(guān)系后，每相電樞反應電勢為： (8-4-1) 電樞反應電抗Xa的大小和電樞反應磁通所經(jīng)過磁路的磁阻成反比，所經(jīng)過的磁路與電樞磁勢Fa軸線的位置有關(guān)。對于凸極電機而言，當Fa和Ff重合時，即Fa和磁極的軸線重合時，經(jīng)過直軸氣隙和鐵心而閉合（這條磁路稱為交軸磁路），如圖8-4-1(a)所示。此時由于直軸磁路

15、中的氣隙較短，磁阻較小，所以電樞反應電抗就較大。當Fa和Ff正交時，即Fa和磁極的軸線垂直時， 經(jīng)過交軸氣隙和鐵心而閉合（這條磁路稱為直軸磁路），如圖8-4-1(b)所示。此時由于交軸磁路中的氣隙較長，磁阻較大，所以電樞反應電抗就較小。一般情況下，F(xiàn)a和Ff之間的夾角由負載的性質(zhì)決定，為 的流通路徑介于直軸磁路和交軸磁路之間，電樞反應電抗的大小也就介于最大和最小之間。8-4-1 凸極電機中樞磁通的流通路徑(a)直軸磁路； (b)交軸磁路由于Fa和Ff之間的夾角受制于內(nèi)功率因數(shù)角（即負載的性質(zhì)），不同負載時，F(xiàn)a和Ff之間的夾角不同，對應的Xa也就不同，這給分析問題帶來了諸多不便。為了解決這一問

16、題，人們采用了正交分解法和疊加原理，將Fa看成是其直軸分量Fad和交軸分量Faq的疊加，并認為Fad單獨激勵直軸電樞反應磁通，其流通路徑為直軸磁路，對應有一個固定的直軸電樞反應電抗Xad，并在電樞每組繞組中產(chǎn)生直軸電樞反應電勢單獨激勵交軸電樞反應磁通，其流通路徑為交軸磁路，對應有一個固定的交軸電樞反應電抗Xaq，并在電樞每相繞組中產(chǎn)生交軸電樞反應電勢。電樞繞組總的電樞反應電勢可以寫為 (8-4-2)（8-4-3）考慮到漏磁通 引起的漏抗電勢為電樞繞組的漏電抗）后，電樞繞組中由電樞電流引起的總的感應電勢為 其中，Xd=Xad+X定義為直軸同步電抗，Xq= Xaq+ X定義為交軸同步電抗。對于隱極

17、電機來說，由于電樞為圓柱體，忽略轉(zhuǎn)子齒槽分布所引起的氣隙不均勻后，可以認為隱極電機直軸磁路和交軸磁路的磁阻相等，直軸和交軸電樞反應電抗相等，即Xa= Xad= Xaq。結(jié)合 ，并代入式（8-4-3）可得 (8-4-4) 式中Xs= Xa+ X定義為隱極電機的同步電抗。由定義可知，同步電抗包括兩部分：電樞繞組的漏電抗和電樞反應電抗。在實用上，常將二者作為一個整體參數(shù)來處理，這樣便于分析和測量。8.5 同步發(fā)電機并入電網(wǎng)條件與方法把同步發(fā)電機并聯(lián)至電網(wǎng)的過程稱為投入并聯(lián)，或稱為并列、并車、整步。在并車時必須避免產(chǎn)生巨大的沖擊電流，以防止同步發(fā)電機受到損壞、電網(wǎng)遭受干擾。為此，并車前必須檢查發(fā)電機和

18、電網(wǎng)是否適合以下條件：（1）雙方應有一致的相序；（2）雙方應有相等的電壓；（3）雙方應有同樣或者十分接近的頻率和相位。圖8-5-1 同步發(fā)電機并聯(lián)運行下面研究這些條件之一得不到滿足時會發(fā)生的情況。（1）如果雙方電壓有效值不相等，在圖8-5-1中，電網(wǎng)用一個等效發(fā)電機A來表示，B表示即將并車的發(fā)電機。若U不等于U1，在開關(guān)K的兩端，會出現(xiàn)差額電壓U=U1-U，如果閉合K，在發(fā)電機和電網(wǎng)組成的回路中必然會出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊電流。因此，在并車時，電壓的有效值必須相等。（2）如果雙方頻率或者相位不相等，則U和U1不能同步變化，即U和U1的瞬時值將不相等，并車后也會出現(xiàn)瞬時電壓差U，從而引起并車沖擊電流。因此

19、，要求頻率必須相等或十分接近。（3）如果雙方相序不一致，U和U1的瞬時值將會出現(xiàn)較大的差值電壓，錯誤并車將會產(chǎn)生很大的沖擊電流。因此，并車時必須嚴格保證相序一致。上述條件中，除相序一致是絕對條件外，其它條件都是相對的，因為通常電機可以承受一些小的沖擊電流。并車的準備工作是檢查并車條件和確定合閘時刻。通常用電壓表測量電網(wǎng)電壓U1，并調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流使得發(fā)電機的輸出電壓UU1的。再借助同步指示器檢查調(diào)整頻率和相位以確定合閘時刻。同步指示器通常采用以下兩種連接方法：1燈光明暗法 如圖8-5-2(a)所示，將3只燈泡直接跨接于電網(wǎng)與發(fā)電機的對應相之間，燈泡兩端的電壓即為發(fā)電機端電壓U電網(wǎng)電壓U1的

20、差值UUU1，在圖8-5-3中，用相量A1，B1，C1表示電網(wǎng)的電壓相量，A，B，C代表發(fā)電機的電壓相量，兩組相量分別以角速度1，旋轉(zhuǎn)。如果兩組相量大小相等、相序一致、頻率接近，則兩組相量轉(zhuǎn)向相同且存在緩慢的相對角速度1，U的大小在02 U1之間變化，燈光呈現(xiàn)出明暗交替變化。調(diào)整發(fā)電機的轉(zhuǎn)速使得十分接近1，等待兩組相量完全重合時，U0，燈泡熄滅，此時刻是合閘并車的最佳時刻。圖8-5-2 三相同步發(fā)電機整步(a)燈光明暗法； (b)燈光旋轉(zhuǎn)法綜上所述，明暗法并車方法為：（1）通過調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流的大小使得UU1；（2）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

21、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)的引相序，嚴格保證相序一致；（3）通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速改變U的頻率，直到燈光明暗交替十分緩慢時，說明U和U1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。2燈光旋轉(zhuǎn)法圖8-5-3 燈光明暗法電壓相量圖參看圖8-5-2(b)和圖8-5-4，燈1跨接于AB1，燈2跨接于A1B，燈3跨接于C1C 。如果兩組相量大小相等、相序一致、頻率接近，則加于3只指示燈的電壓U1，U2，U3的大小將交替變化。假設(shè)1旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)到C和C1重合時，3熄滅，1和2亮度一樣；再轉(zhuǎn)到C和B1重合時，B將和A1重合，2熄滅，3，1同亮；到C和A1重合時，A亦與B1

22、重合，熄滅2，3同亮?？梢姛艄獍l(fā)亮的順序為12312312，在圓形的指示器上，相當于燈光順時鐘旋轉(zhuǎn)。同理，如果1快于則燈光逆時鐘旋轉(zhuǎn)。調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)速，直到燈光旋轉(zhuǎn)十分緩慢，等待燈3完全熄滅時，合閘并車。綜上所述，旋轉(zhuǎn)法并車方法為：（1）通過調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流的大小使得UU1；（2）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；（3）通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速改變U的頻率，直到燈光旋轉(zhuǎn)十分緩慢時，說明U和U1頻率已十分接近，這時等待燈3完全熄滅的瞬間到來，即可合閘并車。圖8-5-4 燈光旋轉(zhuǎn)法電壓相量圖燈光法又稱為理想整步法。

23、由于它對并車條件逐一檢查和調(diào)整，所以費時較多。一般可采用簡單的自整步法：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)子繞組中產(chǎn)生很大的沖擊電流。自整步法的優(yōu)點是：操作簡單，方便快捷；缺點是：合閘時有沖擊電流。86 同步發(fā)電機有功功率及無功功率的調(diào)節(jié)方法 1功率平衡與功角概念同步發(fā)電機的功率流程

24、如圖8-6-1所示。P1為自原動機向發(fā)電機的輸入的機械功率，其中一部分提供軸與軸承間的摩擦、轉(zhuǎn)動部分與空氣的摩擦及通風設(shè)備的損耗，總計為機械損耗pm，另一部分供給定子鐵心中的渦流和磁滯損耗，總計為鐵心損耗pFe，PM=P1-( pm+ pFe)為通過電磁感應作用轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄗ永@組上的電功率，稱為電磁功率。如果是負載運行，定子繞組中還存在定子銅耗pCul，P2=PM- pCul就是發(fā)電機的輸出功率。同步發(fā)電機的功率平衡方程式為圖8-6-1 同步發(fā)電機功率流程圖(8-6-1)PPMpFepm+PM=P2+ pCul定子繞組的電阻一般較小，其銅耗可以忽略不計，則有PMP2mUIcosmUIcos(-)

25、(8-6-2) 其中為內(nèi)功率因數(shù)角，-定義為功角。它表示發(fā)電機的勵磁電勢 和端電壓 圖8-6-2 功角的空間概念之間相位差。功角對于研究同步電機的功率變化和運行的穩(wěn)定性有重要意義。圖8-6-2畫出了同步電機的簡化時空相量圖。圖中忽略了定子繞組的漏磁電勢，認為對應于轉(zhuǎn)子磁勢對應于電樞磁勢Fa，所以可近似認為端電壓由合成磁勢F=Ff+Fa所感應。F和Ff之間的空間相角差即為和之間的時間相角差，可見功角在時間上表示端電壓和勵磁電勢之間的相位差，在空間上表現(xiàn)為合成磁場軸線與轉(zhuǎn)子磁場軸線之間的夾角。并網(wǎng)運行時， 為電網(wǎng)電壓，其大小和頻率不變，對應的合成磁勢F總是以同步速度1=2f旋轉(zhuǎn)。因此功角的大小只能

26、由轉(zhuǎn)子磁勢的角速度決定。穩(wěn)定運行時，=1，因此F與Ff之間無相對運動，對應每一種穩(wěn)定狀態(tài)，具有固定的值。2功角特性功角特性指的是電磁功率PM隨功角變化的關(guān)系曲線PM=f ()，下面分別是凸極電機和隱極電機的功角特性。（1）凸極電機功角特性式中 基本電磁功率；附加電磁功率。 （2）隱極電機的功角特性：在上式中，令Xd=Xq=Xs即得，只有基本電磁功率。 （3）有功功率的調(diào)節(jié)功角特性PM=f ()反映了同步發(fā)電機的電磁功率隨著功角變化的情況。穩(wěn)態(tài)運行時，同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)的頻率決定，恒等于同步轉(zhuǎn)速，即發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩TM和電磁功率PM之間成正比關(guān)系：式中，為轉(zhuǎn)子的機械角速度。電磁轉(zhuǎn)矩與原動機提

27、供的動力轉(zhuǎn)矩及空載阻力轉(zhuǎn)矩相平衡T1TMT0其中T0為空載轉(zhuǎn)矩（因摩擦、風阻等引起的阻力轉(zhuǎn)矩）。圖8-6-3 同步發(fā)電機的V形曲線可見要改變發(fā)電機輸送給電網(wǎng)的有功功率PM，就必須改變原動機提供的動力轉(zhuǎn)矩，這一改變可以通過調(diào)節(jié)水輪機的進水量或汽輪機的汽門來達到。當功角處于0到m范圍內(nèi)時，隨著的增大，PM亦增大，同步發(fā)電機在這一區(qū)間能夠穩(wěn)定運行。而當m時，隨著的增大，PM反而減小，電磁功率無法與輸入的機械功率相平衡，發(fā)電機轉(zhuǎn)速越來越大，發(fā)電機將失去同步，故在這一區(qū)間發(fā)電機不能穩(wěn)定運行。（4）并網(wǎng)運行時無功功率的調(diào)節(jié)：由異步發(fā)電機的V形曲線（如圖8-6-3），通過調(diào)節(jié)勵磁電流可以達到調(diào)節(jié)同步發(fā)電機無

28、功功率的目的。當某一欠勵狀態(tài)開始增加，勵磁電流時，發(fā)電機輸出的超前無功功率開始減少，電樞電流中的無功分量開始減少；達到正常勵磁狀態(tài)時，無功功率變?yōu)榱?，電樞電流中的無功分量也變?yōu)榱?，此時cos=1;如果繼續(xù)增加勵磁電流，發(fā)電機將輸出滯后性的無功功率，電樞電流中的無功分量又開始增加。電樞電流隨勵磁電流變化的關(guān)系表現(xiàn)為一個V形曲線。V形曲線是一簇曲線，每一條V形曲線對應一定的有功功率。V形曲線上都有一個最低點，對應cos=1的情況。將所有的最低點連接起來，將得到與cos=1對應的線，該線左邊為欠勵狀態(tài)，功率因數(shù)超前，右邊為過勵狀態(tài)，功率因數(shù)滯后。87 同步電動機時運行特性 1V形曲線：與發(fā)電機類似，

29、同步電動機的功率因數(shù)可以通過改變勵磁電流的大小來調(diào)節(jié)。如果增大勵磁電流使電動機處于過勵狀態(tài)，則勵磁磁勢Ff增大，而合成磁勢F的大小是不變的（由電網(wǎng)電壓決定），按照磁勢平衡原理，電網(wǎng)將輸出給電動機一超前電流 ，該電流在電動機內(nèi)部將產(chǎn)生去磁性的電樞反應，使得磁勢得到平衡。電網(wǎng)輸出給電動機超前電流相當于電網(wǎng)從電動機處吸取了滯后電流，正好滿足了附近電感性負載的需要，使得電網(wǎng)的功率因數(shù)得到補償。如果減小勵磁電流使電動機處于欠勵狀態(tài)，則勵磁磁勢F也減小，電網(wǎng)必須輸出給電動機一滯后電流來產(chǎn)生增磁電樞反應，以保持合成磁勢F不變。這種情況和異步電動機的情況類似，所以同步電動機一般不采用欠勵運行。如果保持機械負載

30、不變（相當于有功功率不變），調(diào)節(jié)勵磁電流If，對應的電樞電流Ia隨之而變，和發(fā)電機一樣可畫出同步電動機的V形曲線（見圖8-7-1）。但是同步電動機亦有一些缺點，如起動性能較差，結(jié)構(gòu)上較異步電動機復雜，還要有直流電源來勵磁，價格比較貴，維護又較為復雜，所以一般在小容量設(shè)備中還是采用異步電動機。在中大容量的設(shè)備中，尤其是在低速、恒速的拖動設(shè)備中，應優(yōu)先考慮選用同步電動機，如拖動恒速軋鋼機、電動發(fā)電機組、壓縮機、離心泵、球磨機、粉碎機、通風機等。圖8-7-1 同步電動機V形曲線利用同步電動機能夠改變電網(wǎng)功率因數(shù)這一優(yōu)點，亦有制造專門用作改變電網(wǎng)功率因數(shù)的電動機，不帶任何機械負載，這種不帶機械負載的同

31、步電動機稱之為同步補償機或同步調(diào)相機。同步調(diào)相機是在過勵情況下空載運行的同步電動機。2同步電動機的功角特性同步電動機以凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比較多，因此以凸極電機的功角特性為例來研究。同步電動機的功角特性公式和發(fā)電機的一樣都可以從相量圖中導出來。電動機的功角為 的角度，如將發(fā)電機功角特性中的用來替代，這樣電磁功率就變成了負值，電動機狀態(tài)下是電網(wǎng)向電動機提供有功功率，所以寫電動機公式時，將負號去掉，于是功角特性就和發(fā)電機的功角特性具有相同的形式： (8-7-1)相應的電磁轉(zhuǎn)矩為： (8-7-2)從上面式子可以看出： 同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩包括基本電磁轉(zhuǎn)矩 和附加電磁轉(zhuǎn)矩 兩部分，當勵磁電流為零時，即E00時

32、，仍具有附加電磁轉(zhuǎn)矩 。利用此原理，可以制成所謂的磁阻同步電動機。這種電機的轉(zhuǎn)子上沒有勵磁繞組，是凸極式的，靠它的直軸與交軸磁阻不相等而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。它的容量一般很小，常做成10kW以下的電動機，能在變頻、變壓的電源下運行，而且速度比較均勻，常在轉(zhuǎn)速需要均勻的情況下被采用，如精密機床工業(yè)、人造纖維工業(yè)、電子計算機等方面。3同步電動機的異步起動當定子繞組接到電源后，按照同步電機的原理，同步電動機是不能產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩的。目前工礦企業(yè)中看到的同步電動機都能夠起動，這是利用異步電動機的原理來產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩，使得電機轉(zhuǎn)動起來的。下面我們分析同步電動機沒有起動轉(zhuǎn)矩的原因及起動問題的解決方法。圖8-7-2是一臺

33、兩極同步電動機，假設(shè)在合閘瞬間，轉(zhuǎn)子（已經(jīng)加勵磁）處于圖8-7-2(a)所示的位置，此時，電磁轉(zhuǎn)矩T傾向于使轉(zhuǎn)子逆時鐘轉(zhuǎn)動；在另一個瞬間（圖8-7-2(b)所示），定子磁場已轉(zhuǎn)過180°，而轉(zhuǎn)子由于機械慣性尚未起動，電磁轉(zhuǎn)矩T傾向于使轉(zhuǎn)子順時鐘轉(zhuǎn)動。由于定子磁場以同步速旋轉(zhuǎn)，作用于轉(zhuǎn)子上的力矩隨時間以f=50Hz作交變，那么轉(zhuǎn)子上受到的平均轉(zhuǎn)矩為零。因此同步電動機是不能自行起動的。同步電動機沒有起動轉(zhuǎn)矩是它的一大缺點，它的起動只能依靠其它方法，使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到接近同步速時，經(jīng)過拉入同步過程，才能實現(xiàn)同步電動機運行。同步電動機的起動方法，目前幾乎都采用異步起動法。要實現(xiàn)同步電動機的異步起動，就需要在轉(zhuǎn)子磁極表面裝有類似異步電動機鼠籠轉(zhuǎn)子的短路繞組，稱之為起動繞組。與異步機工作相似，旋轉(zhuǎn)磁場將在轉(zhuǎn)子起動繞組中感應電流，此電流和旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩，這樣同步電動機就按照異步電動機的原理轉(zhuǎn)動起來。在轉(zhuǎn)速上升到接近同步轉(zhuǎn)速時，再給勵磁繞組中通入直流勵磁電流，使得轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁極磁場，此時它和氣隙磁場的轉(zhuǎn)速已經(jīng)十分接近，依靠這兩個磁場間的相互吸引力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩（稱為同步轉(zhuǎn)矩），將轉(zhuǎn)子磁極拉入同步，這