《电机学》课件--同步电机.ppt

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1、6.1.1同步电机的结构型式同步电机的结构型式一、汽轮同步电机的基本结构汽轮同步电机的基本结构定子定子 n定子铁心：硅钢片叠成。n机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。n电枢绕组：三相对称绕组铜线制成 转子转子n转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成n护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出n励磁绕组：铜线制成励磁绕组：铜线制成n滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组n中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动同步电机的基本工作原理同步电机

2、的基本工作原理 励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动转子以转速转子以转速n n 旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势动势 。波形：由波形：由e=Blv可知，波形取决于磁密的空间分布。可知，波形取决于磁密的空间分布。频率：频率：f=pn/60 大小：大小：E=4.44fN1kw1 相序：由转子的转向决定相序：由转子的转向决定 同步电机的分类同步电机的分类 n按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。n按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。按

3、结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。n旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。式两种。n按原动机类别按原动机类别,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。和柴油发电机等。n汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为2极，极，转速为转速为3000转转/分钟，水轮发电机采用凸极式，极数分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。多，转速低。n同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。n按冷却介

4、质和冷却方式分，有空外冷、氢冷、水内冷按冷却介质和冷却方式分，有空外冷、氢冷、水内冷同步电机的型号型号型号n发电机型号表示该发电机的类型和特点发电机型号表示该发电机的类型和特点 nQFQS-200-2表示定子绕组水内冷、转表示定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、铁心氢冷的二极汽轮发子绕组氢内冷、铁心氢冷的二极汽轮发电机，容量为电机，容量为200MW。 n854/210-40表示立式同步水轮表示立式同步水轮发电机，定子铁心外径为发电机，定子铁心外径为854cm，定，定子铁心长度为子铁心长度为210cm，有，有40个磁极。个磁极。额定容量和额定功率额定容量和额定功率指电机额定运行时，输出功率的保证值。

5、同步发电机是指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输出的额定视在功率或有功功率，单位是指输出的额定视在功率或有功功率，单位是KVA或或KW。电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是单位是KW。调相机用。调相机用KVA或或Kvar表示。表示。额定电压 额定运行时加在三相定子绕组上的线电压。额定运行时加在三相定子绕组上的线电压。 额定电流额定电流在额定运行状态下三相定子绕组的线电流在额定运行状态下三相定子绕组的线电流. 额定值 6.2同步发电机的运行原理 同步发电机的电枢反应同步发电机的电枢反应 同步发电机的电动势方程和

6、相量图同步发电机的电动势方程和相量图；同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性同步发电机的并列同步发电机的并列同步发电机的有功功率功角特性和静态稳定同步发电机的有功功率功角特性和静态稳定 同步发电机的无功功率功角特性和形曲线同步发电机的无功功率功角特性和形曲线同步调相机和同步电动机同步调相机和同步电动机 同步发电机的空载运行 同步发电机转子由原动机拖动到同步转速，转子绕组同步发电机转子由原动机拖动到同步转速，转子绕组通以恒定的直流励磁电流，定子电枢绕组开路，这种运行通以恒定的直流励磁电流，定子电枢绕组开路，这种运行状态，称为同步发电机的空载运行。状态，称为同步发电机的空载运行。 励磁电流励磁电

7、流If单独建立的励磁磁动势单独建立的励磁磁动势Ff产生的主、漏通。产生的主、漏通。主、漏磁通均随转子旋转，在气隙中形成旋转磁场。主磁主、漏磁通均随转子旋转，在气隙中形成旋转磁场。主磁通交链电枢绕组，在电枢绕组中感应电动势通交链电枢绕组，在电枢绕组中感应电动势； 漏磁通不交链电枢绕组，不在电枢绕组中感应电动势，漏磁通不交链电枢绕组，不在电枢绕组中感应电动势，不参与定、转子之间的能量转换不参与定、转子之间的能量转换.空载特性空载特性 空载时电磁关系空载时电磁关系：空载特性空载特性：空载电动势空载电动势 大小大小：空载特性曲线空载特性曲线：气隙线气隙线电枢反应 电机带上负载后，电枢磁动势的基波电机带

8、上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙在气隙中使气隙 磁通的大小及位置均发生磁通的大小及位置均发生变化变化, 这种影响称为电枢反应这种影响称为电枢反应. 电枢反应的性质，取决于电枢磁动势电枢反应的性质，取决于电枢磁动势基波和励磁磁动势基波基波和励磁磁动势基波 之间的相对位置，之间的相对位置，即与空载电动势即与空载电动势 和电枢电流和电枢电流 之间的夹角之间的夹角有关有关. 励磁磁势和电枢磁势的区别励磁磁势和电枢磁势的区别 n由电流相序决定由电流相序决定n由原动机决定由原动机决定n转向转向n由磁极对数和电流频率决定由磁极对数和电流频率决定n由电流瞬时值决定由电流瞬时值决定n恒定，由电枢电流决定

9、恒定，由电枢电流决定n正弦波正弦波n电枢反应磁动势电枢反应磁动势n由原动机的转速决定由原动机的转速决定n由转子位置决定由转子位置决定n恒定，由励磁电流决定恒定，由励磁电流决定n正弦波正弦波n励磁磁动势励磁磁动势n转速转速n位置位置n大小大小n基波波形基波波形准备工作1.三个角 1)内功率因数角内功率因数角 是是E0与与F之间的时间相位角之间的时间相位角,与电机参数及负载有关与电机参数及负载有关. 2)外功率因数角外功率因数角 是是U与与F之间的时间相位角之间的时间相位角,与负载有关与负载有关 3)功率角功率角(功角功角) 是是E0与与U之间的时间相位角之间的时间相位角. 三个角之间的关系为三个

10、角之间的关系为=+=+ 2.四个轴 直轴直轴(纵轴、纵轴、d轴）：主磁极轴线位置。轴）：主磁极轴线位置。 交轴（横轴、交轴（横轴、q轴）：轴）： 与直轴成与直轴成900电角度的位置。电角度的位置。相轴：相轴： 每相绕组的轴线位置。每相绕组的轴线位置。时轴：时轴： 时间相量在其上投影可得到时间量的瞬时值。时间相量在其上投影可得到时间量的瞬时值。 同步电机结构图 AX ZBCYNS1.=0时的电枢反应空载电动势空载电动势E0和电枢电流和电枢电流Ia同相位同相位. C轴轴q轴轴 A轴轴 B轴轴ABCFf与Fa的夹角为+90电枢反应性质： 交轴电枢反应交轴电枢反应2.=90时的电枢反应 空载电动势空载

11、电动势 E0 超前电枢电流超前电枢电流Ia90 Ff与Fa的夹角为+90电枢反应性质：电枢反应性质：直轴去磁电枢反应3.=-90时的电枢反应 空载电动势空载电动势 E0 滞后电枢电流滞后电枢电流Ia90 Ff与Fa的夹角为+90电枢反应性质：电枢反应性质：直轴助磁电枢反应4.090时的电枢反应 空载电动势空载电动势 E0 超前电枢电流超前电枢电流 Ff与Fa的夹角为+90电枢反应性质：电枢反应性质：交轴电枢反应兼直轴去磁电枢反应4.090时的电枢反应 此种情况下此种情况下IcosIIsinIIIIqdqd-直轴分量直轴分量 -交轴分量交轴分量0090成与EId同相位与0EIq4.090时的电枢

12、反应 此种情况下此种情况下cosFFsinFFFFFaaqaadaqada-直轴分量电流产生的合成磁动势直轴分量电流产生的合成磁动势 -交轴分量电流产生的合成磁动势交轴分量电流产生的合成磁动势adFaqFaFfF090一般情况下的电枢反应（总结）一般情况下的电枢反应（总结） 位置位置q轴轴d轴轴d轴轴d、q轴轴d、q轴轴记作记作夹角夹角电枢电枢反应反应性质性质交轴交轴直、去直、去直、助直、助交、直交、直去去交、交、直助直助对电机的影响对电机的影响下降下降下降下降下降下降不变不变不变不变波形波形畸变畸变削弱削弱削弱削弱增强增强增强增强下降下降 下降下降 上升上升上升上升不变不变负载性质负载性质R

13、LCR、LR、C电磁转矩 同步发电机带上负载后，电枢电流建同步发电机带上负载后，电枢电流建立电枢反应磁场，它与励磁电流作用立电枢反应磁场，它与励磁电流作用 产生电磁力，在某些情况下形成电磁产生电磁力，在某些情况下形成电磁转矩，实现机电能量转换。转矩，实现机电能量转换。 1.有功电流产生电磁力有功电流产生电磁力,形成电磁转矩形成电磁转矩 当发电机带有功负载当发电机带有功负载(阻性负载阻性负载)时时,可以近似认为可以近似认为 机电能量转换有功电流产生电磁力,形成电磁转矩 即，电枢绕组流过有功电流时即，电枢绕组流过有功电流时,产生交轴产生交轴电枢反应磁场。励磁绕组载流体在该磁电枢反应磁场。励磁绕组载

14、流体在该磁场作用产生电磁力，并形成制动性质的场作用产生电磁力，并形成制动性质的电磁转矩。电磁转矩。 输出的有功功率越大，有功分量电流就越大，输出的有功功率越大，有功分量电流就越大， 交轴电枢反应越强，电磁转矩越大，为了保持交轴电枢反应越强，电磁转矩越大，为了保持电机的转速不变，要求原动机输入更大的驱动电机的转速不变，要求原动机输入更大的驱动转矩转矩调节有功功率。调节有功功率。 2.无功电流产生电磁力但不形成转矩无功电流产生电磁力但不形成转矩 n发电机带电感或电容负载发电机带电感或电容负载(无功负载无功负载)时时,可以认为可以认为n产生直轴去磁产生直轴去磁(或助磁或助磁)电枢反应磁场。电枢反应磁

15、场。励磁绕组载流体在该磁场作用产生电磁励磁绕组载流体在该磁场作用产生电磁力，但不形成电磁转矩。力，但不形成电磁转矩。n说明发电机带感性说明发电机带感性(或容性或容性)无功负载时无功负载时,不需要原动机增加能量。不需要原动机增加能量。 0090或903. 系统静特性但是直轴去磁（或助磁）电枢反应对气但是直轴去磁（或助磁）电枢反应对气隙磁场有去磁（或助磁）作用，致使发隙磁场有去磁（或助磁）作用，致使发电机端电压下降（或上升）。为维持电电机端电压下降（或上升）。为维持电压恒定，励磁电流需要相应增加（或减压恒定，励磁电流需要相应增加（或减小）小）调节无功功率。调节无功功率。 无功电流产生电磁转矩 同步

16、发电机的电动势方程和相量图 同步电抗dIadFadadEqIaqFaqaqEEI饱和因素不考虑磁路饱和时,各电动势与其对应的电流成正比,即有由于定子漏磁通的路径主要是气隙，磁路不饱和，所以漏抗为常数。 addadxjIEadx:对应于 的直轴电枢反应电抗 adaqqaqxjIEjIxEx 对应于的漏电抗aqx对应于aq的交轴电枢反应电抗 对于凸极同步电机,由于直轴气隙比交轴气隙小，直轴磁阻比交轴磁阻小，所以有 aqadxx对隐极同步电机，由于气隙均匀，交、直轴的磁阻大小相等，即认为 aaqadxxxaaqadaaxI jExa隐极发电机对应a的电枢反应电抗电枢反应电抗为三相对称电枢电流产生合成

17、的电枢反应磁场感应于一相的电枢电动势与其对应的相电流的比值，它综合反映三相对称电流产生的合成电枢反应磁场对定子一相的影响。 当三相对称电流流过电枢绕组时，产生电枢反应磁通和漏磁通，分别在电枢绕组中感应电枢反应电动势和漏感电动势。对隐极电机，全部电动势为对隐极电机，全部电动势为taaxI jxI jxI jEExxxat xt 称为隐极电机的同步电抗，是电枢反应电抗和漏抗之和。同步发电机正常运行时，磁路略呈饱和，磁路越饱和，所对应的电抗越小。 对凸极电机 分别称为直轴和交轴同步电抗。 xxxxxxaqqadd 直轴磁路的气隙较小，应当考虑铁心饱和的影响，因而具有饱和值和不饱和值之分；而交轴磁路气

18、隙较大，可认为只有非饱和值，为常量。 同步电抗是同步电机的一个重要参数，它是表征同步发电机稳定运行时电枢反应磁场和电枢漏磁场对电枢电路作用的一个综合参数。同步电抗的大小直接影响同步发电机端电压随负载波动的程度和在大电网运行时的稳定性，也影响同步发电机短路电流大小。 凸极同步发电机的电动势方程和相量图 fIfF0f0E(三相系统)(合成旋转磁动势)arIadFadadEaqFaqaqEEIaF正方向按图规定，则有aaqadr IUEEEE0ar IUEEXIjEXIjEXIjEaqqaqaddadqdIII代入代入得到凸极发电机的电动势方程得到凸极发电机的电动势方程 qqddaxI jxI jr

19、 IUE0注意：方程式中的电压、电动势和电流均为相值。注意：方程式中的电压、电动势和电流均为相值。 凸极同步发电机的相量图作图步骤凸极同步发电机的相量图作图步骤 返回目录返回目录;IU)(和根据已知条件绘出1;IEExI jrIUE)(ONONqaON的夹角与及作出根据2;III)(qd和分解成角将根据3004E,xI jxI jD,xI jxI jrIUE)(ddqqqqdda得到及点依次作出从根据凸极同步发电机的相量图凸极同步发电机的相量图 cosUIrsinUIxtanaq1若内功率因数角不知，可从以下公式求取 隐极同步发电机的电动势方程、等效电路和相量图 电磁关系：fIfF0f0EaF

20、aaEEI2. 数学模型电动势平衡方程电动势平衡方程ar IUEEaar IUEEE0代入代入 xI jExI jEaa可得到隐极发电机的电动势方程可得到隐极发电机的电动势方程 taxI jrIUE0隐极发电机的等效电路隐极发电机的等效电路 0EUIartx隐极发电机的相量图隐极发电机的相量图 UIarItxI j0E相量图相量图)(0由相量图可知由相量图可知 根据相量图可求出根据相量图可求出220taIxsinUIrcosUEatrIcosUIxsinUtan1同步发电机的运行特性 一、一、空载特性空载特性定义：)I(fEU,I ,nnf0010续 空载特性是发电机的基本特性之一。空载特性是

21、发电机的基本特性之一。它一方面表征了磁路的饱和情况，另一方它一方面表征了磁路的饱和情况，另一方面把它和短路特性、零功率因数负载特性面把它和短路特性、零功率因数负载特性配合，可确定电机的基本参数、额定励磁配合，可确定电机的基本参数、额定励磁电流和电压变化率等。电流和电压变化率等。 实际生产中，它还可以检查三相实际生产中，它还可以检查三相电枢绕组的对称性、匝间短路、判电枢绕组的对称性、匝间短路、判断励磁绕组有无故障等断励磁绕组有无故障等。二、短路特性二、短路特性 定义：)I(fI ,U,nnfk01短路时短路时, ,090电枢反应为直轴去磁电枢反应为直轴去磁dx气隙电动势很小气隙电动势很小,感应气

22、隙电动势的气隙磁通量很感应气隙电动势的气隙磁通量很小小,所以磁路不饱和所以磁路不饱和.fkIEI0所以短路特性是一条过原点的直线所以短路特性是一条过原点的直线. .xI jxI jrIUEa此时此时是常数是常数,有有短路特性 短路时的等效电路短路时的等效电路2.同步电抗的求取 求求xd不饱和值不饱和值 根据公式根据公式k0dIEx 求求x xd d不饱和值时不饱和值时, ,首先给定一励磁电流首先给定一励磁电流I If f，在，在空载特性的不饱和段或气隙线上确定对应空载特性的不饱和段或气隙线上确定对应I If f的的E E0值，然后在短路特性曲线上确定对应值，然后在短路特性曲线上确定对应I If

23、 f的的短路电流短路电流I Ik k的值的值, ,则则 Nk)(dIEIEx00 不求取求取x xd d饱和值饱和值 求取求取x xd d饱和值时，首先在空载特性上取对饱和值时，首先在空载特性上取对应额定电压应额定电压U UN N的励磁电流的励磁电流I If0f0，再从短路特性上，再从短路特性上取出对应取出对应I If0 f0 的短路电流的短路电流I Ik k，则，则 kN)(dIUx饱交轴同步电抗交轴同步电抗 dqx.x60三、外特性三、外特性定义：)I(fU,Ccos,CI ,nnf1外特性(续） 当发电机带阻性和感性负载时，外特性是下当发电机带阻性和感性负载时，外特性是下降的，原因是电枢

24、反应的去磁作用和电枢漏阻降的，原因是电枢反应的去磁作用和电枢漏阻抗产生了电压降；带容性负载时且（发电机负抗产生了电压降；带容性负载时且（发电机负载的容抗大于同步电抗）时，外特性是上升的，载的容抗大于同步电抗）时，外特性是上升的，原因是电枢反应的助磁作用和容性电流在漏抗原因是电枢反应的助磁作用和容性电流在漏抗上的压降。上的压降。 为了在不同功率因数下时能得到额定电压，为了在不同功率因数下时能得到额定电压，感性负载时要增大励磁电流，容性负载时应减感性负载时要增大励磁电流，容性负载时应减小励磁电流小励磁电流。 四、调节特性四、调节特性定义：)I(fI ,Ccos,CU,nnf1调整特性曲线调整特性曲

25、线调整特性曲线(续) 在感性和阻性负载时，随着负载电流的增加，必须增加励磁电流，补偿电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降，保持端电压恒定；对容性负载，随着负载电流的增加，必须减小励磁电流。 在功率因数一定情况下,根据调整特性曲线,可确定在负载变化范围内,维持电压不变所需的励磁电流的变化范围。运行人员可利用调整特性曲线,使系统中无功功率的分配更合理一些。同步电机的并联运行并联运行的含义1 1、提高供电的可靠性；、提高供电的可靠性； 2 2、提高供电的经济性；、提高供电的经济性； 3 3、提高电能的质量。、提高电能的质量。将两台或更多台发电机分别接在电力系统对应母线将两台或更多台发电机分别接在电力系统对

26、应母线上，或通过变压器、输电线接在电力系统的公共母上，或通过变压器、输电线接在电力系统的公共母线上，共同向负荷供电线上，共同向负荷供电.并联运行的优点无穷大电网的含义0cccZCfCUS并列方法 1.1.准同步法准同步法 2.2.自同步法自同步法准同步法 准同步并列必须满足的条件准同步并列必须满足的条件 1.1.待并发电机的电压与电网电压大小相等；待并发电机的电压与电网电压大小相等； 2.2.待并发电机电压相位与电网电压相位相同；待并发电机电压相位与电网电压相位相同； 3.3.待并发电机电压频率与电网电压频率相同；待并发电机电压频率与电网电压频率相同； 4.4.待并发电机的相序与电网的相序相同

27、。待并发电机的相序与电网的相序相同。 上述条件（上述条件（4 4）一般在安装发电机时，根据发）一般在安装发电机时，根据发电机的转向确定了发电机的相序而满足，因此运电机的转向确定了发电机的相序而满足，因此运行人员在并列时只需调节发电机使其满足其它三行人员在并列时只需调节发电机使其满足其它三个条件即可。个条件即可。 不满足任一条件的并列称为非同步不满足任一条件的并列称为非同步并列，将对电机产生严重的危害。并列，将对电机产生严重的危害。 不满足并联条件时的结果1. 电压大小不等 在电位差的作用下发电机产生在电位差的作用下发电机产生冲击电流，即冲击电流，即dcgdcx jUUx jUI UgUsdx

28、cU电电网网由于由于x xd d 很小，所以即使很小，所以即使U U不大，冲击电流也会很大不大，冲击电流也会很大 此时此时,S两端有电位差两端有电位差 gUUcUcIcUUgUcgUUU 冲击电流为无功冲击电流为无功分量，不会加重原分量，不会加重原动机的负担，但会动机的负担，但会在电枢绕组中产生在电枢绕组中产生很大的冲击力，使很大的冲击力，使电枢绕组端部受冲电枢绕组端部受冲击力的作用而变形击力的作用而变形。2. 相位不同 此时,ab两端有电位差cgUUU如图反相和若,UUcg 电位差可达发电位差可达发电机电压的两倍，电机电压的两倍，若此时并列，会若此时并列，会产生很大的冲击产生很大的冲击电流，

29、发电机会电流，发电机会因遭受巨大的冲因遭受巨大的冲击力而损坏。击力而损坏。cUUgU（续）如图,U稍超前U若cgcIcUUgUcaIcrI冲击电流的影响冲击电流的影响 1)1)电枢绕组端部受力变形电枢绕组端部受力变形; ; 2)2)转轴上受冲击转矩的作用转轴上受冲击转矩的作用, ,使机轴扭曲变形使机轴扭曲变形; ; 3)3)电枢绕组发热电枢绕组发热. .3. 3. 频率不同频率不同 。大小相等而角速度不同和cgUU小变变化的拍振电压时大、时为瞬时值的幅值有规律UcUUgUgc转轴上时而产生制动转转轴上时而产生制动转矩、时而产生驱动转矩，矩、时而产生驱动转矩，结果是电机振动。结果是电机振动。拍振

30、电流使电枢绕拍振电流使电枢绕组端部受力变形，组端部受力变形，使电枢绕组发热。使电枢绕组发热。 （续）频率差过大电机不能并列；频率差较小时，靠频率差过大电机不能并列；频率差较小时，靠自整步作用，可以把发电机拉入同步。作用，可以把发电机拉入同步。 并发电机频率略高于电网频率时并发电机频率略高于电网频率时 cUUgUgccIacI冲击电流的有功分量与电冲击电流的有功分量与电压同相位压同相位, ,表明发电机向表明发电机向电网发出有功功率电网发出有功功率, ,并对并对转轴产生制动性质转矩，转轴产生制动性质转矩，电机减速，频率下降，直电机减速，频率下降，直至至cgff并发电机频率略低于电网频率时并发电机频

31、率略低于电网频率时gUUcUcgcIcaI 冲击电流的有功冲击电流的有功分量与电压反相位分量与电压反相位, ,表明发电机从电网吸表明发电机从电网吸收有功功率收有功功率, ,并对转并对转轴产生驱动性质转矩，轴产生驱动性质转矩，电机加速，频率上升，电机加速，频率上升，直至直至 cgff4. 相序不同 相序不同的发电机不能并联，因相序不同的发电机不能并联，因为此时为此时U Ug g 和和 U Uc c 恒差恒差120120度，度，U 恒恒等于等于1.732U1.732Ug g，它将产巨大的冲击电流，它将产巨大的冲击电流危害电机及系统。危害电机及系统。 发电机实际并联时，除了相序必须一致外，其它条发电

32、机实际并联时，除了相序必须一致外，其它条件允许有一定的偏差，如件允许有一定的偏差，如U U不超过不超过10%10%，相位差不超过，相位差不超过10%10%，频率偏差不超过，频率偏差不超过0.2%0.2%0.5%0.5%（0.10.10.25Hz)0.25Hz)。 二、自同期法 相序正确前提下，起动未加励磁的发电相序正确前提下，起动未加励磁的发电机，当其转速接近同步速时，合上同步开关，机，当其转速接近同步速时，合上同步开关，将发电机并网，然后加上发电机励磁将发电将发电机并网，然后加上发电机励磁将发电机牵入同步。并网前，励磁绕组需经限流电机牵入同步。并网前，励磁绕组需经限流电阻闭合。并列时会较大有

33、冲击电流和转矩阻闭合。并列时会较大有冲击电流和转矩, ,一般用于紧急状态下的并列操作一般用于紧急状态下的并列操作. . 同步发电机的有功功角特性和静态稳定 一、有功功率平衡mUIcosPpPPpP)pp(pPPcuemadFemecem21201110111PPPem可得转矩平衡方程为可得转矩平衡方程为01TTTem01TTTem或或上式说明，电机稳定上式说明，电机稳定运行时，驱动性质的运行时，驱动性质的原动机转矩与制动性原动机转矩与制动性质的电磁转矩和空载质的电磁转矩和空载转矩之和平衡。转矩之和平衡。 二、有功功率功角特性 并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率一并联于无穷大电网的同

34、步发电机，当电网电压和频率一定、参数（定、参数（ x xd d,x,xq q,x,xt t) )为常数、空载电动势为常数、空载电动势E E0 0 不变（即不变（即I If f 不不变）时，变）时，P Pem=f()em=f() 为有功功率功角特性。为有功功率功角特性。 为了分析方便，假定为了分析方便，假定 1 1）发电机并联于无穷大电网；）发电机并联于无穷大电网；2 2）发电机磁路不饱和；）发电机磁路不饱和；3 3）忽略电枢绕组电阻。）忽略电枢绕组电阻。根据发电机的相量图，可以推导得发电机的有功功率功角特性根据发电机的相量图，可以推导得发电机的有功功率功角特性凸极电机：凸极电机：2112202

35、sinxxUmsinxUEmcosmUIPPdqdem返回目录返回目录隐极电机隐极电机sinxUEmcosmUIPtem0凸极发电机的有功功率功角特性分两部分凸极发电机的有功功率功角特性分两部分: sinXUEmPdem021122sin)XX(UmPdqem -基本电磁功率基本电磁功率-附加电磁功率附加电磁功率附加电磁功率的特点附加电磁功率的特点:;E 无关附加电磁功率与0;时附加电磁功率最大045.XXqd产生的附加电磁功率是由于汽轮发电机的功角特性曲汽轮发电机的功角特性曲线线 汽轮发电机的有功功汽轮发电机的有功功率功角特性的特点率功角特性的特点 ;sin)成正比的正弦函数与功角电磁功率1

36、emP;xUmEP)temmax00达到极限值,902功率时.,18030动机运行电机转为电为负值emP,)功角的双重物理意义功角的双重物理意义 。FF,)(,、,U,ufuauuu间的空间夹角之与定子合成磁极极之间的夹角即为转子磁由因此所产生简称定子合成磁极个等效合成磁极并假定它是由定子的一合成和由产生的是假定发电机的端电压是一个虚拟磁通00用图示功角的双重物理意义用图示功角的双重物理意义 功角说明功角说明）。（，。),(UE,制动转矩个反作用力合成磁极给转子磁极一定子磁极同步旋转转子磁极拖动定子合成稳定运行时角轴线一个合成磁极转子磁极轴线超前定子超前在发电机运行时000定子定子nN NS

37、Sn定子定子NS 因有原动机的驱动转矩克服定子合成磁极的制因有原动机的驱动转矩克服定子合成磁极的制动转矩而作功动转矩而作功, ,实现机电能量转换实现机电能量转换, ,将由原动机输入将由原动机输入的机械能转变为电能输出。的机械能转变为电能输出。 功角是研究同步发电机运行状态的一个重要参功角是研究同步发电机运行状态的一个重要参数，它不仅决定发电机输出有功功率的大小，而且数，它不仅决定发电机输出有功功率的大小，而且还反映发电机转子的相对空间位置，它把同步电机还反映发电机转子的相对空间位置，它把同步电机的电磁关系和机械运动紧密联系起来。的电磁关系和机械运动紧密联系起来。三、有功功率调节 发电机空载运行

38、时，原动机输入的功率用来平发电机空载运行时，原动机输入的功率用来平衡各种损耗，此时功角为零。定、转子磁极轴线重衡各种损耗，此时功角为零。定、转子磁极轴线重合，它们之间只有径向力而无切向力，合，它们之间只有径向力而无切向力，所以所以Pem=0 ，在功角特性的在功角特性的0点上。点上。 。a,TT，TP，T，TP),(emememem点如图为止直到逐渐增大转矩和电磁逐渐变大输出功率增大发电机输入功率开大汽门增大原动转矩111有功功率调节 emP0。a,TT，TP，T，TP),(emememem点如图为止直到逐渐增大转矩和电磁逐渐变大输出功率增大发电机输入功率开大汽门增大原动转矩111可见，并联于无

39、穷大电网的同步可见，并联于无穷大电网的同步发电机要调节有功功率输出，只发电机要调节有功功率输出，只需调节原动转矩。在功率极限角需调节原动转矩。在功率极限角范围内，输入转矩越大，有功功范围内，输入转矩越大，有功功率输出就越大。率输出就越大。 四、静态稳定的概念 静态稳定：指并联在电网上稳定运行的同步发电机，当受电网或原动机方面某些微小扰动时，能在这种干扰消失后，继续保持原来稳定运行状态的能力。 在在a a点运行时电机具有静态稳定点运行时电机具有静态稳定的能力的能力. .若干扰使功角若干扰使功角增大到增大到a a点点, P, Pem和和T Tem增大增大, ,迫使电机迫使电机减速减速, ,功角功角

40、变小，电机回到变小，电机回到a a点。点。a干扰使功角干扰使功角减小时，有同样结减小时，有同样结论。所以论。所以a a点称为稳定运行点。点称为稳定运行点。而而b b点为不稳定运行点，分析略。点为不稳定运行点，分析略。emP0aa1Paa1Pbb静态稳定的判据静态稳定的判据 静态稳定的判据：比整步功率(kW/rad)0ddPPemsynemP0synPsynPemP090对汽轮发电机，比整步功率为对汽轮发电机，比整步功率为 cosxUEmddPPtemsyn0对水轮发电机，比整步功率为对水轮发电机，比整步功率为21120cos)xx(mUcosxUEmddPPdqdemsyn在电机稳定区域内，P

41、syn越大，电机稳定性 越好 五、过载能力 最大电磁功率与额定功率的比值称为过载能力。最大电磁功率与额定功率的比值称为过载能力。 NmaxemMPPk汽轮发电机的过载能力汽轮发电机的过载能力NNttNmaxemMsinsinxUEmxUEmPPk100过载能力越大，电机的稳定性越好。过载能力是表达静态稳定过载能力越大，电机的稳定性越好。过载能力是表达静态稳定的能力，不是发电机可以过载的倍数。的能力，不是发电机可以过载的倍数。 过载能力设计得在一点，是从提高稳定观点考虑的，不是从发过载能力设计得在一点，是从提高稳定观点考虑的，不是从发热观点考虑的。热观点考虑的。 同步发电机的无功功率无功功角特性

42、及V形曲线 一、无功功率功角特性 并联于无穷大电网的同步发电机当电网电压和频率恒并联于无穷大电网的同步发电机当电网电压和频率恒定、参数（定、参数（xdxd、xqxq、xtxt）为常数、空载电势）为常数、空载电势E0E0不变不变（即（即 If If 不变）时，不变）时，Q=f()Q=f()为无功功率功角特性。为无功功率功角特性。 设发电机输出感性无功功率时设发电机输出感性无功功率时Q Q值为正。由相量图可推导出值为正。由相量图可推导出2112112220sinxxUmxxUmcosxUEmsinmUIQdqdqd汽轮发电机无功功率功角特性 ttxUmcosxUEmsinmUIQ20汽轮发电机无功

43、功率的功角特性曲线汽轮发电机无功功率的功角特性曲线 Q001EUcos090几个特殊点几个特殊点: :tx)UE(UmQ00txUmQ201EUcos0Q090无功功率的调节无功功率的调节 从能量守恒观点看，并网运从能量守恒观点看，并网运行的同步发电机调节无功功率，行的同步发电机调节无功功率，不需调节原动机来的输入功率，不需调节原动机来的输入功率，只需改变励磁电流。只需改变励磁电流。调节调节 不影响发电机的有功功率输出不影响发电机的有功功率输出, ,但影响电机的稳定性能。但影响电机的稳定性能。调节无功时不影响有功功率的输出调节无功时不影响有功功率的输出, ,但是调节有功时影响无功功但是调节有功

44、时影响无功功率输出率输出. .QPem1P1emP1Qaabb2Qb2emP相量分析 1.1.正常励磁正常励磁0010Q,P,cos,2.2.过励磁过励磁)Q(QP),(cos,CL或吸发滞后003.3.欠励磁欠励磁UI0EtxI j01E1txI j11ItxI j202E22I)Q(QP),(cos,LC或吸发超前00V形曲线 发电机运行时，定子电流和励磁电流是运行人员主发电机运行时，定子电流和励磁电流是运行人员主要监视的两个物理量，这两个量关系到定子绕组和励磁要监视的两个物理量，这两个量关系到定子绕组和励磁绕组的温度，又牵涉到功率因数的超前或滞后以及运行绕组的温度，又牵涉到功率因数的超前

45、或滞后以及运行的稳定性问题。的稳定性问题。 对于一个给定的有功功率输出就有一条对于一个给定的有功功率输出就有一条V V形曲线，形曲线，有功功率越大，曲线向上移，因此可是以得到一簇有功功率越大，曲线向上移，因此可是以得到一簇“V”V”形曲线。形曲线。 V形曲线形曲线IfI0ememem emPPPP0emPemPemP emP090不稳定区域不稳定区域1cos欠励磁欠励磁“进相进相”运运行行欠励磁欠励磁 正常正常励磁励磁 过励磁过励磁 过励磁过励磁“迟相迟相”运行运行 V形曲线的特点形曲线的特点 1.1.每条曲线的最低点每条曲线的最低点, , ,定子电流最小定子电流最小, ,且全为有功且全为有功

46、电流，这些点的连线向右倾斜；电流，这些点的连线向右倾斜；表明要输出纯有功功率，必须相应增加一些励磁电流。表明要输出纯有功功率，必须相应增加一些励磁电流。2.2.不稳定区域边缘：不稳定区域边缘：=90=90，连线向右倾斜，连线向右倾斜; ; 表明输出有功功率越多，维持稳定所需的励磁电流也越大。表明输出有功功率越多，维持稳定所需的励磁电流也越大。3.3.每条曲线上的电流变化量每条曲线上的电流变化量I I 为无功分量为无功分量; ;4.4.励磁电流从零开始增大时，定子电枢电流变化规律为先励磁电流从零开始增大时，定子电枢电流变化规律为先减小后增大。减小后增大。, , 同步调相机和同步电动机同步调相机和

47、同步电动机 一、同步电机的可逆原理 同步电机的运行是可逆的，同步电机的运行是可逆的，既可以用作发电机，还可既可以用作发电机，还可以用作电动机。以用作电动机。 同步电机运行于发电机状态同步电机运行于发电机状态时，如图所示。时，如图所示。 转子磁极轴线超前定子合转子磁极轴线超前定子合成磁极轴线，成磁极轴线，00，电机，电机把机械能转变成电能。把机械能转变成电能。 逐步减少发电机的输入功逐步减少发电机的输入功率，转子将瞬时减速，率，转子将瞬时减速，角角减小，相应的电磁功率也减小，相应的电磁功率也减少。减少。当发电机的输入功率只能满足当发电机的输入功率只能满足空载损耗时，发电机处于空载空载损耗时，发电

48、机处于空载运行状态。运行状态。 继续减少发电机的输入功率，则继续减少发电机的输入功率，则和和 Pem变为负值。卸去原动机，变为负值。卸去原动机，电机从电网吸收功率满足空载损耗，电机从电网吸收功率满足空载损耗，成为空转的电动机成为空转的电动机-调相运行状态。调相运行状态。电机轴上加上机械负载，负值的电机轴上加上机械负载，负值的增大，由电网向电机输入的电增大，由电网向电机输入的电功率和相应的电磁功率增大，转功率和相应的电磁功率增大，转子磁极轴线落后定子合成磁极轴子磁极轴线落后定子合成磁极轴线，转子受到驱动性质的电磁转线，转子受到驱动性质的电磁转矩作用矩作用-电动机状态。电动机状态。同步调相机 n同

49、步调相机是专门发送无功功率的同步电同步调相机是专门发送无功功率的同步电机，实质上是一台空载运行的同步电动机。机，实质上是一台空载运行的同步电动机。n 在电网的受电端接上同步调速相机，在电网的受电端接上同步调速相机，是提高电网功率因数的重要方法之一。是提高电网功率因数的重要方法之一。1.正常励磁正常励磁0EU0EUtxI jI0000Q,I ,UE2.2.过励磁过励磁3.3.欠励磁欠励磁)Q(Q,UECL或吸发0090)Q(Q,UELC或吸发00900EUtxI jI同步调相机的特点同步调相机的特点 1.1.调相机的额定容量指的是在过励状态下的额定视在功率调相机的额定容量指的是在过励状态下的额定

50、视在功率。2.2.由于转轴上不带机械负载，所以调相机的转轴比同容量由于转轴上不带机械负载，所以调相机的转轴比同容量的电动机转轴细，没有过载能力的要求。的电动机转轴细，没有过载能力的要求。3.3.为了提高调相机提供感性无功的能力，励磁线圈导线截为了提高调相机提供感性无功的能力，励磁线圈导线截面较大，但励磁损耗仍然很大，对通风冷却要求较高。面较大，但励磁损耗仍然很大，对通风冷却要求较高。同步调相机的起动一般采用异步起动法或辅助电动同步调相机的起动一般采用异步起动法或辅助电动机法。选择起动方法时，首先考虑限制起动电流，机法。选择起动方法时，首先考虑限制起动电流，然后考虑满足起动转矩的要求。然后考虑满