1、第6章 同步電機(jī) 6.1 6.1 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)6.1.1概述同步電機(jī)與異步電機(jī)的根本區(qū)別是轉(zhuǎn)子裝有磁極，并通入直流電勵(lì)磁，因而具有確定的極性。同步電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速必須與定子三相旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（又稱同步轉(zhuǎn)速）嚴(yán)格同步，故同步電機(jī)由此而得名。 snn 對(duì)于同步發(fā)電機(jī)，其發(fā)出的電動(dòng)勢頻率滿足對(duì)于同步發(fā)電機(jī)，其發(fā)出的電動(dòng)勢頻率滿足 60pnf對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速滿足對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速滿足pfn60 我國規(guī)定交流電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)工作頻率為我國規(guī)定交流電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)工作頻率為50Hz 50Hz ，當(dāng)，當(dāng)p p=1=1時(shí)，時(shí)，n n=3000=300

2、0轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/ /分，為同步發(fā)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速分，為同步發(fā)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速。6.1.2 6.1.2 同步電機(jī)的分類同步電機(jī)的分類（1 1）按運(yùn)行方式和功率轉(zhuǎn)換方向，可分為：）按運(yùn)行方式和功率轉(zhuǎn)換方向，可分為：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)基本上不轉(zhuǎn)換有功功率，而專門用來調(diào)節(jié)電網(wǎng)的無功功率，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。補(bǔ)償機(jī)又稱調(diào)相機(jī)。 （2 2）按原動(dòng)機(jī)的類別，可分為：）按原動(dòng)機(jī)的類別，可分為：汽輪發(fā)電機(jī)；水輪發(fā)電機(jī)；柴油（或汽油）發(fā)電機(jī)；風(fēng)力發(fā)電機(jī)火力發(fā)電（電能的產(chǎn)生）火力發(fā)電（電能的產(chǎn)生） 熱電廠熱電廠1 煤傳送帶煤傳送帶2 加煤機(jī)加煤機(jī)3 粉碎機(jī)粉碎機(jī)4 鍋爐鍋爐5 煤渣煤渣6 空氣

3、預(yù)熱器空氣預(yù)熱器 7 靜電除塵靜電除塵8 煙囪煙囪9 汽輪機(jī)汽輪機(jī)10 冷凝器冷凝器11變壓器變壓器12 冷卻塔冷卻塔13 發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)14 輸電線輸電線燃燃燒燒室室燃燃料料鍋爐的鍋爐的爐膛爐膛循環(huán)水循環(huán)水汽輪機(jī)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)升壓變壓升壓變壓器器超熱高壓蒸汽超熱高壓蒸汽電能輸出電能輸出火力發(fā)電（電能的產(chǎn)生）火力發(fā)電（電能的產(chǎn)生）火力發(fā)電火力發(fā)電勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁機(jī)汽輪機(jī)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)水利發(fā)電站的示意圖小浪底電站水輪機(jī)組安裝小浪底電站水輪機(jī)組安裝三峽電站首臺(tái)水輪機(jī)組安裝三峽電站首臺(tái)水輪機(jī)組安裝GF1 系列單相柴油發(fā)電機(jī)組系列單相柴油發(fā)電機(jī)組GF2 系列三相柴油發(fā)電機(jī)組系列三相柴油發(fā)電機(jī)組 一般采

4、用一般采用旋轉(zhuǎn)磁旋轉(zhuǎn)磁極式極式結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)磁極形狀可分為磁極形狀可分為隱極隱極和和凸極凸極兩種兩種型式。型式。 同步電機(jī)按結(jié)構(gòu)型式同步電機(jī)按結(jié)構(gòu)型式 ： 旋轉(zhuǎn)磁極式旋轉(zhuǎn)磁極式和和旋轉(zhuǎn)電樞式。旋轉(zhuǎn)電樞式。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)隱極轉(zhuǎn)子凸極轉(zhuǎn)子凸極轉(zhuǎn)子6.1.3 6.1.3 同步電機(jī)的工作原理同步電機(jī)的工作原理 原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子以恒定速度旋轉(zhuǎn)，勵(lì)磁磁場隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組。定子繞組中將會(huì)感應(yīng)出三相對(duì)稱的正弦感應(yīng)電動(dòng)勢。各相距120，從而三相電動(dòng)勢時(shí)間相位差120，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。勵(lì)磁繞組通以

5、直流電流時(shí)，在電勵(lì)磁繞組通以直流電流時(shí)，在電機(jī)的氣隙中形成極性相間的分布機(jī)的氣隙中形成極性相間的分布磁場，稱為勵(lì)磁磁場磁場，稱為勵(lì)磁磁場( (主磁場主磁場) )。6.1.4 6.1.4 隱極同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)隱極同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 隱極式汽輪發(fā)電機(jī)大多作隱極式汽輪發(fā)電機(jī)大多作成兩極的，同步轉(zhuǎn)速為成兩極的，同步轉(zhuǎn)速為3000r/min3000r/min（50Hz50Hz） 由于轉(zhuǎn)速高，所以汽輪發(fā)電由于轉(zhuǎn)速高，所以汽輪發(fā)電機(jī)的直徑較小，長度則較長機(jī)的直徑較小，長度則較長 汽輪發(fā)電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋及軸承等部件構(gòu)成汽輪發(fā)電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋及軸承等部件構(gòu)成 1. 1. 定子定子 定子是由定子是由

6、鐵心、繞組、鐵心、繞組、機(jī)座機(jī)座以及固定這些部件以及固定這些部件的其它結(jié)構(gòu)件組成的其它結(jié)構(gòu)件組成 定子鐵心一般采用厚度定子鐵心一般采用厚度為為0.35mm0.35mm或或0.5mm0.5mm含硅含硅量較高的無取向冷軋硅量較高的無取向冷軋硅鋼片分組疊壓而成。鋼片分組疊壓而成。 大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心槽 2. 2. 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、勵(lì)磁繞組、護(hù)環(huán)、中心環(huán)、滑環(huán)及風(fēng)扇等部件組成 沿轉(zhuǎn)子鐵心表面，有一部分沿轉(zhuǎn)子鐵心表面，有一部分開的槽較多，那里的齒較窄，開的槽較多，那里的齒較窄，稱為小齒；在另一部分沒有稱為小齒；在另一部分沒有開槽，形成了大齒。大齒的開槽，形成了大齒。大齒的中心線就是主磁極的

7、中心。中心線就是主磁極的中心。 汽輪機(jī)的勵(lì)磁繞組示意圖6.1.5 6.1.5 凸極同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)凸極同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 凸極同步電機(jī)通常分為凸極同步電機(jī)通常分為臥式臥式和和立式立式兩種結(jié)構(gòu)。絕大兩種結(jié)構(gòu)。絕大多數(shù)同步電動(dòng)機(jī)、調(diào)相機(jī)和用內(nèi)燃機(jī)或沖擊式水輪多數(shù)同步電動(dòng)機(jī)、調(diào)相機(jī)和用內(nèi)燃機(jī)或沖擊式水輪機(jī)拖動(dòng)的發(fā)電機(jī)都采用臥式結(jié)構(gòu)；低速、大容量的機(jī)拖動(dòng)的發(fā)電機(jī)都采用臥式結(jié)構(gòu)；低速、大容量的水輪發(fā)電機(jī)和拖動(dòng)大型水泵的同步電動(dòng)機(jī)則采用立水輪發(fā)電機(jī)和拖動(dòng)大型水泵的同步電動(dòng)機(jī)則采用立式結(jié)構(gòu)。式結(jié)構(gòu)。 1. 1. 臥式凸極同步電機(jī)的特點(diǎn)臥式凸極同步電機(jī)的特點(diǎn) 臥式凸極同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子由臥式凸極同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子由

8、主磁極、磁軛、勵(lì)磁繞組主磁極、磁軛、勵(lì)磁繞組、阻尼繞組、集電環(huán)和轉(zhuǎn)軸、阻尼繞組、集電環(huán)和轉(zhuǎn)軸等部件組成。分述如下：等部件組成。分述如下： 主磁極主磁極 磁軛磁軛 勵(lì)磁繞勵(lì)磁繞 集電環(huán)集電環(huán) 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸注意：注意：書書P228圖圖6-6有錯(cuò)有錯(cuò)阻尼繞組 阻尼繞組和異步電機(jī)的籠型結(jié)構(gòu)相似，是用裸銅條阻尼繞組和異步電機(jī)的籠型結(jié)構(gòu)相似，是用裸銅條插入極靴的槽中，然后在兩端用銅環(huán)（稱為端環(huán)）插入極靴的槽中，然后在兩端用銅環(huán)（稱為端環(huán)）焊接在一起。在焊接在一起。在同步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)中，阻尼繞組起中，阻尼繞組起抑制轉(zhuǎn)抑制轉(zhuǎn)子機(jī)械振蕩子機(jī)械振蕩的作用；在的作用；在同步電動(dòng)機(jī)和同步補(bǔ)償機(jī)同步電動(dòng)機(jī)和同步補(bǔ)償機(jī)中

9、中，阻尼繞組在電機(jī)起動(dòng)時(shí)可產(chǎn)生異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，主，阻尼繞組在電機(jī)起動(dòng)時(shí)可產(chǎn)生異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，主要作為要作為起動(dòng)繞組用起動(dòng)繞組用。 2. 2. 立式凸極同步電機(jī)的特點(diǎn)立式凸極同步電機(jī)的特點(diǎn) 大型水輪發(fā)電機(jī)通常都是立式結(jié)構(gòu)，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速低，極對(duì)數(shù)就很多、電機(jī)直徑大、軸向長度短，外形短粗，呈扁盤形。 立式水輪發(fā)電機(jī)分為懸式和傘式兩種形式： 1)懸式水輪發(fā)電機(jī)將推力軸承安裝在轉(zhuǎn)子上部，運(yùn)行穩(wěn)定，適用于轉(zhuǎn)速高的水輪發(fā)電機(jī)組。 2)傘式水輪發(fā)電機(jī)將推力軸承安裝在轉(zhuǎn)子底部，軸向長度小，可以降低廠房高度，用于低速水輪發(fā)電機(jī)組。 6.1.6 6.1.6 同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài) 在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子也

10、是同步轉(zhuǎn)速，所以定子旋轉(zhuǎn)磁場也是同步轉(zhuǎn)速，兩者保持相對(duì)靜止。 同步電機(jī)有三種運(yùn)行狀態(tài)：發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和補(bǔ)償機(jī)（又稱調(diào)相機(jī)）。同步電機(jī)運(yùn)行于哪一種狀態(tài)，主要取決于氣隙合成磁場與轉(zhuǎn)子主極磁場之間的夾角，此角稱為功率角。 同步電機(jī)的三種狀態(tài)NSSNn0n0理想空載狀態(tài)理想空載狀態(tài)轉(zhuǎn)子主極磁場轉(zhuǎn)子主極磁場超前超前于于合成氣隙磁場合成氣隙磁場轉(zhuǎn)子主極磁場與轉(zhuǎn)子主極磁場與合成氣隙磁場軸線合成氣隙磁場軸線重合重合轉(zhuǎn)子主極磁場轉(zhuǎn)子主極磁場滯后滯后于于合成氣隙磁場合成氣隙磁場0=001.直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁6.1.7 6.1.7 同步電機(jī)的勵(lì)磁方式同步電機(jī)的勵(lì)磁方式 2 2 靜止整流器勵(lì)磁靜止整流器勵(lì)磁 副勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)

11、磁電流開始時(shí)由外部直流電源提供，待電壓建立起來后再轉(zhuǎn)為自勵(lì)(或用永磁發(fā)電機(jī))。副勵(lì)磁機(jī)的輸出電流經(jīng)過靜止晶閘管整流后供給主勵(lì)磁機(jī)，而主勵(lì)磁機(jī)的交流輸出電流經(jīng)過靜止的三相橋式硅整流器整流后給主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁。配置集電環(huán)配置集電環(huán)靜動(dòng)動(dòng)注意：靜止整流器的直流輸出必須經(jīng)過電刷和集電環(huán)才能輸送到主發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁繞組。 對(duì)于大容量的同步發(fā)電機(jī)，其勵(lì)磁電流達(dá)到數(shù)千安培，對(duì)于大容量的同步發(fā)電機(jī)，其勵(lì)磁電流達(dá)到數(shù)千安培，使得集電環(huán)嚴(yán)重過熱。因此，在大容量的同步發(fā)電機(jī)中使得集電環(huán)嚴(yán)重過熱。因此，在大容量的同步發(fā)電機(jī)中，將主勵(lì)磁機(jī)作成旋轉(zhuǎn)電樞式（，將主勵(lì)磁機(jī)作成旋轉(zhuǎn)電樞式（見見P225P225圖圖6-26-2電樞

12、交流電樞交流輸出本身是旋轉(zhuǎn)的輸出本身是旋轉(zhuǎn)的），并將整流器也固定在轉(zhuǎn)軸上一起），并將整流器也固定在轉(zhuǎn)軸上一起旋轉(zhuǎn)，省去集電環(huán)。旋轉(zhuǎn)，省去集電環(huán)。省去集電環(huán)省去集電環(huán)動(dòng)動(dòng)動(dòng)動(dòng)省去集電環(huán)省去集電環(huán)動(dòng)動(dòng)動(dòng)動(dòng)6.1.8 同步電機(jī)的額定值1. 1. 額定電壓額定電壓 U UN N ：線電壓的額定值。：線電壓的額定值。2. 2. 額定電流額定電流 I IN N ：線電流的額定值。：線電流的額定值。3. 3. 額定功率額定功率 P PN N ：輸出功率的額定值。：輸出功率的額定值。4 4、 額定容量額定容量 S SN N ：額定運(yùn)行時(shí)輸出的容量。：額定運(yùn)行時(shí)輸出的容量。 5. 5. 額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速 n n

13、N N ：額定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速。：額定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速。6. 6. 額定功率因數(shù)額定功率因數(shù) cos cos N N ：額定運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)。：額定運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)。7. 7. 額定勵(lì)磁電壓額定勵(lì)磁電壓 U UfN ,fN ,額定勵(lì)磁電流額定勵(lì)磁電流 I IfN fN ： 保證輸出額定值時(shí)需要的勵(lì)磁量。保證輸出額定值時(shí)需要的勵(lì)磁量。 注意關(guān)于額定功率：同步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)是指額定運(yùn)行時(shí)是指額定運(yùn)行時(shí)輸出的電功率輸出的電功率；同步電動(dòng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī)是指額定運(yùn)行時(shí)軸上是指額定運(yùn)行時(shí)軸上輸出的機(jī)械功率輸出的機(jī)械功率；補(bǔ)償機(jī)補(bǔ)償機(jī)是指額定運(yùn)行時(shí)是指額定運(yùn)行時(shí)輸出的無功功率輸出的無功功率以以kvarkvar或或M

14、varMvar表示表示 。6.2 6.2 空載和負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的磁場空載和負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的磁場6.2.1 6.2.1 空載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的磁場空載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的磁場 用原動(dòng)機(jī)把同步發(fā)電機(jī)拖動(dòng)到同步轉(zhuǎn)速，勵(lì)磁用原動(dòng)機(jī)把同步發(fā)電機(jī)拖動(dòng)到同步轉(zhuǎn)速，勵(lì)磁繞組通入直流勵(lì)磁電流，而電樞（定子）繞組開路繞組通入直流勵(lì)磁電流，而電樞（定子）繞組開路的運(yùn)行狀態(tài)，稱為同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行。的運(yùn)行狀態(tài)，稱為同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行。 這時(shí)電樞（定子）電流為零，電機(jī)氣隙中僅有這時(shí)電樞（定子）電流為零，電機(jī)氣隙中僅有由勵(lì)磁（轉(zhuǎn)子）電流所建立的主極磁場由勵(lì)磁（轉(zhuǎn)子）電流所建立的主極磁場0 0。而由。而由勵(lì)磁電流單獨(dú)產(chǎn)生的磁

15、動(dòng)勢勵(lì)磁電流單獨(dú)產(chǎn)生的磁動(dòng)勢F Ff f和磁場和磁場0 0 ，稱為勵(lì)，稱為勵(lì)磁磁動(dòng)勢和勵(lì)磁磁場磁磁動(dòng)勢和勵(lì)磁磁場 （又稱主極磁場）（又稱主極磁場） （1 1） 空載運(yùn)行時(shí)的物理情況空載運(yùn)行時(shí)的物理情況當(dāng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子繞組內(nèi)將感應(yīng)三相對(duì)稱電動(dòng)勢，其頻率和有效值分別為： 011044.4wkfNE60spnf 2. 2. 同步電機(jī)的空載特性同步電機(jī)的空載特性E0 = f (I f) 因?yàn)橐驗(yàn)镕f If E0 0 所以可反映所以可反映 0= f (F f) 0 0較小時(shí)，磁路不飽和，較小時(shí)，磁路不飽和， 空載曲線是一條直線；空載曲線是一條直線； 隨隨 o o的增大，鐵心逐漸飽和，的增大，

16、鐵心逐漸飽和， 空載曲線彎曲。空載曲線彎曲。 氣隙線氣隙線：不計(jì)鐵心磁阻的空載特性曲線。不計(jì)鐵心磁阻的空載特性曲線。氣隙線空載載特00,Eo0fIff,FINU6.2.2 6.2.2 同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng) 當(dāng)同步發(fā)電機(jī)帶上三相對(duì)稱負(fù)載后，電樞中有三相對(duì)稱電流通過，產(chǎn)生同步旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢Fa，并與轉(zhuǎn)子保持同步。 氣隙合成磁動(dòng)勢由電樞磁動(dòng)勢以及主極磁動(dòng)勢共同產(chǎn)生主磁極基波磁動(dòng)勢主磁極基波磁動(dòng)勢afFFF1 電樞磁動(dòng)勢對(duì)主極磁動(dòng)勢的影響稱為電樞反應(yīng)，電樞磁動(dòng)勢對(duì)主極磁動(dòng)勢的影響稱為電樞反應(yīng)，電樞反應(yīng)的性質(zhì)（增磁、去磁和交磁）主要取電樞反應(yīng)的性質(zhì)（增磁、去磁和交磁）主要取決于決于FaF

17、a和和Ff1Ff1之間的相對(duì)位置關(guān)系之間的相對(duì)位置關(guān)系 現(xiàn)定義一個(gè)新變量：內(nèi)功率因數(shù)角定義為激磁電動(dòng)勢E0與負(fù)載電流I之間的相位關(guān)系 由于E0落后Ff190，而負(fù)載電流I與Fa同相，故 能放映能放映FaFa和和F Ff1f1之間的關(guān)系之間的關(guān)系下面我們根據(jù)負(fù)載性質(zhì)討論下面我們根據(jù)負(fù)載性質(zhì)討論介紹時(shí)-空矢量圖的繪制方法 同步電機(jī)中需要定義坐標(biāo)軸定義: 直軸（縱軸或d軸）：主磁極軸線位置； 交軸（橫軸或q軸）：與直軸成90度電角度的位置； 相軸：一般取A相繞組的軸線為參考軸； 時(shí)軸：通常令時(shí)間參考軸與空間參考軸重合。 介紹時(shí)-空矢量圖的繪制方法 I步驟：步驟：逆時(shí)針為正方向逆時(shí)針為正方向 由于由于

18、EaEa落后落后0 09090，F(xiàn)aFa與與I I同相，而同相，而I I與與EaEa同相，故同相，故電樞磁動(dòng)勢電樞磁動(dòng)勢FaFa恰好恰好在交軸上，此時(shí)稱為在交軸上，此時(shí)稱為交軸電樞反應(yīng)交軸電樞反應(yīng)。 交軸電樞磁動(dòng)勢不僅使氣隙合成磁交軸電樞磁動(dòng)勢不僅使氣隙合成磁動(dòng)勢的幅值有所動(dòng)勢的幅值有所增大增大，而且使氣隙，而且使氣隙合成磁動(dòng)勢的軸線位置從空載時(shí)直合成磁動(dòng)勢的軸線位置從空載時(shí)直軸處逆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向軸處逆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向（因在發(fā)電機(jī)中主（因在發(fā)電機(jī)中主磁極超前電樞磁極）磁極超前電樞磁極）后移了一個(gè)銳后移了一個(gè)銳角，使主極磁動(dòng)勢角，使主極磁動(dòng)勢超前超前氣隙合成磁氣隙合成磁動(dòng)勢。動(dòng)勢。1 1） =0 =0 時(shí)的電

19、樞反應(yīng)時(shí)的電樞反應(yīng)逆時(shí)針為正方向逆時(shí)針為正方向逆時(shí)針為正方向逆時(shí)針為正方向轉(zhuǎn)子磁勢和電樞磁勢一轉(zhuǎn)子磁勢和電樞磁勢一同作用在直軸上，方向同作用在直軸上，方向相反，電樞反應(yīng)為純?nèi)ハ喾矗姌蟹磻?yīng)為純?nèi)ゴ抛饔茫铣纱艅莸姆抛饔茫铣纱艅莸姆禍p小。這一電樞反應(yīng)值減小。這一電樞反應(yīng)稱為稱為直軸去磁電樞反應(yīng)直軸去磁電樞反應(yīng)。 2 2） =90 =90 時(shí)的電樞反應(yīng)時(shí)的電樞反應(yīng)3 3） =-90 =-90 時(shí)的電樞反應(yīng)時(shí)的電樞反應(yīng) 此時(shí)此時(shí)FfFf與與FaFa同相，轉(zhuǎn)子磁勢同相，轉(zhuǎn)子磁勢和電樞磁勢一同作用在直軸和電樞磁勢一同作用在直軸上，方向相同，電樞反應(yīng)為上，方向相同，電樞反應(yīng)為純?cè)龃抛饔茫铣纱艅莸姆?/p>

20、純?cè)龃抛饔茫铣纱艅莸姆导哟螅@一電樞反應(yīng)稱為值加大，這一電樞反應(yīng)稱為直軸增磁電樞反應(yīng)直軸增磁電樞反應(yīng) 逆時(shí)針為正方向逆時(shí)針為正方向4）一般情況下時(shí)的電樞反應(yīng) 0 90并且有saaa0XI jRIUXI jXI jRIUE補(bǔ)充：補(bǔ)充：等效電路三相對(duì)稱三相對(duì)稱取一相分析取一相分析向量圖saaa0XI jRIUXI jXI jRIUE逆時(shí)針為正方向逆時(shí)針為正方向區(qū)分學(xué)習(xí)同步電機(jī)三個(gè)重要角度1.1.負(fù)載阻抗角負(fù)載阻抗角U U與與I I中間的夾角中間的夾角2.2.內(nèi)功率因數(shù)角內(nèi)功率因數(shù)角 E E0 0與與I I之間的夾角之間的夾角3.3.功角功角( (功率角功率角)E E0 0與與U U之間的夾角之

21、間的夾角 . . . . . .6.3.2 6.3.2 考慮飽和時(shí)的電壓方程和相量圖考慮飽和時(shí)的電壓方程和相量圖 實(shí)際的同步電機(jī)往往運(yùn)行在接近飽和的區(qū)域。考實(shí)際的同步電機(jī)往往運(yùn)行在接近飽和的區(qū)域。考慮磁飽和時(shí)，由于磁化曲線的非線性，疊加原理不再慮磁飽和時(shí)，由于磁化曲線的非線性，疊加原理不再適用。適用。 主磁路上的基波合成磁動(dòng)勢：主磁路上的基波合成磁動(dòng)勢： E由于磁路飽和由于磁路飽和不能簡單等于不能簡單等于a0 EE該過程要借助空載特性完成該過程要借助空載特性完成電壓方程電壓方程：或或6.4 6.4 凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖和等效凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖和等效電路電路 6.4.1

22、 6.4.1 雙反應(yīng)理論雙反應(yīng)理論 凸極同步電機(jī)的氣隙通常是不均勻的，氣隙各處的磁凸極同步電機(jī)的氣隙通常是不均勻的，氣隙各處的磁阻不相同。極面下氣隙較小，所以極面下的磁阻較小阻不相同。極面下氣隙較小，所以極面下的磁阻較小、直軸磁導(dǎo)較大；兩極之間氣隙較大，所以兩極之間、直軸磁導(dǎo)較大；兩極之間氣隙較大，所以兩極之間的磁阻較大、交軸磁導(dǎo)較小。的磁阻較大、交軸磁導(dǎo)較小。 IEXEFIaaaaa 電樞反應(yīng)可用電樞反應(yīng)可用XaXa直接表達(dá)出來直接表達(dá)出來 為了便于分析和計(jì)算為了便于分析和計(jì)算，勃勃郞郞德（德（BlondelBlondel）引入雙反）引入雙反應(yīng)理論。雙反應(yīng)理論分析過程是應(yīng)理論。雙反應(yīng)理論分析

23、過程是: : 雙反應(yīng)理論雙反應(yīng)理論電樞基波磁勢電樞基波磁勢F Fa a分解為直軸上的直軸分解為直軸上的直軸電樞反應(yīng)磁勢分量電樞反應(yīng)磁勢分量F Fadad和交軸上的交軸電樞反應(yīng)磁勢分和交軸上的交軸電樞反應(yīng)磁勢分量量F Faqaq雙反應(yīng)理論： 把電樞的基波磁動(dòng)勢把電樞的基波磁動(dòng)勢FaFa分解成直軸磁動(dòng)勢分解成直軸磁動(dòng)勢FadFad和交和交軸磁動(dòng)勢軸磁動(dòng)勢FaqFaq兩個(gè)分量，再分別求出直軸和交軸電兩個(gè)分量，再分別求出直軸和交軸電樞反應(yīng)磁通以及它們的感應(yīng)電動(dòng)勢，然后把它們疊樞反應(yīng)磁通以及它們的感應(yīng)電動(dòng)勢，然后把它們疊加起來。這種考慮到凸極電機(jī)氣隙的不均勻性，把加起來。這種考慮到凸極電機(jī)氣隙的不均勻性

24、，把電樞反應(yīng)分成直軸和交軸電樞反應(yīng)分別來處理的方電樞反應(yīng)分成直軸和交軸電樞反應(yīng)分別來處理的方法，稱為法，稱為雙反應(yīng)理論。雙反應(yīng)理論。 電樞磁勢和電樞電流的分解cossinaaqaadFFFF電樞磁勢的分解電樞磁勢的分解sincosdqIIII電樞電流的分解電樞電流的分解6.4.2 6.4.2 不考慮飽和時(shí)的電壓方程、相量圖和等效電路不考慮飽和時(shí)的電壓方程、相量圖和等效電路電樞電壓方程式：電樞電壓方程式：與隱極同步發(fā)電機(jī)類似addadXI jEaqqaqXI jE直軸反應(yīng)電抗直軸反應(yīng)電抗交軸反應(yīng)電抗交軸反應(yīng)電抗代入代入考慮考慮aqqadda0XI jXI jXI jRIUE）（）（aqqadda

25、XXI jXXI jRIUqqddaXI jXI jRIU=addXXX 直軸同步電抗直軸同步電抗交軸同步電抗交軸同步電抗aqqXXX 不考慮飽和時(shí)的相量圖不考慮飽和時(shí)的相量圖0 qI0 E 0 UdIqdjXI IaRIddjXIqqddaXI jXI jRIU=0E逆時(shí)針為正方向逆時(shí)針為正方向可得到該向量圖可得到該向量圖內(nèi)功率因數(shù)角內(nèi)功率因數(shù)角：只是分析中的一個(gè)輔助量，只是分析中的一個(gè)輔助量，并不能事先給定并不能事先給定 ，需根，需根據(jù)其他參數(shù)求出來據(jù)其他參數(shù)求出來為求解內(nèi)功率因數(shù)角引入虛擬電動(dòng)勢引入虛擬電動(dòng)勢 的概念的概念QE注意：本概念與課程的分析計(jì)算題相關(guān)！注意：本概念與課程的分析計(jì)

26、算題相關(guān)！虛擬電動(dòng)勢沒有任何物理意義，它只是方便大虛擬電動(dòng)勢沒有任何物理意義，它只是方便大家計(jì)算內(nèi)功率角的一個(gè)中間變量家計(jì)算內(nèi)功率角的一個(gè)中間變量定義：定義： cossinarctan aq IRUIXU 0 qI0 E UdIqj XI IaRI）（qddjXXIQE qaQXI jRIUE等效電路等效電路該等效電路在計(jì)算凸極同步電機(jī)在電網(wǎng)中的運(yùn)行性能該等效電路在計(jì)算凸極同步電機(jī)在電網(wǎng)中的運(yùn)行性能和功角時(shí)常常用到。和功角時(shí)常常用到。相關(guān)計(jì)算實(shí)例見書相關(guān)計(jì)算實(shí)例見書P244P244例例6-16-1 I U QEqXaR6.4.3 6.4.3 考慮飽和時(shí)的電壓方程和相量考慮飽和時(shí)的電壓方程和相量

27、圖圖考慮磁飽和時(shí)，疊加原理不再適用，此時(shí)氣隙合成磁考慮磁飽和時(shí)，疊加原理不再適用，此時(shí)氣隙合成磁場將取決于主極和電樞兩者的合成磁動(dòng)勢。場將取決于主極和電樞兩者的合成磁動(dòng)勢。 Fad和和Faq折算到勵(lì)磁繞組折算到勵(lì)磁繞組的等效方波勵(lì)磁磁動(dòng)勢的等效方波勵(lì)磁磁動(dòng)勢 慮到交軸方面的氣隙較大，交軸磁路基本是線性的，因此與不計(jì)飽和時(shí)相類似aqqaqXI jE6.5 6.5 同步發(fā)電機(jī)的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程同步發(fā)電機(jī)的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程 P1-p-pFe-p = Pe Pe-pcua = P2 6.5.1 6.5.1 同步發(fā)電機(jī)的功率方程同步發(fā)電機(jī)的功率方程 若勵(lì)磁損耗由另外的直流電源供給 原動(dòng)機(jī)從轉(zhuǎn)子上輸入

28、P1的機(jī)械功率，減去機(jī)械損耗p、定子鐵損pFe（轉(zhuǎn)子鐵心中磁場恒定，無鐵耗）和附加損耗p后，通過電磁感應(yīng)（經(jīng)氣隙）變成電磁功率傳遞給定子。再從定子中減去定子銅損耗極為輸出功率。定子銅耗；電磁功率； 輸出功率cos 22 m U I PRmIpPacuae其能量流程圖為6.5.2 6.5.2 同步發(fā)電機(jī)的電磁功率同步發(fā)電機(jī)的電磁功率對(duì)于凸極電機(jī)0 qI0 E UdIqj XI IaRI）（qddjXXIQE 由圖可見由圖可見對(duì)于隱極電機(jī)對(duì)于隱極電機(jī)6.5.3 6.5.3 同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程e01TTTs11PTseePTsFe0pppT輸入轉(zhuǎn)矩輸入轉(zhuǎn)矩空載轉(zhuǎn)矩空載轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)

29、矩電磁轉(zhuǎn)矩 P1-p-pFe-p = Pe 在兩邊同除以s，并變形6.7 6.7 同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的并聯(lián)運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的并聯(lián)運(yùn)行 同步發(fā)電機(jī)作單機(jī)運(yùn)行時(shí)，隨著負(fù)載的變化，同步發(fā)電機(jī)的頻率和端電壓將發(fā)生相應(yīng)的變化，供電的質(zhì)量和可靠性較差。為了克服這些缺點(diǎn)，現(xiàn)代電力系統(tǒng)（電網(wǎng)）通常總是由許多發(fā)電廠并聯(lián)組成，每個(gè)電廠內(nèi)又有多臺(tái)發(fā)電機(jī)在一起并聯(lián)運(yùn)行。同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行有許多優(yōu)點(diǎn)：同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行有許多優(yōu)點(diǎn)：（1）提高了供電的可靠性 一臺(tái)發(fā)電機(jī)發(fā)生故障不會(huì)引起停電事故，也便于各發(fā)電機(jī)輪流檢修。（2）提高了供電的經(jīng)濟(jì)性和靈活性 在用電高峰期和低谷期，可以靈活地決定投入并聯(lián)的發(fā)電機(jī)數(shù)量，

30、提高發(fā)電機(jī)的效率。（3）提高了供電質(zhì)量 負(fù)載變化對(duì)整個(gè)電網(wǎng)電壓、頻率影響甚微。6.7.1 6.7.1 并聯(lián)運(yùn)行的條件和方法并聯(lián)運(yùn)行的條件和方法（1 1）投入并聯(lián)的條件投入并聯(lián)的條件1 1）發(fā)電機(jī)的頻率）發(fā)電機(jī)的頻率f f與電網(wǎng)的頻率與電網(wǎng)的頻率f f相同，即相同，即 f ff f。2 2）發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的電壓波形相同。）發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的電壓波形相同。3 3）發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電動(dòng)勢）發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電動(dòng)勢E E0 0應(yīng)與電網(wǎng)電壓應(yīng)與電網(wǎng)電壓U U的幅的幅 值大小相等。值大小相等。4 4）并聯(lián)合閘瞬間，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)對(duì)應(yīng)相的電壓）并聯(lián)合閘瞬間，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)對(duì)應(yīng)相的電壓 應(yīng)同相位。應(yīng)同相位。5 5）發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的

31、相序要相同。）發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的相序要相同。第五個(gè)條件必須滿足，其余條件允許稍有出入。第五個(gè)條件必須滿足，其余條件允許稍有出入。詳細(xì)分析如下：詳細(xì)分析如下： 1 1）發(fā)電機(jī)的頻率）發(fā)電機(jī)的頻率f f應(yīng)與電網(wǎng)應(yīng)與電網(wǎng)頻率頻率f f一致一致 若二者不同，E0和U1之間便有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，兩相量之間的夾角在0 360之間變化，電壓差U（=E0-U1）忽大忽小，時(shí)而作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，時(shí)而作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，不易進(jìn)行投入操作，即使強(qiáng)行投入后，也不易牽入同步，在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間引起電流和功率的震蕩。2 2）發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)）發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)電壓的波形電壓的波形一致一致 如果波形不一致，說明在二者中高次諧波的含量不同，勢必會(huì)引起高

32、次諧波環(huán)流，增加損耗，溫度升高，發(fā)電機(jī)壽命縮短。3 3、4 4）發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電動(dòng)勢）發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電動(dòng)勢E E0 0應(yīng)與電網(wǎng)電壓應(yīng)與電網(wǎng)電壓U U的幅值的幅值大小相等。大小相等。同時(shí)二者的相位同時(shí)二者的相位應(yīng)同相位應(yīng)同相位 若二者不等或相位不同，同樣會(huì)在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間產(chǎn)生環(huán)流，嚴(yán)重時(shí)可達(dá)（58）IN，引起附件損耗。5 5）發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的相序要相同。）發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的相序要相同。 若相序不同相當(dāng)于在發(fā)電機(jī)的輸出端加了一組負(fù)序電壓，造成電流和轉(zhuǎn)矩的巨大沖擊（必須滿足）（2 2） 同步發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)的方法同步發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)的方法 為了投入并聯(lián)所進(jìn)行的調(diào)節(jié)和操作過程，稱為為了投入并聯(lián)所進(jìn)行的調(diào)節(jié)和操作過

33、程，稱為整步過整步過程程。 實(shí)用的整步方法有兩種，一種稱為實(shí)用的整步方法有兩種，一種稱為準(zhǔn)確同步法準(zhǔn)確同步法，另一，另一種稱為種稱為自同步法自同步法。1)1)準(zhǔn)確同步法：直接接法和交叉接法準(zhǔn)確同步法：直接接法和交叉接法直接接法直接接法（燈光熄滅法）（燈光熄滅法） ：電機(jī)各端與電網(wǎng)同相端對(duì)電機(jī)各端與電網(wǎng)同相端對(duì)應(yīng)，應(yīng)，設(shè)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)二者的相序一致，如設(shè)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)二者的相序一致，如下下圖所示，應(yīng)圖所示，應(yīng)按相同的方向旋轉(zhuǎn)。按相同的方向旋轉(zhuǎn)。接線圖向量圖 若二者的頻率不同，則二者的相電壓相量之間便有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，加在三個(gè)指示燈上的電壓同時(shí)忽大忽小的變化，三個(gè)指示燈也就時(shí)亮?xí)r暗（若三個(gè)指示燈輪流亮暗，則

34、表明二者的相序不同，應(yīng)當(dāng)改變發(fā)電機(jī)的接法），調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，直到三個(gè)指示燈不再閃爍，表明二者的頻率相同。 再調(diào)節(jié)電壓的大小和相位直到三個(gè)燈熄滅，且電壓表的指示為零，說明達(dá)到了并聯(lián)的條件，即可投入并聯(lián)。接線圖向量圖交叉接法（燈光旋轉(zhuǎn)法）交叉接法（燈光旋轉(zhuǎn)法）：燈1的接法不變，燈2和燈3交叉連接。 若二者頻率不等，則三個(gè)燈交替亮暗，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電壓和相位，使燈1滅，燈2、3亮度相同，且A、A之間的電壓表的指示為零，就表明已符合并聯(lián)條件。準(zhǔn)確同步法的優(yōu)點(diǎn)：沒有電流沖擊。缺點(diǎn)：整步手續(xù)較復(fù)雜時(shí)間長2)自同步法1）首先校驗(yàn)發(fā)電機(jī)的相序，2）按規(guī)定方向（與定子旋轉(zhuǎn)磁場方向一致）把發(fā)電機(jī)拖動(dòng)到非常接近同步

35、轉(zhuǎn)速，3）勵(lì)磁繞組經(jīng)限流電阻短路，如圖,4）把發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)，并立即加上直流勵(lì)磁， 6.7.26.7.2、與電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)同步發(fā)電機(jī)的功角特性、與電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)同步發(fā)電機(jī)的功角特性 現(xiàn)代電網(wǎng)的電壓和頻率基本不受負(fù)載的影響而保持穩(wěn)定，這種恒壓、恒頻的交流電網(wǎng)稱“無窮大電網(wǎng)”，發(fā)電機(jī)并聯(lián)到無窮大電網(wǎng)上后，其頻率和電壓將受到電網(wǎng)的制約。1）功角特性 由于中大型發(fā)電機(jī)的電樞電阻遠(yuǎn)小于同步電抗，可以忽略，此時(shí)：0( )eEcU cPf河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院 式中： 為負(fù)載的功率因數(shù)角，為功率角 由下圖可知： 故上式可改寫成：cosePmUI0 000cos()(coscossinsin )ePmUImUI 又

36、因?yàn)椋河忠驗(yàn)椋夯颍夯颍簊inqqI XUsinqUIqX河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院代入上式得： 0sincosddqUI XEUIqX 或20E U11sin()sin22edqdUPmmXXX上式中第一項(xiàng)稱為基本電磁功率，第二項(xiàng)稱為附加電磁功率，因它與勵(lì)磁（E0）無關(guān)，且僅當(dāng)Xd=Xq時(shí)才存在，故又稱磁阻功率。 其功角特性如下圖0180時(shí)，對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)狀態(tài)，電磁功率為正-180 0時(shí)，對(duì)應(yīng)電動(dòng)勢狀態(tài)，電磁功率為負(fù)。河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院由式（ 6-35 ）可知：基本電磁功率在=90最大，而=45 時(shí)第二項(xiàng)最大，總的視在功率在=4590之間時(shí)電磁功率達(dá)到最大。具體位置視22max01max11(

37、)sin22E UsinqdeedUmXXPqPmX通過Pe對(duì)求導(dǎo)可得：河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院 此時(shí)：2max11arccos()0.588qq(max)maxmax(1max)sin(1 2 cos)eePqP對(duì)隱極同步發(fā)電機(jī)：對(duì)隱極同步發(fā)電機(jī)：Xd=Xq=Xs,Xd=Xq=Xs,則：則：0sinedE UPmX對(duì)凸極同步發(fā)電機(jī)：對(duì)凸極同步發(fā)電機(jī)：sinQeqEUPmX河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院2 2、功率角的空間含義、功率角的空間含義具有雙重意義：具有雙重意義：1 1）是時(shí)間相量）是時(shí)間相量E E0 0和和U U之間的夾角。之間的夾角。2 2）是空間矢量）是空間矢量F F1 1和和F F之

38、間的夾角之間的夾角（簡化后得到的）。（簡化后得到的）。對(duì)對(duì)正負(fù)的規(guī)定：正負(fù)的規(guī)定： 沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向，沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向，E E0 0超前超前U U時(shí)，時(shí)，為正，為發(fā)電狀為正，為發(fā)電狀態(tài)；否則態(tài)；否則為負(fù)，為電動(dòng)狀態(tài)。為負(fù)，為電動(dòng)狀態(tài)。6.7.3有功功率的調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定（1）有功功率的調(diào)節(jié) 為分析簡單，忽略電樞電阻和磁飽和的影響。 當(dāng)同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后，發(fā)電機(jī)處于空載狀態(tài)（E0=U，I0=0），此時(shí) ，Pe=0，=0. 若增大勵(lì)磁電流，使E0U，此時(shí)雖有電流I，但它是無功電流，故仍有=0，如圖所示。 P1 =ppFep 要使發(fā)電機(jī)有功率輸出，就必須增大輸入功率P1，即增大輸入轉(zhuǎn)矩T1,使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子瞬時(shí)增速，轉(zhuǎn)子主磁場超前于氣隙合成磁場，相應(yīng)的E0就超前于U一個(gè)角，如圖所示，發(fā)電機(jī)有功率輸出，P2Pe=mE0Usin/Xs,同時(shí)轉(zhuǎn)子上受到一個(gè)制動(dòng)性的電磁轉(zhuǎn)矩Te，當(dāng)大到一定時(shí)，Te正好與剩余轉(zhuǎn)矩（T1-T0）相等時(shí)，發(fā)電機(jī)不再加速，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在