1、Page: 1 Date:2022-6-2第十二章第十二章 同步電機的基本理論同步電機的基本理論和運行特性和運行特性Page: 2 Date:2022-6-2+AABCCB定子鐵芯定子鐵芯滑環滑環轉子鐵芯轉子鐵芯空氣隙空氣隙轉子繞組轉子繞組定子繞組定子繞組電刷電刷第一節第一節 同步電機的結構同步電機的結構一、同步電機的結構一、同步電機的結構旋轉旋轉磁極磁極式式Page: 3 Date:2022-6-2 與異步電機一樣，同步電機也是由定子及轉子與異步電機一樣，同步電機也是由定子及轉子兩大部分所組成，對于兩大部分所組成，對于旋轉磁極式旋轉磁極式同步電機，定子同步電機，定子上分布有三相對稱交流繞組；

2、轉子上繞有直流勵磁上分布有三相對稱交流繞組；轉子上繞有直流勵磁繞組，通入直流電流后，產生相對于轉子靜止的磁繞組，通入直流電流后，產生相對于轉子靜止的磁場。場。1、定子、定子 旋轉磁極式旋轉磁極式同步電機的定子也稱為同步電機的定子也稱為電樞電樞，主要，主要由鐵芯、繞組、機座和端蓋等部件所組成。由鐵芯、繞組、機座和端蓋等部件所組成。Page: 4 Date:2022-6-2汽輪機定子實物圖汽輪機定子實物圖Page: 5 Date:2022-6-2機座加工機座加工定子裝配定子裝配Page: 6 Date:2022-6-22、轉子、轉子 由磁極、轉軸、由磁極、轉軸、阻尼繞組阻尼繞組、滑環、電刷等組成。

3、、滑環、電刷等組成。根據磁極形狀的不同分為隱極轉子和凸極轉子。根據磁極形狀的不同分為隱極轉子和凸極轉子。Page: 7 Date:2022-6-2v 隱極發電機轉子結構特點隱極發電機轉子結構特點 原動機為汽輪機，轉速高原動機為汽輪機，轉速高發電機極對數少（發電機極對數少（p22），無），無明顯的磁極（隱極式），氣隙較均勻；鐵芯細而長，采用臥明顯的磁極（隱極式），氣隙較均勻；鐵芯細而長，采用臥式結構。式結構。v 凸極發電機轉子結構特點凸極發電機轉子結構特點 原動機為水輪機，轉速低原動機為水輪機，轉速低極對數多（極對數多（p3）；有明顯的）；有明顯的磁極（凸極式），氣隙不均勻；鐵芯短而粗，采用立式

4、結構。磁極（凸極式），氣隙不均勻；鐵芯短而粗，采用立式結構。Page: 8 Date:2022-6-2凸極轉子實物圖凸極轉子實物圖隱極轉子實物圖隱極轉子實物圖Page: 9 Date:2022-6-2水輪發電機組外觀圖水輪發電機組外觀圖汽輪發電機組外觀圖汽輪發電機組外觀圖Page: 10 Date:2022-6-2二、同步電機的額定值二、同步電機的額定值v 額定容量額定容量 SN 或額定功率或額定功率 PN ：發電機：可以用發電機：可以用容量容量表示出線端的表示出線端的視在視在功率或功率或用用功率功率表示表示輸出輸出的的有功有功功率；功率；電動機：用電動機：用功率功率表示軸上表示軸上輸出輸出的

5、的機械機械功率；功率；調相機：用調相機：用容量容量表示出線端表示出線端輸出輸出的的無功無功功率。功率。對于發電機而言，輸出的是電功率，則對于發電機而言，輸出的是電功率，則NNNNIUPcos3NNNNNIUPcos3對于電動機而言，輸出的是機械功率，則對于電動機而言，輸出的是機械功率，則Page: 11 Date:2022-6-2實題演練：實題演練：1、同步電機的基本特點是轉子轉速為某一固定的同步轉速，即、同步電機的基本特點是轉子轉速為某一固定的同步轉速，即n = n1 = _。同步電機最主要的用途是作為。同步電機最主要的用途是作為_（電動機、發（電動機、發電機、補償機）運行，而還有一種較特殊

6、的應用，專門用來向電網輸送電機、補償機）運行，而還有一種較特殊的應用，專門用來向電網輸送_功率的稱為同步補償機。功率的稱為同步補償機。2、汽輪發電機的原動機為汽輪機，轉速較高，轉子結構特點為：極對、汽輪發電機的原動機為汽輪機，轉速較高，轉子結構特點為：極對數數_，轉子形狀，轉子形狀_ ，通常采用，通常采用_結構；水輪發電機的結構；水輪發電機的原動機為水輪機，轉速較低，轉子結構特點為：極對數原動機為水輪機，轉速較低，轉子結構特點為：極對數_，轉子，轉子形狀形狀_ ，通常采用，通常采用_結構；結構；3、同步發電機中，阻尼繞組起抑制轉子、同步發電機中，阻尼繞組起抑制轉子_的作用，同步的作用，同步電動

7、機和補償機中，阻尼繞組主要作為電動機和補償機中，阻尼繞組主要作為_用，用，Page: 12 Date:2022-6-2勵磁系統應滿足的條件勵磁系統應滿足的條件: 能穩定提供發電機從能穩定提供發電機從空載空載到到滿載滿載所需的所需的If ; 當電網電壓減小時，能快速強行勵磁，提高系統穩當電網電壓減小時，能快速強行勵磁，提高系統穩定性；定性； 發電機突然甩負荷時能快速減磁，限制電壓過高；發電機突然甩負荷時能快速減磁，限制電壓過高； 當電機內部發生短路故障時當電機內部發生短路故障時,能快速滅磁；能快速滅磁； 運行可靠，維護方便，簡單，經濟；運行可靠，維護方便，簡單，經濟； 多臺并聯運行時，能夠成組配

8、合調節無功功率；多臺并聯運行時，能夠成組配合調節無功功率；第二節第二節 同步電機的勵磁同步電機的勵磁Page: 13 Date:2022-6-2第二節第二節 同步電機的勵磁同步電機的勵磁一、直流勵磁機勵磁系統一、直流勵磁機勵磁系統 直流勵磁機與同步發電機同軸，當發電機旋轉起直流勵磁機與同步發電機同軸，當發電機旋轉起來后，勵磁機就可發出直流電供給勵磁繞組。來后，勵磁機就可發出直流電供給勵磁繞組。Rfr1K圖12-10 直流并勵勵磁系統Page: 14 Date:2022-6-2二、交流勵磁機整流勵磁系統二、交流勵磁機整流勵磁系統交流副勵磁機500Hz交流主勵磁機100Hz主發電機自動電壓調節器同

9、軸連接電壓輸出圖12-11 他勵式靜止整流勵磁系統 交流勵磁機與整流裝置相配合交流勵磁機與整流裝置相配合 又可分為靜止整流勵磁和旋轉整流勵磁又可分為靜止整流勵磁和旋轉整流勵磁 無換向器，系統運行可靠，勵磁容量高無換向器，系統運行可靠，勵磁容量高 1、靜止整流勵磁系統、靜止整流勵磁系統Page: 15 Date:2022-6-22、旋轉整流勵磁系統、旋轉整流勵磁系統交流副勵磁機500Hz圖12-12 旋轉整流勵磁系統主發電機交流主勵磁機100Hz旋轉電樞繞組電壓輸出自動電壓調節器同軸連接主勵磁機采用旋轉電樞式三相同步發電機主勵磁機采用旋轉電樞式三相同步發電機無電刷和集電環，運行可靠，適用于防燃防

10、爆場合無電刷和集電環，運行可靠，適用于防燃防爆場合但滅磁時間常數大，轉子繞組保護困難但滅磁時間常數大，轉子繞組保護困難Page: 16 Date:2022-6-2第三節第三節 同步電機的空載運行同步電機的空載運行v 定義：定義：，NfNfnnII 定子繞組開路的狀態定子繞組開路的狀態v 物理過程：物理過程： 轉子通直流勵磁電流，產生轉子通直流勵磁電流，產生相對轉子相對轉子靜止的磁靜止的磁場，轉子以同步速旋轉，轉子磁場以同步速切割定場，轉子以同步速旋轉，轉子磁場以同步速切割定子繞組，在定子繞組內感應空載電動勢，感應電動子繞組，在定子繞組內感應空載電動勢，感應電動勢勢隨時間變化隨時間變化規律與轉子

11、磁場規律與轉子磁場沿空間分布沿空間分布規律相同。規律相同。Page: 17 Date:2022-6-2圖12-13 隱極同步電機轉子磁勢Ff1Ffx一、隱極式同步電機的空載磁動勢一、隱極式同步電機的空載磁動勢fffFFk1v定義：勵磁磁動勢波形系數定義：勵磁磁動勢波形系數實際波形：階梯波實際波形：階梯波基波分量基波分量轉子鐵芯轉子鐵芯轉子繞組轉子繞組在波的在波的形狀不變形狀不變的情況下，基波幅植的情況下，基波幅植與其幅植之間的比值是固定的，該比與其幅植之間的比值是固定的，該比值稱為波形系數。值稱為波形系數。Page: 18 Date:2022-6-2Ff1fFfx圖12-14 凸極同步電機轉子

12、磁勢二、凸極式同步電機的空載磁動勢二、凸極式同步電機的空載磁動勢2sin41ffFF2sin4fk實際波形：矩形波實際波形：矩形波基波分量基波分量轉子鐵芯轉子鐵芯轉子繞組轉子繞組Page: 19 Date:2022-6-2三、時間相量和空間矢量三、時間相量和空間矢量v時間相量：隨時間相量：隨時間時間按正弦規律按正弦規律變化變化的量的量v空間矢量：在空間矢量：在空間空間按正弦規律按正弦規律分布分布的量的量1fF勵磁磁勢勵磁磁勢基波基波分量分量1fB勵磁磁密勵磁磁密基波基波分量分量0繞組所繞組所匝鏈匝鏈的磁通的磁通0E定子繞組感應電動勢定子繞組感應電動勢Page: 20 Date:2022-6-2

13、v 注意注意：磁動勢和磁通密度等空間矢量是由三相電：磁動勢和磁通密度等空間矢量是由三相電樞和主極的共同作用產生的（相互疊加），是三相樞和主極的共同作用產生的（相互疊加），是三相共有的。而時間相量僅指一相的量，如某一相的電共有的。而時間相量僅指一相的量，如某一相的電動勢、電壓、電流及繞組動勢、電壓、電流及繞組匝鏈匝鏈的磁通量。的磁通量。v 磁動勢和磁通密度等空間矢量隨轉子轉過一個周磁動勢和磁通密度等空間矢量隨轉子轉過一個周期（注意：不是一個圓周），定子繞組交鏈的磁通期（注意：不是一個圓周），定子繞組交鏈的磁通量以及定子繞組中的感應電動勢等時間變量也變化量以及定子繞組中的感應電動勢等時間變量也變化

14、一個周期，即這些空間矢量和時間相量的變化頻率一個周期，即這些空間矢量和時間相量的變化頻率是相同的。這樣我們就可以把這些空間矢量圖和時是相同的。這樣我們就可以把這些空間矢量圖和時間相量圖畫在同一個坐標系里進行分析。相應的圖間相量圖畫在同一個坐標系里進行分析。相應的圖稱為時空矢量圖。稱為時空矢量圖。Page: 21 Date:2022-6-2v時空矢量圖參考軸的選取時空矢量圖參考軸的選取時間相量和空間矢量都以時間相量和空間矢量都以A相繞組軸線相繞組軸線作為參考軸。作為參考軸。A相繞組軸線相繞組軸線勵磁繞組勵磁繞組的軸線的軸線兩極間兩極間的中線的中線Page: 22 Date:2022-6-2四、空

15、載電動勢相量四、空載電動勢相量000EEA12000EEB12000EEC011044. 4NkfNEPage: 23 Date:2022-6-2五、電壓波形的正弦畸變率五、電壓波形的正弦畸變率v定義：定義：122122322mnmnmmkmmvUUUUUUk額定功率為額定功率為10到到1000kVA的交流發電機，其的交流發電機，其線電壓線電壓波形允許的正弦畸變率不超過波形允許的正弦畸變率不超過10%，額定功率為額定功率為1000kVA以上的交流發電機，其以上的交流發電機，其線電壓線電壓波形允許的正弦畸變率不超過波形允許的正弦畸變率不超過5%。Page: 24 Date:2022-6-2實題演

16、練：實題演練：1、凸極同步電機的轉子繞組為、凸極同步電機的轉子繞組為_（分布、集中）繞組，其轉（分布、集中）繞組，其轉子磁動勢的空間分布波形為子磁動勢的空間分布波形為_（正弦、階梯、矩形）波，隱（正弦、階梯、矩形）波，隱極同步電機的轉子繞組為極同步電機的轉子繞組為_繞組，其轉子磁動勢的空間分布波繞組，其轉子磁動勢的空間分布波形為形為_波。波。Page: 25 Date:2022-6-2第四節第四節 對稱對稱負載的電樞反應負載的電樞反應v 電樞反應的概念：電機帶載后，電樞反應的概念：電機帶載后，電樞電流電樞電流產生的磁場將使產生的磁場將使原有的原有的氣隙磁場的分布發生氣隙磁場的分布發生變化，從而

17、使繞組中的感應電動勢發生變化，變化，從而使繞組中的感應電動勢發生變化，這種現象稱為這種現象稱為電樞反應電樞反應。v 電樞反應的性質取決于電樞磁動勢和主磁電樞反應的性質取決于電樞磁動勢和主磁場磁動勢之間的場磁動勢之間的相對位置相對位置，而電樞磁動勢和，而電樞磁動勢和主磁場磁動勢之間的主磁場磁動勢之間的相對位置相對位置又取決于又取決于負載負載電流電流的性質，所以電樞反應的性質最終取決的性質，所以電樞反應的性質最終取決于于負載電流負載電流的性質。的性質。Page: 26 Date:2022-6-2v外功率因數角外功率因數角v內功率因數角內功率因數角端電壓端電壓 與負載電流與負載電流 之間的夾角之間的

18、夾角UI空載電動勢空載電動勢 與負載電流與負載電流 之間的夾角之間的夾角0EI 外功率因數角實際存在且可以測量外功率因數角實際存在且可以測量內功率因數角實際不存在也不可以測量，內功率因數角實際不存在也不可以測量，因為電機帶載后，由于電樞反應，氣隙磁因為電機帶載后，由于電樞反應，氣隙磁場發生變化，定子繞組感應電動勢將不再場發生變化，定子繞組感應電動勢將不再是空載時的電動勢。是空載時的電動勢。Page: 27 Date:2022-6-2實題演練：實題演練：1、同步電機的同步電機的空載空載磁場是磁場是_繞組中通入繞組中通入_流電后產生流電后產生的，而電樞磁場則是的，而電樞磁場則是_繞組中流繞組中流過

19、過_流電產生的流電產生的。Page: 28 Date:2022-6-2）時的電樞反應）時的電樞反應同相（同相（和和一、一、00 EINSdqnAXCYZBA相軸時軸B相軸C相軸A相軸時軸時間矢量圖A相軸時軸dFf1qA 相時空矢量圖E0AIAIBE0CICE0BIE0Faa0EEaF圖12-17 時的電樞反應v 此時同步電機處于此時同步電機處于發電機發電機運行狀態，僅輸出運行狀態，僅輸出有功有功功率到電功率到電網。網。軸軸電電樞樞反反應應。，作作用用在在交交軸軸，稱稱為為交交滯滯后后特特點點： 901faFF同同方方向向。與與同同方方向向，與與結結論論：時時空空矢矢量量圖圖上上，AafAIFF

20、10 Page: 29 Date:2022-6-2）時的電樞反應）時的電樞反應（滯后滯后二、二、 90900 EIv此時同步電機處于此時同步電機處于發電機發電機運行狀態，僅輸出運行狀態，僅輸出感性無感性無功功功率功率到電網。到電網。磁作用。磁作用。反相位，電樞反應起去反相位，電樞反應起去與與由于由于軸電樞反應。軸電樞反應。，作用在直軸，稱為直，作用在直軸，稱為直滯后滯后特點：特點：11180fafaFFFF AXCYZBA相軸時軸B相軸C相軸A相軸時軸時間矢量圖A相軸時軸dFf1qA 相時空矢量圖E0AIAIBE0CICE0BIE0Faa0EEaF圖12-18 時的電樞反應NSdqnPage:

21、 30 Date:2022-6-2v 對于接在電網上的同步發電機，由于對于接在電網上的同步發電機，由于電網電壓電網電壓必必須保持不變，要求氣隙合成磁場近似保持不變。增須保持不變，要求氣隙合成磁場近似保持不變。增大直流勵磁（過勵）所引起的電樞反應必然是起去大直流勵磁（過勵）所引起的電樞反應必然是起去磁作用的，也就是說處于磁作用的，也就是說處于過勵過勵運行狀態的同步電機運行狀態的同步電機將向電網輸送將向電網輸送感性感性無功功率。無功功率。）時的電樞反應）時的電樞反應（滯后滯后二、二、 90900 EIPage: 31 Date:2022-6-2）時的電樞反應）時的電樞反應（滯后滯后三、三、 180

22、1800 EIA相軸時軸時間矢量圖A相軸時軸dFf1qA 相時空矢量圖E0AIAIBE0CICE0BIE0Faa0EEaF圖12-19 時的電樞反應v 此時同步電機處于此時同步電機處于電動機電動機運行狀態，僅從電網吸收運行狀態，僅從電網吸收有功有功功功率。率。軸軸電電樞樞反反應應。，作作用用在在交交軸軸，稱稱為為交交超超前前特特點點： 901faFFPage: 32 Date:2022-6-2）時的電樞反應）時的電樞反應（超前超前四、四、 90900 EIIBE0CICE0BIE0Faa0EEaF圖12-20 時的電樞反應A相軸時軸時間矢量圖A相軸時軸dFf1qA 相時空矢量圖E0AIAv此時

23、同步電機處于此時同步電機處于發電機發電機運行狀態，僅輸出運行狀態，僅輸出容性無容性無功功功率功率到電網。到電網。磁作用。磁作用。同相位，電樞反應起助同相位，電樞反應起助與與由于由于稱為直軸電樞反應。稱為直軸電樞反應。同相位，作用在直軸，同相位，作用在直軸，與與特點：特點：11fafaFFFFPage: 33 Date:2022-6-2）時的電樞反應）時的電樞反應（超前超前四、四、 90900 EIv 對于接在電網上的同步發電機，由于對于接在電網上的同步發電機，由于電網電壓電網電壓必必須保持不變，要求氣隙合成磁場近似保持不變。減須保持不變，要求氣隙合成磁場近似保持不變。減小直流勵磁（欠勵）所引起

24、的電樞反應必然是起助小直流勵磁（欠勵）所引起的電樞反應必然是起助磁作用的，也就是說處于磁作用的，也就是說處于欠勵欠勵運行狀態的同步電機運行狀態的同步電機將向電網輸送將向電網輸送容性容性無功功率。無功功率。Page: 34 Date:2022-6-2五、一般情況下的電樞反應五、一般情況下的電樞反應可以把電樞反應磁動勢分解為兩個分量：可以把電樞反應磁動勢分解為兩個分量：交軸分量：滯后為發電機運行、超前為電動機運行；交軸分量：滯后為發電機運行、超前為電動機運行；直軸分量：去磁為過勵狀態、助磁為欠勵狀態。直軸分量：去磁為過勵狀態、助磁為欠勵狀態。A相軸時軸時間矢量圖A相軸時軸dFf1qA 相時空矢量圖

25、E0AIAIBE0CICE0BIE0FaF圖12-21 0時的電樞反應FadFaqIdIqPage: 35 Date:2022-6-2v 結論：同步電機的運行方式可以由內功率因數角結論：同步電機的運行方式可以由內功率因數角來判斷。轉子磁場超前于定子磁場時（來判斷。轉子磁場超前于定子磁場時（-/2 /2），同步電機作為發電機運行，定子磁場超前于），同步電機作為發電機運行，定子磁場超前于轉子磁場時（轉子磁場時（/2 xa x 。Page: 44 Date:2022-6-20 a 0E EI x I jax I j 90 Uar I3、隱極發電機的相量圖、隱極發電機的相量圖i )(0 jxrIUEE

26、Eaa Page: 45 Date:2022-6-23、隱極發電機的相量圖、隱極發電機的相量圖Page: 46 Date:2022-6-2隱極發電機的簡化相量圖隱極發電機的簡化相量圖Page: 47 Date:2022-6-2二、考慮磁路飽和時的分析方法二、考慮磁路飽和時的分析方法1fF0EaFFEaEE磁磁路路飽飽和和v 步驟步驟1、求合成磁勢、求合成磁勢 F2、查、查磁化曲線磁化曲線得氣隙磁通得氣隙磁通 3、求合成電動勢、求合成電動勢E4、求端電壓、求端電壓UPage: 48 Date:2022-6-2第六節第六節 凸極同步發電機的分析方法凸極同步發電機的分析方法v 問題：凸極同步電機氣隙

27、不均勻，各點磁問題：凸極同步電機氣隙不均勻，各點磁阻不相同。同一電樞磁動勢作用在氣隙的不阻不相同。同一電樞磁動勢作用在氣隙的不同位置，其所遇到的磁阻是不同的。分析電同位置，其所遇到的磁阻是不同的。分析電樞反應時，不但要知道電樞磁動勢的大小和樞反應時，不但要知道電樞磁動勢的大小和空間位置，而且要求出不同位置的磁阻，而空間位置，而且要求出不同位置的磁阻，而求氣隙不同位置的磁阻是非常困難的。求氣隙不同位置的磁阻是非常困難的。aaaaaEBHFI v 隱極同步發電機的分析方法隱極同步發電機的分析方法I？ Page: 49 Date:2022-6-2第六節第六節 凸極同步發電機的分析方法凸極同步發電機的

28、分析方法一、雙反應理論一、雙反應理論v 方法：把電樞磁動勢分解為分別作用在直方法：把電樞磁動勢分解為分別作用在直軸和交軸的兩個分量，它們又分別在電樞繞軸和交軸的兩個分量，它們又分別在電樞繞組中感應出電樞反應電動勢。組中感應出電樞反應電動勢。v注意：由于氣隙不均勻，交直軸注意：由于氣隙不均勻，交直軸磁通密度磁通密度分布波將不是正弦波。分布波將不是正弦波。 aqaaqaqadaadadEFFIIEFFII coscossinsinPage: 50 Date:2022-6-2二、電路方程和等效電路二、電路方程和等效電路)(0 jxrIUEEEEaaqad Page: 51 Date:2022-6-2

29、三、直軸與交軸電樞反應電抗和同步電抗三、直軸與交軸電樞反應電抗和同步電抗1、直軸電樞反應電抗、直軸電樞反應電抗adadadadaddEBBFI11 其中：其中：addadBkB 1 ：直軸電樞磁通：直軸電樞磁通密度分布曲線的波形密度分布曲線的波形系數，與磁極的尺寸系數，與磁極的尺寸有關。有關。dkPage: 52 Date:2022-6-2考慮到相位關系，可以得到：考慮到相位關系，可以得到：dadadIjxE pkklkmfNxdNad21204 其中：其中：adxk ddNadIpkklkmfNE 21204用同隱極機一樣的分析方法可以求得：用同隱極機一樣的分析方法可以求得：Page: 53

30、 Date:2022-6-22、交軸電樞反應電抗、交軸電樞反應電抗aqaqaqaqaqqEBBFI11 其中：其中：aqqaqBkB 1kq：交軸電樞磁通密：交軸電樞磁通密度分布曲線的波形系度分布曲線的波形系數，與磁極的尺寸有數，與磁極的尺寸有關。關。v 注意：注意：baq是假設氣隙是假設氣隙均勻均勻的情況下，的情況下， faq所所對應的磁通密度波，是一個假想的波形。對應的磁通密度波，是一個假想的波形。Page: 54 Date:2022-6-2考慮到相位關系，可以得到：考慮到相位關系，可以得到：qaqaqIjxE pkklkmfNxqNaq21204 其中：其中：aqxk qqNaqIpkk

31、lkmfNE 21204同理可以求得：同理可以求得：Page: 55 Date:2022-6-2四、凸極電機的相量圖四、凸極電機的相量圖)(0 jxrIUxI jxI jEaaqqadd )()(0aqqaddaxxI jxxI jr IUE qqddaxI jxI jr IU qaqddxI jr IUxxI jE )(0如何確定如何確定 和和 ？dIqI必須先確定必須先確定 的相位！的相位！0E與與 同相位同相位0EPage: 56 Date:2022-6-2d 軸q 軸0E)(qddxxI j qx I jar IdII qEqqxI jddxI jqIU四、凸極電機的相量圖四、凸極電機

32、的相量圖Page: 57 Date:2022-6-2四、凸極電機的相量圖四、凸極電機的相量圖Page: 58 Date:2022-6-2實題演練：實題演練：1、一臺凸極同步發電機有以下參數、一臺凸極同步發電機有以下參數 ：x , xad , xd , xaq 它它 們們 之之 間間 的的 大小大小關系是：關系是：_2、凸極同步發電機，以下幾種情況，直軸同步電抗、凸極同步發電機，以下幾種情況，直軸同步電抗xd的數值怎樣變化：的數值怎樣變化：A：電樞繞組匝數減少，則：電樞繞組匝數減少，則xd數值數值_B：電機氣隙減小，則：電機氣隙減小，則xd數值數值_C：電機鐵心飽和程度提高，則：電機鐵心飽和程度

33、提高，則xd數值數值_D：激磁繞組匝數增加，則：激磁繞組匝數增加，則xd數值數值_E：電機轉速增加，則：電機轉速增加，則xd數值數值_3、同步發電機帶電阻電感性負載運行，卸去負載后，呈、同步發電機帶電阻電感性負載運行，卸去負載后，呈_（去磁、（去磁、助磁）作用的電樞反應將隨著電樞電流同時消失，因此端電壓就會助磁）作用的電樞反應將隨著電樞電流同時消失，因此端電壓就會_（下降、上升）。（下降、上升）。4、三相同步發電機空載時建立額定電壓、三相同步發電機空載時建立額定電壓U0?，F加上純電阻對稱負載，頻。現加上純電阻對稱負載，頻率不變，激磁電流不變，端電壓為率不變，激磁電流不變，端電壓為U，則：，則：

34、 A： U0 U B： U0 = U C： U0 UPage: 59 Date:2022-6-2第七節第七節 電樞繞組的漏抗電樞繞組的漏抗互磁通互磁通槽漏磁通槽漏磁通端部漏磁通端部漏磁通電樞漏磁通電樞漏磁通高次諧波磁通高次諧波磁通基波磁通基波磁通諧波漏抗諧波漏抗電樞漏抗電樞漏抗Page: 60 Date:2022-6-2第八節第八節 同步發電機的空載、短路和負載特性同步發電機的空載、短路和負載特性一、空載特性一、空載特性 E0 = f ( If )v 空載特性曲線可以通過實驗的方法求得。空載特性曲線可以通過實驗的方法求得。v 方法：調節方法：調節 If ，逐點測量，逐點測量 If 和和 E0

35、，繪制空，繪制空載特性曲線。載特性曲線。v 注意：注意：1、 If 必須單向改變；必須單向改變；2、轉速要保持恒定；、轉速要保持恒定；3、E0為相電勢。為相電勢。Page: 61 Date:2022-6-2由于磁滯效應，單向增大電流和單向減小電由于磁滯效應，單向增大電流和單向減小電流所測得的曲線并不重合，以磁化曲線的下流所測得的曲線并不重合，以磁化曲線的下降分支經過校正后作為空載特性曲線。降分支經過校正后作為空載特性曲線。Page: 62 Date:2022-6-2典型的空載特性典型的空載特性 If *0.51.01.52.02.53.03.5E0*0.581.01.211.331.401.4

36、61.51v 作用：作用： 指導電機的設計指導電機的設計 檢查繞組對稱性檢查繞組對稱性v 飽和系數：飽和系數：aback 2 . 1 Page: 63 Date:2022-6-2二、短路特性二、短路特性 Ik = f ( If )v 短路時電機內部各物理量之間的關系：短路時電機內部各物理量之間的關系：sskjxEZEIU000 短路電流滯后于空載電動勢短路電流滯后于空載電動勢 90，只有直軸分，只有直軸分量，電樞反應為量，電樞反應為去磁去磁作用，磁路作用，磁路不飽和不飽和。kaffkakIFFFIIFIEF 1v 結論：短路特性為過原點的一條結論：短路特性為過原點的一條直線直線Page: 64

37、 Date:2022-6-2三、負載特性三、負載特性 I = K，cos= K 時的時的U = f ( If )v 不同不同 I 和和cos對應的負對應的負載特性曲線的形狀不同，載特性曲線的形狀不同，除了除了I = 0 的空載特性外，的空載特性外，零功率因數曲線（感性負零功率因數曲線（感性負載特性曲線）也是一條重載特性曲線）也是一條重要的負載特性曲線。要的負載特性曲線。v 所謂零功率因數曲線就所謂零功率因數曲線就是當是當 I = IN ,= 90, cos= 0 時的時的U = f ( If )Page: 65 Date:2022-6-2= 90的相量圖如下圖所示（略去的相量圖如下圖所示（略去

38、 ra ） ： IxEIxEUFkFFsadadf0v 從相量圖可以看出：從相量圖可以看出：E0 和和U 同相位，則磁同相位，則磁動勢和電動勢間的關系都為動勢和電動勢間的關系都為代數代數關系：關系：Page: 66 Date:2022-6-2通過空載特性曲線求零功率因數特性曲線通過空載特性曲線求零功率因數特性曲線空載特性空載特性Ean ffFIom 01、作、作adadfFkImn 2、作、作 xIabN 3、作、作 FIonf 則則UxIEbnN 則則4、作、作 ，則，則c點在點在 零功率因數特性上。零功率因數特性上。ombc/5、平移三角形、平移三角形abc得整條零功率因數特性曲線得整條零

39、功率因數特性曲線零功率因數特性零功率因數特性電抗三角形電抗三角形Page: 67 Date:2022-6-21、電樞接、電樞接純感性純感性負載；負載；2、同時調節勵磁電流和負載，使、同時調節勵磁電流和負載，使 I = IN ，記錄不同，記錄不同 If 下的發電機端電壓下的發電機端電壓 U ；3、連接各點成零功率因數特性曲線；、連接各點成零功率因數特性曲線；v 對于大容量電機，沒有合適的負載，可以用簡單對于大容量電機，沒有合適的負載，可以用簡單的方法確定兩個關鍵點的方法確定兩個關鍵點 e 點和點和 c 點。點。 e點：三相穩態短路，測點：三相穩態短路，測 Ik = IN 時的時的If 。 c點：

40、電樞接點：電樞接額定電壓額定電壓電網，調節原動機和勵電網，調節原動機和勵磁電流，使發電機運行在過勵狀態，在磁電流，使發電機運行在過勵狀態，在 I = IN ，P = 0 時測時測 If 。通過實驗求零功率因數特性曲線通過實驗求零功率因數特性曲線Page: 68 Date:2022-6-2實題演練：實題演練：1、三相同步發電機短路特性是一條直線，原因是：、三相同步發電機短路特性是一條直線，原因是：_A：激磁電流小使磁路不飽和：激磁電流小使磁路不飽和 B：電樞反應去磁作用使磁路不飽和：電樞反應去磁作用使磁路不飽和C：同步電抗氣隙大使得磁路不飽和：同步電抗氣隙大使得磁路不飽和2、三相同步發電機短路運

41、行時，其電樞反應性質是、三相同步發電機短路運行時，其電樞反應性質是_的，的，此時電機的磁路此時電機的磁路_，短路特性曲線是一條，短路特性曲線是一條_。3、同步發電機帶純感性負載時，負載電流滯后端電壓、同步發電機帶純感性負載時，負載電流滯后端電壓_度，忽略電度，忽略電樞電阻，此時空載電動勢與端電壓樞電阻，此時空載電動勢與端電壓_。4、同步發電機短路時，電機磁路處于、同步發電機短路時，電機磁路處于_（飽和、不飽和）狀（飽和、不飽和）狀態，因此其磁勢和磁通間為態，因此其磁勢和磁通間為_（線性、非線性）關系。（線性、非線性）關系。Page: 69 Date:2022-6-2第九節第九節 同步發電機參數

42、的測定同步發電機參數的測定一、同步電抗的測定一、同步電抗的測定1、不飽和不飽和同步電抗的測定同步電抗的測定v 原理：同步發電機短路時電樞反應為去磁作用，原理：同步發電機短路時電樞反應為去磁作用，磁路不飽和。此時：磁路不飽和。此時：s0 xI jEk v 可以通過可以通過 E0 = f ( If ) 和和 Ik = f ( If ) 求求 xs 。v 注意：由于短路電流滯后電動勢注意：由于短路電流滯后電動勢90，也就是只，也就是只有直軸分量，電樞反應磁動勢作用在直軸，對于凸有直軸分量，電樞反應磁動勢作用在直軸，對于凸極電機，此時的極電機，此時的 xs 即為即為 xd ，而，而 xq 需要通過其它

43、方需要通過其它方法測定。法測定。 Page: 70 Date:2022-6-2v步驟：步驟： 將短路特性和空載特性畫在同一坐標上。將短路特性和空載特性畫在同一坐標上。 查得查得同一同一 If 所對應的所對應的 E0和和 Ik 。 通過通過 xs = E0 / Ik 求求 xs 。Page: 71 Date:2022-6-22、飽和飽和同步電抗的測定同步電抗的測定v 原理：同步發電機帶原理：同步發電機帶純感性純感性負載時，負載時，E0 U = Ixs ,可以通過空載特性曲線可以通過空載特性曲線 E0 = f ( If ) 和零功率因數特和零功率因數特性曲線性曲線 U = f ( If ) 求飽和

44、同步電抗求飽和同步電抗 xs 。abcaUUEUxIIUxxNNNsNNNss 0*v 注意：必須在對應端注意：必須在對應端電壓為電壓為UN 的的 If 下計算。下計算。Page: 72 Date:2022-6-2二、短路比二、短路比v 定義定義1：空載時使空載電動勢為：空載時使空載電動勢為 UN 的勵磁電流，的勵磁電流，與短路時使短路電流為與短路時使短路電流為 IN 的勵磁電流之間的比值。的勵磁電流之間的比值?？梢酝ㄟ^可以通過 E0 = f ( If ) 和和 Ik = f ( If ) 求得：求得：NfkNfKIIUIk 0NkII0 v 定義定義2：有額定勵磁電流時：有額定勵磁電流時的短

45、路電流，與額定電流之的短路電流，與額定電流之間的比值。間的比值。Page: 73 Date:2022-6-2kkNNNkdkCIICUIIEx100000* 短路比與同步電抗的關系短路比與同步電抗的關系v 短路比略大于同步電抗的倒數。短路比略大于同步電抗的倒數。v 短路比是同步電機的重要參數，短路比是同步電機的重要參數，kk 大，大，xd 小，負小，負載變化引起的端電壓變化小，穩定性高；但是氣隙載變化引起的端電壓變化小，穩定性高；但是氣隙大，轉子額定勵磁安匝和用銅量大，造價高。大，轉子額定勵磁安匝和用銅量大，造價高。v kk 小，則正好相反。小，則正好相反。v 汽輪機汽輪機 kk 在在0.5

46、0.7之間，水輪機轉子散熱條件之間，水輪機轉子散熱條件較好，對穩定性要求較高，較好，對穩定性要求較高，kk一般在一般在1.0 1.4之間。之間。Page: 74 Date:2022-6-2三、漏抗的測定和保梯電抗三、漏抗的測定和保梯電抗1、漏抗的測定、漏抗的測定v 原理：同步發電機帶原理：同步發電機帶純感性純感性負載時，端電負載時，端電壓與空載電動勢壓與空載電動勢同相位同相位，電動勢間的關系為，電動勢間的關系為代數關系，即代數關系，即 E = U + I x 。如果已知。如果已知空載空載特性和零功率因數特性，可以通過它們求取特性和零功率因數特性，可以通過它們求取漏抗。漏抗。Page: 75 D

47、ate:2022-6-2v步驟：步驟： (1) 在零功率特性上確定額定端電壓在零功率特性上確定額定端電壓UN對應的點對應的點 c ；(2) 過過 c 點作直線點作直線 cd 平行橫軸。平行橫軸。cd = oe ；(3) 過過 d 點作點作 oa的平行線，交空載特性于的平行線，交空載特性于 a 點；點；(4) 過過 a 點作點作 ab 垂直垂直 cd ；(5) 由由 ab = INx求得求得 x 。Page: 76 Date:2022-6-22、保梯電抗、保梯電抗v 理論上，理論上，a 點和點和 c 點有相同的氣隙點有相同的氣隙合成合成磁動勢，磁動勢，它們的氣隙磁通密度也是一樣的。實際上，由于它

48、們的氣隙磁通密度也是一樣的。實際上，由于 c 點點勵磁勵磁磁動勢大于磁動勢大于 a 點勵磁磁動勢，使得零功率負點勵磁磁動勢，使得零功率負載時轉子磁極間的漏磁通比空載時的大，氣隙磁通載時轉子磁極間的漏磁通比空載時的大，氣隙磁通比較小。為了獲得同樣的氣隙磁通，必須增大勵磁比較小。為了獲得同樣的氣隙磁通，必須增大勵磁磁動勢。磁動勢。Page: 77 Date:2022-6-22、保梯電抗、保梯電抗v 對于對于實測實測的零功率因數曲線的零功率因數曲線 3，應用前述的方法，應用前述的方法求求 x，則作出的電抗三角形為，則作出的電抗三角形為 a?b?c?，漏抗壓降為漏抗壓降為a?b?，由此算出的漏抗將大于

49、前述的由此算出的漏抗將大于前述的 x，為了區別，把，為了區別，把a?b?c?稱為保梯三角形，用稱為保梯三角形，用 a?b?求出的電抗稱為保梯電求出的電抗稱為保梯電抗，用抗，用 xp表示。即表示。即 INxp = a?b? 。Page: 78 Date:2022-6-2四、轉差法測不飽和四、轉差法測不飽和 xd 和和 xqv 方法：原動機拖動轉子以接近同步速（方法：原動機拖動轉子以接近同步速（s 1%）旋轉，勵磁繞組開路，定子外加三相對稱電壓（大旋轉，勵磁繞組開路，定子外加三相對稱電壓（大小：?。?%5%UN ，相序與轉子轉向相符）。用示波，相序與轉子轉向相符）。用示波器拍攝定子端電壓和電流波形

50、。器拍攝定子端電壓和電流波形。v 原理：此時定子磁場與轉子有一個低速的相對運原理：此時定子磁場與轉子有一個低速的相對運動，則定子磁場軸線交替地與轉子的直軸和交軸相動，則定子磁場軸線交替地與轉子的直軸和交軸相重合。定子磁場與直軸重合時，對應的電抗為重合。定子磁場與直軸重合時，對應的電抗為xd ，此時電抗最大，定子電流最小，線路壓降最小，端此時電抗最大，定子電流最小，線路壓降最小，端電壓最大。定子磁場與交軸重合時情況則相反。根電壓最大。定子磁場與交軸重合時情況則相反。根據定子端電壓和電流波形可以求得據定子端電壓和電流波形可以求得xd 和和 xq 。Page: 79 Date:2022-6-2 ma

51、xminminmaxIUxIUxqd四、轉差法測不飽和四、轉差法測不飽和 xd 和和 xqPage: 80 Date:2022-6-2實題演練：實題演練：1、利用三相同步發電機利用三相同步發電機_特性曲線和特性曲線和_特性曲線可特性曲線可以測定不飽和同步電抗；利用三相同步發電機以測定不飽和同步電抗；利用三相同步發電機_特性曲線和特性曲線和_特性曲線可以測定飽和同步電抗。特性曲線可以測定飽和同步電抗。2、同步電機的短路比是一個重要參數，當發電機有較大短路比時，其、同步電機的短路比是一個重要參數，當發電機有較大短路比時，其xd _ （較大、較小）（較大、較?。?，負載引起的端電壓的變化則，負載引起的端電壓的變化則_，穩，穩定性定性_（較差、較好）。（較差、較好）。Page: 81 Date:2022-6-2第十節第十節 同步發電機的穩態運行特性同步發電機的穩態運行特性一、外特性一、外特性KKIf cos，)(IfU 時的時的v 電流增