第5章同步電機(jī)目錄5.1同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和額定值5.2三相同步電機(jī)的工作原理5.3三相同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析5.4三相同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩5.5三相同步發(fā)電機(jī)的的運(yùn)行特性5.6同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的并聯(lián)運(yùn)行5.7三相同步電動(dòng)機(jī)與同步補(bǔ)償機(jī)*5.8同步發(fā)電機(jī)的三相突然短路第五章同步電機(jī)2/505.1基本結(jié)構(gòu)和額定值1)結(jié)構(gòu)定子（電樞）定子鐵心定子繞組—對稱三相繞組機(jī)座和端蓋等第五章同步電機(jī)3/50轉(zhuǎn)子（磁極）轉(zhuǎn)子鐵心勵(lì)磁繞組—直流勵(lì)磁阻尼繞組和轉(zhuǎn)軸等5.1基本結(jié)構(gòu)和額定值2)分類旋轉(zhuǎn)磁極式旋轉(zhuǎn)電樞式第五章同步電機(jī)4/505.1基本結(jié)構(gòu)和額定值2)分類旋轉(zhuǎn)磁極式凸極式隱極式第五章同步電機(jī)5/50Salientpoletypealternator5.1基本結(jié)構(gòu)和額定值2)分類旋轉(zhuǎn)磁極式凸極式隱極式第五章同步電機(jī)6/50Salientpoletypealternator勵(lì)磁機(jī)發(fā)電機(jī)水輪機(jī)5.1基本結(jié)構(gòu)和額定值2)分類旋轉(zhuǎn)磁極式凸極式隱極式第五章同步電機(jī)7/50Non-salientpoletypealternator5.1基本結(jié)構(gòu)和額定值2)分類旋轉(zhuǎn)磁極式凸極式隱極式第五章同步電機(jī)8/50Non-salientpoletypealternator勵(lì)磁機(jī)發(fā)電機(jī)汽輪機(jī)5.1基本結(jié)構(gòu)和額定值2)分類按能量轉(zhuǎn)換的方式不同：同步發(fā)動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)。按相數(shù)的不同:三相、單相。按安裝方式的不同：臥式、立式。按原動(dòng)機(jī)的不同：汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)。按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同：隱極式、凸極式。第五章同步電機(jī)9/50NS+－3~×3~·····×××××+－NS5.1基本結(jié)構(gòu)和額定值3)勵(lì)磁方式直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁--勵(lì)磁繞組由小型直流發(fā)電機(jī)供電。第五章同步電機(jī)10/505.1基本結(jié)構(gòu)和額定值3)勵(lì)磁方式靜止整流器勵(lì)磁–降壓→整流→直流電→勵(lì)磁繞組。第五章同步電機(jī)11/505.1基本結(jié)構(gòu)和額定值3)勵(lì)磁方式旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁--交流勵(lì)磁機(jī)→整流→直流電→勵(lì)磁繞組。定子與主發(fā)同軸，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)。第五章同步電機(jī)12/505.1基本結(jié)構(gòu)和額定值4)額定值

額定電壓UN

：線電壓的額定值。

額定電流IN

：線電流的額定值。

額定功率PN

：輸出功率的額定值。三相同步電動(dòng)機(jī)：三相同步發(fā)電機(jī)：

額定轉(zhuǎn)速nN

：額定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速。額定頻率fN

：50Hz。額定功率因數(shù)：cosφN。

額定效率ηN。

額定勵(lì)磁電壓UfN，

額定勵(lì)磁電流IfN。第五章同步電機(jī)13/505.2三相同步電機(jī)工作原理1)同步電機(jī)基本原理同步發(fā)電機(jī)定子–旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子–直流磁極。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速勵(lì)磁機(jī)

磁通勢F0

旋轉(zhuǎn)的F0和Φ0

感應(yīng)電動(dòng)勢E0。第五章同步電機(jī)14/50W1W2V2V1U1U2NS+Uf－If

勵(lì)磁繞組轉(zhuǎn)子定子5.2三相同步電機(jī)工作原理1)同步電機(jī)基本原理同步電動(dòng)機(jī)定子–旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子–直流磁極。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速勵(lì)磁機(jī)

磁通勢F0三相電樞電流

旋轉(zhuǎn)磁通勢Fa和Φa

電磁轉(zhuǎn)矩Te和轉(zhuǎn)速n。第五章同步電機(jī)15/50W1W2V2V1U1U2NS+Uf－If5.2三相同步電機(jī)工作原理2)同步電機(jī)空載運(yùn)行定子（電樞）–電流I1很小或者等于零，F(xiàn)a=0。轉(zhuǎn)子（勵(lì)磁）–

每極磁通Φ0。

氣隙–磁通勢F=F0。空載電動(dòng)勢第五章同步電機(jī)16/50W1W2V2V1U1U2NS+Uf－If5.2三相同步電機(jī)工作原理2)同步電機(jī)空載運(yùn)行空載特性E0=f(If)第五章同步電機(jī)17/50If,F0F0—?jiǎng)?lì)磁磁動(dòng)勢E0—?jiǎng)?lì)磁電動(dòng)勢

0—空載主磁通空載特性If0UN

O氣隙線E0,Φ05.2三相同步電機(jī)工作原理3)同步電機(jī)負(fù)載運(yùn)行和電樞反應(yīng)

F0

+Fa三相同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行→三相電樞電流

→電樞磁動(dòng)勢Fa|→轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢F0|→合成氣隙旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢F電樞反應(yīng)—Fa對氣隙磁場的影響。性質(zhì)決定于負(fù)載性質(zhì)，即勵(lì)磁電動(dòng)勢與電樞電流的相位差。內(nèi)功率因數(shù)角ψ第五章同步電機(jī)18/50NS5.2三相同步電機(jī)工作原理第五章同步電機(jī)19/50U1U2

U相相軸FaF0F0FaωF0FaFδU2W1W2V2V1Fδ3)電樞反應(yīng)ψ

=-90o~0o~+90o

負(fù)載電流容性/感性。ψ

=-90o純?nèi)菪噪娏?，助磁?)電樞反應(yīng)ψ

=-90o~0o~+90o

負(fù)載電流容性/感性。ψ

=+90o純感性電流，去磁。NS5.2三相同步電機(jī)工作原理第五章同步電機(jī)20/50U1U2

U相相軸FaF0F0FaωF0FaFδU2W1W2V2V1Fδ3)電樞反應(yīng)ψ

=0o~+90o負(fù)載電流感性。內(nèi)功率因數(shù)角ψ–感應(yīng)電動(dòng)勢和電流的夾角（內(nèi)電源）直軸（d軸）分量去磁；交軸（q軸）分量影響氣隙磁通和主磁通角度。功角θ–發(fā)電機(jī)合成氣隙磁動(dòng)勢Fδ

滯后主勵(lì)磁磁動(dòng)勢F0；–電動(dòng)機(jī)合成氣隙磁動(dòng)勢Fδ

超前主勵(lì)磁磁動(dòng)勢F0。NS5.2三相同步電機(jī)工作原理第五章同步電機(jī)21/50U1U2

U相相軸FaF0F0FaωFδU2W1W2V2V1ψθFaqFadF0FaωFδθFaqFadθθψφφ4)三相同步電機(jī)的可逆運(yùn)行功角θ–發(fā)電機(jī)合成氣隙磁動(dòng)勢Fδ

滯后主勵(lì)磁磁動(dòng)勢F0；–電動(dòng)機(jī)合成氣隙磁動(dòng)勢Fδ

超前主勵(lì)磁磁動(dòng)勢F0。用一對等效磁極表示氣隙合成磁場5.2三相同步電機(jī)工作原理第五章同步電機(jī)22/50NSSNn1n1θ電動(dòng)機(jī)狀態(tài)NSSNn1n1理想空載狀態(tài)SNn1NSn1θ發(fā)電機(jī)運(yùn)行F0FδF0FδF0Fδ1)隱極同步發(fā)電機(jī)Uf→If→F0→Φ0→E0

|

→

Eδ→U1→I1→Fa→Φa→Ea

|

|

|→Φσ→Eσ

|----------→R1I1不計(jì)飽和影響，Ea∝Φa∝Fa∝I1，Ea滯后Φa90度。不計(jì)鐵損，

Φa與I1同相。Xa--電樞反應(yīng)電抗Xσ

--電樞漏電抗Xs–同步電抗5.3三相同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)分析第五章同步電機(jī)23/50E0＋U1

－I1EaEσR11)隱極同步發(fā)電機(jī)等效電路

相量圖感性負(fù)載勵(lì)磁磁動(dòng)勢F0

在空間上超前氣隙磁動(dòng)勢Fδθ角

??勵(lì)磁電動(dòng)勢E0在時(shí)間上超前合成電動(dòng)勢Eδθ角忽略：R1和Xσ則U1=E5.3三相同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)分析第五章同步電機(jī)24/50E0＋U1

－I1R1jXsU1I1

R1I1jXsI1E0ΨθU1I1

jXsI1E0Ψθ功角？Ψ

=

＋θ1)隱極同步發(fā)電機(jī)等效電路

相量圖容感性負(fù)載5.3三相同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)分析第五章同步電機(jī)25/50E0＋U1

－I1R1jXsU1I1

R1I1jXsI1E0ΨθU1I1

R1I1jXsI1E0Ψθ5.3三相同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)分析第五章同步電機(jī)26/50例5-1

某三相同步發(fā)電機(jī)，PN=50kW，UN=400V，Y形聯(lián)結(jié)，cosφN=0.8（電感性）。R1=0.2Ω，Xs=1.2Ω。求空載電壓等于額定電壓，電樞電流等于額定電流，內(nèi)功率因數(shù)角Ψ=53.1o時(shí)的相電壓U1、線電壓U1L、功率因數(shù)角φ和功角θ。解，

令Fδ2)凸極同步發(fā)電機(jī)雙反應(yīng)理論氣隙不均勻--

同樣Fa

不同Φa

不同Xa。磁路不飽和，使用疊加原理；分解成直軸分量和交軸分量。5.3三相同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)分析第五章同步電機(jī)27/50NSU1U2

U相相軸F0U2W1W2V2V1F0FaFaqFadFa2)凸極同步發(fā)電機(jī)Uf→If→→→F0→Φ0→E0

|→Eδ→U1→I1→Id→Fad→Φad→Ead|

|→Iq→Faq→Φaq→Eaq

|

|→→→→→Φσ→Eσ|

|→→→→→→→R1I1不計(jì)飽和影響，Ea*

∝Φa*∝Fa*∝I*，Ea*

滯后Φa*

90度。不計(jì)鐵損，

Φa與I1同相。Xad--直軸電樞反應(yīng)電抗Xaq--交軸電樞反應(yīng)電抗Xσ

--電樞漏電抗Xd–直軸同步電抗Xq–交軸同步電抗忽略R15.3三相同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)分析第五章同步電機(jī)28/50E0＋U1

－I1EadEσR1Eaq2)凸極同步發(fā)電機(jī)令，E0與EQ同相位。相量圖5.3三相同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)分析第五章同步電機(jī)29/50E0＋U1

－I1EadEσR1Eaq＋U1

－I1R1EQjXqE0U1I1

R1I1jXqI1EQjXdIdjXqIq

E02)凸極同步發(fā)電機(jī)相量圖忽略R15.3三相同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)分析第五章同步電機(jī)30/50＋U1

－I1R1EQjXqU1I1

R1I1jXqI1EQjXdIdjXqIq

U1I1

jXqI1EQjXdIdE0jXqIq

5.3三相同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)分析第五章同步電機(jī)31/50例5-2

某三相同步發(fā)電機(jī)，U1L=11kV，Y形聯(lián)結(jié)，I1=460A，cosφ=0.8（電感性）。Xd=16Ω，Xq=8Ω，R1忽略不計(jì)。求額定運(yùn)行時(shí)的內(nèi)功率因數(shù)角Ψ、功角θ、勵(lì)磁電動(dòng)勢E0。解，

1)功率平衡方程

輸入功率P1=T1Ω1

空載損耗

P0=PFe+Pfw+Pad電磁功率Pe=P1-P0銅損Pcu=3R1I12

輸出功率P2=Pe-Pcu=3U1I1cosφ功率關(guān)系P1=P0+Pe=PFe+Pfw+Pad+Pcu+P2效率η=P2/P1

100%5.4三相同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩第五章同步電機(jī)32/50P1P0PePCuP22)電磁功率與功角特性電磁功率隱極同步發(fā)電機(jī)5.4三相同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩第五章同步電機(jī)33/50U1I1

R1I1jXsI1E0ΨθOPe

θ

90o

PeM2)電磁功率與功角特性電磁功率凸極同步發(fā)電機(jī)Pe'∝E0基本分量，If

0時(shí)存在。Pe''附加分量，由于Xd

Xq產(chǎn)生，Pe''附與If無關(guān)，磁阻分量。5.4三相同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩第五章同步電機(jī)34/50E0U1I1

R1I1jXqI1EQjXdIdjXqIq

2)電磁功率與功角特性電磁功率凸極同步發(fā)電機(jī)結(jié)論：①Pe"使PeM↑；②PeM

產(chǎn)生在θ＜90o

處；③功角特性/矩角特性不再是正弦波。5.4三相同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩第五章同步電機(jī)35/50E0U1I1

R1I1jXqI1EQjXdIdjXqIq

OPeθ

90o

PeM

Pe'Pe"3)轉(zhuǎn)矩平衡與矩角特性輸入轉(zhuǎn)矩空載轉(zhuǎn)矩

電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩平衡5.4三相同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩第五章同步電機(jī)36/50OTeθ

90o

TeM

Te'Te"1)外特性當(dāng)n=nN，If、cos

=常數(shù)時(shí)，U1L=f(I1L)。額定，I1L=IN、U1L=UN、If=IfN、cos

=cos

N電壓調(diào)整率VR=(E0–UNP

)/UNP

100%2)調(diào)節(jié)特性保持n=nN、U1L=UN、cos

=cos

N時(shí)，If=f(I1)。5.5三相同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性第五章同步電機(jī)37/50OU1LI1Lcos

=0.8(

＞0)cos

=0.8(

＜0)cos

=1UNINOIfI1cos

=0.8(

＞0)cos

=0.8(

＜0)cos

=1并聯(lián)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、減少發(fā)電廠的備用機(jī)組的容量、

提高電能供應(yīng)的可靠性、提高電能供應(yīng)的質(zhì)量。1)并網(wǎng)條件相序一致、頻率相同、電壓相等。電壓相等

頻率相等

A≠

B

△U=0~2U15.6三相同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行第五章同步電機(jī)38/50~

＋U1A

－~Q＋

U1B－U1AU1B

A

BU1AU1B△UU1AU1B△UU1AU1B△UU1AU1B△U1)并網(wǎng)條件相序一致、頻率相同、電壓相等。相序一致2)并網(wǎng)方法調(diào)節(jié)If→調(diào)節(jié)E0；調(diào)節(jié)n→調(diào)節(jié)f

。(1)理想同步法——同步指示器。把發(fā)電機(jī)調(diào)整到完全符合并網(wǎng)條件時(shí)，才投入電網(wǎng)。手續(xù)繁瑣，費(fèi)時(shí)較多。(2)自同步法——查相序、短勵(lì)磁、投入、切電阻、加勵(lì)磁。相序一致時(shí)，勵(lì)磁繞組通過電阻短接；將發(fā)電機(jī)拖動(dòng)到接近n1即可并網(wǎng)；施加

If，依靠定轉(zhuǎn)子間形成的Te將轉(zhuǎn)子牽入同步。缺點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊電流和沖擊轉(zhuǎn)矩。5.6三相同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行第五章同步電機(jī)39/50U1AUU1AVU1AWU1BUU1BVU1BW△UV△UW5.6三相同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行3)有功功率調(diào)節(jié)無窮大電網(wǎng)，容量很大、頻率和電壓基本不受負(fù)載與其他干擾的影響，即恒頻恒壓的電網(wǎng)。發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的頻率和端電壓受電網(wǎng)的約束，而與電網(wǎng)保持一致。并網(wǎng)時(shí)，使勵(lì)磁電動(dòng)勢等于電網(wǎng)端電壓，即E0=U1，θ

=0(1)有功功率調(diào)節(jié)方法θ=0，T1=T0→T1↑→T1＞T0→n↑→θ↑→產(chǎn)生

Te、Pe、I1、P2→Te↑…→T1<Te+T0→n↓→n=n1→T1=Te+T0第五章同步電機(jī)40/505.6三相同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行3)有功功率調(diào)節(jié)(2)靜態(tài)穩(wěn)定a點(diǎn)：干擾使T1↑→↑→Te↑抑制了

進(jìn)一步增大→b點(diǎn)。干擾消失后，較大的

Te，恢復(fù)到a點(diǎn)運(yùn)行。a'點(diǎn)：干擾使T1↑→n↑→

↑→Te↓→n↑→

↑→Te↓…→失步。干擾消失后，n

不可能恢復(fù)到n1，即工作點(diǎn)不可能再恢復(fù)到a'點(diǎn)運(yùn)行。第五章同步電機(jī)41/500Pe/Teθaa'0Pe/TeθaT

T1=Te

+

T0bT1'

=Te'

+

T00Pe/Teθ

90o

a'不穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)5.6三相同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行3)有功功率調(diào)節(jié)(3)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定在突加負(fù)載、切除負(fù)載等正常操作時(shí)，或電壓突變、突發(fā)短路、失去勵(lì)磁等非正常運(yùn)行時(shí)，同步電機(jī)能否保持同步。穩(wěn)定運(yùn)行條件：dTe/d>0過載能力：km=PeM/PN=TeM/TN=1.56~2.0額定功率角

隱極機(jī)：

N=30o~40o凸極機(jī)：

N=20o~30o

第五章同步電機(jī)42/500Pe/Teθaa'0Pe/TeθaT

0Pe/Teθ

90o

a'5.6三相同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行4)無功功率調(diào)節(jié)與V形曲線發(fā)電機(jī)并網(wǎng)在無窮大電網(wǎng)上、忽略R1和T0

，并不計(jì)磁路飽和的影響、假設(shè)調(diào)節(jié)If

時(shí)，輸入P1

保持不變。即，正常勵(lì)磁

調(diào)節(jié)If使U1和I1同相位，記If0，此時(shí)，cosφ=1，Q2=0，電機(jī)呈電阻性，不輸出無功功率。第五章同步電機(jī)43/50U1E0jXsI1I15.6三相同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行4)無功功率調(diào)節(jié)與V形曲線欠勵(lì)磁

（If<If0）當(dāng)If↓→E0↓，→θ↑I1(I1')

超前于U1電機(jī)輸出電容性無功；即吸收電感性無功；If↓→Q2↑。

θ

=90o,E0“If取得最小。

過勵(lì)磁（If

＞If0）當(dāng)If↑→E0↑，→θ↓I1(I1')

滯后于U1電機(jī)輸出感性無功；即吸收電容性無功；If↑→Q2↑。調(diào)節(jié)If

可調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)無功功率。第五章同步電機(jī)44/50U1E0I1jXsI1E0'aajXsI1'bbI1'

'E0"jXsI1"I1"

U1E0I1jXsI1E0'aajXsI1'bbI1'

'E0"jXsI1"I1"

"5.6三相同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行4)無功功率調(diào)節(jié)與V形曲線V形曲線當(dāng)U1=UN、f1=fN、一定的P2時(shí)，I1=f(If)當(dāng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If

時(shí)，E0變化，若cosφ=1，則I最小。若If增加，則E0增加，I增加，

φ滯后；若If

減小，則E0減小，I增加，

φ

超前。由上述關(guān)系得到

I=f(If)的曲線稱為同步電動(dòng)機(jī)的V形曲線。第五章同步電機(jī)45/50OI1IfP2'P2"欠勵(lì)過勵(lì)

If0＜cos

=1不穩(wěn)定區(qū)cos

=0.8滯后cos

=0.8超前5.6三相同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行第五章同步電機(jī)46/50例5-3

某一臺(tái)Y聯(lián)結(jié)水輪發(fā)電機(jī)，并聯(lián)在UN=10.5kV的電網(wǎng)上運(yùn)行，發(fā)電機(jī)的Xd=1.3Ω，Xq=0.7Ω，R1忽略不計(jì)，θ=18.09o時(shí)，