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1、第六章 同步电机的稳态分析,同步电机也是一种常用的交流电机。其特点：转子的转速与电网频率f之间具有固定不变的关系，即 若电网的频率不变，同步电机的转速恒为常值而与负载的大小无关。,运行方式：发电机，电动机，调相机。,6-1 同步电机结构和工作原理,旋转电枢式电枢装设在转子上，主磁极装设在定子上 旋转磁极式主磁极装设在转子上，电枢装设在定子上 凸极式同步电机 隐极式同步电机,一、同步电机结构：,1、按磁极的安装位置分类：,定子铁心内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。,转子铁心装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相
2、间的分布磁场，称为励磁磁场,处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响,2、同步电机结构,凸极式同步电机,隐极式同步电机,同步电机结构,汽轮发电机组,水轮发电机组,同步电机结构,水轮发电机分瓣定子,二、励磁形式,概念,励磁方式同步电机获取直流励磁电流的方式励磁系统供结励磁电流的整个系统，包括装置和线路励磁机励磁调节器（手动、自动）灭磁装置,正常运行时，供给励磁电流为维持端电压或电网电压值，随负载情况变化，励磁电流能相应调节当系统电压严重下降时（如发生短路故障等），能强行励磁提高电势，保持电压稳定突然丢负荷时，如水轮机组转速明显升高，能强行减磁，
3、限制端电压过度增高。当电机内部发生短路故障时，能快速灭磁和减磁，以减小故障的损坏程度。对两台以上并列运行发电机，能成组调节无功功率，使无功合理分配。其他：反映迅速，运行可靠，结构简单，损耗小，成本低，体积小等,对励磁系统的要求,励磁方式,它励由另外电源供电直流发电机，带整流的交流发电机运动方式同轴，独立工作自励自并励，自复励，谐波绕组励,直流励磁机励磁,直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或者他励接法，或采用负载电流反馈的复式励磁。采用他励接法时，励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。,交流励磁机静止整流励磁,副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起
4、来后再转为自励(有时采用永磁发电机)。,副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机,主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。,同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。,静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大容量的同步发电机，其励磁电流达到数千安培，使得集电环严重过热。在大容量的同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的
5、交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置无刷励磁系统。,交流励磁机旋转整流系统,三、同步电机的基本工作原理,励磁绕组建立起主磁场;,原动机拖动转子旋转,励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组;,电枢绕组三相对称交变电势。通过引出线，输出交流电。,感应电势的有效值：,感应电势 频率：感应电势的频率决定于同步电机的转速n 和极对数p，即,四、同步电机铭牌,同步电机铭牌,我国生产的汽轮发电机有QFQ、QFN、QFS等系列。前两个字母表示汽轮发电机；第三个字母表示冷却方式，Q表示氢外冷，N表示氢内冷，S表示双水内冷。水轮发电机系列：TS系列，T表示同步，S
6、表示水轮。举例：QFS-300-2 表示容量为300MW双水内冷2极汽轮发电机。TSS1264/160-48表示双水内冷水轮发电机，定子外径为1264厘米，铁心长为160厘米，极数为48。另外同步电动机系列有TD、TDL等，TD表示同步电动机，后面的字母指出其主要用途。如TDG表示高速同步电动机；TDL表示立式同步电动机。同步补偿机为TT系列。,额定容量SN（额定功率PN）：额定运行时电机输出的功率；额定电压UN：额定运行时定子三相线电压；额定电流IN：额定运行时定子三相线电流；额定功率因数：额定运行时电机的额定功率；额定频率；额定运行时的频率；额定转速：同步电机的同步转速；,额定值间的相互关
7、系：,额定值,6-2 空载和负载时同步发电机的磁场,空载运行：原动机带动发电机在同步转速下运行,励磁绕组通过适当的励磁电流,电枢绕组不带任何负载时的运行情况。空载运行是同步发电机最简单的运行方式，其气隙磁场由转子磁势单独建立。磁通分为主磁通和漏磁通。,一、空载运行,（1）隐极同步电机的空载磁势,励磁绕组埋于转子槽内，沿转子圆周气隙近似均匀。励磁磁势在空间的分布为一个阶梯形，受齿槽的影响,气隙磁密呈现出波动变化。用谐波分析法可求出其基波分量合理地选择大齿的宽度可以使气隙磁密的分布接近正弦波。如无特殊说明，以后仅考虑磁通密度的基波分量,1 空载磁势,（2）凸极同步电机的空载磁势,励磁绕组为集中绕组
8、，磁势波为矩形波,对于凸极发电机来说，由于定转子间的气隙沿整个电枢圆周分布不均匀，极面下气隙较小，磁阻较小；极间气隙较大，极间磁阻很大。同一个极面下，气隙径向磁通密度的分布近似于平顶的帽形。极靴以外的气隙磁通密度减少很快，相邻两极中线上的磁通密度为零。气隙磁密用付立叶谐波分析分解出空间基波和一系列谐波。,感应电势的波形和大小与气隙磁密的分布形状及幅值大小紧密相关。在设计和制造电机时，应采取适当的措施，以获得尽可能接近正弦分布的气隙磁密，从而得到较高品质的感应电势。,磁密波Bf1与定子任一相交链的磁通量0是时间变量，由 感应产生的该相电势用 表示,当定子各相的时间参考轴都取在各自的相绕组轴线时，
9、与 重合。,2 同步电机中的时空量,将相绕组轴线作为空间矢量参考轴（相轴）令时间相量参考轴（时轴）与空间矢量参考轴重合,时间相量绕组的感应电势、电压和电流，匝链的磁通空间矢量磁势和磁通密度（随时间变化）,励磁磁势的基波Ff1和由它产生的气隙磁密波Bf1为空间分布波，两者同相位，其正波幅处于转子直轴正方向，且与转子一起以同步速旋转；,当Bf1波的波幅来到某相轴左侧900时，Bf1波与该相绕组交链的磁通量的瞬时值正好为零，这时0 在该轴线左侧900。,3 空载电势,三相电势对称,只有主磁通才在定子绕组中产生感应电势,二、对称负载时的电枢反应,空载时，只有一个以同步转速旋转的励磁磁势Ff随轴同转的转
10、子磁势(称为机械旋转磁势)，在电枢绕组中感应出三相对称交流电势，励磁电势，即空载电势E0。当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组中流过三相对称的交流电流，将形成一个以同步速度旋转的旋转磁势电枢磁势Fa电枢旋转磁势(称为电气旋转磁势）。两个旋转磁势的转速均为同步速，且转向一致，二者在空间处于相对静止状态，矢量合成为一个合成磁势。气隙磁场 由合成磁势 在电机的气隙中建立起来的磁场。同步发电机负载以后，电机内部的磁势和磁场及绕组中感应电势将发生显著变化，此变化主要由电枢磁势的出现所致。电枢反应,同步电机的电枢反应,同步电机的磁场建立：,负载时，电枢磁动势的基波对主磁极基波磁场的影响称为电枢反应。,内
11、功率因数角,解释：时间相量Ia与空间矢量Fa同向电枢磁势Fa三相电流产生的合成磁势，哪一相电流达最大值，则位置在其绕组的轴线上；A相电流Ia如Ia最大，则Ia在相轴上，此时Fa正好在交轴上,假定：磁路不饱和，隐极式转子。,电枢磁势基波与励磁磁势同转速、同转向、彼此保持相对静止。,影响电枢反应的量,1、=0时的电枢反应分析,输出电流 和空载电势同相，有功功率从电机输至电网发电机状态。0，cos1，sin0，不发出无功功率。转子磁势在直轴上，电枢磁势作用在交轴上，电枢反应的结果使得合成磁势的轴线位置产生一定的偏移，幅值发生一定的变化。作用在交轴上的电枢反应称为交轴电枢反应，简称交磁作用,交轴电枢反
12、应Fa滞后于Ff1发电机,2、=/2 时的电枢反应分析,输出电流滞后于空载电势90，cos0，sin1，有功功率等于零，仅发出电感性无功功率。转子磁势和电枢磁势均作用在直轴上，方向相反，电枢反应为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小直轴去磁电枢反应。为保持电压不变，应增大励磁，即为过激状态，将输出电感性无功功率,直轴电枢反应,3、=时的电枢反应分析,I与E0反相。cos1，sin0，有功功率将从电网输送到电机电动机运行状态。sin0，不发出无功功率。转子磁势作用在直轴上，电枢磁势作用在交轴上，电枢反应使合成磁势的轴线位置产生一定的偏移，幅值发生一定的变化。,交轴电枢反应Fa超前于Ff1电动机,4、=
13、-/2 时的电枢反应分析,输出电流超前空载电势90，cos0，sin1，有功功率等于零，仅发出电容性无功功率，或吸收电感性无功功率。转子磁势和电枢磁势均作用在直轴上，方向一致，合成磁势的幅值加大，电枢反应为纯增磁作用直轴助磁电枢反应。为保持电压不变，应减少励磁，即为欠激状态，将输出电容性无功功率,直轴电枢反应,5、y为任意角度时的电枢反应,将电枢磁势分解为直轴和交轴两个分量。,电枢反应的总结,交轴的电枢反应使转子产生电磁转矩，实现能量转换；直轴电枢反应对气隙磁场起助磁或去磁的作用，不产生转矩；电枢磁动势和励磁磁动势间的夹角会随着电机的运行情况改变。电枢反应的性质也随负载的变化而变化。交轴分量F
14、aq滞后于Ff1为发电机运行，超前于Ff1为电动机运行，分别对应于输出和输入有功功率。直轴分量Fad可能是磁化或去磁作用，当去磁作用时，处于过激状态。当直轴电枢磁势起磁化作用时，接在电网上的同步电机处于欠激状态。,电枢反应是实现能量转换的关键,同步电机空载运行时，定子绕组开路，没有负载电流：不存在电枢反应，不存在由转子到定子的能量传递。当同步发电机带有负载时，就产生了电枢反应。不同负载性质时，电枢磁场与转子电流产生不同性质的电磁力和电磁转矩。实现能量的传递,（a)：电枢反应交轴作用，电磁力与旋转方向相反，为了维持发电机的转速不变，必须随着有功负载的变化调节原动机的输入功率（b）（c）：电枢反应
15、直轴作用，b为去磁，c为助磁，为保持发电机的端电压不变，必须随着无功负载的变化相应地调节转子的激磁电流。,6-3 隐极同步发电机的负载运行,不计磁路饱和，磁路线性，把主极磁势和电枢磁势的作用分别考虑，再利用叠加原理。,一、不考虑磁饱和,按照规定的参考正方向，电枢绕组一相的电动势平衡方程：,xa为电枢反应电抗,1、电动势平衡方程,E0空载电势，反应转子磁场的作用Ea电枢反应电势，反应电枢磁场的作用。是三相合成电枢反应磁场在一相绕组中的感应电势。E漏抗电动势，可以写成漏抗压降形式,Xs：为同步电机的同步电抗，磁路不饱和时为常数。,2、隐极同步发电机等效电路,隐极同步电机的等效电路图：,3、隐极同步
16、电机的相量图,作相量图时，我们认为发电机的端电压，电枢电流，负载功率因数角以及同步电抗为已知量，最终可以根据方程式求得励磁电势。,隐极电机相量图可按以下步骤作出：在水平方向作出相量；根据j角找出 的方向并作出相量；在 的尾端，加上相量、；作出由 的首端指向 尾端的相量，该相量便是,电动势磁动势图,功角 E0与U间的夹角，与功率有关位移角i 空间矢量Ff1与F间的相位角，反映负载后磁势的位移,思考题,12-3 同步电抗对应于什么磁通?为什么说同步电抗是三相电流产生的电抗而它的数值又是每相值？每相同步电抗与每相绕组本身的激磁电抗有什么区别?哪些是空间矢量?哪些是时间相量?如何理解电流相量与电枢磁势
17、“同相”?三相电流通过对称三相绕组时产生电枢磁势（为三相合成磁势，空间矢量），幅值总是和具有最大电流的相绕组轴线重合。当某相电流最大时，电流相量在时间轴上。在时空图上，取时间轴与相绕组轴线（空间轴）重合，则有电流相量与电枢磁势“同相”重合。,计及磁路饱和，磁路非线性，主极磁势和电枢磁势合成为气隙磁动势，再由此求出负载时的合成电动势。,二、隐极同步电机计及饱和时,电势平衡方程：,电动势磁动势图,注意：对隐极电机，励磁磁动势为一梯形波；而电枢磁动势Fa的幅值则是基波的幅值，因此在Ff和Fa矢量相加时，需要把基波电枢磁动势Fa乘上换算系数ka以换算为等效梯形波的作用。,6-4 凸极同步发电机的负载运
18、行。,一、双反应理论,双反应理论：对于在空间任意位置的电枢磁动势Fa，将其分解成直轴和交轴两个分量Fad和Faq，用对应的直轴磁导和交轴磁导分别算出直轴和交轴电枢反应;最后把它们的效果叠加起来。,一般情况：电枢磁动势在空间的任意位置。分析方法：把电枢磁势分解成直轴和交轴两个分量;用对应的直轴磁导和交轴磁导分别算出直轴和交轴电枢反应;最后把它们的效果叠加起来。,（注意前提：磁路是线性的）,凸极同步电机,利用双反应理论得到从电流建立磁场到感应电动势的过程：,二、凸极同步发电机的电压方程和向量图,xd：直轴同步电抗；xq：交轴同步电抗（xdxq）,1、凸极机的电压方程,2、同步发电机的相量图,凸极同
19、步机：,凸极机的相量图,如何得到？,首先求出EQ,凸极机的等效电路,6-5 同步发电机的功率和转矩方程,（1）功率平衡式,同步发电机由原动机拖动，从转子轴上输入机械功率P1，从定子输出电功率P2。,功率平衡式：,转矩平衡式：,6-6 同步电机参数的测定,1.同步发电机的空载特性,一、空载特性、短路特性和零功率因数负载特性,当空载运行时（电枢绕组开路，I=0）,空载电动势E0随转子励磁电流If变化的关系。空载特性与电机磁路的磁化曲线具有类似的变化规律 E00 If Ff,饱和系数：E0*=1时的总磁势与气隙磁势之比，一般为（1.1-1.25）意义：空载磁路饱和后，由励磁磁势所建立的磁通和感应电势
20、都降低到未饱和时的1/k。,空载特性的实验测定,调节可变电阻，使激磁电流逐步上升，每次记下If和E0的读数。作同步电机的空载特性由于存在剩磁，规定用下降曲线来表示空载特性。从1.3UN对应的激磁逐步减小,空载特性的工程应用,将设计好的电机的空载特性与常规空载特性相比较，如果两者接近，说明电机设计合理，反之，则说明该电机的磁路过于饱和或者材料没有充分利用。如太饱和，将使励磁绕组用铜过多，且电压调节困难如饱和度太低，则负载变化时电压变化较大，且铁心利用率较低，铁心耗材较多结合短路特性可以求取同步电机的参数。发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性以及励磁系统的故障。,必须掌握（*）,2.同步发
21、电机的短路特性,发电机三相稳态短路试验时，电枢短路电流Ik与激磁电流If间的关系曲线。,忽略绕组电阻ra,影响：电机磁路处于不饱和状态。,短路特性曲线,去磁作用减少了电机中的磁通，磁路处于不饱和状态电枢磁势Fa正比于电枢电流I=Ik短路特性是一直线,稳态短路时，电枢反应为纯去磁作用，电机的磁通和感应电势较小，短路电流不大，三相稳态短路运行没有危险,短路特性的测定短路试验,先将三相电枢绕组在出线端处短接，再起动原动机将发电机带到同步转速，通入不同数值的激磁电流If，读取每次相应的短路电流Ik，即得同步发电机的短路特性。,3.零功率因数负载特性,cosj=0 的负载为纯电感负载，即y=90度。,负
22、载特性：n=n1，I=常数，功率因数cosj=常数时，端电压Uf（If）。其中当cosj=0时一条负载特性称为零功率因数特性。,具有相同相位。写出代数方程：,磁动势间和电动势间的关系：,重点：空载特性与零功率因数曲线,mn对应于去磁磁势kadFad的激磁电流on：合成磁势om=mn+om：激磁磁势Ffan：E合成电势ab：Ix bn=cm：U=E-Ix c点：对应(U,If)为零功率因数特性曲线上一点,电抗三角形abc如电枢电流保持不变，三角形大小不变高ab=Ix，底边bc=mn均正比于电枢电流,负载时实际激磁,零功率因数负载特性与空载特性之间相差一个特性三角形。（由电枢电流对应的等效励磁电流
23、和漏抗压降Iax构成其中的两条边）可以由空载特性和特性三角形求取零功率因数负载特性。c点轨迹即为零功率因数曲线,保梯（Potier)电抗：考虑转子漏磁影响，空载特性和零功率因数负载特性间的特性三角形是逐渐变动的。在UUN一点上得到的特性三角形称为保梯三角形，对应的漏抗称为保梯漏抗。,零功率因数曲线求取,两点试验实验法,当电机较大时，将电机并联于电网，有功调节为零，调节励磁使发出无功电流达到IN，即为e点.,短路点e点（I=IN,U=0）调节发电机励磁电流，使三相稳定短路电流为额定值,额定电压点c点（I=IN,U=UN）调节发电机处于过激，电枢电流为额定值，输出有功功率为0（零功率因数），激磁电
24、流和额定电压决定c点,由空载和短路特性确定Xd值,二、同步发电机的参数及测定,短路比,在一个能产生空载电动势E0等于额定电压的励磁电流If0下进行三相稳态短路试验，得到的稳态短路电流Ik0与发电机的额定电流IN的比值。即：产生空载额定电压和产生额定短路电流所需的励磁电流之比。,漏抗的测定,电抗三角形法抽出转子法,稳态参数的测定,Fa对准直轴时，电枢反应电抗大，电流小，电枢端电压大（由于供电线路的压降），转子感应电压为零；Fa对准交轴时，电枢反应电抗小，电流大，电枢端电压小，转子感应电压最大。,思考题,1.为什么感性负载特性（零功率因数特性）和空载特性有相同的形状？感性负载时，电枢反应为纯去磁作
25、用，磁势间的关系以及电势间的关系为纯代数关系，即：,思考题,2.比较变压器、异步电机的激磁电抗与同步电机的同步电抗。变压器：异步电机：同步电机：同步电抗包括两个部分，（1）对应于定子绕组的漏磁通的x，（2）对应与定子电流产生的空气隙旋转磁场的xa。非主气隙合成磁场的作用,6-7 同步发电机的运行特性,空载特性：实质是电机的磁化曲线短路特性：发电机在同步转速下，电枢线端三相稳态短路时，电枢电流与励磁电流的关系曲线。负载特性：转速为同步速度，负载电流和功率因数为常值时，发电机的端电压与励磁电流之间的关系曲线。外特性：在nnN，If常数和cos常数时，端电压U和负载电流I的关系曲线。调整特性：在nn
26、N，U常数和cos常数时，励磁电流If和负载电流I的关系。,一、同步发电机的外特性,感性负载（或纯阻性负载）在励磁电流不变的情况下，随着电枢电流的增大，电枢反应的去磁作用的增强，漏抗压降的增大，同步电机的外特性是下降的曲线。容性负载电枢反应表现为增磁作用，随着电枢电流的增大，端电压反而增大。,外特性：n=n1,If=常数,cosj=常数的条件下，同步发电机作单机运行时,端电压U随负载电流 而变化的关系,即U=f(I)曲线。,额定励磁电流：调节发电机的励磁，使其在额定负载（IIN，coscosN）时电机端电压为额定电压时的励磁电流。发电机的端电压随着负载电流的改变而变,保持额定运行时的励磁电流I
27、fN 和转速nN 不变,将发电机的完全卸载,发电机的端电压将由 UN变化为励磁电势E0，电压变化的幅度可以用电压调整率来表示 U是发电机的性能指标之一，按国家标准规定 应不大于40%。,二、电压调整率,三、调整特性,调整特性：当nnN，U常数，cos常数时，励磁电流If和负载电流I的关系曲线Iff（I）。,提高了供电的可靠性；提高了供电的经济性和灵活性；提高了供电质量,6-8 同步发电机的并联运行,并联合闸的条件:发电机和电网连接的相序应相同；发电机和电网的频率应相同；发电机和电网的电压波形应相同；发电机和电网电压的大小和相位相同；,投入并联进行的调节和操作过程称为同步过程。同步方法：准同步法
28、，自同步法,投入并联的方法,准同步：把发电机调整到完全合乎投入并联条件再进行并联合闸。分交叉接法和直接接法,直接接法（灯灭法）,通过调节发电机励磁电流的大小使电压相等；电压调整好后，如果相序一致，灯光应表现为明暗交替。如果灯光不是明暗交替，则说明相序不一致，应调整发电机的出线相序或电网的引线相序，严格保证相序一致；通过调节发电机的转速改变频率，直到灯光明暗交替十分缓慢时，说明频率已十分接近，等待灯光完全变暗的瞬间（相位相同），即可合闸并车,直接接法（灯光明暗法）,交叉接法（灯光旋转法）,通过调节发电机励磁电流的大小使电压相等；电压调整好后，如果相序一致，则灯光旋转，如灯光同步则说明相序不一致；
29、通过调节发电机的转速改变 频率，直到灯光旋转十分缓慢时，说明 频率十分接近，这时等待灯 3 完全熄灭的瞬间到来，即可合闸并车。依靠电机的自整步作用，将电机牵入同步。,调节发电机的转速调节频率；调节发电机的励磁调节电压；调节发电机的瞬时转速调节相位,自整步法,在相序一致的情况下将励磁绕组通过适当的电阻短接；用原动机把发电机拖动到接近同步速(相差25)；在没有接通励磁电流的情况下将发电机接入电网；再接通励磁并调节励磁强弱，依靠定子磁场和转子磁场之间的电磁转矩将转子拉入同步转速。需要注意的是：励磁绕组必须通过一限流电阻短接。直接开路，将在其中感应出危险的高压；直接短路，将在定、转子绕组间产生很大的冲
30、击电流。自同步法的优点：操作简单，方便快捷；缺点：合闸时有冲击电流。,6-9 功角特性 PMf（）,当忽略电枢绕组损耗时，,对于隐极机，XdXqXs，只有基本电磁功率,原因：凸机极电机直轴和交轴位置的磁阻不一样，电枢磁密矢量Ba与磁势磁势Fa不重合,功角的时空概念,在时间上：端电压（U与E相位基本相同）和励磁电动势E0之间的相位差在空间上：合成磁场轴线与转子磁场轴线之间夹角。稳定运行时，Ff和F 之间无相对运动，d固定。功角d为正值时，为发电机运行。功角d为负值时，为电动机运行。,同步电动机的电磁转矩：,凸极机：,隐极机：,凸极机附加转矩,附加转矩（磁阻转矩）,当转子轴线与旋转磁极的轴线重合，
31、只有径向磁拉力，无切向磁拉力，转子无电磁转矩；转子转过一定角度，旋转磁场磁通力图通过磁阻最小的路径，气隙磁场扭曲，旋转磁场与转子间除了径向力，还有切向力，形成电磁转矩。隐极转子气隙不会扭歪，所以没有电磁转矩。,功角特性,过载能力,过载能力：最大电磁功率与额定功率的比值。,额定情况下：N=3040 kP=1.62.0,对隐极机：,6-10 有功功率调节和静态稳定,同步电机空载运行，不输出有功功率，,增加原动机输入功率，转子加速，转子磁势Ff超前合成磁场，电机向电网输出一定的有功功率。,要增加发电机的输出有功功率，必须增加原动机的输入功率，使功率角增大。,一、有功功率的调节,电机的极限功率,1空载
32、时：P2=PM=0P1=P0，处于平衡状态=0,2增加机械功率输入：P1P0，P1-P00过渡过程：电机加速，转子磁场位置将超前合成磁场，0 随着 增加，P2=PM0增加，当达到P1-P0=PM时，电机加速过程结束稳定运行：转化来的电磁功率，使输出有功功率P2,发电机内部自动改变位移角，相应改变电磁功率和输出功率，达到新的功率平衡）,二、静态稳定,扰动发电机输入功率的微动静态稳定瞬时扰动消除后继续保持原来的平衡运行状态,静态稳定区域00900,结论：处于功角特性的曲线上升部分的工作点，是静态稳定的，,隐极机：,凸极机：,整步功率（转矩）系数：表示同步电机抗干扰保持稳定运行能力的强弱。,整步功率
33、系数,三、动态稳定,扰动负载突然变化（加、卸、短路、失磁、电压突变）动态稳定发电机能否继续保证同步运行,a点：原正常运行点,曲线2：电网电压因事故明显降低,曲线3：电压降低很大,6-11 无功功率调节和V形曲线,以忽略电枢电阻和磁饱和影响的隐极机为例。,在原动机输入的有功功率P1不变的情况下，忽略电枢绕组损耗，有,当磁路不饱和，电网电压U、同步电抗Xs不变,电流与电压同相时，0，cos 1，发电机输出纯有功功率，电流最小，“正常励磁”。励磁增大，E0增大，I增大，并落后于电压，发电机输出滞后的无功功率；发电机处于“过励”状态；励磁减小，E0减小，I增大，但超前电压，发电机输出超前的无功功率；发
34、电机处于“欠励”状态；当励磁电流减小，与 垂直，900，达到静态稳定极限。,调节励磁电流的现象,二、V形曲线,发电机在原动机输入功率恒定、电网电压恒定时，电枢电流和励磁电流之间的关系曲线，形状如“V”，称V形曲线。,每一条V形曲线的最低点，表示，相应的励磁状态为正常励磁。正常励磁左为欠励区，功率因数超前；右为过励区，功率因数滞后；在欠励区，900对应静态稳定极限。输出功率的增大，曲线往上移。,结论：无功功率调节特性,当发电机与无穷大电网并联时，调节激磁电流的大小，就可以改变发电机输出的无功功率，不仅能改变无功功率的大小，而且能改变无功功率的性质。当过激时，电枢电流是滞后电流，发电机输出感性无功
35、功率。当欠激时，发电机输出容性无功功率，电枢电流是超前电流。,思考题,发电机的定子电流的功率因数的确定1.单独给对称负载供电时，由负载阻抗决定2.与大电网并联时，负载由电网供给，发电机担负的有功由其原动机的功率大小决定；担负的无功功率决定于发电机的励磁电流，过激时功率因数滞后，欠激时超前。,6-12 同步电动机和同步调相机,同步电动机作为一种恒速电动机广泛用以拖动大容量恒速机械。优点：功率因数可以调节以改善电网的功率因数缺点：比异步电动机结构复杂，造价高同步调相机：实质是空载运行的同步电动机，专门用来产生无功功率，改善电网的功率因数。,发电机转变为电动机的过程,发电机状态,电动机状态,当同步发
36、电机转变为同步电动机时功率角、电磁转矩和电磁功率由正值变为负值，机电能量转换过程发生逆变。,一、同步电动机的电动势方程,按照规定的参考正方向，电枢绕组一相的电动势平衡方程：,漏抗电动势写成漏抗压降形式，,电枢反应电动势用电枢反应电抗压降形式表示,xa为电枢反应电抗,Xs：为同步电机的同步电抗，磁路不饱和时为常数。,隐极同步电机的等效电路图：,按规定的参考正方向，电压方程为：,Xd：直轴同步电抗；Xq：交轴同步电抗（XdXq）,凸极机的电压方程,同步电动机的相量图,隐极同步机：,凸极同步机：,二、同步电机的功角特性,一、功角特性和矩角特性：,（1）功率平衡式,同步电动机正常工作时，定子从电网吸收
37、电功率，转子轴上输出机械功率。,输入功率：定子绕组铜耗：电磁功率：或,运行特性包括：工作特性、起动和调速。工作特性指U和If为常数时，T、I、cos、n等与输出功率的关系。,（2）运行特性,当忽略电枢绕组损耗时，,功角特性,同步电动机的电磁转矩：,凸极机：,隐极机：,功角、矩角特性：发电机状态0；凸极机的电磁转矩包含有基本分量和附加分量；,二、有功功率的调节和静态稳定,同步电机空载运行，,负载增加，转子减速，转子磁势Ff滞后合成磁场，电机输出一定的功率和转矩。,同步电动机的有功功率调节，取决于总负载转矩的变化，电动机自动改变角，调整从电网吸收的有功功率。,三、同步电机的无功功率调节,以隐极机为
38、例。,在恒转矩负载运行时，忽略电枢绕组损耗，有,当磁路不饱和，U、Xs不变,电流与电压同相时，0，cos 1，电动机吸收有功，电流最小，“正常励磁”。励磁增大，E0增大，I增大，并超前电压，电动机吸收超前的无功功率，即发出滞后的无功功率；“过励”；励磁减小，E0减小，I增大，但落后电压，电动机吸收滞后的无功功率；“欠励”；当励磁电流减小，与 垂直，900，达到静态稳定极限。,调节励磁电流的现象,V形曲线,电动机在输出功率恒定、电网电压恒定时，电枢电流和励磁电流之间的关系曲线，形状如“V”，称V形曲线。,每一条V形曲线的最低点，表示，相应的励磁状态为正常励磁。正常励磁左为欠励区，功率因数滞后；右
39、为过励区，功率因数超前；在欠励区，900对应静态稳定极限。输出功率的增大，曲线往上移。,四、同步电机的起动,同步电动机在定子旋转磁场和转子励磁磁场同步旋转，两者相对静止时，产生平均电磁转矩。,如果把同步电动机直接投入电网并加上励磁电流？,转子受到的平均转矩为0，同步电动机不能直接起动。,起动的方法：异步起动、辅助电机起动和变频起动。,异步起动：利用转子上的阻尼绕组产生异步转矩，使转子转动。起动过程：励磁绕组通过一个电阻短路限制电流，通过阻尼绕组产生感应电势、电流和电磁转矩，使电机旋转；接近同步速时，接入励磁电流，牵入同步。,辅助电机起动：用容量为515、同步转速和同步电动机转速相同的异步电动机拖动同步电动机到接近同步速后，将同步电动机投入电网。适用于空载。,变频起动：逐渐升高电源频率，使转子在低速起动，转速随频率的升高而升高直至达到同步转速。通过改变旋转磁场得转速产生同步转矩使转子转动。,同步机起动,例1：一台凸极同步发电机，忽略不计（滞后），不计饱和。求：额定负载下发电机的 励磁电势,求：1.额定状态时的，及 2.不变，输出有功功率减半时的，及 3.在原额定状态下，仅将 加大10%（设磁路不饱和）时的，,求：1.此时的，2.如使，则 假设空载损耗，电动机输出功率,作业：P243习题 12-1，12-2，12-5 P271习题 13-1，13-2，13-6,
