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1、电机学（下）同步电机复习提纲第二十章 同步电机概述1.同步电机的定子称电枢，电枢铁心嵌放三相对称绕组； 转子称主磁极，由直流电励磁，分为隐极式和凸极式【P193图20-2】； 隐极转子：气隙均匀，多用于高速电机，如：汽轮发电机，通常极对数p=1，由于转速高，汽轮发电机直径较小、长度较长；凸极转子：气隙不均匀，多用于低速电机，如：水轮发电机均采用凸极式，特点是直径大、长度短； 转子除励磁绕组外，还常装有与感应电机笼型绕组相似的闭合绕组，在发电机称为阻尼绕组，在电动机称为起动绕组。2.同步电机定子三相对称绕组通进三相对称电流产生的旋转磁场，与转子旋转磁极的转速恒为同步速，定、转子旋转磁场轴线之间的
2、夹角为转矩角，通常认为【P195图20-6】称为功率角，是转子磁场轴线超前于定、转子合成磁场轴线的夹角；当，相当于转子磁极拖着定、转子合成旋转磁场转，转子输入的机械功率转变为定子输出的电功率发电机运行状态；此时机械转矩为驱动转矩、电磁转矩为制动转矩；当，相当于定、转子合成旋转磁场拖着转子磁极转，定子输入的电功率转变为转子输出的机械功率电动机运行状态；此时电磁转矩为驱动转矩、机械转矩为制动转矩；当，相当于转子与合成旋转磁场轴线重合，电机内没有有功功率转换空载运行状态；电磁转矩为零。 3.同步电机的励磁系统有：直流励磁机励磁、交流整流励磁、晶闸管自励恒压励磁等4.同步电机的额定值（铭牌数据）： 、
3、指电枢（定子）线电压、线电流；发电机的额定容量，指三相视在功率； 指额定运行时的输出三相有功功率，故对发电机是电功率、对电动机是机械功率； 单位：VA、KVA发电机： 电动机： 单位：KW 同步电机的转子转速n与电枢电流频率f、电机极对数p存在严格不变的关系：称为同步速，单位：（转/分钟）； 我国电网频率 ，故：p=1，nS=3000r/min；p=2，nS=1500r/min；p=3，nS=1000r/min . 第二十一章 同步发电机运行原理（一）同步发电机空载运行和负载时的电枢反应1.同步发电机空载运行励磁绕组通入直流励磁电流，原动机拖动转子磁极以同步速nS旋转，定子电枢绕组开路。空载时
4、只有建立的励磁磁势，产生空载磁通，以nS速度切割定子三相对称绕组感生三相空载电势；2.同步发电机接上三相对称负载后，电枢三相对称绕组通过三相对称电流，产生一个旋转磁势，称为电枢磁势，的转速也为同步速nS；即、均与转子转速、转向相同，故不会在转子绕组感应电势。3.空载时气隙磁场中只有，负载时多了；因此：负载时电枢磁势对气隙磁场的影响称为电枢反应4.电枢反应的性质与内功率因数角有关，定义：电枢电流落后于的夹角。直轴（d轴）转子主磁极轴线，即的轴线；交轴（q轴）与直轴正交的轴线；时为交轴磁势，产生交轴电枢反应；交轴电枢反应的作用：使气隙磁场发生畸变，主极磁场超前于气隙合成磁场，电磁转矩为制动性质，原
5、动机克服电磁转矩做功，机械能转变为电能。时为直轴磁势，产生直轴去磁电枢反应； 作用：纯去磁。时为直轴磁势，产生直轴增磁电枢反应； 作用：纯增磁。当为任意角时，可把分解为一个交轴分量和一个直轴分量，其中产生交轴电枢反应，产生直轴电枢反应；因此：时电枢反应性质：交轴+直轴去磁；时电枢反应性质：交轴+直轴增磁；5.时-空统一相量图把时间相量和空间相量合并在一起【P199图21-2】；时间相量：、；空间相量：、 在时-空统一相量图中：与同相、与同相；（二）同步发电机数学模型1.隐极发电机电磁关系：定子 转子 采用发电机惯例，定子绕组的上述感应电势与定子端电压平衡（忽略电枢绕组电阻）：其中： 隐极机电枢
6、反应电势；隐极机电枢反应电抗，对应于电枢反应的作用； 漏磁通感生的漏电势；定子绕组漏电抗，对应于电枢漏磁场的作用； 转子主磁通在定子感生的励磁电势，对应于主磁场的作用； 电势方程（注：公式中所有电量均是相值）：其中：隐极同步电机的同步电抗 相量图和等效电路如【p202图21-9】：其中：由于是转子磁场感生的；可看成是定、转子合成磁场感生的，因此与之间的夹角就是功率角【P208图21-18】；功率角（超前于的角度）内功率因数角（落后于的角度）；功率因数角（落后于的角度）；2.凸极发电机由于气隙不均匀，需采用“双反应理论”的分析方法；双反应理论把电枢电流、电枢磁势、电枢反应电抗、同步电抗都分解为直
7、轴（d轴）和交轴（q轴）分量分别进行计算，再把结果叠加起来。电磁关系：定子 转子 定子绕组的上述感应电势与定子端电压平衡（忽略）：其中：、分别为直轴电流、直轴电枢磁势、直轴电枢反应电势、直轴电枢反应电抗；、分别为交轴电流、交轴电枢磁势、交轴电枢反应电势、交轴电枢反应电抗； 凸极发电机电势方程（注：公式中所有电量均是相值）： 其中：凸极同步电机的直轴同步电抗； 凸极同步电机的交轴同步电抗；电抗的大小与磁导成正比，由于直轴气隙比交轴小故磁导比交轴大，所以；隐极机由于气隙均匀，相当于。上式变为：隐极机电势方程；可见，隐极机可看成是凸极机当时的特例。 凸极机相量图如【P205图21-13、图21-14
8、】： 由于d轴就是励磁磁通的方向， 比落后，q轴与d轴垂直(正交)，一定在q轴方向； 相量，大小、； 利用凸极机相量图可采用几何方法求、：由【P205图21-14】可见：忽略，过的矢端作的垂线与q轴相交；所组成的直角三角形中，角的邻边长度为、对边长度为；因此： ； 由【P205图21-13】可见：忽略， 其中：；此外由图21-14可见，凸极机的对边与q轴相交所组成的直角三角形，其斜边并不是而是，称为虚拟电动势，与此方程对应的等效电路如【P206图21-15】；由图21-14：；由于、同相，故大小为:；且由该直角三角形可知，忽略：对于隐极机：，；书上例题：p206例21-1；例1： 一台凸极同步
9、发电机，,，Y接法，滞后，已知 ，忽略。试求额定负载下运行时发电机的、及。解： ，；（三）同步发电机功率方程和转矩方程1. 功率平衡方程（假设励磁损耗由另外电源供给）：机械方面的功率平衡：；其中：由原动机输入的机械功率；机械转变为电的那部分功率，称为电磁功率； 空载损耗，它包括机械损耗、铁耗，有时还需考虑杂散损耗；电方面的功率平衡：；其中：定子绕组铜耗；发出的电功率； 常忽略，则：因此：（隐极机） 注：凡功率符号为大写P，凡损耗符号为小写p；2.转矩平衡方程把机械方面的功率平衡方程两边除以同步角速度，可得同步发电机的转矩平衡方程：其中：原动机输入的驱动机械转矩；电机的空载损耗转矩；制动性质的电
10、磁转矩； 其中： ； 单位：（弧度/秒）；转矩单位：N.m（牛顿.米）；第二十二章 同步发电机的特性同步发电机在对称负载下运行时，=常数、常数。在可测量的、三个量中，保持其中一个不变，另两者之间的关系即表示一种特性：不变、空载特性；不变、短路特性；为常数不变、负载特性；其中的负载特性称为零功率因数负载特性； 不变、外特性；不变、调整特性；此外还有效率特性1.空载特性与磁化曲线形状相似：【P209图22-1】当较小时磁路未饱和，空载特性是直线，饱和后成为曲线；直线部分的延长线称为气隙线。通常额定相电压点设计在空载特性的拐弯点；2.短路特性短路时，忽略发电机只剩内部同步电抗压降与平衡，故是纯感性的
11、，对隐极机：；对凸极机：由于，则，；可见无论隐极、凸极机：又由于时的电枢反应是直轴去磁的，即磁通较小电机不饱和，因此：短路特性是一条直线，【P209图22-2（b）】。且由于磁通较小、感应电势较小，故不大， 所以同步发电机三相稳态短路没有危险。3.利用空载特性和短路特性可求、的不饱和值：【P211图226】由于短路时磁路不饱和，空载特性是直线即气隙线，短路特性也是一条直线；因此，在图中对应同一励磁电流，从空载特性气隙线上查、从短路特性上查；据及可知，与的比值就是、的不饱和值：； 4. 、 饱和值的近似求法【P212图227】：在空载特性饱和段取点，对应于该点找同一励磁电流下的短路电流；则：5.
12、短路比定义产生空载额定电压与额定短路电流所需的励磁电流之比；由【P212图227】：可见：书上P212例22-16.零功率因数负载特性：由于，负载为纯感性，电机本身的阻抗也是纯感性（忽略），故，电枢反应为直轴去磁；故此时的同步机方程：在空载特性与零功率因数负载特性之间，存在一个特性三角形【P210图22-5】据上述同步机方程：在空载特性上，当时，励磁电流对应图中段，即段用于建立空载相电压；在负载特性上，当时，励磁电流对应图中段； 其中：段仍用于建立空载相电压，段用于建立漏电抗压降，段用于补偿直轴电枢反应的去磁作用；由此可得：比实际的电枢漏抗略大，称为坡梯电抗由于不变，故特性的大小不变，当三角形
13、的E点在空载特性上移动时，F点的轨迹就是零功率因数负载特性；当三角形的水平边移到与横坐标重合时，F点=K点对应短路点。7.用转差法求、的不饱和值原动机把同步机拖到接近同步速、转子励磁绕组开路、定子加三相对称低压（其相序应使电枢旋转磁场与转子转向相同）、示波器录下电枢电压U和电枢电流I波形，如【P213图22-8】；则：；8.外特性：实验测得各种负载下的外特性如【P214图22-10】：令电机工作在、点，然后减少发电机的负载，可见：随着负载电流的减少，纯阻负载端电压上升；感性负载上升得更多；容性负载则下降；当减为零时，。 定义同步发电机的电压调整率：9.调整特性：调整特性是不变、的曲线；由外特性
14、可知：当负载为纯阻或感性时，随着增大是要下降的，且感性比纯阻负载下降更多；现随着增大要保持不变，则只好加大励磁电流，且感性比纯阻负载加大更多；同理，容性负载随着增大是要上升的，现随着增大要保持不变，则只好减小励磁电流；如【P214图22-12】。10.效率特性据同步发电机功率平衡方程：；其中：总损耗效率第二十三章（一）同步发电机投入电网并联运行1.并联条件为了避免投入电网时产生冲击电流以及产生冲击转矩，并联时应使【P217图23-1】中开关Q两端的电压差为零，即发电机与电网的瞬时值必须一直保持相等；因此并联条件：发电机与电网相序、电压波形、频率一致；与大小相等、相位相同；2.并联方法：发电机投入并联所进行的调节和操作过程，称为整步过程由于电压波形设计时已保证，电机转向和相序已标明；
