同步发电机课件

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1、第十三章第十三章 同步发电机同步发电机13-2 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应13-3 同步发电机的电势方程式和相量图同步发电机的电势方程式和相量图13-4 同步发电机的功率和转矩方程式同步发电机的功率和转矩方程式13-5 同步发电机的特性同步发电机的特性13-6 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行13-1 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行第十三章第十三章 同步发电机同步发电机13-2 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应13-3 同步发电机的电势方程式和相量图同步发电机的电势方程式和相量图13-4 同步发电机的功率和转矩方程式同步发电机的功率和转矩方程式13-5 同步发电

2、机的特性同步发电机的特性13-6 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行13-1 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行8/13/20241同步发电机课件weipeiyu 制作 本章基本要求本章基本要求1. 理解同步电机电枢反应的物理概念，并掌握电枢理解同步电机电枢反应的物理概念，并掌握电枢反应的性质与哪些因素有关；反应的性质与哪些因素有关；2. 熟练掌握同步发电机的电压平衡方程式和相应的熟练掌握同步发电机的电压平衡方程式和相应的相量图的画法。相量图的画法。 3. 熟练掌握同步发电机的功角特性，分析当励磁电熟练掌握同步发电机的功角特性，分析当励磁电流改变时，空载电势和功角特性变化的规律。流

3、改变时，空载电势和功角特性变化的规律。 4. 了解同步发电机的功率和转矩方程式、工作特性。了解同步发电机的功率和转矩方程式、工作特性。 6. 掌握同步发电机有功功率和无功功率的调节以及掌握同步发电机有功功率和无功功率的调节以及同步发电机的同步发电机的U 形曲线；掌握无功功率的性质与励形曲线；掌握无功功率的性质与励磁电流的关系。磁电流的关系。 5. 了解同步发电机并联运行的条件及其整步方法。了解同步发电机并联运行的条件及其整步方法。 8/13/20242同步发电机课件weipeiyu 制作 13-1 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行一、同步电机的基本作用原理一、同步电机的基本作用原理 1

4、. 两种旋转磁场两种旋转磁场 当对称三相电流流过对称三相绕组时，将在气隙中当对称三相电流流过对称三相绕组时，将在气隙中产生一个旋转磁场，基波磁势有下列特性：产生一个旋转磁场，基波磁势有下列特性：振幅恒定是单相绕组最大振幅的振幅恒定是单相绕组最大振幅的1.5倍，转速为同步倍，转速为同步转速转速n1，旋转方向是从电流超前的相转向电流滞后，旋转方向是从电流超前的相转向电流滞后的相，当某相电流达到最大值时，旋转磁场的振幅的相，当某相电流达到最大值时，旋转磁场的振幅恰好在该相绕组的轴线上。恰好在该相绕组的轴线上。 同步电机无论作为发电机运行还是作为电动机运行，同步电机无论作为发电机运行还是作为电动机运行

5、，和异步电机一样，只要它们的定子三相绕组中流过三和异步电机一样，只要它们的定子三相绕组中流过三相对称电流，都将在气隙中产生上述的旋转磁场。相对称电流，都将在气隙中产生上述的旋转磁场。8/13/20243同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行因该磁场是交流励磁的，故称为交流励磁的旋转磁场，因该磁场是交流励磁的，故称为交流励磁的旋转磁场，同步电机的定子绕组又称为电枢绕组，因此又称为电同步电机的定子绕组又称为电枢绕组，因此又称为电枢磁场。枢磁场。如果在转子上装有由直流励磁的磁极，且用原动机把如果在转子上装有由直流励磁的磁极，且用原动机把转子带到同步转速，就像同

6、步电机那样，则在气隙中转子带到同步转速，就像同步电机那样，则在气隙中同样出现一个圆形旋转磁场，这样获得的旋转磁场又同样出现一个圆形旋转磁场，这样获得的旋转磁场又称直流励磁的旋转磁场或称机械旋转磁场。称直流励磁的旋转磁场或称机械旋转磁场。 同步发电机空载时，定子绕组中的电流为零，在气隙同步发电机空载时，定子绕组中的电流为零，在气隙中只有直流励磁的旋转磁场，在负载的情况下，两种中只有直流励磁的旋转磁场，在负载的情况下，两种旋转磁场均存在。旋转磁场均存在。 8/13/20244同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行在同步电机的气隙中存在着两种不同的旋转磁场，只

7、在同步电机的气隙中存在着两种不同的旋转磁场，只要这两个旋转磁场在空间有位移，它们之间便会有电要这两个旋转磁场在空间有位移，它们之间便会有电磁力，犹如两块磁铁之间存在相互作用力一样。磁力，犹如两块磁铁之间存在相互作用力一样。3. 同步电机的运行方式同步电机的运行方式 同步电机在工作时，由于两种旋转磁场之间没有相对同步电机在工作时，由于两种旋转磁场之间没有相对运动，因此它们之间的相互位置决定着同步电机的运运动，因此它们之间的相互位置决定着同步电机的运行情况：行情况： 如转子磁场在前，则当转子旋转时，便拉着定子磁场如转子磁场在前，则当转子旋转时，便拉着定子磁场旋转，这时转子磁场超前电枢磁场，这便是发

8、电机运旋转，这时转子磁场超前电枢磁场，这便是发电机运行；行； 反之定子磁场旋转拉着转子磁场旋转，便是电动机运反之定子磁场旋转拉着转子磁场旋转，便是电动机运行情况。行情况。 2. 同步电机的作用力同步电机的作用力 8/13/20245同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行4. 同步电机的电路方程及等效电路同步电机的电路方程及等效电路 在正常运行时，同步电机的定子磁场与转子绕组之间在正常运行时，同步电机的定子磁场与转子绕组之间没有相对运动，因而不能在转子绕组中感应电势，转没有相对运动，因而不能在转子绕组中感应电势，转子回路中只有直流励磁电流，故从电路的观点来

9、看，子回路中只有直流励磁电流，故从电路的观点来看，同步电机要比变压器或异步电机更为简单，可不考虑同步电机要比变压器或异步电机更为简单，可不考虑转子支路，而只为定子电路单独写出电压方程式。转子支路，而只为定子电路单独写出电压方程式。 同步电机正常运行时的等效电路是一个没有副方回同步电机正常运行时的等效电路是一个没有副方回路与原方耦合的独立回路，求解时也不用联立方程，路与原方耦合的独立回路，求解时也不用联立方程，非常简单。同步发电机各物理量的正方向规定如图非常简单。同步发电机各物理量的正方向规定如图所示。所示。 同步发电机等效电路如图所示。同步发电机等效电路如图所示。8/13/20246同步发电机

10、课件weipeiyu 制作 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行如不考虑饱和现象，利用迭加原理：如不考虑饱和现象，利用迭加原理： 转子磁场在定子绕组中的感应电势转子磁场在定子绕组中的感应电势 ，也称励，也称励磁电势；磁电势； 定子磁场在定子绕组中的感应电势，称为电定子磁场在定子绕组中的感应电势，称为电枢反应电势。枢反应电势。 ra定子绕组的电阻，定子绕组的电阻， x 定子绕组漏抗。定子绕组漏抗。 定子绕组端电压定子绕组端电压 定子绕组输出电流定子绕组输出电流 E0 Ea E U1I1或或5. 同步电机的气隙合成磁场同步电机的气隙合成磁场 将气隙中的定子和转子磁场合并为一合成气隙磁场来将气隙

11、中的定子和转子磁场合并为一合成气隙磁场来考虑，这种分析方法更符合同步电机的实际情况。考虑，这种分析方法更符合同步电机的实际情况。 8/13/20247同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行由于定、转子磁场均以同步转速旋转，气隙中合成旋由于定、转子磁场均以同步转速旋转，气隙中合成旋转磁场便也按同步转速旋转，和转子绕组之间仍无相转磁场便也按同步转速旋转，和转子绕组之间仍无相对运动；对运动； 因此同步电机作为发电机运行时，转子磁场轴线便超因此同步电机作为发电机运行时，转子磁场轴线便超前于气隙合成磁场轴线；而同步电机作为电动机运行前于气隙合成磁场轴线；而同步电机

12、作为电动机运行时，转子磁场轴线将滞后于气隙合成磁场的轴线。时，转子磁场轴线将滞后于气隙合成磁场的轴线。 同步电机的运行方式，也常用合成旋转磁场与转子磁同步电机的运行方式，也常用合成旋转磁场与转子磁场之间的相对位置来确定；场之间的相对位置来确定；当转子磁场超前于定子磁场时，合成的气隙磁场便当转子磁场超前于定子磁场时，合成的气隙磁场便滞后于转子磁场，当转子磁场滞后于定子磁场时，滞后于转子磁场，当转子磁场滞后于定子磁场时，合成的气隙磁场便将超前于转子磁场；合成的气隙磁场便将超前于转子磁场；8/13/20248同步发电机课件weipeiyu 制作 电枢（定子）：电枢（定子）： I1 (Fa ) = 0

13、转子每极磁通：转子每极磁通： 0 空载电动势：空载电动势： E0 = 4.44 f1 kw1 W10 或或电枢相电压：电枢相电压： U0P = E0电枢线电压（电枢线电压（Y 形联结）：形联结）：E0 = j4.44 f1 kw1 W10U0L =3 E0 E0 的频率：的频率：f1 =pn60二、同步发电机的空载运行二、同步发电机的空载运行 同步发电机被原动机拖动至同步转速，转子绕组通入同步发电机被原动机拖动至同步转速，转子绕组通入直流励磁电流，定子绕组开路时称为空载运行。直流励磁电流，定子绕组开路时称为空载运行。 8/13/20249同步发电机课件weipeiyu 制作 13-2 同步电机

14、的电枢反应同步电机的电枢反应 空载时，同步电机中只有一个以同步旋转的转子磁空载时，同步电机中只有一个以同步旋转的转子磁场，即励磁磁场，它在三相绕组中感应出对称的三场，即励磁磁场，它在三相绕组中感应出对称的三相电势，每一相为相电势，每一相为E0，称为励磁电势，定子每相电，称为励磁电势，定子每相电压为压为E0=U。 当定子绕组接上对称的负载后，气隙合成磁势由电当定子绕组接上对称的负载后，气隙合成磁势由电枢磁势与转子磁势相互作用共同建立，并建立负载枢磁势与转子磁势相互作用共同建立，并建立负载时的气隙磁场；时的气隙磁场；尽管励磁电流未变，但气隙磁场已不同于原来的励尽管励磁电流未变，但气隙磁场已不同于原

15、来的励磁磁场，所以感应电势已不再是磁磁场，所以感应电势已不再是E0了。了。 对于功率因数滞后的感性负载，此时电势将明显地对于功率因数滞后的感性负载，此时电势将明显地低于空载电势低于空载电势E0，再计入电枢绕组中的电阻和漏抗，再计入电枢绕组中的电阻和漏抗压降后，这就使压降后，这就使U更加低于更加低于E0。 8/13/202410同步发电机课件weipeiyu 制作 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应对称负载时电枢磁动势的基波对主极磁场基波的影对称负载时电枢磁动势的基波对主极磁场基波的影响，简称对称负载时的电枢反应。响，简称对称负载时的电枢反应。电枢反应的性质主要取决于电枢反应的性质主要取决于E

16、0与与I之间的相位差之间的相位差 ，亦即主要取决于负载的性质。亦即主要取决于负载的性质。下面就下面就 角的几种情况，分别讨论电枢反应的性质。角的几种情况，分别讨论电枢反应的性质。 叫做内功率因数角，电压与电流的相位差叫做内功率因数角，电压与电流的相位差 叫做外叫做外功率因数角。功率因数角。注意内功率因数角注意内功率因数角 无法测量，外功率因数角可以测无法测量，外功率因数角可以测量。量。只有在电流等于零的只有在电流等于零的只有在电流等于零的只有在电流等于零的情况下，才能测到电势情况下，才能测到电势E0，负载，负载时测到的是电压。时测到的是电压。为什么？为什么？8/13/202411同步发电机课件

17、weipeiyu 制作 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应AXBYZCNSn当当 =0 时，图中所示时，图中所示瞬间，瞬间，A相绕组的轴相绕组的轴线与主磁极的交轴线与主磁极的交轴（q轴）重合；轴）重合；此时此时A相绕组励磁电相绕组励磁电动势为最大值，其方动势为最大值，其方向按右手定则确定。向按右手定则确定。一、一、E0和和I 同相同相（ =0）时的电枢反应）时的电枢反应因为因为 =0 ，所以此瞬间，所以此瞬间A绕组中的电流也达到最大绕组中的电流也达到最大值。值。8/13/202412同步发电机课件weipeiyu 制作 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应AXBYZCNSnFfFaF 三相电

18、流联合产三相电流联合产生的电枢磁势的生的电枢磁势的基波振幅便落在基波振幅便落在A相绕组轴线上；相绕组轴线上； d 轴超前于轴超前于A相相相轴相轴 90，励磁，励磁磁势的基波相量磁势的基波相量在在d 轴上；轴上； Fa的基波分量在的基波分量在q轴上（称为转子交轴），它们和转轴上（称为转子交轴），它们和转子一起以同步转速旋转，产生合成磁势子一起以同步转速旋转，产生合成磁势F 。 qd8/13/202413同步发电机课件weipeiyu 制作 这种电枢磁动势称为交轴电枢磁动势，用这种电枢磁动势称为交轴电枢磁动势，用Faq表示，表示，相应的电枢反应称为交轴电枢反应。相应的电枢反应称为交轴电枢反应。对于

19、气隙磁场交轴电枢对于气隙磁场交轴电枢反应将使合成磁场的轴线位反应将使合成磁场的轴线位置置从空载时的直轴处逆转向后移了一个锐角，且幅从空载时的直轴处逆转向后移了一个锐角，且幅值也有所增加。但因磁路的饱和现象，交轴电枢反值也有所增加。但因磁路的饱和现象，交轴电枢反应使幅值增加的很小。应使幅值增加的很小。对主磁场而言对主磁场而言，交轴电枢反应在前极尖将起去磁作用，交轴电枢反应在前极尖将起去磁作用，在后极尖，在后极尖则起增磁作用。见课本则起增磁作用。见课本257页图页图13-3(c)时时空相量图空相量图已知气隙合成磁势，并产生气隙合成磁密和磁通，该已知气隙合成磁势，并产生气隙合成磁密和磁通，该磁通在电

20、枢绕组中产生合成电势。磁通在电枢绕组中产生合成电势。同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应8/13/202414同步发电机课件weipeiyu 制作 同理若忽略铁心饱和的影响：同理若忽略铁心饱和的影响： 这时应有这时应有 可从励磁磁势和电枢磁势分别求出励磁电势和电枢反可从励磁磁势和电枢磁势分别求出励磁电势和电枢反应电势，即应电势，即同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应相应地有相应地有 应注意：这里所述的所有的时间相量都是属于定子中应注意：这里所述的所有的时间相量都是属于定子中某一相中的物理量。某一相中的物理量。当各相时轴和相轴都取在绕组的轴线上时，时当各相时轴和相轴都取在绕组的轴线上时，时空相空

21、相量图存在下列关系。量图存在下列关系。 时轴：若取某轴为时间参考轴时，则旋转相量时轴：若取某轴为时间参考轴时，则旋转相量 在该轴上的投影即为电流的瞬时值，即当相量与该轴在该轴上的投影即为电流的瞬时值，即当相量与该轴重合时，正弦量达到最大值。重合时，正弦量达到最大值。 8/13/202415同步发电机课件weipeiyu 制作 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应相轴：绕组的轴线。当某相电流达到最大值时，旋转相轴：绕组的轴线。当某相电流达到最大值时，旋转磁势的幅值就落在该相绕组的轴线上。磁势的幅值就落在该相绕组的轴线上。 (1)磁通相量磁通相量(时间相量时间相量)应与产生它的磁密相量应与产生它的

22、磁密相量(空空间相量间相量)重合；重合； 相量图的画法：相量图的画法：(2)忽略铁心中的损耗影响时，磁通相量应与产生它忽略铁心中的损耗影响时，磁通相量应与产生它的电流相量同相位；的电流相量同相位；(3)当磁通与感应电势正方向符合右手螺旋法则时，当磁通与感应电势正方向符合右手螺旋法则时，电势滞后于产生它的磁通电势滞后于产生它的磁通90。 而磁势与产生它的电流重合。而磁势与产生它的电流重合。(时轴与相轴取在一起时轴与相轴取在一起)根据这些基本关系，便可画出时空相量图如下图所示。根据这些基本关系，便可画出时空相量图如下图所示。 8/13/202416同步发电机课件weipeiyu 制作 同步电机的电

23、枢反应同步电机的电枢反应FaF 0I aE E0Ea Ff =0时的时的时时空相量图空相量图就是说就是说A相电流达到最大值时，转子已向前转过相电流达到最大值时，转子已向前转过90 。二二、当、当E0超前超前I 90 （ =90 ）时的电枢反应）时的电枢反应当当 =90 时，在图示瞬间，此时时，在图示瞬间，此时A相励磁电动势为最相励磁电动势为最大值，但定子大值，但定子A相电流为零。相电流为零。8/13/202417同步发电机课件weipeiyu 制作 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应AXBYZCNSnFfFaF AXBYZCNSn8/13/202418同步发电机课件weipeiyu 制作 可

24、见可见 =90 时直轴电枢反应的性质是纯粹去磁的。时直轴电枢反应的性质是纯粹去磁的。电枢磁动势的幅值恰好位于励磁磁动势的轴线上，电枢磁动势的幅值恰好位于励磁磁动势的轴线上，但方向相反。但方向相反。此时的电枢磁动势称为直轴电枢磁动势，用此时的电枢磁动势称为直轴电枢磁动势，用Fad表表示，相应的电枢反应称为直示，相应的电枢反应称为直轴轴电枢反应，电枢反应，同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应三三、当、当E0滞后滞后I90 （ =-90 ）时的电枢反应）时的电枢反应当当 =-90 时，在图示瞬间，此时时，在图示瞬间，此时A相励磁电动势为最相励磁电动势为最大值，但定子大值，但定子A相电流为零。相电流为

25、零。若保证电压不变，即气隙的合成磁场不变，必须加若保证电压不变，即气隙的合成磁场不变，必须加大直流励磁，这种电机叫做过激状态的同步电机。大直流励磁，这种电机叫做过激状态的同步电机。8/13/202419同步发电机课件weipeiyu 制作 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应就是说就是说A相电流达到最大值时，转子已向后相电流达到最大值时，转子已向后转过转过90;AXBYZCNSnFfFaF AXBYZCNSn电枢磁动势的幅值也恰好位于励磁磁动势的轴线上，电枢磁动势的幅值也恰好位于励磁磁动势的轴线上，但方向相同。但方向相同。8/13/202420同步发电机课件weipeiyu 制作 可见可见 =

26、-90 时直轴电枢反应的性质是纯粹助时直轴电枢反应的性质是纯粹助磁的。磁的。此时的电枢磁动势称为直轴电枢磁动势，用此时的电枢磁动势称为直轴电枢磁动势，用Fad表表示，相应的电枢反应称为直示，相应的电枢反应称为直轴轴电枢反应。电枢反应。同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应四四、一般情况下、一般情况下（0 xq所以所以E0EQ（感性）感性）8/13/202437同步发电机课件weipeiyu 制作 UI ra Ij xqIEQjxdIdE0jxqIqUIra Ijxq IEQjxdIdjxq IqE0UIra Ijxq IEQjxd Idjxq IqE0 (c) 电电容容性性(a) 电电感感性性(

27、b) 电电阻阻性性 忽略忽略 ra 时时UI jxqIEQjxdIdE0jxq IqUIjxq IEQjxdIdjxq IqE0UIjxqIEQjxd Idjxq IqE0 同步发电机的负载运行同步发电机的负载运行8/13/202438同步发电机课件weipeiyu 制作 忽略电枢电阻，相量图重画如下忽略电枢电阻，相量图重画如下同步发电机的负载运行同步发电机的负载运行UI jxqIEQjxdIdE0jxqIq NOG IdIq线段线段ON的长度为的长度为所以励磁电势所以励磁电势E0 由相量图可得由相量图可得 8/13/202439同步发电机课件weipeiyu 制作 例：例：某三相同步发电机，

28、已知某三相同步发电机，已知UN = 11kV，Y形联结，形联结，IN =460A，cos = 0.8（感性），（感性），xd = 16，xq = 8，ra 忽略不计。求忽略不计。求 、 、E0 。 U = UN 3= = 6 351 V 111031.732Vtan = Usin xqIUcos 6 3510.68460 6 3510.8=V = 1.474 = arctan1.474 = 55.85o = = 55.85o 36.87o = 18.98o E0 = Ucos xdId = (6 351cos18.98o16460sin 55.85o )V = 12096.63 V同步发电机的

29、负载运行同步发电机的负载运行解：解：8/13/202440同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的特性同步发电机的特性1. 一台凸极式同步发电机，额定值为一台凸极式同步发电机，额定值为PN=72500kW，UN=10.5kV,，Y接法，接法，cos N=0.8（滞后），已知（滞后），已知xd*=1，xq*=0.544，不，不计电阻，求额定状态下发电机的计电阻，求额定状态下发电机的 、Id*、Iq*及及E0*各为多少？各为多少？2. 有一台有一台400kW、6300V、Y接法接法cos N=0.8（滞后）的三相凸极式同步发电机，若发电机在（滞后）的三相凸极式同步发电机，若发电机在额定状

30、态下运行时额定状态下运行时 =60，电枢每相励磁电势为，电枢每相励磁电势为7400V，试求，试求Id、Iq、xd、xq。补充作业补充作业8/13/202441同步发电机课件weipeiyu 制作 13-4 三相同步发电机的功率和转矩三相同步发电机的功率和转矩1. 功率功率(1) 输入功率输入功率(2) 空载损耗空载损耗(3) 电磁功率电磁功率(4) 铜损耗铜损耗(5) 输出功率输出功率(6) 功率关系功率关系P1 = T1p0 = pFep psPM = P1p0pCu = 3raI2 P2 = PMpcu = 3UIcos P1 = p0PM = pFep pspCuP2 8/13/2024

31、42同步发电机课件weipeiyu 制作 (7) 功率流程图和效率功率流程图和效率P1p0PMpCuP2 = 100% P2P12. 转矩转矩(1) 输入转矩输入转矩(2) 空载转矩空载转矩(3) 电磁转矩电磁转矩(4) 转矩关系转矩关系T1 = P11T0 = p01TM = PM1T1 = TM + T0= P1 n602 = p0 n602 = PM n602 三相同步发电机的功率和转矩三相同步发电机的功率和转矩8/13/202443同步发电机课件weipeiyu 制作 13-5 三相同步发电机的特性三相同步发电机的特性同步发电机的对称运行是指电机转速为额定值且保持同步发电机的对称运行是

32、指电机转速为额定值且保持恒定，并供给三相对称负载时的一种稳态运行方式。恒定，并供给三相对称负载时的一种稳态运行方式。 同步发电机的运行性能可以通过它的基本特性以及由同步发电机的运行性能可以通过它的基本特性以及由这些特性所求得的一些主要参数来加以说明。这些特性所求得的一些主要参数来加以说明。 同步发电机在转速不变时，有三个互相影响的变量，同步发电机在转速不变时，有三个互相影响的变量，即端电压即端电压U，电枢电流，电枢电流I和励磁电流和励磁电流If。 负载的功率因数负载的功率因数cos 对它们之间的关系也有影响，对它们之间的关系也有影响，为便于分析，设为便于分析，设cos 不变；不变； 在端电压、

33、电枢电流和励磁电流三者中令其一为常数，在端电压、电枢电流和励磁电流三者中令其一为常数，而求其他二者之间的关系，就称为同步发电机的基本而求其他二者之间的关系，就称为同步发电机的基本特性。特性。 本节还要介绍同步发电机稳态的功角特性。本节还要介绍同步发电机稳态的功角特性。 重要！重要！8/13/202444同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的特性同步发电机的特性一、空载特性和短路特性一、空载特性和短路特性 1. 空载特性空载特性指在发电机的转速保持为同步转速（指在发电机的转速保持为同步转速（n=n1），电枢电），电枢电路开路（路开路（I=0）的情况下。空载电压（）的情况下。空载电压（

34、U0=E0）与励磁）与励磁电流电流If 之间的关系曲线之间的关系曲线U0=f(If)。 空载特性曲线实际上就是电机的磁化曲线，它可用计空载特性曲线实际上就是电机的磁化曲线，它可用计算法得到，也可用实验法测出。可用下图电路。算法得到，也可用实验法测出。可用下图电路。 实验测定时，电枢绕组开路，用原动机把发电机拖到实验测定时，电枢绕组开路，用原动机把发电机拖到同步转速，然后逐渐增加励磁电流并记录不同励磁电同步转速，然后逐渐增加励磁电流并记录不同励磁电流下对应的电枢端电压，直到流下对应的电枢端电压，直到U0=1.3UN左右，再逐步左右，再逐步减少减少If ，记录对应的，记录对应的U0和和If 值，由

35、于铁磁材料的磁滞值，由于铁磁材料的磁滞现象，将得到上升和下降两条不同的曲线见下图。现象，将得到上升和下降两条不同的曲线见下图。 8/13/202445同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的特性同步发电机的特性(b)空载特性的校正空载特性的校正 (a)不同剩磁下的空载特性不同剩磁下的空载特性空载特性是同步发空载特性是同步发电机的基本特性之电机的基本特性之一，是一条非常重一，是一条非常重要的特性，它体现要的特性，它体现了电机中电与磁的了电机中电与磁的关系。一方面表征关系。一方面表征了电机磁路的饱和了电机磁路的饱和情况，另一方面把情况，另一方面把它和短路特性、零它和短路特性、零功率因数特

36、性配合功率因数特性配合在一起，可以确定在一起，可以确定电机的基本参数额电机的基本参数额定励磁电流和电压定励磁电流和电压调整率等。调整率等。 8/13/202446同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的特性同步发电机的特性2. 短路特性短路特性 短路特性是指发电机的转速保持不变，将电枢绕组稳短路特性是指发电机的转速保持不变，将电枢绕组稳态短路，短路电流态短路，短路电流Ik与励磁电流与励磁电流If之间的关系曲线，之间的关系曲线，即即Ik=f(If)。 它不仅可用来说明同步发电机的性能，更重要的是可它不仅可用来说明同步发电机的性能，更重要的是可借以测定电机参数。借以测定电机参数。 短路试

37、验的接线图中只需把空载实验图中的短路试验的接线图中只需把空载实验图中的A、B、C三端短接即可。三端短接即可。 试验时发电机转速保持为同步转速，调节励磁电流试验时发电机转速保持为同步转速，调节励磁电流If使电枢的短路电流从零开始一直到使电枢的短路电流从零开始一直到1.25IN左右为至，左右为至，记取对应的短路电流记取对应的短路电流Ik 和励磁电流和励磁电流If ，得短路特性曲，得短路特性曲线如下图所示。线如下图所示。 8/13/202447同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的特性同步发电机的特性IfIkINIfko短路特性曲线短路特性曲线短路时，发电机端电压短路时，发电机端电压U=

38、0，限制，限制短路电流的仅是电机的内部阻抗，短路电流的仅是电机的内部阻抗，由于一般同步发电机的电枢电阻远由于一般同步发电机的电枢电阻远小于同步电抗可忽略不计，所以小于同步电抗可忽略不计，所以 （隐极式）（隐极式） 短路电流短路电流 所以短路电流可认为是纯感性的，即所以短路电流可认为是纯感性的，即 = 90，这时，这时电枢电流只有直轴分量，它所产生的电枢磁势基本电枢电流只有直轴分量，它所产生的电枢磁势基本上是一个起纯去磁作用的直轴磁势，即上是一个起纯去磁作用的直轴磁势，即Fa=Fad，而，而Faq=0。8/13/202448同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的特性同步发电机的特性E

39、0 Ik jxd FfFadFadF Ea=-jxadIkE0=jxdIkE =jx IkIk(b)短路时的相量图短路时的相量图 (a)短路时的等效电路短路时的等效电路 此时绕组的电抗，若为凸极式发电机，则为直轴同步此时绕组的电抗，若为凸极式发电机，则为直轴同步电抗，因此短路时，不论是隐极机还是凸极机都具有电抗，因此短路时，不论是隐极机还是凸极机都具有相同形式的等效电路和相量图，电路如下图相同形式的等效电路和相量图，电路如下图(a)所示。所示。 从等效电路可看出，由于从等效电路可看出，由于U=0，ra=0，则，则相量图如图相量图如图(b)所示。所示。8/13/202449同步发电机课件weip

40、eiyu 制作 同步发电机的特性同步发电机的特性此时气隙合成磁势此时气隙合成磁势F 很小，合成磁势所产生的气隙磁很小，合成磁势所产生的气隙磁场在电枢绕组中感应的电势完全被漏抗压降所平衡，场在电枢绕组中感应的电势完全被漏抗压降所平衡，即即 所以对应的气隙合成磁通很小，电机的磁路处于不饱所以对应的气隙合成磁通很小，电机的磁路处于不饱和状态，磁势和磁通成线性关系，因此和状态，磁势和磁通成线性关系，因此 另一方面，由于电枢磁势正比于电枢电流，即另一方面，由于电枢磁势正比于电枢电流，即 所以励磁磁势所以励磁磁势 也与也与Ik成正比，所以成正比，所以 同时同时 故短路特性是一条直线，即故短路特性是一条直线

41、，即 8/13/202450同步发电机课件weipeiyu 制作 1. 外特性外特性当当 n = n1，If、cos = 常数时，常数时，U 与与 I 的关系，的关系， 即即 U = f (I)。 调节调节If，使，使 I= IN、 cos = cos N 、U = UN 时，时， If = IfN。 电压调整率：电压调整率： 保持保持 n1、 cos N、IfN 时，时，OUIcos = 0.8 ( 0)cos = 0.8 ( 0)cos =1UNIN U% = 100% E0UNP UNP同步发电机的特性同步发电机的特性二、外特性和调节特性二、外特性和调节特性8/13/202451同步发电

42、机课件weipeiyu 制作 同步发电机的特性同步发电机的特性为了使同步发电机的端电压不随负载电流的变化而剧为了使同步发电机的端电压不随负载电流的变化而剧烈变动，它的电压变化率应尽量地小。烈变动，它的电压变化率应尽量地小。电压变化率是表征同步发电机运行性能的重要数据之电压变化率是表征同步发电机运行性能的重要数据之一。一。实际上，由于同步电抗的数值较大，负载电流变化产实际上，由于同步电抗的数值较大，负载电流变化产生的同步电抗压降必然要引起端电压明显地变化。生的同步电抗压降必然要引起端电压明显地变化。现代同步发电机都装有快速自动电压调节器，它能根现代同步发电机都装有快速自动电压调节器，它能根据端电

43、压的变化自动改变励磁电流的大小，使发电机据端电压的变化自动改变励磁电流的大小，使发电机端电压基本不变，所以对端电压基本不变，所以对 U%的要求大为放宽。的要求大为放宽。 凸极式同步发电机的凸极式同步发电机的 U%大体在大体在18%30%以内；以内； 汽轮发电机由于电枢反应较大，故汽轮发电机由于电枢反应较大，故 U%也较大，大体也较大，大体在在3048%这一范围内（均为这一范围内（均为cos 滞后的数值）。滞后的数值）。 8/13/202452同步发电机课件weipeiyu 制作 2. 调节特性调节特性保持保持 n = n1、U = UN、cos = cos N时，时， If 与与 I 的关的关

44、系系,即即 If = f ( I )。OIf Icos = 0.8 ( 0)cos = 0.8 ( 0)cos =1同步发电机的特性同步发电机的特性调整特性的变化趋势与外特性正好相反，对于感性和调整特性的变化趋势与外特性正好相反，对于感性和纯阻性负载，为补偿电枢反应的去磁作用及电枢漏阻纯阻性负载，为补偿电枢反应的去磁作用及电枢漏阻抗压降，随着负载的增加，若要保持端电压为常数，抗压降，随着负载的增加，若要保持端电压为常数，就必须增加励磁电流；就必须增加励磁电流；所以这两种情况下的调节特性都是上升的。所以这两种情况下的调节特性都是上升的。 在容性负载时，随着负载的增加，必须减少励磁电流，在容性负载

45、时，随着负载的增加，必须减少励磁电流，以维持端电压恒定。以维持端电压恒定。 8/13/202453同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的特性同步发电机的特性三、稳态的功角特性三、稳态的功角特性功角特性：保持功角特性：保持 n、If 、U 不变时，电磁功率不变时，电磁功率PM 与功与功率角率角 的关系，即的关系，即 PM = f ( ) 。同步电机的电磁功率除了可用电势、电枢电流以及它同步电机的电磁功率除了可用电势、电枢电流以及它们之间的夹角来表示外，还可以用便于计算、调节和们之间的夹角来表示外，还可以用便于计算、调节和更能显示电机内部物理过程的一些物理量来表示，即更能显示电机内部物

46、理过程的一些物理量来表示，即励磁电势励磁电势E0、端电压、端电压U和功率角和功率角 等。等。 正如转差率是异步电机的基本变量一样，对于并联运正如转差率是异步电机的基本变量一样，对于并联运行于电网的同步电机来说，功率角是它的一个基本物行于电网的同步电机来说，功率角是它的一个基本物理量。理量。 8/13/202454同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的特性同步发电机的特性1. 隐极式同步发电机的功角特性隐极式同步发电机的功角特性 PM = P2 = 3UIcos = 3 E0Icos 因在同步发电机中因在同步发电机中ra TM + T0有功功率的调节方法如下：有功功率的调节方法如下：

47、 = 0，T1 = T0 nn1TM n n = n1稳定稳定T1 = TM + T08/13/202478同步发电机课件weipeiyu 制作 原动机输入功率的增加也不是无限制原动机输入功率的增加也不是无限制的。的。对于隐极发电机，当对于隐极发电机，当=90 时，电磁功率达到最大值时，电磁功率达到最大值Pmax时，若再增加输入功率，则时，若再增加输入功率，则90 ，这时电磁功，这时电磁功率将随着率将随着的增大而减小；的增大而减小；输入功率扣掉空载损耗和减小了的电磁功率后还有剩输入功率扣掉空载损耗和减小了的电磁功率后还有剩余，剩余的功率将使转子继续加速，余，剩余的功率将使转子继续加速，角继续增

48、大，角继续增大，电磁功率电磁功率PM继续减小，功率再不能保持平衡，发电机继续减小，功率再不能保持平衡，发电机将将“失去同步失去同步”，或叫做失去，或叫做失去“静态稳定静态稳定”。2. 静态稳定静态稳定指电网或原动机方面出现某些微小扰动时，发电机能指电网或原动机方面出现某些微小扰动时，发电机能在这种瞬时扰动消除后，继续保持原来的平衡运行状在这种瞬时扰动消除后，继续保持原来的平衡运行状态。就称这时的态。就称这时的同步同步发电机是发电机是“静态稳定静态稳定”的，否则的，否则就是静态不稳定。就是静态不稳定。同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行8/13/202479同步发电机课件weipeiyu 制

49、作 0PM/T 90o a0PM/T 90o aT T1= T + T0a 点点： 干扰使干扰使 T1 T 抑制了抑制了 进一步增大进一步增大 b 点。点。bT1 = T + T0 干扰消失后，较大的干扰消失后，较大的 T，使机组恢复到使机组恢复到 a 点运行。点运行。a 点点： 干扰使干扰使 T1 n T n T 失步失步。 干扰消失后，干扰消失后，n 不可能恢不可能恢复到复到 n1，即工作点不可能，即工作点不可能恢复到恢复到 a 点运行。点运行。稳定稳定运行区运行区同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行8/13/202480同步发电机课件weipeiyu 制作 结论：结论：凡处于功角特性

50、曲线上升部分的工作点，都是凡处于功角特性曲线上升部分的工作点，都是静态稳定的，下降部分的工作都是静态不稳定的。或静态稳定的，下降部分的工作都是静态不稳定的。或者说在功角特性曲线上电磁功率和功率角同时增大，者说在功角特性曲线上电磁功率和功率角同时增大，或同时减小的或同时减小的那那一部分是静态稳定的。一部分是静态稳定的。同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行静态稳定的静态稳定的判断依据判断依据：比整步功率：比整步功率(kW/rad)对对隐极隐极发电机，比整步功率为发电机，比整步功率为:电机稳定区域内，电机稳定区域内，Pcx 越大，电机稳定增长性越好。越大，电机稳定增长性越好。Pcx可以表示发电机

51、运行稳定度。可以表示发电机运行稳定度。8/13/202481同步发电机课件weipeiyu 制作 当当 =90 时，时，Pcx=0，正处在，正处在稳定的交界。稳定的交界。如图如图，当，当 =0时时，Pcx最大，最大，故同步发电机在空载时最为故同步发电机在空载时最为稳定。稳定。此时发电机保持同步的能力此时发电机保持同步的能力为零，故该点即为静态稳定为零，故该点即为静态稳定的极限。的极限。当当 90时，时，Pcx为为负负值，发电机便失去了稳定。值，发电机便失去了稳定。3. 无无功功率的调节功功率的调节以隐极发电机为例，以隐极发电机为例，不计磁路饱和电枢电阻，分析同步不计磁路饱和电枢电阻，分析同步发

52、电机无功功率的调节，无功功率与励磁电流的关系。发电机无功功率的调节，无功功率与励磁电流的关系。同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行8/13/202482同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行(1)空载运行空载运行空载时电枢电流和电枢磁动势为零，空载时电枢电流和电枢磁动势为零，E0=U，Ff=F ，这时的励磁电流称为这时的励磁电流称为“正常正常”励磁电流励磁电流If0。如图所示。如图所示。UE0Ff =F 若若增大励磁电流增大励磁电流(If If0),则则E0 U，由于电网电压不变，发电机必，由于电网电压不变，发电机必然输出然输出一一个滞后的无功电流个

53、滞后的无功电流(感性感性)，它产生去磁的电枢磁动势，它产生去磁的电枢磁动势Fa,以以维持气隙合成磁动势维持气隙合成磁动势F 不变不变(F =Ff+Fa)；这时励磁电流称为过励的这时励磁电流称为过励的励磁电流。如图所示。励磁电流。如图所示。UE0Ff F Fa IjxsI8/13/202483同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行UE0Ff F Fa IjxsI若减小若减小励磁电流励磁电流(IfIf0)，则则E0U，发，发电机输出电机输出一一个超前个超前的无功电流的无功电流(容性容性)，它产生助，它产生助磁的电枢磁动势磁的电枢磁动势Fa，以维，以维持气隙合

54、成磁动势持气隙合成磁动势F 不变不变(F =Ff+Fa)；这时励磁电流称为欠激的励磁电流。如图所示。这时励磁电流称为欠激的励磁电流。如图所示。结论：结论：当发电机的励磁电流变化时，发电机向电网发当发电机的励磁电流变化时，发电机向电网发出的无功功率也将发生变化，过励时发出感性的无功出的无功功率也将发生变化，过励时发出感性的无功功率，欠励时发出容性的无功功率。功率，欠励时发出容性的无功功率。(2)负载负载运行运行调节无功功率时，不改变原动机的输入，有功功率将调节无功功率时，不改变原动机的输入，有功功率将保持不变，由电磁功率表达式可得保持不变，由电磁功率表达式可得8/13/202484同步发电机课件

55、weipeiyu 制作 Pe = 3 sin U1E0Xs= 3UIcos = =常数常数(1) 正常励磁正常励磁 当当If = If0 时，时， = 0，cos = 1，Q2 = 0，发电机不输出无功功率。，发电机不输出无功功率。 I与与U 同相，同相， UE0j xsII同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行即：即：E0 sin = 常数常数 Icos = 常数常数在恒定的有功功率下调节励磁电流时，电流相量在恒定的有功功率下调节励磁电流时，电流相量I端端点的轨迹为点的轨迹为AB线（见下图），电动势相量线（见下图），电动势相量E0端点的端点的轨迹为轨迹为CD线，不同励磁电流时的线，不同励磁

56、电流时的E0和和I的相量端点在的相量端点在轨迹线上有不同位置。轨迹线上有不同位置。8/13/202485同步发电机课件weipeiyu 制作 (2) 欠励磁欠励磁 （当（当If If0 时）时） If E0 。 发电机输出电容性无功功率；发电机输出电容性无功功率； If Q2 。(3) 过励磁过励磁 (当当If If0 时时) If E0 。 发电机输出电感性无功功率；发电机输出电感性无功功率； If Q2 。UE0Ijxs IE0CDjxsIAB I ( I ) 超前于超前于U，I E0jxs II I ( I ) 滞后于滞后于U， 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行8/13/2024

57、86同步发电机课件weipeiyu 制作 说明说明: 电网电压不变，气隙合成磁动势不变，由于过电网电压不变，气隙合成磁动势不变，由于过励时主极磁动势增大，为保持气隙合成磁动势不变，励时主极磁动势增大，为保持气隙合成磁动势不变，电枢反应的去磁分量必然要增大，即电枢反应的去磁分量必然要增大，即 角增大，电流角增大，电流变成滞后；反之，当欠励时，变成滞后；反之，当欠励时，IfIf0，E02E0，则电枢则电枢电流除有功分量电流除有功分量外，还出现一个超前的无功分量，即外，还出现一个超前的无功分量，即输出一个容性的无功功率。输出一个容性的无功功率。发电机与无穷大电网并联时，调节励磁电流的大小，发电机与无

58、穷大电网并联时，调节励磁电流的大小，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。功率的大小，而且能改变无功功率的性质。过励时，电枢电流滞后，发电机输出感性无功功率；过励时，电枢电流滞后，发电机输出感性无功功率；欠励时，电枢电流超前，发欠励时，电枢电流超前，发电机输出容性无功功率。电机输出容性无功功率。结论：结论：同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行8/13/202487同步发电机课件weipeiyu 制作 并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率不并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率不变时，表示电

59、枢电流变时，表示电枢电流I和励磁电流和励磁电流If的关系曲线的关系曲线I=f(If)称为称为“U”形曲线。形曲线。对于一个给定的有功功率输出就有一条对于一个给定的有功功率输出就有一条U形曲线，形曲线，有功功率越大，曲线向上移，因此可是以得到一簇有功功率越大，曲线向上移，因此可是以得到一簇“U”形曲线。特点如下：形曲线。特点如下：3. U形曲线形曲线(1)每条曲线的最低点每条曲线的最低点, cos =1 ,定子电流最小，且定子电流最小，且全为有功电流，这些点的连全为有功电流，这些点的连线向右倾斜；线向右倾斜；表明要输出纯有功功率，必表明要输出纯有功功率，必须相应增加励磁电流。须相应增加励磁电流。

60、同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行8/13/202488同步发电机课件weipeiyu 制作 表明输出有功功率越多，维持表明输出有功功率越多，维持稳定所需的励磁电流也越大。稳定所需的励磁电流也越大。而在其左方，发电机处于欠励运行状态，功率因数是而在其左方，发电机处于欠励运行状态，功率因数是超前的，发电机向电网输出容性的无功功率。超前的，发电机向电网输出容性的无功功率。 以以cos =1为基准的曲线右方，发电机处于过励运行状为基准的曲线右方，发电机处于过励运行状态，功率因数是滞后的，发电机向电网输出感性的无态，功率因数是滞后的，发电机向电网输出感性的无功功率。功功率。(2)不稳定区域边缘：

61、不稳定区域边缘： =90，连线向右倾斜，连线向右倾斜;(3)励磁电流从零开始增大时，励磁电流从零开始增大时，定子电枢电流变化规律为先定子电枢电流变化规律为先减小后增大。减小后增大。同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行8/13/202489同步发电机课件weipeiyu 制作 在在U形曲线上有一个不稳定区，在不稳定区内，发电形曲线上有一个不稳定区，在不稳定区内，发电机将不能保持静态稳定。机将不能保持静态稳定。UE0CDjxsIABI 因为对应一定的有功功率，减小励磁电流有一个最低因为对应一定的有功功率，减小励磁电流有一个最低限值，即相当于限值，即相当于=90时，电动势时，电动势 E0 的端点

62、处于静态的端点处于静态稳定极限的位置，如稳定极限的位置，如下下图所示。图所示。如再减小励磁电流，如再减小励磁电流，发电发电机的功率小于极限功率而机的功率小于极限功率而小于输入的机械功率，由小于输入的机械功率，由于功率不平衡，于是转子于功率不平衡，于是转子加速，以致失去同步。加速，以致失去同步。同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行8/13/202490同步发电机课件weipeiyu 制作 例：例： 一台一台 Y 联结的水轮发电机，并联在联结的水轮发电机，并联在 UN = 10.5 kV 的电网上运行。发电机的的电网上运行。发电机的 xd = 1.3 ，xq = 0.7，ra忽略不计，忽略不计

63、， = 18.09o 时，时，I1 = 3990 A， E0 = 9970V。求该发电机输出的有功功率。求该发电机输出的有功功率 P2 和无和无功功率功功率 Q2（电容性的还是电感性的）。（电容性的还是电感性的）。 U = UN 3= V = 6 062.36 V 10.51031.732忽略忽略ra，则，则3UE0xdP2 = PM = sin +3 ( - ) sin2 1xqU221xd= 64.77 MW 解：解：8/13/202491同步发电机课件weipeiyu 制作 = arccos P23U I = arccos Usin xq I= arccos 64.87106 36 06

64、2.363 990 = 26.63o= arccos 6062.36sin18.09o 0.73 990= 47.63o由于由于 ， I 滞后于滞后于 U，故输出电感性无功功率，故输出电感性无功功率， 其值为其值为 Q2 = 3UIsin = 36 062.363 990 sin26.63o var = 32.53 Mvar8/13/202492同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行例：一台三相隐极式同步发电机与无穷大电网并联运例：一台三相隐极式同步发电机与无穷大电网并联运行，已知电网电压为行，已知电网电压为400V，每相电抗，每相电抗xs=1.2 ，Y

65、接法，接法，当发电机输出功率当发电机输出功率80kW时，时，cos =1。若保持励磁电。若保持励磁电流不变，减少输出功率到流不变，减少输出功率到20kW，不计电阻，试求，不计电阻，试求（1）功率角）功率角 ；（；（2）功率因数）功率因数cos；（；（3）电枢电）电枢电流；（流；（4）输出的无功功率）输出的无功功率Q及其性质。及其性质。P281 1314 解：在功率未改变前解：在功率未改变前 8/13/202493同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行（1）改变功率后，励磁电流不变）改变功率后，励磁电流不变E0不变不变 （2）由相量图可见）由相量图可见 UI jxs IE0 COAB 8/13/202494同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行（3）电枢电流电枢电流8/13/202495同步发电机课件weipeiyu 制作 本章结束本章结束8/13/202496同步发电机课件weipeiyu 制作