电机学课件同步电机

《电机学课件同步电机》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机学课件同步电机（84页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第三篇同步电机第九章同步电机的基本工作原理与结构 同步电机是交流旋转电机的一种同步电机是交流旋转电机的一种, ,因其转速恒等于因其转速恒等于同步速时得名。同步电机主要用作发电机，也可用作同步速时得名。同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和调相机。电动机和调相机。第十章同步电机的运行原理第十一章同步电机的三相突然短路和异常运行第三篇同步电机第九章第九章 同步电机的基本工作原理与结构同步电机的基本工作原理与结构第二节 同步电机的基本工作原理及其分类第一节 汽轮同步电机的基本结构第三节 三相同步电机的型号和额定值思考题与习题第三篇同步电机以汽轮发电机为例以汽轮发电机为例: :定子铁心定子铁心：硅钢

2、片叠成。：硅钢片叠成。机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。电枢绕组电枢绕组：三相对称绕组：三相对称绕组铜线制成铜线制成定子定子( (电枢电枢) )转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出励磁绕组：铜线制成励磁绕组：铜线制成滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动转子转子第一节 汽轮同步电机的基本结构第三篇同步电机机械端口机

3、械端口转子转子定子绕组定子绕组定子铁心定子铁心电端口电端口ABC返回第三篇同步电机返回第三篇同步电机1 1、汽轮发电机结构、汽轮发电机结构 （1 1）定子铁心）定子铁心返回第三篇同步电机1 1、汽、汽轮发轮发电机电机结构结构 （2 2）定子定子绕组绕组返回第三篇同步电机1 1、汽、汽轮发电轮发电机结构机结构返回第三篇同步电机2 2、水轮发电机结构、水轮发电机结构(1)(1)立式水轮发电机立式水轮发电机(2)(2)卧式水轮发电机卧式水轮发电机第三篇同步电机2 2、水轮发电机结构、水轮发电机结构(3)灯泡贯流式水灯泡贯流式水轮发电机轮发电机第三篇同步电机2 2、水轮发电机结构、水轮发电机结构(4)

4、(4)转子结构转子结构10000kW10000kW水轮机转子水轮机转子第三篇同步电机1.1.发电环节发电环节各种电机各种电机 引进引进600MW汽轮发电机汽轮发电机第三篇同步电机国产国产300MW汽轮发电机汽轮发电机第三篇同步电机国产国产200MW汽轮发电机定子汽轮发电机定子第三篇同步电机国产国产200MW汽轮发电机定子铁心汽轮发电机定子铁心第三篇同步电机现场运行的水轮发电机现场运行的水轮发电机第三篇同步电机第二节 同步电机的基本工作原理及其分类一、三相同步发电机的基本工作原理大小大小：频率频率： 励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动转子以转速场，原动

5、机拖动转子以转速 旋转时，其旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势磁场切割定子绕组而感应交流电动势 相序：相序：由转子的转向决定。由转子的转向决定。波形波形：由：由 可知，波形可知，波形取决于取决于 的空间分布。的空间分布。第三篇同步电机XAZBCY三相同步发电机三相同步发电机的物理过程可用的物理过程可用图示表示图示表示第三篇同步电机二、同步电机的分类按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。旋转

6、磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。按原动机类别按原动机类别, ,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。发电机等。汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为2 2极，转速为极，转速为30003000转转/ /分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。按冷却介质和冷却方式分，有空外冷、氢冷、水内冷按冷却介质和冷却方式分，有空外冷、氢冷、水内冷第三篇同

7、步电机第三节 同步电机的型号和额定值一、型号一、型号发电机型号表示该发电机的类型和特点发电机型号表示该发电机的类型和特点 QFQS-200-2表示定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、铁心表示定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、铁心氢冷的二极汽轮发电机，容量为氢冷的二极汽轮发电机，容量为200MW。 854/210-40854/210-40表示立式同步水轮发电机，定子铁心外径为表示立式同步水轮发电机，定子铁心外径为854cm854cm，定子铁心长度为，定子铁心长度为210cm210cm，有，有4040个磁极。个磁极。第三篇同步电机对同步发电机额定值之间关系为：对同步发电机额定值之间关系为：额定运行时加在

8、额定运行时加在三相定子绕组上三相定子绕组上的线电压。的线电压。 指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输出的额定视在功率或有功功率，单位是出的额定视在功率或有功功率，单位是KVAKVA或或KWKW。电动机额定容。电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是KWKW。调相机用。调相机用KVAKVA或或KvarKvar表示。表示。在额定运行状在额定运行状态下三相定子态下三相定子绕组的线电流绕组的线电流.二、额定值第三篇同步电机第一节同步发电机的电枢反应第二节同步发电机的电动势方程

9、和相量图第四节同步发电机的并列第七节同步调相机和同步电动机思考题与习题第十章同步发电机的运行原理第十章同步发电机的运行原理第三节同步发电机的运行特性第五节同步发电机的有功功率功角特性和静态稳定第六节同步发电机的无功功率功角特性和形曲线第三篇同步电机第一节 同步发电机的电枢反应同步发电机转子由原动机拖动到同步转速，转子绕组通以同步发电机转子由原动机拖动到同步转速，转子绕组通以恒定的直流励磁电流，定子电枢绕组开路，这种运行状态，称恒定的直流励磁电流，定子电枢绕组开路，这种运行状态，称为同步发电机的空载运行。为同步发电机的空载运行。一、同步发电机的空载特性第三篇同步电机励磁电流励磁电流I If单独建

10、立的励磁磁动势单独建立的励磁磁动势F Ff f产生的主、漏磁通。产生的主、漏磁通。主、漏磁通均随转子旋转，在气隙中形成旋转磁场。主磁通交主、漏磁通均随转子旋转，在气隙中形成旋转磁场。主磁通交链电枢绕组，在电枢绕组中感应电动势链电枢绕组，在电枢绕组中感应电动势； 漏磁通不交链电枢绕组，不在电枢绕组中感应电动势，不参与漏磁通不交链电枢绕组，不在电枢绕组中感应电动势，不参与定、转子之间的能量转换定、转子之间的能量转换. . 第三篇同步电机空载时电磁关系空载时电磁关系：空载特性空载特性：空载电动势空载电动势 大小大小：空载特性曲线空载特性曲线：气隙线气隙线第三篇同步电机二、电枢反应电枢反应电枢反应:

11、:电机带上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙电机带上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙磁通的大小及位置均发生变化磁通的大小及位置均发生变化, , 这种影响称为电枢反应这种影响称为电枢反应. .电枢反应的性质，取决于电枢磁动势基波电枢反应的性质，取决于电枢磁动势基波 和励磁磁动势基波和励磁磁动势基波 之间的相对位置，即与空载电动势之间的相对位置，即与空载电动势 和电枢电流和电枢电流 之间的夹角之间的夹角 有关有关. .励磁磁势和励磁磁势和电枢磁势的区别电枢磁势的区别基基波波波形波形大小大小位置位置转速转速转向转向励磁磁动励磁磁动势势正弦正弦波波恒定，由励恒定，由励磁电流决定磁电流决定由由

12、转子位置转子位置决定决定由由原动机的转速原动机的转速决定决定由由原动机原动机决定决定电枢反应电枢反应磁动势磁动势正弦正弦波波恒定，由电恒定，由电枢电流决定枢电流决定由电流瞬时由电流瞬时值决定值决定由由磁极对数和电磁极对数和电流频率决定流频率决定由由电流相电流相序决定序决定第三篇同步电机准备工作1.三个角三个角1)1)内功率因数角内功率因数角是是 与与 之间的时间相位角之间的时间相位角, ,与电机参数及负载有关与电机参数及负载有关. .2)2)外功率因数角外功率因数角是是 与与 之间的时间相位角之间的时间相位角, ,与负载有关与负载有关. .3)3)功率角功率角( (功角功角) )是是 与与 之

13、间的时间相位角之间的时间相位角. .三个角之间的关系为三个角之间的关系为第三篇同步电机2.四个轴直轴直轴( (纵轴、纵轴、d d轴）轴）：主磁极轴线位置。：主磁极轴线位置。交轴（横轴、交轴（横轴、q q轴）轴）：与直轴成与直轴成90900 0电角度的位置。电角度的位置。 相轴相轴：每相绕组的轴线位置。每相绕组的轴线位置。时轴时轴：时间相量在其上投影可时间相量在其上投影可得到时间量的瞬时值。得到时间量的瞬时值。q轴轴 A AX X Z ZB BCYNSd轴轴C轴轴B轴A轴第三篇同步电机1. 时的电枢反应d轴轴q轴轴 A轴轴A AX X Z ZB BCYNSC轴轴B轴电枢反应性质：电枢反应性质：交

14、轴电枢反应空载电动势空载电动势 和电和电枢电流枢电流 同相位同相位. .第三篇同步电机d轴轴q轴轴 A轴轴A AX X Z ZB BCYNSC轴轴B轴2. 时的电枢反应空载电动势空载电动势 超前电超前电枢电流枢电流 电枢反应性质：电枢反应性质：直轴去磁电枢反应第三篇同步电机d轴轴q轴轴 A轴轴A AX X Z ZB BCYNSC轴轴B轴3. 时的电枢反应空载电动势空载电动势 滞后滞后电枢电流电枢电流 电枢反应性质电枢反应性质：直轴助磁电枢反应第三篇同步电机d轴轴q轴轴 A轴轴A AX X Z ZB BCYNSC轴轴B轴空载电动势空载电动势 超前电超前电枢电流枢电流 角角电枢反应性质：电枢反应性

15、质：既有交轴,还有直轴去磁电枢反应4. 的电枢反应第三篇同步电机此种情况下此种情况下, ,-直轴分量直轴分量-交轴分量交轴分量-直轴分量电流产生的合成磁动势直轴分量电流产生的合成磁动势-交轴分量电流产生的合成磁动势交轴分量电流产生的合成磁动势第三篇同步电机一般情况下的电枢反应（总结）一般情况下的电枢反应（总结）上升上升下降下降 上升上升下降下降下降下降下降下降不变不变不变不变下降下降R、C增强增强交、直交、直助助d d、q q轴轴R、L削弱削弱交、直交、直去去d d、q q轴轴C增强增强直、助直、助d d轴轴L削弱削弱直、去直、去d d轴轴R波形波形畸变畸变交轴交轴q q轴轴 负载负载性质性质

16、对电机的影响对电机的影响电枢反电枢反应性质应性质记记作作夹角夹角 位置位置第三篇同步电机三、电磁转矩 同步发电机带上负载后，电枢电流建立电枢反应磁场，它与同步发电机带上负载后，电枢电流建立电枢反应磁场，它与励磁电流作用产生电磁力，在某些情况下形成电磁转矩，实现机励磁电流作用产生电磁力，在某些情况下形成电磁转矩，实现机电能量转换。电能量转换。 输出的有功功率越大，有功分量电流就输出的有功功率越大，有功分量电流就越大，交轴电枢反应越强，电磁转矩越大，越大，交轴电枢反应越强，电磁转矩越大，为了保持电机的转速不变，要求原动机输入为了保持电机的转速不变，要求原动机输入更大的驱动转矩更大的驱动转矩调节有功

17、功率。调节有功功率。1.1.有功电流产生电磁力有功电流产生电磁力, ,形成电磁转矩形成电磁转矩当发电机带有功负载当发电机带有功负载( (阻性负载阻性负载) )时时, ,可以近似认为可以近似认为即，电枢绕组流过有功电流时即，电枢绕组流过有功电流时, ,产生交轴电产生交轴电枢反应磁场。励磁绕组载流体在该磁场作用枢反应磁场。励磁绕组载流体在该磁场作用产生电磁力，并形成制动性质的电磁转矩。产生电磁力，并形成制动性质的电磁转矩。第三篇同步电机2. .无功电流产生电磁力但不形成转矩无功电流产生电磁力但不形成转矩 说明发电机带感性说明发电机带感性( (或容性或容性) )无功负无功负载时载时, ,不需要原动机

18、增加能量。不需要原动机增加能量。 但是直轴去磁（或助磁）电枢反应但是直轴去磁（或助磁）电枢反应对气隙磁场有去磁（或助磁）作用，致对气隙磁场有去磁（或助磁）作用，致使发电机端电压下降（或上升）。为维使发电机端电压下降（或上升）。为维持电压恒定，励磁电流需要相应增加持电压恒定，励磁电流需要相应增加（或减小）（或减小）调节无功功率。调节无功功率。发电机带电感或电容负载发电机带电感或电容负载( (无功负载无功负载) )时时, ,可以认为可以认为产生直轴去磁产生直轴去磁( (或助磁或助磁) )电枢反应磁场。励磁绕电枢反应磁场。励磁绕组载流体在该磁场作用产生电磁力，但不形成组载流体在该磁场作用产生电磁力，

19、但不形成电磁转矩。电磁转矩。第三篇同步电机第二节 同步发电机的电动势方程和相量图一、同步电抗 由于定子漏磁通的路径主要是气隙，磁路不饱和，所以漏抗由于定子漏磁通的路径主要是气隙，磁路不饱和，所以漏抗为常数。为常数。 不考虑磁路饱和时不考虑磁路饱和时,各电动势与其对应的电流成正比各电动势与其对应的电流成正比,即有即有对应对应 的直轴电枢反应电抗的直轴电枢反应电抗对应对应 的交轴电枢反应电抗的交轴电枢反应电抗对应对应 的漏电抗的漏电抗第三篇同步电机对于凸极同步电机对于凸极同步电机, ,由于直轴气隙比交轴气由于直轴气隙比交轴气隙小，直轴磁阻比交轴磁阻小，所以有隙小，直轴磁阻比交轴磁阻小，所以有对隐极

20、同步电机，由于气隙均匀，交、直轴对隐极同步电机，由于气隙均匀，交、直轴的磁阻大小相等，即认为的磁阻大小相等，即认为 电枢反应电抗为三相对称电枢电流产生合成的电枢反应磁场电枢反应电抗为三相对称电枢电流产生合成的电枢反应磁场感应于一相的电枢电动势与其对应的相电流的比值，它综合反映感应于一相的电枢电动势与其对应的相电流的比值，它综合反映三相对称电流产生的合成电枢反应磁场对定子一相的影响三相对称电流产生的合成电枢反应磁场对定子一相的影响。 隐极发电机对应隐极发电机对应 的电枢反应电抗的电枢反应电抗第三篇同步电机 当三相对称电流流过电枢绕组时，产生电枢反应磁通和漏磁当三相对称电流流过电枢绕组时，产生电枢

21、反应磁通和漏磁通，分别在电枢绕组中感应电枢反应电动势和漏感电动势。通，分别在电枢绕组中感应电枢反应电动势和漏感电动势。对隐极电机，全部电动势为对隐极电机，全部电动势为 称为隐极电机的同步电抗，是电枢反应电抗和漏抗之和。同称为隐极电机的同步电抗，是电枢反应电抗和漏抗之和。同步发电机正常运行时，磁路略呈饱和，磁路越饱和，所对应的电步发电机正常运行时，磁路略呈饱和，磁路越饱和，所对应的电抗越小。抗越小。 对凸极电机对凸极电机分别称为直轴和交轴同步电抗。分别称为直轴和交轴同步电抗。 直轴磁路的气隙较小，应当考虑铁心饱和的影响，因而直轴磁路的气隙较小，应当考虑铁心饱和的影响，因而 具有饱和值和不饱和值之

22、分；而交轴磁路气隙较大，可认为具有饱和值和不饱和值之分；而交轴磁路气隙较大，可认为 只有非饱和值，为常量。只有非饱和值，为常量。 第三篇同步电机 同步电抗同步电抗是同步电机的一个重要参数，它是表征同步发电机是同步电机的一个重要参数，它是表征同步发电机稳定运行时电枢反应磁场和电枢漏磁场对电枢电路作用的一个综稳定运行时电枢反应磁场和电枢漏磁场对电枢电路作用的一个综合参数。同步电抗的大小直接影响同步发电机端电压随负载波动合参数。同步电抗的大小直接影响同步发电机端电压随负载波动的程度和在大电网运行时的稳定性，也影响同步发电机短路电流的程度和在大电网运行时的稳定性，也影响同步发电机短路电流大小。大小。

23、一、凸极同步发电机的电动势方程和相量图(三相系统)(合成旋转磁动势)第三篇同步电机若正方向按图规定，则有若正方向按图规定，则有代入代入得到凸极发电机的电动势方程得到凸极发电机的电动势方程或或注意：方程式中的电压、电动势和电流均为相值。注意：方程式中的电压、电动势和电流均为相值。第三篇同步电机凸极同步发电机的相量图凸极同步发电机的相量图作图步骤作图步骤若内功率因数角不知，可从以下公式求取若内功率因数角不知，可从以下公式求取第三篇同步电机二、隐极同步发电机的电动势方程、等效电路和相量图电磁关系：电磁关系：电动势平衡方程电动势平衡方程或或代入代入可得到隐极发电机的电动势方程可得到隐极发电机的电动势方

24、程第三篇同步电机根据电动势方程，可以作出根据电动势方程，可以作出隐极发电机的等效电路和相量图隐极发电机的等效电路和相量图等效电路等效电路根据相量图可求出根据相量图可求出相量图相量图由相量图可知由相量图可知第三篇同步电机第三节 同步发电机的运行特性一一、空载特性、空载特性定义： 空载特性是发电机的基本特性之一。空载特性是发电机的基本特性之一。它一方面表征了磁路的饱和情况，另一它一方面表征了磁路的饱和情况，另一方面把它和短路特性、零功率因数负载方面把它和短路特性、零功率因数负载特性配合，可确定电机的基本参数、额特性配合，可确定电机的基本参数、额定励磁电流和电压变化率等。定励磁电流和电压变化率等。

25、实际生产中，它还可以检查三相实际生产中，它还可以检查三相电枢绕组的对称性、匝间短路、判断电枢绕组的对称性、匝间短路、判断励磁绕组有无故障等励磁绕组有无故障等。第三篇同步电机二二、短路特性、短路特性定义：短路时的等效电路短路时的等效电路1.短路特性短路时短路时, ,电枢反应为直轴去磁电枢反应为直轴去磁气隙电动势很小气隙电动势很小,感应气隙电动势的感应气隙电动势的气隙磁通量很小气隙磁通量很小,所以磁路不饱和所以磁路不饱和.所以短路特性是一条过原点的直线所以短路特性是一条过原点的直线. .此时此时是常数是常数,有有第三篇同步电机2.同步电抗的求取根据公式根据公式求求x xd d不饱和值时不饱和值时,

26、 ,首先给定一励磁电流首先给定一励磁电流I If f，在空载特性的不饱和段或气隙线上确定对在空载特性的不饱和段或气隙线上确定对应应I If的的E E0值，然后在短路特性曲线上确定对值，然后在短路特性曲线上确定对应应I If的短路电流的短路电流I Ik k的值的值, ,则则 求取求取x xd d饱和值时，首先在空载特性上取饱和值时，首先在空载特性上取对应额定电压对应额定电压U UN N的励磁电流的励磁电流I If0f0，再从短，再从短路特性上取出对应路特性上取出对应I If0f0的短路电流的短路电流I Ik k，则，则 交轴同步电抗交轴同步电抗 第三篇同步电机三三、外特性、外特性定义：外特性曲线

27、外特性曲线 当发电机带阻性和感性负载时，当发电机带阻性和感性负载时，外特性是下降的，原因是电枢反应的外特性是下降的，原因是电枢反应的去磁作用和电枢漏阻抗产生了电压降；去磁作用和电枢漏阻抗产生了电压降；带容性负载时且（发电机负载的容抗带容性负载时且（发电机负载的容抗大于同步电抗）时，外特性是上升的，大于同步电抗）时，外特性是上升的，原因是电枢反应的助磁作用和容性电原因是电枢反应的助磁作用和容性电流在漏抗上的压降。流在漏抗上的压降。 为了在不同功率因数下时能得到额为了在不同功率因数下时能得到额定电压，感性负载时要增大励磁电流，定电压，感性负载时要增大励磁电流，容性负载时应减小励磁电流。容性负载时应

28、减小励磁电流。 第三篇同步电机四四、调节特性、调节特性定义：调整特性曲线调整特性曲线 在感性和阻性负载时，随着负载电在感性和阻性负载时，随着负载电流的增加，必须增加励磁电流，补偿电流的增加，必须增加励磁电流，补偿电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降，保持枢反应的去磁作用和漏阻抗压降，保持端电压恒定；对容性负载，随着负载电端电压恒定；对容性负载，随着负载电流的增加，必须减小励磁电流。流的增加，必须减小励磁电流。 在功率因数一定情况下在功率因数一定情况下, ,根据调整特根据调整特性曲线性曲线, ,可确定在负载变化范围内可确定在负载变化范围内, ,维持电维持电压不变所需的励磁电流的变化范围。运行压不变所需

29、的励磁电流的变化范围。运行人员可利用调整特性曲线人员可利用调整特性曲线, ,使系统中无功使系统中无功功率的分配更合理一些。功率的分配更合理一些。第三篇同步电机并联运行的含义第四节 同步电机的并列1 1、提高供电的可靠性；、提高供电的可靠性；2 2、提高供电的经济性；、提高供电的经济性；3 3、提高电能的质量。、提高电能的质量。无穷大电网的含义 将两台或更多台发电机分别接在电力系统对应母线上，或通将两台或更多台发电机分别接在电力系统对应母线上，或通过变压器、输电线接在电力系统的公共母线上，共同向负荷供电过变压器、输电线接在电力系统的公共母线上，共同向负荷供电.并联运行的优点并列方法1.1.准同步

30、法准同步法2.2.自同步法自同步法第三篇同步电机一、准同步法1.1.待并发电机的电压与电网电压大小相等；待并发电机的电压与电网电压大小相等；2.2.待并发电机电压相位与电网电压相位相同；待并发电机电压相位与电网电压相位相同；3.3.待并发电机电压频率与电网电压频率相同；待并发电机电压频率与电网电压频率相同； 4.4.待并发电机的相序与电网的相序相同。待并发电机的相序与电网的相序相同。 上述条件（上述条件（4 4）一般在安装发电机时，根据发电机的转向确）一般在安装发电机时，根据发电机的转向确定了发电机的相序而满足，因此运行人员在并列时只需调节发电定了发电机的相序而满足，因此运行人员在并列时只需调

31、节发电机使其满足其它三个条件即可。机使其满足其它三个条件即可。 不满足任一条件的并列称为非同步并列，将对电机产生严不满足任一条件的并列称为非同步并列，将对电机产生严重的危害。重的危害。准同步并列必须满足的条件准同步并列必须满足的条件第三篇同步电机某一条件不满足时对电机的影响某一条件不满足时对电机的影响1 1、电机和电网之间有环流，定子绕组端部受力变形。、电机和电网之间有环流，定子绕组端部受力变形。2 2、产生拍振电流和电压，引起电机内功率振荡。、产生拍振电流和电压，引起电机内功率振荡。3 3、电机和电网之间有高次谐波环流，增加损耗，温、电机和电网之间有高次谐波环流，增加损耗，温度升高，效率降低

32、。度升高，效率降低。4 4、电网和电机之间存在巨大的电位差而产生无法消、电网和电机之间存在巨大的电位差而产生无法消除的环流，危害电机安全运行。除的环流，危害电机安全运行。第三篇同步电机1. 电压大小不等此时此时,S,S两端有电位差两端有电位差 在电位差的作用下发电机产在电位差的作用下发电机产生冲击电流，即生冲击电流，即 冲击电流为无功分冲击电流为无功分量，不会加重原动机的量，不会加重原动机的负担，但会在电枢绕组负担，但会在电枢绕组中产生很大的冲击力，中产生很大的冲击力，使电枢绕组端部受冲击使电枢绕组端部受冲击力的作用而变形。力的作用而变形。由于由于xd 很小，所以即使很小，所以即使U U不大，

33、冲击电流也会很大不大，冲击电流也会很大 电电网网第三篇同步电机2. 相位不同此时此时, ,abab两端有电位差两端有电位差 电位差可达发电电位差可达发电机电压的两倍，若此机电压的两倍，若此时并列，会产生很大时并列，会产生很大的冲击电流，发电机的冲击电流，发电机会因遭受巨大的冲击会因遭受巨大的冲击力而损坏。力而损坏。冲击电流的影响冲击电流的影响 1)1)电枢绕组端部受力变形电枢绕组端部受力变形; ; 2)2)转轴上受冲击转矩的作用转轴上受冲击转矩的作用, ,使机轴扭曲变形使机轴扭曲变形; ; 3)3)电枢绕组发热电枢绕组发热. .第三篇同步电机3. 3. 频率不同频率不同转轴上时而产生制动转矩、

34、时转轴上时而产生制动转矩、时而产生驱动转矩，结果是电机而产生驱动转矩，结果是电机振动。振动。拍振电流使电枢绕组端部受力拍振电流使电枢绕组端部受力变形，使电枢绕组发热。变形，使电枢绕组发热。第三篇同步电机频率差过大电机不能并列；频率差较小时，靠频率差过大电机不能并列；频率差较小时，靠自整步作用，可作用，可以把发电机拉入同步。以把发电机拉入同步。并发电机频率略高并发电机频率略高于电网频率时于电网频率时并发电机频率略低并发电机频率略低于电网频率时于电网频率时冲击电流的有冲击电流的有功分量与电压功分量与电压同相位同相位, ,表明发表明发电机向电网发电机向电网发出有功功率出有功功率, ,并并对转轴产生制

35、对转轴产生制动性质转矩，动性质转矩，电机减速，频电机减速，频率下降，直至率下降，直至冲击电流的有功冲击电流的有功分量与电压反相分量与电压反相位位, ,表明发电机表明发电机从电网吸收有功从电网吸收有功功率功率, ,并对转轴并对转轴产生驱动性质转产生驱动性质转矩，电机加速，矩，电机加速，频率上升，直至频率上升，直至 第三篇同步电机4. 相序不同 发电机实际并列时，除了相序必须一致外，其它条件允许发电机实际并列时，除了相序必须一致外，其它条件允许有一定的偏差，如有一定的偏差，如U U不超过不超过10%10%，相位差不超过，相位差不超过10%10%，频率偏差，频率偏差不超过不超过0.2%0.2%0.5

36、%0.5%（0.10.10.25Hz)0.25Hz)。二、自同期法 相序正确前提下，起动未加励磁的发电机，当其转速接近同相序正确前提下，起动未加励磁的发电机，当其转速接近同步速时，合上同步开关，将发电机并网，然后加上发电机励磁将步速时，合上同步开关，将发电机并网，然后加上发电机励磁将发电机牵入同步。并网前，励磁绕组需经限流电阻闭合。并列时发电机牵入同步。并网前，励磁绕组需经限流电阻闭合。并列时会较大有冲击电流和转矩会较大有冲击电流和转矩,一般用于紧急状态下的并列操作一般用于紧急状态下的并列操作.相序不同的发电机不能并列，因为此时相序不同的发电机不能并列，因为此时 和和 恒差恒差 ， 恒等于恒等

37、于 ，它将产巨大的冲击电流危害电机及系统。，它将产巨大的冲击电流危害电机及系统。第三篇同步电机第五节 同步发电机的有功功角特性和静态稳定一、有功功率平衡输入输入功率功率P1机械损机械损耗耗pmec附加损附加损耗耗p padad铁损铁损pFe电磁功电磁功率率Pem定子铜损定子铜损pcu1输出功输出功率率P P2 2第三篇同步电机可得转矩平衡方程为可得转矩平衡方程为或或 上式说明，电机稳定运行时，驱动性质的原动机转矩与制上式说明，电机稳定运行时，驱动性质的原动机转矩与制动性质的电磁转矩和空载转矩之和平衡。动性质的电磁转矩和空载转矩之和平衡。在在 两边两边除以除以第三篇同步电机二、有功功率功角特性

38、并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率一定、并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率一定、参数（参数（ ) )为常数、空载电动势为常数、空载电动势 不变（即不变（即 不变）不变）时，时， 为有功功率功角特性。为有功功率功角特性。凸极电机：凸极电机：隐极电机隐极电机为了分析方便，假定为了分析方便，假定1 1）发电机并联于无穷大电网；）发电机并联于无穷大电网；2 2）发电机磁路不饱和；）发电机磁路不饱和；3 3）忽略）忽略电枢绕组电阻。电枢绕组电阻。根据发电机的相量图，可以推导得发电机的有功功率功角特性根据发电机的相量图，可以推导得发电机的有功功率功角特性第三篇同步电机水轮发电机的有

39、功功率功角特性分两部分水轮发电机的有功功率功角特性分两部分:附加电磁功率的特点附加电磁功率的特点:-基本电磁功率基本电磁功率-附加电磁功率附加电磁功率第三篇同步电机汽轮发电机的功角特性曲线汽轮发电机的功角特性曲线汽轮发电机的有功功率功角特性的特点汽轮发电机的有功功率功角特性的特点第三篇同步电机功角的双重物理意义功角的双重物理意义1 1、是电动势、是电动势 和电压和电压 间的时间相位角间的时间相位角; ;或称是励磁磁动势或称是励磁磁动势 和合成磁动势和合成磁动势 间的空间夹角。间的空间夹角。2 2、是感应电动势、是感应电动势 的主磁通和产生电压的主磁通和产生电压 的定子等效合成的定子等效合成磁通

40、之间的夹角。磁通之间的夹角。第三篇同步电机用图示功角的双重物理意义用图示功角的双重物理意义第三篇同步电机 因有原动机的驱动转矩克服定子合成磁极的制动转矩而作功因有原动机的驱动转矩克服定子合成磁极的制动转矩而作功, ,实现机电能量转换实现机电能量转换, ,将由原动机输入的机械能转变为电能输出。将由原动机输入的机械能转变为电能输出。 功角是研究同步发电机运行状态的一个重要参数，它不仅决功角是研究同步发电机运行状态的一个重要参数，它不仅决定发电机输出有功功率的大小，而且还反映发电机转子的相对空定发电机输出有功功率的大小，而且还反映发电机转子的相对空间位置，它把同步电机的电磁关系和机械运动紧密联系起来

41、。间位置，它把同步电机的电磁关系和机械运动紧密联系起来。定子定子N NS S定子定子NS第三篇同步电机三、有功功率调节 发电机空载运行时，原动机输入的功率用来平衡各种损耗，发电机空载运行时，原动机输入的功率用来平衡各种损耗，此时此时 ，定、转子磁极轴线重合，它们之间只有径向力而，定、转子磁极轴线重合，它们之间只有径向力而无切向力，所以无切向力，所以 ，在功角特性的，在功角特性的0 0点上。点上。 可见，并联于无穷大电网的同步发可见，并联于无穷大电网的同步发电机要调节有功功率输出，只需调节原电机要调节有功功率输出，只需调节原动转矩。在功率极限角范围内，输入转动转矩。在功率极限角范围内，输入转矩越

42、大，有功功率输出就越大。矩越大，有功功率输出就越大。第三篇同步电机四、静态稳定的概念静态稳定：指并联在电网上稳定运行的同步发电机，当受电网指并联在电网上稳定运行的同步发电机，当受电网或原动机方面某些微小扰动时，能在这种干扰消失后，继续保持或原动机方面某些微小扰动时，能在这种干扰消失后，继续保持原来稳定运行状态的能力。原来稳定运行状态的能力。在在a a点运行时电机具有静态稳定的能力。点运行时电机具有静态稳定的能力。若干扰使功角若干扰使功角增大到增大到aa点点干扰使功角干扰使功角减小时，有同样结论。所以减小时，有同样结论。所以a a点称为稳定运行点。点称为稳定运行点。而而b b点为不稳定运行点，分

43、析略。点为不稳定运行点，分析略。P Pemem和和T Temem增大，迫使电机减速，功角增大，迫使电机减速，功角变小，电机回到变小，电机回到a a点。点。第三篇同步电机静态稳定的判据：静态稳定的判据：比整步功率(kW/rad)对汽轮发电机，对汽轮发电机，比整步功率为比整步功率为在电机稳定区域内，在电机稳定区域内， 越大，电机稳定性越大，电机稳定性越好。越好。对水轮发电机，对水轮发电机，比整步功率为比整步功率为第三篇同步电机五、过载能力汽轮发电机的过载能力汽轮发电机的过载能力最大电磁功率与额定功率的比值称为过载能力。最大电磁功率与额定功率的比值称为过载能力。 过载能力越大，电机的稳定性越好。过载

44、能力是表达静态稳过载能力越大，电机的稳定性越好。过载能力是表达静态稳定的能力，不是发电机可以过载的倍数。定的能力，不是发电机可以过载的倍数。 过载能力设计得在一点，是从提高稳定观点考虑的，不是从过载能力设计得在一点，是从提高稳定观点考虑的，不是从发热观点考虑的。发热观点考虑的。第三篇同步电机第六节 同步发电机的无功功率功角特性及V形曲线一、无功功率功角特性 并联于无穷大电网的同步发电机当电网电压和频率恒定、参并联于无穷大电网的同步发电机当电网电压和频率恒定、参数（数（x xd d、x xq q、x xt t）为常数、空载电势）为常数、空载电势E E0 0不变（即不变（即 I If f 不变）时

45、，不变）时，Q=Q=f(f() )为无功功率功角特性为无功功率功角特性。水轮发电机无功功率的功角特性水轮发电机无功功率的功角特性汽轮发电机无功功率的功角特性汽轮发电机无功功率的功角特性设发电机输出感性无功功率时设发电机输出感性无功功率时Q值为正。由相量图可推导出值为正。由相量图可推导出第三篇同步电机汽轮发电机无功功率的功角特性曲线汽轮发电机无功功率的功角特性曲线几个特殊点几个特殊点: :第三篇同步电机二、无功功率调节 从能量守恒观点看，从能量守恒观点看，并网运行的同步发电机调并网运行的同步发电机调节无功功率，不需调节原节无功功率，不需调节原动机来的输入功率，只需动机来的输入功率，只需改变励磁电

46、流。改变励磁电流。调节调节 前前，增大增大 后后调节调节 不影响发电机的有功功率输出不影响发电机的有功功率输出, ,但影响电机的稳定性能。但影响电机的稳定性能。调节无功时不影响有功功率的输出调节无功时不影响有功功率的输出, ,但是调节有功时影响无功功但是调节有功时影响无功功率输出率输出. .第三篇同步电机三、相量分析1.1.正常励磁正常励磁2.2.过励磁过励磁3.3.欠励磁欠励磁第三篇同步电机四、V形曲线 并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率不变时，表并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率不变时，表示电枢电流示电枢电流 和励磁电流和励磁电流 的关系曲线的关系曲线 称为称为“V V”形

47、形曲线。曲线。 发电机运行时，定子电流和励磁电流是运行人员主要监视的发电机运行时，定子电流和励磁电流是运行人员主要监视的两个物理量，这两个量关系到定子绕组和励磁绕组的温度，又牵两个物理量，这两个量关系到定子绕组和励磁绕组的温度，又牵涉到功率因数的超前或滞后以及运行的稳定性问题。涉到功率因数的超前或滞后以及运行的稳定性问题。 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V V形曲线，有功功率形曲线，有功功率越大，曲线向上移，因此可是以得到一簇越大，曲线向上移，因此可是以得到一簇“V”V”形曲线。形曲线。第三篇同步电机V V形曲线形曲线不稳定不稳定区域区域正常正常励磁励磁过

48、励磁过励磁欠励磁欠励磁欠励磁欠励磁“进相进相”运运行行过励磁过励磁“迟相迟相”运运行行第三篇同步电机V V形曲线的特点形曲线的特点2.2.不稳定区域边缘：不稳定区域边缘：=90=900 0，连线向右倾斜连线向右倾斜; ;1.1.每条曲线的最低点每条曲线的最低点, , ,定子电流最小定子电流最小, ,且全为有功电流且全为有功电流，这些点的这些点的连线向右倾斜；连线向右倾斜；3.3.每条曲线上的电流变化量每条曲线上的电流变化量I I 为无功分量为无功分量; ;4.4.励磁电流从零开始增大时，定子电枢电流变化规律为先减小励磁电流从零开始增大时，定子电枢电流变化规律为先减小后增大。后增大。表明要输出纯

49、有功功率，必须相应增加一些励磁电流表明要输出纯有功功率，必须相应增加一些励磁电流。表明输出有功功率越多，维持稳定所需的励磁电流也越大。表明输出有功功率越多，维持稳定所需的励磁电流也越大。第三篇同步电机第七节 同步调相机和同步电动机一、同步电机的可逆原理 同步电机运行于发电同步电机运行于发电机状态时，如图所示。机状态时，如图所示。 转子磁极轴线超前定子转子磁极轴线超前定子合成磁极轴线，合成磁极轴线，00，电机，电机把机械能转变成电能。把机械能转变成电能。 同步电机的运行是可逆的，同步电机的运行是可逆的，既可以用作发电机，还可以用既可以用作发电机，还可以用作电动机。作电动机。第三篇同步电机 逐步减

50、少发电机的输入逐步减少发电机的输入功率，转子将瞬时减速，功率，转子将瞬时减速，角角减小，相应的电磁功率也减减小，相应的电磁功率也减少。少。 当发电机的输入功率只能当发电机的输入功率只能满足空载损耗时，发电机处于满足空载损耗时，发电机处于空载运行状态。空载运行状态。第三篇同步电机 继续减少发电机的输入功率，继续减少发电机的输入功率，则则和和 P Pemem变为负值。变为负值。卸去原动机，卸去原动机，电机从电网吸收功率满足空载损耗，电机从电网吸收功率满足空载损耗，成为空转的电动机成为空转的电动机-调相运行状调相运行状态。态。 电机轴上加上机械负载，电机轴上加上机械负载，负值的负值的增大，由电网向电

51、机增大，由电网向电机输入的电功率和相应的电磁功输入的电功率和相应的电磁功率增大，转子磁极轴线落后定率增大，转子磁极轴线落后定子合成磁极轴线，转子受到驱子合成磁极轴线，转子受到驱动性质的电磁转矩作用动性质的电磁转矩作用-电动电动机状态。机状态。第三篇同步电机二、同步调相机 同步调相机是专门发送无功功率的同步电机，实质上是一同步调相机是专门发送无功功率的同步电机，实质上是一台空载运行的同步电动机。台空载运行的同步电动机。 在电网的受电端接上同步调速相机，是提高电网功率因数在电网的受电端接上同步调速相机，是提高电网功率因数的重要方法之一。的重要方法之一。1.1.正常励磁正常励磁2.2.过励磁过励磁3

52、.3.欠励磁欠励磁第三篇同步电机同步调相机的特点同步调相机的特点1.1.调相机的额定容量指的是在过励状态下的额定视在功率调相机的额定容量指的是在过励状态下的额定视在功率。2.2.由于转轴上不带机械负载，所以调相机的转轴比同容量的电由于转轴上不带机械负载，所以调相机的转轴比同容量的电动机转轴细，没有过载能力的要求。动机转轴细，没有过载能力的要求。3.3.为了提高调相机提供感性无功的能力，励磁线圈导线截面较为了提高调相机提供感性无功的能力，励磁线圈导线截面较大，但励磁损耗仍然很大，对通风冷却要求较高。大，但励磁损耗仍然很大，对通风冷却要求较高。 同步调相机的起动一般采用异步起动法或辅助电动机法。选

53、同步调相机的起动一般采用异步起动法或辅助电动机法。选择起动方法时，首先考虑限制起动电流，然后考虑满足起动转矩择起动方法时，首先考虑限制起动电流，然后考虑满足起动转矩的要求。的要求。第三篇同步电机三、同步电动机 按照发电机惯例，同步电动机可以看成是一台输出负的有功按照发电机惯例，同步电动机可以看成是一台输出负的有功功率的发电机，其电动势方程、相量图、功角特性、功率的发电机，其电动势方程、相量图、功角特性、V V形曲线等形曲线等与发电机的相似。与发电机的相似。顺便指出，按发电机惯例，滞后的电流起去磁作用，超前的电顺便指出，按发电机惯例，滞后的电流起去磁作用，超前的电流起助磁作用；而按电动机惯例，滞

54、后的电流起助磁作用，超流起助磁作用；而按电动机惯例，滞后的电流起助磁作用，超前的电流起去磁作用。前的电流起去磁作用。 同步电动机同发电机一样同步电动机同发电机一样, ,在有功功率保持不变时，调节励在有功功率保持不变时，调节励磁电流，也有三种励磁状态。磁电流，也有三种励磁状态。“正常励磁正常励磁”状态时，电动机没状态时，电动机没有无功功率输出；有无功功率输出；“过励过励”状态时，电动机从电网吸取容性无状态时，电动机从电网吸取容性无功功率功功率( (或向电网发出感性无功功率或向电网发出感性无功功率) )；“欠励欠励”状态时，电动状态时，电动机从电网吸取感性无功功率机从电网吸取感性无功功率( (或向

55、电网发出容性无功功率或向电网发出容性无功功率) )。 第三篇同步电机 由于同步电动机的平均起动转矩为零，所不能自行起动，必由于同步电动机的平均起动转矩为零，所不能自行起动，必须借用其它方法。须借用其它方法。 常用的起动方法有：辅助电动机起动法、变频起动法和异常用的起动方法有：辅助电动机起动法、变频起动法和异步起动法。其中异步起动法应用最广泛。步起动法。其中异步起动法应用最广泛。 调节同步电动机的励磁电流可以改变它的无功功率输出，调节同步电动机的励磁电流可以改变它的无功功率输出，这是同步电动机最可贵的特点。尤其是同步电动机在这是同步电动机最可贵的特点。尤其是同步电动机在“过励过励”状态下，向电网发出感性无功功率的特性，很有实际意义。状态下，向电网发出感性无功功率的特性，很有实际意义。 第三篇同步电机主编：撰稿教师：（以姓氏为序）制作：责任编辑：电子编辑：