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1、 同步电机同步电机转子转速是常值且与同步速相等，与负载的转子转速是常值且与同步速相等，与负载的大小大小无关。转子的转速与气隙磁场转速保持严格同步。无关。转子的转速与气隙磁场转速保持严格同步。同步电机主要用作同步电机主要用作发电机发电机，也可以用作，也可以用作电动机电动机和和补偿机补偿机。主要内容主要内容同步发电机的稳态对称运行同步发电机的稳态对称运行同步电动机和补偿机同步电动机和补偿机同步发电机的不对称运行和三相突然短路同步发电机的不对称运行和三相突然短路 第第6章章 同步电机同步电机同步电机的用途同步电机的用途同步电机同步电机同步发电机同步发电机同步电动机同步电动机同步补偿机（调相机）同步补
2、偿机（调相机）（火电厂、水电厂、核电厂）（火电厂、水电厂、核电厂）（主要用于驱动不要求调速的大功率机械，（主要用于驱动不要求调速的大功率机械，优点是通过调节励磁改善电网的功率因数）优点是通过调节励磁改善电网的功率因数）（空转的电动机，补偿电网的无功）（空转的电动机，补偿电网的无功）同步电机的分类同步电机的分类l按用途分：按用途分：发电机、电动机和补偿机。发电机、电动机和补偿机。 l按结构特点分：按结构特点分：凸极、隐极。凸极、隐极。l按冷却方式分：按冷却方式分：l按励磁方式分：按励磁方式分：电励磁式、永磁式同步电机电励磁式、永磁式同步电机 。空冷、氢冷、水冷、混合冷却。空冷、氢冷、水冷、混合冷
3、却。卧式、立式。卧式、立式。6.1 同步电机的同步电机的基本结构和运行状态基本结构和运行状态1. 1. 基本基本结构结构 旋转电枢式：旋转电枢式：电枢装在转子上，主极装在定子上电枢装在转子上，主极装在定子上。只用于小容量同步电机中只用于小容量同步电机中旋转磁极式旋转磁极式：磁极装在转子上，为大中型同步电机的基本形式：磁极装在转子上，为大中型同步电机的基本形式旋转电枢式旋转电枢式旋转磁极式旋转磁极式隐极式隐极式凸极式凸极式旋转磁极式同步电机的结构旋转磁极式同步电机的结构转子转子 定子定子 同步电机又分为同步电机又分为隐极式隐极式和和凸极凸极式式两种。两种。有明显的凸出的磁极，气有明显的凸出的磁极
4、，气隙不均匀，制作简单。隙不均匀，制作简单。适合于高速发电机适合于高速发电机适合于低速发电机适合于低速发电机转子圆柱形，气隙均匀，转子机转子圆柱形，气隙均匀，转子机械强度高，励磁绕组固定容易。械强度高，励磁绕组固定容易。NS+隐极式隐极式NSNS+凸极式凸极式同步电机的基本类型同步电机的基本类型同步同步发电机发电机汽轮发电机汽轮发电机水轮发电机水轮发电机隐极隐极结构结构凸极凸极结构结构汽轮发电机汽轮发电机 由汽轮机驱动的同步发电机由汽轮机驱动的同步发电机 p = 1 n = 3000r/min (50Hz) n = 3600r/min (60Hz) 采用隐极结构采用隐极结构 转子细而长转子细而
5、长转子高速旋转，对铁心的强度要求很高，就目前材料，转转子高速旋转，对铁心的强度要求很高，就目前材料，转子子直径一般不超过直径一般不超过1.1m1.1m。 基本采用卧式结构基本采用卧式结构隐极发电机的剖面图隐极发电机的剖面图同步电机的外形图汽轮发电机的转子结构水轮发电机水轮发电机 由水轮机驱动的同步发电机由水轮机驱动的同步发电机 n = 几十几十 几百几百r/min 极对数多极对数多采用采用凸极凸极结构结构 转子粗而短转子粗而短 励磁绕组为集中绕组励磁绕组为集中绕组 立式立式结构结构 阻尼绕组阻尼绕组水轮发电机的转子结构水轮发电机的转子结构阻尼绕组的结构与阻尼绕组的结构与笼型感应电机的转子的笼型
6、笼型感应电机的转子的笼型绕组相似。绕组相似。阻尼绕组的作用阻尼绕组的作用同步发电机中同步发电机中：阻尼绕组中感应电流产生：阻尼绕组中感应电流产生 电磁转矩，抑制转速振荡。电磁转矩，抑制转速振荡。同步电动机和同步补偿机中同步电动机和同步补偿机中：起动绕组：起动绕组与感应电机一样同步电机定、转子与感应电机一样同步电机定、转子极数极数应相同。应相同。水轮发电机的磁极水轮发电机的定子结构320MW水轮发电机水轮发电机思考题1.一台频率一台频率f=50Hz，转速，转速n=3000r/min的汽轮的汽轮发电机的极数是发电机的极数是多少多少？2.一台频率一台频率f=50Hz，极数，极数2p=100的水轮发电
7、的水轮发电机的转速是多少？机的转速是多少？2. 2. 同步电机同步电机的运行状态的运行状态 转子主极磁场转子主极磁场 转子转子通入直流通入直流励磁电流产生，与转子同步旋转励磁电流产生，与转子同步旋转。定子合成磁场定子合成磁场 定子定子三相三相对称绕组流过对称绕组流过三相对称三相对称电流产电流产 生，以生，以同步同步速旋转（等于转子转速）。速旋转（等于转子转速）。同步电机有同步电机有发电机发电机、电动机电动机、补偿机补偿机三种运行状态。三种运行状态。运行状态取决于磁场的相对位置运行状态取决于磁场的相对位置功率角功率角 转子转子磁场轴线磁场轴线领先定子合成领先定子合成磁场轴线磁场轴线的夹角。的夹角
8、。 0时时，Te为制动转矩，原动机的驱动转矩与电磁转矩为制动转矩，原动机的驱动转矩与电磁转矩Te 平衡平衡 。转子吸收机械功率，定子发出电功率。转子吸收机械功率，定子发出电功率。 发电机运行状态发电机运行状态发电机运行状态示意图 0 时，时，Te为驱动转矩，为驱动转矩，带动负载运行。带动负载运行。转子输转子输出机械功率，定子吸收出机械功率，定子吸收电功率。电功率。 电动机运行状态电动机运行状态 = 0 时时，电磁转矩为，电磁转矩为0，不，不进行能量转换，进行能量转换，仅仅发出或发出或吸收无功功率。吸收无功功率。 补偿机运行状态补偿机运行状态电动机补偿机运行状态示意图3.3.同步电机同步电机的励
9、磁方式的励磁方式 （1 1）电励磁）电励磁 1）直流励磁机励磁）直流励磁机励磁 并励直流发电机（与同步电机同轴）并励直流发电机（与同步电机同轴）G同步发电机同步发电机并励直流发电机并励直流发电机直流发电机励磁直流电机存在电刷和换向器，可靠性差，受换向限制，容量受限。直流电机存在电刷和换向器，可靠性差，受换向限制，容量受限。 并励并励 + 他他励直流发电机励磁励直流发电机励磁与并励直流发电机励磁相比，可提高励磁系统的反应速度，并使励磁与并励直流发电机励磁相比，可提高励磁系统的反应速度，并使励磁机在较低的电压下也能稳定运行。机在较低的电压下也能稳定运行。带带副励磁机的励磁系统副励磁机的励磁系统GG
10、副励磁机副励磁机主励磁机主励磁机同步发电机同步发电机2) 2) 静止静止整流器励磁整流器励磁 他他励式励式自励自励恒压器恒压器电压电压调整器调整器交流副励磁机（中频）交流副励磁机（中频）交流主励磁机（交流主励磁机（100Hz）可控可控整流器整流器不可控不可控整流器整流器主发电机主发电机电压互感器电压互感器电流互感器电流互感器静止整流器励磁静止整流器励磁 优点：优点：运行、维护方便，没有直流励磁机，使励磁容量得运行、维护方便，没有直流励磁机，使励磁容量得以提高，因而在大以提高，因而在大 容量汽轮发电机中得到了广泛的容量汽轮发电机中得到了广泛的应用。应用。 自励式自励式主发电机发出的功率经静止整流
11、器整流为直流，然后通过主发电机发出的功率经静止整流器整流为直流，然后通过电刷电刷和集电环通和集电环通入到主发电机的励磁绕组中。入到主发电机的励磁绕组中。缺点：缺点：存在电刷、集电环的存在电刷、集电环的滑动接触（薄弱环节）。滑动接触（薄弱环节）。 优点：优点：取消了电刷和集电环，运行比较可靠取消了电刷和集电环，运行比较可靠，适合大容量发，适合大容量发电机，尤其电机，尤其适合于要求防爆、防燃的特殊场合。适合于要求防爆、防燃的特殊场合。无刷励磁无刷励磁多用于大、中容量的汽轮发电机、补偿机以及在特多用于大、中容量的汽轮发电机、补偿机以及在特殊环境下的同步发电机。殊环境下的同步发电机。目前我国新装发电机
12、容量一般为目前我国新装发电机容量一般为 30万万kW 、60万万kW、90万万kW等。多采用整流器励磁系统。等。多采用整流器励磁系统。一般地，单机容量越大，一般地，单机容量越大， 电机效率越高。电机效率越高。 3 3）旋转）旋转整流器励磁整流器励磁 （2 2）永磁励磁）永磁励磁 永磁励磁采用永磁材料建立同步电机的磁场。永磁励磁采用永磁材料建立同步电机的磁场。优点：优点：转子上无励磁绕组和励磁电流，取消了电刷和滑环，转子上无励磁绕组和励磁电流，取消了电刷和滑环，结构简单，运行可靠，效率高，维护工作量小；转结构简单，运行可靠，效率高，维护工作量小；转子上永磁材料的形状和尺寸可以灵活多样，尤其适子上
13、永磁材料的形状和尺寸可以灵活多样，尤其适合于低速和高速电机。合于低速和高速电机。 目前永磁励磁在小型和微型同步电机中获得了广泛应用。目前永磁励磁在小型和微型同步电机中获得了广泛应用。永磁励磁的永磁励磁的缺点是其磁场不能根据电机的运行状态进行缺点是其磁场不能根据电机的运行状态进行方便和有效的调节方便和有效的调节。 额定电压额定电压UN 单位为单位为kV 额定电流额定电流IN 单位为单位为A, kA 额定功率因数额定功率因数 额定频率额定频率 f N 单位单位为为Hz 额定转速额定转速n N 单位单位为为r/min 额定励磁电流和电压额定励磁电流和电压 IfN 、UfN 额定容量额定容量 SN 或
14、额定功率或额定功率PN 单位为单位为 kW, kVA同步发电机同步发电机是指额定运行时输出的电功率；是指额定运行时输出的电功率；同步电动机同步电动机是是指额定运行时轴上输出的机械功率；指额定运行时轴上输出的机械功率；补偿机补偿机是指额定运行是指额定运行时输出的无功功率。时输出的无功功率。4. 同步电机的额定值同步电机的额定值6.2 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行 一、空载运行一、空载运行 n s I f I = 01.1.空载空载磁场磁场主磁场主磁场 同步电机的空载磁场同步电机的空载磁场若主磁场若主磁场B0 在气隙中正弦分布，且以同步速在气隙中正弦分布，且以同步速n ns s旋转，则
15、在旋转，则在定子绕组中产生对称定子绕组中产生对称三相电动势三相电动势 有效值：有效值：频率：频率：空载电动势，即激磁电动势。空载电动势，即激磁电动势。三相对称电动势三相对称电动势2.2.空载特性空载特性 E0 = f (I f) 同步电机同步电机的空载特性的空载特性 0较小较小时，磁路不饱和，空时，磁路不饱和，空载曲线的下部是一条直线；随载曲线的下部是一条直线；随 o的增大，铁心逐渐饱和，的增大，铁心逐渐饱和，空空 载载 曲线弯曲。曲线弯曲。气隙线气隙线：不计铁心：不计铁心磁磁饱磁磁饱和的和的空载特性曲线。空载特性曲线。空载特性是同步电机的一空载特性是同步电机的一条基本特性。条基本特性。二、对
16、称三相负载时的电枢反应二、对称三相负载时的电枢反应1.1.接三相对称负载时的物理过程接三相对称负载时的物理过程 空载时，同步电机的空载时，同步电机的气隙磁场气隙磁场是由励磁磁动势所产生的是由励磁磁动势所产生的主主磁场磁场B0。2. 电枢反应电枢反应电枢磁动势的基波对气隙磁场的影响电枢磁动势的基波对气隙磁场的影响电枢反应使气隙磁场空间位置发生变化，直接关系到电机的电枢反应使气隙磁场空间位置发生变化，直接关系到电机的 机电能量转换。机电能量转换。 电枢反应的去磁或增磁，对电机的运行性能产生影响。电枢反应的去磁或增磁，对电机的运行性能产生影响。电枢反应的性质（电枢反应的性质（交磁，去磁或增磁交磁，去
17、磁或增磁）取决于电枢磁动势和）取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。主磁场在空间的相对位置。这一相对位置决定于空载电动势这一相对位置决定于空载电动势 和负载电流和负载电流 之间的的之间的的相位差相位差 ，称为，称为内功率因数角内功率因数角。01） 0 = 0 时时 定子绕组电动势、电流及磁动势定子绕组电动势、电流及磁动势在此时刻，在此时刻，A相电动势、相电动势、电流达到最大值，电枢电流达到最大值，电枢磁动势的轴线与磁动势的轴线与A相绕相绕组轴线重合，同时也与组轴线重合，同时也与q轴重合，即轴重合，即 Faq=Fa，称为称为交轴电枢反应磁动交轴电枢反应磁动势。势。同步发电机的交轴电枢反应同步
18、发电机的交轴电枢反应定子绕组电动势、电流和磁通的时间相量图定子绕组电动势、电流和磁通的时间相量图各相电动势、电各相电动势、电流和磁通间的相流和磁通间的相位关系是相同的，位关系是相同的，所以后边只画出所以后边只画出一相。一相。定子绕组电动势、电流和磁通的时间相量图定子绕组电动势、电流和磁通的时间相量图在时在时 - 空统一矢量空统一矢量图中，电枢磁动势图中，电枢磁动势Fa（空间矢量）与（空间矢量）与电枢电流电枢电流 （时间（时间相量）同相位；空相量）同相位；空载磁通载磁通 与励磁与励磁磁动势磁动势Ff同相位。同相位。时时- -空统一矢量图空统一矢量图时时-空统一矢量图空统一矢量图气隙合成磁场与主磁
19、场的相对位置气隙合成磁场与主磁场的相对位置相对于主磁场，气隙合相对于主磁场，气隙合成磁场的轴线偏移了一成磁场的轴线偏移了一个角度，且幅值有所增个角度，且幅值有所增加。这是由于电枢磁动加。这是由于电枢磁动势（势（Fa=Faq）的作用造成）的作用造成的，称之为的，称之为交磁作用交磁作用。气隙合成磁场与主磁场的相对位置图气隙合成磁场与主磁场的相对位置图2）0 0 时时 电流滞后电动势电流滞后电动势电流滞后电动势的向量图电流滞后电动势的向量图电流超前电动势电流超前电动势电流超前电动势的向量图电流超前电动势的向量图 并网并网运行时，直轴电枢反应影响电机输出的无功功率。运行时，直轴电枢反应影响电机输出的无
20、功功率。直轴电枢反应直轴电枢反应的影响的影响电机电机单机运行时，直轴电枢反应将直接影响端电压单机运行时，直轴电枢反应将直接影响端电压的大的大小。小。去磁去磁时，端电压降低；时，端电压降低；助磁助磁时端电压升高。时端电压升高。当当角为不同值的电枢反应角为不同值的电枢反应位置位置电枢反应性质电枢反应性质负载性质负载性质=0=00 0q q轴轴交轴交轴R R=90=900 0d d轴轴直、去直、去L L=-90=-900 0d d轴轴直、增直、增C C0 00 090900 0d d、q q轴轴交、直去交、直去R R、L L-90-900 00 交轴磁导交轴磁导aq，所以，所以XadXaq，因此在凸
21、极同步电机中，因此在凸极同步电机中，XdXq。 对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故XdXqXs。Xad为为直轴电枢反应电抗，直轴电枢反应电抗，反映三相对称电枢电流产生的反映三相对称电枢电流产生的直轴电枢反应磁通在一相绕组中感应电动势的电抗。直轴电枢反应磁通在一相绕组中感应电动势的电抗。Xaq为为交轴电枢反应电抗交轴电枢反应电抗，反映三相对称电枢电流产生的，反映三相对称电枢电流产生的交轴电枢反应磁通在一相绕组中感应电动势的电抗。交轴电枢反应磁通在一相绕组中感应电动势的电抗。Xd为为直轴同步电抗，直轴同步电抗，反映直轴电枢总磁通（包括电枢反应反映直轴电枢总磁通（包
22、括电枢反应磁通和漏磁通）感应电动势的电抗。磁通和漏磁通）感应电动势的电抗。Xq为为交轴同步电抗交轴同步电抗，反映交轴电枢总磁通（包括电枢反应，反映交轴电枢总磁通（包括电枢反应磁通和漏磁通）感应电动势的电抗。磁通和漏磁通）感应电动势的电抗。Xd X Xad ， Xq X Xaq6.5 6.5 同步发电机的功率方程和转矩方程同步发电机的功率方程和转矩方程1 1、功率方程和电磁功率、功率方程和电磁功率 功率方程：功率方程： 若转子励磁损耗由另外的直流电源供给，则发电机轴若转子励磁损耗由另外的直流电源供给，则发电机轴上输入的机械功率上输入的机械功率Pl扣除机械损耗扣除机械损耗P和和定子铁耗定子铁耗PF
23、e后，后，余下的功率将通过旋转磁场和电磁感应的作用，转换成定余下的功率将通过旋转磁场和电磁感应的作用，转换成定子的电功率，所以转换功率就是电磁功率子的电功率，所以转换功率就是电磁功率Pe，即：，即： 再从电磁功率再从电磁功率Pe中减去电枢铜耗中减去电枢铜耗PCua可得电枢端点输可得电枢端点输出的电功率出的电功率P2；即：；即：电磁功率：电磁功率： 从向量图导出从向量图导出可见：可见：故同步电机的电磁功率亦可写成：故同步电机的电磁功率亦可写成： 上式的第一部分与感应电机的电磁功率表达式相同，上式的第一部分与感应电机的电磁功率表达式相同，第二部分则是同步电机常用的。对于隐极同步电机，由于第二部分则
24、是同步电机常用的。对于隐极同步电机，由于EQ= =E0，故有：故有： 2 2、转矩方程、转矩方程把功率方程除以同步角速度，可得转矩方程：把功率方程除以同步角速度，可得转矩方程：式中，式中，T1为原动机的驱动转矩为原动机的驱动转矩, ,Te为电磁转矩为电磁转矩, ,T0为空载转为空载转矩，分别为：矩，分别为：6.7 6.7 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性 同步发电机的稳态同步发电机的稳态运行特性包括外特性、运行特性包括外特性、调整特性和效率特性。调整特性和效率特性。 外特性：外特性： 外特性表示发电机外特性表示发电机的转速为同步转速，且的转速为同步转速，且励磁电流和负载功率因励磁电流和
25、负载功率因数不变时，发电机的端数不变时，发电机的端电压与电枢电流之间的电压与电枢电流之间的关系：即关系：即nns，If= =常值，常值，cos= =常值时，常值时， U=f (I)。cos=0.8（滞后）滞后）cos=1cos=0.8（超前）超前）调整特性：调整特性： 调整特性表示发调整特性表示发电机的转速为同步转电机的转速为同步转速、端电压为额定电速、端电压为额定电压、负载的功率因数压、负载的功率因数不变时，励磁电流与不变时，励磁电流与电枢电流之间的关系；电枢电流之间的关系；即即nnS，U =UN，cos= =常值时，常值时，If=f (I)。cos=0.8滞后滞后cos=1cos=0.8超
26、前超前6.9 同步发电机与电网的并联运行同步发电机与电网的并联运行1. 投入并联的条件和方法投入并联的条件和方法2. 与电网并联的功角特性与电网并联的功角特性3. 有功功率的调节与静态稳定有功功率的调节与静态稳定4. 无功功率的调节无功功率的调节 l一台发电机独立向负载供电的缺点一台发电机独立向负载供电的缺点w每一台发电机的容量有限制。每一台发电机的容量有限制。w若负载经常变化，轻载时运行效率低。若负载经常变化，轻载时运行效率低。w发电机检修则需要停电；否则要备用一台同发电机检修则需要停电；否则要备用一台同容量的机组，平时却不用，不经济。容量的机组，平时却不用，不经济。w一台发电机供电，供电的
27、品质会受影响一台发电机供电，供电的品质会受影响频率和电压会变化（负载突变时）。频率和电压会变化（负载突变时）。一般在较偏远或无法与电网相联的场合下使用。一般在较偏远或无法与电网相联的场合下使用。1. 并联投入的条件和方法并联投入的条件和方法 无限大电网的概念：无限大电网的概念：现代电力系统（电网）通常总是由许现代电力系统（电网）通常总是由许多发电厂并联组成，每个电厂内又有多台发电机在一起并多发电厂并联组成，每个电厂内又有多台发电机在一起并联运行。联运行。并联运行：并联运行：把发电机并联到电网上运行的运行方式称为并把发电机并联到电网上运行的运行方式称为并联运行。联运行。 提高供电的质量；提高供电
28、的质量； 并联运行的优点：并联运行的优点： 提高供电的可靠性；提高供电的可靠性； 提高供电的经济性。提高供电的经济性。 研究同步发电机与电网并联运行问题，不仅具有理论研究同步发电机与电网并联运行问题，不仅具有理论意义，而且还有很大的实际意义。意义，而且还有很大的实际意义。l无限大电网无限大电网一台发电机单独供电时，电压的频率由原动机决定，调一台发电机单独供电时，电压的频率由原动机决定，调节励磁电流可以调节电压的大小。节励磁电流可以调节电压的大小。一台发电机并联于无限大电网运行时，调节原动机的转一台发电机并联于无限大电网运行时，调节原动机的转速不会改变其电压的频率；调节励磁电流也不能改变其速不会
29、改变其电压的频率；调节励磁电流也不能改变其电压的大小。电压的大小。当一台发电机的容量远小于它所并联的电网的容量时，电当一台发电机的容量远小于它所并联的电网的容量时，电网可看成是无限大电网。网可看成是无限大电网。无限大电网的容量可近似认为是无穷大，电网的电压和频无限大电网的容量可近似认为是无穷大，电网的电压和频率不变。率不变。 同步发电机投入并联时，为了同步发电机投入并联时，为了避免电机和电网中产生避免电机和电网中产生冲击电流冲击电流，以及由此在电机转轴上产生的冲击转距，待投，以及由此在电机转轴上产生的冲击转距，待投入并联的发电机应当满足：入并联的发电机应当满足：投入并联的条件投入并联的条件（1
30、） 发电机的发电机的相序相序应与电网一致；应与电网一致；（2）发电机的发电机的频率频率应与电网相同；应与电网相同；（3） 发电机的激磁电动势应与电网电压发电机的激磁电动势应与电网电压大小相同，相位大小相同，相位 相同相同，分析：分析：1）相序不同；）相序不同；2）频率不同；）频率不同；3）电压不同。）电压不同。第一个条件必须满足，其余两个条件允许有些差别。第一个条件必须满足，其余两个条件允许有些差别。并连接线图和向量图如何才能达到这些条件？如何才能达到这些条件？关于相序问题：关于相序问题：一般大型同步发电机的转向和相序在出一般大型同步发电机的转向和相序在出厂以前都已经标定。对于没有表明相序的电
31、机，可以利厂以前都已经标定。对于没有表明相序的电机，可以利用用相序指示器相序指示器来确定。来确定。要使发电机的频率、电压与电网相同，分别调节原动机的要使发电机的频率、电压与电网相同，分别调节原动机的转速和发电机的励磁电流就可以达到。转速和发电机的励磁电流就可以达到。关于电动势的频率和大小：关于电动势的频率和大小：发电机的频率和励磁电动势为：发电机的频率和励磁电动势为：fpns/60和和E04.44fN1kw1 0电动势的相位：电动势的相位：可以调节发电机的瞬时速度来调整。可以调节发电机的瞬时速度来调整。投入并联的方法投入并联的方法投入并联所进行的调节和操作过程称为整步。投入并联所进行的调节和操
32、作过程称为整步。实用的整步方法有两种：实用的整步方法有两种： 准确整步法准确整步法和和自整步法自整步法准确整步法：准确整步法：把发电机调整到完全合乎投入并联的条件，然后投入电网。把发电机调整到完全合乎投入并联的条件，然后投入电网。判断是否满足投入并联的条件方法判断是否满足投入并联的条件方法采用同步指示器采用同步指示器最简单的同步指示器由三个指示灯组成，可以有两种接法：最简单的同步指示器由三个指示灯组成，可以有两种接法：直接接法直接接法和和交叉接法。交叉接法。 直接法直接法是把三个同步指示灯分别跨接在电网和发电机的对是把三个同步指示灯分别跨接在电网和发电机的对应相之间，即接在应相之间，即接在 之
33、间。（1）直接接法（又称灯光熄灭法或暗灯法）直接接法（又称灯光熄灭法或暗灯法）灯光明灭的直接连接法分分析析时时将将无无限限大大电电网网视视为为一一台台同同步步发发电电机机，其其电电压压的大小和频率不变。的大小和频率不变。起动原动机，使其转速接近同步速；调节励磁电流，使发起动原动机，使其转速接近同步速；调节励磁电流，使发电机的电压接近电网电压。电机的电压接近电网电压。频率：频率：调节发电机的转速，到三个灯的亮度不再闪烁或闪调节发电机的转速，到三个灯的亮度不再闪烁或闪烁频率很低时，就表示烁频率很低时，就表示f f。电压的大小：电压的大小：调节发电机的励磁电流，使发电机电压与调节发电机的励磁电流，使
34、发电机电压与电网电压相等。电网电压相等。电压的相位：电压的相位：灯灭且灯灭且UAA=0时即可合闸投入并联。时即可合闸投入并联。条件检查条件检查相序：相序： 灯光同时明暗，说明相序正确，若轮流亮暗，灯光同时明暗，说明相序正确，若轮流亮暗，则相序不同。则相序不同。(2) 交叉接法（又称亮灯法）交叉接法（又称亮灯法）交叉接法交叉接法是把三个同步指示灯分别跨接在电网和发电机的是把三个同步指示灯分别跨接在电网和发电机的 之间。灯光旋转的交叉连接法起动原动机，使其转速接近同步速；调节励磁电流，使发起动原动机，使其转速接近同步速；调节励磁电流，使发电机的电压接近电网电压。电机的电压接近电网电压。频率：频率：
35、调节发电机的转速，到灯光旋转速度很低时，就表调节发电机的转速，到灯光旋转速度很低时，就表示示f f。电压的大小：电压的大小：调节发电机的励磁电流，使发电机电压与调节发电机的励磁电流，使发电机电压与电网电压相等。电网电压相等。电压的相位：电压的相位：A相相灯灭灯灭（UAA=0）时，）时，且且BC相灯亮度相同相灯亮度相同时，即可合闸投入并联。时，即可合闸投入并联。条件检查条件检查相序：相序： 灯光旋转，说明相序正确。灯光旋转，说明相序正确。准确整步法准确整步法的优点是的优点是可以比较准确地确定合闸时刻，可以比较准确地确定合闸时刻，投入投入瞬间电网和电机没有瞬间电网和电机没有 （或很少）冲击；缺点是
36、整步手续比（或很少）冲击；缺点是整步手续比较复杂，时间长，不能满足快速并网要求。较复杂，时间长，不能满足快速并网要求。实际中，在需要将发电机很快投入并网运行时，可采用实际中，在需要将发电机很快投入并网运行时，可采用自整步法。自整步法。自整步法自整步法自整步法自整步法(1) 校验发电机的相序；校验发电机的相序；(2) 励磁绕组经限流电阻短路；励磁绕组经限流电阻短路；(3) 发电机的转速接近同步速；发电机的转速接近同步速；(4) 并网；并网；(5) 加励磁电流。加励磁电流。操作简单，装置简单，但是合闸有较大的操作简单，装置简单，但是合闸有较大的电流冲击（达额定电流的电流冲击（达额定电流的38倍）。
37、倍）。2. 与电网并联时同步发电机的功角特性与电网并联时同步发电机的功角特性当当E0和和U保持不变时，发电机发出的电磁功率与功率角之保持不变时，发电机发出的电磁功率与功率角之间的关系间的关系Pef( )称为功角特性。称为功角特性。设法消去设法消去Id和和Iq凸极机凸极机功角特性曲线功角特性曲线为基本电磁功率为基本电磁功率基本电磁功率与激磁电动势成正比，与端电压成正比，基本电磁功率与激磁电动势成正比，与端电压成正比，与功角的正弦成正比，与直轴同步电抗成反比。与功角的正弦成正比，与直轴同步电抗成反比。当当 时，达到最大值。时，达到最大值。凸极机凸极机功角特性曲线功角特性曲线附加电磁功率与激磁电动势
38、（电流）的大小无关，且仅当附加电磁功率与激磁电动势（电流）的大小无关，且仅当 时时 才存在，它是由凸极效应（即交、直轴磁阻不相才存在，它是由凸极效应（即交、直轴磁阻不相等）所引起，故亦称为等）所引起，故亦称为磁阻功率磁阻功率。在隐极同步电机中附加电。在隐极同步电机中附加电磁功率等于零。磁功率等于零。当当 时达到最大值。时达到最大值。称为附加电磁功率称为附加电磁功率总的总的电磁功率，发电机运行时，在电磁功率，发电机运行时，在 为为4590之间达到最之间达到最大值大值Pe(max),其具体位置和数值视其具体位置和数值视Pe1(max) 和和 Pe2(max)的相对大的相对大小而定。小而定。对于隐极
39、电机，由于对于隐极电机，由于XdXqXs，附加电磁功率为零，故附加电磁功率为零，故Pe就等于基本电磁功率就等于基本电磁功率对于凸极电机，电磁功率对于凸极电机，电磁功率Pe亦可以写成亦可以写成要注意，式中的要注意，式中的EQ为虚拟电动势，为虚拟电动势，EQ本身也是功角本身也是功角 的的函数，随着负载的变化而变化。函数，随着负载的变化而变化。功率角的空间含意功率角的空间含意功率角功率角 亦可看作是合成磁场滞后空载磁场的角度。亦可看作是合成磁场滞后空载磁场的角度。3. 有功功率的调节和静态稳定有功功率的调节和静态稳定(1) 有功功率的调节有功功率的调节以以隐极电机隐极电机为例，说明同步发电机与无穷大
40、电网并联时有功为例，说明同步发电机与无穷大电网并联时有功功率的调节。为简化分析，略去功率的调节。为简化分析，略去电枢电阻和磁饱和的影响电枢电阻和磁饱和的影响。准确整步法并网时准确整步法并网时，功率角0有功功率的调节有功功率的调节电磁转距电磁转距Te 0，发电机在电网上发电机在电网上处于空载状态；原动机的驱动转处于空载状态；原动机的驱动转矩仅用于克服发电机的空载转矩。矩仅用于克服发电机的空载转矩。欲使发电机输出有功功率，根据能量守恒原理，应当增加发欲使发电机输出有功功率，根据能量守恒原理，应当增加发电机的输入功率，即调节原动机，这可以由开大汽轮机的汽电机的输入功率，即调节原动机，这可以由开大汽轮
41、机的汽门（或水轮机的水门）来实现。门（或水轮机的水门）来实现。原动机的功率增加时，驱动转矩原动机的功率增加时，驱动转矩T1也增大，发电机的转子加也增大，发电机的转子加速，于是与转子主磁场相对应的电动势速，于是与转子主磁场相对应的电动势E0将超前于电网电压将超前于电网电压U以以 角。角。根据功角特性，此时发电机将向电网输出一定的有功功率根据功角特性，此时发电机将向电网输出一定的有功功率P2。同时转子上将受到一个制动的电磁转矩同时转子上将受到一个制动的电磁转矩Te，使驱动转矩和制，使驱动转矩和制动的电磁转矩重新取得平衡；转子转速仍然保持为同步转速。动的电磁转矩重新取得平衡；转子转速仍然保持为同步转
42、速。此时发电机已处于负载运行状态，如图中的此时发电机已处于负载运行状态，如图中的A点所示。点所示。隐极机隐极机功角特性曲线功角特性曲线由此可见，要增加发电机的输出有功功率，必须增加原动机由此可见，要增加发电机的输出有功功率，必须增加原动机的输出功率，使功率角的输出功率，使功率角 增大，电磁功率和输出功率便会相增大，电磁功率和输出功率便会相应的增加；直到应的增加；直到 90时，电磁功率达到最大值时，电磁功率达到最大值Pe（max）。在在电机的最大功率增大到电机的最大功率增大到Pe（max）时，不能再增加输入功率。时，不能再增加输入功率。否则驱动转矩与制动转矩不能实现平衡，发电机将会失去否则驱动转
43、矩与制动转矩不能实现平衡，发电机将会失去同步。同步。(2) 静态稳定静态稳定 稳态运行于某一工作稳态运行于某一工作点的同步发电机，当外界点的同步发电机，当外界（电网或原动机）发生微（电网或原动机）发生微小的扰动时，工作点发生小的扰动时，工作点发生偏移，扰动消失后，发电偏移，扰动消失后，发电机能回到原先状态稳定运机能回到原先状态稳定运行，称为行，称为同步发电机静态同步发电机静态是稳定的；是稳定的；否则是否则是静态不静态不稳定的稳定的。正常工作于正常工作于A点或点或B点，看发电机的稳定运行情况。点，看发电机的稳定运行情况。整步功率和静态稳定整步功率和静态稳定当90时，发电机就变为不稳定。整步功率系
44、数整步功率系数功率角越接近90越小， 发电机静态稳定程度也越低 以隐极电机为例，说明同步发电机与无穷大电网并联以隐极电机为例，说明同步发电机与无穷大电网并联时无功功率的调节。时无功功率的调节。忽略电枢电阻，原动机的输入功率保持不变。忽略电枢电阻，原动机的输入功率保持不变。根据功率平衡关系可知，在调节励磁前后，发电机的电磁根据功率平衡关系可知，在调节励磁前后，发电机的电磁功率和输出的有功功率均应近似的保持不变。功率和输出的有功功率均应近似的保持不变。1. 无功功率的调节无功功率的调节4. 无功功率的调节和无功功率的调节和U形曲线形曲线图图18-14 不同励磁电流时的相量图不同励磁电流时的相量图正
45、常励磁正常励磁 cos=1过励过励 加大励磁电流，加大励磁电流，电枢电流将滞后于电网电压。电枢电流将滞后于电网电压。欠励欠励 减小励磁电流，电枢电流将超前于电网电压。减小励磁电流，电枢电流将超前于电网电压。调节励磁电流就可以调节无功功率这一现象，还可以用磁调节励磁电流就可以调节无功功率这一现象，还可以用磁动势平衡关系来解释。动势平衡关系来解释。发电机与无穷大电网并联时，其端电压恒为常值，所以无发电机与无穷大电网并联时，其端电压恒为常值，所以无论励磁如何变化，电枢绕组的合成磁通近似不变。论励磁如何变化，电枢绕组的合成磁通近似不变。反之，减小励磁电流而变为反之，减小励磁电流而变为“欠励欠励”时，主
46、磁通减少，为时，主磁通减少，为了维持合成磁通不变，发电机必须输出超前电流，以减小了维持合成磁通不变，发电机必须输出超前电流，以减小去磁性的电枢反应，甚至使电枢反应变为增磁性，以补偿去磁性的电枢反应，甚至使电枢反应变为增磁性，以补偿主磁通。主磁通。当增加励磁电流并达到当增加励磁电流并达到“过励过励”时，主磁通增多，为维持时，主磁通增多，为维持电枢绕组的合成磁通不变，发电机应输出滞后电流，使去电枢绕组的合成磁通不变，发电机应输出滞后电流，使去磁性的电枢反应增加，以补偿过多的主磁通。磁性的电枢反应增加，以补偿过多的主磁通。注意：正常励磁、过励、欠励是由注意：正常励磁、过励、欠励是由功率因数角功率因数
47、角决定的；而决定的；而电枢反应去磁或助磁是由电枢反应去磁或助磁是由内功率因数角内功率因数角决定的。决定的。2. V形曲线形曲线图图18-15 同步发电机的同步发电机的U形形曲线曲线.同步电动机与同步补偿机同步电动机与同步补偿机工作原理：工作原理： 电电枢枢绕绕组组通通以以对对称称三三相相交交流流电电流流后后，气气隙隙中中便便产产生生一一电枢旋转磁场，其旋转速度为同步转速：电枢旋转磁场，其旋转速度为同步转速：转转子子励励磁磁绕绕组组中中通通以以直直流流电电流流后后，在在气气隙隙中中，又又出出现现一一个个大大小小和和极极性性固固定定、极极对对数数与与电电枢枢旋旋转转磁磁场场相相同同的的直直流流励励
48、磁磁磁磁场场。这这两两个个磁磁场场的的相相互互作作用用，使使转转子子磁磁极极被被电电枢枢旋旋转转磁磁场场拖拖着着以以同同步步转转速速一一起起旋旋转转，即即“同同步步”电电动动机机也也由由此而得名。此而得名。功角特性：功角特性：同步电动机电磁转矩表达示：同步电动机电磁转矩表达示： 由公式可看出，同步电动由公式可看出，同步电动机的输出功率的大小与功率角机的输出功率的大小与功率角正弦值有关，当功率角接近正弦值有关，当功率角接近90900 0时输出功率最大，但此时没有时输出功率最大，但此时没有过载能力，一般额定工况下功过载能力，一般额定工况下功率角为率角为20200 030300 0。 V形曲线：形曲
49、线： 电动机的功率因数是可以通过改变励磁电流来调节的。电动机的功率因数是可以通过改变励磁电流来调节的。因此，如将同步电动机在过励状态下接在电网上，便可以因此，如将同步电动机在过励状态下接在电网上，便可以使供电系统的功率因数提高。这是它最可贵的优点。使供电系统的功率因数提高。这是它最可贵的优点。 1 1）过励时，电动机从电网中）过励时，电动机从电网中吸入超前的无功电流。吸入超前的无功电流。2 2）欠励时，电动机从电网中）欠励时，电动机从电网中吸入滞后的无功电流。吸入滞后的无功电流。3 3）正常励磁时，电动机不从）正常励磁时，电动机不从电网中吸入无功电流。电网中吸入无功电流。同步电动机的启动：同步
50、电动机的启动： 当在定子绕组中通入三相交流电以后，在气隙中则产当在定子绕组中通入三相交流电以后，在气隙中则产生旋转磁场。转子绕组加入直流励磁以后，在气隙中生成生旋转磁场。转子绕组加入直流励磁以后，在气隙中生成静止的转子磁场。定、转子磁场之间存在较大的相对运动，静止的转子磁场。定、转子磁场之间存在较大的相对运动，转子上的平均转矩为零，所以同步电动机不产生起动转矩。转子上的平均转矩为零，所以同步电动机不产生起动转矩。因此，在同步电动机起动时，我们经常采用的是异步起动因此，在同步电动机起动时，我们经常采用的是异步起动方法。方法。异步启动法：异步启动法：在磁极表面上装设有类似异步电机笼型导条的短路绕在
51、磁极表面上装设有类似异步电机笼型导条的短路绕组，称为起动绕组。在起动时，气隙旋转磁场将在转子上组，称为起动绕组。在起动时，气隙旋转磁场将在转子上的起动绕组中感应电流，电流和磁场相互作用产生电磁矩的起动绕组中感应电流，电流和磁场相互作用产生电磁矩转，使同步电机转动起来（如同感应电机）。待速度上升转，使同步电机转动起来（如同感应电机）。待速度上升到接近同步转速时，再给转子绕组通入直流电流，产生转到接近同步转速时，再给转子绕组通入直流电流，产生转子磁场，此时它和定子磁场间子磁场，此时它和定子磁场间得到转速已非常接近，依靠这得到转速已非常接近，依靠这两个磁场间相互吸引力，使转两个磁场间相互吸引力，使转
52、子与定子磁场同步子与定子磁场同步旋转。旋转。所以同步电动机所以同步电动机的起动过程可以分为两个阶段：的起动过程可以分为两个阶段：（1 1）首先按异步电机方式起动，使转子转速接近同步转）首先按异步电机方式起动，使转子转速接近同步转速。速。（2 2）转子绕组通入直流电流，产生转子磁场，转子绕组通入直流电流，产生转子磁场，使转子牵使转子牵入同步。入同步。 同步电动机启动过程中励磁绕组既不能开路，也不能同步电动机启动过程中励磁绕组既不能开路，也不能直接短接。若励磁绕组开路，在高转差率情况下，旋转磁直接短接。若励磁绕组开路，在高转差率情况下，旋转磁场会在励磁绕组中产生较高的感应电势，易损坏绕组绝缘；场会
53、在励磁绕组中产生较高的感应电势，易损坏绕组绝缘；若励磁绕组直接短路，将产生单轴转矩，有可能使电动机若励磁绕组直接短路，将产生单轴转矩，有可能使电动机启动不到接近同步转速。启动不到接近同步转速。 解决的办法：解决的办法：起动起动过程中在励磁绕组回路过程中在励磁绕组回路串入串入5 51010倍励磁绕组倍励磁绕组电阻的附加电阻，电动电阻的附加电阻，电动机起动到接近同步转速机起动到接近同步转速时，再切除附加电阻，时，再切除附加电阻，给励磁绕组通入直流，给励磁绕组通入直流，牵入同步，完成起动。牵入同步，完成起动。 另外，还有辅助电动机起动法和变频起动法。另外，还有辅助电动机起动法和变频起动法。辅助电动机起动法：辅助电动机起动法： 选用一台与同步电动机极对数相同的小型异步电动机选用一台与同步电动机极对数相同的小型异步电动机作为辅助电动机，起动时，先起动辅助电动机将同步电动作为辅助电动机，起动时，先起动辅助电动机将同步电动机拖动到接近同步转速，然后将同步电动机投入电网，并机拖动到接近同步转速，然后将同步电动机投入电网，并通入电流励磁，利用同步转矩把同步电动机转子牵入同步通入电流励磁，利用同步转矩把同步电动机转子牵入同步转速，同时切除辅助电动机电源，这种方法适用于同步电转速，同时切除辅助电动机电源，这种方法适用于同步电动机的空载起动。动机的空载起动。
