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1、第四篇 同 步 电 机福州大学电气工程与自动化学院电机学教研组电机学多媒体课件系列电机学多媒体课件系列目目 录录第十三章第十三章 同步发电机在大电网上运行同步发电机在大电网上运行13.1 13.1 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行13.2 13.2 隐极同步发电机的功角特性隐极同步发电机的功角特性13.3 13.3 凸极同步发电机的功角特性凸极同步发电机的功角特性13.4 13.4 同步发电机的有功功率调节同步发电机的有功功率调节13.5 13.5 无功功率的调节和无功功率的调节和V V形曲线形曲线13.6 13.6 同步电动机与同步补偿机同步电动机与同步补偿机13.1 13.1 同步
2、发电机的并联运行同步发电机的并联运行v并联运行的优点：并联运行的优点：提高电网质量：提高电网质量：U=constU=const、f=constf=const，无穷大电网无穷大电网或或无穷大汇流排无穷大汇流排减少电网储备容量，在电网内统一调度发电容量减少电网储备容量，在电网内统一调度发电容量可根据负荷变化改变并网发电机台数，提高发电厂可根据负荷变化改变并网发电机台数，提高发电厂运行经济性运行经济性可以提高电厂建设的效益，根据工农业的发展增加可以提高电厂建设的效益，根据工农业的发展增加发电机台数发电机台数提高用电可靠性：单机运行方式、大容量负载、故提高用电可靠性：单机运行方式、大容量负载、故障检修
3、等情况对电网影响小障检修等情况对电网影响小相同的相序相同的相序相等的电压相等的电压 相等（或相近）的频率相等（或相近）的频率相位相同相位相同一、并联运行的条件一、并联运行的条件条件不满足时产生的后果：条件不满足时产生的后果：电机和电网之间有环流，危害电机安全运行电机和电网之间有环流，危害电机安全运行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电机和电网之间有高次谐波环流，增加损耗，温度升高，电机和电网之间有高次谐波环流，增加损耗，温度升高，效率降低效率降低二、并联运行的方法二、并联运行的方法为了投入并联所进行的调节和操作过程，称为为了投入并联所进行的调节和操作过
4、程，称为整步过程整步过程整步方法：整步方法：准确整步法准确整步法和和自整步法自整步法v准确整步法：准确整步法：直接接法直接接法(灯光暗黑法灯光暗黑法)直接接法步骤：直接接法步骤：1、接线：双方对应相通过指示灯相接、接线：双方对应相通过指示灯相接2、调节、调节If，使双方电压相等，使双方电压相等3、当三组灯同时明暗时，说明双方相序相同、当三组灯同时明暗时，说明双方相序相同 若相序不同，现象为灯光旋转法，任意对调两相若相序不同，现象为灯光旋转法，任意对调两相4、灯光闪烁频率越慢，双方频率越接近、灯光闪烁频率越慢，双方频率越接近 若闪烁较快，可调节原动机的转速使双方频率相近若闪烁较快，可调节原动机的
5、转速使双方频率相近5、当闪烁极其缓慢，在灯光变暗时合闸，并车完成、当闪烁极其缓慢，在灯光变暗时合闸，并车完成直接接法实验现象直接接法实验现象交叉接法交叉接法(灯光旋转法灯光旋转法)交叉接法步骤：交叉接法步骤：1、接线：任意对调其中两相后通过指示灯相接、接线：任意对调其中两相后通过指示灯相接2、调节、调节If，使双方电压相等，使双方电压相等3、当三组灯明亮发生旋转时，说明双方相序相同、当三组灯明亮发生旋转时，说明双方相序相同 若相序不同，现象为灯光熄灭法，任意对调两相若相序不同，现象为灯光熄灭法，任意对调两相4、灯光旋转速度越慢，双方频率越接近、灯光旋转速度越慢，双方频率越接近 若旋转较快，可调
6、节原动机的转速使双方频率相近若旋转较快，可调节原动机的转速使双方频率相近5、当旋转极其缓慢，在直接相灯光变暗时合闸、当旋转极其缓慢，在直接相灯光变暗时合闸 并车完成并车完成优点：此法可看出电机频率比电网高还是低优点：此法可看出电机频率比电网高还是低交叉接法实验现象交叉接法实验现象准确整步法的准确整步法的优点优点：投入瞬间电网和电机没有冲击：投入瞬间电网和电机没有冲击缺点缺点：整步过程比较复杂费时：整步过程比较复杂费时v自整步法：自整步法：原动机带至原动机带至nn1不加不加If下电枢接入电网（此时励磁绕组通过下电枢接入电网（此时励磁绕组通过电阻短接）电阻短接）加加If，使发电机的转子牵入同步，使
7、发电机的转子牵入同步步骤：步骤：优点：优点：简单、迅速简单、迅速缺点：缺点：合闸时冲击电流大合闸时冲击电流大空载运行、功率调节课时小结课时小结1、同步发电机并联运行的优点和条件？、同步发电机并联运行的优点和条件？2、同步发电机并联运行的方法有哪些？简要描述直、同步发电机并联运行的方法有哪些？简要描述直接接法和交叉接法的接线图、并联步骤、合闸时接接法和交叉接法的接线图、并联步骤、合闸时刻？刻？3、准确整步法和自整步法的优缺点分别是什么？、准确整步法和自整步法的优缺点分别是什么？4、注意：同步发电机刚并网时刻处于空载运行情况，、注意：同步发电机刚并网时刻处于空载运行情况，需进行功率调节！需进行功率
8、调节！13.2 13.2 隐极同步发电机的功角特性隐极同步发电机的功角特性同步同步 发电机功率流程如下图：发电机功率流程如下图：同同步步发发电电机机一、功率表达式一、功率表达式由相量图可知（以下为每相值）：由相量图可知（以下为每相值）：由等效电路可知：由等效电路可知：以以 为参考轴，则有：为参考轴，则有：二、功角特性：二、功角特性：PM=f()，P2=f()电动机电动机P0、0 、0正弦函数正弦函数幅值：幅值：三、转矩特性三、转矩特性过载能力：最大输出功率过载能力：最大输出功率 Pmax 与额定功率与额定功率 PN 之比之比由相量图可见：由相量图可见：X Xs s功角功角kkk k=C=Co
9、o/X/Xs skkM M四、考虑四、考虑ra后的功角特性后的功角特性发电机情况发电机情况下的原点下的原点电动机情况电动机情况下的原点下的原点结论：结论：存在存在ra Pmax|pmax0 发电机；发电机； p0)后后，产生电磁功率，产生电磁功率: P1-p0=PM空载时：空载时：PM=0=0，即，即F与与Ff重合重合负载时：负载时：调节原动机调节原动机P1T1T0转子加速转子加速nFf超前超前F PM 输出有功输出有功P2增加增加 当当到到PM=P1-p0时，时，T1=TM+T0则不再加速则不再加速 （经过几次振荡后，电机处于新的平衡状态）（经过几次振荡后，电机处于新的平衡状态）v物理现象：
10、物理现象：利用功角利用功角解释解释空间：空间：F与与Ff夹角夹角时间：时间：U与与E0相位角相位角二、静态稳定的概念二、静态稳定的概念v定义：定义：电机在运行时，受到外界的电机在运行时，受到外界的干扰干扰，从而导致运行，从而导致运行偏离偏离原先的运行点，而当原先的运行点，而当干扰撤去干扰撤去后后,电机又能电机又能自行自行回到原先的点回到原先的点继续工作，就叫做电机的静态稳定。继续工作，就叫做电机的静态稳定。v分析：分析：如图如图a点为稳定点，点为稳定点，d点为不稳定点点为不稳定点v静态稳定条件静态稳定条件结论：结论：当当=0Pss最大最大空载最稳定空载最稳定当当=/2Pss=0稳定能力不存在稳
11、定能力不存在当当 /2 Pss0失去稳定失去稳定v稳定区与不稳定区稳定区与不稳定区发电机：发电机：（隐极机）（隐极机）0/2 为稳定区，为稳定区，/2 为不稳定区为不稳定区电动机：电动机：（隐极机）（隐极机） -/2 0为稳定区，为稳定区，- -/2为不稳定区为不稳定区v不稳定产生的后果不稳定产生的后果1、产生很大的冲击电流、产生很大的冲击电流2、转子超速、转子超速解决措施：快速励磁装置解决措施：快速励磁装置二、动态稳定的概念二、动态稳定的概念v定义：定义：当并网的发电机发生负载突变、突然短路、当并网的发电机发生负载突变、突然短路、电压突变或发电机失磁等非常运行时，发电机能电压突变或发电机失磁
12、等非常运行时，发电机能继续保持同步运行，则称之为动态稳定。继续保持同步运行，则称之为动态稳定。v分析分析:右图为电网电压下降情况右图为电网电压下降情况U1U20、Q=0 Ia为最小值为最小值 2）过励（增加励磁电流）：）过励（增加励磁电流）：E0 cos0、Q0 If稳定稳定受受Ia和和If的限制的限制3）欠励）欠励(减小励磁电流减小励磁电流)：E0(相对正常励磁相对正常励磁) cos0、Q=90o失去稳定失去稳定受受Ia和稳定限制和稳定限制结论：结论：当发电机与大电网并联运行时，调当发电机与大电网并联运行时，调节节If的大小，就可以改变发电机输出无功的大小，就可以改变发电机输出无功功率的大小
13、和性质。功率的大小和性质。三、同步发电机的三、同步发电机的V型曲线型曲线在在P=const时，时，Ia=f(If)的关系曲线的关系曲线P曲线上移曲线上移曲线最低点：曲线最低点：Ia最小，最小，cos=1，正常励磁，正常励磁IfIf1，过励状态，过励状态If0空载空载p1=0电动机电动机p10减少减少P1转轴上带负载转轴上带负载隐机同步电动机相量图隐机同步电动机相量图过励状态过励状态 以隐极同步电动机为例：以隐极同步电动机为例：I为电机流向电网的电流为电机流向电网的电流 ID为电网流向电机的电流为电网流向电机的电流I的有功分量与的有功分量与U反相，电动机从反相，电动机从电网吸收有功功率电网吸收有
14、功功率直轴去磁电枢反应直轴去磁电枢反应 过励过励E滞后滞后U，位移角，位移角0， 即：气隙磁场超前转子磁场即：气隙磁场超前转子磁场电机从电网吸收超前电流，有超电机从电网吸收超前电流，有超前的功率因数前的功率因数几点讨论：几点讨论：调节同步电动机的调节同步电动机的If ，可以改变输入电流的功率因，可以改变输入电流的功率因数，从滞后数，从滞后等于等于1超前超前与异步电动机的区别：异步电机没有直流励磁，它与异步电动机的区别：异步电机没有直流励磁，它所需的励磁均由交流电供给，故异步电动机的功率因所需的励磁均由交流电供给，故异步电动机的功率因数总是滞后的。数总是滞后的。同步电动机的优点：功率因数可以调节
15、，把过励的同步电动机的优点：功率因数可以调节，把过励的同步电动机接在电网上，可以改善电网的功率因数。同步电动机接在电网上，可以改善电网的功率因数。二、同步电动机的起动二、同步电动机的起动结论：同步机仅在同步运行时才能产生恒定的电磁转矩。结论：同步机仅在同步运行时才能产生恒定的电磁转矩。若同步电动机直接起动，则产生如下现象：若同步电动机直接起动，则产生如下现象：同步电动机的转矩：同步电动机的转矩：异步转矩：异步转矩：当空气隙磁场与转子间存在相对运动时当空气隙磁场与转子间存在相对运动时产生的电磁转矩（只存在于过渡过程，正常运行时，产生的电磁转矩（只存在于过渡过程，正常运行时，s=0，不产生异步转矩
16、），不产生异步转矩）同步转矩：同步转矩：由直流励磁的转子磁场与定子磁场相互由直流励磁的转子磁场与定子磁场相互作用产生的电磁转矩（大小与作用产生的电磁转矩（大小与sin成正比）成正比）磁阻转矩磁阻转矩（凸极极）：由于（凸极极）：由于xqxd而产生的转矩而产生的转矩异步启动法异步启动法在磁极表面上装阻尼绕组在磁极表面上装阻尼绕组(起动绕组起动绕组)步骤：步骤：转子励磁绕组通过电阻闭合转子励磁绕组通过电阻闭合加加U1产生旋转磁场产生旋转磁场Fa阻尼绕组中感应电阻尼绕组中感应电流流与与Fa相互作用产生转矩相互作用产生转矩n nn1，加，加If产生转子磁场产生转子磁场Ff依靠依靠Fa与与Ff间相互吸引力
17、，牵入同步速间相互吸引力，牵入同步速阻尼绕组阻尼绕组注意的问题：注意的问题：1、励磁绕组不允许开路，否则会产生高压、励磁绕组不允许开路，否则会产生高压2、励磁绕组不允许直接短路，否则会产生单轴转矩、励磁绕组不允许直接短路，否则会产生单轴转矩半半同步胶住同步胶住三、同步补偿机三、同步补偿机同步补偿机：同步补偿机：实际上是一台空载（过励）运行的同步电实际上是一台空载（过励）运行的同步电动机，用于向电网输出无功功率，改善电网功率因数。动机，用于向电网输出无功功率，改善电网功率因数。特点：特点：无原动机拖动，无机械功率输出，机械结构要求低无原动机拖动，无机械功率输出，机械结构要求低极数少，转速高，气隙小，提高材料利用率极数少，转速高，气隙小，提高材料利用率安装在用户端安装在用户端
