第6章同步電機(jī)課件播放定稿

交流電機(jī)分：同步電機(jī)----n=ns(ns為同步轉(zhuǎn)速）異步電機(jī)----nns一、同步電機(jī)分類：旋轉(zhuǎn)電樞式：電樞旋轉(zhuǎn)，主極固定，因電樞功率不易由滑動(dòng)部分送出，只適于較小容量發(fā)電機(jī)，實(shí)用少。旋轉(zhuǎn)磁極式：磁極旋轉(zhuǎn)，電樞固定，電樞功率由靜止部分送出，可傳送較大功率，實(shí)用廣，是同步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)型式。同步電機(jī)第六章同步電機(jī)§6.1概述

6.1.1同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)型式

旋轉(zhuǎn)磁極式隱極式轉(zhuǎn)子：不計(jì)齒槽時(shí)氣隙均勻；機(jī)械強(qiáng)度高，適用于高轉(zhuǎn)速；一般用于汽輪發(fā)電機(jī)；外形細(xì)長(zhǎng)。凸極式轉(zhuǎn)子：氣隙不均勻，極弧下較小，極間較大；機(jī)械強(qiáng)度比隱極機(jī)低，適用于低轉(zhuǎn)速；一般用于水輪發(fā)電機(jī)，外形扁盤形。二、隱極同步電機(jī)（只有臥式支撐）1、隱極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：隱極式轉(zhuǎn)子上沒有凸出的磁極，如圖6-1所示。沿著轉(zhuǎn)子本體圓周表面上，開有許多槽，槽中嵌放勵(lì)磁繞組。在轉(zhuǎn)子表面約1/3部分沒有開槽，構(gòu)成所謂大齒，是磁極的中心區(qū)。勵(lì)磁繞組通入勵(lì)磁電流后，沿轉(zhuǎn)子圓周也會(huì)出現(xiàn)N極和S極。圖6-1隱極式轉(zhuǎn)子2、隱極式轉(zhuǎn)子特點(diǎn)：在大容量高轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子圓周線速度極高，最大可達(dá)170米/秒。為了減小轉(zhuǎn)子本體及轉(zhuǎn)子上的各部件所承受的巨大離心力，大型汽輪發(fā)電機(jī)都做成細(xì)長(zhǎng)的隱極式圓柱體轉(zhuǎn)子。考慮到轉(zhuǎn)子冷卻和強(qiáng)度方面的要求，隱極式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和加工工藝較為復(fù)雜。轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度/直徑=2.5~6.5，且容量愈大比值愈大。3、汽輪發(fā)電機(jī)（如圖6-2）

主要結(jié)構(gòu)部件有：定子、轉(zhuǎn)子、端蓋和軸承。定子定子大體上與異步電機(jī)相同，定子鐵心由0.35mm,0.5mm或其它厚度的電工鋼片疊成。圖6-2汽輪發(fā)電機(jī)定子外徑較小時(shí)，采用圓形沖片，當(dāng)定子外徑大于1m

時(shí)，采用扇形沖片。定子鐵心固定在機(jī)座上，機(jī)座常由鋼板焊接而成，它必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)還必須滿足通風(fēng)和散熱的需要。汽輪發(fā)電機(jī)的電壓較高，要求定子繞組有足夠的絕緣強(qiáng)度，一般采用B級(jí)或F級(jí)絕緣。轉(zhuǎn)子（典型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)散件示意圖見圖6-3）采用隱極式轉(zhuǎn)子，外形常做成一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的圓柱體。轉(zhuǎn)子鐵心：鉻鎳鉬合金鋼鍛制而成，與轉(zhuǎn)軸鍛為一個(gè)整體。，勵(lì)磁繞組：勵(lì)磁繞組為同心式繞組，以特制扁銅線繞制，并用不導(dǎo)磁的槽楔將繞組緊固在槽內(nèi)。護(hù)環(huán)、中心環(huán)和滑環(huán)：護(hù)環(huán)為一金屬圓筒，共兩只，用于保護(hù)勵(lì)磁繞組的兩個(gè)端部，采用高強(qiáng)度非導(dǎo)磁合金鋼制成。中心環(huán)用于支撐護(hù)環(huán)，阻止勵(lì)磁繞組的軸向移動(dòng)。滑環(huán)實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁繞組與勵(lì)磁電源的連接，一方經(jīng)引線接勵(lì)磁繞組，另一方經(jīng)電刷接勵(lì)磁電源。端蓋和軸承圖6-3典型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)散件示意圖三、凸極同步電機(jī)（臥式、立式支撐）1支撐：臥式、立式支撐。立式水輪發(fā)電機(jī)據(jù)推力軸承的不同安放位置又分：懸式（推力軸承在轉(zhuǎn)子上部）、傘式。2、水輪發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是：極數(shù)多，直徑大，軸向長(zhǎng)度短，整個(gè)轉(zhuǎn)子在外形上與汽輪發(fā)電機(jī)大不相同。大多數(shù)水輪發(fā)電機(jī)為立式。3、定子：水輪發(fā)電機(jī)的直徑很大，定子鐵心由扇形電工鋼片拼裝疊成。為了散熱的需要，定子鐵心中留有徑向通風(fēng)溝。3、轉(zhuǎn)子：水輪發(fā)電機(jī)由于水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，要發(fā)出工頻電能，發(fā)電機(jī)的極數(shù)就比較多，做成凸極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)工藝上較為簡(jiǎn)單。凸極式轉(zhuǎn)子上有明顯凸出的成對(duì)磁極和勵(lì)磁線圈，如圖6-4所示。轉(zhuǎn)子鐵心：由厚度為1～3mm的鋼片疊成；磁極兩端有磁極壓板，用來壓緊磁極沖片和固定磁極繞組。有些發(fā)電機(jī)磁極的極靴上開有一些槽，槽內(nèi)放上銅條，并用端環(huán)將所有銅條連在一起構(gòu)成阻尼繞組，其作用是用來抑制短路電流和減弱電機(jī)振蕩，在電動(dòng)機(jī)中作為起動(dòng)繞組用。勵(lì)磁繞組：勵(lì)磁線圈中通過直流勵(lì)磁電流后，每個(gè)磁極就出現(xiàn)一定的極性，相鄰磁極交替為N極和S極。圖6-4凸極式轉(zhuǎn)子圖6-5吊裝中的水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一、勵(lì)磁方式分類：獲得勵(lì)磁電流的方法稱為勵(lì)磁方式。目前采用的勵(lì)磁方式分為兩大類：一類是用直流發(fā)電機(jī)作為勵(lì)磁電源的直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)；另一類是用硅整流裝置將交流轉(zhuǎn)化成直流后供給勵(lì)磁的整流器勵(lì)磁系統(tǒng)。二、直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁：（圖6-6）直流勵(lì)磁機(jī)通常與同步發(fā)電機(jī)同軸，采用并勵(lì)、他勵(lì)或永磁勵(lì)磁方式。采用他勵(lì)接法時(shí)，勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流由另一臺(tái)被稱為副勵(lì)磁機(jī)的同軸的直流發(fā)電機(jī)供給。6.1.2同步電機(jī)的勵(lì)磁方式圖6-6直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁三、靜止整流器勵(lì)磁：同一軸上有三臺(tái)交流發(fā)電機(jī)，即主發(fā)電機(jī)、交流主勵(lì)磁機(jī)和交流副勵(lì)磁機(jī)。副勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流開始時(shí)由外部直流電源提供，待電壓建立起來后再轉(zhuǎn)為自勵(lì)(有時(shí)采用永磁發(fā)電機(jī))。副勵(lì)磁機(jī)的輸出電流經(jīng)過靜止晶閘管整流器整流后供給主勵(lì)磁機(jī)，而主勵(lì)磁機(jī)的交流輸出電流經(jīng)過靜止的三相橋式硅整流器整流后供給主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。(見圖6-7）與傳統(tǒng)直流系統(tǒng)的區(qū)別：變直流勵(lì)磁機(jī)為交流主磁機(jī)，解決了換向器火花問題。圖6-7靜止整流器勵(lì)磁四、旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁：靜止整流器的直流輸出必須經(jīng)電刷和集電環(huán)輸送到旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁繞組，對(duì)大容量的同步發(fā)電機(jī)其勵(lì)磁電流達(dá)到數(shù)千安培，使得集電環(huán)嚴(yán)重過熱。因此，在大容量的同步發(fā)電機(jī)中，常采用不需要電刷和集電環(huán)的旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁系統(tǒng)，如圖6-8所示。主勵(lì)磁機(jī)是旋轉(zhuǎn)電樞式三相同步發(fā)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)電樞的交流電流經(jīng)與主軸一起旋轉(zhuǎn)的硅整流器整流后，直接送到主發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組。交流主勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流由同軸的交流副勵(lì)磁機(jī)經(jīng)靜止的晶閘管整流器整流后供給。由于這種勵(lì)磁系統(tǒng)取消了集電環(huán)和電刷裝置，故又稱為無刷勵(lì)磁系統(tǒng)。圖6-8旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁系統(tǒng)冷卻方式主要有以下幾種：空氣冷卻、氫外冷卻、水冷卻、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。6.1.3同步電機(jī)的冷卻方式6.1.4同步電機(jī)的額定值一、額定值☆額定電壓UN(V,kV)：指額定運(yùn)行時(shí)定子輸出端的線電壓。

☆額定電流IN(A)：指額定運(yùn)行時(shí)定子的線電流?！铑~定功率因數(shù)cosN：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的功率因數(shù)。

☆額定效率N：電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的效率☆額定容量SN：對(duì)發(fā)電機(jī)指出線端額定視在功率，單位為VA，KVA，MVA；對(duì)調(diào)相機(jī)為線端額定無功功率，單位為Var,kVar,MVar。

SN=3UNIN☆額定功率PN(W,kW,MW）：發(fā)電機(jī)指額定輸出有功電功率：PN=SN

cosN

=3UNIN

cosN

電動(dòng)機(jī)指軸上輸出的額定機(jī)械功率：

PN

=SN

cosNN=3UNIN

cosN

☆額定頻率：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)電樞輸出端電能的頻率，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)頻率規(guī)定為50Hz。☆額定轉(zhuǎn)速：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速。二、國(guó)產(chǎn)同步電機(jī)型號(hào)

☆型號(hào)：我國(guó)生產(chǎn)的汽輪發(fā)電機(jī)有QFQ、QFN、QFS等系列，前兩個(gè)字母表示汽輪發(fā)電機(jī)；第三個(gè)字母表示冷卻方式，Q表示氫外冷，N表示氫內(nèi)冷，S表示雙水內(nèi)冷。大型水輪發(fā)電機(jī)為TS系列，T表示同步，S表示水輪。

同步電動(dòng)機(jī)系列有TD、TDL等，TD表示同步電動(dòng)機(jī)，后面的字母指出其主要用途。如TDG表示高速同步電動(dòng)機(jī)；TDL表示立式同步電動(dòng)機(jī)。同步補(bǔ)償機(jī)為TT系列。☆舉例來說：QFS-300-2表示容量為300MW雙水內(nèi)冷2極汽輪發(fā)電機(jī)。TSS1264/160-48表示雙水內(nèi)冷水輪發(fā)電機(jī)，定子外徑為1264厘米，鐵心長(zhǎng)為160厘米，極數(shù)為48?！?.2同步電機(jī)的運(yùn)行原理一、同步發(fā)電機(jī)工作原理：參考同步電機(jī)結(jié)構(gòu)模型圖6-91、定子上：三相繞組，空間互差1200電角度，匝數(shù)相等轉(zhuǎn)子上：If,由轉(zhuǎn)子N極出來氣隙定子鐵心氣隙轉(zhuǎn)子S極原動(dòng)機(jī)n逆時(shí)針恒速旋轉(zhuǎn)定子上導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生e

圖6-9二、e的大?。涸O(shè)沿極面正弦分布，則導(dǎo)體電勢(shì)ec=Bxlv=Bmlvsinwt=EcmsinwtBm--正弦波磁通密度最大值則：eA=EcmsinwteB=Ecmsin（wt-1200）

eC=Ecmsin（wt+1200）三、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n:

一對(duì)極：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周，e為一個(gè)周波；

p對(duì)極：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周，e為p個(gè)周波；則f=pn/60一般f=50HZ,則p、n成反比。P、f一定時(shí)，n=60f/p為恒值,同步電機(jī)n與f之間有嚴(yán)格不變的關(guān)系。nS=60f/p(同步轉(zhuǎn)速）nS=n(同步電機(jī))nSn(異步電機(jī))6.2.1同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行空載運(yùn)行：原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)在同步轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,勵(lì)磁（轉(zhuǎn)子）繞組通過適當(dāng)?shù)膭?lì)磁電流,電樞（定子）繞組不帶任何負(fù)載（開路）時(shí)的運(yùn)行情況，稱為空載運(yùn)行。空載運(yùn)行是同步發(fā)電機(jī)最簡(jiǎn)單的運(yùn)行方式，其氣隙磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子磁勢(shì)Ff（勵(lì)磁磁勢(shì)）單獨(dú)建立，稱勵(lì)磁磁場(chǎng)。一、空載氣隙磁場(chǎng)

1、主磁通：既與轉(zhuǎn)子交鏈，又經(jīng)氣隙與定子交鏈的磁通。為一以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，磁密波形沿氣隙圓周近似作正弦分布，其基波分量的每極磁通用0表示，0參與電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。2、漏磁通1

：除0外的所有諧波成分，及勵(lì)磁磁場(chǎng)中僅與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組交鏈而不與定子交鏈的磁通。1不參與電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。二、空載特性E0

=f(If)或E0=f(Ff)

：1、空載運(yùn)行時(shí),勵(lì)磁電勢(shì)隨勵(lì)磁電流變化的關(guān)系稱為同步發(fā)電機(jī)的空載特性。2、轉(zhuǎn)子同步速為n1，三相基波電勢(shì)有效值為E0=4.44fNkN10

3、E0

=f(Ff)：改變If，可改變0及E0，由此得空載特性曲線如圖6-10?？蛰d特性與電機(jī)磁路的磁化曲線具有類似的變化規(guī)律。

☆勵(lì)磁電流較小時(shí)，由于磁通較小，電機(jī)磁路沒有飽和，空載特性呈直線（將其延長(zhǎng)后的射線稱氣隙線）。圖6-10空載特性曲線E0隨著勵(lì)磁電流的增大，磁路逐漸飽和，磁化曲線開始進(jìn)入飽和段。為合理利用材料，空載額定電壓一般設(shè)計(jì)在空載特性的彎曲處，如圖中的c點(diǎn)。

☆空載特性可以通過計(jì)算或試驗(yàn)得到。試驗(yàn)測(cè)定的方法與直流發(fā)電機(jī)類似。同步電機(jī)的空載特性也常用標(biāo)么值表示，空載電勢(shì)以額定電壓為基值，此時(shí)的勵(lì)磁電流(稱為額定勵(lì)磁電流)為勵(lì)磁電流的基值。用標(biāo)么值表示的空載特性具有典型性，不論電機(jī)容量的大小，電壓的高低，其空載特性彼此非常接近。4、空載特性在同步發(fā)電機(jī)理論中有著重要作用：①根據(jù)設(shè)計(jì)好的電機(jī)的空載特性，可判斷該電機(jī)的磁路是否過于飽和或者材料是否充分利用。②空載特性結(jié)合短路特性(在后面介紹)可以求取同步電機(jī)的參數(shù)。③發(fā)電廠通過測(cè)取空載特性來判斷三相繞組的對(duì)稱性以及勵(lì)磁系統(tǒng)的故障。5、飽和系數(shù)：飽和電機(jī)中E0一定時(shí)，氣隙線上的橫坐標(biāo)為氣隙磁動(dòng)勢(shì)空載特性上的橫坐標(biāo)為為勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)其差是由鐵心飽和引起的磁壓降飽和系數(shù)k=勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)/氣隙磁動(dòng)勢(shì)=ac/ab=E0/UN三、空載運(yùn)行時(shí)空矢量圖（見圖6-11）1、凸極機(jī)中：d軸-----直軸，轉(zhuǎn)子磁極軸線

q軸-----交軸，N、S之間的中心線，與d軸垂直。2、時(shí)空矢量圖（取定子繞組的時(shí)間參考軸即時(shí)軸與相軸重合）Ff中的基波分量Ff1(空間矢量）與由它產(chǎn)生的Bf1(空間矢量）及0(時(shí)間矢量）同相位，波幅為直軸正方向；E0(時(shí)間矢量）滯后0900

。...圖6-11空載運(yùn)行時(shí)空矢量圖四、正弦波畸變率各次諧波電壓有效值為：采用正弦波畸變率衡量波形的質(zhì)量。正弦波畸變率kM6.2.2同步電機(jī)的電樞反應(yīng)

一、負(fù)載后磁勢(shì)分析

★空載時(shí)，同步電機(jī)中只有一個(gè)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁磁勢(shì)Ff，它在電樞繞組中感應(yīng)出三相對(duì)稱交流電勢(shì)，稱為勵(lì)磁電勢(shì)。

★當(dāng)電樞繞組接三相對(duì)稱負(fù)載后，電樞繞組和負(fù)載一起構(gòu)成閉合通路，通路中流過的是三相對(duì)稱的交流電流，三相對(duì)稱電流流過三相對(duì)稱繞組時(shí)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)以同步速度旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。

★結(jié)論：同步發(fā)電機(jī)接上三相對(duì)稱負(fù)載以后，電機(jī)中除了隨軸同轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁勢(shì)Ff(稱為機(jī)械旋轉(zhuǎn)磁勢(shì))外，又多了一個(gè)電樞旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)Fa(稱為電氣旋轉(zhuǎn)磁勢(shì))。這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)的轉(zhuǎn)速均為同步速，而且轉(zhuǎn)向一致，二者在空間處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，可以用矢量加法將其合成為一個(gè)合成磁勢(shì)F。氣隙磁場(chǎng)可以看成是由合成磁勢(shì)在電機(jī)的氣隙中建立起來的磁場(chǎng)。也是以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。1、電樞磁勢(shì)的存在，將使氣隙磁場(chǎng)的大小和位置發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)會(huì)對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生重大影響。

2、電樞反應(yīng)的性質(zhì)（去磁、助磁或交鏈）決定于空間相量Fa

和Ff1之間的相對(duì)位置，這一相對(duì)位置僅與時(shí)間相量E0

和Ia之間的相位差y相關(guān)連。稱為內(nèi)功率因數(shù)角，其大小由負(fù)載的性質(zhì)決定。E0超前，y大于0。二、電樞反應(yīng)3、時(shí)-空矢量圖：見圖6-12圖6-12同步電機(jī)的電樞反應(yīng)

a電機(jī)原理圖b時(shí)-空矢量圖Ff1及0在d軸上，E0在q軸上,Fa與Ia重合。將Fa分解為直軸和交軸兩個(gè)分量Fad和Faq...（a）（b）幅值：Fad=FasinyFaq=Facosy

4、電樞反應(yīng)的性質(zhì)(參圖6-13）★

y=00

(參圖6-13中a）Fa和Ff1之間的夾角為90度，即二者正交，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)作用在直軸上，而電樞磁勢(shì)作用在交軸上，這種作用在交軸上的電樞反應(yīng)稱為交軸電樞反應(yīng)，簡(jiǎn)稱交磁作用。結(jié)論：Fa對(duì)

大小無影響，但合成磁勢(shì)F的軸線位置從空載時(shí)直軸處逆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向后移一個(gè)銳角，幅值增大Ff1FaFa、y=0圖6-13交直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)作用b、y=90Ff1FaFE0Ea...E0★y=900

(參圖6-13中b）E0超前Ia

900

Fa和Ff1與之間的夾角為180度，即二者反相，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)和電樞磁勢(shì)一同作用在直軸上，方向相反，電樞反應(yīng)為純?nèi)ゴ抛饔茫铣纱艅?shì)的幅值減小，這一電樞反應(yīng)稱為直軸去磁電樞反應(yīng)。Ff1FaFE0Ea..★y=-900

(參圖6-14）Ia超前E0

900

此時(shí)Fa和Ff1與之間的夾角為00

，即二者同相，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)和電樞磁勢(shì)一同作用在直軸上，方向相同，電樞反應(yīng)為純助磁作用，合成磁勢(shì)的幅值增大，這一電樞反應(yīng)稱為直軸助磁電樞反應(yīng)。圖6-14y=-900交直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)作用★y=-900

(參圖6-15）

滯后

一個(gè)銳角

.E0Ia.Id=IasinyIq=IacosyA、直軸分量Id直軸去磁作用B、交軸分量

Iq交磁作用，F(xiàn)，其軸線位置從空載時(shí)直軸處逆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向后移一個(gè)銳角.Ff1FaFE0Ia.FadFaqIq(Id)圖6-15

電樞反應(yīng)對(duì)氣隙磁場(chǎng)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)勢(shì)的影響與電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)有關(guān)，需把隱極機(jī)、凸極機(jī)分開討論。隱極機(jī)：氣隙均勻。只要Fa相同，不管它作用于圓周氣隙上任何位置，其產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)和每極磁通量都相同，故不需分解為直軸、交磁兩分量分別討論，可整體考慮電樞反應(yīng)的影響。三、隱極同步電機(jī)的電樞反應(yīng)特點(diǎn)

1、磁路不飽和：采用疊加原理求解

Ff1

FaaEa

.E02、磁路飽和：磁場(chǎng)（、B）不再滿足線性疊加條件，但由安培環(huán)路定律，磁動(dòng)勢(shì)(F)可疊加,故求解方法為：

F=Ff1+Fa

EE=Ea+.E0......1、凸極機(jī)：氣隙不均勻。直軸磁路中的氣隙短，磁阻?。唤惠S磁路中的氣隙長(zhǎng)，磁阻大。Fa相同，作用于圓周氣隙上不同位置，其產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)和每極磁通量不相同，分解為直軸、交磁兩分量分別討論---引入雙反應(yīng)理論。四、凸極同步電機(jī)的雙反應(yīng)理論

2、雙反應(yīng)理論Fa的軸線既不與直軸又不與交軸重合時(shí)，可把Fa分解為Fad、Faq，然后分別求直軸、交軸電樞反應(yīng)，最后將它們的效果進(jìn)行疊加。3、直軸、交軸的折算把電樞（定子）磁動(dòng)勢(shì)折算到勵(lì)磁繞組（轉(zhuǎn)子繞組）側(cè)?！飫?lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff的基波磁通密度Bf1：

Ff----方波，恒作用于d軸kf----波形系數(shù)kd----正弦波Fad作用于d軸的波形系數(shù)

Bf=0Ff

/(k)Bf1=Bfkf=kf

0Ff

/(k)為方波與基波之間關(guān)系式★類似地Bad1=kd0Fad/(k)

★正弦波Faq(馬鞍形）作用于q軸等效到d軸上的基波磁通密度Baq1：Baq1=kq0Faq/(k)★直軸、交軸正弦波電樞（定子）磁動(dòng)勢(shì)折算為方波（轉(zhuǎn)子繞組）勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)

kd0Fad/(k)=kf

0Fad'

/(k)kq0Faq/(k)=kf

0Faq'

/(k)即Fad'

=kdFad

/kf

=kadFadFaq'

=kqFaq

/kf

=kaqFaqkad

=kd

/kf直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)折算系數(shù)交軸kaq=kq

/kf交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)折算系數(shù)交軸物理意義：建立同樣大小的基波磁場(chǎng)時(shí)，單位安匝的直軸或交軸正弦磁動(dòng)勢(shì)（Fad、Faq

）所對(duì)應(yīng)的等效的方波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)（Fad'

、

Faq'

）6.2.3隱極發(fā)電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行

一、不飽和時(shí)：1、電磁關(guān)系疊加原理計(jì)算E轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流IfFfFf10E0If定子三相電流IFa1aEaIaEa=-jIXa

EIaE=-jIXXa---電樞反應(yīng)電抗X---漏電抗...........2、電勢(shì)方程：由圖6-16.E..E=E0+Ea=U+IRa+jIX.........Ea.E.E0.I.U圖6-16.諧波基波E0=-Ea+U+IRa

+jIX=U+IRa

+jIX+jIXa

=U+IRa+jIXtXt

=X+

Xa大?。篍0=4.44f1NKN10Xt--隱極機(jī)同步電抗，表征對(duì)稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電樞反應(yīng)基波磁場(chǎng)和漏磁場(chǎng)綜合效應(yīng)的電磁參數(shù)。...........U.I.IRa.E0.EjIX.jIXa..Ea.03、相量圖：如右圖6-17★由給定的功率因數(shù)cos及U、I作、★在末端加及★求★由圖6-17忽略磁滯效應(yīng)與同相位.I.U.UjIX.jIXa..E0.E0.0..a.Fa.a.Fa.Ea..E4、及E0的求取：：與I之間的夾角:U與I之間的夾角矢量法：利用2中的平衡方程求解設(shè)U或I初相角為00進(jìn)行矢量運(yùn)算即可標(biāo)量法：根據(jù)相量圖進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，運(yùn)算簡(jiǎn)單tan=(IXt+Usin)/(IRa+Ucos)Eo=Ucos+IRacos+IXtsin此結(jié)論參書P376.E0.....5、等效電路：如圖6-18圖6-18不計(jì)飽和時(shí)隱極同步發(fā)電機(jī)等效電路圖.E0Xa~.Ea.ERa.UE.X~.E0Xt.U1、電磁關(guān)系不能再用疊加原理計(jì)算E，+，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流IfFfFf1定子三相電流IFa1

IaF1..E.E..0.a.E.E0+.Ea基波二、飽和時(shí)：與滿足空載特性。F.E2、磁勢(shì)方程

=Ff1+Fa1(*)F13、電勢(shì)方程：=+=+Ra.E.E.E.U

I.或.E=.U+

I.Ra+jIX.4、飽和時(shí)，由F1求

（磁勢(shì)Fa1折算）：求作用在主磁路上的合成磁勢(shì)F'

，然后利用電機(jī)的磁化曲線（空載特性）求負(fù)載時(shí)氣隙合成電勢(shì)。.E.E

F1

=Ff1+Fa1為基波磁勢(shì)，但空載特性E0=f(Ff

)是用勵(lì)磁磁勢(shì)(階梯波，近似梯形波）最大值Ff=Nf

If或勵(lì)磁電流If為橫坐標(biāo)，而F1為正弦波，F(xiàn)f為階梯波，F(xiàn)a1為正弦波，故要將F1、Fa1折算為直流勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)梯形波。Ff1=FfKfFf

=KaFf1

Kf=Ff1/Ff=(8sinv/2)/2v----勵(lì)磁磁勢(shì)曲線波形系數(shù)

Ka

=1/Kf----電樞反應(yīng)系數(shù)（0.97~1.035)Fa

'

=

KaFa1

Fa

'的基波幅值等于Fa1

Fa

'

---折算到直流勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)梯形波的等效電樞磁動(dòng)勢(shì)(*)式兩側(cè)同時(shí)乘KaKaF1=KaFf1+KaFa1

F'

=Ff+Fa

'F'

---折算到直流勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)梯形波的等效氣隙磁動(dòng)勢(shì)小結(jié)：由Fa1得Fa

‘，加上Ff得F‘，再查空載特性求。.E5、相量圖：如圖6-19.I.E.URa.IjIX..E0FfFf1FaFa1Fa

'F'F圖6-19計(jì)飽和時(shí)隱極同步發(fā)電機(jī)時(shí)—空矢量圖6.2.4凸極發(fā)電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行

一、不飽和時(shí)：

1、電磁關(guān)系（疊加原理計(jì)算E）轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流IfFf10

定子三相電流IFaq

EIaE=-jIXId.Fad.ad.Ead.E0Iq..ad.Eaq.E2、電勢(shì)方程：..E...E=+E=E0+Ead

+Eaq

+E

=U+IRa......

.E..=E0+Ead

+Eaq

=U+IRa....+jIX.Ead=-jIdXad..Eaq=-jIqXaq.E0..=U+IRa+jIX+jId

Xad不飽和+jIqXaq=U+IRa+jIdXd不飽和+jIqXq........Xd不飽和=X+Xad不飽和Xq=X+XaqXad

--直軸電樞反應(yīng)電抗(與飽和有關(guān)）Xaq

--交軸電樞反應(yīng)電抗(與飽和無關(guān)）Xd不飽和--直軸同步電抗不飽和值Xq

–交軸同步電抗EadadFad'FadIdEaqaq

Faq

'Faq

IqXad/Xaq=Kad/Kaq=Kd/Kq3、相量圖★見下頁圖6-20，由電勢(shì)平衡方程直接作出.0.U.I.IRa.E0.Ead.Eaq.E.Id.Iq.ad.aq..0.U.I.IRa.Id.Iq.ad.aq...E0jIdXd.jIqXq.圖6-20不計(jì)飽和時(shí)凸極同步發(fā)電機(jī)的相量圖作此圖時(shí)假設(shè)為已知，可先作出Id及Iq..★相量圖的實(shí)際作法：已知U、I、cos、Xaq、Xad、X應(yīng)先通過已知條件求出相量圖的實(shí)際作圖見圖6-21.U.I.IRa.Id.IqjIdXd.jIqXq..E0jIXq.OQTXSRWA、RQ=IqXq/cos=IXqB、由已知條件畫出U、IC、作出=Ra+...EQ.EQ.U+.IjIXq.OQ與I的夾角即為角。D、將分解為、.I..Id.IqE、按前述方法可得相量圖F、RX=ST/sin=IdXd/sin=IXd圖6-21不計(jì)飽和時(shí)凸極同步發(fā)電機(jī)的相量圖.EiIdXd4、及E0的求取：：與I之間的夾角:U與I之間的夾角=-矢量法：設(shè)U或I初相角為00利用平衡方程求解；再由電勢(shì)平衡方程進(jìn)行矢量運(yùn)算標(biāo)量法：根據(jù)相量圖進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，運(yùn)算簡(jiǎn)單tan=(IXq+Usin)/(IRa+Ucos)Eo=Ucos+IRacos+IXdsin此結(jié)論參書P376例6.1P305.E0......U+.EQ=IRa+jIXq..假設(shè)：直軸飽和、交軸不飽和、交直軸磁路分開計(jì)算不計(jì)交叉飽和的影響。1、電磁關(guān)系（疊加原理不再適應(yīng)，雙反應(yīng)理論仍采用）轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流IfFfFd'

d'定子三相電流I

Faq

'

EIaE=-jIXId.Fad'.EdIq..aq.Eaq.E2、電勢(shì)方程：...

....Ed=U+IRa+jIX+jIqXaq.Eaq=-jIqXaq....E.E=+E=Ed+Eaq

+E=U+IRa......二、飽和時(shí)：3、相量圖見圖6-22.U.I.IRa.E0.E.Id.IqjIqXaq..EaqjIX..EdFad'Faq'FfFad'Fd'圖6-22計(jì)飽和時(shí)凸極同步發(fā)電機(jī)時(shí)—空矢量圖作圖方法：（參圖6-23）★作、★作，連OQ得角★由角得★作得給定負(fù)載飽和時(shí)電機(jī)等效線性化空載特性O(shè)A,E0"=f(Ff)★求得Ed,查E0"

=f(Ff)得Fd'★由I1及Fa1=1.35INKN1/p,計(jì)算出Fa1★Fad=Fa1sinQO.U.I.EQ.EQjIXaq..Id、.Iq.E.EFad'=FadKadFaq'=FaqKaq

=Fa1Kaq

cos

★由Fd

‘=Ff+Fad‘Ff=Fd

‘

-Fad‘求得Ff數(shù)值上Ff=Fd

‘+Fad‘★由Ff查I=0時(shí)空載特性E0=f(Ff)曲線，求得E0圖6-23凸極同步發(fā)電機(jī)空載特性FEEO氣隙線E0=f(Ff)AE0"=f(Ff)F'Fd'EdFad'FfEad"E0Faq'EaqE0'=f(Ff)同步電機(jī)基值選?。簞?lì)磁電流：Ifb=If0

（

E0

=UN時(shí)的勵(lì)磁電流）其它參量選取與前面其它電機(jī)相同§6.3同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性

6.3.1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性

一、空載特性：

1、nnN

I=O時(shí)，E0=f(Ff)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得。（圖6-24a）If：

0增大至1.3UN,再減小至0，因磁滯現(xiàn)象，上升、下降曲線不重合，一般取下降曲線。If=0時(shí)，E0，為剩磁電動(dòng)勢(shì)，將曲線由此延長(zhǎng)與橫軸相交，交點(diǎn)與原點(diǎn)距離為校正值，再將原實(shí)測(cè)曲線整體右移得工程中實(shí)用的校正曲線。IfU0=E0if0圖b

三根空載特性曲線圖a空載特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定及校正圖6-24

空載特性曲線E0'=f(Ff)2、三根空載特性曲線(圖6-24b)★電機(jī)空載，I=0，為空載特性E0=f(Ff)

★電機(jī)負(fù)載，且飽和時(shí)等效線性化空載特性,E0"=f(Ff)★電機(jī)負(fù)載，但不計(jì)飽和時(shí)為氣隙線E0'=f(Ff)同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，將電樞繞組三相的端點(diǎn)持續(xù)短路然后加上勵(lì)磁電流，稱為短路運(yùn)行。

1、定義：nnN

U=O時(shí)，IK=f(If)曲線。2、短路時(shí)（U=O）電動(dòng)勢(shì)方程：隱極機(jī)：凸極機(jī)：即.E=E0+Ea=U+IK

Ra+jIK

X....=E0+Ead

+Eaq

=U+IRa....+jIX.E..E=U+IRa+jIX.....jIK

X..二、短路特性：X很小，F(xiàn)‘很小IK，電機(jī)磁路不飽和。3、短路特性曲線（圖6-25）分析：已知U=0當(dāng)Ra=0時(shí)，隱極機(jī)：E0=U+IKRa+jIKXt=jIKXt900,電樞磁勢(shì)基本上為純直軸去磁，F(xiàn)a=Fad,Faq=0.凸極機(jī)：

F‘=Ff-Fad’(數(shù)值上）又因磁路不飽和，F(xiàn)‘

IKFad’IK

故有FfIK

即IfIK

短路特性為一條過原點(diǎn)的直線。......E0..=U+IRa+jIX+jId

Xad不飽和+jIqXaq=U+IRa+jIdXd不飽和+jIqXq=jIKXd不飽和..........E..=E0+Ead

+Eaq

=U+IRa....+jIkX穩(wěn)態(tài)短路時(shí)，電機(jī)中的電樞反應(yīng)為純?nèi)ゴ抛饔?，電機(jī)的磁通和感應(yīng)電勢(shì)較小，短路電流也不會(huì)過大，所以三相穩(wěn)態(tài)短路運(yùn)行沒有危險(xiǎn)。4、穩(wěn)態(tài)短路時(shí)-空矢量圖（圖6-26）IKOIf圖6-25短路特性.I.E0Ff.EFad'.EadFad'F'圖6-26穩(wěn)態(tài)短路時(shí)-空矢量=0=0=0=05、特性三角形（短路三角形）Ff

（If）EOCAE0=f(If)B三角形ABC為同步發(fā)電機(jī)的特性三角形。=Fad‘=INXEF'Fad‘E圖6-27

特性三角形-AB-AC

（利用圖6-28短路特性、空載特性求取）

①隱極機(jī)：短路時(shí)故

Xt=E0'/IK

短路時(shí)磁路不飽和，故在同一Ff(If)下，由空載特性中的氣隙線E0'=f(Ff)求得E0’

，由短路特性求得IK，由Xt=E0'/IK得不飽和同步電抗Xt。

②凸極機(jī)：短路時(shí)

.E0'=U+IKRa+jIKXt=jIKXt....E0..=U+IRa+jIX+jId

Xad不飽和+jIqXaq=U+IRa+jIdXd不飽和+jIqXq=jIKXd不飽和.........'6、不飽和同步電抗的求取Xd不飽和=E0'/IKXd*不飽和=Xd不飽和/Zb

=(E0'IN)/(IKUN)=E0'

*

/IK

*同理在同一Ff(If)下，由空載特性中的氣隙線E0'=f(Ff)求得E0’

，由短路特性求得IK，由Xd不飽和=E0'/IK得不飽和同步電抗Xd。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式Xq

0.65Xd可求Xq。(圖6-28中黑線所示）★定義：指同步發(fā)電機(jī)在空載額定電壓所對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流

If0下，三相穩(wěn)態(tài)短路時(shí)的短路電流

IK0與額定電流IN之比，用kc表示。★

kc=IK0/IN=If0(U0=UN)/IfK

(IK=IN)

=(If0/If0')*(If0'/IfK)=kUN

/E0'=k/Xd*不飽和7、短路比：IfEE0EE0'

氣隙線IfKIKUNIf0IK0INIfKIf0'

圖6-28由空載短路特性確定同步電抗和kc★短路比：產(chǎn)生空載額定電壓和額定短路電流所需的勵(lì)磁電流之比。If0---產(chǎn)生空載額定電壓所需的勵(lì)磁電流If0'

---產(chǎn)生氣隙線上空載額定電壓所需的勵(lì)磁電流IfK

---產(chǎn)生額定短路電流所需的勵(lì)磁電流k---電機(jī)主磁路的飽和系數(shù)★kc分析：kc小，負(fù)載變化時(shí)，發(fā)電機(jī)電壓變化較大，并聯(lián)運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性較差，但電機(jī)造價(jià)便宜。若：增大電機(jī)氣隙,Xdkc此時(shí)，電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定性好，過載能力強(qiáng)，但要增大勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，轉(zhuǎn)子用銅量增大，造價(jià)高。汽輪發(fā)電機(jī)：kc=0.4~1水輪發(fā)電機(jī)：kc=0.8~1.81、定義：發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性是指當(dāng)負(fù)載電流=常數(shù)，功率因數(shù)cosj=常數(shù)的條件下，端電壓U與勵(lì)磁電流的關(guān)系。其中當(dāng)cosj=0時(shí)一條負(fù)載特性稱為零功率因數(shù)特性。三、零功率因數(shù)特性：2、相量圖：cosj=0的負(fù)載為純電感負(fù)載，Ra遠(yuǎn)小于回路電抗，故y=90度，零功率因數(shù)負(fù)載時(shí)的電樞磁動(dòng)勢(shì)也是純?nèi)ゴ抛饔玫闹陛S磁動(dòng)勢(shì)。由電勢(shì)平衡方程不計(jì)Ra.=U+IRa+jIX..E.畫出相量圖見圖6-29可以看出，與U處于同一方位，其相量加減可簡(jiǎn)化為代數(shù)加減，即=U+jIX....

I滯后于U900

jIX..I.E0FfFad'Fad'F'.UjIX..EFad'=Fa

'圖6-29零功率因數(shù)負(fù)載時(shí)時(shí)-空矢量圖.E=U+

IXF'

=Ff-

Fa

'3、零功率因數(shù)特性與空載特性之間存在一個(gè)特性三角形（見圖6-30）Ff(If)UABEEE0=f(If)OKCFUN圖6-30零功率因數(shù)負(fù)載特性的分析三角形EAF也為同步發(fā)電機(jī)的特性三角形。=UN=IX=If0=If=Ifa

:克服漏阻抗壓降IX所需勵(lì)磁電流-OB-EA-BC-BF-AF-AC在測(cè)定零功率因數(shù)負(fù)載特性時(shí)，I保持不變，故特性三角形大小不變。若X已知，對(duì)應(yīng)于一固定I的去磁作用的等效勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)力Ifa，該三角形唯一確定，將左上角頂點(diǎn)沿空載特性移動(dòng)時(shí)，其右下角頂點(diǎn)的軌跡即為所求的零功率因數(shù)負(fù)載特性。若零功率因數(shù)負(fù)載特性是實(shí)測(cè)(設(shè)I=IN)的，如圖6-31中虛線所示，此時(shí)特性三角形為A“B”C“

，

大于，計(jì)算的電抗將大于漏抗X，稱為保梯電抗XP，XP=

/IN

實(shí)測(cè)零功率因數(shù)負(fù)載特性3與理想零功率因數(shù)負(fù)載特性2不同是由于轉(zhuǎn)子漏磁影響。若測(cè)零功率因數(shù)負(fù)載特性時(shí)電壓低，磁路不飽和，則仍為曲線2，此時(shí)作特性三角形可求X。4、保梯電抗-BCB"C"_B"C"_Ff(If)UCE0=f(If)OAUNBO'B'A'C'B"A"C"O"圖6-31由空載和零功率因數(shù)特性求特性三角形123三相穩(wěn)定短路時(shí)，特性三角形縱邊長(zhǎng)為IX，橫邊長(zhǎng)為Ifad=Ifa，稱為短路三角形。隨電壓升高，縱邊逐漸增長(zhǎng)，橫邊逐漸變小，對(duì)應(yīng)于U=UN時(shí)所得特性三角形縱邊長(zhǎng)為IXp，稱保梯三角形。凸極機(jī)：Xp=(1.05~1.1)X

隱極機(jī)：

Xp=(1.1~1.3)X

IfaINXI=0I=IN1、外特性是指：n=nN,If=常數(shù),cosj=常數(shù)條件下，同步發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行時(shí),端電壓U隨負(fù)載電流而變化的關(guān)系曲線U=f(I)。

2、外特性曲線形狀與負(fù)載的性質(zhì)有關(guān)。感性負(fù)載及純電阻負(fù)載：電樞反應(yīng)去磁★感性負(fù)載(j>0,y>90>0，cos

j滯后)，勵(lì)磁電流If不變時(shí)，隨著電樞電流I的增大，有兩個(gè)因素導(dǎo)致端電壓下降：電樞反應(yīng)的去磁EU；漏抗壓降IRa的增大。故感性負(fù)載同步電機(jī)的外特性是下降的曲線?！锶菪载?fù)載對(duì)于(j<0,y<90，cos

j超前)，電樞反應(yīng)為增磁作用，電樞電流I增大，端電壓U反而增大。圖6-32給出了各種情況下的外特性曲線?！锛冸娮柝?fù)載:電樞反應(yīng)去磁,外特性是下降曲線.四、外特性和電壓調(diào)整率3、為使不同cosj下，I=IN時(shí)均有U=UN，則感性負(fù)載下所需勵(lì)磁電流If大----過勵(lì)狀態(tài)容性負(fù)載下所需勵(lì)磁電流If小----欠勵(lì)狀態(tài)純電阻負(fù)載cosj=1下所需勵(lì)磁電流If----正常勵(lì)磁狀態(tài)cosj=O.8滯后cosj=O.8超前cosj=1INUN圖6-32同步發(fā)電機(jī)的外特性IU4、電壓調(diào)整率：同步發(fā)電機(jī)在額定負(fù)載時(shí)(I=IN，U=UN，cosj=cosjN)的勵(lì)磁電流稱額定勵(lì)磁電流記為IfN。

發(fā)電機(jī)的端電壓隨著負(fù)載電流的改變而變,保持勵(lì)磁電流If=IfN和轉(zhuǎn)速n=nN,卸去負(fù)載,發(fā)電機(jī)的端電壓將由UN變化為空載電勢(shì)E0

，電壓變化的幅度可以用電壓調(diào)整率來表示U=（E0-UN）/UN*100%圖6-33從外特性求電壓調(diào)整率INUNIUE0UI=IfNcosj=cosjN1、發(fā)電機(jī)負(fù)載變化，為保持端電壓U不變，必需調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流If。圖6-34調(diào)整特性2、調(diào)整特性是當(dāng)n=nN,U=常數(shù),cosj=常數(shù)時(shí)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流If與電樞(負(fù)載)電流的關(guān)系曲線If

=f(I)。3、調(diào)整特性曲線形狀與負(fù)載的性質(zhì)有關(guān)★感性負(fù)載及純電阻負(fù)載：I

If

★容性負(fù)載：因負(fù)載電流助磁，I

If

調(diào)整特性見圖6-34INIIf0Ifcosj=O.8滯后cosj=O.8超前cosj=O滯后cosj=1五、調(diào)整特性6.3.2特性曲線在參數(shù)計(jì)算中的應(yīng)用一、利用空載特性和零功率因數(shù)特性確定Xd的飽和值（圖6-35）Ff(If)UOA:額定點(diǎn)BI=0I=INUNCLKT線性化空載特性E0"=f(Ff)E0=f(Ff)=E=UN+INXd=+

=

INXd飽和故X*d飽和=Xd飽和/Zb=/IN*IN/=/-BL-KT-KA-AT-AT-AT-KA-KA-AT圖6-35.U.I.IRa.E0.E.Id.IqjIqXaq..EaqjIX..EdFad'Faq'FfFad'Fd'圖6-36計(jì)飽和時(shí)凸極同步發(fā)電機(jī)時(shí)—空矢量圖設(shè)Ra、X、Kad、KaqU、I、

cosj等已知★求=IqXaq

=IXaq★由I1及Fa1=1.35INKN1/p,計(jì)算出Fa1★=可由磁動(dòng)勢(shì)Fa1Kaq=查空載特性的直線部分求得?！镞BOQ得角★知角及QO.EQjIXaq..E.E二、電壓調(diào)整率和額定勵(lì)磁磁勢(shì)的求法

1、凸極同步發(fā)電機(jī)AB-AB-AQ-AQ-OX-XTFaq‘=FaqKaq

=Fa1Kaq

cos可求Fad’=FadKad=

Fa1sinKad★已知=Ed,查E0=f(Ff)得Fd'=★由矢量方程Fd

=Ff+Fad‘得Ff=Fd

‘

-Fad‘求得Ff

數(shù)值上Ff=Fd‘+Fad‘=★由Ff查I=0時(shí)空載特性E0=f(Ff)曲線,求得E0★電壓調(diào)整率UU=(E0-UN)/UN*100%=()/UN*100%IfN

=/Nf圖6-37凸極同步發(fā)電機(jī)電壓調(diào)整率的圖解求法-OYFfEEOE0=f(Ff)FadfFd'FfKaqFa1IqXaq/cosXT-OBYBNZE0-YZ=-OX/KaqsinKad-OZ-ON-UN-OZ2、隱極同步發(fā)電機(jī)飽和時(shí)可用保梯圖求解將X用Xp代替，求得E由E'

查空載特性得F'

或If,在矢量圖上作F'

超前E

'

900,最后由矢量合成得Ff=F'

-Fa

',再結(jié)合空載特性求得IfN和U。.=U+IRa+jIXp..E.IfEEOE0=f(Ff)IfNYE0jIXp..E

IRa..UBIfC

C'

I.Fa'(Ifa)Ifa.D'

G

G'

IfaEa將保梯圖與空載特性畫在一起如右圖6-37。圖6-37用保梯圖與空載特性求IfN和U-DE=E0D

E

U=()/UN*100%-DE-UN-OB=IfN-OC=If-CB=Ifa

=

kaFa/Nf=Fa'

/Nf+j上述介紹的隱極同步發(fā)電機(jī)飽和時(shí)求解電壓調(diào)整率和額定勵(lì)磁磁勢(shì)的保梯圖法同樣適用于凸極機(jī)，具體做法時(shí)：用kadFa代替kaFa，由于未對(duì)直軸和交軸電樞反應(yīng)進(jìn)行區(qū)別處理，結(jié)果存在誤差，但當(dāng)cosj=O.8時(shí)，所導(dǎo)致的IfN不會(huì)超過10%，工程上允許。例：P316--3186.3.3同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的測(cè)定測(cè)Xd、Xq的不飽和值方法----轉(zhuǎn)差法一、試驗(yàn)方法：將被測(cè)發(fā)電機(jī)用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)到接近同步轉(zhuǎn)速(s0.01)nnN,勵(lì)磁繞組開路,定子側(cè)加額定頻率的相序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向一致的三相對(duì)稱低電壓(0.02-0.15)UN,保證被測(cè)電機(jī)不被拉入同步。用示波器拍攝轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組開路電壓、定子電壓電流波形(圖6-38）。轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速，電樞磁場(chǎng)軸線依此交替地與轉(zhuǎn)子直軸、交軸重合。與直軸重合，Iq=0,電樞電抗達(dá)最大值Xd,定子電流為最大值Imin,供電線路壓降減小，定子電壓為Umax,故Xd=Umax/Imin同理Xq=Umin/Imax6.4同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行★單機(jī)供電的缺點(diǎn)：不能保證供電質(zhì)量(電壓和頻率的穩(wěn)定性)和可靠性(發(fā)生故障就得停電)；無法實(shí)現(xiàn)供電的靈活性和經(jīng)濟(jì)性。這些缺點(diǎn)可通過多機(jī)并聯(lián)來改善。

★通過并聯(lián)可將幾臺(tái)電機(jī)或幾個(gè)電站并成一個(gè)電網(wǎng)?，F(xiàn)代發(fā)電廠都是把幾臺(tái)同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)起來接在共同的匯流排上，一個(gè)地區(qū)總有多個(gè)發(fā)電廠并聯(lián)起來組成一個(gè)強(qiáng)大的電力系統(tǒng)(電網(wǎng))。

★電網(wǎng)供電優(yōu)點(diǎn)：

①提高了供電可靠性。一臺(tái)電機(jī)故障或檢修不會(huì)引起停電事故。

②提高了供電的經(jīng)濟(jì)性和靈活性。若水電廠與火電廠并聯(lián)，在枯水期和旺水期兩種電廠可以調(diào)配發(fā)電。用電高峰期和低谷期可靈活決定投入電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)數(shù)量，提高發(fā)電效率和供電靈活性。

③提高了供電質(zhì)量。電網(wǎng)容量大(相對(duì)于單臺(tái)發(fā)電機(jī)或個(gè)別負(fù)載可視為無窮大)，單臺(tái)發(fā)電機(jī)投入與停機(jī)、個(gè)別負(fù)載變化對(duì)電網(wǎng)影響甚微，衡量供電質(zhì)量的電壓和頻率可視為恒定不變的常數(shù)。同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)到電網(wǎng)后其電壓、頻率和電網(wǎng)一致不能單獨(dú)變化。

6.4.1投入并聯(lián)的條件和方法一、并聯(lián)條件：把同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)至電網(wǎng)的過程稱為投入并聯(lián)(并列、并車、整步)。并車時(shí)必須避免產(chǎn)生巨大的沖擊電流，以防止同步發(fā)電機(jī)受到損壞（電磁沖擊、機(jī)械沖擊）、電網(wǎng)遭受干擾。

★并聯(lián)條件：

①波形相同；②頻率相同；③相序相同；

相位相同；相序相同（多相系統(tǒng)相容的基本要求）。

★若以上條件中的任何一個(gè)不滿足則在開關(guān)兩端會(huì)出現(xiàn)差額電壓，如果閉合開關(guān)，在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)組成的回路中必然會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊電流。

★上述條件中相序一致是絕對(duì)條件，其它條件是相對(duì)的，因?yàn)橥ǔｋ姍C(jī)可以承受一些小的沖擊電流。二、并聯(lián)方法

1、準(zhǔn)確同步法：將發(fā)電機(jī)調(diào)整到完全符合并聯(lián)條件后的合閘操作過程稱準(zhǔn)確同步法調(diào)整過程常用同步指示器來判斷條件的滿足情況。最簡(jiǎn)單的同步指示器由三相相燈組成，并有直接接法、交叉接法。

★直接接法（燈光明暗法）①接線圖：

如圖6-39所示，將三只燈泡直接跨接于電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)的對(duì)應(yīng)相之間。②采用直接接法，每組燈上電壓相同，假設(shè)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的電壓幅值相同，而頻率不同，其相量圖見右圖6-40。U.以頻率（f2-f1)在(0—2)U1之間交變，即三組相燈以頻率f2-f1閃爍，同暗同亮。

UA1.

UA2.

UB1.

UC1.

UB2.

UC2.UA.w2w1圖6-40直接接法的相量圖③電網(wǎng)圖6-39直接接法接線圖并車方法：A、調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流大小使其端電壓與電網(wǎng)電壓相等；B、調(diào)節(jié)相序，如果相序一致，燈光應(yīng)表現(xiàn)為明暗交替，如燈光不是明暗交替說明相序不一致，應(yīng)調(diào)整發(fā)電機(jī)的出線相序或電網(wǎng)的引線相序，嚴(yán)格保證相序一致；C、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速n，改變頻率，直到燈光明暗交替頻率很低，等待燈光完全變暗的瞬間到來，即可合閘并車。

并聯(lián)后的自整步作用合閘前，燈光仍在亮、暗交替變化，說明f2和f1還不是嚴(yán)格相等，合閘后仍有存在。分析表明，由于U的存在所產(chǎn)生的自整步作用，使電機(jī)最終能同步運(yùn)行。U.若f2>f1，合閘后相量圖如圖6-40。產(chǎn)生的環(huán)流Ih滯后約900，也滯后。對(duì)發(fā)電機(jī)相當(dāng)于輸出電功率，軸上受制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速下降，直到嚴(yán)格同步,f2=f1

。同理f2<f1,發(fā)電機(jī)軸上受驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速上升(圖略)，直到嚴(yán)格同步,f2=f1。U..U.U.U.U.U2.U1.U1.-.Ih圖6-40自整步作用★交叉接法（燈光旋轉(zhuǎn)法）①接線圖：如圖6-41所示，一相相燈直接接于某相開關(guān)兩端，另兩相相燈交叉連接。②采用交叉接法，每組燈上電壓不相等，各組燈亮度不一樣。假設(shè)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的電壓幅值相同，而頻率不同，其相量圖見右圖6-42。w2

UA1.

UA2.

UB1.

UC1.

UB2.

UC2.UI.w1UII.UIII.圖6-42各組同步指示燈的電壓③分析燈光特點(diǎn)：假設(shè)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的電壓幅值相同，而頻率不同(設(shè)w2>w1)，由相量圖右圖6-43可知三組燈的亮度變化情況。圖6-41交叉接法接線圖發(fā)電機(jī)電網(wǎng)UIII.圖6-43旋轉(zhuǎn)燈光法并網(wǎng)過程分析最亮半亮半亮半亮半亮半亮半亮UA1.UA2.UA1.UA2.UA1.UA2.UB1.UB1.UC2.UC2.UB1.UC2.UB2.UC1.UB2.UC1.UC1.UIII.UI.UII.UII.UII.UI.UI.UI.UIII.UB2.最亮最亮半亮旋轉(zhuǎn)法并車方法為：A、通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小使得端電壓與電網(wǎng)電壓相等；B、電壓調(diào)整好后，如果相序一致，則燈光旋轉(zhuǎn)，否則說明相序不一致，這時(shí)應(yīng)調(diào)整發(fā)電機(jī)的出線相序或電網(wǎng)的引線相序，嚴(yán)格保證相序一致；C、通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變的頻率，直到燈光旋轉(zhuǎn)十分緩慢時(shí)，頻率f2f1，當(dāng)燈I完全熄滅，另兩組燈等亮度時(shí)迅速合閘并車。并聯(lián)后最終由自整步作用牽入同步運(yùn)行。準(zhǔn)確同步法（燈光法）又稱理想整步法，合閘時(shí)無明顯的沖擊電流；對(duì)并車條件逐一檢查和調(diào)整，操作復(fù)雜，費(fèi)時(shí)較多。2、自同步法：當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障，一般要求迅速將發(fā)電機(jī)投入，因電網(wǎng)電壓和頻率出現(xiàn)不穩(wěn)定，準(zhǔn)確同步法很難操作，往往用自同步法實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行。①自同步法操作過程：在相序一致的情況下將勵(lì)磁繞組通過適當(dāng)?shù)碾娮瓒探?，再用原?dòng)機(jī)把發(fā)電機(jī)拖動(dòng)到接近同步速(相差小于2~5％)，在沒有接通勵(lì)磁電流的情況下合閘將發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)，并立即加入勵(lì)磁，依靠定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間的電磁轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子拉入同步轉(zhuǎn)速，并車過程即告結(jié)束。需要注意的是，勵(lì)磁繞組必須通過一限流電阻短接，因?yàn)橹苯娱_路，將在其中感應(yīng)出危險(xiǎn)的高壓；直接短路，將在定、轉(zhuǎn)子繞組間產(chǎn)生很大的沖擊電流。自同步法的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，方便快捷；缺點(diǎn)：合閘時(shí)有沖擊電流。

6.4.2功率和轉(zhuǎn)矩平衡方程一、功率平衡：1、同步發(fā)電機(jī)的功率流程如圖6-44所示。P1:原動(dòng)機(jī)向發(fā)電機(jī)輸入的機(jī)械功率Pmec:軸與軸承間的摩擦、轉(zhuǎn)動(dòng)部分與空氣的摩擦及通風(fēng)設(shè)備的損耗，為機(jī)械損耗PFe:定子鐵心中的渦流和磁滯損耗，鐵心損耗Pad:附加損耗Pem

:為通過電磁感應(yīng)作用轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄗ永@組上的電功率，稱電磁功率PCu1:負(fù)載運(yùn)行時(shí)定子繞組中還存在定子銅耗P2:發(fā)電機(jī)輸出功率。

2、同步發(fā)電機(jī)的功率平衡方程式為：

★功率平衡方程式:P1-(Pmec+PFe+Pad)=Pem=P2+PCu1P2=P1-(Pmec+PFe+Pad)-PCu1★Pem大小：Pem=P2+PCu1=mUIcos+mI2Ra=mEIcosii---

與之間的夾角PemP1P2PmecPadPFe圖6-44功率流程圖E.I.Pem=mEIcosiA、隱極同步發(fā)電機(jī)機(jī)：Ecosi=E0cos（參圖6-45）則Pem=mEIcosi=mE0Icos

.U.I.I.E0.EjIX.jIXa..Ea.IRa.Ei圖6-45不計(jì)飽和時(shí)隱極同步發(fā)電機(jī)電磁功率推導(dǎo)用圖B、凸極同步發(fā)電機(jī)：Ecosi=EQcos=[E0-Id(Xd-Xq)]cos則Pem=mEIcosI=mE0Icos-mIdIq(Xd-Xq)（參圖6-21)C、定子繞組的電阻一般較小，其銅耗可以忽略不計(jì)，則有PemP2=mUIcos=mUIcos(-)二、轉(zhuǎn)矩平衡：將功率平衡方程式兩側(cè)同除轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度=2n/60即T1-(Tmec+TFe+Tad)=TemT1---驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tmec、TFe、Tad、Tem---制動(dòng)轉(zhuǎn)矩6.4.2功角特性一、電磁功率：PemP2=mUIcos=mUIcos(-)=mUI(coscos+sinsin)=mUIqcos+mUIdsin二、功角特性★

y為內(nèi)功率因數(shù)角，

=y-j定義為功角。它表示發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電勢(shì)

和端電壓之間相角差。功角對(duì)于研究同步電機(jī)的功率變化和運(yùn)行的穩(wěn)定性有重要意義。.E0.U功角d在時(shí)間上表示端電壓和勵(lì)磁磁勢(shì)之間的相位差，空間上表現(xiàn)為合成磁場(chǎng)軸線與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線之間夾角。（參圖6-46）★凸極機(jī)：由圖6-21

Usin=IqXq即Iq=Usin/XqIdXd=E0-Ucos即Id=(E0-Ucos)/Xd由上三式得：（切記）★

Pem=mE0Usin/Xd+mU2/2*(1/Xq-1/Xd)sin2凸極機(jī)：基本電磁功率---mE0Usin/Xd

附加電磁功率---mU2/2*(1/Xq-1/Xd)sin2圖6-46功角空間概念★隱極機(jī)：Xq=Xd=Xt附加電磁功率=0Pem=mE0Usin/Xt★保持E0不變，電網(wǎng)電壓U、頻率f恒定（即電抗為常數(shù)），Pem=f()曲線即功角特性如圖6-4790018000Pem9000Pem1800(a)(b)圖6-47功角特性(a)隱極機(jī)(b)凸極機(jī)6.4.4有功功率調(diào)節(jié)與靜態(tài)穩(wěn)定一、

If一定，有功功率調(diào)節(jié)假設(shè)條件：無窮大電網(wǎng)---U=K、f=K、Z為隱極機(jī)且Ra=0

不飽和1、發(fā)電機(jī)輸出：P2=mE0Usin/Xt空載時(shí)，=0

Pem=0Tem=0要調(diào)節(jié)有功功率，要調(diào)節(jié)2、要改變發(fā)電機(jī)輸送給電網(wǎng)的有功功率，必須改變，改變?cè)瓌?dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率（P1、T1），即改變?cè)瓌?dòng)機(jī)提供的動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，這一改變可以通過調(diào)節(jié)水輪機(jī)的進(jìn)水量或汽輪機(jī)的進(jìn)汽量來達(dá)到。空載時(shí)T0=T1，現(xiàn)增大T1，T1T0轉(zhuǎn)子加速，增大，直到轉(zhuǎn)矩平衡，轉(zhuǎn)子勻速運(yùn)行。3、同步發(fā)電機(jī)的極限功率Pemmax：m：對(duì)應(yīng)于最大電磁功率的功角,一般來說凸極電機(jī)的m在45～90之間；隱極機(jī)m=