電機(jī)學(xué)第6章同步電機(jī)

第6章同步電機(jī)6.1同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)6.2空載和負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)6.3隱極同步發(fā)電機(jī)電壓方程相量圖等效電路6.4凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖6.5同步發(fā)電機(jī)的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程6.6同步電抗的測(cè)定6.7定子漏抗和電樞等效磁動(dòng)勢(shì)的測(cè)定6.8同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性6.9同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的并聯(lián)運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理大?。侯l率：

勵(lì)磁繞組通入直流電流后建立恒定磁場(chǎng)，原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，其磁場(chǎng)切割定子繞組而感應(yīng)交流電動(dòng)勢(shì)

.相序：由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向決定。波形：由可知，波形取決于的空間分布。U2U1W2V1W1V2發(fā)電機(jī)的物理過(guò)程可用圖示表示旋轉(zhuǎn)示意圖1旋轉(zhuǎn)示意圖2

現(xiàn)代社會(huì)中的交流電能幾乎全部由同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生。如汽輪發(fā)電機(jī)（火電和核電）和水輪發(fā)電機(jī)（水電站）單機(jī)容量均已超過(guò)100萬(wàn)KW

同步電動(dòng)機(jī)主要驅(qū)動(dòng)一些不要求調(diào)速的大功率生產(chǎn)機(jī)械。

調(diào)相機(jī)實(shí)際是并聯(lián)在電網(wǎng)上空轉(zhuǎn)的同步發(fā)電機(jī)。對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)

同步電機(jī)是交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)的一種,因其轉(zhuǎn)速恒等于同步速機(jī)時(shí)得名。同步電機(jī)主要用作發(fā)電機(jī)，也可用作電動(dòng)機(jī)和補(bǔ)償機(jī)。6.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)

按運(yùn)行方式，同步電機(jī)分發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和補(bǔ)償機(jī)。按結(jié)構(gòu)型式，同步電機(jī)分旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式。旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)按磁極形狀，又分隱極式和凸極式兩種。按原動(dòng)機(jī)類別,同步電機(jī)分為汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)等。汽輪發(fā)電機(jī)一般作成隱極式，現(xiàn)代汽輪發(fā)電機(jī)均為2極，轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分鐘，水輪發(fā)電機(jī)采用凸極式，極數(shù)多，轉(zhuǎn)速低。同步電動(dòng)機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)和補(bǔ)償機(jī)一般作成凸極式。旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)的類型NS+隱極式返回NSNS+凸極式返回1同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同,可分為隱極同步電機(jī)和凸極同步電機(jī)隱極同步電機(jī)（汽輪發(fā)電機(jī)）定子鐵心：硅鋼片疊成。機(jī)座：鋼板焊接面成，有足夠的強(qiáng)度和鋼度。電樞繞組：三相對(duì)稱繞組——銅線制成定子(電樞)轉(zhuǎn)子鐵心：采用整塊的含鉻、鎳和鉬的合金鋼鍛成護(hù)環(huán)：保護(hù)勵(lì)磁繞組受離心力時(shí)不甩出勵(lì)磁繞組：銅線制成滑環(huán)：引勵(lì)磁電流經(jīng)電刷、滑環(huán)進(jìn)入勵(lì)磁繞組中心環(huán)：支持護(hù)環(huán)，阻止勵(lì)磁繞組軸向移動(dòng)轉(zhuǎn)子返回汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)定子鐵心返回汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)國(guó)產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機(jī)定子汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)國(guó)產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)返回汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)機(jī)械端口轉(zhuǎn)子定子繞組定子鐵心電端口ABC返回汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)返回國(guó)產(chǎn)300MW汽輪發(fā)電機(jī)汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)引進(jìn)600MW汽輪發(fā)電機(jī)汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)10000kW水輪機(jī)轉(zhuǎn)子水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)(1)立式水輪發(fā)電機(jī)(2)臥式水輪發(fā)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的水輪發(fā)電機(jī)水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)2同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)電機(jī)——把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能

電動(dòng)機(jī)——把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能補(bǔ)償機(jī)——沒(méi)有有功功率的轉(zhuǎn)換，只發(fā)出或吸收無(wú)功功率

同步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，主要取決于定子合成磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)之間的夾角δ，δ稱為功率角

NNoNoNoNNSoSoSSSSo主極主極同步電機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài)發(fā)電機(jī)補(bǔ)償機(jī)電動(dòng)機(jī)返回3同步電機(jī)的勵(lì)磁方式直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁——直流勵(lì)磁機(jī)通常與同步發(fā)電機(jī)同軸，采用并勵(lì)或他勵(lì)接法。整流器勵(lì)磁————靜止式旋轉(zhuǎn)式分為電勵(lì)磁方式和永磁勵(lì)磁方式

直流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生直流電通過(guò)集電環(huán)和電刷加到同步機(jī)的勵(lì)磁繞組，換向器易產(chǎn)生火花現(xiàn)已經(jīng)被永磁勵(lì)磁方式和整流器的勵(lì)磁方式取代。交流勵(lì)磁機(jī)靜止整流器勵(lì)磁方式產(chǎn)生直流電通過(guò)集電環(huán)和電刷加到同步機(jī)的勵(lì)磁繞組，轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)度增長(zhǎng)，軸的剛度的穩(wěn)定性受影響。自勵(lì)靜止整流器勵(lì)磁方式在發(fā)電機(jī)的出線端接勵(lì)磁變壓器，然后在經(jīng)整流器產(chǎn)生直流電通過(guò)集電環(huán)和電刷加到同步機(jī)的勵(lì)磁繞組，在大型發(fā)電機(jī)中應(yīng)用非常廣泛。旋轉(zhuǎn)整流器（無(wú)刷）勵(lì)磁方式。永磁勵(lì)磁方式，特別是一些高速運(yùn)行電機(jī)。常用的：直流勵(lì)磁機(jī)、交流勵(lì)磁機(jī)、靜止整流器勵(lì)磁、旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁帶副勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)GG副勵(lì)磁機(jī)主勵(lì)磁機(jī)同步發(fā)電機(jī)返回靜止整流器勵(lì)磁系統(tǒng)交流副勵(lì)磁機(jī)交流主勵(lì)磁機(jī)不可控整流起器電壓調(diào)整器主發(fā)電機(jī)電壓互感器電流互感器可控整流起器自勵(lì)恒壓器返回4同步電機(jī)的額定值對(duì)同步發(fā)電機(jī)額定值之間關(guān)系為：額定運(yùn)行時(shí)加在三相定子繞組上的線電壓。指電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，輸出功率的保證值。同步發(fā)電機(jī)是指輸出的額定視在功率或有功功率，單位是KVA或KW。電動(dòng)機(jī)額定容量是指額定條件下轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率，單位是KW。調(diào)相機(jī)用KVA或Kvar表示。在額定運(yùn)行狀態(tài)下三相定子繞組的線電流.

空載運(yùn)行時(shí)，同步電機(jī)內(nèi)僅有由勵(lì)磁電流所建立的主極磁場(chǎng)。表示一臺(tái)四極電機(jī)空載時(shí)的磁通示意圖。從圖可見(jiàn)，主極磁通分成主磁通Φ0和漏磁通Φfσ兩部分，前者通過(guò)氣隙并與定子繞組相交鏈，后者不通過(guò)氣隙，僅與勵(lì)磁繞組相交鏈。主磁通所經(jīng)過(guò)的主磁路包括空氣隙電樞齒、電樞軛、磁極極身和轉(zhuǎn)子軛等五部分。6.2空載和負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)一、空載運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)到同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子繞組通以恒定的直流勵(lì)磁電流，定子電樞繞組開(kāi)路，這種運(yùn)行狀態(tài)，稱為同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行。勵(lì)磁電流If單獨(dú)建立的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff產(chǎn)生的主、漏磁通。主、漏磁通均隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在氣隙中形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。主磁通交鏈電樞繞組，在電樞繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；漏磁通不交鏈電樞繞組，不在電樞繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，不參與定、轉(zhuǎn)子之間的能量轉(zhuǎn)換.空載時(shí)電磁關(guān)系：空載特性：空載電動(dòng)勢(shì)大?。嚎蛰d特性曲線：氣隙線時(shí)空相矢量圖時(shí)間相量E和空間相量F和B二、對(duì)稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)

電樞磁動(dòng)勢(shì)的基波在氣隙中所產(chǎn)生的磁場(chǎng)就稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)的性質(zhì)(增磁、去磁或交磁)取決于電樞磁動(dòng)勢(shì)和主磁場(chǎng)在空間的相對(duì)位置。分析表明，此相對(duì)位置取決于激磁電動(dòng)勢(shì)E0和扭載電流I之間的相角差Ψ0(Ψ0稱為內(nèi)功率因數(shù)角)。下面分成兩種情況來(lái)分析6.2空載和負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)電樞反應(yīng)的性質(zhì)，取決于電樞磁動(dòng)勢(shì)基波和勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)基波之間的相對(duì)位置，即與空載電動(dòng)勢(shì)和電樞電流之間的夾角有關(guān).勵(lì)磁磁勢(shì)和電樞磁勢(shì)的區(qū)別基波波形大小位置轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)正弦波恒定，由勵(lì)磁電流決定由轉(zhuǎn)子位置決定由原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定由原動(dòng)機(jī)決定電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)正弦波恒定，由電樞電流決定由電流瞬時(shí)值決定由磁極對(duì)數(shù)和電流頻率決定由電流相序決定準(zhǔn)備工作三個(gè)角四個(gè)軸

1

時(shí)的電樞反應(yīng)d軸q軸A軸AX

ZBCYNSC軸B軸電樞反應(yīng)性質(zhì)：交軸電樞反應(yīng)空載電動(dòng)勢(shì)和電樞電流同相位.a)定子繞組電動(dòng)勢(shì)、電流和磁動(dòng)勢(shì)的空間矢量圖b)時(shí)間矢量圖c)時(shí)-空統(tǒng)一矢量圖d)氣隙合成磁場(chǎng)與主磁場(chǎng)的相對(duì)位置

a)滯后于時(shí)的空間矢量圖

b)滯后時(shí)的時(shí)-空統(tǒng)一矢量圖

c)超前時(shí)得時(shí)-空統(tǒng)一矢量圖返回d軸q軸A軸AX

ZBCYNSC軸V軸2

時(shí)的電樞反應(yīng)空載電動(dòng)勢(shì)超前電樞電流電樞反應(yīng)性質(zhì)：直軸去磁電樞反應(yīng)d軸q軸A軸AX

ZBCYNSC軸B軸3

時(shí)的電樞反應(yīng)空載電動(dòng)勢(shì)滯后電樞電流

電樞反應(yīng)性質(zhì)：直軸助磁電樞反應(yīng)d軸q軸A軸AX

ZBCYNSC軸B軸4

一般情況下的電樞反應(yīng)空載電動(dòng)勢(shì)超前電樞電流角,電樞反應(yīng)性質(zhì)：既有交軸,還有直軸去磁電樞反應(yīng)此種情況下---直軸分量---交軸分量---直軸分量電流產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)---交軸分量電流產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)一般情況下的電樞反應(yīng)小結(jié)上升下降

上升下降下降下降不變不變下降R、C增強(qiáng)交軸直軸助磁d、q軸R、L削弱交軸直軸去磁d、q軸C增強(qiáng)直軸助磁d軸L削弱直軸去磁d軸R波形畸變交軸q軸

負(fù)載性質(zhì)對(duì)電機(jī)的影響電樞反應(yīng)性質(zhì)記作夾角

位置隱極(Cylindrical-rotor)發(fā)電機(jī)的電磁過(guò)程:不考慮磁飽和6.3隱極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖和等效電路在時(shí)間相位上，滯后于以90°電角度，若不計(jì)定子鐵耗,與同相位，則將滯后于以90°電角度于是亦可寫(xiě)成負(fù)電抗壓降的形式，即采用發(fā)電機(jī)慣例，以輸出電流作為電樞電流的正方向時(shí)，電樞的電壓方程為

因?yàn)殡姌蟹磻?yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea正比于電樞反應(yīng)磁通Φa不計(jì)磁飽和時(shí)，Φa又正比于電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa和電樞電流I，即

(6—5)

(6—6)

將式(6—6)代人式(6—5)，可得

(6—7)

式中，Xs稱為隱極同步電機(jī)的同步電抗，Xs=Xa+Xσ，它是對(duì)稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)表征電樞反應(yīng)和電樞漏磁這兩個(gè)效應(yīng)的一個(gè)綜合參數(shù)。不計(jì)飽和時(shí)，Xs是一個(gè)常值。圖6—15a和b表示與式(6—5)和式(6—7)相對(duì)應(yīng)的相量圖，圖6—15c表示與式(6—7)相應(yīng)的等效電路。從圖6—15c可以看出，隱極同步發(fā)電機(jī)的等效電路由激磁電動(dòng)勢(shì)和同步阻抗Ra+jXs串聯(lián)組成，其中E0表示主磁場(chǎng)的作用，Xs表示電樞反應(yīng)和電樞漏磁場(chǎng)的作用。隱極同步發(fā)電機(jī)的向量圖返回隱極同步發(fā)電機(jī)的向量（圖b）返回隱極同步發(fā)電機(jī)的等效電路返回隱極發(fā)電機(jī)的電勢(shì)方程式其中同步電抗的物理意義：表征地對(duì)稱負(fù)載下單位電樞電流三相聯(lián)合產(chǎn)生的電樞總磁場(chǎng)在電樞每相繞組中感應(yīng)電勢(shì)簡(jiǎn)化方程式隱極發(fā)電機(jī)的相量圖已知發(fā)電機(jī)的端電壓、負(fù)載電流和功率因數(shù)cosφ及參數(shù)R

、xsφψδ當(dāng)功率因數(shù)cos

φ滯后時(shí)的相量圖考慮磁飽和時(shí)，由于磁路的非線性，疊加原理不再適用。此時(shí)，應(yīng)先求出作用在主磁路上的合成磁動(dòng)勢(shì)F，然后利用電機(jī)的磁化曲線

(空載曲線)求出負(fù)載時(shí)的氣隙磁通及相應(yīng)的氣隙電動(dòng)勢(shì)。二、考慮磁飽和時(shí)再?gòu)臍庀峨妱?dòng)勢(shì)減去電樞繞組的電阻和漏抗壓降，使得電樞的端電壓，即相應(yīng)的矢量圖、相量圖和F～E間的關(guān)系如圖6—16a和6—16b所示。圖6-16a中既有電動(dòng)勢(shì)相量，又有磁動(dòng)勢(shì)矢量。故稱為電動(dòng)勢(shì)—磁動(dòng)勢(shì)圖?；蚍祷匾弧㈦p反應(yīng)理論：考慮到凸極電機(jī)氣隙的不均勻性，把電樞反應(yīng)分成直軸和交軸電樞反應(yīng)分別來(lái)處理的方法，就稱為雙反應(yīng)理論。凸極同步電機(jī)的氣隙是不均勻的，極面下氣隙較小，兩極之間氣隙較大，故直軸下單位面積的氣隙磁導(dǎo)λd(λd＝μ0／λd)要比交軸下單位面積的氣隙磁導(dǎo)λq(λq＝μ0／λq)大很多，當(dāng)正弦分布的電樞磁動(dòng)勢(shì)作用在直軸上時(shí)，由于λd較大，故在一定大小的磁動(dòng)勢(shì)下，直軸基波磁場(chǎng)的幅值Bad1相對(duì)較大。6.4凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖圖6—18雙反應(yīng)理論雙反應(yīng)理論圖6—18雙反應(yīng)理論返回雙反應(yīng)理論雙反應(yīng)理論（布朗戴爾雙反應(yīng)法）

在磁路不飽和的條件下采用疊加定理，先把電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa分解為兩個(gè)磁動(dòng)勢(shì)：一個(gè)作用在直軸上，叫直軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)Fad，一個(gè)作用在交軸上，稱交軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)Faq，兩者分別產(chǎn)生與其相位相同的直、交軸基波氣隙磁通密度，分別在繞組中產(chǎn)生電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)Ead和Eaq，在加上基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff1產(chǎn)生空載電動(dòng)勢(shì)E0。三者疊加就得到氣隙磁動(dòng)勢(shì)

不考慮磁飽和時(shí)同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)物理量的關(guān)系：二、凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖6.4凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖凸極同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)方程和相量圖凸極同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)方程電磁關(guān)系：不計(jì)磁路飽和時(shí)有下列關(guān)系由于且令--直軸同步電抗--交軸同步電抗則電動(dòng)勢(shì)平衡方程分別表征在對(duì)稱負(fù)載下，單位直軸或交軸三相電流產(chǎn)生的總電樞磁場(chǎng)在電樞每一相繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)。直軸和交軸同步電抗的意義由于電抗與繞組匝數(shù)的平方和所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)成正比，所以所示。對(duì)于凸極電機(jī)，由于直軸下的氣隙較交軸下小，>，所以Xad>Xaq，因此在凸極同步電機(jī)中，Xd>Xq。對(duì)于隱極電機(jī)，由于氣隙是均勻的，故Xd≈Xq≈Xs

返回

式中，Xd和Xq分別稱為直軸同步電抗和交軸同步電抗，它們是表征對(duì)稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電樞漏磁和直軸或交軸電樞反應(yīng)的一個(gè)綜合參數(shù)。上式就是凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程。引入虛擬電動(dòng)勢(shì)，使可得

和可以用相應(yīng)的負(fù)電抗壓降來(lái)表示若正方向按圖規(guī)定，則有代入得到凸極發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)方程或注意：方程式中的電壓、電動(dòng)勢(shì)和電流均為相值。凸極同步發(fā)電機(jī)的向量圖返回角的確定返回凸極同步發(fā)電機(jī)的等效電路圖返回凸極同步電機(jī)電樞磁通及所經(jīng)磁路及磁導(dǎo)返回直軸電樞磁導(dǎo)交軸電樞磁導(dǎo)返回凸極同步發(fā)電機(jī)的相量圖作圖步驟若內(nèi)功率因數(shù)角不知，可從以下公式求取6.5同步發(fā)電機(jī)的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程一、功率方程和電磁功率

功率方程

若轉(zhuǎn)子勵(lì)磁損耗由另外的直流電源供給，則發(fā)電機(jī)軸上輸入的機(jī)械功率Pl扣除機(jī)械損耗和定子鐵耗后，余下的功率將通過(guò)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和電磁感應(yīng)的作用，轉(zhuǎn)換成定子的電功率，所以轉(zhuǎn)換功率就是電磁功率Pe，即

再?gòu)碾姶殴β蔖e中減去電樞銅耗可得電樞端點(diǎn)輸出的電功率P2；即

電磁功率

上式的第一部分與感應(yīng)電機(jī)的電磁功率表達(dá)式相同，第二部分則是同步電機(jī)常用的。對(duì)于隱極同步電機(jī)，由于EQ＝E0，故有二、轉(zhuǎn)矩方程返回電磁轉(zhuǎn)矩

同步發(fā)電機(jī)帶上負(fù)載后，電樞電流建立電樞反應(yīng)磁場(chǎng)，它與勵(lì)磁電流作用產(chǎn)生電磁力，在某些情況下形成電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。輸出的有功功率越大，有功分量電流就越大，交軸電樞反應(yīng)越強(qiáng)，電磁轉(zhuǎn)矩越大，為了保持電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，要求原動(dòng)機(jī)輸入更大的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩——調(diào)節(jié)有功功率。1.有功電流產(chǎn)生電磁力,形成電磁轉(zhuǎn)矩當(dāng)發(fā)電機(jī)帶有功負(fù)載(阻性負(fù)載)時(shí),可以近似認(rèn)為即，電樞繞組流過(guò)有功電流時(shí),產(chǎn)生交軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)。勵(lì)磁繞組載流體在該磁場(chǎng)作用產(chǎn)生電磁力，并形成制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。2.無(wú)功電流產(chǎn)生電磁力但不形成轉(zhuǎn)矩

說(shuō)明發(fā)電機(jī)帶感性(或容性)無(wú)功負(fù)載時(shí),不需要原動(dòng)機(jī)增加能量。

但是直軸去磁（或助磁）電樞反應(yīng)對(duì)氣隙磁場(chǎng)有去磁（或助磁）作用，致使發(fā)電機(jī)端電壓下降（或上升）。為維持電壓恒定，勵(lì)磁電流需要相應(yīng)增加（或減?。{(diào)節(jié)無(wú)功功率。發(fā)電機(jī)帶電感或電容負(fù)載(無(wú)功負(fù)載)時(shí),可以認(rèn)為產(chǎn)生直軸去磁(或助磁)電樞反應(yīng)磁場(chǎng)。勵(lì)磁繞組載流體在該磁場(chǎng)作用產(chǎn)生電磁力，但不形成電磁轉(zhuǎn)矩。有功電流產(chǎn)生電磁力，并形成電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o功電流產(chǎn)生電磁力，不形成電磁轉(zhuǎn)矩當(dāng)忽略電機(jī)本身參數(shù),ψ≈φ=00,有功電流產(chǎn)生電磁力,并形成電磁轉(zhuǎn)矩Temn1Temψ≈φ=900,無(wú)功電流產(chǎn)生電磁力,不形成電磁轉(zhuǎn)矩

n1nΦadIfAZBXCYNS6.6同步電機(jī)參數(shù)的測(cè)定一、用空載特性和短路特性確定Xd

空載特性可以用空載試驗(yàn)測(cè)出。試驗(yàn)時(shí)，電樞開(kāi)路(空載)，用原動(dòng)機(jī)把被試同步電機(jī)拖動(dòng)到同步轉(zhuǎn)速，改變勵(lì)磁電流If，并記取相應(yīng)的電樞端電壓U0(空載時(shí)即等于E0，直到U0≈1.25UN左右，可得空載特性曲線。

短路特性可由三相穩(wěn)態(tài)短路試驗(yàn)測(cè)得，試驗(yàn)線路如圖6-24a所示。將被試同步電機(jī)的電樞端點(diǎn)三相短路，用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)被試電機(jī)到同步轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If使電樞電流I從零起一直增加到1.2IN左右，便可得到短路特性曲線，如圖6—24b所示。

短路時(shí)，，故，，而

所以

因?yàn)槎搪吩囼?yàn)時(shí)磁路為不飽和，所以這里的E0(每相值)應(yīng)從氣隙線上查出，如圖6—25所示，求出的Xd值為不飽和值。

(6—19)(6—20)

Xd的飽和值與主磁路的飽和情況有關(guān)。主磁路的飽和程度取決于實(shí)際運(yùn)行時(shí)作用在主磁路上的合成磁動(dòng)勢(shì)，因而取決于相應(yīng)的氣隙電動(dòng)勢(shì)；如果不計(jì)漏阻抗壓降，則可近似認(rèn)為取決于電樞的端電壓，所以通常用對(duì)應(yīng)于額定電壓時(shí)的Xd值作為其飽和值。為此，從空載曲線上查出對(duì)應(yīng)于額定端電壓UN時(shí)的勵(lì)磁電流If0，再?gòu)亩搪诽匦陨喜槌雠c該勵(lì)磁電流相應(yīng)的短路電流，如圖6—26所示，這樣即可求出Xd(飽和)例題返回短路實(shí)驗(yàn)接線圖返回短路特性返回用空載和短路特性來(lái)確定返回

(飽和)的確定返回6.7同步發(fā)電機(jī)特性、短路特性及同步電抗的測(cè)定1.空載特性定義：

空載特性是發(fā)電機(jī)的基本特性之一。它一方面表征了磁路的飽和情況，另一方面把它和短路特性、零功率因數(shù)負(fù)載特性配合，可確定電機(jī)的基本參數(shù)、額定勵(lì)磁電流和電壓變化率等。

實(shí)際生產(chǎn)中，它還可以檢查三相電樞繞組的對(duì)稱性、匝間短路、判斷勵(lì)磁繞組和定子鐵心有無(wú)故障等。定義：短路時(shí)的等效電路2.短路特性短路時(shí),電樞反應(yīng)為直軸去磁氣隙電動(dòng)勢(shì)很小,感應(yīng)氣隙電動(dòng)勢(shì)的氣隙磁通量很小,所以磁路不飽和.所以短路特性是一條過(guò)原點(diǎn)的直線.此時(shí)是常數(shù),有先短路后勵(lì)磁，短路電流小3.同步電抗的求取隱極發(fā)電機(jī)三相繞組短路電流時(shí)電壓方程式忽略電阻R時(shí)如果已知漏電抗，則電樞反應(yīng)電抗為3.同步電抗的求取短路時(shí)Iq=0，Id=Ik求xd不飽和值時(shí),首先給定一勵(lì)磁電流If，在空載特性的不飽和段或氣隙線上確定對(duì)應(yīng)If的E0值，然后在短路特性曲線上確定對(duì)應(yīng)If的短路電流Ik的值,則

求取xd飽和值時(shí)，首先在空載特性上取對(duì)應(yīng)額定電壓UN的勵(lì)磁電流If0，再?gòu)亩搪诽匦陨先〕鰧?duì)應(yīng)If0的短路電流Ik，則

交軸同步電抗

凸極發(fā)電機(jī)6.8同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性一、同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性包括外特性、調(diào)整特性和效率特性。

外特性——外特性表示發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，且勵(lì)磁電流和負(fù)載功率因數(shù)不變時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓與電樞電流之間的關(guān)系：即n＝nS，If=常值，cosφ=常值時(shí)，U=f(I)。

圖6—30

表示帶有不同功率因數(shù)的負(fù)載時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的外特性。

調(diào)整特性——調(diào)整特性表示發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、端電壓為額定電壓、負(fù)載的功率因數(shù)不變時(shí)，勵(lì)磁電流與電樞電流之間的關(guān)系；即n＝nS，U=UNΦ，cosφ=常值時(shí)，If=f(I)。

圖6—31表示帶有不同功率因數(shù)的負(fù)載時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性

效率特性——效率特性是指轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、端電壓為額定電壓、功率因數(shù)為額定功率因數(shù)時(shí)，發(fā)電機(jī)的效率與輸出功率的關(guān)系；即n＝nS，U=UNΦ，cosφ=cosφN時(shí)，η=f(P2)。

返回同步發(fā)電機(jī)的外特性cosΦ=0.8滯后cosΦ=1cosΦ=0.8超前返回圖6—31同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性cosΦ=0.8滯后cosΦ=1cosΦ=0.8超前返回1.負(fù)載特性2.零功率因數(shù)負(fù)載特性：功率因數(shù)為零時(shí)的負(fù)載特性目的：求電樞繞組的漏電抗同步發(fā)電機(jī)的零功率因數(shù)負(fù)載特性和保梯電抗的測(cè)定IfE0U氣隙線空載特性試驗(yàn)曲線取額定點(diǎn)n,取與橫軸兩線的距離到L3處,作氣隙線的平行線交空載特性與K點(diǎn),過(guò)K點(diǎn)作垂線交m.km即為對(duì)應(yīng)漏電抗電動(dòng)勢(shì)nL3km同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整特性和調(diào)整特性定義：1.同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整特性即外特性

當(dāng)發(fā)電機(jī)帶阻性和感性負(fù)載時(shí)，外特性是下降的，原因是電樞反應(yīng)的去磁作用和電樞漏阻抗產(chǎn)生了電壓降；帶容性負(fù)載時(shí)且（發(fā)電機(jī)負(fù)載的容抗大于同步電抗）時(shí)，外特性是上升的，原因是電樞反應(yīng)的助磁作用和容性電流在漏抗上的壓降。為了在不同功率因數(shù)下時(shí)能得到額定電壓，感性負(fù)載時(shí)要增大勵(lì)磁電流，容性負(fù)載時(shí)應(yīng)減小勵(lì)磁電流。

2.調(diào)節(jié)特性

在感性和阻性負(fù)載時(shí)，隨著負(fù)載電流的增加，必須增加勵(lì)磁電流，補(bǔ)償電樞反應(yīng)的去磁作用和漏阻抗壓降，保持端電壓恒定；對(duì)容性負(fù)載，隨著負(fù)載電流的增加，必須減小勵(lì)磁電流。

在功率因數(shù)一定情況下,根據(jù)調(diào)整特性曲線,可確定在負(fù)載變化范圍內(nèi),維持電壓不變所需的勵(lì)磁電流的變化范圍。運(yùn)行人員可利用調(diào)整特性曲線,使系統(tǒng)中無(wú)功功率的分配更合理一些。并聯(lián)運(yùn)行的含義6.9同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的并聯(lián)運(yùn)行1、提高供電的可靠性；2、提高供電的經(jīng)濟(jì)性；3、提高電能的質(zhì)量。無(wú)窮大電網(wǎng)的含義

將兩臺(tái)或更多臺(tái)發(fā)電機(jī)分別接在電力系統(tǒng)對(duì)應(yīng)母線上，或通過(guò)變壓器、輸電線接在電力系統(tǒng)的公共母線上，共同向負(fù)荷供電.并聯(lián)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)并列方法1.準(zhǔn)同步法2.自同步法準(zhǔn)同期并列的條件1.待并發(fā)電機(jī)的電壓與電網(wǎng)電壓大小相等；2.待并發(fā)電機(jī)電壓相位與電網(wǎng)電壓相位相同；3.待并發(fā)電機(jī)電壓頻率與電網(wǎng)電壓頻率相同；4.待并發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)的相序相同。

上述條件（4）一般在安裝發(fā)電機(jī)時(shí)，根據(jù)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)向確定了發(fā)電機(jī)的相序而滿足，因此運(yùn)行人員在并列時(shí)只需調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)使其滿足其它三個(gè)條件即可。

不滿足任一條件的并列稱為非同期并列，將對(duì)電機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。重點(diǎn)內(nèi)容條件不滿足時(shí)對(duì)電機(jī)的影響1、電機(jī)和電網(wǎng)之間有環(huán)流，定子繞組端部受力變形。2、產(chǎn)生拍振電流和電壓，引起電機(jī)內(nèi)功率振蕩。3、電機(jī)和電網(wǎng)之間有高次諧波環(huán)流，增加損耗，溫度升高，效率降低。4、電網(wǎng)和電機(jī)之間存在巨大的電位差而產(chǎn)生無(wú)法消除的環(huán)流，危害電機(jī)安全運(yùn)行。1.電壓大小不等此時(shí),S兩端有電位差

在電位差的作用下發(fā)電機(jī)產(chǎn)生沖擊電流，即

沖擊電流為無(wú)功分量，不會(huì)加重原動(dòng)機(jī)的負(fù)擔(dān)，但會(huì)在電樞繞組中產(chǎn)生很大的沖擊力，使電樞繞組端部受沖擊力的作用而變形。由于xd’’

很小，所以即使△U不大，沖擊電流也會(huì)很大

電網(wǎng)2.相位不同此時(shí),ab兩端有電位差

電位差可達(dá)發(fā)電機(jī)電壓的兩倍，若此時(shí)并列，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，發(fā)電機(jī)會(huì)因遭受巨大的沖擊力而損壞。沖擊電流的影響

1)電樞繞組端部受力變形;2)轉(zhuǎn)軸上受沖擊轉(zhuǎn)矩的作用,使機(jī)軸扭曲變形;

3)電樞繞組發(fā)熱.3.頻率不同轉(zhuǎn)軸上時(shí)而產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩、時(shí)而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，結(jié)果是電機(jī)振動(dòng)。拍振電流使電樞繞組端部受力變形，使電樞繞組發(fā)熱。4.相序不同

發(fā)電機(jī)實(shí)際并列時(shí)，除了相序必須一致外，其它條件允許有一定的偏差，如△U不超過(guò)10%，相位差不超過(guò)10%，頻率偏差不超過(guò)0.2%～0.5%（0.1～0.25Hz)。二、自同期法

相序正確前提下，起動(dòng)未加勵(lì)磁的發(fā)電機(jī)，當(dāng)其轉(zhuǎn)速接近同步速時(shí)，合上同步開(kāi)關(guān)，將發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，然后加上發(fā)電機(jī)勵(lì)磁將發(fā)電機(jī)牽入同步。并網(wǎng)前，勵(lì)磁繞組需經(jīng)限流電阻閉合。并列時(shí)會(huì)較大有沖擊電流和轉(zhuǎn)矩,一般用于緊急狀態(tài)下的并列操作.相序不同的發(fā)電機(jī)不能并列，因?yàn)榇藭r(shí)和恒差，恒等于，它將產(chǎn)巨大的沖擊電流危害電機(jī)及系統(tǒng)。同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行分析1.調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流增大勵(lì)磁電流，F(xiàn)f1變大,E0相位不變幅值變大，U不變，發(fā)電機(jī)輸出滯后的無(wú)功功率，產(chǎn)生去磁作用。反之合閘后減少I(mǎi)f，則產(chǎn)生增磁的電樞反應(yīng)。發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流只能產(chǎn)生超前或滯后的純無(wú)功電流。不能產(chǎn)生有功功率

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前的電壓不等其它都相等，在合閘時(shí)。除產(chǎn)生沖擊電流，還會(huì)產(chǎn)生無(wú)功電流，向電網(wǎng)輸功功率。2.調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩

通過(guò)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的汽門(mén)，水輪機(jī)的水門(mén)，內(nèi)燃機(jī)的油門(mén)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)并聯(lián)在