船舶電氣設(shè)備及系統(tǒng)課件 第四章

第四章同步電機(jī)第四章同步電機(jī)第四章小結(jié)§4-1三相交流同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及銘牌數(shù)據(jù)§4-2同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理和空載特性§4-6同步發(fā)電機(jī)功率調(diào)節(jié)§4-3同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行和電樞反應(yīng)§4-4同步發(fā)電機(jī)的電勢(shì)方程和等效電路§4-5同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性§4-8同步電動(dòng)機(jī)§4-7同步發(fā)電機(jī)的短路與振蕩§4-1三相交流同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及銘牌數(shù)據(jù)本節(jié)的主要內(nèi)容三相交流同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)三相交流同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理銘牌數(shù)據(jù)4.1.1三相交流同步電機(jī)(synchronousgenerator)

的基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)：定子和轉(zhuǎn)子。定子結(jié)構(gòu)：——

一般是三相電樞繞組（轉(zhuǎn)極式）

結(jié)構(gòu)：由鐵心和繞組組成，與異步電機(jī)定子基本相同。機(jī)座號(hào)相同時(shí)若與異步機(jī)互換仍可運(yùn)行。

區(qū)別：主要是尺寸方面，同步電機(jī)通常容量較大，而異步機(jī)的容量相對(duì)較小。因此，從表面上看同步機(jī)機(jī)殼無(wú)散熱片，異步機(jī)則有散熱片。

接線：發(fā)電機(jī)定子繞組通常采用Y形連接

——減小三次諧波影響。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，稱為功率角。同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)電樞式

旋轉(zhuǎn)磁極式

隱極式(Salient-pole)

凸極式(Cylindrical-Rotor)

基本結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)——一般是勵(lì)磁繞組轉(zhuǎn)子：勵(lì)磁繞組是直流繞組。隱極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：隱極式鐵心隱極式轉(zhuǎn)子大型機(jī)的轉(zhuǎn)子支架轉(zhuǎn)子鐵心硅鋼片一對(duì)極隱極式示意圖隱極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意滑環(huán)兩對(duì)極凸極式轉(zhuǎn)子立體示意圖電機(jī)截面示意圖4.1.2三相交流同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理直流電流通入勵(lì)磁繞組，主磁極產(chǎn)生勵(lì)磁磁通。主磁極被原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，其磁通密度沿氣隙近似正弦波形分布。勵(lì)磁磁場(chǎng)依次切割定子各相繞組（相當(dāng)于繞組導(dǎo)體反向切割）。定子三相電樞繞組就會(huì)感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的交變正弦電動(dòng)勢(shì)。直流電源由滑環(huán)向轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流，產(chǎn)生磁場(chǎng)；原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)切割三相定子繞組，感應(yīng)三相交流電。導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)勵(lì)磁繞組通入直流電后產(chǎn)生磁場(chǎng)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由原動(dòng)機(jī)拖著以恒定轉(zhuǎn)速n1相對(duì)于定子順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，定子導(dǎo)體相對(duì)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以由e=bδlv決定。當(dāng)導(dǎo)體長(zhǎng)度一定、轉(zhuǎn)速一定時(shí)，導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由氣隙磁通密度大小決定。感應(yīng)磁力線如圖所示：每個(gè)磁回路包圍的電流都相同，因此作用在每個(gè)磁回路上的磁動(dòng)勢(shì)都相同。根據(jù)安培環(huán)路定律：由公式:在磁極表面與定子鐵心之間，氣隙長(zhǎng)度相等，且氣隙較小。氣隙小，磁阻就小，相同的磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的磁通密度就大；反之，相鄰磁極之間的氣隙大。氣隙大，磁阻就大，相同的磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的磁通密度就小。因此，氣隙周圍的氣隙磁通密度分布如下圖所示：圖4-6三相空載電勢(shì)向量圖圖4-5同步發(fā)電機(jī)主磁極下氣隙的磁通密度分布電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值為:由于三相電樞繞組在空間相差120o電角度，三相電動(dòng)勢(shì)相位也相差120o。——P.53，式4-1即有關(guān)公式式4-2與變壓器公式多了kw，稱為繞組系數(shù)。是繞組短距和分布引起的。

電勢(shì)、頻率公式：4.1.3銘牌數(shù)據(jù)

銘牌數(shù)據(jù)：主要銘牌數(shù)據(jù)有：額定容量（或功率）、額定電壓、額定電流、額定功率因數(shù)、額定頻率、額定轉(zhuǎn)速、絕緣等級(jí)、溫升、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流等。

注意：額定容量、額定電壓、額定功率因數(shù)和額定電流可能只標(biāo)出三個(gè)（∵第四個(gè)參數(shù)可以求出）。額定容量

SN——指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的輸出功率

額定電壓UN——指額定運(yùn)行時(shí)定子的線電壓

額定電流IN——指額定運(yùn)行時(shí)定子的線電流

額定功率因數(shù)——指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的功率因數(shù)額定頻率fN——指額定運(yùn)行時(shí)電樞的頻率額定轉(zhuǎn)速nN——指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即為同步轉(zhuǎn)速

額定值：結(jié)構(gòu)（基本結(jié)構(gòu)、組成、轉(zhuǎn)極式和轉(zhuǎn)樞式）；原理（原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)，磁場(chǎng)切割繞組產(chǎn)生電勢(shì)，在空間互差120°，所以是三相交流電勢(shì)）；額定參數(shù)（主要是容量、電壓、電流、功率因數(shù)、頻率）。第一節(jié)要點(diǎn)§4-2三相交流同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性本節(jié)的主要內(nèi)容同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行特性同步發(fā)電機(jī)對(duì)稱負(fù)載運(yùn)行三相交流同步發(fā)電機(jī)電壓平衡方程和相量圖三相交流同步發(fā)電機(jī)的外特性及調(diào)節(jié)特性三相交流同步發(fā)電機(jī)的功角特性空載運(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)。見圖表示一臺(tái)四極電機(jī)空載時(shí)的磁通示意圖。從圖可見，主極磁通分成主磁通0和漏磁通f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?？蛰d運(yùn)行4.2.1同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行特性(no-loadcharacteristic

)保持n=nN，空載電勢(shì)E0與勵(lì)磁電流If的關(guān)系曲線。

P.54，+6行的k是飽和系數(shù)。等于總磁勢(shì)與不飽和磁勢(shì)之比。也等于飽和電勢(shì)與不飽和電勢(shì)之比?？蛰d特性實(shí)質(zhì)是磁化曲線。k一般為1.1～1.25空載特性實(shí)驗(yàn)：按如圖所示接線，起動(dòng)原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將勵(lì)磁回路電阻Rf調(diào)至最大，合上勵(lì)磁回路電源開關(guān)。觀察電流表A和電壓表V

的數(shù)值并記錄。空載特性實(shí)驗(yàn)注意注意：只能單方向調(diào)節(jié)電阻。方法：逐步將Rf調(diào)小，使電流逐步增大，記錄數(shù)據(jù)。然后逐步將Rf調(diào)大再記錄數(shù)據(jù)。4.2.2同步發(fā)電機(jī)對(duì)稱負(fù)載運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)負(fù)載后，三相電樞繞組也將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（與異步電動(dòng)機(jī)一樣）；穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電樞磁場(chǎng)（電氣磁場(chǎng)）與勵(lì)磁磁場(chǎng)（機(jī)械磁場(chǎng)）之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)；電樞磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)（氣隙磁場(chǎng)）的影響稱為電樞反應(yīng)；電樞反應(yīng)的大小、性質(zhì)與負(fù)載電流的大小、相位有關(guān)（與負(fù)載的大小、性質(zhì)有關(guān)）。

內(nèi)功率因數(shù)角

：?0與?a之間的相位角。電樞電流與空載電勢(shì)特殊關(guān)系有：同相位、滯后和超前三種。與之對(duì)應(yīng)的電樞反應(yīng)的性質(zhì)有：交軸、直軸去磁和直軸增磁三種。發(fā)電機(jī)負(fù)載一般為感性負(fù)載(inductiveload)。一般情況感性滯后的電流：電樞反應(yīng)---時(shí)空相矢量圖交軸反應(yīng)（同相位）直軸去磁（滯后）直軸增磁（超前）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和負(fù)載電流Ia之間的相角差0（

0稱為內(nèi)功率因數(shù)角）。下面分成兩種情況來(lái)分析。以電角度表示的空間角度后，轉(zhuǎn)子在空間上轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)電角度，電動(dòng)勢(shì)相量在時(shí)間上也轉(zhuǎn)過(guò)同樣的角度。轉(zhuǎn)向：轉(zhuǎn)子沿著從A相繞組軸線到B相繞組軸線，再到C相繞組軸線的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流的方向?yàn)锳、B、C；產(chǎn)生基波電樞電動(dòng)勢(shì)的轉(zhuǎn)向也是由A相繞組軸線向B相繞組軸線，再到C相繞組軸線，即與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一樣。磁動(dòng)勢(shì)：哪一項(xiàng)電流達(dá)到最大值，三相合成基波磁動(dòng)勢(shì)，F(xiàn)a就和該項(xiàng)繞組軸線重合。?0與?同相時(shí)：a)定子繞組電動(dòng)勢(shì)、電流和磁動(dòng)勢(shì)的空間矢量圖?0與?同相時(shí)：b)時(shí)間矢量圖?0與?同相時(shí)：c)時(shí)-空統(tǒng)一矢量圖根據(jù)螺旋定則：主磁極前半部的磁場(chǎng)因兩磁場(chǎng)的磁力線方向相反而被削弱；

主磁極后半部的磁場(chǎng)因兩磁場(chǎng)的磁力線方向相同而被加強(qiáng)。其結(jié)果使得氣隙的合成磁勢(shì)的軸線的相比原轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的軸線逆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向偏轉(zhuǎn)一個(gè)銳角，并發(fā)生畸變。幅值增加合成磁勢(shì)SNFfFaFδ?0與?同相時(shí)：d)氣隙合成磁場(chǎng)與主磁場(chǎng)的相對(duì)位置?0與?不同相時(shí)：a)?滯后于?0的空間矢量圖A?0與?不同相時(shí)：b)?滯后于?0的時(shí)-空統(tǒng)一矢量圖?0與?不同相時(shí)：c)?超前?0的時(shí)-空統(tǒng)一矢量圖4.2.3三相交流同步發(fā)電機(jī)電壓平衡方程和相量圖同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)與電樞繞組交鏈的磁通有3個(gè)：勵(lì)磁磁通、電樞反應(yīng)磁通和漏磁通。3個(gè)磁通都分別在電樞繞組感應(yīng)電勢(shì)：空載電勢(shì)、電樞反應(yīng)電勢(shì)和漏磁電勢(shì)。忽略磁路飽和，引入?yún)?shù)：電樞反應(yīng)電抗。同步電抗Xs=Xa+X，注意：Xs

＞Xa＞X

。忽略電樞電阻用電抗表示ea和e電樞繞組電路電壓平衡方程：隱極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖和等效電路一、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：在時(shí)間相位上，?a滯后于以90°電角度，若不計(jì)定子鐵耗，與?同相位，則?a將滯后于?以90°電角度于是亦可寫成負(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a不計(jì)磁飽和時(shí)，a又正比于電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa和電樞電流I，即

(4—6)

(4—7)

將式(4—6)代人式(4—7)，可得

(4—8)

式中：Xs稱為隱極同步電機(jī)的同步電抗，Xs=Xa+X，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4—2c表示與式(4—8)相應(yīng)的等效電路。從圖4—2c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。二、考慮磁飽和時(shí)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)。再?gòu)臍庀峨妱?dòng)勢(shì)減去電樞繞組的電阻和漏抗壓降，便得電樞的端電壓，即相應(yīng)的矢量圖、相量圖既有電動(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。（不做要求）或電勢(shì)公式電勢(shì)公式可應(yīng)用三角計(jì)算公式從相量圖得到：三角形構(gòu)成——以E0為斜邊以U相量及其延長(zhǎng)線為一條直角邊，構(gòu)造一個(gè)直角三角形。與電流I有關(guān)相量變換（投影）到直角邊都與功率因數(shù)角有關(guān)。隱極機(jī)相量圖根據(jù)電壓平衡方程可畫出相量圖。但負(fù)載不同時(shí)，相量圖的形狀也不同。感性負(fù)載忽略電樞電阻電阻性負(fù)載容性負(fù)載凸極機(jī)相量圖說(shuō)明不考慮磁路飽和，可以將電樞磁勢(shì)單獨(dú)分為直軸和交軸兩個(gè)分量，然后根據(jù)各自不同磁路的磁阻計(jì)算直軸和交軸磁通，最后再將兩個(gè)磁通合成氣隙磁通。凸極機(jī)一相電樞繞組的電壓平衡方程式為：

其中：Xd=Xad+X；Xq=Xaq+X，分別稱為交、直軸同步電抗。?d=?sin，?q=?cos

，分別是電樞電流?在交、直軸方向上的分量。

其相量圖(見下頁(yè))，就是書P.59，圖4-17。凸極機(jī)相量圖氣隙不均勻所以電抗分為直軸與交軸凸極機(jī)的分析計(jì)算較煩瑣考慮到凸極電機(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)d(d＝0/d)要比交軸下單位面積的氣隙磁導(dǎo)q(q＝0/q)大很多，如圖4—3所示。當(dāng)正弦分布的電樞磁動(dòng)勢(shì)作用在直軸上時(shí)，由于d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。一、雙反應(yīng)理論凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖（補(bǔ)充）凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖

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

從氣隙電動(dòng)勢(shì)減去電樞繞組的電阻和漏抗壓降，便得電樞的端電壓。采用發(fā)電機(jī)慣例，電樞的電壓方程為：，（4-9）不計(jì)磁飽和時(shí)

和可以用相應(yīng)的負(fù)電抗壓降來(lái)表示（4–10）將式(4-10)代入式(4-9)，并考慮，可得

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。圖4-4表示與上式相對(duì)應(yīng)的相量圖。引入虛擬電動(dòng)勢(shì)，使（4-12）由式（4-12）相量圖如圖4-5所示。由圖4-5不難確定由式4-12可得凸極同步發(fā)電機(jī)的等效電路，如圖4-６所示。4.2.4三相交流同步發(fā)電機(jī)外特性及調(diào)節(jié)特性外特性：同步發(fā)電機(jī)外特性與變壓器相似，但電壓調(diào)整率計(jì)算式P.58.式（4-12）與P.23.式（2-13）電壓變化率不同。同步發(fā)電機(jī)的外特性是指在轉(zhuǎn)速額定值nN下運(yùn)行，勵(lì)磁電流If不變，負(fù)載功率因數(shù)一定時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓和負(fù)載電流的關(guān)系，即U=f(Ia)曲線。

特性：為了保持電壓不變，在功率因數(shù)一定時(shí)，勵(lì)磁電流應(yīng)隨電樞電流進(jìn)行變化調(diào)節(jié)的曲線。不同的功率因數(shù)，電樞反應(yīng)大小不一樣，性質(zhì)也可能不同。調(diào)節(jié)特性(regulatorcurve)電樞反應(yīng)去磁，則勵(lì)磁電流應(yīng)增加，反之則減小。說(shuō)明：書上P.58的外特性沒(méi)有畫全，P.59，圖4-16的調(diào)節(jié)特性則存在錯(cuò)誤，具體見下頁(yè)說(shuō)明。外特性與調(diào)節(jié)特性說(shuō)明(補(bǔ)充)容性負(fù)載的電樞反應(yīng)具有增磁性質(zhì)是指容性負(fù)載阻抗值比電樞繞組的同步電抗大時(shí)才具有。也就是說(shuō)，只有＜0時(shí)，電樞反應(yīng)性質(zhì)是增磁的。若容抗小于同步電抗，雖然＜0，但＞0，此時(shí)電樞反應(yīng)的作用只能是減少去磁的作用而不是增磁。保持cos

＜0不變，容性負(fù)載增大則容抗減小，當(dāng)容抗小于同步電抗后，電樞電流相位雖然仍然超前端電壓，但卻可能滯后空載電勢(shì)，即：

＜0，＞0。也就是說(shuō)，電樞反應(yīng)的總體作用變成具有去磁性質(zhì)。因此帶容性負(fù)載時(shí)，外特性達(dá)到最大值后將下降；帶容性負(fù)載時(shí)，調(diào)節(jié)特性下降到最小值后也將上升。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Pm和定子鐵耗PFe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PM，即

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

；即4.2.5三相交流同步發(fā)電機(jī)的功角特性(4-13)

(4-14)如果不計(jì)Ra影響：P2≈PM

而從式（4-14）可知，電磁功率PM為由圖4—3可見故同步電機(jī)的電磁功率亦可寫成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)矩方程式中，T1為原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Te為電磁轉(zhuǎn)矩，T0為空載轉(zhuǎn)矩，分別為：(4-15)

把功率方程(4—13)除以同步角速度，可得轉(zhuǎn)矩方程功角：是發(fā)電機(jī)磁極磁場(chǎng)與氣隙合成磁場(chǎng)間的空間相角，若忽略電樞繞組漏阻抗壓降，可認(rèn)為合成磁場(chǎng)產(chǎn)生端電壓，則功角也等于E0與U之間的相位角。對(duì)于凸極機(jī)，直交軸方向氣隙不均勻，Xd≠Xq，∴多了一個(gè)“反應(yīng)轉(zhuǎn)矩”（書P.59）。若將功角特性兩邊除角轉(zhuǎn)速，可得轉(zhuǎn)矩與功角之間的關(guān)系，稱為矩角特性。PM決定于E0和U之間的相角。=90時(shí)PM最大，以后遞減。

考慮過(guò)載能力，一般要求在2535。

加大激磁電流和減小同步電抗

——提高Pmax

——提高過(guò)載能力和穩(wěn)定性。(a)隱極機(jī)(b)凸極機(jī)圖4-18同步發(fā)電機(jī)的功角特性同步發(fā)電機(jī)有功功率調(diào)節(jié)

單機(jī)運(yùn)行（或與小電網(wǎng)并聯(lián)）時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出的有、無(wú)功功率完全由負(fù)載決定；

并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，若不增加油門只增加勵(lì)磁電流，由于輸入有功功率不變，輸出的有功功率也不變（此時(shí)，雖然E0增加了，但角卻減?。Ｒ虼?，只有電樞電流的相位發(fā)生變化，即輸出無(wú)功功率發(fā)生變化。調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)油門可以改變輸出的有功功率（或頻率）；調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流則可改變輸出的無(wú)功功率（或電壓）?！姟把a(bǔ)充說(shuō)明（無(wú)功功率）”。所謂“過(guò)勵(lì)”是指使發(fā)電機(jī)輸出感性無(wú)功的勵(lì)磁狀態(tài)，具體見“補(bǔ)充說(shuō)明（無(wú)功功率）”。當(dāng)原動(dòng)機(jī)正好克服各種損耗時(shí)，發(fā)電機(jī)PM

=０當(dāng)勵(lì)磁電流不變時(shí)，PM與功率角成正比。當(dāng)輸入機(jī)械功率增加時(shí)——轉(zhuǎn)速增加——轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線相對(duì)于合成磁場(chǎng)軸線的空間角（功率角）增大——PM增大；反之亦然——有功功率的調(diào)節(jié)中功率角起著自動(dòng)平衡的調(diào)節(jié)作用。如果轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線落后于合成磁場(chǎng)軸線的空間角——PM負(fù)值——電動(dòng)機(jī)運(yùn)行——逆功率保護(hù)。電磁轉(zhuǎn)矩與電磁功率成正比空載特性及其實(shí)質(zhì)；電樞反應(yīng)（3種典型、一般情況）；平衡方程與相量圖（隱極機(jī)、不飽和）；外特性與u；調(diào)節(jié)特性；功角特性與有、無(wú)功調(diào)節(jié)第二節(jié)要點(diǎn)§4-3同步電動(dòng)機(jī)本節(jié)的主要內(nèi)容同步電動(dòng)機(jī)的基本原理同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)（教學(xué)大綱未要求，不介紹）4.3.1同步電動(dòng)機(jī)(synchronousgenerator)的基本原理由同步發(fā)電機(jī)的功角特性可知：當(dāng)同步發(fā)電機(jī)處于空載狀態(tài)并聯(lián)在電網(wǎng)時(shí)，若將原動(dòng)

轉(zhuǎn)動(dòng)原理：結(jié)論：功角＜0，輸出P＜0，即輸入P，變成同步電動(dòng)機(jī)?！D(zhuǎn)速仍然是同步轉(zhuǎn)速。機(jī)通過(guò)離合器脫開，此時(shí)轉(zhuǎn)子在機(jī)械阻轉(zhuǎn)矩的作用下將減速，電機(jī)的功角＜0，輸出的有功功率為負(fù)值，即表示從電網(wǎng)吸收有功功率。也就是說(shuō)：同步發(fā)電機(jī)就變成了同步電動(dòng)機(jī)。同步發(fā)電機(jī)負(fù)載后，氣隙合成磁場(chǎng)F

，相當(dāng)于在同步發(fā)電機(jī)的定子上存在一個(gè)磁極。一般情況下，氣隙磁場(chǎng)F

滯后于勵(lì)磁磁場(chǎng)Ff一個(gè)角度

(即電壓U滯后空載電動(dòng)勢(shì)E0的角度

)，因此同步發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)，相當(dāng)于Ff拖著F

旋轉(zhuǎn)。——TM為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。如果減小原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率，則電磁功率也減小——當(dāng)

＝０時(shí)，F(xiàn)

與Ff重合——電磁轉(zhuǎn)矩為零——臨界狀態(tài)。如果此時(shí)脫開原動(dòng)機(jī)——阻力——Ff滯后F

一個(gè)

——TM為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩——電動(dòng)狀態(tài)——只能用變頻才能調(diào)速。負(fù)載時(shí)的氣隙磁場(chǎng)4.3.2同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率調(diào)節(jié)有功功率：取決于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。若負(fù)載變勵(lì)磁If不變，則變，無(wú)功和功率因數(shù)也將變化?！逧0sin=XsIcos，變，Icos也變，∴Isin也變，即無(wú)功和功率因數(shù)變。結(jié)論：有功變，無(wú)功與功率因數(shù)都變。無(wú)功功率：若負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變而勵(lì)磁變，∵If變，E0也變，而E0sin保持不變（能量守恒）。因此有結(jié)論：無(wú)功變，有功保持不變。無(wú)功的調(diào)節(jié)與同步發(fā)電機(jī)無(wú)功調(diào)節(jié)情況一樣。正常運(yùn)行時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)都工作在“過(guò)勵(lì)”狀態(tài)，可向電網(wǎng)輸出感性無(wú)功?！@是使用它的目的。無(wú)功功率調(diào)節(jié)：恒功率線aa、恒定有功電流線bb與無(wú)窮大電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)，發(fā)電機(jī)電壓不變。若保持油門不變，則Pe

=3UIcos不變，即Icos和E0sin都不變。此時(shí)，若調(diào)節(jié)If

，勵(lì)磁磁通0和空載電勢(shì)E0將發(fā)生變化。由圖可見，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If，空載電勢(shì)E0發(fā)生變化，功率因數(shù)角也隨之發(fā)生變化，輸出無(wú)功功率發(fā)生變化。勵(lì)磁電流?。ㄇ穭?lì)---I超前）時(shí)，E0小，

＜0，輸出超前的無(wú)功功率；勵(lì)磁電流增大，E0也增大，當(dāng)=0時(shí)，輸出無(wú)功為零；繼續(xù)增大勵(lì)磁電流（過(guò)勵(lì)---I滯后）時(shí)，E0進(jìn)一步增大，＞0，輸出落后的無(wú)功功率。與無(wú)窮大電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，有如下特點(diǎn)：1、發(fā)電機(jī)輸出的有功和無(wú)功功率不直接決定于電網(wǎng)的負(fù)載，需通過(guò)調(diào)節(jié)或控制來(lái)改變。2、改變發(fā)電機(jī)輸入的機(jī)械功率，可改變其輸出的有功功率，但不能改變電網(wǎng)頻率。3、改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，可改變發(fā)電機(jī)輸出的無(wú)功功率，但不能改變電網(wǎng)的電壓。同步發(fā)電機(jī)與大電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)功率調(diào)節(jié)的結(jié)論1.調(diào)節(jié)油門，可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率大??；2.調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出的無(wú)功功率大小；3.調(diào)節(jié)一臺(tái)發(fā)電機(jī)的油門或者勵(lì)磁電流，電網(wǎng)的頻率和電壓不會(huì)發(fā)生變化?！c大電網(wǎng)并聯(lián)——輸出感性無(wú)功等于消耗容性無(wú)功；——輸出容性無(wú)功等于消耗感性無(wú)功。未接電容之前消耗感性，電容消耗容性無(wú)功后，整個(gè)電路不消耗無(wú)功功率。分析：若直接將靜止不動(dòng)的同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行勵(lì)磁，而在定子三相電樞繞組通入三相交流電，在氣隙中將有勵(lì)磁磁場(chǎng)（恒定不變）和電樞磁場(chǎng)（旋轉(zhuǎn)）同時(shí)存在，當(dāng)電樞磁場(chǎng)超前勵(lì)磁磁場(chǎng)時(shí)，將拖動(dòng)勵(lì)磁磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于轉(zhuǎn)子存在著慣性，而電樞磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速又很快，在180°內(nèi)電樞磁場(chǎng)不能及時(shí)將轉(zhuǎn)子拉入同步，而超過(guò)180°后，電樞磁場(chǎng)與勵(lì)磁磁場(chǎng)的相互作用力變成斥力，于是在一個(gè)周期內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩的平均值為零。因此，同步電動(dòng)機(jī)不能直接起動(dòng)。4.3.3同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)拉入同步、異步起動(dòng)和變頻起動(dòng)法

拉入同步法：又稱間接起動(dòng)法，是通過(guò)其它機(jī)械（原動(dòng)機(jī)）將同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速后，定子繞組通電，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組通勵(lì)磁電流，同時(shí)機(jī)械離合器脫開原動(dòng)機(jī)并帶上機(jī)械負(fù)載，同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)入正常的電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)工作。變頻起動(dòng)法：采用變頻器起動(dòng)，有調(diào)速要求才使用。起動(dòng)方法：主要有拉入同步法（間接起動(dòng)）、異步起動(dòng)法和變頻起動(dòng)法三種——主要掌握異步法。異步起動(dòng)法：依靠同步電動(dòng)機(jī)磁極上的起動(dòng)繞組（類似鼠籠繞組）起動(dòng)。起動(dòng)時(shí)，將轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)一個(gè)5～10倍勵(lì)磁繞組電阻值的電阻，定子接入三相交流電，起動(dòng)繞組以異步機(jī)的原理起動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，勵(lì)磁繞組通過(guò)轉(zhuǎn)換開關(guān)斷開串聯(lián)的電阻，接入正常勵(lì)磁電流，此時(shí)由于電樞磁場(chǎng)與勵(lì)磁磁場(chǎng)的相對(duì)轉(zhuǎn)速很小，轉(zhuǎn)子在電樞磁場(chǎng)的作用下將被拉入同步。拉入同步后的電動(dòng)機(jī)就可帶動(dòng)機(jī)械負(fù)載正常工作?！惒狡饎?dòng)法是最常見的起動(dòng)方法。拉入同步、異步起動(dòng)和變頻起動(dòng)法起動(dòng)方法：主要有拉入同步法（間接起動(dòng)）、異步起動(dòng)法和變頻起動(dòng)法三種——主要掌握異步法。異步法起動(dòng)時(shí)注意：勵(lì)磁繞組既不能開路也不能短路，而應(yīng)在轉(zhuǎn)子繞組回路中串聯(lián)一個(gè)5～10倍勵(lì)磁繞組電阻值的電阻。這是因?yàn)椋河捎趧?lì)磁繞組的匝數(shù)很多，起動(dòng)時(shí)，若開路則會(huì)感應(yīng)出很高的電壓，造成設(shè)備損壞等后果。若直接短路，則短路電流較大，會(huì)燒壞勵(lì)磁繞組。

轉(zhuǎn)子回路電阻的作用：即降壓又限流。異步起動(dòng)法注意圖4-21同