《電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)》第二版第九章-同步電機(jī)

同步電機(jī)是交流電機(jī)的一種，運(yùn)行特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度嚴(yán)格同步，由此而得名。設(shè)定子繞組通入頻率為f的交流電流，電機(jī)的極對(duì)數(shù)為p，則同步電機(jī)轉(zhuǎn)速n、通電頻率f和極對(duì)數(shù)p的關(guān)系為第九章同步電機(jī)我國(guó)電力系統(tǒng)的頻率規(guī)定為50Hz，因此同步轉(zhuǎn)速與極對(duì)數(shù)成反比，當(dāng)p=1時(shí)，轉(zhuǎn)速最高，為3000r/min。極對(duì)數(shù)越多，轉(zhuǎn)速愈低。同步電機(jī)主要用作發(fā)電機(jī)，幾乎所有的電力都由同步發(fā)電機(jī)發(fā)出。同步電機(jī)也可以作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，并且同步電動(dòng)機(jī)能夠改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。

第九章同步電機(jī)

與其他類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)相比，同步電動(dòng)機(jī)具有更高的效率和更優(yōu)異的性能，因而有著廣闊的應(yīng)用前景。

近年來(lái)，隨著碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的持續(xù)推進(jìn)和智能化控制系統(tǒng)的旺盛需求，對(duì)電機(jī)的高效節(jié)能和高精度提出了更高的要求。

以往，同步電動(dòng)機(jī)通常用于運(yùn)行速度恒定的場(chǎng)合，隨著電力電子技術(shù)和現(xiàn)代交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，由同步電動(dòng)機(jī)組成的高性能調(diào)速系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。第九章同步電機(jī)第一節(jié)概述第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理第三節(jié)同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式及相量圖第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性第九章同步電機(jī)第五節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率調(diào)節(jié)第六節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)第七節(jié)同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行第八節(jié)隱極同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行第九節(jié)凸極同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行

第九章同步電機(jī)第十節(jié)同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性第十二節(jié)同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行第十三節(jié)同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的功率調(diào)節(jié)第九章同步電機(jī)同步電機(jī)結(jié)構(gòu)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成。定、轉(zhuǎn)子之間是空氣隙。轉(zhuǎn)子有旋轉(zhuǎn)磁極和旋轉(zhuǎn)電樞兩種結(jié)構(gòu)型式，分別如圖9.1和圖9.2所示。（a）隱極式圖9.1旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)示意圖第一節(jié)概述一、結(jié)構(gòu)形式(b)凸極式適合高速旋轉(zhuǎn)適合中低速旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)電樞式結(jié)構(gòu)只用于小容量電機(jī)，一般同步電機(jī)常采用旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)。在旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)中，又分為隱極式和凸極式兩種型式(上頁(yè)圖9.1)，其定子部分與三相異步電動(dòng)機(jī)的完全一樣。圖9.2旋轉(zhuǎn)電樞式同步電機(jī)示意圖

第一節(jié)概述額定功率因數(shù)：電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)。額定效率：電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的效率。額定轉(zhuǎn)速：?jiǎn)挝粸閞/min。額定電流

：電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)定子的線(xiàn)電流，單位為A。額定電壓

：電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)定子的線(xiàn)電壓，單位為V或kV。額定容量：發(fā)電機(jī)出線(xiàn)端額定視在功率，單位VA或kVA。二．同步電機(jī)的額定值第一節(jié)概述額定功率：對(duì)發(fā)電機(jī)為額定輸出有功電功率此外，銘牌上還有額定頻率，單位為Hz；額定勵(lì)磁電壓，單位為V；額定勵(lì)磁電流，單位為A。

對(duì)電動(dòng)機(jī)為軸上輸出的額定機(jī)械功率(9.1)(9.2)第一節(jié)概述當(dāng)同步電機(jī)定子三相對(duì)稱(chēng)繞組接到三相對(duì)稱(chēng)電源上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生三相合成圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，又稱(chēng)電樞磁動(dòng)勢(shì)，用空間向量表示。設(shè)其轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針，轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速。在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中通入直流勵(lì)磁電流，就產(chǎn)生了勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。由于勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)于轉(zhuǎn)子是靜止的，但轉(zhuǎn)子本身以同步轉(zhuǎn)速逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，所以一．同步電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)于定子也以同步轉(zhuǎn)速逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。因此作用在同步電機(jī)的主磁路上的這兩個(gè)磁動(dòng)勢(shì)均以同步轉(zhuǎn)速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，且保持同步。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)電機(jī)主磁路不飽和，是線(xiàn)性的。這樣，作用在電機(jī)主磁路上的各個(gè)磁動(dòng)勢(shì)的影響就可以分別考慮，然后再采用疊加原理進(jìn)行合成。第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理

圖9.3同步電機(jī)的縱軸與橫軸

第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理

1．勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)從圖9.3看出，勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)作用在縱軸方向，產(chǎn)生的勵(lì)磁磁通如圖9.4所示。顯然的磁路關(guān)于縱軸對(duì)稱(chēng)，并且隨著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。

2．電樞磁動(dòng)勢(shì)與同步旋轉(zhuǎn)，但位置未必一致。只要的方向不在縱軸上，由于凸極式同步電機(jī)氣隙不均勻，極間的氣隙較大，極下的氣隙小，磁路不對(duì)稱(chēng)，很難求解。第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理同步電機(jī)的電樞反應(yīng)如圖9.5所示，電樞磁動(dòng)勢(shì)與勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的相對(duì)位置已知。為了求解磁場(chǎng)，把電樞磁動(dòng)勢(shì)分解成兩個(gè)分量：縱軸(直軸或d軸)電樞磁動(dòng)勢(shì)和橫軸(交軸或q軸)電樞磁動(dòng)勢(shì)。二．凸極同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理圖9.5同步電機(jī)的電樞反應(yīng)第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理

(9.3)即作用在縱軸方向，其磁路為對(duì)稱(chēng)磁路；作用在橫軸方向，其磁路亦對(duì)稱(chēng)。這樣，就將上述不對(duì)稱(chēng)磁路第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理即的求解轉(zhuǎn)化為兩個(gè)獨(dú)立的對(duì)稱(chēng)磁路的求解，問(wèn)題得以簡(jiǎn)化。這種方法，稱(chēng)為雙反應(yīng)原理。雙反應(yīng)原理的理論基礎(chǔ)實(shí)質(zhì)上就是疊加原理。實(shí)踐證明，若不計(jì)飽和，應(yīng)用雙反應(yīng)原理分析凸極同步電機(jī)的確可以得到令人滿(mǎn)意的結(jié)果。第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理（1）縱軸圖9.6電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)及磁通

由單獨(dú)作用產(chǎn)生的磁通稱(chēng)為縱軸電樞磁通，如圖9.6(1)所示。第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理（2）橫軸圖9.6電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)及磁通由單獨(dú)作用產(chǎn)生的磁通稱(chēng)為橫軸電樞磁通，如圖9.6(2)所示。第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理生磁動(dòng)勢(shì),產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)。，其中產(chǎn)即把電樞電流也分解成兩個(gè)分量仿照，將電樞電流進(jìn)行分解(9.4)

和第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理橫軸電樞磁動(dòng)勢(shì)的大小為縱軸電樞磁動(dòng)勢(shì)的大小為第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理

求出了縱軸和橫軸電樞磁動(dòng)勢(shì)后，需要統(tǒng)一進(jìn)行折算，然后再進(jìn)行疊加。第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理

空載特性是電機(jī)的基本特性，因此將空載特性作為縱軸和橫軸電樞磁動(dòng)勢(shì)的折算基準(zhǔn)。即相當(dāng)于用等效的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)來(lái)替代縱軸和橫軸電樞磁動(dòng)勢(shì)，這樣就可以利用空載特性曲線(xiàn)求解縱軸和橫軸電樞反應(yīng)。

折算按照下面的公式進(jìn)行：第二節(jié)同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理式中，和分別為縱軸和橫軸電樞磁動(dòng)勢(shì)折算系數(shù)，表示獲得同樣大小的基波磁場(chǎng)時(shí)，單位安匝的縱軸和橫軸正弦波磁動(dòng)勢(shì)所對(duì)應(yīng)的等效勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。

在凸極同步電機(jī)中，由于，所以；而在隱極同步電機(jī)中

，所以

。第三節(jié)同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式及相量圖

作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行是同步電機(jī)的一種重要運(yùn)行方式。同步電動(dòng)機(jī)接在頻率一定的電網(wǎng)上運(yùn)行，其轉(zhuǎn)速恒定不變，不受負(fù)載變化的影響。同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)比異步電動(dòng)機(jī)高，能夠通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。第三節(jié)同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式及相量圖一．凸極同步電動(dòng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，同步旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁磁通和電樞磁通、都要在定子繞組里感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。勵(lì)磁磁通、縱軸電樞磁通和橫軸電樞磁通在定子繞組里感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)分別用、和表示。

圖9.7同步電動(dòng)機(jī)各電量的正方向第三節(jié)同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式及相量圖

根據(jù)雙反應(yīng)理論，凸極同步電動(dòng)機(jī)不飽和時(shí)的基本電磁關(guān)系為圖9.8同步電動(dòng)機(jī)各電量的正方向第三節(jié)同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式及相量圖式中，是定子繞組相電阻；是定子繞組相漏電抗。根據(jù)圖9.8，由基爾霍夫定律，可以列出繞組的電壓平衡方程式

(9.7)(9.5)

(9.6)

第三節(jié)同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式及相量圖式中，稱(chēng)為縱軸電樞反應(yīng)電抗，表示了縱軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)在定子繞組中感應(yīng)電勢(shì)的能力；稱(chēng)為橫軸電樞反應(yīng)電抗，表示了橫軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)在定子繞組中感應(yīng)電勢(shì)的能力。把式(9.6)、(9.7)、(9.4)代入到電壓平衡方程式中，得第三節(jié)同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式及相量圖稱(chēng)為橫軸同步電抗，為常數(shù)。式中，稱(chēng)為縱軸同步電抗，為常數(shù)；

即：

(9.8)

當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)容量較大時(shí)，可忽略電阻，有：(9.9)第三節(jié)同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式及相量圖第三節(jié)同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式及相量圖

根據(jù)式(9.8)，功率因數(shù)角

領(lǐng)先和滯后時(shí)的凸極同步電動(dòng)機(jī)的相量圖如圖9.9（a）和（b）所示。圖9.9凸極式同步電動(dòng)機(jī)相量圖a.超前b.滯后功率因數(shù)角功率角二．隱極同步電動(dòng)機(jī)隱極式同步電動(dòng)機(jī)的氣隙是均勻的，縱軸、橫軸參數(shù)相同，即式中為隱極同步電動(dòng)機(jī)的同步電抗。電壓平衡方程式為

(9.10)忽略電阻時(shí)，有：

(9.11)第三節(jié)同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式及相量圖圖9.10隱極式同步電動(dòng)機(jī)的相量圖

第三節(jié)同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式及相量圖a.超前b.滯后

根據(jù)式(9.10)，功率因數(shù)角領(lǐng)先和滯后時(shí)的隱極式同步電動(dòng)機(jī)的相量圖如圖9.10（a）和（b）所示。扣除定子繞組的銅損耗，則電磁功率為一．功率和轉(zhuǎn)矩平衡方程式從電磁功率中扣除鐵損耗和機(jī)械摩擦損耗輸出功率。

(9.12)第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性

三相同步電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收的有功功率為式中，是同步電動(dòng)機(jī)的角速度。式中，為空載損耗，。因此，同步電動(dòng)機(jī)的功率平衡方程式為：

(9.13)電磁轉(zhuǎn)矩為第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性式中，稱(chēng)為空載轉(zhuǎn)矩。

(9.14)把式(9.12)兩邊同時(shí)除以，就得到同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式。即第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性二．功角特性

即忽略定子繞組的銅損耗忽略同步電動(dòng)機(jī)定子電阻時(shí)，電磁功率根據(jù)圖9.9相量圖，可得又：圖9.9(a)凸極式同步電動(dòng)機(jī)相量圖第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性上式中，第一項(xiàng)與即勵(lì)磁電流有關(guān)，稱(chēng)為勵(lì)磁電磁功率。第二項(xiàng)，與電動(dòng)機(jī)縱軸、橫軸參數(shù)不相等有關(guān)，也就是由凸極式轉(zhuǎn)子引起的，稱(chēng)為凸極電磁功率或磁阻功率。將上述關(guān)系代入電磁功率的表達(dá)式并化簡(jiǎn)得：

(9.15)第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性由式(9.15)可知，在電動(dòng)機(jī)參數(shù)一定的條件下，電磁功率是角度的函數(shù)，即稱(chēng)為同步電動(dòng)機(jī)的功角特性，如圖9.11曲線(xiàn)3所示。圖9.11凸極同步電動(dòng)機(jī)的功角特性勵(lì)磁電磁功率凸極電磁功率功角特性第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性與呈正弦函數(shù)關(guān)系，如圖9.11中的曲線(xiàn)2。當(dāng)時(shí)，與呈正弦函數(shù)關(guān)系，如圖9.11中的曲線(xiàn)1。當(dāng)時(shí)，達(dá)到最大，最大值為。勵(lì)磁電磁功率凸極電磁功率達(dá)到最大，最大值為。第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性隱極同步電動(dòng)機(jī)可視為凸極同步電動(dòng)機(jī)的特例。對(duì)于隱極同步電動(dòng)機(jī)，，電磁功率與角的關(guān)系為功角特性如圖9.11曲線(xiàn)1所示。第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性把式(9.15)兩邊同除以機(jī)械角速度，得到電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩與的函數(shù)關(guān)系稱(chēng)為矩角特性，與功角特性形狀一致。如圖9.11曲線(xiàn)3所示。三．矩角特性(9.16)對(duì)于隱極同步電動(dòng)機(jī)，電磁轉(zhuǎn)矩為隱極式同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性如圖9.11曲線(xiàn)1所示。

(9.17)第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性以隱極式同步電動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行分析。1.功率角在區(qū)間四．穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間在范圍內(nèi)，電機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性（a）

圖9.12隱極同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行在范圍內(nèi)，電機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行。2.功率角在區(qū)間（b）

圖9.12隱極同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性最大電磁轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比，稱(chēng)為過(guò)載倍數(shù)，用表示。當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，角隨之變化，電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率也隨之變化，以達(dá)到新的平衡，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速卻嚴(yán)格按照同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。所以同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為一條水平直線(xiàn)，斜率為零。第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性根據(jù)同步電動(dòng)機(jī)的原理，角為電動(dòng)勢(shì)與之間的夾角，是個(gè)時(shí)間電角度；同時(shí)，角也是勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)（產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)）與同步電動(dòng)機(jī)主磁路的合成磁動(dòng)勢(shì)之間的角度，是個(gè)空間電角度。對(duì)應(yīng)著，近似地對(duì)應(yīng)著。把合成磁動(dòng)勢(shì)視為等效磁極，吸引著轉(zhuǎn)子磁極以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，如圖9.13所示。第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性圖9.13等效磁極同步電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行還是作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，要視轉(zhuǎn)子磁極與等效磁極之間的相對(duì)位置來(lái)決定。同步電機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性例9.1一臺(tái)三相四極同步電動(dòng)機(jī)，額定容量kW，額定電壓V，額定功率因數(shù)，額定效率，定子每相電阻，定子繞組為Y接。計(jì)算：(1)額定運(yùn)行時(shí)的輸入功率；(2)額定運(yùn)行時(shí)的電磁功率；(3)額定電磁轉(zhuǎn)矩。第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性解：(1)

kW(2)額定電流A額定電磁功率kW

(3)N·m第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功角特性同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速恒定，因此，從電網(wǎng)吸收的有功功率基本上取決于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)輸出的有功功率恒定而改變其勵(lì)磁電流時(shí)，其無(wú)功功率是可以調(diào)節(jié)的。不計(jì)磁路飽和影響，忽略電樞電阻，則有而恒定，忽略空載損耗（），則為常數(shù)，即一．無(wú)功功率調(diào)節(jié)第五節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率調(diào)節(jié)圖9.14同步電動(dòng)機(jī)不同勵(lì)磁電流時(shí)的相量圖

即式(9.19)表示電動(dòng)機(jī)定子邊的有功電流保持不變。由此作出電動(dòng)機(jī)的相量圖，如圖9.14所示。

(9.18)

(9.19)

第五節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率調(diào)節(jié)

正常勵(lì)磁過(guò)勵(lì)欠勵(lì)

第五節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率調(diào)節(jié)

第五節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率調(diào)節(jié)由圖9.14相量圖可知，在電動(dòng)機(jī)輸出功率恒定時(shí)，改變勵(lì)磁電流將引起同步電動(dòng)機(jī)定子電流大小和相位的變化。正常勵(lì)磁時(shí)，定子電流最小；過(guò)勵(lì)或欠勵(lì)時(shí)，定子電流都會(huì)增大。把定子電流與勵(lì)磁電流的關(guān)系，用曲線(xiàn)表示，如圖9.15所示。二．V型曲線(xiàn)第五節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率調(diào)節(jié)圖9.15同步電動(dòng)機(jī)的V形曲線(xiàn)欠勵(lì)正常勵(lì)磁過(guò)勵(lì)不穩(wěn)定區(qū)超過(guò)電動(dòng)機(jī)失步第五節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率調(diào)節(jié)

改變勵(lì)磁電流可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，這是同步電動(dòng)機(jī)最重要的特點(diǎn)。因?yàn)殡娋W(wǎng)的負(fù)載主要是異步電動(dòng)機(jī)和變壓器，它們都吸收滯后的無(wú)功功率。利用同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)可調(diào)的特點(diǎn)，工作于過(guò)勵(lì)狀態(tài)，從電網(wǎng)吸收領(lǐng)先的無(wú)功功率，就可以改善電網(wǎng)的無(wú)功平衡狀況，從而提高電網(wǎng)的功率因數(shù)、運(yùn)行性能及效益。第五節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率調(diào)節(jié)第六節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

如果把同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子通入勵(lì)磁電流后定子繞組直接接入交流電源，則定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將以同步轉(zhuǎn)速相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生方向交變的脈振轉(zhuǎn)矩，其平均轉(zhuǎn)矩為零，所以同步電動(dòng)機(jī)不能直接起動(dòng)，而必須借助一定的方法使它起動(dòng)。同步電動(dòng)機(jī)的常用起動(dòng)方法有下列三種。1.輔助電動(dòng)機(jī)起動(dòng)2.變頻起動(dòng)3.異步起動(dòng)1.輔助電動(dòng)機(jī)起動(dòng)選用與同步電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)相同的異步電動(dòng)機(jī)作為輔助電動(dòng)機(jī)。先將同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組經(jīng)限流電阻短路，用輔助電動(dòng)機(jī)將其拖動(dòng)至接近同步轉(zhuǎn)速后，將勵(lì)磁繞組所串的限流電阻切除，通入直流電流，電動(dòng)機(jī)自動(dòng)牽入同步，并切斷輔助電動(dòng)機(jī)電源。這種方法只適合于空載起動(dòng)，所需設(shè)備多，操作復(fù)雜。第六節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)2.變頻起動(dòng)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組通入勵(lì)磁電流。定子繞組由變頻電源供電，電源頻率很低，使轉(zhuǎn)子開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，逐步增加頻率至額定值，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速的上升而上升，直至達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。變頻起動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，性能優(yōu)越，在大中型同步電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。第六節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)3.異步起動(dòng)為了解決起動(dòng)問(wèn)題，在同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上安裝起動(dòng)繞組，類(lèi)似于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的鼠籠繞組。當(dāng)定子接入電源后，產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)能夠自起動(dòng)。起動(dòng)過(guò)程和異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程是完全一樣的，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，再加入勵(lì)磁，電動(dòng)機(jī)自動(dòng)牽入同步。第六節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)第七節(jié)同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行根據(jù)電機(jī)的可逆原理，同步電機(jī)在一定條件下，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。以隱極同步電機(jī)為例進(jìn)行說(shuō)明。一臺(tái)隱極同步電機(jī)，從電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，經(jīng)過(guò)過(guò)渡狀態(tài)，到發(fā)電機(jī)狀態(tài)，分別如圖9.16(a)、9.16(b)、9.16(c)所示。一．同步電機(jī)的可逆原理輸入功率恰好承擔(dān)其空載損耗

(b)過(guò)渡狀態(tài)

圖9.16從電動(dòng)機(jī)狀態(tài)到發(fā)電機(jī)狀態(tài)的過(guò)渡(c)發(fā)電機(jī)

(a)電動(dòng)機(jī),,第七節(jié)同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行

隱極同步電機(jī)的電磁功率為當(dāng)時(shí)，，，將電功率轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率輸出，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。當(dāng)時(shí)，，，將機(jī)械功率轉(zhuǎn)換為電功率輸出，機(jī)械功率來(lái)源于原動(dòng)機(jī)。即從原動(dòng)機(jī)輸入機(jī)械功率，輸出電功率，發(fā)電機(jī)運(yùn)行。第七節(jié)同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行二．同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行第七節(jié)同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行

原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，勵(lì)磁繞組通入直流電，定子三相繞組開(kāi)路，稱(chēng)為同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行。此時(shí)，定子電流為零，電機(jī)內(nèi)只有轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流產(chǎn)生的主極磁場(chǎng)，則主極勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)為(9.20)第七節(jié)同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行

主極磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁通包括主磁通

和漏磁通

，兩者通過(guò)的磁路也不同。圖9.17同步發(fā)電機(jī)的空載磁路第七節(jié)同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行

若忽略氣隙磁場(chǎng)中高次諧波，氣隙磁場(chǎng)在空間按正弦規(guī)律分布，并隨轉(zhuǎn)子一起以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的主極磁場(chǎng)切割定子三相繞組，就會(huì)在定子繞組中感應(yīng)出頻率為

的對(duì)稱(chēng)三相電動(dòng)勢(shì)，稱(chēng)為空載電動(dòng)勢(shì)。忽略高次諧波時(shí)，每相繞組的空載電動(dòng)勢(shì)有效值

為(9.21)第七節(jié)同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行圖9.18同步發(fā)電機(jī)空載特性

當(dāng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流

時(shí)，主極磁通

和空載電動(dòng)勢(shì)

也隨之變化。空載電動(dòng)勢(shì)

隨勵(lì)磁電流

變化的關(guān)系曲線(xiàn)000000000000或主磁通

隨主極勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)

變化的關(guān)系曲線(xiàn)

稱(chēng)為空載特性曲線(xiàn)，如圖9.18所示。第七節(jié)同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行圖9.18同步發(fā)電機(jī)空載特性

第七節(jié)同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行圖9.19同步發(fā)電機(jī)空載相量圖

同步發(fā)電機(jī)中的主極磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速000在空間旋轉(zhuǎn)，由其產(chǎn)生的正弦基波主磁通和定子繞組中感應(yīng)的以角頻率000交變的正弦基波電動(dòng)勢(shì)在時(shí)空上同步變化。同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的相量圖如圖9.19所示。

同步發(fā)電機(jī)各物理量正方向的規(guī)定如圖9.20所示。圖中

000分別表示主磁通

和電樞反應(yīng)磁通

在定子繞組中感應(yīng)的勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)和電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。第八節(jié)隱極同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行圖9.20同步發(fā)電機(jī)物理量的正方向

不考慮磁路飽和時(shí)，可采用疊加原理求解。隱極同步發(fā)電機(jī)的基本電磁關(guān)系為：式中為定子繞組的相電阻。一．不考慮磁路飽和(9.22)

根據(jù)基爾霍夫定律，可得定子繞組電壓平衡方程為第八節(jié)隱極同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行第八節(jié)隱極同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行

和

分別滯后于產(chǎn)生它們的磁通

、

相位角。因磁路不飽和，有

正比于

，

正比于

，而

又正比于

，因此，

正比于

。由于

與

的正方向相同，故

領(lǐng)先于

相位角。仿照變壓器及異步電機(jī)的分析方法，將電動(dòng)勢(shì)變成電抗壓降形式，故有：(9.23)式中，

為電樞反應(yīng)電抗，表示對(duì)稱(chēng)三相電流所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁場(chǎng)在定子相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的能力。第八節(jié)隱極同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行

式(9.22)可改寫(xiě)為(9.24)

式中，

，為隱極同步電機(jī)的同步電抗，綜合反映了穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電樞反應(yīng)磁場(chǎng)和漏磁場(chǎng)的作用。第八節(jié)隱極同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行圖9.22隱極同步電機(jī)相量圖和等效電路

相量圖中，

和

之間的夾角稱(chēng)為內(nèi)功率因數(shù)角Ψ。根據(jù)幾何關(guān)系不難得出：

飽和時(shí)，由于磁路非線(xiàn)性，不能使用疊加原理求解。而必須首先將主極磁動(dòng)勢(shì)和等效的電樞磁動(dòng)勢(shì)進(jìn)行矢量相加，求出合成磁動(dòng)勢(shì)，再利用磁化曲線(xiàn)求解合成磁通和合成電動(dòng)勢(shì)。二．考慮磁路飽和

通常磁化曲線(xiàn)上勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)

用幅值表示，隱極發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)為一階梯形波，如圖9.23所示。第八節(jié)隱極同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行第八節(jié)隱極同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行圖9.23隱極同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)(9.26)式中為產(chǎn)生同樣的基波氣隙磁場(chǎng)，電樞磁動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換為梯形波磁動(dòng)勢(shì)的系數(shù)。由于電樞磁動(dòng)勢(shì)

幅值是基波的幅值，因此，需要把基波電樞磁動(dòng)勢(shì)幅值換算成等效的階梯波的幅值，才能將

和

進(jìn)行矢量相加。第八節(jié)隱極同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行第八節(jié)隱極同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行

然后根據(jù)電機(jī)的磁化曲線(xiàn)求出負(fù)載時(shí)的氣隙磁通

和

相應(yīng)的氣隙電動(dòng)勢(shì)，并進(jìn)一步導(dǎo)出電樞的電壓方程，即(9.27)圖9.24隱極同步發(fā)電機(jī)飽和時(shí)的相量圖和等效電路

與隱極同步發(fā)電機(jī)不同，凸極同步發(fā)電機(jī)的氣隙不均勻，因而直軸與交軸磁路磁阻不相同，電樞磁動(dòng)勢(shì)作用在直軸和交軸磁路上時(shí)，所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁通不同。因此需要運(yùn)用雙反應(yīng)原理進(jìn)行分析。第九節(jié)凸極同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行

不考慮磁路飽和時(shí)，凸極同步發(fā)電機(jī)磁路不飽和運(yùn)行時(shí)的基本電磁關(guān)系為：一．不考慮磁路飽和第九節(jié)凸極同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行圖9.25凸極同步發(fā)電機(jī)不飽和時(shí)的基本電磁關(guān)系第九節(jié)凸極同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行

根據(jù)圖9.20規(guī)定的同步發(fā)電機(jī)各物理量正方向，可得定子電壓平衡方程為

因磁路不飽和，

正比于

，

正比于

，

又正比于

，因此，

正比于

。由于

與

的

正方向相同，故

落后于

相位。將電動(dòng)勢(shì)變成電抗壓降形式。故有(9.28)(9.29)第九節(jié)凸極同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行同理可得：(9.30)

式中，

和

分別為直軸電樞反應(yīng)電抗和交軸電樞反應(yīng)電抗，表示直軸和交軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)在定子相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的能力。第九節(jié)凸極同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行

將式（9.29）和式（9.30）代入式（9.28）后可得：(9.31)

式中：(9.32)(9.33)

為

凸極同步發(fā)電機(jī)的直軸同步電抗和交軸同步電抗，分別反映了直軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)及漏磁場(chǎng)和交軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)及漏磁場(chǎng)的作用。第九節(jié)凸極同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行由于凸極電機(jī)氣隙不均勻，

，

圖9.26凸極同步發(fā)電機(jī)相量圖相量圖中，和之間的夾角稱(chēng)為內(nèi)功率因數(shù)角Ψ。根據(jù)幾何關(guān)系不難得出：(9.34)

飽和時(shí)，由于磁路非線(xiàn)性，不能使用疊加原理求解。為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略交、直軸磁路交叉飽和影響。交、直軸磁路的合成磁動(dòng)勢(shì)及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可分別由空載特性求得。氣隙合成電動(dòng)勢(shì)為交、直軸感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之和，即二．考慮磁路飽和第九節(jié)凸極同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行

凸極同步發(fā)電機(jī)磁路飽和時(shí)的基本電磁關(guān)系為第九節(jié)凸極同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行圖9.27凸極同步發(fā)電機(jī)飽和時(shí)的基本電磁關(guān)系

其中，

均為基波磁動(dòng)勢(shì)折算到勵(lì)磁繞組的等效勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。用

和

在圖9.28所示空載特性上可得

和

。第九節(jié)凸極同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行圖9.28空載特性第九節(jié)凸極同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行則電樞繞組電壓平衡方程為(9.35)由于交軸氣隙較大，交軸磁路仍可認(rèn)為是線(xiàn)性的代入式（9.35）可得：(9.36)第九節(jié)凸極同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行圖9.29考慮飽和的凸極同步發(fā)電機(jī)相量圖

同步發(fā)電機(jī)由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，在對(duì)稱(chēng)負(fù)載下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，由原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率在扣除了機(jī)械損耗、鐵耗和附加損耗后，轉(zhuǎn)化為電磁功率，功率平衡方程為式中，為空載損耗。一．功率和轉(zhuǎn)矩平衡方程(9.37)(9.38)即第十節(jié)同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩

電磁功率是由氣隙合成磁場(chǎng)傳遞到發(fā)電機(jī)定子的電功率。在扣除了電樞繞組銅耗后，就是發(fā)電機(jī)輸出的電功率，即

(9.39)第十節(jié)同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩式中，為原動(dòng)機(jī)提供的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；而為空載阻轉(zhuǎn)矩，制動(dòng)性質(zhì)；為電磁轉(zhuǎn)矩，也是制動(dòng)性質(zhì)。

(9.40)

式(9.38)同時(shí)除以發(fā)電機(jī)角速度，就得到了同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程，即第十節(jié)同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩二．功角特性根據(jù)圖9.26相量圖，忽略電樞繞組電阻，可推導(dǎo)出凸極同步發(fā)電機(jī)功角特性：(9.41)

式中，第一項(xiàng)稱(chēng)為勵(lì)磁電磁功率，第二項(xiàng)稱(chēng)為凸極電磁功率或磁阻功率，是由d、q軸磁路不對(duì)稱(chēng)產(chǎn)生的。對(duì)于隱極同步發(fā)電機(jī)，，電磁功率為

(9.42)第十節(jié)同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩隱極同步發(fā)電機(jī)只有勵(lì)磁電磁功率，其功角特性如圖9.30曲線(xiàn)1所示。圖9.30同步發(fā)電機(jī)的功角特性凸極同步發(fā)電機(jī)功角特性如圖9.30曲線(xiàn)3所示。其中，勵(lì)磁電磁功率為曲線(xiàn)1，凸極電磁功率為曲線(xiàn)2。第十節(jié)同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩第十節(jié)同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩

第十節(jié)同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩

當(dāng)忽略定子繞組電阻和定子漏抗壓降時(shí)，由式（9.28）可得：

即定子繞組端電壓近似等于勵(lì)磁磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)在定子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相量和。(9.43)圖9.31同步發(fā)電機(jī)的功角

功角是同步發(fā)電機(jī)的基本變量之一，它不僅決定著同步發(fā)電機(jī)電磁功率的大小，其正負(fù)還決定著同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。第十節(jié)同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩例9.2一臺(tái)水輪同步發(fā)電機(jī)，

、

的，接在00000的電網(wǎng)上，帶負(fù)載運(yùn)行，

，

（滯后）忽略定子電阻，試計(jì)算：第十節(jié)同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩(1)勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)

和內(nèi)功率因數(shù)角

；(2)電磁功率

和最大電磁功率

；第十節(jié)同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩解：(1)根據(jù)內(nèi)功率因數(shù)角的計(jì)算公式可得：發(fā)電機(jī)的功角為：根據(jù)圖9.26凸極同步發(fā)電機(jī)相量圖可得勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)：第十節(jié)同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩(2)電磁功率

：第十節(jié)同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩令：即：第十節(jié)同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩解得

，代入

計(jì)算公式可得最大電磁功率

：第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性同步發(fā)電機(jī)在對(duì)稱(chēng)負(fù)載下的運(yùn)行特性是確定電機(jī)主要參數(shù)、評(píng)價(jià)其性能的基本依據(jù)，可由實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得。同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性包括:空載特性短路特性負(fù)載特性外特性調(diào)節(jié)特性一.空載特性同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速，不帶負(fù)載。改變勵(lì)磁電流，空載電動(dòng)勢(shì)隨之變化的關(guān)系稱(chēng)為空載特性。

由于鐵磁材料有磁滯現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)測(cè)定時(shí)，上升和下降的曲線(xiàn)不會(huì)重合。因此，一般采用從開(kāi)始至的下降曲線(xiàn)，如圖9.32中上部的曲線(xiàn)所示。第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性

通過(guò)空載特性不僅可以檢查勵(lì)磁系統(tǒng)的工作狀況，電樞繞組的聯(lián)結(jié)正確性，還可以知道發(fā)電機(jī)磁路飽和的程度。圖9.32空載特性剩磁電動(dòng)勢(shì)校正值實(shí)測(cè)曲線(xiàn)校正曲線(xiàn)第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性短路特性是指同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速，定子三相繞組短路，電樞短路電流與勵(lì)磁電流的關(guān)系。如圖9.33所示。圖9.33短路特性二.短路特性第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性圖9.34穩(wěn)態(tài)短路時(shí)相量圖由于端電壓為零，電樞電阻遠(yuǎn)小于電抗，因此，短路電流滯后感應(yīng)電勢(shì)近似為90o，基本上為純感性。電樞磁動(dòng)勢(shì)基本上就是去磁作用的直軸磁動(dòng)勢(shì)，即。第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性當(dāng)短路電流增加時(shí)，電樞磁動(dòng)勢(shì)正比增加，由于磁路不飽和，合成磁動(dòng)勢(shì)也正比增加，勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)也正比增加，勵(lì)磁電流也正比增加，短路電流與勵(lì)磁電流呈線(xiàn)性關(guān)系。電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程為第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性三.零功率因數(shù)負(fù)載特性同步發(fā)電機(jī)的零功率因數(shù)負(fù)載特性指的是發(fā)電機(jī)帶純電感負(fù)載，保持負(fù)載電流為常數(shù)的條件下，發(fā)電機(jī)端電壓與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖9.35所示。第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性圖9.35零功率因數(shù)負(fù)載特性

為克服漏抗壓降所增加的勵(lì)磁電流;

是克服電樞反應(yīng)去磁作用所需要增加的勵(lì)磁電流。

是電機(jī)的特性三角形。

第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性

圖9.35零功率因數(shù)負(fù)載特性

第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性

通過(guò)上述分析可知，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。由于零功率因數(shù)特性時(shí)電樞電流保持不變，該直角三角形大小不變。其左上角頂點(diǎn)沿空載曲線(xiàn)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)載特性曲線(xiàn)。圖9.36為零功率因數(shù)負(fù)載時(shí)的相量圖。由于，且電樞電阻與回路電抗相比可忽略，即與的夾角，故零功率因數(shù)負(fù)載時(shí)的電樞磁動(dòng)勢(shì)僅有去磁的直軸磁動(dòng)勢(shì)分量，于是。圖9.36零功率因數(shù)負(fù)載時(shí)的相量圖

第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性純電阻負(fù)載四.外特性外特性是指發(fā)電機(jī)運(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電流為常數(shù)、功率因數(shù)恒定的條件下，端電壓與負(fù)載電流之間的關(guān)系曲線(xiàn)。圖9.37同步發(fā)電機(jī)的外特性感性負(fù)載容性負(fù)載額定工作點(diǎn)過(guò)勵(lì)欠勵(lì)第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性

圖9.37表示同步發(fā)電機(jī)不同功率因數(shù)時(shí)的外特性。發(fā)電機(jī)帶感性負(fù)載或純電阻負(fù)載時(shí)，由于定子漏抗壓降和電樞反應(yīng)去磁作用影響，隨著負(fù)載電流的增加，外特性呈下降趨勢(shì)，感性負(fù)載下降得更多；帶容性負(fù)載時(shí)，由于電樞反應(yīng)起助磁作用及容性電流的漏抗壓降使端電壓上升，外特性呈上升趨勢(shì)。

為了使不同功率因數(shù)條件下發(fā)電機(jī)工作于額定點(diǎn)U=UN、I=IN，則感性負(fù)載時(shí)所需要的勵(lì)磁電流大于容性負(fù)載時(shí)的數(shù)值，因此，稱(chēng)前者處于過(guò)勵(lì)狀態(tài)，而后者為欠勵(lì)狀態(tài)。要求

發(fā)電機(jī)端電壓隨負(fù)載變化的程度用電壓調(diào)整率表示。發(fā)電機(jī)運(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速，保持勵(lì)磁電流為額定值，輸出電壓從額定電壓到空載電壓（電動(dòng)勢(shì)），如圖9.38所示。則同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率為圖9.38同步發(fā)電機(jī)輸出電壓的變化第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性五.調(diào)整特性當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載電流變化時(shí)，為保持端電壓不變，必須調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。調(diào)整特性是指發(fā)電機(jī)運(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速，端電壓保持不變，功率因數(shù)恒定的條件下，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流與電樞電流的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖9.39所示。第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性與外特性相反，對(duì)于感性和電阻性負(fù)載，為補(bǔ)償定子漏抗壓降和電樞反應(yīng)去磁作用，隨著負(fù)載的增大需要增加勵(lì)磁電流，特性曲線(xiàn)呈上升趨勢(shì)；而對(duì)容性負(fù)載，因負(fù)載電流的助磁作用，需要減小勵(lì)磁電流，特性曲線(xiàn)呈下降趨勢(shì)。圖9.39同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性六.用特性曲線(xiàn)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算1.由空載特性和短路特性確定

和短路比第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性

對(duì)于一定的勵(lì)磁電流

，從短路特性曲線(xiàn)可以求得短路電流00，從空載特性曲線(xiàn)可以得到對(duì)應(yīng)的空載電動(dòng)勢(shì)

，則電抗

為

由于短路時(shí)主磁路是不飽和的，

與

成正比，因此

應(yīng)當(dāng)由氣隙線(xiàn)求得，此時(shí)求得的同步電抗為不飽和值。由空載、短路特性計(jì)算

的方法如圖9.40所示。(9.45)第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性

發(fā)電機(jī)在額定電壓附近運(yùn)行時(shí)，磁路一般處于飽和狀態(tài)，同步電抗的飽和值與發(fā)電機(jī)的短路比有關(guān)。短路比定義為空載電壓為額定電壓時(shí)的勵(lì)磁電流

與產(chǎn)生額定短路電流

所需的勵(lì)磁電流之比，用

表示。(9.46)第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性圖9.40同步發(fā)電機(jī)

和短路比的求解第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性

由圖9.40可知式(9.47)中，

，稱(chēng)為額定電壓下的飽和系數(shù)。

為磁路飽和時(shí)產(chǎn)生電壓

所需的磁動(dòng)勢(shì)，而

為磁路不飽和時(shí)產(chǎn)生同樣電壓所需的磁動(dòng)勢(shì)，兩者之比恰好是由于磁路飽和使磁阻增加的倍數(shù)，故將

稱(chēng)為飽和系數(shù)。由于飽和同步電抗可近似為(9.47)(9.48)第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性(9.49)

因此，短路比可表示為

標(biāo)幺值的倒數(shù)，即

短路比也反映了產(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。

短路比與發(fā)電機(jī)尺寸參數(shù)、成本等因素密切相關(guān)，對(duì)電機(jī)性能影響較大。短路比大，則

小，負(fù)載變化時(shí)發(fā)電機(jī)的電壓穩(wěn)定較好；短路比小，

較大，負(fù)載變化時(shí)發(fā)電機(jī)的電壓變化較大，并聯(lián)運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定度較差。2.由空載特性和零功率因數(shù)特性確定定子漏電抗第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性圖9.41同步發(fā)電機(jī)定子漏電抗

和保梯電抗

的求解第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性

同步發(fā)電機(jī)空載特性和額定電流下的零功率因數(shù)理論特性曲線(xiàn)（虛線(xiàn)所示）如圖9.41所示。在零功率因數(shù)理論特性曲線(xiàn)上，選取額定電壓點(diǎn)

，做直線(xiàn)

平行于橫軸，并使

00000000。然后，過(guò)點(diǎn)

作氣隙線(xiàn)的平行線(xiàn)，與空載特性相交于點(diǎn)

。則直角三角形

即為發(fā)電機(jī)的特性三角形。其中，直角邊

，另一直角邊

。因此定子漏電抗為：3.由空載特性和零功率因數(shù)特性確定保梯電抗第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性

由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的零功率因數(shù)特性與理論特性曲線(xiàn)并不完全重合，如圖9.41中的實(shí)線(xiàn)所示，原因如下：

空載運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電流

在發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生磁場(chǎng)并在定子繞組感應(yīng)出勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)

外，還會(huì)產(chǎn)生少量的主極漏磁通。第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性

零功率因數(shù)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，負(fù)載為純電感，勵(lì)磁電流為

，等效電樞反應(yīng)電流為

。雖然產(chǎn)生合成磁場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的等效勵(lì)磁電流仍然為

，與空載時(shí)相同，但零功率因數(shù)負(fù)載時(shí)，勵(lì)磁電流

，勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)也要大很多，產(chǎn)生的主極漏磁通自然也大很多，使磁路飽和程度增加，主磁路磁阻增大。因此，要想獲得同樣的氣隙磁場(chǎng)，就需要施加比

000更大的勵(lì)磁電流

，所以實(shí)測(cè)的零功率因數(shù)特性，不是圖9.41中所示的虛線(xiàn)，而是圖中的實(shí)線(xiàn)。第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性

實(shí)際的特性三角形應(yīng)為直角三角形

。由于

，求出的漏電抗

較大，為區(qū)別起見(jiàn)，用

表示，稱(chēng)為保梯電抗，即：

在計(jì)算同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性時(shí)，負(fù)載性質(zhì)通常以感性居多，主磁極鐵心都存在著飽和現(xiàn)象，與零功率因數(shù)負(fù)載特性類(lèi)似。因此，采用保梯電抗替代漏電抗，反而會(huì)得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性例9.3一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)，三相星形聯(lián)結(jié)，額定數(shù)據(jù)如下：容量

0000000000000，電壓

，功率因數(shù)

（滯后），頻率

。其空載特性為：4000800011000130001400015000160004590132170210280440短路特性為一條過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)，當(dāng)

時(shí)，

。額定電流下零功率因數(shù)負(fù)載特性上，電壓為額定值時(shí)相氣隙電動(dòng)勢(shì)為

，忽略電樞繞組電阻。計(jì)算：（1）保梯電抗；（2）額定勵(lì)磁電流；（3）電壓調(diào)整率。第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性解：(1)額定電流為零功率因數(shù)負(fù)載特性上額定電流時(shí)漏電抗壓降為因此：第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性（2）短路時(shí),電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)為直軸去磁性質(zhì),勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)與電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)合成得到氣隙磁動(dòng)勢(shì),從而感應(yīng)氣隙電動(dòng)勢(shì),與漏電抗上的壓降平衡。根據(jù)短路電流為額定電流時(shí)的漏電抗壓降,查空載特性可得對(duì)應(yīng)的等效勵(lì)磁電流為由短路特性可知,短路電流為額定值時(shí)的勵(lì)磁電流為第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性額定電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)的等效勵(lì)磁電流為以相電壓為參考相量,即：功率因數(shù)角,則,作出發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行的相量圖如圖9.42所示。第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性圖9.42例9.3相量圖第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性由電壓方程式得查空載特性,得到氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流為由相量圖可知,電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)與氣隙磁動(dòng)勢(shì)之間的夾角第十一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性根據(jù)余弦定理，額定負(fù)載時(shí)的勵(lì)磁電流為（3）根據(jù)額定勵(lì)磁電流查空載特性，得到勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)為則第十二節(jié)同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行1、提高供電的可靠性；2、提高供電的質(zhì)量；3、電能的供應(yīng)可以相互調(diào)劑，合理使用；4、提高供電的穩(wěn)定性。在發(fā)電廠中，總是有多臺(tái)同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，而現(xiàn)代電力系統(tǒng)則是由多個(gè)發(fā)電廠并聯(lián)而成。同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行具有一系列的優(yōu)點(diǎn)：一．并聯(lián)運(yùn)行的條件(1)幅值相同；(2)波形相同；(3)頻率相同；(4)相序相同；(5)相位相同。第十二節(jié)同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行圖9.43發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行幅值不相等電機(jī)與電網(wǎng)之間存在電位差，產(chǎn)生環(huán)流，從而使發(fā)電機(jī)損耗增大、溫升增高。波形不同在發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)間產(chǎn)生一系列高次諧波環(huán)流，從而損耗增大、溫升增高、效率降低。頻率不同發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)電壓相量之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，且周而復(fù)始，從而產(chǎn)生差頻環(huán)流，在電機(jī)內(nèi)引起功率振蕩。相序不同不同相序之間巨大的電位差產(chǎn)生的巨大環(huán)流和機(jī)械沖擊，將嚴(yán)重危害發(fā)電機(jī)安全。相位不相等也會(huì)在電機(jī)與電網(wǎng)之間產(chǎn)生環(huán)流。條件不滿(mǎn)足時(shí)對(duì)電機(jī)的影響第十二節(jié)同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行二、投入并聯(lián)的方法1.準(zhǔn)確同步法直接接法（暗燈法）交叉接法（燈光旋轉(zhuǎn)法）2.自同步法第十二節(jié)同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行1.準(zhǔn)確同步法將發(fā)電機(jī)參數(shù)調(diào)整到完全符合并聯(lián)運(yùn)行條件后并網(wǎng)操作，稱(chēng)為準(zhǔn)確同步法。調(diào)整過(guò)程中，常用三組相燈來(lái)判別條件的滿(mǎn)足情況。三組相燈的接法有直接接法和交叉接法兩種，如圖9.44和9.46所示。第十二節(jié)同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行圖9.44直接接法第十二節(jié)同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行每組相燈上的電壓相同，即。設(shè)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的電壓幅值相同，但頻率不等，相量圖如圖9.45所示。直接接法（暗燈法）圖9.45電壓幅值相同頻率不等的相量圖以頻率在之間交變，三組相燈同時(shí)以頻率閃爍。第十二節(jié)同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行直接接法并網(wǎng)操作步驟（1）按照直接接法接線(xiàn)；（2）把發(fā)電機(jī)拖動(dòng)到接近同步轉(zhuǎn)速；（3）調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁使端電壓與電網(wǎng)電壓相等；若相序正確，則在發(fā)電機(jī)頻率與電網(wǎng)頻率不等時(shí)，三組相燈會(huì)同時(shí)變亮和變暗。（4）調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速使相燈變亮和變暗的頻率很低，并在三組相燈全暗時(shí)，迅速合閘，完成并網(wǎng)操作。第十二節(jié)同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行圖9.46交叉接法第十二節(jié)同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行交叉接法（燈光旋轉(zhuǎn)法）圖9.47交叉接法電壓幅值相同頻率不等的相量圖第十二節(jié)同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行由圖9.47可知，三組相燈的亮度會(huì)依次變化，最大的相燈最亮，最大的依次出現(xiàn)在不同的相燈，且周而復(fù)始，循環(huán)變化，好像燈光在旋轉(zhuǎn)。

所以，交叉接法又稱(chēng)為燈光旋轉(zhuǎn)法，其優(yōu)點(diǎn)是顯示直觀。根據(jù)燈光旋轉(zhuǎn)方向，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使燈光旋轉(zhuǎn)速度逐漸變慢，最后在某一組燈光熄滅、另兩組燈光亮度相等時(shí)合閘，完成并網(wǎng)操作，并最終牽入同步運(yùn)行。第十二節(jié)同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行2.自同步法

用準(zhǔn)確同步法進(jìn)行并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有明顯的電流沖擊，但缺點(diǎn)是操作復(fù)雜，耗時(shí)較多。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，需要迅速將發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)，常采用自同步法實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行。自同步法的操作步驟是：發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組先不接電源而經(jīng)外電阻短路，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，勵(lì)磁繞組切除外電阻并立即接入勵(lì)磁電源，利用自整步作用使發(fā)電機(jī)牽入同步。第十二節(jié)同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行2.自同步法

自同步法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便，不需要復(fù)雜設(shè)備，缺點(diǎn)是合閘及投入勵(lì)磁時(shí)均有較大的電流沖擊。

上面介紹的并網(wǎng)方法，無(wú)論是準(zhǔn)確同步法還是自同步法，都屬于人工操作。隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步，人工并網(wǎng)目前已基本不用了，取而代之的是自動(dòng)并網(wǎng)。自動(dòng)并網(wǎng)不但使并網(wǎng)的各項(xiàng)要求能最大限度地得到滿(mǎn)足，而且可對(duì)電網(wǎng)故障作出快速、準(zhǔn)確的反應(yīng)，提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和綜合自動(dòng)化水平。第十二節(jié)同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行

根據(jù)能量守恒原理，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率就必須改變?cè)瓌?dòng)機(jī)的輸入功率。輸入功率的變化將使發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩發(fā)生相應(yīng)的變化，并進(jìn)一步使輸出有功功率發(fā)生變化。第十三節(jié)同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的功率調(diào)節(jié)一、有功功率的調(diào)節(jié)

發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，輸入功率

等于空載損耗，輸入轉(zhuǎn)矩

等于發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行的阻力矩，電磁功率

為零。此時(shí)發(fā)電機(jī)的功角

，發(fā)電機(jī)運(yùn)行在功角特性的原點(diǎn)，轉(zhuǎn)子主極磁場(chǎng)和氣隙合成磁場(chǎng)重合，

和

大小相等、相位相同，如圖9.48（a）所示。第十三節(jié)同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的功率調(diào)節(jié)圖9.48(a)發(fā)電機(jī)空載相量圖第十三節(jié)同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的功率調(diào)節(jié)圖9.48(b)發(fā)電機(jī)負(fù)載相量圖

當(dāng)發(fā)電機(jī)輸入功率

增加時(shí)，輸入轉(zhuǎn)矩

隨之增大，轉(zhuǎn)子加速。由于合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速不變?nèi)詾橥睫D(zhuǎn)速，因此轉(zhuǎn)子磁極與合成磁場(chǎng)等效磁極之間相對(duì)位置發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子磁極軸線(xiàn)沿旋轉(zhuǎn)方向向前移動(dòng)，使轉(zhuǎn)子磁極領(lǐng)先于氣隙合成磁場(chǎng)等效磁極，使功角增加，如圖9.48(b)所示。第十三節(jié)同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的功率調(diào)節(jié)圖9.48(c)發(fā)電機(jī)功率調(diào)節(jié)

因此發(fā)電機(jī)電磁功率增加，開(kāi)始輸出有功功率。此時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡時(shí)，即

000時(shí)，轉(zhuǎn)子不再加速，發(fā)電機(jī)達(dá)到新的平衡狀態(tài)，向電網(wǎng)輸出電能。此時(shí)，發(fā)電機(jī)的功角為000，如圖9.48(c)中的點(diǎn)00所示。第十三節(jié)同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的功率調(diào)節(jié)

發(fā)電機(jī)在功角特性的

點(diǎn)上運(yùn)行時(shí)，如果減小從原動(dòng)機(jī)的輸入功率，發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩減少，則轉(zhuǎn)子減速，轉(zhuǎn)子磁極領(lǐng)先于氣隙合成磁場(chǎng)等效磁極的角度減小，電磁功率減少，發(fā)電機(jī)輸出功率也減少了，功角由原來(lái)的

減小為

，工作點(diǎn)由點(diǎn)

移動(dòng)至點(diǎn)

，如圖9.48(c)所示。在

點(diǎn)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩又重新達(dá)到平衡。

通過(guò)上述分析可知，改變從原動(dòng)機(jī)輸入的功率，可以對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

并聯(lián)運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)，當(dāng)電網(wǎng)或原動(dòng)機(jī)發(fā)生微小的擾動(dòng)時(shí)，擾動(dòng)消失后發(fā)電機(jī)恢復(fù)到原運(yùn)行狀態(tài)的能力，稱(chēng)為同步發(fā)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定性。若能恢復(fù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，發(fā)電機(jī)便是穩(wěn)定的，否則就是不穩(wěn)定的。第十三節(jié)同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的功率調(diào)節(jié)二、靜態(tài)穩(wěn)定性第十三節(jié)同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的功率調(diào)節(jié)

同步發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)是：當(dāng)功角

有微小變化后，電磁功率

亦隨之改變，其微分形式為