1、1二、同步電機的電樞反應二、同步電機的電樞反應三、同步發電機的負載運行三、同步發電機的負載運行四、同步發電機的功率和轉矩方程式四、同步發電機的功率和轉矩方程式五、同步發電機的特性五、同步發電機的特性六、同步發電機的并聯運行六、同步發電機的并聯運行一、同步發電機的空載運行一、同步發電機的空載運行本章基本要求本章基本要求1. 理解同步電機電樞反應的物理概念，并掌握電樞理解同步電機電樞反應的物理概念，并掌握電樞反應的性質與哪些因素有關；反應的性質與哪些因素有關；2. 熟練掌握同步發電機的電壓平衡方程式和相應熟練掌握同步發電機的電壓平衡方程式和相應的相量圖的畫法。的相量圖的畫法。 3. 熟練掌握同步發

2、電機的功角特性，分析當勵磁電熟練掌握同步發電機的功角特性，分析當勵磁電流改變時，空載電勢和功角特性變化的規律。流改變時，空載電勢和功角特性變化的規律。 4. 了解同步發電機的功率和轉矩方程式、工作特性。了解同步發電機的功率和轉矩方程式、工作特性。 6. 掌握同步發電機有功功率和無功功率的調節以及掌握同步發電機有功功率和無功功率的調節以及同步發電機的同步發電機的U 形曲線；掌握無功功率的性質與勵形曲線；掌握無功功率的性質與勵磁電流的關系。磁電流的關系。 5. 了解同步發電機并聯運行的條件及其整步方法。了解同步發電機并聯運行的條件及其整步方法。 一一 同步發電機的空載運行同步發電機的空載運行（一）

3、、同步電機的基本作用原理（一）、同步電機的基本作用原理 1. 兩種旋轉磁場兩種旋轉磁場 當對稱三相電流流過對稱三相繞組時，將在氣隙中當對稱三相電流流過對稱三相繞組時，將在氣隙中產生一個旋轉磁場，基波磁勢有下列特性：產生一個旋轉磁場，基波磁勢有下列特性：振幅恒定是單相繞組最大振幅的振幅恒定是單相繞組最大振幅的1.5倍，轉速為同步倍，轉速為同步轉速轉速n1，旋轉方向是從電流超前的相轉向電流滯后，旋轉方向是從電流超前的相轉向電流滯后的相，當某相電流達到最大值時，旋轉磁場的振幅的相，當某相電流達到最大值時，旋轉磁場的振幅恰好在該相繞組的軸線上。恰好在該相繞組的軸線上。 同步電機無論作為發電機運行還是作

4、為電動機運行，同步電機無論作為發電機運行還是作為電動機運行，和異步電機一樣，只要它們的定子三相繞組中流過三和異步電機一樣，只要它們的定子三相繞組中流過三相對稱電流，都將在氣隙中產生上述的旋轉磁場。相對稱電流，都將在氣隙中產生上述的旋轉磁場。因該磁場是交流勵磁的，故稱為交流勵磁的旋轉磁場，因該磁場是交流勵磁的，故稱為交流勵磁的旋轉磁場，同步電機的定子繞組又稱為電樞繞組，因此又稱為電同步電機的定子繞組又稱為電樞繞組，因此又稱為電樞磁場。樞磁場。如果在轉子上裝有由直流勵磁的磁極，且用原動機把如果在轉子上裝有由直流勵磁的磁極，且用原動機把轉子帶到同步轉速，就像同步電機那樣，則在氣隙中轉子帶到同步轉速，

5、就像同步電機那樣，則在氣隙中同樣出現一個圓形旋轉磁場，這樣獲得的旋轉磁場又同樣出現一個圓形旋轉磁場，這樣獲得的旋轉磁場又稱直流勵磁的旋轉磁場或稱機械旋轉磁場。稱直流勵磁的旋轉磁場或稱機械旋轉磁場。 同步發電機空載時，定子繞組中的電流為零，在氣隙同步發電機空載時，定子繞組中的電流為零，在氣隙中只有直流勵磁的旋轉磁場，在負載的情況下，兩種中只有直流勵磁的旋轉磁場，在負載的情況下，兩種旋轉磁場均存在。旋轉磁場均存在。 在同步電機的氣隙中存在著兩種不同的旋轉磁場，只在同步電機的氣隙中存在著兩種不同的旋轉磁場，只要這兩個旋轉磁場在空間有位移，它們之間便會有電要這兩個旋轉磁場在空間有位移，它們之間便會有電

6、磁力，猶如兩塊磁鐵之間存在相互作用力一樣。磁力，猶如兩塊磁鐵之間存在相互作用力一樣。3. 同步電機的運行方式同步電機的運行方式 同步電機在工作時，由于兩種旋轉磁場之間沒有相對同步電機在工作時，由于兩種旋轉磁場之間沒有相對運動，因此它們之間的相互位置決定著同步電機的運運動，因此它們之間的相互位置決定著同步電機的運行情況：行情況： 如轉子磁場在前，則當轉子旋轉時，便拉著定子磁場如轉子磁場在前，則當轉子旋轉時，便拉著定子磁場旋轉，這時轉子磁場超前電樞磁場，這便是發電機運旋轉，這時轉子磁場超前電樞磁場，這便是發電機運行；行； 反之定子磁場旋轉拉著轉子磁場旋轉，便是電動機反之定子磁場旋轉拉著轉子磁場旋轉

7、，便是電動機運行情況。運行情況。 2. 同步電機的作用力同步電機的作用力 4. 同步電機的電路方程及等效電路同步電機的電路方程及等效電路 在正常運行時，同步電機的定子磁場與轉子繞組之間在正常運行時，同步電機的定子磁場與轉子繞組之間沒有相對運動，因而不能在轉子繞組中感應電勢，轉沒有相對運動，因而不能在轉子繞組中感應電勢，轉子回路中只有直流勵磁電流，故從電路的觀點來看，子回路中只有直流勵磁電流，故從電路的觀點來看，同步電機要比變壓器或異步電機更為簡單，可不考慮同步電機要比變壓器或異步電機更為簡單，可不考慮轉子支路，而只為定子電路單獨寫出電壓方程式。轉子支路，而只為定子電路單獨寫出電壓方程式。 同步

8、電機正常運行時的等效電路是一個沒有副方回同步電機正常運行時的等效電路是一個沒有副方回路與原方耦合的獨立回路，求解時也不用聯立方程，路與原方耦合的獨立回路，求解時也不用聯立方程，非常簡單。同步發電機各物理量的正方向規定如圖非常簡單。同步發電機各物理量的正方向規定如圖所示。所示。 同步發電機等效電路如圖所示。同步發電機等效電路如圖所示。如不考慮飽和現象，利用迭加原理：如不考慮飽和現象，利用迭加原理： )(0jxrIUEEaa轉子磁場在定子繞組中的感應電勢轉子磁場在定子繞組中的感應電勢 ，也稱勵，也稱勵磁電勢；磁電勢； 0E定子磁場在定子繞組中的感應電勢，稱為電定子磁場在定子繞組中的感應電勢，稱為電

9、樞反應電勢。樞反應電勢。 aEra定子繞組的電阻，定子繞組的電阻， x 定子繞組漏抗。定子繞組漏抗。 定子繞組端電壓定子繞組端電壓 U定子繞組輸出電流定子繞組輸出電流 IE0 Ea E U1I10aaEEEUIr或或5. 同步電機的氣隙合成磁場同步電機的氣隙合成磁場 將氣隙中的定子和轉子磁場合并為一合成氣隙磁場來將氣隙中的定子和轉子磁場合并為一合成氣隙磁場來考慮，這種分析方法更符合同步電機的實際情況?？紤]，這種分析方法更符合同步電機的實際情況。 由于定、轉子磁場均以同步轉速旋轉，氣隙中合成旋由于定、轉子磁場均以同步轉速旋轉，氣隙中合成旋轉磁場便也按同步轉速旋轉，和轉子繞組之間仍無相轉磁場便也按

10、同步轉速旋轉，和轉子繞組之間仍無相對運動；對運動； 因此同步電機作為發電機運行時，轉子磁場軸線便超因此同步電機作為發電機運行時，轉子磁場軸線便超前于氣隙合成磁場軸線；而同步電機作為電動機運行前于氣隙合成磁場軸線；而同步電機作為電動機運行時，轉子磁場軸線將滯后于氣隙合成磁場的軸線。時，轉子磁場軸線將滯后于氣隙合成磁場的軸線。 同步電機的運行方式，也常用合成旋轉磁場與轉子磁同步電機的運行方式，也常用合成旋轉磁場與轉子磁場之間的相對位置來確定；場之間的相對位置來確定；當轉子磁場超前于定子磁場時，合成的氣隙磁場便當轉子磁場超前于定子磁場時，合成的氣隙磁場便滯后于轉子磁場，當轉子磁場滯后于定子磁場時，滯

11、后于轉子磁場，當轉子磁場滯后于定子磁場時，合成的氣隙磁場便將超前于轉子磁場；合成的氣隙磁場便將超前于轉子磁場；電樞（定子）：電樞（定子）： I1 (Fa ) = 0轉子每極磁通：轉子每極磁通： 0 空載電動勢：空載電動勢： E0 = 4.44 f1 kw1 W10 或或電樞相電壓：電樞相電壓： U0P = E0電樞線電壓（電樞線電壓（Y 形聯結）：形聯結）：E0 = j4.44 f1 kw1 W10U0L =3 E0 E0 的頻率：的頻率：f1 =pn60（二）、同步發電機的空載運行（二）、同步發電機的空載運行 同步發電機被原動機拖動至同步轉速，轉子繞組通入同步發電機被原動機拖動至同步轉速，轉

12、子繞組通入直流勵磁電流，定子繞組開路時稱為空載運行。直流勵磁電流，定子繞組開路時稱為空載運行。 二、二、 同步電機的電樞反應同步電機的電樞反應 空載時，同步電機中只有一個以同步旋轉的轉子磁空載時，同步電機中只有一個以同步旋轉的轉子磁場，即勵磁磁場，它在三相繞組中感應出對稱的三場，即勵磁磁場，它在三相繞組中感應出對稱的三相電勢，每一相為相電勢，每一相為E0，稱為勵磁電勢，定子每相電，稱為勵磁電勢，定子每相電壓為壓為E0=U。 當定子繞組接上對稱的負載后，氣隙合成磁勢由電當定子繞組接上對稱的負載后，氣隙合成磁勢由電樞磁勢與轉子磁勢相互作用共同建立，并建立負載樞磁勢與轉子磁勢相互作用共同建立，并建立

13、負載時的氣隙磁場；時的氣隙磁場；盡管勵磁電流未變，但氣隙磁場已不同于原來的勵盡管勵磁電流未變，但氣隙磁場已不同于原來的勵磁磁場，所以感應電勢已不再是磁磁場，所以感應電勢已不再是E0了。了。 對于功率因數滯后的感性負載，此時電勢將明顯地對于功率因數滯后的感性負載，此時電勢將明顯地低于空載電勢低于空載電勢E0，再計入電樞繞組中的電阻和漏抗，再計入電樞繞組中的電阻和漏抗壓降后，這就使壓降后，這就使U更加低于更加低于E0。 對稱負載時電樞磁動勢的基波對主極磁場基波的影對稱負載時電樞磁動勢的基波對主極磁場基波的影響，簡稱對稱負載時的電樞反應。響，簡稱對稱負載時的電樞反應。電樞反應的性質主要取決于電樞反應

14、的性質主要取決于E0與與I之間的相位差之間的相位差 ，亦即主要取決于負載的性質。亦即主要取決于負載的性質。下面就下面就 角的幾種情況，分別討論電樞反應的性質。角的幾種情況，分別討論電樞反應的性質。 叫做內功率因數角，電壓與電流的相位差叫做內功率因數角，電壓與電流的相位差 叫做外叫做外功率因數角。功率因數角。注意內功率因數角注意內功率因數角 無法測量，外功率因數角可以測無法測量，外功率因數角可以測量。量。情況下，才能測到電勢情況下，才能測到電勢E0，負載，負載時測到的是電壓。時測到的是電壓。為什么？為什么？AXBYZCNSn當當 =0 時，圖中所時，圖中所示瞬間，示瞬間，A相繞組的相繞組的軸線與

15、主磁極的交軸軸線與主磁極的交軸（q軸）重合軸）重合；此時此時A相繞組勵磁電相繞組勵磁電動勢為最大值，其方動勢為最大值，其方向按右手定則確定。向按右手定則確定。（一一）、E0和和I 同相同相（ =0）時的電樞反應）時的電樞反應因為因為 =0 ，所以此瞬間，所以此瞬間A繞組中的電流也達到最大繞組中的電流也達到最大值。值。AXBYZCNSnFfFaF 三相電流聯合產三相電流聯合產生的電樞磁勢生的電樞磁勢Fa的基波振幅便落的基波振幅便落在在A相繞組軸線上；相繞組軸線上； d 軸超前于軸超前于A相相軸相相軸 90，勵磁磁勢，勵磁磁勢Ff的基波相量在的基波相量在d 軸上；軸上； Fa的基波分量在的基波分量

16、在q軸上（稱為轉子交軸），它們和軸上（稱為轉子交軸），它們和轉子一起以同步轉速旋轉，產生合成磁勢轉子一起以同步轉速旋轉，產生合成磁勢F 。 qd這種電樞磁動勢稱為交軸電樞磁動勢，用這種電樞磁動勢稱為交軸電樞磁動勢，用Faq表示，表示，相應的電樞反應稱為交軸電樞反應。相應的電樞反應稱為交軸電樞反應。對于氣隙磁場交軸電對于氣隙磁場交軸電樞樞反應將使合成磁場的軸線位反應將使合成磁場的軸線位置置從空載時的直軸處逆轉向后移了一個銳角，且幅從空載時的直軸處逆轉向后移了一個銳角，且幅值也有所增加。但因磁路的飽和現象，交軸電樞反值也有所增加。但因磁路的飽和現象，交軸電樞反應使幅值增加的很小。應使幅值增加的很小

17、。對主磁場而對主磁場而言言，交軸電樞反應在前極尖將起去磁作，交軸電樞反應在前極尖將起去磁作用，在后極尖則起增磁作用。用，在后極尖則起增磁作用。見課本見課本257頁圖頁圖13-3(c)時時空相量圖空相量圖已知氣隙合成磁勢，并產生氣隙合成磁密和磁通，該已知氣隙合成磁勢，并產生氣隙合成磁密和磁通，該磁通在電樞繞組中產生合成電勢。磁通在電樞繞組中產生合成電勢。同理若忽略鐵心飽和的影響：同理若忽略鐵心飽和的影響： 這時應有這時應有 可從勵磁磁勢和電樞磁勢分別求出勵磁電勢和電樞可從勵磁磁勢和電樞磁勢分別求出勵磁電勢和電樞反應電勢，即反應電勢，即100ffFBE 11aaaaFBE a0相應地有相應地有 E

18、EEa0應注意：這里所述的所有的時間相量都是屬于定子中應注意：這里所述的所有的時間相量都是屬于定子中某一相中的物理量。某一相中的物理量。當各相時軸和相軸都取在繞組的軸線上時，時當各相時軸和相軸都取在繞組的軸線上時，時空相空相量圖存在下列關系。量圖存在下列關系。 時軸：若取某軸為時間參考軸時，則旋轉相量時軸：若取某軸為時間參考軸時，則旋轉相量 I2在該軸上的投影即為電流的瞬時值，即當相量與該軸在該軸上的投影即為電流的瞬時值，即當相量與該軸重合時，正弦量達到最大值。重合時，正弦量達到最大值。 相軸：繞組的軸線。當某相電流達到最大值時，旋轉相軸：繞組的軸線。當某相電流達到最大值時，旋轉磁勢的幅值就落

19、在該相繞組的軸線上。磁勢的幅值就落在該相繞組的軸線上。 (1)磁通相量磁通相量(時間相量時間相量)應與產生它的磁密相量應與產生它的磁密相量(空間空間相量相量)重合；重合； 相量圖的畫法：相量圖的畫法：(2)忽略鐵心中的損耗影響時，磁通相量應與產生它忽略鐵心中的損耗影響時，磁通相量應與產生它的電流相量同相位；的電流相量同相位；(3)當磁通與感應電勢正方向符合右手螺旋法則時，當磁通與感應電勢正方向符合右手螺旋法則時，電勢滯后于產生它的磁通電勢滯后于產生它的磁通90。 而磁勢與產生它的電流重合。而磁勢與產生它的電流重合。(時軸與相軸取在一起時軸與相軸取在一起)根據這些基本關系，便可畫出時空相量圖如下

20、圖所示。根據這些基本關系，便可畫出時空相量圖如下圖所示。 FaF 0I aE E0Ea Ff =0時的時的時時空相量圖空相量圖就是說就是說A相電流達到最大值時，轉子已向前轉過相電流達到最大值時，轉子已向前轉過90 。（二）（二）、當當E0超前超前I 90 （ =90 ）時的電樞反應）時的電樞反應當當 =90 時，在圖示瞬間，此時時，在圖示瞬間，此時A相勵磁電動勢為最相勵磁電動勢為最大值，但定子大值，但定子A相電流為零。相電流為零。AXBYZCNSnFfFaF AXBYZCNSn可見可見 =90 時直軸電樞反應的性質是純粹去磁的。時直軸電樞反應的性質是純粹去磁的。電樞磁動勢的幅值恰好位于勵磁磁動

21、勢的軸線上，電樞磁動勢的幅值恰好位于勵磁磁動勢的軸線上，但方向相反。但方向相反。此時的電樞磁動勢稱為直軸電樞磁動勢，用此時的電樞磁動勢稱為直軸電樞磁動勢，用Fad表表示，相應的電樞反應稱為直軸電樞反應，示，相應的電樞反應稱為直軸電樞反應，（三）（三）、當當E0滯后滯后I90 （ =-90 ）時的電樞反應）時的電樞反應當當 =-90 時，在圖示瞬間，此時時，在圖示瞬間，此時A相勵磁電動勢為最相勵磁電動勢為最大值，但定子大值，但定子A相電流為零。相電流為零。若保證電壓不變，即氣隙的合成磁場不變，必須加若保證電壓不變，即氣隙的合成磁場不變，必須加大直流勵磁，這種電機叫做過激狀態的同步電機。大直流勵磁

22、，這種電機叫做過激狀態的同步電機。就是說就是說A相電流達到最大值時，轉子已向相電流達到最大值時，轉子已向后后轉過轉過90;AXBYZCNSnFfFaF AXBYZCNSn電樞磁動勢的幅值電樞磁動勢的幅值也也恰好位于勵磁磁動勢的軸線上，恰好位于勵磁磁動勢的軸線上，但方向相但方向相同同?？梢娍梢?=-90 時直軸電樞反應的性質是純粹時直軸電樞反應的性質是純粹助助磁的。磁的。此時的電樞磁動勢稱為直軸電樞磁動勢，用此時的電樞磁動勢稱為直軸電樞磁動勢，用Fad表表示，相應的電樞反應稱為直軸電樞反應示，相應的電樞反應稱為直軸電樞反應。（四）（四）、一般情況下一般情況下（0 xq所以所以E0EQ（感性）感性

23、）UI ra Ij xqIEQjxdIdE0jxqIqUIra Ijxq IEQjxdIdjxq IqE0UIra Ijxq IEQjxd Idjxq IqE0 (c) 電電容容性性(a) 電電感感性性(b) 電電阻阻性性 忽略忽略 ra 時時UI jxqIEQjxdIdE0jxq IqUIjxq IEQjxdIdjxq IqE0UIjxqIEQjxd Idjxq IqE0 忽略電樞電阻，相量圖重畫如下忽略電樞電阻，相量圖重畫如下UI jxqIEQjxdIdE0jxqIq NOG IdIq線段線段ON的長度為的長度為cosONU所以勵磁電勢所以勵磁電勢E0 由相量圖可得由相量圖可得 1sinc

24、osqIxUtgU0cosddEUI x例：例：某三相同步發電機，已知某三相同步發電機，已知UN = 11kV，Y形聯結，形聯結，IN =460A，cos = 0.8（感性），（感性），xd = 16，xq = 8，ra 忽略不計。求忽略不計。求 、 、E0 。 U = UN 3= = 6 351 V 111031.732Vtan = Usin xqIUcos 6 3510.68460 6 3510.8=V = 1.474 = arctan1.474 = 55.85o = = 55.85o 36.87o = 18.98o E0 = Ucos xdId = (6 351cos18.98o1646

25、0sin 55.85o )V = 12096.63 V解：解：1. 一臺凸極式同步發電機，額定值為一臺凸極式同步發電機，額定值為PN=72500kW，UN=10.5kV,，Y接法，接法，cos N=0.8（滯后），已知（滯后），已知xd*=1，xq*=0.544，不計電阻，求，不計電阻，求額定狀態下發電機的額定狀態下發電機的 、Id*、Iq*及及E0*各為多少？各為多少？2. 有一臺有一臺400kW、6300V、Y接法接法cos N=0.8（滯后）的三相凸極式同步發電機，若發電機在（滯后）的三相凸極式同步發電機，若發電機在額定狀態下運行時額定狀態下運行時 =60，電樞每相勵磁電勢為，電樞每相勵

26、磁電勢為7400V，試求，試求Id、Iq、xd、xq。補充作業補充作業四、三相同步發電機的功率和轉矩四、三相同步發電機的功率和轉矩1. 功率功率(1) 輸入功率輸入功率(2) 空載損耗空載損耗(3) 電磁功率電磁功率(4) 銅損耗銅損耗(5) 輸出功率輸出功率(6) 功率關系功率關系P1 = T1p0 = pFep psPM = P1p0pCu = 3raI2 P2 = PMpcu = 3UIcos P1 = p0PM = pFep pspCuP2 (7) 功率流程圖和效率功率流程圖和效率P1p0PMpCuP2 = 100% P2P12. 轉矩轉矩(1) 輸入轉矩輸入轉矩(2) 空載轉矩空載轉

27、矩(3) 電磁轉矩電磁轉矩(4) 轉矩關系轉矩關系T1 = P11T0 = p01TM = PM1T1 = TM + T0= P1 n602 = p0 n602 = PM n602 五、三相同步發電機的特性五、三相同步發電機的特性同步發電機的對稱運行是指電機轉速為額定值且保持同步發電機的對稱運行是指電機轉速為額定值且保持恒定，并供給三相對稱負載時的一種穩態運行方式。恒定，并供給三相對稱負載時的一種穩態運行方式。 同步發電機的運行性能可以通過它的基本特性以及由同步發電機的運行性能可以通過它的基本特性以及由這些特性所求得的一些主要參數來加以說明。這些特性所求得的一些主要參數來加以說明。 同步發電機

28、在轉速不變時，有三個互相影響的變量，同步發電機在轉速不變時，有三個互相影響的變量，即端電壓即端電壓U，電樞電流，電樞電流I和勵磁電流和勵磁電流If。 負載的功率因數負載的功率因數cos 對它們之間的關系也有影響，為對它們之間的關系也有影響，為便于分析，設便于分析，設cos 不變；不變； 在端電壓、電樞電流和勵磁電流三者中令其一為常數，在端電壓、電樞電流和勵磁電流三者中令其一為常數，而求其他二者之間的關系，就稱為同步發電機的基本而求其他二者之間的關系，就稱為同步發電機的基本特性。特性。 本節還要介紹同步發電機穩態的功角特性。本節還要介紹同步發電機穩態的功角特性。 重要！重要！（一）、空載特性和短

29、路特性（一）、空載特性和短路特性 1. 空載特性空載特性指在發電機的轉速保持為同步轉速（指在發電機的轉速保持為同步轉速（n=n1），電樞電），電樞電路開路（路開路（I=0）的情況下?？蛰d電壓（）的情況下?？蛰d電壓（U0=E0）與勵磁）與勵磁電流電流If 之間的關系曲線之間的關系曲線U0=f(If)。 空載特性曲線實際上就是電機的磁化曲線，它可用計空載特性曲線實際上就是電機的磁化曲線，它可用計算法得到，也可用實驗法測出。可用下圖電路。算法得到，也可用實驗法測出?？捎孟聢D電路。 實驗測定時，電樞繞組開路，用原動機把發電機拖到實驗測定時，電樞繞組開路，用原動機把發電機拖到同步轉速，然后逐漸增加勵磁電

30、流并記錄不同勵磁電同步轉速，然后逐漸增加勵磁電流并記錄不同勵磁電流下對應的電樞端電壓，直到流下對應的電樞端電壓，直到U0=1.3UN左右，再逐步左右，再逐步減少減少If ，記錄對應的，記錄對應的U0和和If 值，由于鐵磁材料的磁滯值，由于鐵磁材料的磁滯現象，將得到上升和下降兩條不同的曲線見下圖。現象，將得到上升和下降兩條不同的曲線見下圖。 (b)空載特性的校正空載特性的校正 (a)不同剩磁下的空載特性不同剩磁下的空載特性空載特性是同步發空載特性是同步發電機的基本特性之電機的基本特性之一，是一條非常重一，是一條非常重要的特性，它體現要的特性，它體現了電機中電與磁的了電機中電與磁的關系。一方面表征

31、關系。一方面表征了電機磁路的飽和了電機磁路的飽和情況，另一方面把情況，另一方面把它和短路特性、零它和短路特性、零功率因數特性配合功率因數特性配合在一起，可以確定在一起，可以確定電機的基本參數額電機的基本參數額定勵磁電流和電壓定勵磁電流和電壓調整率等。調整率等。 2. 短路特性短路特性 短路特性是指發電機的轉速保持不變，將電樞繞組穩短路特性是指發電機的轉速保持不變，將電樞繞組穩態短路，短路電流態短路，短路電流Ik與勵磁電流與勵磁電流If之間的關系曲線，之間的關系曲線，即即Ik=f(If)。 它不僅可用來說明同步發電機的性能，更重要的是可它不僅可用來說明同步發電機的性能，更重要的是可借以測定電機參

32、數。借以測定電機參數。 短路試驗的接線圖中只需把空載實驗圖中的短路試驗的接線圖中只需把空載實驗圖中的A、B、C三端短接即可。三端短接即可。 試驗時發電機轉速保持為同步轉速，調節勵磁電流試驗時發電機轉速保持為同步轉速，調節勵磁電流If使電樞的短路電流從零開始一直到使電樞的短路電流從零開始一直到1.25IN左右為至，左右為至，記取對應的短路電流記取對應的短路電流Ik 和勵磁電流和勵磁電流If ，得短路特性曲，得短路特性曲線如下圖所示。線如下圖所示。 IfIkINIfko短路特性曲線短路特性曲線短路時，發電機端電壓短路時，發電機端電壓U=0，限制，限制短路電流的僅是電機的內部阻抗，短路電流的僅是電機

33、的內部阻抗，由于一般同步發電機的電樞電阻遠由于一般同步發電機的電樞電阻遠小于同步電抗可忽略不計，所以小于同步電抗可忽略不計，所以 ssasjxjxrZ90000ssskxEjxEZEI（隱極式）（隱極式） 短路電流短路電流 所以短路電流可認為是純感性的，即所以短路電流可認為是純感性的，即 = 90，這時，這時電樞電流只有直軸分量，它所產生的電樞磁勢基本電樞電流只有直軸分量，它所產生的電樞磁勢基本上是一個起純去磁作用的直軸磁勢，即上是一個起純去磁作用的直軸磁勢，即Fa=Fad，而，而Faq=0。E0 Ik jxd FfFadFadF Ea=-jxadIkE0=jxdIkE =jx IkIk(b)

34、短路時的相量圖短路時的相量圖 (a)短路時的等效電路短路時的等效電路 此時繞組的電抗，若為凸極式發電機，則為直軸同步此時繞組的電抗，若為凸極式發電機，則為直軸同步電抗，因此短路時，不論是隱極機還是凸極機都具有電抗，因此短路時，不論是隱極機還是凸極機都具有相同形式的等效電路和相量圖，電路如下圖相同形式的等效電路和相量圖，電路如下圖(a)所示。所示。 從等效電路可看出，由于從等效電路可看出，由于U=0，ra=0，則，則0kskkakaEjI xjI xjI xjI xExI jEEEka0相量圖如圖相量圖如圖(b)所示。所示。此時氣隙合成磁勢此時氣隙合成磁勢F 很小，合成磁勢所產生的氣隙磁很小，合

35、成磁勢所產生的氣隙磁場在電樞繞組中感應的電勢完全被漏抗壓降所平衡，場在電樞繞組中感應的電勢完全被漏抗壓降所平衡，即即 xI jEk所以對應的氣隙合成磁通很小，電機的磁路處于不飽所以對應的氣隙合成磁通很小，電機的磁路處于不飽和狀態，磁勢和磁通成線性關系，因此和狀態，磁勢和磁通成線性關系，因此 FE 另一方面，由于電樞磁勢正比于電樞電流，即另一方面，由于電樞磁勢正比于電樞電流，即 kaIF 所以勵磁磁勢所以勵磁磁勢 afFFF也與也與Ik成正比，所以成正比，所以 kfIF 同時同時 ffIF 故短路特性是一條直線，即故短路特性是一條直線，即 fkII kkI xI511. 外特性外特性當當 n =

36、 n1，If、cos = 常數時，常數時，U 與與 I 的關系，的關系， 即即 U = f (I)。 調節調節If，使，使 I= IN、 cos = cos N 、U = UN 時，時， If = IfN。 電壓調整率：電壓調整率： 保持保持 n1、 cos N、IfN 時，時，OUIcos = 0.8 ( 0)cos = 0.8 ( 0)cos =1UNIN U% = 100% E0UNP UNP（二）、外特性和調節特性（二）、外特性和調節特性為了使同步發電機的端電壓不隨負載電流的變化而劇為了使同步發電機的端電壓不隨負載電流的變化而劇烈變動，它的電壓變化率應盡量地小。烈變動，它的電壓變化率應

37、盡量地小。電壓變化率是表征同步發電機運行性能的重要數據之電壓變化率是表征同步發電機運行性能的重要數據之一。一。實際上，由于同步電抗的數值較大，負載電流變化實際上，由于同步電抗的數值較大，負載電流變化產生的同步電抗壓降必然要引起端電壓明顯地變化。產生的同步電抗壓降必然要引起端電壓明顯地變化?，F代同步發電機都裝有快速自動電壓調節器，它能根現代同步發電機都裝有快速自動電壓調節器，它能根據端電壓的變化自動改變勵磁電流的大小，使發電機據端電壓的變化自動改變勵磁電流的大小，使發電機端電壓基本不變，所以對端電壓基本不變，所以對 U%的要求大為放寬。的要求大為放寬。 凸極式同步發電機的凸極式同步發電機的 U%

38、大體在大體在18%30%以內；以內； 汽輪發電機由于電樞反應較大，故汽輪發電機由于電樞反應較大，故 U%也較大，大也較大，大體在體在3048%這一范圍內（均為這一范圍內（均為cos 滯后的數值）。滯后的數值）。 2. 調節特性調節特性保持保持 n = n1、U = UN、cos = cos N時，時， If 與與 I 的關系的關系,即即 If = f ( I )。OIf Icos = 0.8 ( 0)cos = 0.8 ( 0)cos =1調整特性的變化趨勢與外特性正好相反，對于感性和調整特性的變化趨勢與外特性正好相反，對于感性和純阻性負載，為補償電樞反應的去磁作用及電樞漏阻純阻性負載，為補償

39、電樞反應的去磁作用及電樞漏阻抗壓降，隨著負載的增加，若要保持端電壓為常數，抗壓降，隨著負載的增加，若要保持端電壓為常數，就必須增加勵磁電流；就必須增加勵磁電流；所以這兩種情況下的調節特性都是上升的。所以這兩種情況下的調節特性都是上升的。 在容性負載時，隨著負載的增加，必須減少勵磁電流，在容性負載時，隨著負載的增加，必須減少勵磁電流，以維持端電壓恒定。以維持端電壓恒定。 （三）、穩態的功角特性（三）、穩態的功角特性功角特性：保持功角特性：保持 n、If 、U 不變時，電磁功率不變時，電磁功率PM 與功與功率角率角 的關系，即的關系，即 PM = f ( ) 。同步電機的電磁功率除了可用電勢、電樞

40、電流以及它同步電機的電磁功率除了可用電勢、電樞電流以及它們之間的夾角來表示外，還可以用便于計算、調節和們之間的夾角來表示外，還可以用便于計算、調節和更能顯示電機內部物理過程的一些物理量來表示，即更能顯示電機內部物理過程的一些物理量來表示，即勵磁電勢勵磁電勢E0、端電壓、端電壓U和功率角和功率角 等。等。 正如轉差率是異步電機的基本變量一樣，對于并聯運正如轉差率是異步電機的基本變量一樣，對于并聯運行于電網的同步電機來說，功率角是它的一個基本物行于電網的同步電機來說，功率角是它的一個基本物理量。理量。 1. 隱極式同步發電機的功角特性隱極式同步發電機的功角特性 PM = P2 = 3UIcos =

41、 3 E0Icos 因在同步發電機中因在同步發電機中ra TM + T0有功功率的調節方法如下：有功功率的調節方法如下： = 0，T1 = T0 nn1TM n n = n1穩定穩定T1 = TM + T079原動機輸入功率的增加也不是無限制的原動機輸入功率的增加也不是無限制的。對于隱極發電機，當對于隱極發電機，當=90 時，電磁功率達到最大值時，電磁功率達到最大值Pmax時，若再增加輸入功率，則時，若再增加輸入功率，則90 ，這時電磁功，這時電磁功率將隨著率將隨著的增大而減小的增大而減??；輸入功率扣掉空載損耗和減小了的電磁功率后還有剩輸入功率扣掉空載損耗和減小了的電磁功率后還有剩余，剩余的功

42、率將使轉子繼續加速，余，剩余的功率將使轉子繼續加速，角繼續增大，角繼續增大，電磁功率電磁功率PM繼續減小，功率再不能保持平衡，發電機繼續減小，功率再不能保持平衡，發電機將將“失去同步失去同步”，或叫做失去，或叫做失去“靜態穩定靜態穩定”。2. 靜態穩定靜態穩定指電網或原動機方面出現某些微小擾動時，發電機能指電網或原動機方面出現某些微小擾動時，發電機能在這種瞬時擾動消除后，繼續保持原來的平衡運行狀在這種瞬時擾動消除后，繼續保持原來的平衡運行狀態。就稱這時的同步發電機是態。就稱這時的同步發電機是“靜態穩定靜態穩定”的，否則的，否則就是靜態不穩定。就是靜態不穩定。0PM/T 90o a0PM/T 9

43、0o aT T1= T + T0a 點點： 干擾使干擾使 T1 T 抑制了抑制了 進一步增大進一步增大 b 點。點。bT1 = T + T0 干擾消失后，較大的干擾消失后，較大的 T，使機組恢復到使機組恢復到 a 點運行。點運行。a 點點： 干擾使干擾使 T1 n T n T 失步失步。 干擾消失后，干擾消失后，n 不可能恢不可能恢復到復到 n1，即工作點不可能，即工作點不可能恢復到恢復到 a 點運行。點運行。穩定穩定運行區運行區結論：結論：凡處于功角特性曲線上升部分的工作點，都是凡處于功角特性曲線上升部分的工作點，都是靜態穩定的，下降部分的工作都是靜態不穩定的。或靜態穩定的，下降部分的工作都

44、是靜態不穩定的。或者說在功角特性曲線上電磁功率和功率角同時增大，者說在功角特性曲線上電磁功率和功率角同時增大，或同時減小的那一部分是靜態穩定的。或同時減小的那一部分是靜態穩定的。靜態穩定的判斷依據：比整步功率靜態穩定的判斷依據：比整步功率(kW/rad)0McxdPPd對隱極發電機，比整步功率為對隱極發電機，比整步功率為:0cosMcxsE UdPPmdx 電機穩定區域內，電機穩定區域內，Pcx 越大，電機穩定增長性越好。越大，電機穩定增長性越好。Pcx可以表示發電機運行穩定度?？梢员硎景l電機運行穩定度。當當 =90 時，時，Pcx=0，正處在，正處在穩定的交界。穩定的交界。如圖，當如圖，當

45、=0時，時，Pcx最大，最大，故同步發電機在空載時最為故同步發電機在空載時最為穩定。穩定。此時發電機保持同步的能力此時發電機保持同步的能力為零，故該點即為靜態穩定為零，故該點即為靜態穩定的極限。的極限。當當 90時，時，Pcx為負值，發電機便失去了穩定為負值，發電機便失去了穩定。3. 無功功率的調節無功功率的調節以隱極發電機為例，不計磁路飽和電樞電阻，分析同步以隱極發電機為例，不計磁路飽和電樞電阻，分析同步發電機無功功率的調節，無功功率與勵磁電流的關系。發電機無功功率的調節，無功功率與勵磁電流的關系。(1)空載運行空載運行空載時電樞電流和電樞磁動勢為零，空載時電樞電流和電樞磁動勢為零，E0=U

46、，Ff=F ，這時的勵磁電流稱為這時的勵磁電流稱為“正常正?！眲畲烹娏鲃畲烹娏鱅f0。如圖所示。如圖所示。UE0Ff =F 若若增大勵磁電流增大勵磁電流(If If0),則則E0 U，由于電網電壓不變，發電機必然由于電網電壓不變，發電機必然輸出一個滯后的無功電流輸出一個滯后的無功電流(感性感性)，它產生去磁的電它產生去磁的電樞磁動勢樞磁動勢Fa,以維以維持氣隙合成磁動勢持氣隙合成磁動勢F 不變不變(F =Ff+Fa)；這時勵磁電流稱為過勵的這時勵磁電流稱為過勵的勵磁電流。如圖所示。勵磁電流。如圖所示。UE0Ff F Fa IjxsIUE0Ff F Fa IjxsI若減小若減小勵磁電流勵磁電流(

47、IfIf0)，則則E0U，發，發電機輸出一個電機輸出一個超前超前的無功電流的無功電流(容容性性)，它產生它產生助助磁的電磁的電樞磁動勢樞磁動勢Fa，以維持，以維持氣隙合成磁動勢氣隙合成磁動勢F 不變不變(F =Ff+Fa)；這時勵磁電流稱為欠激的勵磁電流。如圖所示。這時勵磁電流稱為欠激的勵磁電流。如圖所示。結論結論：當發電機的勵磁電流變化時，發電機向電網發當發電機的勵磁電流變化時，發電機向電網發出的無功功率也將發生變化，過勵時發出感性的無功出的無功功率也將發生變化，過勵時發出感性的無功功率，欠勵時發出容性的無功功率。功率，欠勵時發出容性的無功功率。(2)負載運行負載運行調節無功功率時，不改變原

48、動機的輸入，有功功率將調節無功功率時，不改變原動機的輸入，有功功率將保持不變，保持不變，由電磁功率表達式可得由電磁功率表達式可得Pe = 3 sin U1E0Xs= 3UIcos = =常數常數(1) 正常勵磁正常勵磁 當當If = If0 時，時， = 0，cos = 1，Q2 = 0，發電機不輸出無功功率。，發電機不輸出無功功率。 I與與U 同相，同相， UE0j xsII即：即：E0 sin = 常數常數 Icos = 常數常數在恒定的有功功率下調節勵磁電流時，電流相量在恒定的有功功率下調節勵磁電流時，電流相量I端端點的軌跡為點的軌跡為AB線（見下圖），電動勢相量線（見下圖），電動勢相量

49、E0端點的端點的軌跡為軌跡為CD線，不同勵磁電流時的線，不同勵磁電流時的E0和和I的相量端點的相量端點在軌跡線上有不同位置。在軌跡線上有不同位置。(2) 欠勵磁欠勵磁 （當（當If If0 時）時） If E0 。 發電機輸出電容性無功功率；發電機輸出電容性無功功率； If Q2 。(3) 過勵磁過勵磁 (當當If If0 時時) If E0 。 發電機輸出電感性無功功率；發電機輸出電感性無功功率； If Q2 。UE0Ijxs IE0CDjxsIAB I ( I ) 超前于超前于U，I E0jxs II I ( I ) 滯后于滯后于U， 說明說明: 電網電壓不變，氣隙合成磁動勢不變，由于過電

50、網電壓不變，氣隙合成磁動勢不變，由于過勵時主極磁動勢增大，為保持氣隙合成磁動勢不變，勵時主極磁動勢增大，為保持氣隙合成磁動勢不變，電樞反應的去磁分量必然要增大，即電樞反應的去磁分量必然要增大，即 角增大，電流角增大，電流變成滯后；反之，當欠勵時，變成滯后；反之，當欠勵時，IfIf0，E02E0，則電樞則電樞電流除有功分量外，還出現一個超前的無功分量，即電流除有功分量外，還出現一個超前的無功分量，即輸出一個容性的無功功率。輸出一個容性的無功功率。發電機與無窮大電網并聯時，調節勵磁電流的大小，發電機與無窮大電網并聯時，調節勵磁電流的大小，就可以改變發電機輸出的無功功率，不僅能改變無功就可以改變發電

51、機輸出的無功功率，不僅能改變無功功率的大小，而且能改變無功功率的性質。功率的大小，而且能改變無功功率的性質。過勵時，電樞電流滯后，發電機輸出感性無功功率；過勵時，電樞電流滯后，發電機輸出感性無功功率；欠勵時，電樞電流超前，欠勵時，電樞電流超前，發發電機輸出容性無功功率。電機輸出容性無功功率。結論：結論：并聯于無窮大電網的同步發電機，保持有功功率不并聯于無窮大電網的同步發電機，保持有功功率不變時，表示電樞電流變時，表示電樞電流I和勵磁電流和勵磁電流If的關系曲線的關系曲線I=f(If)稱為稱為“U”形曲線。形曲線。對于一個給定的有功功率輸出就有一條對于一個給定的有功功率輸出就有一條U形曲線，形曲

52、線，有功功率越大，曲線向上移，因此可是以得到一簇有功功率越大，曲線向上移，因此可是以得到一簇“U”形曲線。特點如下：形曲線。特點如下：3. U形曲線形曲線(1)每條曲線的最低點每條曲線的最低點, cos =1 ,定子電流最小定子電流最小，且且全為有功電流，這些點的連全為有功電流，這些點的連線向右傾斜；線向右傾斜；表明要輸出純有功功率，必表明要輸出純有功功率，必須相應增加勵磁電流。須相應增加勵磁電流。表明輸出有功功率越多，維持表明輸出有功功率越多，維持穩定所需的勵磁電流也越大。穩定所需的勵磁電流也越大。而在其左方，發電機處于欠勵運行狀態，功率因數是而在其左方，發電機處于欠勵運行狀態，功率因數是超前的，發電機向電網輸出容性的無功功率。超前的，發電機