1、第6章 同步電機 6.1 6.1 同步電機的基本結構和運行狀態同步電機的基本結構和運行狀態6.1.1概述同步電機與異步電機的根本區別是轉子裝有磁極，并通入直流電勵磁，因而具有確定的極性。同步電機的運行特點是轉子的轉速必須與定子三相旋轉磁場的轉速（又稱同步轉速）嚴格同步，故同步電機由此而得名。 snn 對于同步發電機，其發出的電動勢頻率滿足對于同步發電機，其發出的電動勢頻率滿足 60pnf對于同步電動機，其轉子轉速滿足對于同步電動機，其轉子轉速滿足pfn60 我國規定交流電網的標準工作頻率為我國規定交流電網的標準工作頻率為50Hz 50Hz ，當，當p p=1=1時，時，n n=3000=300

2、0轉轉/ /分，為同步發電機最高轉速分，為同步發電機最高轉速。6.1.2 6.1.2 同步電機的分類同步電機的分類（1 1）按運行方式和功率轉換方向，可分為：）按運行方式和功率轉換方向，可分為：發電機把機械能轉換為電能；電動機把電能轉換為機械能補償機基本上不轉換有功功率，而專門用來調節電網的無功功率，改善電網的功率因數。補償機又稱調相機。 （2 2）按原動機的類別，可分為：）按原動機的類別，可分為：汽輪發電機；水輪發電機；柴油（或汽油）發電機；風力發電機火力發電（電能的產生）火力發電（電能的產生） 熱電廠熱電廠1 煤傳送帶煤傳送帶2 加煤機加煤機3 粉碎機粉碎機4 鍋爐鍋爐5 煤渣煤渣6 空氣

3、預熱器空氣預熱器 7 靜電除塵靜電除塵8 煙囪煙囪9 汽輪機汽輪機10 冷凝器冷凝器11變壓器變壓器12 冷卻塔冷卻塔13 發電機發電機14 輸電線輸電線燃燃燒燒室室燃燃料料鍋爐的鍋爐的爐膛爐膛循環水循環水汽輪機汽輪機發電機發電機升壓變壓升壓變壓器器超熱高壓蒸汽超熱高壓蒸汽電能輸出電能輸出火力發電（電能的產生）火力發電（電能的產生）火力發電火力發電勵磁機勵磁機汽輪機汽輪機發電機發電機水利發電站的示意圖小浪底電站水輪機組安裝小浪底電站水輪機組安裝三峽電站首臺水輪機組安裝三峽電站首臺水輪機組安裝GF1 系列單相柴油發電機組系列單相柴油發電機組GF2 系列三相柴油發電機組系列三相柴油發電機組 一般采

4、用一般采用旋轉磁旋轉磁極式極式結構，根據結構，根據磁極形狀可分為磁極形狀可分為隱極隱極和和凸極凸極兩種兩種型式。型式。 同步電機按結構型式同步電機按結構型式 ： 旋轉磁極式旋轉磁極式和和旋轉電樞式。旋轉電樞式。凸極同步電機氣隙不均勻，適合于中速或低速旋轉場合隱極同步電機在不考慮齒槽效應時，氣隙均勻，適合于高速旋轉隱極轉子凸極轉子凸極轉子6.1.3 6.1.3 同步電機的工作原理同步電機的工作原理 原動機拖動轉子以恒定速度旋轉，勵磁磁場隨軸一起旋轉并順次切割定子各相繞組。定子繞組中將會感應出三相對稱的正弦感應電動勢。各相距120，從而三相電動勢時間相位差120，實現機械能轉換為電能。勵磁繞組通以

5、直流電流時，在電勵磁繞組通以直流電流時，在電機的氣隙中形成極性相間的分布機的氣隙中形成極性相間的分布磁場，稱為勵磁磁場磁場，稱為勵磁磁場( (主磁場主磁場) )。6.1.4 6.1.4 隱極同步電機的基本結構隱極同步電機的基本結構 隱極式汽輪發電機大多作隱極式汽輪發電機大多作成兩極的，同步轉速為成兩極的，同步轉速為3000r/min3000r/min（50Hz50Hz） 由于轉速高，所以汽輪發電由于轉速高，所以汽輪發電機的直徑較小，長度則較長機的直徑較小，長度則較長 汽輪發電機由定子、轉子、端蓋及軸承等部件構成汽輪發電機由定子、轉子、端蓋及軸承等部件構成 1. 1. 定子定子 定子是由定子是由

6、鐵心、繞組、鐵心、繞組、機座機座以及固定這些部件以及固定這些部件的其它結構件組成的其它結構件組成 定子鐵心一般采用厚度定子鐵心一般采用厚度為為0.35mm0.35mm或或0.5mm0.5mm含硅含硅量較高的無取向冷軋硅量較高的無取向冷軋硅鋼片分組疊壓而成。鋼片分組疊壓而成。 大型汽輪發電機定子鐵心槽 2. 2. 轉子轉子 轉子由轉子鐵心、勵磁繞組、護環、中心環、滑環及風扇等部件組成 沿轉子鐵心表面，有一部分沿轉子鐵心表面，有一部分開的槽較多，那里的齒較窄，開的槽較多，那里的齒較窄，稱為小齒；在另一部分沒有稱為小齒；在另一部分沒有開槽，形成了大齒。大齒的開槽，形成了大齒。大齒的中心線就是主磁極的

7、中心。中心線就是主磁極的中心。 汽輪機的勵磁繞組示意圖6.1.5 6.1.5 凸極同步電機的基本結構凸極同步電機的基本結構 凸極同步電機通常分為凸極同步電機通常分為臥式臥式和和立式立式兩種結構。絕大兩種結構。絕大多數同步電動機、調相機和用內燃機或沖擊式水輪多數同步電動機、調相機和用內燃機或沖擊式水輪機拖動的發電機都采用臥式結構；低速、大容量的機拖動的發電機都采用臥式結構；低速、大容量的水輪發電機和拖動大型水泵的同步電動機則采用立水輪發電機和拖動大型水泵的同步電動機則采用立式結構。式結構。 1. 1. 臥式凸極同步電機的特點臥式凸極同步電機的特點 臥式凸極同步電機的轉子由臥式凸極同步電機的轉子由

8、主磁極、磁軛、勵磁繞組主磁極、磁軛、勵磁繞組、阻尼繞組、集電環和轉軸、阻尼繞組、集電環和轉軸等部件組成。分述如下：等部件組成。分述如下： 主磁極主磁極 磁軛磁軛 勵磁繞勵磁繞 集電環集電環 轉軸轉軸注意：注意：書書P228圖圖6-6有錯有錯阻尼繞組 阻尼繞組和異步電機的籠型結構相似，是用裸銅條阻尼繞組和異步電機的籠型結構相似，是用裸銅條插入極靴的槽中，然后在兩端用銅環（稱為端環）插入極靴的槽中，然后在兩端用銅環（稱為端環）焊接在一起。在焊接在一起。在同步發電機同步發電機中，阻尼繞組起中，阻尼繞組起抑制轉抑制轉子機械振蕩子機械振蕩的作用；在的作用；在同步電動機和同步補償機同步電動機和同步補償機中

9、中，阻尼繞組在電機起動時可產生異步起動轉矩，主，阻尼繞組在電機起動時可產生異步起動轉矩，主要作為要作為起動繞組用起動繞組用。 2. 2. 立式凸極同步電機的特點立式凸極同步電機的特點 大型水輪發電機通常都是立式結構，水輪機的轉速低，極對數就很多、電機直徑大、軸向長度短，外形短粗，呈扁盤形。 立式水輪發電機分為懸式和傘式兩種形式： 1)懸式水輪發電機將推力軸承安裝在轉子上部，運行穩定，適用于轉速高的水輪發電機組。 2)傘式水輪發電機將推力軸承安裝在轉子底部，軸向長度小，可以降低廠房高度，用于低速水輪發電機組。 6.1.6 6.1.6 同步電機的運行狀態同步電機的運行狀態 在穩態運行狀態下，轉子也

10、是同步轉速，所以定子旋轉磁場也是同步轉速，兩者保持相對靜止。 同步電機有三種運行狀態：發電機、電動機和補償機（又稱調相機）。同步電機運行于哪一種狀態，主要取決于氣隙合成磁場與轉子主極磁場之間的夾角，此角稱為功率角。 同步電機的三種狀態NSSNn0n0理想空載狀態理想空載狀態轉子主極磁場轉子主極磁場超前超前于于合成氣隙磁場合成氣隙磁場轉子主極磁場與轉子主極磁場與合成氣隙磁場軸線合成氣隙磁場軸線重合重合轉子主極磁場轉子主極磁場滯后滯后于于合成氣隙磁場合成氣隙磁場0=001.直流勵磁機勵磁6.1.7 6.1.7 同步電機的勵磁方式同步電機的勵磁方式 2 2 靜止整流器勵磁靜止整流器勵磁 副勵磁機的勵

11、磁電流開始時由外部直流電源提供，待電壓建立起來后再轉為自勵(或用永磁發電機)。副勵磁機的輸出電流經過靜止晶閘管整流后供給主勵磁機，而主勵磁機的交流輸出電流經過靜止的三相橋式硅整流器整流后給主發電機的勵磁。配置集電環配置集電環靜動動注意：靜止整流器的直流輸出必須經過電刷和集電環才能輸送到主發電機旋轉的勵磁繞組。 對于大容量的同步發電機，其勵磁電流達到數千安培，對于大容量的同步發電機，其勵磁電流達到數千安培，使得集電環嚴重過熱。因此，在大容量的同步發電機中使得集電環嚴重過熱。因此，在大容量的同步發電機中，將主勵磁機作成旋轉電樞式（，將主勵磁機作成旋轉電樞式（見見P225P225圖圖6-26-2電樞

12、交流電樞交流輸出本身是旋轉的輸出本身是旋轉的），并將整流器也固定在轉軸上一起），并將整流器也固定在轉軸上一起旋轉，省去集電環。旋轉，省去集電環。省去集電環省去集電環動動動動省去集電環省去集電環動動動動6.1.8 同步電機的額定值1. 1. 額定電壓額定電壓 U UN N ：線電壓的額定值。：線電壓的額定值。2. 2. 額定電流額定電流 I IN N ：線電流的額定值。：線電流的額定值。3. 3. 額定功率額定功率 P PN N ：輸出功率的額定值。：輸出功率的額定值。4 4、 額定容量額定容量 S SN N ：額定運行時輸出的容量。：額定運行時輸出的容量。 5. 5. 額定轉速額定轉速 n n

13、N N ：額定運行時的轉速。：額定運行時的轉速。6. 6. 額定功率因數額定功率因數 cos cos N N ：額定運行時的功率因數。：額定運行時的功率因數。7. 7. 額定勵磁電壓額定勵磁電壓 U UfN ,fN ,額定勵磁電流額定勵磁電流 I IfN fN ： 保證輸出額定值時需要的勵磁量。保證輸出額定值時需要的勵磁量。 注意關于額定功率：同步發電機同步發電機是指額定運行時是指額定運行時輸出的電功率輸出的電功率；同步電動機同步電動機是指額定運行時軸上是指額定運行時軸上輸出的機械功率輸出的機械功率；補償機補償機是指額定運行時是指額定運行時輸出的無功功率輸出的無功功率以以kvarkvar或或M

14、varMvar表示表示 。6.2 6.2 空載和負載時同步發電機的磁場空載和負載時同步發電機的磁場6.2.1 6.2.1 空載時同步發電機的磁場空載時同步發電機的磁場 用原動機把同步發電機拖動到同步轉速，勵磁用原動機把同步發電機拖動到同步轉速，勵磁繞組通入直流勵磁電流，而電樞（定子）繞組開路繞組通入直流勵磁電流，而電樞（定子）繞組開路的運行狀態，稱為同步發電機的空載運行。的運行狀態，稱為同步發電機的空載運行。 這時電樞（定子）電流為零，電機氣隙中僅有這時電樞（定子）電流為零，電機氣隙中僅有由勵磁（轉子）電流所建立的主極磁場由勵磁（轉子）電流所建立的主極磁場0 0。而由。而由勵磁電流單獨產生的磁

15、動勢勵磁電流單獨產生的磁動勢F Ff f和磁場和磁場0 0 ，稱為勵，稱為勵磁磁動勢和勵磁磁場磁磁動勢和勵磁磁場 （又稱主極磁場）（又稱主極磁場） （1 1） 空載運行時的物理情況空載運行時的物理情況當轉子以同步轉速旋轉時，定子繞組內將感應三相對稱電動勢，其頻率和有效值分別為： 011044.4wkfNE60spnf 2. 2. 同步電機的空載特性同步電機的空載特性E0 = f (I f) 因為因為Ff If E0 0 所以可反映所以可反映 0= f (F f) 0 0較小時，磁路不飽和，較小時，磁路不飽和， 空載曲線是一條直線；空載曲線是一條直線； 隨隨 o o的增大，鐵心逐漸飽和，的增大，

16、鐵心逐漸飽和， 空載曲線彎曲。空載曲線彎曲。 氣隙線氣隙線：不計鐵心磁阻的空載特性曲線。不計鐵心磁阻的空載特性曲線。氣隙線空載載特00,Eo0fIff,FINU6.2.2 6.2.2 同步發電機的電樞反應同步發電機的電樞反應 當同步發電機帶上三相對稱負載后，電樞中有三相對稱電流通過，產生同步旋轉磁動勢Fa，并與轉子保持同步。 氣隙合成磁動勢由電樞磁動勢以及主極磁動勢共同產生主磁極基波磁動勢主磁極基波磁動勢afFFF1 電樞磁動勢對主極磁動勢的影響稱為電樞反應，電樞磁動勢對主極磁動勢的影響稱為電樞反應，電樞反應的性質（增磁、去磁和交磁）主要取電樞反應的性質（增磁、去磁和交磁）主要取決于決于FaF

17、a和和Ff1Ff1之間的相對位置關系之間的相對位置關系 現定義一個新變量：內功率因數角定義為激磁電動勢E0與負載電流I之間的相位關系 由于E0落后Ff190，而負載電流I與Fa同相，故 能放映能放映FaFa和和F Ff1f1之間的關系之間的關系下面我們根據負載性質討論下面我們根據負載性質討論介紹時-空矢量圖的繪制方法 同步電機中需要定義坐標軸定義: 直軸（縱軸或d軸）：主磁極軸線位置； 交軸（橫軸或q軸）：與直軸成90度電角度的位置； 相軸：一般取A相繞組的軸線為參考軸； 時軸：通常令時間參考軸與空間參考軸重合。 介紹時-空矢量圖的繪制方法 I步驟：步驟：逆時針為正方向逆時針為正方向 由于由于

18、EaEa落后落后0 09090，FaFa與與I I同相，而同相，而I I與與EaEa同相，故同相，故電樞磁動勢電樞磁動勢FaFa恰好恰好在交軸上，此時稱為在交軸上，此時稱為交軸電樞反應交軸電樞反應。 交軸電樞磁動勢不僅使氣隙合成磁交軸電樞磁動勢不僅使氣隙合成磁動勢的幅值有所動勢的幅值有所增大增大，而且使氣隙，而且使氣隙合成磁動勢的軸線位置從空載時直合成磁動勢的軸線位置從空載時直軸處逆轉子轉向軸處逆轉子轉向（因在發電機中主（因在發電機中主磁極超前電樞磁極）磁極超前電樞磁極）后移了一個銳后移了一個銳角，使主極磁動勢角，使主極磁動勢超前超前氣隙合成磁氣隙合成磁動勢。動勢。1 1） =0 =0 時的電

19、樞反應時的電樞反應逆時針為正方向逆時針為正方向逆時針為正方向逆時針為正方向轉子磁勢和電樞磁勢一轉子磁勢和電樞磁勢一同作用在直軸上，方向同作用在直軸上，方向相反，電樞反應為純去相反，電樞反應為純去磁作用，合成磁勢的幅磁作用，合成磁勢的幅值減小。這一電樞反應值減小。這一電樞反應稱為稱為直軸去磁電樞反應直軸去磁電樞反應。 2 2） =90 =90 時的電樞反應時的電樞反應3 3） =-90 =-90 時的電樞反應時的電樞反應 此時此時FfFf與與FaFa同相，轉子磁勢同相，轉子磁勢和電樞磁勢一同作用在直軸和電樞磁勢一同作用在直軸上，方向相同，電樞反應為上，方向相同，電樞反應為純增磁作用，合成磁勢的幅

20、純增磁作用，合成磁勢的幅值加大，這一電樞反應稱為值加大，這一電樞反應稱為直軸增磁電樞反應直軸增磁電樞反應 逆時針為正方向逆時針為正方向4）一般情況下時的電樞反應 0 90并且有saaa0XI jRIUXI jXI jRIUE補充：補充：等效電路三相對稱三相對稱取一相分析取一相分析向量圖saaa0XI jRIUXI jXI jRIUE逆時針為正方向逆時針為正方向區分學習同步電機三個重要角度1.1.負載阻抗角負載阻抗角U U與與I I中間的夾角中間的夾角2.2.內功率因數角內功率因數角 E E0 0與與I I之間的夾角之間的夾角3.3.功角功角( (功率角功率角)E E0 0與與U U之間的夾角之

21、間的夾角 . . . . . .6.3.2 6.3.2 考慮飽和時的電壓方程和相量圖考慮飽和時的電壓方程和相量圖 實際的同步電機往往運行在接近飽和的區域。考實際的同步電機往往運行在接近飽和的區域。考慮磁飽和時，由于磁化曲線的非線性，疊加原理不再慮磁飽和時，由于磁化曲線的非線性，疊加原理不再適用。適用。 主磁路上的基波合成磁動勢：主磁路上的基波合成磁動勢： E由于磁路飽和由于磁路飽和不能簡單等于不能簡單等于a0 EE該過程要借助空載特性完成該過程要借助空載特性完成電壓方程電壓方程：或或6.4 6.4 凸極同步發電機的電壓方程、相量圖和等效凸極同步發電機的電壓方程、相量圖和等效電路電路 6.4.1

22、 6.4.1 雙反應理論雙反應理論 凸極同步電機的氣隙通常是不均勻的，氣隙各處的磁凸極同步電機的氣隙通常是不均勻的，氣隙各處的磁阻不相同。極面下氣隙較小，所以極面下的磁阻較小阻不相同。極面下氣隙較小，所以極面下的磁阻較小、直軸磁導較大；兩極之間氣隙較大，所以兩極之間、直軸磁導較大；兩極之間氣隙較大，所以兩極之間的磁阻較大、交軸磁導較小。的磁阻較大、交軸磁導較小。 IEXEFIaaaaa 電樞反應可用電樞反應可用XaXa直接表達出來直接表達出來 為了便于分析和計算為了便于分析和計算，勃勃郞郞德（德（BlondelBlondel）引入雙反）引入雙反應理論。雙反應理論分析過程是應理論。雙反應理論分析

23、過程是: : 雙反應理論雙反應理論電樞基波磁勢電樞基波磁勢F Fa a分解為直軸上的直軸分解為直軸上的直軸電樞反應磁勢分量電樞反應磁勢分量F Fadad和交軸上的交軸電樞反應磁勢分和交軸上的交軸電樞反應磁勢分量量F Faqaq雙反應理論： 把電樞的基波磁動勢把電樞的基波磁動勢FaFa分解成直軸磁動勢分解成直軸磁動勢FadFad和交和交軸磁動勢軸磁動勢FaqFaq兩個分量，再分別求出直軸和交軸電兩個分量，再分別求出直軸和交軸電樞反應磁通以及它們的感應電動勢，然后把它們疊樞反應磁通以及它們的感應電動勢，然后把它們疊加起來。這種考慮到凸極電機氣隙的不均勻性，把加起來。這種考慮到凸極電機氣隙的不均勻性

24、，把電樞反應分成直軸和交軸電樞反應分別來處理的方電樞反應分成直軸和交軸電樞反應分別來處理的方法，稱為法，稱為雙反應理論。雙反應理論。 電樞磁勢和電樞電流的分解cossinaaqaadFFFF電樞磁勢的分解電樞磁勢的分解sincosdqIIII電樞電流的分解電樞電流的分解6.4.2 6.4.2 不考慮飽和時的電壓方程、相量圖和等效電路不考慮飽和時的電壓方程、相量圖和等效電路電樞電壓方程式：電樞電壓方程式：與隱極同步發電機類似addadXI jEaqqaqXI jE直軸反應電抗直軸反應電抗交軸反應電抗交軸反應電抗代入代入考慮考慮aqqadda0XI jXI jXI jRIUE）（）（aqqadda

25、XXI jXXI jRIUqqddaXI jXI jRIU=addXXX 直軸同步電抗直軸同步電抗交軸同步電抗交軸同步電抗aqqXXX 不考慮飽和時的相量圖不考慮飽和時的相量圖0 qI0 E 0 UdIqdjXI IaRIddjXIqqddaXI jXI jRIU=0E逆時針為正方向逆時針為正方向可得到該向量圖可得到該向量圖內功率因數角內功率因數角：只是分析中的一個輔助量，只是分析中的一個輔助量，并不能事先給定并不能事先給定 ，需根，需根據其他參數求出來據其他參數求出來為求解內功率因數角引入虛擬電動勢引入虛擬電動勢 的概念的概念QE注意：本概念與課程的分析計算題相關！注意：本概念與課程的分析計

26、算題相關！虛擬電動勢沒有任何物理意義，它只是方便大虛擬電動勢沒有任何物理意義，它只是方便大家計算內功率角的一個中間變量家計算內功率角的一個中間變量定義：定義： cossinarctan aq IRUIXU 0 qI0 E UdIqj XI IaRI）（qddjXXIQE qaQXI jRIUE等效電路等效電路該等效電路在計算凸極同步電機在電網中的運行性能該等效電路在計算凸極同步電機在電網中的運行性能和功角時常常用到。和功角時常常用到。相關計算實例見書相關計算實例見書P244P244例例6-16-1 I U QEqXaR6.4.3 6.4.3 考慮飽和時的電壓方程和相量考慮飽和時的電壓方程和相量

27、圖圖考慮磁飽和時，疊加原理不再適用，此時氣隙合成磁考慮磁飽和時，疊加原理不再適用，此時氣隙合成磁場將取決于主極和電樞兩者的合成磁動勢。場將取決于主極和電樞兩者的合成磁動勢。 Fad和和Faq折算到勵磁繞組折算到勵磁繞組的等效方波勵磁磁動勢的等效方波勵磁磁動勢 慮到交軸方面的氣隙較大，交軸磁路基本是線性的，因此與不計飽和時相類似aqqaqXI jE6.5 6.5 同步發電機的功率方程和轉矩方程同步發電機的功率方程和轉矩方程 P1-p-pFe-p = Pe Pe-pcua = P2 6.5.1 6.5.1 同步發電機的功率方程同步發電機的功率方程 若勵磁損耗由另外的直流電源供給 原動機從轉子上輸入

28、P1的機械功率，減去機械損耗p、定子鐵損pFe（轉子鐵心中磁場恒定，無鐵耗）和附加損耗p后，通過電磁感應（經氣隙）變成電磁功率傳遞給定子。再從定子中減去定子銅損耗極為輸出功率。定子銅耗；電磁功率； 輸出功率cos 22 m U I PRmIpPacuae其能量流程圖為6.5.2 6.5.2 同步發電機的電磁功率同步發電機的電磁功率對于凸極電機0 qI0 E UdIqj XI IaRI）（qddjXXIQE 由圖可見由圖可見對于隱極電機對于隱極電機6.5.3 6.5.3 同步發電機的轉矩方程同步發電機的轉矩方程e01TTTs11PTseePTsFe0pppT輸入轉矩輸入轉矩空載轉矩空載轉矩電磁轉

29、矩電磁轉矩 P1-p-pFe-p = Pe 在兩邊同除以s，并變形6.7 6.7 同步發電機與電網的并聯運行同步發電機與電網的并聯運行 同步發電機作單機運行時，隨著負載的變化，同步發電機的頻率和端電壓將發生相應的變化，供電的質量和可靠性較差。為了克服這些缺點，現代電力系統（電網）通常總是由許多發電廠并聯組成，每個電廠內又有多臺發電機在一起并聯運行。同步發電機與電網并聯運行有許多優點：同步發電機與電網并聯運行有許多優點：（1）提高了供電的可靠性 一臺發電機發生故障不會引起停電事故，也便于各發電機輪流檢修。（2）提高了供電的經濟性和靈活性 在用電高峰期和低谷期，可以靈活地決定投入并聯的發電機數量，

30、提高發電機的效率。（3）提高了供電質量 負載變化對整個電網電壓、頻率影響甚微。6.7.1 6.7.1 并聯運行的條件和方法并聯運行的條件和方法（1 1）投入并聯的條件投入并聯的條件1 1）發電機的頻率）發電機的頻率f f與電網的頻率與電網的頻率f f相同，即相同，即 f ff f。2 2）發電機與電網的電壓波形相同。）發電機與電網的電壓波形相同。3 3）發電機的勵磁電動勢）發電機的勵磁電動勢E E0 0應與電網電壓應與電網電壓U U的幅的幅 值大小相等。值大小相等。4 4）并聯合閘瞬間，發電機與電網對應相的電壓）并聯合閘瞬間，發電機與電網對應相的電壓 應同相位。應同相位。5 5）發電機與電網的

31、相序要相同。）發電機與電網的相序要相同。第五個條件必須滿足，其余條件允許稍有出入。第五個條件必須滿足，其余條件允許稍有出入。詳細分析如下：詳細分析如下： 1 1）發電機的頻率）發電機的頻率f f應與電網應與電網頻率頻率f f一致一致 若二者不同，E0和U1之間便有相對運動，兩相量之間的夾角在0 360之間變化，電壓差U（=E0-U1）忽大忽小，時而作為發電機運行，時而作為電動機運行，不易進行投入操作，即使強行投入后，也不易牽入同步，在發電機和電網之間引起電流和功率的震蕩。2 2）發電機與電網）發電機與電網電壓的波形電壓的波形一致一致 如果波形不一致，說明在二者中高次諧波的含量不同，勢必會引起高

32、次諧波環流，增加損耗，溫度升高，發電機壽命縮短。3 3、4 4）發電機的勵磁電動勢）發電機的勵磁電動勢E E0 0應與電網電壓應與電網電壓U U的幅值的幅值大小相等。大小相等。同時二者的相位同時二者的相位應同相位應同相位 若二者不等或相位不同，同樣會在發電機和電網之間產生環流，嚴重時可達（58）IN，引起附件損耗。5 5）發電機與電網的相序要相同。）發電機與電網的相序要相同。 若相序不同相當于在發電機的輸出端加了一組負序電壓，造成電流和轉矩的巨大沖擊（必須滿足）（2 2） 同步發電機投入并聯的方法同步發電機投入并聯的方法 為了投入并聯所進行的調節和操作過程，稱為為了投入并聯所進行的調節和操作過

33、程，稱為整步過整步過程程。 實用的整步方法有兩種，一種稱為實用的整步方法有兩種，一種稱為準確同步法準確同步法，另一，另一種稱為種稱為自同步法自同步法。1)1)準確同步法：直接接法和交叉接法準確同步法：直接接法和交叉接法直接接法直接接法（燈光熄滅法）（燈光熄滅法） ：電機各端與電網同相端對電機各端與電網同相端對應，應，設發電機與電網二者的相序一致，如設發電機與電網二者的相序一致，如下下圖所示，應圖所示，應按相同的方向旋轉。按相同的方向旋轉。接線圖向量圖 若二者的頻率不同，則二者的相電壓相量之間便有相對運動，加在三個指示燈上的電壓同時忽大忽小的變化，三個指示燈也就時亮時暗（若三個指示燈輪流亮暗，則

34、表明二者的相序不同，應當改變發電機的接法），調節發電機的轉速，直到三個指示燈不再閃爍，表明二者的頻率相同。 再調節電壓的大小和相位直到三個燈熄滅，且電壓表的指示為零，說明達到了并聯的條件，即可投入并聯。接線圖向量圖交叉接法（燈光旋轉法）交叉接法（燈光旋轉法）：燈1的接法不變，燈2和燈3交叉連接。 若二者頻率不等，則三個燈交替亮暗，調節發電機的電壓和相位，使燈1滅，燈2、3亮度相同，且A、A之間的電壓表的指示為零，就表明已符合并聯條件。準確同步法的優點：沒有電流沖擊。缺點：整步手續較復雜時間長2)自同步法1）首先校驗發電機的相序，2）按規定方向（與定子旋轉磁場方向一致）把發電機拖動到非常接近同步

35、轉速，3）勵磁繞組經限流電阻短路，如圖,4）把發電機投入電網，并立即加上直流勵磁， 6.7.26.7.2、與電網并聯時同步發電機的功角特性、與電網并聯時同步發電機的功角特性 現代電網的電壓和頻率基本不受負載的影響而保持穩定，這種恒壓、恒頻的交流電網稱“無窮大電網”，發電機并聯到無窮大電網上后，其頻率和電壓將受到電網的制約。1）功角特性 由于中大型發電機的電樞電阻遠小于同步電抗，可以忽略，此時：0( )eEcU cPf河北科技大學電氣工程學院 式中： 為負載的功率因數角，為功率角 由下圖可知： 故上式可改寫成：cosePmUI0 000cos()(coscossinsin )ePmUImUI 又

36、因為：又因為：或：或：sinqqI XUsinqUIqX河北科技大學電氣工程學院代入上式得： 0sincosddqUI XEUIqX 或20E U11sin()sin22edqdUPmmXXX上式中第一項稱為基本電磁功率，第二項稱為附加電磁功率，因它與勵磁（E0）無關，且僅當Xd=Xq時才存在，故又稱磁阻功率。 其功角特性如下圖0180時，對應發電機狀態，電磁功率為正-180 0時，對應電動勢狀態，電磁功率為負。河北科技大學電氣工程學院由式（ 6-35 ）可知：基本電磁功率在=90最大，而=45 時第二項最大，總的視在功率在=4590之間時電磁功率達到最大。具體位置視22max01max11(

37、)sin22E UsinqdeedUmXXPqPmX通過Pe對求導可得：河北科技大學電氣工程學院 此時：2max11arccos()0.588qq(max)maxmax(1max)sin(1 2 cos)eePqP對隱極同步發電機：對隱極同步發電機：Xd=Xq=Xs,Xd=Xq=Xs,則：則：0sinedE UPmX對凸極同步發電機：對凸極同步發電機：sinQeqEUPmX河北科技大學電氣工程學院2 2、功率角的空間含義、功率角的空間含義具有雙重意義：具有雙重意義：1 1）是時間相量）是時間相量E E0 0和和U U之間的夾角。之間的夾角。2 2）是空間矢量）是空間矢量F F1 1和和F F之

38、間的夾角之間的夾角（簡化后得到的）。（簡化后得到的）。對對正負的規定：正負的規定： 沿轉子旋轉方向，沿轉子旋轉方向，E E0 0超前超前U U時，時，為正，為發電狀為正，為發電狀態；否則態；否則為負，為電動狀態。為負，為電動狀態。6.7.3有功功率的調節和靜態穩定（1）有功功率的調節 為分析簡單，忽略電樞電阻和磁飽和的影響。 當同步發電機并網后，發電機處于空載狀態（E0=U，I0=0），此時 ，Pe=0，=0. 若增大勵磁電流，使E0U，此時雖有電流I，但它是無功電流，故仍有=0，如圖所示。 P1 =ppFep 要使發電機有功率輸出，就必須增大輸入功率P1，即增大輸入轉矩T1,使發電機的轉子瞬時增速，轉子主磁場超前于氣隙合成磁場，相應的E0就超前于U一個角，如圖所示，發電機有功率輸出，P2Pe=mE0Usin/Xs,同時轉子上受到一個制動性的電磁轉矩Te，當大到一定時，Te正好與剩余轉矩（T1-T0）相等時，發電機不再加速，轉子穩定在