1、第六章第六章 同步電機同步電機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6.2 同步發電機的空載磁場和電樞反應同步發電機的空載磁場和電樞反應 6.3 隱極同步發電機的電壓方程、相量圖和等效電路隱極同步發電機的電壓方程、相量圖和等效電路6.4 凸極同步發電機的電壓方程和相量圖凸極同步發電機的電壓方程和相量圖 6.5 同步發電機的功率方程、轉矩方程和功角特性同步發電機的功率方程、轉矩方程和功角特性 6.6 同步電機參數的測定同步電機參數的測定6.7 同步發電機的運行特性同步發電機的運行特性 6.8 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 6.9 同步電動機與同步

2、補償機同步電動機與同步補償機 6.10 同步發電機的不對稱運行同步發電機的不對稱運行 6.11 同步發電機的三相突然短路同步發電機的三相突然短路6.12 永磁同步電機永磁同步電機第六章第六章 同步電機同步電機第六章第六章 同步電機同步電機 同步電機轉子轉速是常值且與同步速相等，與負載的大同步電機轉子轉速是常值且與同步速相等，與負載的大小無關。小無關。min)r/(60pfnns同步電機主要用作同步電機主要用作發電機發電機，也可以用作，也可以用作電動機電動機和和補償機補償機。主要內容主要內容同步發電機的穩態對稱運行同步發電機的穩態對稱運行同步電動機和調相機同步電動機和調相機同步發電機的不對稱運行

3、和三相突然短路同步發電機的不對稱運行和三相突然短路 6.1 同步電機的基本結構和運行同步電機的基本結構和運行狀態狀態一、基本結構一、基本結構 同步電機分為同步電機分為旋轉電樞式：旋轉電樞式：磁極裝在定子上，用于小容量同步電機中。磁極裝在定子上，用于小容量同步電機中。旋轉電樞式旋轉電樞式旋轉磁極式旋轉磁極式旋轉磁極式旋轉磁極式：磁極裝在轉子上，為大中型同步電機的基：磁極裝在轉子上，為大中型同步電機的基本形式。本形式。旋轉磁極式同步電機的結構旋轉磁極式同步電機的結構 : 0.35mm 0.5 三相對稱繞組繞組的冷軋硅鋼片或鐵心:轉子轉子 。同心式繞組或集中繞組直流勵磁繞組整體或低碳鋼片迭成。，氣隙

4、不均勻凸極整塊高強度合金鋼。氣隙均勻，隱極鐵心 : :定子定子 電刷和集電環電刷和集電環同步電機又分為同步電機又分為隱極式隱極式和和凸極式凸極式兩種。兩種。有明顯的凸出的磁極，氣有明顯的凸出的磁極，氣隙不均勻，制作簡單。隙不均勻，制作簡單。適合于高速發電機適合于高速發電機適合于低速發電機適合于低速發電機轉子圓柱形，氣隙均勻，轉子機轉子圓柱形，氣隙均勻，轉子機械強度高，勵磁繞組固定容易。械強度高，勵磁繞組固定容易。NS+隱極式隱極式NSNS+凸極式凸極式汽輪發電機汽輪發電機 由汽輪機驅動的同步發電機由汽輪機驅動的同步發電機 p = 1 n = 3000r/min (50Hz) n = 3600r

5、/min (60Hz) 采用隱極結構采用隱極結構 6222D L 轉子細而長轉子細而長轉子高速旋轉，對鐵心的強度要求很高，就目前材料，轉轉子高速旋轉，對鐵心的強度要求很高，就目前材料，轉子直徑不能超過子直徑不能超過1.1m1.1m。 基本采用臥式結構基本采用臥式結構水輪發電機水輪發電機 由水輪機驅動的同步發電機由水輪機驅動的同步發電機 n = 幾十幾十 幾百幾百r/min 極對數多極對數多采用凸極結構采用凸極結構 轉子粗而短轉子粗而短7522LD 勵磁繞組為集中繞組勵磁繞組為集中繞組 立式結構立式結構 阻尼繞組阻尼繞組阻尼繞組的結構與籠型感應電機的轉子的籠型繞組相似。阻尼繞組的結構與籠型感應電

6、機的轉子的籠型繞組相似。阻尼繞組的作用作用阻尼繞組的作用作用同步發電機中同步發電機中：抑制轉子機械振蕩：抑制轉子機械振蕩同步電動機和同步補償機中同步電動機和同步補償機中：起動繞組：起動繞組與感應電機一樣同步電機定轉子極數應相同。與感應電機一樣同步電機定轉子極數應相同。二、同步電機的運行狀態二、同步電機的運行狀態 轉子磁場轉子磁場 轉子磁場通入直流勵磁電流產生，與轉子同步旋轉。轉子磁場通入直流勵磁電流產生，與轉子同步旋轉。定子磁場定子磁場 定子三相對稱繞組流過三相對稱電流產生，以定子三相對稱繞組流過三相對稱電流產生，以同步轉速旋轉（等于轉子轉速）。同步轉速旋轉（等于轉子轉速）。同步電機也有同步電

7、機也有發電機發電機、電動機電動機、補償機補償機三種運行狀態。三種運行狀態。運行狀態取決于磁場的相對位置運行狀態取決于磁場的相對位置合成磁場合成磁場 定子磁場和轉子磁場的合成，以同步轉速旋轉。定子磁場和轉子磁場的合成，以同步轉速旋轉。功率角功率角 轉子磁場軸線轉子磁場軸線領先合成磁場軸線的夾領先合成磁場軸線的夾角。角。 0時時，Te為制動轉矩，原動機的驅動轉矩與電磁轉矩為制動轉矩，原動機的驅動轉矩與電磁轉矩Te 平衡平衡 。轉子吸收機械功率，定子發出電功率。轉子吸收機械功率，定子發出電功率。 發電機運行狀態發電機運行狀態 f若若f fAUBUBUCUCUAUCUAUAUBUBUCUAUBUCUA

8、UBUCU 1號燈滅 3號燈滅 2號燈滅燈光旋轉的說明燈光旋轉的說明自整步法自整步法準確整步法的優點是準確整步法的優點是投入瞬間電網和電機沒有 （或很少）沖擊；缺點是整步手續比較復雜，時間長，不能滿足快速沖擊；缺點是整步手續比較復雜，時間長，不能滿足快速并網要求。并網要求。 校驗發電機的相序；校驗發電機的相序； 勵磁繞組經限流電阻短路；勵磁繞組經限流電阻短路； 發電機的轉速接近同步速；發電機的轉速接近同步速； 并網；并網； 加勵磁電流。加勵磁電流。二、有功功率的調節和靜態穩定二、有功功率的調節和靜態穩定1. 有功功率的調節有功功率的調節以隱極電機為例，說明同步發電機與無窮大電網并聯時有以隱極電

9、機為例，說明同步發電機與無窮大電網并聯時有功功率的調節。為簡化分析，略去電樞電阻和磁飽和的影功功率的調節。為簡化分析，略去電樞電阻和磁飽和的影響。響。準確整步法并網時準確整步法并網時，UE0，功率角00sin02seXUEmPP電磁轉距電磁轉距Te 0，發電機在電網上處于空載狀態；原動機的，發電機在電網上處于空載狀態；原動機的驅動轉矩僅用于克服發電機的空載阻轉矩。驅動轉矩僅用于克服發電機的空載阻轉矩。欲使發電機輸出有功功率，根據能量守恒原理，應當增加發欲使發電機輸出有功功率，根據能量守恒原理，應當增加發電機的輸入功率，即調解原動機，這可以由開大汽輪機的汽電機的輸入功率，即調解原動機，這可以由開

10、大汽輪機的汽門（或水輪機的水門）來實現。門（或水輪機的水門）來實現。原動機的功率增加時，驅動轉矩原動機的功率增加時，驅動轉矩T1增大，發電機的轉子加速，增大，發電機的轉子加速，于是與轉子主磁場相對應的電動勢于是與轉子主磁場相對應的電動勢E0將超前于電網電壓將超前于電網電壓U以以 角。角。根據功角特性，此時發電機將向電網輸出一定的有功功率根據功角特性，此時發電機將向電網輸出一定的有功功率P2。sin02seXUEmPP同時轉子上將受到一個制動的電磁轉矩同時轉子上將受到一個制動的電磁轉矩Te，使驅動轉矩和，使驅動轉矩和制動的電磁轉矩重新取得平衡；轉子轉速仍然保持為同步制動的電磁轉矩重新取得平衡；轉

11、子轉速仍然保持為同步轉速。此時發電機已處于負載運行狀態，如圖中的轉速。此時發電機已處于負載運行狀態，如圖中的A點所示。點所示。由此可見，要增加發電機的輸出有功功率，必須增加原動由此可見，要增加發電機的輸出有功功率，必須增加原動機的輸出功率，使功率角機的輸出功率，使功率角 增大，電磁功率和輸出功率便增大，電磁功率和輸出功率便會相應的增加；直到會相應的增加；直到 90時，電磁功率達到最大值時，電磁功率達到最大值Pe（max）。seXUEmP0(max)在電機的最大功率增大到在電機的最大功率增大到Pe（max）時，不能再增加輸入功率。時，不能再增加輸入功率。否則驅動轉矩與制動轉矩不能實現平衡，發電機

12、會失去同步。否則驅動轉矩與制動轉矩不能實現平衡，發電機會失去同步。2. 靜態穩定靜態穩定穩態運行于某一工作點穩態運行于某一工作點的同步發電機，當外界的同步發電機，當外界（電網或原動機）發生（電網或原動機）發生微小的擾動時，工作點微小的擾動時，工作點發生偏移，擾動消失后，發生偏移，擾動消失后，發電機能回到原先狀態發電機能回到原先狀態穩定運行，稱為穩定運行，稱為同步發同步發電機靜態是穩定的；電機靜態是穩定的；否否則是則是靜態不穩定的靜態不穩定的。正常工作于正常工作于A點或點或B點，看發電機的穩定運行情況。點，看發電機的穩定運行情況。cos0seXUEmddP當90時，0ddPe發電機就變為不穩定。

13、整步功率系數整步功率系數三、無功功率的調節三、無功功率的調節以隱極電機為例，說明同步發電機與無窮大電網并聯時無以隱極電機為例，說明同步發電機與無窮大電網并聯時無功功率的調節。功功率的調節。忽略電樞電阻，原動機的輸入功率保持不變。忽略電樞電阻，原動機的輸入功率保持不變。根據功率平衡關系可知，在調節勵磁前后，發電機的電磁根據功率平衡關系可知，在調節勵磁前后，發電機的電磁功率和輸出的有功功率均應近似的保持不變。功率和輸出的有功功率均應近似的保持不變。常值sin0seXUEmP常值cos2mUIP常值常值cossin0IE1. 無功功率的調節無功功率的調節不同勵磁電流是的向量圖不同勵磁電流是的向量圖正

14、常勵磁正常勵磁 cos=1過勵過勵 加大勵磁電流，加大勵磁電流，電樞電流將滯后于電網電壓。電樞電流將滯后于電網電壓。欠勵欠勵 減小勵磁電流，電樞電流將超前于電網電壓。減小勵磁電流，電樞電流將超前于電網電壓。調節勵磁電流就可以調節無功功率這一現象，還可以用磁調節勵磁電流就可以調節無功功率這一現象，還可以用磁動勢平衡關系來解釋。動勢平衡關系來解釋。 發電機與無窮大電網并聯時，其端電壓恒為常值，所以無發電機與無窮大電網并聯時，其端電壓恒為常值，所以無論勵磁如何變化，電樞繞組的合成磁通近似不變。論勵磁如何變化，電樞繞組的合成磁通近似不變。 反之，減小勵磁電流而變為反之，減小勵磁電流而變為“欠勵欠勵”時，主磁通減少，為時，主磁通減少，為了維持合成磁通不變，發電機必須輸出超前電流，以減小了維持合成磁通不變，發電機必須輸出超前電流，以減小去磁性的電樞反應，甚至使電樞反應變為增磁性，以補償去磁性的電樞反應，甚至使電樞反應變為增磁性，以補償主磁通。主磁通。 當增加勵磁電流并達到當增加勵磁電流并達到“過勵過勵