第五篇同步電機陳小勤2/1/2023第十二章同步電機基本理論和運行特性第十三章同步發電機在大電網上運行第十四章同步發電機的不對稱運行第十五章同步電機的突然短路與振蕩定子通入三相電流→產生轉速為n1的旋轉磁場→切割轉子導體→在轉子導體中產生感應電動勢→形成感應電流→與定子磁場作用產生力矩→轉子旋轉回顧異步電機的原理主要作電動機用同步電機原理同步電機的運行狀態發電機——把機械能轉換為電能

電動機——把電能轉換為機械能補償機——沒有有功功率的轉換，只發出或吸收無功功率

同步電機運行狀態，主要取決于定子合成磁場與轉子主磁場之間的夾角δ，δ稱為功率角

第十二章同步電機的基本理論和運行特性§12-1同步電機的結構

同步電機一、同步電機的基本結構

形式旋轉電樞式

旋轉磁極式

隱極式（如汽輪發電機）

凸極式（如水輪發電機）

磁極放在定子上

旋轉磁極式同步電機的類型NS+隱極式NSNS+凸極式同步電機由定子、轉子、端蓋和軸承等部件構成§12-1同步電機的結構

二、同步電機的結構特點1.定子定子繞組：三相對稱，一般采用三相雙層短距疊繞組，也稱電樞繞組定子鐵芯：一般由厚0.35mm或0.5mm的電工鋼片疊成定子機座：支撐定子鐵芯3.氣隙處于電樞內圓和轉子磁極之間，氣隙層的厚度和形狀對電機內部磁場的分布和同步電機的性能有重大影響。2.轉子汽輪發電機：隱極式，臥式結構，P206，圖12-5注重通風和冷卻水輪發電機：凸極式，立式結構，P207，圖12-7。分懸式和傘式，包括軸、轉子支架、磁軛、磁極及勵磁繞組、阻尼繞組等。

另：凸極同步發電機也有臥式（橫式）結構。如同步電動機、同步補償機等§12-1同步電機的結構三、同步電機的額定值對勵磁系統的要求：正常運行時，供給勵磁電流為維持端電壓或電網電壓值，隨負載情況變化，勵磁電流能相應調節當系統電壓嚴重下降時（如發生短路故障等），能強行勵磁提高電勢，保持電壓穩定突然丟負荷時，如水輪機組轉速明顯升高，能強行減磁，限制端電壓過度增高。§12-2同步電機的直流勵磁系統對勵磁系統的要求：當電機內部發生短路故障時，能快速滅磁和減磁，以減小故障的損壞程度。對兩臺以上并聯運行發電機，能成組調節無功功率，使無功合理分配。其他：反映迅速，運行可靠，結構簡單，損耗小，成本低，體積小等強勵指標勵磁電流增長幅度勵磁電流增長速度一般值，K=1.5-2，v=0.5-1.0直流勵磁機勵磁——直流勵磁機通常與同步發電機同軸，采用并勵或他勵接法。整流器勵磁————靜止式旋轉式勵磁系統供給勵磁電流→建立磁場，分以下兩類:用整流裝置將交流變成直流后供給勵磁

換向困難

火花嚴重

勵磁容量增加引起集電環嚴重過熱直流并勵勵磁系統交流靜止勵磁系統旋轉整流器勵磁系統§12-3同步電機的空載運行空載磁勢時空矢量空載電勢電壓波形畸變空載運行：原動機把同步電機拖入額定轉速，轉子繞組通入直流勵磁電流，而定子繞組開路時（無電流）的運行狀態。同步電機空載磁路主極磁通分成主磁通Φ0和漏磁通Φfσ兩部分一、空載磁勢兩極間中心線轉子繞組軸線二、空載時-空矢量圖相繞組軸線（相軸）作為參考軸，令時間相量參考軸與空間矢量參考軸重合四個軸：時軸，相軸，交軸，直軸時間相量——繞組的感應電勢、電壓和電流，匝鏈的磁通空間矢量——磁勢和磁通密度（隨時間變化）空載時-空矢量圖（以A相為例）空間矢量圖時間矢量圖時-空矢量圖0度時空載時-空矢量圖（以A相為例）空間矢量圖時間矢量圖時-空矢量圖逆時針轉90度時三、空載電勢相量措施：使氣隙磁密波形接近正弦波，定子采用分布和短距繞組，三相Y形接法消除三次及其倍數次諧波。四、電壓波形正弦畸變率§12-4對稱負載時的電樞反應內功率因數角Ψ=00

時軸d軸q軸A軸AX

ZBCYFfNSΨ+900FδFa

交軸電樞反應

內功率因數角Ψ=900時軸ψ直軸去磁電樞反應d軸q軸A軸AXZBCYFfNSFa內功率因數角Ψ=-900時軸ψ直軸助磁電樞反應d軸q軸A軸AXZBCYFfNSFa內功率因數角00<Ψ<900

時軸ψ既有交軸又有直軸去磁電樞反應d軸q軸A軸AXZBCYFfNSΨ+900Fan1nAZBXCYSNn1TemAZBXCYNS綜上：為維持發電機的轉速不變，必須隨有功負載的變化調節原動機的輸入功率；為保持發電機的端電壓不變，必須隨無功負載的變化相應調節轉子的勵磁電流。當ψ角為不同值的電樞反應Ψ

位置夾角記作電樞反應性質對電機的影響負載性質n(f)UΨ=00q軸Ψ+900交軸波形畸變下降不變RΨ=900d軸Ψ+900直、去削弱不變下降LΨ=-900d軸Ψ+900直、助增強不變上升C00<Ψ<900d、q軸Ψ+900交、直去削弱下降下降R、L-900<Ψ<00d、q軸Ψ+900交、直助增強下降上升R、C同步發電機負載運行時物理量的關系：一、不考慮磁飽和時隱極同步發電機的電壓方程、相量圖和等效電路§12-5隱極式同步電機過勵欠勵

考慮磁飽和時，由于磁路的非線性，疊加原理不再適用。此時，應先求出作用在主磁路上的合成磁動勢Fδ，然后利用電機的磁化曲線(空載曲線)求出負載時的氣隙磁通及相應的氣隙電動勢。二、考慮磁飽和時

考慮到凸極電機氣隙的不均勻性，把電樞反應分成直軸和交軸電樞反應分別來處理的方法，就稱為雙反應理論。§12-6凸極式同步電機一、雙反應理論二、凸極同步發電機的電路方程和相量圖1.電路方程及等效電路不計磁飽和§12-7電樞繞組的漏抗（略）§12-8同步電機的空載、短路和負載運行a)隱極b)凸極§12-9同步發電機的參數測定一、同步電抗的測定二、短路比的測定三、漏電抗和保梯電抗示波器攝取的波形a)轉子繞組端點的電壓波；b)定子繞組端點的電壓波；c)定子繞組的電流波§12-10同步發電機的穩態運行特性cosΦ=0.8超前cosΦ=1cosΦ=0.8滯后cosΦ=0.8滯后cosΦ=1cosΦ=0.8超前1008060402000.20.40.60.81.01.21.電動勢法求△

U%五、電壓變化率及額定勵磁電流的求法*2.磁動勢法求△U%p238（圖12-51）(略)ψθ已知額定負載時U=UN，I=IN，cosθ=cosθN

已知電機參數ra，xp，Kad，KaqU、IIf2短路特性1空載特性UNINθN

I’f0

aI’f0IfaIfk-IfaIfNIfNE0△UEEσ

Ifa電樞反應相當的激磁電流額定激磁電流

E0*00.61.01.161.251.321.37If*00.51.01.52.02.53.0

IK*00.320.631.01.63

If*00.521.031.632.66

U*00.60.81.01.1

If*1.632.142.42.883.35E0*0.551.01.211.271.33If0*0.521.01.561.762.1第十三章同步發電機在大電網上運行并聯運行功角特性有功功率調節無功功率調節同步電機的其他運行方式主要內容同步發電機的并聯運行（發電機的整步）同步發電機的功角特性——隱極機、凸極機有功功率的調節、穩定概念無功功率的調節、V形曲線了解：同步電動機、同步補償機單機供電的缺點：不能保證供電質量(電壓和頻率的穩定性)和可靠性(發生故障就得停電)，無法實現供電的靈活性和經濟性。通過并聯可將幾臺發電機或幾個電站并成一個電網。§13-1同步發電機的并聯運行同步發電機并聯成大電網同步發電機并聯運行的意義減少發電廠的儲備容量----發電廠可以根據負荷的發展，相應地逐步增加發電機的臺數。提高發電廠運行的經濟性----發電廠可按照負荷變化情況，確定投入并聯運行的發電機臺數。提高供用電的質量和可靠性----由許多發電廠組成的電力系統，容量大，負荷變化時對系統的電壓和頻率的影響就小。大電網上有多組同步發電機向網上送電，以并聯方式運行，有相同的端電壓U和頻率f.因激磁可以自由調節、空載電勢可以不相同（同步電抗的數值并不能決定負載電流的分配——與變壓器并聯運行對照）。同步電抗有不同數值的發電機可并聯運行，并獲得合理的負載分配——通過功率的調節手段。避免產生巨大的沖擊電流，以防止同步發電機受到損壞、電網遭受干擾。1、準確整步法----燈光明暗法（直接接法）和燈光旋轉法（交叉接法）①通過調節發電機勵磁電流的大小使電壓相等（電壓表測）；②電壓調整好后，若相序一致，三燈光應同時明暗。否則相序不一致，應調整發電機的出線相序或電網的引線相序，嚴格保證相序一致（任交換兩相）；③通過調節發電機的轉速改變頻率，直到燈光明暗交替十分緩慢時，說明頻率已十分接近，直到沒有明暗變化（頻率同）。④調節瞬時速度調相位，等待燈光完全變暗的瞬間（相位相同），即可合閘并車.2、自整步法前提：相序一致將勵磁繞組通過電阻短接拖動到接近同步速(相差2~5％)，在無勵磁電流的情況下，將發電機接入電網再接通勵磁并調節勵磁，依靠定子磁場和轉子磁場之間的電磁轉矩將轉子拉入同步轉速，并車過程結束。需要注意的是，勵磁繞組必須通過一限流電阻短接，因為直接開路，將在其中感應出危險的高壓；直接短路，將在定、轉子繞組間產生很大的沖擊電流。優點：操作簡單，方便快捷；缺點：合閘時有沖擊電流。約為勵磁電阻的10倍適用于事故狀態下的并車

輸入功率P1機械損耗pmec附加損耗pad鐵損pFe電磁功率PM定子銅損pcu1輸出功率P§13-2隱極同步發電機的功角特性

發電機電動機隱極同步發電機的等效電路和相量圖隱極同步電機的功角特性§13-3凸極同步發電機的功角特性

0δ900PMPMmax1800發電機有功功率功角特性總結δPM18000900PMmax兩種電機功角特性的區別隱極：凸極：功角δ的雙重物理意義：1、是電動勢和電壓間的時間相角差2、是勵磁磁勢和合成磁勢間的空間相角差功角δ意義的圖示功角δ

是轉子磁極軸線和定子合成磁極軸線的空間夾角。NSFδδNSFfT1nTn1NNoNoNoNNSoSoSSSSo主極主極同步電機的三種運行狀態發電機補償機電動機§13-4同步發電機的有功功率調節

擾動——發電機輸入功率的微動靜態穩定——瞬時擾動消除后繼續保持原來的平衡運行狀態a點穩定工作，d點不穩定工作1、靜態穩定概念：比整步功率空載時，δ=0，Pss最大，最穩定δ=π/2，Pss=0，將進入不穩定狀態δ>π/2，Pss<0，失去穩定s2、動態穩定擾動——負載突然變化（加、卸、短路、失磁、電壓突變）曲線1a點：原正常運行點曲線2：電網電壓因事故明顯降低曲線3：電壓降低很大分析：比較下列情況電機的穩定性短路比大小：短路比大，則同步電抗小，Pmax大，一定P時，δ角較小，穩定性好。過激與欠激：有功一定時，過激時E0大，δ角小，穩定性好。輕載與滿載：激磁相同時，Pmax相同，輕載時δ角小，穩定性好。直接接電網或通過電抗接電網：通過外電抗接電網，則最大輸出功率由電抗分配，較直接接電網時小，一定P時，δ角較大，穩定性差。不計電樞電阻時隱極電機的無功功率§13-5無功功率調節和V形曲線設功率為PT，運行于a點，功角δa假設原動機有功功率不變，減小勵磁電流，則E0減小功角特性幅值降低，運行點變為b點，功角為δb，相應無功變為Qb，即減小了無功輸出。（靜態穩定度降低）PTδaQaδb一、隱性機的無功功率特性二、有功不變時的無功調節結論：對于每一給定的有功功率都有一允許的最少激磁，進一步減小激磁將使發電機失去穩定。欠激過激cosθ=0.8超前cosθ=0.8滯后結論：無功功率調節特性當發電機與無窮大電網并聯時，調節激磁電流的大小，就可以改變發電機輸出的無功功率，不僅能改變無功功率的大小，而且能改變無功功率的性質。當過激時，電樞電流是滯后電流，發電機輸出感性無功功率。當欠激時，發電機輸出容性無功功率，電樞電流是超前電流。功率調節總結調輸入P1→調節輸出有功P

輸出的P、Q均有變化，為使輸出Q不變則需調節勵磁。調勵磁If→調節輸出無功Q

輸出僅Q變化，P不變。無論調節有功或無功，應注意同步電機的穩定范圍。§13-6同步電動機與同步補償機隱極式凸極式輔助電動機起動、變頻起動、異步起動不同于異步電機§13-7同步電發機的進相運行（略）P271:13-2,4,6,7進相運行：電力系統無功Q過剩時，某些同步電發機須發出容性無功，吸收感性無功。同步電發電機進相運行應注意的四個問題：（1）靜態穩定性低；（2）端部漏磁引起定子端部溫升；（3）廠用電壓降低；（4）輸出P不變，電壓U下降，則I升高，過負荷。同步電機運行狀態（以內功率PM為例）同步發電機的進相運行第十四章同步發電機的不對稱運行不對稱運行各序阻抗與等效電路幾種短路情況的分析與短路時的電樞反應簡單分析回顧不對稱運行三相負載不對稱分析方法——對稱分量法：把不對稱的三相系統分解為三個獨立的對稱系統，即正序系統、負序系統和零序系統不對稱三相電流流過對稱三相繞組的基波磁勢將不對稱的三相系統分解為三個對稱的系統，即正序系統、負序系統和零序系統。每相電流分解為三個分量，每相磁勢也可分解為三個分量。當正序電流流過三相繞組時，產生正向旋轉磁勢，亦稱正序旋轉磁勢當負序電流流過三相繞組時，產生負向旋轉磁勢橢圓形旋轉磁勢當電流為一不對稱的三相電流，合成磁勢將有兩個分量，正序分量和負序分量，各以同步速向相反方向旋轉。在任一瞬間的合成磁勢仍按正弦分布，用旋轉矢量表示為空間矢量和，不同時刻，有不同的振幅，其端點軌跡為一橢圓§14-1同步電機的各序阻抗與等效電路發電機各序等效圖(a)正序(b)負序(c)零序注意：勵磁磁場只在電樞繞組中感應產生有正序電勢產生正序旋轉磁場——同步速轉子同步速，不在轉子繞組中感應電勢，即同步電機的對稱運行情況，正序電抗即同步電抗n1n12f1i-F-2n1相對于轉子xq-xaqxxDb）當F-正對q軸（q軸無勵磁繞組漏抗）xd-xadxxDa）當F-正對d軸凸極同步電機結構不對稱，使交軸和直軸電樞反應電抗不等，直軸和交軸的等效電路也不相同。r1

x１xmrm負序電流的副作用負序感應電流，產生附加的轉子銅損耗負序磁場引起轉子表面的渦流損耗，產生附加表面損耗負序磁場與正序磁場相互作用，產生2f1頻率的交變電磁轉矩，引起振動規定：在額定負載連續運行時，汽輪發電機三相電流之差不得超過額定值的10％：水輪發電機和同步補償機的三相電流之差不得超過額定值的20％，同時任一相的電流不得大于額定值。三相零序基波磁勢合成為零，在氣隙中不產生零序磁場。各相電樞繞組中的零序電流分量在各相繞組周圍產生零序漏磁通§14-2同步發電機的不對稱運行穩態分析勵磁電勢由于電機電樞繞組結構的對稱性是對稱正序電勢電樞反應電勢與電樞電流性質有關，用不同的電抗表示正序阻抗負序阻抗零序阻抗P283：14-1，14-2不同穩態短路電流的比較

機端三相短路穩態電流兩相短路的穩態短路電流單相短路的穩態短路電流同步電機x+一般比x_和x0大得多，所以相同勵磁電流時三種穩態短路電流的大小關系近似為：第十五章同步電機突然短路的過渡分析突然短路的物理過程（掌握）瞬態電抗和超瞬態電抗（了解）三相突然短路分析不對稱突然短路的概念（了解）同步電機振蕩的物理概念（了解）突然短路的直觀影響各繞組出現很大的沖擊電流，峰值可達（10~20）倍IN。在電機內產生很大的電磁力和電磁轉矩。可能損壞繞組端部，或使轉軸發生有害變形，破壞電網的穩定運行。主要原因突然短路是一個暫態過程——從正常運行到穩定短路的過渡階段。短路電流中包含有自由分量——按一定時間常數衰減；當自由分量衰減完畢，即進入穩定短路。突然短路時，電樞（定子）電流和相應的電樞磁場幅值發生突然變化，定、轉子繞組間產生變壓器感應關系，在轉子繞組中感應電勢和電流，反過來又影響定子繞組的電流。§15-1突然短路的物理過程分析時的假設（1）不考慮機械過渡過程，即在過渡過程期間，電機的轉速保持為同步速不變；（2）利用疊加原理，條件：電機的磁路不飽和；（3）突然短路前為空載運行，突然短路發生在發電機的出線端；（4）不考慮強勵的情況發生短路后，勵磁系統的勵磁電流If0始終保持不變。在沒有電阻的閉合回路中，磁鏈將保持不變1、定子電流的分量直流分量交流分量2、轉子電流的分量由于定子電流產生的旋轉磁場和直流磁場的出現，轉子磁鏈守恒將被破壞，轉子電路中必將引起感應電流以建立恰能抵消上述磁場對轉子繞組形成的磁鏈定子繞組交流分量產生的合成磁場Ψ~

，同步旋轉與轉子相對靜止，轉子有需直流分量If-，以抵消磁鏈Ψ~

定子電流直流分量產生磁場（靜止）與轉子相對轉速為同步速，在轉子中磁鏈Ψ-

感應工頻交流電勢，需交流電流分量If~，以抵消Ψ-。3、考慮繞組電阻后的影響實際情況下，定子、轉子回路均有電阻存在，所以各瞬態電流分量均將按一定時間常數衰減，并最后消失。這時定子電流將是穩態短路電流，轉子回路將是正常外施的激磁電流。如三相穩定短路時電流只有0.535IN，比額定電流都小§15-2同步電機的瞬態電抗和超瞬態電抗任一線圈產生一定數量磁通所需的電流大小將因磁通所走的路徑不同而大不相同。為產生同樣的磁通，如磁阻較小，所需電流較小，即有較大的電抗；如磁阻較大，所需電流較大，即有較小的電抗。穩定短路時，端電壓等于零，電樞反應為純去磁作用。不計電樞電阻和漏磁通的影響，由定子電流所產生的電樞反應磁通與由轉子電流所產生的磁通，大小相等，方向相反。電樞反應磁通所經的路線如圖所示.1、直軸瞬態電抗電樞反應磁通將穿過轉子鐵芯而閉合，磁阻較小定子電抗等于同步電抗xd（數值較大）突然短路初瞬：轉子磁鏈不能突變。轉子中產生一磁化方向與電樞磁場方向相反的感應電流，其磁通抵消要穿過轉子繞組的電樞磁通。等效：電樞磁通從轉子繞組外側的漏磁路通過。電樞反應磁通將從轉子繞組外漏磁路而閉合，所遇到的磁阻較大定子電抗為直軸瞬態電抗x’d（數值較小）2、直軸超瞬態電抗突然短路初瞬： 轉子磁鏈不能突變。如轉子上有阻尼繞組，其磁鏈也不能突變。等效：電樞磁通從阻尼繞組和轉子繞組外側的漏磁路通過。電樞反應磁通將從轉子外漏磁路而閉合，所遇到的磁阻更大定子電抗為直軸超瞬態電抗x’’d（數值更小）3、x”d和x’d的表達式設ad代表空氣隙的磁導，1d代表阻尼繞組旁的漏磁路的磁導，f代表激磁繞組旁的漏磁路的磁導電抗與磁導成正比，則：等效磁路阻尼繞組作用：提高電機運行的穩定性，削弱不對稱運行時反向旋轉磁場的不良影響x”d<x’d，突然短路時定子電流周期性分量幅值將比無阻尼時更大。在隱極發電機中，整塊轉子鐵心起阻尼作用，不需另外的阻尼繞組。4、交軸瞬態電抗如短路電流中有交軸分量，產生交軸電樞磁場。由于交軸方向無勵磁繞組，交軸瞬態電抗和交軸同步電抗相等。由于阻尼繞組的不對稱性，在交軸方向有阻尼繞組作用（且與直軸方向作用不等）5、交軸超瞬態電抗阻尼繞組在交軸的漏抗6、與負序電抗的關系*對于負序電流，其電樞磁場與轉子繞組有2n1的相對運動，在轉子繞組中感應電勢產生電流。由于磁鏈不能突變，即類似短路時情況外接電抗與負序電抗相當時直接外施負序電壓經外接電抗（很大）施加負序電壓如兩相短路時7、靜止法測定瞬態電抗*試驗：定子繞組的一相開路，另兩相串聯并外施一單相低壓交流電源——兩相短路。轉子激磁繞組由電流表短接。緩緩轉動轉子，定子電流和轉子電流將發生變化，記錄定子外施電壓和定子電流。當轉到轉子直軸時，轉子繞組中的感應電流最大，定子電流最大；當轉至轉子交軸時，轉子繞組中的感應電流最小，定子電流最小值。如轉子無阻尼繞組，切磁極由疊片構成，則測出的是瞬態電抗短路初瞬，突然短路電流增大，該短路電流中包含有交流分量（周期分量）和直流分量（非周期分量）。各相交流分量是一組三相對稱的電流分量；直流分量與短路時的磁鏈有關（保持短路后磁鏈守恒）。如短路時短路繞組與交軸重合，則磁鏈如短路繞組與直軸重合，則磁鏈相應的短路電流中直流分量不相同，短路電流也不同。§15-3同步電機三相短路的突然短路電流1、當0=0

時的突然短路當t=0時，=0＝0，E0=Emax，Ik滯后E090°，Ik0=0。短路電流中直流分量I-=0，只有交流分量阻尼繞組的影響勵磁繞組的影響同步電抗的作用2、當0=max時的突然短路當t=0時，＝0＝max，E0=0，周期分量I~=-Imax

初始條件，當t＝0時，繞組電流必須保持為零 短路電流中有非周期性的直流分量I-，且I-=Imax，使總電流的初值為零衰減中的直流分量交流分量如果衰減很緩慢，則在0．01s(半個周波)以后，最高沖