第六章同步電機的穩態分析主要內容：同步電機運行的基本方程式，運行特性，并聯運行，同步電動機和同步補償機及同步發電機的不對稱運行。

發電機：將機械能變為電能，是主要用途。按運行方式分電動機：將電能變為機械能。用于不需調速的大功率機械。補償機：用來調節電網無功功率改善功率因數。

汽輪發電機：高速同步發電機，隱極式。(火電）按原動機類別分水輪發電機：低速同步發電機，凸極式。（水電）柴油(汽油)發電機：低速同步發電機，凸極式。（機車、船舶，油田）

旋轉電樞式：用于小容量電機。按結構方式分旋轉磁極式：用于大容量電機，電刷和集電環負荷大為減輕，廣泛采用。

同步電機為雙邊激磁的電機。定子邊用交流勵磁，產生旋轉磁場；轉子用直流勵磁，產生恒定磁場。定，轉子磁場以磁拉力同步旋轉。

對旋轉磁極式按轉子主極的形狀同步電機又可分為隱極式和凸極式兩種基本型式一、基本結構

旋轉電樞式（反裝）：三相交流繞組旋轉，磁極靜止。三相交流電由滑環、電刷引出。

旋轉磁極式：三相交流繞組靜止，磁極旋轉

隱極凸極分：從轉子機械強度和妥善地固定勵磁繞組考慮，對高速電機采用隱極式，對低速電機采用制造簡單的凸極式。大型發電機通常用汽輪機和水輪機作為原動機來拖動。由于汽輪機是一種高速原動機，一般采用隱極式而水輪機是一種低速原動機，一般采用凸極式。6.1同步電機的基本結構和運行狀態1、隱極式同步電機同步速為3000r/min

提高運行速度可提高汽輪機的運行效率，減小機組尺寸和造價。由于轉速高，所以直徑較小，轉子本體長度L和直徑D的比L/D=2—6。容量越大，比值越大，汽輪發電機均為臥式結構。定子

轉子

定子主要由鐵芯、繞組、機座組成。鐵心每疊厚約3—6cm，疊與疊之間留有0.8—1cm的通風槽，整個鐵芯由非磁性壓板壓緊，固定在定子機座上。

轉子是汽輪發電機關鍵部分，從機械應力和發熱看是汽輪發電機最吃緊的部件。它即是電機磁路的主要組成部分，又高速旋轉而承受很大的機械應力，材料即要求有好的導磁性能，又需要有很高的機械強度。所以轉子一般用整塊的具有良好導磁性的高強度合金鋼鍛成，轉子表面約2/3部分銑有凹槽。用以嵌放勵磁繞組，不開槽部分形成一大齒,齒的中心線即為轉子主極中心線。槽內插有非磁性金屬槽楔，端口套有高強度非磁性鋼鍛成的護環。護環的作用是保證繞組端口不會因離心力甩動而損壞。2、凸極同步電機

分臥式和立式兩種結構

凸極同步電機與隱極同步電機定子結構基本相同，所不同的是轉子結構，它由磁極鐵芯、勵磁繞組、阻尼繞組等部件組成。大型水輪發電機通常都是立式結構，凸極式特點是短粗，D/L=5—7

立式分懸式和傘式兩種，懸式是把推力軸承裝在轉子上邊的機架上，整個轉子是處于一種懸吊著的狀態轉動。傘式是把推力軸承放在下邊的機架上，整個轉子是處于一種被支托著的狀態中轉動。傘式懸式懸式水輪發電機運轉時，機械穩定性好，但機組的軸向高度高。傘式的水輪發電機機械穩定性差，但由于推力軸承放在下機架上，軸向高度低，通常高速采用懸式，低速采用傘式。水輪發電機因直徑大，軸向長度短，其冷卻問題相對來說比較容易解決大型汽輪機發熱問題比較嚴重，為了提高冷卻效率，大型汽輪發電機，不用空氣冷卻而改用水和氫氣冷卻。氫導熱率較空氣大7.4倍冷卻效果好。大型汽輪發電機用水來直接冷卻導線內部，稱為水內冷。導線做成空心的，用潔凈的冷水通入導線的內孔來冷卻，因此是較為理想的冷卻介質。1956年英國試制成第一臺定子線圈水內冷的汽輪發電機。1958年我國研制成第一臺定.轉子線圈都采用水內冷的12000千瓦雙水內冷汽輪發電機。目前世界各主要工業國也相繼將超導技術用于同步電機。我國于1976年研制成功一臺400千瓦超導同步發電機。由于超導電機的繞組在超導狀態時電阻完全消失，從而徹底上解決了巨型電機繞組的發熱溫升問題。上電廠產660WM汽輪發電機采用水氫氫冷卻方式，即定子繞組采用水冷，轉子繞組為氫內冷，定子鐵芯及結構部件為氫冷，定子機座采用優質鋼板裝焊而成，所以有焊縫均為氣密焊縫，氫冷卻器設置在汽機上端。

汽輪發電機組側視圖1—X、Y、Z引出線；2—電流互感器；3—A、B、C引出線；4—自并勵副勵磁機；5—主勵磁機；6—勵磁機軸承；7—出線盒；8—氣體冷卻器；9—碳刷架隔音罩；10—端蓋；11—機殼；12—測溫引線盒二、同步電機運行狀態

同步電動機的運行狀態由轉子磁場與合成磁場的相對位置決定

同步電機有三種運行狀態：發電機，電動機，補償機。分析表明，同步電機運行于哪一種狀態取決于定，轉子磁場的相對位置，即定子合成磁場與轉子主極磁場之間的夾角δ（功率角）。

1、發電機若轉子磁場超前于定子合成磁場δ>0，則此時轉子將受到一個與其旋轉方向相反的制動性質的電磁轉矩。為使轉子能以同步速旋轉，必須從軸上輸入機械功率電機作為發電機運行。主極SNoTensδ

NSo主極2、補償機當δ=0，Te=0此時電機內沒有有功功率的轉換電機處于補償機狀態，或空載狀態。NoSnsTe=0NSo3、電動機δNSoSNonsTe當轉子磁場滯后定子磁場，δ<0，則此時轉子上受到一個與轉向相同的拖動性質的轉矩。此時定子從電網吸收電功率，轉子可拖動負載而輸出機械功率，電機做為電動機運行。三、同步電機的勵磁方式

供給同步電機勵磁的裝置，稱為勵磁系統。獲得勵磁電流的方式稱為勵磁方式。為保證同步電機的正常運行，勵磁系統應滿足以下要求：（1）能穩定地提供同步電機從空載到滿載到過載所需的勵磁電流（2）當電力系統發生故障使電網電壓降低時，勵磁系統能快速強行勵磁以提高系統穩定性；（3）當同步機內部發生短路故障時，應能快速滅磁。勵磁系統對同步電動機的性能有重要影響。目前采用的勵磁系統可分為兩類：

1、直流發電機勵磁系統

2、交流整流勵磁系統1、直流勵磁機勵磁直流勵磁機與同步發電機同軸并采用并勵接法。Rt接到自動調節裝置，自動調節IfK的作用是強行勵磁，（K閉合，切除Rt，使勵磁機輸出電壓大大提高）。同步發電機勵磁系統有時為了提高勵磁系統的響應速度，直流勵磁機本身的勵磁電流If采用它勵式，由同軸的副勵磁機供給，但由于多了一臺副勵磁機，使設備復雜，降低了運行的可靠性。直流發電機與同步發電機同軸并勵直流發電機（副勵磁機）+他勵直流發電機（主勵磁機）采用直流勵磁機主要問題是高速、大容量勵磁機換向困難。目前一般容量汽輪機和低速水輪機中大部分采用直流勵磁機。帶勵磁機的同步發電機勵磁系統2、靜止整流器勵磁(交流整流勵磁系統）

分:自勵式和他勵式

（1）他勵式

他勵式由交流主勵磁機，交流副勵磁機，硅整流裝置和電壓調整器組成。主勵磁機是一臺與同步發電機同軸連接的三相同步發電機（頻率通常為100赫茲）。主勵磁機交流輸出經整流后，由集電環裝置接到主發電機勵磁繞組，以供給直流勵磁。主勵磁機的勵磁電流由交流副勵磁機提供。交流副勵磁機是一臺與主發電機同軸連接的中頻（一般為400赫）三相同步發電機。副勵磁機的勵磁可采用永磁式，也可采用勵磁式。自動電壓調整器是由電壓互感器和電流互感器分別測得電壓和電流的變化，（即根據主發電機端電壓的偏差）通過自動電壓調整器進行比較后，對交流主勵磁機的勵磁電流進行調節，從而實現對主發電機勵磁的自動調節。由于這種勵磁系統沒有直流勵磁機，不存在換向火花問題。因此運行維護方便，技術性能好，使勵磁容量得以提高，用于大容量汽輪發電機。（2）自勵式

自勵式無旋轉勵磁機，當空載時，同步發電機的勵磁由輸出的交流電壓經半控整流后供給。負載后勵磁除由半控橋提供外，還由可控整流裝置供給，它可實現對發電機隨負載而變化得電壓進行自動調整。自動電壓調整器與他勵式作用相同。該系統便于維護應用在中小型同步發電機中自勵式靜止整流器勵磁系統3、旋轉整流器勵磁

副勵磁機→主勵磁機→主發電機無刷，適合大容量發電機。（旋轉磁極式）（旋轉電樞式）（旋轉磁極式）目前我國新裝發電機容量一般為30萬kW、60萬kW、90萬kW。單機容量大，電機

η↑

靜止的交流整流勵磁系統，雖然去掉了直流勵磁機的換向器，解決了換向火花問題，但還存在集電環和電刷，實踐表明，當勵磁電流超過2000A的時候，可引起集電環的嚴重過熱。為了解決這個問題，研制出一種取消集電環的旋轉整流器勵磁系統。

因交流主勵磁機的電樞、硅整流裝置、主發電機的勵磁繞組均裝在同一旋轉體上。所以無需集電環和電刷裝置。所以這種系統稱為無刷勵磁系統或無觸點勵磁系統。交流主勵磁機的勵磁，由同軸的交流副勵磁機經靜止的晶閘管整流后供給。電壓調整器的作用同上。旋轉整流勵磁系統四、額定值

額定電壓

UN

單位為KV額定電流

IN

單位為A,KA額定功率因數

額定頻率

fN

單位為Hz額定轉速

nN單位為r/min額定溫升

θN

額定勵磁電流和電壓

IfN

、UfN

額定容量注：6.2空載和負載時同步發電機的磁場本節主要研究空載和負載時發電機的磁場及電樞反應一、空載運行

將發電機用原動機拖動，使轉子達到同步速ns=60f/P，勵磁繞組通入直流勵磁電流，電樞繞組開路時的情況ns,If,I=0,稱為空載運行Ff

：主極磁勢（勵磁磁勢）E0：激磁電動勢，定子以ns的速度切割Φ0

而感應出頻率為f的一組對稱三相電勢。同步電機的空載磁路（2p=4)空載特性

ns=cE0=f(If)

Ff

∝IfE0

∝

Φ0

電機的磁化曲線Φ0=f(Ff)即為空載特性曲線

改變If，即可得到不同的Φ0

以及E0，E0=f(If),即為空載特性曲線，即電機的磁化曲線。空載特性曲線反應了電機的磁路特性，在負載時已知總磁勢，由該曲線求取氣隙磁場在電樞繞組中感應的電勢。

同步電機的空載特性及氣隙線

空載時，同步發電機的氣隙中只有一個同步旋轉的主磁場Ff（Φ0），負載后，電樞繞組中有對稱三相電流，產生旋轉磁場稱為電樞磁場Fa。因此負載后同步電機氣隙同時存在兩個磁勢。若僅考慮基波，則這兩個磁勢以相同的轉速相同的轉向旋轉。二、對稱負載運行接三相對稱負載

三、電樞反應

電樞基波磁動勢對氣隙基波磁場的影響稱為電樞反應反應電樞反應的性質（增磁、去磁或交磁）取決于兩個磁勢Ff和Fa

在空間的相對位置電樞反應的結果：

1、使氣隙磁場產生畸變；

2、增磁、去磁或交磁作用。由于E0滯后Φ0（即滯后Ff）900。而I與Fa相位相同。所以研究Ff和Fa

的相對位置，可歸納為研究I與E0的相位差稱為內功率因數角，電樞反應的性質取決于。即負載的性質。1.Ψo=00時(電樞電流I與激磁電動勢E0同相）

下面根據不同的角，分幾種情況分析電樞反應的性質。A相電勢最大A相電流最大三相旋轉磁勢的幅值在A相繞組軸線上空間矢量圖時間相量圖時同步電機的電樞反應

時-空統一矢量圖氣隙合成磁場與主磁場的相對位置產生交軸電樞反應，使氣隙磁場的空間相位改變，轉子磁極受到轉矩作用，從而實現機電能量轉換。時空矢量圖

忽略鐵耗時，

三相旋轉轉磁勢的幅值總是與電流為最大值的一相繞組軸線重合

由于出現交軸電樞反應，使氣隙合成磁場B與主磁場B0之間形成一定的空間相差角，從而產生一定的電磁轉矩。對于同步發電機，=0時，Bo超前Bδ角，主極上受到一制動性質的電磁轉矩,所以交軸電樞磁動勢與電磁轉矩的產生及能量轉換直接相關,以后將證明同步電機的電磁轉矩與sinδ成正比.

交軸磁動勢所產生的電樞反應為交軸電樞反應2.Ψo=±900

時

Ψo=900產生直軸電樞反應，使氣隙磁場減弱，去磁。

Ψo=-900

產生直軸電樞反應助磁，使氣隙磁場增強，增磁。只有直軸電樞反應時，氣隙磁場的空間相位不變，轉子不受轉矩的作用。

3.

0＜Ψo＜900時

í滯后于è0時的空間矢量圖í滯后時è0的時-空矢量圖í超前è0時的時-空矢量圖結論：（對于同步發電機）若I滯后Eo，則直軸電樞反應是去磁的。若I超前Eo，則直軸電樞反應是增磁的。電機單機運行時直軸電樞反應將直接影響端電壓的大小并網運行時直軸電樞反應影響電機輸出的無功功率。（若轉子直流勵磁不足，為維持氣隙磁場為一定值，則同步電機將向電網輸出一超前于Eo的交流容性電流，使直軸電樞反應為增磁，以補償轉子直流勵磁的不足。反之，若轉子直流勵磁過大，則同步機將向電網輸出一定的感性電流，直軸電樞反應為去磁。

）直軸電樞反應對同步電機的運行性能影響很大

負載時隱極同步發電機內的磁場分布圖復習

作業：

6-4

6.3隱極同步發電機電壓方程、相量圖、等效電路一、磁路不飽和時

線性系統，可使用迭加原理進行分析

轉子

定子

本節研究隱極同步發電機電壓平衡方程式，相量圖和等效電路。（分不飽和及飽和兩種情況來分析）

1、電壓方程式

同步發電機負載運行時的電磁過程如下：

E0：激磁電勢Ea：電樞反應電勢E：合成電勢不計飽和時

同步電抗表征對稱穩態運行時電樞反應和電樞漏磁兩個效應的一個綜合參數，不計飽和時,Xs為一常數。

2、相量圖相量圖如圖所示。

已知

ù、í、COS

及電機參數，畫相量圖。步驟如下：

隱極同步發電機的相量圖ù

í

íRa

jíXσ

jí

Xa?o?

?a

?

?o90

?a

E0、Ea、E對應Φ0、Φa、Φ，且滯后對應的磁通90°不計飽和時，將勵磁磁通與電樞反應磁通疊加（矢量相加），即可得負載時氣隙中的基波磁通過激，直軸電樞反應為去磁

ùííRajíXs?oδΨo隱極同步發電機的相量圖3、等效電路

等效電路如圖所示。其中：

隱極同步發電機等效電路4、同步電抗

a)反映了?a和?σ的作用

b)磁路不飽和時為常數c)二、考慮磁路飽和時

E=f(F)就是電機的空載特性1、電壓方程和磁勢方程式

非線性，迭加原理不適用。首先求出作用在主磁路上的合成磁勢F，然后利用電機的磁化曲線（空載特性曲線）求出及相應的E

2、電壓相量圖和磁勢矢量圖

ù

íφ

íRa

jíX

σ

?

FFfkaFa考慮磁飽和時隱極同步發電機磁動勢的矢量圖和電動勢的相量圖3、電樞磁勢換算系數是ka

對于汽輪發電機，ka=0.93~1.03，主要取決于大齒的寬度。

對隱極電機，勵磁磁動勢為一梯形波*考慮飽和特性的另一方法是根據運行點的飽和程度，找出相應的xs(飽和)。即把空載特性在工作點線性化。6.4凸極同步發電機的基本電磁關系特點：氣隙不均勻

Fa

產生的?a不但與Fa

有關，還與Ψo有關，解決的辦法：采用雙反應理論進行分析。一.雙反應理論

本節討論凸極同步發電機的電壓方程、相量圖和等效電路。由于凸極電機極靴部分氣隙小，兩極之間部分氣隙大，所以電樞圓周上的磁導各不相同。λ的變化與主極軸線對稱，并以1800電角度為一周期。因此可用僅含偶次諧波的余弦級數表示同樣大小的電樞磁勢作用在直軸和交軸上時，所產生的磁場將有明顯差別單位面積的氣隙磁導當正弦分布的電樞磁勢作用于直軸上時，

當電樞磁勢作用于交軸上時，

Bad1大于Baq1，在一般情況下，當電樞磁勢作用在空間任意位置時，將電樞磁勢分解為直軸和交軸兩個分量，直軸磁導和交軸磁導分別考慮直軸和交軸電樞磁勢所產生的電樞反應。最后再把他們疊加起來，這種考慮直、交軸氣隙磁阻不同，把電樞反應分為直軸和交軸電樞反應的處理方法稱為雙反應理論電樞磁動勢分成直軸和交軸磁動勢電樞磁勢換算系數直軸電樞磁動勢Fad換算到勵磁磁動勢時應乘以直軸換算系數Kad，交軸電樞磁動勢Faq應乘以交軸換算系數Kaq

二、電壓方程和相量圖

（磁路不飽和時）

不計飽和時，可利用雙反應理論和疊加原理，即主極磁場，直軸電樞反應磁場和交軸電樞反應磁場各自在定子繞組中感應電勢，這些電勢的總和為一相繞組的合成電動勢（即氣隙電動勢）

已知ù、í、COSφ及電機參數，先假定ψ0，畫相量圖步驟如下：凸極同步發電機的相量圖?o

í

íd

Ψo

íq

δ

íRa

jíqXq

jíd

Xdèo

ù

φ

當U、I、cosФ已知（若Ra,、Xd,、Xq已知）可計算出ψ0

凸極同步發電機的等效電路ù

í

íRa

jíXq

èQ

Ψo

íq

íd

jíd(Xd-Xq)

èo

Ψo

角的確定磁路飽和也可取

xd(飽和值)來考慮。

Xad（飽和）=Xad（未飽和）/KsXd（飽和）=Xad（飽和）+XσXq是未飽和值，為一常數。考慮飽和影響時，僅直軸磁路受飽和影響，而交軸磁路認為不飽和（因氣隙較大），所以對應飽和磁路，可應用雙反應理論分別求出直軸和交軸上的合成磁勢。再用磁化曲線來計及直軸磁路飽和的影響。另一種考慮飽和效應的方法是，采用適當的飽和參數來計算飽和的影響。三、直軸和交軸同步電抗

xd>xq

隱極同步電機

xd=xq=xs直軸電樞磁導交軸電樞磁導例6-1xd*=1.0xq*=0.6Ra*=0U*=1I*=1cos

=0.8求：E0*（1）

E0*

=U*cos

+Id*xd*

=1×cos19.44+0.8321×1.0=1.755

解：(3)(4)EQE0UI6.5同步發電機的功率方程和轉矩方程

ns

→

If

→B0

→

pFe

鐵心損耗

（轉子鐵心中磁場恒定無鐵耗）

一、功率方程

機械能

損耗

電能

同步發電機是將軸上輸入的機械功率，通過電磁感應作用轉換成輸出電功率m：定子相數。U、I：定子每相電壓和電流二.轉矩方程

P1－(pΩ+pFe)=Pe

→T1－T0=Te

三.電磁功率及能量轉換Pe=P2+Pcua=mUIcosφ+mI2Ra=mI(Ucosφ+IRa)=mIEcosΨ

=mIEQcosΨ0

=mEQ

Iq

隱極同步發電機中

，EQ=E0

Iq

為電樞電流的有功分量，Iq

決定了δ（功率角）的大小。

前已分析，當負載后，出現電樞反應，交軸電樞反應產生氣隙磁場與主極磁場之間的相角差，從而產生電磁轉矩在發電機中，氣隙磁場超前于氣隙合成磁場。在旋轉過程中原動機的驅動轉矩克服制動的電磁轉矩，并通過電樞繞組內產生運動電勢向電網送出有功電流，使機械能變電能功率角δ（Eo與U之間的夾角）隨Iq的增加而增大，后將證明δ越大，電磁功率和電磁轉矩越大。所以交軸電樞反應對產生電磁轉矩進行能量轉換具有重要的意義。一、用空載特性和短路特性確定Xd1．空載特性空載特性由空載實驗測出，試驗時，電樞開路，用原動機把被試同步電機拖動到同步速，改變If，測取電樞端電壓Uo,直到Uo=1.25UN

，得到特性曲線。

6.6同步電機參數的測定

為了定量進行計算，除了需要知道電機的工況外（端電壓，電流功率因數），還應知道同步電動機的參數。下面說明同步電抗，電樞漏抗和電樞反應等效磁動勢的實驗確定法。2．短路特性因空載時U0=E0

短路特性是一條直線短路時，端電壓U=0，短路電流僅受電機本身阻抗的限制。通常電樞電阻遠小于同步電抗，因此可以認為短路電流是純感性的，即0=90o；于是?q=0，?=?d，而I*=1時，E*=0.15左右，磁路不飽和，因電樞反應為純去磁。

即短路特性是一條直線E0∝If3.Xd

的不飽和值4.Xd

的飽和值

飽和程度由F或E決定

電機正常運行時

Xd不飽和值確定二.短路比kc

UN→If0→I'對于隱機同步電機Xd飽和值確定例6-2有一臺25000KW、10.5KV（星形聯結）、cos=0.85（滯后）的汽輪發電機，從其空載、短路實驗中得到下列數據：從空載特性上查得：線電壓UL=10.5KV時，If0=155A

從短路特性上查得：I=IN=1718A時，Ifk=280A；從氣隙線上查得：If=280A時，UL=22.4KV；試求同步電抗和短路比。解：從氣隙線上查出If=280A時，用標幺值計算三、用零功率因數負載實驗確定定子漏抗和電樞等效磁動勢零功率因數特性2.零功率因數特性與空載特性的關系空載特性是零功率因數特性的一個特例（即）。故兩個特性具有相同的形狀。BC表示空載時產生的額定電壓所需要的勵磁電流AF用以抵消電樞等效磁動勢kadFaCA用以克服電樞漏抗壓降IX作用特性三角形在得到零功率因數特性則F點的軌跡即為零功率因數負載特性曲線。K點即為短路點。3.作圖法求定子漏抗和電樞等效磁動勢電機學圖\5\6-1.gif(1)取；(2)過O'作氣隙線的平行線，交空載特性與E

(3)過E點作O'

F的垂線交O'

F

與A點

。即可求得Xσ已知

注：

這樣求得的Xσ比實際值略大，稱為波梯電抗Xp原因：零功率因數負載時為了補償電樞直軸去磁磁動勢而增加主極磁動勢，而主極磁動勢的增加使轉子漏磁將隨之增加，使得轉子磁路的飽和程度增加，磁阻變大，因而需要額外再增加一些主極磁動勢∵

轉子與定子磁場不同步，定子磁場軸線交替與轉子的d、q軸重合。與d軸重合時，

xd

Imin

Umax

與q軸重合時，

xqImax

Umin

四.用轉差法測定Xd、Xq參數的典型值

Xd*Xq*Xp*隱極同步發電機1.700.9xd*0.18凸極同步發電機1.150.750.32凸極同步電動機1.81.15

d軸q軸d軸轉差試驗時的端電壓和定子電流波形

6.7同步發電機的運行特性

、運行特性調整特性

nsU=UNcos

=cIf=f(I)效率特性

n=nsU=UN

=c=f(P2)外特性

nsIf=ccos

=cU=f(I)1、外特性同步發電機的外特性

由外特性求電壓調整率

2、調整特性調整特性

nsU=UNcos

=cIf=f(I)同步發電機的調整特性

3、效率特性

直接負載法

加負載測

損耗分析法：

計算總損耗

額定效率

二、作電動勢——磁動勢圖求

IfN

和Δu

電機學圖\6-381.FLA.swf

用電動勢-磁動勢圖(波梯圖)確定同步發電機的IfN和[例6-5]有—臺水輪發電機，額定容量SN＝16667kVA，額定電壓UN＝13.8kV，

Y聯結，額定功率因數0.8(滯后)，額定轉速nN＝100r／min，，電樞電阻忽略不計。發電機的短路特性為波梯電抗的標幺值一直線，當短路電流等于額定電流時，勵磁電流Ifk＝l78A，空載特性的數據為

0.250.450.791.001.141.201.251.304585150205250300350400試用波梯圖法確定該發電機的額定勵磁電流和電壓調整率。已知：參數，E0=f(If)，額定值

，

用計算機求FfN

和

kaFa

隱極同步發電機→IfN

6.8同步發電機與電網的并聯本節主要討論并聯運行的條件，以及并聯后發電機有功，無功功率的調節

電網無窮大一、投入并聯運行的條件和方法

1、投入并聯的條件同步發電機投入并聯時，為了避免電機和電網中產生沖擊電流及由此產生的沖擊轉矩，待投入并聯的發電機必須滿足以下條件：（1）發電機的相序應于電網一致。（2）發電機的頻率應與電網相同。（3）發電機的E0應與電網電壓U大小相等，相位相同。以上三個條件中，第一條必須滿足相序不同時頻率不同時則相當于發電機端點加上一組負序電壓，使發電機和電網之間存在巨大的電位差，產生巨大的環流和沖擊轉矩，屬于嚴重的故障情況，必須避免。E0與U的大小不等或相位不同時若發電機頻率和電網頻率不同，可將U與E0設想為大小相等但轉速不同的旋轉相量。E0與U之間便有相對運行，將產生一大小和相位隨時變化的環流，從而引起電機內功率振蕩，一會發出有功功率，一會吸收有功功率若E0與U的大小不等或者相位不同時，當將發電機投入并聯時，存在差值電壓，產生沖擊電流，嚴重情況下，該電磁力的沖擊將損壞繞組端部和轉軸①關于相序問題，一般大型同步發電機的轉向和相序在出廠前都已注明。對于沒有標定的，可利用相序指示器來確定。

②關于頻率問題，③而E0的大小可通過調節發電機的勵磁電流進行調節

E0的相位可通過調節發電機瞬時速度來調整

2.投入并聯的方法為了投入并聯所進行的調整和操作過程，稱為整步過程，整步方法有兩種：準整步法，自整步法

全部滿足投入并聯的條件，準整步法；部分滿足投入并聯的條件，自整步法。

1、準整步法燈光閃爍三個燈將同時出現時暗時亮的現象

直接接法同步指示器：最簡單的同步指示器為三個指示燈。電壓表

調

n≈ns

燈不亮燈光閃爍三個燈將同時出現時暗時亮的現象

uaubucEAEbEcEAEbEcuaubucEAEbEcuaubuc在燈光全部熄滅時，合閘投入并聯，稱為燈光熄滅法（直接接法）

①

②

③

指示燈交替明暗，形成旋轉

交叉接法1燈滅，2、3燈亮。若

UA’=UA

但

指示燈交替明暗，形成旋轉

待到燈1熄滅，燈2和燈3亮度相同，表示發電機已滿足投入并聯條件，可合閘并網。交叉接法亦稱為燈光旋轉法，此法的優點是能判斷發電機頻率比電網高還是低

并網：燈光旋轉很慢

交叉法稱為燈光旋轉法（亮燈法）采用直接接法時，若出現燈光旋轉現象，說明相序不同；同理采用交叉接法時，若出現燈光明暗現象也是相序錯誤。

相序：燈光旋轉，則相序正確。準整步的優點是：投入瞬間電網和電機沒有沖擊；缺點是：整步手續比較復雜。⑴相序相同，沿旋轉磁場的轉向n≈ns，勵磁繞組通過電阻短路2、自整步法為了將發電機迅速投入電網，可采用自整步法。優點：投入迅速，裝置簡單。缺點：投入時定子電流沖擊大⑵然后先合閘投入電網，（此時相當于一臺異步電機）（3）并立即加勵磁電流（有沖擊電流）牽入同步。二、與電網聯時發電機的功角特性當同步發電機的勵磁電動勢和端電壓保持不變時，發電機產生的稱為功角特性。電磁功率與功率角之間的關系轉子無勵磁，僅靠Pe2工作時，稱為磁阻電機

由功角特性可見不變時，電磁功率的大小取決于δ。180°90°0°45°-180°電動機發電機PePe1Pe2Pe同步電機的功角特性δmax：總電磁功率達到最大值時的功率角例6-4三、有功功率的調節和靜態穩定

1、有功功率的調節

現代電力系統的容量都很大，其頻率和電壓基本不受負載變化和其他擾動的影響而保持為常值,這種恒頻恒壓的交流電網，稱為無窮大電網。當發電機并聯于無窮大電網時，可向電網輸出功率。下面以隱極電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Ra不計，設發電機已接到一個無窮大電網。

從物理模型看，分解出切向力，使轉子上受到一制動性質的電磁轉矩，當制動轉矩與原動機驅動轉矩相平衡時。功率就不再增大，這時轉子主極磁場拉著氣隙磁場以同步速旋轉，將輸入的機械功率變為電功率輸出，在功角特性上對應于A點。

由此可見，要調節發電機輸出的有功功率，必須調節原動機的輸入功率，使δ增大，電磁功率和輸出功率便會相應增加。原動機輸入功率的增加不是無限制的，對于隱極電機，當δ達到90時，電磁功率達到最大值。即隱極同步發電機的功率極限值2、靜態穩定

靜態穩定指電網上并聯運行的同步發電機，在受到電網或原動機方面的微小擾動后，能夠自動的恢復到原先的平衡狀態的能力。如能復原，則發電機是穩定的，反之，則為不穩定。

整步功率系數為了使發電機能穩態運行，應使發電機的功率極限比額定功率大一定的倍數，這個倍數稱為過載能力

四、無功功率的調節

接到電網上的負載多數都是電感性的，所以與電網并聯的發電機不僅要向電網輸出有功功率，而且還要輸出無功功率。下面以隱極同步發電機為例來說明同步發電機與無窮大電網并聯時無功功率的調節問題。為簡單計，忽略電樞電阻和磁飽和影響，并假定調節勵磁時，原動機的輸入有功功率保持不變。

ùìèoèo'èo"ì"ì'jìXsjì'Xsjì"Xsφ'φ"BACDEosinδ=常值Icosφ=常值為“V形曲線”,曲線最低點為正常勵磁點調節勵磁電流可以調節無功功率這一現象，還可以用磁動勢平衡關系解釋對同步電機進行勵磁電流的調節，可改變無功電流，即改變無功功率和功率因數ù

í

íRa

jíXσ

?o?

?a

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?o90

?a

jí

Xa過勵，直軸電樞反應為去磁五、功率因數變化時發電機的輸出能力

輸出能力曲線：N點為額定點：對應NA段：電樞電流保持為額定，發電機功率因數逐漸上升到1。此時若加大發電機的有功功率到A’點，輸出的無功功率要相應減少否則電機將過載運行。到A點無功功率為零，發電機發出的有功功率達到最大值。從N點到A點，功率因數逐漸上升，電樞反應的去磁作用逐漸減少，所需的勵磁電流逐漸漸少，發電機的輸出能力主要受電樞電流的限制。對應NB段：勵磁電流保持為額定，發電機功率因數逐漸下降到零。此時發電機的有功因數降低，電樞反應去磁作用加大，為使勵磁電流不超過額定值，必須減少電樞電流否則勵磁繞組溫升過高。到B點有功功率為零，發電機無功功率達到最大值。從N點到B點，功率因數逐漸下降，電樞反應的去磁作用逐漸增加，電樞電流逐漸漸少，發電機的輸出能力主要受勵磁電流的限制。6.9同步電動機與同步補償機

與感應電動機相比，同步電動機的主要特點是：轉速與負載大小無關始終保持為同步速，且功率因數可調。

因此廣泛應用于大功率恒轉速的機械負載，如空氣壓縮機、粉碎機、鼓風機、水泵及電動發電機組同步補償機相當于空載運行的同步電動機，用于補償電網的無功功率和功率因數一、同步電機的可逆原理p1Pe=0此時功率角為零如將原動機去掉，空載損耗全部由電源提供這時如在軸上加負載，即輸出機械功率變為電動機運行同步發電機

→

空載同步發電機

→同步電動機

二、同步電動機的電壓方程和相量圖

若仍用發電機慣例分析Ф大于900，即此時發出負的電功率，相當于輸入正功率I超前E0電樞反應為增磁I滯后E0電樞反應為去磁

ùèojìMXsψoMδMìMRaìM=-ì隱極同步電動機相量圖èoùìMRaìM=-ìδMψoMììdMìqMjìdMXdjìqMXq凸極同步電動機相量圖三、同步電動機的功角特性，功率方程和轉矩方程

1、功角特性

（Ra=0）

整步功率系數及過載能力與發電機相同2、功率和轉矩方程

轉矩特性電流特性功率因數特性效率特性與其他電機相同四、同步電動機的運行特性

1、工作特性

不同勵磁時的功率因數特性2、V型曲線隱極同步電動機，忽略Ra從圖可見，改變勵磁電流，可使電動機在任意特定負載下的功率因數達到1，甚至變成超前。èoèo"èo'ùEosinδM=常值IMcosφM=常值ìM

ì'Mì"MjìMXsjì'MXsjì"MXsABCD電機學圖\片段.shs改變勵磁時同步電動機相量圖同步電動機調節

If

可改變功率因數，這是同步電動機的優點之一同步電機機與感應電機同時接入電網，并使同步機處于過勵狀態例6-5過勵時功率因數變為超前五、同步電動機的起動方法

1、異步起動

在轉子上裝籠型起動繞組。定子加三相對稱電壓，轉子勵磁繞組通過電阻短路

R=(5~10)Rf異步起動階段①異步轉矩：與感應電動機相同②單軸轉矩：

勵磁繞組電流頻率為sf1，產生相對于轉子靜止的脈動磁勢，可分解為正轉磁勢：

n+sns=ns

與定子磁勢相對靜止，產生平均轉矩；反轉磁勢：n-sns=(1-2s)ns,在定子繞組中感應電流，產生異步轉矩，當s=0.5時，（1-2s）ns=0,與定子繞組相對靜止，電磁轉矩為0。異步轉矩與單軸轉矩的合成曲線構成異步起動階段合成轉矩異步起動階段性能的好壞取決于Tst和Tpi。Tpi指轉速達到95%ns時的轉矩。Tst和Tpi與起動繞組的電阻有關注：勵磁繞組切勿開路，且必須串一大電阻（為限制單轉轉矩）這兩種轉矩對牽入同步起決定作用當通入直流后，在同步轉矩作用下即可牽入同步③磁阻轉矩：

④同步轉矩：牽入同步階段

2、

輔助電機起動

同極數感應電動機，容量約為主機容量的（10~15）%的感應電機作為輔機，拖動主機使n接近同步速時，轉子勵磁繞組加入If

，由同步轉矩拖入同步。缺點：不能帶載起動，否則輔機容量太大。

3、變頻起動

起動時f1很低，隨著n↑逐步增加f1最后達到fN,

改變定子旋轉磁場的轉速利用同步轉矩起動。缺點：必須具備變頻電源六、同步補償機

（同步調相機）

2、

同步補償機的額定容量和結構特點額定容量是指過勵時所能補償的無功功率

感應電動機所需的滯后無功電流由過勵的同步補償機提供，從而避免了無功電流的遠程輸送，改善電網的功率因數。Pe

=0I=f(If)

1、同步補償機的原理例:：6-6PQSQ’S’Q”P’S”6.10同步發電機的不對稱運行

分析方法：

對稱分量法

一組不對稱的三相電壓（電流），可以分解為正序、負序和零序三組對稱電壓（電流），后者稱為原不對稱電壓（電流）的對稱分量。

一、對稱分量法電機不飽和時，可采用迭加原理進行分析對正序、負序、零序來說都是三相對稱系統，只分析一相即可

（1）發電機氣隙磁場為橢圓形旋轉磁場（2）負序轉矩引起振動力矩把一個不對稱問題分解成正序、負序和零序三個彼此獨立的對稱問題，再把結果疊加由于發電機電樞繞組為三相對稱繞組所以三相激磁電動勢為對稱二、各相序阻抗和等效電路

正序、負序和零序電流分別建立各自的氣隙磁場，由于定子不同相序的電流所建立的磁場不同且與轉子回路相交鏈的情況不同所以發電機對應于不同相序的阻抗是不同的。其各相序對應的阻抗分別為正序阻抗、負序阻抗和零序阻抗。應用對稱分量法將負載端的不對稱電壓和電流分解成三組對稱分量1、正序阻抗和正序等效電路

電樞磁勢與轉子同步旋轉，勵磁繞組接通，電樞繞組流過對稱