第六章同步電機主要內容：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。

同步電機為雙邊勵磁的電機。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。

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、同步電機的基本結構

對于旋轉磁極式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1、隱極式同步電機的結構同步速為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、凸極同步電機的結構

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。阻尼繞組的作用作用同步發電機中：抑制負序分量同步電動機和同步補償機中：起動繞組與感應電機一樣同步電機定、轉子極數應相同。定子與隱極相同

轉子

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。

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，大型汽輪發電機采用水和氫氣冷卻。大型汽輪發電機用水來直接冷卻導線內部，稱為水內冷。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，定子機座所有焊縫均為氣密焊縫，氫冷卻器設置在汽機上端。應用最廣的冷卻介質有空氣、氫氣、水、油。冷卻方法有表冷（間接冷卻）和內冷（直接冷卻）。空氣和氫氣多應用于表冷；氫氣和水多應用于內冷。現代大功率汽輪發電機的冷卻介質和冷卻方法多為組合式，其中主要有以下五種：1、定子繞組氫外冷，轉子繞組氫內冷，鐵心氫冷；2、定子繞組氫內冷，轉子繞組氫內冷，鐵心氫冷；3、定子繞組水內冷，轉子繞組氫內冷，鐵心氫冷；4、定子繞組水內冷，轉子繞組水內冷，鐵心氫冷；5、定子繞組水內冷，轉子繞組水內冷，鐵心空冷。其中第三種冷卻方式應用最多，廣泛應用于20~100萬KW左右的機組上。

火電廠超超臨界機組和超臨界機組指的是鍋爐內工質的壓力和溫度。鍋爐內的工質是水，水的臨界壓力是:22.115MP,臨界溫度是374.15℃；在這個壓力和溫度時，水和蒸汽的密度是相同的，稱水的臨界點，爐內工質壓力低于這個壓力就叫亞臨界鍋爐，大于這個壓力就是超臨界鍋爐，爐內蒸汽溫度不低于593℃或蒸汽壓力不低于31MPa被稱為超超臨界。超臨界機組具有無可比擬經濟性，單臺機組發電熱效率最高可達50%，每kW/h煤耗最低僅有255g（丹麥BWE公司），同時采用低氧化氮技術，在燃燒過程中減少65%的氮氧化合物及其它有害物質的形成，且脫硫率可超98%，可實現節能降耗、環保的目的。發展超臨界和超超臨界機組周向分區通風系統T:冷風區；k：熱風區氫冷卻通風系統簡介通風系統分軸向多段通風和周向分區通風二、氫、油、水系統簡介200MW汽輪發電機軸向通風系統圖1、定子鐵心；2、定子繞組；3、轉子形成所謂“四進五出”的通風系統轉子通風采取氣隙取氣斜流式轉子風區與定子的風區一一對應。轉子旋轉時由于轉子表面的進風斗對氣隙氣流的相對運動形成正壓，出風斗為負壓，形成了氫氣在轉子導體槽內流動的壓力源。冷卻介質從轉子槽楔上的進風斗進入，經楔下絕緣墊條上相應孔道進入銅線的通風孔，槽楔的每個進、出風斗連接兩個風道，形成“一風斗、二風道”結構。(a)轉子槽斷面（b）導體中間銑孔（c）導體內斜流風道定子冷卻水系統定子繞組接線及進出水路定子冷卻水系統密封油冷卻系統

由于氫冷發電機的轉子軸伸端必須穿出發電機端蓋，這就提出了一個氫內冷發電機軸端密封的關鍵問題。所謂軸端密封就是在氫冷發電機轉軸的兩端伸出處與靜止的端蓋之間所采取的密封措施。油密封裝置裝于發電機轉軸伸出的端蓋處，將高于機內氫壓的壓力油注入密封瓦與轉軸之間的氣隙，以阻止機內氫氣漏出機外。目前國內外均采用液體油密封結構，其機理是在高速旋轉的軸與靜止的密封瓦之間注入一連續的油流來封住氣體，使機內的氫氣不能外泄，外面的空氣不能侵入機內。密封油分空側和氫側兩個油路將油供給軸密封瓦上的兩個環狀配油槽。如果這兩個油路中的供油油壓在密封瓦處恰好相等，油就不會在兩條配油槽之間的間隙中竄流。通常只要密封油壓始終保持高于機內氣體的壓力，便可防止氫氣從發電機內逸出。

密封油系統二、同步電機的運行狀態

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）。

功率角δ轉子磁場軸線領先合成磁場軸線的夾角。δ>0時，電磁轉矩為制動轉矩，原動機的驅動轉矩與電磁轉矩及空載阻轉矩平衡。轉子吸收機械功率，定子發出電功率。1.發電機運行狀態δ<0時，電磁轉矩為驅動轉矩，帶動負載運行。轉子輸出機械功率，定子吸收電功率。3.電動機運行狀態δ=0時，Te=0不進行能量轉換，僅發出或吸收無功功率。2.補償機運行狀態三、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電勵磁系統可分為兩類：

1、直流勵磁機系統

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。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。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同步發電機的空載磁場和電樞反應本節主要研究空載和負載時發電機的磁場及電樞反應一、空載磁場

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：勵磁電動勢，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。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動勢。

同步電機的空載特性及氣隙線Ff

∝IfE0

∝

Φ0

電機的磁化曲線即為空載特性曲線ns=c空載特性

改變If，即可得到不同的Φ0

以及E0，即為空載特性曲線，即電機的磁化曲線。

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、對稱負載時的電樞反應接三相對稱負載

電樞基波磁動勢對氣隙基波磁場的影響稱為電樞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。三相旋轉磁勢的幅值在A相繞組軸線上此時A相交鏈的磁通為零，因感應電動勢滯后磁通900，所以A相電勢最大，則A相電流最大空間矢量圖時間相量圖三相旋轉磁勢的幅值總是與電流為最大值的一相繞組軸線重合時空矢量

將時間參考軸與A相繞組軸線重合，得到時-空矢量圖空間矢量圖時間相量圖

交軸磁動勢所產生的電樞反應為交軸電樞反應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。2.Ψ0=90時

電流滯后電動勢90°時軸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

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。í滯后時è0的時-空矢量圖í超前è0時的時-空矢量圖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（電網電壓恒定）

，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

復習

課后思考：6-1、6-2、6-3電樞反應對運行性能的影響6.3隱極同步發電機電壓方程、相量圖和等效電路一、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。（分磁路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：勵磁電勢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

jíXa?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勵，直軸電樞反應為去磁

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

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F1，然后利用電機的磁化曲線（空載特性曲線）求出及相應的E

空載特性曲線2、電壓相量圖和磁勢矢量圖

ù

íφ

íRa

jíXσ

?

F1Ff1Fa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。

隱極同步發電機主極磁動勢分布對應正弦波磁場對應階梯波磁場*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動勢作用于直軸上時，

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，用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換算到勵磁磁動勢時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）

凸極同步發電機的相量圖?o

í

íd

Ψo

íq

δ

íRa

jíqXq

jídXdèo

ù

φ

已知ù、í、COSφ及電機參數，先假定ψ0，畫相量圖步驟如下：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角的確定三、直軸和交軸同步電抗的意義

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*=1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、轉矩方程和功角特性

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－(pmec+pFe)=Pe

T1－T0=Te

三.電磁功率

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，交軸電樞反應使電樞合成磁場與主極磁場之間出現相角差，從而產生電磁轉矩在發電機中，電樞合成磁場超前于主極磁場。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。四、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。一、用空載特性和短路特性確定Xd1．空載特性6.6同步電機參數的測定

為了定量進行計算，除了需知道電機的工況外（端電壓、電流、功率因數），還應給出同步電動機的參數。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。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。

空載時U0=E0

2．短路特性短路時，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，而當I*=1時，一般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Xd不飽和值確定4.Xd的飽和值

飽和程度由F或E決定

電機正常運行時

Xd飽和值確定UN→If0→I'對于隱機同步電機二.短路比kc

Kc的確定例:有一臺25000KW、10.5KV（星形聯結）、cos=0.8（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：作氣隙線從氣隙線上查出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直軸電樞等效磁動勢零功率因數特性零功率因數負載實驗接線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。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

。3.作圖法求定子漏抗和電樞等效磁動勢

已知

即可求得Xσ和直軸電樞等效磁動勢注：

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。kongzaihe空載和零功率因數負載時的磁場分布為了補償電樞直軸去磁磁動勢而增加主極磁動勢∵

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，

xdIminUmax

與q軸重合時，

xqImaxUmin

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

、同步發電機的運行特性1、外特性外特性調整特性效率特性同步發電機的外特性

由外特性求電壓調整率

2、調整特性同步發電機的調整特性

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、用電動勢——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

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。編程：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運行本節主要討論并聯運行的條件，以及并聯后發電機有功功率、無功功率的調節

電網無窮大一、同步發電機投入并聯運行的條件和方法

以上三個條件中，第一條必須滿足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。相序不同時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。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E0與U的大小不等或相位不同時頻率不同時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.投入并聯的方法和步驟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：準確同步法，自同步法

全部滿足投入并聯的條件，準確同步法；部分滿足投入并聯的條件，自同步法。

1、準確同步法直接接法同步指示器：最簡單的同步指示器由三個指示燈組成。分為直接接法和交叉接法兩種。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

uAucUBUA’UB’Uc‘UA’UB’Uc’uAuBucUA’UB’UC’uAuBuc在燈光全部熄滅時，合閘投入并聯，直接接法也稱為燈光熄滅法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

采用直接接法時，若出現燈光旋轉現象，說明相序不同；采用交叉接法時，若出現燈光同時明暗現象也是相序錯誤。

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。準整確同步法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、自同步法為了將發電機迅速投入電網，可采用自同步法。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，（此時相當于一臺感應電機）（3）再立即加勵磁電流（有沖擊電流）牽入同步。二、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有平衡狀態的能力。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

隨著電力系統的不斷發展，超高壓遠距離輸電線路相繼投入運行，電網電壓和無功功率的調節成為一個突出問題。

當電網處于高峰大負荷運行時，感性負荷引起電壓下降，當電力負荷處于低谷期時，由于線路電容效應產生的無功功率引起電網電壓升高。而現代城市電網均采用高壓電纜供電方式，引起電力系統電容電流的增加，導致容性充電功率進一步加大。

低谷時期電網電壓升高問題更為突出。三、無功功率的調節和V形曲線

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。忽略電樞電阻和磁飽和影響，原動機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同步發電機的V形曲線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調節勵磁電流可改變無功電流，即改變無功功率和功率因數ù

í

íRa

jíXσ

?o?

?a

?

?o90

?a

jíXa過勵，直軸電樞反應為去磁由隱極同步發電機額定運行時的相量圖，各相量分別乘以3U/XS，可得到功率三角形，斜邊OA為視在功率，兩直角邊分別為有功功率和無功功率。1、發電機運行容量圖發電機運行容量圖表示發電機在端電壓和冷卻介質溫度為額定值的條件下有功功率和無功功率的關系，稱為發電機輸出能力曲線或運行容量圖。隱極發電機運行容量圖四、功率因數變化時發電機的輸出能力

若A點為該發電機額定運行點對應的額定有功功率為PN對應的額定無功功率為QN當A點到達縱軸時，功率因數為1當A點到達橫軸時，功率因數為0運行容量圖(1)遲相運行范圍遲相運行時為保證定、轉子電流不超過額定，以B點為圓心，AB為半徑，弧AC為轉子額定電流圖；以O點為圓心，OA為半徑，弧AG為定子額定電流圖，兩圓弧交點A點為定、轉子電流同時達到額定值。當增大遲相運行時，由于受轉子電流限制發電機運行點不能超過弧AC，C點為，無功功達到極限當由A點降低功率因數時，受轉子電流限制，到C點無功功率最大。由A點提高功率因數時，電樞反應去磁作用減小，所需勵磁電流減小，主要受定子電流限制，此時轉子繞組未充分利用遲相運行范圍為OEDACO組成的區域另外增加有功功率還受原動機輸出功率極限的的限制此時定子繞組未充分利用當進相運行時，所需勵磁電流減小此時受定子電流限制發電機運行點不能超過弧AG，E點為，有功功達到極限，線段BF為考慮靜態穩定的極限進相運行容量（即P和Q的值）應由（1）定子鐵心端部過熱（2）靜穩定極限（3）定子過電流三者中的最小極限確定。(2)進相運行范圍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、同步電機的可逆運行原理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

若仍用發電機慣例分析I超前E0電樞反應為增磁I滯后E0電樞反應為去磁

大于900，即此時發出負的電功率，相當于輸入正功率二、同步電動機1、同步電動機的電壓方程和相量圖ùèojìMXsψoMδMìMRaìM=-ì隱極同步電動機相量圖隱極同步電動機等效電路èoùìMRaìM=-ìδMψoMììdMìqMjìdMXdjìqMXq凸極同步電動機相量圖2、同步電動機的功角特性，功率方程和轉矩方程

功角特性整步功率系數及過載能力與發電機相同功率和轉矩方程

3、同步電動機的運行特性

運行特性(1)工作特性

電磁轉矩特性電樞電流特性效率特性與其他電機相同功率因數特性從圖可見，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。圖示表示不同勵磁電流時同步電機的功率因數特性(2)V形曲線隱極同步電動機，忽略Raèoèo"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6-7過勵時功率因數變為超前4、同步電動機的起動

(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待轉速接近同步速時，接入直流牽入同步異步起動階段①異步轉矩：與感應電動機相同②單軸轉矩：勵磁繞組產生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電阻大Tst大、Tpi小注：勵磁繞組切勿開路，且必須串一大電阻（為限制單轉轉矩）③磁阻轉矩：

④同步轉矩：牽入同步階段轉速越接近ns，負載越輕越容易牽入同步轉矩為交變分量，使轉子轉速發生震蕩；當通入直流后，在同步轉矩作用下即可牽入同步這兩種轉矩對牽入同步起決定作用

(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5、同步電動機的調速和控制方式（1）調速原理由改變供電電源的頻率，可以方便地控制同步電動機的轉速。對于隱極同步電機當轉子勵磁電流不變時，若采用恒電壓/頻率比控制，則同步電機的最大轉矩保持不變。（2）控制方式

同步電動機變頻調速系統可分為它控式和自控式兩種。它控式是從外部（開環）控制變頻器頻率來準確地控制轉速。這種控制方式簡單，但有失步和振蕩問題，對急劇升、降速必須加以限制。自控式是頻率的閉環控制，用轉子位置傳感器隨時檢測定、轉子磁極相對位置和轉子的轉速，由位置傳感器發出的位置信號去控制變頻器中主開關元件的導通順序和頻率。電機的轉速在任何時候都與變頻器的供電頻率保持嚴格的同步，故不存在失步和振蕩現象，三、同步補償機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

2.同步補償機的特點同步補償機的轉子上裝有起動繞組，供異步起動之用。為提高材料利用率，大型補償機常常采用氫冷。同步補償機的額定容量是按過勵時所能補償的無功功率來確定，其容量主要受定、轉子繞組溫升的限制。由于補償機不帶任何機械負載，故可沒有軸伸，對其機械結構要求亦較低。允許其同步電抗稍大，因而電機的用銅量較少、造價較低。其結構特點例PQSQ’S’Q”P’S”6.10同步發電機的不對稱運行

（1）三相負荷不對稱主要是大的單相負載，如電力機車、冶金電爐等（2）輸電線路三相阻抗不對稱電力系統的非全相運行，分時分相停電檢修線路等長期不對稱短期不對稱短時間的三相不對稱，主要指電力系統或發電機發生不對稱短路時的運行狀態，輸電線路中單相重合閘的過程也為短期不對稱狀態。分析方法：

對稱分量法

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

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勵磁電動勢為對稱二、同步發電機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，電樞繞組流過對稱正序電流時，同步發電機所表現的阻抗為正序阻抗。（與三相對稱運行時相同）正序等效電路對于凸極電機對于不對稱短路時，電阻遠小于電抗，正序電流滯后E0約為900，為感性直軸電流接線示意圖

2、負序電抗和負序等效電路

轉子正方向同步速旋轉，電樞磁勢逆向同步速旋轉。勵磁繞組短接，電樞繞組流過對稱負序電流時，同步發電機所表現的阻抗為負序阻抗。

Z－=R－

+jx－

對應于感應電機

接線示意圖①無阻尼繞組時轉子上只有勵磁繞組時（相當于感應電機轉子繞組）負序磁場與直軸重合時直軸負序阻抗為Z-d由于負序磁場時而與直軸重合、時而與交軸重合因此負序阻抗值是變化的取上述兩個典型位置平均值作為負序阻抗值直軸等效電路

對轉子有無阻尼繞組兩種情況分別研究負序阻抗Z-介于直軸與交軸之間當負序磁場與交軸重合時，交軸負序阻抗為Z-q注：交軸上通常無勵磁繞組，所以無轉子勵磁支路參數交軸等效電路

直軸超瞬態電抗

②轉子有阻尼繞組時

參照雙籠轉子感應電動機等效電路有阻尼繞組的直軸等效電路交軸超瞬態電抗

有阻尼繞組的交軸等效電路

阻尼回路參數對負序電抗影響較大負序等效電路3、零序阻抗和零序等效電路

轉子正方向同步速旋轉，勵磁繞組短接，電樞繞組通過零序電流，同步發電機所表現的阻抗為零序阻抗。上述分析可見：同步發電機的各序電抗不相等零序等效電路接線示意圖三、同步發電機的單相短路

如圖所示，設A相短路，B、C相開路

同步發電機單相短路電壓、電流的各相序分量等效電路實際上

A相繞組中還包含諧波電流

定子中含有

1，3，5，…

奇次諧波轉子中含有

0，2，4，…

偶磁諧波相應地

uBuC

中也會有一系列的奇次諧波電壓

四、同步發電機的線間短路

如圖所示，設B、C相發生線間短路，A相為空載A相開路電壓為：根據約束條件連接的等效電路五、不對稱運行對發電機的影響

（1）發電機氣隙磁場為橢圓形旋轉磁場,

負序電流使發電機發熱嚴重（2）負序轉矩引起振動力矩（3）負序磁場在轉子繞組及轉子鐵心內感應100HZ的感應電流引起鐵耗電機效率降低（4）存在一系列高次諧波，使定子繞組過電壓（5）對系統中的感應電動機運行產生影響（6）對通信線路引起高頻干擾6.11同步發電機的三相突然短路同步發電機突然短路時，各繞組中會出現很大的沖擊電流，其峰值可達額定電流的10倍以上，因而將在電機內產生很大的電磁力和電磁轉矩。為了簡化分析，作如下假設：(1)在整個電磁瞬態過程中，轉子轉速保持同步轉速；(2)不計磁路飽和，可利用疊加原理來分析；(3)突然短路前，發電機空載運行；(4)轉子上只有勵磁繞組。研究突然短路,就是要確定短路電流的初始值和終值對于超導體閉合回路而言，無論外磁場交鏈的磁鏈如何變化，由感應電流產生的磁鏈恰好抵消其變化，從而保持磁路總的磁鏈不變，即為超導體閉合回路磁鏈守恒原理。實際電機的定轉子繞組都有電阻要消耗一定能量磁鏈不能守恒，但磁鏈不能突變所以在研究突然短路時，可認為突然斷路最初一、兩個周波磁鏈不變。一、超導回路磁鏈守恒原理超導電阻為零二、三相突然短路過程中的基本電磁關系

假設：1、突然短路前發電機空載且短路發生在機端

2、突然短路后發電機的轉速及勵磁電流不變

3、電機磁路不飽和

4、先不計繞組電阻三相繞組中勵磁磁鏈的波形1．定子各相繞組的磁鏈短路時刻勵磁