6.1同步電機的基本工作原理與結構6.2同步發電機的空載運行6.3同步發電機的電樞反應6.4同步發電機的負載運行6.5同步發電機的并聯運行6.6同步電動機和同步調相機思考題與習題

同步電機是交流旋轉電機的一種,因其轉速恒等于同步速機時得名。同步電機主要用作發電機，也可用作電動機和調相機。本章主要分析同步發電機的穩態運行原理和運行特性，簡要分析同步電動機和調相機的運行狀態,最后介紹同步電動機的電力拖動。6.7同步電動機的電力拖動6.1同步電機的基本工作原理與結構6.2同步發電機的６.1同步電機的基本工作原理與結構６.1.1同步電機的基本結構以汽輪發電機為例:定子鐵心：硅鋼片疊成。機座：鋼板焊接面成，有足夠的強度和鋼度。電樞繞組：三相對稱繞組——銅線制成定子(電樞)轉子鐵心：采用整塊的含鉻、鎳和鉬的合金鋼鍛成護環：保護勵磁繞組受離心力時不甩出勵磁繞組：銅線制成滑環：引勵磁電流經電刷、滑環進入勵磁繞組中心環：支持護環，阻止勵磁繞組軸向移動轉子６.1同步電機的基本工作原理與結構６.1.1同步電機的基本機械端口轉子定子繞組定子鐵心電端口ABC返回機械端口轉子定子繞組定子鐵心電端口ABC返回返回返回1、汽輪發電機結構（1）定子鐵心返回1、汽輪發電機結構返回返回返回1、汽輪發電機結構返回1、汽輪發電機結構返回2、水輪發電機結構(1)立式水輪發電機(2)臥式水輪發電機2、水輪發電機結構(1)立式水輪發電機(2)臥式水輪發電機2、水輪發電機結構轉子結構10000kW水輪機轉子2、水輪發電機結構轉子結構10000kW水輪機轉子1.發電環節——各種電機

引進600MW汽輪發電機1.發電環節——各種電機國產300MW汽輪發電機國產300MW汽輪發電機國產200MW汽輪發電機定子國產200MW汽輪發電機定子國產200MW汽輪發電機定子鐵心國產200MW汽輪發電機定子鐵心現場運行的水輪發電機現場運行的水輪發電機６.1同步電機的基本工作原理與結構６.1.2同步電機的基本工作原理與分類一、同步發電機的基本工作原理大小：頻率：

勵磁繞組通入直流電流后建立恒定磁場，原動機拖動轉子以轉速旋轉時，其磁場切割定子繞組而感應交流電動勢.相序：由轉子的轉向決定。波形：由可知，波形取決于的空間分布。６.1同步電機的基本工作原理與結構６.1.2同步電機的基本U2U1W2V1W1V2發電機的物理過程可用圖示表示旋轉示意圖1旋轉示意圖2U2U1W2V1W1V2發電機的物理過程可用圖示表示旋轉示意二、同步電機的分類按運行方式，同步電機分發電機、電動機和調相機。按結構型式，同步電機分旋轉電樞式和旋轉磁極式。旋轉磁極式同步電機按磁極形狀，又分隱極式和凸極式兩種。按原動機類別,同步電機分為汽輪發電機、水輪發電機和柴油發電機等。汽輪發電機一般作成隱極式，現代汽輪發電機均為2極，轉速為3000轉/分鐘，水輪發電機采用凸極式，極數多，轉速低。同步電動機、柴油發電機和調相機一般作成凸極式。二、同步電機的分類按運行方式，同步電機分發電機、電動機和調相６.1.3同步電機的額定值對同步發電機額定值之間關系為：額定運行時加在三相定子繞組上的線電壓。指電機額定運行時，輸出功率的保證值。同步發電機是指輸出的額定視在功率或有功功率，單位是KVA或KW。電動機額定容量是指額定條件下轉軸上輸出的機械功率，單位是KW。調相機用KVA或Kvar表示。在額定運行狀態下三相定子繞組的線電流.６.1.3同步電機的額定值對同步發電機額定值之間關系為：額６.2同步發電機的空載運行電磁關系：空載特性：

同步發電機被原動機拖動到同步轉速，勵磁繞組中通入直流電流，定子繞組開路的運行稱為空載運行。空載電動勢大小：６.2同步發電機的空載運行電磁關系：空載特性：６.3同步電機的電樞反應電樞反應:電機帶上負載后，電樞磁動勢的基波在氣隙中使氣隙磁通的大小及位置均發生變化,這種影響稱為電樞反應.電樞反應的性質，取決于電樞磁動勢基波和勵磁磁動勢基波之間的相對位置，即與空載電動勢和電樞電流之間的夾角有關.勵磁磁勢和電樞磁勢的區別基波波形大小位置轉速轉向勵磁磁動勢正弦波恒定，由勵磁電流決定由轉子位置決定由原動機的轉速決定由原動機決定電樞反應磁動勢正弦波恒定，由電樞電流決定由電流瞬時值決定由磁極對數和電流頻率決定由電流相序決定６.3同步電機的電樞反應電樞反應:電機帶上負載后，電樞磁動６.3.1時的電樞反應d軸q軸U軸U1U2

W2V1W1V2NSW軸V軸電樞反應性質：交軸電樞反應空載電動勢和電樞電流同相位.６.3.1時的電樞反應d軸q軸U軸U1U2d軸q軸U軸U1U2

W2V1W1V2NSW軸V軸６.3.2時的電樞反應空載電動勢超前電樞電流電樞反應性質：直軸去磁電樞反應d軸q軸U軸U1U2W2V1W1V2NSW軸V軸６.3.d軸q軸U軸U1U2

W2V1W1V2NSW軸V軸6.3.3時的電樞反應空載電動勢滯后電樞電流

電樞反應性質：直軸助磁電樞反應d軸q軸U軸U1U2W2V1W1V2NSW軸V軸6.3.d軸q軸U軸U1U2

W2V1W1V2NSW軸V軸6.3.4一般情況下的電樞反應空載電動勢超前電樞電流角,電樞反應性質：既有交軸,還有直軸去磁電樞反應d軸q軸U軸U1U2W2V1W1V2NSW軸V軸6.3.此種情況下---直軸分量---交軸分量---直軸分量電流產生的合成磁動勢---交軸分量電流產生的合成磁動勢此種情況下---直軸分量---直軸分量電流產生的合成磁動勢6.3.4一般情況下的電樞反應（總結）上升下降

上升下降下降下降不變不變下降R、C增強交軸直軸助磁d、q軸R、L削弱交軸直軸去磁d、q軸C增強直軸助磁d軸L削弱直軸去磁d軸R波形畸變交軸q軸

負載性質對電機的影響電樞反應性質記作夾角

位置6.3.4一般情況下的電樞反應（總結）上升下降上升下降6.3.5電樞反應與機--電能量轉換

電樞反應是同步電機在負載運行時的重要物理現象，它不僅是引起端電壓變化的主要原因，而且也是電機實現機---電能量轉換的樞紐。輸出的有功功率越大，有功分量電流就越大，交軸電樞反應越強，越大，這就要求原動機輸入更大的驅動轉矩，維持電機的轉速不變。6.3.5電樞反應與機--電能量轉換電樞反

說明發電機帶感性(或容性)無功負載時,不需要原動機增加能量.

但是直軸去磁（或助磁）電樞反應對氣隙磁場有去磁（或助磁）作用，致使電壓下降（或上升）。為維持電壓恒定所需的勵磁電流也需要相應增加（或減小）。

直軸電樞反應磁場與勵磁電流共同作用,在勵磁繞組上產生電磁力,但不能形成電磁轉矩.說明發電機帶感性(或容性)無功負載時,不需要原

一般情況下，發電機既帶有功負載，又帶感性無功負載，有功電流的變化影響發電機的轉速及頻率，無功電流的變化影響發電機的電壓。

綜上所述，交軸電樞反應的存在是實現機——電能量轉換的關鍵。為了保持發電機的頻率和電壓的穩定，必須隨負載變化及時調節發電機的輸入功率和勵磁電流。一般情況下，發電機既帶有功負載，又帶感性無功負6.4.1凸極同步發電機的電動勢方程和相量圖６.4同步電機的負載運行一、凸極同步發電機的電動勢方程電磁關系：不計磁路飽和時有下列關系由于且令則電動勢平衡方程--直軸同步電抗--交軸同步電抗分別表征在對稱負載下，單位直軸或交軸三相電流產生的總電樞磁場在電樞每一相繞組中感應的電動勢。6.4.1凸極同步發電機的電動勢方程和相量圖６.4同步電二、凸極同步發電機的相量圖作圖步驟二、凸極同步發電機的相量圖作圖步驟6.4.2隱極同步發電機的電動勢方程、相量圖和等效電路一、電動勢方程電磁關系：不計磁路飽和時有下列關系令電動勢平衡方程--同步電抗

表征在對稱負載下，單位三相電流產生的電樞總磁場在電樞每一相繞組中感應的電動勢。6.4.2隱極同步發電機的電動勢方程、相量圖和等效電路一、電二、等效電路和相量圖等效電路相量圖根據相量圖可求出二、等效電路和相量圖等效電路相量圖根據相量圖可求出

當忽略電樞回路電阻時得到的等效電路稱為簡化等效電路,對應的相量圖稱為簡化相量圖思考題分別作出汽輪同步發電機帶阻性、純感性、純容性、電感性、電容性負載時的簡化相量圖？并說明各種情況下電樞反應的性質？當忽略電樞回路電阻時得到的等效電路稱為簡化等效6.4.3同步發電機特性一、空載特性定義：

空載特性是發電機的基本特性之一。它一方面表征了磁路的飽和情況，另一方面把它和短路特性、零功率因數負載特性配合，可確定電機的基本參數、額定勵磁電流和電壓變化率等。

實際生產中，它還可以檢查三相電樞繞組的對稱性、匝間短路、判斷勵磁繞組和定子鐵心有無故障等。6.4.3同步發電機特性一、空載特性定義：空二、短路特性定義：短路時的等效電路短路特性曲線

短路特性與空載特性配合可以求出電機的同步電抗。二、短路特性定義：短路時的等效電路短路特性曲線三、外特性定義：外特性曲線

當發電機帶阻性和感性負載時，外特性是下降的，原因是電樞反應的去磁作用和電樞漏阻抗產生了電壓降.

帶容性負載時且（發電機負載的容抗大于同步電抗）時，外特性是上升的，原因是電樞反應的助磁作用和容性電流在漏抗上的壓降。三、外特性定義：外特性曲線當發電機帶阻性和感性四、調節特性定義：調整特性曲線

在感性和阻性負載時，隨著負載電流的增加，必須增加勵磁電流，補償電樞反應的去磁作用和漏阻抗壓降，保持端電壓恒定；對容性負載，隨著負載電流的增加，必須減小勵磁電流。

在功率因數一定情況下,根據調整特性曲線,可確定在負載變化范圍內,維持電壓不變所需的勵磁電流的變化范圍。運行人員可利用調整特性曲線,使系統中無功功率的分配更合理一些。四、調節特性定義：調整特性曲線在感性和阻性負載并聯運行的含義６.5同步電機的并聯運行1、提高供電的可靠性；2、提高供電的經濟性；3、提高電能的質量。無窮大電網的含義

將兩臺或更多臺發電機分別接在電力系統對應母線上，或通過變壓器、輸電線接在電力系統的公共母線上，共同向負荷供電。并聯運行的優點并列方法1.準同期法2.自同期法并聯運行的含義６.5同步電機的并聯運行1、提高供電的可靠性6.5.1并聯運行的條件一、準同期并列的條件1.待并發電機的電壓與電網電壓大小相等；2.待并發電機電壓相位相同與電網電壓相位相同；3.待并發電機電壓頻率與電網電壓頻率相同；4.待并發電機的相序與電網的相序相同。

上述條件（4）一般在安裝發電機時，根據發電機的轉向確定了發電機的相序而滿足，因此運行人員在并列時只需調節發電機使其滿足其它三個條件即可。

不滿足任一條件的并列稱為非同期并列，將對電機產生嚴重的危害。重點內容6.5.1并聯運行的條件一、準同期并列的條件1.待并發電機1.電壓大小不等此時,ab兩端有電位差

在電位差的作用下發電機產生沖擊電流，即

沖擊電流為無功分量，不會加重原動機的負擔，但會在電樞繞組中產生很大的沖擊力，使電樞繞組端部受沖擊力的作用而變形。1.電壓大小不等此時,ab兩端有電位差在電位2.相位不同

電位差可達發電機電壓的兩倍，若此時并列，會產生很大的沖擊電流，發電機會因遭受巨大的沖擊力而損壞。沖擊電流的影響：1)電樞繞組端部受力變形;2)轉軸上受沖擊轉矩的作用,使機軸扭曲變形;３)電樞繞組發熱.此時,ab兩端有電位差2.相位不同電位差可達發電機電壓的兩倍，若此3.頻率不同轉軸上時而產生制動轉矩、時而產生驅動轉矩，結果是電機振動。拍振電流使電樞繞組端部受力變形，使電樞繞組發熱。3.頻率不同轉軸上時而產生制動轉矩、時而產生驅動轉矩，結果頻率差過大電機不能并列；頻率差較小時，靠自整步作用，可以把發電機拉入同步。頻率差過大電機不能并列；頻率差較小時，靠自整步4.相序不同

發電機實際并列時，除了相序必須一致外，其它條件允許有一定的偏差，如△U不超過10%，相位差不超過10%，頻率偏差不超過0.2%~0.5%（0.1~0.25Hz)。二、自同期法

相序正確前提下，起動未加勵磁的發電機，當其轉速接近同步速時，合上同步開關，將發電機并網，然后加上發電機勵磁將發電機牽入同步。并網前，勵磁繞組需經限流電阻閉合。4.相序不同發電機實際并列時，除了相序必須一6.5.2有功功角特性及有功功率調節６.5同步電機的并聯運行一、功率和轉矩平衡輸入功率P1機械損耗pmec附加損耗pad鐵損pFe電磁功率Pem定子銅損pcu1輸出功率P26.5.2有功功角特性及有功功率調節６.5同步電機的并聯可得轉矩平衡方程為或

上式說明，電機穩定運行時，驅動性質的原動機轉矩與制動性質的電磁轉矩和空載轉矩之和平衡。可得轉矩平衡方程為或上式說明，電機穩定運行時，二、有功功率功角特性定義：

并聯于無窮大電網的同步發電機，當電網電壓和頻率一定、參數（）為常數、空載電動勢不變（即不變）時，為有功功率功角特性。凸極發電機的有功功率功角特性隱極發電機的有功功率功角特性二、有功功率功角特性定義：并聯于無窮大電網的同水輪發電機有功功率功角特性曲線水輪發電機的有功功率功角特性分兩部分:附加電磁功率的特點:水輪發電機有功功率功角特性曲線水輪發電機的有功功率功汽輪發電機的功角特性曲線汽輪發電機的有功功率功角特性的特點:汽輪發電機的功角特性曲線汽輪發電機的有功功率功角特性的特點:1、是電動勢和電壓間的時間相位角;或稱是勵磁磁勢和合成磁勢間的空間夾角。2、是感應電動勢的主磁通和產生電壓的電樞等效假想磁通之間的夾角。功角的雙重物理意義1、是電動勢和電壓間的時間相位角;或稱是勵磁磁勢用圖示功角的雙重物理意義用圖示功角的雙重物理意義

轉子因有原動機的驅動轉矩克服定子合成磁極的制動轉矩而作功,實現機電能量轉換,將由原動機輸入的機械能轉變為電能輸出。

可見，功角是研究同步發電機運行狀態的一個重要參數，它不僅決定了發電機輸出有功功率的大小，而且還反映發電機轉子的相對空間位置，通過它把同步電機的電磁關系和機械運動緊密聯系起來。轉子因有原動機的驅動轉矩克服定子合成磁極的制動

發電機空載運行時，原動機輸入的功率用來平衡各種損耗，此時，定、轉子磁極軸線重合，它們之間只有徑向力而無切向力，所以，在功角特性的0點上。

可見，并聯于無窮大電網的同步發電機要調節有功功率輸出，只需調節原動轉矩。在功率極限角范圍內，輸入轉矩越大，有功功率輸出就越大。發電機空載運行時，原動機輸入的功率用來平衡各種四、靜態穩定的概念靜態穩定：指并聯在電網上穩定運行的同步發電機，當受電網或原動機方面某些微小擾動時，能在這種干擾消失后，繼續保持原來穩定運行狀態的能力。在a點運行時電機具有靜態穩定的能力。若干擾使功角δ增大到a′點，Pem和Tem增大，迫使電機減速，功角δ變小，電機回到a點。干擾使功角δ減小時，有同樣結論。所以a點稱為穩定運行點。而b點為不穩定運行點，分析略。四、靜態穩定的概念靜態穩定：指并聯在電網上穩定運行的同步發電靜態穩定的判據：比整步功率(kW/rad)對汽輪發電機，比整步功率為在電機穩定區域內，越大，電機穩定增長性越好。靜態穩定的判據：比整步功率(kW/rad)對汽輪發電機，比整五、過載能力汽輪發電機的過載能力最大電磁功率與額定功率的比值稱為過載能力。

過載能力越大，電機的穩定性越好。過載能力是表達靜態穩定的能力，不是發電機可以過載的倍數。

過載能力設計得在一點，是從提高稱定觀點考慮的，不是從發熱觀點考慮的。五、過載能力汽輪發電機的過載能力最大電磁功率與額定功率的比值6.5.3無功功角特性及V形曲線一、無功功率功角特性

并聯于無窮大電網的同步發電機當電網電壓和頻率恒定、參數（xd、xq、xt）為常數、空載電勢E0不變（即If不變）時，Q=f(δ)為無功功率功角特性。水輪發電機無功功率的功角特性汽輪發電機無功功率的功角特性6.5.3無功功角特性及V形曲線一、無功功率功角特性汽輪發電機無功功率的功角特性曲線幾個特殊點:汽輪發電機無功功率的功角特性曲線幾個特殊點:

從能量守恒觀點看，并網運行的同步發電機調節無功功率，不需調節原動機來的輸入功率，只需改變勵磁電流。調節前，增大后調節不影響發電機的有功功率輸出,但影響電機的穩定性能。調節無功時不影響有功功率的輸出,但是調節有功時影響無功功率輸出.從能量守恒觀點看，并網運行的同步發電機調節無功三、相量分析1.正常勵磁2.過勵磁3.欠勵磁三、相量分析1.正常勵磁2.過勵磁3.欠勵磁四、V形曲線

并聯于無窮大電網的同步發電機，保持有功功率不變時，表示電樞電流和勵磁電流的關系曲線稱為“V”形曲線。

發電機運行時，定子電流和勵磁電流是運行人員主要監視的兩個物理量，這兩個量關系到定子繞組和勵磁繞組的溫度，又牽涉到功率因數的超前或滯后以及運行的穩定性問題。

對于一個給定的有功功率輸出就有一條V形曲線，有功功率越大，曲線向上移，因此可是以得到一簇“V”形曲線。四、V形曲線并聯于無窮大電網的同步發電機，保持有功功第6章同步電機及同步電動機的電力拖動ppt課件V形曲線的特點2.不穩定區域邊緣：δ=900，連線向右傾斜;1.每條曲線的最低點,,定子電流最小,且全為有功電流，這些點的連線向右傾斜；3.每條曲線上的電流變化量ΔI為無功分量;4.勵磁電流從零開始增大時，定子電樞電流變化規律為先減小后增大。表明要輸出純有功功率，必須相應增加一些勵磁電流。表明輸出有功功率越多，維持穩定所需的勵磁電流也越大。V形曲線的特點2.不穩定區域邊緣：δ=900，連線向右傾斜;6.6.1同步電動機６.6同步電動機和同步調相機一、同步電機的可逆原理

同步電機運行于發電機狀態時，如圖所示。

轉子磁極軸線超前定子合成磁極軸線，δ>0，電機把機械能轉變成電能。

同步電機的運行是可逆的，既可以用作發電機，還可以用作電動機。6.6.1同步電動機６.6同步電動機和同步調相機一、同步

逐步減少發電機的輸入功率，轉子將瞬時減速，δ角減小，相應的電磁功率也減少。

當發電機的輸入功率只能滿足空載損耗時，發電機處于空載運行狀態。逐步減少發電機的輸入功率，轉子將瞬時減速，δ角

繼續減少發電機的輸入功率，則δ和Pem變為負值。卸動原動機，電機從電網吸收功率滿足空載損耗，成為空轉的電動機。

電機軸上加上機械負載，負值的δ增大，由電網向電機輸入的電功率和相應的電磁功率增大，轉子磁極軸線落后定子合成磁極軸線，轉子受到驅動性質的電磁轉矩作用。繼續減少發電機的輸入功率，則δ和Pem變為負二、同步電動機的基本方程

按照發電機慣例，同步電動機可以看成是一臺輸出負的有功功率的發電機，其電動勢方程與發電機的方程相同，以隱極機為例：

按照電動機慣例，把輸出負電流看成是輸入正電流即可，其電動勢方程：隱極機