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。轉子的轉速與氣隙磁場轉速保持嚴格同步。同步電機主要用作發(fā)電機，也可以用作電動機和補償機。主要內容同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)對稱運行同步電動機和補償機同步發(fā)電機的不對稱運行和三相突然短路第6章同步電機同步電機的用途同步電機同步發(fā)電機同步電動機同步補償機（調相機）（火電廠、水電廠、核電廠）（主要用于驅動不要求調速的大功率機械，優(yōu)點是通過調節(jié)勵磁改善電網(wǎng)的功率因數(shù)）（空轉的電動機，補償電網(wǎng)的無功）同步電機的分類按用途分：發(fā)電機、電動機和補償機。按結構特點分：凸極、隱極。按冷卻方式分：按勵磁方式分：電勵磁式、永磁式同步電機?？绽洹淅?、水冷、混合冷卻。臥式、立式。6.1同步電機的基本結構和運行狀態(tài)1.基本結構

旋轉電樞式：電樞裝在轉子上，主極裝在定子上。

只用于小容量同步電機中

旋轉磁極式：磁極裝在轉子上，為大中型同步電機的基本形式旋轉電樞式旋轉磁極式隱極式凸極式旋轉磁極式同步電機的結構轉子

定子

同步電機又分為隱極式和凸極式兩種。有明顯的凸出的磁極，氣隙不均勻，制作簡單。適合于高速發(fā)電機適合于低速發(fā)電機轉子圓柱形，氣隙均勻，轉子機械強度高，勵磁繞組固定容易。NS+隱極式NSNS+凸極式同步電機的基本類型同步發(fā)電機汽輪發(fā)電機水輪發(fā)電機隱極結構凸極結構汽輪發(fā)電機

由汽輪機驅動的同步發(fā)電機

p=1

n=3000r/min(50Hz)

n=3600r/min(60Hz)

采用隱極結構

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，轉子直徑一般不超過1.1m。

基本采用臥式結構隱極發(fā)電機的剖面圖同步電機的外形圖汽輪發(fā)電機的轉子結構水輪發(fā)電機由水輪機驅動的同步發(fā)電機n=幾十~幾百r/min

極對數(shù)多采用凸極結構

轉子粗而短

勵磁繞組為集中繞組

立式結構

阻尼繞組水輪發(fā)電機的轉子結構阻尼繞組的結構與籠型感應電機的轉子的籠型繞組相似。阻尼繞組的作用同步發(fā)電機中：阻尼繞組中感應電流產(chǎn)生 電磁轉矩，抑制轉速振蕩。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(shù)應相同。水輪發(fā)電機的磁極水輪發(fā)電機的定子結構320MW水輪發(fā)電機思考題1.一臺頻率f=50Hz，轉速n=3000r/min的汽輪發(fā)電機的極數(shù)是多少？2.一臺頻率f=50Hz，極數(shù)2p=100的水輪發(fā)電機的轉速是多少？2.同步電機的運行狀態(tài)

轉子主極磁場

轉子通入直流勵磁電流產(chǎn)生，與轉子同步旋轉。定子合成磁場

定子三相對稱繞組流過三相對稱電流產(chǎn) 生，以同步速旋轉（等于轉子轉速）。同步電機有發(fā)電機、電動機、補償機三種運行狀態(tài)。運行狀態(tài)取決于磁場的相對位置功率角δ轉子磁場軸線領先定子合成磁場軸線的夾角。δ>0時，Te為制動轉矩，原動機的驅動轉矩與電磁轉矩Te平衡。轉子吸收機械功率，定子發(fā)出電功率。

發(fā)電機運行狀態(tài)發(fā)電機運行狀態(tài)示意圖δ<0時，Te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。

電動機運行狀態(tài)δ=0時，電磁轉矩為0，不進行能量轉換，僅發(fā)出或吸收無功功率。

補償機運行狀態(tài)電動機補償機運行狀態(tài)示意圖3.同步電機的勵磁方式

（1）電勵磁

1）直流勵磁機勵磁并勵直流發(fā)電機（與同步電機同軸）G~同步發(fā)電機并勵直流發(fā)電機直流發(fā)電機勵磁直流電機存在電刷和換向器，可靠性差，受換向限制，容量受限。

并勵

+他勵直流發(fā)電機勵磁與并勵直流發(fā)電機勵磁相比，可提高勵磁系統(tǒng)的反應速度，并使勵磁機在較低的電壓下也能穩(wěn)定運行。帶副勵磁機的勵磁系統(tǒng)GG~副勵磁機主勵磁機同步發(fā)電機2)靜止整流器勵磁

他勵式自勵恒壓器～～～電壓調整器交流副勵磁機（中頻）交流主勵磁機（100Hz）可控整流器不可控整流器主發(fā)電機電壓互感器電流互感器靜止整流器勵磁

優(yōu)點：運行、維護方便，沒有直流勵磁機，使勵磁容量得以提高，因而在大容量汽輪發(fā)電機中得到了廣泛的應用。

自勵式主發(fā)電機發(fā)出的功率經(jīng)靜止整流器整流為直流，然后通過電刷和集電環(huán)通入到主發(fā)電機的勵磁繞組中。缺點：存在電刷、集電環(huán)的滑動接觸（薄弱環(huán)節(jié)）。

優(yōu)點：取消了電刷和集電環(huán)，運行比較可靠，適合大容量發(fā)電機，尤其適合于要求防爆、防燃的特殊場合。無刷勵磁多用于大、中容量的汽輪發(fā)電機、補償機以及在特殊環(huán)境下的同步發(fā)電機。目前我國新裝發(fā)電機容量一般為30萬kW、60萬kW、90萬kW等。多采用整流器勵磁系統(tǒng)。一般地，單機容量越大，電機效率越高。3）旋轉整流器勵磁

（2）永磁勵磁

永磁勵磁采用永磁材料建立同步電機的磁場。優(yōu)點：轉子上無勵磁繞組和勵磁電流，取消了電刷和滑環(huán)，結構簡單，運行可靠，效率高，維護工作量小；轉子上永磁材料的形狀和尺寸可以靈活多樣，尤其適合于低速和高速電機。目前永磁勵磁在小型和微型同步電機中獲得了廣泛應用。永磁勵磁的缺點是其磁場不能根據(jù)電機的運行狀態(tài)進行方便和有效的調節(jié)。

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(shù)

額定頻率

fN

單位為Hz

額定轉速nN

單位為r/min

額定勵磁電流和電壓

IfN

、UfN

額定容量

SN

或額定功率PN

單位為kW,kVA同步發(fā)電機是指額定運行時輸出的電功率；同步電動機是指額定運行時軸上輸出的機械功率；補償機是指額定運行時輸出的無功功率。4.同步電機的額定值6.2同步發(fā)電機的空載運行

一、空載運行

n

s

If

I=01.空載磁場——主磁場

同步電機的空載磁場若主磁場B0

在氣隙中正弦分布，且以同步速ns旋轉，則在定子繞組中產(chǎn)生對稱三相電動勢

有效值：頻率：空載電動勢，即激磁電動勢。三相對稱電動勢2.空載特性

E0=f(If)

同步電機的空載特性

0較小時，磁路不飽和，空載曲線的下部是一條直線；隨o的增大，鐵心逐漸飽和，空載曲線彎曲。氣隙線：不計鐵心磁磁飽和的空載特性曲線?？蛰d特性是同步電機的一條基本特性。二、對稱三相負載時的電樞反應1.接三相對稱負載時的物理過程

空載時，同步電機的氣隙磁場是由勵磁磁動勢所產(chǎn)生的主磁場B0。}2.電樞反應 電樞磁動勢的基波對氣隙磁場的影響電樞反應使氣隙磁場空間位置發(fā)生變化，直接關系到電機的機電能量轉換。

電樞反應的去磁或增磁，對電機的運行性能產(chǎn)生影響。電樞反應的性質（交磁，去磁或增磁）取決于電樞磁動勢和主磁場在空間的相對位置。這一相對位置決定于空載電動勢和負載電流之間的的相位差，稱為內功率因數(shù)角。01）0=0

時

定子繞組電動勢、電流及磁動勢在此時刻，A相電動勢、電流達到最大值，電樞磁動勢的軸線與A相繞組軸線重合，同時也與q軸重合，即Faq=Fa，稱為交軸電樞反應磁動勢。同步發(fā)電機的交軸電樞反應定子繞組電動勢、電流和磁通的時間相量圖各相電動勢、電流和磁通間的相位關系是相同的，所以后邊只畫出一相。定子繞組電動勢、電流和磁通的時間相量圖在時-空統(tǒng)一矢量圖中，電樞磁動勢Fa（空間矢量）與電樞電流（時間相量）同相位；空載磁通與勵磁磁動勢Ff同相位。時-空統(tǒng)一矢量圖時-空統(tǒng)一矢量圖氣隙合成磁場與主磁場的相對位置相對于主磁場，氣隙合成磁場的軸線偏移了一個角度，且幅值有所增加。這是由于電樞磁動勢（Fa=Faq）的作用造成的，稱之為交磁作用。氣隙合成磁場與主磁場的相對位置圖2）Ψ0

≠0時

電流滯后電動勢電流滯后電動勢的向量圖電流超前電動勢電流超前電動勢的向量圖

并網(wǎng)運行時，直軸電樞反應影響電機輸出的無功功率。直軸電樞反應的影響電機單機運行時，直軸電樞反應將直接影響端電壓的大小。去磁時，端電壓降低；助磁時端電壓升高。當ψ角為不同值的電樞反應位置電樞反應性質負載性質Ψ=00q軸交軸RΨ=900d軸直、去LΨ=-900d軸直、增C00<Ψ<900d、q軸交、直去R、L-900<Ψ<00d、q軸交、直增R、C勵磁磁動勢和電樞磁動勢的區(qū)別基波波形幅值大小位置轉速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電樞磁動勢正弦波恒定，由電樞電流決定由電流瞬時值決定由電流的f和p決定同步發(fā)電機負載運行時物理量的關系：1、不考慮磁飽和時6.3隱極同步發(fā)電機的電壓方程、相量圖和等效電路

在時間相位上，滯后于以90°電角度，若不計定子鐵耗,與同相位，則將滯后于以90°電角度,亦可寫成負電抗壓降的形式，即:

采用發(fā)電機慣例，以輸出電流作為電樞電流的正方向時，電樞的電壓方程為:

因為電樞反應電動勢Ea正比于電樞反應磁通Φa不計磁飽和時，Φa又正比于電樞磁動勢Fa和電樞電流I，即:整理前式可得：

式中，Xs稱為隱極同步電機的同步電抗，Xs=Xa+Xσ，它是對稱穩(wěn)態(tài)運行時表征電樞反應和電樞漏磁這兩個效應的一個綜合參數(shù)。不計飽和時，Xs是一個常值。隱極同步發(fā)電機的等效電路：隱極同步發(fā)電機的相量圖隱極同步發(fā)電機的相量Xa為電樞反應電抗,是反映電樞反應磁通（由電樞電流產(chǎn)生的合成磁動勢產(chǎn)生）在一相繞組中感應電動勢的電抗。Xs為同步電抗，表征電樞反應磁通和漏磁通一起在一相繞組中感應電動勢的電抗，即代表電樞電流引起的總電抗。Xs＝X

＋Xa

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F，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。2、考慮磁飽和時或

從氣隙電動勢減去電樞繞組的電阻和漏抗壓降，使得電樞的端電壓，即：電動勢—磁動勢圖：1、雙反應理論6.4凸極同步發(fā)電機的電壓方程和相量圖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，就稱為雙反應理論。凸極同步電機的極面下氣隙較小，兩極之間氣隙較大，故直軸下單位面積的氣隙磁導λd(λd＝μ0／δd)要比交軸下單位面積的氣隙磁導λq(λq＝μ0／λq)大很多。

直軸和交軸磁動勢：2、凸極同步發(fā)電機的電壓方程和相量圖不考慮磁飽和時同步發(fā)電機負載運行時物理量的關系：不計磁飽和時：從氣隙電動勢中減去電樞繞組的電阻和漏抗壓降，便得電樞的端電壓。采用發(fā)電機慣例，電樞的電壓方程為：考慮，可得：

由于

和分別滯后和900電角度，可以用相應的負電抗壓降來表示：式中，Xd和Xq分別稱為直軸同步電抗和交軸同步電抗。式中，Xad和Xaq分別稱為直軸電樞反映電抗和交軸電樞反映電抗。凸極同步發(fā)電機的向量圖引入一個虛擬電動勢，使可得：由相量圖可確定：

凸極同步發(fā)電機的等效電路3、直軸和交軸同步電抗的意義由于電抗與繞組匝數(shù)的平方和所經(jīng)磁路的磁導成正比，所以：直軸電樞磁導交軸電樞磁導對于凸極電機，由于直軸下的氣隙比交軸下小，直軸磁導Λad>交軸磁導Λaq，所以Xad>Xaq，因此在凸極同步電機中，Xd>Xq。對于隱極電機，由于氣隙是均勻的，故Xd≈Xq≈Xs。Xad為直軸電樞反應電抗，反映三相對稱電樞電流產(chǎn)生的直軸電樞反應磁通在一相繞組中感應電動勢的電抗。Xaq為交軸電樞反應電抗，反映三相對稱電樞電流產(chǎn)生的交軸電樞反應磁通在一相繞組中感應電動勢的電抗。Xd為直軸同步電抗，反映直軸電樞總磁通（包括電樞反應磁通和漏磁通）感應電動勢的電抗。Xq為交軸同步電抗，反映交軸電樞總磁通（包括電樞反應磁通和漏磁通）感應電動勢的電抗。Xd＝X

＋

Xad，Xq＝X

＋

Xaq6.5同步發(fā)電機的功率方程和轉矩方程1、功率方程和電磁功率

功率方程：

若轉子勵磁損耗由另外的直流電源供給，則發(fā)電機軸上輸入的機械功率Pl扣除機械損耗PΩ和定子鐵耗PFe后，余下的功率將通過旋轉磁場和電磁感應的作用，轉換成定子的電功率，所以轉換功率就是電磁功率Pe，即：

再從電磁功率Pe中減去電樞銅耗PCua可得電樞端點輸出的電功率P2；即：電磁功率：

從向量圖導出可見：故同步電機的電磁功率亦可寫成：

上式的第一部分與感應電機的電磁功率表達式相同，第二部分則是同步電機常用的。對于隱極同步電機，由于EQ=E0，故有：

2、轉矩方程把功率方程除以同步角速度，可得轉矩方程：式中，T1為原動機的驅動轉矩,Te為電磁轉矩,T0為空載轉矩，分別為：6.7同步發(fā)電機的運行特性同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)運行特性包括外特性、調整特性和效率特性。外特性：外特性表示發(fā)電機的轉速為同步轉速，且勵磁電流和負載功率因數(shù)不變時，發(fā)電機的端電壓與電樞電流之間的關系：即n＝ns，If=常值，cosφ=常值時，U=f(I)。cosΦ=0.8（滯后）cosΦ=1cosΦ=0.8（超前）調整特性：調整特性表示發(fā)電機的轉速為同步轉速、端電壓為額定電壓、負載的功率因數(shù)不變時，勵磁電流與電樞電流之間的關系；即n＝nS，U=UNΦ，cosφ=常值時，If=f(I)。cosΦ=0.8滯后cosΦ=1cosΦ=0.8超前6.9同步發(fā)電機與電網(wǎng)的并聯(lián)運行1.投入并聯(lián)的條件和方法2.與電網(wǎng)并聯(lián)的功角特性3.有功功率的調節(jié)與靜態(tài)穩(wěn)定4.無功功率的調節(jié)

一臺發(fā)電機獨立向負載供電的缺點每一臺發(fā)電機的容量有限制。若負載經(jīng)常變化，輕載時運行效率低。發(fā)電機檢修則需要停電；否則要備用一臺同容量的機組，平時卻不用，不經(jīng)濟。一臺發(fā)電機供電，供電的品質會受影響頻率和電壓會變化（負載突變時）。一般在較偏遠或無法與電網(wǎng)相聯(lián)的場合下使用。1.并聯(lián)投入的條件和方法無限大電網(wǎng)的概念：現(xiàn)代電力系統(tǒng)（電網(wǎng)）通常總是由許多發(fā)電廠并聯(lián)組成，每個電廠內又有多臺發(fā)電機在一起并聯(lián)運行。并聯(lián)運行：把發(fā)電機并聯(lián)到電網(wǎng)上運行的運行方式稱為并聯(lián)運行。提高供電的質量；并聯(lián)運行的優(yōu)點：提高供電的可靠性；提高供電的經(jīng)濟性。研究同步發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)運行問題，不僅具有理論意義，而且還有很大的實際意義。無限大電網(wǎng)一臺發(fā)電機單獨供電時，電壓的頻率由原動機決定，調節(jié)勵磁電流可以調節(jié)電壓的大小。一臺發(fā)電機并聯(lián)于無限大電網(wǎng)運行時，調節(jié)原動機的轉速不會改變其電壓的頻率；調節(jié)勵磁電流也不能改變其電壓的大小。當一臺發(fā)電機的容量遠小于它所并聯(lián)的電網(wǎng)的容量時，電網(wǎng)可看成是無限大電網(wǎng)。無限大電網(wǎng)的容量可近似認為是無窮大，電網(wǎng)的電壓和頻率不變。同步發(fā)電機投入并聯(lián)時，為了避免電機和電網(wǎng)中產(chǎn)生沖擊電流，以及由此在電機轉軸上產(chǎn)生的沖擊轉距，待投入并聯(lián)的發(fā)電機應當滿足：投入并聯(lián)的條件（1）發(fā)電機的相序應與電網(wǎng)一致；（2）發(fā)電機的頻率應與電網(wǎng)相同；（3）發(fā)電機的激磁電動勢應與電網(wǎng)電壓大小相同，相位相同，分析：1）相序不同；2）頻率不同；3）電壓不同。第一個條件必須滿足，其余兩個條件允許有些差別。并連接線圖和向量圖如何才能達到這些條件？關于相序問題：一般大型同步發(fā)電機的轉向和相序在出廠以前都已經(jīng)標定。對于沒有表明相序的電機，可以利用相序指示器來確定。要使發(fā)電機的頻率、電壓與電網(wǎng)相同，分別調節(jié)原動機的轉速和發(fā)電機的勵磁電流就可以達到。關于電動勢的頻率和大?。喊l(fā)電機的頻率和勵磁電動勢為：f＝pns/60和E0＝4.44fN1kw10電動勢的相位：可以調節(jié)發(fā)電機的瞬時速度來調整。投入并聯(lián)的方法投入并聯(lián)所進行的調節(jié)和操作過程稱為整步。實用的整步方法有兩種：準確整步法和自整步法準確整步法：把發(fā)電機調整到完全合乎投入并聯(lián)的條件，然后投入電網(wǎng)。判斷是否滿足投入并聯(lián)的條件方法采用同步指示器最簡單的同步指示器由三個指示燈組成，可以有兩種接法：直接接法和交叉接法。直接法是把三個同步指示燈分別跨接在電網(wǎng)和發(fā)電機的對應相之間，即接在之間。（1）直接接法（又稱燈光熄滅法或暗燈法）燈光明滅的直接連接法分析時將無限大電網(wǎng)視為一臺同步發(fā)電機，其電壓的大小和頻率不變。起動原動機，使其轉速接近同步速；調節(jié)勵磁電流，使發(fā)電機的電壓接近電網(wǎng)電壓。頻率：調節(jié)發(fā)電機的轉速，到三個燈的亮度不再閃爍或閃爍頻率很低時，就表示f’≈f。電壓的大小：調節(jié)發(fā)電機的勵磁電流，使發(fā)電機電壓與電網(wǎng)電壓相等。電壓的相位：燈滅且UAA’=0時即可合閘投入并聯(lián)。條件檢查相序：燈光同時明暗，說明相序正確，若輪流亮暗，則相序不同。(2)交叉接法（又稱亮燈法）交叉接法是把三個同步指示燈分別跨接在電網(wǎng)和發(fā)電機的之間。燈光旋轉的交叉連接法起動原動機，使其轉速接近同步速；調節(jié)勵磁電流，使發(fā)電機的電壓接近電網(wǎng)電壓。頻率：調節(jié)發(fā)電機的轉速，到燈光旋轉速度很低時，就表示f’≈f。電壓的大?。赫{節(jié)發(fā)電機的勵磁電流，使發(fā)電機電壓與電網(wǎng)電壓相等。電壓的相位：A相燈滅（UAA’=0）時，且BC相燈亮度相同時，即可合閘投入并聯(lián)。條件檢查相序：燈光旋轉，說明相序正確。準確整步法的優(yōu)點是可以比較準確地確定合閘時刻，投入瞬間電網(wǎng)和電機沒有（或很少）沖擊；缺點是整步手續(xù)比較復雜，時間長，不能滿足快速并網(wǎng)要求。實際中，在需要將發(fā)電機很快投入并網(wǎng)運行時，可采用自整步法。自整步法自整步法校驗發(fā)電機的相序；勵磁繞組經(jīng)限流電阻短路；發(fā)電機的轉速接近同步速；并網(wǎng)；加勵磁電流。操作簡單，裝置簡單，但是合閘有較大的電流沖擊（達額定電流的3~8倍）。2.與電網(wǎng)并聯(lián)時同步發(fā)電機的功角特性當E0和U保持不變時，發(fā)電機發(fā)出的電磁功率與功率角之間的關系Pe＝f()稱為功角特性。設法消去Id和Iq凸極機功角特性曲線為基本電磁功率基本電磁功率與激磁電動勢成正比，與端電壓成正比，與功角的正弦成正比，與直軸同步電抗成反比。當時，達到最大值。凸極機功角特性曲線附加電磁功率與激磁電動勢（電流）的大小無關，且僅當時才存在，它是由凸極效應（即交、直軸磁阻不相等）所引起，故亦稱為磁阻功率。在隱極同步電機中附加電磁功率等于零。當時達到最大值。稱為附加電磁功率總的電磁功率，發(fā)電機運行時，在為45°~90°之間達到最大值Pe(max),其具體位置和數(shù)值視Pe1(max)和Pe2(max)的相對大小而定。對于隱極電機，由于Xd＝Xq＝Xs，附加電磁功率為零，故Pe就等于基本電磁功率對于凸極電機，電磁功率Pe亦可以寫成要注意，式中的EQ為虛擬電動勢，EQ本身也是功角的函數(shù)，隨著負載的變化而變化。功率角的空間含意功率角亦可看作是合成磁場滯后空載磁場的角度。3.有功功率的調節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定(1)有功功率的調節(jié)以隱極電機為例，說明同步發(fā)電機與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時有功功率的調節(jié)。為簡化分析，略去電樞電阻和磁飽和的影響。準確整步法并網(wǎng)時，，功率角＝0有功功率的調節(jié)電磁轉距Te0，發(fā)電機在電網(wǎng)上處于空載狀態(tài)；原動機的驅動轉矩僅用于克服發(fā)電機的空載轉矩。欲使發(fā)電機輸出有功功率，根據(jù)能量守恒原理，應當增加發(fā)電機的輸入功率，即調節(jié)原動機，這可以由開大汽輪機的汽門（或水輪機的水門）來實現(xiàn)。原動機的功率增加時，驅動轉矩T1也增大，發(fā)電機的轉子加速，于是與轉子主磁場相對應的電動勢E0將超前于電網(wǎng)電壓U以角。根據(jù)功角特性，此時發(fā)電機將向電網(wǎng)輸