第五章同步電機(jī)§5—1．同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)§5—2．同步發(fā)電機(jī)的基本特性§5—3．同步發(fā)電機(jī)的電壓、轉(zhuǎn)矩和功率的平衡§5—4．同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行§5—5．同步發(fā)電機(jī)的短路與振蕩§5—6．同步電動(dòng)機(jī)§5—1.同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)本節(jié)的主要內(nèi)容有兩部分基本結(jié)構(gòu)：

主要點(diǎn)：類(lèi)型與轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)（同步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與異步機(jī)相似）。銘牌數(shù)據(jù)：

主要點(diǎn)：額定容量表示（兩種），額定電壓和額定電流。一、同步電機(jī)結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)：由鐵心和繞組組成，與異步電機(jī)定子基本相同?！嗤瑱C(jī)座號(hào)時(shí)，若與異步機(jī)互換定子，則仍然可以運(yùn)行。

區(qū)別：主要是尺寸方面，同步電機(jī)通常容量較大，而異步機(jī)的容量相對(duì)較小。因此，從表面上看同步機(jī)機(jī)殼無(wú)散熱片，異步機(jī)則有

接線：發(fā)電機(jī)定子繞組通常采用Y形連接，減小三次諧波影響。

定子結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)隱極式轉(zhuǎn)子大型機(jī)的轉(zhuǎn)子支架轉(zhuǎn)子鐵心硅鋼片轉(zhuǎn)子軸上的滑環(huán)一對(duì)極隱極式兩對(duì)極凸極式轉(zhuǎn)子：有凸極式和隱極式兩種。轉(zhuǎn)子繞組是直流繞組。二、同步發(fā)電機(jī)的基本類(lèi)型

類(lèi)型與勵(lì)磁方式

類(lèi)型：同步發(fā)電機(jī)有轉(zhuǎn)樞式和轉(zhuǎn)極式兩種。同步發(fā)電機(jī)主要采用轉(zhuǎn)極式，∵磁極在轉(zhuǎn)子時(shí)，通過(guò)滑環(huán)引導(dǎo)的電流較小。

自勵(lì)：凡以發(fā)電機(jī)本身的電樞繞組或輔助繞組為勵(lì)磁電源的勵(lì)磁方式稱(chēng)為自勵(lì)。

他勵(lì)：凡設(shè)有專(zhuān)用勵(lì)磁電源的稱(chēng)為他勵(lì)。即，采用勵(lì)磁機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁的就是他勵(lì)。無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)是他勵(lì)的一種形式。

無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)是將這兩種形式的兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)安裝在同一根軸上，是兩臺(tái)電機(jī)的組合。船上不采用直流勵(lì)磁機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁。無(wú)刷勵(lì)磁也是靠剩磁起壓的。

無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)實(shí)際上是兩臺(tái)機(jī)同軸工作。定子：1和2，轉(zhuǎn)子：3和4；主發(fā)電機(jī)：2和4，勵(lì)磁發(fā)電機(jī)：1和3。說(shuō)明P.46的圖4-1-4就是P.199的圖12-2-2?！?—2.同步發(fā)電機(jī)的基本特性

本節(jié)的主要內(nèi)容有三大部分：

空載特性：

主要點(diǎn)：掌握空載特性的實(shí)質(zhì)，分析工作過(guò)程知道空載電勢(shì)的計(jì)算式。

電樞反應(yīng)：

主要點(diǎn)：分析負(fù)載后，負(fù)載大小和性質(zhì)不同時(shí)，電樞磁場(chǎng)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響。

外特性和調(diào)節(jié)特性：

主要點(diǎn)：知道特性的形狀和隨負(fù)載的變化情況。一、空載特性電勢(shì)計(jì)算式：

由工作過(guò)程分析知道同步發(fā)電機(jī)空載電勢(shì)E0：——書(shū)P.47式（4-2-2）

E0=4.44kfNΦ0空載特性：

保持額定轉(zhuǎn)速不變，空載電勢(shì)E0與空載勵(lì)磁電流If的關(guān)系曲線?！逧0∝Φ0∝B

，If∝H；∴空載特性的實(shí)質(zhì)就是磁化曲線?？蛰d特性實(shí)驗(yàn)：

按如圖所示接線，起動(dòng)原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將勵(lì)磁回路電阻Rf調(diào)至最大，合上勵(lì)磁回路電源開(kāi)關(guān)。觀察電流表A和電壓表V的數(shù)值并記錄?？蛰d特性實(shí)驗(yàn)注意：只能單方向調(diào)節(jié)電阻。方法：

逐步將Rf調(diào)小，使電流逐步增大，記錄數(shù)據(jù)。然后逐步將Rf調(diào)大再記錄數(shù)據(jù)。三、外特性和調(diào)節(jié)特性

外特性：同步發(fā)電機(jī)外特性與變壓器相似，但電壓變化率計(jì)算式P.49.式(4-2-5)與P.17.式(2-3-3)不同。

注意：P.50思考題(4-2-4)。思考題(4-2-4)：同步發(fā)電機(jī)的電壓變化率的大小、正負(fù)與發(fā)電機(jī)所帶的負(fù)載的大小和性質(zhì)有關(guān)。因?yàn)樨?fù)載大小影響了電樞反應(yīng)作用的大小，負(fù)載性質(zhì)決定了電樞反應(yīng)的去磁、增磁性質(zhì)。若電樞反應(yīng)去磁，電壓變化率為正；若電樞反應(yīng)增磁，則電壓變化率為負(fù)。此時(shí)，外特性為上翹的特性。電樞反應(yīng)越強(qiáng)，電壓變化率的值就越大（反之亦然）。

特性：為了保持電壓不變，在功率因數(shù)一定時(shí)，勵(lì)磁電流應(yīng)隨電樞電流進(jìn)行變化調(diào)節(jié)的曲線。不同的功率因數(shù)，電樞反應(yīng)大小不一樣，性質(zhì)可能也可能不同。[第二節(jié)要點(diǎn)]：空載特性實(shí)質(zhì)；電樞反應(yīng)3種；外特性與Δu；調(diào)節(jié)特性。調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性曲線電樞反應(yīng)去磁，則勵(lì)磁電流應(yīng)增加，反之則減小?！?—3.同步發(fā)電機(jī)的電壓、轉(zhuǎn)矩和功率的平衡本節(jié)的主要內(nèi)容有三部分：電壓方程及相量圖：主要掌握：電樞電路的等效、相量圖和重要參數(shù)——同步電抗和功率角、功率因數(shù)角、內(nèi)功率因數(shù)角等概念。轉(zhuǎn)矩和功率的平衡：主要理清能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。獨(dú)立運(yùn)行特點(diǎn)：獨(dú)立運(yùn)行特點(diǎn)單獨(dú)作為一點(diǎn)討論，目的是要求給予重視，與后續(xù)特點(diǎn)進(jìn)行比較。電勢(shì)公式電勢(shì)公式可應(yīng)用三角計(jì)算公式從相量圖得到：三角形構(gòu)成——以E0為斜邊以U相量及其延長(zhǎng)線為一條直角邊，構(gòu)造一個(gè)直角三角形。與電流I有關(guān)相量變換（投影）到直角邊都與功率因數(shù)角φ有關(guān)。電壓平衡方程：電勢(shì)公式：——P.51.式（4-6-3），忽略電樞電阻后：相量圖根據(jù)電壓平衡方程可畫(huà)出相量圖。負(fù)載分別為：感性、阻性和容性時(shí)：感性負(fù)載忽略電樞電阻電阻性負(fù)載容性負(fù)載二、轉(zhuǎn)矩和功率的平衡

功率平衡：

功率平衡關(guān)系就是能量平衡關(guān)系。P.52式(4-3-8)：Pin=Pe+P0，應(yīng)寫(xiě)成：P1=Pe+△P0

其中，電磁功率：Pe=3E0Icosψ，內(nèi)功率因數(shù)角ψ

；空載損耗△P0(主要是機(jī)械損耗)。

轉(zhuǎn)矩平衡：

公式：P.52式(4-3-10)：T=3E0Icosψ/Ω。§5—4.同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行本節(jié)的主要內(nèi)容有兩部分：與無(wú)窮大電網(wǎng)并聯(lián)

：

主要掌握：并聯(lián)運(yùn)行概念、有功功率和無(wú)功功率的計(jì)算與調(diào)節(jié)、功角特性矩角特性等概念和并聯(lián)特點(diǎn)。同容量發(fā)電機(jī)并聯(lián)

：

主要掌握：特點(diǎn)。一、與無(wú)窮大電網(wǎng)并聯(lián)

無(wú)窮大電網(wǎng)：電網(wǎng)與單機(jī)容量比非常大，U、f不受單機(jī)調(diào)節(jié)影響。

并聯(lián)運(yùn)行：是指兩臺(tái)以上發(fā)電機(jī)同時(shí)向同一電網(wǎng)供電的工作狀態(tài)。

并聯(lián)條件：三個(gè)相等（電壓、頻率、相位）、一個(gè)（相序）一致。

有功功率的調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的油門(mén)，轉(zhuǎn)子瞬時(shí)加速，功角瞬時(shí)增大，輸出有功功率增加，電磁轉(zhuǎn)矩增大達(dá)到轉(zhuǎn)矩平衡（轉(zhuǎn)速恒定）?！龋?80°失步?！⒁猓汗堑母拍睢９羌肮翘匦?/p>

功角：是發(fā)電機(jī)磁極磁場(chǎng)與氣隙合成磁場(chǎng)之間的空間角度，也正好等于電勢(shì)E0與電壓U之間的相位角。∵Icosφ=E0sinθ/Xs，Pe=3UIcosφ，∴Pe=3UE0sinθ/Xs，即：

功角特性。凸極機(jī)∵直交軸方向氣隙不均勻.多一個(gè)“反應(yīng)轉(zhuǎn)矩”。

矩角特性：與功角特性相似?！獣?shū)P.53式（4-4-2）。

1.調(diào)節(jié)油門(mén)，可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率大?。?/p>

2.調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出的無(wú)功功率大??；

3.調(diào)節(jié)一臺(tái)發(fā)電機(jī)的油門(mén)或者勵(lì)磁電流，電網(wǎng)的頻率和電壓不會(huì)發(fā)生變化。結(jié)論輸出感性無(wú)功等于消耗容性無(wú)功；輸出容性無(wú)功等于消耗感性無(wú)功?！ㄟ^(guò)附圖可以理解。未接電容之前消耗感性，電容輸出容性無(wú)功后，整個(gè)電路不消耗無(wú)功功率。二、同容量同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)并聯(lián)運(yùn)行特點(diǎn)：

1.各并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)輸出的總有功功率和無(wú)功功率分別等于負(fù)載的有功功率和無(wú)功功率。P=P1+P2；Q=Q1+Q2。

2.單獨(dú)調(diào)節(jié)一臺(tái)發(fā)電機(jī)的油門(mén)（輸入功率），負(fù)載不變時(shí)，電網(wǎng)的頻率將發(fā)生變化。

3.單獨(dú)調(diào)節(jié)一臺(tái)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，負(fù)載不變時(shí)，電網(wǎng)的電壓將發(fā)生變化。

理解：一臺(tái)油門(mén)增加，負(fù)載不變，另一臺(tái)輸出有功減少，電網(wǎng)總輸入增加、有功輸出不變，頻率增加。（無(wú)功同理）[第四節(jié)要點(diǎn)]：理想合閘條件；功角特性；并聯(lián)運(yùn)行特點(diǎn)（無(wú)窮大，同容量）。二、并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)的振蕩種類(lèi)：并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的振蕩有，1.自由振蕩；2.強(qiáng)迫振蕩。危害：嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞設(shè)備。自由振蕩：——只有并聯(lián)運(yùn)行時(shí)才有，單機(jī)運(yùn)行時(shí)沒(méi)有。

∵調(diào)節(jié)或者負(fù)載變化使機(jī)械轉(zhuǎn)矩（輸入）和電磁轉(zhuǎn)矩（輸出）失去平衡，發(fā)電機(jī)n將發(fā)生變化。而∵轉(zhuǎn)子慣性會(huì)出現(xiàn)以振蕩。——一般是衰減振蕩，問(wèn)題不大。強(qiáng)迫振蕩：——單機(jī)和并聯(lián)運(yùn)行時(shí)都有?；钊皆瓌?dòng)機(jī)（四個(gè)沖程中既有做功沖程，也有不做功沖程）造成的振蕩。——一般在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)避開(kāi)臨界轉(zhuǎn)速。解決辦法：發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間振蕩可通過(guò)適當(dāng)改變頻率使振蕩衰減。[第五節(jié)要點(diǎn)]：突然短路（各電抗大小及關(guān)系）；振蕩（種類(lèi)，危害）。§5-6.同步電動(dòng)機(jī)

本節(jié)的主要內(nèi)容有兩部分：轉(zhuǎn)動(dòng)原理與起動(dòng)：

主要點(diǎn)：同步電動(dòng)機(jī)如何轉(zhuǎn)動(dòng)、怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的電流：

主要點(diǎn)：影響同步電動(dòng)機(jī)電樞電流的因素。同步電動(dòng)機(jī)的內(nèi)容不是重點(diǎn)，主要要求了解基本點(diǎn)。一、轉(zhuǎn)動(dòng)原理與起動(dòng)

轉(zhuǎn)動(dòng)原理：

由并聯(lián)運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)的功角特性可知：當(dāng)同步發(fā)電機(jī)處于空載狀態(tài)并聯(lián)在電網(wǎng)時(shí)，若將原動(dòng)機(jī)通過(guò)離合器脫開(kāi)，此時(shí)轉(zhuǎn)子在機(jī)械阻轉(zhuǎn)矩的作用下將減速，電機(jī)的功角θ＜0，輸出的有功功率為負(fù)值，即表示從電網(wǎng)吸收有功功率。也就是說(shuō)：同步發(fā)電機(jī)就變成了同步電動(dòng)機(jī)。

結(jié)論：功角θ＜0，輸出P＜0，即輸入P，變成同步電動(dòng)機(jī)?！D(zhuǎn)速仍然是同步轉(zhuǎn)速。同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

分析：若直接將靜止不動(dòng)的同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行勵(lì)磁，而在定子三相電樞繞組通入三相交流電，在氣隙中將有勵(lì)磁磁場(chǎng)（恒定不變）和電樞磁場(chǎng)（旋轉(zhuǎn)）同時(shí)存在，當(dāng)電樞磁場(chǎng)超前勵(lì)磁磁場(chǎng)時(shí)，將拖動(dòng)勵(lì)磁磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于轉(zhuǎn)子存在著慣性，而電樞磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速又很快，θ在180°內(nèi)電樞磁場(chǎng)不能及時(shí)將轉(zhuǎn)子拉入同步，而θ超過(guò)180°后，電樞磁場(chǎng)與勵(lì)磁磁場(chǎng)的相互作用力變成斥力，于是在一個(gè)周期內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩的平均值為零。因此，同步電動(dòng)機(jī)不能直接起動(dòng)。

起動(dòng)方法：主要有間接起動(dòng)和異步起動(dòng)。間接起動(dòng)和異步起動(dòng)

間接起動(dòng)：通過(guò)其它機(jī)械（原動(dòng)機(jī)）將同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速，然后定子電樞繞組接三相交流電，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組通入勵(lì)磁電流，通過(guò)機(jī)械離合器脫開(kāi)原動(dòng)機(jī)并帶上機(jī)械負(fù)載，同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)入正常的電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)工作。

異步起動(dòng)：依靠同步電動(dòng)機(jī)磁極上的起動(dòng)繞組（類(lèi)似鼠籠繞組）起動(dòng)。起動(dòng)時(shí)，將轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)一個(gè)5～10倍勵(lì)磁繞組電阻值的電阻，定子接入三相交流電，起動(dòng)繞組以異步機(jī)的原理起動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，勵(lì)磁繞組通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)斷開(kāi)串聯(lián)的電阻，接入正常勵(lì)磁電流，此時(shí)由于電樞磁場(chǎng)與勵(lì)磁磁場(chǎng)的相對(duì)轉(zhuǎn)速很小，轉(zhuǎn)子在電樞磁場(chǎng)的作用下將被拉入同步。拉入同步后的電動(dòng)機(jī)就可帶動(dòng)機(jī)械負(fù)載正常工作。

異步法起動(dòng)時(shí)注意：勵(lì)磁繞組既不能開(kāi)路也不能短路，而應(yīng)在轉(zhuǎn)子繞組回路中串聯(lián)一個(gè)5～10倍勵(lì)磁繞組電阻值的電阻。

這是因?yàn)椋河捎趧?lì)磁繞組的匝數(shù)很多，起動(dòng)時(shí)，若開(kāi)路則會(huì)感應(yīng)出很高的電壓，造成設(shè)備損壞等后果。而若直接短路，則短路電流較大，會(huì)燒壞勵(lì)磁繞組。

轉(zhuǎn)子回路電阻的