第12章同步發(fā)電機(jī)的基本理論12.1同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)12.2同步電機(jī)的勵(lì)磁方式12.3同步電機(jī)的冷卻方式12.4同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行12.5對(duì)稱負(fù)載時(shí)電樞反應(yīng)12.6隱極同步發(fā)電機(jī)的分析方法12.7凸極同步發(fā)電機(jī)的分析方法12.8同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性及參數(shù)測(cè)定第12章同步發(fā)電機(jī)的基本理論

同步電機(jī)是一種交流電機(jī)，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，故稱之為“同步”電機(jī)。同步轉(zhuǎn)速與定子電流的頻率保持固定不變的關(guān)系。我國(guó)電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)頻率為50Hz，對(duì)于并網(wǎng)運(yùn)行的同步電機(jī)，2極同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為3000r/min，4極同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1500r/min，以此類推。也就是說(shuō)，對(duì)于極對(duì)數(shù)p確定的并網(wǎng)運(yùn)行的同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速是恒定的，與負(fù)載大小無(wú)關(guān)。同步電機(jī)有三種運(yùn)行方式，即作為發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和補(bǔ)償機(jī)（調(diào)相機(jī)）運(yùn)行。發(fā)電機(jī)運(yùn)行是同步電機(jī)的主要運(yùn)行方式，現(xiàn)代社會(huì)中所使用的交流電能幾乎都是由同步發(fā)電機(jī)提供。同步電機(jī)也可用作同步電動(dòng)機(jī)，應(yīng)用于不要求調(diào)速的場(chǎng)合。近年來(lái)，小型同步電動(dòng)機(jī)（特別是永磁同步電機(jī)）在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開始得到較多的應(yīng)用。同步電機(jī)接于電網(wǎng)作為電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，就是補(bǔ)償機(jī)運(yùn)行方式，依靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流向電網(wǎng)輸送所需的感性或容性無(wú)功功率，用以改善電網(wǎng)的功率因數(shù)或調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓。12.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)12.1.1同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)12.1.2同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)12.1.3同步電機(jī)的額定值12.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)

12.1.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)電樞式：磁極裝在定子上，用于小容量同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁極式：磁極裝在轉(zhuǎn)子上（目前同步電機(jī)主要形式）為大中型同步電機(jī)的基本形式同步電機(jī)分為旋轉(zhuǎn)電樞式同步電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖（a）隱極式

（b）凸極式旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖12.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)

12.1.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)（a）隱極式

（b）凸極式旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖按照主磁極的形狀，旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)又可分為隱極式和凸極式兩種結(jié)構(gòu)。隱極機(jī)不計(jì)磁槽影響時(shí)，氣隙可視作均勻。凸極機(jī)轉(zhuǎn)子有明顯凸出的主磁極，極面處氣隙較小，而兩極間氣隙較大，氣隙不均勻。同步發(fā)電機(jī)采用哪一種磁極形狀與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。對(duì)于高速同步電機(jī)（3000r/min），極對(duì)數(shù)少、離心力大，轉(zhuǎn)子直徑受到限制而較為細(xì)長(zhǎng)，從機(jī)械強(qiáng)度和妥善固定勵(lì)磁繞組考慮，采用隱極式結(jié)構(gòu)較為可靠。對(duì)于低速同步電機(jī)（1000r/min及以下），極對(duì)數(shù)多、離心力較小，轉(zhuǎn)子外形較為扁平，采用制造簡(jiǎn)單、勵(lì)磁繞組集中放置的凸極式結(jié)構(gòu)較為合理。12.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)

12.1.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)一、隱極同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)（以汽輪發(fā)電機(jī)為例）汽輪發(fā)電機(jī)一般采用2極電機(jī)，我國(guó)工頻為50Hz，對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速為3000r/min。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高、離心力大，直徑受限而較小，為增大容量，長(zhǎng)度一般較長(zhǎng)，整體成細(xì)長(zhǎng)形。汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子本體長(zhǎng)度與直徑之比一般為2~6，容量越大，該比值越大。汽輪發(fā)電機(jī)定子12.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)

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同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1.定子汽輪發(fā)電機(jī)的定子由定子鐵心、定子繞組（電樞繞組）、機(jī)座和端蓋等部件組成。定子扇形沖片（1）定子鐵心定子鐵心是構(gòu)成磁路并固定定子繞組的重要部件，通常由0.5mm或0.35mm厚、導(dǎo)磁性能良好的冷軋硅鋼片沖制疊壓而成，每組疊厚為30~60mm，疊與疊之間留有8~10mm的用于散熱的徑向通風(fēng)道。為減小渦流損耗，硅鋼片表面涂有絕緣漆。大型汽輪發(fā)電機(jī)的定子鐵心用多片扇形沖片拼裝成一個(gè)整圓。在疊裝時(shí)，為保證磁路對(duì)稱，各層扇形沖片的接縫應(yīng)均勻錯(cuò)開。定子鐵心內(nèi)圓表面形成定子槽，用于嵌放定子繞組。為了便于嵌線，定子槽型均為矩形開口槽。12.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)

12.1.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)（2）定子繞組定子繞組又稱電樞繞組，一般采用三相雙層短距疊繞組，嵌放在定子鐵心內(nèi)圓的定子槽中，槽口用絕緣材料（如玻璃布板）制成的槽楔壓緊封口。每個(gè)槽內(nèi)放有上下兩層導(dǎo)體，稱為線棒。為減小集膚效應(yīng)引起的附加損耗，每層線棒由包有股線絕緣的多股扁銅線并聯(lián)繞制成型，并且在槽內(nèi)的直線部分進(jìn)行編織換位。中、小型汽輪發(fā)電機(jī)的定子線棒均為實(shí)心線棒，而大型汽輪發(fā)電機(jī)多采用內(nèi)部冷卻的線棒。發(fā)電機(jī)定子內(nèi)部結(jié)構(gòu)12.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)

12.1.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)（3）機(jī)座和端蓋機(jī)座一般用鋼板焊接而成，且開有通風(fēng)孔，用于支撐和固定發(fā)電機(jī)定子鐵心，兩端用端蓋封蓋起來(lái)，并與定子鐵心和轉(zhuǎn)子一起構(gòu)成發(fā)電機(jī)內(nèi)部完整的通風(fēng)系統(tǒng)，以便于定子鐵心散熱。機(jī)座必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受加工、運(yùn)輸和運(yùn)行時(shí)的各種應(yīng)力。汽輪發(fā)電機(jī)12.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)

12.1.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)2.轉(zhuǎn)子汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組（勵(lì)磁繞組）、護(hù)環(huán)和風(fēng)扇等組成。汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子12.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)

12.1.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)（1）轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心是電機(jī)磁路的主要組成部件，并用于裝設(shè)勵(lì)磁繞組。轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，自身巨大重量和高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力將產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，因此轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)軸做成一個(gè)整體，采用高強(qiáng)度、導(dǎo)磁性能良好的合金鋼鍛造加工而成。沿轉(zhuǎn)子外緣，表面開槽較多的部分，那里的齒較窄，俗稱小齒，未開槽的部分通稱大齒。大齒作為主磁極的極身，其中心線即為主磁極的中心線。12.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)

12.1.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)（2）勵(lì)磁繞組勵(lì)磁繞組為若干個(gè)線圈組成的同心式繞組，線圈則用矩形扁銅線繞制而成。為了減少槽漏磁和保證足夠的機(jī)械強(qiáng)度，槽楔一般采用非導(dǎo)磁金屬材料。轉(zhuǎn)子表面凹槽用槽楔封住槽口后，轉(zhuǎn)子成一表面光滑的圓柱體，從而形成“隱極”轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。勵(lì)磁繞組作用：通入直流電流形成主極磁場(chǎng)。12.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)

12.1.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)（3）護(hù)環(huán)、中心環(huán)、集電環(huán)和風(fēng)扇汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速很高，勵(lì)磁繞組端部承受很大的離心力，所以要用護(hù)環(huán)和中心環(huán)來(lái)緊固。護(hù)環(huán)由高強(qiáng)度非磁性合金鋼制成，把勵(lì)磁繞組端部箍緊，使繞組端部不會(huì)因離心力發(fā)生徑向位移和變形；中心環(huán)用以支持護(hù)環(huán)，并防止端部的軸向移動(dòng)。集電環(huán)分為正、負(fù)兩個(gè)集電環(huán)，由堅(jiān)硬耐磨的合金鍛鋼制成，裝于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上。正、負(fù)兩個(gè)集電環(huán)分別經(jīng)引線接至勵(lì)磁繞組，并借電刷接到發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)。風(fēng)扇裝于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的兩端，用以加快冷卻介質(zhì)在定子鐵心和轉(zhuǎn)子部分的循環(huán)，提高冷卻效果。12.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)

12.1.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1.定子由定子鐵心、定子繞組、機(jī)座和端蓋等部件組成。凸極同步電機(jī)轉(zhuǎn)速低、極數(shù)多，故特點(diǎn)是直徑大、軸向長(zhǎng)度短、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大。在低速水輪發(fā)電機(jī)中，定子鐵心外徑與長(zhǎng)度之比可達(dá)5~7，甚至更大。定子繞組多采用雙層三相對(duì)稱繞組，為了便于嵌線，定子槽型一般為矩形開口槽。二、凸極同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)（以水輪發(fā)電機(jī)為例，立式安裝）12.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)

12.1.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)2.轉(zhuǎn)子凸極同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子與隱極同步電機(jī)有較大差別。主磁極在轉(zhuǎn)子表面形成一個(gè)個(gè)“凸出”的磁極，這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)被稱為凸極結(jié)構(gòu)。12.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)

12.1.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子由主磁極、勵(lì)磁繞組、集電環(huán)、磁軛、阻尼繞組、轉(zhuǎn)子支架和轉(zhuǎn)軸等組成。凸極同步電機(jī)轉(zhuǎn)子及主磁極主磁極由磁極鐵心、勵(lì)磁繞組、阻尼繞組和磁極壓板等部件組成。12.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)

12.1.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)磁極鐵心：由實(shí)心磁極和疊片磁極兩種結(jié)構(gòu)，實(shí)心磁極由整體鍛鋼或鑄鋼件制成，疊片磁極由1~3mm厚的低碳鋼板沖制疊壓而成。勵(lì)磁繞組：磁極極身外套有用扁銅線繞制的集中勵(lì)磁線圈，各磁極上的勵(lì)磁線圈連接起來(lái)構(gòu)成勵(lì)磁繞組。通過(guò)集電環(huán)和電刷與外部直流勵(lì)磁電源相連。磁軛：用于固定主磁極并連接各磁極形成完整的轉(zhuǎn)子磁路。磁軛一般用2~4.5mm的鋼板沖制成扇形片，交錯(cuò)疊壓成整體后，在其外緣開有倒T形缺口用于安裝磁極。阻尼繞組：類似于感應(yīng)電機(jī)的籠型繞組，在同步發(fā)電機(jī)中起抑制轉(zhuǎn)子振蕩的作用；在同步電動(dòng)機(jī)和補(bǔ)償機(jī)中，在電機(jī)起動(dòng)時(shí)可產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩，主要用作起動(dòng)繞組。轉(zhuǎn)子支架：是轉(zhuǎn)軸和磁軛的聯(lián)結(jié)部件。轉(zhuǎn)軸：由高強(qiáng)度的鋼鍛造而成，用于傳遞轉(zhuǎn)矩。12.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)

12.1.2

同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子主磁極和定子電樞繞組在氣隙中產(chǎn)生兩個(gè)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)：①轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的主極磁場(chǎng)（機(jī)械式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)），也稱主磁場(chǎng)、勵(lì)磁磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)；②三相對(duì)稱電樞繞組流過(guò)三相對(duì)稱電流時(shí)產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)（電氣式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)），稱為電樞反應(yīng)磁場(chǎng)。穩(wěn)態(tài)情況下，轉(zhuǎn)子主極磁場(chǎng)與定子電樞反應(yīng)磁場(chǎng)在空間保持相對(duì)靜止，兩者疊加稱為氣隙合成磁場(chǎng)。同步電機(jī)有三種運(yùn)行狀態(tài)：發(fā)電機(jī)、補(bǔ)償機(jī)和電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)—把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能補(bǔ)償機(jī)—沒有有功功率的轉(zhuǎn)換，只發(fā)出或吸收無(wú)功功率發(fā)電機(jī)—把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能12.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)

12.1.2

同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)同步電機(jī)由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子主極磁場(chǎng)超前于氣隙合成磁場(chǎng)，即δi>0，產(chǎn)生制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩Te，原動(dòng)機(jī)施加驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1與Te相平衡，克服Te做功，輸入機(jī)械功率。電機(jī)吸收機(jī)械功率，轉(zhuǎn)化為電功率，由電樞繞組向電網(wǎng)或負(fù)載輸出，作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。功率角δ

：轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線領(lǐng)先電樞合成磁場(chǎng)軸線的夾角。位移角δi：轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線領(lǐng)先氣隙合成磁場(chǎng)軸線的夾角。δ≈δi發(fā)電機(jī)12.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)

12.1.2

同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)補(bǔ)償機(jī)運(yùn)行狀態(tài)同步電機(jī)轉(zhuǎn)子主極磁場(chǎng)與氣隙合成磁場(chǎng)重合，即δi=0，電機(jī)不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，即Te=0，電機(jī)對(duì)外沒有有功功率交換，處于空載狀態(tài)，電機(jī)作為補(bǔ)償機(jī)運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)同步電機(jī)拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子主極磁場(chǎng)滯后于氣隙合成磁場(chǎng)，即δi<0，電機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩Te，與負(fù)載制動(dòng)轉(zhuǎn)矩TL相平衡，克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩做功，源源不斷地輸出機(jī)械功率，作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。補(bǔ)償機(jī)電動(dòng)機(jī)12.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)

12.1.3

同步電機(jī)的額定值同步電機(jī)的額定值（銘牌值）主要包括：（1）額定電壓UN（V或kV）：指額定運(yùn)行時(shí)電樞繞組線電壓的有效值。（2）額定電流IN（A或kA）：指額定運(yùn)行時(shí)電樞繞組線電流的有效值。（3）額定功率因數(shù)cos

φN

：指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的功率因數(shù)。（4）額定容量或額定功率：指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)輸出的視在功率或有功功率。同步發(fā)電機(jī)的額定容量是指從電樞繞組端輸出的電功率，既可用視在功率表示，單位為VA或kVA或MVA，也可用有功電功率表示，單位為W或kW或MW。

同步電動(dòng)機(jī)的額定容量是指從轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率。

補(bǔ)償機(jī)的額定容量是指過(guò)勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)從電樞繞組端輸出的最大無(wú)功功率，單位為var或kvar或Mvar。12.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)

12.1.3

同步電機(jī)的額定值（5）額定頻率fN（Hz）：指額定運(yùn)行時(shí)電樞電壓或電樞電流的頻率。我國(guó)規(guī)定額定工業(yè)頻率為50Hz。（6）額定轉(zhuǎn)速nN（r/min）：指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，即為同步轉(zhuǎn)速。（7）額定效率ηN：指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)輸出功率與輸入功率之比，用百分比表示。除上述額定值外，同步電機(jī)銘牌上還常列出一些其他額定運(yùn)行數(shù)據(jù)，如額定勵(lì)磁功率PfN、額定勵(lì)磁電壓UfN和額定溫升τN等。12.2同步電機(jī)的勵(lì)磁方式同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，必須建立轉(zhuǎn)子主極磁場(chǎng)，根據(jù)獲得磁場(chǎng)方式可分為電勵(lì)磁和永磁勵(lì)磁。1.電勵(lì)磁電勵(lì)磁同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，必須在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中通入直流電流，建立轉(zhuǎn)子主極磁場(chǎng)，該電流稱為勵(lì)磁電流，供給勵(lì)磁電流的裝置稱為勵(lì)磁系統(tǒng)。勵(lì)磁系統(tǒng)的主要作用有：①發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，按發(fā)電機(jī)負(fù)載情況供給和自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流；②當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生突然短路故障或其他原因使系統(tǒng)電網(wǎng)電壓嚴(yán)重下降時(shí)，能進(jìn)行強(qiáng)行勵(lì)磁，以提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；③當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷突減時(shí)，能進(jìn)行強(qiáng)行減磁以防止端電壓過(guò)度升高；④發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，能夠自動(dòng)減磁或滅磁，以減小故障的損壞程度。12.2同步電機(jī)的勵(lì)磁方式目前電勵(lì)磁系統(tǒng)可分為兩類：直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)和整流器勵(lì)磁系統(tǒng)。（1）直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)這種勵(lì)磁方式在同步發(fā)電機(jī)發(fā)展的早期歷史上首先獲得應(yīng)用，但由于直流電機(jī)中存在換向器和電刷，易產(chǎn)生火花、磨損快、維護(hù)工作量大且勵(lì)磁容量受限。12.2同步電機(jī)的勵(lì)磁方式（2）整流器勵(lì)磁系統(tǒng)根據(jù)整流器是否靜止，整流器勵(lì)磁又可分為靜止整流器勵(lì)磁和旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁。靜止整流器勵(lì)磁又可分為他勵(lì)式和自勵(lì)式兩種（a）他勵(lì)式（b）自勵(lì)式靜止整流器勵(lì)磁系統(tǒng)12.2同步電機(jī)的勵(lì)磁方式旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁系統(tǒng)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)解決了直流勵(lì)磁機(jī)換向器在大電流時(shí)火花嚴(yán)重的問(wèn)題，但仍存在集電環(huán)和電刷，當(dāng)發(fā)電機(jī)容量增大后，勵(lì)磁容量也增加會(huì)引起集電環(huán)的嚴(yán)重過(guò)熱，影響發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠性。采用電樞旋轉(zhuǎn)式的三相同步發(fā)電機(jī)作為主勵(lì)磁機(jī)，那么該電樞與整流裝置、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組同軸安裝，一起旋轉(zhuǎn)，這樣不需要集電環(huán)和電刷裝置了。旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁12.2同步電機(jī)的勵(lì)磁方式2.永磁勵(lì)磁永磁勵(lì)磁采用永磁材料建立同步電機(jī)的主極磁場(chǎng)。采用永磁勵(lì)磁方式時(shí)，轉(zhuǎn)子上沒有勵(lì)磁繞組，取消了集電環(huán)和電刷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，維護(hù)工作量小，效率高；轉(zhuǎn)子上永磁材料的形狀、尺寸及安裝方式靈活多樣，特別適合于低速和高速同步電機(jī)。目前，永磁勵(lì)磁在小型和微型同步電機(jī)中獲得了廣泛應(yīng)用，但其缺點(diǎn)是不能根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)方便有效地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子主極磁場(chǎng)。12.2同步電機(jī)的冷卻方式所謂冷卻方式，主要是指發(fā)電機(jī)的定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組及鐵心等發(fā)熱體采用什么冷卻方法和冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷卻。發(fā)電機(jī)的冷卻方式根據(jù)冷卻介質(zhì)可分為空氣冷卻、氫氣冷卻和水冷卻，根據(jù)冷卻介質(zhì)的流通路徑可分為外冷和內(nèi)冷。外冷是指冷卻介質(zhì)流過(guò)電機(jī)發(fā)熱體表面帶走熱量的冷卻方式，又稱表面冷卻。內(nèi)冷主要是指繞組采用空心導(dǎo)體，把冷卻介質(zhì)通入導(dǎo)體內(nèi)直接帶走熱量的冷卻方式，又稱直接冷卻。采用內(nèi)冷可使得繞組產(chǎn)生的熱量不用再穿過(guò)絕緣層到達(dá)表面就直接被冷卻介質(zhì)帶走，這就大大改善了絕緣材料的工作條件。12.2同步電機(jī)的冷卻方式1.空氣冷卻冷空氣由轉(zhuǎn)子兩側(cè)的風(fēng)扇吸入，通過(guò)軸向和徑向混合風(fēng)道排出機(jī)外，將熱量帶走（空氣外冷）。熱空氣經(jīng)過(guò)機(jī)外的空氣冷卻器冷卻后再送入機(jī)內(nèi)重復(fù)利用。整個(gè)空氣系統(tǒng)是封閉的，可以有效防止水分和灰塵進(jìn)入機(jī)內(nèi)，引起絕緣性能下降和風(fēng)道堵塞等問(wèn)題?？諝饫鋮s方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)方便，但空氣的傳熱系數(shù)較小，冷卻效果不理想，且會(huì)帶來(lái)鼓風(fēng)損耗和轉(zhuǎn)子的風(fēng)摩擦損耗。2.氫氣冷卻以氫氣代替空氣作為冷卻介質(zhì)。采用氫氣外冷時(shí)，冷卻系統(tǒng)基本與空氣冷卻相同。由于氫氣的熱導(dǎo)率比空氣大6~7倍，氫氣的冷卻效果明顯優(yōu)于空氣的冷卻效果。氫氣密度較空氣小10多倍，又大大減小通風(fēng)和風(fēng)摩擦損耗。此外，氫氣冷卻可有效防止絕緣材料老化，且氫氣不助燃，不會(huì)在機(jī)內(nèi)發(fā)生短路故障時(shí)引發(fā)火災(zāi)。因?yàn)闅錃馀c空氣混合達(dá)到一定比例時(shí)可能發(fā)生爆炸，在應(yīng)用中要注意防漏和防爆問(wèn)題。氫氣冷卻在汽輪發(fā)電機(jī)中被廣泛應(yīng)用，并從外冷式發(fā)展為內(nèi)冷式，即將定、轉(zhuǎn)子導(dǎo)線做成空心的，氫氣被壓縮進(jìn)導(dǎo)體內(nèi)，直接將導(dǎo)體熱量帶走。氫氣流動(dòng)性好，容易吹入細(xì)孔，是其另一大優(yōu)點(diǎn)。12.2同步電機(jī)的冷卻方式3.水冷卻水的冷卻能力又強(qiáng)于氫氣，約為空氣的50倍。水冷卻的主要方式為內(nèi)冷式，多用于定子繞組內(nèi)冷。繞組是帶電體，冷卻水必須通過(guò)一段絕緣水管才能引入到導(dǎo)體孔中去，并要注意解決泄漏和結(jié)垢堵塞問(wèn)題。4.混合冷卻將冷卻方式進(jìn)行不同組合形成混合冷卻方式。水水空—定子、轉(zhuǎn)子繞組均采用水內(nèi)冷，定子鐵心采用空氣冷卻；水水氫—定子、轉(zhuǎn)子繞組均采用水內(nèi)冷，定子鐵心采用氫氣冷卻；水氫氫—定子繞組水內(nèi)冷、轉(zhuǎn)子繞組氫內(nèi)冷、定子鐵心用氫氣作介質(zhì)進(jìn)行表面冷卻的方式；全水冷—定子、轉(zhuǎn)子繞組和定子鐵心均采用水內(nèi)冷。5.超導(dǎo)發(fā)電機(jī)超導(dǎo)發(fā)電機(jī)是電機(jī)領(lǐng)域的一種新型電機(jī)，具有單機(jī)極限容量大、效率高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，將成為本世紀(jì)最有潛力、最理想的能源轉(zhuǎn)換裝置。超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用是徹底解決電機(jī)發(fā)熱和冷卻問(wèn)題的必經(jīng)之路。12.4同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行12.4.1勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)12.4.2空載磁場(chǎng)12.4.3空間矢量與時(shí)間相量12.4同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行

12.4.1勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)1.隱極同步電機(jī)的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)合理地選擇大齒寬度，可使得在空間呈階梯波形分布的磁動(dòng)勢(shì)與正弦波形很接近。沿轉(zhuǎn)子圓周的氣隙可視為均勻，可認(rèn)為氣隙中的磁通密度近似成正弦分布。12.4同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行

12.4.1勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)2.凸極同步電機(jī)的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)合理地設(shè)計(jì)磁極的形狀可以使氣隙磁通密度的分布接近正弦波。通常將極靴的極弧半徑做成小于定子的內(nèi)圓半徑，而且極弧的圓心與定子內(nèi)圓的圓心不重合，形成“偏心”氣隙，從而使得極弧中心處的氣隙最小，兩側(cè)處的氣隙逐漸增大，這樣可氣隙磁通密度的分布較接近正弦波。12.4同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行

12.4.2空載磁場(chǎng)原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，勵(lì)磁繞組通入直流電流勵(lì)磁，電樞繞組開路時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)稱為空載運(yùn)行?？蛰d運(yùn)行時(shí)，電樞電流為0，同步發(fā)電機(jī)內(nèi)只有勵(lì)磁電流所建立的主極磁場(chǎng)。主極磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁通包括主磁通和主極漏磁通兩部分。主磁通：通過(guò)氣隙與電樞繞組交鏈，能在三相電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)定、轉(zhuǎn)子間的能量交換，其基波分量的每極磁通量用Φ0表示。同步電機(jī)的主極磁場(chǎng)示意圖漏磁通：不通過(guò)氣隙，僅與勵(lì)磁繞組交鏈，不參與定、轉(zhuǎn)子間的能量交換。12.4同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行

12.4.2空載磁場(chǎng)當(dāng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，主磁場(chǎng)將在氣隙中形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在定子繞組內(nèi)感應(yīng)出對(duì)稱三相電動(dòng)勢(shì)，稱為勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)或空載電動(dòng)勢(shì)。同步發(fā)電機(jī)的空載特性有效值：頻率：在同步轉(zhuǎn)速下，勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E0與勵(lì)磁電流If之間的關(guān)系曲線E0=f(If)，稱為同步電機(jī)的空載特性曲線。空載特性本質(zhì)上就是磁化特性的外在具體表現(xiàn)，因此與磁化特性曲線類似。12.4同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行

12.4.3空間矢量與時(shí)間相量如圖為一臺(tái)2極凸極同步電機(jī)的示意圖，?和×表示電樞繞組中勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)的實(shí)際方向；勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)和電樞電流的正方向規(guī)定從繞組的尾端流入，首端流出。（a）同步電機(jī)的直軸與交（b）轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)和基波磁密空間矢量同步電機(jī)的空間矢量虛線為A相相軸。圖中主磁極的軸線位置為同步電機(jī)的直軸（d軸），交軸（q軸）與直軸正交。如圖所示瞬間，q軸與A相相軸重合。選A相相軸為空間參考軸，空間矢量Ff1和B01同相位，波幅同處d軸正方向上，以ω的電角速度與直軸同步旋轉(zhuǎn)。12.4同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行

12.4.3空間矢量與時(shí)間相量磁通和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是隨時(shí)間按正弦變化的函數(shù)，三相對(duì)稱左圖為其相量圖。空間矢量與時(shí)間相量具有相同的旋轉(zhuǎn)速度，若把空間參考軸與時(shí)間參考軸取為重合，將它們畫在同一坐標(biāo)平面上，得到一個(gè)時(shí)-空相矢圖，如右圖所示。勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)和磁通時(shí)間相量在時(shí)-空相矢圖中，需要注意以下三點(diǎn)：（1）僅畫出A相電樞繞組中的各物理量，并省略下標(biāo)A。（2）、的空間相位與的時(shí)間相位一致；滯后于90°。（3）、僅對(duì)一相（A相）而言，但間接反映了其他相時(shí)間矢量的相位情況。空載運(yùn)行時(shí)的時(shí)-空相矢圖12.5對(duì)稱負(fù)載時(shí)電樞反應(yīng)12.5.1電樞反應(yīng)的基本感念12.5.2電樞反應(yīng)分析12.5.3電樞反應(yīng)對(duì)同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行性能的影響，與同相位；，滯后于；，超前于。12.5對(duì)稱負(fù)載時(shí)電樞反應(yīng)

12.5.1電樞反應(yīng)的基本感念負(fù)載時(shí)，電樞繞組中流過(guò)三相對(duì)稱電流，電樞繞組就會(huì)產(chǎn)生電樞磁動(dòng)勢(shì)及相應(yīng)的電樞磁場(chǎng)。由于電樞磁動(dòng)勢(shì)的存在，與空載時(shí)相比，使電機(jī)氣隙磁場(chǎng)大小和位置發(fā)生了變化。電樞基波磁動(dòng)勢(shì)對(duì)氣隙基波磁場(chǎng)的影響稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)的性質(zhì)（增磁、去磁或交磁）取決于電樞磁動(dòng)勢(shì)和主磁場(chǎng)在空間的相對(duì)位置。分析表明，此相對(duì)位置取決于勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)

和電樞電流（負(fù)載電流）之間的相角差

（稱為內(nèi)功率因數(shù)角）。12.5對(duì)稱負(fù)載時(shí)電樞反應(yīng)

12.5.2電樞反應(yīng)分析1.負(fù)載時(shí)的時(shí)-空相矢圖（a）同步發(fā)電機(jī)負(fù)載示意圖（b）負(fù)載時(shí)的時(shí)-空相矢圖（c）時(shí)-空相矢圖簡(jiǎn)化表示同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的時(shí)-空相矢圖與同相位，位于d軸；滯后于90°，位于q軸；與同相位。12.5對(duì)稱負(fù)載時(shí)電樞反應(yīng)

12.5.2電樞反應(yīng)分析2.兩種情況下的電樞反應(yīng)同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的時(shí)—空相矢圖（1）與

同相位（2）與

不同相位交軸電樞反應(yīng)，簡(jiǎn)稱交磁作用。交軸電樞反應(yīng)；直軸去磁電樞反應(yīng)。交軸電樞反應(yīng)；直軸助（增）磁電樞反應(yīng)。12.5對(duì)稱負(fù)載時(shí)電樞反應(yīng)

12.5.3電樞反應(yīng)對(duì)同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行性能的影響（a）（b）（c）

同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行電樞反應(yīng)磁場(chǎng)的作用電樞反應(yīng)在能量轉(zhuǎn)換中的作用：交軸電流（交軸電樞反應(yīng)）產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，對(duì)應(yīng)有功功率；直軸電流（直軸電樞反應(yīng)）不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，對(duì)應(yīng)無(wú)功功率（指內(nèi)功率因數(shù)表示的無(wú)功）。12.6隱極同步發(fā)電機(jī)的分析方法12.6.1不計(jì)磁路飽和12.6.2計(jì)磁路飽和12.6隱極同步發(fā)電機(jī)的分析方法

12.6.1不計(jì)磁路飽和同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)物理量的關(guān)系：1.隱極同步發(fā)電機(jī)的電磁過(guò)程采用發(fā)電機(jī)慣例，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，則可得一相回路的電壓方程（方程式中電動(dòng)勢(shì)、電壓、電流均為相值）同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行各物理量參考方向12.6隱極同步發(fā)電機(jī)的分析方法

12.6.1不計(jì)磁路飽和根據(jù)隱極同步電機(jī)的電樞電磁關(guān)系有2.電樞反應(yīng)電抗與同步電抗（1）電樞反應(yīng)電抗和漏電抗當(dāng)磁路不飽和時(shí)，Ia與Ea數(shù)值關(guān)系為考慮到與的相位關(guān)系為超前90°，與可以寫成負(fù)電抗壓降的形式Xa是與電樞反應(yīng)磁通作用相對(duì)應(yīng)的電抗，稱為電樞反應(yīng)電抗。Xa的大小反映了電樞反應(yīng)的強(qiáng)弱，其值越大，單位電樞電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也越大，也就是說(shuō)單位電樞電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的影響越大。電樞反應(yīng)電抗Xa和感應(yīng)電機(jī)的勵(lì)磁電抗Xm性質(zhì)相仿；與感應(yīng)電機(jī)相比，同步電機(jī)通常具有較大的空氣隙，故。12.6隱極同步發(fā)電機(jī)的分析方法

12.6.1不計(jì)磁路飽和電樞電流產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)主要包括槽漏磁場(chǎng)、端部漏磁場(chǎng)和諧波漏磁場(chǎng)等。等效漏磁路一般可視作線性的，同理可得Xσ為電樞繞組漏電抗，它和感應(yīng)電機(jī)的定子漏電抗含義相同。（2）同步電抗電樞反應(yīng)電抗和電樞漏電抗合并為一個(gè)電抗，稱為同步電抗。隱極同步電機(jī)的同步電抗即為同步電抗是表征同步電機(jī)對(duì)稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電樞反應(yīng)磁場(chǎng)和電樞漏磁場(chǎng)影響的一個(gè)綜合參數(shù)；與電樞反應(yīng)電抗相比，漏電抗數(shù)值甚小，同步電抗與電樞反應(yīng)電抗在數(shù)值上相差不大。12.6隱極同步發(fā)電機(jī)的分析方法

12.6.1不計(jì)磁路飽和3.電壓方程式、等效電路和向量圖隱極同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的時(shí)-空相矢圖等效電路簡(jiǎn)化等效電路12.6隱極同步發(fā)電機(jī)的分析方法

12.6.1不計(jì)磁路飽和（a）感性負(fù)載（b）容性負(fù)載不計(jì)飽和時(shí)隱極同步發(fā)電機(jī)的相量圖簡(jiǎn)化等效電路由相量關(guān)系，可確定內(nèi)功率因數(shù)角為12.6隱極同步發(fā)電機(jī)的分析方法

12.6.2計(jì)磁路飽和考慮磁路飽和時(shí)，由于磁路非線性，疊加原理不再適用。先求出作用在主磁路上的合成磁動(dòng)勢(shì)Fδ，即電壓方程為再利用電機(jī)的空載特性曲線確定負(fù)載時(shí)的氣隙磁通Φδ和相應(yīng)的氣隙電動(dòng)勢(shì)Eδ。相應(yīng)的電磁關(guān)系為12.6隱極同步發(fā)電機(jī)的分析方法

12.6.2計(jì)磁路飽和磁動(dòng)勢(shì)Fδ、Ff1和Fa為空間正弦分布的磁動(dòng)勢(shì)，隱極同步電機(jī)的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff空間分布波形為一階梯波。為了利用空載特性曲線求取合成電動(dòng)勢(shì)，需要把相關(guān)的正弦波磁動(dòng)勢(shì)換算為等效的階梯波磁動(dòng)勢(shì)，為此引入一個(gè)換算系數(shù)ka。ka的意義為產(chǎn)生同樣大小的基波氣隙磁場(chǎng)時(shí)，1安匝的基波磁動(dòng)勢(shì)相當(dāng)于多少安匝的階梯波磁動(dòng)勢(shì)。對(duì)于常用的汽輪發(fā)電機(jī)，ka=0.93~1.03。12.6隱極同步發(fā)電機(jī)的分析方法

12.6.2計(jì)磁路飽和將兩側(cè)乘以ka換算成階梯波磁動(dòng)勢(shì)，得（a）相量-矢量圖（b）由合成磁動(dòng)勢(shì)確定合成電動(dòng)勢(shì)計(jì)飽和時(shí)隱極同步發(fā)電機(jī)的相量圖由求得；將與合成得；根據(jù)查空載特性曲線得到Eδ。12.7凸極同步發(fā)電機(jī)的分析方法12.7.1雙反應(yīng)理論12.7.2凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖12.7凸極同步發(fā)電機(jī)的分析方法

12.7.1

雙反應(yīng)理論與隱極同步發(fā)電機(jī)不同，凸極同步發(fā)電機(jī)的氣隙沿電樞圓周是不均勻的，需要應(yīng)用雙反應(yīng)理論進(jìn)行分析。（a）正弦波磁動(dòng)勢(shì)作用在d軸

（b）正弦波磁動(dòng)勢(shì)作用在q軸凸極同步發(fā)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)波形Fa作用在直軸上，直軸位置氣隙最小，兩邊氣隙逐漸增大，因此直軸處氣隙磁場(chǎng)最強(qiáng)，向兩邊逐漸減弱，磁密空間分布波形接近正弦波。Fa作用在交軸上，極間區(qū)域氣隙較大，磁路的磁阻較大，該區(qū)域的磁場(chǎng)較弱，磁密空間分布呈“馬鞍形”。同樣大小的電樞磁動(dòng)勢(shì)作用在直軸磁路和交軸磁路上時(shí)12.7凸極同步發(fā)電機(jī)的分析方法

12.7.1

雙反應(yīng)理論一般情況下，電樞磁動(dòng)勢(shì)作用于直軸、交軸間的任意空間位置時(shí)，由于凸極同步電機(jī)的氣隙不均勻，主磁路的磁阻是隨空間位置變化而變化的，電樞反應(yīng)電抗也在最大值和最小值之間波動(dòng)，給分析和計(jì)算帶來(lái)很多不便。當(dāng)電樞磁動(dòng)勢(shì)作用于直軸、交軸間的任意空間位置時(shí)，將之分解為直軸磁動(dòng)勢(shì)雙反應(yīng)理論的理論基礎(chǔ)實(shí)質(zhì)上是疊加原理，實(shí)踐證明，不計(jì)磁路飽和時(shí)，理論分析與實(shí)測(cè)結(jié)果符合的很好。和交軸磁動(dòng)勢(shì)兩個(gè)分量，先分別求出直軸和交軸電樞反應(yīng)以及它們的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，然后把它們疊加起來(lái)，這種分析方法即為雙反應(yīng)理論。凸極同步發(fā)電機(jī)的電樞磁動(dòng)勢(shì)分解12.7凸極同步發(fā)電機(jī)的分析方法

12.7.1

雙反應(yīng)理論不考慮磁路飽和時(shí)，根據(jù)雙反應(yīng)理論，凸極同步電機(jī)的電磁關(guān)系可表示如下凸極同步發(fā)電機(jī)的電樞磁動(dòng)勢(shì)分解

Xad和Xaq分別為凸極同步電機(jī)的直軸電樞反應(yīng)電抗和交軸電樞反應(yīng)電抗，表示三相直軸電流和交軸電流所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁場(chǎng)在電樞繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的能力。對(duì)于電勵(lì)磁凸極同步電機(jī)，因直軸氣隙比交軸氣隙小，直軸磁導(dǎo)也比交軸磁導(dǎo)大，單位電樞電流產(chǎn)生的直軸電樞反應(yīng)磁通以及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也比交軸大，故有

。12.7凸極同步發(fā)電機(jī)的分析方法

12.7.1

雙反應(yīng)理論電壓平衡方程由可得

Xd和Xq分別稱為直軸同步電抗和交軸同步電抗，它們是表征對(duì)稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電樞漏磁和直軸或交軸電樞反應(yīng)的一個(gè)綜合參數(shù)。凸極同步電機(jī)：氣隙不均，由雙反應(yīng)理論導(dǎo)出兩個(gè)同步電抗Xd和Xq，Xd>Xq。隱極同步電機(jī)：氣隙是均勻的，Xd=Xq=Xs。12.7凸極同步發(fā)電機(jī)的分析方法

12.7.1

雙反應(yīng)理論（a）感性負(fù)載

（b）容性負(fù)載不計(jì)飽和時(shí)凸極同步發(fā)電機(jī)的相量圖12.7凸極同步發(fā)電機(jī)的分析方法

12.7.1

雙反應(yīng)理論（a）感性負(fù)載（b）容性負(fù)載不計(jì)飽和時(shí)凸極同步發(fā)電機(jī)的相量圖為了求出，引入虛擬電動(dòng)勢(shì)；與同相位。12.8同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性及參數(shù)測(cè)定12.8.1運(yùn)行特性12.8.2同步發(fā)電機(jī)參數(shù)的測(cè)定12.8同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性及參數(shù)測(cè)定

12.8.1運(yùn)行特性同步發(fā)電機(jī)在對(duì)稱負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，在轉(zhuǎn)速n=常數(shù)（一般為額定轉(zhuǎn)速nN）、負(fù)載功率因數(shù)等于常數(shù)（cosφ=常數(shù)）的條件下，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流If、電樞電流Ia、電樞端電壓U三個(gè)物理量中，保持一個(gè)量不變，另外兩個(gè)量之間的函數(shù)關(guān)系即表示同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性。它們有（1）空載特性：Ia=0，U=f(If)；（2）短路特性：U=0，Ik=f(If)；（3）零功率因數(shù)負(fù)載特性：cosφ=0，Ia=常數(shù)，U=f(If)；（4）外特性：

If=常數(shù)，U=f(Ia)；（5）調(diào)整特性：U

=常數(shù)，If=f(Ia)。基本特性，求取同步電抗和漏抗運(yùn)行性能12.8同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性及參數(shù)測(cè)定

12.8.1運(yùn)行特性1.空載特性：n=nN，Ia=0，U=E0=f(If)。（1）空載特性本質(zhì)上是同步發(fā)電機(jī)主磁路的磁化特性。

（a）上升和下降時(shí)的空載特性（b）空載特性的校正空載特性（2）由于磁滯現(xiàn)象，試驗(yàn)時(shí)，必須注意增、減勵(lì)磁電流時(shí)應(yīng)單方向調(diào)節(jié)，以免局部磁滯效應(yīng)引起誤差。（3）由于磁滯現(xiàn)象，If上升和下降時(shí)的曲線不重合，一般采用If下降時(shí)的曲線來(lái)表示空載特性。（4）由于剩磁的存在，空載特性曲線不經(jīng)過(guò)坐標(biāo)系的原點(diǎn)。（5）負(fù)載時(shí)，反映了Fδ與Eδ之間的關(guān)系。12.8同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性及參數(shù)測(cè)定

12.8.1運(yùn)行特性2.短路特性：n=nN，U=0，Ia=Ik=f(If)。（1）電樞磁動(dòng)勢(shì)接近于純?nèi)ゴ诺闹陛S磁動(dòng)勢(shì)，F(xiàn)δ很?。ń咏?），主磁路不飽和。

（a）短路試驗(yàn)接線圖（b）短路特性三相穩(wěn)態(tài)短路試驗(yàn)接線圖和短路特性（2）短路特性是一條經(jīng)過(guò)原點(diǎn)的直線。短路時(shí)的等效電路12.8同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性及參數(shù)測(cè)定

12.8.1運(yùn)行特性3.零功率因數(shù)負(fù)載特性：n=nN，cosφ=0，Ia=常數(shù)，U=f(If)。（1）從負(fù)載特性曲線：負(fù)載功率因數(shù)滯后時(shí)，直軸去磁電樞反應(yīng)，端電壓低于空載電壓；負(fù)載功率因數(shù)超前，直軸去磁電樞反應(yīng)減小，甚至形成助磁電樞反應(yīng)，端電壓亦可能反而高于空載電壓。零功率因數(shù)時(shí)的等效電路同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性（2）零功率因數(shù)負(fù)載時(shí)，負(fù)載為純感性負(fù)載，電樞反應(yīng)與短路時(shí)相同，也是起純直軸去磁作用。（3）零功率因數(shù)負(fù)載特性可以確定電樞漏抗和直軸電樞反應(yīng)的等效勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)或等效勵(lì)磁電流。12.8同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性及參數(shù)測(cè)定

12.8.1運(yùn)行特性（1）零功率因數(shù)負(fù)載特性與空載特性之間存在一個(gè)直角三角形△EAF，稱為特性三角形。零功率因數(shù)負(fù)載特性與空載特性（2）鉛垂邊AE為漏抗壓降IaXσ。（3）水平邊AF為等效的去磁勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。由空載特性和零功率因數(shù)負(fù)載特性可求得特性三角形，即可得到電樞漏抗壓降IaXσ和電樞反應(yīng)等效勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)kadFa。即可求得Xσ、等效去磁磁動(dòng)勢(shì)（等效去磁電流）。12.8同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性及參數(shù)測(cè)定

12.8.1運(yùn)行特性4.外特性：n=nN，cosφ=常數(shù)，If=常數(shù)，U=f(Ia)。（1）感性負(fù)載和純電阻負(fù)載：電樞電流（負(fù)載電流）增加，端電壓減小，外特性是下降的，這是由于電樞反應(yīng)的去磁作用和漏阻抗壓降所引起的。（2）容性負(fù)載：電樞反應(yīng)作用和容性電流的漏抗電壓可能使端電壓增加，外特性可能是上升的。不同功率因數(shù)負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的外特性由外特性求電壓調(diào)整率（3）同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率凸極同步發(fā)電機(jī)的?u通常在18%~30%以內(nèi)；隱極同步發(fā)電機(jī)由于電樞反應(yīng)較強(qiáng)，?u通常在30%~48%這一范圍內(nèi)。忽略電樞漏阻抗壓降，端電壓決定了電樞合成磁場(chǎng)或氣隙合成磁場(chǎng)的大小，端電壓不變，氣隙合成磁場(chǎng)近似不變。12.8同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性及參數(shù)測(cè)定

12.8.1運(yùn)行特性5.調(diào)整特性：n=nN，cosφ=常數(shù)，U=常數(shù)，If=f(Ia)。（1）感性負(fù)載和純電阻負(fù)載：為補(bǔ)償電樞電流所產(chǎn)生的去磁電樞反應(yīng)和漏阻抗壓降，隨電樞電流的增加，必須相應(yīng)地增加勵(lì)磁電流，因此調(diào)整特性是上升的。（2）容性負(fù)載：在容性負(fù)載時(shí)，電樞反應(yīng)可能會(huì)產(chǎn)生助磁作用，調(diào)整特性亦可能是下降的。同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性12.8同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性及參數(shù)測(cè)定

12.8.2同步發(fā)電機(jī)參數(shù)的測(cè)定1.利用空載特性和短路特性確定Xd

（1）Xd的不飽和值：Xd的不飽和值短路時(shí)的等效電路（2）Xd的飽和值：Xd的飽和值12.8同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性及參數(shù)測(cè)定

12.8.2同步發(fā)電機(jī)參數(shù)的測(cè)定2.短路比kc

定義1：短路比是指同步發(fā)電機(jī)在空載額定電壓的勵(lì)磁電流下，電樞繞組穩(wěn)態(tài)短路電流與額定電流之間的比值。短路比的確定定義2：產(chǎn)生空載額定電壓所需的勵(lì)磁電流與產(chǎn)生短路電流為額定電流所需的勵(lì)磁電流之比。12.8同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性及參數(shù)測(cè)定

12.8.2同步發(fā)電機(jī)參數(shù)的測(cè)定不飽和直軸同步電抗與短路比的關(guān)系為短路比的大小對(duì)同步發(fā)電機(jī)的影響：（1）并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，影響靜態(tài)穩(wěn)定度。短路比大，同步電抗小，并聯(lián)運(yùn)行時(shí)靜態(tài)穩(wěn)定度高。（2）單機(jī)運(yùn)行時(shí)，影響發(fā)電機(jī)端電壓波動(dòng)。短路比大，負(fù)載變化時(shí)，由于電樞阻抗壓降小，發(fā)電機(jī)的端電壓波動(dòng)小。（3）短路比大，則發(fā)電機(jī)輸出端短路時(shí)的短路電流較大。（4）影響發(fā)電機(jī)的尺寸和造價(jià)。在設(shè)計(jì)上，通常采用調(diào)整氣隙的方法改變短路比的大小。短路比大，發(fā)電機(jī)的氣隙大，轉(zhuǎn)子額定勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)增加，致使發(fā)電機(jī)的尺寸增加，用銅量和制造成本增加。短路比越大，同步電抗越小。12.8同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性及參數(shù)測(cè)定

12.8.2同步發(fā)電機(jī)參數(shù)的測(cè)定3.用空載特性和零功率因數(shù)負(fù)載特性確定電樞漏抗Xσ

與理想的零功率因數(shù)負(fù)載特性相比，實(shí)際測(cè)得的零功率因數(shù)負(fù)載特性向右偏離理想曲線。所求得的漏抗稱為保梯電抗Xp確定電樞漏抗確定保梯電抗隱極發(fā)電機(jī)凸極發(fā)電機(jī)零功率因數(shù)負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)子部分磁阻增大致使電機(jī)主磁路磁阻增大，為獲得同樣大的氣隙磁通需要更大的勵(lì)磁電流。12.8同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性及參數(shù)測(cè)定

12.8.2同步發(fā)電機(jī)參數(shù)的測(cè)定4.用空載特性和零功率因數(shù)負(fù)載特性確定Xd的飽和值連接O、E并將之延長(zhǎng)作為此時(shí)線性化空載特性，再與MF相交于T點(diǎn)，則MF為勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)空載特性和零功率因數(shù)負(fù)載特性確定Xd的飽和值可得：5.用電動(dòng)勢(shì)-磁動(dòng)勢(shì)相矢圖求取額定勵(lì)磁電流和電壓調(diào)整率12.8同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性及參數(shù)測(cè)定

12.8.2同步發(fā)電機(jī)參數(shù)的測(cè)定6.轉(zhuǎn)差法測(cè)定直軸同步電抗Xd和交軸同步電抗Xq（1）勵(lì)磁繞組開路；（2）將被測(cè)同步電機(jī)用原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)到接近同步轉(zhuǎn)速，使被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率小于1%，但不被牽入同步;（3）再在定子繞組上施加約為（2~5）％UN的三相對(duì)稱低電壓，這一電壓滿足兩個(gè)條件：磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向一致磁場(chǎng)不太強(qiáng)，該磁場(chǎng)不會(huì)將轉(zhuǎn)子拉入到同步速（4）測(cè)量定子端電壓及對(duì)應(yīng)電流波形。12.8同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性及參數(shù)測(cè)定

12.8.2同步發(fā)電機(jī)參數(shù)的測(cè)定滑差法求參數(shù)電壓和電流均為相值；測(cè)試時(shí)施加的電壓很低，磁路處于不飽和狀態(tài)，測(cè)得的Xd和Xq均為不飽和值。第13章同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行13.1同步發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)的條件與方法13.2同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的功角特性13.3同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的功率調(diào)節(jié)13.1同步發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)的條件與方法13.1.1投入并聯(lián)運(yùn)行的條件13.1.2投入并聯(lián)方法13.1同步發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)的條件與方法

13.1.1

投入并聯(lián)運(yùn)行的條件發(fā)電廠常將多臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)在一起運(yùn)行，由許多發(fā)電廠并聯(lián)組成區(qū)域電網(wǎng)，各區(qū)域之間又可根據(jù)需要并聯(lián)成現(xiàn)代電力系統(tǒng)（或稱電網(wǎng)），亦稱無(wú)窮大電網(wǎng)。電力系統(tǒng)示意圖并聯(lián)運(yùn)行優(yōu)點(diǎn)：（1）提高供電質(zhì)量。（2）提高供電的可靠性。（3）提高供電的經(jīng)濟(jì)性和靈活性。電力系統(tǒng)越大，負(fù)載就越趨均勻，不同性質(zhì)的負(fù)載，相互起補(bǔ)償作用；發(fā)電機(jī)就能經(jīng)常滿載運(yùn)行，提高了設(shè)備的效率和利用率。聯(lián)成大電力系統(tǒng)后，經(jīng)濟(jì)合理地利用動(dòng)力資源。單臺(tái)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行不會(huì)影響整個(gè)電網(wǎng)的電壓和頻率:U=const,f=const。13.1同步發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)的條件與方法

13.1.1

投入并聯(lián)運(yùn)行的條件（a）并聯(lián)運(yùn)行示意圖

（b）相序不同時(shí)相量圖（c）幅值不等相量圖（d）相位或頻率不同相量圖發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)情況把同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)至電網(wǎng)的過(guò)程稱為投入并聯(lián)，亦稱為并列、并車、整步。為了避免在投入時(shí)產(chǎn)生沖擊電流，并聯(lián)合閘的條件為發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)連接的相序應(yīng)相同；發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的電壓波形應(yīng)相同；發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的頻率應(yīng)相同（調(diào)轉(zhuǎn)速）；發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)電壓的大?。ㄕ{(diào)勵(lì)磁電流）和相位相同（調(diào)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速）；13.1同步發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)的條件與方法

13.1.2投入并聯(lián)方法實(shí)用的整步方法：準(zhǔn)確整步法和自整步法。1.準(zhǔn)確整步法為了判斷是否滿足投入并聯(lián)的條件，常采用同步指示器。最簡(jiǎn)單的同步指示器由3個(gè)同步指示燈組成，按接法分為：（1）直接接法（燈光熄滅法）（2）交叉接法（燈光旋轉(zhuǎn)法）相序、頻率、電壓（波形、大小和相位）：第一個(gè)條件必須滿足，其它允許稍有出入。直接接法（燈光熄滅法）交叉接法（燈光旋轉(zhuǎn)法）13.1同步發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)的條件與方法

13.1.2投入并聯(lián)方法

（a）接線圖

（b）電壓相量圖直接接法的接線圖和相量圖（1）直接接法（燈光熄滅法）直接接法投入并聯(lián)方法為：①把發(fā)電機(jī)拖動(dòng)到接近同步轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，使得UG=US；②在電壓相等、相序一致的情況下，3個(gè)燈會(huì)同時(shí)明暗交替，否則說(shuō)明相序不一致；③通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速使燈明暗變化十分緩慢，說(shuō)明發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的頻率已十分接近，在3個(gè)指示燈全暗時(shí)刻，迅速合閘，完成并網(wǎng)操作。13.1同步發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)的條件與方法

13.1.2投入并聯(lián)方法

（a）接線圖

（b）電壓相量圖交叉接法的接線圖和相量圖（2）交叉接法（燈光旋轉(zhuǎn)法）交叉接法投入并聯(lián)方法為：①把發(fā)電機(jī)拖動(dòng)到接近同步轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，使得UG=US；②在電壓相等、相序一致的情況下，則燈光旋轉(zhuǎn)，否則說(shuō)明相序不一致；③通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速直到燈光旋轉(zhuǎn)十分緩慢，說(shuō)明發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的頻率已十分接近，待到燈1熄滅、燈2燈3亮度相同時(shí)，迅速合閘，完成并網(wǎng)操作。13.1同步發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)的條件與方法

13.1.2投入并聯(lián)方法交叉接法投入并聯(lián)過(guò)程分析（fG>fS）準(zhǔn)確整步法的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：投入瞬間，電網(wǎng)和電機(jī)基本上沒有沖擊；缺點(diǎn)：整步手續(xù)比較復(fù)雜，所需時(shí)間較長(zhǎng)。13.1同步發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)的條件與方法

13.1.2投入并聯(lián)方法自整步法原理接線自整步法的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單、投入迅速、不需增添復(fù)雜的裝置，在系統(tǒng)電壓和頻率降低的情況下，仍可能將發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。缺點(diǎn)：并聯(lián)發(fā)電機(jī)未加勵(lì)磁，投入并聯(lián)時(shí)會(huì)從電網(wǎng)中吸收無(wú)功而造成電網(wǎng)電壓下降，同時(shí)產(chǎn)生較大的沖擊電流。2.自整步法注意：勵(lì)磁繞組必須通過(guò)一個(gè)限流電阻短接。直接開路，將感應(yīng)出危險(xiǎn)的高壓；直接短路，將在定、轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生很大的沖擊電流。自整步法步驟：①在相序一致的情況下將勵(lì)磁繞組通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娮瓒探樱虎谟迷瓌?dòng)機(jī)把發(fā)電機(jī)拖動(dòng)到接近同步轉(zhuǎn)速(相差2~5％)；③在沒有接通勵(lì)磁電流的情況下將發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)；④再接通勵(lì)磁并調(diào)節(jié)勵(lì)磁強(qiáng)弱，依靠定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間的電磁轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子拉入同步轉(zhuǎn)速。13.2

同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的功角特性13.2.1同步發(fā)電機(jī)的功率與轉(zhuǎn)矩平衡13.2.2同步發(fā)電機(jī)的功角特性13.2.3功率角的空間意義13.2同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的功角特性

13.2.1同步發(fā)電機(jī)的功率與轉(zhuǎn)矩平衡1.功率平衡功率平衡方程式同步發(fā)電機(jī)的功率流程圖空載損耗2.轉(zhuǎn)矩平衡發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩與制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩之和相平衡，即它們大小相等、方向相反。13.2同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的功角特性

13.2.1同步發(fā)電機(jī)的功率與轉(zhuǎn)矩平衡電磁功率Pem在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中是一個(gè)十分重要的物理概念，通過(guò)它來(lái)聯(lián)系機(jī)械功率和電功率。同步發(fā)電機(jī)的功率流程圖隱極同步發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，電樞電流中必須要有有功分量（電樞電流的交軸分量）。正是由于交軸電樞電流的存在，產(chǎn)生交軸電樞反應(yīng)，使得氣隙合成磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子主極磁場(chǎng)在空間上存在相位差，從而相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。13.2同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的功角特性

13.2.2同步發(fā)電機(jī)的功角特性1.凸極同步發(fā)電機(jī)的功角特性凸極同步電機(jī)的功角特性當(dāng)電網(wǎng)電壓和頻率保持不變、參數(shù)為常數(shù)、勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E0不變（If不變）時(shí)，基本電磁功率Pem1附加電磁功率Pem20°<δ<180°，Pem>0，處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)；-180°<δ<0°，Pem<0，處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)；Pem(max)出現(xiàn)在45°<δ<90°。同步發(fā)電機(jī)電磁功率與功率角之間的關(guān)系Pem=f(δ)稱為功角特性13.2同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的功角特性

13.2.2同步發(fā)電機(jī)的功角特性2.隱極同步發(fā)電機(jī)的功角特性隱極同步電機(jī)，Xd=Xq=Xs，Pem2=0，Pem=Pem1，即隱極同步電機(jī)的功角特性凸極同步電機(jī)的電磁功率也可以寫成類似的簡(jiǎn)單形式，即該式形式上比較簡(jiǎn)單，但在使用時(shí)要注意式中的虛擬電動(dòng)勢(shì)EQ本身亦是功率角δ的函數(shù)。13.2同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的功角特性

13.2.3

功率角的空間意義功率角的時(shí)間含義：δ是相量和之間的夾角；近似為相量和之間的夾角。（a）時(shí)-空相矢圖（b）同步發(fā)電機(jī)工作時(shí)的物理模擬功率角的空間含義功率角的空間含義：δ是矢量和之間的夾角；近似為相量和之間的夾角。13.3同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的功率調(diào)節(jié)13.3.1有功功率調(diào)節(jié)與靜態(tài)穩(wěn)定13.3.2無(wú)功功率調(diào)節(jié)與V形曲線13.3同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的功率調(diào)節(jié)

13.3.1有功功率調(diào)節(jié)與靜態(tài)穩(wěn)定1.有功功率調(diào)節(jié)

δ=0°時(shí)的相矢圖同步發(fā)電機(jī)并列到無(wú)窮大電網(wǎng)之后，其頻率和端電壓受電網(wǎng)約束，與電網(wǎng)一致，保持不變。以隱極發(fā)電機(jī)為例分析，不計(jì)電樞電阻和磁飽和的影響。（1）開始投入并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)（2）僅增加勵(lì)磁電流If僅調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If或勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E0不能進(jìn)行有功功率調(diào)節(jié)。13.3同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的功率調(diào)節(jié)

13.3.1有功功率調(diào)節(jié)與靜態(tài)穩(wěn)定

δ=δA時(shí)的相矢圖（3）增加輸入機(jī)械功率P1（輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩T1）發(fā)電機(jī)內(nèi)部自動(dòng)改變功率角，相應(yīng)改變電磁功率和輸出功率，達(dá)到新的功率平衡。直到δ=90°，電磁功率達(dá)到最大值Pem(max)，此時(shí)達(dá)到隱極同步發(fā)電機(jī)的功率極限。Pem(max)稱為同步電機(jī)的極限功率，對(duì)應(yīng)的功率角用δm表示13.3同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的功率調(diào)節(jié)

13.3.1有功功率調(diào)節(jié)與靜態(tài)穩(wěn)定

δ=δA時(shí)的電磁功率不計(jì)電樞電阻，根據(jù)功角特性，此時(shí)同步發(fā)電機(jī)將向電網(wǎng)輸出一定的有功功率若不改變勵(lì)磁電流If，在調(diào)節(jié)有功功率的過(guò)程中，功率角δ的變化也將引起功率因數(shù)角φ的變化，導(dǎo)致無(wú)功功率變化。隱極同步發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送的無(wú)功功率Q為13.3同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的功率調(diào)節(jié)

13.3.1有功功率調(diào)節(jié)與靜態(tài)穩(wěn)定2.靜態(tài)穩(wěn)定并聯(lián)運(yùn)行時(shí)同步發(fā)電機(jī)的靜穩(wěn)定性并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，短時(shí)受到外界（電網(wǎng)或原動(dòng)機(jī)）擾動(dòng)后，若能恢復(fù)到原來(lái)平衡運(yùn)行狀態(tài)，則發(fā)電機(jī)是“靜態(tài)穩(wěn)定”的，否則就是不穩(wěn)定的。A點(diǎn)穩(wěn)定；C點(diǎn)不穩(wěn)定13.3同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的功率調(diào)節(jié)

13.3.1有功功率調(diào)節(jié)與靜態(tài)穩(wěn)定注意隱極發(fā)電機(jī)：功率極限角為90°凸極發(fā)電機(jī)：功率極限角小于90°穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)：功角特性曲線上升段結(jié)論不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)：功角特性曲線下降段穩(wěn)定判據(jù)：隱極機(jī)穩(wěn)定判據(jù)：凸極機(jī)穩(wěn)定判據(jù)：13.3同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的功率調(diào)節(jié)

13.3.1有功功率調(diào)節(jié)與靜態(tài)穩(wěn)定為使同步發(fā)電機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)使發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行點(diǎn)距其穩(wěn)定極限有一定的距離，即發(fā)電機(jī)極限功率與額定功率保持一個(gè)恰當(dāng)?shù)谋壤?。為此定義發(fā)電機(jī)最大電磁功率與額定功率之比為靜態(tài)過(guò)載倍數(shù)或過(guò)載能力，用Km表示，即對(duì)于隱極發(fā)電機(jī)過(guò)載能力越大，電機(jī)的穩(wěn)定性越好。增大勵(lì)磁電流（即增大If）和減小同步電抗（即增大短路比）可以提高同步電機(jī)的極限功率，對(duì)提高過(guò)載能力和靜態(tài)穩(wěn)定性是有利的。13.3同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的功率調(diào)節(jié)

13.3.2無(wú)功功率調(diào)節(jié)與V形曲線1.無(wú)功功率調(diào)節(jié)保持原動(dòng)機(jī)提供的機(jī)械功率不變，僅調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流If。調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流前后，以隱極發(fā)電機(jī)為例分析，應(yīng)有即電網(wǎng)上的負(fù)載主要為感性負(fù)載，發(fā)電機(jī)通常向電網(wǎng)輸出有功功率和感性無(wú)功功率；保持有功功率不變，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，可以調(diào)節(jié)輸出無(wú)功功率的大小和性質(zhì)。電磁功率恒定、調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流時(shí)的相量圖13.3同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的功率調(diào)節(jié)

13.3.2無(wú)功功率調(diào)節(jié)與V形曲線輸出P；

Q=0If↑過(guò)勵(lì)狀態(tài)；輸出

P；Q(感性)If↓欠勵(lì)狀態(tài)；輸出P；Q(容性)正常勵(lì)磁If；

過(guò)勵(lì)時(shí)，電樞電流滯后，輸出感性無(wú)功（吸收容性無(wú)功）；欠勵(lì)時(shí)，電樞電流超前，輸出容性無(wú)功（吸收感性無(wú)功）。13.3同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的功率調(diào)節(jié)

13.3.2無(wú)功功率調(diào)節(jié)與V形曲線2.V形曲線分析這些曲線可以看出：（1）P2=常數(shù)，其值越大，V形曲線越高。（2）cosφ=1，Ia最小，對(duì)應(yīng)“正常勵(lì)磁”狀態(tài)。（3）最低點(diǎn)連起來(lái)的線稱為cosφ=1的軌跡曲線，該曲線微微向右傾斜。在保持電網(wǎng)電壓U和輸出功率P2不變的條件下，發(fā)電機(jī)電樞電流Ia和勵(lì)磁電流If同步發(fā)電機(jī)的V形曲線之間的關(guān)系Ia=f(If)曲線，因其形似字母“V”，故稱之為發(fā)電機(jī)的V形曲線。13.3同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的功率調(diào)節(jié)

13.3.2無(wú)功功率調(diào)節(jié)與V形曲線（4）cosφ=1的軌跡曲線的左邊為欠勵(lì)，輸出容性無(wú)功，cosφ=常數(shù)（超前）的曲線隨常數(shù)減小往左偏；在cosφ=1的軌跡曲線的右邊為過(guò)勵(lì)狀態(tài)，輸出感性無(wú)功，cosφ=常數(shù)（滯后）的曲線隨常數(shù)減小往右偏。（5）曲線的最左端為最小勵(lì)磁電流限制區(qū)，由于勵(lì)磁電流過(guò)小，運(yùn)行功率角δ>90°，發(fā)電機(jī)將失去穩(wěn)定性。同步發(fā)電機(jī)的V形曲線V形曲線有助于發(fā)電管理人員了解不同輸出有功功率情況下電樞電流與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系，從而控制發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀況。14.1同步電動(dòng)機(jī)14.2同步補(bǔ)償機(jī)14.3永磁同步電動(dòng)機(jī)第14章同步電動(dòng)機(jī)與同步補(bǔ)償機(jī)14.1.1同步電機(jī)的可逆運(yùn)行原理14.1.2同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程與相量圖14.1.3同步電動(dòng)機(jī)的功角特性、功率平衡方程及轉(zhuǎn)矩平衡方程14.1.4同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性14.1.5同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速14.1同步電動(dòng)機(jī)14.1同步電動(dòng)機(jī)

14.1.1同步電機(jī)的可逆運(yùn)行原理同步電機(jī)運(yùn)行是可逆的，即同一臺(tái)電機(jī)既可以作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)-空相矢圖同步電機(jī)三種運(yùn)行狀態(tài)：發(fā)電機(jī)運(yùn)行、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行、調(diào)相機(jī)運(yùn)行。1.發(fā)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在前合成磁場(chǎng)在后

轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)超前合成磁場(chǎng)δ。T1=Te+T0：電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩P1=Pem+p0Pem=pCua+P2≈P2機(jī)械功率→電功率

（P1：從軸上輸入的機(jī)械功率；P2：輸出電功率）14.1同步電動(dòng)機(jī)

14.1.1同步電機(jī)的可逆運(yùn)行原理2.補(bǔ)償機(jī)運(yùn)行補(bǔ)償機(jī)狀態(tài)時(shí)-空相矢圖空載運(yùn)行：發(fā)電機(jī)空載電動(dòng)機(jī)空載空載損耗由原動(dòng)機(jī)提供。空載損耗由電網(wǎng)提供（為補(bǔ)償機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)）。Te<0：與發(fā)電機(jī)相比，由制動(dòng)轉(zhuǎn)矩變?yōu)轵?qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；∣Te∣=T0：其數(shù)值很小。14.1同步電動(dòng)機(jī)

14.1.1同步電機(jī)的可逆運(yùn)行原理電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)-空相矢圖3.電動(dòng)機(jī)運(yùn)行撤去原動(dòng)機(jī)，并帶上機(jī)械負(fù)載：合成磁場(chǎng)在前轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在后

合成磁場(chǎng)超前轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)δ。電動(dòng)機(jī)負(fù)載∣Te∣=T0+TL：電磁轉(zhuǎn)矩為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩∣Pem∣=p0+∣P1∣：電功率→機(jī)械功率(P1:從電機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率)14.1同步電動(dòng)機(jī)

14.1.2同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程與相量圖以發(fā)電機(jī)慣例分析時(shí)，在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，

δ<0

、φ>90°，P2=mUIacos

φ<0表示電動(dòng)機(jī)向電網(wǎng)輸送負(fù)的有功功率（表明實(shí)際上是電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收有功功率），這樣表達(dá)顯然很不方便，為此改用電動(dòng)機(jī)慣例，即規(guī)定電動(dòng)機(jī)電流的方向與發(fā)電機(jī)相反，以輸入電流作為電樞電流的正方向，此時(shí)輸入電功率為正值，將電機(jī)作為電網(wǎng)的負(fù)載看待。采用電動(dòng)機(jī)慣例分析時(shí)，習(xí)慣將有關(guān)物理量加下標(biāo)“M”以示與發(fā)電機(jī)慣例區(qū)分。以隱極同步發(fā)電機(jī)為例：發(fā)電機(jī)慣例的等效電路電動(dòng)機(jī)慣例的等效電路14.1同步電動(dòng)機(jī)

14.1.2同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程與相量圖1.隱極同步電動(dòng)機(jī)：電動(dòng)機(jī)慣例下隱極同步電機(jī)的等效電路電動(dòng)機(jī)慣例下隱極同步電機(jī)的相量圖14.1同步電動(dòng)機(jī)

14.1.2同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程與相量圖2.凸極同步電動(dòng)機(jī)：電動(dòng)機(jī)慣例下凸極同步電機(jī)的相量圖當(dāng)超前于時(shí)，φM取正值，反之，φM取負(fù)值；為正值時(shí)，表示超前于，否則，表示滯后于。14.1同步電動(dòng)機(jī)

14.1.3功角特性、功率平衡方程及轉(zhuǎn)矩平衡方程1.功角特性凸極同步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩（矩角特性）凸極同步電動(dòng)機(jī)功角特性隱極同步電動(dòng)機(jī)功角特性隱極同步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩（矩角特性）14.1同步電動(dòng)機(jī)

14.1.3功角特性、功率平衡方程及轉(zhuǎn)矩平衡方程2.功率平衡方程及轉(zhuǎn)矩平衡方程（1）功率平衡方程空載損耗電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩同步電動(dòng)機(jī)的功率流程圖（2）轉(zhuǎn)矩平衡方程電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩與制動(dòng)性質(zhì)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩之和相平衡，即它們大小相等、方向相反。14.1同步電動(dòng)機(jī)

14.1.4同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性包括工作特性和V形曲線。1.工作特性電磁轉(zhuǎn)矩Te與P2成線性關(guān)系，Te=f(P2)是一條直線。同步電動(dòng)機(jī)的工作特性（1）Te=f(P2)電網(wǎng)的電壓和頻率不變，且同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流也保持不變時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩、電樞電流、效率及功率因數(shù)與輸出功率之間的關(guān)系。（2）IM=f(P2)隨著電磁轉(zhuǎn)矩Te增大，電樞電流IM也隨之增大，IM=f(P2)近似為一條直線。14.1同步電動(dòng)機(jī)

14.1.4同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性同步電動(dòng)機(jī)的效率特性與其他電機(jī)基本相同?？蛰d時(shí)，η=0；隨著輸出功率P2增加，效率逐步增加，達(dá)到最大效率ηmax后開始下降。（3）η=f(P2)（4）cosφM=f(P2)曲線1：勵(lì)磁電流較小、空載時(shí)cosφM=1，此時(shí)保持If不變，隨著P2增加，cosφM從1逐步下降而變?yōu)闇?。曲線2：勵(lì)磁電流稍大、半載時(shí)cosφM=1，此時(shí)保持If不變，則輕載時(shí)cosφM超前，超過(guò)半載后cosφM滯后。曲線3：勵(lì)磁電流更大、滿載時(shí)cosφM=1。由此可見，改變If，可使電動(dòng)機(jī)吸收無(wú)功功率的大小和性質(zhì)發(fā)生變化。與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，功率因數(shù)可調(diào)是同步電動(dòng)機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)之一。不同勵(lì)磁時(shí)同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)特性14.1同步電動(dòng)機(jī)

14.1.4同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性2.無(wú)功功率調(diào)節(jié)和V形曲線恒功率、變勵(lì)磁時(shí)的隱極同步電動(dòng)機(jī)相量圖（1）無(wú)功功率調(diào)節(jié)與同步發(fā)電機(jī)相似，當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)電磁功率不變時(shí)，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流就可以調(diào)節(jié)其無(wú)功功率。忽略定子銅耗，保持輸入電功率P1不變，僅調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流If。調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流前后，以隱極發(fā)電機(jī)為例分析，應(yīng)有14.1同步電動(dòng)機(jī)

14.1.4同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性恒功率、變勵(lì)磁時(shí)的隱極同步電動(dòng)機(jī)相量圖結(jié)論：（1）Pem不變，調(diào)節(jié)If可以改變無(wú)功功率的大小和性質(zhì)。（2）cosφM=1時(shí)，正常勵(lì)磁狀態(tài)，IM全為有功電流，數(shù)值最小。（3）當(dāng)If大于正常勵(lì)磁值時(shí)，過(guò)勵(lì)磁狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)吸收超前的無(wú)功功率（相當(dāng)于容性負(fù)載）。（4）當(dāng)If小于正常勵(lì)磁值時(shí)，欠勵(lì)磁狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)吸收滯后的無(wú)功功率（相當(dāng)于感性負(fù)載，與異步電動(dòng)機(jī)的情況類似）。14.1同步電動(dòng)機(jī)

14.1.4同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性同步電動(dòng)機(jī)的V形曲線2.V形曲線與同步發(fā)電機(jī)相似，接到無(wú)窮大電網(wǎng)的同步電動(dòng)機(jī)，如果保持機(jī)械負(fù)載不變（相當(dāng)于有功功率恒定），勵(lì)磁電流變化時(shí)，電樞電流隨之變化的關(guān)系曲線形狀仍為“V”字，稱之為同步電動(dòng)機(jī)的V形曲線。結(jié)論：（1）V形曲線的最低點(diǎn)是正常勵(lì)磁、cosφM=1的工作點(diǎn)；（2）右側(cè)“過(guò)勵(lì)磁”，吸收超前無(wú)功功率（容性負(fù)載）；（3）左側(cè)“欠勵(lì)磁”，吸收滯后無(wú)功功率（感性負(fù)載）；（4）在欠勵(lì)磁區(qū)，勵(lì)磁電流減小到一定數(shù)值時(shí)，由于過(guò)載能力下降，電動(dòng)機(jī)將失步而不能穩(wěn)定運(yùn)行。通常過(guò)勵(lì)運(yùn)行狀態(tài)：（1）增加If，提高過(guò)載能力和靜態(tài)穩(wěn)定性；（2）輸出感性無(wú)功功率，改善電網(wǎng)功率因數(shù)。14.1同步電動(dòng)機(jī)

14.1.4同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速1.同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)起動(dòng)時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)且具有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，若給轉(zhuǎn)子勵(lì)磁后直接將之投入電網(wǎng)，則定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將以同步轉(zhuǎn)速相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生正、負(fù)交變的脈振轉(zhuǎn)矩，平均值為0，因此同步電動(dòng)機(jī)通常不能自起動(dòng)，而必須借助其他起動(dòng)方法。同步電動(dòng)機(jī)通常采用的起動(dòng)方法有以下三種：（1）輔助電動(dòng)機(jī)起動(dòng)法（2）變頻起動(dòng)法（3）異步起動(dòng)法14.1同步電動(dòng)機(jī)

14.1.4同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與調(diào)速如何理解同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生正、負(fù)交變的脈振轉(zhuǎn)矩，平均值為0，不能自起動(dòng)？起動(dòng)時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)且具有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。N0S0SaNaN0S0SaNaN0S0SaNaN0S0SaNaNa、Sa為定子電流（電樞電流）產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（電樞反應(yīng)磁場(chǎng)或電樞主磁場(chǎng)），以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；N0、S0為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)（轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)），轉(zhuǎn)速為0；兩者極對(duì)數(shù)相同，但轉(zhuǎn)