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第六章 同步电机的稳态分析

同步发电机，视为一个有内阻抗的电源！

6.1 同步电机的基本结构和运行状态

同步电机

一、同步电机的基本结构

旋转电枢式旋转电枢式

旋转磁极式旋转磁极式

隐极式 （Salient-pole）

凸极式 （Cylindrical-Rotor）

基本结构形式

N

S

+

隐极式

结构特点：转子是长圆柱形，气隙较为均匀，转子表面有 大齿和小齿之分。一对极，由汽轮机拖动，称汽轮发电机

高速

N

S

隐极式

直轴，大齿中心

交轴

联想到直流电机的交轴电枢反应和直轴电枢反应！联想到直流电机的交轴电枢反应和直轴电枢反应！

NS

N

S +

凸极式

结构特点：转子是扁盘状，转子表面有明显凸出的磁极，气 隙为不均匀。多对极，通常由水轮机拖动，称水轮发电机

低速

NS

N

S

凸 极 式

直轴，磁极中心

交轴

直轴和交轴的气隙不均匀直轴和交轴的气隙不均匀联想到直流电机的 交轴电枢反应和直 轴电枢反应！

联想到直流电机的 交轴电枢反应和直 轴电枢反应！

1、汽轮发电机结构

（1）定子铁心

返回

返回

1、汽 轮发电 机结构

返回

2、水轮发电机结构

(1)立式水轮发电机 (2)卧式水轮发电机

2、水轮发电机结构转子结构

10000kW水轮机转子

1.发电环节——各种电机

引进600MW汽轮发电机

国产300MW汽轮发电机

国产200MW汽轮发电机定子

国产200MW汽轮发电机定子铁心

现场运行的水轮发电机

６.1同步电机的基本工作原理与结构

发电机的物理过 程可用图示表示

６.1.2

同步电机的基本工作原理与分类一、同步发电机的基本工作原理

大小：0 1 1 04 44 wE . fN k Φ=

频率：60pnf =

励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁 场，原动机拖动转子以转速

旋转时，其

磁场切割定子绕组而感应交流电动势

.

n0E

相序：由转子的转向决定。

波形：由

可知，波形 取决于

的空间分布。

( x )e B lv=( x )B

二、同步电机的运行状态

发电机——把机械能转换为电能

电动机——把电能转换为机械能

补偿机——中没有有功功率的转换，专门发出或吸 收无功功率，调节电网的功率因数

同步电机运行于哪一种状态，主要取决于定子合成 磁场与转子主磁场之间的夹角δ，δ称为功率角

δ

定子合成磁场等效磁极(电气旋转磁场）定子合成磁场等效磁极(电气旋转磁场）

sneTN

S

1T

转子主磁极(机械旋转磁场)转子主磁极(机械旋转磁场)

直轴直轴

作功和电枢反应的 性质，取决于电气 旋转磁场（定子合 成磁场）轴线和直 轴之间的电角度。

作功和电枢反应的 性质，取决于电气 旋转磁场（定子合 成磁场）轴线和直 轴之间的电角度。

see TP Ω=

δ

δ

N

No

No

No

N

N

So

So

S

S

S

So

eT

0=eT

sn

sn

sn

主极 主极

同 步 电 机 的 三 种 运 行 状 态

同 步 电 机 的 三 种 运 行 状 态

发电机

补偿机

电动机eT

三、同步电机的励磁方式

直流励磁机励磁

整流器励磁静止式和旋转式

整流器励磁又分为静止式和旋转式两种。图6- 9表示静止整流器励磁系统的原理图

直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并 励或他励接法。如图6—8所示

四、额定值

• 额定容量SN (或额定功率PN ) —— 指额定运行时电机的 输出功率。单位kVA表示容量，单位kW表示有功功率

• 额定电压UN ——指额定运行时定子的线电压

• 额定电流IN ——指额定运行时定子的线电流

• 额定功率因数cosΦ ——指额定运行时电机的功率因 数

• 额定频率fN ——指额定运行时电枢的频率。我国标准 工频规定为50Hz

• 额定转速nN ——指额定运行时电机的转速，对同步电 机而言，即为同步转速

6.2 空载和负载时同步发电机的磁场

一、空载运行空载运行时，同步电机内 仅有由励磁电流所建立的主极磁场。

0Φ

σΦ f

主磁通Φ0通过气隙并与 定子绕组相交链，主磁通

所经过的主磁路包括空气 隙、电枢齿、电枢轭、磁 极极身和转子轭等五部分

主磁通Φ0通过气隙并与 定子绕组相交链，主磁通

所经过的主磁路包括空气 隙、电枢齿、电枢轭、磁 极极身和转子轭等五部分

漏磁通Φfσ

不通过气隙， 仅与励磁绕组相交链

漏磁通Φfσ

不通过气隙， 仅与励磁绕组相交链

当转子以同步转速旋转时，主磁场将在气隙中形成 一个旋转磁场，它“切割”对称的三相定子绕组后， 就会在定子绕组内感应出一组频率为f的对称三相电 动势，称为激磁电动势

000 0∠= EE A

&

000 120−∠= EE B

&

空载特性是同步电机的 一条基本特性

000 240−∠= EE C

&

00 ,ΦE

ff FI ,0fIo

φNU

气隙线

空载特性

对于转子的位置

而不会改变相的幅值只会改变电流的大小

改变励磁被固定在转子直轴上励磁磁动势

,,

,

f

f

F

F

A0B

X

ZY

B

N

Ssn

sn

fF

二 、对称负载时的电枢反应二 、对称负载时的电枢反应

•当定子接上负载后，电枢绕组将流过对称三相电 流，定子电枢电流将产生电枢磁动势

电枢磁动势与励磁磁动势相互作用形成负载时气隙中 的合成磁动势，并建立负载时的气隙磁场。这时尽管 励磁电流没有改变，但气隙磁场已经不同于原来的励 磁磁场。

对称负载时电枢磁动势的基波对主极磁动势基波的 影响称为电枢反应。

电枢反应的性质取决于电枢磁动势与励磁磁动势的 空间相对位置

二、对称负载时的电枢反应

电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场就称为 电枢反应。

电枢反应的性质(增磁、去磁或交磁)取决于电枢 磁动势和主磁场在空间的相对位置。

称为内功率因数角

之间的相角差和负载电流取决于激磁电动势

对位置励磁磁动势在空间的相分析表明电枢磁动势与

000 ψψ ,IE &&

同相和 01 EI &&)(

fF

)( aqa FF =

)( 00 Φ&B

I&0E&

FB

交轴电枢磁动势aqF

aB

气隙合成磁场B

00 =ψ

结论同相和 01 EI &&)(

使合成磁场轴线位置从空载时的直轴处，逆转向后移 了一个锐角，而幅值也有所增加

使合成磁场轴线位置从空载时的直轴处，逆转向后移 了一个锐角，而幅值也有所增加

aB

A

X

ZY

BC

N

S

0B B

sn

主磁场0B气隙合成磁场B

电枢磁场aBeT

发电机制动性质的电磁转矩。

将受到一个合成磁场，于是主极上

隙时，主磁场将超前于气＝当 °00ψ

a) 滞后于

时的空间矢量图0E&I&

不同相和 02 EI &&)(

fF

aqF

)( 00 Φ&B

I&0E&

F

B

aFadFaB

是去磁性质adF

!!!120

)(300

°

°

的夹角为和则

滞后为正夹角为与如果

af FF

IE &&

090 ψ+°fa FF 滞后

作用是去磁adF

0ψ

a) 滞后于

时的空间矢量图0E&I&从电流角度分析

不同相和 02 EI &&)(

fF

aqF

I&

0E&

F

aFadF

qd III &&& 和都可以分解为

步电机不管时隐极机和凸机同

必须含有交轴分量

因此然要使磁场发生扭斜

要发生机电能量转换必

从电机的运行状态来看

I&,

,

0ψqI&

dI&的位置都是在交轴上和 0EIq

&&

之间拉开了一个角度和的存在使 FFI fq&

b) 超前于

时的空间矢量图0E&I&

不同相和 02 EI &&)(

作用是助磁adF

fF

aqF

)( 00 Φ&B

0E&

F

B

aFadF aBI&

0ψ

电枢磁动势

aqada FFF +=

0

0

ψψ

cossin

aaq

aad

FFFF

==

qd III &&& +=

0

0

ψψ

cossin

IIII

q

d

==

交轴电枢反应使功角拉 开，与产生电磁转矩和 能量转换直接相关

交轴电枢反应使功角拉 开，与产生电磁转矩和 能量转换直接相关

直轴电枢反应对同步 电机运行影响很大。

直轴电枢反应对同步 电机运行影响很大。

1. 若同步发电机单独供电给一组负载，则负载后，去磁或者 增磁性的直轴电枢反应将使气隙内的合成磁通减少或者增

加，从而使发电机的端电压产生变动。

1. 若同步发电机单独供电给一组负载，则负载后，去磁或者 增磁性的直轴电枢反应将使气隙内的合成磁通减少或者增

加，从而使发电机的端电压产生变动。

2. 若同步发电机接在电网上，由于电压受到电网控制而不可 撼动，将影响无功功率和功率因数。

2. 若同步发电机接在电网上，由于电压受到电网控制而不可 撼动，将影响无功功率和功率因数。

电枢反应后的同步电机磁场

•负载后励磁磁动势和电枢磁动势形成了一个合成磁 场,交轴电枢反应使气隙磁场发生畸变.

•实际磁场分布和直流电机相似.

•气隙合成磁场扭斜的程度越大，使在磁场间所产生 的切向力及电磁转矩和电磁功率就越大。功率角正 是来刻划这种扭斜的程度。

6.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路

一、不考虑磁饱和，同步发电机负载运行时

fI主极 fF

aΦ&aFI&电枢

σE&

σσ XIjE && −=漏电势

aE&E&

σΦ&

0Φ& 0E&

U&电枢端电压

σXIjRIUEE aa&&&&& ++=+0

相值相值

aa RIUEEE &&&&& +=++ σ0

σXIjRIEUE aa&&&&& ++−=0

aRI&

电枢反应

电势气隙电势

同步电抗

是常数。不计饱和时这两个效应的一个参数

征电枢反应和电枢漏磁它是对称稳态运行时表

步电抗，称为隐极同步电机的同

s

ass

X

XXXX σ+=

σXIjRIEUE aa&&&&& ++−=0

aa XIjE && −=抗电抗，称为电枢反应电

应的是与电枢反应磁通相对aX

saaa XIjRIUXIjXIjRIUE &&&&&&&& ++=+++= σ0

内阻抗

隐极同步发电机的等效电路

0Er

aR

E& I& Ur

aXsX

σX

saaa XIjRIUXIjXIjRIUErrrrrrrr

++=+++= σ0

带有内阻抗的电源

是电源0Er

是内阻抗sa jXR +

隐极同步发电机的向量图

aE&

0E&

E&

aXIj&

0Φ&aΦ&

Φ&

°90

I&

ϕ U&aRI&

σXIj&EU && ≈

saaa XIjRIUXIjXIjRIUE &&&&&&&& ++=+++= σ0

隐极同步发电机的向量图

0E&

I&

sXIj&

ϕ U&aRI&

δ 0ψ

功率角的夹角为和 :δUE &&0

内功率因数角的夹角和 :00 ψIE &&

功率因数角的夹角和 :ϕIU &&

ϕδψ +=0

角度的含义

隐极同步发电机的向量图绘制步骤

0E&

I&

sXIj&

ϕ U&

aRI&δ 0ψ

作为参考向量先画出以U&

I&确定根据负载功率因数 ,cosϕ

)( IRIU a&&& 它平行与的末端加上在

)( °90IXIjRI sa&&& 超前的末端加上在

0EXIj s&& 的末端即得连接原点和

隐极同步发电机的向量图的分析

0E&

I&

sXIj&

ϕ U&aRI&

δ 0ψ

ϕψ sinsin UIXE s +=00

ϕϕψ

cossinarctan

UIRUIX

a

s

++

=0

220 )cos()sin( ϕϕ UIRUIXE as +++=

ϕψδ −= 0

从三角关系出发

ϕψ coscos UIRE a +=00

隐极同步发电机的向量图的分析

0E&

I&

sXIj&

ϕ U&δ 0ψ0ψδ cossin sIXU =

ϕϕψ

cossinarctan

UUIX s +=0

220 )cos()sin( ϕϕ UUIXE s ++= aR忽略电阻

0ψ

090 ψ−°

00 ψδ sincos sIXUE +=

UIX s 0ψδ cossin =

6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图

一、双反应理论

• 考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直轴和 交轴电枢反应分别来处理的方法，就称为双反应理论。

凸极电机气隙是不均匀的，但是围绕直轴和交轴是对称的凸极电机气隙是不均匀的，但是围绕直轴和交轴是对称的

直轴和交轴是对称分解后，采用叠加原理直轴和交轴是对称分解后，采用叠加原理

当同样大小的磁动势作用在交轴上时，由于λq较小，在极间区域，

交轴电枢磁场出现明显下凹，相对来讲，基波幅值Baq1将显著减小

当同样大小的磁动势作用在交轴上时，由于λq较小，在极间区域，

交轴电枢磁场出现明显下凹，相对来讲，基波幅值Baq1将显著减小

轴d

a

dλ

qλ

轴d轴q

当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时，由于λd较大，故 在一定大小的磁动势下，直轴基波磁场的幅值Bad1相对较大。

当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时，由于λd较大，故 在一定大小的磁动势下，直轴基波磁场的幅值Bad1相对较大。

m

m

FRFΛΦ

Φ==

直轴下单位面积的气隙

磁导λd (λd＝μ0／δd )直轴下单位面积的气隙

磁导λd (λd＝μ0／δd )交轴下单位面积的气隙

磁导λq (λq＝μ0／δq )交轴下单位面积的气隙

磁导λq (λq＝μ0／δq )>

一般情况下，若电枢磁动势既不在直轴、亦不在交轴而是在 空间任意位置处，可把电枢磁动势分解成直轴和交轴两个分 量(如图6—18b)，再用对应的直轴磁导和交轴磁导分别算出

直轴和交轴电枢反应，最后把它们的效果叠加起来

aqF

0ψ

adF

N Sπ

aFaqada FFF +=

二、凸极同步发电机的电压方程和相量图

fI fF 0Φ&

相值相值

0E&

E&addad XIjE && −=adΦ&)I(F dad &

aFI&aqΦ& aqqaq XIjE && −=)( qaq IF &

σΦ& σσ XIjE && −=

气隙电动势气隙电动势激磁电动势激磁电动势

aRI&

U&

再从气隙电动势减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，便得 电枢的端电压U．采用发电机惯例，电枢的电压方程为

UjXRIEEE aaqad&&&&& =+−++ )(0 σ

dad IE ∝ dad IE ∝

qqdda

aqqadda

aqqadda

XIjXIjRIU

)XX(Ij)XX(IjRIU

XIjXIjXIjRIUE

rrrr

rrrr

rrrrrr

+++=

+++++=

++++=

σσ

σ0

addad XIjE && −= aqqaq XIjE && −= qd III &&& +=

凸极同步发电机的向量图

的方向后才能够分解即应该先确定

才能确定的的分解是需要知道问题：

0

0

E

II dq

&

&& ψ,

0Φr

qIr

0Er

δϕ

0ψ U&

dIr

qqXIjr

Ir aRI&

ddXIjv

qqdda XIjXIjRIUErrrrr

+++=0

)XX(IjEE qddQ −−=rrr

0

qaqddqqddaQ XIjRIU)XX(Ij)XIjXIjRIU(Errrrrrrrr

++=−−+++=

角的确定0ψ

同方向没有物理含义，它和虚拟电势 0EEQ&& )(

交轴 交轴

向量图绘制步骤作为参考向量先画出以U&

I&确定根据负载功率因数 ,cosϕ

)( IRIU a&&& 它平行与的末端加上在

00

90

ψ的方向得出确定

得到超前的末端加上在

E

EIXIjRI Qqa

&

&&&& ,),( °

qd II && 和角分解为按照 0ψ

0E&

QE&

qI&

ddXIj&

qXIj&

aRI&

dI& I&

ϕ0ψ

qqXIj&

U&δ )( qdd XXIj −&

qdXIj&

0EXIjXIj

RI

ddqq

a

&&&

&

得出和

的末端加上在

qaQ XIjRIUErrrr

++=

)( qdd XXIj −&

0E&

QE&

qI& qXIj&

aRI&

dI& I&

ϕ0ψ U&

?时当 qd XX =

δ

凸极机和隐极机的一致性.

sqd XXX ==隙均匀在隐极机当中，由于气

0Er

QEr

qIr

ddXIj&

qXIjr

aRIr

dIr

Ir

ϕ0ψ

qqXIjr

Ur

ϕψ sinsin 0 UIXE qQ +=

22 )cos()sin( ϕϕ UIRUIXE aqQ +++=

ϕψδ −= 0

ϕψ coscos UIRE aQ +=0

δ

a

q

IRUIXU

+

+=

ϕϕ

ψcossin

arctan0

)(0 qddQ XXIEE −+=

ϕ0ψ

δsinUXI qq =

22 )cos()sin( ϕϕ UUIXE qQ ++=

ϕψδ −= 0

00 sincos ψδ dXIUE ⋅+=dd XIUE += δcos0

忽略电阻时：

ϕϕ

ψcos

sinarctan

UIXU q+

=0

δ

0Er

QEr

qIr

ddXIj&

qXIjr

dIr

Ir

qqXIjr

Ur

凸极同步发电机的等效电路图

•

QE

sR

•

I•

U

qX

凸极同步电机电枢反应磁通及所经磁路及磁导

)( adad ΛΦ

)( σσ ΛΦ

直轴电枢磁导 交轴电枢磁导

adFaqF

)( σσ ΛΦ)( aqaq ΛΦ

三、直轴和交轴同步电抗的意义

• 由于电抗与绕组匝数的平方和所经磁路的磁导成 正比，所以

• 如图6-22所示。对于凸极电机，由于直轴下的气 隙较交轴下小，

> ，所以Xad>Xaq，因此在凸

极同步电机中，Xd>Xq。对于隐极电机，由于气隙 是均匀的，故Xd≈Xq≈Xs

dd NX Λ∝ 21 qq NX Λ∝ 2

1

adΛ aqΛ

例题

转换功率 电磁功率

转换功率 电磁功率

6.5 同步发电机的功率方程和转矩方程

• 一、功率方程和电磁功率

• 功率方程

eFe PppP ++= Ω1发电机轴上

输入的机械 功率Pl

发电机轴上 输入的机械 功率Pl

若转子励磁损耗由另外的直流电源供给若转子励磁损耗由另外的直流电源供给

机械损耗机械损耗 定子铁耗定子铁耗

2PpP cuae +=2P

pP cuae

电枢端点输出的电功率

，可得到中减去电枢铜耗再从电磁功率

acua RmIp 2= ϕcosmUIp =2

)cos(cos 2aae IRUmIRmImUIP +=+= ϕϕ

0coscoscos ψψϕ Qa EEIRU ==+

qQ

Q

e

ImE

ImEmEIP

=

==

0ψψ

coscos

E&

ϕ凸极发电机向量图凸极发电机向量图

ψ

0ψIq =0 Pe =0Iq =0 Pe =0 δ

0Er

QEr

qIr

）（ σXXIj qa +r

dIr I

r

aRIrU

r

)cos(cos 2aae IRUmIRmImUIP +=+= ϕϕ

00 ψψϕ coscoscos EEIRU a ==+

qe ImEImEP 000 == ψcos

σXIjr

ϕ隐极发电机向量图隐极发电机向量图

aXIjr

ψ

0ψIq =0 Pe =0Iq =0 Pe =0Er

0Er

qIr

dIr I

r

aRIrU

r

结论

要进行能量转换，电枢电流中必须要有交轴电流分量Iq。要进行能量转换，电枢电流中必须要有交轴电流分量Iq。

在发电机中，交轴电枢反应使主极磁场超前于气隙合成磁 场，使主极受到一个制动性质的电磁转矩；

在发电机中，交轴电枢反应使主极磁场超前于气隙合成磁 场，使主极受到一个制动性质的电磁转矩；

在旋转过程中，原动机的驱动转矩克服制动的电磁转矩而做 功，同时通过电磁感应在电枢绕组内产生电动势并向电网送 出有功电流，使机械能转换为电能。

在旋转过程中，原动机的驱动转矩克服制动的电磁转矩而做 功，同时通过电磁感应在电枢绕组内产生电动势并向电网送 出有功电流，使机械能转换为电能。

0E&

QE&

qI&

ddXIj&

qXIj&

dI& I&

ϕ0ψ

qqXIj&

U&

。转矩和电磁功率亦愈大

在一定的范围内，电磁

愈大，就愈大，功率角

强，愈大，交轴电枢反应愈

称为功率角。夹角

之间的与端电压激磁电动势

δδ

δ

qI

UE &&0

δ

二、转矩方程

eTTT += 01

s

PT

Ω= 1

1

s

ee

PT

Ω=

s

FeppTΩ

Ω +=0

得转矩方程：

除以同步角速度把功率方程 sΩΩ eFe PppP ++=1

原动机的驱动转矩原动机的驱动转矩

电磁转矩电磁转矩

发电机的空载转矩发电机的空载转矩

6.6 同步电机参数的测定

• 一、用空载特性和短路特性确定Xd

• 空载特性可以用空载试验测出。试验时，电枢开路 (空 载)，用原动机把被试同步电机拖动到同步转速，改变励磁

电流If，并记取相应的电枢端电压U0 (空载时即等于E0，直 到U0≈1.25UN左右，可得空载特性曲线。

)(0 fIfE =

0E

E

空载曲线

OF ff IF 或

气隙线

将被试同步电机的电枢端点三相短路，用原动机拖动被试电机 到同步转速，调节励磁电流If使电枢电流I从零起一直增加到

1.2IN左右，便可得到短路特性曲线，如图6—24b所示.

A

+

−励磁 电枢

A

A

A

I

NI

O fkI fI

短路特性

短路时，端电压U=0短路时，端电压U=0

fF

0Φ&

I&0E&

F

aF

0ψ

0

dqqdda XIjXIjXIjRIUE &&&&&& ≈+++=0

00 90≈ψ 0≈qI&

0≈ 0≈

dII &&≈I

EXd0=

短路时，端电压U=0，短路电流仅受电

机本身阻抗的限制。

通常电枢电阻远小于

同步电抗，因此

短路电流可认为是纯感性，此时电枢磁

动势接近于纯去磁性的直轴磁动势，因

而电机的磁路处于不饱和状态，故短路

特性是一条直线。

fF

0Φ&

I&0E&

F

aF

0ψ

qqdda XIjXIjRIUE &&&&& +++=0

0E&

0≈aR

I& U&

1X 2X

IE

X d0=

因为短路试验时磁路为不饱和， E0 (每相值) 应从气隙线上查

出，求出的Xd值为不饱和值

因为短路试验时磁路为不饱和， E0 (每相值) 应从气隙线上查

出，求出的Xd值为不饱和值IE ,0

0E

I

o0fI fI

由于短路特性和气隙线都是直 线，因此在任一非零励磁点，E0

和I的比值均相等。表明Xd的不 饱和值与工作点无关

由于短路特性和气隙线都是直 线，因此在任一非零励磁点，E0

和I的比值均相等。表明Xd的不 饱和值与工作点无关

气隙线

短路特性

①

②

③

Xd的饱和值与主磁路的饱和情况有关。主磁路的饱和程度取 决于实际运行时作用在主磁路上的合成磁动势，因而取决于

相应的气隙电动势；如果不计漏阻抗压降，则可近似认为取 决于电枢的端电压，所以通常用对应于额定电压时的Xd值作 为其饱和值。为此，从空载曲线上查出对应于额定端电压UN

时的励磁电流If0，再从短路特性上查出与该励磁电流相应的 短路电流，如图6—26所示，这样即可求出 Xd (饱和)

')( IU

X Nd

φ≈饱和

来自于空载特性曲线

来自于短路特性曲线

共同点在于相同的励磁

Xd (饱和)的确定

IE ,0

0E

I ′

o0fI fI

φNU

IE

X d0=

')( IU

X Nd

φ≈饱和气隙线

空载特性

短路特性

①

②

③

例题

)(

)(*)(

*

**

**

)(

φ

φ

N

N

UUf

IIfkd

Nfk

f

Nd

II

X

III

II

IIU

X

=

==

′=′

=

′=

′=

0

0

1

饱和

饱和

所以：

又因为：0E

I ′

o0fI fIfkI

φNU

NI

气隙线

空载特性

短路特性

①

②

③

④

⑤

6.7 同步发电机的运行特性同步发电机的稳态运行特性包括外特性、调整特性和效率特性

1。外特性：即n＝nS，If =常值，cosφ=常值时，U=f(I)。

I

U

NIO

NU

cosΦ=0.8滞后cosΦ=1

cosΦ=0.8超前

电压调整率：

%1000 ×−

=Δφ

φ

N

N

UUE

u

凸极机：18-30％；

隐极机：30-48％

• 2。调整特性

：n＝nS，U =UNΦ

，cosφ=常值时，If =f(I)。

I

fI

cosΦ=0.8滞

后

cosΦ=1

cosΦ=0.8超前

O

fNI

NI

• 效率特性：n=nS ，U =UNΦ

，cosφ= cosφN

时，η=f(P2)。

pPP∑+

=2

2η

6.8 同步发电机与电网的并联运行

把同步发电机并联至电网的过程称为投入并联，或称为并列、 并车、整步。在并车时必须避免产生巨大的冲击电流，以防止 同步发电机受到损坏、电网遭受干扰

并车前必须检查发电机和电网是否适合以下条件： ①相序一致

②频率相同 ③发电机激磁电势与电网电压大小、相位相同

0E&U&

U&Δ

0E&U&

U&Δ0E&

U&

U&Δ

1f 2f

投入并网的方法一：准确整步法

自整步法

• 在相序一致的情况下将励磁绕组通过适当的电阻 短接，再用原动机把发电机拖动到接近同步转速 (相差2~5％)，在没有接通励磁电流的情况下将发 电机接入电网，再接通励磁，依靠定子磁场和转 子磁场之间的电磁转矩将转子拉入同步转速，并 车过程即告结束。

二、与电网并联运行时的功角特性

强调：要区分同步发电机是单机运行还是并网运行

若为单机运行，其电压和频率有可能发生变化，并且功率 因数是由负载决定的。

若为单机运行，其电压和频率有可能发生变化，并且功率 因数是由负载决定的。

若为并网运行，因受电网的制约，所以电压的大小与频率 同电网严格保持一致，理论上认为不变，即电压和频率为 常量。并网时同步发电机的功率因数是可以调节的

若为并网运行，因受电网的制约，所以电压的大小与频率 同电网严格保持一致，理论上认为不变，即电压和频率为 常量。并网时同步发电机的功率因数是可以调节的

功角特性

电机的基本特性之一。特性。功角特性是同步

，称为功角之间的关系电磁功率与功率角

发电机发出的和端电压保持不变时，当激磁电动势

),(0

δδ fPE

e =

ϕϕ coscos mIURmImUIP ae ≈+= 20E&

qI&

ddXIj&

dI& I&

ϕ0ψ

qqXIj&

U&

δψϕ −= 0

)cos( δψ −≈ 0mIUPe

δ

功角特性推导

0E&

dI& I&

ϕ0ψ

qqXIj&

U&

)sincos()cos( δδδψ dqe IImUmIUP +=−≈ 0

qqqq XUIUXI /sinsin δδ =⇒=

dddd XUEIUEXI /)cos(cos δδ −=⇒−= 00

)sin()(

sin

δ

δ

2112

2

0

dq

de

XXUm

XUEmP

−+

=

附加电磁功率磁阻功率

基本电磁功率 dd XIj &

δqI&

QE&

qXIj&

)sin()(

sin

δ

δ

2112

2

0

dq

de

XXUm

XUEmP

−+

= δsins

e XUEmP 0=

隐极机凸极机

性称为同步电机的功角特，故只取决于功角

不变，电磁功率的大小恒定电网电压不变如：恒定激磁电势

)(fPU,E

e δδ =0

E0激磁电势E0激磁电势 U电网电压U电网电压

功角特性

凸极机凸极机隐极机隐极机

0 900

Pe Pe max

1800δmδ δ

Pe

18000 900

Pema

x

mδ

静态稳定• 扰动——发电机输入功率的微动

• 静态稳定——瞬时扰动消除后继续保持原来的平衡运行状态

Mba PPa Δ=Δ+>Δ ，，转子加速，点： δδδ01

，达到原有的功率平衡

，转子减速扰动消失后，

ab

Mb PPPδδδ =Δ−

+< 01

a

d

点正常工作点

点静态不稳定

结论：处于功角特性的曲线上升部分的工作 点，是静态稳定的，即 0>

δddPM

过载能力：

NN

Mp P

Pkδsin

1==

增强系统的静态稳定性：

900

PePe max

1800δ

2δ 1δ

Pe1

↓↑

=s

e XUEmP 0

(max)

有功功率的调节

输出超前无功功率

吸收滞后无功功率

输出超前无功功率

吸收滞后无功功率

0E& U& 0E& U&

I&

sXIj &

ϕδqI&

dI&0E&

I&

sXIj&

ϕU&δ 0ψ

0ψ

090 ψ−°

′0E&

sXIj ′&

I′&

″0E&

sXIj ′′&

I ′′&sXIj ′&

0E′&

增大有功，保持励磁不变的相量图

sXIj&

I&

0E&

U&

A

B

C

D

I′&

sXIj ′&

0E′&

四、无功功率的调节

调节励磁时原动机的输入有功功率保持不变。调节励磁时原动机的输入有功功率保持不变。

constXUEmPs

e == δsin0

constmUIP == ϕcos2

constE =δsin0

constI =ϕcos

四、无功功率的调节

0E&

U&

I&

sXIj &

δ

AB

C

D

0E′&

sXIj ′&

ϕ I ′&

constE =δsin0

constI =ϕcos

四、无功功率的调节

constE =δsin0

constI =ϕcos

′0E&

U&I ′&

sXIj ′&δ

AB

C

D

欠励掌握结论!!

0E ′′&

sXIj ′′&

ϕ

I ′′&

四、无功功率的调节

0E&

U&

I&

sXIj &

AB

C

D

sXIj ′′&

ϕ

0E ′′&

I ′′&

0E′&

sXIj ′&

I ′&

• 随着励磁的增大，功角在减小；

constE =δsin0

constI =ϕcos

同步发电机V型曲线

型曲线”相似，故称为曲线，其形状与字母“，得到量

测不变的情况下，改变和电磁功率网电压用实验方法，在保持电

VV)(e

f

f

IfII

IPU

=

对于每一个Pe 都可以测出一条V型

曲线，Pe 愈大，则曲线愈上移

对于每一个Pe 都可以测出一条V型

曲线，Pe 愈大，则曲线愈上移

的曲线连接起来得到一条倾斜

型曲线的最低点，表示每条 ,1cosV =ϕ

0>>> '""'eee PPP

过励欠励

输出滞后无功输出超前无功

0=eP

'eP

"eP

"'ePI

fI0

1cos =ϕ区域

不稳定 090=δ

正常励磁

同步发电机V型曲线 P2 =0

0E& U&

有功为0无功为0有功为0无功为0

ϕ

0E&

U&sXIj &

0E&

U&

ϕ

sXIj &

过励过励 欠励欠励正常励磁正常励磁

有功为0输出滞后无功

有功为0输出滞后无功 有功为0

输出超前无功

吸收滞后无功

有功为0输出超前无功

吸收滞后无功

现象解释

• 调节励磁就可以调节无功功率这一现象，可用磁动势平衡 关系来解释。

• 发电机和无穷大电网并联时，其端电压恒为常值，所以无 论励磁如何变化，电枢绕组的合成磁通不变。

• 当增加励磁电流并达到“过励”时，主磁通增多，为维持电 枢绕组的合成磁通不变，电机应输出滞后电流，使去磁性 的电枢反应增加，以补偿过多的主磁通。

• 反之，减少励磁电流而变为“欠励”时，主磁通减少，发电 机必须输出超前(吸收滞后)电流，以减少去磁性的电枢反

应，甚至使电枢反应变为增磁性以补偿主磁通的不足。

增大有功，调节励磁保持无功不变

sXIj&

I′&I&

sXIj ′&

0E&

U&

0E′&A

B

C

D结论：有功增大，无功不变时，功角增大

constXUm

XUEmQ

ss

=−=2

02 cosδ

constmUIQ == ϕsin2

constE =δcos0

constI =ϕsin

6.9 同步电动机与同步补偿机

同步电动机的特点是，稳态运行时，转速与负载大小无关

始终保持为同步转速，且其功率因数可以调节。

同步电动机的特点是，稳态运行时，转速与负载大小无关

始终保持为同步转速，且其功率因数可以调节。

在恒转速负载及需要改善功率因数的场合，常常优先选用

同步电动机。

在恒转速负载及需要改善功率因数的场合，常常优先选用

同步电动机。

同步补偿机则是一种专门用来补偿电网无功功率和功率因

数的同步电机

同步补偿机则是一种专门用来补偿电网无功功率和功率因

数的同步电机

1.隐极同步电动机的电压方程和向量图

为负值为正，此时时超前采用发电机惯例： δδUE &&0

电机从电网吸收电功率

电磁转矩为制动转矩，

IIM&& −=令

更改为电动机惯例:

0E&

aR

I& U&

sX

IIM&& −=

1.隐极同步电动机的电压方程和向量图

0E&sXIj&

U&aRI&

I&

之内。定义在和

为正时超前为正，时超前

为正时超前电动机惯例：

°°− 90~90

,

0

00

0

MM

MMMM

M

EIUI

EU

ψϕψϕ

δ&&&&

&&

IIM&& −=令更改为电动机惯例:

0E&

sMXIj&Mϕ U&

Mδ

aMRI&I&

MI&

M0ψ

ϕ δ

1.隐极同步电动机的电压方程和向量图

0E&

0E&

sMXIj&Mϕ U&

Mδ

aMRI&

I&

MI&

M0ψ

sMaM XIjRIEU &&&& ++= 0

U&

sX

IIM&& −=

a

q

IRcosUIXsinU

arctan−

+=

ϕϕ

ψ 0

2.凸极同步电动机的电压方程和向量图

qqMddMaM XIjXIjRIEU &&&&& +++= 0

角，需要先确定量图时，与发电机一样绘制凸极同步电动机向 M0ψ

qMI&0E&

MδMϕ

M0ψ

U&dMI&

qqMXIj&

aM RI&

ddMXIj&

IIM&& −=

I&

a

q

IRcosUIXsinU

arctan−

+=

ϕϕ

ψ 0

2.凸极同步电动机的电压方程和向量图

种惯例。时，也要注意是采用哪在分析电枢反应的性质

时，电枢反应为去磁滞后 0EI &&

0E&

IIM&& −=

I&qMI&

MδMϕ

M0ψ

U&dMI&

qqMXIj&

aM RI&

ddMXIj&

时，电枢反应为助磁超前 0EI &&发电机惯 例

时，电枢反应为助磁滞后 0EI &&M

时，电枢反应为去磁超前 0EI &&M电动机

惯 例

二、同步电动机的功角特性、功率方程和转矩方程

)sin()(sin Mdq

Md

e XXUm

XUEmP δδ 211

2

20 −+=

)sin()(sin Mdqs

Mds

e XXUm

XUEmT δ

Ωδ

Ω211

2

20 −+= 驱动转矩

ecua PpP +=1 2PppP Fee ++= Ω

注意：电动机从电功率角度是讲吸收！！

三、同步电动机的运行特性

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.8

0.6

Mϕcos

0

*2P

0.25 0.50 0.75 1.00

滞 后

超 前

1

2

3

调有功调有功

调无功调无功

电动机惯例是吸收电动机惯例是吸收

•感应电机需从电网吸取滞后的无功功率用于励磁,致使电网的功率因数降低.

•而同步电机运行时,可以调节其励磁电流来改善电网的功率因数.

0E&

U&MI&

sXIj &

A B

C

D

sXIj ′′&

0E ′′&MI ′′&

0E′&

sXIj ′&

MI ′&

同步电动机V型曲线

过励欠励

发：输出滞后无功发：输出超前无功

0=eP

'eP

"eP

"'ePMI

fI0

1=Mϕcos区域

不稳定090=Mδ

正常励磁

吸收滞后无功 吸收超前无功

注意站在电动机的角度是吸收

• 作业：

• 6.4，6.5，6.7，6.8，6.13，6-17，6-18，6.25，6.26，6.28

力不变，应如何处理

，为保持其静态过载能机端电压下降因为线路故障，使发电

额定负载下发电机的的气轮发电机，试求

接法，同步电抗滞后，，一台

补充题：

%20)2(,,)1(:0,13.2

Y8.0cos5.10,25000

00** ψδ

ϕ

ERX

kVUkWP

as

NN

≈=

===

带副励磁机的励磁系统

G G

副励磁机主励磁机

同步发电机

静止整流器励磁系统

交流副励磁机 交流主励磁机

不可控整

流起器

电压调

整器

主发电机

电

压

互

感

器

电流互感器

可控整

流起器自励恒

压器

功率角的时、空间含义