同步電機-(2248)

1、第四篇 同步電機,第12章 同步電機的基本工作原理和主要結(jié)構(gòu)12.1 同步電機的基本工作原理: 我們有了前面對異步電動機的結(jié)構(gòu)的認識，再這里我們就直接從同步電機的基本工作原理入手。,如圖所示：感應(yīng)電勢由電勢的頻率、電勢的波形和電勢的大小三個基本要素所決定。,,12.2 同步電機的主要結(jié)構(gòu),與感應(yīng)電機一樣，同步電機也是由定子及轉(zhuǎn)子兩大部分所組成，定子上有三相交流繞組；轉(zhuǎn)子上則有勵磁繞組

2、，通入直流電流后，能產(chǎn)生磁場。12.2.1 定子：同步電機的定子有時也稱為電樞，由定子鐵芯、電樞三相繞組、機座和端蓋等部件所組成。,同步電機的定子鐵芯是由硅鋼片沖制后疊裝而成。當(dāng)大型同步電機沖片外圓的直徑大于1m時，由于材料標(biāo)準(zhǔn)尺寸的限制，必須做成 扇形沖片，然后按圓周拼合起來疊裝而成。如圖所示：,,12.2.2 轉(zhuǎn)子： 同步電機的轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)型式，即凸極式和隱極式。這是根據(jù)定轉(zhuǎn)子之間的氣隙的分布情況來定義的。見圖：,,1

3、）凸極式：有上圖可見，轉(zhuǎn)子有明顯的突出的磁極，氣隙分布不均勻。2）隱極式：轉(zhuǎn)子作成圓柱形，氣隙均勻分布。 區(qū)別：對于高速旋轉(zhuǎn) 的同步電機，在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上，我們采用隱極式，而對于低速旋轉(zhuǎn)的電機，由于轉(zhuǎn)子的圓周速度較低，離心力較小，故采用制造簡單、勵磁繞組集中安放的凸極式結(jié)構(gòu)。 大型同步發(fā)電機通常用汽輪機或水輪機作為原動機來拖動，故前者稱為汽輪發(fā)電機，后者稱為水輪發(fā)電機。汽輪發(fā)電機：轉(zhuǎn)速高，采用隱極式。水論發(fā)電機：轉(zhuǎn)速低，

4、采用凸極式。,12.2.3 冷卻問題簡述 ：在中、小型電機中，都采用空氣作為冷卻介質(zhì)。當(dāng)電機的容量很大時，電機內(nèi)部的損耗及發(fā)熱量迅速增加，冷卻問題顯得格外重要，此時必須加強通風(fēng)或采用其他的冷卻方式。1）在大型汽輪發(fā)電機中，為了提高其冷卻效率，往往用氫氣冷卻，是氫氣與空氣混合后，有爆炸危險，必須有一套控制設(shè)備來保證外界空氣不會滲入到電機內(nèi)部。目前在更大容量的發(fā)電機中，可以采用導(dǎo)線內(nèi)部直接冷卻。例如采用空心導(dǎo)體（如圖），冷卻介質(zhì)直接在

5、導(dǎo)體中流通而把熱量帶走，這樣能更有效地降低電機的溫升。所采用的冷卻介質(zhì)一般有氫氣 及水等。,,12.3 同步電機的額定值,同步電機的額定值有：1）額定電壓：是指在正常運行時，按照制造廠的規(guī)定，定子三相繞組上的線電壓。電壓的單位用V或kV表示。2）額定電流：流過定子繞組的線電流 。3）額定功率：是指在正常運行時，電機的輸出功率 。,A：對于發(fā)電機而言：輸出的是電功率。B：對于電動機而言：輸出的是機械功率。單位是KW。

6、4. 相數(shù)m ：一般m=3。5. 額定頻率:我國額定工業(yè)頻率規(guī)定 =50Hz.,,,,6）額定轉(zhuǎn)速：額定轉(zhuǎn)速即為電機的同步速，在一定極數(shù)及頻率時，它的轉(zhuǎn)速是定值。,,第13章 同步發(fā)電機的運行原理,13.1 電 樞 反 應(yīng) 同步電機在空載時，氣隙中僅存在著轉(zhuǎn)子磁勢。負載以后，除轉(zhuǎn)子磁勢外，定子三相電流也產(chǎn)生電樞磁勢。電樞磁勢的存在，將使氣隙中磁場的大小及位置發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱之為電樞反應(yīng)。,電樞反應(yīng)：電樞磁動勢對主極

7、磁場的影響。 電樞反應(yīng)除使氣隙磁場發(fā)生畸變，從而直接關(guān)聯(lián)到機電能量轉(zhuǎn)換外，還有去磁或增磁作用，對同步電機的運行性能產(chǎn)生重要的影響。 電樞反應(yīng)的性質(zhì)取決與電樞磁動勢和主磁場在空間的相對位置。分析表明，這一相對位置與激磁電動勢根據(jù)不同的Ψ值，下面我們將分別進行分析。,13.1.1 和 同相位（ψ=0）時的電樞反應(yīng)：如圖所示：,,,,電樞磁動勢 與轉(zhuǎn)子磁勢 相加后才是氣隙中的合成磁動勢。在這里需要注

8、意的是：我們習(xí)慣上稱轉(zhuǎn)子磁極軸線為直軸，用d來進行表示，而N，S極之間的中線為交軸，用q來進行表示。所以，由于交軸磁勢的存在，使合成磁勢的軸線的位置產(chǎn)生一定的位移，幅值發(fā)生一定的變化。13.1.2 滯后 90電角度（ψ=90 °）時的電樞反應(yīng) ：,,,,,見相量圖： 顯然，此時的電樞磁勢和氣隙磁勢方向相反，電樞反應(yīng)是去磁效果。,,13.1.3 超前 90電角度（ψ=-90&#

9、160;°）時的電樞反應(yīng)：,,,,顯然，此時的電樞反應(yīng)是增磁的，所以電樞磁勢稱之為直軸增磁電樞磁勢。13.1.4 一般情況下（ψ=任意角度時）的電樞反應(yīng) ：在這里要注意是電流滯后電動勢還是超前電動勢。1）電流滯后電動勢 ：90°＞ψ＞0 此時，可以利用迭加原理，將 分解成兩個分量，即 與 同相分量；滯后于 90電角度分量 （圖13-4），它們有如下關(guān)系：,,,,,,,產(chǎn)生直軸電樞磁勢，對主磁極起去

10、磁作用。 與 同相位，起交磁作用。也可以理解為電樞磁勢 按ψ角分解成作用在直軸磁路的磁勢 及作用在交軸磁路的磁勢,,,,,,,,2）電流超前電動勢：即0°>ψ>-90°從圖上可以看出：,,此時直軸分量電流產(chǎn)生的直軸磁勢對主極磁勢起增磁作用。交軸分量電流產(chǎn)生的交軸磁勢對主極磁勢起交磁作用。綜合以下分析可以看出：當(dāng)同步發(fā)電機供給滯后電流時，電樞磁勢除了一部分產(chǎn)生交軸電樞反應(yīng)外，還有一部分產(chǎn)生直軸

11、去磁電樞反應(yīng)；當(dāng)電電機供給超前電流時，電樞磁勢除了一部分產(chǎn)生交軸電樞反應(yīng)外，還有一部分產(chǎn)生直軸增磁電樞反應(yīng)。這個結(jié)論十分重要，它對發(fā)電機性能的影響將在后面幾章提到。,13.2 同步電抗的概念,同步電抗是同步電機中一個極為重要的參數(shù)，它的大小對同步電機的性能有很大影響，因此在未具體研究同步電機性能以前，先對同步電抗的概念作一介紹。13.2.1 隱極同步電機：隱極同步電機有一個特點就是定轉(zhuǎn)子之間的氣隙是均勻分布的。下面我們就來分

12、析他的電抗。,已知：其中的 稱為電樞反應(yīng)電抗。在同樣大小電流情況下,如果 越大，電樞反應(yīng)電勢也越大，表示著電樞磁勢所產(chǎn)生的電樞磁通很強。因此 的大小可以說明電樞反應(yīng)的強弱。當(dāng)然，電樞電流除了產(chǎn)生主磁通外，還要產(chǎn)生一定的漏磁通，由于漏磁通也會交鏈電樞繞組，所以對應(yīng)產(chǎn)生電動勢,,,,,,,所以在三相對稱電流通過電樞繞組后，所產(chǎn)生的匝鏈定子繞組的磁通為（ ），兩者在電樞繞組中所產(chǎn)生的全部電勢為式中

13、 稱為隱極同步電機的同步電抗。,,,,這樣同步發(fā)電機在負載下，電樞反應(yīng)磁通及漏磁通所產(chǎn)生的作用，可以通過同步電抗壓降的形式來表示了。同步電機在正常狀態(tài)下工作，磁路略呈飽和。磁路的飽和程度越高，它的磁阻便越大，所對應(yīng)的電抗便函越小。所以 或 的大小是隨著磁路飽和程度的改變而改變的。二、凸極同步電機： 凸極同步電機的特點就是氣隙分布不均勻。這樣我們就不能用分析隱極式同樣的方法來分析凸極同步電機的電抗。在凸極電

14、機中，極面下氣隙較小，兩極之間氣隙較大。,,,很顯然，由于直軸處的氣隙比交軸處小，故直軸磁導(dǎo)比交軸磁導(dǎo)大。這樣，同樣大小的電樞磁動勢作用在直軸和交軸上時，所產(chǎn)生的電樞磁場將有明顯的差別。而不同的磁阻將對應(yīng)著不同的電抗。 所以，在這里，我們將磁動勢 分解成沿直軸和交軸方向的兩個分量。,,,,直軸電樞磁勢固定地作用在直軸磁路上，對應(yīng)于一個恒定不變的磁阻，產(chǎn)生磁通。交軸電樞磁勢固定地作用在交軸磁路，也對應(yīng)于一個恒定不變的磁阻，產(chǎn)

15、生磁通 。磁通 與 分別切割定子繞組而在其中感應(yīng)出電勢 及 。由于交軸及直軸的磁阻都恒定不變，所以 正比于 ， 正比于 ，因此，,,,,,,,,,,,,和隱極電機一樣，直軸和交軸電樞反應(yīng)電抗各和定子漏抗相加，便可以得到直軸同步電抗和交軸同步電抗，即注意：在直軸磁路上，由于氣隙小，磁阻小，所以 較大。在交軸磁路上，由于氣隙很大，磁阻大，所以 較小。當(dāng)直軸及交軸的同步電抗相等時，就是

16、隱極電機。,,,,13.3 隱極同步發(fā)電機的負載運行,13.3.1 負載電流對端電壓的影響：一臺同步發(fā)電機，保持勵磁電流和電機的轉(zhuǎn)速不變，給發(fā)電機帶上負載，則發(fā)電機的端電壓將隨著負載電流的變化而變化。不同性質(zhì)負載下，其變化規(guī)律也不同。在電阻負載時，負載電流增大端電壓下降；在電感負載時，負載電流增大端電壓下降的更厲害；在電容負載時，負載電流增大時，端電壓不但不下降反而會上升。這說明發(fā)電機端電壓的變化，不但與負載電流的大小有關(guān)，還與負載電

17、流的性質(zhì)有關(guān) 。,13.3.2 隱極同步發(fā)電機的電勢方程式：同步發(fā)電機在對稱負載下運行，氣隙中存在著兩種磁勢，即定子上的電樞磁勢和轉(zhuǎn)子的磁極磁勢。在不考慮磁路的飽和現(xiàn)象時，應(yīng)用迭加原理，認為它們各自獨立地產(chǎn)生相應(yīng)磁通，并在電樞繞組內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電勢。,,將上式整理：如圖所示：,,,,在圖中， 與 的夾角用ψ表示； 與的夾角用δ表示； 與 的夾角用 表示。在以上三個角度間存在有下列關(guān)系：根據(jù)圖的相量關(guān)系，將電壓按

18、 角分解成 及 后，可以得到的計算公式：,,,,,,,,,,,,,,13.4凸極同步發(fā)電機的負載運行,當(dāng)凸極同步發(fā)電機在對稱負載下運行時，氣隙中也存在著兩種旋轉(zhuǎn)磁勢，即轉(zhuǎn)子上磁極磁勢和定子上電樞磁勢。由于凸極電機中，轉(zhuǎn)子直軸和交軸上的氣隙不等，在分析電樞磁勢影響時，必須按照式前面我們所分析的將磁動勢分解成直軸和交軸兩個分量，然后和處理隱極電機一樣，不計及磁路的飽和現(xiàn)象，應(yīng)用迭加原理認為它們各自獨立地產(chǎn)生相應(yīng)的磁通

19、，并在電樞繞組內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電勢。,這樣，產(chǎn)生的端電壓為：整理得：可以把漏抗壓降分解成兩個分量，即：,,,,這就是凸極發(fā)電機的電動勢平衡方程式，這樣我們就可以作出相應(yīng)的相量圖。但是很明顯，要做出向量圖還缺 和 兩個分量。也就是要知道 與 之間的夾角ψ。因此，還需要整理，在上式的基礎(chǔ)上，我們在等式的兩邊都減去再加上 ，得到,,,,,,,,,這樣，我們就可以作出相應(yīng)的向量圖：,,,：,在上圖中，將電壓

20、按 角分解成 及 ，可以求得ψ角的計算式：,,,,,,13.5 同步發(fā)電機的運行特性,同步發(fā)電機的開路、短路及零功率因數(shù)特性都是同步發(fā)電機的基本特性，通過它們可以求出同步電機的同步電抗及漏電抗，以確定同步發(fā)電機的其他特性。一、空載特性：當(dāng)同步發(fā)電機運行于 時，即稱為空載運行。,,顯然，此時我們通過改變勵磁電流，則氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁通及電樞繞組中的感應(yīng)電動勢都會隨之發(fā)生變化。1）開路特性：空

21、載時不同勵磁電流和產(chǎn)生空載電勢之間的關(guān)系，如圖所見：,,,因 正比于 ，而勵磁電流又正比于勵磁磁勢，所以開路特性曲線與電機的磁化曲線在形狀上完全相同。開路特性主要有兩個用處： （1）開路特性可以反映出電機設(shè)計是否合理。如同前面所分析的情況一樣，額定電壓應(yīng)位于開路特性開始彎曲的部分，例如圖中的A點，這樣才比較經(jīng)濟合理。（2）同步電抗是同步電機中一個極為重要的參數(shù)，同步電機的許多性能由它所決定。開路特性配合短路特性可以求出同步電

22、抗。,,,2.短路特性：當(dāng)同步發(fā)電機運行與 ，電樞三相繞組持續(xù)穩(wěn)態(tài)短路（即U=0）時，稱為短路運行。如改變它的勵磁電流，三相短路電流也隨之而改變。短路特性就是研究這兩個量之間的變化關(guān)系， 曲線。如果略去電樞電阻，并將 代入上式可以得到：,,,,,根據(jù)上式可以畫出短路運行時的相量圖見圖：因為忽略了電阻效應(yīng)，電樞是純電感電路，短路電流滯后于電勢90電角度，所以產(chǎn)生的電樞反應(yīng)是直軸去磁效應(yīng)。

23、此時電機內(nèi)的磁通很弱，磁路是不飽和的，所以同步電抗為一個常數(shù)。從上式我們可以看出： 正比于 ，而 又正比于 ，所以 正比于 ，因此短路特性是一條通過原點的直線，如圖中直線2所示。,,,,,,,三相短路時，由于 滯后于 90電角度，即ψ=90°，因此在凸極電機中，短路電流全是直軸分量，而交軸分量為零。所以 和隱極電機一樣，凸極同步

24、電機在三相短路時，由于電樞磁勢的直軸去磁作用，使電機中磁通小，磁路也不飽和，所以式上式中的 也是一個常數(shù)。,,,,,,同步發(fā)電機在三相穩(wěn)態(tài)短路時，由于短路電流所產(chǎn)生的電樞磁勢對主磁極去磁，減少了電機中的磁通及感應(yīng)電勢，使短路電流不致過大，所以穩(wěn)態(tài)的三相短路是沒有危險的。3.由開路及短路特性求取同步電抗：從特性曲線圖上我們可以看出：1）在不飽和區(qū)間，即當(dāng) 很小時，運行于開路特性不飽和部分（直線部分），那么 與

25、之比求得的是同步電抗的不飽和值。,,,,2）當(dāng)處于飽和區(qū)間：首先從空載特性上找到對應(yīng)于額定電壓時的勵磁電流值，如圖中的 ，再從短路特性上找到對應(yīng)于此勵磁電流所產(chǎn)生的短路電流，這樣飽和同步電抗的近似值為：在凸極電機中，通過開路試驗及短路試驗只能求出直軸同步電抗。根據(jù)經(jīng)驗公式，可以得到交軸同步電抗為：,,,,4.零功率因數(shù)特性：所謂零功率因數(shù)特性指：在 ， =恒定值、 =0的條件下，所得到的特性。 在 =定

26、值條件下，把電壓及勵磁電流的變化關(guān)系描繪成曲線，便得到零功率因數(shù)特性（見圖）。,,,,,,,由于同步電機是在電感負載下運行，而電機本身的阻抗也是電感性的，因此，電勢和電流之間夾角ψ=90°，所以電樞反應(yīng)是純粹的直軸去磁效應(yīng)。此時的相量圖如圖所示。同步發(fā)電機在電感負載下運行，磁極磁勢補償了電樞反應(yīng)去磁磁勢后，剩余部分在電機氣隙內(nèi)產(chǎn)生磁通。所以勵磁電流增加時，磁路能逐漸飽和，電壓上升逐漸緩慢，使曲線彎曲，實際上，零功率因數(shù)特性曲

27、線的形狀與開路特性曲線頗為類似。下面研究零功率因數(shù)特性與開路特性之間的關(guān)系。,在上圖中我們可以看出，當(dāng)U=0時的情況。在開路特性上， 時， ；而在零功率因數(shù)曲線上， 時， 。為什么在零功率因數(shù)曲線上，電壓為零時，勵磁電流不為零呢？這是因為：（1）零功率因數(shù)特性是在 定值條件下得到的，由于繞組中流過電流，產(chǎn)生漏抗壓降 ，所以需要一定勵磁電流 ，以產(chǎn)生電勢 來平衡此漏電抗壓降。,,,,

28、,,,,,（2）零功率因數(shù)曲線是在純電感負載下得到的，從圖右以看出，此時的電樞反應(yīng)是一個純粹的去磁作用，所以再需要一定的勵磁電流來抵消此電樞反應(yīng)去磁作用的影響。 稱為特性三角形，它的垂直邊是定子漏抗壓降，水平邊是電樞反應(yīng)去磁磁勢，這兩邊都正比于電樞電流，因此在電 樞電流一定時，此特性三角形的大小不變。所以當(dāng)特性三角形的A點在開路特性上移動時，C點的軌跡就是零功率因數(shù)特性。當(dāng)然也可以用作圖的方法求特性。,,13.6

29、同步發(fā)電機的外特性和電壓調(diào)整率,13.6.1 外特性：外特性：在 的條件下，同步發(fā)電機作單機運行，端電壓U隨負載電流而變化的關(guān)系特性曲線。顯然，外特性曲線和負載的性質(zhì)密切相關(guān)。如圖所示：,,,1）當(dāng)是感性負載時：曲線（1），此時隨著負載電流的減少，端電壓諑步上升。這是因為考慮了電樞反應(yīng)的去磁作用的影響，隨著電樞電流的減少，電樞反應(yīng)的去磁作用減弱，電機中的合成磁通增加，所以端電壓諑漸增加。2）當(dāng)是容性負載時：曲線（3），此時

30、電流超前電壓，此時的電樞反應(yīng)是增磁作用，隨著電樞電流的增加，合成的磁通在減小，所以端電壓下降。3）純電阻負載：曲線（2）。,13.6.2電壓調(diào)整率：定義：發(fā)電機的端電壓隨負載的改變而變化，變化的程度我們可以通過電壓調(diào)整率 來衡量。即：空載與額定負載之間的電壓調(diào)整率。當(dāng)然，負載是任意負載，不僅僅指額定負載。如圖，從圖上我們可以看出：,,,影響電壓調(diào)整率的因素有：功率因數(shù)和同步電抗。一般發(fā)電機的電壓調(diào)整率較大，常在2

31、0%--40%之間。,第14章 同步發(fā)電機的并聯(lián)運行,14.1 同步發(fā)電機的并聯(lián)運行一、并聯(lián)運行的優(yōu)點：同步發(fā)電機在運行時，總是并聯(lián)在一起的，而發(fā)電廠彼此之間也是并聯(lián)在一起以達到組成強大的電力系統(tǒng)，這一點不難理解因為：1提高電能供應(yīng)的可靠性,2、提高發(fā)電廠的運行效率二、發(fā)電廠投入并聯(lián)時的理想條件：我們知道由發(fā)電廠生產(chǎn)的電能首先考慮的就是并網(wǎng)運行，然后供給各個用戶，那么這里就存在著一個很重要的問題，就是在怎樣的條件

32、下，發(fā)電機才能并網(wǎng)運行？1、發(fā)電機電壓的有效值U與電網(wǎng)電壓 的有 效值U1相等，且相位相同2、發(fā)電機的頻率f與電網(wǎng)的頻率f1相等3、發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序一致,,那么，如果上述條件不滿足，將會怎樣呢？1）如果電壓的有效值不等：如圖可見。,,,在由電網(wǎng)A和發(fā)電機B所構(gòu)成的回路中將會產(chǎn)生一個差額電壓：顯然，當(dāng)開關(guān)K閉合時再整個回路中必然出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊電流，因此，條件1）必須滿足。,2）如果頻率不等：同理，在頻率

33、不相等的情況下并網(wǎng)運行，也將會產(chǎn)生瞬態(tài)沖擊電流，進一步延伸，當(dāng)相序不同的時候，顯見，不能進行并網(wǎng)運行！三、三相同步發(fā)電機的并聯(lián)方法：1）直接接法（燈光熄滅法）： 如圖可見:,,,如果電網(wǎng)電壓和發(fā)電機電壓的大小、頻率一致，并且向量A1，B1，C1和A，B，C完全重合，則差額電壓=0，顯然此時燈是熄滅的 ，可以和閘并網(wǎng)。,而如果頻率不相等時，則兩組相量以不同的角速度旋轉(zhuǎn)，即， 因此存在著相對運動,如圖所示

34、。此時兩組相量端點的距離 、 、 分別表示三個燈上所承受的電壓 、 、 隨著兩組相量旋轉(zhuǎn)速率不同， 的大小發(fā)生改變，在0～2U之間作周期性變化，所以燈時亮?xí)r暗。燈光閃爍的次數(shù)決定于兩組相量間的相對速率。,,,,,,,,,,,,,此時可以調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機的頻率接近于電網(wǎng)頻率。當(dāng)它們十分接近，而且兩組相量完全重合時（圖1

35、4-5a），表示 =0，此時可以合上開關(guān)，發(fā)電機并聯(lián)到電網(wǎng)上了。,2）燈光旋轉(zhuǎn)法：如圖可見，燈1的接法不變，,,,,燈2和3交叉接于發(fā)電機的端點，不難想象，燈1熄滅，而2，3同時明亮?xí)r，應(yīng)該是發(fā)電機和電網(wǎng)完全重合時，即同相位，同頻率，同大小，可以合閘。而當(dāng)頻率不相等或不同相時，又是怎樣的呢？A、頻率不等時：即發(fā)電機和電網(wǎng)的角速度w,w1不相等，其中，令A(yù)1，B1，C1表示電網(wǎng)電壓，A，B，C表示發(fā)電機電壓，這樣如圖：,a

36、)燈1滅，2、3亮b)燈2滅，1、3亮c)燈3滅，2、1亮正因為我們所看到的是旋轉(zhuǎn)的燈光因此叫做燈光旋轉(zhuǎn)法。這顯然不是我們所希望看到的，可以通過調(diào)整發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，以達到改變頻率的目的,，這樣，當(dāng)滿足要求時，可以合閘。 B、相位不等時：進行并網(wǎng)運行時，如果我們看到的是三個燈同時明暗，則可斷定發(fā)電機和電網(wǎng)的相序肯定不同。因為我們采用的是交叉接法，如果相序是對的，應(yīng)該是依次旋轉(zhuǎn)的，而現(xiàn)象卻是同時明暗，這就證明實際上是直接接法，這

37、時只需調(diào)換發(fā)電機接到開關(guān)K上B、C兩相的接法，就可以改正相序。,,總結(jié)：1、在直接接法中：頻率不同時，燈光是同時明滅的，相位不同時，是旋轉(zhuǎn)的2、在交叉接法中：當(dāng)頻率和相位不相同時，燈光是依次旋轉(zhuǎn)的。,3）自整步（自同步）法：利用同步指示燈進行并聯(lián)的方法，在現(xiàn)代的電廠中已不再采用，而代之以各種半自動或全自動的并車裝置，不過它們的基本功能還是一致的。合閘瞬間必須注意的是：勵磁繞組必須通過一限流電阻短接起來。因為勵磁繞組如果開路，將在

38、其中感應(yīng)出危險的高電壓；勵磁繞組如果直接短路，將在定、轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生很大的沖擊電流，自同步法的優(yōu)點是：操作簡單，能在緊急情況下將發(fā)電機迅速并入電網(wǎng)；缺點是：合閘時有沖擊電流。,14.2 隱極同步發(fā)電機功率平衡方程式和功角特性一、功率平衡方程式： P1=PM+pm+pFe PM=PCU+P2由此可見：P1=pm+pFe+PCU+P2在發(fā)電機中，定子銅耗是極小的一部分，為了分析簡單，常常忽略，因此：

39、 PM=P2=從隱極同步發(fā)電機向量圖可以看出：,,,,從圖得： 所以有  最后：可得,,,,,,由此，我們得到了隱極同步電機的功角特性表達式 ，即當(dāng)e0和u為常數(shù)時，電磁功率和功角之間的函數(shù)關(guān)系。顯然，當(dāng)功角=900 時，電磁功率達到最大值。,,即它正比于E0（即勵磁電流）,反比于同步電抗。從功角特性可以決定電磁轉(zhuǎn)矩與功角之間的關(guān)系，由此可以得出相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)

40、矩，為 式中，單位是W；單位是rad/s；單位是N·m。,,,14.3 凸極同步發(fā)電機的功角特性如同隱極電機功角特性推導(dǎo)方法一樣，可以得到凸極同步發(fā)電機的功角特性。如果略去電阻損耗，式（14-4）對凸極電機也能成立。參看式（13-2）得:,,下面，我們來看一下它的向量圖：,從凸極發(fā)電機的相量圖圖14-12可以看出：或最后，可得：,,,,,,式

41、中 為基本電磁功率； 為附加電磁功率,,,,顯然,此時當(dāng)功角=900時,電磁功率并不象隱極式一樣達到最大,而是提前.凸極同步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩和隱極發(fā)電機的推導(dǎo)方法一樣，在恒定轉(zhuǎn)速Ω1下，轉(zhuǎn)矩和功率成正比，于是得：,式中 為基本電磁轉(zhuǎn)矩； 為附加電磁轉(zhuǎn)矩，又稱磁阻轉(zhuǎn)矩。,,,,14.4功角的物理意義及靜態(tài)穩(wěn)定概念,一、功角的物理意義:我們已經(jīng)知道功角和電磁功率是密切相關(guān)的，實際上同步發(fā)電機輸出功

42、率的大小及穩(wěn)定運行問題，都和功角是緊密相連的。已知：在這里我們忽略了 ，作出相應(yīng)的向量圖可以看出：,,,,此時，磁通 與 之間的夾角就是E0和U之間的夾角 ，也就是轉(zhuǎn)子磁極與合成磁場之間的夾角 ，由此可見，在發(fā)電機運行時,E0永遠超前于U ，也就是說，轉(zhuǎn)子磁極軸線永遠超前合成磁場軸線一個 角度。,,,,,,二、同步電機的穩(wěn)定運行問題：同步電機能否穩(wěn)定運行，與功角的大小有密切關(guān)系。在這里

43、，我們先來看一下什么是電機的靜態(tài)穩(wěn)定，為了分析簡便起見，略去鐵芯損耗和機械損耗 ，這樣，可得P1=PM，靜態(tài)穩(wěn)定：電機在運行時，受到外界的干擾，從而導(dǎo)致運行偏離原先的運行點，而當(dāng)干擾撤去后，電機又能自行回到原先的點繼續(xù)工作，就叫做電機的靜態(tài)穩(wěn)定。這樣一來，如圖所示：,作如下分析： 1）在a點， P1=PM，即輸入P1和輸出PM相 等，電機穩(wěn)態(tài)運行 2）來一個干擾，假定使得P1增加到P1' ， 顯然電機的轉(zhuǎn)速將增大，

44、因為功角和轉(zhuǎn)速 成正比關(guān)系變化，所以，功角也將增大， 推出PM也增大 ，這樣一來，我們可以看出 在b點電機將達到一個新的平衡點，從而 繼續(xù)穩(wěn)定運行。 3）由此可以推出，當(dāng)功角在00---900之間變化時，發(fā)電機有自動保持同步的能力，是發(fā)電機穩(wěn)定,運行區(qū)域。在穩(wěn)定運行范圍內(nèi)，電磁功率 的改變只會改變功角的大小，而轉(zhuǎn)子的穩(wěn) 定轉(zhuǎn)速是不會改變的，永遠以同步速旋轉(zhuǎn)。 4）而在900—1800之間，電機是不穩(wěn)定運 行的，在功角=

45、900時，輸入的機械功率到 達與最大電磁功率相等，即,,當(dāng)功角大于900時將失去同步，失去同步后， 裝在電網(wǎng)與間的保護開關(guān)產(chǎn)生動作， 將發(fā)電機從電網(wǎng)上拉開。,14.5 同步發(fā)電機有功功率及無功功率的調(diào)節(jié)、V形曲線,一、有功功率的調(diào)節(jié)：已知，在忽略銅耗的前提下， PM=P2=而PM和P1從功角特性可以看出是成正比關(guān)系的，所以，想要增加電機輸出的有功功率，從功率平衡的觀點來看， 只有增加原動機的輸入功

46、率P1。二、無功功率的調(diào)節(jié)：,為簡便起見，在調(diào)節(jié)無功功率時，假定發(fā)電機輸出的有功功率不變，于是： 由于m、U、Xs均是定值，所以,,,在有功功率不變的情況下調(diào)節(jié)電機的無功功率看圖：,E0的變化必須滿足在CD直線，而相應(yīng)的Ia的變化必須在AB線上。1）當(dāng)Ia1與U同相，即 =1。此時發(fā)電 機向電網(wǎng)輸出的全部功率都是有功功率， 無功功率為零，此時的電樞電流為最小值， 所對應(yīng)的勵磁電流我們叫做正常勵磁

47、電流， 此時組成的是一個直角三角形,,2）增加勵磁電流，則空載電動勢E0相應(yīng)增加，看圖可見，電樞電流由Ia1 ,Ia2,電動勢變化到E02，此時整個系統(tǒng)出現(xiàn)了無功電流，并且是滯后，即此時發(fā)電機將向外輸出滯后性的無功功率，整個狀態(tài)我們稱之為 過勵。,,,3）減小勵磁電流，則電動勢亦減小（在正常勵磁電流對應(yīng)的情況下），由圖可見，此時電流超前，即向外輸出超前性質(zhì)的無功功率的電流，整個狀態(tài)我們稱之為欠厲。由上可見，對于無功功率的調(diào)

48、節(jié)，可以通過對勵磁電流的調(diào)節(jié)實現(xiàn)。,,三、同步發(fā)電機的V型曲線：將不同勵磁電流及與其對應(yīng)的電樞電流畫成曲線，此曲線稱V形曲線，曲線的最低點對應(yīng)的是 ，相當(dāng)于 = 1的情況，此時的勵磁電流為正常勵磁電流，如果增大則進入過厲，輸出滯后的無功電流反之為欠厲，輸出超前的無功電流。 如圖所示：,,,,,第15章 三相同步電動機,同步電動機：轉(zhuǎn)速不隨負載的變化而改變,15.1 同步電機的三種運行方

49、式,一、同步電機的三種運行方式：如右圖：,,1）轉(zhuǎn)子軸線超前定子軸線，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為制動性質(zhì)顯然是發(fā)電機。2）轉(zhuǎn)子軸線和定子軸線相重合，此時的功角為零，電磁轉(zhuǎn)矩為0，所以這是一種從發(fā)電機向電動機過度的臨界狀態(tài)。3）轉(zhuǎn)子軸線滯后與定子軸線一個功角，此時產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為驅(qū)動性質(zhì)，所以我們可以斷定電機為電動機。,15.2同步電動機的基本方程式、相量圖及功角特性,同步電動機的電勢平衡方程式及相量圖，可以通過同步發(fā)電機的電勢平衡

50、方程式及相量圖轉(zhuǎn)化求得。一、基本方程式：1、電動勢：同理可得出凸極式：,,,2、相量圖：相對與發(fā)電機，即可作出相應(yīng)的電動機的相量圖。,,3）功角特性：在同步發(fā)電機中，我們令電流流出的方向為正方向，而在電動機中，理論上，我們?nèi)匀豢梢赃@樣，但為了大家好理解，我們設(shè)電流流入的方向為正方向。這樣，我們可以仿照同步發(fā)電機列出同步電動機的功角特性表達示：,,即：,,,,這樣，我們就可以畫出凸極同步電動機的功角特性曲線。為了結(jié)構(gòu)上的簡單，在某

51、些小容量同步電動機的轉(zhuǎn)子上不安放直流勵磁繞組，因此轉(zhuǎn)子就不能產(chǎn)生磁場，感應(yīng)電勢 ，此時電動機的電磁功率并不為零，仍有 有了電磁功率就有電磁轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子沒有勵磁的凸極同步電動機也能旋轉(zhuǎn)。,,,,,15.3同步電動機無功功率的調(diào)節(jié),一、無功功率的調(diào)節(jié)：同步電動機的功率因數(shù)是超前還是滯后，和發(fā)電機一樣決定于勵磁狀態(tài)。 先看一下同步電動機的V型曲線，注意到：1）過勵時，電動機從電網(wǎng)中吸入超前的無功電

52、流，2）欠勵時，從電網(wǎng)中吸入滯后的無功功率電流，顯然，電動機的功率因數(shù)是可以通過改變勵磁,電流來進行調(diào)節(jié)的。我們知道，感應(yīng)電動機必須從電網(wǎng)吸收激磁電流來建立磁場，所以現(xiàn)代電網(wǎng)的功率因數(shù)經(jīng)常是滯后性的。而同步電動機在過勵時，能夠從電網(wǎng)吸入超前電流。因此，如將同步電動機在過勵狀態(tài)下和感應(yīng)電動機接在同一電網(wǎng)上，便可以使供電系統(tǒng)的功率因數(shù)提高。同步電動機能夠改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，這是它最可貴的優(yōu)點。,15.4 同步

53、電動機的起動,一、異步起動方法： 同步電動機的起動不同于異步電動機的啟動方式，它有非常特殊的地方，如圖所示：,,即：轉(zhuǎn)子繞組加入直流勵磁以后，在氣隙中生成靜止的轉(zhuǎn)子磁場。當(dāng)在定子繞組中能入三相交流電以后，在氣隙中則產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。定、轉(zhuǎn)子磁場之間存在有相對運動，轉(zhuǎn)子上的平均轉(zhuǎn)矩為零，所以同步電動機不產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩。因此，在同步電動機起動時，我們經(jīng)常采用的是異步起動方法。,異步啟動法：在磁極表面上裝設(shè)有類似感應(yīng)電機籠型導(dǎo)條的短路繞組，稱

54、為起動繞組。在起動時，電壓施加于定子繞組，在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，如同感應(yīng)電機工作原理一樣，這個旋轉(zhuǎn)磁場將在轉(zhuǎn)子上的起動繞組中感應(yīng)電波經(jīng)電流和旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，所以同步電機按照感應(yīng)電機原理轉(zhuǎn)動起來。待速度上升到接近同步轉(zhuǎn)速時，再給予直流勵磁，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場，此時它和定子磁場間得到轉(zhuǎn)速已非常接近，依靠這兩個磁場間相互吸引力，把轉(zhuǎn)子拉入同步速一起旋轉(zhuǎn)。所以同步電動機,的起動過程可以分為兩個階段：（1）首先按感應(yīng)電機方式起動，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

55、接近同步速；（2）加直流勵磁，使轉(zhuǎn)子拉入同步。 由于磁阻轉(zhuǎn)矩的影響，凸極式同步電動機很 容易拉 入同步。甚至在未加勵磁的情況下， 有時轉(zhuǎn)子也能拉入同步。因此，為了改善起 動性能，同步電動機絕大多數(shù)采用凸極式結(jié) 構(gòu)。注意：當(dāng)同步電動機按感應(yīng)電機方式起 動時，勵磁繞組絕對不能開路 ！ 必須短路 ！,第16章 同步發(fā)電機的不對稱運行和突然短路,在之前的分析中，我們針對的都是穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，其

56、實這是一種理想化的假設(shè)，真正的電網(wǎng)運行實際上存在著許多非穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，如系統(tǒng)內(nèi)接較大的單相負載，或由于雷擊、短路等事故，都可以使電機在不對稱狀態(tài)下運行，這將是我們這一章的主要內(nèi)容。,16.1 同步發(fā)電機不對稱運行的分析方法,研究電機不對稱運行最有效的方法是對稱分量法，這在講變壓器的時候我們已經(jīng)講過，下面，我們把這種方法應(yīng)用到電機中來。對稱分量法：即把不對稱的三相電壓、電流分解成正序、負序和零序，分別研究它們的效果，然后迭加起來而得到最后結(jié)

57、果。嚴重的不對稱會使轉(zhuǎn)子發(fā)熱，甚至燒環(huán)。因而對不對稱運行方式的研究，有著現(xiàn)實意義。 如同變壓器一樣，要利用對稱分量法來分析同步電機的不對稱運行狀態(tài)，首先必須了解同步電機在正序、負序及零序時的參數(shù)。,,一、正序電抗X+： 轉(zhuǎn)子直流勵磁的磁通在定子繞組所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢 的相序，定為正序。當(dāng)定子繞組中三相電流的相序與 一致時，就是正序電流。正序電流流過定子繞組時所對應(yīng)的電抗，就是正序電抗，在數(shù)值上，研究不對稱問題時，由于電樞

58、電阻遠小于電抗，故短路電流中的正序分量和直軸電抗基本相當(dāng)，即： =,,,,,,二、負序電抗X-： 負序電流流過定子繞組所對應(yīng)的電抗就是負序電抗。由于負序電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，負序磁場將以兩倍同步轉(zhuǎn)速切割轉(zhuǎn)子上的所有繞組在正常運行時，這些繞組都是自成閉路的，因而產(chǎn)生兩倍頻率的電流，這就相當(dāng)于感應(yīng)電機運行于轉(zhuǎn)差率時的制動狀態(tài)，所以同步電機負序狀態(tài)下的等效電路與感應(yīng)電機等效電路極為類似。 如圖所示：,如圖所示：

59、根據(jù)16-2圖，可以求出直軸與交軸的負序電抗：,,,,負序電抗的平均值為： 其中，Xd"，Xq "稱為直軸和交軸的超瞬態(tài)電抗。三、零序電抗X0：零序電流流過定子繞組時所對應(yīng)的電抗就是零序電抗。如圖所示 ：,,,由于零序電流在時間也是相同相位、振幅相等，因此，當(dāng)零序電流流過三相繞組時，各相所建立得到磁勢在時間上也是相位相同、振幅相等的。零序電流在氣隙中不能建立基波磁勢及磁場。零序電流通過三相繞

60、組時，只產(chǎn)生漏磁通，因此零序電抗的大小大體上等于定子繞組的漏電抗，即,,16.2同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)單相短路,一、同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)單相短路：在這里，我們通過一個具體的例子來看一下同步電機的不對稱運行。如圖所示：假定A相發(fā)生短路， 表示短路電流，根據(jù)圖所示的端點情況，可得，,,,,將短路電流分解為對稱分量時，得由電壓關(guān)系式，有：,,為滿足上式中的各序電壓之和為零這一條件，等效電路在串聯(lián)之后要短接，又由于正序、負

61、序、零序電流分量均構(gòu)成各自獨立的對稱系統(tǒng)，它們流經(jīng)電樞繞組時，各自產(chǎn)生相應(yīng)的正序、負序及零序電抗壓降，而轉(zhuǎn)子上僅有正序旋轉(zhuǎn)磁場，故每相感應(yīng)電勢中只有正序分量，負序及零序的感應(yīng)電勢為零。如果略去電阻壓降，便得到正序、負序及零序電勢平衡方程式 ：,經(jīng)過化簡，可解得短路電流：,,,以上分析的是短路電流的基波。由于負序電抗及零序電抗比正序電抗小得多，故單相短路電流遠較三相短路電流為大，近似是三相短路電流的三倍，單相負載的分析方法與單相短

62、路類似。,,同步發(fā)電機不對稱運行的主要危害是在定子中產(chǎn)生了三相負序電流，此負序電流在電機氣隙中將建立反向旋轉(zhuǎn)磁場，以兩倍同步速切割轉(zhuǎn)子上的一切金屬部件，并在其中產(chǎn)生電勢及電流，增中轉(zhuǎn)子的損耗及發(fā)熱，影響發(fā)電機的正常運行。,16.3 同步發(fā)電機三相突然短路的物理過程,前面我們對單相短路的情況進行了分析，在這一節(jié)里我們來看一下如果三相短路將會是怎樣的。為了分析問題的簡便，我們在這個地方首先來了解一下有關(guān)超導(dǎo)體回路磁鏈不變的概念。

63、一、超導(dǎo)體回路磁鏈不變的概念：超導(dǎo)體回路：指電阻為零的一個閉合線圈。如a)圖所示：,,如果將一個永久磁鐵移近該線圈，由于改變了該閉合線圈的磁鏈，在線圈中將感應(yīng)出電勢， 外磁場對超導(dǎo)回路的磁鏈。在此電勢作用下，在線圈中產(chǎn)生電流i，由電流產(chǎn)生磁鏈，并產(chǎn)生自感電勢 。于是 即,,,,,,,顯然，

64、 由此，我們可以看出，不論在什么情況下，交鏈超導(dǎo)體回路的磁鏈不變。二、發(fā)電機三相突然短路的物理過程：如圖：當(dāng)滿足a圖，發(fā)生短路時（在這里，A相繞組用一個等效線圈A—X來代表；轉(zhuǎn)子上的勵磁繞組F及阻尼繞組Z，各用短路線圈來代表，并假定這些繞組都是超導(dǎo)回路?？梢钥闯?，此時， =0， = =

65、 ,因為主磁場隨著轉(zhuǎn)子是以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此我們可以從b圖看出，當(dāng)磁場沿著正向,,,,,,,轉(zhuǎn)過900,此時，A相繞組所交鏈的主磁通為最大值。因為閉合的A相繞組有保持磁鏈不變的特性（即 =0），所以在A相繞組中將感應(yīng)出電流，由電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁通 （經(jīng)過空氣隙進入轉(zhuǎn)子）及定子漏磁通 之和應(yīng)與 大小相等方向相反，即有,,,,,,要通過轉(zhuǎn)子回路，去交鏈轉(zhuǎn)子上的勵磁繞組和阻尼繞組。但是轉(zhuǎn)子上的閉合繞

66、組都要保持它們所交鏈的磁鏈不變，因此在勵磁繞組及阻尼繞組中將感應(yīng)電流。此感應(yīng)電流企圖阻止電樞反應(yīng)磁通進入轉(zhuǎn)子，所以 只能沿著勵磁繞組及阻尼繞組的漏磁路而形成閉合回路，如圖b所示。,,,,,,這條磁路的主要組成部分是空氣，磁阻 很大，定子繞組要產(chǎn)生一定的電樞反應(yīng)磁通，就需要有很大的定子電流，所以瞬態(tài)短路電流要比穩(wěn)態(tài)短路電流大得多。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，主磁場對定子繞組作正弦變化，所以定子繞組中產(chǎn)生正弦變化的交流電流。,16.4 突然

67、短路時的電抗,我們已經(jīng)知道在電機發(fā)生突然短路時的瞬間，會產(chǎn)生一個很大的沖擊電流，我們叫做超瞬態(tài)短路電流，而相應(yīng)的在此電流流過的路徑會對應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的電抗，已知: X= , = N/ = N2 從電路的角度來看，同步電機短路電流的 大小決定于電路的參數(shù)，即同步電機電抗 的大小。電抗的大小是由磁路狀態(tài)來決定 的,所以要研究定子繞組的電抗X，首先 要研究它的磁阻 及磁導(dǎo) 。,

68、,,一、穩(wěn)態(tài)短路時： 如圖所示，轉(zhuǎn)子繞組中沒有感應(yīng)電流，電樞反應(yīng)磁通可以順利地通過定、轉(zhuǎn)子鐵芯及兩個氣隙，因為鐵芯的磁阻是很小的，可以略去不計，所以對應(yīng)的磁導(dǎo)為氣隙磁導(dǎo)，短路電流還產(chǎn)生漏磁通，對應(yīng)的漏磁導(dǎo)為 。所以短路電流所產(chǎn)生的總磁通所對應(yīng)的總磁導(dǎo)為,,= +對應(yīng)的電抗為： = +它就是直軸同步電抗。所以穩(wěn)態(tài)短路電流的大小為,,,,,,,,