同步电机的基本工作原理与结构课件

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1、6.1 6.1 同步电机的基本工作原理与结构同步电机的基本工作原理与结构6.2 6.2 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行6.36.3同步发电机的电枢反应同步发电机的电枢反应6.4 6.4 同步发电机的负载运行同步发电机的负载运行6.56.5同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行6.66.6同步电动机和同步调相机同步电动机和同步调相机思考题与习题 同步电机是交流旋转电机的一种同步电机是交流旋转电机的一种,因其转速恒等于同步速因其转速恒等于同步速机时得名。同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和调相机时得名。同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和调相机。本章主要分析同步发电机的稳态运行

2、原理和运行特性，简机。本章主要分析同步发电机的稳态运行原理和运行特性，简要分析同步电动机和调相机的运行状态。要分析同步电动机和调相机的运行状态。.1同步电机的基本工作原理与结构.1.1 同步电机的基本结构以汽轮发电机为例以汽轮发电机为例:定子铁心：硅钢片叠成。定子铁心：硅钢片叠成。机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。电枢绕组：三相对称绕组电枢绕组：三相对称绕组铜线制成铜线制成定子定子(电枢电枢)转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出励

3、磁绕组：铜线制成励磁绕组：铜线制成滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动转子转子机械端口机械端口转子转子定子绕组定子绕组定子铁心定子铁心电端口电端口ABC返回返回1 1、汽轮发电机结构、汽轮发电机结构 （1 1）定子铁心）定子铁心返回返回1 1、汽、汽轮发电轮发电机结构机结构返回2 2、水轮发电机结构、水轮发电机结构(1)(1)立式水轮发电机立式水轮发电机(2)(2)卧式水轮发电机卧式水轮发电机2 2、水轮发电机结构、水轮发电机结构转子结构转子结构10000kW10000kW水

4、轮机转子水轮机转子1.1.发电环节发电环节各种电机各种电机 引进引进600MW汽轮发电机汽轮发电机国产国产300MW汽轮发电机汽轮发电机国产国产200MW汽轮发电机定子汽轮发电机定子国产国产200MW汽轮发电机定子铁心汽轮发电机定子铁心现场运行的水轮发电机现场运行的水轮发电机.1同步电机的基本工作原理与结构.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大小：01104 44wE.fN k 频率频率：60pnf 励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁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场，原动机拖动转子以转速 旋转时，其旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电

5、动势磁场切割定子绕组而感应交流电动势 .n0E相序相序：由转子的转向决定。：由转子的转向决定。波形波形：由：由 可知，波形可知，波形取决于取决于 的空间分布。的空间分布。(x)eBlv(x)BU2U1W2V1W1V2NSn发电机的物理过发电机的物理过程可用图示表示程可用图示表示旋转示意图1旋转示意图2二、同步电机的分类按按运行运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。按按结构结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和

6、凸极式两种。按原动机类别按原动机类别,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。油发电机等。汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为2 2极，转速极，转速为为30003000转转/分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。.1.3 同步电机的额定值对同步发电机额定值之间关系为：对同步发电机额定值之间关系为：3NNNNNNPScosU Icos )(kVUN额定电压额

7、定运行时加在额定运行时加在三相定子绕组上三相定子绕组上的线电压。的线电压。NNPS 额定功率额定容量 指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输出的额定视在功率或有功功率，单位是输出的额定视在功率或有功功率，单位是KVAKVA或或KWKW。电动机额定。电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是KWKW。调相。调相机用机用KVAKVA或或KvarKvar表示。表示。)(AIN额定电流在额定运行状在额定运行状态下三相定子态下三相定子绕组的线电流绕组的线电流.fNfNNNNUInf

8、额定励磁电压额定励磁电流额定转速额定效率额定频率额定功率因数Ncos.2 同步发电机的空载运行fIfF0 f 0E 电磁关系：电磁关系：01104 44wE.fN k 空载特性：空载特性：同步发电机被原动机拖动到同步转速，励磁绕组中通入直流同步发电机被原动机拖动到同步转速，励磁绕组中通入直流电流电流 ，定子绕组开路的运行称为，定子绕组开路的运行称为空载运行空载运行。fI空载电动势空载电动势 大小：大小：0E00Nfnn,I,Ef(I).3 同步电机的电枢反应电枢反应电枢反应:电机带上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙电机带上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙磁通的大小及位置均发生变化磁

9、通的大小及位置均发生变化,这种影响称为电枢反应这种影响称为电枢反应.电枢反应的性质，取决于电枢磁动势基波电枢反应的性质，取决于电枢磁动势基波 和励磁磁动势基波和励磁磁动势基波 之间的相对位置，即与空载电动势之间的相对位置，即与空载电动势 和电枢电流和电枢电流 之间的夹角之间的夹角 有关有关.0E I fFaF励磁磁势和电枢磁势的区别励磁磁势和电枢磁势的区别基波基波波形波形大小大小位置位置转速转速转向转向励磁磁动励磁磁动势势正弦正弦波波恒定，由励恒定，由励磁电流决定磁电流决定由转子位置由转子位置决定决定由原动机的转速由原动机的转速决定决定由原动机由原动机决定决定电枢反应电枢反应磁动势磁动势正弦正

10、弦波波恒定，由电恒定，由电枢电流决定枢电流决定由电流瞬时由电流瞬时值决定值决定由磁极对数和电由磁极对数和电流频率决定流频率决定由电流相由电流相序决定序决定.3.1 时的电枢反应00 d轴轴q轴轴 U轴轴U1U1U2U2 W2W2V1V1W1V2NSW轴轴V轴fFaFF090电枢反应性质：电枢反应性质：交轴电枢反应空载电动势空载电动势 和和电枢电流电枢电流 同同相位相位.0EI090 角为角为之间夹之间夹与与afFFaqaFF 为为记记d轴轴q轴轴 U轴轴U1U1U2U2 W2W2V1V1W1V2NSW轴轴V轴fF.3.2 时的电枢反应090 空载电动势空载电动势 超超前电枢电流前电枢电流 0E

11、I090电枢反应性质：电枢反应性质：直轴去磁电枢反应aF090 角为角为之间夹之间夹与与afFFadaFF 为为记记d轴轴q轴轴 U轴轴U1U1U2U2 W2W2V1V1W1V2NSW轴轴V轴fF6.3.36.3.3 时的电枢反应时的电枢反应090 空载电动势空载电动势 滞后滞后电枢电流电枢电流 0EI090电枢反应性质：电枢反应性质：直轴助磁电枢反应aF090 角角为为之之间间夹夹与与afFFadaFF 为为记记d轴轴q轴轴 U轴轴U1U1U2U2 W2W2V1V1W1V2NSW轴轴V轴fF6.3.4 一般情况下的电枢反应空载电动势空载电动势 超前超前电枢电流电枢电流 角角,009000EI

12、aF090 电枢反应性质：电枢反应性质：既有交轴,还有直轴去磁电枢反应090 角角为为之之间间夹夹与与afFF此种情况下此种情况下dqdqIIIII sinII cos -直轴分量直轴分量-交轴分量交轴分量0090成与EId同相位与0EIqaadaqadaaqaFFFFF sinFF cos -直轴分量直轴分量电流产生的合成磁动势电流产生的合成磁动势-交轴分量交轴分量电流产生的合成磁动势电流产生的合成磁动势6.3.4 一般情况下的电枢反应（总结）上升上升下降下降 上升上升下降下降下降下降下降下降不变不变不变不变下降下降R、C增强增强交轴直交轴直轴助磁轴助磁d、q轴R、L削弱削弱交轴直交轴直轴去

13、磁轴去磁d、q轴C增强增强直轴直轴助磁助磁d轴L削弱削弱直轴直轴去磁去磁d轴R波形波形畸变畸变交轴交轴q轴 负载负载性质性质对电机的影响电枢反应性质记作记作夹角夹角 位置位置aFafFFaFaqFadFaqadFF adFaqadFF F000900900090000090090)f(nU6.3.5 电枢反应与机-电能量转换 电枢反应是同步电机在负载运行时的重要物理现象，它不电枢反应是同步电机在负载运行时的重要物理现象，它不仅是引起端电压变化的主要原因，而且也是电机实现机仅是引起端电压变化的主要原因，而且也是电机实现机-电能电能量转换的枢纽。量转换的枢纽。.T，em电电磁磁转转矩矩转转轴轴上上

14、产产生生制制动动性性质质的的在在励励磁磁电电流流共共同同作作用用交交轴轴的的电电枢枢反反应应磁磁场场与与.II,IE,qq的的有有功功分分量量可可以以认认为为是是产产生生的的同同相相的的势势与与空空载载电电动动交交轴轴电电枢枢反反应应磁磁动动势势是是时时当当000 输出的有功功率越大，有功分量电流就越输出的有功功率越大，有功分量电流就越大，交轴电枢反应越强，大，交轴电枢反应越强，越大，这就越大，这就要求原动机输入更大的驱动转矩，维持电要求原动机输入更大的驱动转矩，维持电机的转速不变。机的转速不变。emT.II,IE,）(dd的的无无功功分分量量是是可可以以认认为为的的产产生生的的成成与与直直轴

15、轴电电枢枢反反应应磁磁动动势势是是时时或或当当0000909090 说明发电机带感性说明发电机带感性(或容性或容性)无无功负载时功负载时,不需要原动机增加能量不需要原动机增加能量.但是直轴去磁（或助磁）电枢反应对气隙但是直轴去磁（或助磁）电枢反应对气隙磁场有去磁（或助磁）作用，致使电压下降磁场有去磁（或助磁）作用，致使电压下降（或上升）。为维持电压恒定所需的励磁电流（或上升）。为维持电压恒定所需的励磁电流也需要相应增加（或减小）。也需要相应增加（或减小）。直轴电枢反应磁场与励磁直轴电枢反应磁场与励磁电流共同作用电流共同作用,在励磁绕组上产在励磁绕组上产生电磁力生电磁力,但不能形成电磁转矩但不能

16、形成电磁转矩.一般情况下，发电机既带有功负载，又带感性无功负一般情况下，发电机既带有功负载，又带感性无功负载，有功电流的变化影响发电机的转速及频率，无功电流载，有功电流的变化影响发电机的转速及频率，无功电流的变化影响发电机的电压。的变化影响发电机的电压。综上所述，交轴电枢反应的存在是实现机综上所述，交轴电枢反应的存在是实现机电能量转电能量转换的关键。换的关键。为了保持发电机的频率和电压的稳定，必须随负载变为了保持发电机的频率和电压的稳定，必须随负载变化及时调节发电机的输入功率和励磁电流。化及时调节发电机的输入功率和励磁电流。6.4.1 凸极同步发电机的电动势方程和相量图.4 同步电机的负载运行

17、一、凸极同步发电机的电动势方程电磁关系：电磁关系：fIfF0f0EdIadFadadEqIaqFaqaqEEI不计磁路饱和时有下列关系不计磁路饱和时有下列关系addadaqqaqEjI XEjI XEjIX 由于由于qdIII且令且令dadqaqXXXXXX则电动势平衡方程则电动势平衡方程0addqqEUIRjI XjI XdqXX-直轴同步电抗直轴同步电抗-交轴同步电抗交轴同步电抗分别表征在对称负载下，单位直轴或分别表征在对称负载下，单位直轴或交轴三相电流产生的总电枢磁场在电交轴三相电流产生的总电枢磁场在电枢每一相绕组中感应的电动势。枢每一相绕组中感应的电动势。二、凸极同步发电机的相量图作图

18、步骤作图步骤;IU)(和和根根据据已已知知条条件件绘绘出出1;IEEXI jRIUE)(QQqaQ的的夹夹角角与与及及作作出出根根据据 2;III)(qd和和分分解解成成角角将将根根据据3.EOG,G,XI jXI jM,XI jXI jRIUE)(ddqqqqdda004线线段段即即得得连连接接端端得得到到末末及及点点依依次次作作出出从从根根据据 6.4.2隐极同步发电机的电动势方程、相量图和等效电路一、电动势方程电磁关系：电磁关系：fIfF0f0EaaEEIaF不计磁路饱和时有下列关系不计磁路饱和时有下列关系令令taXXX 电动势平衡方程电动势平衡方程0atEUIRjIX tX-同步电抗同

19、步电抗aaEjIXEjIX 表征在对称负载下，单位三相电流表征在对称负载下，单位三相电流产生的电枢总磁场在电枢每一相绕组中产生的电枢总磁场在电枢每一相绕组中感应的电动势。感应的电动势。二、等效电路和相量图等效电路等效电路相量图相量图根据相量图可求出根据相量图可求出 220atEU cosR IU sinX I taX IU sinarctanR IU cos 当忽略电枢回路电阻时得到的等效电路称为当忽略电枢回路电阻时得到的等效电路称为简化等简化等效电路效电路,对应的相量图称为对应的相量图称为简化相量图简化相量图思考题 分别作出汽轮同步发电机带分别作出汽轮同步发电机带阻性阻性、纯感性纯感性、纯容

20、性纯容性、电感性电感性、电容性电容性负负载时的简化相量图？并说明各种情况载时的简化相量图？并说明各种情况下下电枢反应电枢反应的性质？的性质？6.4.3 同步发电机特性一、空载特性定义定义：1000fnn,I,UEf(I)空载特性是发电机的基本特性空载特性是发电机的基本特性之一。它一方面表征了磁路的饱和之一。它一方面表征了磁路的饱和情况，另一方面把它和短路特性、情况，另一方面把它和短路特性、零功率因数负载特性配合，可确定零功率因数负载特性配合，可确定电机的基本参数、额定励磁电流和电机的基本参数、额定励磁电流和电压变化率等。电压变化率等。实际生产中，它还可以检查三实际生产中，它还可以检查三相电枢绕

21、组的对称性、匝间短路、相电枢绕组的对称性、匝间短路、判断励磁绕组和定子铁心有无故障判断励磁绕组和定子铁心有无故障等。等。二、短路特性定义定义：10Sfnn,U,If(I)短路时的等效电路短路时的等效电路短路特性曲线短路特性曲线 短路特性与短路特性与空载特性配合可空载特性配合可以求出电机的同以求出电机的同步电抗。步电抗。三、外特性定义定义：1fnn,IC,cosC,Uf(I)外特性曲线外特性曲线 当发电机带当发电机带阻性阻性和和感性负载感性负载时，时，外特性是下降的，原因是电枢反应的外特性是下降的，原因是电枢反应的去磁作用和电枢漏阻抗产生了电压降去磁作用和电枢漏阻抗产生了电压降.带带容性容性负载

22、时且（发电机负载的负载时且（发电机负载的容抗大于同步电抗）时，外特性是上容抗大于同步电抗）时，外特性是上升的，原因是电枢反应的助磁作用和升的，原因是电枢反应的助磁作用和容性电流在漏抗上的压降。容性电流在漏抗上的压降。四、调节特性定义定义：1fnn,UC,cosC,If(I)调整特性曲线调整特性曲线 在在感性感性和和阻性阻性负载时，随着负载电流负载时，随着负载电流的增加，必须增加励磁电流，补偿电枢反的增加，必须增加励磁电流，补偿电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降，保持端电压应的去磁作用和漏阻抗压降，保持端电压恒定；对恒定；对容性容性负载，随着负载电流的增加，负载，随着负载电流的增加，必须减小励磁电流

23、。必须减小励磁电流。在功率因数一定情况下在功率因数一定情况下,根据调整特根据调整特性曲线性曲线,可确定在负载变化范围内可确定在负载变化范围内,维持维持电压不变所需的励磁电流的变化范围。电压不变所需的励磁电流的变化范围。运行人员可利用调整特性曲线运行人员可利用调整特性曲线,使系统中使系统中无功功率的分配更合理一些。无功功率的分配更合理一些。并联运行的含义.5 同步电机的并联运行1 1、提高供电的可靠性；、提高供电的可靠性；2 2、提高供电的经济性；、提高供电的经济性；3 3、提高电能的质量。、提高电能的质量。无穷大电网的含义0cccSUCfCZ 将两台或更多台发电机分别接在电力系统对应母线上，或

24、将两台或更多台发电机分别接在电力系统对应母线上，或通过变压器、输电线接在电力系统的公共母线上，共同向负荷通过变压器、输电线接在电力系统的公共母线上，共同向负荷供电。供电。并联运行的优点并列方法1.1.准同期法准同期法2.2.自同期法自同期法6.5.1 并联运行的条件一、准同期并列的条件1.1.待并发电机的电压与电网电压大小相等；待并发电机的电压与电网电压大小相等；2.2.待并发电机电压相位相同与电网电压相位相同；待并发电机电压相位相同与电网电压相位相同；3.3.待并发电机电压频率与电网电压频率相同；待并发电机电压频率与电网电压频率相同；4.4.待并发电机的相序与电网的相序相同。待并发电机的相序

25、与电网的相序相同。上述条件（上述条件（4 4）一般在安装发电机时，根据发电机的转向确）一般在安装发电机时，根据发电机的转向确定了发电机的相序而满足，因此运行人员在并列时只需调节发定了发电机的相序而满足，因此运行人员在并列时只需调节发电机使其满足其它三个条件即可。电机使其满足其它三个条件即可。不满足任一条件的并列称为非同期并列，将对电机产生严不满足任一条件的并列称为非同期并列，将对电机产生严重的危害。重的危害。重点重点内容内容1.1.电压大小不等电压大小不等此时此时,ab,ab两端有电位差两端有电位差gcUUU 在电位差的作用下发电机产生在电位差的作用下发电机产生冲击电流，即冲击电流，即gccd

26、dUUUIjxjx 冲击电流为无功冲击电流为无功分量，不会加重原动分量，不会加重原动机的负担，但会在电机的负担，但会在电枢绕组中产生很大的枢绕组中产生很大的冲击力，使电枢绕组冲击力，使电枢绕组端部受冲击力的作用端部受冲击力的作用而变形。而变形。2.2.相位不同相位不同如如图图反反相相和和若若,UUcg 电位差可达发电机电位差可达发电机电压的两倍，若此时并电压的两倍，若此时并列，会产生很大的冲击列，会产生很大的冲击电流，发电机会因遭受电流，发电机会因遭受巨大的冲击力而损坏。巨大的冲击力而损坏。如如图图稍稍超超前前若若,UUcg冲击电流的影响：冲击电流的影响：1)1)电枢绕组端电枢绕组端部受部受力

27、力变形变形;2);2)转轴上受冲击转轴上受冲击转矩转矩的作用的作用,使机轴扭曲变形使机轴扭曲变形;)电枢绕组电枢绕组发热发热.此时此时,ab,ab两端有电位差两端有电位差gcUUU3.3.频率不同频率不同。UUcg同同为为大大小小相相等等而而角角速速度度不不和和。、U变变化化的的拍拍振振电电压压时时小小时时大大为为瞬瞬时时值值的的幅幅值值有有规规律律转轴上时而产生制动转矩、时而产转轴上时而产生制动转矩、时而产生驱动转矩，结果是电机振动。生驱动转矩，结果是电机振动。拍振电流使电枢绕组端拍振电流使电枢绕组端部受力变形，使电枢绕部受力变形，使电枢绕组发热。组发热。频率差过大电机不能并列；频率差较小时

28、，靠频率差过大电机不能并列；频率差较小时，靠自整步作用，可以把发电机拉入同步。作用，可以把发电机拉入同步。.cgcaccgcgff，II，UU,ff 直直到到使使转转子子减减速速矩矩转转轴轴产产生生制制动动转转对对的的有有功功分分量量冲冲击击电电流流前前超超时时当当.cgcaccgff，II,ff 直直到到速速使使转转子子加加矩矩轴轴产产生生驱驱动动转转对对转转功功分分量量的的有有击击电电流流冲冲时时当当4.4.相序不同相序不同.,UU,UU,gcg流流而而危危及及电电机机它它将将产产生生巨巨大大的的冲冲击击电电等等于于恒恒恒恒差差与与因因为为此此时时能能并并列列相相序序不不同同的的发发电电机

29、机绝绝不不31200 发电机实际并列时，除了相序必须一致外，其它条件允发电机实际并列时，除了相序必须一致外，其它条件允许有一定的偏差，如许有一定的偏差，如U U不超过不超过10%10%，相位差不超过，相位差不超过10%10%，频率，频率偏差不超过偏差不超过0.2%0.5%0.2%0.5%（0.10.25Hz)0.10.25Hz)。二、自同期法 相序正确前提下，起动未加励磁的发电机，当其转速接近同相序正确前提下，起动未加励磁的发电机，当其转速接近同步速时，合上同步开关，将发电机并网，然后加上发电机励磁步速时，合上同步开关，将发电机并网，然后加上发电机励磁将发电机牵入同步。并网前，励磁绕组需经限流

30、电阻闭合。将发电机牵入同步。并网前，励磁绕组需经限流电阻闭合。6.5.2 有功功角特性及有功功率调节.5 同步电机的并联运行一、功率和转矩平衡110212emmecFeademcuPP(PPP)PPPPPPmUI cos 输入输入功率功率P1机械损机械损耗耗pmec附加损附加损耗耗p padad铁损铁损pFe电磁功电磁功率率Pem定子铜损定子铜损pcu1输出功输出功率率P P2 26021101nPPPem角速度两边同时除以同步机械在01111emPPP 可得转矩平衡方程为可得转矩平衡方程为10emTTT 10emTTT 或 上式说明，电机稳定运行时，驱动性质的原动机转矩与制上式说明，电机稳定

31、运行时，驱动性质的原动机转矩与制动性质的电磁转矩和空载转矩之和平衡。动性质的电磁转矩和空载转矩之和平衡。二、有功功率功角特性定义定义：tqd、X、XX0EfI)(fPem 并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率一定、并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率一定、参数（参数（）为常数、空载电动势）为常数、空载电动势 不变（即不变（即 不变）时，不变）时，为有功功率功角特性。为有功功率功角特性。凸极发电机的有功功率功角特性凸极发电机的有功功率功角特性2021122emdqdE UUPPmUIcosmsinmsinXXX 隐极发电机的有功功率功角特性隐极发电机的有功功率功角特性0emt

32、E UPmUI cosmsinX 水轮发电机有功功水轮发电机有功功率功角特性曲线率功角特性曲线 水轮发电机的有功水轮发电机的有功功率功角特性分两部分功率功角特性分两部分:基基本本电电磁磁功功率率 sinXUEmPdem0附加电磁功率的特点附加电磁功率的特点:;时附加电磁功率最大045;E 无关附加电磁功率与0.XXqd产生的附加电磁功率是由于附附加加电电磁磁功功率率 21122sin)XX(UmPdqem汽轮发电机的功角特汽轮发电机的功角特性曲线性曲线汽轮发电机的有功功汽轮发电机的有功功率功角特性的特点率功角特性的特点:;sinP)em成成正正比比的的正正弦弦函函数数与与功功角角电电磁磁功功率

33、率1;XUmEP,)tmaxem00902功率达到极限值时.,P,)em动机运行电机转为电为负值018031 1、是电动势、是电动势 和电压和电压 间的时间相位角间的时间相位角;0EUfFuF或称是励磁磁势或称是励磁磁势 和合成磁势和合成磁势 间的空间夹角。间的空间夹角。2 2、是感应电动势、是感应电动势 的主磁通和产生电压的主磁通和产生电压 的电枢等效假想的电枢等效假想磁通之间的夹角。磁通之间的夹角。0EU0u。FF,)(,、,U,ufuauuu间间的的空空间间夹夹角角之之与与定定子子合合成成磁磁极极极极之之间间的的夹夹角角即即为为转转子子磁磁由由因因此此所所产产生生简简称称定定子子合合成成

34、磁磁极极个个等等效效合合成成磁磁极极并并假假定定它它是是由由定定子子的的一一合合成成和和由由产产生生的的是是假假定定发发电电机机的的端端电电压压是是一一个个虚虚拟拟磁磁通通00功角功角 的双重物理意义的双重物理意义用图示功角的双重物理意义用图示功角的双重物理意义）。（，。),(UE,制动转矩制动转矩极一个反作用力极一个反作用力定子合成磁极给转子磁定子合成磁极给转子磁转转磁极同步旋磁极同步旋转子磁极拖动定子合成转子磁极拖动定子合成稳定运行时稳定运行时角角磁极轴线一个磁极轴线一个合成合成转子磁极轴线超前定子转子磁极轴线超前定子超前超前在发电机运行时在发电机运行时000 转子因有原动机的驱动转矩克服

35、定子合成磁极的制动转矩而作功,实现机电能量转换,将由原动机输入的机械能转变为电能输出。可见，功角是研究同步发电机运行状态的一个重要参数，可见，功角是研究同步发电机运行状态的一个重要参数，它不仅决定了发电机输出有功功率的大小，而且还反映发电它不仅决定了发电机输出有功功率的大小，而且还反映发电机转子的相对空间位置，通过它把同步电机的电磁关系和机机转子的相对空间位置，通过它把同步电机的电磁关系和机械运动紧密联系起来。械运动紧密联系起来。发电机空载运行时，原动机输入的功率用来平衡各种损耗，发电机空载运行时，原动机输入的功率用来平衡各种损耗，此时此时 ，定、转子磁极轴线重合，它们之间只有径向力而无，定、

36、转子磁极轴线重合，它们之间只有径向力而无切向力，所以切向力，所以 ，在功角特性的，在功角特性的0 0点上。点上。0000emPemP0。a,TT，TP，TT，P),(emememem点点如如图图为为止止直直到到逐逐渐渐增增大大和和电电磁磁转转矩矩功功率率逐逐渐渐变变大大输输出出增增大大入入功功率率发发电电机机输输开开大大汽汽门门增增大大原原动动转转矩矩 111aa1P 可见，并联于无穷大电网的同步发可见，并联于无穷大电网的同步发电机要调节有功功率输出，只需调节原电机要调节有功功率输出，只需调节原动转矩。在功率极限角范围内，输入转动转矩。在功率极限角范围内，输入转矩越大，有功功率输出就越大。矩越

37、大，有功功率输出就越大。四、静态稳定的概念静态稳定：指并联在电网上稳定运行的同步发电机，当受电指并联在电网上稳定运行的同步发电机，当受电网或原动机方面某些微小扰动时，能在这种干扰消失后，继网或原动机方面某些微小扰动时，能在这种干扰消失后，继续保持原来稳定运行状态的能力。续保持原来稳定运行状态的能力。emP0aa1Pbb在在a a点运行时电机具有静态稳定的能力。点运行时电机具有静态稳定的能力。若干扰使功角若干扰使功角增大到增大到aa点，点，P Pemem和和T Temem增大，迫使电机减速，功角增大，迫使电机减速，功角变小，电机变小，电机回到回到a a点。点。a干扰使功角干扰使功角减小时，有同样

38、结论。所以减小时，有同样结论。所以a a点称为稳定运行点。点称为稳定运行点。而而b b点为不稳定运行点，分析略。点为不稳定运行点，分析略。静态稳定的判据：比整步功率(kW/rad)0emsyndPPd 对汽轮发电机，对汽轮发电机，比整步功率为比整步功率为0emsyntdPE UPmcosdx emP0synPsynPemP090在电机稳定区域内，在电机稳定区域内，越大，电机稳定增越大，电机稳定增长性越好。长性越好。synP五、过载能力汽轮发电机的过载能力汽轮发电机的过载能力em maxNPP 001em maxtNNNtE UmPxE UPsinmsinx 最大电磁功率与额定功率的比值称为过载

39、能力。最大电磁功率与额定功率的比值称为过载能力。过载能力越大，电机的稳定性越好。过载能力是表达静态稳过载能力越大，电机的稳定性越好。过载能力是表达静态稳定的能力，不是发电机可以过载的倍数。定的能力，不是发电机可以过载的倍数。过载能力设计得在一点，是从提高称定观点考虑的，不是从过载能力设计得在一点，是从提高称定观点考虑的，不是从发热观点考虑的。发热观点考虑的。6.5.3 无功功角特性及V形曲线一、无功功率功角特性 并联于无穷大电网的同步发电机当电网电压和频率恒定、参并联于无穷大电网的同步发电机当电网电压和频率恒定、参数（数（x xd d、x xq q、x xt t）为常数、空载电势）为常数、空载

40、电势E E0 0不变（即不变（即 I If f 不变）时，不变）时，Q=f()Q=f()为无功功率功角特性为无功功率功角特性。水轮发电机无功功率的功角特性水轮发电机无功功率的功角特性2201111222dqdqdE UUUQmUI sinmcosmmsinxxxxx 汽轮发电机无功功率的功角特性汽轮发电机无功功率的功角特性20ttE UUQmUI sinmcosmxx 汽轮发电机无功功率的功角特性曲线汽轮发电机无功功率的功角特性曲线tXUmQ2t0XU)U(EmQQ001EUcos 090 几个特殊点几个特殊点:001EUcos0Q090QPem1P1emP1Qaabb2Qb2emP 从能量守

41、恒观点看，并从能量守恒观点看，并网运行的同步发电机调节无网运行的同步发电机调节无功功率，不需调节原动机来功功率，不需调节原动机来的输入功率，只需改变励磁的输入功率，只需改变励磁电流。电流。调节 前，aemaemQ，QPP fIbemaembemQ，QPPP 增大 后fI调节调节 不影响发电机的有功功率输出不影响发电机的有功功率输出,但影响电机的稳定性能。但影响电机的稳定性能。fI调节无功时不影响有功功率的输出调节无功时不影响有功功率的输出,但是调节有功时影响无功功但是调节有功时影响无功功率输出率输出.三、相量分析1.1.正常励磁正常励磁0100,cos,P,Q UI0EtXI j2.2.过励磁

42、过励磁01E1tXI j11I)Q(QP),(cos,CL或吸发滞后003.3.欠励磁欠励磁tXI j202E22I)Q(QP),(cos,LC或吸或吸发发超前超前00 303E3ItXI j3四、V形曲线 并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率不变时，表并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率不变时，表示电枢电流示电枢电流 和励磁电流和励磁电流 的关系曲线的关系曲线 称为称为“V”V”形形曲线。曲线。IfI)f(IIf 发电机运行时，发电机运行时，定子电流定子电流和和励磁电流励磁电流是运行人员主要监视的是运行人员主要监视的两个物理量，这两个量关系到定子绕组和励磁绕组的温度，又两个物理量

43、，这两个量关系到定子绕组和励磁绕组的温度，又牵涉到功率因数的超前或滞后以及运行的稳定性问题。牵涉到功率因数的超前或滞后以及运行的稳定性问题。对于一个给定的有功功率输出就有一条对于一个给定的有功功率输出就有一条V V形曲线，有功功率形曲线，有功功率越大，曲线向上移，因此可是以得到一簇越大，曲线向上移，因此可是以得到一簇“V”V”形曲线。形曲线。励磁正常IfI01cos欠励过励eemememmPPPP 区域不稳定0900emP emPemPemPV形曲线的特点2.2.不稳定区域边缘：不稳定区域边缘：=90=900 0，连线向右倾斜，连线向右倾斜;1.1.每条曲线的最低点每条曲线的最低点,定子电流最

44、小定子电流最小,且全为有功电流，且全为有功电流，这些点的连线向右倾斜；这些点的连线向右倾斜；1cos3.3.每条曲线上的电流变化量每条曲线上的电流变化量I I 为无功分量为无功分量;4.4.励磁电流从零开始增大时，定子电枢电流变化规律为先减小励磁电流从零开始增大时，定子电枢电流变化规律为先减小后增大。后增大。表明要输出纯有功功率，必须相应增加一些励磁电流。表明要输出纯有功功率，必须相应增加一些励磁电流。表明输出有功功率越多，维持稳定所需的励磁电流也越大。6.6.1 同步电动机.6 同步电动机和同步调相机一、同步电机的可逆原理 同步电机运行于发电同步电机运行于发电机状态时，如图所示。机状态时，如

45、图所示。转子磁极轴线超前定子转子磁极轴线超前定子合成磁极轴线，合成磁极轴线，00，电机，电机把机械能转变成电能。把机械能转变成电能。同步电机的运行是可逆同步电机的运行是可逆的，既可以用作发电机，还的，既可以用作发电机，还可以用作电动机。可以用作电动机。逐步减少发电机的逐步减少发电机的输入功率，转子将瞬时输入功率，转子将瞬时减速，减速，角减小，相应角减小，相应的电磁功率也减少。的电磁功率也减少。当发电机的输入功率当发电机的输入功率只能满足空载损耗时，发只能满足空载损耗时，发电机处于空载运行状态。电机处于空载运行状态。继续减少发电机的输入功率，继续减少发电机的输入功率，则则和和 P Pemem变为

46、负值变为负值。卸动原动机，。卸动原动机，电机从电网吸收功率满足空载损耗，电机从电网吸收功率满足空载损耗，成为空转的电动机。成为空转的电动机。电机轴上加上机械负载，电机轴上加上机械负载，负负值的值的增大增大，由电网向电机输入，由电网向电机输入的电功率和相应的电磁功率增大，的电功率和相应的电磁功率增大，转子磁极轴线落后定子合成磁极转子磁极轴线落后定子合成磁极轴线，转子受到驱动性质的电磁轴线，转子受到驱动性质的电磁转矩作用。转矩作用。二、同步电动机的基本方程 按照发电机惯例，同步电动机可以看成是一台输出负的有功按照发电机惯例，同步电动机可以看成是一台输出负的有功功率的发电机，其电动势方程与发电机的方

47、程相同，以隐极机功率的发电机，其电动势方程与发电机的方程相同，以隐极机为例：为例：0atEUIRjIX 按照电动机惯例，把输出负电流看成是输入正电流即可，其按照电动机惯例，把输出负电流看成是输入正电流即可，其电动势方程：电动势方程：0MaMtUEI RjI X 隐极机：隐极机：凸极机：凸极机：0MaMddMqqUEI RjIXjIX 同步电动机的功角特性与发电机的也相似，用同步电动机的功角特性与发电机的也相似，用M M=-=-代替代替即可。即可。三、同步电动机的V形曲线 与同步发电机相似与同步发电机相似,当同步电当同步电动机的输入有功功率恒定而调节励动机的输入有功功率恒定而调节励磁电流时磁电流

48、时,也有三种励磁状态也有三种励磁状态,“,“正正常励磁常励磁”时时,电动机没有无功功率电动机没有无功功率输出；输出；“过励过励”时电动机从电网吸时电动机从电网吸收容性无功（或发出感性无收容性无功（或发出感性无功）功）;“;“欠励欠励”时电动机从电网吸时电动机从电网吸收感性无功（或发出容性无功）收感性无功（或发出容性无功）.也可以调节无功功率也可以调节无功功率.调节励磁电流可以调节同步电动机的无功功率和功率因数调节励磁电流可以调节同步电动机的无功功率和功率因数,这是同步电动最可贵的特点这是同步电动最可贵的特点.由于同步电动机的平均起动转矩为零，所不能自行起动，由于同步电动机的平均起动转矩为零，所

49、不能自行起动，必须借用其它方法。必须借用其它方法。常用的起动方法有：辅助电动机起动法、变频起动法和异常用的起动方法有：辅助电动机起动法、变频起动法和异步起动法。其中异步起动法应用最广泛。步起动法。其中异步起动法应用最广泛。6.6.2 同步调相机 同步调相机是专门发送无功功率的同步电机，实质上是一同步调相机是专门发送无功功率的同步电机，实质上是一台空载运行的同步电动机。台空载运行的同步电动机。在电网的受电端接上同步调速相机，是提高电网功率因在电网的受电端接上同步调速相机，是提高电网功率因数的重要方法之一数的重要方法之一。一、同步调相机的励磁1.正常励磁0000EU,I,Q 2.过励磁3.欠励磁)

50、Q(Q,UECL或或吸吸发发0090 )Q(Q,UELC或或吸吸发发0090 二、同步调相机的特点1.1.调相机的额定容量指的是在过励状态下的额定视在功率。调相机的额定容量指的是在过励状态下的额定视在功率。2.2.由于转轴上不带机械负载，所以调相机的转轴比同容量的电由于转轴上不带机械负载，所以调相机的转轴比同容量的电动机转轴细，没有过载能力的要求。动机转轴细，没有过载能力的要求。3.3.为了提高调相机提供感性无功的能力，励磁线圈导线截面较为了提高调相机提供感性无功的能力，励磁线圈导线截面较大，但励磁损耗仍然很大，对通风冷却要求较高。大，但励磁损耗仍然很大，对通风冷却要求较高。同步调相机的起动一

51、般采用异步起动法或辅助电动机法。选同步调相机的起动一般采用异步起动法或辅助电动机法。选择起动方法时，首先考虑限制起动电流，然后考虑满足起动转择起动方法时，首先考虑限制起动电流，然后考虑满足起动转矩的要求。矩的要求。(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK

52、8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%

53、s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPd

54、LaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x

55、*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQf8G4D1z-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMb

56、J7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u

57、%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfO

58、cL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)

59、w&tXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPd

60、LaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x

61、*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+xqYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMb

62、J7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u

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