《电机学》课件同步电机教学内容.ppt

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1、电机学课件同步电机电机学课件同步电机6.1.1同步电机的结构型式同步电机的结构型式一、汽轮同步电机的基本结构汽轮同步电机的基本结构定子定子 n定子铁心：硅钢片叠成。n机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。n电枢绕组：三相对称绕组铜线制成 转子转子n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n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n励磁绕组：铜线制成励磁绕组：铜线制成n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n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

2、向移动同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理 励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动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转子以转速n n 旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势动势。波形：由波形：由e=Blv可知，波形取决于磁密的空间分布。可知，波形取决于磁密的空间分布。频率：频率：f=pn/60 大小：大小：E=4.44fN1kw1 相序：由转子的转向决定相序：由转子的转向决定 同步电机的分类同步电机的分类 n按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。n按结构型式，同

3、步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。n旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸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。两种。n按原动机类别按原动机类别,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。和柴油发电机等。n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极，极，转速为转速为3000转转/分钟，水轮发电机采用凸极式，极数分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。多，转速低。n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

4、和调相机一般作成凸极式。n按冷却介质和冷却方式分，有空外冷、氢冷、水内冷按冷却介质和冷却方式分，有空外冷、氢冷、水内冷同步电机的型号型号型号n发电机型号表示该发电机的类型和特点发电机型号表示该发电机的类型和特点 nQFQS-200-2表示定子绕组水内冷、转表示定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、铁心氢冷的二极汽轮发子绕组氢内冷、铁心氢冷的二极汽轮发电机，容量为电机，容量为200MW。n854/210-40表示立式同步水轮发表示立式同步水轮发电机，定子铁心外径为电机，定子铁心外径为854cm，定子铁，定子铁心长度为心长度为210cm，有，有40个磁极。个磁极。额定容量和额定功率额定容量和额定功率指电

5、机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指电机额定运行时，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，单位是指输出的额定视在功率或有功功率，单位是KVA或或KW。电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是单位是KW。调相机用。调相机用KVA或或Kvar表示。表示。额定电压 额定运行时加在三相定子绕组上的线电压。额定运行时加在三相定子绕组上的线电压。额定电流额定电流在额定运行状态下三相定子绕组的线电流在额定运行状态下三相定子绕组的线电流.额定值 6.2同步发电机的运行原理 同步发电机的电枢反应同步发电机的电枢反

6、应 同步发电机的电动势方程和相量图同步发电机的电动势方程和相量图；同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性同步发电机的并列同步发电机的并列同步发电机的有功功率功角特性和静态稳定同步发电机的有功功率功角特性和静态稳定 同步发电机的无功功率功角特性和形曲线同步发电机的无功功率功角特性和形曲线同步调相机和同步电动机同步调相机和同步电动机 同步发电机的空载运行 同步发电机转子由原动机拖动到同步转速，转子绕组同步发电机转子由原动机拖动到同步转速，转子绕组通以恒定的直流励磁电流，定子电枢绕组开路，这种运行通以恒定的直流励磁电流，定子电枢绕组开路，这种运行状态，称为同步发电机的空载运行。状态，称为同步发电机

7、的空载运行。励磁电流励磁电流If单独建立的励磁磁动势单独建立的励磁磁动势Ff产生的主、漏通。产生的主、漏通。主、漏磁通均随转子旋转，在气隙中形成旋转磁场。主磁主、漏磁通均随转子旋转，在气隙中形成旋转磁场。主磁通交链电枢绕组，在电枢绕组中感应电动势通交链电枢绕组，在电枢绕组中感应电动势；漏磁通不交链电枢绕组，不在电枢绕组中感应电动势，漏磁通不交链电枢绕组，不在电枢绕组中感应电动势，不参与定、转子之间的能量转换不参与定、转子之间的能量转换.空载特性空载特性 空载时电磁关系空载时电磁关系：空载特性空载特性：空载电动势空载电动势 大小大小：空载特性曲线空载特性曲线：气隙线气隙线电枢反应 电机带上负载后

8、，电枢磁动势的基波电机带上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙在气隙中使气隙 磁通的大小及位置均发生磁通的大小及位置均发生变化变化,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基波和励磁磁动势基波 之间的相对位置，之间的相对位置，即与空载电动势即与空载电动势 和电枢电流和电枢电流 之间的夹角之间的夹角有关有关.励磁磁势和电枢磁势的区别励磁磁势和电枢磁势的区别 n由电流相序决定由电流相序决定n由原动机决定由原动机决定n转向转向n由磁极对数和电流频率决定由磁极对数和电流频率决定n由电流瞬时值决定由电流瞬时值决定n恒

9、定，由电枢电流决定恒定，由电枢电流决定n正弦波正弦波n电枢反应磁动势电枢反应磁动势n由原动机的转速决定由原动机的转速决定n由转子位置决定由转子位置决定n恒定，由励磁电流决定恒定，由励磁电流决定n正弦波正弦波n励磁磁动势励磁磁动势n转速转速n位置位置n大小大小n基波波形基波波形准备工作1.三个角 1)内功率因数角内功率因数角 是是E0与与F之间的时间相位角之间的时间相位角,与电机参数及负载有关与电机参数及负载有关.2)外功率因数角外功率因数角 是是U与与F之间的时间相位角之间的时间相位角,与负载有关与负载有关 3)功率角功率角(功角功角)是是E0与与U之间的时间相位角之间的时间相位角.三个角之间

10、的关系为三个角之间的关系为=+=+2.四个轴 直轴直轴(纵轴、纵轴、d轴）：主磁极轴线位置。轴）：主磁极轴线位置。交轴（横轴、交轴（横轴、q轴）：轴）：与直轴成与直轴成900电角度的位置。电角度的位置。相轴：相轴：每相绕组的轴线位置。每相绕组的轴线位置。时轴：时轴：时间相量在其上投影可得到时间量的瞬时值。时间相量在其上投影可得到时间量的瞬时值。同步电机结构图 AX ZBCYNS1.=0时的电枢反应空载电动势空载电动势E0和电枢电流和电枢电流Ia同相位同相位.C轴轴q轴轴 A轴轴 B轴轴ABCFf与Fa的夹角为+90电枢反应性质：交轴交轴电枢反应电枢反应2.=90时的电枢反应 空载电动势空载电动

11、势 E0 超前电枢电流超前电枢电流Ia90 Ff与Fa的夹角为+90电枢反应性质：电枢反应性质：直轴去磁电枢反应3.=-90时的电枢反应 空载电动势空载电动势 E0 滞后电枢电流滞后电枢电流Ia90 Ff与Fa的夹角为+90电枢反应性质：电枢反应性质：直轴助磁电枢反应4.090时的电枢反应 空载电动势空载电动势 E0 超前电枢电流超前电枢电流 Ff与Fa的夹角为+90电枢反应性质：电枢反应性质：交轴电枢反应兼直轴去磁电枢反应4.090时的电枢反应 此种情况下此种情况下-直轴分量直轴分量 -交轴分量交轴分量4.090时的电枢反应 此种情况下此种情况下-直轴分量电流产生的合成磁动势直轴分量电流产生

12、的合成磁动势 -交轴分量电流产生的合成磁动势交轴分量电流产生的合成磁动势一般情况下的电枢反应（总结）一般情况下的电枢反应（总结）位置位置q轴轴d轴轴d轴轴d、q轴轴d、q轴轴记作记作夹角夹角电枢电枢反应反应性质性质交轴交轴直、去直、去直、助直、助交、直交、直去去交、交、直助直助对电机的影响对电机的影响下降下降下降下降下降下降不变不变不变不变波形波形畸变畸变削弱削弱削弱削弱增强增强增强增强下降下降 下降下降 上升上升上升上升不变不变负载性质负载性质RLCR、LR、C电磁转矩 同步发电机带上负载后，电枢电流建立同步发电机带上负载后，电枢电流建立电枢反应磁场，它与励磁电流作用电枢反应磁场，它与励磁电

13、流作用 产生电磁力，在某些情况下形成电磁转产生电磁力，在某些情况下形成电磁转矩，实现机电能量转换。矩，实现机电能量转换。1.有功电流产生电磁力有功电流产生电磁力,形成电磁转矩形成电磁转矩 当发电机带有功负载当发电机带有功负载(阻性负载阻性负载)时时,可以近似认为可以近似认为 机电能量转换有功电流产生电磁力,形成电磁转矩 即，电枢绕组流过有功电流时即，电枢绕组流过有功电流时,产生交轴产生交轴电枢反应磁场。励磁绕组载流体在该磁电枢反应磁场。励磁绕组载流体在该磁场作用产生电磁力，并形成制动性质的场作用产生电磁力，并形成制动性质的电磁转矩。电磁转矩。输出的有功功率越大，有功分量电流就越大，输出的有功功

14、率越大，有功分量电流就越大，交轴电枢反应越强，电磁转矩越大，为了保持交轴电枢反应越强，电磁转矩越大，为了保持电机的转速不变，要求原动机输入更大的驱动电机的转速不变，要求原动机输入更大的驱动转矩转矩调节有功功率。调节有功功率。2.无功电流产生电磁力但不形成转矩无功电流产生电磁力但不形成转矩 n发电机带电感或电容负载发电机带电感或电容负载(无功负载无功负载)时时,可以认为可以认为n产生直轴去磁产生直轴去磁(或助磁或助磁)电枢反应磁场。电枢反应磁场。励磁绕组载流体在该磁场作用产生电磁励磁绕组载流体在该磁场作用产生电磁力，但不形成电磁转矩。力，但不形成电磁转矩。n说明发电机带感性说明发电机带感性(或容

15、性或容性)无功负载时无功负载时,不需要原动机增加能量。不需要原动机增加能量。3.系统静特性但是直轴去磁（或助磁）电枢反应对气但是直轴去磁（或助磁）电枢反应对气隙磁场有去磁（或助磁）作用，致使发隙磁场有去磁（或助磁）作用，致使发电机端电压下降（或上升）。为维持电电机端电压下降（或上升）。为维持电压恒定，励磁电流需要相应增加（或减压恒定，励磁电流需要相应增加（或减小）小）调节无功功率。调节无功功率。无功电流产生电磁转矩 同步发电机的电动势方程和相量图 同步电抗饱和因素不考虑磁路饱和时,各电动势与其对应的电流成正比,即有由于定子漏磁通的路径主要是气隙，磁路不饱和，所以漏抗为常数。:对应于 的直轴电枢

16、反应电抗 对应于的漏电抗对应于的交轴电枢反应电抗 对于凸极同步电机,由于直轴气隙比交轴气隙小，直轴磁阻比交轴磁阻小，所以有 对隐极同步电机，由于气隙均匀，交、直轴的磁阻大小相等，即认为 xa隐极发电机对应a的电枢反应电抗电枢反应电抗为三相对称电枢电流产生合成的电枢反应磁场感应于一相的电枢电动势与其对应的相电流的比值，它综合反映三相对称电流产生的合成电枢反应磁场对定子一相的影响。当三相对称电流流过电枢绕组时，产生电枢反应磁通和漏磁通，分别在电枢绕组中感应电枢反应电动势和漏感电动势。对隐极电机，全部电动势为对隐极电机，全部电动势为 xt 称为隐极电机的同步电抗，是电枢反应电抗和漏抗之和。同步发电机

17、正常运行时，磁路略呈饱和，磁路越饱和，所对应的电抗越小。对凸极电机 分别称为直轴和交轴同步电抗。直轴磁路的气隙较小，应当考虑铁心饱和的影响，因而具有饱和值和不饱和值之分；而交轴磁路气隙较大，可认为只有非饱和值，为常量。同步电抗是同步电机的一个重要参数，它是表征同步发电机稳定运行时电枢反应磁场和电枢漏磁场对电枢电路作用的一个综合参数。同步电抗的大小直接影响同步发电机端电压随负载波动的程度和在大电网运行时的稳定性，也影响同步发电机短路电流大小。凸极同步发电机的电动势方程和相量图(三相系统)(合成旋转磁动势)正方向按图规定，则有代入代入得到凸极发电机的电动势方程得到凸极发电机的电动势方程 注意：方程

18、式中的电压、电动势和电流均为相值。注意：方程式中的电压、电动势和电流均为相值。凸极同步发电机的相量图作图步骤凸极同步发电机的相量图作图步骤 返回目录返回目录凸极同步发电机的相量图凸极同步发电机的相量图 若内功率因数角不知，可从以下公式求取 隐极同步发电机的电动势方程、等效电路和相量图 电磁关系：2.数学模型电动势平衡方程电动势平衡方程代入代入 可得到隐极发电机的电动势方程可得到隐极发电机的电动势方程 隐极发电机的等效电路隐极发电机的等效电路 隐极发电机的相量图隐极发电机的相量图 相量图相量图由相量图可知由相量图可知 根据相量图可求出根据相量图可求出同步发电机的运行特性 一、一、空载特性空载特性

19、定义：续 空空载载特特性性是是发发电电机机的的基基本本特特性性之之一一。它它一一方方面面表表征征了了磁磁路路的的饱饱和和情情况况，另另一一方方面面把把它它和和短短路路特特性性、零零功功率率因因数数负负载载特特性性配配合合，可可确确定定电电机机的的基基本本参参数数、额额定定励励磁磁电流和电压变化率等。电流和电压变化率等。实实际际生生产产中中，它它还还可可以以检检查查三三相相电电枢枢绕绕组组的的对对称称性性、匝匝间间短短路路、判判断励磁绕组有无故障等断励磁绕组有无故障等。二、短路特性二、短路特性 定义：短路时短路时,电枢反应为直轴去磁电枢反应为直轴去磁气气隙隙电电动动势势很很小小,感感应应气气隙隙

20、电电动动势势的的气气隙隙磁磁通通量量很很小小,所以磁路不饱和所以磁路不饱和.所以短路特性是一条过原点的直线所以短路特性是一条过原点的直线.此时此时是常数是常数,有有短路特性 短路时的等效电路短路时的等效电路2.同步电抗的求取 求求xd不饱和值不饱和值 根据公式根据公式求求x xd d不不饱饱和和值值时时,首首先先给给定定一一励励磁磁电电流流I If f，在在空空载载特特性性的的不不饱饱和和段段或或气气隙隙线线上上确确定定对对应应I If f的的E E0值值，然然后后在在短短路路特特性性曲曲线线上上确确定定对对应应I If f的的短短路电流路电流I Ik k的值的值,则则 求取求取x xd d饱

21、和值饱和值 求求取取x xd d饱饱和和值值时时，首首先先在在空空载载特特性性上上取取对对应应额额定定电电压压U UN N的的励励磁磁电电流流I If0f0，再再从从短短路路特特性性上上取取出对应出对应I If0 f0 的短路电流的短路电流I Ik k，则，则 交轴同步电抗交轴同步电抗 三、外特性三、外特性定义：外特性(续）当当发发电电机机带带阻阻性性和和感感性性负负载载时时，外外特特性性是是下下降降的的，原原因因是是电电枢枢反反应应的的去去磁磁作作用用和和电电枢枢漏漏阻阻抗抗产产生生了了电电压压降降；带带容容性性负负载载时时且且（发发电电机机负负载载的的容容抗抗大大于于同同步步电电抗抗）时时

22、，外外特特性性是是上上升升的的，原原因因是是电电枢枢反反应应的的助助磁磁作作用用和和容容性性电电流流在在漏漏抗抗上的压降。上的压降。为为了了在在不不同同功功率率因因数数下下时时能能得得到到额额定定电电压压，感感性性负负载载时时要要增增大大励励磁磁电电流流，容容性性负负载载时时应应减减小励磁电流小励磁电流。四、调节特性四、调节特性定义：调整特性曲线调整特性曲线调整特性曲线(续)在感性和阻性负载时，随着负载电流的增加，必须增加励磁电流，补偿电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降，保持端电压恒定；对容性负载，随着负载电流的增加，必须减小励磁电流。在功率因数一定情况下,根据调整特性曲线,可确定在负载变化范围内

23、,维持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,使系统中无功功率的分配更合理一些。同步电机的并联运行并联运行的含义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。将两台或更多台发电机分别接在电力系统对应母线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，共同向负荷供电线上，共同向负荷供电.并联运行的优点无穷大电网的含义并列方法 1.1.准同步法准同步法 2.2.自同步法自同步法准同步法 准同步并列必须

24、满足的条件准同步并列必须满足的条件 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与电网电压相位相同；待并发电机电压相位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）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电机使其满足其它三个条人员在并列时只需调节发电机

25、使其满足其它三个条件即可。件即可。不满足任一条件的并列称为非同步并不满足任一条件的并列称为非同步并列，将对电机产生严重的危害。列，将对电机产生严重的危害。不满足并联条件时的结果1.电压大小不等 在在电电位位差差的的作作用用下下发发电电机机产产生生冲击电流，即冲击电流，即电电网网由于由于x xd d 很小，所以即使很小，所以即使UU不大，冲击电流也会很大不大，冲击电流也会很大 此时此时,S两端有电位差两端有电位差 冲冲击击电电流流为为无无功功分分量量，不不会会加加重重原原动动机机的的负负担担，但但会会在在电电枢枢绕绕组组中中产产生生很很大大的的冲冲击击力力，使使电电枢枢绕绕组组端端部部受受冲冲击

26、力的作用而变形击力的作用而变形。2.相位不同 此时,ab两端有电位差 电电位位差差可可达达发发电电机机电电压压的的两两倍倍，若若此此时时并并列列，会会产产生生很很大大的的冲冲击击电电流流，发发电电机机会会因因遭遭受受巨巨大大的的冲冲击力而损坏。击力而损坏。（续）冲击电流的影响冲击电流的影响 1)1)电电枢枢绕绕组组端端部部受受力力变变形形;2)2)转转轴轴上上受受冲冲击击转转矩矩的的作作用用,使机轴扭曲变形使机轴扭曲变形;3)3)电枢绕组发热电枢绕组发热.3.3.频率不同频率不同 转转轴轴上上时时而而产产生生制制动动转转矩矩、时时而而产产生生驱驱动动转转矩矩，结果是电机振动。结果是电机振动。拍

27、振电流使电枢绕拍振电流使电枢绕组端部受力变形，组端部受力变形，使电枢绕组发热。使电枢绕组发热。（续）频率差过大电机不能并列；频率差较小时，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。并发电机频率略高于电网频率时并发电机频率略高于电网频率时 冲冲击击电电流流的的有有功功分分量量与与电电压压同同相相位位,表表明明发发电电机机向向电电网网发发出出有有功功功功率率,并并对对转转轴轴产产生生制制动动性性质质转转矩矩，电电机机减减速速，频频率率下下降降，直直至至并发电机频率略低于电网频率时并发电机频率略低于电网频率时 冲击电流的有功冲击电流的有功

28、分量与电压反相位分量与电压反相位,表明发电机从电网吸表明发电机从电网吸收有功功率收有功功率,并对转并对转轴产生驱动性质转矩，轴产生驱动性质转矩，电机加速，频率上升，电机加速，频率上升，直至直至 4.相序不同 相序不同的发电机不能并联，因为相序不同的发电机不能并联，因为此时此时U Ug g 和和 U Uc c 恒差恒差120120度，度，U 恒等于恒等于1.732U1.732Ug g，它将产巨大的冲击电流危害，它将产巨大的冲击电流危害电机及系统。电机及系统。发电机实际并联时，除了相序必须一致外，其它条发电机实际并联时，除了相序必须一致外，其它条件允许有一定的偏差，如件允许有一定的偏差，如UU不超

29、过不超过10%10%，相位差不超过，相位差不超过10%10%，频率偏差不超过，频率偏差不超过0.2%0.2%0.5%0.5%（0.10.10.25Hz)0.25Hz)。二、自同期法 相序正确前提下，起动未加励磁的发电相序正确前提下，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，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将发电将发电机并网，然后加上发电机励磁将发电机牵入同步。并网前，励磁绕组需经限流电机牵入同步。并网前，励磁绕组需经限流电阻闭合。并列时会较大有冲击电流和转矩阻闭合。并列时会较大有冲击电流和转矩,一般用于紧急状态下的并列操作一般用于紧急状态

30、下的并列操作.同步发电机的有功功角特性和静态稳定 一、有功功率平衡可得转矩平衡方程为可得转矩平衡方程为或或上式说明，电机稳定上式说明，电机稳定运行时，驱动性质的运行时，驱动性质的原动机转矩与制动性原动机转矩与制动性质的电磁转矩和空载质的电磁转矩和空载转矩之和平衡。转矩之和平衡。二、有功功率功角特性 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（x xd d,x,xq q,x,xt t)为常数、空载电动势为常数、空载电动势E E0 0 不变（即不变（即I If f 不变）不变）时，时，P Pem=f(em=f()为有功功率功角

31、特性。为有功功率功角特性。为了分析方便，假定为了分析方便，假定 1 1）发电机并联于无穷大电网；）发电机并联于无穷大电网；2 2）发电机磁路不饱和；）发电机磁路不饱和；3 3）忽略电枢绕组电阻。）忽略电枢绕组电阻。根据发电机的相量图，可以推导得发电机的有功功率功角特性根据发电机的相量图，可以推导得发电机的有功功率功角特性凸极电机：凸极电机：返回目录返回目录隐极电机隐极电机凸极发电机的有功功率功角特性分两部分凸极发电机的有功功率功角特性分两部分:-基本电磁功率基本电磁功率-附加电磁功率附加电磁功率附加电磁功率的特点附加电磁功率的特点:汽轮发电机的功角特性曲线汽轮发电机的功角特性曲线 汽轮发电机的

32、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 功角的双重物理意义功角的双重物理意义 用图示功角的双重物理意义用图示功角的双重物理意义 功角说明功角说明定子定子N NS S定子定子NS 因因有有原原动动机机的的驱驱动动转转矩矩克克服服定定子子合合成成磁磁极极的的制制动动转转矩矩而而作作功功,实实现现机机电电能能量量转转换换,将将由由原原动动机机输输入入的机械能转变为电能输出。的机械能转变为电能输出。功功角角是是研研究究同同步步发发电电机机运运行行状状态态的的一一个个重重要要参参数数，它它不不仅仅决决定定发发电电机机输输出出有有功功功功率率的的大大小小，而而且且还还反反映映发发电电机机

33、转转子子的的相相对对空空间间位位置置，它它把把同同步步电电机机的电磁关系和机械运动紧密联系起来。的电磁关系和机械运动紧密联系起来。三、有功功率调节 发电机空载运行时，原动机输入的功率用来平发电机空载运行时，原动机输入的功率用来平衡各种损耗，此时功角为零。定、转子磁极轴线重衡各种损耗，此时功角为零。定、转子磁极轴线重合，它们之间只有径向力而无切向力，合，它们之间只有径向力而无切向力，所以所以Pem=0，在功角特性的，在功角特性的0点上。点上。有功功率调节 可见，并联于无穷大电网的同步可见，并联于无穷大电网的同步发电机要调节有功功率输出，只发电机要调节有功功率输出，只需调节原动转矩。在功率极限角需

34、调节原动转矩。在功率极限角范围内，输入转矩越大，有功功范围内，输入转矩越大，有功功率输出就越大。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。在在a a点运行时电机具有静态稳定点运行时电机具有静态稳定的能力的能力.若干扰使功角若干扰使功角增大到增大到a a点点,P,Pem和和T Tem增大增大,迫使电机迫使电机减速减速,功角功角变小，电机回到变小，电机回到a a点。点。干扰使功角干扰使功角减小时，有同样结减小时，有同样结论。所以论。所以a a点称为稳定运行点。点称为稳定运行

35、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。bb静态稳定的判据静态稳定的判据 静态稳定的判据：比整步功率(kW/rad)对汽轮发电机，比整步功率为对汽轮发电机，比整步功率为 对水轮发电机，比整步功率为对水轮发电机，比整步功率为在电机稳定区域内，Psyn越大，电机稳定性 越好 五、过载能力 最大电磁功率与额定功率的比值称为过载能力。最大电磁功率与额定功率的比值称为过载能力。汽轮发电机的过载能力汽轮发电机的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定过载能力越大，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。的能力，不是发电机可以

36、过载的倍数。过载能力设计得在一点，是从提高稳定观点考虑的，不是从发过载能力设计得在一点，是从提高稳定观点考虑的，不是从发热观点考虑的。热观点考虑的。同步发电机的无功功率无功功角特性及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（定、参数（xdxd、xqxq、xtxt）为常数、空载电势）为常数、空载电势E0E0不变（不变（即即 If If 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。设发电机输出感性无功功率时设发电机输出感性无功功率时Q Q值为正。由相量图可推导出值为正。由

37、相量图可推导出汽轮发电机无功功率功角特性 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 几个特殊点几个特殊点:无功功率的调节无功功率的调节 从从能能量量守守恒恒观观点点看看，并并网网运运行行的的同同步步发发电电机机调调节节无无功功功功率率，不不需需调调节节原原动动机机来来的的输输入入功功率率，只需改变励磁电流。只需改变励磁电流。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。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.相量分析 1.1.

38、正常励磁正常励磁2.2.过励磁过励磁3.3.欠励磁欠励磁V形曲线 发电机运行时，定子电流和励磁电流是运行人员主发电机运行时，定子电流和励磁电流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，又牵涉到功率因数的超前或滞后以及运行绕组的温度，又牵涉到功率因数的超前或滞后以及运行的稳定性问题。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，形曲线，有功功率越大，曲线向上移，因此可是以得到一簇有功功率越大，曲线向上移，因此可是以得到一簇“V”“V”形曲线。形曲线。V形曲线形曲线不稳定

39、区域不稳定区域欠励磁欠励磁“进相进相”运行运行欠励磁欠励磁 正常正常励磁励磁 过励磁过励磁 过励磁过励磁“迟相迟相”运行运行 V形曲线的特点形曲线的特点 1.1.每条曲线的最低点每条曲线的最低点,定子电流最小定子电流最小,且全为有功且全为有功电流，这些点的连线向右倾斜；电流，这些点的连线向右倾斜；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。2.2.不稳定区域边缘：不稳定区域边缘：=90=90，连线向右倾斜，连线向右倾斜;表明输出有功功率越多，维持稳定所需的励磁电流也越大。表明输出有功功率越多，维持稳定所需的励磁电流也越大。3.3.每条曲线上的

40、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。小后增大。,同步调相机和同步电动机同步调相机和同步电动机 一、同步电机的可逆原理 同步电机的运行是可逆的，同步电机的运行是可逆的，既可以用作发电机，还可既可以用作发电机，还可以用作电动机。以用作电动机。同步电机运行于发电机状态同步电机运行于发电机状态时，如图所示。时，如图所示。转子磁极轴线超前定子合转子磁极轴线超前定子合成磁极轴线，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。逐步减少发电机的输

41、入功率，逐步减少发电机的输入功率，转子将瞬时减速，转子将瞬时减速，角减小，角减小，相应的电磁功率也减少。相应的电磁功率也减少。当发电机的输入功率只能满足当发电机的输入功率只能满足空载损耗时，发电机处于空载空载损耗时，发电机处于空载运行状态。运行状态。继续减少发电机的输入功率，则继续减少发电机的输入功率，则和和 Pem变为负值。卸去原动机，变为负值。卸去原动机，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-调相运行状态。调相运行状态。电机轴上加上机械负载，负值的电机轴上加上机械负载，负值的增大，由电网向电机输入的电增大，由电网向电机输入的电功率

42、和相应的电磁功率增大，转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轴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转线，转子受到驱动性质的电磁转矩作用矩作用-电动机状态。电动机状态。同步调相机 n同步调相机是专门发送无功功率的同步电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。机，实质上是一台空载运行的同步电动机。n 在电网的受电端接上同步调速相机，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。是提高电网功率因数的重要方法之一。1.正常励磁正常励磁2.2.过过励磁励磁3.3.欠励磁欠励磁同步调相机的特点同步调相机的特点 1.1

43、.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。的电动机转轴细，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。面较大，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般采用异步起动法或辅助电动机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

44、起动电流，然后法。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矩的要求。考虑满足起动转矩的要求。（2）动态跟随性能指标三、同步电动机n 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、相量图、功角特性、的发电机，其电动势方程、相量图、功角特性、V V形曲线等与发电机形曲线等与发电机的相似。的相似。n顺便指出，按发电机惯例，滞后的电流起去磁作用，超前的电流起顺便指出，按发电机惯例，滞后的电流起去磁作用，超前的电流起助磁作用；而按电动机惯例，滞后的电流起助磁作用，超前的电流助磁作用；而按电动机惯例，

45、滞后的电流起助磁作用，超前的电流起去磁作用。起去磁作用。n 同步电动机同发电机一样同步电动机同发电机一样,在有功功率保持不变时，调节励在有功功率保持不变时，调节励磁电流，也有三种励磁状态。磁电流，也有三种励磁状态。“正常励磁正常励磁”状态时，电动机没有无状态时，电动机没有无功功率输出；功功率输出；“过励过励”状态时，电动机从电网吸取容性无功功率状态时，电动机从电网吸取容性无功功率(或或向电网发出感性无功功率向电网发出感性无功功率)；“欠励欠励”状态时，电动机从电网吸取感状态时，电动机从电网吸取感性无功功率性无功功率(或向电网发出容性无功功率或向电网发出容性无功功率)。由于同步电动机的平均起动转矩为零，所由于同步电动机的平均起动转矩为零，所不能自行起动，必须借用其它方法。不能自行起动，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。异步起动法。其中异步起动法应用最广泛。调节同步电动机的励磁电流可以改变它的无功功率输出，调节同步电动机的励磁电流可以改变它的无功功率输出，这是同步电动机最可贵的特点。尤其是同步电动机在这是同步电动机最可贵的特点。尤其是同步电动机在“过励过励”状态下，向电网发出感性无功功率的特性，很有实际意义。状态下，向电网发出感性无功功率的特性，很有实际意义。