同步发电机课件.ppt
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第十三章第十三章 同步发电机同步发电机13-2 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应13-3 同步发电机的电势方程式和相量图同步发电机的电势方程式和相量图13-4 同步发电机的功率和转矩方程式同步发电机的功率和转矩方程式13-5 同步发电机的特性同步发电机的特性13-6 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行13-1 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行第十三章第十三章 同步发电机同步发电机13-2 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应13-3 同步发电机的电势方程式和相量图同步发电机的电势方程式和相量图13-4 同步发电机的功率和转矩方程式同步发电机的功率和转矩方程式13-5 同步发电机的特性同步发电机的特性13-6 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行13-1 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行9/26/20241同步发电机课件weipeiyu 制作 本章基本要求本章基本要求1. 理解同步电机电枢反应的物理概念，并掌握电枢理解同步电机电枢反应的物理概念，并掌握电枢反应的性质与哪些因素有关；反应的性质与哪些因素有关；2. 熟练掌握同步发电机的电压平衡方程式和相应的熟练掌握同步发电机的电压平衡方程式和相应的相量图的画法。
相量图的画法 3. 熟练掌握同步发电机的功角特性，分析当励磁电熟练掌握同步发电机的功角特性，分析当励磁电流改变时，空载电势和功角特性变化的规律流改变时，空载电势和功角特性变化的规律 4. 了解同步发电机的功率和转矩方程式、工作特性了解同步发电机的功率和转矩方程式、工作特性 6. 掌握同步发电机有功功率和无功功率的调节以及掌握同步发电机有功功率和无功功率的调节以及同步发电机的同步发电机的U 形曲线；掌握无功功率的性质与励形曲线；掌握无功功率的性质与励磁电流的关系磁电流的关系 5. 了解同步发电机并联运行的条件及其整步方法了解同步发电机并联运行的条件及其整步方法 9/26/20242同步发电机课件weipeiyu 制作 13-1 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行一、同步电机的基本作用原理一、同步电机的基本作用原理 1. 两种旋转磁场两种旋转磁场 当对称三相电流流过对称三相绕组时，将在气隙中当对称三相电流流过对称三相绕组时，将在气隙中产生一个旋转磁场，基波磁势有下列特性：产生一个旋转磁场，基波磁势有下列特性：振幅恒定是单相绕组最大振幅的振幅恒定是单相绕组最大振幅的1.5倍，转速为同步倍，转速为同步转速转速n1，旋转方向是从电流超前的相转向电流滞后，旋转方向是从电流超前的相转向电流滞后的相，当某相电流达到最大值时，旋转磁场的振幅的相，当某相电流达到最大值时，旋转磁场的振幅恰好在该相绕组的轴线上。
恰好在该相绕组的轴线上 同步电机无论作为发电机运行还是作为电动机运行，同步电机无论作为发电机运行还是作为电动机运行，和异步电机一样，只要它们的定子三相绕组中流过三和异步电机一样，只要它们的定子三相绕组中流过三相对称电流，都将在气隙中产生上述的旋转磁场相对称电流，都将在气隙中产生上述的旋转磁场9/26/20243同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行因该磁场是交流励磁的，故称为交流励磁的旋转磁场，因该磁场是交流励磁的，故称为交流励磁的旋转磁场，同步电机的定子绕组又称为电枢绕组，因此又称为电同步电机的定子绕组又称为电枢绕组，因此又称为电枢磁场如果在转子上装有由直流励磁的磁极，且用原动机把如果在转子上装有由直流励磁的磁极，且用原动机把转子带到同步转速，就像同步电机那样，则在气隙中转子带到同步转速，就像同步电机那样，则在气隙中同样出现一个圆形旋转磁场，这样获得的旋转磁场又同样出现一个圆形旋转磁场，这样获得的旋转磁场又称直流励磁的旋转磁场或称机械旋转磁场称直流励磁的旋转磁场或称机械旋转磁场 同步发电机空载时，定子绕组中的电流为零，在气隙同步发电机空载时，定子绕组中的电流为零，在气隙中只有直流励磁的旋转磁场，在负载的情况下，两种中只有直流励磁的旋转磁场，在负载的情况下，两种旋转磁场均存在。
旋转磁场均存在 9/26/20244同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行在同步电机的气隙中存在着两种不同的旋转磁场，只在同步电机的气隙中存在着两种不同的旋转磁场，只要这两个旋转磁场在空间有位移，它们之间便会有电要这两个旋转磁场在空间有位移，它们之间便会有电磁力，犹如两块磁铁之间存在相互作用力一样磁力，犹如两块磁铁之间存在相互作用力一样3. 同步电机的运行方式同步电机的运行方式 同步电机在工作时，由于两种旋转磁场之间没有相对同步电机在工作时，由于两种旋转磁场之间没有相对运动，因此它们之间的相互位置决定着同步电机的运运动，因此它们之间的相互位置决定着同步电机的运行情况：行情况： 如转子磁场在前，则当转子旋转时，便拉着定子磁场如转子磁场在前，则当转子旋转时，便拉着定子磁场旋转，这时转子磁场超前电枢磁场，这便是发电机运旋转，这时转子磁场超前电枢磁场，这便是发电机运行；行； 反之定子磁场旋转拉着转子磁场旋转，便是电动机运反之定子磁场旋转拉着转子磁场旋转，便是电动机运行情况 2. 同步电机的作用力同步电机的作用力 9/26/20245同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行4. 同步电机的电路方程及等效电路同步电机的电路方程及等效电路 在正常运行时，同步电机的定子磁场与转子绕组之间在正常运行时，同步电机的定子磁场与转子绕组之间没有相对运动，因而不能在转子绕组中感应电势，转没有相对运动，因而不能在转子绕组中感应电势，转子回路中只有直流励磁电流，故从电路的观点来看，子回路中只有直流励磁电流，故从电路的观点来看，同步电机要比变压器或异步电机更为简单，可不考虑同步电机要比变压器或异步电机更为简单，可不考虑转子支路，而只为定子电路单独写出电压方程式。
转子支路，而只为定子电路单独写出电压方程式 同步电机正常运行时的等效电路是一个没有副方回同步电机正常运行时的等效电路是一个没有副方回路与原方耦合的独立回路，求解时也不用联立方程，路与原方耦合的独立回路，求解时也不用联立方程，非常简单同步发电机各物理量的正方向规定如图非常简单同步发电机各物理量的正方向规定如图所示 同步发电机等效电路如图所示同步发电机等效电路如图所示9/26/20246同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行如不考虑饱和现象，利用迭加原理：如不考虑饱和现象，利用迭加原理： —转子磁场在定子绕组中的感应电势转子磁场在定子绕组中的感应电势 ，也称励，也称励磁电势；磁电势； —定子磁场在定子绕组中的感应电势，称为电定子磁场在定子绕组中的感应电势，称为电枢反应电势枢反应电势 ra—定子绕组的电阻，定子绕组的电阻， x —定子绕组漏抗定子绕组漏抗 —定子绕组端电压定子绕组端电压 —定子绕组输出电流定子绕组输出电流 E0 Ea E ＋＋U1－－I1或或5. 同步电机的气隙合成磁场同步电机的气隙合成磁场 将气隙中的定子和转子磁场合并为一合成气隙磁场来将气隙中的定子和转子磁场合并为一合成气隙磁场来考虑，这种分析方法更符合同步电机的实际情况。
考虑，这种分析方法更符合同步电机的实际情况 9/26/20247同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行由于定、转子磁场均以同步转速旋转，气隙中合成旋由于定、转子磁场均以同步转速旋转，气隙中合成旋转磁场便也按同步转速旋转，和转子绕组之间仍无相转磁场便也按同步转速旋转，和转子绕组之间仍无相对运动；对运动； 因此同步电机作为发电机运行时，转子磁场轴线便超因此同步电机作为发电机运行时，转子磁场轴线便超前于气隙合成磁场轴线；而同步电机作为电动机运行前于气隙合成磁场轴线；而同步电机作为电动机运行时，转子磁场轴线将滞后于气隙合成磁场的轴线时，转子磁场轴线将滞后于气隙合成磁场的轴线 同步电机的运行方式，也常用合成旋转磁场与转子磁同步电机的运行方式，也常用合成旋转磁场与转子磁场之间的相对位置来确定；场之间的相对位置来确定；当转子磁场超前于定子磁场时，合成的气隙磁场便当转子磁场超前于定子磁场时，合成的气隙磁场便滞后于转子磁场，当转子磁场滞后于定子磁场时，滞后于转子磁场，当转子磁场滞后于定子磁场时，合成的气隙磁场便将超前于转子磁场；合成的气隙磁场便将超前于转子磁场；9/26/20248同步发电机课件weipeiyu 制作 电枢（定子）：电枢（定子）： I1 (Fa ) = 0转子每极磁通：转子每极磁通： Φ0 空载电动势：空载电动势： E0 = 4.44 f1 kw1 W1Φ0 或或电枢相电压：电枢相电压： U0P = E0电枢线电压（电枢线电压（Y 形联结）：形联结）：E0 = －－j4.44 f1 kw1 W1Φ0U0L =√3 E0 E0 的频率：的频率：f1 =pn60二、同步发电机的空载运行二、同步发电机的空载运行 同步发电机被原动机拖动至同步转速，转子绕组通入同步发电机被原动机拖动至同步转速，转子绕组通入直流励磁电流，定子绕组开路时称为空载运行。
直流励磁电流，定子绕组开路时称为空载运行 9/26/20249同步发电机课件weipeiyu 制作 13-2 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应 空载时，同步电机中只有一个以同步旋转的转子磁空载时，同步电机中只有一个以同步旋转的转子磁场，即励磁磁场，它在三相绕组中感应出对称的三场，即励磁磁场，它在三相绕组中感应出对称的三相电势，每一相为相电势，每一相为E0，称为励磁电势，定子每相电，称为励磁电势，定子每相电压为压为E0=U 当定子绕组接上对称的负载后，气隙合成磁势由电当定子绕组接上对称的负载后，气隙合成磁势由电枢磁势与转子磁势相互作用共同建立，并建立负载枢磁势与转子磁势相互作用共同建立，并建立负载时的气隙磁场；时的气隙磁场；尽管励磁电流未变，但气隙磁场已不同于原来的励尽管励磁电流未变，但气隙磁场已不同于原来的励磁磁场，所以感应电势已不再是磁磁场，所以感应电势已不再是E0了 对于功率因数滞后的感性负载，此时电势将明显地对于功率因数滞后的感性负载，此时电势将明显地低于空载电势低于空载电势E0，再计入电枢绕组中的电阻和漏抗，再计入电枢绕组中的电阻和漏抗压降后，这就使压降后，这就使U更加低于更加低于E0。
9/26/202410同步发电机课件weipeiyu 制作 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应对称负载时电枢磁动势的基波对主极磁场基波的影对称负载时电枢磁动势的基波对主极磁场基波的影响，简称对称负载时的电枢反应响，简称对称负载时的电枢反应电枢反应的性质主要取决于电枢反应的性质主要取决于E0与与I之间的相位差之间的相位差 ，，亦即主要取决于负载的性质亦即主要取决于负载的性质下面就下面就 角的几种情况，分别讨论电枢反应的性质角的几种情况，分别讨论电枢反应的性质 叫做内功率因数角，电压与电流的相位差叫做内功率因数角，电压与电流的相位差 叫做外叫做外功率因数角功率因数角注意内功率因数角注意内功率因数角 无法测量，外功率因数角可以测无法测量，外功率因数角可以测量只有在电流等于零的只有在电流等于零的只有在电流等于零的只有在电流等于零的情况下，才能测到电势情况下，才能测到电势E0，负载，负载时测到的是电压时测到的是电压为什么？为什么？9/26/202411同步发电机课件weipeiyu 制作 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应AXBYZCNSn当当 =0º º时，图中所示时，图中所示瞬间，瞬间，A相绕组的轴相绕组的轴线与主磁极的交轴线与主磁极的交轴（（q轴）重合；轴）重合；此时此时A相绕组励磁电相绕组励磁电动势为最大值，其方动势为最大值，其方向按右手定则确定。
向按右手定则确定一、一、E0和和I 同相同相（（ =0）时的电枢反应）时的电枢反应因为因为 =0º º，所以此瞬间，所以此瞬间A绕组中的电流也达到最大绕组中的电流也达到最大值9/26/202412同步发电机课件weipeiyu 制作 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应AXBYZCNSnFfFaF 三相电流联合产三相电流联合产生的电枢磁势的生的电枢磁势的基波振幅便落在基波振幅便落在A相绕组轴线上；相绕组轴线上； d 轴超前于轴超前于A相相相轴相轴 90º，励磁，励磁磁势的基波相量磁势的基波相量在在d 轴上；轴上； Fa的基波分量在的基波分量在q轴上（称为转子交轴），它们和转轴上（称为转子交轴），它们和转子一起以同步转速旋转，产生合成磁势子一起以同步转速旋转，产生合成磁势F qd9/26/202413同步发电机课件weipeiyu 制作 这种电枢磁动势称为交轴电枢磁动势，用这种电枢磁动势称为交轴电枢磁动势，用Faq表示，表示，相应的电枢反应称为交轴电枢反应相应的电枢反应称为交轴电枢反应对于气隙磁场交轴电枢对于气隙磁场交轴电枢反应将使合成磁场的轴线位反应将使合成磁场的轴线位置置从空载时的直轴处逆转向后移了一个锐角，且幅从空载时的直轴处逆转向后移了一个锐角，且幅值也有所增加。
但因磁路的饱和现象，交轴电枢反值也有所增加但因磁路的饱和现象，交轴电枢反应使幅值增加的很小应使幅值增加的很小对主磁场而言对主磁场而言，交轴电枢反应在前极尖将起去磁作用，交轴电枢反应在前极尖将起去磁作用，在后极尖，在后极尖则起增磁作用见课本则起增磁作用见课本257页图页图13-3(c)时时—空相量图空相量图已知气隙合成磁势，并产生气隙合成磁密和磁通，该已知气隙合成磁势，并产生气隙合成磁密和磁通，该磁通在电枢绕组中产生合成电势磁通在电枢绕组中产生合成电势同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应9/26/202414同步发电机课件weipeiyu 制作 同理若忽略铁心饱和的影响：同理若忽略铁心饱和的影响： 这时应有这时应有 可从励磁磁势和电枢磁势分别求出励磁电势和电枢反可从励磁磁势和电枢磁势分别求出励磁电势和电枢反应电势，即应电势，即同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应相应地有相应地有 应注意：这里所述的所有的时间相量都是属于定子中应注意：这里所述的所有的时间相量都是属于定子中某一相中的物理量某一相中的物理量当各相时轴和相轴都取在绕组的轴线上时，时当各相时轴和相轴都取在绕组的轴线上时，时—空相空相量图存在下列关系。
量图存在下列关系 时轴：若取某轴为时间参考轴时，则旋转相量时轴：若取某轴为时间参考轴时，则旋转相量 在该轴上的投影即为电流的瞬时值，即当相量与该轴在该轴上的投影即为电流的瞬时值，即当相量与该轴重合时，正弦量达到最大值重合时，正弦量达到最大值 9/26/202415同步发电机课件weipeiyu 制作 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应相轴：绕组的轴线当某相电流达到最大值时，旋转相轴：绕组的轴线当某相电流达到最大值时，旋转磁势的幅值就落在该相绕组的轴线上磁势的幅值就落在该相绕组的轴线上 (1)磁通相量磁通相量(时间相量时间相量)应与产生它的磁密相量应与产生它的磁密相量(空空间相量间相量)重合；重合； 相量图的画法：相量图的画法：(2)忽略铁心中的损耗影响时，磁通相量应与产生它忽略铁心中的损耗影响时，磁通相量应与产生它的电流相量同相位；的电流相量同相位；(3)当磁通与感应电势正方向符合右手螺旋法则时，当磁通与感应电势正方向符合右手螺旋法则时，电势滞后于产生它的磁通电势滞后于产生它的磁通90º 而磁势与产生它的电流重合而磁势与产生它的电流重合时轴与相轴取在一起时轴与相轴取在一起)根据这些基本关系，便可画出时空相量图如下图所示。
根据这些基本关系，便可画出时空相量图如下图所示 9/26/202416同步发电机课件weipeiyu 制作 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应FaF 0I aE E0Ea Ff =0时的时的时时—空相量图空相量图就是说就是说A相电流达到最大值时，转子已向前转过相电流达到最大值时，转子已向前转过90º º二二、当、当E0超前超前I 90º º（（ =90º º）时的电枢反应）时的电枢反应当当 =90º 时，在图示瞬间，此时时，在图示瞬间，此时A相励磁电动势为最相励磁电动势为最大值，但定子大值，但定子A相电流为零相电流为零9/26/202417同步发电机课件weipeiyu 制作 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应AXBYZCNSnFfFaF AXBYZCNSn9/26/202418同步发电机课件weipeiyu 制作 可见可见 =90º 时直轴电枢反应的性质是纯粹去磁的时直轴电枢反应的性质是纯粹去磁的电枢磁动势的幅值恰好位于励磁磁动势的轴线上，电枢磁动势的幅值恰好位于励磁磁动势的轴线上，但方向相反但方向相反此时的电枢磁动势称为直轴电枢磁动势，用此时的电枢磁动势称为直轴电枢磁动势，用Fad表表示，相应的电枢反应称为直示，相应的电枢反应称为直轴轴电枢反应，电枢反应，同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应三三、当、当E0滞后滞后I90º º（（ =-90º º）时的电枢反应）时的电枢反应当当 =-90º 时，在图示瞬间，此时时，在图示瞬间，此时A相励磁电动势为最相励磁电动势为最大值，但定子大值，但定子A相电流为零。
相电流为零若保证电压不变，即气隙的合成磁场不变，必须加若保证电压不变，即气隙的合成磁场不变，必须加大直流励磁，这种电机叫做过激状态的同步电机大直流励磁，这种电机叫做过激状态的同步电机9/26/202419同步发电机课件weipeiyu 制作 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应就是说就是说A相电流达到最大值时，转子已向后相电流达到最大值时，转子已向后转过转过90°;AXBYZCNSnFfFaF AXBYZCNSn电枢磁动势的幅值也恰好位于励磁磁动势的轴线上，电枢磁动势的幅值也恰好位于励磁磁动势的轴线上，但方向相同但方向相同9/26/202420同步发电机课件weipeiyu 制作 可见可见 =-90º 时直轴电枢反应的性质是纯粹助时直轴电枢反应的性质是纯粹助磁的此时的电枢磁动势称为直轴电枢磁动势，用此时的电枢磁动势称为直轴电枢磁动势，用Fad表表示，相应的电枢反应称为直示，相应的电枢反应称为直轴轴电枢反应电枢反应同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应四四、一般情况下、一般情况下（（0< <90º º）时的电枢反应）时的电枢反应 此时此时I滞后滞后E0一个锐角一个锐角 图示瞬间，图示瞬间，A相的励磁电动势恰好达到最大值，但由相的励磁电动势恰好达到最大值，但由于电枢电流于电枢电流I滞后励磁电动势滞后励磁电动势E0 角，所示角，所示A相电流必相电流必须过了一段时间，等转子转过须过了一段时间，等转子转过 空间电角度时，才能空间电角度时，才能达到最大值。
达到最大值若保证电压不变，即气隙的合成磁场不变，必须减若保证电压不变，即气隙的合成磁场不变，必须减少直流励磁，这种电机叫做欠激状态的同步电机少直流励磁，这种电机叫做欠激状态的同步电机9/26/202421同步发电机课件weipeiyu 制作 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应当当A相电流达到最大值时，转子已向前转过相电流达到最大值时，转子已向前转过 角角;AXBYZCNSnFfFaFaqAXBYZCNSn 此时电枢磁动势此时电枢磁动势Fa滞后励磁磁动势滞后励磁磁动势Ff(90º º＋＋ )空间空间电角度这时的电枢反应既非交磁性质也非纯去磁电角度这时的电枢反应既非交磁性质也非纯去磁性质，而是兼有两种性质性质，而是兼有两种性质Fad9/26/202422同步发电机课件weipeiyu 制作 电枢磁动势电枢磁动势Fa分解成直轴和交轴两个分量，即分解成直轴和交轴两个分量，即Faq起交磁作用，起交磁作用，Fad起去磁作用此时的电枢反应也起去磁作用此时的电枢反应也可以这样说明：可以这样说明：其中其中Iq与励磁电动势与励磁电动势E0同相位，它们（指三相的该同相位，它们（指三相的该分量，即分量，即IqA、、IqB、、IqC）产生交轴电枢磁动势）产生交轴电枢磁动势FaqIq叫做叫做I的交轴分量，而的交轴分量，而Id滞后励磁电动势滞后励磁电动势E090º º，产生，产生直轴电枢磁动势直轴电枢磁动势Fad，把分量，把分量Id叫做叫做I的直轴分量。
的直轴分量如将每一相的电枢电流如将每一相的电枢电流I都分解都分解Id和和Iq两个分量，即两个分量，即同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应9/26/202423同步发电机课件weipeiyu 制作 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应五、电枢反应的重要性五、电枢反应的重要性电枢反应是同步电机负载运行时重要的物理现象，电枢反应是同步电机负载运行时重要的物理现象，它不仅是引起负载时端电压变化时的主要原因，而它不仅是引起负载时端电压变化时的主要原因，而且也是实现能量转换的枢纽；且也是实现能量转换的枢纽；考虑电枢反应作用，负载时电枢绕组中的感应电势考虑电枢反应作用，负载时电枢绕组中的感应电势将由气隙合成磁场建立，气隙电势减去漏阻抗压降，将由气隙合成磁场建立，气隙电势减去漏阻抗压降，便得到端电压便得到端电压下图表示了不同负载性质时，电枢磁场与转子电流下图表示了不同负载性质时，电枢磁场与转子电流产生电磁力（即电磁转矩）的情况产生电磁力（即电磁转矩）的情况 图为图为 =0时电枢磁场即交轴电枢磁场对转子电流产时电枢磁场即交轴电枢磁场对转子电流产生电磁转矩的情况；生电磁转矩的情况； 9/26/202424同步发电机课件weipeiyu 制作 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应AXBYZCNS =0º º由左手定则可知，这时的电由左手定则可知，这时的电磁力将构成一个电磁转矩，磁力将构成一个电磁转矩，它的方向正好和转子转向相它的方向正好和转子转向相反，企阻止转子旋转；反，企阻止转子旋转；交轴电枢磁场是由与空载电交轴电枢磁场是由与空载电势同相的电流分量即电流的势同相的电流分量即电流的有功分量有功分量Iq产生的。
产生的 n发电机要输出有功功率，原发电机要输出有功功率，原动机就必须克服由于有功分动机就必须克服由于有功分量引起的交轴电枢反应磁场量引起的交轴电枢反应磁场对转子的阻力矩；对转子的阻力矩； 9/26/202425同步发电机课件weipeiyu 制作 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应AXBYZCNS =90º ºn电枢电流的无功分量电枢电流的无功分量Id所产生的直轴电枢反应磁场与所产生的直轴电枢反应磁场与转子电流相互作用产生的电磁力，并不形成力矩，不转子电流相互作用产生的电磁力，并不形成力矩，不妨碍转子的旋转；妨碍转子的旋转； 输出的有功功率越大，输出的有功功率越大，交轴电枢反应磁场越强，交轴电枢反应磁场越强，所产生的阻力矩也就越所产生的阻力矩也就越大，原动机要输入更大大，原动机要输入更大的能量才能克服电磁阻的能量才能克服电磁阻力矩，以维护发电机的力矩，以维护发电机的转速不变转速不变 当当 =90º º时电枢磁场即直轴时电枢磁场即直轴电枢磁场对转子电流产生电枢磁场对转子电流产生的电磁力情况；的电磁力情况； 9/26/202426同步发电机课件weipeiyu 制作 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应所以，为了维持发电机转速不变，必须随负载的有功所以，为了维持发电机转速不变，必须随负载的有功分量变化调节原动机的输入功率；分量变化调节原动机的输入功率；为了维护发电机端电压不变，必须随着负载无功分量为了维护发电机端电压不变，必须随着负载无功分量的变化，调节转子的励磁电流。
的变化，调节转子的励磁电流 为维护一定端电压，所需的转子直流励磁电流就应增为维护一定端电压，所需的转子直流励磁电流就应增加或减少加或减少表明：当发电机供给纯感性和纯容性无功功率负载表明：当发电机供给纯感性和纯容性无功功率负载时，并不需要原动机付出功率，但直轴电枢反应磁时，并不需要原动机付出功率，但直轴电枢反应磁场对转子磁场起去磁或助磁作用；场对转子磁场起去磁或助磁作用；9/26/202427同步发电机课件weipeiyu 制作 13-3 同步发电机的负载运行同步发电机的负载运行一、隐极式同步发电机的电势方程式和相量图一、隐极式同步发电机的电势方程式和相量图 1. 电势方程式电势方程式 在不计饱和时，可利用迭加原理分别求出励磁磁势和在不计饱和时，可利用迭加原理分别求出励磁磁势和电枢磁势单独作用时产生于每一相得磁通和电势，再电枢磁势单独作用时产生于每一相得磁通和电势，再考虑到电枢漏磁场产生于每一相的漏磁通和漏电势考虑到电枢漏磁场产生于每一相的漏磁通和漏电势 电磁关系如下：电磁关系如下：在隐极式同步发电机中，由于气隙是均匀的，故电枢在隐极式同步发电机中，由于气隙是均匀的，故电枢反应不必分为交、直轴两部分反应不必分为交、直轴两部分;( (电枢反应电动势电枢反应电动势) ) Uf →If →Ff →Φ0I →Fa→E0→Φa→Ea →E (励磁电动势励磁电动势)9/26/202428同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的负载运行同步发电机的负载运行E0 Ea E ＋＋U－－I由等效电路，根据由等效电路，根据KVL可得可得=E E0+ Ea+UraI+因为因为 Ea ∝∝Φa ∝∝Fa ∝∝I ，， Ea 滞后于滞后于Φa 90o ，， 不计磁饱和不计磁饱和不计电枢铁耗，不计电枢铁耗，Φa 与与 I 同相位。
同相位 Ea =－－j xa I E =－－j x I ※ xa — 电枢反应电抗电枢反应电抗 x — 电枢漏电抗电枢漏电抗电枢反应电抗物理意义为：电枢反应磁场在定子每相电枢反应电抗物理意义为：电枢反应磁场在定子每相绕组中所感应的电枢反应电势可把它看作相电流所产绕组中所感应的电枢反应电势可把它看作相电流所产生的一个电抗压降这个电抗便是电枢反应电抗生的一个电抗压降这个电抗便是电枢反应电抗 9/26/202429同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的负载运行同步发电机的负载运行E0 = U+raI＋＋j x I＋＋j xaIE0 = U+raI＋＋j xsI※ xs — 同步电抗同步电抗 同步电抗是表征对称稳态运行时，电枢旋转磁场和电同步电抗是表征对称稳态运行时，电枢旋转磁场和电枢漏磁场的一个综和参数枢漏磁场的一个综和参数前述，电枢反应磁场与转子均以同步转速同方向旋前述，电枢反应磁场与转子均以同步转速同方向旋转，定子磁场并不切割转子绕组，所以同步电抗也转，定子磁场并不切割转子绕组，所以同步电抗也就是定子方面的总电抗；就是定子方面的总电抗；虽然转子绕组在电路方面不起副绕组的作用，但转虽然转子绕组在电路方面不起副绕组的作用，但转子铁心为旋转磁场所经磁路的一个组成部分，所以子铁心为旋转磁场所经磁路的一个组成部分，所以在磁路方面却起重要作用；在磁路方面却起重要作用；如转子抽去，则定子电流所过遇到的电抗将不再是如转子抽去，则定子电流所过遇到的电抗将不再是同步电抗而是接近于漏抗。
同步电抗而是接近于漏抗 9/26/202430同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的负载运行同步发电机的负载运行若已知电机的参数、负载的大小和性质，作相量图若已知电机的参数、负载的大小和性质，作相量图并设：并设： U = U 0o 2. 相量图相量图UI raIjxs IE0 各种情况下的相量各种情况下的相量图如下图所示图如下图所示需要强调指出：只有当电枢绕组流过对称三相电流，需要强调指出：只有当电枢绕组流过对称三相电流，即气隙磁场为圆形旋转磁场时，同步电抗才有意义，即气隙磁场为圆形旋转磁场时，同步电抗才有意义，而当电枢绕组中流过不对称三相电流时，便不能无条而当电枢绕组中流过不对称三相电流时，便不能无条件地用同步电抗件地用同步电抗 E jx I FfF 以后不再画空间向量，以后不再画空间向量，但应注意他们之间的关但应注意他们之间的关系9/26/202431同步发电机课件weipeiyu 制作 (c) 电电容容性性(a) 电电感感性性(b) 电电阻阻性性UI ra Ijxs IE0 UIra Ijxs IE0 UI ra Ijxs IE0 UI jxs IE0 UIjxs IE0 忽略忽略 ra 时：时：UI jxs IE0 同步发电机的负载运行同步发电机的负载运行9/26/202432同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的负载运行同步发电机的负载运行根据相量图也可以计算出根据相量图也可以计算出E0的值的值 二、凸极式同步发电机的电势方程式和相量图凸极式同步发电机的电势方程式和相量图 UI ra Ijxs IE0 1. 电势平衡方程式电势平衡方程式 电磁关系：电磁关系：Uf →If→Ff→Φ0→E0 I→Fad →Faq →Φad →Φaq →Id →Iq→Ead →Eaq Φ →E 9/26/202433同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的负载运行同步发电机的负载运行E0 Ead Eaq E 不计饱和时不计饱和时等效电路如图，由图可得等效电路如图，由图可得Eaq ∝∝Φaq ∝∝Faq ∝∝Iq；； Ead ∝∝Φad ∝∝Fad ∝∝Id；；E ∝∝Φ ∝∝Fa ∝∝I 因此有如下关系：因此有如下关系： Ead =－－jxad Id E =－－j x IEaq =－－j xaq Iq 式中式中xad和和xaq分别称为直轴和交轴电枢反应电抗。
分别称为直轴和交轴电枢反应电抗 所以所以ra＋＋ U－－I9/26/202434同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的负载运行同步发电机的负载运行若把漏抗压降也分成交轴和直轴分量，若把漏抗压降也分成交轴和直轴分量，代入上式得代入上式得xq=xaq+x xd=xad+x 它表征：当对称三相直轴或交轴电流每相为它表征：当对称三相直轴或交轴电流每相为1A时，时，三相联合产生的总电枢磁场（包括气隙中旋转的电三相联合产生的总电枢磁场（包括气隙中旋转的电枢反应磁场和漏磁场）在电枢每一相绕组中感应的枢反应磁场和漏磁场）在电枢每一相绕组中感应的电势 分别称为凸极同步电机的交轴和直轴同步电抗分别称为凸极同步电机的交轴和直轴同步电抗由于气隙不均匀，凸极式同步电机有两个同步电抗由于气隙不均匀，凸极式同步电机有两个同步电抗 9/26/202435同步发电机课件weipeiyu 制作 2. 相量图相量图 根据电路方程、负载的大小和性质、电机的参根据电路方程、负载的大小和性质、电机的参数和数和 做相量图如下图所示做相量图如下图所示 设：设：U = U 0o 同步发电机的负载运行同步发电机的负载运行UI raIjxqIEQjxdIdE0jxqIq NOQMG IdIq实际上这个实际上这个相量图是做相量图是做不出来的。
不出来的因为因为 是未是未知的线段线段MQ的的长度为长度为9/26/202436同步发电机课件weipeiyu 制作 相量图的实际做法相量图的实际做法 根据电路方程、负载的大小和性质、电机的参根据电路方程、负载的大小和性质、电机的参数作相量图如下图所示数作相量图如下图所示 设：设：U = U 0o 同步发电机的负载运行同步发电机的负载运行UI raIjxqIEQjxdIdE0jxqIq NOQMG IdIq做图时要注意：做图时要注意：EQ、、E0的长度，两者不在一起的长度，两者不在一起线段线段NQ的长度为的长度为因为因为xd>xq所以所以E0>EQ（（感性）感性）9/26/202437同步发电机课件weipeiyu 制作 UI ra Ij xqIEQjxdIdE0jxqIqUIra Ijxq IEQjxdIdjxq IqE0UIra Ijxq IEQjxd Idjxq IqE0 (c) 电电容容性性(a) 电电感感性性(b) 电电阻阻性性 忽略忽略 ra 时时UI jxqIEQjxdIdE0jxq IqUIjxq IEQjxdIdjxq IqE0UIjxqIEQjxd Idjxq IqE0 同步发电机的负载运行同步发电机的负载运行9/26/202438同步发电机课件weipeiyu 制作 忽略电枢电阻，相量图重画如下忽略电枢电阻，相量图重画如下同步发电机的负载运行同步发电机的负载运行UI jxqIEQjxdIdE0jxqIq NOG IdIq线段线段ON的长度为的长度为所以励磁电势所以励磁电势E0 由相量图可得由相量图可得 9/26/202439同步发电机课件weipeiyu 制作 例：例：某三相同步发电机，已知某三相同步发电机，已知UN = 11kV，，Y形联结，形联结，IN =460A，，cos = 0.8（感性），（感性），xd = 16Ω，，xq = 8Ω，，ra 忽略不计。
求忽略不计求 、、 、、E0 U = UN 3= = 6 351 V 11×1031.732Vtan = Usin ＋＋xqIUcos 6 351×0.6＋＋8×460 6 351×0.8=V = 1.474 = arctan1.474 = 55.85o = －－ = 55.85o－－ 36.87o = 18.98o E0 = Ucos ＋＋xdId = (6 351×cos18.98o＋＋16×460×sin 55.85o )V = 12096.63 V同步发电机的负载运行同步发电机的负载运行解：解：9/26/202440同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的特性同步发电机的特性1. 一台凸极式同步发电机，额定值为一台凸极式同步发电机，额定值为PN=72500kW，，UN=10.5kV,，，Y接法，接法，cos N=0.8（滞后），已知（滞后），已知xd*=1，，xq*=0.544，不，不计电阻，求额定状态下发电机的计电阻，求额定状态下发电机的 、、Id*、、Iq*及及E0*各为多少？各为多少？2. 有一台有一台400kW、、6300V、、Y接法接法cos N=0.8（滞后）的三相凸极式同步发电机，若发电机在（滞后）的三相凸极式同步发电机，若发电机在额定状态下运行时额定状态下运行时 =60º，电枢每相励磁电势为，电枢每相励磁电势为7400V，试求，试求Id、、Iq、、xd、、xq。
补充作业补充作业9/26/202441同步发电机课件weipeiyu 制作 13-4 三相同步发电机的功率和转矩三相同步发电机的功率和转矩1. 功率功率(1) 输入功率输入功率(2) 空载损耗空载损耗(3) 电磁功率电磁功率(4) 铜损耗铜损耗(5) 输出功率输出功率(6) 功率关系功率关系P1 = T1Ωp0 = pFe＋＋p ＋＋psPM = P1－－p0pCu = 3raI2 P2 = PM－－pcu = 3UIcos P1 = p0＋＋PM = pFe＋＋p ＋＋ps＋＋pCu＋＋P2 9/26/202442同步发电机课件weipeiyu 制作 (7) 功率流程图和效率功率流程图和效率P1p0PMpCuP2 = ×100% P2P12. 转矩转矩(1) 输入转矩输入转矩(2) 空载转矩空载转矩(3) 电磁转矩电磁转矩(4) 转矩关系转矩关系T1 = P1Ω1T0 = p0Ω1TM = PMΩ1T1 = TM + T0= P1 n602 = p0 n602 = PM n602 三相同步发电机的功率和转矩三相同步发电机的功率和转矩9/26/202443同步发电机课件weipeiyu 制作 13-5 三相同步发电机的特性三相同步发电机的特性同步发电机的对称运行是指电机转速为额定值且保持同步发电机的对称运行是指电机转速为额定值且保持恒定，并供给三相对称负载时的一种稳态运行方式。
恒定，并供给三相对称负载时的一种稳态运行方式 同步发电机的运行性能可以通过它的基本特性以及由同步发电机的运行性能可以通过它的基本特性以及由这些特性所求得的一些主要参数来加以说明这些特性所求得的一些主要参数来加以说明 同步发电机在转速不变时，有三个互相影响的变量，同步发电机在转速不变时，有三个互相影响的变量，即端电压即端电压U，电枢电流，电枢电流I和励磁电流和励磁电流If 负载的功率因数负载的功率因数cos 对它们之间的关系也有影响，对它们之间的关系也有影响，为便于分析，设为便于分析，设cos 不变；不变； 在端电压、电枢电流和励磁电流三者中令其一为常数，在端电压、电枢电流和励磁电流三者中令其一为常数，而求其他二者之间的关系，就称为同步发电机的基本而求其他二者之间的关系，就称为同步发电机的基本特性 本节还要介绍同步发电机稳态的功角特性本节还要介绍同步发电机稳态的功角特性 重要！重要！9/26/202444同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的特性同步发电机的特性一、空载特性和短路特性一、空载特性和短路特性 1. 空载特性空载特性指在发电机的转速保持为同步转速（指在发电机的转速保持为同步转速（n=n1），电枢电），电枢电路开路（路开路（I=0）的情况下。
空载电压（）的情况下空载电压（U0=E0）与励磁）与励磁电流电流If 之间的关系曲线之间的关系曲线U0=f(If) 空载特性曲线实际上就是电机的磁化曲线，它可用计空载特性曲线实际上就是电机的磁化曲线，它可用计算法得到，也可用实验法测出可用下图电路算法得到，也可用实验法测出可用下图电路 实验测定时，电枢绕组开路，用原动机把发电机拖到实验测定时，电枢绕组开路，用原动机把发电机拖到同步转速，然后逐渐增加励磁电流并记录不同励磁电同步转速，然后逐渐增加励磁电流并记录不同励磁电流下对应的电枢端电压，直到流下对应的电枢端电压，直到U0=1.3UN左右，再逐步左右，再逐步减少减少If ，记录对应的，记录对应的U0和和If 值，由于铁磁材料的磁滞值，由于铁磁材料的磁滞现象，将得到上升和下降两条不同的曲线见下图现象，将得到上升和下降两条不同的曲线见下图 9/26/202445同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的特性同步发电机的特性(b)空载特性的校正空载特性的校正 (a)不同剩磁下的空载特性不同剩磁下的空载特性空载特性是同步发空载特性是同步发电机的基本特性之电机的基本特性之一，是一条非常重一，是一条非常重要的特性，它体现要的特性，它体现了电机中电与磁的了电机中电与磁的关系。
一方面表征关系一方面表征了电机磁路的饱和了电机磁路的饱和情况，另一方面把情况，另一方面把它和短路特性、零它和短路特性、零功率因数特性配合功率因数特性配合在一起，可以确定在一起，可以确定电机的基本参数额电机的基本参数额定励磁电流和电压定励磁电流和电压调整率等调整率等 9/26/202446同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的特性同步发电机的特性2. 短路特性短路特性 短路特性是指发电机的转速保持不变，将电枢绕组稳短路特性是指发电机的转速保持不变，将电枢绕组稳态短路，短路电流态短路，短路电流Ik与励磁电流与励磁电流If之间的关系曲线，之间的关系曲线，即即Ik=f(If) 它不仅可用来说明同步发电机的性能，更重要的是可它不仅可用来说明同步发电机的性能，更重要的是可借以测定电机参数借以测定电机参数 短路试验的接线图中只需把空载实验图中的短路试验的接线图中只需把空载实验图中的A、、B、、C三端短接即可三端短接即可 试验时发电机转速保持为同步转速，调节励磁电流试验时发电机转速保持为同步转速，调节励磁电流If使电枢的短路电流从零开始一直到使电枢的短路电流从零开始一直到1.25IN左右为至，左右为至，记取对应的短路电流记取对应的短路电流Ik 和励磁电流和励磁电流If ，得短路特性曲，得短路特性曲线如下图所示。
线如下图所示 9/26/202447同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的特性同步发电机的特性IfIkINIfko短路特性曲线短路特性曲线短路时，发电机端电压短路时，发电机端电压U=0，限制，限制短路电流的仅是电机的内部阻抗，短路电流的仅是电机的内部阻抗，由于一般同步发电机的电枢电阻远由于一般同步发电机的电枢电阻远小于同步电抗可忽略不计，所以小于同步电抗可忽略不计，所以 （隐极式）（隐极式） 短路电流短路电流 所以短路电流可认为是纯感性的，即所以短路电流可认为是纯感性的，即 = 90º，这时，这时电枢电流只有直轴分量，它所产生的电枢磁势基本电枢电流只有直轴分量，它所产生的电枢磁势基本上是一个起纯去磁作用的直轴磁势，即上是一个起纯去磁作用的直轴磁势，即Fa=Fad，而，而Faq=09/26/202448同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的特性同步发电机的特性E0 Ik jxd FfFadFadF Ea=-jxadIkE0=jxdIkE =jx IkIk(b)短路时的相量图短路时的相量图 (a)短路时的等效电路短路时的等效电路 此时绕组的电抗，若为凸极式发电机，则为直轴同步此时绕组的电抗，若为凸极式发电机，则为直轴同步电抗，因此短路时，不论是隐极机还是凸极机都具有电抗，因此短路时，不论是隐极机还是凸极机都具有相同形式的等效电路和相量图，电路如下图相同形式的等效电路和相量图，电路如下图(a)所示。
所示 从等效电路可看出，由于从等效电路可看出，由于U=0，，ra=0，则，则相量图如图相量图如图(b)所示9/26/202449同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的特性同步发电机的特性此时气隙合成磁势此时气隙合成磁势F 很小，合成磁势所产生的气隙磁很小，合成磁势所产生的气隙磁场在电枢绕组中感应的电势完全被漏抗压降所平衡，场在电枢绕组中感应的电势完全被漏抗压降所平衡，即即 所以对应的气隙合成磁通很小，电机的磁路处于不饱所以对应的气隙合成磁通很小，电机的磁路处于不饱和状态，磁势和磁通成线性关系，因此和状态，磁势和磁通成线性关系，因此 另一方面，由于电枢磁势正比于电枢电流，即另一方面，由于电枢磁势正比于电枢电流，即 所以励磁磁势所以励磁磁势 也与也与Ik成正比，所以成正比，所以 同时同时 故短路特性是一条直线，即故短路特性是一条直线，即 9/26/202450同步发电机课件weipeiyu 制作 1. 外特性外特性当当 n = n1，，If、、cos = 常数时，常数时，U 与与 I 的关系，的关系， 即即 U = f (I) 调节调节If，使，使 I= IN、、 cos = cos N 、、U = UN 时，时， If = IfN。
电压调整率：电压调整率： 保持保持 n1、、 cos N、、IfN 时，时，OUIcos = 0.8 ( ＞＞0)cos = 0.8 ( ＜＜0)cos =1UNIN U% = ×100% E0－－UNP UNP同步发电机的特性同步发电机的特性二、外特性和调节特性二、外特性和调节特性9/26/202451同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的特性同步发电机的特性为了使同步发电机的端电压不随负载电流的变化而剧为了使同步发电机的端电压不随负载电流的变化而剧烈变动，它的电压变化率应尽量地小烈变动，它的电压变化率应尽量地小电压变化率是表征同步发电机运行性能的重要数据之电压变化率是表征同步发电机运行性能的重要数据之一实际上，由于同步电抗的数值较大，负载电流变化产实际上，由于同步电抗的数值较大，负载电流变化产生的同步电抗压降必然要引起端电压明显地变化生的同步电抗压降必然要引起端电压明显地变化现代同步发电机都装有快速自动电压调节器，它能根现代同步发电机都装有快速自动电压调节器，它能根据端电压的变化自动改变励磁电流的大小，使发电机据端电压的变化自动改变励磁电流的大小，使发电机端电压基本不变，所以对端电压基本不变，所以对 U%的要求大为放宽。
的要求大为放宽 凸极式同步发电机的凸极式同步发电机的 U%大体在大体在18%~30%以内；以内； 汽轮发电机由于电枢反应较大，故汽轮发电机由于电枢反应较大，故 U%也较大，大体也较大，大体在在30~48%这一范围内（均为这一范围内（均为cos 滞后的数值）滞后的数值） 9/26/202452同步发电机课件weipeiyu 制作 2. 调节特性调节特性保持保持 n = n1、、U = UN、、cos = cos N时，时， If 与与 I 的关的关系系,即即 If = f ( I )OIf Icos = 0.8 ( ＞＞0)cos = 0.8 ( ＜＜0)cos =1同步发电机的特性同步发电机的特性调整特性的变化趋势与外特性正好相反，对于感性和调整特性的变化趋势与外特性正好相反，对于感性和纯阻性负载，为补偿电枢反应的去磁作用及电枢漏阻纯阻性负载，为补偿电枢反应的去磁作用及电枢漏阻抗压降，随着负载的增加，若要保持端电压为常数，抗压降，随着负载的增加，若要保持端电压为常数，就必须增加励磁电流；就必须增加励磁电流；所以这两种情况下的调节特性都是上升的。
所以这两种情况下的调节特性都是上升的 在容性负载时，随着负载的增加，必须减少励磁电流，在容性负载时，随着负载的增加，必须减少励磁电流，以维持端电压恒定以维持端电压恒定 9/26/202453同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的特性同步发电机的特性三、稳态的功角特性三、稳态的功角特性功角特性：保持功角特性：保持 n、、If 、、U 不变时，电磁功率不变时，电磁功率PM 与功与功率角率角 的关系，即的关系，即 PM = f ( ) 同步电机的电磁功率除了可用电势、电枢电流以及它同步电机的电磁功率除了可用电势、电枢电流以及它们之间的夹角来表示外，还可以用便于计算、调节和们之间的夹角来表示外，还可以用便于计算、调节和更能显示电机内部物理过程的一些物理量来表示，即更能显示电机内部物理过程的一些物理量来表示，即励磁电势励磁电势E0、端电压、端电压U和功率角和功率角 等 正如转差率是异步电机的基本变量一样，对于并联运正如转差率是异步电机的基本变量一样，对于并联运行于电网的同步电机来说，功率角是它的一个基本物行于电网的同步电机来说，功率角是它的一个基本物理量 9/26/202454同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的特性同步发电机的特性1. 隐极式同步发电机的功角特性隐极式同步发电机的功角特性 PM = P2 = 3UIcos = 3 E0Icos 因在同步发电机中因在同步发电机中ra< 个正弦关系，如图所示 9/26/202455同步发电机课件weipeiyu 制作 ※当当 = 90o 时时: PM = Pmax 同步发电机的特性同步发电机的特性功率表达式说明在恒定励磁和恒定电网电压（即功率表达式说明在恒定励磁和恒定电网电压（即U=C、、E0=C）时，电磁功率的大小只取决于功率角时，电磁功率的大小只取决于功率角 从功角特性公式可见，同步功率随功率角而变化，且从功角特性公式可见，同步功率随功率角而变化，且有一极限值有一极限值Pmax，我们把最大功率与额定功率之比称，我们把最大功率与额定功率之比称为过载能力，用为过载能力，用km表示，若隐极式同步电机在额定运表示，若隐极式同步电机在额定运行时的功率角为行时的功率角为 N，则，则 N越小，则过载能力越小，则过载能力km愈大，从相量图可见，在一定愈大，从相量图可见，在一定的负载情况下，如要减少的负载情况下，如要减少 N就必须减小同步电抗就必须减小同步电抗xs 9/26/202456同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的特性同步发电机的特性只有增大气隙，同步电抗才能减少，但增大电机的气只有增大气隙，同步电抗才能减少，但增大电机的气隙即增加成本，故过载能力不应规定得过大，汽轮发隙即增加成本，故过载能力不应规定得过大，汽轮发电机的过载能力一般不小于电机的过载能力一般不小于1.5。 2. 凸极式同步发电机的功角特性凸极式同步发电机的功角特性 如果忽略如果忽略 电枢电阻，则有电枢电阻，则有 PM = P2 = 3UIcos = 3UIcos ( - ) = 3UIcos cos ＋＋3UIsin sin = 3UIq cos ＋＋3UId sin 由相量图由相量图 xq Iq = Usin xd Id = E0－－Ucos 9/26/202457同步发电机课件weipeiyu 制作 Usin xqIq = E0－－Ucos xdId =所以所以 UI jxqIEQjxdIdE0jxqIq NOG IdIq PM = 3UIq cos ＋＋3UId sin Usin xq = 3U cos E0－－ Ucos xd + 3U sin PM3UE0xd = sin 1xq＋＋ ( －－ ) sin2 3U221xdPM = PM' ＋＋ PM"同步发电机的特性同步发电机的特性9/26/202458同步发电机课件weipeiyu 制作 讨论：讨论： ①①3UE0xd PM' = sin PM' ∝∝E0 ，当转子有励磁即，当转子有励磁即 If ≠0 时存在。 时存在 ②②1xqPM" = ( －－ ) sin2 3U221xdPM" 是由于是由于 xd ≠xq 而引起的，与而引起的，与 If 是否存在无关是否存在无关 结论：结论：①① PM" 使使 Pmax ②② Pmax 产生在产生在 ＜＜90o 处③③ 功角特性不再是正弦波功角特性不再是正弦波— 基本电磁功率基本电磁功率— 附加电磁功率附加电磁功率OPM 90o PmaxPM'PM"同步发电机的特性同步发电机的特性9/26/202459同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的特性同步发电机的特性例：一台例：一台xd*=0.8、、xq*=0.5的凸极式同步发电机，接在的凸极式同步发电机，接在U*=1的电网上运行于的电网上运行于I*=1，，cos =0.8（滞后）下，略（滞后）下，略去定子电阻；试求：（去定子电阻；试求：（1））E0与与 ；（；（2））PM与与Pmax；；（（3）过载能力）过载能力km 解：解：(1)由相量图由相量图(2)功率的基值取功率的基值取 SN=mUNPINP，电磁功率的标么值，电磁功率的标么值为为 9/26/202460同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的特性同步发电机的特性代入数据得代入数据得 为求得为求得Pmax，令，令 ，求，求PM=Pmax时的时的 角，即角，即 令令上式变为上式变为9/26/202461同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的特性同步发电机的特性由于由于所以所以即即解之：解之： (舍去舍去) 所以所以(3)过载能力过载能力 9/26/202462同步发电机课件weipeiyu 制作 13-6 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行一、一、并联运行优点并联运行优点可以根据负载的变化来调节投入运行的机组数目，提可以根据负载的变化来调节投入运行的机组数目，提高机组的运行效率；高机组的运行效率；便于轮流检修，提高供电的可靠性，减少发电机检修便于轮流检修，提高供电的可靠性，减少发电机检修和事故的备用容量；和事故的备用容量；对于由火力电厂和水力发电厂联合组成的电力系统，对于由火力电厂和水力发电厂联合组成的电力系统，并联运行尚可达到合理调度电能，充分利用水能，使并联运行尚可达到合理调度电能，充分利用水能，使发电成本降低的目的；发电成本降低的目的；许多发电厂并联在一起时，形成强大的电网，因此负许多发电厂并联在一起时，形成强大的电网，因此负载变化对电压和频率的影响就很小，从而提高了供电载变化对电压和频率的影响就很小，从而提高了供电的质量和可靠性。 的质量和可靠性9/26/202463同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行二、二、并联运行的条件并联运行的条件同步发电机与电网并联合闸时，同步发电机与电网并联合闸时，为了避免产生巨大为了避免产生巨大的冲激电流，以防止同步发电机受到损坏，电力系的冲激电流，以防止同步发电机受到损坏，电力系统受到严重干扰，应满足下列条件：统受到严重干扰，应满足下列条件：1. 发电机的电压和电网电压应具有相同的发电机的电压和电网电压应具有相同的有有效值、效值、极性和相位极性和相位 2. 发电机电压的频率应与电网的频率相等发电机电压的频率应与电网的频率相等3. 对三相发电机，还要求其相序和电网相一致对三相发电机，还要求其相序和电网相一致4. 发电机的电压波形应与电网电压波形相同，即均发电机的电压波形应与电网电压波形相同，即均为正弦波形为正弦波形上述第上述第3条在安装发电机时，根据发电机规定的转向，条在安装发电机时，根据发电机规定的转向，确定发电机的相序得到满足确定发电机的相序得到满足9/26/202464同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行第第4条在制造发电机时得到保证。 条在制造发电机时得到保证并网操作时只需注意满足第并网操作时只需注意满足第1和第和第2项条件下面分析不满足这些条件时，将会造成怎样的后果下面分析不满足这些条件时，将会造成怎样的后果 ＋＋U －－S＋＋ U －－(1) 电压相等电压相等 如果如果则则U≠U △△U = U－－U ≠0 △△U(2) 频率相等频率相等如果：如果： ≠UU —△△U = 0 ~ 2UUU UU △△UUU △△UUU △△U9/26/202465同步发电机课件weipeiyu 制作 U AU BU C(3) 相序一致相序一致 如果相序不一致，如果相序不一致，则则△△UA = 0 △△UB = UB－－U B △△UC = UC－－U C UAUBUC△△UB△△UC同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行若波形不同，例若波形不同，例U为正弦波，而为正弦波，而U 中除了基波分量中除了基波分量外还含有高次谐波分量，将在电机和电网内产生高外还含有高次谐波分量，将在电机和电网内产生高次谐波环流，就会增加运行损耗，使运行温度升高次谐波环流，就会增加运行损耗，使运行温度升高效率降低，对电机和电网均不利。 效率降低，对电机和电网均不利4) 波形相同波形相同9/26/202466同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行三、并联投入方法三、并联投入方法 把同步发电机并联至电网所进行的操作过程称为整步把同步发电机并联至电网所进行的操作过程称为整步(并车并车)过程，实际整步方法有两种即准整和自整步法过程，实际整步方法有两种即准整和自整步法 1. 准整步法准整步法 把发电机调整到完全合乎投入并联的条件，然后投入把发电机调整到完全合乎投入并联的条件，然后投入电网，这种方法称为准整步法电网，这种方法称为准整步法 利用三组同步指示灯来检验合闸的条件利用三组同步指示灯来检验合闸的条件 (1) 灯光黑暗法灯光黑暗法 把三组灯分别接在电网和发电机间并列开关的两侧，把三组灯分别接在电网和发电机间并列开关的两侧，如图（如图（a）所示，即接在）所示，即接在A和和A ，，B和和B ，，C和和C 之间，这时作用在每一组同步指示灯上的电压就等于之间，这时作用在每一组同步指示灯上的电压就等于电网的相电压和发电机对应的相电压之差电网的相电压和发电机对应的相电压之差 9/26/202467同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行当待并车的发电机当待并车的发电机频率与电网频率不频率与电网频率不同时，两边电压将同时，两边电压将有不同的旋转速度，有不同的旋转速度，即发电机和电网两即发电机和电网两组电压之间将有相组电压之间将有相对运动。 对运动 设电网电压相量设电网电压相量 取作固定不动，取作固定不动，发电机的电压相量发电机的电压相量 按照双方频率之差转动按照双方频率之差转动在不同瞬间两组相量有不同的位置，各组同步指示灯在不同瞬间两组相量有不同的位置，各组同步指示灯上所受的电压将不断地变化上所受的电压将不断地变化 9/26/202468同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行于是同步指示灯的灯光便忽亮忽暗地闪烁于是同步指示灯的灯光便忽亮忽暗地闪烁 当两频率越为接近时，灯光的闪烁便越缓慢根据灯光当两频率越为接近时，灯光的闪烁便越缓慢根据灯光的闪烁情况，可以调节发电机的转速，使发电机电势的闪烁情况，可以调节发电机的转速，使发电机电势的频率，尽可能接近电网的频率的频率，尽可能接近电网的频率若发电机电压与电网电压不相等，可调节励磁电流若发电机电压与电网电压不相等，可调节励磁电流 下面通过相量图来分析设电源频率下面通过相量图来分析设电源频率f小于发电机的频小于发电机的频率率 f UC UA UB UAUBUCUA UB UC △△U△△U△△UUAUBUCUAUBUCUA UB UC △△U△△U△△U9/26/202469同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行应在三组灯全暗时合闸，此时开关两侧电位差已很应在三组灯全暗时合闸，此时开关两侧电位差已很小，即发电机与电网电压差小，即发电机与电网电压差 U 0。 由相量图可以看出，在不同的瞬间，三组指示灯所受由相量图可以看出，在不同的瞬间，三组指示灯所受的电压总相等，指示灯将同时明暗，其明、暗变化的的电压总相等，指示灯将同时明暗，其明、暗变化的频率就是发电机与电网相差的频率频率就是发电机与电网相差的频率调节发电机原动机的转速使灯光明暗频率很低时，就调节发电机原动机的转速使灯光明暗频率很低时，就可以准备合闸可以准备合闸2) 灯光旋转法（交叉接法）灯光旋转法（交叉接法） 接线图如下图接线图如下图(a)所示，方法是把一组灯直接跨线接所示，方法是把一组灯直接跨线接在在A和和A 之间，而把另二组灯交叉跨接在之间，而把另二组灯交叉跨接在B和和C 及及C和和B 之间9/26/202470同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行下面用相量图分析各组灯上的电压设电源频率下面用相量图分析各组灯上的电压设电源频率f小小于发电机的频率于发电机的频率 f 9/26/202471同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行UC UA UB UAUBUCUA UB UC △△UCB △△UAA UAUBUC△△UCB △△UBC △△UBC UA UB UC △△UCB △△UAA UAUBUC△△UBC UA UB UC △△UCB △△UAA UAUBUC△△UBC 由相量图可见，在不同的时由相量图可见，在不同的时刻，加于三组同步灯的电压刻，加于三组同步灯的电压各不相等。 各不相等 从图可见先是第从图可见先是第I组灯最亮，接着轮到第组灯最亮，接着轮到第II组灯最亮，组灯最亮，然后是第然后是第III组最亮，灯光按逆时针方向旋转组最亮，灯光按逆时针方向旋转 9/26/202472同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行如果发电机的频率低于电网频率，则灯光将按顺时针如果发电机的频率低于电网频率，则灯光将按顺时针方向旋转；方向旋转；根据灯光旋转方向，适当调节发电机转速，使灯光旋根据灯光旋转方向，适当调节发电机转速，使灯光旋转速度变得很低，就可准备合闸转速度变得很低，就可准备合闸当直接跨接在开关两端的同步指示灯熄灭当直接跨接在开关两端的同步指示灯熄灭(上图中第上图中第 I 组，开关两端电压差为零组，开关两端电压差为零)，而另外两组灯亮度相同的，而另外两组灯亮度相同的时刻迅速合上开关，即完成投入并联运行的操作时刻迅速合上开关，即完成投入并联运行的操作以上两种方法显然是灯光旋转法较好，因为从灯光的以上两种方法显然是灯光旋转法较好，因为从灯光的转向可明确指示操作者应将转速调高还调低转向可明确指示操作者应将转速调高还调低 如果等并车的发电机电网的相序不同，则所产生的灯如果等并车的发电机电网的相序不同，则所产生的灯光闪烁现象将适相反，当用灯光黑暗法时，三相指示光闪烁现象将适相反，当用灯光黑暗法时，三相指示灯交依次明暗，形成灯光旋转；反之亦然。 灯交依次明暗，形成灯光旋转；反之亦然 9/26/202473同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行2. 自整步法自整步法 准整步法并车的优点是能使新投入的发电机和电网不准整步法并车的优点是能使新投入的发电机和电网不受或仅受轻微冲击，但其装置比较复杂受或仅受轻微冲击，但其装置比较复杂 当电网出了事故，例如大容量机组因故障突然退出运当电网出了事故，例如大容量机组因故障突然退出运行而要求重新起动一台机组代替它投入电网时，由于行而要求重新起动一台机组代替它投入电网时，由于这时电网还处在异常状态，电压和频率都在不断变动，这时电网还处在异常状态，电压和频率都在不断变动，用准整步法比较困难用准整步法比较困难 采用采用“自整步自整步”的并车方法，其步骤如下：的并车方法，其步骤如下： 先将发电机的励磁绕组经过约等于励磁绕组电阻先将发电机的励磁绕组经过约等于励磁绕组电阻10倍倍的电阻短路；的电阻短路；当发电机转速升到接近同步转速时，先合上开关，将当发电机转速升到接近同步转速时，先合上开关，将发电机接入电网，接着立即加上励磁；即可利用电机发电机接入电网，接着立即加上励磁；即可利用电机的的“自整步作用自整步作用”使它迅速被牵入同步。 使它迅速被牵入同步9/26/202474同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行此法优点是操作简单迅速，不需增添复杂的设备，此法优点是操作简单迅速，不需增添复杂的设备，缺点是合闸及投入励磁时有电流冲击，因此自整步缺点是合闸及投入励磁时有电流冲击，因此自整步法常用于紧急情况下的发电机并网运行法常用于紧急情况下的发电机并网运行四、有功功率和无功功率的调节四、有功功率和无功功率的调节为了简化分析，设发电机为隐极机，不计磁路饱和，为了简化分析，设发电机为隐极机，不计磁路饱和，不计电枢电阻，且电网为不计电枢电阻，且电网为“无穷大电网无穷大电网”无穷大电网：指电网的容量相对于分析的同步发电机无穷大电网：指电网的容量相对于分析的同步发电机容量来说要大很多因此电网的电压和频率不会因并容量来说要大很多因此电网的电压和频率不会因并联上去的同步发电机功率调节的影响而改变，即电网联上去的同步发电机功率调节的影响而改变，即电网的电压和频率恒定为常值的电压和频率恒定为常值实际上，电网上的负载发生变化时，总要引起电网电实际上，电网上的负载发生变化时，总要引起电网电压和频率的波动，在定性分析中可忽略不计。 在分析压和频率的波动，在定性分析中可忽略不计在分析中都认为电网电压中都认为电网电压U=常数，电网频率常数，电网频率f=常数9/26/202475同步发电机课件weipeiyu 制作 1. 有功功率的调节有功功率的调节增加输入机械增加输入机械功功率率P1，使，使P1＞＞p0，输入功率扣除了空，输入功率扣除了空载损耗后，载损耗后，其余的转变为电磁功率，即其余的转变为电磁功率，即P1-p0= PM，，发电机开始输出有功功率发电机开始输出有功功率要改变发电机输出的有功功率，必须相应地改变由原要改变发电机输出的有功功率，必须相应地改变由原动机输入的机械功率动机输入的机械功率发电机整步过程结束处在空载运行状态，发电机的输发电机整步过程结束处在空载运行状态，发电机的输入机械功率入机械功率P1和空载损耗和空载损耗p0相平衡，电磁功率为零，即相平衡，电磁功率为零，即P1=po，，T1=T0，，PM= 0，发电机处于平衡状态发电机处于平衡状态1)从从能量守恒观点来看有功功率能量守恒观点来看有功功率同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行这个过程从能量守恒观点来看，发电机输出有功功率这个过程从能量守恒观点来看，发电机输出有功功率是由原动机输入的机械功率转换来的。 是由原动机输入的机械功率转换来的9/26/202476同步发电机课件weipeiyu 制作 (2)利用利用功率角功率角δ来加以说明有功功率来加以说明有功功率空载时空载时E0=U功率角 =0，如图，如图(a)所示，电磁功率所示，电磁功率PM=0，此时气隙合成磁场和转子磁场的轴一重合，，此时气隙合成磁场和转子磁场的轴一重合，发电机无功率输出发电机无功率输出此时此时转子就要加速，就使转子磁场超前于气隙合成转子就要加速，就使转子磁场超前于气隙合成磁场磁场(即即E0超前于超前于U)，也就是使功率角，也就是使功率角 逐渐增大如逐渐增大如图图(b)所示UE0Ff =F F jxsIUIE0Ff (a)(b)增加原动机的输增加原动机的输入功率入功率P1时，即时，即增加发电机的输增加发电机的输入转矩入转矩T1，这时，这时T1＞＞T0；；同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行9/26/202477同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行结论：结论：要调节与电网并联的同步发电机的有功功率，要调节与电网并联的同步发电机的有功功率，必须调节原动机的输入功率，这时发电机内部会自行必须调节原动机的输入功率，这时发电机内部会自行改变功率角改变功率角δδ，相应地改变电磁功率和输出功率，达，相应地改变电磁功率和输出功率，达到新的平衡状态。 到新的平衡状态 角的增大引起电磁功率角的增大引起电磁功率PM增大，发电机便输出有功增大，发电机便输出有功功率当 增大到某一数值，使相应的电磁功率达到增大到某一数值，使相应的电磁功率达到PM=P1-p0（（TM=T1-T0）时，转子加速的趋势即停止，）时，转子加速的趋势即停止，发电机便处于新的平衡状态发电机便处于新的平衡状态→T1 →T1＞＞T0→n → →产生产生 TM、、PM、、I、、P2→T1 > TM + T0有功功率的调节方法如下：有功功率的调节方法如下： = 0，，T1 = T0 n＞＞n1TM ← ←n ←n = n1←稳定稳定←T1 = TM + T0←9/26/202478同步发电机课件weipeiyu 制作 原动机输入功率的增加也不是无限制原动机输入功率的增加也不是无限制的对于隐极发电机，当对于隐极发电机，当δ=90º º时，电磁功率达到最大值时，电磁功率达到最大值Pmax时，若再增加输入功率，则时，若再增加输入功率，则δ＞＞90º ，这时电磁功，这时电磁功率将随着率将随着δ的增大而减小；的增大而减小；输入功率扣掉空载损耗和减小了的电磁功率后还有剩输入功率扣掉空载损耗和减小了的电磁功率后还有剩余，剩余的功率将使转子继续加速，余，剩余的功率将使转子继续加速，δ角继续增大，角继续增大，电磁功率电磁功率PM继续减小，功率再不能保持平衡，发电机继续减小，功率再不能保持平衡，发电机将将“失去同步失去同步”，或叫做失去，或叫做失去“静态稳定静态稳定”。 2. 静态稳定静态稳定指电网或原动机方面出现某些微小扰动时，发电机能指电网或原动机方面出现某些微小扰动时，发电机能在这种瞬时扰动消除后，继续保持原来的平衡运行状在这种瞬时扰动消除后，继续保持原来的平衡运行状态就称这时的态就称这时的同步同步发电机是发电机是““静态稳定静态稳定””的，否则的，否则就是静态不稳定就是静态不稳定同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行9/26/202479同步发电机课件weipeiyu 制作 0PM/T 90o a'0PM/T 90o aT T1= T + T0a 点点：： 干扰使干扰使 T1 → →T 抑制了抑制了 进一步增大进一步增大 →b 点bT1' = T' + T0 干扰消失后，较大的干扰消失后，较大的 T，，使机组恢复到使机组恢复到 a 点运行a' 点点：： 干扰使干扰使 T1 →n → →T →n → →T ···→失步失步 干扰消失后，干扰消失后，n 不可能恢不可能恢复到复到 n1，即工作点不可能，即工作点不可能恢复到恢复到 a' 点运行。 点运行稳定稳定运行区运行区同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行9/26/202480同步发电机课件weipeiyu 制作 结论：结论：凡处于功角特性曲线上升部分的工作点，都是凡处于功角特性曲线上升部分的工作点，都是静态稳定的，下降部分的工作都是静态不稳定的或静态稳定的，下降部分的工作都是静态不稳定的或者说在功角特性曲线上电磁功率和功率角同时增大，者说在功角特性曲线上电磁功率和功率角同时增大，或同时减小的或同时减小的那那一部分是静态稳定的一部分是静态稳定的同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行静态稳定的静态稳定的判断依据判断依据：比整步功率：比整步功率(kW/rad)对对隐极隐极发电机，比整步功率为发电机，比整步功率为:电机稳定区域内，电机稳定区域内，Pcx 越大，电机稳定增长性越好越大，电机稳定增长性越好Pcx可以表示发电机运行稳定度可以表示发电机运行稳定度9/26/202481同步发电机课件weipeiyu 制作 当当 =90º º时，时，Pcx=0，正处在，正处在稳定的交界稳定的交界如图如图，当，当 =0º时时，，Pcx最大，最大，故同步发电机在空载时最为故同步发电机在空载时最为稳定。 稳定此时发电机保持同步的能力此时发电机保持同步的能力为零，故该点即为静态稳定为零，故该点即为静态稳定的极限当当 >90º时，时，Pcx为为负负值，发电机便失去了稳定值，发电机便失去了稳定3. 无无功功率的调节功功率的调节以隐极发电机为例，以隐极发电机为例，不计磁路饱和电枢电阻，分析同步不计磁路饱和电枢电阻，分析同步发电机无功功率的调节，无功功率与励磁电流的关系发电机无功功率的调节，无功功率与励磁电流的关系同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行9/26/202482同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行(1)空载运行空载运行空载时电枢电流和电枢磁动势为零，空载时电枢电流和电枢磁动势为零，E0=U，，Ff=F ，，这时的励磁电流称为这时的励磁电流称为“正常正常”励磁电流励磁电流If0如图所示如图所示UE0Ff =F 若若增大励磁电流增大励磁电流(If >If0),则则E0 >U，由于电网电压不变，发电机必，由于电网电压不变，发电机必然输出然输出一一个滞后的无功电流个滞后的无功电流(感性感性)，它产生去磁的电枢磁动势，它产生去磁的电枢磁动势Fa,以以维持气隙合成磁动势维持气隙合成磁动势F 不变不变(F =Ff+Fa)；；这时励磁电流称为过励的这时励磁电流称为过励的励磁电流。 如图所示励磁电流如图所示UE0Ff F Fa IjxsI9/26/202483同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行UE0Ff F Fa IjxsI若减小若减小励磁电流励磁电流(If 发电机不输出无功功率 I与与U 同相，同相， UE0j xsII同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行即：即：E0 sin = 常数常数 Icos = 常数常数在恒定的有功功率下调节励磁电流时，电流相量在恒定的有功功率下调节励磁电流时，电流相量I端端点的轨迹为点的轨迹为AB线（见下图），电动势相量线（见下图），电动势相量E0端点的端点的轨迹为轨迹为CD线，不同励磁电流时的线，不同励磁电流时的E0和和I的相量端点在的相量端点在轨迹线上有不同位置轨迹线上有不同位置9/26/202485同步发电机课件weipeiyu 制作 (2) 欠励磁欠励磁 （当（当If ＜＜If0 时）时） If →E0 → 发电机输出电容性无功功率；发电机输出电容性无功功率； If → Q2 3) 过励磁过励磁 (当当If ＞＞If0 时时) If →E0 → 发电机输出电感性无功功率；发电机输出电感性无功功率； If → Q2 。 UE0Ijxs IE0'CDjxsI'AB I ( I' ) 超前于超前于U，，I' E0"jxs I"I" I ( I" ) 滞后于滞后于U，， 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行9/26/202486同步发电机课件weipeiyu 制作 说明说明: 电网电压不变，气隙合成磁动势不变，由于过电网电压不变，气隙合成磁动势不变，由于过励时主极磁动势增大，为保持气隙合成磁动势不变，励时主极磁动势增大，为保持气隙合成磁动势不变，电枢反应的去磁分量必然要增大，即电枢反应的去磁分量必然要增大，即 角增大，电流角增大，电流变成滞后；反之，当欠励时，变成滞后；反之，当欠励时，If 功率的大小，而且能改变无功功率的性质过励时，电枢电流滞后，发电机输出感性无功功率；过励时，电枢电流滞后，发电机输出感性无功功率；欠励时，电枢电流超前，发欠励时，电枢电流超前，发电机输出容性无功功率电机输出容性无功功率结论：结论：同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行9/26/202487同步发电机课件weipeiyu 制作 并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率不并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率不变时，表示电枢电流变时，表示电枢电流I和励磁电流和励磁电流If的关系曲线的关系曲线I=f(If)称为称为“U”形曲线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U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“U”形曲线特点如下：形曲线特点如下：3. U形曲线形曲线(1)每条曲线的最低点每条曲线的最低点, cos =1 ,定子电流最小，且定子电流最小，且全为有功电流，这些点的连全为有功电流，这些点的连线向右倾斜；线向右倾斜；表明要输出纯有功功率，必表明要输出纯有功功率，必须相应增加励磁电流须相应增加励磁电流。 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行9/26/202488同步发电机课件weipeiyu 制作 表明输出有功功率越多，维持表明输出有功功率越多，维持稳定所需的励磁电流也越大稳定所需的励磁电流也越大而在其左方，发电机处于欠励运行状态，功率因数是而在其左方，发电机处于欠励运行状态，功率因数是超前的，发电机向电网输出容性的无功功率超前的，发电机向电网输出容性的无功功率 以以cos =1为基准的曲线右方，发电机处于过励运行状为基准的曲线右方，发电机处于过励运行状态，功率因数是滞后的，发电机向电网输出感性的无态，功率因数是滞后的，发电机向电网输出感性的无功功率2)不稳定区域边缘：不稳定区域边缘： =90º，连线向右倾斜，连线向右倾斜;(3)励磁电流从零开始增大时，励磁电流从零开始增大时，定子电枢电流变化规律为先定子电枢电流变化规律为先减小后增大减小后增大同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行9/26/202489同步发电机课件weipeiyu 制作 在在U形曲线上有一个不稳定区，在不稳定区内，发电形曲线上有一个不稳定区，在不稳定区内，发电机将不能保持静态稳定机将不能保持静态稳定。 UE0CDjxsIABI 因为对应一定的有功功率，减小励磁电流有一个最低因为对应一定的有功功率，减小励磁电流有一个最低限值，即相当于限值，即相当于δ=90°时，电动势时，电动势 E0 的端点处于静态的端点处于静态稳定极限的位置，如稳定极限的位置，如下下图所示如再减小励磁电流，如再减小励磁电流，发电发电机的功率小于极限功率而机的功率小于极限功率而小于输入的机械功率，由小于输入的机械功率，由于功率不平衡，于是转子于功率不平衡，于是转子加速，以致失去同步加速，以致失去同步同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行9/26/202490同步发电机课件weipeiyu 制作 例：例： 一台一台 Y 联结的水轮发电机，并联在联结的水轮发电机，并联在 UN = 10.5 kV 的电网上运行发电机的的电网上运行发电机的 xd = 1.3 Ω，，xq = 0.7Ω，，ra忽略不计，忽略不计， = 18.09o 时，时，I1 = 3990 A，， E0 = 9970V求该发电机输出的有功功率求该发电机输出的有功功率 P2 和无和无功功率功功率 Q2（电容性的还是电感性的）电容性的还是电感性的） U = UN 3= V = 6 062.36 V 10.5×1031.732忽略忽略ra，则，则3UE0xdP2 = PM = sin +3 ( - ) sin2 1xqU221xd= 64.77 MW 解：解：9/26/202491同步发电机课件weipeiyu 制作 = arccos P23U I = arccos Usin xq I= arccos 64.87×106 3×6 062.36×3 990 = 26.63o= arccos 6062.36×sin18.09o 0.7×3 990= 47.63o由于由于 ＞＞ ，， I 滞后于滞后于 U，，故输出电感性无功功率，故输出电感性无功功率， 其值为其值为 Q2 = 3UIsin = 3×6 062.36×3 990 sin26.63o var = 32.53 Mvar9/26/202492同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行例：一台三相隐极式同步发电机与无穷大电网并联运例：一台三相隐极式同步发电机与无穷大电网并联运行，已知电网电压为行，已知电网电压为400V，每相电抗，每相电抗xs=1.2 ，，Y接法，接法，当发电机输出功率当发电机输出功率80kW时，时，cos =1。 若保持励磁电若保持励磁电流不变，减少输出功率到流不变，减少输出功率到20kW，不计电阻，试求，不计电阻，试求（（1）功率角）功率角 ；（；（2）功率因数）功率因数cos；（；（3）电枢电）电枢电流；（流；（4）输出的无功功率）输出的无功功率Q及其性质及其性质P281 13−14 解：在功率未改变前解：在功率未改变前 9/26/202493同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行（（1）改变功率后，励磁电流不变）改变功率后，励磁电流不变E0不变不变 （（2）由相量图可见）由相量图可见 UI jxs IE0 COAB 9/26/202494同步发电机课件weipeiyu 制作 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行（3）电枢电流电枢电流9/26/202495同步发电机课件weipeiyu 制作 本章结束本章结束9/26/202496同步发电机课件weipeiyu 制作 。
