1、第四章 同步电机,41同步电机的结构42同步发电机的基本特性43同步发电机的电压、转矩和功率的平衡44同步发电机的并联运行45同步发电机的短路与振荡46同步电动机,第四章学习应注意的几个问题：1.同步发电机负载后电枢磁场对气隙磁场有何影响(电枢反应)？2.同步发电机空载特性的实质是什么？3.影响同步发电机的外特性的因素是什么？4.同步发电机的平衡方程式有那些？5.同步发电机并联运行时有什么特点？ 本章的计算任务主要是：利用同步发电机的功率平衡方程和有关特性进行电量（电势、电压、电流、功率）计算；并联运行时有功功率和无功功率的计算。 比较难理解的点：1.同步发电机的电枢反应；2.同步发电机的突然
2、短路分析。,41.同步电机的结构,本节的主要内容有两部分,基本结构：主要点：类型与转子的结构（同步电机的定子结构与异步机相似）。 铭牌数据：主要点：额定容量表示（两种），额定电压和额定电流。,一、同步电机结构,结构：由铁心和绕组组成，与异步电机定子基本相同。 相同机座号时，若与异步机互换定子，则仍然可以运行。区别：主要是尺寸方面，同步电机通常容量较大，而异步机的容量相对较小。因此，从表面上看同步机机壳无散热片，异步机则有接线：发电机定子绕组通常采用Y 形连接，减小三次谐波影响。,定子结构：,三次谐波：由于三相绕组的每个线圈边产生的磁势为矩形波，可分解成基波和一系列奇次谐波。通过合理选择短距绕组
3、,可削弱5、7次谐波。三相绕组的3次谐波刚好同相位，可以通过Y形和连接削弱。,谐波内容不做要求,三次谐波解释,连接时，虽然无3次谐波电势输出，但是，却在其三相绕组上有3次谐波 “环流”，会造成额外损耗。采用Y连接。,磁势矩形波,三相绕组的三次谐波刚好同相位,转子结构,隐极式转子,大型机的转子支架,转子铁心硅钢片,转子轴上的滑环,一对极隐极式,两对极凸极式,转子：有凸极式和隐极式两种。转子绕组是直流绕组。,二、同步发电机的基本类型,类型与励磁方式类型：同步发电机有转枢式和转极式两种。同步发电机主要采用转极式，磁极在转子时，通过滑环引导的电流较小。自励：凡以发电机本身的电枢绕组或辅助绕组为励磁电源
4、的励磁方式称为自励。他励：凡设有专用励磁电源的称为他励。即，采用励磁机进行励磁的就是他励。无刷同步发电机是他励的一种形式。,无刷同步发电机是将这两种形式的两台电机同时安装在同一根轴上，是两台电机的组合。船上不采用直流励磁机进行励磁。无刷励磁也是靠剩磁起压的。,无刷同步发电机实际上是两台机同轴工作。,定子：1和2，转子：3和4；主发电机：2和4，励磁发电机：1和3。,说明,P.46的图4-1-4就是P.199的图12-2-2。,三、同步发电机的基本数据,铭牌数据：主要铭牌数据有： 额定容量、额定电压、额定频率、额定功率因数、定子绕组连接、绝缘等级、冷却方式等。注意： 额定容量、额定电压、额定功率
5、因数和额定电流可能只标出三个（第四个参数可以求出）。,工作原理简介：外部直流电源通过滑环向转子提供直流励磁电流，并产生磁场；原动机拖动转子旋转，转子磁极磁场切割三相定子绕组，感应三相交流电。,第一节要点：结构、原理、类型、额定参数。,42.同步发电机的基本特性,本节的主要内容有三大部分：空载特性：主要点：掌握空载特性的实质，分析工作过程知道空载电势的计算式。电枢反应：主要点：分析负载后，负载大小和性质不同时，电枢磁场对气隙磁场的影响。外特性和调节特性：主要点：知道特性的形状和随负载的变化情况。,一、空载特性,电势计算式：由工作过程分析知道同步发电机空载电势E0：书P.47 式（4-2-2）E0
6、 = 4.44kfN0 空载特性：保持额定转速不变，空载电势E0与空载励磁电流I f的关系曲线。, E00B ，IfH；空载特性的实质就是磁化曲线。,空载特性实验：按如图所示接线，起动原动机拖动同步发电机转子旋转，将励磁回路电阻Rf调至最大，合上励磁回路电源开关。观察电流表A和电压表V的数值并记录。,空载特性实验,注意：只能单方向调节电阻。,方法：逐步将Rf调小，使电流逐步增大，记录数据。然后逐步将Rf调大再记录数据。,二、电枢反应,定义：负载时由三相电枢绕组产生的旋转磁场称为电枢反应磁场。电枢反应磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应。电枢电流影响电枢反应的性质：电枢电流与空载电势的关系有：同相位
7、、滞后和超前三种。与之对应的电枢反应的性质有：交轴、直轴去磁和直轴增磁三种。,交轴反应（同相位）,直轴去磁（滞后）,直轴去磁（超前）,一般情况,感性滞后的电流,三、外特性和调节特性,外特性：同步发电机外特性与变压器相似，但电压变化率计算式P.49.式(4-2-5)与P.17.式(2-3-3) 不同。注意：P.50思考题(4-2-4) 。,思考题(4-2-4)：同步发电机的电压变化率的大小、正负与发电机所带的负载的大小和性质有关。因为负载大小影响了电枢反应作用的大小，,负载性质决定了电枢反应的去磁、增磁性质。若电枢反应去磁，电压变化率为正；若电枢反应增磁，则电压变化率为负。此时，外特性为上翘的特
8、性。电枢反应越强，电压变化率的值就越大（反之亦然）。,特性：为了保持电压不变，在功率因数一定时，励磁电流应随电枢电流进行变化调节的曲线。不同的功率因数，电枢反应大小不一样，性质可能也可能不同。,第二节要点：空载特性实质；电枢反应3种；外特性与u；调节特性。,调节特性,调节特性曲线,电枢反应去磁，则励磁电流应增加，反之则减小。,43.同步发电机的电压、转矩和功率的平衡,本节的主要内容有三部分：电压方程及相量图：主要掌握：电枢电路的等效、相量图和重要参数 同步电抗和功率角、功率因数角、内功率因数角等概念。转矩和功率的平衡：主要理清能量转换关系。独立运行特点：独立运行特点单独作为一点讨论，目的是要求
9、给予重视，与后续特点进行比较。,同步发电机负载运行时与电枢绕组交链的磁通有3个： 励磁磁通、电枢电流产生的电枢反应磁通和漏磁通。3个磁通都在电枢绕组感应电势分别为：空载电势、电枢反应电势和漏磁电势。 忽略磁路饱和，引入参数：电枢反应电抗。同步电抗Xs = Xa + X ，注意：Xs XaX 。,忽略电枢电阻,用电抗表示ea,电枢绕组电路,一、电压方程及相量图,电势公式,电势公式可应用三角计算公式从相量图得到：三角形构成以E0为斜边以U相量及其延长线为一条直角边，构造一个直角三角形。与电流 I 有关相量变换（投影）到直角边都与功率因数角有关。,电压平衡方程：,电势公式： P.51.式（4-6-3
10、），忽略电枢电阻后：,相量图,根据电压平衡方程可画出相量图。 负载分别为：感性、阻性和容性时：,感性负载,忽略电枢电阻,电阻性负载,容性负载,二、转矩和功率的平衡,功率平衡：功率平衡关系就是能量平衡关系。 P.52式(4-3-8)：Pin=Pe+P0，应写成：P1=Pe+P0其中，电磁功率：Pe= 3 E0 I cos，内功率因数角 ；空载损耗P0(主要是机械损耗)。转矩平衡：公式：P.52 式(4-3-10)：T= 3E0 I cos/。,同步发电机独立运行有3个特点：1.有功功率和无功功率完全由负载决定；2.频率随转速而变化，电压随励磁电流而变化；3.负载变化将引起频率（有功）或电压（无功
11、）的相应变化。,第三节要点：电压方程及相量图；转矩；独立运行的特点 。,发电机独立运行的特点,注意：将独立运行特点与后面的并联运行特点相比较。,44.同步发电机的并联运行,本节的主要内容有两部分：与无穷大电网并联 ：主要掌握：并联运行概念、有功功率和无功功率的计算与调节、功角特性矩角特性等概念和并联特点。同容量发电机并联 ：主要掌握：特点。,一、与无穷大电网并联,无穷大电网：电网与单机容量比非常大，U、f不受单机调节影响。并联运行：是指两台以上发电机同时向同一电网供电的工作状态。并联条件：三个相等（电压、频率、相位）、一个（相序）一致。有功功率的调节：调节发电机的油门，转子瞬时加速，功角瞬时增
12、大，输出有功功率增加，电磁转矩增大达到转矩平衡（转速恒定）。 180失步。 注意：功角的概念。,功角及功角特性,功角：是发电机磁极磁场与气隙合成磁场之间的空间角度，也正好等于电势E0与电压U之间的相位角。, I cos=E0sin/ Xs，Pe=3U I cos， Pe=3UE0sin/ Xs ，即： 功角特性。 凸极机直交轴方向气隙不均匀.多一个“反应转矩”。,矩角特性：与功角特性相似。书P.53 式（4-4-2）。,无功功率的调节,与无穷大电网并联时，发电机电压不变。若保持油门不变，则输出电磁功率Pe =3U I cos，即I cos等于常数。此时，如果调节励磁电流 I f ，励磁磁通0
13、和空载电势E0将发生变化。,由图可见，调节励磁电流 I f ，空载电势E0发生变化，功率因数角也随之发生变化，输出无功功率发生变化。励磁电流小（欠励）时， E0小，0 ，输出无功为容性无功；励磁电流增大， E0也增大，当=0 时，输出无功为零；继续增大励磁电流， E0进一步增大，0 ，输出无功为感性无功。,1. 调节油门，可以调节发电机输出的有功功率大小；2. 调节励磁电流，可以调节发电机输出的无功功率大小；3. 调节一台发电机的油门或者励磁电流，电网的频率和电压不会发生变化。,结论,输出感性无功等于消耗容性无功；输出容性无功等于消耗感性无功。 通过附图可以理解。,未接电容之前消耗感性，电容输
14、出容性无功后，整个电路不消耗无功功率。,二、同容量同步发电机的并联,并联运行特点：1. 各并联运行发电机输出的总有功功率和无功功率分别等于负载的有功功率和无功功率。P=P1+P2；Q=Q1+Q2。2. 单独调节一台发电机的油门（输入功率），负载不变时，电网的频率将发生变化。3. 单独调节一台发电机的励磁电流，负载不变时，电网的电压将发生变化。理解：一台油门增加，负载不变，另一台输出有功减少，电网总输入增加、有功输出不变，频率增加。（无功同理）,第四节要点：理想合闸条件；功角特性；并联运行特点（无穷大，同容量）。,4-5.同步发电机的短路与振荡,本节内容主要知道：1. 知道突然短路的危害、突然短
15、路时同步电抗的大小变化，了解突然短路的过程；2. 振荡的种类和危害。,突然短路时，电枢电流将增大，气隙磁通将增加，与磁通交链的绕组将感应电势产生电流和磁势阻止短路电流产生的磁通的增加，迫使该磁通以气隙为磁路。因此磁路的磁阻很大，相当于此时的同步电抗很小。随着阻碍磁通变化的绕组电流的衰减，短路磁通逐步恢复原来的磁路，同步电抗也才逐步增大到原来的数值。 超瞬变电抗、瞬变电抗、正常的同步电抗。注意：X Xd Xd Xs。 Xd = X+ Xad,一、三相突然短路,二、并联运行发电机的振荡,种类：并联运行时的振荡有，1.自由振荡；2.强迫振荡。 危害：严重时会损坏设备。 自由振荡： 只有并联运行时才有
16、，单机运行时没有。调节或者负载变化使机械转矩（输入）和电磁转矩（输出）失去平衡，发电机n将发生变化。而转子惯性会出现以振荡。 一般是衰减振荡，问题不大。 强迫振荡： 单机和并联运行时都有。活塞式原动机（四个冲程中既有做功冲程，也有不做功冲程）造成的振荡。 一般在设计时已经避开临界转速。 解决办法：发现长时间振荡可通过适当改变频率使振荡衰减。,第五节要点：突然短路（各电抗大小及关系）；振荡（种类，危害）。,4-6.同步电动机,本节的主要内容有两部分：转动原理与起动：主要点：同步电动机如何转动、怎样转动。电动机的电流：主要点：影响同步电动机电枢电流的因素。,同步电动机的内容不是重点，主要要求了解基
17、本点。,一、转动原理与起动,转动原理：由并联运行同步发电机的功角特性可知：当同步发电机处于空载状态并联在电网时，若将原动机通过离合器脱开，此时转子在机械阻转矩的作用下将减速，电机的功角0 ，输出的有功功率为负值，即表示从电网吸收有功功率。也就是说：同步发电机就变成了同步电动机。结论：功角0 ，输出P 0 ，即输入P，变成同步电动机。 转速仍然是同步转速。,同步电动机的起动,分析：若直接将静止不动的同步电动机转子进行励磁，而在定子三相电枢绕组通入三相交流电，在气隙中将有励磁磁场（恒定不变）和电枢磁场（旋转）同时存在，当电枢磁场超前励磁磁场时，将拖动励磁磁场转动，由于转子存在着惯性，而电枢磁场转速
18、又很快，在180内电枢磁场不能及时将转子拉入同步，而超过180后，电枢磁场与励磁磁场的相互作用力变成斥力，于是在一个周期内，电磁转矩的平均值为零。因此，同步电动机不能直接起动。起动方法：主要有间接起动和异步起动。,间接起动和异步起动,间接起动：通过其它机械（原动机）将同步电动机起动至额定转速，然后定子电枢绕组接三相交流电，转子励磁绕组通入励磁电流，通过机械离合器脱开原动机并带上机械负载，同步电动机进入正常的电动运行状态工作。异步起动：依靠同步电动机磁极上的起动绕组（类似鼠笼绕组）起动。起动时，将转子绕组串联一个510倍励磁绕组电阻值的电阻，定子接入三相交流电，起动绕组以异步机的原理起动，当转子
19、转速接近同步转速时，励磁绕组通过转换开关断开串联的电阻，接入正常励磁电流，此时由于电枢磁场与励磁磁场的相对转速很小，转子在电枢磁场的作用下将被拉入同步。拉入同步后的电动机就可带动机械负载正常工作。,异步法起动时注意：励磁绕组既不能开路也不能短路，而应在转子绕组回路中串联一个510倍励磁绕组电阻值的电阻。这是因为：由于励磁绕组的匝数很多，起动时，若开路则会感应出很高的电压，造成设备损坏等后果。而若直接短路，则短路电流较大，会烧坏励磁绕组。转子回路电阻的作用：即降压又限流。,注意,同步电动机电流的性质：与发电机类似，同步电动机过励时（励磁电流增大，使空载电势大于额定电压一定数值），输出感性无功；欠
20、励则输出容性无功。同步电动机一般工作在过励状态，以改善电网的功率因数。使用场合：大功率不经常且可空载起动的设备使用。由于起动困难，所以不经常起动并允许空载起动；大功率才能用来明显改善功率因数。同步补偿机：与电网并联、工作在空载过励状态下的同步电机。,第六节要点：转动原理；起动方法；励磁与输出。,二、电动机的电流,第四章 各节要点,各节要点： 第一节：结构、原理、类型、额定参数。 第二节：空载特性实质；电枢反应（3种）；外特性与（u）；调节特性。 第三节：电压方程及相量图；转矩；独立运行的特点 。 第四节：理想合闸条件；功角特性；并联运行特点（无穷大，同容量）。 第五节：突然短路（各电抗大小及关系）；振荡（种类，危害）。 第六节：转动原理；起动方法；励磁与输出。,第四章的主要内容,主要内容：知道同步发电机工作原理；掌握同步发电机分析方法；熟练运用平衡方程和基本特性进行计算。知道同步发电机并联运行条件和特点。了解突然短路过程和危害。知道同步电动机的适用场合与异步起动法。 是“计算点之一”。 电枢反应是本章的相对难点。 结构、突然短路、同步电动机不作为重点，但要求知道基本概念点。 计算任务主要是：利用电磁关系、功率关系、并联运行时的特点和有关特性进行有无功功率和其它电路参数的计算。本章的计算任务是本课程的主要计算任务之一。,
