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1、第 4 章 同步电机,4.1 同步电机概述,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机概述,一、各种型式的同步电机 二、三峡大坝风光 三、同步电机结构 四、励磁、冷却与铭牌,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机概述,一、各种型式的同步电机,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,汽轮发电机组运行,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,汽轮发电机组运行,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,小型汽轮发电机组,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,水电厂及水轮发电机组,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,小型柴油发电机组,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,无刷同步发电机,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,大型同
2、步电动机,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,稀土永磁同步电动机,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,永磁同步（伺服）电动机,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,微型同步电动机,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机概述,二、三峡大坝风光,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,三峡大坝全景,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,三峡大坝上游,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,三峡大坝下游,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,三峡大坝下游观光道,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,三峡大坝下游近景,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,三峡大坝坝顶,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,三峡坝顶升降机,湖北工业大学稀
3、土电机及控制研究所,三峡大坝船闸,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,三峡坝区坛子岭,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,坛子岭三峡工程纪念簿,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机概述,三、同步电机结构,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,旋转磁极式同步电机,隐极式 凸极式,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,隐极同步电机,A,励磁绕组,小齿,大齿,Y,B,X,C,Z,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,隐极同步电机,隐极式同步电机主要作为火电厂的汽轮发电机，通常主磁极数为一对极。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,凸极同步电机,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,凸极同步电机,凸极式同步电机主要作
4、为水电厂的水轮发电机，主磁极数比较多。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,水轮发电机,长江三峡水轮发电机有40对主磁极，额定转速为75 转/分。,清江水布垭水轮发电机有20对主磁极，额定转速为150 转/分。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,汽轮发电机的主要部件,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,汽轮发电机定子,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,汽轮发电机定子端部,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,加工中的汽轮发电机转子,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,加工中的汽轮发电机转子,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,汽轮发电机转子励磁绕组,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,汽轮发电机定子铁心安装
5、,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,汽轮发电设备的运输,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,汽轮机转子在吊装,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,三峡左岸电厂发电机,三峡左岸电厂的14台水轮发电机组分别由 AISTOM 和 VGS（VOITH-GE-SIEMENS）两大集团供货。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,三峡左岸发电机参数,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,三峡左岸发电机主要尺寸,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,三峡左岸发电机定子铁心,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,三峡左岸发电机定子绕组端部,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,三峡左岸发电机定子绕组端部,湖北工业大学稀土电机及控制研
6、究所,水轮发电机定子,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,三峡发电机转子吊装,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,水轮发电机转子安装,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,水轮发电机转子轴,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,三峡发电机的转子磁极,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,水轮发电机转子磁极,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,水轮发电机转轮,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,三峡水轮发电机转轮,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,水轮发电机的安装,悬式 伞式 1-上导轴承 2-上机架 3-推力轴承 4-下导轴承 5-下机架,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,小型水轮发电机推力轴承,湖北工业大学稀土
7、电机及控制研究所,三峡水轮发电机推力轴承,三峡 6000t 级弹性金属塑料瓦推力轴承，实测推力瓦面温度3273，推力瓦体温度3246。最高瓦面温度与推力瓦体温度相差27 K。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,大型同步电动机转子,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机概述,二、励磁与冷却方式,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的励磁系统,1. 直流发电机励磁 2. 整流励磁,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的励磁系统,副励磁机,主励磁机,同步发电机,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的冷却方式,1. 空气冷却 2. 氢气冷却 3. 水冷却,湖北工业大学稀土电机
8、及控制研究所,同步电机的冷却方式,空气冷却 采用内扇式轴向和径向式混合通风系统，一般用于小容量汽轮发电机。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的冷却方式,氢气冷却 定、转子导线内部通氢气带走热量，汽轮发电机中广泛应用。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的冷却方式,水冷却 定子绕组导线内通水（冷凝水）带走热量，转子绕组通水比较困难。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的冷却方式,水冷却： 英国发明 双水内冷： 中国上海电机厂,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,第 4 章 同步电机,4.2 同步电机的运行原理,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的运行原理,一、同步
9、电机的空载运行 二、同步电机的电枢反应 三、凸极同步发电机的负载运行 四、隐极同步发电机的负载运行,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的运行原理,一、同步电机的 空载运行,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的空载运行,凸极同步电机的空载磁场,B (x),B1(x),励磁绕组,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的空载运行,隐极同步电机的空载磁场,B (x),B1(x),励磁绕组,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的空载运行,当电机空载运行时，励磁电动势随励磁电流变化的关系称为同步发电机的空载特性。,空载特性：,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的空载运行,
10、0,同步发电机的空载特性（磁化曲线）,C,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的空载运行,励磁电动势的大小与转子每极磁通成正比，而励磁电流的大小又和励磁磁势正比例变化，所以空载特性与电机磁路的磁化曲线具有类似的变化规律。,空载特性与磁化曲线,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的空载运行,空载特性的作用之一是将设计好的电机空载特性与所谓的标准数据相比较，如果两者接近，说明电机设计合理，反之，则说明该电机的磁路过于饱和或者材料没有充分利用。,空载特性的作用,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的空载运行,同步发电机的饱和系数,饱和系数,0,a,b,h,c,d,气隙线,湖北工业大
11、学稀土电机及控制研究所,同步电机的空载运行,饱和系数 过低：铁心未被充分利用，电压 稳定性不好 过高：调压时励磁电流过大，励 磁损耗增加,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的空载运行,0,C,D,工作点在空载特性线性区,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的空载运行,0,C,D,工作点在空载特性饱和区,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的运行原理,二、同步电机的 电枢反应,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的电枢反应,1. 时-空矢量图 2. 不同情况下的电枢反应 3. 双反应理论,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的电枢反应,1. 时-空矢量图,湖北工业
12、大学稀土电机及控制研究所,同步电机的空间矢量图,1） 空间矢量图,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的空间矢量图,同步电机的直轴与交轴,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的空间矢量图,f1,0,90,空间矢量,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的空间矢量图,If,+d,N,+d,空间矢量图,N,S,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的空间矢量图,A,（交轴）,+d,X,N,S,n1,+q,（相轴）,+A,+d,+A（相轴）,空间矢量图,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的空间矢量图,+q +A,空间矢量图,A,（相轴）,+d,X,N,S,n1,+q,（直
13、轴）,n1,+A,+d,1,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的空间矢量图,Bf1,0,A,X,基波气隙磁密,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的时-空矢量图,2）时间相量图,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的时间相量图,A,X,N,S,n1,（相轴）,+A,+j （时轴）,时间相量图,A 相两线圈边 处的磁密为零,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的时间相量图,+j（时轴）,A,（相轴）,X,N,S,n1,+A,时间相量图,A 相两线圈边 处的磁密最大,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的时-空矢量图,3）时-空矢量图,湖北工业大学稀土电机及控制研究
14、所,同步电机的时-空矢量图,A,X,N,S,n1,（相轴）,+A,+j,时-空矢量图的由来,+d,+A,+j,+d,+A,空间矢量图,时间相量图,时-空矢量图,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的时-空矢量图,+j,A,（相轴）,X,N,S,n1,+A,+A,+A,+j,+d,+d,空间矢量图,时间相量图,时-空矢量图,时-空矢量图的由来,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的时-空矢量图,+j,+d,+A,转子在垂直位置时的 时-空矢量图,+A,+d,+j,转子在水平位置时的 时-空矢量图,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的时-空矢量图,当时轴 （+j） 与相轴（+A
15、） 重合后，磁通 与磁密 （或磁动势）同方向（相位）。,结论：,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的电枢反应,2. 不同情况下的电枢反应,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的电枢反应,当某相电流最大时，基波合成磁动势的正幅值便与该相的轴线重合。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的电枢反应,A,+d,X,B,Y,C,Z,N,S,n1,+j,+A（相轴）,电枢磁动势向量图,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的电枢反应,内功率因数角的定义,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的电枢反应,时的电枢反应,1）,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的电枢反应,
16、A,+A,+d,X,B,Y,C,Z,N,S,n1,+j,+j,+A,+d,+j,时的电枢反应,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的电枢反应,时的电枢反应（磁场扭斜、增磁）,+A,+d,+j,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的电枢反应,时的电枢反应,2）,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的电枢反应,A,+A,+d,X,B,Y,C,Z,S,n1,+j,+j,+A,+j,+d,时的电枢反应,N,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的电枢反应,时的电枢反应（去磁）,+A,+j,+d,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的电枢反应,时的电枢反应,3）,湖北工业大学
17、稀土电机及控制研究所,同步电机的电枢反应,A,+A（相轴）,+d,X,B,Y,C,Z,N,S,n1,+d,n1,+ j,+A,+ j,时的电枢反应,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的电枢反应,+d,n1,+A,时的电枢反应（增磁）,+j,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的电枢反应,时的电枢反应,4）,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的电枢反应,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的电枢反应,+A,+d,n1,+j,时的电枢反应（磁场扭斜、去磁）,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的电枢反应,3. 双反应理论,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,凸极同步
18、电机双反应理论,A,+A,X,B,Y,C,Z,N,S,n1,+q,+d,电枢反应磁动势和磁通,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,凸极同步电机双反应理论,+A,+d,n1,+j,+q,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,凸极同步电机双反应理论,直轴电枢反应磁动势和磁通,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,凸极同步电机双反应理论,交轴电枢反应磁动势和磁通,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,凸极同步电机双反应理论,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,凸极同步电机双反应理论,A,+A,X,B,Y,C,Z,N,S,n1,+q,A,+A,X,B,Y,C,Z,N,S,n1,+q,+d,+d,电枢电流的直轴和交轴分
19、量,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,永磁同步电机直轴电枢反应,直轴,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,永磁同步电机直轴电枢反应,直轴,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,永磁同步电机交轴电枢反应,交轴,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,永磁同步电机交轴电枢反应,交轴,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,隐极同步电机电枢反应特点,A,X,B,Y,C,Z,n1,+d,+q,A,X,B,Y,C,Z,n1,+d,+q,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,隐极同步电机电枢反应特点,A,X,B,Y,C,Z,n1,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的运行原理,三、凸极同步发电机的 负载运行,湖北工业大学
20、稀土电机及控制研究所,凸极同步发电机的负载运行,1. 电磁关系 2. 电动势方程式 3. 相量图,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,凸极同步发电机的负载运行,1. 凸极同步发电机 电磁关系,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,凸极同步发电机的负载运行,凸极同步发电机电磁关系,不考虑电机磁路饱和时,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,凸极同步发电机的负载运行,2. 凸极同步发电机的 电动势方程式,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,凸极同步发电机的负载运行,A,B,C,凸极同步发电机的电动势方程式,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,凸极同步发电机的负载运行,与变压器类似，有,又,湖北工业大学稀土电机及
21、控制研究所,凸极同步发电机的负载运行,分别为直、交轴电枢反应电抗,分别为直、交轴同步电抗,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,凸极同步发电机的负载运行,凸极同步发电机电动势方程式为,忽略定子绕组电阻，有,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,凸极同步发电机的负载运行,电枢反应电抗的物理意义,直、交轴电枢反应电抗分别等于在三相绕组通入单位（1A）直、交轴电流在其绕组中感应电动势的大小。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,凸极同步发电机的负载运行,A,+A,X,B,Y,C,Z,N,S,n1,+q,A,+A,X,B,Y,C,Z,N,S,n1,+q,+d,+d,电枢电流的直轴和交轴分量,d Xq,湖北工业大
22、学稀土电机及控制研究所,凸极同步发电机的负载运行,3. 相量图,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,凸极同步发电机的负载运行,功率因数角,内功率因数角,功角,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的运行原理,四、隐极同步发电机的 负载运行,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,隐极同步发电机的负载运行,对于隐极同步电机，有,代入凸极同步发电机电动势方程式,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,隐极同步发电机的负载运行,隐极同步发电机的电动势方程式为,忽略定子绕组电阻，有,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,隐极同步发电机的负载运行,式中，Xa 为隐极同步发电机的电枢反应电抗。,隐极同步发电机的同步电抗
23、,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,隐极同步发电机的负载运行,电枢反应电抗的物理意义,电枢反应电抗等于电枢绕组通入三相单位（1A）电流在其绕组中感应电动势的大小。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,隐极同步发电机的负载运行,功率因数角,内功率因数角,功角,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,第 4 章 同步电机,4.3 同步发电机的 运行特性,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的运行特性,一、同步发电机的运行特性 二、特性曲线在参数计算中的应用* 三、同步发电机稳态参数的测定,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的运行特性,一、同步发电机的运行特性,湖北工业大学稀土电机及控制研
24、究所,同步发电机的运行特性,1. 空载特性* 2. 短路特性* 3. 零功率因数负载特性* 4. 外特性 5. 调整特性,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的运行特性,同步发电机的外特性 发电机在 n = nN , If = C1 , cos = C2 条件下，端电压 U 和负载电流 I 之间的关系。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的运行特性,同步发电机的外特性,0,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的运行特性,同步发电机的电压调整率,0,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的运行特性,同步发电机的调整特性 同步发电机在 n = nN , U = C1
25、 , cos = C2条件下，励磁电流 If 和负载电流 I 之间的关系。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的运行特性,同步发电机的调整特性,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的运行特性,三、同步发电机稳态参数的测定,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的运行特性,凸极同步发电机稳态参数,直轴同步电抗：,交轴同步电抗：,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的运行特性,试验原理,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的运行特性,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的运行特性,试验方法：转差法,将被测电机励磁绕组开路，由原动机拖动发电机至接近同步
26、速（S0.01），然后在定子加额定频率的电压（0.02-0.15UN），以保证电机不被牵入同步，用示波器录下定子电压、电流波形。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的运行特性,d轴,q轴,d轴,励磁电 压波形,定子电 压波形,定子电 流波形,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,第 4 章 同步电机,4.4 同步发电机的 并联运行,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,一、投入并联运行的条件和方法 二、功率和转矩平衡方程 三、功角特性 四、有功功率调节 五、无功功率调节,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,一、投入并联运行 的条件和方法,湖北工业大学
27、稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,同步发电机的并联运行的意义, 合理利用动力资源 提高供电的可靠性、稳定性和 经济性 便于发电设备的检修和维护,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,投入并联运行的条件,（1）波形相同（设计保证） （2）频率相同（重点调节） （3）幅值相同（容易调节） （4）相位相同（容易调节） （5）相序相同（安装保证）,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,投入并联运行的方法： 准确同步法 自同步法,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,1. 直接接法 2. 交叉接法,准确同步法,湖北工业大学稀土电机及控制研究
28、所,同步发电机的并联运行,直接接法 （灯光熄灭法）,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,A B C,I,II,III,C1B1A1,C2B2A2,直接接法时的接线图,准备投入电网的发电机,已在电网运行的发电机,电网,相灯,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,I,II,III,调频时的相灯明暗变化,亮,频率相差较大,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,I,II,III,较亮,调频时的相灯明暗变化,频率相差较小,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,相灯明暗变化规律,相灯电压 U 以频率（f2f1） 在（0 2）U1 之
29、间交变，三组相灯以频率（f2f1）闪烁，同亮同暗。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,I,II,III,熄灭,调频时的相灯明暗变化,频率相等,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,合闸时刻,当频率 f2f1 = 0 时，相灯电压 U = 0， 三组相灯同时熄灭，可以迅速合闸。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,2. 交叉接法 （灯光旋转法）,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,A B C,I,II,III,C1B1A1,C2B2A2,交叉接法时的接线图,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,I,
30、II,III,交叉接法时各相灯及其电压,I,II,III,最亮,半亮,暗,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,I,II,III,I,II,III,最亮,半亮,暗,静止,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,I,II,III,最亮,半亮,半亮,灯光旋转法并网过程（1）,静止,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,I,II,III,最亮,半亮,半亮,灯光旋转法并网过程（2）,静止,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,静止,I,II,III,最亮,半亮,半亮,灯光旋转法并网过程（3）,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发
31、电机的并联运行,I,II,III,最亮,半亮,半亮,I,II,III,最亮,半亮,半亮,I,II,III,最亮,半亮,半亮,相灯灯光逆时针方向旋转,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,I,II,III,最亮,半亮,半亮,I,II,III,最亮,半亮,半亮,I,II,III,最亮,半亮,半亮,相灯灯光顺时针方向旋转,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,静止,I,II,III,灭,等亮,等亮,同频率时相灯灯光停止旋转,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,合闸时刻,根据灯火旋转方向，调节发电机转速，使灯光旋转变慢，在一组灯熄灭，另二组灯等亮
32、时迅速合闸。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,准确同步法的优缺点,优点：合闸时没有明显的电流冲击；,缺点：操作比较复杂，比较费时间。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,自同步法,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,限流电阻,三相电网,励磁电源,K2,K1,同步发电机的自同步并网法,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,自同步法,先将发电机励磁绕组经限流电阻短路，当转速接近同步速（转差小于5%）时，合上并网开关，并立即加入励磁，最后利用自整步作用实现同步。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,
33、自同步法的优缺点,优点：不需要专门设备，操作简便；,缺点：合闸及投入励磁时有较大冲 击电流。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,二、功率和转矩平衡方程,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,功率和转矩平衡方程,1. 功率关系 2. 转矩关系,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,功率和转矩平衡方程,1. 功率关系,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,功率和转矩平衡方程,式中，P1 为原动机的输入功率。,式中，P2 为发电机输出的电功率。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,功率和转矩平衡方程,2. 转矩关系,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,功率和转矩平衡方程,湖北工业大学稀土电机及
34、控制研究所,同步发电机的并联运行,三、功角特性,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的功角特性,无穷大电网的概念,电网的容量足够大，电网的电压 和 频率 保持恒定。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,凸极同步发电机的功角特性,A,X,B,C,Z,N,S,n1,功角的物理意义,Y,时间电角度,空间电角度,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,凸极同步发电机的功角特性,功角的物理意义,S,N,n1,S,N,N,S,n1,无穷大电网等效 发电机的磁极,发电机磁极,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,凸极同步发电机的功角特性,功角特性的定义,同步发电机电磁功率与功角之间的关系, 即,湖北工业大学稀土
35、电机及控制研究所,凸极同步发电机的功角特性,不考虑定子绕组的铜耗，对于凸极同步发电机，有,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,凸极同步发电机的功角特性,在图中,有,解出电流,得,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,凸极同步发电机的功角特性,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,基本电磁功率,附加（凸极）电磁功率,式中,凸极同步发电机的功角特性,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,隐极同步发电机的功角特性,对于隐极同步发电机，Xd = Xq= Xt ，其功角特性为,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,隐极同步发电机的功角特性,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,永磁同步电机的功角特性,湖北工业大学稀土电机及控
36、制研究所,同步发电机的并联运行,四、有功功率调节,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的有功调节,1） 以隐极同步发电机为例 2） 发电机接于无穷大电网,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,隐极同步发电机的有功调节,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,隐极同步发电机的有功调节,加大汽轮机汽门,（减小）,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,隐极同步发电机的有功调节,A,B,隐极同步发电机功角特性,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,隐极同步发电机的有功调节, 调节汽轮机的汽门，就可调节汽轮发电机的有功功率。,结论一,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,水轮同步发电机的有功调节, 调节水轮机的水门，
37、就可调节水轮发电机的有功功率。,结论二,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,隐极同步发电机的有功调节, 调节同步发电机的有功功率时，无功功率也会变化。,结论三,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的有功调节,同步发电机的静态稳定问题,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的静态稳定,静态稳定的概念,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的静态稳定,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,加入扰动后：,扰动消除后：,重新回到 A 点稳定运行。,静态稳定点,同步发电机的静态稳定,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,静态不稳定点,加入扰动后：,电机进一步加速，功角继续增大，直至失步。,同步
38、发电机的静态稳定,0,稳定区,不稳定区,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,稳定判据：,同步发电机的静态稳定,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的静态稳定,整步功率系数 Psyn：,其值越大，同步发电机保持同步的能力越强。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的静态稳定,隐极同步发电机的整步功率系数,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的静态稳定,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的静态稳定,过载倍数 kM,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的静态稳定,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的静态稳定,隐极同步发电机的过载倍数,湖北工业大学稀土
39、电机及控制研究所,同步发电机的静态稳定, 一般要求电机的过载能力 kM 1.7, 25 N 35 。 凸极同步发电机的额定功角比隐极同步发电机的要小些。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的并联运行,五、无功功率调节,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的无功调节,分析时假定： 1. 电网容量为无穷大； 2. 发电机有功功率输出不变； 3. 不考虑发电机的饱和。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的无功调节,由,有,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的无功调节,正常励磁,欠 励,过 励,电流轨迹线,电势轨迹线,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的
40、无功调节, 正常励磁时，发电机只输出有功功率， 不输出无功功率； 欠励状态时，发电机输出超前性质的无 功功率； 过励状态时，发电机输出滞后性质的无 功功率。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步发电机的无功调节,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,第 4 章 同步电机,4.5 同步电动机 和调相机,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电动机和调相机,同步电动机和调相机的应用,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电动机和调相机,同步电动机的特点,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电动机的基本特点,（1）转速与电压频率严格同步； （2）功率因数高到1.0，甚至超前。,湖北工业大学稀土电机及
41、控制研究所,同步电动机的问题,（1）起动困难； （2）重载时有振荡，甚至存在 失步危险。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,与异步电动机的比较,交流电机旋转磁场的同步转速与定子电源频率有确定的关系，同步电动机的稳态转速等于同步转速。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,与异步电动机的比较,异步电动机的磁场仅靠定子供电产生，而同步电动机除定子磁动势外，转子侧还有独立的直流励磁，或者用永久磁钢励磁。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,与异步电动机的比较,同步电动机和异步电动机的定子都有同样的交流绕组，一般都是三相的，而转子绕组则不同，同步电动机转子除直流励磁绕组（或永久磁钢）外，还可能有自身短路的阻
42、尼绕组。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,与异步电动机的比较,异步电动机的气隙是均匀的，而同步电动机则有隐极与凸极之分，隐极式电机气隙均匀，凸极式则不均匀，两轴的电感系数不等，造成数学模型上的复杂性，但凸极效应能产生平均转矩。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,与异步电动机的比较,异步电动机由于励磁需要，必须从电源吸取滞后的无功电流，空载时功率因数很低。同步电动机则可通过调节转子的直流励磁电流，改变输入功率因数，可以滞后，也可以超前。当 cos = 1.0 时，电枢铜损最小，可节约变压变频装置的容量。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,与异步电动机的比较,由于同步电动机转子有独立励磁，在极低
43、电源频率下也能运行，因此，在同样条件下，同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,与异步电动机的比较,异步电动机靠加大转差才能提高转矩，而同步电机只须加大功角就能增大转矩，同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有更强的承受能力，能作出更快的动态响应。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,与异步电动机的比较,永磁同步电动机具有高效率和高功率因数，节能效果显著。,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电动机和调相机,一、同步电机的可逆原理 二、同步电动机电动势方程式 三、同步电动机无功功率调节 四、同步电动机的起动 五、调相机原理,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电
44、动机和调相机,一、同步电机的可逆原理,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的可逆原理,发电机惯例,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的可逆原理,发电机惯例,（机电）,（输出电功率）,（电机）,（输入电功率）,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的可逆原理,发电机状态 临界（过渡）状态 电动机状态,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的可逆原理,1. 发电机状态（ 0）,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的可逆原理,S,N,n1,S1,N1,Nf,Sf,发电机状态,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的可逆原理,（机电）,（输出电功率）,湖北工业大学稀土电
45、机及控制研究所,同步电机的可逆原理,临界（过渡）状态 （ = 0）,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的可逆原理,S,N,n1,S1,N1,Nf,Sf,过渡（临界）状态,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的可逆原理,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的可逆原理,电动机状态 （ 0）,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的可逆原理,电动机状态,n1,S,N,S1,N1,Nf,Sf,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电机的可逆原理,（电机）,（输入电功率）,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电动机和调相机,二、同步电动机电动势方程式,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电动机电动势方程式,发电机惯例,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电动机电动势方程式,电动机惯例,MS 3,湖北工业大学稀土电机及控制研究所,同步电动机电动势方