Electric Machinery电机学英汉双语教学课件 第5章同步电机.pdf

第五章同步电机 同步电机和感应电机同属于交流电机，与感应电机 的区别是同步电机的转子转速n与电网频率/之间 具有固定不变的关系%二竺,而感应电机的转 子转速-本章主要讲述同步发电机的工作原理、电磁关系，导出基本方程、等效电路和相量图；-同时分析同步发电机的运行特性，以及与电网的并 联运行和功率调节问题。1第五章同步电机第一节同步电机的分类、结构和工作原理第二节 同步发电机的的空载和负载运行第三节 同步发电机的电压方程、相量图和等效电路第四节 同步发电机的功率方程和转矩方程第五节同步发电机的运行特性第六节 同步发电机与电网的并联运行第七节同步电动机2第一节同步电机的分类、结构和工作原理一、同步电机的分类二、同步电机的基本结构三、同步发电机的工作原理 四、同步电机的铭牌数据 五、同步电机的励磁方式，、同步电机的分类按结构形式分-按磁极形状分-转枢式：用于小容量同步电机转极式：用于高压、大容量同步电机隐极式：转子圆柱形，气隙均匀凸极式：转子有明显凸出的磁极，气隙不均匀发电机按原动机不同分-汽轮发电机：高速，转子隐极式,细长形 水轮发电机：低速，转子凸极式,短粗形按冷却介质和 冷却方式分空冷外冷：空气自然循环或风扇吹风强迫冷却 水冷一内冷：需进水管、出水管等:氢冷一外冷或内冷：需密封系统，防爆防漏4二、同步电机的基本结构(一)、隐极同步电机(卧式)1、定子：包括定子铁心、定子绕组、机座、端盖等。(1)定子铁心:向分成好几叠,由0.5mm厚的硅钢片叠成，沿轴每叠36cm,叠与叠之间留有宽0.81cm的通风沟。(2)、定子绕组：由许多线圈按一定规律连接而成。大容量电机由于尺寸大，制成半匝式(线棒)，每个线棒由若干铜线并在一起，分成一排或两排,两个线棒的一端焊在一起，即成一个线圈。(3)、机座：固定和支撑定子铁心，并形成风道。562、转子：包括转子铁心、励磁绕组、护环、风扇等。(1)、转子铁心：一般用整块的导磁性好的高强度合金 钢锻成，转子表面约2/3部分铳有轴向凹槽，用于嵌放 励磁绕组，不铳槽的约1/3部分形成大齿，即磁极。(2)、励磁绕组：用扁铜线绕成同心式线圈，嵌放在大 齿两侧的转子槽中，并用非磁性硬铝槽楔压紧。(3)、护环：为使励磁绕组可靠地固定在转子上，绕组 端部还要套上用高强度非磁性钢锻成的护环。78(二卜凸极同步电机(卧式或立式)卧式：同步电动机、同步补偿机和用内燃机或冲击式水轮 机拖动的同步发电机。、立式：低速、大容量水轮发电机和大型水泵用同步电机。1、定子：包括定子铁心、定子绕组、机座等。(1)定子铁心：由0.5mm厚硅钢片叠成，因直径 大,般采用几片扇形硅钢片拼成一个圆形。(2)、定子绕组：大、中容量凸极电机采用波绕组,小容量凸极电机采用叠绕组。(3)、机座：固定和支撑定子铁心，并形成风道。因直径大，通常采用分瓣机座。9102、转子：包括转子铁心、转轴、励磁绕组、阻尼绕组等。(1)、转子铁心：即磁极，采用T尾或鸠尾与磁舸连接，磁舸与转轴间用转子支架支撑着，转子支架固定在转 轴上。(2)、转轴：用高强度钢锻成。因转速低，转子铁心与转轴分开锻造。(3)、阻尼绕组：由插入磁极极靴槽中的铜条和两端的 端环焊成一个闭合绕组。当发电机不对称运行时，起 削弱负序旋转磁场的作用；当发电机发生振荡时，使 振荡衰减。汽轮发电机由于整块铁心中的涡流同样可以起到阻尼 作用，因此大部分汽轮发电机已不另设阻尼绕组了。1112（4）、推力轴承：悬式：推力轴承装在转子上面的上机架上，整个转子 悬吊着。机械稳定性好，但机组的轴向高度大，转速 较高的电机（150r/miii以上）采用。伞式：推力轴承装在转子下面的下机架上，整个转子 被托架着。机械稳定性差，但机组的轴向高度小，转 速较低的电机（125i7min以下）采用。13三、同步发电机的工作原理定子上装有三相对称绕组互差120。电角度。转子上安放直流励磁绕组。合为流入为流出设转子 逆时针旋转14(1)、转子励磁绕组通入直流电流，建立恒定主磁场;(2)、同步发电机被原动机拖动以同步速旋转，恒定 主磁场变为以同步速旋转的气隙旋转磁场:(3)、定子导体切割气隙旋转磁场，产生交流电动势。若定子绕组带有负载，发电机将输出电功率,从而完成机械能向电能的转换。15四、同步电机的铭牌数据1、额定容量Sn(或额定功率4)：额定运行时电机的输出功率。同步发电机SN(kVA)或BJkW)；同步电动机尸N(kW)；同步补偿机队(kvar)o2、额定电压外：额定运行时定子绕组的线电压，单位为伏(V)。3、额定电流额定运行时定子绕组中的线电流，单位为安(A)。4、额定功率因数cos为：额定运行时电机的功率因数。5、额定频率八：额定运行时电枢的频率，我国工频为50赫(Hz)。6、额定转速做：额定运行时电机的转速，为同步转速;单位为 转/分(r/min)。还有绝缘等级、允许温升、额定励磁电压和额定励磁电流等。16五、同步电机的励磁方式指同步电机获得直流励磁电流的方式；而供给励磁电流的 整个系统，称为励磁系统。（一）、直流励磁机励磁系统：用同轴直流发电机供给励磁 O（二卜整流器励磁系统：（用晶闸管取代直流发电机电刷和换向器）1、静止整流器励磁系统：（1）、他励式：用同轴交流主励磁机发出交流电，经静止半导体整 流器整流后供给励磁。（2）、自励式：（取消了交流励磁机）取自同步发电机输出的交流电，经晶闸管整流后供给励磁。2、旋转整流器励磁系统：（取消了同步发电机集电环和电刷）用同轴转枢式交流主励磁机发出交流电，经同步发电机转子上的 半导体整流器整流后供给励磁，称为无刷励磁系统。17重点：1、同步发电机的工作原理。2、汽轮发电机和水轮发电机的结构特点。3、同步电机的额定值。18第二节同步发电机的 空载和负载运行一、同步发电机的空载运行空载特性八同步发电机的负载运行电枢反应19一、同步发电机的空载运行同步发电机被原动机拖动以同步转速旋转，励磁绕组通入 直流励磁电流，电枢绕组开路或电枢电流为零的情况。合为流入为流出设转子 逆时针旋转20主磁通4%。主极磁通 （乎=040.2）I主极漏磁通外o。主磁路包括气隙、电枢齿、电枢粗、磁极极身 和转子班五部分。1、空载时的电磁关系L61 瓦AS。0激磁电动势的有效值石0=4.44转子以同步速4旋转，激磁电动势频率为/=吟。60同步电机转速与电网频率有着严格不变的关系，即电网频率一定时，同步电机转速不变。212、空载特性在同步转速下，激磁电动势以与励磁电流4之间的 关系曲线Eo=/(G)，称为同步电机的空载特性。空载电压等于额定电压时主磁路的饱和系数为:4 4=1.25Ao U NO22二、同步发电机的负载运行1、负载时的电磁关系If_冗、_ _j-FB&E对称负载时电枢磁动势的基波对主磁场基波的影响 称为电枢反应。(1)、同步发电机单机运行：若不调节励磁电流4，鸟不变，合成磁动势F改变,叫，石建0，发电机端电压u变化。(2)、同步发电机并网运行：电网电压不变，发电机端电压U=Un0不变，之叫 基本不变，此时必须调节励磁电流人。23复习时空矢量图：把时间相量图和空间矢量图画在一起称为时空矢量图。对于对称多相系统，在时空矢量图中，若每一相都把 自己的时轴取在各自的相轴上，则存在下列关系：(1)、磁动势矢量与产生它的电流系统中的该相电流 相量重合；(2)、忽略磁滞和涡流损耗时，旋转磁场的磁密矢量 与产生它的磁动势矢量重合；(3)、该相绕组交链的磁通相量与产生它的磁密矢量重合。厂I瓦A k 居同步发电机的时空矢量图242、对称负载时的电枢反应：_匚产居般情况下同步发电机的时空矢量图电枢反应的性质（增磁、去磁或交磁）取决于电枢磁动势 基波片与励磁磁动势基波片的空间相对位置。把激磁电动势为0与电枢电流力的时间相位差定义为内功率 因数角，用网表示。它与电机的内阻抗和负载性质有关。电枢反应的性质与内功率因数角网有关。25A二。w._ 4 4 4-LJ品曲)及分 i 艮咒必ai%)=0。，交磁 沙o=9O。，去磁=-90。，增磁三种典型的电枢反应26取主极轴线超前A相轴线90的时刻绘图、电枢电流力与激磁电动势用同相（%=0）时。为流入为流出设电流尾进 首出为正（a）空间矢量图（b）时间相量图 时仝矢量图八=0。，交轴电枢反应使气隙磁场轴线从空载时的直轴处逆转向后移了 一个锐角，主极上受到制动的电磁转矩，实现了机电能量转换。交轴电枢反应使气隙磁场轴线从空载时的直轴处逆转向后移 了一个锐角小，即磁通从主极发出后向后扭斜，所产生的切 向力使转子受到一个制动的电磁转矩，小角越大，磁场所产 生的切向力及电磁转矩和电磁功率就越大。表征气隙合成磁场的等效磁极主极发电机旋转时，原动机必须输入驱动转矩来克服制动电磁转 矩，从而将机械能转变成电能，所以交轴电枢反应与电磁转 矩的产生和机电能量转换直接相关。28(2)、电枢电流力滞后激磁电动势为0 90。(%=90。)时(a)空间矢量图 8)时间相量图(0时空矢量图%)=90,直轴去磁电枢反应使气隙磁场被削弱29(3)、电枢电流力超前激磁电动势为0 90。(%=-90。)时(a)空间矢量图 8)时间相量图 化)时空矢量图%=-90。，直轴增磁电枢反应 使气隙磁场被增强30(4)、一般情况下电枢电流力滞后激磁电动势用一个锐角(0。%90。)时居q=cos%0。%Ea(Ea=-jIXa)2、电压方程：E+Ea-IRUE=U+I(Ra+jXa)383、相量图和等效电路:相量图等效电路39二、凸极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路（一）、双反应理论凸极同步电机的气隙是不均匀的，极弧下气隙较小，极间气隙较大，即气隙磁导是变化的，同样大小的 电枢磁动势作用在不同位置时电枢反应将不相同。一般情况下，电枢反应既不作用在直轴也不作用在 交轴，此时电枢磁场分布是不对称的，且无法用解 析式来表达，电枢反应难于直接确定。40当电枢磁动势恰好作用在直轴或交轴位置时，电枢磁场波形 是对称的，电枢反应不难确定。U8当电枢磁动势既不作用在直轴也不作用在交轴时，可把电枢 磁动势分解成直轴和交轴两个分量，然后分别求出直轴和交 轴电枢磁动势的电枢反应，最后再把它们的效果叠加起来。这种把电枢反应分成直轴和交轴电枢反应来分别处理的方法,称为双反应理论。41（二）、不考虑饱和时（磁路线性，可应用叠加原理）1、负载时各物理量之间的电磁关系:2、电压方程：E.+E+Em+Ea-IRU42展好饱和、Ead 0c 0ad 居d 0c 4（/=人也匕）忽略铁耗，瓦d与Kd同相，则力ad与力d同相.Xad一直轴电枢反应电抗Xad=2同理瓦产-用心 EXaq 交轴电枢反应电抗Xaq=&=U+力?a+筋 Xd+小+jIXa=0+见+筋（Xd+XQ+儿（Xq+XJ=U+a+MXd+qXq&一直轴同步电抗Xd=Xad+XXq一交轴同步电抗 Xq=Xaq+X0第=-MXad433、相量图和等效电路:相量图Id等效电路/d=/sin0/q=/cos0EQ=EQ+jid(Xd-Xq)44设=。/0。，求激磁电动势及、相量法EQ=U+tRa+jiXq=EQA8 Wo=b+(P 4=/sin%EQ=EQ+Id(Xd-Xq)立。=ENb有效值法E2=J(U sin 夕+ZXg 了+(U cos +IRQ?“o=，gTU sin(p+IXq U cos(p+IRa4=/sin%EQ=EQId(Xd-Xq)8=y/.(PEq=EZ.8 45重点：1、不计饱和负载时的电磁关系。2、不计饱和同步发电机的电压方程和相量图。3、功率角5、功率因数角和内功率因数角均的关系式：Wo=5+中4、直轴和交轴同步电抗的物理意义。5、激磁电动势用的求解。重要关系式：E.=EQ+IdXd-Xq)46第四节同步发电机的 功率方程和转矩方程一、功率方程二、电磁功率三、转矩方程47一、功率方程用同步发电机的等效电路分析其能量关系Pe=mEIcow P2=mUIco 即 pcua收是气隙电动势应与电枢电流力的夹角(1)mI2R48功率转换流程图设转子励磁损耗（转子铜耗）由独立的直流电源供给电磁 此功率巴电功率Pc Pre 机械损耗定子铁耗Pa 杂散损耗P cua电版铜耗P机械功率VPe=PL-Pn-PFe-PA(2)49二、电磁功率&Pe=P2+PcUa=mUIcos(p+mI2Ra 庆=mI(U cosp+IRa)=mEI cos w=mE 0I=mEQIq 电枢电流的交轴分量越大，交轴电枢反应越强，电磁U cos(p+IRa=Ecos3r=Eq cos%相量图功率越大。进行机电能量转换，电枢电流必须具有交轴分量。50三、转矩方程Pl=Pe+(Pn+PFe+Pa)P1 Pe (PC+，+，/)C s C s C s原动机驱动转矩电磁转矩空载制动转矩51重点：1、同步发电机的功率转换关系。2、功率方程和转矩方程。52第五节同步发电机的运行特性一、空载特性 二、短路特性 三、外特性 四、调整特性 五、效率特性53一、空载特性将电枢绕组开路，在同步转速下，测得激磁电动势/随励 磁电流4变化的关系曲线Eo=/（4），称为同步电机的空载 特性。（即=Q/=0时，/=/（4）曲线）0金If54二、短路特性将电枢绕组三相端头短接，在同步转速下，测得电枢稳态 短路电流/随励磁电流4变化的关系曲线/=/(&),称为 同步电机的短路特性。(即=4，u=o时，/=/(4)曲线)0Ak455为什么短路特性是一条直线？E0=u+iRa+jidxd+jiqxq短路时U=0,忽略电枢电阻，短路电流仅受电机 本身电抗的限制，可认为是纯感性的，即-0a90。,i=i”L=o,小人,所以纥。纯感性短路电流产生直轴去磁电枢反应，使磁路不 饱和，纥8纥8/“因此/0C/f,短路特性是一条 直线。56三、外特性在同步转速下，保持励磁电流和负载功率因数为常值，测得同步发电机端电压U随电枢电流/变化的关系曲线 U=f(I)9称为同步发电机的外特性。(即片不同功率因数时同步发电机的外特性57:曲线1：COS0=0.8(滞后),曲线下降,原因：(1)“一电枢反应去磁作用(2)“一感性电流的漏阻抗压降:曲线2：cos=l,曲线下降，原因：(P=0,原因同上。:曲线3：cos=0.8(超前)，曲线上升，原因:(1)八一电法反应增磁柞用TS(2)“一容性电流的漏抗电压TUT容性负载时相量图58从外特性求电压调整率调节发电机的励磁电流，使电枢电流为额定电流，功率 因数为额定功率因数，端电压为额定电压，此励磁电流 称为发电机的额定励磁电流小。保持励磁电流为小，转速为同步转速久不变，卸去负载 伊叮=0）,此时端电压升高的百分值称为同步发电机的电压调整率。U4/=一 八 100%U N（l）=曷-1为使电网电压不致有太大波动，要 求凸极同步发电机Au=18%30%,隐极同步发电机Au=30%48%o（均为cos。=0.8滞后时的数值）059N四、调整特性在同步转速下，保持端电压为额定电压，功率因数为常 值时，励磁电流4与电枢电流/的关系曲线4=/(/),称 为同步发电机的调整特性。(即 =s,U=Z7n,0=常值时，4=/(1)曲线)不同功率因数时同步发电机的调整特性60五、效率特性在同步转速下，保持端电压为额定电压，功率因数为额定 功率因数时，同步发电机的效率与输出功率尸2的关系曲 线=/（尸2），称为同步发电机的效率特性。(即 =%s,U=外,cos=cos小时，=/(02)曲线)1.00发生在（0.71.1）4 空冷大型水轮发电机：n=96%98.5%空冷汽轮发电机：n=94%97.8%61X100%=02 X100%=(1)X100%P 巴+冬 巴+冬电机效率比变压器效率低，可用直接负载法:测量入、层来计算效率。也可用间接法（损耗分析法）：先测出损耗EP=PFe+Pcua+Pcuf+Pa+几，再计算效率。同轴励磁机：励磁损耗Ruf由尸1供给；单独拖动的电动机一励磁机组：励磁损耗uf由励磁机组供给 而与P1无关。62重点：1、短路特性曲线的形状及成因。2、外特性和调整特性曲线的形状及成因。63第六节 同步发电机与电网的 并联运行一、并联运行二、功角特性三、有功功率调节和静态稳定四、无功功率调节64一、并联运行发电厂通常采用发电机并联运行方式，即两台或 两台以上发电机的三相绕组分别接在公用三相母 线上，共同向用户提供有功、无功功率。许多发 电厂再并联起来组成强大电网。并联运行优点：(1)、提高发电厂运行效率；、提高供电可靠性；、提高供电质量；(4)、合理利用能源，提高经济效益。651、投入并联的条件(1)、发电机相序应与电网一致；(2)、发电机频率应与电网相同；(3)、发电机激磁电动势及应与电网电压。大小相等、相位相同，即瓦=U。投入并联示意图66不满足并联条件的后果:、员与日大小不等（2）、月与相位不同AUU也u电压差一冲击电流一电磁力（破坏绕组）和冲击力矩（转轴受冲击）（3）、频率不等变化电压差（拍振电压）一拍振电流一交变力矩（发电机振动）和功率振荡（4）、相序不同口（品）（OB）C Ub（月oc）AU=J3U绝不允许并联 672、投入并联的方法(1)、准确整步法把发电机调整到完全合乎并联条件，然后投入电网，称为 准确整步。准确整步法优点：无冲击电流；缺点：操作复杂，时间长。(2)、自整步法电力系统发生故障时，电压、频率均在变化，很难调整到 完全合乎并联条件，为把发电机迅速投入电网，采用自整 步法，事故后能迅速合闸，但冲击电流大。自整步法优点：操作简单、迅速；缺点：有冲击电流。68（1）、准确整步法判断是否满足并联条件常采用同步指示器（包括同步指示灯、电压表、频率表、整步表等），最简单的同步指示器由三组 同步指示灯组成。检查是否满足并联条件的方法：整步表法和灯光法。灯光法有两种接法：直接接法（灯光熄灭法）交叉接法（灯光旋转法）69直接接法的接线图和相量图(a)接线图(b)相量图电网/待投入的发电机十70(2)、自整步法首先校验发电机相序，然后将励磁绕组经限流电阻短路,用原动机将发电机拖动到接近同步转速时，将发电机投 入电网，再立即加上直流励磁，利用定、转子磁场间形 成的电磁转矩的“自整步作用”，迅速将发电机牵入同自整步法的接线示意图71二、功角特性同步发电机接在电网上稳态对称运行时，在恒定励磁和 恒定电网电压下（即/=常值，。=常值），发电机发 出的电磁功率匕与功率角力之间的关系曲线Pe=/（3），称 为同步发电机的功角特性。jidXd不计电枢电阻时的相量图Pe millcos(p(忽略电枢电阻)mUI cos(5/0-3)=mUI(cosi/0 cos3+sini/Q sin5)=mU(Iq cos8+Id sin3)IqXq=Using IdXd=E.-U8T U sinE.U cP=m-sinj+mX,Eo-U cos 6XdU2.1)sin 282 Xq X，/z45。5 w p+pemax elmax e2maxP TTb=90。时，Pelm=mTJ2 1 15=45。时，Pelm=m-(-)2 A Arf73Ea 表征气隙合成磁场的等效磁极60（。0）（a）时空矢量图（b）功率角的空间含义主极磁场瓦轴线与气隙磁场方轴线的空间夹角3：也是相量 所与月的时间夹角夕，由于漏阻抗压降很小，相量为与U之间 的夹角很小，冗与U的夹角因此b可近似认为是主极 磁场轴线与气隙磁场轴 线的夹角。b角越大，磁场产生的切 向力及电磁转矩和电磁 功率越大，故把&称为功率角。从功率角3的空间含义看，用功率角3表征电磁功率匕在物理意 义上更加明确。74功率角5的双重含义功率角8既是激磁电动势 及与电枢端电压U的时间相位差,又是主磁场瓦与气隙合成磁场月的空间相位差。功率角b的数值决定同步电机电磁功率的大小，其正负决定 同步电机的运行状态。当主极磁场超前气隙合成磁场时，设 b为正值，同步电机处于发电机状态；当主极磁场与气隙合 成磁场的轴线重合时，b为零，同步电机处于空载状态；同 步补偿机（或称同步调相机）就是一种专门用来改善电网功率 因数的空载运行的同步电动机。当主极磁场滞后气隙合成磁 场时，b为负值，同步电机处于电动机状态。如同转差率s是感应电机的重要变量一样，功率角8也是同 步电机的重要变量。75同步电机的三种运行状态(a)b0发电机表征气隙合成磁场的等效磁极(b)8=0补偿机表征气隙合成磁场的等效磁极主极(c)5V0电动机表征气隙合成磁场的等效磁极主极76三、有功功率调节和静态稳定1、有功功率调节（设保持4=常值）分析前提：设发电机为隐极机，不计磁路饱和，忽略电 枢电阻，电网为“无穷大电网（即u=常值，/=常功率角为册的相量图功率角历0时的相量图 pKp m s|n(yP2kpe=m sin=0 p p=m 乙 e X 2 max emax调节原动机输入功率就可以调节同步发电机输出的有功功率772、静态稳定与电网并联、在某一工作点运行的同步发电机，当外界（电网 或原动机）发生微小的扰动，在扰动消失后，发电机能否回复 到原先的状态下稳定运行，此问题称为同步发电机的静态稳定 问题。如能回复，则是静态稳定的，反之，则不是静态稳定的。eA点是静态稳定点B点不是静态稳定点在0。V 5V90。稳定运行区内,b越小,越大，电机稳定 do性越好即静态稳定度越高。华称为电机的整步功率系数。do0。690。时，与0,是静态稳定的；6=90。时，华=0,为静态稳定极限；do（P90。3180。时，V0,不是静态稳定的。db四、无功功率调节1、无功功率功角特性（以隐极同步发电机为例）Q=mUI sin(pIXs sin。=Eq cos(5-UT.cos6-U/sin 0=-Q=m垩cosX,不计电枢电阻时的相量图79隐极同步电机有功、无功功角特性4=常值时，增加原动机输入功率，勿一斗，,功率角增大，22增加，而2减少。因此4=常值时调节有功功率，会影响无功功率大小；反之4=常值时调节无功 功率，也会影响有功功率大小。802、无功功率调节（设保持尸2=常值）分析前提：设发电机为隐极机，不计磁路饱和，忽略电 枢电阻，电网为“无穷大电网（即U=常值，/=常 值）E U、P2K Pe=旭噂一sinb=常值 I gjSinb=常值 I_ TTT s*庙 I/cos。=常值 I巴=阳。$夕=吊值 J J/cos。=常值81cos=l时的励磁电流4称为正常励磁电流。4时正常励磁状态：只输出有功功率；/1/过励状态：输出有功功率和感性无功功率;欠励状态：输出有功功率和容性无功功率。调节励磁电流就可以调节同步发电机的无功功率三种状态相比，欠励状态下功率角b较大，同步电机 稳定性差，690。时为不稳定区，欠励区域靠近不 稳定区，因此同步电机一般不宜在欠励状态下运行。82重点：1、同步发电机的并联运行条件及 不满足并联条件的后果。2、有功功角特性及其表达式。3、功率角5的双重含义。4、静态稳定区域及静态稳定度。5、有功功率调节和无功功率调节。83第七节同步电动机一、电压方程、相量图和等效电路 二、功角特性、功率方程和转矩方程 三、无功功率和功率因数的调节 四、同步电动机的起动84a）发电机状态b）过渡空载状态从同步发电机过渡到同步电动机85一、同步电动机的电压方程、相量图和等效电路1、沿用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向90。夕180。，电动机向电网输出负的电功率纭二加。为sin5=jwUZcos。为滞后于匕8 0,6 Vo Xs2、采用电动机惯例，以输入电流作为电枢电流的正方向0 0瓦滞后于U时功率角网正86ix隐极同步电动机的 相量图（发电机惯例）隐极同步电动机的相量图和等效电路（电动机惯例）87隐极同步电动机的电压方程一U=E.+iR+jiX（电动机惯例）v d J凸极同步电动机的电压方程。二耳+加a+dXd+儿 Xq88忽略电枢电阻b）滞后功率因数电动机惯例表示的隐极同步电动机的等效电路和相量图（忽略电枢电阻4）89、功率方程、功角特性和转矩方程 同步电动机功率转换流程图1、功率方程Pe=Pl-PcuaP2=Pe-Pq-PFe-Ph(2)902、功角特性 电动机惯例：及滞后于U时功率角我正P=mLsin+mX,1-)sin 182、Xq Xd与同步发电机功角特性的表达式完全一样3、转矩方程4=巴 Pq+Pfs+Pa a aJe=+空载制动转矩1-驱动电磁转矩负载制动转矩91三、无功功率和功率因数的调节1、无功功率调节（保持匕=常值）分析前提：设电动机为隐极机，不计磁路饱和，忽略电枢 电阻，电网为“无穷大电网（即u=常值，/=常值）。Pe=m。sin 8=常值Xs=mUI cos(p 常值J Esin b=常值 1/cos。=常值92a=常值，调节励磁时隐极电动机的相量图93cos/=l时的励磁电流4称为正常励磁电流。4正常励磁状态：电动机只从电网吸收有功功率；“/f,过励状态：-90。“0。，电动机cos,V1（超前），从电网吸收有功功率和容性无功功率；4V/f，欠励状态：0。夕90。，电动机cos，y（滞后），从电网吸收有功功率和感性无功功率。调励磁调节同步电动机的无功功率和功率因数这是同步电动机最可贵的特点 利用电动机功率因数可调的特点，让其工作于过励，向电网 输出感性无功，可改善电网无功平衡状况，提高电网功率因 数和运行性能及效益。应用同步调相机（补偿机）942、V形曲线保持电磁功率匕不变的条件下，电枢电流随励磁电流变化的 关系曲线，即/=/&),称为同步电动机的V型曲线。同步电动机的V型曲线95四、同步电动机的起动同步电机只在定子旋转磁场和转子旋转磁场相对 静止且相差一个空间夹角时，才能得到平均电磁 转矩，稳定地实现机电能量转换。静止的同步电动机转子通入直流励磁后直接投入 电网，产生定子旋转磁场以同步转速相对于转子 运动，转子上受到交变的脉振转矩，平均值为零。因此，同步电动机不能自起动，必须借助于其它 的起动方法。96L辅助电动机起动法 采用与主机极数相同的感应电动机（容量一般为 主机的10%15%）作辅机。起动时，用辅助电动机将主机拖到接近同步转速,用自整步法将其投入电网，然后切断辅助电动机。可用与主机同轴的直流励磁机兼作辅助电动机。适合于空载起动，所需设备多，操作复杂。972.变频起动法改变定子旋转磁场转速、利用同步转矩起动的方法,也称软起动法。起动时，同步电动机转子通入励磁电流，定子绕组 由变频电源供电。起动时频率很低，使转子跟随定 子旋转磁场起动旋转，逐渐上调至额定频率，利用 同步转矩的作用使电机转速随变频电源频率同步升 至额定转速。起动过程平稳，性能优越，在中、大型容量同步电 动机中应用越来越多。但需要变频电源，且励磁机 不能与主机同轴，否则在最初转速低时，励磁机无 法提供所需的励磁电压。983.异步起动法需在同步电动机主极极靴装设起动绕组，形似笼型 感应电机的转子绕组。起动时，先把励磁绕组经10倍于励磁绕组电阻值的附加电阻短接，定子绕组接电源，产生使转子转动的异步转矩，加速至接近同步转速时，把励磁绕组换接到励磁电源，依靠同步转矩将转子牵入同步。同步电动机在异步起动过程中，转子受到多种转矩,在投励磁前，起主要作用的是起动绕组所产生的异 步转矩和由励磁绕组产生的单轴转矩。异步起动法简单易行，在中、小容量同步电动机中 应用较多。99同步电动机异步起动线路100重点：1、电动机惯例。2、电压方程、相量图和等效电路。3、无功功率和功率因数的调节。4、同步电动机的起动。101