電機學第5章同步電機(20121011按新書修改)

電機學電氣工程學院2023/2/2河海大學2目錄第2章變壓器

第1章緒論

第5章同步電機第4章異步電機第3章交流電機的共同問題第6章直流電機2023/2/2河海大學3第5章

同步電機

5.2同步電機的運行原理

5.3（補）同步電機的分析方法

5.1同步電機的基本結構

5.4同步電機的運行特征

5.5同步電機并聯運行5.6同步電動機與同步調相機

5.7同步電機的突然短路2023/2/2河海大學45.1同步電機的基本知識2023/2/2河海大學5第一節同步電機的基本知識定義：

同步電機是指電機轉子的轉速與磁場轉速相同的交流電機。同步電機的轉速為一.基本類型與用途：

⑴主要用來作為發電機運行；⑵也可作為電動機應用，一般使用在不需要調速的低速大功率機械中；⑶此外，可作為同步補償機，向電網輸送感性和容性無功功率。另外，從原動機分：汽輪發電機、水輪發電機…2023/2/2河海大學6第一節同步電機的基本知識二、同步電機的基本結構形式同步電機一般由定子、轉子、端蓋和軸承等部件構成。同步電機的定子和異步電機相同，定子鐵芯上有齒和槽，槽內設置三相繞組。轉子上裝有磁極和勵磁繞組。同步電機的磁極通常裝在轉子上，而電樞繞組放在定子上，通常稱為旋轉磁極式電機。

旋轉磁極式電機同步電機的轉子有凸極和隱極兩種結構形式。用汽輪機作為原動機來拖動的稱為汽輪發電機，一般采用隱極式結構；用水輪機作為原動機來拖動的稱為水輪發電機，一般采用凸極式結構。同步電動機、由內燃機拖動的同步發電機以及同步補償機大多做成凸極式。2023/2/2河海大學7第一節同步電機的基本知識二、同步電機的構造特點（一）定子同步電機的定子大體上和異步電機相同，是由鐵芯、繞組、機座以及固定這些部分的其他構件組成。（二）轉子（以同步發電機為例）1、汽輪發電機轉子結構現代汽輪發電機一般都是二極的，同步轉速為3000或3600r/min。這是因為提高轉速可以提高汽輪機的運行效率，減小整個機組的尺寸、降低機組的造價。轉子不能做得過大，所以汽輪發電機的直徑較小，長度較長。汽輪發電機均為臥式結構。2、水輪發電機轉子結構大型水輪發電機通常都是立式結構，它的轉速低、極數多，要求轉動慣量大，故其特點是直徑大、長度短。2023/2/2河海大學8第一節同步電機的基本知識1、汽輪發電機轉子結構現代汽輪發電機一般都是二極的，同步轉速為3000或3600r/min。提高轉速可以提高汽輪機的運行效率，減小整個機組的尺寸、降低機組的造價。轉子不能做得過大，所以汽輪發電機的直徑較小，長度較長。汽輪發電機均為臥式結構。2023/2/2河海大學9第一節同步電機的基本知識2、水輪發電機轉子結構

大型水輪發電機通常都是立式結構它的轉速低、極數多，要求轉動慣量大，故其特點是直徑大、長度短。轉子磁極上套裝勵磁繞組極靴上有阻尼繞組2023/2/2河海大學102023/2/2河海大學11中國制造的30萬千瓦雙水內冷汽輪發電機2023/2/2河海大學12同步電機轉子結構2023/2/2河海大學13隱極同步電機剖面圖2023/2/2河海大學14第一節同步電機的基本知識三、同步電機的額定值同步電機的額定值（名牌值）由以下幾種：（1）額定容量或額定功率（2）額定電壓是指同步電機在額定運行時其定子三相的線電壓（4）額定電流是指同步電機在額定運行時流過其定子繞組的線電流同步發電機同步電動機同步調相機額定容量發電機出線端的額定視在功率（VA）轉軸上輸出的有效機械功率（W）發電機出線端輸出的無功功率（Var）額定功率發電機輸出的額定有功功率（W）2023/2/2河海大學15第一節同步電機的基本知識（4）額定功率因數是指同步電機在額定運行時的功率因數。（5）額定效率是指額定運行時的效率。（6）額定轉速和額定頻率是指同步電機運行時的轉速（r/min）和定子繞組中電流與電壓的工作頻率（Hz）。（7）額定勵磁電壓和額定勵磁電流是指同步電機額定運行時加到勵磁繞組上的直流電壓和電流。(對三相交流發電機)(對三相交流電動機)2023/2/2河海大學16第二節同步電機的勵磁系統同步電機運行時，必須在其轉子勵磁繞組中通入直流電流，以便建立磁場，這個直流稱為勵磁電流，供給勵磁電流的整個系統稱為勵磁系統。勵磁系統是同步電機的重要組成部分，勵磁系統和勵磁元件的性能對電機的運行性能有重要影響。

分類，勵磁系統主要有兩大類：一類是直流發電機作為勵磁電源的直流勵磁機勵磁系統；另一類是用整流裝置將交流變成直流后供給勵磁的交流勵磁機整流勵磁系統。2023/2/2河海大學17第二節同步電機的勵磁系統1、直流勵磁機勵磁系統直流勵磁機通常與同步發電機

同軸，當發電機轉起來以后，勵磁機就可以為其供給直流電流。最常用的是直流并勵發電機（如圖所示）；直流他勵發電機；直流復式勵磁發電機。2、交流勵磁機整流勵磁系統當發電機容量較大時，由于換向困難不適宜采用直流勵磁機，這時一般采用交流勵磁機與整流裝置相配合來共同構成勵磁系統。2023/2/2河海大學18第二節同步電機的勵磁系統根據裝置的放置位置可以分為靜止整流勵磁和旋轉整流勵磁兩種1）靜止整流勵磁靜止整流勵磁分為他勵式和自勵式兩種，下圖為他勵式靜止整流勵磁系統。1—發電機；2—交流主勵磁機；3—交流副勵磁機；4—硅整流機；5—可控硅整流機；6—自動電壓調整器（主勵為100Hz同步發電機，副勵為500Hz中頻同步發電機）2023/2/2河海大學19第二節同步電機的勵磁系統他勵式靜止整流器勵磁系統原理：主勵(2)經整流(4)向發電機(1)提供If;主勵的勵磁電流由副勵磁機(3)提供優點：運行、維護方便，用硅整流代替換向器不僅提高了勵磁容量，而且大大提高了發電機運行可靠性；缺點：接線設備復雜，起動時需要另外的直流起勵電源向副勵磁機供給勵磁電流。

自勵式系統優點：便于維護，電壓穩定性較高，動態特性好。2023/2/2河海大學20第二節同步電機的勵磁系統2）旋轉整流勵磁

旋轉電樞式。交流主勵磁機:電樞、整流裝置與主發電機的勵磁繞組均裝設在同一旋轉體上，不需要集電環和電刷裝置，所以這種系統又稱為無刷勵磁系統。

1—交流副勵磁機；2—交流主勵磁機；3—同步發電機；4—自動電壓調節器2023/2/2河海大學21第二節同步電機的勵磁系統旋轉整流勵磁系統優點：由于取消了電刷和集電環，所以這種勵磁方式的運行比較

可靠，維護簡單，尤其適合于要求防燃、防爆的特殊場合。

缺點：發電機勵磁回路的滅磁時間常數較大，對迅速消除主發電機的內部故障不利；轉子繞組保護困難。2023/2/2河海大學225.2同步電機的運行原理2023/2/2河海大學23第三節同步電機的空載運行1.同步發電機工作原理2023/2/2河海大學24第三節同步電機的空載運行當轉子以同步轉速旋轉時，主磁場就在氣隙中形成一個旋轉磁場，它“切割”對稱的三相定子繞組后，就將在定子繞組內感應出頻率為的一組對稱三相空載電動勢：忽略高次諧波時，勵磁電動勢的有效值為式中：為每極的主磁通量2023/2/2河海大學25第三節同步電機的空載運行2、主磁通與漏磁通空載運行時，電樞電流為零，僅有由勵磁電流所建立的主極磁場。主極磁通分為主磁通和主極漏磁通，主磁通所經過的路徑稱為主磁路，包括：空氣隙、電樞齒、電樞軛、磁極極身和轉子軛五個部分。

主極磁通是否通過氣隙交鏈主磁通通過于定子繞住相交鏈主極漏磁通不通過僅與勵磁繞組相交鏈2023/2/2河海大學26第三節

同步電機的空載運行3、電壓波形正弦畸變率改善發電機發出電勢波形的基本途徑：勵磁電流產生接近與正弦分布的氣隙磁密波形；定子每相繞組采用分布和短距線圈；三相繞組采用Y接法。恒量指標：電壓波形正弦畸變率實際空載線電壓波形與正弦波形的偏差程度一般用電壓波形正弦畸變率來表示，即2023/2/2河海大學27第四節對稱負載時的電樞反應1.電樞反應空載：I≈0，Fa≈0，氣隙磁場只由轉子電流產生；負載時：I≠0，Fa≠0,Fa對Ff的影響稱電樞反應電樞磁勢與轉子磁勢間的相對位置取決于負載電流的性質。同步機空載電勢電機輸出電流之間的相角定義為內功率因數角。時，時，電流滯后于；端電壓和之間的相位角稱為外功率因數角

。

下面將分析各種不同角時的電樞反應。2023/2/2河海大學28第四節對稱負載時的電樞反應

(簡略)一、內功率因數角

2023/2/2河海大學29第四節對稱負載時的電樞反應Fa在交軸，所以稱交軸電樞反應，因合成磁勢有增磁作用因為I、E同相，所以不發無功功率

2023/2/2河海大學30第四節對稱負載時的電樞反應二、內功率因數角同步發電機的剖面簡圖磁勢的空間展開圖直軸相軸，交軸直軸交軸A相軸2023/2/2河海大學31第四節對稱負載時的電樞反應二、內功率因數角時間相量圖時空矢量圖相軸交軸時軸直軸時軸2023/2/2河海大學32第四節對稱負載時的電樞反應

2023/2/2河海大學33第四節對稱負載時的電樞反應三、內功率因數角同步發電機的剖面簡圖磁勢的空間展開圖直軸相軸，交軸直軸交軸2023/2/2河海大學34第四節對稱負載時的電樞反應三、內功率因數角

Fa在交軸，所以稱交軸電樞反應，因合成磁勢有增磁作用因為I、E反相，所以不發無功功率2023/2/2河海大學35第四節對稱負載時的電樞反應四、內功率因數角同步發電機的剖面簡圖磁勢的空間展開圖直軸相軸，交軸直軸交軸2023/2/2河海大學36第四節對稱負載時的電樞反應四、內功率因數角時間相量圖時空矢量圖時軸相軸，交軸時軸直軸2023/2/2河海大學37第四節對稱負載時的電樞反應☆結論：同步電機的運行方式可以由內功率因數角來判斷。同步電機作為發電機運行時，轉子磁場將較定子磁場超前

同步電機作為電動機運行時，定子磁場將較轉子磁場超前2023/2/2河海大學385.3同步發電機的分析方法（補充）2023/2/2河海大學39第五節隱極同步發電機的分析方法一、電磁關系

當不考慮磁路飽和現象時，認為轉子磁場與電樞磁場分別在定子繞組中感應電勢。轉子感應的電勢稱為空載電勢，用表示；電樞磁場感應的電勢稱為電樞反應電勢，用表示。電磁關系如下：2023/2/2河海大學40第五節隱極同步發電機的分析方法二、電路方程

三、等效電路等效電路，如右圖所示。隱極同步發電機在穩態運行時的等效電路是簡單的獨立回路，沒有次級側回路和其它耦合回路。2023/2/2河海大學41第五節隱極同步發電機的分析方法四、電樞反應電抗

比例系數是與電機結構有關的常數，稱為電樞反應電抗。寫成相量形式：上式說明了電樞反應電抗的物理意義：可以把電樞反應磁場在定子每相繞組中所感應的電樞反應電勢看成相電流所產生的一個電抗電壓降，這個電抗就是電樞反應電抗。2023/2/2河海大學42第五節隱極同步發電機的分析方法五、同步電抗▲定子回路電壓平衡式改寫為

其中

為同步電抗

為同步阻抗▲實際應用中主要關心同步電抗：在計算同步電機的各種性能時，一般僅需應用同步電抗；測量同步電抗較為方便。▲等效電路變化隱極同步發電機的等效電路2023/2/2河海大學43第五節隱極同步發電機的分析方法六、隱極發電機的相量圖

同步電機的三個角：外功率因數角

內功率因數角

功角2023/2/2河海大學44第六節凸極同步發電機的分析方法一、凸極同步電機的電樞反應——雙反應理論

由于凸極同步機的氣隙不均勻，氣隙各處的磁阻不同，在極面下的磁導大，兩極之間的磁導小，所以在分析電樞反應時，采用雙反應法，即把電樞基波磁動勢分解為作用在直軸上的和作用在交軸上的，還可以將電樞電流分解為和，即2023/2/2河海大學45第六節凸極同步發電機的分析方法二、電磁關系當不計磁路飽和現象時，在定子繞組中分別成立直軸電樞反應電勢和交軸電樞反應電勢。其基波分量不別記作和。2023/2/2河海大學46第六節凸極同步發電機的分析方法二、電路方程和等效電路則凸極同步發電機的定子繞組的電壓平衡式為2023/2/2河海大學47第六節凸極同步發電機的分析方法三、直軸與交軸電樞反應電抗和同步電抗

（1）直軸電樞反應電抗、交軸電樞反應電抗比例系數是與電機結構有關的常數。其中：xad、xaq分別稱直軸電樞反應電抗，交軸電樞反應電抗2023/2/2河海大學48第六節凸極同步發電機的分析方法寫成相量形式：(2)直軸同步電抗和交軸同步電抗

設為定子每相漏抗，則可把漏抗與電樞反應電抗合并，即

式中：稱之為直軸同步電抗，稱之為交軸同步電抗。2023/2/2河海大學49第六節凸極同步發電機的分析方法四、凸極發電機的相量圖1.定子繞組的電壓平衡式若把電樞反應電勢看作是電抗壓降，則定子繞組的電壓平衡式為

或

另：隱極同步電機可看作凸極同步電機的特例來看。因為隱極機的氣隙均勻，氣隙磁場波的波形系數。，只需要用一個參數來表示同步電抗。2023/2/2河海大學50第六節凸極同步發電機的分析方法2.的方向平衡方程中加、減2023/2/2河海大學51第六節凸極同步發電機的分析方法2.畫向量圖的步驟：凸極同步發電機的相量圖（過激時）2023/2/2河海大學525.4同步發電機的運行特性（對應教材5.3）2023/2/2河海大學53第七節同步發電機的空載、短路

和負載特性一、空載特性

同步發電機的轉子套組加上直流勵磁，電樞繞組開路，即為同步發電機的空載運行。空載特性就是討論轉子直流勵磁電流和空載電勢的關系。因為空載電動勢和轉子磁場的每極磁通成正比，轉子勵磁電流和轉子勵磁磁動勢成正比，因此只要選取不同的比例尺，和同步電機的磁化曲線是相同的。

空載特性可通過電機的磁路計算或實驗測得，接線圖如右所示，

AV2023/2/2河海大學54第七節同步發電機的空載、短路

和負載特性一、空載特性

1.定義選取不同的比例尺，與同步電機的磁化曲線相同。2.測量空載特性可通過電機的磁路計算或實驗測得，接線圖如右所示，

AV2023/2/2河海大學55第七節同步發電機的空載、短路

和負載特性磁滯回線0a為所求的空載特性，由剩磁所感應的電動勢，稱為剩磁電動勢。存在剩磁，校正：向左平移oc。2023/2/2河海大學56第七節同步發電機的空載、短路

和負載特性典型的空載特征

開始一段實際上是一條直線，因為此時很小，電機磁路中的鐵磁部分未飽和。If增大，逐漸飽和。飽和系數：E0*=1時：總磁勢與氣隙磁勢之比

空載特性曲線的用途：a.求取同步電機的參數和特性外；b,.在發電廠中測空載特性以檢查三相電樞繞組的對稱性。2023/2/2河海大學57第七節同步發電機的空載、短路和負載特性二、短路特性1、定義2、用途

說明同步發電機的特性測定同步電機的參數3、短路特性

同步發電機在短路時的量相量圖。U＝0很小很小（很小）電機磁路處于不飽和又，所以，短路特性為一直線（）。2023/2/2河海大學58第七節同步發電機的空載、短路和負載特性三、負載特性1。定義：

右圖為不同的和不同的時的負載特性，其中(1)空載特性，(2)零功率因數特性，通過零功率因數曲線和空載特性曲線可以求取飽和同步電抗及電樞電抗。2023/2/2河海大學59第八節同步發電機的參數及測定一、同步電抗的測定1、不飽和同步電抗的測定右圖1-空載特性,2-短路特性，不計電樞電阻，U=0時，隱極機：凸極機：因Ik滯后E090度,Iq=0,Id=Ik所以：

用近似，則這樣測得的同步電抗為不飽和同步電抗。對隱極機而言，所測定的同步電抗為；對凸極機而言，所測定的同步電抗為。2023/2/2河海大學60第八節同步發電機的參數及測定2、求飽和同步電抗純電感負載時，空載電動勢、端電壓和同步電抗之間的代數關系為

右圖所示為空載特性和的零功率因數曲線。其中，，所以飽和同步電抗的標么值為不飽和同步電抗比飽和同步電抗大得多。2023/2/2河海大學61第八節同步發電機的參數及測定二、短路比短路比：在空載時使空載電動勢有額定值時的勵磁電流與在短路時使短路電流有額定值時的勵磁電流之比。

短路比與同步電抗有關，設為不飽和同步電抗，則從圖中可得，，則同步電抗的標么值為2023/2/2河海大學62第八節同步發電機的參數及測定短路比大小與電機性能的關系（了解）一般，汽輪發電機較小:0.5~0.7水輪發電機較大:1.0~1.42023/2/2河海大學63第九節同步發電機的穩態運行特性一、外特性

外特性是指當，時，發電機的端電壓與電樞電流之間的關系曲線。右圖為不同功率因數的負載時同步發電機的外特性。由圖可見，感性負載和純電阻負載時，外特性下降；容性負載時，外特性上升。外特性即可以用直接負載法測取，亦可用作圖法求出。2023/2/2河海大學64第九節同步發電機的穩態運行特性二、電壓變化率當發電機的端電壓為額定值，并輸出額定負載(，)時，稱為同步發電機的額定工作狀態。如右圖所示，端電壓升高的數值用額定端電壓的百分數來表示就稱為同步發電機的電壓變化率，或稱為電壓調整率，用表示，即2023/2/2河海大學65第九節同步發電機的穩態運行特性三、調整特性同步發電機正常運行情況下，當端電壓和負載的功率因數一定時，表示負載電流和勵磁電流之間關系的曲線稱為調整特性，即

右圖表示了端電壓為額定，不同負載功率因數時的調節特性，調節特性的變化趨勢與外特性恰好相反。2023/2/2河海大學66第九節同步發電機的穩態運行特性四、效率特性同步發電機的效率特性是指，，時，發電機的效率與輸出功率的關系即發電機的效率可以通過直接負載法和損耗法分析求出。用損耗法計算公式如下2023/2/2河海大學675.5同步發電機在大電網上運行(書5.4)第11節隱極同步發電機的功角特性第12節凸極式同步發電機的功角特性第13節同步發電機的有功功率的調節第14節無功功率的調節和V形曲線第15節同步電動機與同步補償機

第10節同步發電機的并聯運行2023/2/2河海大學68第10節同步發電機的并聯運行對供電的要求主要是：保證足夠的用電量，高的供電質量（電壓和頻率為額定值），以及經濟、可靠。▲電力系統中有許多發電廠并聯供電，可以合理地利用動力資源，對國民經濟有很大意義。同步發電機并聯運行，是同步發電機最基本地運行方式，研究和掌握它地運行性能是有主要意義的。▲當單臺發電機滿足U=const，f=const時，稱為無窮大電網或無窮大匯流排。▲同步發電機并聯運行與變壓器并聯運行的區別變壓器同步發電機初級、次級電壓必須相等，繞組阻抗決定負載電流的分配，負載電流能與容量成正比額定電壓、額定頻率相等，并聯后有共同的端電壓，空載電勢可不相同，同步電抗的數值不能決定負載電流的分配2023/2/2河海大學69第10節同步發電機的并聯運行一、并聯運行的方法為了投入并聯所進行的調節和操作過程稱為整步過程，有準確整步法和自整步法兩種方法。1、準確整步法把發電機調整到完全合乎投入并聯的條件，然后投入電網，叫做準確整步法。最簡單的同步指示器由三個同步指示燈組成，有直接接法和交叉接法兩種接法（見圖）。2023/2/2河海大學70第10節同步發電機的并聯運行直接接法的接線和相量圖VVV電網f待投入的發電機，fQ1231232023/2/2河海大學71第10節同步發電機的并聯運行交叉接法的接線和相量圖VVV電網f待投入的發電機，fA123ABCABCn1232023/2/2河海大學72第10節同步發電機的并聯運行2、自整步法自整步法的原理接線圖如下所示。投入的步驟：校驗發電機的相序，把發電機拖動到接近同步轉速；勵磁繞組經限流電阻短路；把發電機投入電網，再立即加上直流勵磁；自動牽入同步。優點：投入迅速，不需增添復雜的裝置；缺點：投入時定子電流沖擊稍大。勵磁電源2023/2/2河海大學73第11節隱極同步發電機的功角特性功率流程圖（均為每相值）其中為機械功率，為機械損耗為鐵芯損耗，為附加損耗為電磁功率△機械損耗和鐵芯損耗合并考慮為空載損耗。△勵磁回路所消耗的電功率一般由原動機或其它電源供給，故不包括在功率流程圖中，由圖可得關系式：△如這一同步機為電動機，則功率流程將倒轉為輸入功率，為輸出功率。△取發電機輸出功率為正值，電動機輸入功率為負值。在發電機情況下，；在電動機的情況下，，故上式同樣適用于電動機和發電機。

P1PMPpmpFepCu12023/2/2河海大學74第11節隱極同步發電機的功角特性一、功率表示式

隱極式同步發電機的等效電路及其向量圖如右圖所示，由相量圖得：再從等效電路可以求得電樞電流為：

如把端電壓放在參考軸上，則有2023/2/2河海大學75第11節隱極同步發電機的功角特性同步電抗可以表示為式中整理得，將其帶入式，便得端點功率與電磁功率的表示式各為如略去，則上式簡化為2023/2/2河海大學76第11節隱極同步發電機的功角特性三、轉矩特性同步電機的轉速為同步轉速，且經常保持不變，故轉矩和功率成正比。如略去電樞電阻則得電磁轉矩公式為

從功角特性公式可見，同步功率（或同步轉矩）隨著功角而變化，且有一極限最大值，最大功率與額定功率之比稱為過載能力用表示，設一隱極式同步機，在額定運行時的功角為則有2023/2/2河海大學77第11節隱極同步發電機的功角特性二、功角特性

功率或隨著角而變化的關系稱為功角特性。

不穩定穩定不穩定

隱極同步電機略去電阻時的功角特性2023/2/2河海大學78第12節凸極式同步發電機的功角特性一、功率表示式

求凸極式同步電機的功率表示式時，把電樞電阻略去不計，略去電阻后的相量圖如右圖所示。從圖可得到下列關系因為電阻被略去，故有經過化簡得 （功角特性表示式）2023/2/2河海大學79第12節凸極式同步發電機的功角特性二、功角特性

對凸極機來說電磁功率包含兩部分，第一項稱為基本

電磁功率;第二項稱為附加電磁功率（磁阻功率）

2023/2/2河海大學80第12節凸極式同步發電機的功角特性凸極機的最大電磁功率比具有相同、、值的隱極機略大。越大附加電磁功率在總電磁功率中的比例越小。功角為同步機的重要變量,值決定同步機電磁功率大小;且當轉子磁場超前合成磁場時設，發電機運行；反之，時，同步機作為電動機運行2023/2/2河海大學81第13節同步發電機的有功功率的調節一、有功功率的調節要調節與電網并聯的同步發電機的輸出有功功率，只需要調節發電機的輸入機械功率，這時發電機內部會自行改變位移角。

同步發電機在穩定不穩定同步電動機在穩定不穩定2023/2/2河海大學82第13節同步發電機的有功功率的調節二、靜態穩定的概念靜態穩定的概念同步發電機能在瞬時擾動消除后，繼續保持原來的平衡運行狀態，就稱為這時的同步發電機是“靜態穩定”的，否則就是靜態不穩定。左圖所示表示了靜態穩定的概念。從圖可以得出結論：處于功角特性曲線上升部分的工作點都是都是靜態穩定的；下降部分的工作點都是靜態不穩定。2023/2/2河海大學83第13節同步發電機的有功功率的調節靜態穩定的條件用數學式表示為用微分表示為

比整步功率隨變化關系為比整步功率，用符號表示。對于隱極式同步電機的比整步功率為如左圖所示，當功角發生一個變化時，如果愈大，即數值愈大，發電機的運行就愈穩定。2023/2/2河海大學84一、無功功率的調節◆電網的負載包括有功功率和無功功率。同步發電機與電網并聯后，要向電網供給有功功率和無功功率。以隱極式同步電機為對象，并忽略電樞電阻，

（感性為正）右圖為不計電樞電阻時的隱極式電機相量圖，由圖可見

將其代入無功功率表達式得5.4.5無功功率的調節和V形曲線2023/2/2河海大學855.4.5無功功率的調節和V形曲線上式即為無功功率的功角特性。當激磁不變時，與的關系為余弦函數，如右圖所示若同步發電機輸出的有功功率不變，則當和均不變時可得2023/2/2河海大學865.4.5無功功率的調節和V形曲線下圖是時調節激磁電流的相量圖

※由圖易出結論：當發電機與無窮大電網并聯時，調節勵磁電流大小，就可以改變發電機輸出的無功功率，不僅能改變無功功率的大小，而且能改變無功功率的特性。過激電樞電流是滯后電流輸出感性無功功率欠激電樞電流是超前電流輸出容性無功功率2023/2/2河海大學875.4.5無功功率的調節和V形曲線二、V形曲線曲線形狀象字母“V”故稱為V形曲線。當P增加時，曲線向上移。當調節If，使I最小，該點即V形曲線上的最低點，功率因數為1。V形曲線族最低點連線表示；右端為過激區，左邊為欠激區。◎注：如要只改變有功功率，在調節原動機功率輸入的同時要適當改變同步發電機的激磁。2023/2/2河海大學885.5同步電動機與同步調相機2023/2/2河海大學895.5同步電動機同步電動機的優點功率因素高，可調（主要優點）低速同步電機體積甚至小于異步機過載能力強兩種分析方法：仍按發電機觀點，只要大于90度即可按電動機觀點，另行分析，另列方程等發電機觀點2023/2/2河海大學90第15節同步電動機(一）仍按發電機觀點發出電功率＜0，即吸收電功率1.隱極電動機2023/2/2河海大學91第15節同步電動機2.凸極機

電動機發電機2023/2/2河海大學92第15節同步電動機（二）按電動機觀點電勢均為反電勢（通過變壓器、異步電機原方方程引出）隱極電動機（書235式5-5-1不妥）平衡方程相量圖凸極電動機：2023/2/2河海大學935.5.3同步電動機的起動同步電機不能自起動，必須借助其他方法，現在主要是：異步起動法

阻尼繞組與異步電機轉子繞組類似，又稱起動繞組①把同步電動機的勵磁繞組經過外電阻短接：R=10rf

②將同步電動機定子繞組接通電源,類似異步電機起動，接近同步速度③將勵磁繞組與直流勵磁電源接通（牽入同步）其他起運方式輔助起運孌頻起運2023/2/2河海大學945.5.4同步調相機一、原理、用途功率因數角＝0，P=0；Q>0功率因數角＝180，P=0；Q<0二、特點容量為過勵時的S軸小、Xd適當大

2023/2/2河海大學955.7同步發電機突然短路

(6學分了解，4學分不要求)第17節同步發電機突然短路的物理過程第18節同步電機的瞬態電抗和超瞬態電抗第19節三相突然短路電流第20節同步電機振蕩的物理概念2023/2/2河海大學96第17節同步發電機突然短路的

物理過程同步發電機突然短路時,各繞組中會出現很大的沖擊電流,其峰值可達額定電流的十倍以上.突然短路的瞬態過程很短,卻可能帶來嚴重的后果。如左圖所示，合上開關使繞組1突然短路，繞組中的電壓方程為如把電阻忽略，則上式變成它的一般解為：，設，則d軸2023/2/2河海大學97第17節同步發電機突然短路的

物理過程所以沒有電阻的閉合繞組的磁鏈不會變化，永遠等于突然短路瞬間。

結論：在沒有電阻的閉合回路中，磁鏈將保持不變，這一簡單關系稱為磁鏈不變原則。

下面用磁鏈不變原則分析無阻尼繞組同步發電機空載運行時，在發電機出線端點處發生三相突然短路后電機各繞組中的磁鏈變化情況。分析時假設：

△勵磁電流不變；

△轉子轉速保持不變；

△不計飽和影響。

2023/2/2河海大學98第17節同步發電機突然短路的

物理過程同步發電機空載時，轉子旋轉磁場將在各定子繞組中形成磁鏈，，和，如左圖（a）所示，因為此時定子繞組開路，所以定子繞組中沒有電流，不產生定子磁場。

左圖(b)為A相磁鏈的變化情況。2023/2/2河海大學99第18節同步電機的瞬態電抗

和超瞬態電抗一、直軸瞬態電抗

下圖為沒有阻尼繞組的同步電機突然短路時（a）穩定短路（b）突然短路初瞬，電樞磁通所經過的路徑。（a）(b)2023/2/2河海大學100第18節同步電機的瞬態電抗

和超瞬態電抗穩定短路時，定子電流所遇到的磁阻較小，定子電流所遇到的電抗為數值較大的同步電抗。突然短路時，在短路初瞬，由于磁鏈不變原則，如圖（b）所的，被擠到轉子外側的漏磁路中去。變大，則此時電樞電流的電抗變小，使突然短路初始瞬間有較大的短路電流。這個限制電樞電流的電抗稱為直軸瞬態電抗，用表示，可見。由于轉子繞組有電阻，使突然短路時較大的沖擊電流逐漸減小，最后短路電流為所限制。此時，電機已從突然短路狀態過渡到穩定短路狀態。2023/2/2河海大學101第18節同步電機的瞬態電抗

和超瞬態電抗二、直軸超瞬態電抗當轉子上裝有阻尼繞組時，電樞磁通路徑如右圖所示。此時，磁路的磁阻更大了，與之相應的電抗將有更小的數值，稱為直軸超瞬態電抗。短路初瞬，定子繞組中的短路電流將為所限制，在最初幾個周波后，定子電流為所限制，最后到達穩態值時，定子電流為所限制。

2023/2/2河海大學102第18節同步電機的瞬態電抗

和超瞬態電抗三、和的表示式同步發電機裝有阻尼繞組時全部電樞磁通所經磁路的總磁導為由于電抗和磁導成正比，則直軸超瞬態電抗等效電路圖2023/2/2河海大學103第18節同步電機的瞬態電抗

和超瞬態電抗如轉子上沒有阻尼繞組或當阻尼繞組中的感應電流衰減完畢，磁路的總磁導為直軸瞬態電抗的表示式為直軸瞬態電抗等效電路圖2023/2/2河海大學104第18節同步電機的瞬態電抗

和超瞬態電抗四、交軸瞬態電抗及其表示式

如同步發電機經過負載阻抗短路，則由短路電流所產生的電樞磁場不僅有直軸分量，也有交軸分量。在突然短路初始瞬間，沿著交軸的電抗為和。稱為交軸瞬態電抗，稱為交軸超瞬態電抗。