专升本《电机学》同步电机部分

U
0 , cos ( 滞后 ), P 0
发QL ( 或吸 QC )
I3 jI3 x t
I2
2
I
1
I1
3.欠励磁
0 , cos ( 超前 ), P 0
发QC ( 或吸 QL )
3
E03
V形曲线：
（隐极机）
1.每条曲线的最低点, cos 1 ,定子电流最小,且全为有功电流， 这些点的连线向右倾斜； 2.不稳定区域边缘：δ=900，连线向右倾斜; 表明输出有功功率越多，维持稳定所需的励磁电流也越大。 3.励磁电流从零开始增大时，定子电枢电流变化规律为先减小 后增大。
t=7Ω（Ra=0），试问：
（1）发电机在额定状态运行时的功角δ N电磁功率Pem，
比整步功率P
syn及静态过载能力k M各为多少？
（2）若维持上述励磁电流不变，但输出有功功率减半时， δ、Pem、Psyn及cosφ将为多大？ （3）在原额定运行状态下，将励磁电流增大10%（不计饱和 ）时，δ、Pem、cosφ及I将为多大？
Ψ=0° Ψ=90° Ψ=-90° 0°<Ψ<90° -90°<Ψ<0°
交轴及直轴去磁
交轴及直轴助磁
(二)电枢反应的两点影响 （1）交轴电枢反应使发电机转子产生制动转矩，将使发电机 转速下降，频率降低，为了保持频率不变通常增大原动机 的输入转矩。 （2）直轴去（助）磁电枢反应会使发电机的端电压下降（上 升），为了保证端电压不变，需要增大（减小）励磁电流。 （三）同步电抗的意义： 同步电抗是同步电机的一个重要参数，它综合反映了电枢主 磁场和漏磁场的作用。大小影响同步发电机端电压波动程 度、发电机运行的稳定性，短路电流的大小。
K
（2）电磁功率：
M


Pem
1 1 25000 103 kW 12500 kW Pem 2 2
Pem
功角： 比整步功率：
m E0U
X
sin
t
3 16398 .93 6062 .178 sin 7
17.06
Psyn
无功功率：
m E0U
40.8MW / rad
（七）无功功率的调节和V形曲线
汽轮发电机无功功率的功角特性
E 0U U2 Q mUI sin m cos m xt xt
无功功率的调节方法：从能量守恒观点看，并网运行的同步发 电机调节无功功率，不需调节原动机来的输入功率，只需改变 励磁电流。 注意：调节无功时不影响有功功率的输出,但是调节有功时影 响无功功率输出.
Psyn dP em 0 d
对汽轮发电机，比整步功率为
Psyn dPem E0U m cos d xt
（六）过载能力 最大电磁功率与额定功率的比值称为过载能力。 汽轮发电机的过载能力 k M
Pem max PN m E0U xt 1 EU m 0 sin N sin N xt
功角：
35.93
电磁功率：
P
em
S N cos 31250 0.8kW 25000 kW
N
比整步功率：
Psyn
过载能力：
m E0U
34.5MW / rad
1 sin t 1 1.704 sin 35 .93
X
cos N
t
3 1639893 6062178 . . cos35.93 7
功率因数：
arctan Q cos arctan 24980 .9 0.45 cos cos 12500 Pem
（3）电磁功率：
P
Pem
功角：
Pem 25000 103 kW em
sin 1.1 3 16398 .93 6062 .178 sin 7
解：（1）额定电流 额定功率因数：
IN
S 3U
N

N
31250 A 17183 A . 3 10.5
N arccos0.8 36.87
额定相电压：
U U
N
3
0
10500 0 V 6062 .178 0 V 3
空载相电动势：
E
*
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
U j I N X t 6062 .178 j1718 .3 36.87 7 0 16398 .93 35.93

U
）的时间相角差；二是（
空间夹角

0
E0
）和 ）和（
u
）的

3.并联于无穷大电网的汽轮发电机增加有功功率输出，保持无功功率不变， 应调节（输入转矩 ）和（ 励磁电流 ），前者应（ 增大 ）， 后者应（ 增大 ）（后两个空填增加或减少）。 4．并联于无穷大电网的同步发电机，运行于过励磁状态时，保持原动机 输出功率不变，增加励磁电流，则定子电流（ 增大 ）、功角δ （ 减小 ）、功率因数（ 减小 ）。

5.并联于无穷大电网的同步发电机有功输出越大，功角越大， 电机的静稳定性越好。 （ 错 ） 6.同步发电机欠励时比过励时运行稳定，轻载时比重载时运 行稳定。 （ 错 ） 7.将同步发电机V形曲线族的最低点连接起来，得到的是一条 cos 1 的稍向右倾的曲线，请说明原因。以该曲线为 基准，右侧和左侧分别是发电机的什么状态？ 【答】：将同步发电机V形曲线族的最低点连接起来，得到的 是一条 cos 1 的稍向右倾的曲线。这是因为随着有功功率输出的 增加，要保持 cos 1 ，必须相应地增加励磁电流。以该 曲线为基准，右侧为过励运行状态，左侧为欠励运行状态。
考纲：2. 掌握同步发电机的电枢反应的性质及对电机的影响、 同步发电机的电磁关系、运行特性及参数求取的方法。
主要知识点：(一)电枢反应的性质和影响
内功率因数角 电枢反应性质 交轴 直轴去磁 直轴助磁 电枢反应的效应 使气隙磁场轴线偏移，幅值增大 使气隙磁场削弱，电枢端电压降 低 使气隙磁场增强，电枢端电压升 高 使气隙磁场轴线偏移，幅值减小， 电枢端电压降低 使气隙磁场轴线偏移，幅值增强， 电枢端电压升高
隐极电机： 凸极电机：
X t X a X
X d X ad X X q X aq X
直轴同步电抗 交轴同步电抗
Xd Xq
(四)隐极同步发电机的平衡方程和相量图 E U jI X 平衡方程：
0 a t
相量图： :
U 与 I a 夹角，(外)功率因数角 : E 0 与 Ia 夹角，内功率因数角 : E 0 与 U 夹角，功率角（功角）

例题：1. 同步发电机准整步法投入并联运行的理想条件是什么？其中哪 个条件必须严格满足？ 【答】：并联运行的理想情况是：① 发电机的端电压和电网电压大小相 等、相位相同；② 发电机的频率和电网频率相等；③ 发电机的电压相序 和电网的电压相序相同。其中③必须严格满足，否则不允许并联运行。 2. 同步发电机功角的双重物理意义：一是（ （

8.并联于无穷大电网运行的汽轮同步发电机，运行 于过励磁状态。欲保持有功功率输出不变，增加无 功功率输出，应如何调节？并作出调节前、后的相 量图。
Eo1


增加励磁电流.

E0
U
I

I1
9.
一台与无穷大容量电网并联运行的汽轮发电机，其
SN=31250kV· N=10.5kV，Y接线，cosφN=0.8（φN >0o），X A，U
考纲：3. 掌握并列的条件、功角特性及功率调节的 方法和原理，掌握静态稳定的判定方法及V 形曲线。
主要知识点：（一）准同步并列必须满足的条件
1.待并发电机的电压与电网电压大小相等； 2.待并发电机电压相位与电网电压相位相同； 3.待并发电机电压频率与电网电压频率相同； 4.待并发电机的相序与电网的相序相同。
调节方式： 1.正常励磁
EU Pem m 0 sin ＝常数 保持有 Xt 功不变 P mUI cos 常数 2
E0 1
jI 1 x t
0 , cos 1, P 0 , Q 0
2.过励磁
E0
E02
jIx t
jI 2 x t
xd ( 饱 )
UN Ik
交轴同步电抗
xq 0.6 xd
(五) 同步发电机特性
（3）外特性 （4）调整特性
例题
Ψ ）， 当（ Ψ=0° ）时电枢反应为交轴电枢反应， 此时发电机的转速（ 下降 ），频率 （ 下降 ），为了保持频率不变，应（增大 输入转矩 ）。 2.同步发电机的铁心饱和程度越大，同步电 抗越（ 小 ）；电枢绕组匝数越多，同 步电抗越（ 大 ）；励磁绕组匝数越多， 则同步电抗（ 不变 ）。 3.同步发电机的同步电抗是反映（电枢反应） 磁通和（电枢漏磁通）的等效电抗。
1.1m E 0 U
X
t
32.2
无功功率：
Q
1.1m E 0 U Xt
cos
mU 2 Xt
1.1 3 16398 .93 6062 .178 3 6062 .178 2 k var cos 32.2 7 7 23907 .9k var
1.同步发电机电枢反应性质取决（

4.同步发电机的短路特性为一直线，这是因为在短路时电机的 磁路（处于不饱和状态）。 5. 同步发电机带容性负载时，其调整特性是一条：（ ③ ） ① 上升的曲线； ② 水平直线； ③ 下降的曲线。 6.从电路和磁路两方面分析同步发电机带负载（φ>0°）后,端 电压为什么会下降? 答：磁路：带φ>0°的对称负载电枢反应的性质有直轴去磁 作用故端电压下降。 电路：带φ>0°的对称负载由于电机本身有阻抗压降的 影响使端电压下降。
主要知识点： （三）同步发电机的结构 （1）定子（电枢）（2）转子 （四）同步发电机的额定值 （1）PN
（2）UN （3）IN
（4）cosφN
额定值关系：
PN 3U N I N cos N
例题
1.我国大型汽轮发电机的极数为（2），转子
转速为（3000）r/min。 2.同步发电机的转速n与频率f会严格的满足 （ 正比 ）关系 3.一台QFS-300-2的汽轮发电机，额定运行 时会发出多少（ 300000 ）kw的功率。
2 2
E0
jIx t

U


I
E0
U cos U sin Ixt
1
U sin Ix t tan U cos
(五) 同步发电机特性 （1）空载特性 （2）短路特性
同步电抗的求取：
xd ( 不 ) E0 E0 Ik I N
2、是感应电动势 E 0的主磁通Φ0 和产生电压 U 的定子等效合成 磁通Φ u 之间的夹角。
（四）有功调节的方法
并联于无穷大电网的同步发电机要调节有功功率输出，只 需调节原动转矩。在功率极限角范围内，输入转矩越大，有功 功率输出就越大。
（五）静态稳定
静态稳定的判据：比整步功率(kW/rad)
X
cos
t
3 1639893 6062178 . . cos17.06 MW / rad 7
Q
m E0U
cos
mU 2
Xt Xt 3 1639893 6062178 . . 3 60621782 . cos17.06 k var 7 7 249809k var .
沈阳工程学院2013专升本 《电机学》课程辅导讲义 （同步电机部分） 王东瑞编
考纲：四 、 同步发电机 1. 掌握同步发电机的基本工作原理和额定值。
主要知识点： （一）同步发电机的基本工作原理 （二）按转子结构分为两类
隐极式
凸极式
考纲：四 、 同步发电机 1. 掌握同步发电机的基本工作原理和额定值。
（二）同步发电机的功角特性
E0U U2 1 1 sin 2 sin m 凸极电机： Pem P2 mUI cos m xd 2 xq xd
隐极电机 Pem mUI cos m
E0U sin xt
（三）掌握功角的双重物理意义 1、是电动势 E 0 和电压 U 间的时间相位角;