《電機及拖動基礎(chǔ)》第二版第九章-同步電機

同步電機是交流電機的一種，運行特點是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與定子磁場旋轉(zhuǎn)速度嚴(yán)格同步，由此而得名。設(shè)定子繞組通入頻率為f的交流電流，電機的極對數(shù)為p，則同步電機轉(zhuǎn)速n、通電頻率f和極對數(shù)p的關(guān)系為第九章同步電機我國電力系統(tǒng)的頻率規(guī)定為50Hz，因此同步轉(zhuǎn)速與極對數(shù)成反比，當(dāng)p=1時，轉(zhuǎn)速最高，為3000r/min。極對數(shù)越多，轉(zhuǎn)速愈低。同步電機主要用作發(fā)電機，幾乎所有的電力都由同步發(fā)電機發(fā)出。同步電機也可以作電動機運行，并且同步電動機能夠改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。

第九章同步電機

與其他類型的電動機相比，同步電動機具有更高的效率和更優(yōu)異的性能，因而有著廣闊的應(yīng)用前景。

近年來，隨著碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的持續(xù)推進和智能化控制系統(tǒng)的旺盛需求，對電機的高效節(jié)能和高精度提出了更高的要求。

以往，同步電動機通常用于運行速度恒定的場合，隨著電力電子技術(shù)和現(xiàn)代交流電機調(diào)速技術(shù)的發(fā)展進步，由同步電動機組成的高性能調(diào)速系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用也越來越廣泛。第九章同步電機第一節(jié)概述第二節(jié)同步電機的雙反應(yīng)原理第三節(jié)同步電動機電壓平衡方程式及相量圖第四節(jié)同步電動機的功角特性第九章同步電機第五節(jié)同步電動機的無功功率調(diào)節(jié)第六節(jié)同步電動機的起動第七節(jié)同步發(fā)電機空載運行第八節(jié)隱極同步發(fā)電機負(fù)載運行第九節(jié)凸極同步發(fā)電機負(fù)載運行

第九章同步電機第十節(jié)同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性第十二節(jié)同步發(fā)電機的并聯(lián)運行第十三節(jié)同步發(fā)電機并聯(lián)運行時的功率調(diào)節(jié)第九章同步電機同步電機結(jié)構(gòu)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成。定、轉(zhuǎn)子之間是空氣隙。轉(zhuǎn)子有旋轉(zhuǎn)磁極和旋轉(zhuǎn)電樞兩種結(jié)構(gòu)型式，分別如圖9.1和圖9.2所示。（a）隱極式圖9.1旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機示意圖第一節(jié)概述一、結(jié)構(gòu)形式(b)凸極式適合高速旋轉(zhuǎn)適合中低速旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)電樞式結(jié)構(gòu)只用于小容量電機，一般同步電機常采用旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)。在旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)中，又分為隱極式和凸極式兩種型式(上頁圖9.1)，其定子部分與三相異步電動機的完全一樣。圖9.2旋轉(zhuǎn)電樞式同步電機示意圖

第一節(jié)概述額定功率因數(shù)：電機額定運行時的功率因數(shù)。額定效率：電機額定運行時的效率。額定轉(zhuǎn)速：單位為r/min。額定電流

：電機額定運行時定子的線電流，單位為A。額定電壓

：電機額定運行時定子的線電壓，單位為V或kV。額定容量：發(fā)電機出線端額定視在功率，單位VA或kVA。二．同步電機的額定值第一節(jié)概述額定功率：對發(fā)電機為額定輸出有功電功率此外，銘牌上還有額定頻率，單位為Hz；額定勵磁電壓，單位為V；額定勵磁電流，單位為A。

對電動機為軸上輸出的額定機械功率(9.1)(9.2)第一節(jié)概述當(dāng)同步電機定子三相對稱繞組接到三相對稱電源上時，就會產(chǎn)生三相合成圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢，又稱電樞磁動勢，用空間向量表示。設(shè)其轉(zhuǎn)向為逆時針，轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速。在轉(zhuǎn)子勵磁繞組中通入直流勵磁電流，就產(chǎn)生了勵磁磁動勢。由于勵磁磁動勢相對于轉(zhuǎn)子是靜止的，但轉(zhuǎn)子本身以同步轉(zhuǎn)速逆時針方向旋轉(zhuǎn)，所以一．同步電機的磁動勢第二節(jié)同步電機的雙反應(yīng)原理勵磁磁動勢相對于定子也以同步轉(zhuǎn)速逆時針方向旋轉(zhuǎn)。因此作用在同步電機的主磁路上的這兩個磁動勢均以同步轉(zhuǎn)速逆時針旋轉(zhuǎn)，且保持同步。為簡單起見，假設(shè)電機主磁路不飽和，是線性的。這樣，作用在電機主磁路上的各個磁動勢的影響就可以分別考慮，然后再采用疊加原理進行合成。第二節(jié)同步電機的雙反應(yīng)原理

圖9.3同步電機的縱軸與橫軸

第二節(jié)同步電機的雙反應(yīng)原理

1．勵磁磁動勢從圖9.3看出，勵磁磁動勢作用在縱軸方向，產(chǎn)生的勵磁磁通如圖9.4所示。顯然的磁路關(guān)于縱軸對稱，并且隨著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。

2．電樞磁動勢與同步旋轉(zhuǎn)，但位置未必一致。只要的方向不在縱軸上，由于凸極式同步電機氣隙不均勻，極間的氣隙較大，極下的氣隙小，磁路不對稱，很難求解。第二節(jié)同步電機的雙反應(yīng)原理同步電機的電樞反應(yīng)如圖9.5所示，電樞磁動勢與勵磁磁動勢的相對位置已知。為了求解磁場，把電樞磁動勢分解成兩個分量：縱軸(直軸或d軸)電樞磁動勢和橫軸(交軸或q軸)電樞磁動勢。二．凸極同步電機的雙反應(yīng)原理圖9.5同步電機的電樞反應(yīng)第二節(jié)同步電機的雙反應(yīng)原理

(9.3)即作用在縱軸方向，其磁路為對稱磁路；作用在橫軸方向，其磁路亦對稱。這樣，就將上述不對稱磁路第二節(jié)同步電機的雙反應(yīng)原理即的求解轉(zhuǎn)化為兩個獨立的對稱磁路的求解，問題得以簡化。這種方法，稱為雙反應(yīng)原理。雙反應(yīng)原理的理論基礎(chǔ)實質(zhì)上就是疊加原理。實踐證明，若不計飽和，應(yīng)用雙反應(yīng)原理分析凸極同步電機的確可以得到令人滿意的結(jié)果。第二節(jié)同步電機的雙反應(yīng)原理（1）縱軸圖9.6電樞反應(yīng)磁動勢及磁通

由單獨作用產(chǎn)生的磁通稱為縱軸電樞磁通，如圖9.6(1)所示。第二節(jié)同步電機的雙反應(yīng)原理（2）橫軸圖9.6電樞反應(yīng)磁動勢及磁通由單獨作用產(chǎn)生的磁通稱為橫軸電樞磁通，如圖9.6(2)所示。第二節(jié)同步電機的雙反應(yīng)原理生磁動勢,產(chǎn)生磁動勢。，其中產(chǎn)即把電樞電流也分解成兩個分量仿照，將電樞電流進行分解(9.4)

和第二節(jié)同步電機的雙反應(yīng)原理橫軸電樞磁動勢的大小為縱軸電樞磁動勢的大小為第二節(jié)同步電機的雙反應(yīng)原理

求出了縱軸和橫軸電樞磁動勢后，需要統(tǒng)一進行折算，然后再進行疊加。第二節(jié)同步電機的雙反應(yīng)原理

空載特性是電機的基本特性，因此將空載特性作為縱軸和橫軸電樞磁動勢的折算基準(zhǔn)。即相當(dāng)于用等效的勵磁磁動勢來替代縱軸和橫軸電樞磁動勢，這樣就可以利用空載特性曲線求解縱軸和橫軸電樞反應(yīng)。

折算按照下面的公式進行：第二節(jié)同步電機的雙反應(yīng)原理式中，和分別為縱軸和橫軸電樞磁動勢折算系數(shù)，表示獲得同樣大小的基波磁場時，單位安匝的縱軸和橫軸正弦波磁動勢所對應(yīng)的等效勵磁磁動勢。

在凸極同步電機中，由于，所以；而在隱極同步電機中

，所以

。第三節(jié)同步電動機電壓平衡方程式及相量圖

作為電動機運行是同步電機的一種重要運行方式。同步電動機接在頻率一定的電網(wǎng)上運行，其轉(zhuǎn)速恒定不變，不受負(fù)載變化的影響。同步電動機的功率因數(shù)比異步電動機高，能夠通過調(diào)節(jié)勵磁電流改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。第三節(jié)同步電動機電壓平衡方程式及相量圖一．凸極同步電動機同步電動機運行時，同步旋轉(zhuǎn)的勵磁磁通和電樞磁通、都要在定子繞組里感應(yīng)電動勢。勵磁磁通、縱軸電樞磁通和橫軸電樞磁通在定子繞組里感應(yīng)的電動勢分別用、和表示。

圖9.7同步電動機各電量的正方向第三節(jié)同步電動機電壓平衡方程式及相量圖

根據(jù)雙反應(yīng)理論，凸極同步電動機不飽和時的基本電磁關(guān)系為圖9.8同步電動機各電量的正方向第三節(jié)同步電動機電壓平衡方程式及相量圖式中，是定子繞組相電阻；是定子繞組相漏電抗。根據(jù)圖9.8，由基爾霍夫定律，可以列出繞組的電壓平衡方程式

(9.7)(9.5)

(9.6)

第三節(jié)同步電動機電壓平衡方程式及相量圖式中，稱為縱軸電樞反應(yīng)電抗，表示了縱軸電樞反應(yīng)磁場在定子繞組中感應(yīng)電勢的能力；稱為橫軸電樞反應(yīng)電抗，表示了橫軸電樞反應(yīng)磁場在定子繞組中感應(yīng)電勢的能力。把式(9.6)、(9.7)、(9.4)代入到電壓平衡方程式中，得第三節(jié)同步電動機電壓平衡方程式及相量圖稱為橫軸同步電抗，為常數(shù)。式中，稱為縱軸同步電抗，為常數(shù)；

即：

(9.8)

當(dāng)同步電動機容量較大時，可忽略電阻，有：(9.9)第三節(jié)同步電動機電壓平衡方程式及相量圖第三節(jié)同步電動機電壓平衡方程式及相量圖

根據(jù)式(9.8)，功率因數(shù)角

領(lǐng)先和滯后時的凸極同步電動機的相量圖如圖9.9（a）和（b）所示。圖9.9凸極式同步電動機相量圖a.超前b.滯后功率因數(shù)角功率角二．隱極同步電動機隱極式同步電動機的氣隙是均勻的，縱軸、橫軸參數(shù)相同，即式中為隱極同步電動機的同步電抗。電壓平衡方程式為

(9.10)忽略電阻時，有：

(9.11)第三節(jié)同步電動機電壓平衡方程式及相量圖圖9.10隱極式同步電動機的相量圖

第三節(jié)同步電動機電壓平衡方程式及相量圖a.超前b.滯后

根據(jù)式(9.10)，功率因數(shù)角領(lǐng)先和滯后時的隱極式同步電動機的相量圖如圖9.10（a）和（b）所示?？鄢ㄗ永@組的銅損耗，則電磁功率為一．功率和轉(zhuǎn)矩平衡方程式從電磁功率中扣除鐵損耗和機械摩擦損耗輸出功率。

(9.12)第四節(jié)同步電動機的功角特性

三相同步電動機從電網(wǎng)吸收的有功功率為式中，是同步電動機的角速度。式中，為空載損耗，。因此，同步電動機的功率平衡方程式為：

(9.13)電磁轉(zhuǎn)矩為第四節(jié)同步電動機的功角特性式中，稱為空載轉(zhuǎn)矩。

(9.14)把式(9.12)兩邊同時除以，就得到同步電動機的轉(zhuǎn)矩平衡方程式。即第四節(jié)同步電動機的功角特性二．功角特性

即忽略定子繞組的銅損耗忽略同步電動機定子電阻時，電磁功率根據(jù)圖9.9相量圖，可得又：圖9.9(a)凸極式同步電動機相量圖第四節(jié)同步電動機的功角特性上式中，第一項與即勵磁電流有關(guān)，稱為勵磁電磁功率。第二項，與電動機縱軸、橫軸參數(shù)不相等有關(guān)，也就是由凸極式轉(zhuǎn)子引起的，稱為凸極電磁功率或磁阻功率。將上述關(guān)系代入電磁功率的表達(dá)式并化簡得：

(9.15)第四節(jié)同步電動機的功角特性由式(9.15)可知，在電動機參數(shù)一定的條件下，電磁功率是角度的函數(shù)，即稱為同步電動機的功角特性，如圖9.11曲線3所示。圖9.11凸極同步電動機的功角特性勵磁電磁功率凸極電磁功率功角特性第四節(jié)同步電動機的功角特性與呈正弦函數(shù)關(guān)系，如圖9.11中的曲線2。當(dāng)時，與呈正弦函數(shù)關(guān)系，如圖9.11中的曲線1。當(dāng)時，達(dá)到最大，最大值為。勵磁電磁功率凸極電磁功率達(dá)到最大，最大值為。第四節(jié)同步電動機的功角特性隱極同步電動機可視為凸極同步電動機的特例。對于隱極同步電動機，，電磁功率與角的關(guān)系為功角特性如圖9.11曲線1所示。第四節(jié)同步電動機的功角特性把式(9.15)兩邊同除以機械角速度，得到電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩與的函數(shù)關(guān)系稱為矩角特性，與功角特性形狀一致。如圖9.11曲線3所示。三．矩角特性(9.16)對于隱極同步電動機，電磁轉(zhuǎn)矩為隱極式同步電動機的矩角特性如圖9.11曲線1所示。

(9.17)第四節(jié)同步電動機的功角特性以隱極式同步電動機為例進行分析。1.功率角在區(qū)間四．穩(wěn)定運行區(qū)間在范圍內(nèi)，電機能夠穩(wěn)定運行。第四節(jié)同步電動機的功角特性（a）

圖9.12隱極同步電動機的穩(wěn)定運行在范圍內(nèi)，電機不能穩(wěn)定運行。2.功率角在區(qū)間（b）

圖9.12隱極同步電動機的穩(wěn)定運行第四節(jié)同步電動機的功角特性最大電磁轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比，稱為過載倍數(shù)，用表示。當(dāng)負(fù)載變化時，角隨之變化，電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率也隨之變化，以達(dá)到新的平衡，而電機的轉(zhuǎn)速卻嚴(yán)格按照同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。所以同步電動機的機械特性為一條水平直線，斜率為零。第四節(jié)同步電動機的功角特性根據(jù)同步電動機的原理，角為電動勢與之間的夾角，是個時間電角度；同時，角也是勵磁磁動勢（產(chǎn)生電動勢）與同步電動機主磁路的合成磁動勢之間的角度，是個空間電角度。對應(yīng)著，近似地對應(yīng)著。把合成磁動勢視為等效磁極，吸引著轉(zhuǎn)子磁極以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，如圖9.13所示。第四節(jié)同步電動機的功角特性圖9.13等效磁極同步電機作電動機運行還是作發(fā)電機運行，要視轉(zhuǎn)子磁極與等效磁極之間的相對位置來決定。同步電機作電動運行第四節(jié)同步電動機的功角特性例9.1一臺三相四極同步電動機，額定容量kW，額定電壓V，額定功率因數(shù)，額定效率，定子每相電阻，定子繞組為Y接。計算：(1)額定運行時的輸入功率；(2)額定運行時的電磁功率；(3)額定電磁轉(zhuǎn)矩。第四節(jié)同步電動機的功角特性解：(1)

kW(2)額定電流A額定電磁功率kW

(3)N·m第四節(jié)同步電動機的功角特性同步電動機運行時，轉(zhuǎn)速恒定，因此，從電網(wǎng)吸收的有功功率基本上取決于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。當(dāng)同步電動機輸出的有功功率恒定而改變其勵磁電流時，其無功功率是可以調(diào)節(jié)的。不計磁路飽和影響，忽略電樞電阻，則有而恒定，忽略空載損耗（），則為常數(shù)，即一．無功功率調(diào)節(jié)第五節(jié)同步電動機的無功功率調(diào)節(jié)圖9.14同步電動機不同勵磁電流時的相量圖

即式(9.19)表示電動機定子邊的有功電流保持不變。由此作出電動機的相量圖，如圖9.14所示。

(9.18)

(9.19)

第五節(jié)同步電動機的無功功率調(diào)節(jié)

正常勵磁過勵欠勵

第五節(jié)同步電動機的無功功率調(diào)節(jié)

第五節(jié)同步電動機的無功功率調(diào)節(jié)由圖9.14相量圖可知，在電動機輸出功率恒定時，改變勵磁電流將引起同步電動機定子電流大小和相位的變化。正常勵磁時，定子電流最小；過勵或欠勵時，定子電流都會增大。把定子電流與勵磁電流的關(guān)系，用曲線表示，如圖9.15所示。二．V型曲線第五節(jié)同步電動機的無功功率調(diào)節(jié)圖9.15同步電動機的V形曲線欠勵正常勵磁過勵不穩(wěn)定區(qū)超過電動機失步第五節(jié)同步電動機的無功功率調(diào)節(jié)

改變勵磁電流可以調(diào)節(jié)電動機的功率因數(shù)，這是同步電動機最重要的特點。因為電網(wǎng)的負(fù)載主要是異步電動機和變壓器，它們都吸收滯后的無功功率。利用同步電動機功率因數(shù)可調(diào)的特點，工作于過勵狀態(tài)，從電網(wǎng)吸收領(lǐng)先的無功功率，就可以改善電網(wǎng)的無功平衡狀況，從而提高電網(wǎng)的功率因數(shù)、運行性能及效益。第五節(jié)同步電動機的無功功率調(diào)節(jié)第六節(jié)同步電動機的起動

如果把同步電動機轉(zhuǎn)子通入勵磁電流后定子繞組直接接入交流電源，則定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場將以同步轉(zhuǎn)速相對于轉(zhuǎn)子磁場運動，轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生方向交變的脈振轉(zhuǎn)矩，其平均轉(zhuǎn)矩為零，所以同步電動機不能直接起動，而必須借助一定的方法使它起動。同步電動機的常用起動方法有下列三種。1.輔助電動機起動2.變頻起動3.異步起動1.輔助電動機起動選用與同步電動機極對數(shù)相同的異步電動機作為輔助電動機。先將同步電動機勵磁繞組經(jīng)限流電阻短路，用輔助電動機將其拖動至接近同步轉(zhuǎn)速后，將勵磁繞組所串的限流電阻切除，通入直流電流，電動機自動牽入同步，并切斷輔助電動機電源。這種方法只適合于空載起動，所需設(shè)備多，操作復(fù)雜。第六節(jié)同步電動機的起動2.變頻起動起動時，轉(zhuǎn)子繞組通入勵磁電流。定子繞組由變頻電源供電，電源頻率很低，使轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)，逐步增加頻率至額定值，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將隨定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速的上升而上升，直至達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。變頻起動過程平穩(wěn)，性能優(yōu)越，在大中型同步電動機中應(yīng)用越來越廣泛。第六節(jié)同步電動機的起動3.異步起動為了解決起動問題，在同步電動機的轉(zhuǎn)子上安裝起動繞組，類似于鼠籠式異步電動機的鼠籠繞組。當(dāng)定子接入電源后，產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩，電動機能夠自起動。起動過程和異步電動機的起動過程是完全一樣的，當(dāng)電機的轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，再加入勵磁，電動機自動牽入同步。第六節(jié)同步電動機的起動第七節(jié)同步發(fā)電機空載運行根據(jù)電機的可逆原理，同步電機在一定條件下，也可以作為發(fā)電機運行。以隱極同步電機為例進行說明。一臺隱極同步電機，從電動機狀態(tài)，經(jīng)過過渡狀態(tài)，到發(fā)電機狀態(tài)，分別如圖9.16(a)、9.16(b)、9.16(c)所示。一．同步電機的可逆原理輸入功率恰好承擔(dān)其空載損耗

(b)過渡狀態(tài)

圖9.16從電動機狀態(tài)到發(fā)電機狀態(tài)的過渡(c)發(fā)電機

(a)電動機,,第七節(jié)同步發(fā)電機空載運行

隱極同步電機的電磁功率為當(dāng)時，，，將電功率轉(zhuǎn)換為機械功率輸出，電動機運行。當(dāng)時，，，將機械功率轉(zhuǎn)換為電功率輸出，機械功率來源于原動機。即從原動機輸入機械功率，輸出電功率，發(fā)電機運行。第七節(jié)同步發(fā)電機空載運行二．同步發(fā)電機的空載運行第七節(jié)同步發(fā)電機空載運行

原動機拖動同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，勵磁繞組通入直流電，定子三相繞組開路，稱為同步發(fā)電機的空載運行。此時，定子電流為零，電機內(nèi)只有轉(zhuǎn)子勵磁電流產(chǎn)生的主極磁場，則主極勵磁磁動勢為(9.20)第七節(jié)同步發(fā)電機空載運行

主極磁場產(chǎn)生的磁通包括主磁通

和漏磁通

，兩者通過的磁路也不同。圖9.17同步發(fā)電機的空載磁路第七節(jié)同步發(fā)電機空載運行

若忽略氣隙磁場中高次諧波，氣隙磁場在空間按正弦規(guī)律分布，并隨轉(zhuǎn)子一起以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的主極磁場切割定子三相繞組，就會在定子繞組中感應(yīng)出頻率為

的對稱三相電動勢，稱為空載電動勢。忽略高次諧波時，每相繞組的空載電動勢有效值

為(9.21)第七節(jié)同步發(fā)電機空載運行圖9.18同步發(fā)電機空載特性

當(dāng)調(diào)節(jié)勵磁電流

時，主極磁通

和空載電動勢

也隨之變化。空載電動勢

隨勵磁電流

變化的關(guān)系曲線000000000000或主磁通

隨主極勵磁磁動勢

變化的關(guān)系曲線

稱為空載特性曲線，如圖9.18所示。第七節(jié)同步發(fā)電機空載運行圖9.18同步發(fā)電機空載特性

第七節(jié)同步發(fā)電機空載運行圖9.19同步發(fā)電機空載相量圖

同步發(fā)電機中的主極磁場以同步轉(zhuǎn)速000在空間旋轉(zhuǎn)，由其產(chǎn)生的正弦基波主磁通和定子繞組中感應(yīng)的以角頻率000交變的正弦基波電動勢在時空上同步變化。同步發(fā)電機空載運行時的相量圖如圖9.19所示。

同步發(fā)電機各物理量正方向的規(guī)定如圖9.20所示。圖中

000分別表示主磁通

和電樞反應(yīng)磁通

在定子繞組中感應(yīng)的勵磁電動勢和電樞反應(yīng)電動勢。第八節(jié)隱極同步發(fā)電機負(fù)載運行圖9.20同步發(fā)電機物理量的正方向

不考慮磁路飽和時，可采用疊加原理求解。隱極同步發(fā)電機的基本電磁關(guān)系為：式中為定子繞組的相電阻。一．不考慮磁路飽和(9.22)

根據(jù)基爾霍夫定律，可得定子繞組電壓平衡方程為第八節(jié)隱極同步發(fā)電機負(fù)載運行第八節(jié)隱極同步發(fā)電機負(fù)載運行

和

分別滯后于產(chǎn)生它們的磁通

、

相位角。因磁路不飽和，有

正比于

，

正比于

，而

又正比于

，因此，

正比于

。由于

與

的正方向相同，故

領(lǐng)先于

相位角。仿照變壓器及異步電機的分析方法，將電動勢變成電抗壓降形式，故有：(9.23)式中，

為電樞反應(yīng)電抗，表示對稱三相電流所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁場在定子相繞組中感應(yīng)電動勢的能力。第八節(jié)隱極同步發(fā)電機負(fù)載運行

式(9.22)可改寫為(9.24)

式中，

，為隱極同步電機的同步電抗，綜合反映了穩(wěn)態(tài)運行時電樞反應(yīng)磁場和漏磁場的作用。第八節(jié)隱極同步發(fā)電機負(fù)載運行圖9.22隱極同步電機相量圖和等效電路

相量圖中，

和

之間的夾角稱為內(nèi)功率因數(shù)角Ψ。根據(jù)幾何關(guān)系不難得出：

飽和時，由于磁路非線性，不能使用疊加原理求解。而必須首先將主極磁動勢和等效的電樞磁動勢進行矢量相加，求出合成磁動勢，再利用磁化曲線求解合成磁通和合成電動勢。二．考慮磁路飽和

通常磁化曲線上勵磁磁動勢

用幅值表示，隱極發(fā)電機的勵磁磁動勢為一階梯形波，如圖9.23所示。第八節(jié)隱極同步發(fā)電機負(fù)載運行第八節(jié)隱極同步發(fā)電機負(fù)載運行圖9.23隱極同步發(fā)電機勵磁磁動勢(9.26)式中為產(chǎn)生同樣的基波氣隙磁場，電樞磁動勢轉(zhuǎn)換為梯形波磁動勢的系數(shù)。由于電樞磁動勢

幅值是基波的幅值，因此，需要把基波電樞磁動勢幅值換算成等效的階梯波的幅值，才能將

和

進行矢量相加。第八節(jié)隱極同步發(fā)電機負(fù)載運行第八節(jié)隱極同步發(fā)電機負(fù)載運行

然后根據(jù)電機的磁化曲線求出負(fù)載時的氣隙磁通

和

相應(yīng)的氣隙電動勢，并進一步導(dǎo)出電樞的電壓方程，即(9.27)圖9.24隱極同步發(fā)電機飽和時的相量圖和等效電路

與隱極同步發(fā)電機不同，凸極同步發(fā)電機的氣隙不均勻，因而直軸與交軸磁路磁阻不相同，電樞磁動勢作用在直軸和交軸磁路上時，所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁通不同。因此需要運用雙反應(yīng)原理進行分析。第九節(jié)凸極同步發(fā)電機負(fù)載運行

不考慮磁路飽和時，凸極同步發(fā)電機磁路不飽和運行時的基本電磁關(guān)系為：一．不考慮磁路飽和第九節(jié)凸極同步發(fā)電機負(fù)載運行圖9.25凸極同步發(fā)電機不飽和時的基本電磁關(guān)系第九節(jié)凸極同步發(fā)電機負(fù)載運行

根據(jù)圖9.20規(guī)定的同步發(fā)電機各物理量正方向，可得定子電壓平衡方程為

因磁路不飽和，

正比于

，

正比于

，

又正比于

，因此，

正比于

。由于

與

的

正方向相同，故

落后于

相位。將電動勢變成電抗壓降形式。故有(9.28)(9.29)第九節(jié)凸極同步發(fā)電機負(fù)載運行同理可得：(9.30)

式中，

和

分別為直軸電樞反應(yīng)電抗和交軸電樞反應(yīng)電抗，表示直軸和交軸電樞反應(yīng)磁場在定子相繞組中感應(yīng)電動勢的能力。第九節(jié)凸極同步發(fā)電機負(fù)載運行

將式（9.29）和式（9.30）代入式（9.28）后可得：(9.31)

式中：(9.32)(9.33)

為

凸極同步發(fā)電機的直軸同步電抗和交軸同步電抗，分別反映了直軸電樞反應(yīng)磁場及漏磁場和交軸電樞反應(yīng)磁場及漏磁場的作用。第九節(jié)凸極同步發(fā)電機負(fù)載運行由于凸極電機氣隙不均勻，

，

圖9.26凸極同步發(fā)電機相量圖相量圖中，和之間的夾角稱為內(nèi)功率因數(shù)角Ψ。根據(jù)幾何關(guān)系不難得出：(9.34)

飽和時，由于磁路非線性，不能使用疊加原理求解。為簡化計算，忽略交、直軸磁路交叉飽和影響。交、直軸磁路的合成磁動勢及感應(yīng)電動勢可分別由空載特性求得。氣隙合成電動勢為交、直軸感應(yīng)電動勢之和，即二．考慮磁路飽和第九節(jié)凸極同步發(fā)電機負(fù)載運行

凸極同步發(fā)電機磁路飽和時的基本電磁關(guān)系為第九節(jié)凸極同步發(fā)電機負(fù)載運行圖9.27凸極同步發(fā)電機飽和時的基本電磁關(guān)系

其中，

均為基波磁動勢折算到勵磁繞組的等效勵磁磁動勢。用

和

在圖9.28所示空載特性上可得

和

。第九節(jié)凸極同步發(fā)電機負(fù)載運行圖9.28空載特性第九節(jié)凸極同步發(fā)電機負(fù)載運行則電樞繞組電壓平衡方程為(9.35)由于交軸氣隙較大，交軸磁路仍可認(rèn)為是線性的代入式（9.35）可得：(9.36)第九節(jié)凸極同步發(fā)電機負(fù)載運行圖9.29考慮飽和的凸極同步發(fā)電機相量圖

同步發(fā)電機由原動機拖動，在對稱負(fù)載下穩(wěn)態(tài)運行時，由原動機輸入的機械功率在扣除了機械損耗、鐵耗和附加損耗后，轉(zhuǎn)化為電磁功率，功率平衡方程為式中，為空載損耗。一．功率和轉(zhuǎn)矩平衡方程(9.37)(9.38)即第十節(jié)同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩

電磁功率是由氣隙合成磁場傳遞到發(fā)電機定子的電功率。在扣除了電樞繞組銅耗后，就是發(fā)電機輸出的電功率，即

(9.39)第十節(jié)同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩式中，為原動機提供的拖動轉(zhuǎn)矩；而為空載阻轉(zhuǎn)矩，制動性質(zhì)；為電磁轉(zhuǎn)矩，也是制動性質(zhì)。

(9.40)

式(9.38)同時除以發(fā)電機角速度，就得到了同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩平衡方程，即第十節(jié)同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩二．功角特性根據(jù)圖9.26相量圖，忽略電樞繞組電阻，可推導(dǎo)出凸極同步發(fā)電機功角特性：(9.41)

式中，第一項稱為勵磁電磁功率，第二項稱為凸極電磁功率或磁阻功率，是由d、q軸磁路不對稱產(chǎn)生的。對于隱極同步發(fā)電機，，電磁功率為

(9.42)第十節(jié)同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩隱極同步發(fā)電機只有勵磁電磁功率，其功角特性如圖9.30曲線1所示。圖9.30同步發(fā)電機的功角特性凸極同步發(fā)電機功角特性如圖9.30曲線3所示。其中，勵磁電磁功率為曲線1，凸極電磁功率為曲線2。第十節(jié)同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩第十節(jié)同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩

第十節(jié)同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩

當(dāng)忽略定子繞組電阻和定子漏抗壓降時，由式（9.28）可得：

即定子繞組端電壓近似等于勵磁磁場和電樞磁場在定子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相量和。(9.43)圖9.31同步發(fā)電機的功角

功角是同步發(fā)電機的基本變量之一，它不僅決定著同步發(fā)電機電磁功率的大小，其正負(fù)還決定著同步電機的運行狀態(tài)。第十節(jié)同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩例9.2一臺水輪同步發(fā)電機，

、

的，接在00000的電網(wǎng)上，帶負(fù)載運行，

，

（滯后）忽略定子電阻，試計算：第十節(jié)同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩(1)勵磁電動勢

和內(nèi)功率因數(shù)角

；(2)電磁功率

和最大電磁功率

；第十節(jié)同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩解：(1)根據(jù)內(nèi)功率因數(shù)角的計算公式可得：發(fā)電機的功角為：根據(jù)圖9.26凸極同步發(fā)電機相量圖可得勵磁電動勢：第十節(jié)同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩(2)電磁功率

：第十節(jié)同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩令：即：第十節(jié)同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩解得

，代入

計算公式可得最大電磁功率

：第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性同步發(fā)電機在對稱負(fù)載下的運行特性是確定電機主要參數(shù)、評價其性能的基本依據(jù)，可由實驗方法測得。同步發(fā)電機運行特性包括:空載特性短路特性負(fù)載特性外特性調(diào)節(jié)特性一.空載特性同步發(fā)電機運行在同步轉(zhuǎn)速，不帶負(fù)載。改變勵磁電流，空載電動勢隨之變化的關(guān)系稱為空載特性。

由于鐵磁材料有磁滯現(xiàn)象，實驗測定時，上升和下降的曲線不會重合。因此，一般采用從開始至的下降曲線，如圖9.32中上部的曲線所示。第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性

通過空載特性不僅可以檢查勵磁系統(tǒng)的工作狀況，電樞繞組的聯(lián)結(jié)正確性，還可以知道發(fā)電機磁路飽和的程度。圖9.32空載特性剩磁電動勢校正值實測曲線校正曲線第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性短路特性是指同步發(fā)電機運行在同步轉(zhuǎn)速，定子三相繞組短路，電樞短路電流與勵磁電流的關(guān)系。如圖9.33所示。圖9.33短路特性二.短路特性第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性圖9.34穩(wěn)態(tài)短路時相量圖由于端電壓為零，電樞電阻遠(yuǎn)小于電抗，因此，短路電流滯后感應(yīng)電勢近似為90o，基本上為純感性。電樞磁動勢基本上就是去磁作用的直軸磁動勢，即。第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性當(dāng)短路電流增加時，電樞磁動勢正比增加，由于磁路不飽和，合成磁動勢也正比增加，勵磁磁動勢也正比增加，勵磁電流也正比增加，短路電流與勵磁電流呈線性關(guān)系。電機的電動勢平衡方程為第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性三.零功率因數(shù)負(fù)載特性同步發(fā)電機的零功率因數(shù)負(fù)載特性指的是發(fā)電機帶純電感負(fù)載，保持負(fù)載電流為常數(shù)的條件下，發(fā)電機端電壓與勵磁電流之間的關(guān)系曲線如圖9.35所示。第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性圖9.35零功率因數(shù)負(fù)載特性

為克服漏抗壓降所增加的勵磁電流;

是克服電樞反應(yīng)去磁作用所需要增加的勵磁電流。

是電機的特性三角形。

第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性

圖9.35零功率因數(shù)負(fù)載特性

第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性

通過上述分析可知，零功率因數(shù)特性與空載特性之間存在一個特性三角形。由于零功率因數(shù)特性時電樞電流保持不變，該直角三角形大小不變。其左上角頂點沿空載曲線移動時，其右下角頂點的軌跡即為所求的零功率因數(shù)負(fù)載特性曲線。圖9.36為零功率因數(shù)負(fù)載時的相量圖。由于，且電樞電阻與回路電抗相比可忽略，即與的夾角，故零功率因數(shù)負(fù)載時的電樞磁動勢僅有去磁的直軸磁動勢分量，于是。圖9.36零功率因數(shù)負(fù)載時的相量圖

第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性純電阻負(fù)載四.外特性外特性是指發(fā)電機運行在同步轉(zhuǎn)速、勵磁電流為常數(shù)、功率因數(shù)恒定的條件下，端電壓與負(fù)載電流之間的關(guān)系曲線。圖9.37同步發(fā)電機的外特性感性負(fù)載容性負(fù)載額定工作點過勵欠勵第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性

圖9.37表示同步發(fā)電機不同功率因數(shù)時的外特性。發(fā)電機帶感性負(fù)載或純電阻負(fù)載時，由于定子漏抗壓降和電樞反應(yīng)去磁作用影響，隨著負(fù)載電流的增加，外特性呈下降趨勢，感性負(fù)載下降得更多；帶容性負(fù)載時，由于電樞反應(yīng)起助磁作用及容性電流的漏抗壓降使端電壓上升，外特性呈上升趨勢。

為了使不同功率因數(shù)條件下發(fā)電機工作于額定點U=UN、I=IN，則感性負(fù)載時所需要的勵磁電流大于容性負(fù)載時的數(shù)值，因此，稱前者處于過勵狀態(tài)，而后者為欠勵狀態(tài)。要求

發(fā)電機端電壓隨負(fù)載變化的程度用電壓調(diào)整率表示。發(fā)電機運行在同步轉(zhuǎn)速，保持勵磁電流為額定值，輸出電壓從額定電壓到空載電壓（電動勢），如圖9.38所示。則同步發(fā)電機的電壓調(diào)整率為圖9.38同步發(fā)電機輸出電壓的變化第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性五.調(diào)整特性當(dāng)發(fā)電機負(fù)載電流變化時，為保持端電壓不變，必須調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流。調(diào)整特性是指發(fā)電機運行在同步轉(zhuǎn)速，端電壓保持不變，功率因數(shù)恒定的條件下，發(fā)電機勵磁電流與電樞電流的關(guān)系曲線，如圖9.39所示。第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性與外特性相反，對于感性和電阻性負(fù)載，為補償定子漏抗壓降和電樞反應(yīng)去磁作用，隨著負(fù)載的增大需要增加勵磁電流，特性曲線呈上升趨勢；而對容性負(fù)載，因負(fù)載電流的助磁作用，需要減小勵磁電流，特性曲線呈下降趨勢。圖9.39同步發(fā)電機的調(diào)整特性第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性六.用特性曲線進行參數(shù)計算1.由空載特性和短路特性確定

和短路比第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性

對于一定的勵磁電流

，從短路特性曲線可以求得短路電流00，從空載特性曲線可以得到對應(yīng)的空載電動勢

，則電抗

為

由于短路時主磁路是不飽和的，

與

成正比，因此

應(yīng)當(dāng)由氣隙線求得，此時求得的同步電抗為不飽和值。由空載、短路特性計算

的方法如圖9.40所示。(9.45)第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性

發(fā)電機在額定電壓附近運行時，磁路一般處于飽和狀態(tài)，同步電抗的飽和值與發(fā)電機的短路比有關(guān)。短路比定義為空載電壓為額定電壓時的勵磁電流

與產(chǎn)生額定短路電流

所需的勵磁電流之比，用

表示。(9.46)第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性圖9.40同步發(fā)電機

和短路比的求解第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性

由圖9.40可知式(9.47)中，

，稱為額定電壓下的飽和系數(shù)。

為磁路飽和時產(chǎn)生電壓

所需的磁動勢，而

為磁路不飽和時產(chǎn)生同樣電壓所需的磁動勢，兩者之比恰好是由于磁路飽和使磁阻增加的倍數(shù)，故將

稱為飽和系數(shù)。由于飽和同步電抗可近似為(9.47)(9.48)第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性(9.49)

因此，短路比可表示為

標(biāo)幺值的倒數(shù)，即

短路比也反映了產(chǎn)生空載額定電壓和額定短路電流所需的勵磁電流之比。

短路比與發(fā)電機尺寸參數(shù)、成本等因素密切相關(guān)，對電機性能影響較大。短路比大，則

小，負(fù)載變化時發(fā)電機的電壓穩(wěn)定較好；短路比小，

較大，負(fù)載變化時發(fā)電機的電壓變化較大，并聯(lián)運行時發(fā)電機的穩(wěn)定度較差。2.由空載特性和零功率因數(shù)特性確定定子漏電抗第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性圖9.41同步發(fā)電機定子漏電抗

和保梯電抗

的求解第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性

同步發(fā)電機空載特性和額定電流下的零功率因數(shù)理論特性曲線（虛線所示）如圖9.41所示。在零功率因數(shù)理論特性曲線上，選取額定電壓點

，做直線

平行于橫軸，并使

00000000。然后，過點

作氣隙線的平行線，與空載特性相交于點

。則直角三角形

即為發(fā)電機的特性三角形。其中，直角邊

，另一直角邊

。因此定子漏電抗為：3.由空載特性和零功率因數(shù)特性確定保梯電抗第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性

由實驗測得的零功率因數(shù)特性與理論特性曲線并不完全重合，如圖9.41中的實線所示，原因如下：

空載運行時，勵磁電流

在發(fā)電機中產(chǎn)生磁場并在定子繞組感應(yīng)出勵磁電動勢

外，還會產(chǎn)生少量的主極漏磁通。第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性

零功率因數(shù)負(fù)載運行時，負(fù)載為純電感，勵磁電流為

，等效電樞反應(yīng)電流為

。雖然產(chǎn)生合成磁場所對應(yīng)的等效勵磁電流仍然為

，與空載時相同，但零功率因數(shù)負(fù)載時，勵磁電流

，勵磁磁動勢也要大很多，產(chǎn)生的主極漏磁通自然也大很多，使磁路飽和程度增加，主磁路磁阻增大。因此，要想獲得同樣的氣隙磁場，就需要施加比

000更大的勵磁電流

，所以實測的零功率因數(shù)特性，不是圖9.41中所示的虛線，而是圖中的實線。第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性

實際的特性三角形應(yīng)為直角三角形

。由于

，求出的漏電抗

較大，為區(qū)別起見，用

表示，稱為保梯電抗，即：

在計算同步發(fā)電機運行特性時，負(fù)載性質(zhì)通常以感性居多，主磁極鐵心都存在著飽和現(xiàn)象，與零功率因數(shù)負(fù)載特性類似。因此，采用保梯電抗替代漏電抗，反而會得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性例9.3一臺汽輪發(fā)電機，三相星形聯(lián)結(jié)，額定數(shù)據(jù)如下：容量

0000000000000，電壓

，功率因數(shù)

（滯后），頻率

。其空載特性為：4000800011000130001400015000160004590132170210280440短路特性為一條過原點的直線，當(dāng)

時，

。額定電流下零功率因數(shù)負(fù)載特性上，電壓為額定值時相氣隙電動勢為

，忽略電樞繞組電阻。計算：（1）保梯電抗；（2）額定勵磁電流；（3）電壓調(diào)整率。第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性解：(1)額定電流為零功率因數(shù)負(fù)載特性上額定電流時漏電抗壓降為因此：第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性（2）短路時,電樞反應(yīng)磁動勢為直軸去磁性質(zhì),勵磁磁動勢與電樞反應(yīng)磁動勢合成得到氣隙磁動勢,從而感應(yīng)氣隙電動勢,與漏電抗上的壓降平衡。根據(jù)短路電流為額定電流時的漏電抗壓降,查空載特性可得對應(yīng)的等效勵磁電流為由短路特性可知,短路電流為額定值時的勵磁電流為第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性額定電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁動勢的等效勵磁電流為以相電壓為參考相量,即：功率因數(shù)角,則,作出發(fā)電機額定運行的相量圖如圖9.42所示。第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性圖9.42例9.3相量圖第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性由電壓方程式得查空載特性,得到氣隙合成磁動勢對應(yīng)的勵磁電流為由相量圖可知,電樞反應(yīng)磁動勢與氣隙磁動勢之間的夾角第十一節(jié)同步發(fā)電機的運行特性根據(jù)余弦定理，額定負(fù)載時的勵磁電流為（3）根據(jù)額定勵磁電流查空載特性，得到勵磁電動勢為則第十二節(jié)同步發(fā)電機的并聯(lián)運行1、提高供電的可靠性；2、提高供電的質(zhì)量；3、電能的供應(yīng)可以相互調(diào)劑，合理使用；4、提高供電的穩(wěn)定性。在發(fā)電廠中，總是有多臺同步發(fā)電機并聯(lián)運行，而現(xiàn)代電力系統(tǒng)則是由多個發(fā)電廠并聯(lián)而成。同步發(fā)電機并聯(lián)運行具有一系列的優(yōu)點：一．并聯(lián)運行的條件(1)幅值相同；(2)波形相同；(3)頻率相同；(4)相序相同；(5)相位相同。第十二節(jié)同步發(fā)電機的并聯(lián)運行圖9.43發(fā)電機并聯(lián)運行幅值不相等電機與電網(wǎng)之間存在電位差，產(chǎn)生環(huán)流，從而使發(fā)電機損耗增大、溫升增高。波形不同在發(fā)電機與電網(wǎng)間產(chǎn)生一系列高次諧波環(huán)流，從而損耗增大、溫升增高、效率降低。頻率不同發(fā)電機與電網(wǎng)電壓相量之間存在相對運動，且周而復(fù)始，從而產(chǎn)生差頻環(huán)流，在電機內(nèi)引起功率振蕩。相序不同不同相序之間巨大的電位差產(chǎn)生的巨大環(huán)流和機械沖擊，將嚴(yán)重危害發(fā)電機安全。相位不相等也會在電機與電網(wǎng)之間產(chǎn)生環(huán)流。條件不滿足時對電機的影響第十二節(jié)同步發(fā)電機的并聯(lián)運行二、投入并聯(lián)的方法1.準(zhǔn)確同步法直接接法（暗燈法）交叉接法（燈光旋轉(zhuǎn)法）2.自同步法第十二節(jié)同步發(fā)電機的并聯(lián)運行1.準(zhǔn)確同步法將發(fā)電機參數(shù)調(diào)整到完全符合并聯(lián)運行條件后并網(wǎng)操作，稱為準(zhǔn)確同步法。調(diào)整過程中，常用三組相燈來判別條件的滿足情況。三組相燈的接法有直接接法和交叉接法兩種，如圖9.44和9.46所示。第十二節(jié)同步發(fā)電機的并聯(lián)運行圖9.44直接接法第十二節(jié)同步發(fā)電機的并聯(lián)運行每組相燈上的電壓相同，即。設(shè)發(fā)電機與電網(wǎng)的電壓幅值相同，但頻率不等，相量圖如圖9.45所示。直接接法（暗燈法）圖9.45電壓幅值相同頻率不等的相量圖以頻率在之間交變，三組相燈同時以頻率閃爍。第十二節(jié)同步發(fā)電機的并聯(lián)運行直接接法并網(wǎng)操作步驟（1）按照直接接法接線；（2）把發(fā)電機拖動到接近同步轉(zhuǎn)速；（3）調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁使端電壓與電網(wǎng)電壓相等；若相序正確，則在發(fā)電機頻率與電網(wǎng)頻率不等時，三組相燈會同時變亮和變暗。（4）調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速使相燈變亮和變暗的頻率很低，并在三組相燈全暗時，迅速合閘，完成并網(wǎng)操作。第十二節(jié)同步發(fā)電機的并聯(lián)運行圖9.46交叉接法第十二節(jié)同步發(fā)電機的并聯(lián)運行交叉接法（燈光旋轉(zhuǎn)法）圖9.47交叉接法電壓幅值相同頻率不等的相量圖第十二節(jié)同步發(fā)電機的并聯(lián)運行由圖9.47可知，三組相燈的亮度會依次變化，最大的相燈最亮，最大的依次出現(xiàn)在不同的相燈，且周而復(fù)始，循環(huán)變化，好像燈光在旋轉(zhuǎn)。

所以，交叉接法又稱為燈光旋轉(zhuǎn)法，其優(yōu)點是顯示直觀。根據(jù)燈光旋轉(zhuǎn)方向，調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速，使燈光旋轉(zhuǎn)速度逐漸變慢，最后在某一組燈光熄滅、另兩組燈光亮度相等時合閘，完成并網(wǎng)操作，并最終牽入同步運行。第十二節(jié)同步發(fā)電機的并聯(lián)運行2.自同步法

用準(zhǔn)確同步法進行并聯(lián)的優(yōu)點是沒有明顯的電流沖擊，但缺點是操作復(fù)雜，耗時較多。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，需要迅速將發(fā)電機投入電網(wǎng)，常采用自同步法實現(xiàn)并聯(lián)運行。自同步法的操作步驟是：發(fā)電機勵磁繞組先不接電源而經(jīng)外電阻短路，當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機并網(wǎng)，勵磁繞組切除外電阻并立即接入勵磁電源，利用自整步作用使發(fā)電機牽入同步。第十二節(jié)同步發(fā)電機的并聯(lián)運行2.自同步法

自同步法的優(yōu)點是操作簡便，不需要復(fù)雜設(shè)備，缺點是合閘及投入勵磁時均有較大的電流沖擊。

上面介紹的并網(wǎng)方法，無論是準(zhǔn)確同步法還是自同步法，都屬于人工操作。隨著自動化技術(shù)的不斷進步，人工并網(wǎng)目前已基本不用了，取而代之的是自動并網(wǎng)。自動并網(wǎng)不但使并網(wǎng)的各項要求能最大限度地得到滿足，而且可對電網(wǎng)故障作出快速、準(zhǔn)確的反應(yīng)，提高了電力系統(tǒng)運行可靠性和綜合自動化水平。第十二節(jié)同步發(fā)電機的并聯(lián)運行

根據(jù)能量守恒原理，調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出的有功功率就必須改變原動機的輸入功率。輸入功率的變化將使發(fā)電機的輸入轉(zhuǎn)矩發(fā)生相應(yīng)的變化，并進一步使輸出有功功率發(fā)生變化。第十三節(jié)同步發(fā)電機并聯(lián)運行時的功率調(diào)節(jié)一、有功功率的調(diào)節(jié)

發(fā)電機空載運行時，輸入功率

等于空載損耗，輸入轉(zhuǎn)矩

等于發(fā)電機空載運行的阻力矩，電磁功率

為零。此時發(fā)電機的功角

，發(fā)電機運行在功角特性的原點，轉(zhuǎn)子主極磁場和氣隙合成磁場重合，

和

大小相等、相位相同，如圖9.48（a）所示。第十三節(jié)同步發(fā)電機并聯(lián)運行時的功率調(diào)節(jié)圖9.48(a)發(fā)電機空載相量圖第十三節(jié)同步發(fā)電機并聯(lián)運行時的功率調(diào)節(jié)圖9.48(b)發(fā)電機負(fù)載相量圖

當(dāng)發(fā)電機輸入功率

增加時，輸入轉(zhuǎn)矩

隨之增大，轉(zhuǎn)子加速。由于合成旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速不變?nèi)詾橥睫D(zhuǎn)速，因此轉(zhuǎn)子磁極與合成磁場等效磁極之間相對位置發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子磁極軸線沿旋轉(zhuǎn)方向向前移動，使轉(zhuǎn)子磁極領(lǐng)先于氣隙合成磁場等效磁極，使功角增加，如圖9.48(b)所示。第十三節(jié)同步發(fā)電機并聯(lián)運行時的功率調(diào)節(jié)圖9.48(c)發(fā)電機功率調(diào)節(jié)

因此發(fā)電機電磁功率增加，開始輸出有功功率。此時，電磁轉(zhuǎn)矩為制動的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡時，即

000時，轉(zhuǎn)子不再加速，發(fā)電機達(dá)到新的平衡狀態(tài)，向電網(wǎng)輸出電能。此時，發(fā)電機的功角為000，如圖9.48(c)中的點00所示。第十三節(jié)同步發(fā)電機并聯(lián)運行時的功率調(diào)節(jié)

發(fā)電機在功角特性的

點上運行時，如果減小從原動機的輸入功率，發(fā)電機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩減少，則轉(zhuǎn)子減速，轉(zhuǎn)子磁極領(lǐng)先于氣隙合成磁場等效磁極的角度減小，電磁功率減少，發(fā)電機輸出功率也減少了，功角由原來的

減小為

，工作點由點

移動至點

，如圖9.48(c)所示。在

點發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩又重新達(dá)到平衡。

通過上述分析可知，改變從原動機輸入的功率，可以對發(fā)電機的輸出功率進行調(diào)節(jié)。

并聯(lián)運行的同步發(fā)電機，當(dāng)電網(wǎng)或原動機發(fā)生微小的擾動時，擾動消失后發(fā)電機恢復(fù)到原運行狀態(tài)的能力，稱為同步發(fā)電機的靜態(tài)穩(wěn)定性。若能恢復(fù)穩(wěn)態(tài)運行，發(fā)電機便是穩(wěn)定的，否則就是不穩(wěn)定的。第十三節(jié)同步發(fā)電機并聯(lián)運行時的功率調(diào)節(jié)二、靜態(tài)穩(wěn)定性第十三節(jié)同步發(fā)電機并聯(lián)運行時的功率調(diào)節(jié)

同步發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)是：當(dāng)功角

有微小變化后，電磁功率

亦隨之改變，其微分形式為