電機(jī)學(xué)同步電機(jī)部分知識點(diǎn)總結(jié)

一、同步電機(jī)（電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速相同）的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子上裝有磁極和勵磁繞組。當(dāng)勵磁繞組通以直流電流后，電機(jī)內(nèi)就產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場。同步電機(jī)的磁極通常裝在轉(zhuǎn)子上，而電樞繞組放在定子上，通常稱為旋轉(zhuǎn)磁極式電機(jī)。旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子有隱極和凸極兩種結(jié)構(gòu)，隱極電機(jī)的隱極機(jī)一般用汽輪機(jī)拖動，凸極機(jī)用水輪機(jī)拖動。二、對稱負(fù)載時的電樞反應(yīng)1.同步電機(jī)空載時，氣隙磁場就是由勵磁磁動勢所產(chǎn)生的同步旋轉(zhuǎn)的主磁場，在定子繞組中只感應(yīng)有空載電動勢，因?yàn)槎ㄗ与娏鳛?，所以端電壓就等于空載電動勢。帶上對稱負(fù)載以后，定子繞組流過負(fù)載電流時，電樞繞組就會產(chǎn)生電樞磁動勢以及相應(yīng)的電樞磁場，若僅考慮其基波，則它與轉(zhuǎn)子同向、同速旋轉(zhuǎn)，它的存在使空氣隙磁動勢分布發(fā)生變化，從而使空氣隙磁場以及繞組中的感應(yīng)電動勢發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電樞反應(yīng)。2.內(nèi)功率因數(shù)角Ψ：把同步電機(jī)負(fù)載電流和空載電動勢之間的相角定義為內(nèi)功率因數(shù)角4.同步電機(jī)在直流勵磁增大后的運(yùn)行狀態(tài)稱為過勵狀態(tài)。過勵狀態(tài)運(yùn)行下的同步電機(jī)將向電網(wǎng)輸送感性無功功率。同步發(fā)電機(jī)減小直流勵磁后的運(yùn)行狀態(tài)稱為欠勵狀態(tài)。欠勵運(yùn)行的同步電機(jī)是輸送容性無功功率到電網(wǎng)。5.當(dāng)去磁作用時，電網(wǎng)上的同步電機(jī)，不論是用作發(fā)電機(jī)或電動當(dāng)直軸電樞磁動勢起磁化作用時，接在電網(wǎng)上的同步電機(jī)不論用作發(fā)電機(jī)或電動機(jī)，均是在欠勵狀態(tài)。6.由內(nèi)功率因數(shù)角判斷同步電機(jī)的運(yùn)行方式。1.電樞反應(yīng)電抗的物理意義：電樞反應(yīng)磁場在定子每相繞組中所感應(yīng)的電樞反應(yīng)電動勢Ea，可以把它看作相電流所產(chǎn)生的一個電抗電壓降，這個電抗便是電樞反應(yīng)電抗xa。通，另一部分對應(yīng)于定子電流所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁通。需強(qiáng)調(diào)的是，只有當(dāng)定子流過對稱電流，即只有當(dāng)空氣隙磁場為圓形旋轉(zhuǎn)磁場時，同步電抗才有意義。但對于凸極同步機(jī)而言，凸極同步機(jī)的氣隙不均勻，氣隙各處的同一電樞磁動勢波作用在氣隙不同處，會遇到不同的磁阻。當(dāng)電機(jī)氣隙不均勻時，求空氣隙各點(diǎn)處的磁阻又是非常困難的。為了解決這個困難，采用雙反應(yīng)法。把電樞反應(yīng)磁動勢分解為直軸電樞反應(yīng)磁動勢和交軸電樞反應(yīng)磁直軸磁導(dǎo)和交軸磁導(dǎo)雖不相等，但它們本身有固定的數(shù)值。這種把一個電樞反應(yīng)用兩個電樞反應(yīng)分量來替代的方法稱為雙反因此，與之對應(yīng)有直軸電樞反應(yīng)電抗和交軸電樞反應(yīng)電抗，再把電樞反應(yīng)電抗與漏抗相加，可得直軸同步電抗和交軸同步電抗。四、同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)及測定1.不飽和同步電抗和飽和同步電抗：不飽和同步電抗的數(shù)值要比 （有一規(guī)律：氣隙大，磁阻就大，電抗就小）2.漏抗的測定和保梯電抗（電抗三角形）（1）負(fù)載特性：當(dāng)電樞電流及功率因數(shù)均為常數(shù)時，端電壓與勵磁電流之間的關(guān)系曲線U=f(If)稱為負(fù)載特性。通過空載特性曲線和零功率因數(shù)曲線可以求得飽和同步電抗及電（2）漏抗的測定：①（法1）通過空載特性曲線和零功率因數(shù)曲線，作出電抗三角形，電抗三角形的高度ab與額定電流的比值，②（法2）抽出轉(zhuǎn)子法：把電機(jī)轉(zhuǎn)子抽出，給定子繞組外施一對稱三相電路，該電流的值應(yīng)使流入定子繞組中的電流有額定值，每相外施電壓與額定電流之比便為所求漏抗。性曲線和電抗三角形推出的零功率因數(shù)曲線是理論零功率因數(shù)曲線，實(shí)際測得的曲線末端會向下彎曲一些（由于實(shí)際磁飽和的存對于實(shí)測的零功率因數(shù)曲線，作出的電抗三角形稱為保梯三角形，由該三角形算出的漏抗稱為保梯電抗xP。（4）轉(zhuǎn)差法測定xd和xq：調(diào)節(jié)原動機(jī)轉(zhuǎn)速，使被試電機(jī)的轉(zhuǎn)差率小于1%，但不被牽入同步，這是定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子之間保持一個低俗相對運(yùn)動，使定子旋轉(zhuǎn)磁場軸線交替地與轉(zhuǎn)子直軸和定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子直軸重合時，定子表現(xiàn)的電抗是xd，此時電抗最大，定子電流最小，端電壓最大；定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子交軸重合時，定子表現(xiàn)的電抗為xq，此時電抗最小，定子電流最大，端電壓最小。（此實(shí)驗(yàn)測得的同步電抗一般來說xq數(shù)值約為xd的60%左右。五、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性（外特性、電壓變化率、調(diào)整特性）1.外特性：發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、勵磁電流和負(fù)載功率因數(shù)不變時，發(fā)電機(jī)的端電壓與電樞電流之間的關(guān)系。反應(yīng)的去磁作用和漏阻抗壓降所引起。在容性負(fù)載且功率因數(shù)角超前時，由于電樞反應(yīng)的增磁作用和容性電流的漏抗電壓上升，外特性也可能是上升的。）率因數(shù)一定時，負(fù)載電流和勵磁電流之間關(guān)系的曲線稱為調(diào)整特性。（不同負(fù)載功率因數(shù)時的調(diào)整特性，其變化趨勢與外特性恰好相反。如，當(dāng)感性負(fù)載電流增大時，為補(bǔ)償電樞反應(yīng)的去磁作用及電樞漏阻抗電壓降，為維持端電壓不變，必須相應(yīng)增加勵磁一、同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行1.并聯(lián)運(yùn)行的條件發(fā)電機(jī)并入大電網(wǎng)須滿足條件（要求短時間內(nèi)不產(chǎn)生電流的沖擊）（2）發(fā)電機(jī)的電壓幅值等于電網(wǎng)電壓的幅值；（3）發(fā)電機(jī)的電壓相序與電網(wǎng)的相序相同；（4）并網(wǎng)時，發(fā)電機(jī)的電壓相角與電網(wǎng)電壓的相角一樣。2.并聯(lián)運(yùn)行的方法（整步過程—投入并聯(lián)進(jìn)行的調(diào)節(jié)和操作過程）（1）準(zhǔn)確整步法：把發(fā)電機(jī)調(diào)整到完全符合投入并聯(lián)的條件，為判斷是否滿足投入并聯(lián)條件，常采用同步指示器（由三個同步指示燈組成，有直接接法和交叉接法2種接法。前者是燈光同時二、隱極/凸極同步發(fā)電機(jī)的功角特性1.同步發(fā)電機(jī)的功率流程圖P1為自原動機(jī)輸入到發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率，由機(jī)械功率減去機(jī)械損耗、鐵芯損耗和附加損耗以后，便得到電磁功率。轉(zhuǎn)變后的電磁功率再減去定子銅耗以后就得到輸出的電功率。一同步電機(jī)用作電動機(jī)，則功率流程倒轉(zhuǎn)。）2.功率表達(dá)式：端點(diǎn)功率P=電磁功率3.隱極同步發(fā)電機(jī)功角特性同步電機(jī)中產(chǎn)生的電磁功率稱為同步功率。同步功率隨著δ的正弦函數(shù)而變化。當(dāng)端電壓和勵磁保持不變時，同步功率有一最大值，出現(xiàn)在δ=功率隨著δ角而變化的關(guān)系稱為功角特性。（最大功率與額定功率之比稱為過載能力）4.凸極同步發(fā)電機(jī)的功角特性比起隱極機(jī)，凸極的電磁功率多出一部分。凸極機(jī)的電磁功率包括兩部分：①與隱極機(jī)相同的那項(xiàng)稱為基本電磁功率，是由定子電流和轉(zhuǎn)子磁場之間的相互作用而形成；②第二項(xiàng)稱為附加電磁功率，主要由交、直軸磁阻不相等（即因?yàn)橥箻O機(jī)氣隙不均勻?qū)е拢┮?，所以也稱磁阻功率。附加電磁功率與E0大小無關(guān)，只與電網(wǎng)電壓δ可近似認(rèn)為是合成磁動勢和空載磁動勢間的時間相角差，也就是轉(zhuǎn)子磁場和空氣隙合成磁場之間的空間位移角。功角的數(shù)值決定著同步機(jī)電磁功率的大小，而且其正負(fù)還決定著同步機(jī)的運(yùn)行方式。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場超前合成磁場時設(shè)δ為正值，同步電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。為電動機(jī)運(yùn)行。三、同步發(fā)電機(jī)的有功功率調(diào)節(jié)1.無窮大電網(wǎng)—恒頻、恒壓的交流電網(wǎng)。同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)到無窮大電網(wǎng)后，其頻率和端電壓將受到電網(wǎng)的約束而與電網(wǎng)一致。要改變發(fā)電機(jī)輸出的有功功率，必須改變由原動機(jī)輸入的機(jī)械功增加輸入功率，也就是增大發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩，最初瞬間輸入轉(zhuǎn)矩大于空載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子會加速，使得轉(zhuǎn)子磁場超前于空氣隙合成磁場，出現(xiàn)一個正的位移角δ。δ角的增大引起電磁功率的增大，發(fā)電機(jī)便輸出有功功率。當(dāng)δ角增大到某一數(shù)值，相應(yīng)的電磁功率等于輸入機(jī)械功率減去空載損耗，即輸入轉(zhuǎn)矩恰與電磁阻力轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩之和相等，轉(zhuǎn)子加速停止，發(fā)電機(jī)達(dá)到新的平衡狀態(tài)。（二）靜態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定1.靜態(tài)穩(wěn)定：發(fā)電機(jī)輸入功率受到一些微小的擾動，發(fā)生瞬時的機(jī)時“靜態(tài)穩(wěn)定”的，否則就是靜態(tài)不穩(wěn)定。條件：凡處于功角特性曲線上升部分的工作點(diǎn)，都是靜態(tài)穩(wěn)定的；下降部分的工作點(diǎn)都是靜態(tài)不穩(wěn)定的?；蛘哒f功角特性上功角和電磁功率同時增大，或同時減小的那一靜態(tài)穩(wěn)定的條件用數(shù)學(xué)式表示：2.動態(tài)穩(wěn)定：當(dāng)接在電網(wǎng)上的同步發(fā)電機(jī)遇到突然加負(fù)載、切除負(fù)載等正常操作時，或者發(fā)生突然短路、電壓突變、發(fā)電機(jī)失去勵磁電流等非正常運(yùn)行時，發(fā)電機(jī)能否保持同步運(yùn)行的問題，稱提高動態(tài)穩(wěn)定：現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)的原動機(jī)都帶有快速調(diào)壓器；由保護(hù)裝置將電網(wǎng)的故障迅速切除。四、同步發(fā)電機(jī)的無功功率調(diào)節(jié)和V形曲線當(dāng)發(fā)電機(jī)與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時，調(diào)節(jié)勵磁電流的大小，就可以改當(dāng)過勵時電樞電流是滯后電流，發(fā)電機(jī)輸出感性無功功率。當(dāng)欠勵時，發(fā)電機(jī)輸出容性無功功率，電樞電流是超前電流。功率，發(fā)電機(jī)的位移角δ跟著變化，起著調(diào)節(jié)有功功率的作用，但此時若保持勵磁不變，則輸出的無功功率也會發(fā)生變化。若只要求改變有功功率，應(yīng)在調(diào)節(jié)原動機(jī)輸入功率的同時，適當(dāng)2.V形曲線在有功功率保持不變時，表示電樞電流和勵磁電流之間關(guān)系的曲對于不同有功功率，有不同的V形曲線。勵磁電流調(diào)節(jié)至某一數(shù)值時，電樞電流為最小，此時同步發(fā)電機(jī)功率因數(shù)為1.將V形曲線族最低點(diǎn)連起來，該線右邊為過勵狀態(tài)，是功率因數(shù)滯后的區(qū)域，表示發(fā)出的無功是感性；該線的左邊為欠勵狀態(tài)，是功率因數(shù)超前的區(qū)域，表示發(fā)出的無功是容性。同步電機(jī)的瞬態(tài)電抗（暫態(tài)電抗）和超瞬態(tài)電抗（次暫態(tài)電抗）1.磁鏈不變原則：在沒有電阻的閉合回路中，磁鏈將保持不變，這一簡單關(guān)系稱為磁鏈不變原則。由于超導(dǎo)體的電阻等于零，故上述關(guān)系也常稱為超導(dǎo)體閉合回路磁鏈?zhǔn)睾阍?。將逐漸變化，但因磁鏈不能突變，在突然短路的瞬間，我們?nèi)钥烧J(rèn)為磁鏈保持不變。也就是說短路初瞬實(shí)際情況和無電阻的超導(dǎo)體的情況相同。2.同步電機(jī)的瞬態(tài)電抗和超瞬態(tài)電抗在短路初瞬，由于磁鏈不變原則，短路電流所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁通不能通過轉(zhuǎn)子鐵芯去鍵鏈轉(zhuǎn)子繞組（穩(wěn)態(tài)短路時電樞反應(yīng)磁通是穿過轉(zhuǎn)子鐵芯而閉合，所遇磁阻較小，定子電流所遇到的電抗就為較大的同步電抗?),而是被擠到轉(zhuǎn)子繞組外側(cè)的漏磁路中去了。定子短路電流所產(chǎn)生的磁通所經(jīng)線路的磁阻變大，所以此時限制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(tài)電抗或直軸暫態(tài)電抗可見遠(yuǎn)小于Xd。（2）直軸超瞬態(tài)（次暫態(tài)）電抗當(dāng)轉(zhuǎn)子上裝有阻尼繞組時，則因阻尼繞組也為閉合回路，它的磁鏈也不能突然改變。所以電樞磁通將依次經(jīng)過空氣隙、阻尼繞組旁的漏磁路和勵磁繞組旁的漏磁路，這是磁路的磁阻更大了，與之相應(yīng)的電抗就有更小的數(shù)值?。?稱為直軸超瞬態(tài)電抗或直軸次暫態(tài)電抗。（3）交軸瞬態(tài)（暫態(tài)）電抗?直軸同步電抗）如果同步發(fā)電機(jī)不是出線端短路，而是經(jīng)負(fù)載阻抗短路，則由短路電流產(chǎn)生的電樞磁場不僅有直軸分量，還有交軸分量。由于沿著交軸的磁路與沿著直軸的磁路有不同的磁阻，所以相應(yīng)的電抗也有不同的數(shù)值。前面分析有，在凸極同步電機(jī)中，交軸同步電抗比直軸同步電抗在突然短路初始瞬間，沿著交軸的電抗為稱為交軸瞬態(tài)電抗或交軸暫態(tài)電抗，?稱為交軸超瞬態(tài)電抗或交軸次暫態(tài)電抗。在有阻尼的情況下，由于阻尼繞組是一不對稱繞組，所以它在交軸所起的阻尼作用與在直軸所起的阻尼作用不同。一般說來，阻尼繞組在直軸所起的作用比在交軸所起的作用大，在不用阻尼繞組而由整塊鐵芯起阻尼作用的隱極式電機(jī)中，二者近似相等。真題1.同步電抗大小與什么有關(guān)？答：其大小與磁路磁阻、定子線圈匝數(shù)以及電流頻率有關(guān)。2.試比較以下五組電抗（1）不飽和同步電抗和飽和同步電抗（2）交軸同步電抗和直軸同步電抗（4）直軸瞬態(tài)電抗和直軸超瞬態(tài)電抗（5）交軸同步電抗和交軸超瞬態(tài)電抗答：我先自己做1）不飽和同步電抗大于飽和同步電抗（因?yàn)閷τ诘碾娍剐。?）漏抗大于保梯電抗（因?yàn)楸Ｌ蓦娍故强紤]實(shí)際磁飽和現(xiàn)象后（4）直軸瞬態(tài)電抗大于直軸超瞬態(tài)電抗（因?yàn)槌矐B(tài)比瞬態(tài)多出一個阻尼繞組，所經(jīng)磁路更加復(fù)雜，磁阻也更大，相應(yīng)電抗就更另有一個比較：阻尼繞組在直軸所起的作用比在交軸所起的作用在不用阻尼繞組而由整塊鐵芯起阻尼作用的隱極式電機(jī)中，二者近似相等。3.解釋同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)有功功率調(diào)節(jié)：發(fā)電機(jī)空載時，電磁功率為0，輸入功率等于空載損耗，輸入轉(zhuǎn)矩等于空載轉(zhuǎn)矩。由功角特性知，此時功角為0，轉(zhuǎn)子磁場和空氣隙磁場正好重合。增加輸入功率，也就是增加發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩，原來的平衡狀態(tài)因?yàn)檩斎朕D(zhuǎn)矩大于空載轉(zhuǎn)矩，所以轉(zhuǎn)子會加速，使得轉(zhuǎn)子磁場超前于空氣隙磁場，出現(xiàn)一個正的位移角δ,δ角的增大引起電磁功率的增大（由功角特性關(guān)系），發(fā)電機(jī)就輸出有功功率。當(dāng)δ增大到某一數(shù)值，使相應(yīng)的電磁功率正好等于輸入功率減去空載損耗時，輸入轉(zhuǎn)矩恰與電磁轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩之和，轉(zhuǎn)子的加速趨勢停止，發(fā)電機(jī)達(dá)到新的平衡狀態(tài)。必須注意，當(dāng)改變原動機(jī)的輸入功率時，若保持勵磁電流不變，則這是發(fā)電機(jī)輸出的有功功率、無功功率都會發(fā)生變化。無功功率調(diào)節(jié)：當(dāng)發(fā)電機(jī)與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時，調(diào)節(jié)勵磁電流的的大小，而且能改變無功功率的性質(zhì)。當(dāng)過勵時電樞電流為滯后電流，發(fā)電機(jī)輸出的無功是感性；當(dāng)欠勵時，電樞電流是超前電流，發(fā)電機(jī)輸出的無功是容性。4.同步電機(jī)的電樞反應(yīng)同步電機(jī)空載時，氣隙磁場就是由勵磁磁動勢所產(chǎn)生的同步旋轉(zhuǎn)的主磁場，在定子繞組中只感應(yīng)有空載電動勢，因?yàn)槎ㄗ与娏鳛?，所以端電壓就等于空載電動勢。帶上對稱負(fù)載以后，定子繞組流過負(fù)載電流時，電樞繞組就會產(chǎn)子同向、同速旋轉(zhuǎn)，它的存在使空氣隙磁動勢分布發(fā)生變化，從而使空氣隙磁場以及繞組中的感應(yīng)電動勢發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱5.同步電機(jī)在輕載和重載時的穩(wěn)定性的比較（隱極式）同步發(fā)電機(jī)輸出有功功率由P1＜P2（輕載時有功功率小于重載時)，可得對應(yīng)的δ1<δ2，所以由比整步功率則輕載的比整步功率大于重載的比整步功率（比整步功率越大靜態(tài)穩(wěn)定性越好所以輕載的時候答：凸極同步電機(jī)的氣隙不均勻，在極面下的磁導(dǎo)大，兩級之間的磁導(dǎo)小，用雙反應(yīng)法把電樞磁動勢基波分解為直軸電樞磁動勢和交軸電樞磁動勢，分別乘以直軸的磁導(dǎo)和交軸的磁導(dǎo)得到直軸在定子繞組感應(yīng)的直軸電樞反應(yīng)電動勢和交軸電樞反應(yīng)電動勢，寫成電抗形式，可得直軸電樞反應(yīng)電抗和交軸電樞反應(yīng)電抗，再將其與定子漏抗分別相加，可得直軸同步電抗和交軸同步電抗。因?yàn)槁┛惯h(yuǎn)小于電樞反應(yīng)電抗，所以同步電抗在數(shù)值上主要受電由同步電抗和定子/電樞繞組的匝數(shù)平方成正比，與（2）勵磁繞組匝數(shù)增加，如果不改變電樞磁路的飽和程度，則電（3）鐵芯飽和程度增加，磁阻增大，電抗減小；7.同步發(fā)電機(jī)分別在欠勵和過勵時的靜態(tài)穩(wěn)定性過勵狀態(tài)時的功角比欠勵時的小，結(jié)合同步發(fā)電機(jī)輸出有功功率和比整