第6章同步電機的基本理論

大連理工大學電氣工程系6.7同步電動機5.10同步發(fā)電機的運行特性第5章同步電機的基本理論5.2三相同步電機的基本結構5.1三相同步電機的工作原理第6

章同步電機6.2同步電機的運行原理6.3同步發(fā)電機的運行特性6.4同步電動機的功率和轉矩6.5同步電動機的的運行特性6.6同步電動機功率因數(shù)的調節(jié)6.8同步發(fā)電機的運行分析5.9同步發(fā)電機的功率和轉矩5.11同步發(fā)電機與電網(wǎng)的并聯(lián)運行6.1概述電機與拖動*5.12同步發(fā)電機的三相突然短路返回主頁大連理工大學電氣工程系V1V2W2W1U1U2NS5.1三相同步電機的工作原理定子+Uf－If轉子勵磁繞組一、三相同步電動機

定子旋轉磁場。轉子直流磁極。轉子轉速同步第5章同步電機的基本理論60f1pn=n0=①同步電機是一種交流電機，主要作發(fā)電機使用；也可作

電動機和調相機（專門用于電網(wǎng)的無功補償）使用；②同步電機定義：定、轉子磁場相對靜止和合成磁場恒定是

----實現(xiàn)機電能量轉換的兩個前提條件。同步電機轉子轉

速和旋轉磁場的轉速相同。轉速

n

與定子電流頻率f

和極

對數(shù)p保持嚴格不變的關系，即前言：可知，同步發(fā)電機發(fā)出的電頻率與極數(shù)和轉速有關，轉速與極數(shù)成反比。第六章同步電機6.1概述6.1.1

同步電機的結構

同步電機的轉子有兩種結構型式，即凸極式和隱極式。這是根據(jù)定轉子之間的氣隙的分布情況來定義的。（1）凸極式：有上圖可見，轉子有明顯的突出的磁極，氣隙分

布不均勻。NS+－3~×（2）隱極式：轉子作成圓柱形，氣隙均勻分布。3~·····×××××+－NS凸極式與隱極式電機區(qū)別：對于低速旋轉的電機，由于轉子的圓周速度較低，離心力較小，故采用制造簡單、勵磁繞組集中安放的凸極式結構。高速電機轉子是隱極式。一、隱極同步電機

隱極式電機轉子作成圓柱形，氣隙均勻分布，機械強度高，適合于高速旋轉。用在汽輪機為原動機的機組中，如：火電廠等。

大型同步發(fā)電機通常用汽輪機或水輪機作為原動機來拖動，故前者稱為汽輪發(fā)電機，后者稱為水輪發(fā)電機。汽輪發(fā)電機：轉速高，采用隱極式。水論發(fā)電機：轉速低，采用凸極式。特點:轉速高為保證頻率

f

=

50Hz,則發(fā)電機的極對數(shù)P少(一般為二極,2P=2)。離心力大,需細長轉子(隱極式)。1.定子定子鐵心定子繞組0.5mm硅鋼片疊壓而成。大型電機由扇型片拼成圓形。矩形開口槽,徑向,軸向通風道。---三相雙層繞組,扁銅線繞制而成,采

用成型線圈。2．轉子由合金鋼鍛成,與轉軸制成一個整體,外園開

槽,大齒和小齒。勵磁繞組為同心式繞組。

采用高強度鋁合金槽楔,端部采用保護環(huán)固定。3.外殼---用鋼板焊接而成。4．滑環(huán)(集電環(huán))與電刷裝置。旋轉磁極式同步電機的類型NS+隱極式返回勵磁機發(fā)電機水輪機三峽電站首臺機組安裝隱極同步發(fā)電機的基本結構左江24MW發(fā)電機轉子在吊裝大連理工大學電氣工程系水力發(fā)電5.2三相同步電機的基本結構大連理工大學電氣工程系火力發(fā)電廠勵磁機發(fā)電機汽輪機5.2三相同步電機的基本結構大連理工大學電氣工程系燃燒室燃料鍋爐的爐膛循環(huán)水汽輪機發(fā)電機3600r/min升壓變壓器超熱高壓蒸汽電能輸出電能的產生5.2三相同步電機的基本結構大連理工大學電氣工程系

熱電廠1煤傳送帶2加煤機3粉碎機4鍋爐5煤渣6空氣預熱器7靜電除塵8煙囪9汽輪機10冷凝器11變壓器12冷卻塔13發(fā)電機14輸電線5.2三相同步電機的基本結構大連理工大學電氣工程系三相同步電機5.2三相同步電機的基本結構

更多的圖片大連理工大學電氣工程系三相同步電機5.2三相同步電機的基本結構

更多的圖片大連理工大學電氣工程系同步發(fā)電機5.2三相同步電機的基本結構

更多的圖片小型同步電機

三相同步電機的基本結構

更多的圖片1.直流勵磁機勵磁勵磁繞組由小型直流發(fā)電機供電。2.靜止整流器勵磁交流勵磁機→整流→直流電3.旋轉整流器勵磁交流勵磁機→整流→直流電→勵磁繞組。電刷集電環(huán)勵磁繞組。6.1.2

同步電機的勵磁方式6.1.3

同步電機的冷卻方式冷卻方式有：1．空氣冷卻：

適用于容量小于50MW以下的汽輪發(fā)電機。2．氫氣冷卻：適用于內冷式，注意防暴。3．水冷卻：

適用于內冷式，注意泄露和堵塞。4．超導發(fā)電機：關鍵技術問題。6.1.4額定值1.額定電壓UN：線電壓的額定值。2.額定電流IN：線電流的額定值。3.額定功率PN：輸出功率的額定值。三相同步電動機：三相同步發(fā)電機：4.額定轉速

nN

：額定運行時的轉速。5.額定頻率fN

：50Hz。6.容量：7.單位：SN:V·A，kV·A；PN:W,kW；QN:Var，kVar,MVar；6.2

同步電機的運行原理

同步電機轉子勵磁繞組通入直流電流后建立恒定磁場，原動機拖動轉子以轉速n1旋轉時，其磁場切割定子繞組而感應交流電動勢。V1V2W2W1U1U2NS定子+Uf－If轉子勵磁繞組6.2.1

同步發(fā)電機的空載運行同步發(fā)電機轉子由原動機拖動到同步轉速，轉子繞組通以恒定的直流勵磁電流，定子電樞繞組開路，稱為同步發(fā)電機的空載運行。此時電機內只有轉子直流勵磁電流單獨產生的勵磁磁場。定子繞組感應空載電動勢E0。轉子每極磁通：Φ0

(轉子電流I→F0→Φ0）

電樞線電壓(Y形聯(lián)結)：E0

=－j4.44kw1N1f1Φ0E0

的頻率：如果：f1

=50Hz，則：pn=3000r/min

電樞相電壓：U0P

=E0電樞（定子）：I1(Fam)=0空載電動勢：E0

=

4.44kw1N1f1Φ0（定子繞組產生的交流電動勢）

或

主磁通：同時切割定、轉子繞組，參與能量轉換過程。

漏磁通：之切割定子或轉子繞組，不參與能量轉換過程。電樞指的是定子繞組。6.2.2

同步發(fā)電機的電樞反應（負載運行）

同步電機在空載時，定子繞組開路，氣隙中僅存在著轉子磁勢，定子繞組中只存在恒定的電動勢E0，保持平衡狀態(tài)。

負載以后，電機中除轉子磁勢外，也有定子三相電流產生的電樞磁勢?？蛰d時的平衡關系被破壞。設電機帶對稱三相負載，定子三相對稱繞組出現(xiàn)三相對稱電流。當定子三相對稱繞組通過三相對稱電流時會產生圓形旋轉磁動勢Fa。此磁動勢與轉子磁動勢Ff在空間上相對靜止。于是，負載時電機內的氣隙磁場由Fa和Ff共同建立的。此時，盡管轉子勵磁電流沒有變，但氣隙磁場、電動勢都發(fā)生變化。

電樞磁勢Fa的存在，將使氣隙中磁場的大小及位置發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱之為電樞反應。

電樞反應的性質（增磁、去磁、交磁）取決于電樞磁動勢Fa與勵磁磁動勢Ff的空間相對位置，也就是勵磁電動勢E0和電樞電流I之間的相位差有關。電樞反應的性質（不同負載）假設：為了分析問題方便，我們取

E0A為最大值。

(1)E0與I同相位，ψ=0時：

由于交軸電樞磁動勢的存在，合成磁動勢的位置和幅值發(fā)生一定的變化。

此時電樞磁動勢起交磁作用。(2)I落后E090o，ψ=90o時：由于電樞磁動勢方向與勵磁磁動勢的方向相反，電樞磁動勢起去磁作用（稱直軸去磁電樞磁勢）。電樞磁動勢的存在氣隙磁場的大小發(fā)生變化。(3)I超前E090o，ψ=-90o時：由于電樞磁動勢方向與勵磁磁動勢的方向相同，電樞磁動勢起增磁作用（稱直軸增磁電樞磁勢）。電樞磁動勢的存在氣隙磁場的大小發(fā)生變化。(4)0>Ψ>-90o時：這時為了分析方便，這時電樞磁動勢分成交軸Fq和直軸Fd兩個分量。

當0>Ψ>-90o時直軸電樞磁動勢Fd起增磁作用，交軸電樞磁動勢Fq起交磁作用。電樞磁動勢的存在氣隙磁場的大小和方向發(fā)生變化。(5)90o>Ψ>0

時：這時電樞磁動勢分成兩個分量：交軸和直軸分量。當900〉Ψ〉0時直軸電樞磁動勢Fd起去磁作用，交軸電樞磁動勢Fq起交磁作用。電樞磁動勢的存在氣隙磁場的大小和方向發(fā)生變化?？傊弘姌写艅觿軫a的存在，將使氣隙中磁場的大小及位置發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱之為-----電樞反應。

1.

隱極同步電機的電樞反應特點

隱極同步電機的結構特點是氣隙均勻。因此，同一電樞磁動勢作用在氣隙任何位置所產生的氣隙磁場每極磁通量都是相同的，沒有必要分解。

當磁路不飽和時（線性），可以采用疊加原理?；?/p>

當磁路飽和時（非線性），求解磁場時不能采用疊加原理。求解磁動勢時可以采用疊加原理，應為磁動勢不會飽和的。因此，先求解磁動勢，后求磁通。

2.

凸極同步電機的雙反應理論

凸極同步電機的結構特點是氣隙不均勻。因此，同一電樞磁動勢作用在氣隙任何位置所產生的氣隙磁場每極磁通量都是不相同的，因此采用雙反應理論。雙反應理論的理論基礎是疊加原理，磁動勢分解為直軸分量和交軸分量，最后結果疊加。6.2.3

隱極同步發(fā)電機的負載運行從以上分析可知，保持勵磁電流和轉速不變的情況下，發(fā)電機帶上負載后，發(fā)電機內部的各參數(shù)發(fā)生變化。

1.不考慮飽和可利用疊加原理。此時各物理量之間的電磁關系如下。定子電動勢平衡方程式為：隱極電機不計飽和時的相量圖電樞反應電動勢為：漏電動勢為：其中

Xt

是隱極電機的同步電抗。反應電樞反應的強弱。

2.考慮飽和考慮飽和后再不能用疊加原理，這時先求出合成氣隙磁動勢，再利用磁化曲線（空載特性曲線）確定合成磁通和合成電動勢?？蛰d時的物理過程：大連理工大學電氣工程系磁動勢平衡方程式：電動勢平衡方程式為：可以改寫為：6.2.4凸極同步發(fā)電機的負載運行與隱極同步發(fā)電機不同點是運用雙反應理論。

1.不考慮飽和凸極同步發(fā)電機不飽和運行時的電磁關系是：定子電動勢平衡方程式為：隱極電機不計飽和時的相量圖式中其中

Xd

和是Xq是凸極電機的直軸和交軸同步電抗。

2.考慮飽和考慮飽和后再不能用疊加原理，氣隙合成磁場由合成電動勢來決定，并考慮直、交磁動勢之間的交叉保護影響。凸極同步發(fā)電機飽和運行時的電磁關系是：電動勢平衡方程式：6.3同步電機的運行特性同步發(fā)電機的開路、短路及零功率因數(shù)特性都是同步發(fā)電機的基本特性，通過它們可以求出同步電機的同步電抗及漏電抗，以確定同步發(fā)電機的其他特性。6.3.1同步電機的運行特性1.空載特性當同步發(fā)電機運行于n=n1,I=0時，即稱為空載運行。

空載時我們通過改變勵磁電流，則氣隙中的旋轉磁通及電樞繞組中的感應電動勢都會隨之發(fā)生變化。開路特性主要有兩個用處：1）開路特性可以反映出電機設計是否合理。額定電壓位于特性開始彎曲的部分。2）開路特性配合短路特性可以求出同步電抗。2.短路特性當同步發(fā)電機運行與n=n1

，電樞三相繞組持續(xù)穩(wěn)態(tài)短路（即U=0）時，Ik=f(If)的特性稱為短路特性。如改變勵磁電流，三相短路電流也隨之而改變。因為U=0，限制短路電流的只有同步電抗，由于電樞電阻遠小于同步電抗，因此，短路電流是純感性，所以，電樞磁動勢是純去磁的直軸磁動勢，因此電機磁路不飽和。圖中的三角形ABC是同步發(fā)電機的特性三角形，AB為等效直軸電樞反應磁動勢，AC為對應漏抗壓降IXσ。3.零功率因數(shù)負載特性

零功率因數(shù)特性指：在n=nN

,I=恒定值的條件下所得到的端電壓與勵磁電流的變化關系特性。

其中零功率因數(shù)最有使用價值。特性在感性負載條件下保證功率因數(shù)零cosφ=0，并保持I=IN。零功率因數(shù)負載時的電樞磁動勢也是一個純去磁作用的直軸磁動勢。注意：空載特性與零功率因數(shù)特性之間存在一個特性三角形。4.外特性

是指n=n1、If=常數(shù)、cosφ=常條件下，端電壓與負載電流之間的關系曲線

U

=f(I)。負載性質的不同，特性曲線也不同：①感性負載時：電樞反應的去磁作用和定子漏抗壓降影響，外特性是下降的。過勵狀態(tài)。水輪機：18～30%；汽輪機：30～48%。②容性負載是：電樞反應的助磁作用和容性電流的漏抗壓降使端電壓上升的。欠勵狀態(tài)。③阻性負載時：定子漏抗壓降影響，外特性也是下降的。同步發(fā)電機的電壓調整了率為：5．調整特性是指n=nN、U=常數(shù)、cosφ=常條件下，發(fā)電機負載電流變化時，要調整勵磁電流，關系曲線If=f(I)。與外特性相

反，感性負載和電阻性負載，轉子電流隨負載增加而增加，特性是上升的；而容性負載時，因負載電流的助磁作用，特性會下降。6.4同步發(fā)電機與電網(wǎng)的并聯(lián)運行并聯(lián)運行的優(yōu)點：(1)提高供電質量,(穩(wěn)頻,穩(wěn)壓)和可靠性；(2)提高發(fā)電廠的運行效率；(3)減少備用容量；6.4.1投入并聯(lián)的條件和方法一、投入并聯(lián)的條件同步發(fā)電機并聯(lián)投入電網(wǎng)時，為了避免發(fā)生電磁沖擊和機械沖擊，要滿足以下條件：

1．發(fā)電機和電網(wǎng)的電壓波形相同。2．發(fā)電機的頻率應f＇與電網(wǎng)頻率f相同，f＇=f2。3．發(fā)電機和電網(wǎng)的電壓幅值相同。4．發(fā)電機和電網(wǎng)電壓的相位相同。

5．發(fā)電機和電網(wǎng)的相序相同。1．波形不相同時，并聯(lián)時將在電機與電網(wǎng)之間產生一系列高次

諧波環(huán)流，使運行損耗和溫升增高，效率降低。2．波形相同了，若頻率不相同，f2≠f1，此時發(fā)電機輸出電壓

與電網(wǎng)電壓之間存在相對運動，出現(xiàn)相位差，出現(xiàn)差頻環(huán)流，在電機內引起功率振蕩。3．頻率和波形相同，但發(fā)電機輸出電壓與電網(wǎng)電壓但幅值或相位不相等，也會在電機與電網(wǎng)間產生環(huán)流。特別是極性相反，即相位相差180o時合閘，沖擊電流(20～30)IN,產生的電磁力會損壞電機。4．相序不相同時，雖然一相滿足條件，但另外兩相之間出現(xiàn)巨大的電位差產生巨大的環(huán)流和極性沖擊，會損壞電機。

如果不滿足以上條件時出現(xiàn)什么現(xiàn)象？判斷上述條件的方法

同步指示器。二、投入并聯(lián)的方法1．準確同步法將發(fā)電機調整到符合并聯(lián)的條件后的合閘過程稱為準確同步法。判斷上述條件的方法：

同步指示器燈光法

直接接法---三個燈同時熄滅時可以合閘。交叉接法---燈光不在旋轉時可以合閘。燈光法

（1）直接接法---三個燈同時熄滅時可以合閘

直接接法--按三個燈的亮、熄滅時間判斷頻率的相差程度，并在三個燈同時熄滅時的瞬間合閘。ΔUA=UA1-UA2；ΔUB=UB1-UB2；ΔUC=UC1-UC2；由于f1≠f2,所以相量1和相量2速度不相同ω1≠ω2。當兩組相量旋轉UA1和UA2重合時，所有電壓差ΔU為零，燈Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ熄滅，這時要迅速合閘。當兩組相量UA1和UA2不重合時，所有電壓差ΔU不為零，燈全部亮，這時不能合閘。頻率f1和f2相差越大,3個燈亮、滅速度越快。這種方法也叫燈光熄滅法。為了調節(jié)頻率要調節(jié)發(fā)電機速度。不滿足其他條件時，3個燈始終亮。（2）交叉接法ΔUⅠ=UA1-UA2；ΔUⅡ=UB1-UC2；ΔUⅢ=UC1-UB2；如果f1≠f2時,相量1和相量2速度也不相同ω1≠ω2。當兩組相量旋轉UA1和UA2重合時，電壓差ΔUⅠ為零，燈Ⅰ滅，但ΔUⅡ、ΔUⅢ不為零，所以燈Ⅱ和Ⅲ亮；當UB1和UC2重合時，ΔUⅡ為零，燈Ⅱ滅，但、ΔUⅠ和ΔUⅢ不為零，所以燈Ⅰ和Ⅲ亮；當UC1和UB2重合時，ΔUⅢ為零，燈Ⅲ滅，但、ΔUⅠ和ΔUⅡ不為零，所以燈Ⅰ和Ⅲ亮；從以上分析可知，燈Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的光順時針方向旋轉，所以叫燈光旋轉法，燈光不在旋轉時，燈Ⅰ滅，燈Ⅱ和Ⅲ亮時可以合閘。

燈光旋轉速度越快，說明頻率相差越大，這時為零合閘要調節(jié)發(fā)電機轉速。如果，其他條件不滿足要求時，燈全部亮，就不能合閘。準確同步法的優(yōu)點是沒有明顯的電流沖擊，缺點是操作復雜，費時間。自同步法的優(yōu)點是操作簡便。缺點是有較大的電流沖擊。2．自同步法自同步法的步驟：先把勵磁繞組通過限流電阻短路，當發(fā)電機轉速接近同步轉速時，合上并網(wǎng)開關，并立即接入勵磁電流，這時自同步法轉子拉入同步。6.4.2功率和轉矩平衡方程一、功率同步發(fā)電機帶對稱負載穩(wěn)態(tài)運行時，由原動機輸入的機械功率P1扣除機械損耗pmec、鐵耗pFe、附加損耗pad后轉化為電磁功率Pem：P1-

(pmec+pFe+pad)=Pem式中：1.輸入功率P1=T1Ω原動機輸入的機械功率2.空載損耗p0=pFe＋pme＋pad3.電磁功率Pem

=P1－p0=mEδIcos14.銅損耗pCu=3RaI125.輸出功率P2=Pem－pcu=3U1I1cos

∑p

=pFe＋pCu＋pad＋pmec

6.總損耗7.

功率平衡方程式P1=pFe＋pCu＋pad＋pmec

－P2Pem

=mE0Icosψ對不飽和的隱極電機：對不飽和的凸極電機：Eδcosi=EQcosψ=[E0-Id(Xd-Xq)]cosψ對稱功率為：Pem=mE0Icosψ-mIdIq(Xd-Xq)P1P0PemPCuP2p0=pFe＋pme＋pad二、轉矩[P1-

(pmec+pFe+pad)]/Ω=Pem/Ω[T1-

(Tmec+TFe+Tad)]/Ω=Tem/Ω6.4.3功角特性Pem

=mE0Icosψ隱極電機電磁功率：凸極電機電磁功率：Pem=mE0Icosψ-mIdIq(Xd-Xq)從以上公式可知，同步電機電磁功率與電動勢E0、電流I和他們之間的角度ψ有關。角度ψ的物理意義不直觀，電流I與這角度間的關系也復雜。因此推導出另外一個公式。凸極電機的有功功率功角特性：隱極電機的有功功率功角特性:角度θ實際上是氣隙旋轉磁場和轉子直流磁場之間的角度。角度θ實際上是氣隙旋轉磁場和轉子直流磁場之間的角度。發(fā)電機有功功率功角特性曲線隱極90o時功率最大凸極45o～90o時功率最大功率極限值(隱極)6.4.4有功功率調節(jié)與靜態(tài)穩(wěn)定一、有功功率調調節(jié)進水量進汽量→T1(P1)→T1＞T

+T0→n→

→T→T1

=T

+T0為止，重新在n=n0下穩(wěn)定運行。上述分析可知，為了增加發(fā)電機的輸出的有功功率，必須增加原動機的輸入功率。如果繼續(xù)增加增加原動機輸入的功率，θ角進一步增加，輸出電磁功率也進一步增加。當θ角90°時，電磁功率達到最大值。如果繼續(xù)增加輸入功率θ角超過90°時，輸入、輸出功率之間的平衡關系破壞，最終失步，對電網(wǎng)構成沖擊。二、靜態(tài)穩(wěn)定0Pe/Tθ

90o

aTT1=T

+

T0a點：

T1

→

→T…

T1

=T

+T0為止，在b點重新穩(wěn)定運行0<<M——穩(wěn)定運行區(qū)。bT1'

=T'

+

T00Pe/Tθ

90o

a'a'

點：

T1

→→T

···T1更大于T

+T0，n再也回不到n0→失步。M<<180°——不穩(wěn)定運行區(qū)。穩(wěn)定運行區(qū)6.4.5

無功功率調節(jié)和V形曲線1.調節(jié)方法調節(jié)If2.調節(jié)原理

調節(jié)If時，因U1和P2不變，忽略R1和T0，則

或

或

即U1E0I1jXsI1E0'aajXsI1'I1'E0"jXsI1"I1"bb(1)正常勵磁當If=If0時，=0，=1，Q2=0，發(fā)電機不輸出無功功率。I1與U1同相，2.欠勵磁當If

＜If0時，發(fā)電機輸出電容性無功功率；

If

→Q2

。3.過勵磁當If

＞If0時，發(fā)電機輸出電感性無功功率；

If

→Q2

。I1(I1')超前于U1，大連理工大學電氣工程系一、三相隱極同步電動機的運行分析第5章同步電機的基本理論1.基本方程式＋U1－I1Uf→If→F0mFU1→I1→FamE1電樞感應→Φ合成磁通勢U1=R1I1－E－E1E

=－j

X

I1※漏磁感應電動勢：※R1、X——定子每相繞組的電阻、漏電抗。5.3三相同步電動機的運行分析R1I1E漏磁通E1E大連理工大學電氣工程系(勵磁電動勢不變)(電樞反應電動勢隨負載變化)如果不計磁路飽和，則Uf→If→F0m→Φ0U1→I1→Fam→E0→Φa→Ea

→ER1I1E1=E0

+EaU1=－E1+(R1＋j

X

)I1所以Ea

=－j

Xa

I1※Xa

——電樞反應電抗。5.3三相同步電動機的運行分析U1=－E0－Ea－E＋R1I1大連理工大學電氣工程系U1=－E0＋(R1＋j

X＋j

Xa

)

I1U1=－E0＋(R1＋jXs

)

I1※

Xs=X＋Xa——同步電抗。一般：R1＜＜

Xs，忽略R1，則U1=－E0＋j

XsI12.等效電路R1jXs+U1－I1－

+E05.3三相同步電動機的運行分析大連理工大學電氣工程系3.相量圖U1=－E0＋(R1＋jXs

)

I1U1(a)電感性I1R1I1jXsI1－E0Ψ——功率因數(shù)角。Ψ——內功率因數(shù)角。已知：－E0滯后于－E1θ角，U1=－E1＋(R1＋j

X)

I1θ因此－E0滯后于

U1θ?！郑璄1（忽略R1和X）(b)電阻性U1I1－E0jXsI1R1I1θ=Ψ(c)電容性U1I1R1I1jXsI1－E0θΨ

=±5.3三相同步電動機的運行分析Ψ大連理工大學電氣工程系U1=－E0＋jXsI1(a)電感性U1I1jXsI1－E0如果忽略R1，則有同樣有關系

Ψ=±(b)電阻性U1I1－E0jXsI1θ=Ψ(c)電容性U1I1jXsI1－E05.3三相同步電動機的運行分析θΨΨ大連理工大學電氣工程系

【例5.3.1】某三相隱極同步電動機，PN=50kW，UN=380V，Y形聯(lián)結，IN=90A，N=0.8（電感性），R1=0.2Ω，Xs=1.2Ω。求在上述條件下運行時的E0、、和。解：電樞相電壓和相電流為U1=UN3I1=IN=90A

=arccos0.8=36.87o取參考相量：

U1=220

0oV則I1=90

－36.87oA=V=220V38035.3三相同步電動機的運行分析大連理工大學電氣工程系由此求得

E0=

159.72V

θ=

28.34oΨ=

－θ

=8.53o－E0=U1－(R1＋jXs)I1

=［220

0o－(0.2＋j1.2

)×90－36.87o］V=159.72－28.34oV

5.3三相同步電動機的運行分析大連理工大學電氣工程系F0m二、三相凸極同步電動機的運行分析

特點：氣隙不均勻。同樣的Fam→產生不同的Φa→對應不同的Xa。V1V2W2W1U1U2NSFamFam

如果磁路不飽和：將I1分解為兩個分量。直軸交軸－E0I1IqΨId直軸分量：Id

=I1sinΨ交軸分量：Iq

=I1cosΨI1=

Id＋Iq——雙反應理論。5.3三相同步電動機的運行分析大連理工大學電氣工程系1.基本方程式＋U1－I1Uf→If→F0m→Φ0→E0U1→I1→Id→Iq→Fad→Faq→Φad→Φaq→Ead→EaqΦ

→E

R1I1U1=－E0－Ead－Eaq－E＋R1I1Ead

=－jXad

Id※Xad

——

直軸電樞反應電抗。

Xaq

——

交軸電樞反應電抗。Eaq

=－jXaq

Iq5.3三相同步電動機的運行分析E0EEadEaq大連理工大學電氣工程系E=－jXσI1I1=Id＋IqU1=－E0＋j

Xad

Id＋j

Xaq

Iq＋j

XσI1＋R1I1=－E0＋j

(Xad＋X)

Id＋j

(Xaq＋X)

Iq＋R1I1U1=－E0＋jXd

Id＋jXq

Iq＋R1I1※Xd

=

Xad＋X——直軸同步電抗。

Xq

=

Xaq＋X——交軸同步電抗。

如果忽略R1，則U1

=－E0＋jXd

Id＋jXq

Iq

5.3三相同步電動機的運行分析大連理工大學電氣工程系Ψ－E0I1IqId－E0I1IqΨId－j(Xd－Xq)IdEQ

設虛擬電動勢EQ

=E0－j(Xd－Xq

)Id2.等效電路(a)I1滯后于－E0時jIdEQ(b)I1超前于－E0時jId結論：EQ

與E0同相位。U1

=－E0＋R1I1＋jXd

Id＋jXq

Iq－jXq

Id＋jXq

Id

U1=－EQ＋(R1＋jXq

)I15.3三相同步電動機的運行分析－j(Xd－Xq)Id大連理工大學電氣工程系※

隱極電動機可視為凸極電動機的特例：

Xd=Xq=Xs

EQ=E0R1jXq+U1－I1－

+EQ5.3三相同步電動機的運行分析大連理工大學電氣工程系3.相量圖

設已知U1、I1、、Xd、Xq

。

取U1=U10o(1)畫I1。(2)畫R1I1

和jXq

I1。(3)畫(－EQ)

，確定(－E0)的方位。(4)由I1分解出Id

和Iq。(5)畫jXd

Id

和jXq

Iq。(6)畫(－E0)。5.3三相同步電動機的運行分析大連理工大學電氣工程系(a)電感性(b)電阻性5.3三相同步電動機的運行分析IdU1I1R1I1jXqI1－EQIqjXd

IdjXq

Iq－E0R1I1IdU1I1jXqI1－EQIqjXd

IdjXq

Iq－E0U1I1R1I1jXqI1－EQIqIdjXd

IdjXq

Iq－E0(c)電容性大連理工大學電氣工程系U1I1jXqI1－EQIdIqjXd

IdjXq

Iq－E0

忽略R1時的相量圖(簡化相量圖)

(a)電感性jXq

IqU1I1jXqI1－EQIqIdjXd

Id－E0(b)電阻性U1=－EQ

＋jXq

I1U1=－E0＋jXdId＋jXq

Iq

－EQjXq

Iq－E0U1I1jXqI1IdIqjXd

IdΨθ(c)電容性5.3三相同步電動機的運行分析大連理工大學電氣工程系

由相量圖求得

Ψ=±θ

由簡化相量圖還可以求得tanΨ=U1sin±XqI1U1cos※電感性時取“－”，電容性時取“＋”。5.3三相同步電動機的運行分析Xd=E0－U1cosθIdXq=U1sinθIq－EQjXq

Iq－E0U1I1jXqI1IdIqjXd

IdΨθ大連理工大學電氣工程系U1=UN3=V=3468.21V60001.732

【例5.3.2】

一臺三相凸極同步電動機，UN=6000V，IN=57.8A，Y形聯(lián)結。當電樞電壓和電流為額定值、功率因數(shù)

=0.8（電容性）時，相電動勢E0=6300V，Ψ=58o，R1忽略不計。求該電動機的Xd

和Xq。

解：電樞相電壓和相電流為I1=IN=57.8A由此求得

Id=I1sinΨ=57.8×sin58oA=49.02AIq=I1cosΨ=57.8×cos58oA=30.63A

=Ψ－=58o－36.87o=21.13o5.3三相同步電動機的運行分析大連理工大學電氣工程系Xd=E0－U1cosθId=Ω=62.52Ω6300－3468.21×cos21.13o49.02Xq=U1sinθIq=Ω=40.82Ω3468.21×sin21.13o30.635.3三相同步電動機的運行分析大連理工大學電氣工程系5.4三相同步電動機的功率和轉矩一、功率1.輸入功率（不計勵磁功率）

P1=3U1I1cos2.電樞銅損耗

PCu=3R1I123.電磁功率

Pe

=P1－PCu5.4三相同步電動機的功率和轉矩大連理工大學電氣工程系U1I1R1I1jXsI1－E0ΨU1R1I1jXsI1－E0ΨI1

在隱極同步電動機中

Pe=3E0I1cosΨ

在凸極同步電動機中

Pe=3EQI1cosΨ5.4三相同步電動機的功率和轉矩4.空載損耗

P0

=PFe＋Pme＋Pad鐵損耗機械損耗附加損耗大連理工大學電氣工程系5.輸出功率

P2=Pe－P06.總損耗Pal=

PCu＋PFe＋Pme＋Pad7.功率平衡方程式

P1

－P2=

Pal

8.效率

P1PCuPeP0P2

=×100%

P2P15.4三相同步電動機的功率和轉矩大連理工大學電氣工程系二、轉矩1.轉矩平衡方程式

T2=T－T04.空載轉矩2.輸出轉矩5.4三相同步電動機的功率和轉矩3.電磁轉矩T2

=P2Ω==9.55P2n60P22nT

=PeΩ==9.55Pen60Pe2nT0

=P0Ω==9.55P0n60P02n大連理工大學電氣工程系5.4三相同步電動機的功率和轉矩穩(wěn)定運行時T2=TL

忽略T0，

則

T=T2=TL

大連理工大學電氣工程系

【例5.4.1】

已知某三相同步電動機，n=1500r/min，Xd

=6Ω，Xq

=4Ω，Y形聯(lián)結。當定子加額定電壓UN=380V，轉子加負載轉矩TL=30N·m時，電樞電流I1=10A，功率因數(shù)

=0.8（電容性），Ψ=40o，E0=228V。求P1、Pe、P2、PCu、P0和T2、T、T0。

解：P1=3U1I1cos=3×

I1cosUN3=3×

×10×0.8W=5295.2W3801.732Id=I1sinΨ=10sin40oA=6.43AEQ=E0－(Xd－Xq)Id

=［228－(6－4)×6.43］V=215.14V5.4三相同步電動機的功率和轉矩大連理工大學電氣工程系Pe=

3EQI1cosΨ=3×215.14×10×cos40oW=4944.2WPCu=P1－Pe=(5259.2－4944.2)W=315WP0=Pe－P2=(4944.2－4710)W=234.2WT2=TL=30N·mT0=T－T2=(31.49－30)N·m=1.49N·m

P2=

T2n260=

TLn260=×30×1500W=4710W2×3.1460T

=60Pe2n=N·m=31.49N·m604944.26.28

15005.4三相同步電動機的功率和轉矩大連理工大學電氣工程系5.5三相同步電動機的運行特性

運行特性當U1=UN，f1=fN，

If=常數(shù)時，I1、T、、

=f(P2)的關系。當U1與E0（即n

和If）為常數(shù)時：

Pe

=f(θ)

T

=f(θ)——功角特性——矩角特性一、隱極同步電動機的功角特性和矩角特性如果忽略R1，則有

第5章同步電機的基本理論

U1sinθ=Xs

I1cosΨ大連理工大學電氣工程系U1I1jXs

I1－E0θΨΨPe

=3sinθ

U1E0XsT

=3sinθ

U1E0XsΩOPe

/

Tθ

90o

PeM(TM)※當θ=90o時:

Pe

=PeM，T

=TM5.5三相同步電動機的運行特性代入Pe和T的公式，可得大連理工大學電氣工程系

電動機為電容性時

U1sin=XqI1cosΨXd

Id

=E0－U1cosEQ

=E0－(Xd－Xq)Id二、凸極同步電動機的功角特性和矩角特性U1I1jXqI1－EQjXd

IdjXq

Iq－E0θΨΨ5.5三相同步電動機的運行特性

電動機為電感性時

U1sin=XqI1cosΨXd

Id

=U1cos－E0EQ

=E0＋(Xd－Xq)Id大連理工大學電氣工程系Pe代入Pe

和T的公式可得

3U1E0Xd

=sin1Xq＋

(

－

)

sin23U1221Xd3U1E0XdΩ

T

=sin1Xq+(

－

)

sin23U122Ω1XdPe=Pe'

＋

Pe"T

=T＋T

5.5三相同步電動機的運行特性大連理工大學電氣工程系

討論：(1)3U1E0Xd

Pe'=sinPe'∝E0，當轉子有勵磁即If≠0時存在。

(2)1XqPe"=

(

－

)

sin2

3U1221XdPe"是由于Xd≠Xq

而引起的，與If

是否存在無關。

結論：(1)

Pe"使PeM。(2)

PeM產生在θ＜90o

處。(3)

功角特性與矩角特性不再是正弦波。——基本分量?！郊臃至?。OPe

/

Tθ

90o

PeM(TM)Pe'Pe"5.5三相同步電動機的運行特性大連理工大學電氣工程系5.6三相同步電動機功率因數(shù)的調節(jié)

同步電動機的主要優(yōu)點

調節(jié)If

→

調節(jié)cos→－90o＜＜90o(純電容性)(純電感性)

調節(jié)If

改變cos的原理以隱極同步電動機為例，并忽略R1和T0。調節(jié)If時，U1、f1、TL都不變，則T和Pe

不變，即T和P1不變。根據(jù)：Pe

=3sin

U1E0Xs=3U1I1cos第5章同步電機的基本理論大連理工大學電氣工程系可得如下關系：E0sinθ=常數(shù)

I1cos=常數(shù)另一方面:

因此，改變If

而使E0

改變時，I1、θ和均要改變。當If→E0→θ。當If

→E0

→θ。U1=－E0＋j

XsI15.6三相同步電動機功率因數(shù)的調節(jié)U1jXsI1－E0θ－E0'aajXsI1I1'bb－E0"jXsI1I1"I1大連理工大學電氣工程系(1)正常勵磁當If=If0時，I1與U1同相，

=1,電機呈電阻性。(2)欠勵磁

當If

＜If0時，I1(I1'

)滯后于U1，電機呈電感性。If

→

，感性程度。(3)過勵磁當If

＞If0時，電機呈電容性，

If

→||

，容性程度

。I1(I1")超前于U1，5.6三相同步電動機功率因數(shù)的調節(jié)U1jXsI1－E0－E0'aajXsI1I1'bb－E0"jXsI1I1"θI1大連理工大學電氣工程系同步電動機的V形曲線當U1=

UN、f1

=

fN、TL不變時：

I1=f(If

)OI1IfP2'P2"欠勵過勵

If0＜cos=15.6三相同步電動機功率因數(shù)的調節(jié)大連理工大學電氣工程系*5.7微型同步電動機

微型同步電動機的額定功率：零點幾瓦至數(shù)百瓦。應用

電報傳真機、磁帶錄音機、精確計時或記錄裝置。

分類

按定子繞組電源的相數(shù)分：單相、三相。按轉子結構的不同分：永磁式、磁阻式、磁滯式。一、永磁式同步電動機

轉子：永久磁鋼，隱極式或凸極式。特點：結構簡單、制造方便、和高、成本也高。第5章同步電機的基本理論大連理工大學電氣工程系*5.7微型同步電動機鼠籠槽反應槽二、磁阻式同步電動機又稱為反應式同步電動機。轉子：由導磁材料制成，凸極式。特點：結構簡單、價格便宜、運行可靠、和較低。

磁阻式同步電動機的轉子結構型式(a)外反應式(b)內反應式(c)內外反應式大連理工大學電氣工程系*5.7微型同步電動機三、磁滯式同步電動機簡稱電動機。轉子：由硬磁材料制成，轉子外表呈光滑圓柱形。1.渦流轉矩

轉子導電→感應渦流渦流轉矩當n=n0

時，渦流轉矩=0。2.磁滯轉矩轉子導磁→被磁化→磁極轉子磁極軸線滯后于合成旋轉磁場軸線3.特點可以運行于同步轉速，也可以運行于異步轉速。自身具有起動轉矩。旋轉磁場磁滯現(xiàn)象大連理工大學電氣工程系5.8三相同步發(fā)電機的運行分析1.基本方程式Uf→If→F0m→Φ0→E0I1→Fam→Φa→EaΦ→ER1I1U1=E0＋Ea＋E－R1I1＋U1－I1第5章同步電機的基本理論一、三相隱極同步發(fā)電機的運行分析E0EaE

大連理工大學電氣工程系Ea

=－j

Xa

I1E

=－j

X

I1※Xa

——電樞反應電抗。

X——電樞漏電抗。U1=E0－(R1＋j

X＋j

Xa

)

I1U1=E0－(R1＋j

Xs

)

I1※Xs=Xa＋X——同步電抗。忽略R1，則U1=E0－jXsI15.8三相同步發(fā)電機的運行分析大連理工大學電氣工程系2.等效電路3.相量圖根據(jù)負載的功率因數(shù)和電路方程作相量圖。并設：

U1=U10o。+U1－R1jXsI1＋－E０U1=E0－(R1＋j

Xs

)

I15.8三相同步發(fā)電機的運行分析大連理工大學電氣工程系(c)電容性(a)電感性(b)電阻性U1I1R1I1jXs

I1E0ΨθU1I1R1I1jXs

I1E0ΨθU1I1R1I1jXs

I1E0ΨθU1I1jXs

I1E0ΨθU1I1jXs

I1E0Ψθ

忽略R1時：U1I1jXs

I1E0Ψθ5.8三相同步發(fā)電機的運行分析大連理工大學電氣工程系

【例5.8.1】

某三相同步發(fā)電機，PN=50kW，UN=400V，Y形聯(lián)結，N=0.8（電感性）。R1=0.2Ω，Xs=1.2Ω。求空載電壓等于額定電壓，電樞電流等于額定電流，內功率因數(shù)角Ψ=53.1o時的相電壓U1

、線電壓U1L、功率因數(shù)角和功角。解：E0=UN3=

V=231.21V4001.732I1=IN=PN3UNN=A=90.32A50×1031.732×400×0.8取參考相量：則I1=90.32

0oAE0=231.2153.1oV5.8三相同步發(fā)電機的運行分析大連理工大學電氣工程系U1=E0－(R1＋jXs)I1=［231.2153.1o－(0.2＋j1.2

)×90.32

0o］V

=14332.36o

V由此求得

U1=143VU1L=

3U1=1.732×143

V=247.39V=32.36o=Ψ－

=53.1o－32.36o=20.74o5.8三相同步發(fā)電機的運行分析大連理工大學電氣工程系1.基本方程式Uf→If→F0m→Φ0→E0

I1→Fad

→Faq

→Φad

→Φaq

→Id→Iq→Ead

→EaqΦ

→ER1I1

＋U1

－I1U1=E0+Ead+Eaq+Eσ－R1I1二、三相凸極同步發(fā)電機的運行分析5.8三相同步發(fā)電機的運行分析EEaqE0Ead大連理工大學電氣工程系Ead

=－jXad

IdE

=－j

XI1Eaq

=－jXaqIq※Xad

——直軸電樞反應電抗。

Xaq

——交軸電樞反應電抗。

Xσ——電樞漏電抗。U1=E0－jXad

Id－jXaq

Iq－jXI1－R1I1=E0－j(Xad＋X)

Id－j(Xaq＋X)

Iq－R1I15.8三相同步發(fā)電機的運行分析將得大連理工大學電氣工程系※Xd=Xad+

Xσ

——直軸同步電抗。

Xq

=Xaq

+

Xσ

——交軸同步電抗。忽略R1，則U1=E0－jXd

Id－j

Xq

IqU1=E0－jXd

Id－jXq

Iq－R1I15.8三相凸極同步發(fā)電機的運行分析大連理工大學電氣工程系2.等效電路

設：EQ

=E0－j(Xd－Xq

)IdU1=EQ－R1I1－j

Xq

I1忽略R1，則U1=EQ－j

Xq

I13.相量圖

根據(jù)電路方程和負載性質作相量圖。

設：U1=U10oI1R1jXq+U1－＋－EQ5.8三相凸極同步發(fā)電機的運行分析大連理工大學電氣工程系U1I1R1I1jXqI1EQjXdIdE0jXqIqU1I1R1I1jXqI1EQjXdIdjXqIqE0U1I1R1I1jXqI1EQjXdIdjXqIqE0(c)電容性(a)電感性(b)電阻性

忽略R1時U1I1jXqI1EQjXdIdE0jXqIqU1I1jXqI1EQjXdIdjXqIqE0U1I1jXqI1EQjXdIdjXqIqE05.8三相凸極同步發(fā)電機的運行分析大連理工大學電氣工程系

【例5.8.2】

某三相同步發(fā)電機，已知U1L=11kV，Y形聯(lián)結，I1=460A，

=0.8（電感性），Xd=16Ω，Xq=8Ω，R1忽略不計。求Ψ、、E0

。解：U1=U1L3==6358.38V11×1031.732VtanΨ=U1sin

＋XqI1U1cos6358.38×0.6＋8×4606358.38×0.8=V=1.47Ψ=arctan1.47=55.84o=Ψ－

=55.84o－36.87o=18.97o

E0=U1cos＋XdId=[(6358.38×cos18.97o＋16×460×sin55.84o)]V=12103.25V5.8三相凸極同步發(fā)電機的運行分析大連理工大學電氣工程系5.9三相同步發(fā)電機的功率和轉矩一、功率1.輸入功率2.空載損耗3.電磁功率4.銅損耗5.輸出功率6.總損耗P1=T1ΩP0

=PFe＋Pme＋PadPe

=P1－P0PCu=3R1I12P2=Pe－Pcu=3U1I1cosPal=PFe＋PCu＋Pad＋Pme第5章同步電機的基本理論7.功率平衡方程式P1－P2=Pal大連理工大學電氣工程系8.效率P1P0PePCuP2=×100%

P2P1二、轉矩1.輸入轉矩2.空載轉矩3.電磁轉矩4.轉矩平衡方程式T1=P1Ω0T0

=P0Ω0T

=PeΩ0T1=T+T0=P1n602=P0n602=Pen6025.9三相同步發(fā)電機的功率和轉矩大連理工大學電氣工程系5.10三相同步發(fā)電機的運行特性一、外特性當n=nN，If、

=常數(shù)時，U1L與I1L的關系，即

U1L=f(I1L)。調節(jié)If，使I1L=IN、

=N