電機學同步電機第六章第8講

電機學自動化學院電氣工程系羅玲324房間88431336(O)uoling@2016.12上講內(nèi)容

功率和轉矩平衡關系功角特性同步發(fā)電機有功功率調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定功率和轉矩平衡方程

功率流程轉矩平衡方程

等式兩端同除以轉子機械角速度功角特性勵磁（基本）電磁功率凸極（附加/磁阻）電磁功率功角特性相同條件下：凸極電機的最大電磁功率大于隱極電機凸極電機最大電磁功率對應的功率角小于90度有功功率調(diào)節(jié)要增加發(fā)電機輸出功率(有功功率)，就必須增加原動機輸入功率，使功率角θ增大靜態(tài)穩(wěn)定靜態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)：本講內(nèi)容

同步電動機的起動和調(diào)速調(diào)相機同步發(fā)電機無功功率調(diào)節(jié)和V形曲線同步電動機的基本電磁關系同步電動機的無功功率調(diào)節(jié)和V形曲線1同步發(fā)電機無功功率調(diào)節(jié)和V形曲線以隱極電機為例，保持有功不變假設不計飽和影響，忽略電樞電阻1.1同步發(fā)電機無功功率調(diào)節(jié)

保持有功不變忽略電樞電阻1.1同步發(fā)電機無功功率調(diào)節(jié)

1.1同步發(fā)電機無功功率調(diào)節(jié)

當調(diào)節(jié)勵磁電流使E0變化時（1）Icosφ=常數(shù)，定子電流相量I的末端在一條與U垂直的直線上（AB）1.1同步發(fā)電機無功功率調(diào)節(jié)

當調(diào)節(jié)勵磁電流使E0變化時（2）E0sinθ=常數(shù)，E0的末端在一條與U平行的直線上（DC）

1.1同步發(fā)電機無功功率調(diào)節(jié)

當調(diào)節(jié)勵磁電流，使勵磁電動勢為E01時（1）E01--I1滯后U，輸出滯后的無功功率，過勵狀態(tài)1.1同步發(fā)電機無功功率調(diào)節(jié)

當減小勵磁電流使勵磁電動勢為E02時（2）E02--電流I減小，I2與U同相，向電網(wǎng)全部輸出有功功率，電流最小，正常勵磁狀態(tài)1.1同步發(fā)電機無功功率調(diào)節(jié)

當減小勵磁電流使勵磁電動勢為E03時（3）E03--電流I增加，I3超前U，向電網(wǎng)輸出超前無功功率（吸收滯后的無功功率），欠勵狀態(tài)1.1同步發(fā)電機無功功率調(diào)節(jié)

當減小勵磁電流使勵磁電動勢為E04時（4）E04--電流增加，E04超前U90度，發(fā)電機達到穩(wěn)定運行的極限1.1同步發(fā)電機無功功率調(diào)節(jié)

結論：

在原動機輸入功率不變，即發(fā)電機輸出電壓和功率P2恒定時，改變勵磁電流將引起發(fā)電機定子電流大小和相位的變化，從而調(diào)節(jié)同步發(fā)電機的無功功率。1.2同步發(fā)電機V形曲線

同步發(fā)電機輸出電壓和功率恒定，定子電流與勵磁電流之間的關系曲線通過實測得到，形似V1.2同步發(fā)電機V形曲線（1）對應不同的輸出有功功率，有不同的v形曲線；（2）隨著輸出有功功率增加，v形曲線上移；1.2同步發(fā)電機V形曲線

（3）每條曲線的最低點對應于cosφ=1、電樞電流最小、全為有功分量，把該點勵磁電流稱為“正?！敝?/p>

；1.2同步發(fā)電機V形曲線

（4）cosφ=1的曲線右方，勵磁電流大于“正?！眲畲?，發(fā)電機處于“過勵”狀態(tài)，功率因數(shù)滯后，發(fā)電機向電網(wǎng)輸出滯后無功功率；1.2同步發(fā)電機V形曲線

（5）cosφ=1的曲線左方，勵磁電流小于“正?！眲畲牛l(fā)電機處于“欠勵”狀態(tài)，功率因數(shù)超前，發(fā)電機從電網(wǎng)吸收滯后無功功率；1.2同步發(fā)電機V形曲線

（6）V形曲線左側存在著一個不穩(wěn)定區(qū)(對應于θ>90°)，且與欠勵狀態(tài)相連，因此，同步發(fā)電機不宜在欠勵狀態(tài)下運行。2同步電動機的基本電磁關系

同步電機如何由發(fā)電機狀態(tài)過渡到電動機狀態(tài)？機械能電能發(fā)電機電動機一臺電機2.1發(fā)電狀態(tài)過渡到電動狀態(tài)

（1）發(fā)電機運行狀態(tài)E0超前U，θ、Pem都是正值機械功率由轉子傳遞到定子轉化為電功率2.1發(fā)電狀態(tài)過渡到電動狀態(tài)

（1）發(fā)電機運行狀態(tài)θi≈θ為正值，即轉子主極軸線沿轉向超前于氣隙合成磁場軸線，作用于轉子上的電磁轉矩為制動性質；2.1發(fā)電狀態(tài)過渡到電動狀態(tài)

（2）發(fā)電機空載運行狀態(tài)

逐步減少原動機輸入功率，使轉子瞬時減速，θ角和電磁功率相應減小。2.1發(fā)電狀態(tài)過渡到電動狀態(tài)

（2）發(fā)電機空載運行狀態(tài)當θ角減至零時，電磁功率等于零，由轉子傳遞到定子的電功率為零，發(fā)電機變?yōu)榭蛰d，其輸入功率正好抵償空載損耗。2.1發(fā)電狀態(tài)過渡到電動狀態(tài)

（3）電動機空載運行狀態(tài)繼續(xù)減少原動機輸入功率，θ角小于零，電磁功率小于零由轉子傳遞到定子的電功率小于零，即電功率從定子向轉子傳遞電機從電網(wǎng)吸收電功率，與原動機輸入的機械功率一起抵償空載損耗2.1發(fā)電狀態(tài)過渡到電動狀態(tài)

（3）電動機空載運行狀態(tài)去掉原動機，電機從電網(wǎng)吸收電功率抵償空載損耗，電動機空載運行2.1發(fā)電狀態(tài)過渡到電動狀態(tài)

（4）電動機運行狀態(tài)電動機轉軸帶機械負載，負值的θ角和Pem會更大2.1發(fā)電狀態(tài)過渡到電動狀態(tài)

（4）電動機運行狀態(tài)主極磁場落后于氣隙合成磁場，θi亦為負值，電磁轉矩為驅動性質，電機進入電動機運行狀態(tài)，將電網(wǎng)輸入的電能轉換成機械能。2.1發(fā)電狀態(tài)過渡到電動狀態(tài)

從發(fā)電機狀態(tài)進入電動機狀態(tài)的過程中：功率角θ和電磁功率Pem均由正值變?yōu)樨撝惦姶呸D矩由制動性質變?yōu)轵寗有再|機電能量轉換過程也發(fā)生了逆變

2.2基本電磁關系

采用發(fā)電機慣例，電動運行時功率角θ和電磁功率Pem均為負值，功率因數(shù)角大于90度，分析不方便。

2.2基本電磁關系

電動機慣例：將發(fā)電機慣例時的電流方向改變即可。發(fā)電機慣例電動機慣例2.2基本電磁關系

采用電動機慣例：規(guī)定I超前于U相應的功率因數(shù)角φ和U超前于E0功率角θ為正值輸入的電功率和所產(chǎn)生的電磁功率均為正值。2.2基本電磁關系

不飽和時電壓平衡方程式

隱極電動機

凸極電動機

2.2基本電磁關系

2.2基本電磁關系

功角特性

隱極電動機

凸極電動機

2.2基本電磁關系

功率流程2.2基本電磁關系

轉矩關系

3.1同步電動機無功功率調(diào)節(jié)

同步電動機輸出有功功率P2恒定，改變其勵磁電流時，同樣可以調(diào)節(jié)其無功功率

以隱極電機為例，保持輸出有功不變假設不計飽和影響，忽略電樞電阻3.1同步電動機無功功率調(diào)節(jié)

保持輸出功率恒定，假設勵磁電流變化時鐵損耗和雜散損耗基本不變忽略電樞電阻3.1同步電動機無功功率調(diào)節(jié)

3.1同步電動機無功功率調(diào)節(jié)（1）正常勵磁E0--電流I與U同相，電樞電流全部有功電流，電流最小3.1同步電動機無功功率調(diào)節(jié)

（2）欠勵---勵磁電流小于正常勵磁，E“0<E0---I”滯后U，從電網(wǎng)吸收滯后的無功功率，相當于感性負載3.1同步電動機無功功率調(diào)節(jié)

（3）過勵---勵磁電流大于正常勵磁，E‘0>E0---I’超前U，從電網(wǎng)吸收超前的無功功率（向電網(wǎng)輸出滯后的無功功率），相當于容性負載。3.1同步電動機無功功率調(diào)節(jié)

結論：

電動機輸出功率P2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，從而調(diào)節(jié)同步電動機的無功功率。3.2同步電動機V形曲線

同步電動機在有功功率恒定時，定子電流與勵磁電流之間的關系曲線實測得到，形似V3.2同步電動機V形曲線

（1）對應不同的輸出有功功率，有不同的v形曲線；（2）隨著輸出有功功率增加，v形曲線上移；3.2同步電動機V形曲線

（3）每條曲線的最低點對應于cosφ=1，電樞電流最小，全為有功分量，把該點勵磁電流稱為“正?！敝?/p>

；3.2同步電動機V形曲線(4)cosφ=1的曲線右方，電動機處于“過勵”狀態(tài)，功率因數(shù)超前，電動機向電網(wǎng)輸出滯后無功功率；3.2同步電動機V形曲線(5)cosφ=1的曲線左方，電動機處于“欠勵”狀態(tài)，功率因數(shù)滯后，電動機從電網(wǎng)吸收滯后無功功率；3.2同步電動機V形曲線

（6）V形曲線左側存在著一個不穩(wěn)定區(qū)(對應于θ>90°)，且與欠勵狀態(tài)相連，因此，同步電動機不宜在欠勵狀態(tài)下運行。

3.2同步電動機V形曲線

同步電動機的顯著特性：通過調(diào)節(jié)勵磁電流，可以調(diào)節(jié)其功率因數(shù)3.2同步電動機V形曲線

同步電動機可改善電網(wǎng)的無功平衡狀況，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)、運行性能及效益。變壓器和異步電機對電網(wǎng)都是感性負載，要從電網(wǎng)吸收滯后無功功率同步電動機工作在過勵狀態(tài)，向電網(wǎng)輸出滯后無功功率；4同步電動機的起動

同步電動機正常工作時，定子旋轉磁場與轉子勵磁磁場相對靜止，能得到平均電磁轉矩，穩(wěn)定地實現(xiàn)機電能量轉換

4

StartingsynchronousmotorsFigure（a）showsthemachineattimet=0s,whenBRandBSareexactlylinedup.ThestartingmotorsproblemBytheinduced-torqueequation,theinducedtorqueontheshaftoftherotoriszero.4

StartingsynchronousmotorsFigure（b）showsthesituationattimet=1/240s.Insuchashorttime,therotorhasbarelymoved,butthestatormagneticfieldnowpointstotheleft.Bytheinduced-torqueequation,thetorqueontheshaftoftherotorisnowcounterclockwise.Thestartingmotorsproblem4StartingsynchronousmotorsFigure（c）showsthesituationattimet=1/120s.AtthatpointBRandBSpointinoppositedirections,andτindagainequalszero.ThestartingmotorsproblemFigure（d）showsthesituationattimet=1/80s.Atthatpointthestatormagneticfieldnowpointstotheright,andtheresultingtorqueisclockwise.InFigure（e）,attimet=1/60s,thestatormagneticfieldisagainlinedupwiththerotormagneticfield,andτind=0.4StartingsynchronousmotorsDuringoneelectricalcycle,thetorquewasfirstcounterclockwiseandthenclockwise,andtheaveragetorqueoverthecompletecyclewaszero.Whathappenstothemotoristhatitvibratesheavilywitheachelectricalcycleandfinallyoverheats.Thestartingmotorsproblem4同步電動機的起動

靜止的同步電動機通入勵磁電流后直接投入電網(wǎng)，則定子旋轉磁場將以同步轉速相對于轉子磁場運動，轉子上承受的是交變脈振轉矩，平均值為零。同步電動機不能自起動4同步電動機的起動

（1）

輔助電動機起動選用與同步電動機極數(shù)相同的異步電動機(容量一般為主機的5%~15%)作為輔助電動機。輔助電動機將主機拖動至接近于同步轉速，然后用自整步法將其投入電網(wǎng)，并切斷輔助電動機電源。只適合于空載起動，所需設備多，操作復雜4同步電動機的起動

（2）

變頻起動開始起動時，轉子繞組即通入勵磁且把定子電源的頻率盡量調(diào)低，使轉子起動旋轉起動過程同步電動機由變頻電源供電逐步上調(diào)至額定頻率，則轉子轉速將隨定子旋轉磁場的轉速上升而同步上升，直至額定轉速。4同步電動機的起動

（2）

變頻起動變頻起動過程平穩(wěn)，性能優(yōu)越起動過程必須有變頻電源勵磁機不能與同步機同軸，否則在最初低速運轉時無法產(chǎn)生所需的勵磁電壓。4同步電動機的起動

（3）

異步起動轉子上有籠形繞組定子接通電源，產(chǎn)生異步轉矩使轉子轉動轉速接近同步速時，加入勵磁，自整步法將電機牽入同步4同步電動機的調(diào)速

變極調(diào)速變頻調(diào)速5調(diào)相機

（1）同步調(diào)相機實為不帶機械負載的同步電動機，它利用同步電動機改變勵磁可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)的原理并聯(lián)運行于電網(wǎng)上原理及用途5調(diào)相機原理及用途

（2）同步調(diào)相機吸收的有功功率僅供給電機本身的損耗，總是在接近于零電磁功率和零功率因數(shù)的情況下運行忽略全部損耗：電樞電流只有無功分量電動勢平衡方程：5調(diào)相機原理及用途過勵:電流超前電壓90度

5調(diào)相機原理及用途欠勵:電流滯后電壓90度

5調(diào)相機原理及用途調(diào)節(jié)勵磁電流，能靈活地調(diào)節(jié)無功功率的性質和大小4調(diào)相機原理及用途（1）電力系統(tǒng)在大多數(shù)情況下呈感性（2）調(diào)相機通常在過勵狀態(tài)下運行，作為無功功率電源，提供感性無功，改善電網(wǎng)功率因數(shù)，保持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。5調(diào)相機原理及用途5調(diào)相機的特點（1）額定容量是指在過勵狀態(tài)下的視在功率，這時的勵磁電流稱為額定勵磁電流。根據(jù)實際運行要求和穩(wěn)定性需要，在欠勵運行時的容量只是過勵時的0.5~0.65倍。5調(diào)相機的特點（2）不拖動機械負載，轉軸可以細一些，靜態(tài)過載倍數(shù)也可以小一些，從而可以適當減小氣隙長度和勵磁繞組用銅量(減少