工学同步电机PPT课件

1、电机与拖动电机与拖动 2 下一章下一章 上一章上一章 返回主页返回主页 第第5章章 同同 步步 电电 机机 3定子铁心：定子铁心： 用用 0.5 mm 厚的硅钢片叠成。厚的硅钢片叠成。 定子绕组定子绕组 (电枢绕组电枢绕组)：三相对称绕组。：三相对称绕组。 机座和端盖等机座和端盖等 转子铁心转子铁心 励磁绕组励磁绕组 (电枢绕组电枢绕组) 阻尼绕组阻尼绕组转轴转轴阻尼绕组阻尼绕组第第5章章 同同 步步 电电 机机 4 特点：特点： 转子铁心用整块的具有良好导磁性转子铁心用整块的具有良好导磁性 的高强度合金钢锻成。的高强度合金钢锻成。 隐极式转子结构机械强度高。隐极式转子结构机械强度高。 NS第

2、第5章章 同同 步步 电电 机机 5 隐极式同步电机的转子隐极式同步电机的转子 第第5章章 同同 步步 电电 机机 6燃燃烧烧室室燃燃料料锅炉的锅炉的炉膛炉膛循环水循环水汽轮机汽轮机发电机发电机3 600 r/min升压变升压变压器压器超热高压蒸汽超热高压蒸汽电能输出电能输出 汽轮发电机组示意图汽轮发电机组示意图 第第5章章 同同 步步 电电 机机 7 热电厂热电厂1 煤传送带煤传送带2 加煤机加煤机3 粉碎机粉碎机4 锅炉锅炉5 煤渣煤渣6 空气预热器空气预热器 7 静电除尘静电除尘8 烟囱烟囱9 汽轮机汽轮机10 冷凝器冷凝器11变压器变压器12 冷却塔冷却塔13 发电机发电机14 输电线

3、输电线第第5章章 同同 步步 电电 机机 8 火力发电厂火力发电厂 第第5章章 同同 步步 电电 机机 9 大型汽轮发电机定子大型汽轮发电机定子 第第5章章 同同 步步 电电 机机 10 凸极式同步电机凸极式同步电机 的转子与磁极冲片的转子与磁极冲片 特点：特点： 转子铁心由转子铁心由 1 1.5 mm 厚的钢板冲成磁极冲片，厚的钢板冲成磁极冲片， 用铆钉装成一体的。用铆钉装成一体的。 粗而短的圆柱形转子结构机械强度稍差。粗而短的圆柱形转子结构机械强度稍差。第第5章章 同同 步步 电电 机机 11 凸极式同步电机凸极式同步电机 在低速水轮发电机中，定子铁心的外径和长度之比在低速水轮发电机中，定

4、子铁心的外径和长度之比 可达可达5 7或更大结构机械强度高。或更大结构机械强度高。 第第5章章 同同 步步 电电 机机 12 小浪底电站水轮机组安装小浪底电站水轮机组安装 第第5章章 同同 步步 电电 机机 13 三峡电站首台机组安装三峡电站首台机组安装 第第5章章 同同 步步 电电 机机 14 三峡水轮发电机转子吊装三峡水轮发电机转子吊装 第第5章章 同同 步步 电电 机机 15 105 MW卡普兰式水轮发电机分瓣定子卡普兰式水轮发电机分瓣定子 第第5章章 同同 步步 电电 机机 16 三峡水轮发电机定子机座三峡水轮发电机定子机座 第第5章章 同同 步步 电电 机机 17 水轮发电机水轮发电

5、机 第第5章章 同同 步步 电电 机机 18 葛洲坝葛洲坝 170 MW 水轮发电机组水轮发电机组 更多图片更多图片 第第5章章 同同 步步 电电 机机 19 电刷电刷 集电环集电环 励磁绕组。励磁绕组。 励磁绕组由小型直流发电机供电。励磁绕组由小型直流发电机供电。 交流励磁机交流励磁机整流整流直流电直流电 交流励磁机交流励磁机整流整流直流电直流电励磁绕组。励磁绕组。 大型同步发电机的励磁电流可达数千安。大型同步发电机的励磁电流可达数千安。 第第5章章 同同 步步 电电 机机 20 能量转换的方式不同：能量转换的方式不同： 同步发动机、同步电动机。同步发动机、同步电动机。 旋转电枢式、旋转磁极

6、式。旋转电枢式、旋转磁极式。 旋转磁极式：隐极式、凸极式。旋转磁极式：隐极式、凸极式。 安装方式：卧式、立式。安装方式：卧式、立式。 空气冷却、氢气冷却、水冷却和混合冷却等。空气冷却、氢气冷却、水冷却和混合冷却等。 第第5章章 同同 步步 电电 机机 21NS+3 3 +NS 励磁机励磁机 发电机发电机 水轮机水轮机 励励磁磁机机发发电电机机汽汽轮轮机机 凸极式凸极式 隐极式隐极式 立式立式 卧式卧式 第第5章章 同同 步步 电电 机机 221. 额定容量额定容量 SN 或额定功率或额定功率 PN 2. 额定电压额定电压 UN 3. 额定电流额定电流 IN 4. 额定功率因数额定功率因数 co

7、s N 5. 额定频率额定频率 fN 6. 额定转速额定转速 nN三相同步发电机：三相同步发电机：三相同步电动机：三相同步电动机： PN = 3 UNIN cos NPN = 3 UNIN cos N N第第5章章 同同 步步 电电 机机 23励磁机励磁机励磁磁动势励磁磁动势 F0 旋转的旋转的 F0 和和 0 励磁电动势励磁电动势 E0 原动机原动机 电枢三相电枢三相 绕组中感应绕组中感应 E0 的频率：的频率： f1 =pn60如果如果 f1 = 50Hz，则则 pn = 3 000 V1V2W2W1U1U2NS+UfIf定子定子 转子转子 励磁绕组励磁绕组 第第5章章 同同 步步 电电

8、机机 24 转子转速转子转速 同步同步 60 f1pn = n0 = V1V2W2W1U1U2NS+UfIf电枢三相电枢三相 交流电流交流电流 旋转旋转 Fa 和和 a 励磁机励磁励磁机励磁 F0 和和 0 Te n 相互作用相互作用 第第5章章 同同 步步 电电 机机 25电枢电流电枢电流 I1为零或者很小，为零或者很小，Fa = 0。 气隙磁动势气隙磁动势 F = F0 。 转子每极磁通：转子每极磁通：0 励磁电动势：励磁电动势： E0 = 4.44 f1 kw1 N10 E0 = j4.44 f1 kw1 N1 0 空载特性空载特性 E0 = f (If) O E0/ 0 If /F0

9、第第5章章 同同 步步 电电 机机 26电枢电流电枢电流 I1 产生电枢旋转磁动势产生电枢旋转磁动势 Fa 。 气隙旋转磁动势气隙旋转磁动势 F = F0Fa（与空载时不同）。（与空载时不同）。 电枢反应：电枢反应： Fa 对对 F 的影响。的影响。 I1 与与E0 的相位关系决定了电枢反应的性质。的相位关系决定了电枢反应的性质。 第第5章章 同同 步步 电电 机机 27 F F I1 0 F F0 F FaE0 F F0F FaN S n1 U1 U2 V2 V1 W1 W2 a) 磁动势矢量磁动势矢量 b) 相矢量图相矢量图 i1 产生的是交轴电枢磁动势：产生的是交轴电枢磁动势： F Fa

10、 = F Faq 。 F Faq 产生交轴电枢反应。产生交轴电枢反应。直直 轴轴 交交 轴轴 第第5章章 同同 步步 电电 机机 28 I1 0 F F0 F FaE0 F F0F FaN S n1 U1 U2 V2 V1 W1 W2 (a) 磁动势矢量磁动势矢量 (b) 相矢量图相矢量图 i1 产生的是直轴电枢磁动势：产生的是直轴电枢磁动势： F Fa = F Fad 。 F Fad 产生直轴电枢反应（去磁性）。产生直轴电枢反应（去磁性）。 直直 轴轴 交交 轴轴 N S n1 第第5章章 同同 步步 电电 机机 29 I1 0 F F0 F FaE0 F F0F FaN S n1 U1 U

11、2 V2 V1 W1 W2 (a) 磁动势矢量磁动势矢量 (b) 相矢量图相矢量图 i1 产生的电枢磁动势：产生的电枢磁动势： F Fa = F FadF Faq 。 F Fa 同时产生交、直轴电枢反应。同时产生交、直轴电枢反应。直直 轴轴 交交 轴轴 N S n1 F FadF Faq F F 第第5章章 同同 步步 电电 机机 30 结论（对于同步发电机）：结论（对于同步发电机）： 交轴电枢反应交轴电枢反应使气隙磁场发生畸变，使气隙磁场发生畸变，F F0 始终始终 超前于超前于 F F，即主极磁场超前于气隙合成磁场，即主极磁场超前于气隙合成磁场， 使主磁极始终受到一个制动性质的电磁转矩使主

12、磁极始终受到一个制动性质的电磁转矩 的作用，原动机克服该制动转矩做功，从而的作用，原动机克服该制动转矩做功，从而 实现了机械能到电能的转换。实现了机械能到电能的转换。 直轴电枢反应产生去磁或增磁作用，对同步直轴电枢反应产生去磁或增磁作用，对同步 电机的运行性能影响很大。电机的运行性能影响很大。 第第5章章 同同 步步 电电 机机 31NSSNn0n0理想空载理想空载（补偿机运行）（补偿机运行） SNn0NSn0发电机运行发电机运行NSSNn0n0电动机运行电动机运行功率角功率角 同步电机的运行状态取决于转子主极磁场与气同步电机的运行状态取决于转子主极磁场与气 隙合成磁场的相对位置。隙合成磁场的

13、相对位置。 功率角功率角 的大小的大小决定了决定了转换转换功率的大小。功率的大小。 第第5章章 同同 步步 电电 机机 32Uf If F0 隐极同步发电机的电磁关系隐极同步发电机的电磁关系(不计磁路饱和不计磁路饱和) ： U1 I1Fa 0 a E0 Ea E1 R1I1 E E1 = E0Ea U1 = E0EaE R1I1 第第5章章 同同 步步 电电 机机 33 Xa 电枢反应电抗。电枢反应电抗。 U1 = E0(R1j X j Xa ) I1 U1 = E0(R1j Xs ) I1 Xs = XaX 同步电抗。同步电抗。 Ea =jXa I1 E =jX I1 因为因为 Ea a F

14、a I1 ， Ea 滞后于滞后于a 90o ， 不计电枢铁耗，不计电枢铁耗，a 与与 I1 同相位。同相位。 则则 电枢漏电动势用电枢漏电抗电枢漏电动势用电枢漏电抗 X 表示：表示： 故有故有 第第5章章 同同 步步 电电 机机 34E R1 Xs I1 忽略忽略 R1，则，则 U1 = E0j XsI1 U1 第第5章章 同同 步步 电电 机机 35U1I1 R1I1jXs I1E0 根据负载的功率因数和电路方程作相量图。根据负载的功率因数和电路方程作相量图。 并设：并设： U1 = U1 0o ，负载为电感性。，负载为电感性。 a) 根据：根据： U1 = E0(R1j Xs ) I1 说

15、明：说明： 因为因为 E0 超前于超前于 E1角，角， 而而 U1 = E1(R1j X ) I1E1 ， 所以所以 E0 超前于超前于 U1角。角。 U1I1jXs I1E0 b) 根据：根据： U1 = E0j Xs I1 第第5章章 同同 步步 电电 机机 36 同步发电机中的感应电动势同步发电机中的感应电动势 V1V2W2W1U1U2NSF0FaFF0电枢三相电枢三相 绕组中感应绕组中感应 E0F电枢三相电枢三相 绕组中感应绕组中感应 E1E0 在时间上的相位超前于在时间上的相位超前于 E1角角F0 在空间上在空间上 超前于超前于F角角 第第5章章 同同 步步 电电 机机 37 【例例

16、5-1】 一台星形联结的三相汽轮发电机，已知一台星形联结的三相汽轮发电机，已知 PN = 25000 kW，UN = 10.5 kV，Xs = 7.5 ，cos N = 0.8 ( N0)， E0 = 7.5 kV，R1 可忽略不计。试计算该发电机在每相负载可忽略不计。试计算该发电机在每相负载 为下述几种情况时的电枢电流和内功率因数角，并说明电为下述几种情况时的电枢电流和内功率因数角，并说明电 枢反应的性质。枢反应的性质。(1) 纯电阻性负载纯电阻性负载 RL = 7.5 ； (2) 纯电感纯电感 性负载性负载 XL = 7.5 ；(3) 电容性负载，电容性负载，ZL =（6j12） 。 (1

17、) 纯电阻性负载时纯电阻性负载时 设参考相量设参考相量 E0 = 7.5103 0o V 解：解： I1 = = A = 707 45o A E0 RLjXs 7.5103 0o 7.5j7.5 即即 I1 = 707 A， =45o 。 电枢反应有交磁和直轴去磁两种作用。电枢反应有交磁和直轴去磁两种作用。 第第5章章 同同 步步 电电 机机 38(2) 纯电感性负载时纯电感性负载时 I1 = = A = 500 90o A E0 jRLjXs 7.5103 0o j7.5j7.5 即即 I1 = 500 A， =90o 。 电枢反应只有直轴去磁作用。电枢反应只有直轴去磁作用。 (3) 电容性

18、负载时电容性负载时 I1 = = A = 1000 36.87o A E0 (RLjXL) jXs 7.5103 0o (6j12)j7.5 即即 I1 = 1000 A， = 36.87o 。 电枢反应有交轴和直轴增磁两种作用。电枢反应有交轴和直轴增磁两种作用。 第第5章章 同同 步步 电电 机机 39 凸极电机的特点：凸极电机的特点： (1) 气隙不均匀。极面下的直轴位置气隙小，磁阻小；气隙不均匀。极面下的直轴位置气隙小，磁阻小； 两极之间的交轴位置气隙大，磁阻大。两极之间的交轴位置气隙大，磁阻大。 (2) Fa 作用在不同位置作用在不同位置，产生不同的产生不同的 a ，对应不同的，对应不

19、同的 Xa 。 忽略磁路饱和的影响，忽略磁路饱和的影响， 可以应用叠加定理：可以应用叠加定理： V1V2W2 W1U1U2 NSFaFa直轴直轴交交轴轴F0F F0 F Fa F Faq F Fad F Fa = F FadF Faq 第第5章章 同同 步步 电电 机机 40直轴分量：直轴分量：Id = I1 sin 交轴分量：交轴分量：Iq = I1 cos I1 = IdIq 双反应理论：双反应理论： 电枢反应分解成直轴电枢反应和交轴电枢反电枢反应分解成直轴电枢反应和交轴电枢反 应的方法。应的方法。 同理，将同理，将 I1 分解为两个对应的分量：分解为两个对应的分量： E0 I1 Iq I

20、d 第第5章章 同同 步步 电电 机机 41If F0 凸极同步发电机的电磁关系凸极同步发电机的电磁关系(不计磁路饱和不计磁路饱和) ： I1Fa ad E0 Ea E1 R1I1 E Fad Faqaq Ea 0 E1 = E0EadEaq U1 = E0EadEaq E R1I1 第第5章章 同同 步步 电电 机机 42因此有如下关系因此有如下关系 Ead =jXad Id ， E =j X I1 Eaq =jXaq Iq ， Xad 直轴电枢反应电抗。直轴电枢反应电抗。 Xaq 交轴电枢反应电抗。交轴电枢反应电抗。 X 电枢漏电抗。电枢漏电抗。U1 = E0jXad IdjXaq Iqj

21、X I1 R1I1 = E0j (XadX ) Idj (XaqX ) IqR1I1 因为因为 Ead ad Fad Id Eaq aq Faq Iq E Fa I1 U1 = E0jXd IdjXq IqR1I1 第第5章章 同同 步步 电电 机机 43 Xd = Xad + X 直轴同步电抗。直轴同步电抗。 Xq = Xaq + X 交轴同步电抗。交轴同步电抗。忽略忽略 R1，则有，则有 U1 = E0jXd IdjXq IqR1I1 U1 = E0jXd IdjXq Iq 设虚拟电动势：设虚拟电动势： EQ = E0j (XdXq ) Id 由相量图可知：由相量图可知： EQ 与与 E0

22、同相位。同相位。 E0 I1 Iq Id 0 E0 I1 Iq Id 0 第第5章章 同同 步步 电电 机机 44变换电压方程：变换电压方程： U1 = E0jXd IdjXq IqR1I1 j(XdXq) Id j(XdXq) Id U1 = EQjXq I1R1I1 忽略忽略 R1，则，则U1 = EQj Xq I1 EQ R1 Xq I1 U1 第第5章章 同同 步步 电电 机机 45U1 I1 R1I1 jXqI1 EQ jXdId E0 jXqIq U1 I1 jXqI1EQjXdIdE0jXqIq 根据负载的功率因数和电路方程作相量图。根据负载的功率因数和电路方程作相量图。 并设：

23、并设： U1 = U1 0o ，负载为电感性。，负载为电感性。 a) 根据：根据： U1 = EQ(R1j Xq)I1 b) 根据：根据： U1 = E0j XqI1 U1sin XqI1 U1cos R1I1tan = 由相量图的几何关系得：由相量图的几何关系得： ( 为负载的功率因数角，为负载的功率因数角， 计算时取绝对值计算时取绝对值) 第第5章章 同同 步步 电电 机机 46 【例例 5-2】 一台星形联结的水轮发电机，其额定值为一台星形联结的水轮发电机，其额定值为PN = 72 500 kW，UN = 10.5 kV，cos N = 0.8（电感性），（电感性）， 其直轴和交轴同步电

24、抗的标幺值为其直轴和交轴同步电抗的标幺值为 Xd = 1.22，Xq = 0.68， 忽略电枢电阻忽略电枢电阻 R1。试计算该发电机在额定运行时的励磁。试计算该发电机在额定运行时的励磁 电动势电动势 E0、功率角、功率角 和内功率因数角和内功率因数角 。 U1 = = V = 6 062.2 V UN 310.5103 1.732 解：解：额定电枢相电压、相电流和功率因数角分别为额定电枢相电压、相电流和功率因数角分别为 I1 = = A = 4 983.1A PN 3 UN cos N 72 500103 1.73210.5103 0.8 N = arc cos 0.8 = 36.87o *

25、* 直轴和交轴同步电抗分别为直轴和交轴同步电抗分别为 Xd = Xd = 1.22 = 1.484 U1 I1 6 060.2 4 983.1 * 第第5章章 同同 步步 电电 机机 47 6 062.20.60.8274 983.1 6 062.20.8= 1.6 于是可得于是可得 N = arctan1.6 = 55.85o N =N N = 58o 36.87o = 21.13o再由相量图得再由相量图得 E0 = U1cos XdId = (6 062.2cos21.13o1.4844 983.1sin 58o )V = 11 925.86 Vtan = U1sin XqI1 U1cos

26、 R1I1Xq = Xq = 0.68 = 0.827 U1 I1 6 060.2 4 983.1 * 由相量图得由相量图得 第第5章章 同同 步步 电电 机机 48 P1 = T1 1 P0 = PFePfwPadPe = P1P0PCu = 3R1I12 P2 = PePCu = 3U1I1cos P1 = P0Pe = PFePfwPadPCuP2 第第5章章 同同 步步 电电 机机 49P1P0PePCuP2 = 100% % P2P1Pe = P2PCu = 3U1I1cos 3R1I12 = 3 (U1cos R1I1 ) I1 E0 cos = U1cos R1I1 U1I1 R

27、1I1jXs I1E0第第5章章 同同 步步 电电 机机 50若忽略若忽略 R1，则，则 U1sin = XsI1cos 所以：所以： U1I1 R1I1jXs I1E0= 3E0 Iq 故故 Pe = 3E0 I1cos U1I1jXs I1E0 Pe = 3 sin U1E0Xs 同步发电机的功角特性：同步发电机的功角特性： 在在 n、If 和和 U1 为常数时，为常数时， Pe 与与 的关系的关系 Pe = f ( ) 。 如同步发电机并网运行如同步发电机并网运行 第第5章章 同同 步步 电电 机机 510 Pe 90o PeM当当 = 90o 时：时： Pe = 3 sin U1E0X

28、sPe = PeM = 3 U1E0 Xs U1 =E0(R1jXs ) I1 U1 =EQ(R1jXq ) I1 对比：对比： 可得：可得： Pe = 3EQ I1cos = 3EQ Iq 第第5章章 同同 步步 电电 机机 52或由相量图得：或由相量图得： U1 I1 R1I1 jXqI1 EQ jXdId E0 jXqIq EQ cos = U1cos R1I1 若忽略若忽略 R1，则，则 U1sin = XqI1cos XdId = E0U1cos EQ = E0(XdXq) Id 整理，得整理，得U1 I1 jXqI1EQjXdIdE0jXqIq 1Xd3E0U1 Xd Pe = s

29、in 1Xq ( ) sin2 3U1 2 2= Pe1 Pe2 第第5章章 同同 步步 电电 机机 53如果忽略如果忽略 R1，则有，则有 Pe = P1 = 3U1I1cos 凸极同步发电机电磁功率的一种推导方法：凸极同步发电机电磁功率的一种推导方法： 所以所以 U1sin Xq Iq = E0U1cos XdId = 3U1I1cos ( ) = 3U1I1cos cos 3U1I1sin sin = 3U1Iq cos 3U1Id sin U1 I1 jXqI1EQjXdIdE0jXqIq 因为因为 Xq Iq = U1sin Xd Id = E0U1cos 故故 1Xd3E0U1 X

30、d Pe = sin 1Xq ( ) sin2 3U1 2 2= Pe1 Pe2 第第5章章 同同 步步 电电 机机 54 讨论：讨论： 3U1E0Xd Pe1 = sin Pe1 E0 ，当转子有励磁即，当转子有励磁即 If 0 时存在。时存在。 1XqPe2 = ( ) sin2 3U1221XdPe2 是由于是由于 Xd Xq 而引起的，而引起的， 与与 If 是否存在无关。是否存在无关。 0 Pe 90o PeMPe1 Pe2 结论：结论： Pe2 使使 PeM 。 PeM 产生在产生在90o 处。处。 功角特性不再是正弦波。功角特性不再是正弦波。 第第5章章 同同 步步 电电 机机

31、55T1 = P1 1 T0 = P0 1 Te = Pe 1 T1 = TeT0 = P1 n1602 = P0 n1602 = Pe n1602 第第5章章 同同 步步 电电 机机 56 同步发电机的矩角特性：同步发电机的矩角特性： 指在指在 n、If 和和 U1 为常数时，为常数时，Te 与与 的关系的关系 Te = f ( ) 。 Te = sin ( ) sin2 1Xq3U1 2 1 1Xd3E0U1 Xd 1 2Te = 3 sin E0U1 Xs 1 隐极同步发电机的矩角特性：隐极同步发电机的矩角特性： 凸极同步发电机的矩角特性：凸极同步发电机的矩角特性： 矩角特性与功角特性的

32、变化规律相同。矩角特性与功角特性的变化规律相同。 Te1Te2第第5章章 同同 步步 电电 机机 57 当当 n = nN，If、cos = 常数时，常数时，U1L 与与 I1L 的的 关系，即关系，即 U1L = f (I1L)。 O U1LI1Lcos = 0.8 ( 0)cos = 0.8 ( 0)cos =1UNIN额定励磁电流额定励磁电流 IfN 在在nN 、cos N时，调节时，调节 If， 使使 I1L= IN、U1L = UN 时的时的 励磁电流励磁电流 If = IfN。 第第5章章 同同 步步 电电 机机 58 UNP 电枢的额定相电压。电枢的额定相电压。 凸极同步发电机：

33、凸极同步发电机：VR = 18% 30%； 隐极同步发电机：隐极同步发电机：VR = 30% 48%。 在在 nN、cos N、UN 时，时， If 与与 I1 的关系，的关系， 即即 If = f ( I1 )。 OIf I1cos = 0.8 ( 0)cos = 0.8 ( 0)cos =1VR = 100% E0UNP UNP IfN IN 电压调整率电压调整率VR (在保持在保持 nN、cos N、IfN 时时) 第第5章章 同同 步步 电电 机机 59在保持在保持 nN、cos N、UN 时，时， If 与与 I1 的关系，的关系， 即即 = f (P2) 。 空气冷却的大型水轮发电

34、机：空气冷却的大型水轮发电机： N = 96% 98.5% 空气冷却的汽轮发电机：空气冷却的汽轮发电机： N = 94% 97.8% 氢气冷却时，氢气冷却时， N 略有增加。略有增加。 第第5章章 同同 步步 电电 机机 60并联运行的优点并联运行的优点(1) 保证电能供应的质量、可靠性。保证电能供应的质量、可靠性。 (2) 提高供电系统的效率。提高供电系统的效率。(3) 减少发电厂备用机组的容量。减少发电厂备用机组的容量。(4) 合理调配和利用能源。合理调配和利用能源。 若不一致，相当于在电网端点上加上一组负序若不一致，相当于在电网端点上加上一组负序 电压，这是一种严重的故障情况。电压，这是

35、一种严重的故障情况。 第第5章章 同同 步步 电电 机机 61UU UV UW U1 V1 W1 U1 Q UU UV UW 发电机投入并联示意图发电机投入并联示意图 UU UV UW 如果相序不一致，则如果相序不一致，则 UU = 0 UV UW UU UVUW UV = UVUV UW = UWUW V1 W1 W1 V1 第第5章章 同同 步步 电电 机机 62如果：如果： 对应相量之间的相位差在对应相量之间的相位差在 0o 360o 之间变化。之间变化。 对应相量的差值不断地在对应相量的差值不断地在 0 2U1 之间变化。之间变化。 频率相差越大，这个变化的速度就越快。频率相差越大，这

36、个变化的速度就越快。 若若 Q 合闸，必定要产生冲击电流和冲击转矩。合闸，必定要产生冲击电流和冲击转矩。 UU UV UW UU UW UV UV UU UV UW UU UW UU UV UW UU UW UV UU UU 时刻时刻 1 时刻时刻 2 时刻时刻 3 第第5章章 同同 步步 电电 机机 63 电压相等包括相位相同和有效值相等，即电压相等包括相位相同和有效值相等，即 相量相等。相量相等。 如果如果 若若 Q 合闸，必定要产生冲击电流和冲击转矩。合闸，必定要产生冲击电流和冲击转矩。 UUUU ，UVUV ，UWUW ， 第第5章章 同同 步步 电电 机机 64 把发电机调整到完全符

37、合投入并联的条件时，把发电机调整到完全符合投入并联的条件时， 才投入电网的方法。才投入电网的方法。 缺点：手续繁琐，费时较多。缺点：手续繁琐，费时较多。 只要求发电机的相序与电网一致即可并网。只要求发电机的相序与电网一致即可并网。 缺点：会产生一定的冲击电流和冲击转矩。缺点：会产生一定的冲击电流和冲击转矩。 整步过程：为了将发电机投入电网并联运行所整步过程：为了将发电机投入电网并联运行所 进行的调节和操作过程。进行的调节和操作过程。 调节调节 If 调节调节 E0 ；调节；调节 n 调节调节 f 。 第第5章章 同同 步步 电电 机机 65 无穷大电网无穷大电网 容量很大、频率和电压基本不受负

38、载与其他容量很大、频率和电压基本不受负载与其他 干扰的影响，即恒频恒压的电网。干扰的影响，即恒频恒压的电网。 发电机并网运行时发电机并网运行时 发电机的频率和端电压受电网的约束，发电机的频率和端电压受电网的约束， 并网时，使励磁电动势等于电网端电压，并网时，使励磁电动势等于电网端电压， 即即E0 = U1， = 0 Pe = 3 sin U1E0Xs= 0 第第5章章 同同 步步 电电 机机 66T1 T1T0 n 产生产生 Te、Pe、I1、P2 Te T1 = TeT0 = 0o，T1 = T0 nn0 Te n n = n0 TeT1 n nn0 振荡振荡 稳定。稳定。 U1 E0 U1

39、 I1jXsI1 E0 0 Pe a 90o 180oPeM Pe = 0o 时的相量图时的相量图 0o 时的相量图时的相量图 工作点工作点 第第5章章 同同 步步 电电 机机 670Pe /Te 90o 180o a0Pe /Te 90o 180o aTe T1= Te + T0a 点点： 干扰使干扰使 T1 Te 抑制了抑制了 进一步增大进一步增大 b 点。点。 bT 1 = T e + T0 干扰消失后，较大的干扰消失后，较大的 Te， 使机组恢复到使机组恢复到 a 点运行。点运行。 a 点点： 干扰使干扰使 T1 n Te n Te 失步失步。 干扰消失后，干扰消失后，n 不可能恢不可

40、能恢 复到复到 n0，即工作点不可能，即工作点不可能 恢复到恢复到 a 点运行。点运行。稳定稳定 运行区运行区 第第5章章 同同 步步 电电 机机 68在在 的矩角特性段。的矩角特性段。 dTe d 0隐极机：隐极机： N = 30o 40o 凸极机：凸极机： N = 20o 30o 稳定运行范围：稳定运行范围： 额定功率角：额定功率角： 过载能力：过载能力： km =PeMPeN= TeMTeN= 1.7 3.0第第5章章 同同 步步 电电 机机 69解：解：额定相电压、相电流和功率因数角分别为额定相电压、相电流和功率因数角分别为 【例例5-3】 某星形联结的汽轮发电机并联在无穷大电某星形联

41、结的汽轮发电机并联在无穷大电 网上运行，已知网上运行，已知 SN = 31250 kVA，UN = 10.5 kV，cos N= 0.8 (电感性电感性)，Xs = 7 。若忽略电枢电阻，试求。若忽略电枢电阻，试求(1) 额定运行时的额定运行时的 PeN、 N、E0、Q2N 和和 kM；(2) 若励磁若励磁 电流不变，输出的有功功率为额定功率的一半时，电流不变，输出的有功功率为额定功率的一半时， 、 cos 和和 Q2 将变为多少？将变为多少？ U1 = = V = 6062.2 V UN 310.51033I1 = IN = = A = 1718.3 A SN 3 UN31250103310

42、.5103 N = arccos0.8 = 36.87o 设设 U1 = 6062.2 0o V， 则则 I1 = 1718.3 36.87o A 第第5章章 同同 步步 电电 机机 70(1) 发电机额定运行时发电机额定运行时 忽略忽略R1，则有，则有 PeN = P2N = SNcos N = 312500.8 kW = 25000 kW Q2N = SNsin N = 31250sin36.87o kvar = 18750 kvar 6062.2sin36.87o71718.3 6062.20.8= 3.23 tan N = U1sin XsI1 U1cos 由相量图得由相量图得 N =

43、 arctan3.23 = 72.8o N = N N = 72.8o 36.87o = 35.93o U1cos = E0 cos E0 = = = 16398.95 V U1cos cos 6062.20.8 cos72.8o第第5章章 同同 步步 电电 机机 71即即 E0 = 16398.95 V， N = 35.93o 。 过载能力：过载能力： (2) 发电机输出额定功率的一半时发电机输出额定功率的一半时 Pe = P2 = 0.5P2N =（0.525000）kW = 12500 kW 因为因为 If 不变，不变，E0 就不变，即就不变，即 PeM 不变，于是有不变，于是有 1 2

44、 3E0U1 Xs sin N = sin 3E0U1 Xs 或由电压方程解出或由电压方程解出 E0 和和 ： E0 = U1jXsI1 = (6062.2 0o j71718.3 36.87o ) V= 16398.95 35.93o V km = = = 1.7 1 sin N 1 sin35.93o 第第5章章 同同 步步 电电 机机 72Q2 = 3UN I1 sin = 36062.21538.68 sin62.82o var = 24893.3 kvar cos = cos62.82o = 0.457 再由再由电压方程可得电压方程可得 = (16398.93 17.46o 6062

45、.2 0o ) V= 10770.73 27.18o V I1 = = = 1538.68 62.82o A E0U1 jXs 10770.73 27.18o j7 jXsI1 = E0U1 即即 则则 = 17.46o ， sin = sin N = sin36.87o = 0.3 1 2 1 2 E0 = 16398.93 17.46o V 第第5章章 同同 步步 电电 机机 73 1. 发电机并网在无穷大电网上。发电机并网在无穷大电网上。 忽略忽略 R1 和和 T0 ，并且不计磁路饱和的影响。，并且不计磁路饱和的影响。 假设调节假设调节 If 时，输入时，输入 P1 保持不变。保持不变。

46、 Pe = 3 sin U1E0Xs= 3U1I1cos = 常数常数即即 E0 sin = 常数常数 I1cos = 常数常数 (1) 正常励磁正常励磁 当当If = If0 时，时， I1与与U1 同相，同相， U1E0j xsI1I1 = 0，cos = 1，Q2 = 0。 第第5章章 同同 步步 电电 机机 74(2) 过励磁过励磁 ( IfIf0 ) If E0 。 Q2 0 (感性感性) ； If Q2 。 U1E0I1jXsI1A BCDE0 sin = 常数常数 I1cos = 常数常数 I1 ( I1 ) 滞后于滞后于U1， E0 jXsI1 I1 E0 I1 jXsI1 (

47、3) 欠励磁欠励磁 ( IfIf0 ) If E0 。 I1 ( I1 ) 超前于超前于U1， Q2 0 (容性容性) ； If |Q2 | 。第第5章章 同同 步步 电电 机机 75调节调节 If 可调节同步发电机输出的无功功率。可调节同步发电机输出的无功功率。 O I1 If Pe1 Pe2 欠励欠励 过励过励 If0 结论：结论：cos =1电枢电流与励磁电流的关系：电枢电流与励磁电流的关系： I1 = f (If ) 不稳不稳 定区定区 第第5章章 同同 步步 电电 机机 76 ad E0 Ead E1 R1I1 E aq Eaq 0 Uf If F0 E1 = E0EadEaq U1

48、 =E0EadEaqE R1I1 U1 I1 IadFad IaqFaq第第5章章 同同 步步 电电 机机 77Ead =jXad Id Xad 直轴电枢反应电抗直轴电枢反应电抗。 Xaq 交轴电枢反应电抗交轴电枢反应电抗。 Eaq =jXaq Iq E =jX I1 I1 = IdIqU1 =E0 j Xad Idj Xaq Iqj X I1R1I1 =E0j (XadX ) Idj (XaqX ) IqR1I1 U1 =E0jXd IdjXq IqR1I1 Xd = XadX 直轴同步电抗；直轴同步电抗； Xq = XaqX 交轴同步电抗。交轴同步电抗。 如果忽略如果忽略 R1，则，则U1

49、 =E0jXd IdjXq Iq 第第5章章 同同 步步 电电 机机 78 E0 I1 IqIdE0 I1 Iq Id j(XdXq)Id EQ 设虚拟电动势设虚拟电动势 EQ = E0j (XdXq ) Id (a) I1 滞后于滞后于E0 时时 jIdEQ(b) I1 超前于超前于E0 时时 jId 结论：结论： EQ 与与 E0 同相位。同相位。 U1 =E0R1I1jXd IdjXq IqjXq IdjXq Id j(XdXq)Id U1 =EQR1I1jXq I1 第第5章章 同同 步步 电电 机机 79 R1 Xq U1 I1EQ 取取 U1 = U1 0oU1 I1 R1I1 j

50、XqI1 EQ Iq Id jXd Id jXq Iq 电容性电容性 E0 设设 0，画，画 I1 。 画画 R1I1 和和 j Xq I1 。 画画(EQ) 确定确定(E0)的方位。的方位。 由由 I1 分解出分解出 Id 和和 Iq 。 画画 j Xd Id 和和 j Xq Iq 。 画画 (E0)。 第第5章章 同同 步步 电电 机机 80R1I1 Id Id 同理可以画出同步电动机呈电感性和电阻性同理可以画出同步电动机呈电感性和电阻性 时的相量图。时的相量图。 依据：依据：U1 =EQ + R1I1 + jXq I1U1 =E0 + jXd Id + jXq Iq + R1I1 U1

51、I1 R1I1 jXqI1 EQ Iq jXd Id jXq Iq 电感性电感性 U1 I1 jXqI1EQ Iq jXd Id jXq Iq 电阻性电阻性 E0 E0 第第5章章 同同 步步 电电 机机 81 电动机呈电感性时电动机呈电感性时 = tan =U1sin XqI1U1cos R1I1 电动机呈电容性时电动机呈电容性时 = tan =U1sin XqI1U1cos R1I1Id U1 I1 R1I1 jXqI1 EQ Iq jXd Id jXq Iq E0 U1 I1 R1I1 jXqI1 EQ Iq Id jXd Id jXq Iq E0 第第5章章 同同 步步 电电 机机 8

52、2(1) 输入功率（不计励磁功率）输入功率（不计励磁功率） P1 = 3U1I1cos (2) 电枢铜损耗电枢铜损耗 PCu = 3R1I12 (3) 电磁功率电磁功率 Pe = P1PCu = 3EQ I1cos = PCuPe 1XdE0U1 Xd Pe = 3 sin 3 ( ) sin2 1XqU1 2 2第第5章章 同同 步步 电电 机机 83(4) 空载损耗空载损耗 P0 = PFePfwPad (5) 输出功率输出功率 P2 = PeP0(6) 功率关系功率关系 P1 = PCuPe 铁损耗铁损耗 机械损耗机械损耗 附加损耗附加损耗 P1PCuPeP0P2 = 100% % P2

53、P1 P1 = PCuPFePfwPadP2 (7) 效率效率第第5章章 同同 步步 电电 机机 84(1) 转矩平衡关系转矩平衡关系 Te = Pe1= 9.55Pen11XdE0U1 Xd Pe = 3 sin 3 ( ) sin2 1XqU1 2 2(2) 电磁转矩电磁转矩(3) 空载转矩空载转矩T0 = P01= 9.55P0n1T2 = P21(4) 输出转矩输出转矩= 9.55P2n1T2 = TeT0 第第5章章 同同 步步 电电 机机 85 【例例5-4】 一台星形联结的六极同步电动机接在无穷大一台星形联结的六极同步电动机接在无穷大 电网上运行，已知电网上运行，已知 PN =

54、2000 kW，UN = 3 kV，fN = 50 Hz， cos N = 0.85 (电容性电容性)， N = 95%，R1 = 0.1 。试求额定。试求额定 运行时的运行时的: (1) 输入功率和电枢电流；输入功率和电枢电流；(2) 电磁功率和电磁电磁功率和电磁 转矩。转矩。解：解： (1) 额定输入功率和电枢电流为额定输入功率和电枢电流为 = (2105.330.1 476.72103) kW = 2037.1 kW P1N = = kW = 2105.3 kW PN N 2000 0.95 IN = = A = 476.7 A P1N 3 UNcos N 2105.3 3 30.85

55、(2) 电磁功率和电磁转矩为电磁功率和电磁转矩为 PeN = P1N3R1IN 2 第第5章章 同同 步步 电电 机机 86同步角速度为同步角速度为 N = = = 104.67 rad/s 2 f p 2 50 3 TeN = = Nm = 19462.1 NmPeN N 2037.1103 104.67 第第5章章 同同 步步 电电 机机 87 当当 U1L = UN ，f1 = fN ， If = IfN 时：时： I1 = f (P2) Te = f (P2) cos = f (P2) = f (P2)O P2 I1 Te cos 第第5章章 同同 步步 电电 机机 88同步电动机的主

56、要优点同步电动机的主要优点 调节调节If 调节调节 cos 90o 90o (纯电容性纯电容性) (纯电感性纯电感性) 调节调节 If 改变改变 cos 的原理的原理 以隐极同步电动机为例，并忽略以隐极同步电动机为例，并忽略 R1 和和 T0。 调节调节 If 时，时，U1、f1、TL 都不变，则都不变，则 Te、Pe 和和 P1不变。不变。 Pe = 3 sin U1E0Xs= 3U1I1cos 可得可得 E0 sin = 常数常数 I1cos = 常数常数 第第5章章 同同 步步 电电 机机 89另一方面另一方面: 因此因此当当 If E0 。当当 If E0 | | 。U1 =E0j X

57、s I1U1jXsI1E0 ABjXsI1 CDjXsI1 I1E0 sin = 常数常数 I1cos = 常数常数 E0 I1 I1 E0 第第5章章 同同 步步 电电 机机 90 正常励磁正常励磁 (If = If0 ) I1 与与U1 同相，同相，cos = 1, 电机呈电阻性。电机呈电阻性。 欠励磁欠励磁 (If If0) 电机呈电感性。电机呈电感性。 If ，感性程度，感性程度 。 过励磁过励磁 (当当 If If0 ) U1jXsI1E0 ABjXsI1 CDjXsI1 I1E0 I1 I1 E0 I1 (I1 ) 超前于超前于U1， I1 (I1 ) 滞后于滞后于U1， 电机呈电

58、容性，电机呈电容性， If | | ，容性程度容性程度 。第第5章章 同同 步步 电电 机机 91 调节调节 If 可使同步电动机在任意特定负载下的可使同步电动机在任意特定负载下的 cos 达到达到 1，或改变其负载性质。或改变其负载性质。同步电动机的同步电动机的 V 形曲线形曲线 当当 U1 = UN、f1 = f N、 TL 不变时：不变时： I1 = f (If )OI1IfP2P2欠励欠励 过励过励 If0 结论：结论：cos =1第第5章章 同同 步步 电电 机机 92 【】 某工厂的电源容量为某工厂的电源容量为 1600 kVA，原有负，原有负 载为载为 800 kW，功率因数为，

59、功率因数为 0.65（电感性），现在需要增（电感性），现在需要增 加一台电动机来拖动加一台电动机来拖动 400 kW的新机械负载。的新机械负载。(1) 能否选用能否选用 400 kW、功率因数为、功率因数为 0.85、效率为、效率为 88% 的异步电动机？的异步电动机？ (2) 能否选用能否选用400 kW、功率因数为、功率因数为0.85（电容性）效率为（电容性）效率为 88% 的同步电动机？的同步电动机？ 解：解：原有负载的无功功率为原有负载的无功功率为(1) 选用异步电动机时选用异步电动机时 Q1 = P1 tan = 800tan(arccos0.65) = 935.3 kvar P1M

60、 = = kW = 454.55 kW P2M M 400 0.88 Q1M = P1M tan = 800tan(arccos0.85) = 281.7 kvar 电源的总负载为电源的总负载为 第第5章章 同同 步步 电电 机机 93由于总负载超过了电源容量，故不能选用异步电动机。由于总负载超过了电源容量，故不能选用异步电动机。 P1M = = kW = 454.55 kW P2M M 400 0.88 Q1M = P1M tan = 800tan(arccos0.85) =281.7 kvar S = (P1P1M)2 (Q1Q1M)2 = (800454.55)2(935.3281.7)