同步电机功率及运行特性

1、四、同步电动机功率关系四、同步电动机功率关系运行特性运行特性1.功率关系n同步电动机从电源吸收的有功功率n除去消耗于定子绕组的铜损耗n就转变为电磁功率13cosPUI2113CupI RemP从电磁功率Pem中再扣除铁损耗pFe和机械损耗pmec后，转变为机械功率P2输出给负载 2emFemecPppP其中铁损耗pFe和机械损耗pmec之和成为空载损耗p00Femecpppn功率流图21113CupI R0Femecppp1PemP2P同步电动机功率流图凸极电机的向量图凸极电机的向量图2.运行特性n工作特性 ,NfUUIC2()emTf P2()If P2()nf P2()f P2cos()f

2、 Pn机械特性 ,NfUUIC()emnf T工作特性揭示同步电动机的特性是不足的，因为不仅调节输出功率可以改变同步电动机的运行情况，调节励磁电流也可以改变。n励磁电流大小和有功功率作为参数来分析同步电动机的特性n（1）励磁电流If = C，输出有功功率变化功角特性功角特性n（2）有功功率不变时，改变 If 对电枢电流I及功率因数的影响V形曲线形曲线n励磁和电动机电动势的关系: （前述）n同步电动机的电动势方程: （前述）n同步电动机的有功功率： (1) 有功功率方程：2sin)11(2sin20dqdemXXUmXUmEP的双重物理含义：励磁电动势 与定子所加相电压 之间的 夹角（时间电角度

3、）励磁磁动势 与气隙合成磁动势 之间的 夹角（空间电角度）0EUfFFfaFFF功角功角意义的图示意义的图示A A：0fFFaIaF0EaEaEUNoImageNoImageNSF NSFf T1 nTem n1 功角功角意义的图示意义的图示B B功角是转子磁极轴线和定子合成磁极轴线的空间夹角忽略同步电动机定子电阻Ra上的损耗13cosemPPUI从相量图中可知，00EIUE为与 之间的夹角， 为与之间的夹角3cos3cos()3coscos3sinsinemPUIUIUIUI0sincoscossindqddqqIIIII XEUI XU020203cos3cos()3coscos3sins

4、in3cos3sin(cos )sin3cos3sin113sin3()cossin113sin3()sin 22emqdqddqddqdPUIUIUIUIUIUIEUUUUXXE UUXXXE UUXXXemPT 260n 20emPPp02emPpP20emTTT (2)电磁转矩方程： (3)无功功率方程： 200011sin()sin22emdqdmE UUTmXXX20costtmE UmUQXX222011cos(cossin)ddqmE UQmUXXX（隐极电机）（凸极电机）3.功角特性n电磁功率Pem与角度呈函数关系2sin)11(2sin20dqdemXXUmXUmEPNoIm

5、age3U1E0 Xd Pe = sin Pe E0 ，当转子有励磁即 If 0 时存在。 1 XqPe = ( ) sin2 3U12 21 XdPe 是由于 Xd Xq 而引起的，与 If 是否存在无关。 结论： Pe 使 PeM。 PeM 产生在90o 处。 功角特性与矩角特性 不再是正弦波。 基本分量。基本分量。 附加分量。附加分量。OPe / T 90o PeM (TM)PePen对凸极电机来讲2sin)11(2sin20dqdemXXUmXUmEPn对隐极电机来讲OPe / TPeM (TM)0sinemtmE UPX4.矩角特性003sinemcE UTX200011sin()s

6、in22emdqdmE UUTmXXX对隐极式同步电动机，Xd=Xq=Xc03sinemcE UPX5.稳定运行LTLT12emT0 90 稳定运行LTemT0 90LT1emT90 1800emdTd0emdTd0emdTdNoImageNoImage判据判据：0emdPd隐极发电机的判据隐极发电机的判据：比整步功率比整步功率(kW/rad)(kW/rad)0cos0emsyntdPE UPmdx静态稳定： 当电网或原动机方面出现某些微小扰动时，同步发电机能在这种干扰消失后，继续保持原来的平衡运行状态。额定：功角额定：功角2530n最大转矩Tm与额定转矩TN之比，过载倍数sin 902 3.

7、5sinmTNNTT隐极同步电动机额定运行N=3016.5 。凸极式同步电动机额定运行功率角更小。 负载改变时，随之变化，使同步电动机的电磁转矩或电磁功率跟着变化，以达到平衡状态。而电机的转速却保持同步转速不变。0max01sinsinemtTNNNtE UmPxE UPmx6.过载倍数n例：一台隐式同步电动机，额定电压UN=6000V，额定电流IN=71.5A，额定功率因数cosN=0.9（超前性），定子绕组为Y接，同步电抗Xt=48.5，忽略定子电阻R1。电机额定运行时，求：n（1）空载电动势（励磁电动势）E0n（2）功率角Nn（3）电磁功率Pemn（4）过载倍数T解:NN0EUNINtj

8、I Xarccos0.925.8N(1)22022(sin)(cos)3360006000(0.435971.5 48.5)(0.9)335854.3NNNNtNUUEI XV(2)先求角6000sin0.435971.5 48.533arctanarctan60000.9cos3315103467.75arctan583117.7NNNtNNUI XU5825.832.2N (3)电磁功率111.87sin0.53TN(4)过载倍数033 6000 5854.33sin0.53664.9kW348.5NemNtUEPX7.同步电机功率因数的调节同步电机的重要特性：同步电机在保持输出有功不变的

9、情况下，可以通过励磁电流的调节，使电机的功率因数发生变化。同步电动机的V形曲线是指当电源电压与频率均为额定值，在输出功率不变的条件下，调节励磁电流If ，定子电流 I 会相应变化，绘制成的I = f (If) 曲线，形状象“V”，故称V形曲线。,NNUUffNoImage即(1)矢量图矢量图n无功功率的调节： 同步电动机可以通过励磁电流的调节，使电机的输出无功功率发生变化。常数cossin0mUIXUmEPtem常数常数cossin0IEtXCNoImage 同步电动机输出有功功率P2恒定，改变励磁电流可以调节其无功功率 “正常”励磁时功率因数cos =1，电枢电流全部为有功电流，故数值最小

10、励磁电流小于正常励磁值(欠励)时，电动机功率因数cos 滞后，同步电动机相当于感性负载，要从电网吸取滞后无功。 励磁电流大于正常励磁值(过励)时，电动机功率因数cos 超前，同步电动机相当于容性负载，要从电网吸取超前无功(2)特点特点NoImage 正常励磁正常励磁 当当 If = If0 时，时， I1 与与U1 同相，同相， = 1, 电机呈电阻性。电机呈电阻性。 欠励磁欠励磁 当当If If0时，时， I1 (I1 ) 滞后于滞后于U1， 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 时，时， 电机呈电容性，电机呈电容性， If | |

11、， 容性程度容性程度 。 I1 (I1) 超前于超前于U1， U1jXtI1E0 E0 aajXtI1I1 bbE0 jXtI1I1 I1NoImage同步电动机的V形曲线I=f(If) ：同步电动机在有功功率恒定、励磁电流变化时，电枢电流随励磁电流变化的曲线(3)V形曲线1.每一功率（负载）对应一条V形曲线2.从欠励到正常励磁到过励I 有最小值3.每条曲线的最低点：cos=1， 连线向右倾斜。 4.每条曲线左边均有不稳定区5.不稳定区域边缘：=900， 连线向右倾斜 6、每条曲线上的电流I变化量I 为无功分量 V形曲线的几个特点形曲线的几个特点n异步电机 励磁电流为定子电流的一部分，不能调节，从电网吸收励磁电流，为感性，使电动机功率因数滞后，使电网功率因数变坏。n同步电动机功率因数可调，可以改善电网的无功平衡状况，从而提高电网的功率因数和运行性能及效益。n将同步电机和异步电机接入同一电网运行，并使同步电动机运行于过励状态，则电网同时提供容性和感性的无功电流，两者互相补偿，改善电网功率因数。n或者采用同步补