电机学课件--同步电机基本理论

1、LFChun 制作 大连理工大学电气工程系*5.8 微型同步电动机微型同步电动机*5.8 微型同步电动机微型同步电动机5.12 三相同步发电机的运行特性三相同步发电机的运行特性5.12 三相同步发电机的运行特性三相同步发电机的运行特性第第 5 章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构5.3 三相隐极同步电动机的运行分析三相隐极同步电动机的运行分析5.4 三相凸极同步电动机的运行分析三相凸极同步电动机的运行分析5.5 三相同步电动机的功率和转矩三相同步电动机的功率和转矩5.6 三相同步电动机的的运行特性三相同步电动机的的运行特性5.7 三相同

2、步电动机功率因数的调节三相同步电动机功率因数的调节5.9 三相隐极同步发电机的运行分析三相隐极同步发电机的运行分析5.10 三相凸极同步发电机的运行分析三相凸极同步发电机的运行分析5.11 三相同步发电机的功率和转矩三相同步发电机的功率和转矩5.13 同步发电机与电网的并联运行同步发电机与电网的并联运行5.1 三相同步电机的工作原理三相同步电机的工作原理5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构5.3 三相隐极同步电动机的运行分析三相隐极同步电动机的运行分析5.4 三相凸极同步电动机的运行分析三相凸极同步电动机的运行分析5.5 三相同步电动机的功率和转矩三相同步电动机的功率和转矩5.

3、6 三相同步电动机的的运行特性三相同步电动机的的运行特性5.7 三相同步电动机功率因数的调节三相同步电动机功率因数的调节5.9 三相隐极同步发电机的运行分析三相隐极同步发电机的运行分析5.10 三相凸极同步发电机的运行分析三相凸极同步发电机的运行分析5.11 三相同步发电机的功率和转矩三相同步发电机的功率和转矩5.13 同步发电机与电网的并联运行同步发电机与电网的并联运行5.1 三相同步电机的工作原理三相同步电机的工作原理返回主页返回主页电机与拖动电机与拖动大连理工大学电气工程系V1V2W2W1U1U2NS5.1 三相同步电机的工作原理三相同步电机的工作原理定子定子+UfIf转子转子励磁励磁绕

4、组绕组1. 三相同步电动机三相同步电动机 定子定子 旋转磁场。旋转磁场。 转子转子 直流磁极。直流磁极。 转子转速转子转速同步同步第第5章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论60 f1pn = n0 = 大连理工大学电气工程系V1V2W2W1U1U2NS 同步电动机中的磁通势同步电动机中的磁通势 定子定子 电枢。电枢。电枢旋转磁通势电枢旋转磁通势 Fa转子旋转磁通势转子旋转磁通势 F0气隙旋转磁通势气隙旋转磁通势 F NSSNn0n0 电枢反应电枢反应 Fa 对对 F 的影响。的影响。NSSN电动机状态电动机状态n0n0理想空载状态理想空载状态F0FaF功功角角5.1 三相同步电机的工作原

5、理三相同步电机的工作原理大连理工大学电气工程系 同步电动机中的感应电动势同步电动机中的感应电动势 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 E1 E0 在时间上滞后于在时间上滞后于 E1角角 F0 在空间上在空间上 滞后于滞后于F角角 E0 在时间上滞后于在时间上滞后于 E1角角 5.1 三相同步电机的工作原理三相同步电机的工作原理大连理工大学电气工程系2. 三相同步发电机三相同步发电机 励磁机励磁机F0 旋转的旋转的 F0 和和0E0 原动机原动机电枢三相电枢三相 绕组中感应绕组中感应 SNn0NSn0发电

6、机运行发电机运行NSSNn0n0 理想空载状态理想空载状态 V1V2W2W1U1U2NSF0FaF5.1 三相同步电机的工作原理三相同步电机的工作原理大连理工大学电气工程系 三相同步发电机空载运行时三相同步发电机空载运行时电枢（定子）：电枢（定子）： I1 (Fa ) = 0转子每极磁通：转子每极磁通： 0 空载电动势：空载电动势： E0 = 4.44 f1 kw1 N10 或或电枢相电压：电枢相电压： U0P = E0电枢线电压（电枢线电压（Y 形联结）：形联结）：E0 = j4.44 f1 kw1 N10U0L =3 E0 E0 的频率：的频率：f1 =pn60如果：如果： f1 = 50

7、Hz，则：则： pn = 3 000 5.1 三相同步电机的工作原理三相同步电机的工作原理大连理工大学电气工程系 三相同步发电机负载运行时三相同步发电机负载运行时 电枢旋转磁通势电枢旋转磁通势 Fa转子旋转磁通势转子旋转磁通势 F0气隙旋转磁通势气隙旋转磁通势 F 同步电动机中的感应电动势同步电动机中的感应电动势 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 在时间上超前于在时间上超前于 E1角角F0 在空间上在空间上 超前于超前于F角角 5.1 三相同步电机的工作原理三相同步电机的工作原理大连理工大学

8、电气工程系3. 三相同步电机的可逆运行三相同步电机的可逆运行NSSNn0n0电动机状态电动机状态NSSNn0n0理想空载状态理想空载状态SNn0NSn0发电机运行发电机运行5.1 三相同步电机的工作原理三相同步电机的工作原理大连理工大学电气工程系5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构1. 主要部件主要部件(1) 定子（电枢）定子（电枢）(2) 转子转子由硅钢片叠成。由硅钢片叠成。对称三相绕组。对称三相绕组。定子铁心：定子铁心：定子绕组：定子绕组：机座和端盖等。机座和端盖等。转子铁心：转子铁心： 由整块铸（锻）钢制成。由整块铸（锻）钢制成。励磁绕组：励磁绕组： 工作时施加直流励磁。

9、工作时施加直流励磁。阻尼绕组和转轴等。阻尼绕组和转轴等。阻尼绕组阻尼绕组第第5章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论大连理工大学电气工程系2. 励磁方式励磁方式(1) 直流励磁机励磁直流励磁机励磁 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。(2) 静止整流器励磁静止整流器励磁 交流励磁机交流励磁机整流整流直流电直流电(3) 旋转整流器励磁旋转整流器励磁 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。电刷电刷集电环集电环励磁绕组。励磁绕组。 5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系(1) 按能量转换的方式不同：按能量转换的方式

10、不同： 同步发动机、同步电动机。同步发动机、同步电动机。(2) 按相数的不同按相数的不同: 三相、单相。三相、单相。(3) 按转子结构的不同：隐极式、凸极式。按转子结构的不同：隐极式、凸极式。3. 主要种类主要种类NS+3 3 +NS5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系励磁机励磁机发电机发电机水轮机水轮机 卧式、立式。卧式、立式。(5) 按原动机的不同：按原动机的不同： 汽轮发电机、水轮发电机。汽轮发电机、水轮发电机。(4) 按安装方式的不同：按安装方式的不同：5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系5.2 三相同步电机的

11、基本结构三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系小浪底电站水轮机组安装小浪底电站水轮机组安装5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系三峡电站首台机组安装三峡电站首台机组安装5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系水力发电水力发电5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系火力发电厂火力发电厂励励磁磁机机发发电电机机汽汽轮轮机机5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系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/mi

12、n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电能的产生电能的产生5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系 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 输电线输电线5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系三相同步电机三相同步电机5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构 更多的图片更多的图片 大连理工大学电气工

13、程系三相同步电机三相同步电机5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构 更多的图片更多的图片 大连理工大学电气工程系同步发电机同步发电机5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构 更多的图片更多的图片 大连理工大学电气工程系小型同步电机小型同步电机5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构 更多的图片更多的图片 大连理工大学电气工程系4. 额定值额定值(1) 额定电压额定电压 UN ：线电压的额定值。：线电压的额定值。(2) 额定电流额定电流 IN ：线电流的额定值。：线电流的额定值。(3) 额定功率额定功率 PN ：输出功率的额定值。：输出功率的额定值。 三相同

14、步电动机：三相同步电动机：PN =3 UNIN N N三相同步发电机：三相同步发电机：PN =3 UNIN N(4) 额定转速额定转速 nN ：额定运行时的转速。：额定运行时的转速。(5) 额定频率额定频率 fN ： 50Hz。5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系5.3 三相隐极同步电动机的运行分析三相隐极同步电动机的运行分析第第5章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论1. 基本方程式基本方程式 取对称三相电路的一相分析。取对称三相电路的一相分析。U1I1Uf If F0FU1 I1FaE1 电枢电枢 感应感应合成合成磁通势磁通势 漏磁通漏磁通 E R

15、1I1 E1E U1 = R1I1E E1= (R1 + j X ) I1E1E =j X I1 漏磁感应电动势：漏磁感应电动势： R1、X 定子每相绕组的电阻、漏电抗。定子每相绕组的电阻、漏电抗。大连理工大学电气工程系( (励磁电动势不变励磁电动势不变) )( (电枢反应电动势随负载变化电枢反应电动势随负载变化) ) 如果不计磁路饱和，则如果不计磁路饱和，则 Uf If F0 0U1 I1 FaE0aEa E R1I1 E1= E0 + Ea U1 =E0EaE R1I1 因为因为 Ea a Fa I1，不计磁饱和不计磁饱和Ea 滞后于滞后于a 90o ， 不计电枢铁耗，不计电枢铁耗，a 与

16、与 I1 同相位。同相位。 所以所以 Ea =j Xa I1 Xa 电枢反应电抗。电枢反应电抗。5.3 三相隐极同步电动机的运行分析三相隐极同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系U1 =E0(R1j X j Xa ) I1 U1 =E0(R1jXs ) I1 Xs = X Xa 同步电抗。同步电抗。一般：一般：R1 Xs ，忽略，忽略 R1 ，则，则 U1 =E0j Xs I1 2. 等效电路等效电路R1 jXs+U1I1 +R1 jX +U1E1I1E05.3 三相隐极同步电动机的运行分析三相隐极同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系3. 相量图相量图U1 =E0(R1jXs ) I

17、1 U1(a) 电电感感性性I1 R1 I1jXsI1E0 功率因数角。功率因数角。 内功率因数角。内功率因数角。 已知：已知：E0 滞后于滞后于E1角，角， U1 =E1(R1j X ) I1 因此因此E0 滞后于滞后于 U1。E1（忽略（忽略 R1 和和 X ）(b) 电电阻阻性性U1I1E0 jXsI1 R1 I1(c) 电电容容性性U1I1 R1 I1 jXsI1 E0 = 5.3 三相隐极同步电动机的运行分析三相隐极同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系U1 =E0jXs I1 (a) 电电感性感性 U1 I1 jXsI1 E0 如果忽略如果忽略 R1 ，则有，则有 同样有关系同

18、样有关系 = (b) 电阻电阻性性 U1 I1 E0 jXsI1 (c) 电电容性容性 U1I1 jXsI1 E0 5.3 三相隐极同步电动机的运行分析三相隐极同步电动机的运行分析 大连理工大学电气工程系 【例例5.3.1】 某三相隐极同步电动机，某三相隐极同步电动机， PN = 50 kW，UN = 380 V，Y 形联结，形联结， IN = 90 A， N = 0.8（电感性），（电感性），R1 = 0.2 ， Xs = 1.2 。求在上。求在上述条件下运行时的述条件下运行时的 E0、 、 和和 。解：电枢相电压和相电流为解：电枢相电压和相电流为U1 =UN 3 I1 = IN = 90

19、A = arccos0.8 = 36.87o 取参考相量：取参考相量： U1 = 220 0o V 则则I1 = 90 36.87o A = V = 220 V 380 35.3 三相隐极同步电动机的运行分析三相隐极同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系由此求得由此求得 E0 = 159.72 V = 28.34o = = 8.53o E0 = U1( R1jXs ) I1 =220 0o ( 0.2j1.2 )90 36.87o V = 159.72 28.34o V 5.3 三相隐极同步电动机的运行分析三相隐极同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系F05.4 三相凸极同步电动机的运

20、行分析三相凸极同步电动机的运行分析 特点：气隙不均匀。特点：气隙不均匀。 同样的同样的 Fa 产生不同的产生不同的a 对应不同的对应不同的 Xa 。 V1V2W2W1U1U2NSFaFa 如果磁路不饱和：如果磁路不饱和： 将将 I1 分解为两个分量。分解为两个分量。 直轴直轴交交轴轴E0 I1 Iq Id 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。 第第5章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论大连理工大学电气工程系1. 基本方程式基本方程式 U1I1Uf IfF00E0U1 I1IdIqFadFaqa

21、daqEad Eaq E R1I1 E0E EadEaqU1 =E0EadEaqE R1I1 Ead =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 5.4 三相凸极同步电动机的运行分析三相凸极同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系E =jXI1 I1 = IdIqU1 =E0 j Xad Idj Xaq Iqj XI1R1I1=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

22、轴同步电抗。交轴同步电抗。 如果忽略如果忽略 R1，则，则U1 =E0jXd IdjXq Iq 5.4 三相凸极同步电动机的运行分析三相凸极同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系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 2. 等效电路等效电路(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 U1 =EQR1I1jXq I1 5.4 三相

23、凸极同步电动机的运行分析三相凸极同步电动机的运行分析j(XdXq)Id 大连理工大学电气工程系 隐极电动机可视为凸极电动机的特例：隐极电动机可视为凸极电动机的特例： Xd = Xq = Xs 依据：依据：EQ = E0 U1 =EQR1I1jXq I1 R1 jXq +U1I1 +EQ5.4 三相凸极同步电动机的运行分析三相凸极同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系3. 相量图相量图 设已知设已知 U1、I1、 、Xd、Xq 。 取取 U1 = U1 0oU1 (1) 设设 0，画，画 I1 。 I1 U1 =EQ + R1I1 + jXq I1U1 =E0 + jXd Id + jXq

24、Iq + R1I1 (2) 画画 R1I1 和和 j Xq I1 。 R1I1 jXqI1 (3) 画画(EQ) ，确定，确定(E0)的方位。的方位。 EQ (4) 由由 I1 分解出分解出 Id 和和 Iq 。 Iq Id (5) 画画 j Xd Id 和和 j Xq Iq 。 jXd Id jXq Iq (6) 画画 (E0)。 (a) 电容性电容性5.4 三相凸极同步电动机的运行分析三相凸极同步电动机的运行分析E0 大连理工大学电气工程系 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 + j

25、Xq I1U1 =E0 + jXd Id + jXq Iq + R1I1 (b) 电感性电感性(c) 电阻性电阻性5.4 三相凸极同步电动机的运行分析三相凸极同步电动机的运行分析Id U1 I1 R1I1 jXqI1 EQ Iq jXd Id jXq Iq E0 R1I1 Id U1 I1 jXqI1EQ Iq jXd Id jXq Iq E0 大连理工大学电气工程系 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 R1I15.4 三相凸极同步电动机的运行分析三相凸极同步电

26、动机的运行分析Id U1 I1 R1I1 jXqI1 EQ Iq jXd Id jXq Iq E0 U1 I1 R1I1 jXqI1 EQ Iq Id jXd Id jXq Iq E0 大连理工大学电气工程系U1 I1 jXqI1 EQ Id Iq jXd Id jXq Iq E0 忽略忽略 R1 时的相量图时的相量图(a) 电感性电感性jXq Iq U1 I1 jXqI1 EQ Iq Id jXd Id E0 (b) 电阻性电阻性U1 =EQ jXq I1U1 =E0jXd IdjXq Iq EQ jXq IqE0 U1I1 jXqI1IdIqjXd Id(c) 电容性电容性5.4 三相凸极

27、同步电动机的运行分析三相凸极同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系 由相量图求得由相量图求得 = 且有关系且有关系tan = U1sin XqI1 U1cos 电感性时取电感性时取“”，电容性时取，电容性时取“”。 5.4 三相凸极同步电动机的运行分析三相凸极同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系U1 =UN 3= V = 3 468.21 V 6 0001.732 【例例 5.4.1】 一台三相凸极同步电动机，一台三相凸极同步电动机，UN = 6 000 V，IN = 57.8 A，Y 形联结。当电枢电形联结。当电枢电压和电流为额定值、功率因数压和电流为额定值、功率因数 = 0.8

28、（电容性）（电容性）时，相电动势时，相电动势 E0 = 6 300 V， = 58o，R1 忽略不忽略不计。求该电动机的计。求该电动机的 Xd 和和 Xq。 解：解：电枢相电压和相电流为电枢相电压和相电流为 I1 = IN = 57.8 A由此求得由此求得 Id = I1sin = 57.8sin58o A = 49.02 A Iq = I1cos = 57.8cos58o A = 30.63 A = = 58o 36.87o = 21.13o 5.4 三相凸极同步电动机的运行分析三相凸极同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系由相量图可得由相量图可得Xd = E0U1cos Id= = 6

29、2.52 6 3003 468.21cos21.13o 49.02Xq = U1sin Iq= = 40.82 3 468.21sin21.13o 30.635.4 三相凸极同步电动机的运行分析三相凸极同步电动机的运行分析EQ jXq IqE0 U1I1 jXqI1IdIqjXd Id大连理工大学电气工程系5.5 三相同步电动机的功率和转矩三相同步电动机的功率和转矩1. 功率功率(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 = 3U1I1cos 3R1I

30、12 = 3 (U1cos R1I1 ) I1第第5章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论大连理工大学电气工程系Pe = 3 (U1cos R1I1 ) I1U1I1R1I1 jXsI1E0 U1 R1I1 jXsI1 E0 I1 在隐极同步电动机中在隐极同步电动机中 Pe = 3E0 I1cos = 3E0 Iq 在凸极同步电动机中在凸极同步电动机中比较：比较：U1 =E0(R1jXs ) I1 U1 =EQ(R1jXq ) I1 可以得到：可以得到： Pe = 3EQ I1cos = 3EQ Iq5.5 三相同步电动机的功率和转矩三相同步电动机的功率和转矩大连理工大学电气工程系铁损耗铁

31、损耗机械损耗机械损耗附加损耗附加损耗(4) 空载损耗空载损耗 P0 = PFePmePad(5) 输出功率输出功率 P2 = PeP0(6) 功率关系功率关系 P1 = PCuPe = PCuPFePmePadP2 (7) 效率效率P1PCuPeP0P2 = 100% % P2P15.5 三相同步电动机的功率和转矩三相同步电动机的功率和转矩大连理工大学电气工程系2. 转矩转矩(1) 转矩平衡关系转矩平衡关系 T2 = TT0(2) 电磁转矩电磁转矩T = Pe0= 9.55Pen0(3) 空载转矩空载转矩T0 = P00= 9.55P0n0T2 = P20(4) 输出转矩输出转矩= 9.55P

32、2n0TN = 9.55PeNn0T2N = 9.55PNn0 忽略忽略 P0 (T0)，则有，则有 T2 = T T2N = TN 5.5 三相同步电动机的功率和转矩三相同步电动机的功率和转矩大连理工大学电气工程系 【例例 5.5.1】 已知某三相同步电动机，已知某三相同步电动机， n = 1 500 r/min， Xd = 6，Xq = 4， Y 形联结。当定子加额定电压形联结。当定子加额定电压 UN = 380 V，转子加负载转矩，转子加负载转矩 TL = 30 Nm时，电枢电流时，电枢电流 I1 = 10 A，功率因数，功率因数 = 0.8 （电容性），（电容性）， = 40o，E0

33、= 228 V。求。求 P1、Pe、 P2、PCu、P0 和和 T2、T、T0 。 解：解：P1 = 3U1I1cos = 3 I1cos UN 3= 3 100.8 W = 5 295.2 W 3801.732Id = I1sin = 10 sin40o A = 6.43 AEQ = E0(XdXq) Id =228 (64)6.43V = 215.14 V5.5 三相同步电动机的功率和转矩三相同步电动机的功率和转矩大连理工大学电气工程系Pe = 3EQ I1cos = 3215.1410cos40o W = 4 944.2 WPCu = P1Pe = ( 5 259.24 944.2 )

34、W = 315 WP0 = PeP2 = ( 4 944.24 710 ) W = 234.2 WT2 = TL = 30 NmT0 = TT2 = ( 31.4930 ) Nm = 1.49 Nm P2 = T2n2 60= TLn2 60= 301 500 W = 4 710 W 23.1460T =60 Pe2 n= Nm = 31.49 Nm 60 4 944.26.28 1 5005.5 三相同步电动机的功率和转矩三相同步电动机的功率和转矩大连理工大学电气工程系5.6 三相同步电动机的运行特性三相同步电动机的运行特性 运行特性运行特性 当当 U1 = UN ，f1 = fN ， If

35、 = 常数时，常数时， I1 、T、 、 = f (P2) 的关系。的关系。 当当 U1与与 E0 （即（即n 和和 If ）为常数时：）为常数时： Pe = f () T = f () 功角特性功角特性 矩角特性矩角特性1. 隐极同步电动机的功角特性和矩角特性隐极同步电动机的功角特性和矩角特性 如果忽略如果忽略 R1，则有，则有 Pe = P1 = 3U1I1cos = 3 E0I1cos 第第5章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论大连理工大学电气工程系U1 I1 jXs I1 E0 因为因为 U1sin = Xs I1 cos Pe = 3 sin U1E0Xs所以所以 T = 3

36、sin U1E0XsOPe / T 90o PeM(TM)当当 = 90o 时时: Pe = PeM ，T = TM5.6 三相同步电动机的运行特性三相同步电动机的运行特性大连理工大学电气工程系 如果忽略如果忽略 R1，则有，则有 Pe = P1 = 3U1I1cos = 3U1I1cos ( ) = 3U1I1cos cos 3U1I1sin sin = 3U1Iq cos 3U1Id sin 因为因为 Xq Iq = U1sin Xd Id = E0U1cos 2. 凸极同步电动机的功角特性和矩角特性凸极同步电动机的功角特性和矩角特性U1 I1 jXqI1 EQ jXd Id jXq Iq

37、 E0 所以所以 U1sin XqIq = E0U1cos XdId =5.6 三相同步电动机的运行特性三相同步电动机的运行特性大连理工大学电气工程系PePe = 3U1Iq cos 3U1Id sin U1sin Xq = 3U1 cos E0 U1cos Xd+ 3U1 sin 3U1E0Xd = sin 1Xq ( ) sin2 3U1221Xd3U1E0Xd T = sin 1Xq+ ( ) sin2 3U1221XdPe = Pe PeT = T T 5.6 三相同步电动机的运行特性三相同步电动机的运行特性大连理工大学电气工程系 讨论：讨论： 3U1E0Xd Pe = sin Pe

38、E0 ，当转子有励磁即，当转子有励磁即 If 0 时存在。时存在。 1XqPe = ( ) sin2 3U1221XdPe 是由于是由于 Xd Xq 而引起的，与而引起的，与 If 是否存在无关。是否存在无关。 结论：结论： Pe 使使 PeM 。 PeM 产生在产生在90o 处。处。 功角特性与矩角特性功角特性与矩角特性 不再是正弦波。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)PePe5.6 三相同步电动机的运行特性三相同步电动机的运行特性大连理工大学电气工程系5.7 三相同步电动机功率因数的调节三相同步电动机功率因数的调节 同步电动机的

39、主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 T 和和 Pe 不变，不变， 即即 T 和和 P1 不变。不变。根据：根据：Pe = 3 sin U1E0Xs= 3U1I1cos 第第5章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论大连理工大学电气工程系可得如下关系：可得如下关系： E0 sin = 常数常数 I1cos = 常数常数另一方

40、面另一方面: 因此，改变因此，改变 If 而使而使E0 改变时，改变时，I1、 和和 均要改变。均要改变。当当 If E0 。当当 If E0 。U1 =E0j Xs I1U1jXsI1E0 E0 aajXsI1I1bbE0 jXsI1I1 5.7 三相同步电动机功率因数的调节三相同步电动机功率因数的调节I1大连理工大学电气工程系 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

41、磁过励磁 当当 If If0 时，时， 电机呈电容性，电机呈电容性， If | | ， 容性程度容性程度 。 I1 (I1) 超前于超前于U1， 5.7 三相同步电动机功率因数的调节三相同步电动机功率因数的调节U1jXsI1E0 E0 aajXsI1I1bbE0 jXsI1I1 I1大连理工大学电气工程系 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 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

42、 过励过励 If0 结论：结论：cos =15.7 三相同步电动机功率因数的调节三相同步电动机功率因数的调节大连理工大学电气工程系*5.8 微型同步电动机微型同步电动机 微型同步电动机的额定功率：微型同步电动机的额定功率： 零点几瓦零点几瓦 数百瓦。数百瓦。 应用应用 电报传真机、磁带录音机、精确计时或记录装置。电报传真机、磁带录音机、精确计时或记录装置。 分类分类 按定子绕组电源的相数分：单相、三相。按定子绕组电源的相数分：单相、三相。 按转子结构的不同分：永磁式、磁阻式、磁滞式。按转子结构的不同分：永磁式、磁阻式、磁滞式。1. 永磁式同步电动机永磁式同步电动机 转子：永久磁钢，隐极式或凸极

43、式。转子：永久磁钢，隐极式或凸极式。 特点：结构简单、制造方便、特点：结构简单、制造方便、 和和 高、成本也高。高、成本也高。 第第5章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论大连理工大学电气工程系*5.8 微型同步电动机微型同步电动机鼠笼槽鼠笼槽 反应槽反应槽 2. 磁阻式同步电动机磁阻式同步电动机 又称为反应式同步电动机。又称为反应式同步电动机。 转子：由导磁材料制成，凸极式。转子：由导磁材料制成，凸极式。 特点：结构简单、价格便宜、运行可靠、特点：结构简单、价格便宜、运行可靠、 和和 较低。较低。 磁阻式同步电动机的转子结构型式磁阻式同步电动机的转子结构型式 (a) 外反应式外反应式 (

44、b) 内反应式内反应式 (c) 内外反应式内外反应式 大连理工大学电气工程系*5.8 微型同步电动机微型同步电动机3. 磁滞式同步电动机磁滞式同步电动机 简称电动机。简称电动机。 转子：由硬磁材料制成，转子外表呈光滑圆柱形。转子：由硬磁材料制成，转子外表呈光滑圆柱形。(1) 涡流转矩涡流转矩 转子导电转子导电感应涡流感应涡流 涡流转矩。涡流转矩。 当当n = n0 时，涡流转矩时，涡流转矩 = 0。(2) 磁滞转矩磁滞转矩 转子导磁转子导磁被磁化被磁化磁极磁极 转子磁极轴线滞后于合成旋转场轴线。转子磁极轴线滞后于合成旋转场轴线。 (3) 特点特点 可以运行于同步转速，也可以运行于异步转速。可以

45、运行于同步转速，也可以运行于异步转速。 自身具有起动转矩。自身具有起动转矩。 旋转磁场旋转磁场 磁滞现象磁滞现象 大连理工大学电气工程系5.9 三相隐极同步发电机的运行分析三相隐极同步发电机的运行分析1. 基本方程式基本方程式Uf If F0 0 E0I1 Fa a Ea E R1I1 E0 Ea E U1 = E0EaE R1I1 因为因为 Ea a Fa I1 ， 不计磁饱和不计磁饱和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。 U1I1第第5章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论大连理工大学电气工程系Ea =j Xa I1 E =j

46、X I1 Xa 电枢反应电抗。电枢反应电抗。 X 电枢漏电抗。电枢漏电抗。U1 = E0(R1j X j Xa ) I1 U1 = E0(R1j Xs ) I1 Xs = XaX 同步电抗。同步电抗。 忽略忽略 R1，则，则 U1= E0j XsI1 5.9 三相隐极同步发电机的运行分析三相隐极同步发电机的运行分析大连理工大学电气工程系2. 等效电路等效电路3. 相量图相量图 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 。 R1 jXs +U1I1E U1 = E0(R1j Xs ) I1 5.9 三相隐极同步发电机的运行分析

47、三相隐极同步发电机的运行分析大连理工大学电气工程系(c) 电电容容性性(a) 电电感感性性(b) 电电阻阻性性U1I1 R1I1jXs I1E0U1I1R1I1jXs I1E0U1I1 R1I1jXs I1E0U1I1 jXs I1E0U1I1jXs I1E0 忽略忽略 R1 时：时：U1I1 jXs I1E05.9 三相隐极同步发电机的运行分析三相隐极同步发电机的运行分析大连理工大学电气工程系 【例例 5.9.1】 某三相同步发电机，某三相同步发电机， PN = 50 kW，UN= 400 V，Y 形联结，形联结， N = 0.8（电感性）。（电感性）。R1 = 0.2 ， Xs= 1.2

48、。求空载电压等于额定电压，电枢电流等于额定电。求空载电压等于额定电压，电枢电流等于额定电流，内功率因数角流，内功率因数角 = 53.1o 时的相电压时的相电压U1 、线电压、线电压U1L、功率因数角功率因数角 和功角和功角 。 解：解： E0 = UN 3= V = 231.21 V 4001.732I1 = IN =PN 3 UN N = A = 90.32 A 501031.7324000.8取参考相量：取参考相量： 则则I1 = 90.32 0o A E0 = 231.21 53.1o V 5.9 三相隐极同步发电机的运行分析三相隐极同步发电机的运行分析大连理工大学电气工程系U1= E0

49、( R1jXs ) I1 =231.21 53.1o ( 0.2j1.2 )90.32 0o V = 143 32.36o V 由此求得由此求得 U1 = 143 V U1L = 3 U1 = 1.732143 V = 247.39 V = 32.36o = = 53.1o 32.36o = 20.74o 5.9 三相隐极同步发电机的运行分析三相隐极同步发电机的运行分析大连理工大学电气工程系5.10 三相凸极同步发电机的运行分析三相凸极同步发电机的运行分析1. 基本方程式基本方程式Uf IfF00E0 I1 Fad Faq ad aq Id IqEad Eaq E R1I1 E0 U1 I1

50、Ead Eaq E U1 = E0 + Ead + Eaq + ER1I1因为因为 Ead ad Fad Id； Eaq aq Faq Iq； 第第5章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论大连理工大学电气工程系E Fa I1 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 IqjX I1 R1I1 = E0j (XadX ) Idj (XaqX ) IqR1I1 5.10 三相凸极

51、同步发电机的运行分析三相凸极同步发电机的运行分析大连理工大学电气工程系 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，则 U1 = E0jXd Idj Xq Iq U1 = E0jXd IdjXq IqR1I1 5.10 三相凸极同步发电机的运行分析三相凸极同步发电机的运行分析大连理工大学电气工程系2. 等效电路等效电路 设：设：EQ = E0j (XdXq ) Id U1 = EQR1I1j Xq I1 忽略忽略 R1，则，则U1 = EQj Xq I1 3. 相量图相量图 根据电路方程和根据电路方程和 负载

52、性质作相量图。负载性质作相量图。 设：设：U1 = U1 0o R1 jXq +U1I1EQ 5.10 三相凸极同步发电机的运行分析三相凸极同步发电机的运行分析大连理工大学电气工程系U1I1 R1I1jXqI1EQjXdIdE0jXqIqU1I1R1I1jXqI1EQjXdIdjXqIqE0U1I1R1I1jXqI1EQjXdIdjXqIqE0 (c) 电电容容性性(a) 电电感感性性(b) 电电阻阻性性 忽略忽略 R1 时时U1I1 jXqI1EQjXdIdE0jXqIqU1I1jXqI1EQjXdIdjXqIqE0U1I1jXqI1EQjXdIdjXqIqE0 5.10 三相凸极同步发电机

53、的运行分析三相凸极同步发电机的运行分析大连理工大学电气工程系 【例例 5.10.1】 某三相同步发电机，某三相同步发电机， 已知已知 U1L = 11kV，Y 形联结，形联结，I1 = 460 A， = 0.8（电感性），（电感性），Xd = 16 ，Xq = 8 ，R1 忽略不计。求忽略不计。求、 、E0 。 解：解：U1 = U1L 3= = 6 351 V 111031.732Vtan = U1sin XqI1 U1cos 6 3510.68460 6 3510.8=V = 1.474 = arctan1.474 = 55.85o = = 55.85o 36.87o = 18.98o E

54、0 = U1cos XdId = (6 351cos18.98o16460sin 55.85o )V = 12 096.63 V5.10 三相凸极同步发电机的运行分析三相凸极同步发电机的运行分析大连理工大学电气工程系5.11 三相同步发电机的功率和转矩三相同步发电机的功率和转矩1. 功率功率(1) 输入功率输入功率(2) 空载损耗空载损耗(3) 电磁功率电磁功率(4) 铜损耗铜损耗(5) 输出功率输出功率(6) 功率关系功率关系P1 = T1P0 = PFePmePadPe = P1P0PCu = 3R1I12 P2 = PePcu = 3U1I1cos P1 = P0Pe = PFePmeP

55、adPCuP2 第第5章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论大连理工大学电气工程系(7) 功率流程图和效率功率流程图和效率P1P0PePCuP2 = 100% % P2P12. 转矩转矩(1) 输入输入转矩转矩(2) 空载转矩空载转矩(3) 电磁电磁转矩转矩(4) 转矩关系转矩关系T1 = P10T0 = P00T = Pe0T1 = T + T0= P1 n602 = P0 n602 = Pe n602 5.11 三相同步发电机的功率和转矩三相同步发电机的功率和转矩大连理工大学电气工程系5.12 三相同步发电机的运行特性三相同步发电机的运行特性1. 外特性外特性 当当 n = nN，If

56、、 = 常数时，常数时，U1L 与与 I1L 的关系，的关系， 即即 U1L = f (I1L)。 调节调节If，使，使 I1L= IN、 = N、U1L = UN 时，时， If = IfN。 电压调整率：电压调整率： 保持保持 nN、 N、IfN 时，时，OU1LI1Lcos = 0.8 ( 0)cos = 0.8 ( 0)cos =1UNINVR = 100% % E0UNP UNP第第5章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论大连理工大学电气工程系2. 调节特性调节特性 保持保持 n = nN、U1L = UN、 = N 时，时， If 与与 I1 的关系，的关系，即即 If = f

57、 ( I1 )。OIf I1cos = 0.8 ( 0)cos = 0.8 ( 0)cos =13. 功角特性和矩角特性功角特性和矩角特性 功角特性：保持功角特性：保持 n、If 、U1 不变时，不变时，Pe 与与 的关系，即的关系，即 Pe = f ( ) 。 矩角特性：保持矩角特性：保持 n、If 、U1 不变时，不变时，T 与与 的关系，即的关系，即 T = f ( ) 。 上述关系与同步电动机的关系相同。上述关系与同步电动机的关系相同。5.12 三相同步发电机的运行特性三相同步发电机的运行特性大连理工大学电气工程系5.13 同步发电机与电网的并联运行同步发电机与电网的并联运行 并联运行

58、的优点并联运行的优点(1) 提高电力系统的经济指标。提高电力系统的经济指标。(2) 减少发电厂备用机组的容量。减少发电厂备用机组的容量。(3) 提高电能供应的可靠性。提高电能供应的可靠性。(4) 提高电能供应的质量。提高电能供应的质量。1. 并联运行的条件并联运行的条件 相序一致、频率相同、电压相等。相序一致、频率相同、电压相等。 以避免电网与发电机之间产生大的冲击电流以避免电网与发电机之间产生大的冲击电流 和在发电机轴上产生大的冲击转矩。和在发电机轴上产生大的冲击转矩。第第5章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论大连理工大学电气工程系U U1A S U1B(1) 电压相等电压相等 如果如

59、果则则U1AU1B U = U1AU1B 0 (2) 频率相等频率相等如果：如果： A BU1AU1B A B U = 0 2U1U1AU1BU1AU1BUU1AU1BUU1AU1BU5.13 同步发电机与电网的并联运行同步发电机与电网的并联运行大连理工大学电气工程系U1BUU1BVU1BW(3) 相序一致相序一致 如果相序不一致，如果相序不一致，则则UU = 0 UV = U1A VU1BV UW = U1AWU1BW U1AUU1AVU1AWUVUW2. 并联运行的方法并联运行的方法 调节调节 If 调节调节 E0 ；调节；调节 n 调节调节 f 。(1) 理想同步法理想同步法(2) 自同

60、步法自同步法5.13 同步发电机与电网的并联运行同步发电机与电网的并联运行大连理工大学电气工程系3. 有功功率的调节有功功率的调节 无穷大电网无穷大电网 容量很大、频率和电压基本不受负载与其他容量很大、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 5.13 同步发电机与电网的并联运行同步发电机与电网的并联运行