电机学同步电机第六章第8讲

电机学自动化学院电气工程系罗玲324房间88431336(O)uoling@2016.12上讲内容

功率和转矩平衡关系功角特性同步发电机有功功率调节和静态稳定功率和转矩平衡方程

功率流程转矩平衡方程

等式两端同除以转子机械角速度功角特性励磁（基本）电磁功率凸极（附加/磁阻）电磁功率功角特性相同条件下：凸极电机的最大电磁功率大于隐极电机凸极电机最大电磁功率对应的功率角小于90度有功功率调节要增加发电机输出功率(有功功率)，就必须增加原动机输入功率，使功率角θ增大静态稳定静态稳定的判据：本讲内容

同步电动机的起动和调速调相机同步发电机无功功率调节和V形曲线同步电动机的基本电磁关系同步电动机的无功功率调节和V形曲线1同步发电机无功功率调节和V形曲线以隐极电机为例，保持有功不变假设不计饱和影响，忽略电枢电阻1.1同步发电机无功功率调节

保持有功不变忽略电枢电阻1.1同步发电机无功功率调节

1.1同步发电机无功功率调节

当调节励磁电流使E0变化时（1）Icosφ=常数，定子电流相量I的末端在一条与U垂直的直线上（AB）1.1同步发电机无功功率调节

当调节励磁电流使E0变化时（2）E0sinθ=常数，E0的末端在一条与U平行的直线上（DC）

1.1同步发电机无功功率调节

当调节励磁电流，使励磁电动势为E01时（1）E01--I1滞后U，输出滞后的无功功率，过励状态1.1同步发电机无功功率调节

当减小励磁电流使励磁电动势为E02时（2）E02--电流I减小，I2与U同相，向电网全部输出有功功率，电流最小，正常励磁状态1.1同步发电机无功功率调节

当减小励磁电流使励磁电动势为E03时（3）E03--电流I增加，I3超前U，向电网输出超前无功功率（吸收滞后的无功功率），欠励状态1.1同步发电机无功功率调节

当减小励磁电流使励磁电动势为E04时（4）E04--电流增加，E04超前U90度，发电机达到稳定运行的极限1.1同步发电机无功功率调节

结论：

在原动机输入功率不变，即发电机输出电压和功率P2恒定时，改变励磁电流将引起发电机定子电流大小和相位的变化，从而调节同步发电机的无功功率。1.2同步发电机V形曲线

同步发电机输出电压和功率恒定，定子电流与励磁电流之间的关系曲线通过实测得到，形似V1.2同步发电机V形曲线（1）对应不同的输出有功功率，有不同的v形曲线；（2）随着输出有功功率增加，v形曲线上移；1.2同步发电机V形曲线

（3）每条曲线的最低点对应于cosφ=1、电枢电流最小、全为有功分量，把该点励磁电流称为“正常”值

；1.2同步发电机V形曲线

（4）cosφ=1的曲线右方，励磁电流大于“正常”励磁，发电机处于“过励”状态，功率因数滞后，发电机向电网输出滞后无功功率；1.2同步发电机V形曲线

（5）cosφ=1的曲线左方，励磁电流小于“正常”励磁，发电机处于“欠励”状态，功率因数超前，发电机从电网吸收滞后无功功率；1.2同步发电机V形曲线

（6）V形曲线左侧存在着一个不稳定区(对应于θ>90°)，且与欠励状态相连，因此，同步发电机不宜在欠励状态下运行。2同步电动机的基本电磁关系

同步电机如何由发电机状态过渡到电动机状态？机械能电能发电机电动机一台电机2.1发电状态过渡到电动状态

（1）发电机运行状态E0超前U，θ、Pem都是正值机械功率由转子传递到定子转化为电功率2.1发电状态过渡到电动状态

（1）发电机运行状态θi≈θ为正值，即转子主极轴线沿转向超前于气隙合成磁场轴线，作用于转子上的电磁转矩为制动性质；2.1发电状态过渡到电动状态

（2）发电机空载运行状态

逐步减少原动机输入功率，使转子瞬时减速，θ角和电磁功率相应减小。2.1发电状态过渡到电动状态

（2）发电机空载运行状态当θ角减至零时，电磁功率等于零，由转子传递到定子的电功率为零，发电机变为空载，其输入功率正好抵偿空载损耗。2.1发电状态过渡到电动状态

（3）电动机空载运行状态继续减少原动机输入功率，θ角小于零，电磁功率小于零由转子传递到定子的电功率小于零，即电功率从定子向转子传递电机从电网吸收电功率，与原动机输入的机械功率一起抵偿空载损耗2.1发电状态过渡到电动状态

（3）电动机空载运行状态去掉原动机，电机从电网吸收电功率抵偿空载损耗，电动机空载运行2.1发电状态过渡到电动状态

（4）电动机运行状态电动机转轴带机械负载，负值的θ角和Pem会更大2.1发电状态过渡到电动状态

（4）电动机运行状态主极磁场落后于气隙合成磁场，θi亦为负值，电磁转矩为驱动性质，电机进入电动机运行状态，将电网输入的电能转换成机械能。2.1发电状态过渡到电动状态

从发电机状态进入电动机状态的过程中：功率角θ和电磁功率Pem均由正值变为负值电磁转矩由制动性质变为驱动性质机电能量转换过程也发生了逆变

2.2基本电磁关系

采用发电机惯例，电动运行时功率角θ和电磁功率Pem均为负值，功率因数角大于90度，分析不方便。

2.2基本电磁关系

电动机惯例：将发电机惯例时的电流方向改变即可。发电机惯例电动机惯例2.2基本电磁关系

采用电动机惯例：规定I超前于U相应的功率因数角φ和U超前于E0功率角θ为正值输入的电功率和所产生的电磁功率均为正值。2.2基本电磁关系

不饱和时电压平衡方程式

隐极电动机

凸极电动机

2.2基本电磁关系

2.2基本电磁关系

功角特性

隐极电动机

凸极电动机

2.2基本电磁关系

功率流程2.2基本电磁关系

转矩关系

3.1同步电动机无功功率调节

同步电动机输出有功功率P2恒定，改变其励磁电流时，同样可以调节其无功功率

以隐极电机为例，保持输出有功不变假设不计饱和影响，忽略电枢电阻3.1同步电动机无功功率调节

保持输出功率恒定，假设励磁电流变化时铁损耗和杂散损耗基本不变忽略电枢电阻3.1同步电动机无功功率调节

3.1同步电动机无功功率调节（1）正常励磁E0--电流I与U同相，电枢电流全部有功电流，电流最小3.1同步电动机无功功率调节

（2）欠励---励磁电流小于正常励磁，E“0<E0---I”滞后U，从电网吸收滞后的无功功率，相当于感性负载3.1同步电动机无功功率调节

（3）过励---励磁电流大于正常励磁，E‘0>E0---I’超前U，从电网吸收超前的无功功率（向电网输出滞后的无功功率），相当于容性负载。3.1同步电动机无功功率调节

结论：

电动机输出功率P2恒定时，改变励磁电流将引起同步电动机定子电流大小和相位的变化，从而调节同步电动机的无功功率。3.2同步电动机V形曲线

同步电动机在有功功率恒定时，定子电流与励磁电流之间的关系曲线实测得到，形似V3.2同步电动机V形曲线

（1）对应不同的输出有功功率，有不同的v形曲线；（2）随着输出有功功率增加，v形曲线上移；3.2同步电动机V形曲线

（3）每条曲线的最低点对应于cosφ=1，电枢电流最小，全为有功分量，把该点励磁电流称为“正常”值

；3.2同步电动机V形曲线(4)cosφ=1的曲线右方，电动机处于“过励”状态，功率因数超前，电动机向电网输出滞后无功功率；3.2同步电动机V形曲线(5)cosφ=1的曲线左方，电动机处于“欠励”状态，功率因数滞后，电动机从电网吸收滞后无功功率；3.2同步电动机V形曲线

（6）V形曲线左侧存在着一个不稳定区(对应于θ>90°)，且与欠励状态相连，因此，同步电动机不宜在欠励状态下运行。

3.2同步电动机V形曲线

同步电动机的显著特性：通过调节励磁电流，可以调节其功率因数3.2同步电动机V形曲线

同步电动机可改善电网的无功平衡状况，提高电网的功率因数、运行性能及效益。变压器和异步电机对电网都是感性负载，要从电网吸收滞后无功功率同步电动机工作在过励状态，向电网输出滞后无功功率；4同步电动机的起动

同步电动机正常工作时，定子旋转磁场与转子励磁磁场相对静止，能得到平均电磁转矩，稳定地实现机电能量转换

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同步电动机的起动

静止的同步电动机通入励磁电流后直接投入电网，则定子旋转磁场将以同步转速相对于转子磁场运动，转子上承受的是交变脉振转矩，平均值为零。同步电动机不能自起动4同步电动机的起动

（1）

辅助电动机起动选用与同步电动机极数相同的异步电动机(容量一般为主机的5%~15%)作为辅助电动机。辅助电动机将主机拖动至接近于同步转速，然后用自整步法将其投入电网，并切断辅助电动机电源。只适合于空载起动，所需设备多，操作复杂4同步电动机的起动

（2）

变频起动开始起动时，转子绕组即通入励磁且把定子电源的频率尽量调低，使转子起动旋转起动过程同步电动机由变频电源供电逐步上调至额定频率，则转子转速将随定子旋转磁场的转速上升而同步上升，直至额定转速。4同步电动机的起动

（2）

变频起动变频起动过程平稳，性能优越起动过程必须有变频电源励磁机不能与同步机同轴，否则在最初低速运转时无法产生所需的励磁电压。4同步电动机的起动

（3）

异步起动转子上有笼形绕组定子接通电源，产生异步转矩使转子转动转速接近同步速时，加入励磁，自整步法将电机牵入同步4同步电动机的调速

变极调速变频调速5调相机

（1）同步调相机实为不带机械负载的同步电动机，它利用同步电动机改变励磁可以调节功率因数的原理并联运行于电网上原理及用途5调相机原理及用途

（2）同步调相机吸收的有功功率仅供给电机本身的损耗，总是在接近于零电磁功率和零功率因数的情况下运行忽略全部损耗：电枢电流只有无功分量电动势平衡方程：5调相机原理及用途过励:电流超前电压90度

5调相机原理及用途欠励:电流滞后电压90度

5调相机原理及用途调节励磁电流，能灵活地调节无功功率的性质和大小4调相机原理及用途（1）电力系统在大多数情况下呈感性（2）调相机通常在过励状态下运行，作为无功功率电源，提供感性无功，改善电网功率因数，保持电网电压稳定。5调相机原理及用途5调相机的特点（1）额定容量是指在过励状态下的视在功率，这时的励磁电流称为额定励磁电流。根据实际运行要求和稳定性需要，在欠励运行时的容量只是过励时的0.5~0.65倍。5调相机的特点（2）不拖动机械负载，转轴可以细一些，静态过载倍数也可以小一些，从而可以适当减小气隙长度和励磁绕组用铜量(减少