同步电机PPT课件.ppt

1、4.8.14.8.1 同步电机的基本工作原理与结构同步电机的基本工作原理与结构4.8.24.8.2 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行4.8.34.8.3同步发电机的电枢反应同步发电机的电枢反应4.8.4 4.8.4 同步发电机的负载运行同步发电机的负载运行4.8.54.8.5同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行4.8.64.8.6同步电动机和同步调相机同步电动机和同步调相机 同步电机是交流旋转电机的一种同步电机是交流旋转电机的一种, ,因其转速恒等于同步速机时得名。同步电机因其转速恒等于同步速机时得名。同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和调相机。本节主要分析同步发电机的稳态运行

2、主要用作发电机，也可用作电动机和调相机。本节主要分析同步发电机的稳态运行原理和运行特性，简要分析同步电动机和调相机的运行状态。原理和运行特性，简要分析同步电动机和调相机的运行状态。4.8.14.8.1同步电机的基本工作原理与结构同步电机的基本工作原理与结构1 1 同步电机的基本结构同步电机的基本结构以汽轮发电机为例以汽轮发电机为例: :定子铁心定子铁心：硅钢片叠成。：硅钢片叠成。机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。电枢绕组电枢绕组：三相对称绕组：三相对称绕组铜线制成铜线制成定子定子( (电枢电枢) )转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成转子铁

3、心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出励磁绕组：铜线制成励磁绕组：铜线制成滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动转子转子机械端口机械端口转子转子定子绕组定子绕组定子铁心定子铁心电端口电端口ABC汽轮发电机结构汽轮发电机结构 （1 1）定子铁心）定子铁心汽轮发电汽轮发电机结构机结构水轮发电机结构水轮发电机结构(1)(1)立式水轮发电机立式水轮发电机(2)(2)卧式水轮发电机卧式水轮发电机水轮发电机结构水轮发电机结

4、构转子结构转子结构10000kW10000kW水轮机转子水轮机转子发电环节发电环节各种电机各种电机 引进引进600MW汽轮发电机汽轮发电机国产国产300MW汽轮发电机汽轮发电机国产国产200MW汽轮发电机定子汽轮发电机定子国产国产200MW汽轮发电机定子铁心汽轮发电机定子铁心现场运行的水轮发电机现场运行的水轮发电机4.8.14.8.1同步电机的基本工作原理与结构同步电机的基本工作原理与结构2 2 同步电机的基本工作原理与分类同步电机的基本工作原理与分类一、同步发电机的基本工作原理一、同步发电机的基本工作原理大小大小：01104 44wE.fN k 频率频率：60pnf 励磁绕组通入直流电流后建

5、立恒定磁场，原动机拖励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动转子以转速动转子以转速 旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势流电动势 . . n0E相序相序：由转子的转向决定。：由转子的转向决定。波形波形：由：由 可知，波形取决于可知，波形取决于 的空间分布。的空间分布。( x )eBlv ( x )BU2U1W2V1W1V2NSn发电机的物理过程可用发电机的物理过程可用图示表示图示表示二、同步电机的分类二、同步电机的分类按按运行运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。按按结构结构型式，同步电机分旋转电枢式和

6、旋转磁极式。型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。按原动机类别按原动机类别, ,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为2 2极，转速为极，转速为30003000转转/ /分钟，水轮分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。发电机采用凸极式，极数多，转速低。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作

7、成凸极式。3 3 同步电机的额定值同步电机的额定值对同步发电机额定值之间关系为：对同步发电机额定值之间关系为：3NNNNNNPScosUIcos )(kVUN额定电压额定运行时加在三相额定运行时加在三相定子绕组上的线电压定子绕组上的线电压。NNPS额定功率额定容量 指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输出的额定视在功率指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输出的额定视在功率或有功功率，单位是或有功功率，单位是KVAKVA或或KWKW。电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功。电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是率，单位是KWKW。调相机用。调

8、相机用KVAKVA或或KvarKvar表示。表示。)( AIN额定电流在额定运行状态下在额定运行状态下三相定子绕组的线三相定子绕组的线电流电流.fNfNNNNUInf额定励磁电压额定励磁电流额定转速额定效率额定频率额定功率因数Ncos4.8.2 4.8.2 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行fIfF0 f 0E 电磁关系：电磁关系：01104 44wE.fN k 空载特性：空载特性： 同步发电机被原动机拖动到同步转速，励磁绕组中通入直流电流同步发电机被原动机拖动到同步转速，励磁绕组中通入直流电流 ，定子绕组开，定子绕组开路的运行称为路的运行称为空载运行空载运行。fI空载电动势空载电动势

9、大小：大小：0E00Nfnn, I, Ef ( I) 4.8.3 4.8.3 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应电枢反应电枢反应: :电机带上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙电机带上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙磁通的大小及位置均发生变化磁通的大小及位置均发生变化, , 这种影响称为电枢反应这种影响称为电枢反应. .电枢反应的性质，取决于电枢磁动势基波电枢反应的性质，取决于电枢磁动势基波 和励磁磁动势基波和励磁磁动势基波 之间的相对位置，之间的相对位置，即与空载电动势即与空载电动势 和电枢电流和电枢电流 之间的夹角之间的夹角 有关有关. .0E I fFaF励磁磁势和电枢磁势的

10、区别励磁磁势和电枢磁势的区别基波波基波波形形大小大小位置位置转速转速转向转向励磁磁动势励磁磁动势正弦波正弦波恒定，由励磁恒定，由励磁电流决定电流决定由转子位置决定由转子位置决定由原动机的转速决定由原动机的转速决定由原动机决定由原动机决定电枢反应磁电枢反应磁动势动势正弦波正弦波恒定，由电枢恒定，由电枢电流决定电流决定由电流瞬时值决由电流瞬时值决定定由磁极对数和电流频由磁极对数和电流频率决定率决定由电流相序决由电流相序决定定 1 1 时的电枢反应时的电枢反应00 d轴轴q轴轴 U轴轴U1U1U2U2 W2W2V1V1W1V2NSW轴轴V轴轴fFaFF090电枢反应性质：电枢反应性质：交轴电枢反应交

11、轴电枢反应空载电动势空载电动势 和电枢和电枢电流电流 同相位同相位. .0EI090 角角为为之之间间夹夹与与afFFaqaFF 为为记记d轴轴q轴轴 U轴轴U1U1U2U2 W2W2V1V1W1V2NSW轴轴V轴轴fF 2 2 时的电枢反应时的电枢反应090 空载电动势空载电动势 超前电枢超前电枢电流电流 0EI090电枢反应性质：电枢反应性质：直轴去磁电枢反应直轴去磁电枢反应aF090 角角为为之之间间夹夹与与afFFadaFF 为为记记d轴轴q轴轴 U轴轴U1U1U2U2 W2W2V1V1W1V2NSW轴轴V轴轴fF 3 3 时的电枢反应时的电枢反应090 空载电动势空载电动势 滞后电枢

12、电滞后电枢电流流 0EI090电枢反应性质：电枢反应性质：直轴助磁电枢反应直轴助磁电枢反应aF090 角角为为之之间间夹夹与与afFFadaFF 为为记记d轴轴q轴轴 U轴轴U1U1U2U2 W2W2V1V1W1V2NSW轴轴V轴轴fF 4 4 一般情况下的电枢反应一般情况下的电枢反应空载电动势空载电动势 超前电枢电超前电枢电流流 角角, , 009000EIaF090 电枢反应性质：电枢反应性质：既有交轴既有交轴,还有直轴去磁还有直轴去磁电枢反应电枢反应090 角角为为之之间间夹夹与与afFF此种情况下此种情况下dqdqIIIII sinII cos -直轴分量直轴分量-交轴分量交轴分量00

13、90成与 EId同相位与0EIqaadaqadaaqaFFFFFsinFFcos -直轴分量电流产生的合成磁动势直轴分量电流产生的合成磁动势-交轴分量电流产生的合成磁动势交轴分量电流产生的合成磁动势4 4 一般情况下的电枢反应一般情况下的电枢反应（总结）（总结）上升上升下降下降 上升上升下降下降下降下降下降下降不变不变不变不变下降下降R R、C C增强增强交轴直轴交轴直轴助磁助磁d d、q q轴轴R R、L L削弱削弱交轴直轴交轴直轴去磁去磁d d、q q轴轴C C增强增强直轴直轴助磁助磁d d轴轴L L削弱削弱直轴去直轴去磁磁d d轴轴R R波形畸波形畸变变交轴交轴q q轴轴 负载性质负载性

14、质对电机的影响对电机的影响电枢反应电枢反应性质性质记作记作夹角夹角 位置位置aFafFFaFaqFadFaqadFFadFaqadFFF000900900090000090090)f(nU5 5 电枢反应与机电枢反应与机-电能量转换电能量转换 电枢反应是同步电机在负载运行时的重要物理现象，它不仅是引起端电压变化电枢反应是同步电机在负载运行时的重要物理现象，它不仅是引起端电压变化的主要原因，而且也是电机实现机的主要原因，而且也是电机实现机-电能量转换的枢纽。电能量转换的枢纽。.T，em电电磁磁转转矩矩转转轴轴上上产产生生制制动动性性质质的的在在励励磁磁电电流流共共同同作作用用交交轴轴的的电电枢枢

15、反反应应磁磁场场与与.II,IE,qq的的有有功功分分量量可可以以认认为为是是产产生生的的同同相相的的势势与与空空载载电电动动交交轴轴电电枢枢反反应应磁磁动动势势是是时时当当000 输出的有功功率越大，有功分量电流就越大，交轴电枢输出的有功功率越大，有功分量电流就越大，交轴电枢反应越强，反应越强， 越大，这就要求原动机输入更大的驱动越大，这就要求原动机输入更大的驱动转矩，维持电机的转速不变。转矩，维持电机的转速不变。emT.II,IE,）(dd的的无无功功分分量量是是可可以以认认为为的的产产生生的的成成与与直直轴轴电电枢枢反反应应磁磁动动势势是是时时或或当当0000909090 说明发电机带感

16、性说明发电机带感性( (或容性或容性) )无功负载时无功负载时, ,不不需要原动机增加能量需要原动机增加能量. . 但是直轴去磁（或助磁）电枢反应对气隙磁场有去磁（或但是直轴去磁（或助磁）电枢反应对气隙磁场有去磁（或助磁）作用，致使电压下降（或上升）。为维持电压恒定所需助磁）作用，致使电压下降（或上升）。为维持电压恒定所需的励磁电流也需要相应增加（或减小）。的励磁电流也需要相应增加（或减小）。 直轴电枢反应磁场与励磁电流共同作直轴电枢反应磁场与励磁电流共同作用用, ,在励磁绕组上产生电磁力在励磁绕组上产生电磁力, ,但不能形成但不能形成电磁转矩电磁转矩. . 一般情况下，发电机既带有功负载，又

17、带感性无功负载，有功电流的变化一般情况下，发电机既带有功负载，又带感性无功负载，有功电流的变化影响发电机的转速及频率，无功电流的变化影响发电机的电压。影响发电机的转速及频率，无功电流的变化影响发电机的电压。 综上所述，交轴电枢反应的存在是实现机综上所述，交轴电枢反应的存在是实现机电能量转换的关键。电能量转换的关键。为了保持发电机的频率和电压的稳定，必须随负载变化及时调节发电机的为了保持发电机的频率和电压的稳定，必须随负载变化及时调节发电机的输入功率和励磁电流。输入功率和励磁电流。1 1 凸极同步发电机的电动势方程和相量图凸极同步发电机的电动势方程和相量图4.8.4 4.8.4 同步电机的负载运

18、行同步电机的负载运行一、凸极同步发电机的电动势方程一、凸极同步发电机的电动势方程电磁关系：电磁关系：fIfF0f0EdIadFadadEqIaqFaqaqEEI不计磁路饱和时有下列关系不计磁路饱和时有下列关系addadaqqaqEjIXEjI XEjIX 由于由于qdIII且令且令dadqaqXXXXXX 则电动势平衡方程则电动势平衡方程0addqqEUIRjIXjI X dqXX-直轴同步电抗直轴同步电抗-交轴同步电抗交轴同步电抗分别表征在对称负载下，单位直轴或交轴三相电分别表征在对称负载下，单位直轴或交轴三相电流产生的总电枢磁场在电枢每一相绕组中感应的流产生的总电枢磁场在电枢每一相绕组中感

19、应的电动势。电动势。二、凸极同步发电机的相量图二、凸极同步发电机的相量图作图步骤作图步骤;IU)(和和根根据据已已知知条条件件绘绘出出1;IEEXI jRIUE)(QQqaQ的的夹夹角角与与及及作作出出根根据据 2;III)(qd和和分分解解成成角角将将根根据据3.EOG,G,XI jXI jM,XI jXI jRIUE)(ddqqqqdda004线线段段即即得得连连接接端端得得到到末末及及点点依依次次作作出出从从根根据据 2 2 隐极同步发电机的电动势方程、相量图和等效电路隐极同步发电机的电动势方程、相量图和等效电路一、电动势方程一、电动势方程电磁关系：电磁关系：fIfF0f0EaaEEIa

20、F不计磁路饱和时有下列关系不计磁路饱和时有下列关系令令taXXX 电动势平衡方程电动势平衡方程0atEUIRjIX tX-同步电抗同步电抗aaEjIXEjIX 表征在对称负载下，单位三相电流产生的电枢总表征在对称负载下，单位三相电流产生的电枢总磁场在电枢每一相绕组中感应的电动势。磁场在电枢每一相绕组中感应的电动势。二、等效电路和相量图二、等效电路和相量图等效电路等效电路相量图相量图根据相量图可求出根据相量图可求出 220atEU cosR IU sinX I taX IU sinarctanR IU cos 当忽略电枢回路电阻时得到的等效电路称为简化等效电路当忽略电枢回路电阻时得到的等效电路称

21、为简化等效电路, ,对应的相量对应的相量图称为简化相量图图称为简化相量图思考思考题题 分别作出汽轮同步发电机带阻性、纯感性、纯分别作出汽轮同步发电机带阻性、纯感性、纯容性、电感性、电容性负载时的简化相量图？并说容性、电感性、电容性负载时的简化相量图？并说明各种情况下明各种情况下电枢反应电枢反应的性质？的性质？3 3 同步发电机特性同步发电机特性一、空载特性一、空载特性定义定义：1000fnn , I,UEf ( I) 空载特性是发电机的基本特性之一。它一空载特性是发电机的基本特性之一。它一方面表征了磁路的饱和情况，另一方面把它和方面表征了磁路的饱和情况，另一方面把它和短路特性、零功率因数负载特

22、性配合，可确定短路特性、零功率因数负载特性配合，可确定电机的基本参数、额定励磁电流和电压变化率电机的基本参数、额定励磁电流和电压变化率等。等。 实际生产中，它还可以检查三相电枢绕组实际生产中，它还可以检查三相电枢绕组的对称性、匝间短路、判断励磁绕组和定子铁的对称性、匝间短路、判断励磁绕组和定子铁心有无故障等。心有无故障等。 二、短路特性二、短路特性定义定义：10Sfnn ,U, If ( I) 短路时的等效电路短路时的等效电路短路特性曲线短路特性曲线 短路特性与空载特短路特性与空载特性配合可以求出电机性配合可以求出电机的同步电抗。的同步电抗。三、外特性三、外特性定义定义：1fnn , IC ,

23、co sC ,Uf ( I ) 外特性曲线外特性曲线 当发电机带当发电机带阻性阻性和和感性负载感性负载时，外特性是下降时，外特性是下降的，原因是电枢反应的去磁作用和电枢漏阻抗产的，原因是电枢反应的去磁作用和电枢漏阻抗产生了电压降生了电压降. 带带容性容性负载时且（发电机负载的容抗大于同负载时且（发电机负载的容抗大于同步电抗）时，外特性是上升的，原因是电枢反应步电抗）时，外特性是上升的，原因是电枢反应的助磁作用和容性电流在漏抗上的压降。的助磁作用和容性电流在漏抗上的压降。四、调节特性四、调节特性定义定义：1fnn ,UC ,co sC , If ( I ) 调整特性曲线调整特性曲线 在在感性感性

24、和和阻性阻性负载时，随着负载电流的增加，必须负载时，随着负载电流的增加，必须增加励磁电流，补偿电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降增加励磁电流，补偿电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降，保持端电压恒定；对，保持端电压恒定；对容性容性负载，随着负载电流的增加负载，随着负载电流的增加，必须减小励磁电流。，必须减小励磁电流。 在功率因数一定情况下在功率因数一定情况下, ,根据调整特性曲线根据调整特性曲线, ,可确可确定在负载变化范围内定在负载变化范围内, ,维持电压不变所需的励磁电流的维持电压不变所需的励磁电流的变化范围。运行人员可利用调整特性曲线变化范围。运行人员可利用调整特性曲线, ,使系统中无使系统中无功

25、功率的分配更合理一些。功功率的分配更合理一些。并联运行的含义并联运行的含义4.8.5 4.8.5 同步电机的并联运行同步电机的并联运行1 1、提高供电的可靠性；、提高供电的可靠性；2 2、提高供电的经济性；、提高供电的经济性；3 3、提高电能的质量。、提高电能的质量。无穷大电网的含义无穷大电网的含义0cccSUCfCZ 将两台或更多台发电机分别接在电力系统对应母线上，或通过变压器、输电线将两台或更多台发电机分别接在电力系统对应母线上，或通过变压器、输电线接在电力系统的公共母线上，共同向负荷供电。接在电力系统的公共母线上，共同向负荷供电。并联运行的优点并联运行的优点并列方法并列方法1.1.准同期

26、法准同期法2.2.自同期法自同期法1 1 并联运行的条件并联运行的条件一、准同期并列的条件一、准同期并列的条件1.1.待并发电机的电压与电网电压大小相等；待并发电机的电压与电网电压大小相等；2.2.待并发电机电压相位相同与电网电压相位相同；待并发电机电压相位相同与电网电压相位相同；3.3.待并发电机电压频率与电网电压频率相同；待并发电机电压频率与电网电压频率相同； 4.4.待并发电机的相序与电网的相序相同。待并发电机的相序与电网的相序相同。 上述条件（上述条件（4 4）一般在安装发电机时，根据发电机的转向确定了发电机的相序而）一般在安装发电机时，根据发电机的转向确定了发电机的相序而满足，因此运

27、行人员在并列时只需调节发电机使其满足其它三个条件即可。满足，因此运行人员在并列时只需调节发电机使其满足其它三个条件即可。 不满足任一条件的并列称为非同期并列，将对电机产生严重的危害。不满足任一条件的并列称为非同期并列，将对电机产生严重的危害。重点内重点内容容(1) (1) 电压大小不等电压大小不等此时此时,ab,ab两端有电位差两端有电位差gcUUU 在电位差的作用下发电机产生冲击电流，在电位差的作用下发电机产生冲击电流，即即gccddUUUIjxjx 冲击电流为无功分量，冲击电流为无功分量，不会加重原动机的负担，但不会加重原动机的负担，但会在电枢绕组中产生很大的会在电枢绕组中产生很大的冲击力

28、，使电枢绕组端部受冲击力，使电枢绕组端部受冲击力的作用而变形。冲击力的作用而变形。(2) (2) 相位不同相位不同如如图图反反相相和和若若,UUcg 电位差可达发电机电压的电位差可达发电机电压的两倍，若此时并列，会产生很两倍，若此时并列，会产生很大的冲击电流，发电机会因遭大的冲击电流，发电机会因遭受巨大的冲击力而损坏。受巨大的冲击力而损坏。如如图图稍稍超超前前若若,UUcg冲击电流的影响：冲击电流的影响：1)1)电枢绕组端部受电枢绕组端部受力力变形变形; 2); 2)转轴上受冲击转轴上受冲击转矩转矩的作用的作用, ,使机轴扭曲使机轴扭曲变形变形; ;) )电枢绕组电枢绕组发热发热. .此时此时

29、,ab,ab两端有电位差两端有电位差gcUUU (3) (3) 频率不同频率不同。UUcg同同为为大大小小相相等等而而角角速速度度不不和和。、U变变化化的的拍拍振振电电压压时时小小时时大大为为瞬瞬时时值值的的幅幅值值有有规规律律转轴上时而产生制动转矩、时而产生驱动转矩转轴上时而产生制动转矩、时而产生驱动转矩，结果是电机振动。，结果是电机振动。拍振电流使电枢绕组端部受力拍振电流使电枢绕组端部受力变形，使电枢绕组发热。变形，使电枢绕组发热。 频率差过大电机不能并列；频率差较小时，靠频率差过大电机不能并列；频率差较小时，靠自整步自整步作用，可以把发电机作用，可以把发电机拉入同步。拉入同步。.cgca

30、ccgcgff，II，UU,ff 直直到到使使转转子子减减速速矩矩转转轴轴产产生生制制动动转转对对的的有有功功分分量量冲冲击击电电流流前前超超时时当当.cgcaccgff，II,ff 直直到到速速使使转转子子加加矩矩轴轴产产生生驱驱动动转转对对转转功功分分量量的的有有击击电电流流冲冲时时当当(4) (4) 相序不同相序不同.,UU,UU,gcg流流而而危危及及电电机机它它将将产产生生巨巨大大的的冲冲击击电电等等于于恒恒恒恒差差与与因因为为此此时时能能并并列列相相序序不不同同的的发发电电机机绝绝不不31200 发电机实际并列时，除了相序必须一致外，其它条件允许有一定的偏差，如发电机实际并列时，除

31、了相序必须一致外，其它条件允许有一定的偏差，如U U不超过不超过10%10%，相位差不超过，相位差不超过10%10%，频率偏差不超过，频率偏差不超过0.2%0.5%0.2%0.5%（0.10.25Hz)0.10.25Hz)。二、自同期法二、自同期法 相序正确前提下，起动未加励磁的发电机，当其转速接近同步速时，合上同步开相序正确前提下，起动未加励磁的发电机，当其转速接近同步速时，合上同步开关，将发电机并网，然后加上发电机励磁将发电机牵入同步。并网前，励磁绕组需关，将发电机并网，然后加上发电机励磁将发电机牵入同步。并网前，励磁绕组需经限流电阻闭合。经限流电阻闭合。2 2 有功功角特性及有功功率调节

32、有功功角特性及有功功率调节4.8.5 4.8.5 同步电机的并联运行同步电机的并联运行一、功率和转矩平衡一、功率和转矩平衡110212e mm e cF ea de mc uPP( PPP)PPPPPPm U I c o s 输入输入功率功率P1机械损机械损耗耗pmec附加损耗附加损耗p padad铁损铁损pFe电磁功电磁功率率Pem定子铜损定子铜损pcu1输出功输出功率率P P2 26021101nPPPem角速度两边同时除以同步机械在01111emPPP 可得转矩平衡方程为可得转矩平衡方程为10emTTT 10emTTT 或或 上式说明，电机稳定运行时，驱动性质的原动机转矩与制动性质的电磁

33、转矩和上式说明，电机稳定运行时，驱动性质的原动机转矩与制动性质的电磁转矩和空载转矩之和平衡。空载转矩之和平衡。二、有功功率功角特性二、有功功率功角特性定义：定义：tqd、X、XX0EfI)(fPem 并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率一定、参数（并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率一定、参数（ ）为常数、空载电动势）为常数、空载电动势 不变（即不变（即 不变）时，不变）时， 为有功功率功角为有功功率功角特性。特性。凸极发电机的有功功率功角特性凸极发电机的有功功率功角特性2021122emdqdE UUPPm UI cosmsinmsinXXX 隐极发电机的有功功率功角特性

34、隐极发电机的有功功率功角特性0e mtE UPm U I c o smsinX 水轮发电机有功功率功角水轮发电机有功功率功角特性曲线特性曲线 水轮发电机的有功功率功角水轮发电机的有功功率功角特性分两部分特性分两部分: :基基本本电电磁磁功功率率 sinXUEmPdem0附加电磁功率的特点附加电磁功率的特点: :;时附加电磁功率最大045;E 无关附加电磁功率与0.XXqd产生的附加电磁功率是由于附附加加电电磁磁功功率率 21122sin)XX(UmPdqem汽轮发电机的功角特性曲线汽轮发电机的功角特性曲线汽轮发电机的有功功率功角特汽轮发电机的有功功率功角特性的特点性的特点: :;sinP)em

35、成成正正比比的的正正弦弦函函数数与与功功角角电电磁磁功功率率1;XUmEP,)tmaxem00902功率达到极限值时.,P,)em动机运行电机转为电为负值018031 1、是电动势、是电动势 和电压和电压 间的时间相位角间的时间相位角; ;0EUfFuF或称是励磁磁势或称是励磁磁势 和合成磁势和合成磁势 间的空间夹角。间的空间夹角。2 2、是感应电动势、是感应电动势 的主磁通和产生电压的主磁通和产生电压 的电枢等效假想磁通之间的夹角。的电枢等效假想磁通之间的夹角。0EU0u。FF,)(,、,U,ufuauuu间间的的空空间间夹夹角角之之与与定定子子合合成成磁磁极极极极之之间间的的夹夹角角即即为

36、为转转子子磁磁由由因因此此所所产产生生简简称称定定子子合合成成磁磁极极个个等等效效合合成成磁磁极极并并假假定定它它是是由由定定子子的的一一合合成成和和由由产产生生的的是是假假定定发发电电机机的的端端电电压压是是一一个个虚虚拟拟磁磁通通00功角功角 的双重物理意义的双重物理意义用图示功角的双重物理意义用图示功角的双重物理意义）。（，。),(UE,制制动动转转矩矩极极一一个个反反作作用用力力定定子子合合成成磁磁极极给给转转子子磁磁转转磁磁极极同同步步旋旋转转子子磁磁极极拖拖动动定定子子合合成成稳稳定定运运行行时时角角磁磁极极轴轴线线一一个个合合成成转转子子磁磁极极轴轴线线超超前前定定子子超超前前在

37、在发发电电机机运运行行时时000 转子因有原动机的驱动转矩克服定子合成磁极的制动转矩而作功转子因有原动机的驱动转矩克服定子合成磁极的制动转矩而作功, ,实现机电能量转换实现机电能量转换, ,将由原动机输入的机械能转变为电能输出。将由原动机输入的机械能转变为电能输出。 可见，功角是研究同步发电机运行状态的一个重要参数，它不仅决定了发电可见，功角是研究同步发电机运行状态的一个重要参数，它不仅决定了发电机输出有功功率的大小，而且还反映发电机转子的相对空间位置，通过它把同步机输出有功功率的大小，而且还反映发电机转子的相对空间位置，通过它把同步电机的电磁关系和机械运动紧密联系起来。电机的电磁关系和机械运

38、动紧密联系起来。 发电机空载运行时，原动机输入的功率用来平衡各种损耗，此时发电机空载运行时，原动机输入的功率用来平衡各种损耗，此时 ，定、转，定、转子磁极轴线重合，它们之间只有径向力而无切向力，所以子磁极轴线重合，它们之间只有径向力而无切向力，所以 ，在功角特性的，在功角特性的0 0点上。点上。0000emPemP0。a,TT，TP，TT，P),(emememem点点如如图图为为止止直直到到逐逐渐渐增增大大和和电电磁磁转转矩矩功功率率逐逐渐渐变变大大输输出出增增大大入入功功率率发发电电机机输输开开大大汽汽门门增增大大原原动动转转矩矩 111aa1P 可见，并联于无穷大电网的同步发电机要调节有可

39、见，并联于无穷大电网的同步发电机要调节有功功率输出，只需调节原动转矩。在功率极限角范围功功率输出，只需调节原动转矩。在功率极限角范围内，输入转矩越大，有功功率输出就越大。内，输入转矩越大，有功功率输出就越大。四、静态稳定的概念四、静态稳定的概念静态稳定静态稳定：指并联在电网上稳定运行的同步发电机，当受电网或原动机方面某指并联在电网上稳定运行的同步发电机，当受电网或原动机方面某些微小扰动时，能在这种干扰消失后，继续保持原来稳定运行状态的能力。些微小扰动时，能在这种干扰消失后，继续保持原来稳定运行状态的能力。emP0aa1Pbb在在a a点运行时电机具有静态稳定的能力。点运行时电机具有静态稳定的能

40、力。若干扰使功角若干扰使功角增大到增大到aa点，点， P Pemem和和T Temem增大，迫使电增大，迫使电机减速，功角机减速，功角变小，电机回到变小，电机回到a a点。点。a 干扰使功角干扰使功角减小时，有同样结论。所以减小时，有同样结论。所以a a点称为稳定点称为稳定运行点。运行点。而而b b点为不稳定运行点，分析略。点为不稳定运行点，分析略。静态稳定的判据静态稳定的判据：比整步功率比整步功率(kW/rad)0e ms y nd PPd 对汽轮发电机，对汽轮发电机，比整步功率为比整步功率为0emsyntdPE UPmcosdx emP0synPsy nPemP090在电机稳定区域内，在电

41、机稳定区域内， 越大，电机稳定增长性越好。越大，电机稳定增长性越好。synP五、过载能力五、过载能力汽轮发电机的过载能力汽轮发电机的过载能力em m a xNPP 001em m a xtNNNtE UmPxE UPsinmsinx 最大电磁功率与额定功率的比值称为过载能力。最大电磁功率与额定功率的比值称为过载能力。 过载能力越大，电机的稳定性越好。过载能力是表达静态稳定的能力，不是发电机过载能力越大，电机的稳定性越好。过载能力是表达静态稳定的能力，不是发电机可以过载的倍数。可以过载的倍数。 过载能力设计得在一点，是从提高称定观点考虑的，不是从发热观点考虑的。过载能力设计得在一点，是从提高称定

42、观点考虑的，不是从发热观点考虑的。3 3 无功功角特性及无功功角特性及V V形曲线形曲线一、无功功率功角特性一、无功功率功角特性 并联于无穷大电网的同步发电机当电网电压和频率恒定、参数（并联于无穷大电网的同步发电机当电网电压和频率恒定、参数（x xd d、x xq q、x xt t）为）为常数、空载电势常数、空载电势E E0 0不变（即不变（即 I If f 不变）时，不变）时，Q=f()Q=f()为无功功率功角特性为无功功率功角特性。水轮发电机无功功率的功角特性水轮发电机无功功率的功角特性2201111222dqdqdE UUUQm UI sinmcosmmsinxxxxx 汽轮发电机无功功

43、率的功角特性汽轮发电机无功功率的功角特性20ttE UUQm UI sinmcosmxx 汽轮发电机无功功率的功角特性曲线汽轮发电机无功功率的功角特性曲线tXUmQ2t0XU)U(EmQQ001EUcos 090 几个特殊点几个特殊点: :001EUcos0Q090QPem1P1emP1Qaabb2Qb2emP 从能量守恒观点看，并网运行的从能量守恒观点看，并网运行的同步发电机调节无功功率，不需调节同步发电机调节无功功率，不需调节原动机来的输入功率，只需改变励磁原动机来的输入功率，只需改变励磁电流。电流。调节调节 前，前，aemaemQ，QPP fIbemaembemQ，QPPP 增大增大 后

44、后fI调节调节 不影响发电机的有功功率输出不影响发电机的有功功率输出, ,但影响电机的稳定性能。但影响电机的稳定性能。fI调节无功时不影响有功功率的输出调节无功时不影响有功功率的输出, ,但是调节有功时影响无功功率输出但是调节有功时影响无功功率输出. .三、相量分析三、相量分析1.1.正常励磁正常励磁0100,cos, P,Q UI0EtXI j2.2.过励磁过励磁01E1tXI j11I)Q(QP),(cos,CL或吸发滞后003.3.欠励磁欠励磁tXI j202E22I)Q(QP),(cos,LC或或吸吸发发超超前前00 303E3ItXI j3四、四、V形曲线形曲线 并联于无穷大电网的同

45、步发电机，保持有功功率不变时，表示电枢电流并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率不变时，表示电枢电流 和励和励磁电流磁电流 的关系曲线的关系曲线 称为称为“V V”形曲线。形曲线。IfI)f(IIf 发电机运行时，发电机运行时，定子电流定子电流和和励磁电流励磁电流是运行人员主要监视的两个物理量，这两个是运行人员主要监视的两个物理量，这两个量关系到定子绕组和励磁绕组的温度，又牵涉到功率因数的超前或滞后以及运行的量关系到定子绕组和励磁绕组的温度，又牵涉到功率因数的超前或滞后以及运行的稳定性问题。稳定性问题。 对于一个给定的有功功率输出就有一条对于一个给定的有功功率输出就有一条V V形曲线，有功

46、功率越大，曲线向上移，形曲线，有功功率越大，曲线向上移，因此可是以得到一簇因此可是以得到一簇“V V”形曲线。形曲线。励磁正常IfI01cos欠励过励eemememmPPPP 区域不稳定0900emP emPemPemPV V形曲线的特点形曲线的特点2.2.不稳定区域边缘：不稳定区域边缘：=90=900 0，连线向右倾斜，连线向右倾斜; ;1.1.每条曲线的最低点每条曲线的最低点, , ,定子电流最小定子电流最小, ,且全为有功电流，这些点的连线向右且全为有功电流，这些点的连线向右倾斜；倾斜；1cos3.3.每条曲线上的电流变化量每条曲线上的电流变化量I I 为无功分量为无功分量; ;4.4.

47、励磁电流从零开始增大时，定子电枢电流变化规律为先减小后增大。励磁电流从零开始增大时，定子电枢电流变化规律为先减小后增大。表明要输出纯有功功率，必须相应增加一些励磁电流。表明要输出纯有功功率，必须相应增加一些励磁电流。表明输出有功功率越多，维持稳定所需的励磁电流也越大。表明输出有功功率越多，维持稳定所需的励磁电流也越大。1 1 同步电动机同步电动机4.8.6 4.8.6 同步电动机和同步调相机同步电动机和同步调相机一、同步电机的可逆原理一、同步电机的可逆原理 同步电机运行于发电机状态同步电机运行于发电机状态时，如图所示。时，如图所示。 转子磁极轴线超前定子合成磁极转子磁极轴线超前定子合成磁极轴线

48、，轴线，00，电机把机械能转变成电，电机把机械能转变成电能。能。 同步电机的运行是可逆的，既可同步电机的运行是可逆的，既可以用作发电机，还可以用作电动机。以用作发电机，还可以用作电动机。 逐步减少发电机的输入功逐步减少发电机的输入功率，转子将瞬时减速，率，转子将瞬时减速，角减角减小，相应的电磁功率也减少。小，相应的电磁功率也减少。 当发电机的输入功率只能满足当发电机的输入功率只能满足空载损耗时，发电机处于空载运行空载损耗时，发电机处于空载运行状态。状态。 继续减少发电机的输入功率，则继续减少发电机的输入功率，则和和 P Pemem变为负值。卸动原动机，电机从电网吸收功变为负值。卸动原动机，电机

49、从电网吸收功率满足空载损耗，成为空转的电动机。率满足空载损耗，成为空转的电动机。 电机轴上加上机械负载，负值的电机轴上加上机械负载，负值的增大增大，由电网向电机输入的电功率和相应的电磁，由电网向电机输入的电功率和相应的电磁功率增大，转子磁极轴线落后定子合成磁极功率增大，转子磁极轴线落后定子合成磁极轴线，转子受到驱动性质的电磁转矩作用。轴线，转子受到驱动性质的电磁转矩作用。二、同步电动机的基本方程二、同步电动机的基本方程 按照发电机惯例，同步电动机可以看成是一台输出负的有功功率的发电机，其电按照发电机惯例，同步电动机可以看成是一台输出负的有功功率的发电机，其电动势方程与发电机的方程相同，以隐极机

50、为例：动势方程与发电机的方程相同，以隐极机为例：0atEUIRjIX 按照电动机惯例，把输出负电流看成是输入正电流即可，其电动势方程：按照电动机惯例，把输出负电流看成是输入正电流即可，其电动势方程：0MaMtUEIRjIX 隐极机：隐极机：凸极机：凸极机：0MaM ddM qqUEIRjIXjIX 同步电动机的功角特性与发电机的也相似，用同步电动机的功角特性与发电机的也相似，用M M=-=-代替代替即可。即可。三、同步电动机的三、同步电动机的V形曲线形曲线 与同步发电机相似与同步发电机相似, ,当同步电动机的输入有当同步电动机的输入有功功率恒定而调节励磁电流时功功率恒定而调节励磁电流时, ,也