同步电机功率及运行特性

结论：对于每一给定的有功功率都有一允许的最少激磁，进一步减小激磁将 使发电机失去稳定。
第三十四页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
同步电动机相当于容性负载，要从电网吸取超前无功
超前，
第三十页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
① 正常励磁
当 If = If0 时，I1 与U1 同相， = 1, 电机呈电阻性。
② 欠励磁
当If ＜If0时， I1 (I1' ) 滞后于U1， 电机呈电感性。
If → ，感性程度 。
③ 过励磁
b
电流变化时，电枢电流随励磁电流变化的曲线
V形曲线的几个特点
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：cosφ=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：θ=900，
连线向右倾斜 6、每条曲线上的电流I变化量ΔI 为无功分量
(2)特点
➢ 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
➢ 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
Xt
)2
(U N 3
cos N
)2
(6000 0.4359 71.5 48.5)2 (6000 0.9)2
3
3
5854.3V
(2)先求ψ角
arctan
UN 3
sin
N
IN Xt
arctan
6000 0.4359 71.5 48.5 3
UN 3
cosN
6000 0.9 3
arctan 1510 3467.75 58 3117.7
同步电动机从电源吸收的有功功率 P1 3UI cos
除去消耗于定子绕组的铜损耗 pCu1 3I 2 R1 就转变为电磁功率 Pem
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
Pem pFe pmec P2
其中铁损耗pFe和机械损耗pmec之和成为空载损耗p0
常数cossinem常数常数cossin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枢电流全部为有功电流故数值最小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
四、同步电动机功率关系 运行特性
第一页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
1.功率关系
p0 pFe pmec
第二页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
功率流图
pCu1 3I12 R1 p0 pFe pmec
P1
Pem
P2
同步电动机功率流图
第三页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
凸极电机的向量图
第四页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
2.运行特性
工作特性
机械特性
U UN,If C
第十六页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
对隐极电机来讲
Pem
mE0U Xt
sin
Pe / T
PeM (TM)
O
θ
第十七页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
4.矩角特性
Tem
mE0U X d0
sin
m
U2 20
(
1 Xq
1 Xd
) sin 2
对隐极式同步电动机，Xd=Xq=Xc
Pem
3E0U Xc
“V”，故称V形曲线。
第二十八页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
(1)矢量图
无功功率的调节：
No 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。
Image 即Pem
mE0U Xt
sin
mUI
cos
常数
Xt C
E0 sin 常数＝I cos 常数
第二十九页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
Pem
mE0U Xd
sin
U2 m
2
(
1 Xq
1 Xd
) sin
2
电磁功率Pem与角度θ呈函数关系
第十五页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
对凸极电机来讲
Pem
mE0U Xd
sin
mU2 2
1 (
Xq
1 Xd
) sin 2
①
Pe' =
3U1E0 Xd
sin
—— 基本分量。
Pe' ∝E0 ，当转子有励磁即 If ≠0 时存在。
忽略同步电动机定子电阻Ra上的损耗
Pem P1 3UI cos
从相量图中可知，
为E0与I之间的夹角，为U与E0之间的夹角
Pem 3UI cos 3UI cos( ) 3UI cos cos 3UI sin sin
Id I sin Iq I cos Id X d E0 U cos Iq X q U sin
U UN,If C
n f (P2 ) I f (P2 )
n f (Tem )
Tem f (P2 )
f (P2 ) cos f (P2 )
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。
第五页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
7.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， U U N , f fN
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
Tem
mE0U X d0
sin
m
U2 20
(
1 Xq
1 Xd
) sin
2
(3)无功功率方程：
Q mE0U cos mU 2 ( 1 cos2 1 sin2 )（凸极电机）
Xd
Xd
Xq
Q mE0U cos mU 2 （隐极电机）
Xt
Xt
第十四页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
3.功角特性
②
Pe" =
3U12 2
(
X1q－
1 Xd)
sin2
—— 附加分量。
Pe" 是由于 Xd ≠Xq 而引起的，与 If 是否存在无关。
结论：
Pe / T
① Pe" 使 PeM。 ② PeM 产生在θ＜90o 处。
PeM (TM)
③ 功角特性与矩角特性
Pe'
• 不再是正弦波。
O
θ
90o
Pe"
Image No
d
dTem 0
d
dTem 0
d
第二十一页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
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。
判据：
dPem 0
d
隐极发电机的判据：比整步功率(kW/rad)
Psyn
dPem
d
m E0U xt
cos
0
N 58 25.8 32.2
第二十六页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
(3)电磁功率Pem3UN 3 NhomakorabeaE0
Xt
sin N
3 6000 5854.3 0.53 3 48.5
664.9kW
(4)过载倍数
T
1
sin N
1 1.87 0.53
第二十七页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
Xd
Xq Xd
3 E0U sin 3U 2 ( 1 1 ) sin 2
Xd
2 Xq Xd
第十二页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
T Pem
2 n
60
Pem P2 p0
Pem P2 p0 Tem T2 T0
第十三页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
(2)电磁转矩方程：
额定：功角25～30
No
No
Image
Im 第二a 十二g 页，编e 辑于星期三：十九点 五十九分。
6.过载倍数
最大转矩Tm与额定转矩TN之比，过载倍数
m E0U
T
Pem max PN
xt
m
E0U xt
sin N
1
sin N
T
Tm TN
sin 90 2 ~ 3.5
sin N
隐极同步电动机额定运行θN=30°~16.5 °。
凸极式同步电动机额定运行功率角更小。
负载改变时，θ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。
第二十三页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
[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cosφN=0.9（超前性），定子 绕组为Y接，同步电抗Xt=48.5Ω，忽略定子电阻R1。电 机额定运行时，求：
（1）空载电动势（励磁电动势）E0 （2）功率角θN （3）电磁功率Pem
（4）过载倍数λT
第二十四页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
解:
N arccos 0.9 25.8
jIN X t U
IN
N
N
E0
第二十五页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
(1)
E0
(U N 3
sin N
IN
同步电动机的有功功率： (1) 有功功率方程：
Pem
mE0U Xd
sin
mU2 2
(1 Xq
1 Xd
) sin 2
第七页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
θ的双重物理含义：
①励磁电动势
间电角度）
与E定0 子所加相电压
之间U的 夹角（时
②励磁磁动势
间电角度）
F与f气隙合成磁动势
之间F的 夹角（空
F Ff Fa
或者采用同步补偿机，即不带负载浮接于电网上过励运行 的同步电动机。
第三十三页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
(5)同步发电机V形图
在有功功率保持不变时， 表示电枢电流和激磁电流
之间关系的曲线I＝f(If)， 称为V形曲线。
对应于不同的有功功率，
有不同的V形曲线。当输 出的功率值愈大时，曲 线愈向上移。
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
（1）励磁电流If = C，输出有功功率变化—— 功角特性
（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
第六页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
励磁和电动机电动势的关系: （前述）
同步电动机的电动势方程: （前述）
第十一页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
Pem 3UI cos 3UI cos( ) 3UI cos cos 3UI sin sin
3UIq cos 3UId sin
3U U sin cos 3U (E0 U cos ) sin
Xq
Xd
3 E0U sin 3U 2 ( 1 1 ) cos sin
sin
Tem
3E0U X c0
sin
第十八页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
5.稳定运行
Tem
0 ~ 90
TL'
TL
1 2
第十九页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
稳定运行
90 ~ 180
Tem
TL
Tem
TL'
0 ~ 90
1
第二十页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
dTem 0
第八页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
功角θ意义的图示A：
Ff
•
0
F
•
•
•
E0
•
Ea
a
•
•
U
Ea
Fa
•
I
第九页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
功角θ意义的图示B
Ff
n1 Tem
N T1
n
功角θ是转子磁极轴线 和定子合成磁极轴线的 空间夹角
S Fδ
θ
S
N
第十页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
当 If ＞If0 时， I1 (I1") 超前I于1" U1，
电机呈电容性，
If →| | ，
I1 θ
U1 jXtI1
jXtI1
容性程度 。
a
I1'
b －E0'
jXtI1
－E0
a
－E0"
Image No
第三十一页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
(3)V形曲线
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
第三十二页，编辑于星期三：十九点 五十九分。
(4)同步电机功率因数调节的启示
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。
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。
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。