第 5 章 同步电机的基本理论
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电机与拖动. 第 5 章 同步电机的基本理论. 第 5 章 同步电机的基本理论. 5.1 三相同步电机的工作原理. 5.1 三相同步电机的工作原理. 5.2 三相同步电机的基本结构. 5.2 三相同步电机的基本结构. 5.3 三相同步电动机的运行分析. 5.4 三相同步电动机的功率和转矩. 5.5 三相同步电动机的的运行特性. 5.6 三相同步电动机功率因数的调节. *5.7 微型同步电动机. 5.8 三相同步发电机的运行分析. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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*5.7 微型同步电动机
5.10 三相同步发电机的运行特性
第 5 章 同步电机的基本理论5.2 三相同步电机的基本结构5.1 三相同步电机的工作原理
第 第 5 5 章 同步电机的基本理论章 同步电机的基本理论5.2 三相同步电机的基本结构5.3 三相同步电动机的运行分析5.4 三相同步电动机的功率和转矩5.5 三相同步电动机的的运行特性5.6 三相同步电动机功率因数的调节
5.8 三相同步发电机的运行分析5.9 三相同步发电机的功率和转矩
5.11 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
电机与拖动
*5.12 同步发电机的三相突然短路返回主页
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V1
V2 W2
W1
U1
U2
N
S
5.1 三相同步电机的工作原理
定子
+Uf
-
If
转子
励磁绕组
一、三相同步电动机 定子
旋转磁场。 转子
直流磁极。 转子转速
同步
第 5 章 同步电机的基本理论
60 f1
pn = n0 =
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V1
V2 W2
W1
U1
U2
N
S
同步电动机中的磁通势 定子 —— 电枢。电枢旋转磁通势 Fam
转子旋转磁通势 F0m
气隙旋转磁通势 F m
N
S
S
N
n0
n0
θ
电枢反应
—— Fam 对 Fm 的影响。 N
S
S
N
电动机状态
n0
n0
理想空载状态
F0m
Fam
Fm
θ
功角
5.1 三相同步电机的工作原理
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同步电动机中的感应电动势
V1
V2 W2
W1
U1
U2
N
S
F0m
Fam
Fm
θ
F0m
电枢三相 绕组中感应 E0
Fm
电枢三相 绕组中感应 E1
E0 在时间上滞后于 E1θ 角
F0m 在空间上 滞后于 Fmθ 角
- E0 在时间上滞后于- E1θ 角
5.1 三相同步电机的工作原理
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二、三相同步发电机 励磁机→F0m 旋转的 F0 m 和
Φ0
E0
原动机 电枢三相 绕组中感应
S
N
n0
N
S
n0
θ
发电机运行
N
S
S
N
n0
n0
理想空载状态 V1
V2 W2
W1
U1
U2
N
S
F0m
Fam
Fm
θ
5.1 三相同步电机的工作原理
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三相同步发电机空载运行时电枢(定子): I1 (Fam ) = 0
转子每极磁通: Φ0
空载电动势: E0 = 4.44 kw1 N1f1 Φ0
或电枢相电压: U0P = E0
电枢线电压( Y 形联结):
E0 = - j4.44 kw1 N1f1 Φ0
E0 的频率: f1 =pn60
如果: f1 = 50Hz ,则: pn = 3 000
5.1 三相同步电机的工作原理
U0L =√3 E0
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三相同步发电机负载运行时 电枢旋转磁通势 Fam
转子旋转磁通势 F0m
气隙旋转磁通势 Fm
同步电动机中的感应电动势
V1
V2 W2
W1
U1
U2
N
S
F0m
Fam
Fm
θF0m
电枢三相 绕组中感应 E0
Fm
电枢三相 绕组中感应 E1
E0 在时间上超前于 E1θ 角
F0m 在空间上 超前于 Fmθ 角
5.1 三相同步电机的工作原理
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三、三相同步电机的可逆运行
N
S
S
N
n0
n0
θ电动机状态
N
S
S
N
n0
n0
理想空载状态
S
N
n0
N
S
n0
θ发电机运行
5.1 三相同步电机的工作原理
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5.2 三相同步电机的基本结构一、主要部件
1. 定子(电枢)
2. 转子
由硅钢片叠成。对称三相绕组。
(1) 定子铁心:(2) 定子绕组:(3) 机座和端盖等。
(1) 转子铁心: 由整块铸(锻)钢制成。(2) 励磁绕组: 工作时施加直流励磁。(3) 阻尼绕组和转轴等。
阻尼绕组
第 5 章 同步电机的基本理论
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二、励磁方式1. 直流励磁机励磁 励磁绕组由小型直流发电机供电。2. 静止整流器励磁 交流励磁机→整流→直流电3. 旋转整流器励磁 交流励磁机→整流→直流电→励磁绕组。
电刷集电环 励磁绕组。
5.2 三相同步电机的基本结构
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1. 按能量转换的方式不同: 同步发动机、同步电动机。2. 按相数的不同 : 三相、单相。3. 按转子结构的不同:隐极式、凸极式。
三、主要种类
N
S
+
-
3 ~
×
3 ~
····· ×
×
×
×
×
+
-
N
S
5.2 三相同步电机的基本结构
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励磁机
发电机
水轮机
卧式、立式。5. 按原动机的不同: 汽轮发电机、水轮发电机。
4. 按安装方式的不同:
5.2 三相同步电机的基本结构
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5.2 三相同步电机的基本结构
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小浪底电站水轮机组安装
5.2 三相同步电机的基本结构
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三峡电站首台机组安装
5.2 三相同步电机的基本结构
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水力发电
5.2 三相同步电机的基本结构
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火力发电厂
励磁机
发电机
汽轮机
5.2 三相同步电机的基本结构
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燃烧室
燃料 锅炉的
炉膛 循环水
汽轮机
发电机
3 600 r/min
升压变压器
超热高压蒸汽
电能输出
电能的产生
5.2 三相同步电机的基本结构
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热电厂1 煤传送带2 加煤机3 粉碎机4 锅炉5 煤渣6 空气预热器 7 静电除尘8 烟囱9 汽轮机10 冷凝器11 变压器12 冷却塔13 发电机14 输电线
5.2 三相同步电机的基本结构
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三相同步电机
5.2 三相同步电机的基本结构
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三相同步电机
5.2 三相同步电机的基本结构
更多的图片
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同步发电机
5.2 三相同步电机的基本结构
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小型同步电机
5.2 三相同步电机的基本结构
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四、额定值1. 额定电压 UN :线电压的额定值。
2. 额定电流 IN :线电流的额定值。
3. 额定功率 PN :输出功率的额定值。
三相同步电动机:PN =√3 UNINN N
三相同步发电机: PN =√3 UNINN
4. 额定转速 nN :额定运行时的转速。
5. 额定频率 fN : 50Hz 。
5.2 三相同步电机的基本结构
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一、三相隐极同步电动机的运行分析
第 5 章 同步电机的基本理论
1. 基本方程式+
U1
-
I1
Uf →If →F0mF
U1 →I1→Fam
E1
电枢 感应→Φ
合成磁通势
U1 = R1I1 - E - E1
E = - j X I1※ 漏磁感应电动势:
※ R1 、 X —— 定子每相绕组的电阻、漏电抗。
5.3 三相同步电动机的运行分析
R1I1
E 漏磁通
E1
E
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( 励磁电动势不变 )
( 电枢反应电动势随负载变化 )
如果不计磁路饱和,则 Uf →If →F0m
→Φ0
U1 →I1 →Fam
→E0
→Φa →Ea
→E
R1I1
E1= E0 + Ea
U1 = - E1+(R1 + j X )I1
所以 Ea = - j Xa I1
※ Xa —— 电枢反应电抗。
5.3 三相同步电动机的运行分析
U1 = - E0 - Ea - E + R1I1
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U1 = - E0 + (R1 + j X + j
Xa ) I1 U1 = - E0 + (R1 + jXs ) I1
※ Xs = X + Xa —— 同步电抗。一般: R1 << Xs ,忽略 R1 ,则 U1 = - E0 + j Xs I1
2. 等效电路R1 jXs
+
U1
-
I1 - +
E0
5.3 三相同步电动机的运行分析
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3. 相量图U1 = - E0 + (R1 + jXs ) I1
U1(a) 电感性 I1
R1 I1
jXsI1- E0Ψ —— 功率因数角。
Ψ —— 内功率因数角。 已知:
- E0 滞后于- E1θ 角, U1 = - E1 + (R1 + j
X) I1
θ
因此- E0 滞后于 U1θ 。≈- E1 (忽略 R1 和 X
)
(b) 电阻性
U1I1
- E0
jXsI1
R1 I1
θ=Ψ
(c) 电容性
U1
I1
R1 I1
jXsI1
- E0
θ
Ψ = ±
5.3 三相同步电动机的运行分析
Ψ
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U1 = - E0 + jXs I1
(a) 电感性
U1
I1
jXsI1 - E0
如果忽略 R1 ,则有
同样有关系 Ψ = ±
(b) 电阻性
U1 I1
- E0
jXsI1 θ=Ψ
(c) 电容性
U1
I1
jXsI1
- E0
5.3 三相同步电动机的运行分析
θ
Ψ
Ψ
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【例 5.3.1 】 某三相隐极同步电动机, PN = 50 kW , UN = 380 V , Y 形联结, IN = 90 A , N
= 0.8 (电感性), R1 = 0.2 Ω , Xs = 1.2 Ω 。求在上述条件下运行时的 E0 、 、 和 。解:电枢相电压和相电流为
U1 =UN
3 I1 = IN = 90 A = arccos0.8 = 36.87o
取参考相量: U1 = 220 0o V
则 I1 = 90 - 36.87o A
= V = 220 V 380 3
5.3 三相同步电动机的运行分析
![Page 31: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/31.jpg)
由此求得 E0 = 159.72 V
θ = 28.34o
Ψ = - θ = 8.53o
- E0 = U1 - ( R1 + jXs ) I1
= [ 220 0o - ( 0.2 + j1.2 )×90 - 36.87o ] V
= 159.72 - 28.34o V
5.3 三相同步电动机的运行分析
![Page 32: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/32.jpg)
F0m
二、三相凸极同步电动机的运行分析 特点:气隙不均匀。
同样的 Fam → 产生不同的 Φa → 对应不同的 Xa 。
V1
V2 W2
W1
U1
U2
N
S
Fam
Fam
如果磁路不饱和:将 I1 分解为两个分量。
直轴
交轴
- E0
I1
Iq
Ψ
Id
直轴分量: Id = I1 sinΨ
交轴分量: Iq = I1 cosΨ
I1 = Id + Iq —— 双反应理论。
5.3 三相同步电动机的运行分析
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1. 基本方程式 +
U1
-
I1 Uf →If→F0m→Φ0→E0
U1 →I1
→Id
→Iq
→Fad
→Faq
→Φad
→Φaq
→Ead
→Eaq
Φ →E
R1I1
U1 = - E0 - Ead - Eaq - E + R1I1
Ead = - jXad Id
※ Xad —— 直轴电枢反应电抗。 Xaq —— 交轴电枢反应电抗。
Eaq = - jXaq Iq
5.3 三相同步电动机的运行分析
E0
E
Ead
Eaq
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E = - jXσI1
I1 = Id + Iq
U1 = - E0 + j Xad Id + j Xaq Iq + j XσI1 +R1I1= - E0 + j (Xad + X) Id + j (Xaq + X) Iq +
R1I1
U1 = - E0 + jXd Id + jXq Iq + R1I1
※ Xd = Xad + X —— 直轴同步电抗。 Xq = Xaq + X —— 交轴同步电抗。 如果忽略 R1 ,则
U1 = - E0 + jXd Id + jXq Iq
5.3 三相同步电动机的运行分析
![Page 35: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/35.jpg)
Ψ- E0
I1
Iq
Id
- E0
I1
Iq Ψ
Id
- j(Xd - Xq)Id EQ
设虚拟电动势 EQ = E0 - j (Xd - Xq ) Id
2. 等效电路
(a) I1 滞后于- E0 时
jId
EQ
(b) I1 超前于- E0 时
jId
结论: EQ 与 E0 同相位。
U1 = - E0 + R1I1 + jXd Id + jXq Iq - jXq Id + jXq Id
U1 = - EQ + (R1 + jXq )I1
5.3 三相同步电动机的运行分析
- j(Xd - Xq)Id
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※ 隐极电动机可视为凸极电动机的特例: Xd = Xq = Xs
EQ = E0
R1 jXq
+
U1
-
I1 - +
EQ
5.3 三相同步电动机的运行分析
![Page 37: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/37.jpg)
3. 相量图 设已知
U1 、 I1 、、 Xd 、 Xq 。 取
U1 = U1 0o
(1) 画 I1 。
(2) 画 R1I1 和 j Xq I1 。
(3) 画 ( - EQ) ,确定 ( - E0) 的方位。 (4) 由 I1 分解出 Id 和 Iq 。 (5) 画 j Xd Id 和 j Xq Iq 。
(6) 画 ( - E0) 。
5.3 三相同步电动机的运行分析
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(a) 电感性
(b) 电阻性
5.3 三相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
jXqI1
- EQ
Iq
jXd Id
jXq Iq
- E0
U1
I1
R1I1
jXqI
1
- EQ
Iq
Id
jXd Id
jXq Iq - E0
(c) 电容性
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U1
I1
jXqI1
- EQ
Id Iq
jXd Id
jXq Iq
- E0
忽略 R1 时的相量图 ( 简化相量图 )
(a) 电感性
jXq Iq
U1 I1
jXqI1
- EQ
Iq
Id jX
d Id
- E0
(b) 电阻性
U1 = - EQ + jXq I1
U1 = - E0 + jXd Id + jXq Iq
- EQ
jXq Iq
- E0
U1
I1
jXqI1
Id
Iq
jXd Id
Ψ
θ
(c) 电容性
5.3 三相同步电动机的运行分析
![Page 40: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/40.jpg)
由相量图求得 Ψ = ±θ 由简化相量图还可以求得
tanΨ = U1sin ±XqI1
U1cos
※ 电感性时取“-”,电容性时取“+”。
5.3 三相同步电动机的运行分析
Xd = E0 - U1cosθ
Id
Xq = U1sinθ
Iq
- EQ
jXq Iq
- E0
U1
I1
jXqI1
Id
Iq
jXd Id
Ψ
θ
![Page 41: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/41.jpg)
U1 =UN
3= V = 3 468.21 V
6 0001.732
【例 5.3.2 】 一台三相凸极同步电动机,UN = 6 000 V , IN = 57.8 A , Y 形联结。当电枢电压和电流为额定值、功率因数 = 0.8 (电容性)时,相电动势 E0 = 6 300 V , Ψ = 58o , R1 忽略不计。求该电动机的 Xd 和 Xq 。 解:电枢相电压和相电流为
I1 = IN = 57.8 A由此求得 Id = I1sinΨ = 57.8×sin58o A = 49.02 A Iq = I1cosΨ = 57.8×cos58o A = 30.63 A =Ψ - = 58o - 36.87o = 21.13o
5.3 三相同步电动机的运行分析
![Page 42: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/42.jpg)
Xd = E0 - U1cosθ
Id
= Ω = 62.52 Ω 6 300 - 3 468.21×cos21.13o
49.02
Xq = U1sinθ
Iq
= Ω = 40.82 Ω 3 468.21×sin21.13o
30.63
5.3 三相同步电动机的运行分析
![Page 43: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/43.jpg)
5.4 三相同步电动机的功率和转矩一、功率1. 输入功率(不计励磁功率) P1 = 3U1I1cos2. 电枢铜损耗 PCu = 3R1I1
2
3. 电磁功率 Pe = P1 - PCu
5.4 三相同步电动机的功率和转矩
![Page 44: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/44.jpg)
U1
I1 R1I1
jXsI1- E0
Ψ
U1
R1I1
jXsI1
- E0
Ψ
I1
在隐极同步电动机中 Pe = 3E0 I1cosΨ
在凸极同步电动机中 Pe = 3EQ I1cosΨ
5.4 三相同步电动机的功率和转矩
4. 空载损耗 P0 = PFe + Pme +
Pad
铁损耗机械损耗附加损耗
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5. 输出功率 P2 = Pe - P0
6. 总损耗 Pal = PCu + PFe + Pme + Pad
7. 功率平衡方程式
P1 - P2 = Pal
8. 效率
P1
PCu
Pe
P0
P2
= ×100% P2
P1
5.4 三相同步电动机的功率和转矩
![Page 46: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/46.jpg)
二、转矩1. 转矩平衡方程式 T2 = T - T0
4. 空载转矩
2. 输出转矩
5.4 三相同步电动机的功率和转矩
3. 电磁转矩T2 =
P2
Ω= = 9.55
P2
n60 P2
2 n
T = Pe
Ω= = 9.55
Pe
n60 Pe
2 n
T0 = P0
Ω= = 9.55
P0
n
60 P0
2 n
![Page 47: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/47.jpg)
5.4 三相同步电动机的功率和转矩
稳定运行时T2 = TL
忽略 T0 , 则
T=T2=TL
![Page 48: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/48.jpg)
【例 5.4.1 】 已知某三相同步电动机, n = 1 500 r/min , Xd = 6Ω , Xq = 4Ω , Y 形联结。当定子加额定电压 UN = 380 V ,转子加负载转矩 TL = 30 N·m 时,电枢电流 I1 = 10 A ,功率因数 = 0.8 (电容性), Ψ = 40o ,E0 = 228 V 。求 P1 、 Pe 、 P2 、 PCu 、 P0 和 T2 、 T 、 T0 。
解: P1 = 3U1I1cos
= 3× I1cosUN
3= 3× ×10×0.8 W = 5 295.2 W
3801.732
Id = I1sinΨ = 10 sin40o A = 6.43 A
EQ = E0 - (Xd - Xq) Id
= [ 228 - (6 - 4)×6.43 ] V = 215.14 V
5.4 三相同步电动机的功率和转矩
![Page 49: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/49.jpg)
Pe = 3EQ I1cosΨ
= 3×215.14×10×cos40o W = 4 944.2 W
PCu = P1 - Pe = ( 5 259.2 - 4 944.2 ) W = 315 WP0 = Pe - P2 = ( 4 944.2 - 4 710 ) W = 234.2 W
T2 = TL = 30 N·m
T0 = T - T2 = ( 31.49 - 30 ) N·m = 1.49 N·m
P2 = T2n260
= TLn260
= ×30×1 500 W = 4 710 W 2×3.14
60
T =60 Pe
2 n= N·m = 31.49 N·m
60 4 944.26.28 1 500
5.4 三相同步电动机的功率和转矩
![Page 50: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/50.jpg)
5.5 三相同步电动机的运行特性
运行特性 当 U1 = UN , f1 = fN , If = 常数时, I1 、 T 、 、 = f (P2) 的关系。 当 U1 与 E0 (即 n 和 If )为常数时: Pe = f (θ)
T = f (θ)
—— 功角特性—— 矩角特性
一、隐极同步电动机的功角特性和矩角特性 如果忽略 R1 ,则有
第 5 章 同步电机的基本理论
U1sinθ = Xs I1 cosΨ
![Page 51: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/51.jpg)
U1
I1
jXs I1
- E0
θ
Ψ
Ψ
Pe = 3 sinθ U1E0
Xs
T = 3 sinθ U1E0
XsΩ
O
Pe / T
θ 90o
PeM
(TM)
※当 θ = 90o 时 : Pe = PeM , T = TM
5.5 三相同步电动机的运行特性
代入 Pe 和 T 的公式,可得
![Page 52: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/52.jpg)
电动机为电容性时 U1sin = XqI1cos Ψ
Xd Id = E0 - U1cos EQ = E0 - (Xd - Xq)Id
二、凸极同步电动机的功角特性和矩角特性
U1
I1
jXq I
1 - EQ
jXd Id
jXq Iq
- E0
θΨ
Ψ
5.5 三相同步电动机的运行特性
电动机为电感性时 U1sin = XqI1cos Ψ
Xd Id = U1cos - E0
EQ = E0 + (Xd - Xq)Id
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Pe
代入 Pe 和 T 的公式可得
3U1E0
Xd
= sin 1Xq
+ ( - ) sin2 3U1
2
2
1Xd
3U1E0
XdΩ T = sin
1Xq
+ ( - ) sin2 3U1
2
2Ω
1Xd
Pe = Pe' + Pe"
T = T + T
5.5 三相同步电动机的运行特性
![Page 54: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/54.jpg)
讨论:
(1)
3U1E0
Xd
Pe' = sin
Pe' ∝E0 ,当转子有励磁即 If ≠0 时存在。
(2)1Xq
Pe" = ( - ) sin2 3U1
2
2
1Xd
Pe" 是由于 Xd ≠Xq 而引起的,与 If 是否存在无关。 结论:
(1) Pe" 使 PeM 。(2) PeM 产生在 θ < 90o 处。(3) 功角特性与矩角特性 不再是正弦波。
—— 基本分量。
—— 附加分量。
O
Pe / T
θ
90o
PeM
(TM)
Pe'
Pe"
5.5 三相同步电动机的运行特性
![Page 55: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/55.jpg)
5.6 三相同步电动机功率因数的调节 同步电动机的主要优点
调节 If → 调节 cos
→ - 90o < < 90o (纯电容性 ) (纯电感性 )
调节 If 改变 cos 的原理 以隐极同步电动机为例,并忽略 R1 和 T0 。 调节 If 时, U1 、 f1 、 TL都不变,则 T 和
Pe 不变,即 T 和 P1 不变。根据: Pe = 3 sin
U1E0
Xs
= 3U1I1cos
第 5 章 同步电机的基本理论
![Page 56: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/56.jpg)
可得如下关系: E0 sinθ = 常数 I1cos = 常数
另一方面 :
因此,改变 If 而使E0 改变时, I1 、 θ 和 均要改变。当 If →E0 →θ 。当 If →E0 →θ 。
U1 = - E0 + j Xs I1
5.6 三相同步电动机功率因数的调节
U1
jXsI1
- E0
θ
- E0' a a
jXsI1
I1'
b
b- E0"
jXsI1
I1"
I1
![Page 57: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/57.jpg)
(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 当 If > If0 时,
电机呈电容性, If →| | , 容性程度 。
I1 (I1") 超前于 U1 ,
5.6 三相同步电动机功率因数的调节
U1
jXsI1
- E0 - E0' a a
jXsI1
I1'
b
b- E0"
jXsI1
I1"
θ
I1
![Page 58: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/58.jpg)
同步电动机的 V 形曲线 当 U1 = UN 、 f1 = f N 、 TL 不变时:
I1 = f (If )
O
I1
If
P2'
P2"
欠励 过励 If0
<
cos =1
5.6 三相同步电动机功率因数的调节
![Page 59: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/59.jpg)
*5.7 微型同步电动机 微型同步电动机的额定功率:
零点几瓦至数百瓦。 应用
电报传真机、磁带录音机、精确计时或记录装置。 分类
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。一、永磁式同步电动机 转子:永久磁钢,隐极式或凸极式。 特点:结构简单、制造方便、 和 高、成本也高。
第 5 章 同步电机的基本理论
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*5.7 微型同步电动机
鼠笼槽 反应槽
二、磁阻式同步电动机 又称为反应式同步电动机。 转子:由导磁材料制成,凸极式。 特点:结构简单、价格便宜、运行可靠、 和 较低。
磁阻式同步电动机的转子结构型式
(a) 外反应式 (b) 内反应式 (c) 内外反应式
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*5.7 微型同步电动机
三、磁滞式同步电动机 简称电动机。 转子:由硬磁材料制成,转子外表呈光滑圆柱形。1. 涡流转矩 转子导电→感应涡流 涡流转矩 当 n = n0 时,涡流转矩 = 0 。2. 磁滞转矩 转子导磁→被磁化→磁极 转子磁极轴线滞后于合成旋转磁场轴线3. 特点 可以运行于同步转速,也可以运行于异步转速。 自身具有起动转矩。
旋转磁场
磁滞现象
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5.8 三相同步发电机的运行分析
1. 基本方程式
Uf →If →F0m →Φ0 →E0
I1 →Fam →Φa →Ea
Φ→E
R1I1
U1 = E0 + Ea + E - R1I1
+
U1
-
I1
第 5 章 同步电机的基本理论
一、三相隐极同步发电机的运行分析
E0
Ea
E
![Page 63: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/63.jpg)
Ea = - j Xa I1
E = - j X I1
※ Xa —— 电枢反应电抗。 X —— 电枢漏电抗。
U1 = E0 - (R1 + j X + j Xa ) I1
U1 = E0 - (R1 + j Xs ) I1
※ Xs = Xa + X —— 同步电抗。 忽略 R1 ,则
U1= E0 - j XsI1
5.8 三相同步发电机的运行分析
![Page 64: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/64.jpg)
2. 等效电路
3. 相量图 根据负载的功率因数和电路方程作相量图。并设: U1 = U1 0
o 。
+
U1
-
R1 jXs
I1
+
-E 0
U1 = E0 - (R1 + j Xs ) I1
5.8 三相同步发电机的运行分析
![Page 65: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/65.jpg)
(c) 电容性
(a) 电感性
(b) 电阻性
U1
I1
R1I1
jXs I1
E0
Ψθ
U1I1R1I1
jXs I1
E0
Ψ θ
U1
I1
R1I1
jXs I1
E0
Ψθ
U1
I1
jXs I1
E0
Ψθ
U1I1
jXs I1
E0
Ψ θ
忽略 R1 时:
U1
I1
jXs I1
E0Ψ
θ
5.8 三相同步发电机的运行分析
![Page 66: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/66.jpg)
【例 5.8.1 】 某三相同步发电机, PN = 50 kW , UN
= 400 V , Y 形联结, N = 0.8 (电感性)。 R1 = 0.2 Ω , Xs
= 1.2 Ω 。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 Ψ = 53.1o 时的相电压 U1 、线电压 U1L 、功率因数角 和功角。
解:
E0 = UN
3= V = 231.21 V
4001.732
I1 = IN =PN
3 UN N
= A = 90.32 A 50×103
1.732×400×0.8
取参考相量: 则
I1 = 90.32 0o A
E0 = 231.21 53.1o V
5.8 三相同步发电机的运行分析
![Page 67: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/67.jpg)
U1= E0 - ( R1 + jXs ) I1
= [ 231.21 53.1o - ( 0.2 + j1.2 )×90.32 0o ] V
= 143 32.36o V
由此求得 U1 = 143 V
U1L = 3 U1 = 1.732×143 V = 247.39 V
= 32.36o
=Ψ - = 53.1o - 32.36o = 20.74o
5.8 三相同步发电机的运行分析
![Page 68: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/68.jpg)
1. 基本方程式Uf →If→F0m→Φ0→E0
I1
→Fad
→Faq
→Φad
→Φaq
→Id
→Iq
→Ead
→Eaq
Φ →E
R1I1
+
U1
-
I1
U1 = E0 + Ead + Eaq + Eσ - R1I1
二、三相凸极同步发电机的运行分析
5.8 三相同步发电机的运行分析
E Eaq
E0 Ead
![Page 69: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/69.jpg)
Ead = - jXad Id
E = - j X I1
Eaq = - jXaq Iq
※ Xad —— 直轴电枢反应电抗。 Xaq —— 交轴电枢反应电抗。 Xσ—— 电枢漏电抗。
U1 = E0 - jXad Id - jXaq Iq - jX I1 - R1I1
= E0 - j (Xad + X) Id - j (Xaq + X) Iq - R1I1
5.8 三相同步发电机的运行分析
将
得
![Page 70: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/70.jpg)
※ Xd = Xad + Xσ —— 直轴同步电抗。 Xq = Xaq + Xσ —— 交轴同步电抗。忽略 R1 ,则
U1 = E0 - jXd Id - j Xq Iq
U1 = E0 - jXd Id - jXq Iq - R1I1
5.8 三相凸极同步发电机的运行分析
![Page 71: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/71.jpg)
2. 等效电路 设: EQ = E0 - j (Xd - Xq ) Id
U1 = EQ - R1I1 - j Xq I1
忽略 R1 ,则U1 = EQ - j Xq I1
3. 相量图
根据电路方程和 负载性质作相量图。
设: U1 = U1 0o
I1
R1 jXq +
U1
-
+
-EQ
5.8 三相凸极同步发电机的运行分析
![Page 72: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/72.jpg)
U1
I1
R1I1
jXqI1
EQ
jXdId
E0
jXqIq
U1I1 R1I1
jXqI1
EQ
jXdId
jXqIq
E0
U1
I1
R1I1
jXqI1
EQ
jXdIdjXqIq
E0
(c) 电容性
(a) 电感性
(b) 电阻性
忽略 R1 时
U1
I1
jXqI1
EQ
jXdId
E0
jXqIq
U1I1
jXqI1
EQ
jXdId
jXqIq
E0
U1
I1 jXqI1
EQ
jXdId
jXqIq
E0
5.8 三相凸极同步发电机的运行分析
![Page 73: 第 5 章 同步电机的基本理论](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081415/568134dc550346895d9c0e01/html5/thumbnails/73.jpg)
【例 5.8.2 】 某三相同步发电机, 已知 U1L = 11
kV , Y 形联结, I1 = 460 A , = 0.8 (电感性), Xd = 16
Ω , Xq = 8 Ω , R1 忽略不计。求 Ψ 、、 E0 。
解:
U1 = U1L
3= = 6 358.38 V
11×103
1.732 V
tanΨ = U1sin + XqI1
U1cos 6 358.38×0.6 + 8×460
6 358.38×0.8= V
= 1.47Ψ = arctan1.47 = 55.84o
=Ψ - = 55.84o - 36.87o = 18.97o
E0 = U1cos + XdId
=[(6358.38×cos18.97o + 16×460×sin 55.84o )]V = 12 103.25 V
5.8 三相凸极同步发电机的运行分析
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5.9 三相同步发电机的功率和转矩一、功率1. 输入功率2. 空载损耗3. 电磁功率4. 铜损耗5. 输出功率
6. 总损耗
P1 = T1Ω
P0 = PFe + Pme + Pad
Pe = P1 - P0
PCu = 3R1I12
P2 = Pe - Pcu
= 3U1I1cosPal = PFe + PCu + Pad + Pme
第 5 章 同步电机的基本理论
7. 功率平衡方程式 P1 - P2 = Pal
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8. 效率P1
P0
Pe
PCu
P2
= ×100% P2
P1
二、转矩1. 输入转矩
2. 空载转矩
3. 电磁转矩
4. 转矩平衡方程式
T1 = P1
Ω0
T0 = P0
Ω0
T = Pe
Ω0
T1 = T + T0
= P1
n602
= P0
n602
= Pe
n602
5.9 三相同步发电机的功率和转矩
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5.10 三相同步发电机的运行特性一、外特性 当 n = nN , If 、 = 常数时, U1L 与 I1L 的关系, 即 U1L = f (I1L) 。• 调节 If ,使 I1L= IN 、 = N 、 U1L = UN 时, If = IfN 。• 电压调整率: 保持 nN 、 N 、 IfN 时,
O
U1L
I1L
cos = 0.8 ( > 0)
cos = 0.8 ( < 0)
cos =1
UN
IN
VR = ×100% E0 - UNP
UNP
第 5 章 同步电机的基本理论
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二、调节特性 保持 n = nN 、 U1L =
UN 、 = N 时, If 与 I1 的关系,即 If = f ( I1 ) 。 O
If
I1
cos = 0.8 ( > 0)
cos = 0.8 ( < 0)
cos =1
三、功角特性 功角特性:保持 n 、 If 、 U1 不变时, Pe
与
的关系,即 Pe = f ( ) 。• 矩角特性:保持 n 、 If 、 U1 不变时, T
与
的关系,即 T = f ( ) 。※ 上述关系与同步电动机的关系相同。
5.10 三相同步发电机的运行特性
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5.11 同步发电机与电网的并联运行 并联运行的优点
(1) 提高电力系统的经济指标。(2) 减少发电厂备用机组的容量。(3) 提高电能供应的可靠性。(4) 提高电能供应的质量。一、并联运行的条件 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 和在发电机轴上产生大的冲击转矩。
第 5 章 同步电机的基本理论
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U
+U1A
-
S+ U1B
-
1. 电压相等 如果则
U1A≠U1B
△U = U1A - U1B ≠0
2. 频率相等如果: A≠B
U1A
U1B
A
B
——U = 0 ~ 2U1
U1A
U1B
U1A
U1B
U
U1A
U1B
UU1AU1B
U
5.11 同步发电机与电网的并联运行
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U1BU
U1BV
U1BW
3. 相序相同 如果相序不同,则
UU = 0
UV = U1AV - U1BV
UW = U1AW - U1BW
U1AU
U1AV
U1AW
UV
UW
二、并联运行的方法 调节 If → 调节 E0 ;调节 n → 调节 f 。1. 理想同步法2. 自同步法
5.11 同步发电机与电网的并联运行
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三、有功功率的调节 无穷大电网
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。1. 有功功率的调节方法
5.11 同步发电机与电网的并联运行
调节 进水量进汽量 →T1(P1) → T1 > T +T0 → n →
→ T → T1 =T +T0 为止,重新在 n = n0 下稳定运行。
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2. 静态稳定
0
Pe /T
θ 90o
a a'
5.11 同步发电机与电网的并联运行
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0
Pe /T
θ 90o
a'
0
Pe /T
θ 90o
aT
T1= T + T0
a 点: T1 → →T … T1 =T +T0
为止 ,在 b 点重新稳定运行0<<M —— 稳定运行区。
b
T1' = T' + T0
a' 点: T1 → →T ··· T1 更大于
T +T0 , n再也回不到 n0→失步。 M<<180°—— 不稳定运行区。
5.11 同步发电机与电网的并联运行
稳定运行区
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振荡幅度过大,超过稳定区而引起的失步。阻尼绕组可抑制振荡。
4. 过载能力
MP =P2M
PN
= 1.7 ~ 3.0
3. 动态稳定
5.11 同步发电机与电网的并联运行
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四、无功功率的调节1. 调节方法 调节 If
2. 调节原理 调节 If 时,因 U1 和 P2 不变,忽略 R1 和T0 ,则 Pe = 3 sin
U1E0
Xs
= 3U1I1cos = P2
5.11 同步发电机与电网的并联运行
即: E0 sin = 常数 I1cos = 常数
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(1) 正常励磁 当 If = If0 时, = 0 , = 1 , Q2 = 0 ,发电机不输出无功功率。
I1 与 U1 同相,
5.11 同步发电机与电网的并联运行
U1
E0
I1
jXsI1
E0'a a
jXsI1'
I1'
E0"
jXsI1"
I1"
b
b
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2. 欠励磁 当 If < If0 时, 发电机输出电容性无功功率; If → Q2 。3. 过励磁 当 If > If0 时, 发电机输出电感性无功功率; If → Q2 。
I1 ( I1' ) 超前于 U1 ,
I1 ( I1" ) 滞后于 U1 ,
5.11 同步发电机与电网的并联运行
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【例 5.11.1 】 一台 Y 形联结的水能发电机,并联在 UN
= 10.5 kV 的电网上运行。发电机的 Xd = 1.3 Ω , Xq = 0.7 Ω , R1 忽略不计, = 18.09o 时, I1 = 3 990 A , E0 = 9
970 V 。求该发电机输出的有功功率 P2 和无功功率 Q2 (电容性的还是电感性的)。
解:
U1 = UN
3= V = 6069.36 V
10.5×103
1.73忽略 R1 ,则
3U1E0
Xd
P2 = Pe = sin + 3 ( - ) sin2 1Xq
U12
2
1Xd
= 64.87 MW
5.11 同步发电机与电网的并联运行
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= arccos P2
3U1 I1
Ψ = arccos U1sin
Xq I1
= arccos 64.87×106
3×6 069.36×3 990 = 26.76o
= arccos 6 069.36×sin18.09o
0.7×3 990= 47.56o
由于 Ψ> , I1 滞后于 U1 ,故输出电感性无功功率, 其值为 Q2 = 3U1I1sin
= 3×6 069.36×3 990 sin26.76o var = 32.71 Mvar
5.11 同步发电机与电网的并联运行
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*5.12 同步发电机的三相突然短路
使得突然短路电流远大于稳定短路电流,会对电机造成损害。
直轴瞬态电抗 Xd'
直轴超瞬态电抗 Xd''
交轴瞬态电抗 Xq ''
Xd'' < Xd' < Xd
Xq '' < Xq
第 5 章 同步电机的基本理论
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mjp 制作 许昌学院电信学院
练 习 题 5.1.1 5.1.2 5.2.1 5.2.2 5.3.1 5.3.2
5.3.3 5.3.4 5.4.1 5.5.1 5.5.2 5.6.1 5.6.2
* 以教师画勾的题为准。
第 5 章 同步电机的基本理论
5.8.1 5.8.2 5.9.1 5.10.1 5.11.1
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