1、第5章同步電機(jī)5.1 三相同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)三相同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)U1V2V1W1W2U21. 主要部件主要部件(1) 定子（電樞）定子（電樞）(2) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 由硅鋼片疊成。由硅鋼片疊成。 對(duì)稱三相繞組。對(duì)稱三相繞組。定子鐵心定子鐵心定子繞組定子繞組機(jī)座和端蓋等機(jī)座和端蓋等轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心勵(lì)磁繞組勵(lì)磁繞組阻尼繞組和轉(zhuǎn)軸等阻尼繞組和轉(zhuǎn)軸等 由整塊鑄（鍛）鋼制成。由整塊鑄（鍛）鋼制成。 工作時(shí)施加直流勵(lì)磁。工作時(shí)施加直流勵(lì)磁。阻尼繞組阻尼繞組電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)2. 勵(lì)磁方式勵(lì)磁方式(1) 直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁 勵(lì)磁繞組由小型直流發(fā)電機(jī)供電。勵(lì)磁繞組由小型直流發(fā)電機(jī)供

2、電。(2) 靜止整流器勵(lì)磁靜止整流器勵(lì)磁 交流勵(lì)磁機(jī)交流勵(lì)磁機(jī)整流整流直流電直流電(3) 旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁 交流勵(lì)磁機(jī)交流勵(lì)磁機(jī)整流整流直流電直流電勵(lì)磁繞組。勵(lì)磁繞組。電刷電刷集電環(huán)集電環(huán)勵(lì)磁繞組。勵(lì)磁繞組。電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)(1) 按能量轉(zhuǎn)換的方式不同：按能量轉(zhuǎn)換的方式不同： 同步發(fā)動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)。同步發(fā)動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)。(2) 按相數(shù)的不同按相數(shù)的不同: 三相、單相。三相、單相。(3) 按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同：按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同：3. 主要種類主要種類NS隱極式、凸極式。隱極式、凸極式。+3 3 +NS電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)水輪機(jī)水輪機(jī) 臥式、立式。臥式、立式

3、。(5) 按原動(dòng)機(jī)的不同：按原動(dòng)機(jī)的不同： 汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)。汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)。(4) 按安裝方式的不同：按安裝方式的不同：電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)320MW水水輪發(fā)電機(jī)輪發(fā)電機(jī)吊裝吊裝小浪底電站水輪機(jī)組安裝小浪底電站水輪機(jī)組安裝電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)三峽電站首臺(tái)機(jī)組安裝三峽電站首臺(tái)機(jī)組安裝電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)水力發(fā)電水力發(fā)電電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)10000kW水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子凸極式同步電機(jī)凸極式同步電機(jī)NSNS+凸極式凸極式隱極式同步電機(jī)隱極式同步電機(jī)NS+隱極式隱極式火力發(fā)電廠火力發(fā)電廠勵(lì)勵(lì)磁磁機(jī)機(jī)發(fā)發(fā)電電機(jī)機(jī)汽汽輪輪機(jī)機(jī)電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)燃燃燒燒室室

4、燃料燃料鍋爐的鍋爐的爐膛爐膛循環(huán)水循環(huán)水汽輪機(jī)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)3000 r/min升壓變壓升壓變壓器器超熱高壓蒸汽超熱高壓蒸汽電能輸出電能輸出汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)三相同步電機(jī)三相同步電機(jī)電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)同步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)小型同步電機(jī)小型同步電機(jī)電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)4. 額定值額定值(1) 額定電壓額定電壓 UN ：線電壓的額定值。：線電壓的額定值。(2) 額定電流額定電流 IN ：線電流的額定值。：線電流的額定值。(3) 額定功率額定功率 PN ：輸出功率的額定值。：輸出功率的額定值。 三相同步電動(dòng)機(jī)：三相同步電動(dòng)機(jī)：PN =3 UNINcos

5、N N三相同步發(fā)電機(jī)：三相同步發(fā)電機(jī)：PN =3 UNINcos N (4) 額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速 nN ：額定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速。：額定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速。(5) 額定頻率額定頻率 fN ： 50Hz。電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)V1V2W2W1U1U2NS5.2 三相同步電機(jī)的工作原理三相同步電機(jī)的工作原理定定 子子 +UfIf轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 勵(lì)磁勵(lì)磁 繞組繞組 一、一、 同步電機(jī)基本原理同步電機(jī)基本原理旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場。直流磁極。直流磁極。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速： n = n1=60 f1p同步同步電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁機(jī)F0旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)的 F0 和和0E0原動(dòng)機(jī)原動(dòng)機(jī)電樞三相電樞三相繞組中感應(yīng)繞組中感應(yīng) 定子：

6、定子：轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子：1、同步發(fā)電機(jī)、同步發(fā)電機(jī)V1V2W2W1U1U2NS 2. 同步電動(dòng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī)定子：定子：轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子：旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場。直流磁極。直流磁極。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速： n = n1=60 f1p同步同步電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)二、二、 三相同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行三相同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行電樞電樞(定子定子) ： I1 (Fa ) = 0轉(zhuǎn)子每極磁通：轉(zhuǎn)子每極磁通： 0 空載電動(dòng)勢(shì)：空載電動(dòng)勢(shì)： E0 = 4.44 f1 kw1 N10 或或E0 = j4.44 kw1 N1 f10 電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)同步電機(jī)的空載特性同步電機(jī)的空載特性00, E返回If，F(xiàn)0F0勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)E

7、0勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì) 0空載主磁通空載主磁通空載特性空載特性If0UN O氣隙線氣隙線三、同步電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行和電樞反應(yīng)三、同步電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行和電樞反應(yīng)電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)三相同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行三相同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行三相電樞電流三相電樞電流電樞旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)電樞旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì) Fa轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì) F0氣隙旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)氣隙旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì) F 電樞反應(yīng)電樞反應(yīng) Fa 對(duì)對(duì)氣隙磁場氣隙磁場的影響。的影響。 電樞反應(yīng)的性質(zhì)決定于負(fù)載性質(zhì)，即勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)與電電樞反應(yīng)的性質(zhì)決定于負(fù)載性質(zhì)，即勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)與電樞電流的相位差樞電流的相位差 內(nèi)功率因數(shù)角內(nèi)功率因數(shù)角 勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E0與電樞電流與電樞電流I1

8、的相位差的相位差i=Imcos t t旋轉(zhuǎn)相量旋轉(zhuǎn)相量I實(shí)際值實(shí)際值時(shí)間參考軸時(shí)間參考軸復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)1相量相量旋轉(zhuǎn)相量在時(shí)間參考軸上的分量與實(shí)際值一一對(duì)應(yīng)！旋轉(zhuǎn)相量在時(shí)間參考軸上的分量與實(shí)際值一一對(duì)應(yīng)！復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì) 定子三相對(duì)稱繞組中對(duì)稱三相電流產(chǎn)生基波旋轉(zhuǎn)磁定子三相對(duì)稱繞組中對(duì)稱三相電流產(chǎn)生基波旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。動(dòng)勢(shì)。 當(dāng)某相電流達(dá)到最大時(shí)，三相合成基波旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)當(dāng)某相電流達(dá)到最大時(shí)，三相合成基波旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的幅值與該相繞組軸線重合。的幅值與該相繞組軸線重合。 NSU1U2U相電流最大時(shí)相電流最大時(shí)U相相軸相相軸Fa復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)3旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場，及其通過繞旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場

9、，及其通過繞組的主磁通組的主磁通 氣隙旋轉(zhuǎn)磁場通過氣隙旋轉(zhuǎn)磁場通過U相繞組的主磁通：相繞組的主磁通： 旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的氣隙旋轉(zhuǎn)磁場：旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的氣隙旋轉(zhuǎn)磁場： U相時(shí)間相時(shí)間參考軸參考軸當(dāng)以當(dāng)以U相相軸為其時(shí)間參相相軸為其時(shí)間參考軸時(shí)，主磁通與旋轉(zhuǎn)磁考軸時(shí)，主磁通與旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)同相位；相電流與合動(dòng)勢(shì)同相位；相電流與合成磁動(dòng)勢(shì)同相位。成磁動(dòng)勢(shì)同相位。2Um1m1m22cos() dcoscosBtxxBtt110m1( , )cos()cos()FB x ttxBtxU1U2N S注意：注意：x=0選在選在U相相相軸處相軸處磁密幅值與磁密幅值與U相軸夾角相軸夾角U相相相軸相軸復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)4概念引伸

10、概念引伸 以電角度考察時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)矢量的角速度以電角度考察時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)矢量的角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)旋轉(zhuǎn)時(shí)間相量的角速度間相量的角速度 時(shí)間相量：時(shí)間相量： 2 f空間矢量：空間矢量： = = 2 f 2 pn1 2 p60f 60 p 相矢量圖：可把某瞬時(shí)的時(shí)間相量（磁通、電動(dòng)勢(shì)、電相矢量圖：可把某瞬時(shí)的時(shí)間相量（磁通、電動(dòng)勢(shì)、電流）和空間旋轉(zhuǎn)矢量流）和空間旋轉(zhuǎn)矢量( (磁動(dòng)勢(shì)磁動(dòng)勢(shì)) )畫在一起。畫在一起。 因定、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)靜止，因定、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)靜止，V1V2W2W1U1U2NS1. 相電動(dòng)勢(shì)相電動(dòng)勢(shì)E0與相電流與相電流I1同相時(shí)同相時(shí)( 0 )U相電動(dòng)勢(shì)相電動(dòng)勢(shì)E0最大，最大， 0 ，相

11、電流，相電流I1最大最大(圖示圖示)此時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)幅值（軸線）與此時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)幅值（軸線）與U相軸重合相軸重合定轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)位置不變定轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)位置不變0F0E0aaqFF1I軸軸d0F0E0aaqFF1I軸軸d相矢量圖作圖要點(diǎn)相矢量圖作圖要點(diǎn)2、F0與與Fa 相對(duì)位置固定相對(duì)位置固定4、F0與與 0 同相位同相位3、Fa與與I1 同相位同相位1、E0落后落后 0 90 0 相矢量圖相矢量圖 0 時(shí)，電樞磁動(dòng)勢(shì)為純交軸磁動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生交軸電時(shí)，電樞磁動(dòng)勢(shì)為純交軸磁動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生交軸電樞反應(yīng)。樞反應(yīng)。V1V2W2W1U1U2NS2. 相電動(dòng)勢(shì)相電動(dòng)勢(shì)E0超前相電流超前相電流I1 90 ( 90

12、 )U相電動(dòng)勢(shì)相電動(dòng)勢(shì)E00， 90 ，相電，相電流流I1最大最大旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)幅值（軸線）與旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)幅值（軸線）與U相軸相軸重合重合0F0E0aadFF1I軸軸d 90 相矢量圖相矢量圖 90 時(shí)，電樞磁動(dòng)勢(shì)為純直軸去磁磁動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生時(shí)，電樞磁動(dòng)勢(shì)為純直軸去磁磁動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生去磁的直軸電樞反應(yīng)。去磁的直軸電樞反應(yīng)。0F0E0aadFF1I軸軸d V1V2W2W1U1U2NS3. 相電動(dòng)勢(shì)相電動(dòng)勢(shì)E0超前相電流超前相電流I1 任意角度任意角度(0 90 )0F0E0aF1I軸軸d FaqFad當(dāng)當(dāng) 0 90 時(shí)，電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)既時(shí)，電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)既有直軸去磁分量，又有交軸分量。有直軸去磁分量，又有交軸

13、分量。V1V2W2W1U1U2NS 氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)F 與勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)與勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)F0 的關(guān)系的關(guān)系0F0E0aF1I軸軸d 對(duì)于同步發(fā)電機(jī)對(duì)于同步發(fā)電機(jī)，氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)，氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)總是滯后于勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)一個(gè)角度總是滯后于勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)一個(gè)角度功率角功率角 。F F0FaF 四、四、 三相同步電機(jī)的可逆運(yùn)行三相同步電機(jī)的可逆運(yùn)行NSSNn1 n1 電動(dòng)機(jī)狀態(tài)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)NSSNn1 n1 理想空載狀態(tài)理想空載狀態(tài)SNn1 NSn1 發(fā)電機(jī)運(yùn)行發(fā)電機(jī)運(yùn)行電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)用一對(duì)等效磁極表示氣隙合成磁場用一對(duì)等效磁極表示氣隙合成磁場5.3 三相同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析三相同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析1

14、. 基本方程式基本方程式UfIfF00 E0I1Faa EaE R1I1E0 U1 I1EaEU1 = E0 + Ea + ER1I1 Ea a Fa I1，不計(jì)磁飽和不計(jì)磁飽和Ea 滯后于滯后于a 90o ，不計(jì)電樞鐵耗，不計(jì)電樞鐵耗，a 與與 I1 同相位。同相位。電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)一、隱極同步發(fā)電機(jī)一、隱極同步發(fā)電機(jī)EEa =j Xa I1E=j XI1 Xa 電樞反應(yīng)電抗。電樞反應(yīng)電抗。 X 電樞漏電抗。電樞漏電抗。U1 = E0(R1 + j X+ j Xa ) I1U1 = E0 (R1 + j Xs ) I1 Xs = Xa + X 同步電抗。同步電抗。 忽略忽略 R1，則，則

15、U1= E0j XsI1電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)2. 等效電路等效電路R1 jXsE0I1+U13. 相量圖相量圖 根據(jù)負(fù)載的功率因數(shù)和電路方程作相量圖。根據(jù)負(fù)載的功率因數(shù)和電路方程作相量圖。并設(shè)：并設(shè)： U1 = U1 0o。電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)電感性負(fù)載相量圖電感性負(fù)載相量圖U1I1 R1I1jXs I1E0U1I1 jXs I1E0忽略忽略 R1 時(shí)：時(shí)：電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E0 電樞合成電動(dòng)勢(shì)電樞合成電動(dòng)勢(shì) EU1 = E(R1j X) I1忽略：忽略： R1 和和 X 則則 U1=E故有：故有： = 勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)F0 在空間在空間滯后氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)滯后氣隙合成

16、磁動(dòng)勢(shì) F 角角在時(shí)間上滯后在時(shí)間上滯后 角角功率角？功率角？ 【例例 51】 某三相同步發(fā)電機(jī)，某三相同步發(fā)電機(jī)， PN = 50 kW， UN = 400 V，Y 形聯(lián)結(jié)，形聯(lián)結(jié)，cos N = 0.8（電感性）。（電感性）。R1 =0.2 ，Xs = 1.2 。求空載電壓等于額定電壓，電。求空載電壓等于額定電壓，電樞電流等于額定電流，內(nèi)功率因數(shù)角樞電流等于額定電流，內(nèi)功率因數(shù)角 = 53.1o 時(shí)的時(shí)的相電壓相電壓U1 、線電壓、線電壓U1L 、功率因數(shù)角、功率因數(shù)角 和功角和功角。解：解：E0= UN3= 4001.732= 231.21 V I1 = IN =PN 3UN cos N

17、 = 501031.7324000.8= 90.32 A取參考相量：取參考相量：I1 = 90.32 / 0o A則則E0 = 231.21 53.1o V電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)U1= E0( R1jXs ) I1= 231.21 53.1o ( 0.21j1.2 )90.32 / 0o = 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 電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)1. 雙反應(yīng)理論雙反應(yīng)理論電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng) 特點(diǎn)：氣隙不均勻。特點(diǎn)：氣隙不均勻。

18、同樣的同樣的 Fa 產(chǎn)生不同的產(chǎn)生不同的a 對(duì)應(yīng)不同的對(duì)應(yīng)不同的 Xa 。V1V2W2W1U1U2NSF0FaFa直軸直軸交交軸軸凸極同步電機(jī)電樞反應(yīng)磁通及其磁路凸極同步電機(jī)電樞反應(yīng)磁通及其磁路返回adFadaqadF直軸電樞反應(yīng)磁路直軸電樞反應(yīng)磁路交軸電樞反應(yīng)磁路交軸電樞反應(yīng)磁路 雙反應(yīng)理論雙反應(yīng)理論電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)V1V2W2W1U1U2NSF0Fa如果磁路不飽和，可以應(yīng)用疊加原理；如果磁路不飽和，可以應(yīng)用疊加原理；將將 I1 分解為兩個(gè)分量。分解為兩個(gè)分量。直軸直軸交交軸軸 E0 I1IqId直軸分量：直軸分量：Id = I1 sin交軸分量：交軸分量：Iq = I1 cosI1 =

19、 Id + Iq氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)直軸電樞反應(yīng)電氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)直軸電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)交軸電樞反動(dòng)勢(shì)交軸電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)應(yīng)電動(dòng)勢(shì)勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)FaqFad2. 基本方程式基本方程式Uf IfF0 0 E0 I1FadFaqadaqIdIqEad EaqR1I1EE0 U1 I1EadEaqEU1 = E0 + Ead + Eaq + ER1I1 Ead ad Fad Id； Eaq aq Faq Iq；電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)發(fā)電機(jī)慣例發(fā)電機(jī)慣例E Fa I1 因此有如下關(guān)系：因此有如下關(guān)系：Ead =jXad IdE=j XI1Eaq =jXaq Iq Xad 直軸電樞反應(yīng)電抗

20、。直軸電樞反應(yīng)電抗。 Xaq 交軸電樞反應(yīng)電抗。交軸電樞反應(yīng)電抗。 X 電樞漏電抗。電樞漏電抗。U1 = E0jXad IdjXaq IqjXI1R1I1= E0j (Xad + X) Idj (Xaq + X) IqR1I1電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng) Xd = Xad + X 直軸同步電抗。直軸同步電抗。 Xq = Xaq + X 交軸同步電抗。交軸同步電抗。忽略忽略 R1，則，則U1 = E0jXd Idj Xq IqU1 = E0jXd IdjXq IqR1I1電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)R1 jXs3. 等效電路等效電路 設(shè)：設(shè)：EQ = E0j (XdXq ) IdU1 = EQR1I1j Xq

21、I1忽略忽略 R1，則，則U1 = EQj Xq I1EQI1+U13. 相量圖相量圖 根據(jù)電路方程和根據(jù)電路方程和負(fù)載性質(zhì)作相量圖。負(fù)載性質(zhì)作相量圖。設(shè)：設(shè)：U1 = U1 0oEQ與與E0同相位同相位U1I1 R1I1jXqI1EQjXdIdE0jXqIq電感性負(fù)載相量圖電感性負(fù)載相量圖忽略忽略 R1 時(shí)：時(shí)：電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng) U1I1 jXqI1EQjXdIdE0jXqIq tan =U1sin XqI1U1cos R1I1 = 由相量圖導(dǎo)出：由相量圖導(dǎo)出：E0 = U1cos Xd Id 【例例 52】 某三相同步發(fā)電機(jī)，某三相同步發(fā)電機(jī)， 已知已知 U1L = 11 kV，Y 形

22、聯(lián)結(jié)，形聯(lián)結(jié)，I1 = 460 A，cos = 0.8（電感性）。（電感性）。Xd = 16 ，Xq = 8 ，R1 忽略不計(jì)。求忽略不計(jì)。求、 、E0 。解：解：U1 = U1L3= 6 351 V = 111031.732Vtan =U1sin XqI1U1cos 6 3510.684606 3510.8=V = 1.474 = arctan1.474 = 55.85o = = 55.85o 36.87o = 18.98o E0 = U1cos XdId = (6351cos18.98o16460sin 55.85o )V = 12 096.63 V電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)5.4 三相同步發(fā)電

23、機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩三相同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩一、一、 功率平衡方程功率平衡方程(1) 輸入功率輸入功率P1 = T11 (2) 空載損耗空載損耗P0 = PFe + Pfw + Pad(3) 電磁功率電磁功率Pe = P1P0(4) 銅損耗銅損耗PCu = 3R1I12(5) 輸出功率輸出功率P2 = PePcu = 3U1I1cos (6) 功率關(guān)系功率關(guān)系P1 = P0 + Pe = PFe+ Pme+ Pad + PCu + P2電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)NSNS功率流程圖和效率功率流程圖和效率：P1P0PePCuP2 = 100% % P2P1二、二、 電磁功率與功角特性電磁功率與功角特性電機(jī)與

24、拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)1. 隱極同步發(fā)電機(jī)的功角特性隱極同步發(fā)電機(jī)的功角特性 Pe = 3 (U1cos +R1I1 ) I1U1I1 R1I1jXs I1E0由相量圖可見：由相量圖可見：U1 cos I1R1 = E0cos 故：故： Pe = 3E0 I1 cos U1sin = Xs I1 cos Pe = 3 sin U1E0XsOPe 90o PeM當(dāng)當(dāng) = 90o 時(shí)時(shí): Pe = PeM 電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)U1I1 jXs I1E0忽略忽略 R1 時(shí)：時(shí)： 如果忽略如果忽略 R1，則有，則有 Xq Iq = U1sin Xd Id = E0U1cos 2. 凸極同步發(fā)電機(jī)的功角特性凸極

25、同步發(fā)電機(jī)的功角特性U1sinXqIq =E0U1cosXdId =電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)Pe = 3 (U1cos +R1I1 ) I1 = 3EQ I1 cos 3EQ IqEQ =E0 Xd Id XqId U1I1 jXqI1EQjXdIdE0jXqIq Pe3U1E0Xd = sin1Xq+ ( ) sin23U1221XdPe = Pe + Pe電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng) 討論：討論：3U1E0Xd Pe = sinPe E0當(dāng)轉(zhuǎn)子有勵(lì)磁，即當(dāng)轉(zhuǎn)子有勵(lì)磁，即If 0 時(shí)存在。時(shí)存在。1XqPe = ( ) sin23U1221XdPe 是由于是由于 Xd Xq 而引起的，而引起的， 基本分

26、量?；痉至?。 附加分量。附加分量。與與If 是否存在無關(guān)。是否存在無關(guān)。OPe 90o PeM PePe 結(jié)論：結(jié)論： Pe 使使 PeM； PeM 產(chǎn)生在產(chǎn)生在90o 處；處； 功角特性與矩角特性不再是正弦波。功角特性與矩角特性不再是正弦波。電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)三、三、 轉(zhuǎn)矩平衡與矩角特性轉(zhuǎn)矩平衡與矩角特性(2) 空載轉(zhuǎn)矩空載轉(zhuǎn)矩T1 = P11T0 = P01T e = Pe1(3) 電磁電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩(4) 轉(zhuǎn)矩平衡轉(zhuǎn)矩平衡T1 = Te + T0= P1 n1 602 = P0n1602 = Pen1602 電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)(1) 輸入輸入轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩3U1E0Xd1 Te= sin1

27、Xq+ ( ) sin23U12211Xd5.5 三相同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性三相同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性1. 外特性外特性 當(dāng)當(dāng) n = nN，If、cos = 常數(shù)時(shí)，常數(shù)時(shí)， U1L = f (I1L)。OU1LI1Lcos = 0.8 ( 0)cos = 0.8 ( 0)cos =1UNIN 額定點(diǎn)：額定點(diǎn)： I1L= IN、 cos = cos N 、 U1L = UN 時(shí)，時(shí)，If = IfN。電壓調(diào)整率：電壓調(diào)整率： 保持保持 nN、 cos N、IfN 時(shí)，時(shí)，VR = 100% % E0UNPUNP電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)2. 調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性保持保持 n = nN、U1L = UN、c

28、os = cos N 時(shí)，時(shí)， If = f ( I1 )。OIf I1cos = 0.8 ( 0)cos = 0.8 ( 0)cos =1電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)5.6 同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的并聯(lián)運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的并聯(lián)運(yùn)行 并聯(lián)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)并聯(lián)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)(1) 提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。(2) 減少發(fā)電廠的備用機(jī)組的容量。減少發(fā)電廠的備用機(jī)組的容量。(3) 提高電能供應(yīng)的可靠性。提高電能供應(yīng)的可靠性。(4) 提高電能供應(yīng)的質(zhì)量。提高電能供應(yīng)的質(zhì)量。1. 并聯(lián)運(yùn)行的條件并聯(lián)運(yùn)行的條件 相序一致、頻率相同、電壓相等。相序一致、頻率相同、電壓相等。 以避免電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)之間產(chǎn)生大的沖

29、擊電流以避免電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)之間產(chǎn)生大的沖擊電流和在發(fā)電機(jī)軸上產(chǎn)生大的沖擊轉(zhuǎn)矩。和在發(fā)電機(jī)軸上產(chǎn)生大的沖擊轉(zhuǎn)矩。電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng) U1A Q U1B(1) 電壓相等電壓相等 如果：如果：U1AU1B則：則：U = U1AU1B 0(2) 頻率相等頻率相等如果：如果： A BU1AU1B A B U = 0 2U1U1AU1BUU1AU1BUU1AU1BUU1AU1BU電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)(3) 相序一致相序一致 如果相序不一致，如果相序不一致，則則UU = 0UV = U1A VU1BVUW = U1AWU1BWU1AUU1AVU1AWU1BUU1BVU1BWUVUW2. 并聯(lián)運(yùn)行的方法并聯(lián)運(yùn)

30、行的方法 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) If 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) E0 ；調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié) n 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) f 。(1) 理想同步法理想同步法同步指示器同步指示器(2) 自同步法自同步法查相序、短勵(lì)磁、投入、切電阻、加勵(lì)磁查相序、短勵(lì)磁、投入、切電阻、加勵(lì)磁電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)3. 有功功率的調(diào)節(jié)有功功率的調(diào)節(jié) 無窮大電網(wǎng)：無窮大電網(wǎng)： 容量很大、頻率和電壓基本不受負(fù)載與其他干擾的影容量很大、頻率和電壓基本不受負(fù)載與其他干擾的影響，即恒頻恒壓的電網(wǎng)。響，即恒頻恒壓的電網(wǎng)。 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)：發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)： 發(fā)電機(jī)的頻率和端電壓受電網(wǎng)的約束，而與電網(wǎng)保發(fā)電機(jī)的頻率和端電壓受電網(wǎng)的約束，而與電網(wǎng)保持一致。持一致。 并網(wǎng)時(shí)，使勵(lì)磁電

31、動(dòng)勢(shì)等于電網(wǎng)端電壓，即并網(wǎng)時(shí)，使勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)等于電網(wǎng)端電壓，即E0 = U1， = 0Pe = 3 sin U1E0Xs= 0電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)T1T1T0n Te T1 Te + T0(1) 有功功率的調(diào)節(jié)方法有功功率的調(diào)節(jié)方法 = 0，T1 = T0(2) 靜態(tài)穩(wěn)定靜態(tài)穩(wěn)定0Pe /Te 90o aa電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)nn = n1T1 = Te + T0產(chǎn)生產(chǎn)生 Te、Pe、I1、P20Pe /Te 90o aT T1= Te + T0a 點(diǎn)點(diǎn)： 干擾使干擾使 T1 Te抑制了抑制了 進(jìn)一步增大進(jìn)一步增大 b 點(diǎn)。點(diǎn)。bT1 = Te + T0 干擾消失后，較大的干擾消失后，較大的 T

32、e，使機(jī)組恢復(fù)到使機(jī)組恢復(fù)到 a 點(diǎn)運(yùn)行。點(diǎn)運(yùn)行。0Pe /Te 90o aa 點(diǎn)點(diǎn)： 干擾使干擾使 T1n Ten Te失步。失步。 干擾消失后，干擾消失后，n 不可能恢不可能恢復(fù)到復(fù)到 n1，即工作點(diǎn)不可能再，即工作點(diǎn)不可能再恢復(fù)到恢復(fù)到 a 點(diǎn)運(yùn)行。點(diǎn)運(yùn)行。不穩(wěn)定不穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)運(yùn)行點(diǎn)電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng) 在突加負(fù)載、切除負(fù)載等正常操作時(shí)，或電在突加負(fù)載、切除負(fù)載等正常操作時(shí)，或電壓突變、突發(fā)短路、失去勵(lì)磁等非正常運(yùn)行時(shí)，壓突變、突發(fā)短路、失去勵(lì)磁等非正常運(yùn)行時(shí)，同步電機(jī)能否保持同步運(yùn)行的問題。同步電機(jī)能否保持同步運(yùn)行的問題。 穩(wěn)定運(yùn)行條件：穩(wěn)定運(yùn)行條件： dTed 0 過載能力：過載能力：

33、kM =PeMPN= 1.56 2.0(3) 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定動(dòng)態(tài)穩(wěn)定電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)4. 無功功率的調(diào)節(jié)與無功功率的調(diào)節(jié)與V形曲線形曲線 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)在無窮大電網(wǎng)上；發(fā)電機(jī)并網(wǎng)在無窮大電網(wǎng)上； 忽略忽略 R1和和 T0 ，并不計(jì)磁路飽和的影響；，并不計(jì)磁路飽和的影響； 假設(shè)調(diào)節(jié)假設(shè)調(diào)節(jié) If 時(shí)，輸入時(shí)，輸入 P1 保持不變。保持不變。Pe = 3 sin U1E0Xs= 3U1I1cos = 常數(shù)常數(shù)即：即：E0 sin = 常數(shù)常數(shù) I1cos = 常數(shù)常數(shù)(1) 正常勵(lì)磁正常勵(lì)磁 當(dāng)當(dāng)If = If0 時(shí)，時(shí)， I1與與U1 同相，同相，cos = 1，Q2 = 0，電機(jī)呈電阻性，不輸出無功

34、；，電機(jī)呈電阻性，不輸出無功；U1E0j XsI1I1電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)U1E0I1jXsI1E0aa當(dāng)當(dāng) IfE0 (2) 欠勵(lì)磁欠勵(lì)磁 (當(dāng)當(dāng)If If0 時(shí)時(shí))jXsI1bb I1 ( I1 ) 超前于超前于U1， 電機(jī)輸出電容性無功；電機(jī)輸出電容性無功； 即吸收電感性無功；即吸收電感性無功； If Q2 。I1 If減小有無極限？減小有無極限？電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)E0jXsI1I1 E0 sin = 常數(shù)：常數(shù)：E0頂點(diǎn)頂點(diǎn)aa I1cos = 常數(shù)：常數(shù)：I1頂點(diǎn)頂點(diǎn)bb =90 , E0 U1E0I1jXsI1E0aajXsI1bb(3) 過勵(lì)磁過勵(lì)磁 (當(dāng)當(dāng)If If0 時(shí)時(shí))

35、 當(dāng)當(dāng) IfE0I1 E0jXsI1I1 I1 ( I1 ) 滯后于滯后于U1， 電機(jī)輸出電感性無功；電機(jī)輸出電感性無功；If Q2 。電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng)OI1IfP2P2欠勵(lì)欠勵(lì)過勵(lì)過勵(lì) If0 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)If 可使同步發(fā)電機(jī)在任意特定負(fù)載下的可使同步發(fā)電機(jī)在任意特定負(fù)載下的 cos 達(dá)達(dá)到到 1，或改變其負(fù)載性質(zhì)?；蚋淖兤湄?fù)載性質(zhì)。 結(jié)論：結(jié)論：cos =1電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng) 同步發(fā)電機(jī)的同步發(fā)電機(jī)的 V 型曲線型曲線 當(dāng)當(dāng) U1 = UN、f1 = f N、一、一定的定的P2 下：下： I1 = f (If )不穩(wěn)定區(qū)不穩(wěn)定區(qū) 【例例53】 一臺(tái)一臺(tái) Y 聯(lián)結(jié)水輪發(fā)電機(jī)，并聯(lián)在聯(lián)結(jié)水輪

36、發(fā)電機(jī)，并聯(lián)在UN = 10.5 kV的電網(wǎng)上運(yùn)行，發(fā)電機(jī)的的電網(wǎng)上運(yùn)行，發(fā)電機(jī)的 Xd = 1.3 ，Xq = 0.7 ， R1 忽略不計(jì)，忽略不計(jì)， = 18.09o 時(shí)，時(shí)， I1 =3 990 A，E0 = 9 970 V。求該發(fā)電機(jī)輸出的有功功。求該發(fā)電機(jī)輸出的有功功率率 P2 和無功功率和無功功率 Q2（電容性的還是電感性的）。（電容性的還是電感性的）。解：解：U1 = UN3= 10.51031.732= 6 062.36 V 忽略忽略R1，則，則3U1E0XdP2 = Pe = sin 3 ( ) sin2 1XqU1221Xd= 64.77 MW 電機(jī)與拖動(dòng)電機(jī)與拖動(dòng) = arccos P23U1 I1 = a