同步电机功率及运行特性

四、同步电动机功率关系运行特性1.功率关系同步电动机从电源吸收的有功功率除去消耗于定子绕组的铜损耗就转变为电磁功率13cosPUI2113CupIRemP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2emFemecPppP其中铁损耗pFe和机械损耗pmec之和成为空载损耗p00Femecppp功率流图21113CupIR0Femecppp1PemP2P同步电动机功率流图凸极电机的向量图2.运行特性工作特性,NfUUIC2()emTfP2()IfP2()nfP2()fP2cos()fP机械特性,NfUUIC()emnfT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。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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）同步电动机的有功功率：(1)有功功率方程：2sin)11(2sin20dqdemXXUmXUmEPθ的双重物理含义：①励磁电动势与定子所加相电压之间的夹角（时间电角度）②励磁磁动势与气隙合成磁动势之间的夹角（空间电角度）0EUfFFfaFFF功角θ意义的图示A：0fFFaIaF0EaEaEUNSFδθNSFfT1nTemn1功角θ意义的图示B功角θ是转子磁极轴线和定子合成磁极轴线的空间夹角忽略同步电动机定子电阻Ra上的损耗13cosemPPUI从相量图中可知，00EIUE为与之间的夹角，为与之间的夹角3cos3cos()3coscos3sinsinemPUIUIUIUI0sincoscossindqddqqIIIIIXEUIXU020203cos3cos()3coscos3sinsin3cos3sin(cos)sin3cos3sin113sin3()cossin113sin3()sin22emqdqddqddqdPUIUIUIUIUIUIEUUUUXXEUUXXXEUUXXXemPT260n20emPPp02emPpP20emTTT(2)电磁转矩方程：(3)无功功率方程：200011sin()sin22emdqdmEUUTmXXX20costtmEUmUQXX222011cos(cossin)ddqmEUQmUXXX（隐极电机）（凸极电机）3.功角特性电磁功率Pem与角度θ呈函数关系2sin)11(2sin20dqdemXXUmXUmEP①3U1E0XdPe'=sinPe'∝E0，当转子有励磁即If≠0时存在。②1XqPe=(－)sin23U1221XdPe是由于Xd≠Xq而引起的，与If是否存在无关。结论：①Pe使PeM。②PeM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。OPe/Tθ90oPeM(TM)Pe'Pe对凸极电机来讲2sin)11(2sin20dqdemXXUmXUmEP对隐极电机来讲OPe/TθPeM(TM)0sinemtmEUPX4.矩角特性003sinemcEUTX200011sin()sin22emdqdmEUUTmXXX对隐极式同步电动机，Xd=Xq=Xc03sinemcEUPX5.稳定运行LT'LT12emT0~90稳定运行LTemT0~90'LT1emT90~1800emdTd0emdTd0emdTd判据：0emdPd隐极发电机的判据：比整步功率(kW/rad)0cos0emsyntdPEUPmdx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。额定：功角25～30最大转矩Tm与额定转矩TN之比，过载倍数sin902~3.5sinmTNNTT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。0max01sinsinemtTNNNtEUmPxEUPmx6.过载倍数[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解:NN0EUNINtjIXarccos0.925.8N(1)22022(sin)(cos)3360006000(0.435971.548.5)(0.9)335854.3NNNNtNUUEIXV(2)先求ψ角6000sin0.435971.548.533arctanarctan60000.9cos3315103467.75arctan583117.7NNNtNNUIXU5825.832.2N(3)电磁功率111.87sin0.53TN(4)过载倍数03360005854.33sin0.53664.9kW348.5NemNtUEPX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，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“V”，故称V形曲线。,NNUUff即(1)矢量图无功功率的调节：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。常数cossin0mUIXUmEPtem常数常数＝cossin0IEtXC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超前，同步电动机相当于容性负载，要从电网吸取超前无功(2)特点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，U1jXtI1－E0－E0'aajXtI1I1'bb－E0jXtI1I1θI1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、励磁电流变化时，电枢电流随励磁电流变化的曲线(3)V形曲线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V形曲线的几个特点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。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。(4)同步电机功率因数调节的启示结论：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。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。(5)同步发电机V形图