08级《电机学》同步电动机与同步调相机部分

1112.1同步电动机12.2同步调相机第12章同步电动机与同步调相机212.1同步电动机12.1.1同步电机的可逆运行12.1.2同步电动机的基本方程式12.1.3同步电动机的无功调节及V形曲线12.1.4同步电动机的起动问题及应用12.1.5同步电动机实现功率因数补偿实例312.1.1同步电机的可逆运行（1）发电机运行状态10TT„此时:UISjIx0Eϕθ输出电功率。90ϕ°为制动性质。2cos0PmUIϕ=0θ°01sin0MSmEUTxθ=Ω„当：10MTTT=+转速恒定，机械能转变为电能。„功率因数角:„功率角:„以隐极同步电机并网运行为例412.1.1同步电机的可逆运行1fFFδUISjIx0Eϕθθ„进一步从空间上加以理解SN转子磁极NS气隙合成磁场等效磁极1n1T1nMT0T（1）发电机运行状态„当：10MTTT=+转速恒定，机械能转变为电能。512.1.1同步电机的可逆运行（2）仅减小原动机的输入转矩10TT=UISjIx0E输出的有功电功率为零。90ϕ=°2cos0PmUIϕ==0θ=°01sin0MSmEUTxθ==Ωϕ„减小到:„功率因数角:„功率角:„因：10TT=转速恒定，未进行有功功率的转换。Fδ1fFT1减小瞬间转子减速。612.1.1同步电机的可逆运行SN转子磁极1n1T1n0TNS气隙合成磁场等效磁极„因：10TT=转速恒定，未进行有功功率的转换。（2）仅减小原动机的输入转矩„进一步从空间上加以理解UISjIx0EϕFδ1fF2712.1.1同步电机的可逆运行（3）使原动机输入转矩为零，且加负载制动转矩10T=UI0E90ϕ°2cos0PmUIϕ=Fδ1fFSjIxϕθθ„此时:施加T2瞬间转子减速。„功率因数角:输出的有功电功率为负。为驱动性质。0θ°01sin0MSmEUTxθ=Ω„功率角:„当：20MTTT=+转速恒定，电能转变为机械能。812.1.1同步电机的可逆运行SN转子磁极1nMT1n2T0TNS气隙合成磁场等效磁极„当：20MTTT=+转速恒定，电能转变为机械能。（3）使原动机输入转矩为零，且加负载制动转矩„进一步从空间上加以理解UI0EFδ1fFSjIxϕθθ9I~U0EarSjx12.1.2同步电动机的基本方程式（1）电压平衡方程式（以隐极为例）„发电机惯例（电流从高电位流出）：UI0ESjIxϕθ0aSEUIrjIx=++„电动机惯例（电流从高电位流入）：I0aSEUIrjIx=−−0aSUEIrjIx=++U0ESjIxθIϕ电流反相表示吸收正的有功及超前的无功电流表示发出负的有功及滞后的无功电流1012.1.2同步电动机的基本方程式（2）功率平衡方程式„设：1P——电网输入的电功率mp——机械损耗fep——铁心损耗adp——附加损耗Cuap——定子绕组铜损耗„则：MP——气隙磁场的媒介作用产生的电磁功率1CuaMPpP−=2()MfemadPpppP−++=2P——输出的机械功率1112.1.2同步电动机的基本方程式20MTTT=+由：2()MmfeadPPppp=+++方程两边同除以：称为同步角速度。1112260nfpππΩ==得：为驱动性质电磁转矩（TM）为空载制动转矩（T0）为制动性质的负载转矩（T2）即：„两点说明：①只有当驱动转矩等于制动转矩，旋转电机的转速才能稳定。②因同步角速度为常数，故稳态运行时电磁转矩正比于电磁功率。（3）转矩平衡方程式2111()mfeadMpppPP++=+ΩΩΩ1212.1.2同步电动机的基本方程式（4）功角特性及同步转矩系数„定义：同步电动机外加电源电压超前于励磁电动势的夹角为正。„则功角特性、电磁转矩角度特性、同步转矩系数以及过载能力在形式上与同步发电机完全相同。„以凸极同步电动机为例（注意隐极为凸极的特例）：20111sin()sin22MdqdmEUPmUxxxθθ=+−201111cos()cos2MdqdmEUdTmUdxxxθθθ=+−ΩΩ31312.1.3同步电动机的无功调节及V形曲线①电网为恒压、恒频、无内阻的无穷大系统。②以隐极同步电动机为例，其功角特性为：0sinMSmEUPxθ=③忽略定子绕组电阻，则：1MCuaMPPpP=+≈00aSSUEIrjIxEjIx=+⋅+⋅≈+⋅④调节过程分析中认为空载制动转矩不变。（1）分析假设1412.1.3同步电动机的无功调节及V形曲线（2）约束条件20MTTT=+1MPP==常数MT=常数由：由：得：得：0sinMSmEUPxθ==常数0sinEθ=常数1cosPmUIϕ==常数cosIϕ=常数保持输出机械转矩不变，仅调节励磁。（3）由约束条件作相量图UIsjIx0EsjIx′0E′I′0E′′I′′sjIx′′0SUEjIx≈+1512.1.3同步电动机的无功调节及V形曲线（4）由相量图可见„当输入纯有功时，电枢电流最小，此时的励磁电流称为正常励磁电流。„仅调节励磁电流，输入的有功不变。„过励输入有功及超前的容性无功，电枢电流有所增加。（有功不变容性无功增加）„欠励输入有功及滞后的感性无功，电枢电流有所增加。（有功不变感性无功增加）UIsjIx0EsjIx′0E′I′0E′′I′′sjIx′′1612.1.3同步电动机的无功调节及V形曲线（5）V形曲线的定义1()fPIfI==常数（6）曲线形状分析fI0I①P1=0U1fF0EsjIx⋅I欠励U1fF0EsjIx⋅I过励10P=欠励过励超前滞后1712.1.3同步电动机的无功调节及V形曲线②P10UIsjIx0EsjIx′0E′I′0E′′I′′sjIx′′fI0I10P=欠励过励超前滞后（5）V形曲线的定义1()fPIfI==常数（6）曲线形状分析1812.1.3同步电动机的无功调节及V形曲线（7）V形曲线的进一步说明„当输入有功增加，曲线升高，但各条曲线的谷点右移。„各条曲线谷点的连线为功率因数等于1线。„其左侧为欠励滞后区。„其右侧为过励超前区。„最左端存在一非稳区，且随有功的增加而增大。cos1ϕ=非稳区fI0I10P=欠励过励超前滞后41912.1.4同步电动机的起动问题及应用（1）同步电动机的起动问题„同步电动机不能自行起动的原因：z转子的机械惯性无法适从定子电枢磁场的高速旋转。„起动方法：z辅助电动机法（相当于自整步并网）。z异步起动法（利用阻尼绕组的异步转矩）。z变频起动（依赖于大功率的变频电源）。（2）同步电动机的应用„适于转速不变的大功率负载，但变频器的应用有所改变。„输出有功的同时通过调节励磁可补偿电网的功率因数。„根据凸极同步电机存在附加电磁转矩，小功率的同步电动机可以不需励磁，此种电机称为反应式同步电动机。20为电动机转轴上输出的机械功率12.1.5同步电动机实现功率因数补偿实例解：总有功功率：0.9538020002400()PkW=+=总无功功率：总视在功率：功率因数为：3800.6(2000)1200()0.950.8QkVAR=×=−22240012002683.28()SkVA=+=2000kWcos0.8ϕ=380,NPkW=cos0.8Nϕ=0.95,Nη=某工厂原有动力设备消耗的总功率为，并且（滞后），现添置一台同步电动机，其额定数据为：（超前），问当同步电动机额定运行时，该厂总的功率因数为多少？2400cos0.892683.28ϕ==（滞后）2112.2同步调相机12.2.1何谓同步调相机及其作用12.2.2同步调相机的无功补偿原理12.2.3一般性的结论2212.2.1何谓同步调相机及其作用„通过调节励磁电流改变同步调相机发出（或吸收）无功功率的大小及性质。„其作用仅在于改善电网的功率因数，而不是进行电能与机械能间的转换。（1）何谓同步调相机（2）同步调相机的作用„本质上为励磁可调空载运行的同步电动机。„同步电动机空载运行即指其转轴上没有机械功率输出。2312.2.2同步调相机的无功补偿原理GS∼M∼MII=MIGS∼M∼MS∼MIMSIMMSIII=+GS∼M∼GS∼MIGSIMGSIII=−UMIϕUMIϕIMSIUMIϕGSIGSI−IIfI0IfI0电动机惯例发电机惯例异步电动机同步调相机重点理解正方向的规定问题2412.2.3一般性的结论„同步电机过励运行，向电网发出滞后的感性无功，等于从电网吸收超前的容性无功。„同步电机欠励运行，向电网发出超前的容性无功，等于从电网吸收滞后的感性无功。„因电网以感性负荷居多，故同步调相机多为过励运行。„为实现无功功率的就地补偿，同步调相机应装于负荷端。„随着现代电力电子技术的发展，同步调相机将被静止同步补偿器（STATCOM）所取代，用以实现电力系统的动态无功补偿。z1999年3月，河南洛阳市朝阳220kV变电站，20MVAR静止无功补偿装置投运。z2006年2月，上海市黄渡分区500kV变电站，50MVAR静止无功补偿装置并网试运行。525本章习题习题22计算题第3、5题