第11章--同步电动机分析课件

电电 机机 学学清华大学出版社清华大学出版社国家国家“十一五十一五”规划教材规划教材主编：孙旭东主编：孙旭东第11章-同步电动机分析课件上页上页下页下页目录目录目 录第一节第一节第一节第一节12第二节第二节第二节第二节目 录第一节12第二节2上页上页下页下页目录目录第11章 同步电动机11.1 11.1 同步电动机的运行分析同步电动机的运行分析 l同步电机运行的可逆原理同步电机运行的可逆原理 p发电机负载运行工况发电机负载运行工况励磁磁动势励磁磁动势Ff1 超前气隙磁通密度超前气隙磁通密度B ；超前超前 ，0，Pem0；T1TT0。第11章 同步电动机11.1 同步电动机的运行分析 同步3上页上页下页下页目录目录同步电机运行的可逆原理同步电机运行的可逆原理p空载运行：发电机状态空载运行：发电机状态 电动机状态电动机状态负载时减小负载时减小T1 空载空载 0，Pem0；T1T0。发电机发电机状态状态电动机电动机状态状态T10电动机空载电动机空载 0 (0)，Pemp0；TT0。采用发电机惯例采用发电机惯例同步电机运行的可逆原理空载运行：发电机状态 电动机状态负4上页上页下页下页目录目录同步电机运行的可逆原理同步电机运行的可逆原理p负载运行负载运行电动机状态电动机状态在转轴上带上机械负载，转子减在转轴上带上机械负载，转子减速，速，的绝对值增大；的绝对值增大；滞后滞后 ，0，Pem 0；90 180，P2 0；TT2T0。T2为为电电动动机机的的输输出出转转矩矩，其其大大小等于负载转矩小等于负载转矩TL。采用发电机惯例采用发电机惯例同步电机运行的可逆原理负载运行电动机状态在转轴上带上机械5上页上页下页下页目录目录同步电机运行的可逆原理同步电机运行的可逆原理p负载运行负载运行电动机状电动机状态态电电机机向向电电网网发发出出感感性性无无功功功功率率，为过励状态为过励状态。采用发电机惯例采用发电机惯例同步电机运行的可逆原理负载运行电动机状态电机向电网发出感6上页上页下页下页目录目录同步电机运行的可逆原理同步电机运行的可逆原理p负载运行负载运行电动机状电动机状态态采用发电机惯例采用发电机惯例电电机机向向电电网网发发出出无无功功功功率率为为零零，为正常励磁状态为正常励磁状态。同步电机运行的可逆原理负载运行电动机状态采用发电机惯例电7上页上页下页下页目录目录同步电机运行的可逆原理同步电机运行的可逆原理p负载运行负载运行电动机状电动机状态态采用发电机惯例采用发电机惯例电电机机向向电电网网吸吸收收感感性性无无功功功功率率，为欠励状态为欠励状态。同步电机运行的可逆原理负载运行电动机状态采用发电机惯例电8上页上页下页下页目录目录同步电机运行的可逆原理同步电机运行的可逆原理p可逆原理可逆原理一台电机在一定条件下可以作为发电机运行，在一台电机在一定条件下可以作为发电机运行，在另一种条件下可以作为电动机运行。另一种条件下可以作为电动机运行。根据功角根据功角 的正负。的正负。p如何判断一台同步电机的运行状态？如何判断一台同步电机的运行状态？采用发电机惯例时，采用发电机惯例时，超前超前 ，0，Pem 0 发电机发电机状态状态 滞后滞后 ，0，Pem 0 电动机电动机状态状态同步电机运行的可逆原理可逆原理根据功角 的正负。如何判断一9上页上页下页下页目录目录同步电动机的运行分析同步电动机的运行分析按发电机惯例：按发电机惯例：Pem0，表示电网吸收电功率转换为机械功率。，表示电网吸收电功率转换为机械功率。超前超前 ，0，P1mUIcos909090900 00 0同步电动机的运行分析按发电机惯例：Pem0，表表示示发发出出电电容容性性（吸吸收收电电感感性性）无功功率无功功率。0，表表示示I滞滞后后U，为为欠励状态。欠励状态。P1mUIcos0同步电动机的运行分析电动势相量图按电动机惯例：QmUIsi16上页上页下页下页目录目录3.3.同步电动机的功率关系同步电动机的功率关系p功率平衡关系功率平衡关系P1为为电电动动机机的的输输入入功功率率（电功率），（电功率），P1mUIcosP1 Pem+pCuPem P2+p0功率流程图功率流程图P2为电动机的输出功率为电动机的输出功率（机械功率（机械功率)，P2T2 TLpCu、p0分别为电动机的铜耗和空载损耗分别为电动机的铜耗和空载损耗。3.同步电动机的功率关系功率平衡关系P1为电动机的输入功率（17上页上页下页下页目录目录3.3.同步电动机的转矩关系同步电动机的转矩关系p转矩平衡关系转矩平衡关系以转矩的实际方向作为其参考方向。以转矩的实际方向作为其参考方向。T 为电磁转矩（拖动转矩），为电磁转矩（拖动转矩），T0为空载转矩，为空载转矩，T TL+T0 T2+T0T2为为发发电电机机的的输输出出转转矩矩，等等于于转转轴轴上上拖拖动动的的机机械械负负载转矩载转矩TL，3.同步电动机的转矩关系转矩平衡关系以转矩的实际方向作为其参18上页上页下页下页目录目录 (1)有功有功功率调节功率调节功角特性功角特性 4.4.4.4.同步电动机的功率调节同步电动机的功率调节同步电动机的功率调节同步电动机的功率调节l隐极同步电动机隐极同步电动机l凸极同步电动机凸极同步电动机 (1)有功功率调节功角特性4.同步电动机19上页上页下页下页目录目录 当同步电机接在电源上，认为当同步电机接在电源上，认为电源电压以电源电压以及频率都不变及频率都不变。另外让电机拖动的。另外让电机拖动的有功负载也有功负载也为常数为常数，即，即改变它的励磁电流，就能调节它的改变它的励磁电流，就能调节它的功率因数功率因数。忽略电动机的各种损耗。忽略电动机的各种损耗。同步电机的负载不变，是指电机转轴输出同步电机的负载不变，是指电机转轴输出的转矩的转矩T2不变，忽略空载转矩，有不变，忽略空载转矩，有T=T2，当，当T2不变时，可认为电磁转矩不变时，可认为电磁转矩T也不变。也不变。(2)(2)(2)(2)无功功率功率调节无功功率功率调节无功功率功率调节无功功率功率调节 当同步电机接在电源上，认为电源电压以及频率都20上页上页下页下页目录目录 根据，根据，由于电源电压、频率以及电机的同步电抗等都是由于电源电压、频率以及电机的同步电抗等都是常数，上式中常数，上式中当改变励磁电流当改变励磁电流If时，电动势时，电动势E0的大小要跟随变的大小要跟随变化，但必须满足上式的关系。化，但必须满足上式的关系。(2)(2)(2)(2)无功功率功率调节无功功率功率调节无功功率功率调节无功功率功率调节 根据，(2)无功功率功率调节21上页上页下页下页目录目录 当负载转矩当负载转矩T不变时，电动机的输入功率不变时，电动机的输入功率P1不变不变（忽略电机各种损耗），于是：（忽略电机各种损耗），于是：在电压在电压U不变的条件下，必有不变的条件下，必有 即电动机定子边的有功电流，应维持不变。即电动机定子边的有功电流，应维持不变。图画出三种不同励磁电流及图画出三种不同励磁电流及对应的电动势的相量图。对应的电动势的相量图。其中其中 所以所以 当负载转矩T不变时，电动机的输入功率P1不变22上页上页下页下页目录目录根据根据0İjİxt 0İqİ jİxt 0İqİ jİxt根据0İjİxt0İqİjİxt23上页上页下页下页目录目录 从图看出，当改变励磁电流从图看出，当改变励磁电流If时，同步电动机的时，同步电动机的功率因数变化的规律如下功率因数变化的规律如下:(1)当改变励磁电流当改变励磁电流If时时,使定子电流使定子电流 与与 同同相，称为正常励磁状态，此时同步电动机只从电网相，称为正常励磁状态，此时同步电动机只从电网吸收有功功率。吸收有功功率。(2)当励磁电流比正常励磁电流小时，称为欠励当励磁电流比正常励磁电流小时，称为欠励状态，这时状态，这时 ，定子电流，定子电流 落后落后 角，此时电机除吸收有功功率外还吸收滞后性无功角，此时电机除吸收有功功率外还吸收滞后性无功功率。此时运行的同步电动机类似电阻、功率。此时运行的同步电动机类似电阻、电感负载电感负载。从图看出，当改变励磁电流If时，同步电动机的24上页上页下页下页目录目录 (3)当励磁电流比正常励磁电流大时，称为过励当励磁电流比正常励磁电流大时，称为过励状态，这时状态，这时 ，定子电流，定子电流 领先领先 角，角，此时电机除吸收有功功率外还吸收领先无功功率。此时电机除吸收有功功率外还吸收领先无功功率。此时运行的同步电动机类似电阻、此时运行的同步电动机类似电阻、电容负载电容负载。总之，当改变同步电动机的励磁电流时，能够总之，当改变同步电动机的励磁电流时，能够改变它的功率因数，这点三相异步电动机是办不到改变它的功率因数，这点三相异步电动机是办不到的。所以的。所以同步电动机拖动负载运行时，一般要过励，同步电动机拖动负载运行时，一般要过励，至少运行在正常励磁状态下至少运行在正常励磁状态下，不会让它运行在欠励，不会让它运行在欠励状态。状态。(3)当励磁电流比正常励磁电流大时，称为过励25上页上页下页下页目录目录 当改变同步电动机的励磁电流时，只有正常励磁时，当改变同步电动机的励磁电流时，只有正常励磁时，定子电流为最小，过励或欠励时，定子电流都会增大。把定子电流为最小，过励或欠励时，定子电流都会增大。把定子电流定子电流I的大小与励磁电流的大小与励磁电流If大小的关系如图所示。图中大小的关系如图所示。图中定子电流变化规律像定子电流变化规律像U字型，故称为字型，故称为U型曲线。型曲线。当电动机带有不同的负载时，当电动机带有不同的负载时，对应有一组对应有一组U型曲线如图所示。型曲线如图所示。输出功率越大，在相同的励磁电流输出功率越大，在相同的励磁电流条件下，定子电流增大，所以条件下，定子电流增大，所以U型型曲线往右上方移。图中各条曲线往右上方移。图中各条U型曲线对应的功率为型曲线对应的功率为 2.U型曲线型曲线超前超前滞后滞后 当改变同步电动机的励磁电流时，只有正常励磁时26上页上页下页下页目录目录2.U型曲线型曲线2.U型曲线27上页上页下页下页目录目录 对每条对每条U型曲线，定子电流有一最小值，这型曲线，定子电流有一最小值，这时定子仅从电网吸收有功功率，功率因数时定子仅从电网吸收有功功率，功率因数 。在在 线的左边是欠励区，右边是线的左边是欠励区，右边是过励区。过励区。当同步电动机带有一定负载时，减小励磁当同步电动机带有一定负载时，减小励磁电流，电动势电流，电动势 减小，减小，与与 成正比，当成正比，当 小到一定程度，小到一定程度，超过超过900，电动机就失去同步，电动机就失去同步，如图中虚线所示的不稳定区。如图中虚线所示的不稳定区。2.U型曲线型曲线 对每条U型曲线，定子电流有一最小值，这时定子28上页上页下页下页目录目录 总结：同步电动机的磁场由定子边电枢反应磁通势总结：同步电动机的磁场由定子边电枢反应磁通势 和和 转子边励磁磁通势转子边励磁磁通势 共同建立的。因此共同建立的。因此（1）转子边欠励时，定子边需要从电源输入滞后的无功）转子边欠励时，定子边需要从电源输入滞后的无功功率建立磁场，定子边便呈滞后性功率因数。功率建立磁场，定子边便呈滞后性功率因数。（2）转子边正常励磁，不需要定子边提供无功功率，定）转子边正常励磁，不需要定子边提供无功功率，定子边便呈电阻性，子边便呈电阻性，。（3）转子边过励时，定子边反而要吸收领先型无功功率，）转子边过励时，定子边反而要吸收领先型无功功率，定子边便呈领先型的功率因数。定子边便呈领先型的功率因数。同步电动机功率因数呈电感性还是电阻性还是电容性，同步电动机功率因数呈电感性还是电阻性还是电容性，完全可以人为地调节励磁电流改变励磁磁通势大小来改变。完全可以人为地调节励磁电流改变励磁磁通势大小来改变。总结：同步电动机的磁场由定子边电枢反应磁通势29上页上页下页下页目录目录11.2 11.2 同步电动机的起动同步电动机的起动 l l同步电动机存在起动问题同步电动机存在起动问题同步电动机存在起动问题同步电动机存在起动问题w同同步步电电动动机机依依靠靠定定、转转子子磁磁场场相相互互作作用用而而产产生生电电磁磁转转矩矩。只只有有在在二二者者相相对对静静止止时时，才才能能产产生生平平均均电磁转矩。电磁转矩。起动起动：电动机从静止加速到稳定的工作转速的过程。电动机从静止加速到稳定的工作转速的过程。w起起动动时时，因因转转子子有有机机械械惯惯性性，作作用用在在转转子子上上的的电电磁磁转转矩矩是是交交变变的的，平平均均值值为为零零。故故同同步步电电动动机机不能直接起动不能直接起动。11.2 同步电动机的起动 同步电动机存在起动问题同步电动30上页上页下页下页目录目录同步电动机的起动同步电动机的起动 l l同步电动机常用的起动方法同步电动机常用的起动方法同步电动机常用的起动方法同步电动机常用的起动方法w辅助动力起动辅助动力起动w变频起动变频起动w异步起动异步起动异步起动异步起动原理线路图原理线路图同步电动机的起动 同步电动机常用的起动方法辅助动力起动异步起31上页上页下页下页目录目录1.同步补偿机同步补偿机不带任何负载，专门设计用来改善电网功率因数的不带任何负载，专门设计用来改善电网功率因数的同步电动机称为同步补偿机（也称为同步调相机）同步电动机称为同步补偿机（也称为同步调相机）同步调相机的原理相当同步调相机的原理相当于空载运行的同步电动于空载运行的同步电动机。它的机。它的V形曲线，是输形曲线，是输出功率出功率P2=0 的曲线的曲线同步补偿机不带任何负载，专门设计用来改善电网功率因数的同步电32上页上页下页下页目录目录 在正常励磁时，同步补偿机定子电流极小，在正常励磁时，同步补偿机定子电流极小，接近于零。过励时，同步补偿机从电网吸收超前接近于零。过励时，同步补偿机从电网吸收超前的无功电流。欠励时，则从电网吸收滞后的无功的无功电流。欠励时，则从电网吸收滞后的无功电流。因此，只要调节励磁电流，就能灵活地调电流。因此，只要调节励磁电流，就能灵活地调节电网的无功电流的大小，则电网的功率因数就节电网的无功电流的大小，则电网的功率因数就可以得到改善。可以得到改善。同步补偿机可根据负载性质的不同，运行在同步补偿机可根据负载性质的不同，运行在过励过励或或欠励欠励状态状态 在正常励磁时，同步补偿机定子电流极小，接近于零33上页上页下页下页目录目录 当电网给许多感性负载（异步电动机、变压当电网给许多感性负载（异步电动机、变压器、交流电焊机等），如图器、交流电焊机等），如图a所示同步补偿机运所示同步补偿机运行在行在过励过励状态。设感性负载从电网吸收滞后的无状态。设感性负载从电网吸收滞后的无功电流功电流 ，而此时，补偿机从电网吸收超前的，而此时，补偿机从电网吸收超前的无功电流无功电流 ，则线路电流，则线路电流 为为用同步补偿机改善电网的功率因数1.1、同步补偿机补偿作用、同步补偿机补偿作用 当电网给许多感性负载（异步电动机、变压器、交流34上页上页下页下页目录目录 从从b向量图可见，向量图可见，补偿了滞后的无功补偿了滞后的无功电流电流 ，如图为理想状态，如图为理想状态，与与 同相，同相，功率因数得到提高。用发电机观点分析时，功率因数得到提高。用发电机观点分析时，可以认为感性负载所需的滞后无功电流，可以认为感性负载所需的滞后无功电流，是由过励的同步补偿机直接供给的，从而是由过励的同步补偿机直接供给的，从而避免了无功电流的远程输送，改善了电网避免了无功电流的远程输送，改善了电网的功率因数。为此的功率因数。为此，同步补偿机也可称为，同步补偿机也可称为无功发电机。无功发电机。从b向量图可见，补偿了滞后的无功电流 35上页上页下页下页目录目录 当输电线路较长，为了保持受电端电当输电线路较长，为了保持受电端电压稳定运行，可在受电端装有压稳定运行，可在受电端装有自动调节励自动调节励磁的同步补偿机磁的同步补偿机。使它在线路重载时（感。使它在线路重载时（感性负载），过励运行，抵消滞后的无功电性负载），过励运行，抵消滞后的无功电流，减少线路电压降低。线路轻载时，欠流，减少线路电压降低。线路轻载时，欠励运行，抵消输电线路本身电容电流，减励运行，抵消输电线路本身电容电流，减小线路电压升高。达到各种运行条件下，小线路电压升高。达到各种运行条件下，保持受电端电压基本不变。保持受电端电压基本不变。当输电线路较长，为了保持受电端电压稳定运行，可36上页上页下页下页目录目录2、同步补偿机的额定容量和结构特点、同步补偿机的额定容量和结构特点 同步补偿机的额定容量按过励时能保同步补偿机的额定容量按过励时能保持的无功电流来确定，其容量受过励励磁持的无功电流来确定，其容量受过励励磁电流在励磁绕组中产生的温升限制，因而电流在励磁绕组中产生的温升限制，因而欠励运行的容量只有过励容量的欠励运行的容量只有过励容量的0.5-0.65倍。同步补偿机容量从倍。同步补偿机容量从1000-50000KVA，转速从转速从750-1500r/min。容量较大用低速，。容量较大用低速，容量较小采用高速。容量较小采用高速。2、同步补偿机的额定容量和结构特点 同步补偿机的37上页上页下页下页目录目录2、同步补偿机的额定容量和结构特点、同步补偿机的额定容量和结构特点 由于同步补偿机不拖动机械负载，因由于同步补偿机不拖动机械负载，因此在构造上机械强度要求低，过载能力不此在构造上机械强度要求低，过载能力不需考虑。为减少励磁绕组的用铜量，它的需考虑。为减少励磁绕组的用铜量，它的气隙比同步电机小，因此它的纵轴同步电气隙比同步电机小，因此它的纵轴同步电抗抗xd较大，其标幺值在较大，其标幺值在1.5-1.9之间。之间。2、同步补偿机的额定容量和结构特点 由于同步补偿38上页上页下页下页目录目录 在大型枢纽变电站运行的同步补偿机在大型枢纽变电站运行的同步补偿机一般都是高压大容量低转速的同步补偿机，一般都是高压大容量低转速的同步补偿机，它们采用氢气冷却或双水内冷的冷却方式它们采用氢气冷却或双水内冷的冷却方式改善热传导，降低电机中通风损失，减小改善热传导，降低电机中通风损失，减小有效材料消耗。而在负荷中心设置的同步有效材料消耗。而在负荷中心设置的同步补偿机大都为中小容量，采用户外式空气补偿机大都为中小容量，采用户外式空气冷却器。冷却器。3、同步补偿器的起动、同步补偿器的起动同步补偿器和同步电动机都必须在没有励同步补偿器和同步电动机都必须在没有励磁磁场的状态下起动磁磁场的状态下起动 在大型枢纽变电站运行的同步补偿机一般都是高压大39