電機學課件—5.4

1、Ufr1r1r2r2E1E1E2E2R R2 21 12 21 1cI2U2U1U1U1U2U負負載載AXaxk1k2UgCgAgBGAgUsCsAsBSAsUAUAIGAASUIZZ沖擊電流：沖擊電流： AUBUCUAgUBgUCgUCsUBsUAsUsg3AABBCC電網發(fā)電機K12VSCUSBUSAUSGAUGBUGCUGSCUSBUSAUSGAUGBUGCUGSGSAUGAUGCUSCUGBUSBUAUBUCUSGSAUGAUGCUSCUGBUSBUAUBUCUSGSAUGAUGCUSCUGBUSBUAUBUCUSGSAUGAUGCUSCUGBUSBUAUBUCUSGSAUGAUGCU

2、SCUGBUSBUAUBUCUSGSAUGAUGCUSCUGBUSBUAUBUCUSGSAUGAUGCUSCUGBUSBU10U3U2USGSAUGAUGCUSCUGBUSBU3U20U1U的任意兩根接線。的任意兩根接線。SGSAUGAUGCUSCUGBUSBU1U2U30USGSAUGAUGCUSCUGBUSBUAUBUCUSCUSBUSAUSGAUGBUGCUGV基本要求：基本要求：3 3掌握同步發(fā)電機并網運行時功率及轉矩平衡方程式掌握同步發(fā)電機并網運行時功率及轉矩平衡方程式1 1掌握同步發(fā)電機并網空載運行的基本電磁關系掌握同步發(fā)電機并網空載運行的基本電磁關系2 2掌握同步發(fā)電機并網負載運

3、行的電磁轉矩掌握同步發(fā)電機并網負載運行的電磁轉矩 原動機的拖動轉矩原動機的拖動轉矩 等于空載矩等于空載矩 ，發(fā)電機不向，發(fā)電機不向電網輸出有功功率。電網輸出有功功率。0T1T10TT260n 0I 10mFePppP1 1同步發(fā)電機同步發(fā)電機時的功率及轉矩時的功率及轉矩同步發(fā)電機的理想條件同步發(fā)電機的理想條件: :發(fā)電機的端電壓大小、頻率以及相位與電網完全發(fā)電機的端電壓大小、頻率以及相位與電網完全相同，同步發(fā)電機定子繞組完全沒有電流。相同，同步發(fā)電機定子繞組完全沒有電流。U1fFB0,0EU I0ECjIXIaF00,90EU 減少勵磁UB0E0cEUjIXF增加勵磁0cEUIjX1fFCjI

4、XFU0EIBaF00,90EU 1fF 原動機輸出轉矩不變時，改變發(fā)電機的勵磁原動機輸出轉矩不變時，改變發(fā)電機的勵磁電流只能使電樞繞助產生落后或領先的純無功電電流只能使電樞繞助產生落后或領先的純無功電流，發(fā)電機不輸出有功功率。流，發(fā)電機不輸出有功功率。結論：結論： 發(fā)電機空載運行時，氣隙磁動勢基波和勵磁發(fā)電機空載運行時，氣隙磁動勢基波和勵磁磁動勢基波同相位。磁動勢基波同相位。 原如果在合閘前，發(fā)電機空載電壓與電網電原如果在合閘前，發(fā)電機空載電壓與電網電壓不等，除了合閘時產生沖擊電流外，發(fā)電機還壓不等，除了合閘時產生沖擊電流外，發(fā)電機還會有無功電流，即向電網發(fā)出無功功率。會有無功電流，即向電網

5、發(fā)出無功功率。+A1fFfNNSfSF+A1fFfNNSfSF結論結論： 空載運行時，氣隙磁動勢和勵磁磁動勢同相位，定轉子之間產生相吸引的力，使定子表現為橢圓，轉子旋轉一周，橢圓的長軸旋轉兩周。 調節(jié)原動機的輸出轉矩 ，引起轉子加速。首先出現的是轉子位置（以 為標志）領先氣隙旋轉磁密 。由于電網頻率不會改變， 的頻率也不會變，所以氣隙磁密 維持恒定的同步速度。10TTBBE1fF 并聯到電網上的發(fā)電機，能夠調節(jié)的物理量：勵磁電流和原動機輸出轉矩。代表轉子位置的空間向量 在空載時與 同相位； 增大瞬間，轉子加速使得 領先 一個角度B1fFB1T1fF qBB sinTdB+A1fFfNNSfSB

6、qB.A1fFB qfffB l iB sinl N I2 2ffTf rpB sinl N IrpC sin 制動力矩制動力矩A1fFB10TTT電磁轉矩的出現，同步發(fā)電機轉矩平衡式變?yōu)椋?010MTTTPPp 功率平衡式： 輸入功率電磁功率輸出功率1PMP2P11PT210cuPPpp0pcup1P2PMPMPT2osPmUIc22cosemcuPPPmUImI R0coscosUIRE20cosemcuPPPmE I思考：內功率因數角？思考：內功率因數角？0EUIcjIXIr0cE sinIX cos0cE sinIcosX02emcUEPPmsinX 并聯運行的同步發(fā)電機，當輸入轉矩增

7、加時，電并聯運行的同步發(fā)電機，當輸入轉矩增加時，電機的電磁制動轉矩隨之增大，電機的電磁功率和輸出機的電磁制動轉矩隨之增大，電機的電磁功率和輸出有功功率增大。有功功率增大。UIcj IX0E1.隱極發(fā)電機：若忽略電阻 ，則2emPPmUIcosr2（2） 一定時，改變勵磁電流 ，若 則fiMP12ffii12（ 1 1 ） 保 持 勵 磁 電 流） 保 持 勵 磁 電 流 不變時，不變時， 值與值與 角角按正弦曲線變化。按正弦曲線變化。MPfi2fi請比較請比較 和和 的大小的大小1fi2fi1fi12MP02emcUEPPmsinX09001800090009001800MP1dIUIqqjI

8、 xddjI x0EqI2emPPmUIcos 當忽略電樞電阻時，凸極式電磁功率亦等于輸出功率。 2022dqemddqXXUEPmsinmUsinXX X第一項是勵磁電流在氣隙磁場中產生電磁力所引起的，與勵磁電勢 成正比，稱為勵磁電磁功率。0E第二項在隱極機中不存在，與端電壓 及交直軸磁阻的差異 有關，稱作凸極電磁功率。UdqXX2022dqemddqXXUEPmsinmUsinXX X電磁轉矩電磁轉矩: : 由于凸極機的電磁功率有兩個正弦函數疊加由于凸極機的電磁功率有兩個正弦函數疊加而成，其最大電磁功率發(fā)生在而成，其最大電磁功率發(fā)生在 角小于角小于 電角度電角度的位置。若的位置。若 則，則

9、， 。09012ffii12MMPP211()sin22qdUmXX1800090018000900180009000900MP0sindE UmX0222emddqdqUEPmsinXXXmUsinX X 發(fā)電機勵磁電流發(fā)電機勵磁電流 = = 常常數時，勵磁電勢數時，勵磁電勢 = = 常數，常數，調節(jié)發(fā)電機輸出有功功率時，調節(jié)發(fā)電機輸出有功功率時，因因 角的不同，使得不僅輸出角的不同，使得不僅輸出的有功功率的有功功率 不同，而且輸出的無功功率也不同，而且輸出的無功功率也會不同。會不同。fi0E0McUEPmsinXU0ECjIXI00ECjIXI0ECjIXICUjX0結論結論1 1：當勵磁

10、電流當勵磁電流 = =常數時，常數時，調節(jié)發(fā)電機輸出的有功功率，發(fā)電調節(jié)發(fā)電機輸出的有功功率，發(fā)電機的無功功率也會改變，輸出有功機的無功功率也會改變，輸出有功功率增大時，輸出落后性無功功率功率增大時，輸出落后性無功功率會減小。會減小。fiU0EI0EICjIXCjIXCjIXI0CUjX00E結論結論2 2：并聯在電網上的同步發(fā)電機，保持勵磁電流并聯在電網上的同步發(fā)電機，保持勵磁電流為常數，調節(jié)發(fā)電機輸出的有功功率，電動勢向量為常數，調節(jié)發(fā)電機輸出的有功功率，電動勢向量的軌跡是一個圓的軌跡是一個圓( (圓心是圓心是 ) ) ，電樞電流，電樞電流 向量的向量的軌跡也是一個圓軌跡也是一個圓( (圓

11、心是圓心是 ) )，把它們稱為同步電機，把它們稱為同步電機的圓圖。的圓圖。fi0EI00 同步發(fā)電機輸出容量的大小，不僅受到發(fā)熱同步發(fā)電機輸出容量的大小，不僅受到發(fā)熱的限制，而且受到運行穩(wěn)定性的限制。的限制，而且受到運行穩(wěn)定性的限制。 穩(wěn)定問題包括由若干個發(fā)電廠或發(fā)電機的電力穩(wěn)定問題包括由若干個發(fā)電廠或發(fā)電機的電力系統(tǒng)，在正常負載調配和不正常事故中，這些電機系統(tǒng)，在正常負載調配和不正常事故中，這些電機或電廠是否還能保持同步運行的問題?；螂姀S是否還能保持同步運行的問題。穩(wěn)定問題又分為靜態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定兩種。穩(wěn)定問題又分為靜態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定兩種。（2 2）動態(tài)穩(wěn)定：動態(tài)穩(wěn)定：發(fā)電機突然加負載、切除

12、負載等發(fā)電機突然加負載、切除負載等正常操作運行時，或者在發(fā)生突然短路、電壓突變、正常操作運行時，或者在發(fā)生突然短路、電壓突變、發(fā)電機失去勵磁電流等非正常運行，以及遭受到大發(fā)電機失去勵磁電流等非正常運行，以及遭受到大的或是一定數值參數變化或負載變化時，電機是否的或是一定數值參數變化或負載變化時，電機是否還能保持同步運行的問題。還能保持同步運行的問題。（1 1）靜態(tài)穩(wěn)定靜態(tài)穩(wěn)定：發(fā)電機在某一穩(wěn)定運行狀態(tài)，：發(fā)電機在某一穩(wěn)定運行狀態(tài)，（即發(fā)電機和電網并聯運行時，電壓（即發(fā)電機和電網并聯運行時，電壓U U和頻率和頻率f f都都為恒定值，勵磁電流為恒定值，勵磁電流 不變，其輸入功率和輸出不變，其輸入功率

13、和輸出功率都不變），如果在電網或原動機方面，突然功率都不變），如果在電網或原動機方面，突然發(fā)生一些微小干擾，在此小干擾去掉后，發(fā)電機發(fā)生一些微小干擾，在此小干擾去掉后，發(fā)電機若能恢復到原來的穩(wěn)定運行狀態(tài)，即認為該發(fā)電若能恢復到原來的穩(wěn)定運行狀態(tài)，即認為該發(fā)電機是穩(wěn)定的。機是穩(wěn)定的。fi90018009009001800900180090009001800T(1) (1) 隱極機隱極機1TT2T 若原動機拖動轉矩若原動機拖動轉矩 不變，當不變，當 增大一個增大一個 時，電磁轉矩時，電磁轉矩 也增加一個也增加一個 ，去掉干擾后，因，去掉干擾后，因 使電機自動回到原工作點（使電機自動回到原工作點（

14、），），是穩(wěn)定的。是穩(wěn)定的。1T1T1TT1TTTT0dTd ，發(fā)電機是靜態(tài)穩(wěn)定的。，發(fā)電機是靜態(tài)穩(wěn)定的。 或或 時為靜態(tài)穩(wěn)定極限。時為靜態(tài)穩(wěn)定極限。900dTd0dTd ，發(fā)電機是不穩(wěn)定的。，發(fā)電機是不穩(wěn)定的。 結論：結論：凸極機與隱極機相似，凸極機與隱極機相似，0dTd發(fā)電機是靜態(tài)穩(wěn)定的。發(fā)電機是靜態(tài)穩(wěn)定的。 ，為靜態(tài)穩(wěn)定極限，但此時，為靜態(tài)穩(wěn)定極限，但此時90m0dTd0dTd ，發(fā)電機是不穩(wěn)定的。，發(fā)電機是不穩(wěn)定的。 1800090018000900180009000900Tm（2 2）凸極機）凸極機凸極機的額定運行點一般在凸極機的額定運行點一般在 角度范圍。角度范圍。0020 30（

15、3 3）最大轉矩）最大轉矩 （或最大電磁功率（或最大電磁功率 ）與額定電磁轉矩與額定電磁轉矩 （或額定電磁功率（或額定電磁功率 ）之比）之比稱為過載能力，用稱為過載能力，用 表示：表示：maxTmaxMPNTNPmkmaxmax1NmNNNTPkTPsin隱極機隱極機 ， 一般為一般為1.51.52 2左右。左右。30 40ooNmk整步轉矩系數整步轉矩系數dTd0coscdTm E UdX隱極機：隱極機：0coscos2dqcdqXXdTmE UdXX X凸極機：凸極機：整步轉矩系數的正負代表了是否穩(wěn)定，大小代表了穩(wěn)整步轉矩系數的正負代表了是否穩(wěn)定，大小代表了穩(wěn)定的能力。定的能力。 電力系統(tǒng)

16、，除了要供給負載有功功率以外，電力系統(tǒng)，除了要供給負載有功功率以外，還要供給負載大量的無功功率，電網的總無功功還要供給負載大量的無功功率，電網的總無功功率由電網中全部發(fā)電機共同負擔。率由電網中全部發(fā)電機共同負擔。 發(fā)電機在理想條件下（發(fā)電機與電網電壓、發(fā)電機在理想條件下（發(fā)電機與電網電壓、頻率、初相角都相等），并聯合閘到電網上去。頻率、初相角都相等），并聯合閘到電網上去。1. 1. 正常勵磁：空載運行時，電樞電流正常勵磁：空載運行時，電樞電流 ，發(fā)電機既沒有有功功率輸出，也沒有無功功率輸發(fā)電機既沒有有功功率輸出，也沒有無功功率輸出，此時電機勵磁電流為正常勵磁。出，此時電機勵磁電流為正常勵磁。0

17、IU 3. 3. 欠勵磁（進相運行）：（保持原動機輸出不欠勵磁（進相運行）：（保持原動機輸出不變）減小勵磁電流變）減小勵磁電流 ，發(fā)電機送出領先的無功，發(fā)電機送出領先的無功電流，產生助磁電樞反應。電流，產生助磁電樞反應。fi2. 2. 過勵磁過勵磁( (遲相運行遲相運行) )：（保持原動機輸出不變）：（保持原動機輸出不變）增加勵磁電流增加勵磁電流 ，發(fā)電機送出落后的無功電流，發(fā)電機送出落后的無功電流，產生去磁電樞反應。產生去磁電樞反應。fi，所以：，所以：0emcUEPmsinX則：則：= =常數，而常數，而2emPP2PmUIcos= =常數常數均為不變量均為不變量CmUX 、 、0Icos

18、E sin常數常數常數常數CjIX0EICjIX0E當發(fā)電機輸出一定的有功功率并保持不變，當發(fā)電機輸出一定的有功功率并保持不變，Icos0sinEIUI0ECjIX（3 3）電樞電流）電樞電流 與電壓與電壓 同相位，同相位，正常勵磁正常勵磁。IU（2 2）電樞電流）電樞電流 落后電壓落后電壓 時，時， 較大，也就是勵磁電流較大，也就是勵磁電流 較大，較大，過勵磁過勵磁；fiIU0E（1 1）電樞電流）電樞電流 領先電壓領先電壓 時，時， 較小，也就是勵磁電較小，也就是勵磁電流流 較小，較小，欠勵磁欠勵磁；IU0EfiCjIXU0EIICjIX0ECjIXI0E0sinEIcosIfI0If00mPemPemPemPemPemPemPemPemPemP正常勵磁