1、電機與拖動電機與拖動 2 下一章下一章 上一章上一章 返回主頁返回主頁 第第5章章 同同 步步 電電 機機 3定子鐵心：定子鐵心： 用用 0.5 mm 厚的硅鋼片疊成。厚的硅鋼片疊成。 定子繞組定子繞組 (電樞繞組電樞繞組)：三相對稱繞組。：三相對稱繞組。 機座和端蓋等機座和端蓋等 轉子鐵心轉子鐵心 勵磁繞組勵磁繞組 (電樞繞組電樞繞組) 阻尼繞組阻尼繞組轉軸轉軸阻尼繞組阻尼繞組第第5章章 同同 步步 電電 機機 4 特點：特點： 轉子鐵心用整塊的具有良好導磁性轉子鐵心用整塊的具有良好導磁性 的高強度合金鋼鍛成。的高強度合金鋼鍛成。 隱極式轉子結構機械強度高。隱極式轉子結構機械強度高。 NS第

2、第5章章 同同 步步 電電 機機 5 隱極式同步電機的轉子隱極式同步電機的轉子 第第5章章 同同 步步 電電 機機 6燃燃燒燒室室燃燃料料鍋爐的鍋爐的爐膛爐膛循環水循環水汽輪機汽輪機發電機發電機3 600 r/min升壓變升壓變壓器壓器超熱高壓蒸汽超熱高壓蒸汽電能輸出電能輸出 汽輪發電機組示意圖汽輪發電機組示意圖 第第5章章 同同 步步 電電 機機 7 熱電廠熱電廠1 煤傳送帶煤傳送帶2 加煤機加煤機3 粉碎機粉碎機4 鍋爐鍋爐5 煤渣煤渣6 空氣預熱器空氣預熱器 7 靜電除塵靜電除塵8 煙囪煙囪9 汽輪機汽輪機10 冷凝器冷凝器11變壓器變壓器12 冷卻塔冷卻塔13 發電機發電機14 輸電線

3、輸電線第第5章章 同同 步步 電電 機機 8 火力發電廠火力發電廠 第第5章章 同同 步步 電電 機機 9 大型汽輪發電機定子大型汽輪發電機定子 第第5章章 同同 步步 電電 機機 10 凸極式同步電機凸極式同步電機 的轉子與磁極沖片的轉子與磁極沖片 特點：特點： 轉子鐵心由轉子鐵心由 1 1.5 mm 厚的鋼板沖成磁極沖片，厚的鋼板沖成磁極沖片， 用鉚釘裝成一體的。用鉚釘裝成一體的。 粗而短的圓柱形轉子結構機械強度稍差。粗而短的圓柱形轉子結構機械強度稍差。第第5章章 同同 步步 電電 機機 11 凸極式同步電機凸極式同步電機 在低速水輪發電機中，定子鐵心的外徑和長度之比在低速水輪發電機中，定

4、子鐵心的外徑和長度之比 可達可達5 7或更大結構機械強度高。或更大結構機械強度高。 第第5章章 同同 步步 電電 機機 12 小浪底電站水輪機組安裝小浪底電站水輪機組安裝 第第5章章 同同 步步 電電 機機 13 三峽電站首臺機組安裝三峽電站首臺機組安裝 第第5章章 同同 步步 電電 機機 14 三峽水輪發電機轉子吊裝三峽水輪發電機轉子吊裝 第第5章章 同同 步步 電電 機機 15 105 MW卡普蘭式水輪發電機分瓣定子卡普蘭式水輪發電機分瓣定子 第第5章章 同同 步步 電電 機機 16 三峽水輪發電機定子機座三峽水輪發電機定子機座 第第5章章 同同 步步 電電 機機 17 水輪發電機水輪發電

5、機 第第5章章 同同 步步 電電 機機 18 葛洲壩葛洲壩 170 MW 水輪發電機組水輪發電機組 更多圖片更多圖片 第第5章章 同同 步步 電電 機機 19 電刷電刷 集電環集電環 勵磁繞組。勵磁繞組。 勵磁繞組由小型直流發電機供電。勵磁繞組由小型直流發電機供電。 交流勵磁機交流勵磁機整流整流直流電直流電 交流勵磁機交流勵磁機整流整流直流電直流電勵磁繞組。勵磁繞組。 大型同步發電機的勵磁電流可達數千安。大型同步發電機的勵磁電流可達數千安。 第第5章章 同同 步步 電電 機機 20 能量轉換的方式不同：能量轉換的方式不同： 同步發動機、同步電動機。同步發動機、同步電動機。 旋轉電樞式、旋轉磁極

6、式。旋轉電樞式、旋轉磁極式。 旋轉磁極式：隱極式、凸極式。旋轉磁極式：隱極式、凸極式。 安裝方式：臥式、立式。安裝方式：臥式、立式。 空氣冷卻、氫氣冷卻、水冷卻和混合冷卻等。空氣冷卻、氫氣冷卻、水冷卻和混合冷卻等。 第第5章章 同同 步步 電電 機機 21NS+3 3 +NS 勵磁機勵磁機 發電機發電機 水輪機水輪機 勵勵磁磁機機發發電電機機汽汽輪輪機機 凸極式凸極式 隱極式隱極式 立式立式 臥式臥式 第第5章章 同同 步步 電電 機機 221. 額定容量額定容量 SN 或額定功率或額定功率 PN 2. 額定電壓額定電壓 UN 3. 額定電流額定電流 IN 4. 額定功率因數額定功率因數 co

7、s N 5. 額定頻率額定頻率 fN 6. 額定轉速額定轉速 nN三相同步發電機：三相同步發電機：三相同步電動機：三相同步電動機： PN = 3 UNIN cos NPN = 3 UNIN cos N N第第5章章 同同 步步 電電 機機 23勵磁機勵磁機勵磁磁動勢勵磁磁動勢 F0 旋轉的旋轉的 F0 和和 0 勵磁電動勢勵磁電動勢 E0 原動機原動機 電樞三相電樞三相 繞組中感應繞組中感應 E0 的頻率：的頻率： f1 =pn60如果如果 f1 = 50Hz，則則 pn = 3 000 V1V2W2W1U1U2NS+UfIf定子定子 轉子轉子 勵磁繞組勵磁繞組 第第5章章 同同 步步 電電

8、機機 24 轉子轉速轉子轉速 同步同步 60 f1pn = n0 = V1V2W2W1U1U2NS+UfIf電樞三相電樞三相 交流電流交流電流 旋轉旋轉 Fa 和和 a 勵磁機勵磁勵磁機勵磁 F0 和和 0 Te n 相互作用相互作用 第第5章章 同同 步步 電電 機機 25 電樞電流電樞電流 I1為零或者很小，為零或者很小，Fa = 0。 氣隙磁動勢氣隙磁動勢 F = F0 。 轉子每極磁通：轉子每極磁通：0 勵磁電動勢：勵磁電動勢： E0 = 4.44 f1 kw1 N10 E0 = j4.44 f1 kw1 N1 0 空載特性空載特性 E0 = f (If) O E0/ 0 If /F0

9、 第第5章章 同同 步步 電電 機機 26 電樞電流電樞電流 I1 產生電樞旋轉磁動勢產生電樞旋轉磁動勢 Fa 。 氣隙旋轉磁動勢氣隙旋轉磁動勢 F = F0Fa（與空載時不同）。（與空載時不同）。 電樞反應：電樞反應： Fa 對對 F 的影響。的影響。 I1 與與E0 的相位關系決定了電樞反應的性質。的相位關系決定了電樞反應的性質。 第第5章章 同同 步步 電電 機機 27 F F I1 0 F F0 F FaE0 F F0F FaN S n1 U1 U2 V2 V1 W1 W2 a) 磁動勢矢量磁動勢矢量 b) 相矢量圖相矢量圖 i1 產生的是交軸電樞磁動勢：產生的是交軸電樞磁動勢： F

10、Fa = F Faq 。 F Faq 產生交軸電樞反應。產生交軸電樞反應。直直 軸軸 交交 軸軸 第第5章章 同同 步步 電電 機機 28 I1 0 F F0 F FaE0 F F0F FaN S n1 U1 U2 V2 V1 W1 W2 (a) 磁動勢矢量磁動勢矢量 (b) 相矢量圖相矢量圖 i1 產生的是直軸電樞磁動勢：產生的是直軸電樞磁動勢： F Fa = F Fad 。 F Fad 產生直軸電樞反應（去磁性）。產生直軸電樞反應（去磁性）。 直直 軸軸 交交 軸軸 N S n1 第第5章章 同同 步步 電電 機機 29 I1 0 F F0 F FaE0 F F0F FaN S n1 U1

11、 U2 V2 V1 W1 W2 (a) 磁動勢矢量磁動勢矢量 (b) 相矢量圖相矢量圖 i1 產生的電樞磁動勢：產生的電樞磁動勢： F Fa = F FadF Faq 。 F Fa 同時產生交、直軸電樞反應。同時產生交、直軸電樞反應。直直 軸軸 交交 軸軸 N S n1 F FadF Faq F F 第第5章章 同同 步步 電電 機機 30 結論（對于同步發電機）：結論（對于同步發電機）： 交軸電樞反應交軸電樞反應使氣隙磁場發生畸變，使氣隙磁場發生畸變，F F0 始終始終 超前于超前于 F F，即主極磁場超前于氣隙合成磁場，即主極磁場超前于氣隙合成磁場， 使主磁極始終受到一個制動性質的電磁轉矩

12、使主磁極始終受到一個制動性質的電磁轉矩 的作用，原動機克服該制動轉矩做功，從而的作用，原動機克服該制動轉矩做功，從而 實現了機械能到電能的轉換。實現了機械能到電能的轉換。 直軸電樞反應產生去磁或增磁作用，對同步直軸電樞反應產生去磁或增磁作用，對同步 電機的運行性能影響很大。電機的運行性能影響很大。 第第5章章 同同 步步 電電 機機 31NSSNn0n0理想空載理想空載（補償機運行）（補償機運行） SNn0NSn0發電機運行發電機運行NSSNn0n0電動機運行電動機運行功率角功率角 同步電機的運行狀態取決于轉子主極磁場與氣同步電機的運行狀態取決于轉子主極磁場與氣 隙合成磁場的相對位置。隙合成磁

13、場的相對位置。 功率角功率角 的大小的大小決定了決定了轉換轉換功率的大小。功率的大小。 第第5章章 同同 步步 電電 機機 32Uf If F0 隱極同步發電機的電磁關系隱極同步發電機的電磁關系(不計磁路飽和不計磁路飽和) ： U1 I1Fa 0 a E0 Ea E1 R1I1 E E1 = E0Ea U1 = E0EaE R1I1 第第5章章 同同 步步 電電 機機 33 Xa 電樞反應電抗。電樞反應電抗。 U1 = E0(R1j X j Xa ) I1 U1 = E0(R1j Xs ) I1 Xs = XaX 同步電抗。同步電抗。 Ea =jXa I1 E =jX I1 因為因為 Ea a

14、 Fa I1 ， Ea 滯后于滯后于a 90o ， 不計電樞鐵耗，不計電樞鐵耗，a 與與 I1 同相位。同相位。 則則 電樞漏電動勢用電樞漏電抗電樞漏電動勢用電樞漏電抗 X 表示：表示： 故有故有 第第5章章 同同 步步 電電 機機 34E R1 Xs I1 忽略忽略 R1，則，則 U1 = E0j XsI1 U1 第第5章章 同同 步步 電電 機機 35U1I1 R1I1jXs I1E0 根據負載的功率因數和電路方程作相量圖。根據負載的功率因數和電路方程作相量圖。 并設：并設： U1 = U1 0o ，負載為電感性。，負載為電感性。 a) 根據：根據： U1 = E0(R1j Xs ) I1

15、 說明：說明： 因為因為 E0 超前于超前于 E1角，角， 而而 U1 = E1(R1j X ) I1E1 ， 所以所以 E0 超前于超前于 U1角。角。 U1I1jXs I1E0 b) 根據：根據： U1 = E0j Xs I1 第第5章章 同同 步步 電電 機機 36 同步發電機中的感應電動勢同步發電機中的感應電動勢 V1V2W2W1U1U2NSF0FaFF0電樞三相電樞三相 繞組中感應繞組中感應 E0F電樞三相電樞三相 繞組中感應繞組中感應 E1E0 在時間上的相位超前于在時間上的相位超前于 E1角角F0 在空間上在空間上 超前于超前于F角角 第第5章章 同同 步步 電電 機機 37 【

16、例例5-1】 一臺星形聯結的三相汽輪發電機，已知一臺星形聯結的三相汽輪發電機，已知 PN = 25000 kW，UN = 10.5 kV，Xs = 7.5 ，cos N = 0.8 ( N0)， E0 = 7.5 kV，R1 可忽略不計。試計算該發電機在每相負載可忽略不計。試計算該發電機在每相負載 為下述幾種情況時的電樞電流和內功率因數角，并說明電為下述幾種情況時的電樞電流和內功率因數角，并說明電 樞反應的性質。樞反應的性質。(1) 純電阻性負載純電阻性負載 RL = 7.5 ； (2) 純電感純電感 性負載性負載 XL = 7.5 ；(3) 電容性負載，電容性負載，ZL =（6j12） 。

17、(1) 純電阻性負載時純電阻性負載時 設參考相量設參考相量 E0 = 7.5103 0o V 解：解： I1 = = A = 707 45o A E0 RLjXs 7.5103 0o 7.5j7.5 即即 I1 = 707 A， =45o 。 電樞反應有交磁和直軸去磁兩種作用。電樞反應有交磁和直軸去磁兩種作用。 第第5章章 同同 步步 電電 機機 38(2) 純電感性負載時純電感性負載時 I1 = = A = 500 90o A E0 jRLjXs 7.5103 0o j7.5j7.5 即即 I1 = 500 A， =90o 。 電樞反應只有直軸去磁作用。電樞反應只有直軸去磁作用。 (3) 電

18、容性負載時電容性負載時 I1 = = A = 1000 36.87o A E0 (RLjXL) jXs 7.5103 0o (6j12)j7.5 即即 I1 = 1000 A， = 36.87o 。 電樞反應有交軸和直軸增磁兩種作用。電樞反應有交軸和直軸增磁兩種作用。 第第5章章 同同 步步 電電 機機 39 凸極電機的特點：凸極電機的特點： (1) 氣隙不均勻。極面下的直軸位置氣隙小，磁阻小；氣隙不均勻。極面下的直軸位置氣隙小，磁阻小； 兩極之間的交軸位置氣隙大，磁阻大。兩極之間的交軸位置氣隙大，磁阻大。 (2) Fa 作用在不同位置作用在不同位置，產生不同的產生不同的 a ，對應不同的，對

19、應不同的 Xa 。 忽略磁路飽和的影響，忽略磁路飽和的影響， 可以應用疊加定理：可以應用疊加定理： V1V2W2 W1U1U2 NSFaFa直軸直軸交交軸軸F0F F0 F Fa F Faq F Fad F Fa = F FadF Faq 第第5章章 同同 步步 電電 機機 40直軸分量：直軸分量：Id = I1 sin 交軸分量：交軸分量：Iq = I1 cos I1 = IdIq 雙反應理論：雙反應理論： 電樞反應分解成直軸電樞反應和交軸電樞反電樞反應分解成直軸電樞反應和交軸電樞反 應的方法。應的方法。 同理，將同理，將 I1 分解為兩個對應的分量：分解為兩個對應的分量： E0 I1 Iq

20、 Id 第第5章章 同同 步步 電電 機機 41If F0 凸極同步發電機的電磁關系凸極同步發電機的電磁關系(不計磁路飽和不計磁路飽和) ： I1Fa ad E0 Ea E1 R1I1 E Fad Faqaq Ea 0 E1 = E0EadEaq U1 = E0EadEaq E R1I1 第第5章章 同同 步步 電電 機機 42因此有如下關系因此有如下關系 Ead =jXad Id ， E =j X I1 Eaq =jXaq Iq ， Xad 直軸電樞反應電抗。直軸電樞反應電抗。 Xaq 交軸電樞反應電抗。交軸電樞反應電抗。 X 電樞漏電抗。電樞漏電抗。U1 = E0jXad IdjXaq I

21、qjX I1 R1I1 = E0j (XadX ) Idj (XaqX ) IqR1I1 因為因為 Ead ad Fad Id Eaq aq Faq Iq E Fa I1 U1 = E0jXd IdjXq IqR1I1 第第5章章 同同 步步 電電 機機 43 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，則有，則有 U1 = E0jXd IdjXq IqR1I1 U1 = E0jXd IdjXq Iq 設虛擬電動勢：設虛擬電動勢： EQ = E0j (XdXq ) Id 由相量圖可知：由相量圖可知： EQ 與與

22、E0同相位。同相位。 E0 I1 Iq Id 0 E0 I1 Iq Id 0 第第5章章 同同 步步 電電 機機 44變換電壓方程：變換電壓方程： U1 = E0jXd IdjXq IqR1I1 j(XdXq) Id j(XdXq) Id U1 = EQjXq I1R1I1 忽略忽略 R1，則，則U1 = EQj Xq I1 EQ R1 Xq I1 U1 第第5章章 同同 步步 電電 機機 45U1 I1 R1I1 jXqI1 EQ jXdId E0 jXqIq U1 I1 jXqI1EQjXdIdE0jXqIq 根據負載的功率因數和電路方程作相量圖。根據負載的功率因數和電路方程作相量圖。 并

23、設：并設： U1 = U1 0o ，負載為電感性。，負載為電感性。 a) 根據：根據： U1 = EQ(R1j Xq)I1 b) 根據：根據： U1 = E0j XqI1 U1sin XqI1 U1cos R1I1tan = 由相量圖的幾何關系得：由相量圖的幾何關系得： ( 為負載的功率因數角，為負載的功率因數角， 計算時取絕對值計算時取絕對值) 第第5章章 同同 步步 電電 機機 46 【例例 5-2】 一臺星形聯結的水輪發電機，其額定值為一臺星形聯結的水輪發電機，其額定值為PN = 72 500 kW，UN = 10.5 kV，cos N = 0.8（電感性），（電感性）， 其直軸和交軸同

24、步電抗的標幺值為其直軸和交軸同步電抗的標幺值為 Xd = 1.22，Xq = 0.68， 忽略電樞電阻忽略電樞電阻 R1。試計算該發電機在額定運行時的勵磁。試計算該發電機在額定運行時的勵磁 電動勢電動勢 E0、功率角、功率角 和內功率因數角和內功率因數角 。 U1 = = V = 6 062.2 V UN 310.5103 1.732 解：解：額定電樞相電壓、相電流和功率因數角分別為額定電樞相電壓、相電流和功率因數角分別為 I1 = = A = 4 983.1A PN 3 UN cos N 72 500103 1.73210.5103 0.8 N = arc cos 0.8 = 36.87o

25、* * 直軸和交軸同步電抗分別為直軸和交軸同步電抗分別為 Xd = Xd = 1.22 = 1.484 U1 I1 6 060.2 4 983.1 * 第第5章章 同同 步步 電電 機機 47 6 062.20.60.8274 983.1 6 062.20.8= 1.6 于是可得于是可得 N = arctan1.6 = 55.85o N =N N = 58o 36.87o = 21.13o再由相量圖得再由相量圖得 E0 = U1cos XdId = (6 062.2cos21.13o1.4844 983.1sin 58o )V = 11 925.86 Vtan = U1sin XqI1 U1c

26、os R1I1Xq = Xq = 0.68 = 0.827 U1 I1 6 060.2 4 983.1 * 由相量圖得由相量圖得 第第5章章 同同 步步 電電 機機 48 P1 = T1 1 P0 = PFePfwPadPe = P1P0PCu = 3R1I12 P2 = PePCu = 3U1I1cos P1 = P0Pe = PFePfwPadPCuP2 第第5章章 同同 步步 電電 機機 49P1P0PePCuP2 = 100% % P2P1Pe = P2PCu = 3U1I1cos 3R1I12 = 3 (U1cos R1I1 ) I1 E0 cos = U1cos R1I1 U1I1

27、 R1I1jXs I1E0第第5章章 同同 步步 電電 機機 50若忽略若忽略 R1，則，則 U1sin = XsI1cos 所以：所以： U1I1 R1I1jXs I1E0= 3E0 Iq 故故 Pe = 3E0 I1cos U1I1jXs I1E0 Pe = 3 sin U1E0Xs 同步發電機的功角特性：同步發電機的功角特性： 在在 n、If 和和 U1 為常數時，為常數時， Pe 與與 的關系的關系 Pe = f ( ) 。 如同步發電機并網運行如同步發電機并網運行 第第5章章 同同 步步 電電 機機 510 Pe 90o PeM當當 = 90o 時：時： Pe = 3 sin U1E

28、0XsPe = PeM = 3 U1E0 Xs U1 =E0(R1jXs ) I1 U1 =EQ(R1jXq ) I1 對比：對比： 可得：可得： Pe = 3EQ I1cos = 3EQ Iq 第第5章章 同同 步步 電電 機機 52或由相量圖得：或由相量圖得： U1 I1 R1I1 jXqI1 EQ jXdId E0 jXqIq EQ cos = U1cos R1I1 若忽略若忽略 R1，則，則 U1sin = XqI1cos XdId = E0U1cos EQ = E0(XdXq) Id 整理，得整理，得U1 I1 jXqI1EQjXdIdE0jXqIq 1Xd3E0U1 Xd Pe =

29、 sin 1Xq ( ) sin2 3U1 2 2= Pe1 Pe2 第第5章章 同同 步步 電電 機機 53如果忽略如果忽略 R1，則有，則有 Pe = P1 = 3U1I1cos 凸極同步發電機電磁功率的一種推導方法：凸極同步發電機電磁功率的一種推導方法： 所以所以 U1sin Xq Iq = E0U1cos XdId = 3U1I1cos ( ) = 3U1I1cos cos 3U1I1sin sin = 3U1Iq cos 3U1Id sin U1 I1 jXqI1EQjXdIdE0jXqIq 因為因為 Xq Iq = U1sin Xd Id = E0U1cos 故故 1Xd3E0U1

30、 Xd Pe = sin 1Xq ( ) sin2 3U1 2 2= Pe1 Pe2 第第5章章 同同 步步 電電 機機 54 討論：討論： 3U1E0Xd Pe1 = sin Pe1 E0 ，當轉子有勵磁即，當轉子有勵磁即 If 0 時存在。時存在。 1XqPe2 = ( ) sin2 3U1221XdPe2 是由于是由于 Xd Xq 而引起的，而引起的， 與與 If 是否存在無關。是否存在無關。 0 Pe 90o PeMPe1 Pe2 結論：結論： Pe2 使使 PeM 。 PeM 產生在產生在90o 處。處。 功角特性不再是正弦波。功角特性不再是正弦波。 第第5章章 同同 步步 電電 機

31、機 55T1 = P1 1 T0 = P0 1 Te = Pe 1 T1 = TeT0 = P1 n1602 = P0 n1602 = Pe n1602 第第5章章 同同 步步 電電 機機 56 同步發電機的矩角特性：同步發電機的矩角特性： 指在指在 n、If 和和 U1 為常數時，為常數時，Te 與與 的關系的關系 Te = f ( ) 。 Te = sin ( ) sin2 1Xq3U1 2 1 1Xd3E0U1 Xd 1 2Te = 3 sin E0U1 Xs 1 隱極同步發電機的矩角特性：隱極同步發電機的矩角特性： 凸極同步發電機的矩角特性：凸極同步發電機的矩角特性： 矩角特性與功角特

32、性的變化規律相同。矩角特性與功角特性的變化規律相同。 Te1Te2第第5章章 同同 步步 電電 機機 57 當當 n = nN，If、cos = 常數時，常數時，U1L 與與 I1L 的的 關系，即關系，即 U1L = f (I1L)。 O U1LI1Lcos = 0.8 ( 0)cos = 0.8 ( 0)cos =1UNINv額定勵磁電流額定勵磁電流 IfN 在在nN 、cos N時，調節時，調節 If， 使使 I1L= IN、U1L = UN 時的時的 v 勵磁電流勵磁電流 If = IfN。 第第5章章 同同 步步 電電 機機 58 UNP 電樞的額定相電壓。電樞的額定相電壓。 凸極同

33、步發電機：凸極同步發電機：VR = 18% 30%； 隱極同步發電機：隱極同步發電機：VR = 30% 48%。 在在 nN、cos N、UN 時，時， If 與與 I1 的關系，的關系， 即即 If = f ( I1 )。 OIf I1cos = 0.8 ( 0)cos = 0.8 ( 0)cos =1VR = 100% E0UNP UNP IfN IN v電壓調整率電壓調整率VR (在保持在保持 nN、cos N、IfN 時時) 第第5章章 同同 步步 電電 機機 59在保持在保持 nN、cos N、UN 時，時， If 與與 I1 的關系，的關系， 即即 = f (P2) 。 空氣冷卻的

34、大型水輪發電機：空氣冷卻的大型水輪發電機： N = 96% 98.5% 空氣冷卻的汽輪發電機：空氣冷卻的汽輪發電機： N = 94% 97.8% 氫氣冷卻時，氫氣冷卻時， N 略有增加。略有增加。 第第5章章 同同 步步 電電 機機 60v并聯運行的優點并聯運行的優點(1) 保證電能供應的質量、可靠性。保證電能供應的質量、可靠性。 (2) 提高供電系統的效率。提高供電系統的效率。(3) 減少發電廠備用機組的容量。減少發電廠備用機組的容量。(4) 合理調配和利用能源。合理調配和利用能源。 若不一致，相當于在電網端點上加上一組負序若不一致，相當于在電網端點上加上一組負序 電壓，這是一種嚴重的故障情

35、況。電壓，這是一種嚴重的故障情況。 第第5章章 同同 步步 電電 機機 61UU UV UW U1 V1 W1 U1 Q UU UV UW v發電機投入并聯示意圖發電機投入并聯示意圖 UU UV UW 如果相序不一致，則如果相序不一致，則 UU = 0 UV UW UU UVUW UV = UVUV UW = UWUW V1 W1 W1 V1 第第5章章 同同 步步 電電 機機 62如果：如果： 對應相量之間的相位差在對應相量之間的相位差在 0o 360o 之間變化。之間變化。 對應相量的差值不斷地在對應相量的差值不斷地在 0 2U1 之間變化。之間變化。 頻率相差越大，這個變化的速度就越快。

36、頻率相差越大，這個變化的速度就越快。 若若 Q 合閘，必定要產生沖擊電流和沖擊轉矩。合閘，必定要產生沖擊電流和沖擊轉矩。 UU UV UW UU UW UV UV UU UV UW UU UW UU UV UW UU UW UV UU UU 時刻時刻 1 時刻時刻 2 時刻時刻 3 第第5章章 同同 步步 電電 機機 63 電壓相等包括相位相同和有效值相等，即電壓相等包括相位相同和有效值相等，即 相量相等。相量相等。 如果如果 若若 Q 合閘，必定要產生沖擊電流和沖擊轉矩。合閘，必定要產生沖擊電流和沖擊轉矩。 UUUU ，UVUV ，UWUW ， 第第5章章 同同 步步 電電 機機 64 把發

37、電機調整到完全符合投入并聯的條件時，把發電機調整到完全符合投入并聯的條件時， 才投入電網的方法。才投入電網的方法。 缺點：手續繁瑣，費時較多。缺點：手續繁瑣，費時較多。 只要求發電機的相序與電網一致即可并網。只要求發電機的相序與電網一致即可并網。 缺點：會產生一定的沖擊電流和沖擊轉矩。缺點：會產生一定的沖擊電流和沖擊轉矩。 整步過程：為了將發電機投入電網并聯運行所整步過程：為了將發電機投入電網并聯運行所 進行的調節和操作過程。進行的調節和操作過程。 調節調節 If 調節調節 E0 ；調節；調節 n 調節調節 f 。 第第5章章 同同 步步 電電 機機 65 無窮大電網無窮大電網 容量很大、頻率

38、和電壓基本不受負載與其他容量很大、頻率和電壓基本不受負載與其他 干擾的影響，即恒頻恒壓的電網。干擾的影響，即恒頻恒壓的電網。 發電機并網運行時發電機并網運行時 發電機的頻率和端電壓受電網的約束，發電機的頻率和端電壓受電網的約束， 并網時，使勵磁電動勢等于電網端電壓，并網時，使勵磁電動勢等于電網端電壓， 即即E0 = U1， = 0 Pe = 3 sin U1E0Xs= 0 第第5章章 同同 步步 電電 機機 66T1 T1T0 n 產生產生 Te、Pe、I1、P2 Te T1 = TeT0 = 0o，T1 = T0 nn0 Te n n = n0 TeT1 n nn0 振蕩振蕩 穩定。穩定。

39、U1 E0 U1 I1jXsI1 E0 0 Pe a 90o 180oPeM Pe = 0o 時的相量圖時的相量圖 0o 時的相量圖時的相量圖 工作點工作點 第第5章章 同同 步步 電電 機機 670Pe /Te 90o 180o a0Pe /Te 90o 180o aTe T1= Te + T0a 點點： 干擾使干擾使 T1 Te 抑制了抑制了 進一步增大進一步增大 b 點。點。 bT 1 = T e + T0 干擾消失后，較大的干擾消失后，較大的 Te， 使機組恢復到使機組恢復到 a 點運行。點運行。 a 點點： 干擾使干擾使 T1 n Te n Te 失步失步。 干擾消失后，干擾消失后，

40、n 不可能恢不可能恢 復到復到 n0，即工作點不可能，即工作點不可能 恢復到恢復到 a 點運行。點運行。穩定穩定 運行區運行區 第第5章章 同同 步步 電電 機機 68在在 的矩角特性段。的矩角特性段。 dTe d 0隱極機：隱極機： N = 30o 40o 凸極機：凸極機： N = 20o 30o 穩定運行范圍：穩定運行范圍： 額定功率角：額定功率角： 過載能力：過載能力： km =PeMPeN= TeMTeN= 1.7 3.0第第5章章 同同 步步 電電 機機 69解：解：額定相電壓、相電流和功率因數角分別為額定相電壓、相電流和功率因數角分別為 【例例5-3】 某星形聯結的汽輪發電機并聯在

41、無窮大電某星形聯結的汽輪發電機并聯在無窮大電 網上運行，已知網上運行，已知 SN = 31250 kVA，UN = 10.5 kV，cos N= 0.8 (電感性電感性)，Xs = 7 。若忽略電樞電阻，試求。若忽略電樞電阻，試求(1) 額定運行時的額定運行時的 PeN、 N、E0、Q2N 和和 kM；(2) 若勵磁若勵磁 電流不變，輸出的有功功率為額定功率的一半時，電流不變，輸出的有功功率為額定功率的一半時， 、 cos 和和 Q2 將變為多少？將變為多少？ U1 = = V = 6062.2 V UN 310.51033I1 = IN = = A = 1718.3 A SN 3 UN312

42、50103310.5103 N = arccos0.8 = 36.87o 設設 U1 = 6062.2 0o V， 則則 I1 = 1718.3 36.87o A 第第5章章 同同 步步 電電 機機 70(1) 發電機額定運行時發電機額定運行時 忽略忽略R1，則有，則有 PeN = P2N = SNcos N = 312500.8 kW = 25000 kW Q2N = SNsin N = 31250sin36.87o kvar = 18750 kvar 6062.2sin36.87o71718.3 6062.20.8= 3.23 tan N = U1sin XsI1 U1cos 由相量圖得由

43、相量圖得 N = arctan3.23 = 72.8o N = N N = 72.8o 36.87o = 35.93o U1cos = E0 cos E0 = = = 16398.95 V U1cos cos 6062.20.8 cos72.8o第第5章章 同同 步步 電電 機機 71即即 E0 = 16398.95 V， N = 35.93o 。 過載能力：過載能力： (2) 發電機輸出額定功率的一半時發電機輸出額定功率的一半時 Pe = P2 = 0.5P2N =（0.525000）kW = 12500 kW 因為因為 If 不變，不變，E0 就不變，即就不變，即 PeM 不變，于是有不變

44、，于是有 1 2 3E0U1 Xs sin N = sin 3E0U1 Xs 或由電壓方程解出或由電壓方程解出 E0 和和 ： E0 = U1jXsI1 = (6062.2 0o j71718.3 36.87o ) V= 16398.95 35.93o V km = = = 1.7 1 sin N 1 sin35.93o 第第5章章 同同 步步 電電 機機 72Q2 = 3UN I1 sin = 36062.21538.68 sin62.82o var = 24893.3 kvar cos = cos62.82o = 0.457 再由電壓方程可得再由電壓方程可得 = (16398.93 17.

45、46o 6062.2 0o ) V= 10770.73 27.18o V I1 = = = 1538.68 62.82o A E0U1 jXs 10770.73 27.18o j7 jXsI1 = E0U1 即即 則則 = 17.46o ， sin = sin N = sin36.87o = 0.3 1 2 1 2 E0 = 16398.93 17.46o V 第第5章章 同同 步步 電電 機機 73 1. 發電機并網在無窮大電網上。發電機并網在無窮大電網上。 忽略忽略 R1 和和 T0 ，并且不計磁路飽和的影響。，并且不計磁路飽和的影響。 假設調節假設調節 If 時，輸入時，輸入 P1 保持

46、不變。保持不變。 Pe = 3 sin U1E0Xs= 3U1I1cos = 常數常數即即 E0 sin = 常數常數 I1cos = 常數常數 (1) 正常勵磁正常勵磁 當當If = If0 時，時， I1與與U1 同相，同相， U1E0j xsI1I1 = 0，cos = 1，Q2 = 0。 第第5章章 同同 步步 電電 機機 74(2) 過勵磁過勵磁 ( IfIf0 ) If E0 。 Q2 0 (感性感性) ； If Q2 。 U1E0I1jXsI1A BCDE0 sin = 常數常數 I1cos = 常數常數 I1 ( I1 ) 滯后于滯后于U1， E0 jXsI1 I1 E0 I1

47、 jXsI1 (3) 欠勵磁欠勵磁 ( IfIf0 ) If E0 。 I1 ( I1 ) 超前于超前于U1， Q2 0 (容性容性) ； If |Q2 | 。第第5章章 同同 步步 電電 機機 75調節調節 If 可調節同步發電機輸出的無功功率。可調節同步發電機輸出的無功功率。 O I1 If Pe1 Pe2 欠勵欠勵 過勵過勵 If0 結論：結論：cos =1電樞電流與勵磁電流的關系：電樞電流與勵磁電流的關系： I1 = f (If ) 不穩不穩 定區定區 第第5章章 同同 步步 電電 機機 76 ad E0 Ead E1 R1I1 E aq Eaq 0 Uf If F0 E1 = E0E

48、adEaq U1 =E0EadEaqE R1I1 U1 I1 IadFad IaqFaq第第5章章 同同 步步 電電 機機 77Ead =jXad Id Xad 直軸電樞反應電抗直軸電樞反應電抗。 Xaq 交軸電樞反應電抗交軸電樞反應電抗。 Eaq =jXaq Iq E =jX I1 I1 = IdIqU1 =E0 j Xad Idj Xaq Iqj X I1R1I1 =E0j (XadX ) Idj (XaqX ) IqR1I1 U1 =E0jXd IdjXq IqR1I1 Xd = XadX 直軸同步電抗；直軸同步電抗； Xq = XaqX 交軸同步電抗。交軸同步電抗。 如果忽略如果忽略

49、R1，則，則U1 =E0jXd IdjXq Iq 第第5章章 同同 步步 電電 機機 78 E0 I1 IqIdE0 I1 Iq Id j(XdXq)Id EQ 設虛擬電動勢設虛擬電動勢 EQ = E0j (XdXq ) Id (a) I1 滯后于滯后于E0 時時 jIdEQ(b) I1 超前于超前于E0 時時 jId 結論：結論： EQ 與與 E0 同相位。同相位。 U1 =E0R1I1jXd IdjXq IqjXq IdjXq Id j(XdXq)Id U1 =EQR1I1jXq I1 第第5章章 同同 步步 電電 機機 79 R1 Xq U1 I1EQ 取取 U1 = U1 0oU1 I

50、1 R1I1 jXqI1 EQ Iq Id jXd Id jXq Iq 電容性電容性 E0 設設 0，畫，畫 I1 。 畫畫 R1I1 和和 j Xq I1 。 畫畫(EQ) 確定確定(E0)的方位。的方位。 由由 I1 分解出分解出 Id 和和 Iq 。 畫畫 j Xd Id 和和 j Xq Iq 。 畫畫 (E0)。 第第5章章 同同 步步 電電 機機 80R1I1 Id Id 同理可以畫出同步電動機呈電感性和電阻性同理可以畫出同步電動機呈電感性和電阻性 時的相量圖。時的相量圖。 依據：依據：U1 =EQ + R1I1 + jXq I1U1 =E0 + jXd Id + jXq Iq +

51、R1I1 U1 I1 R1I1 jXqI1 EQ Iq jXd Id jXq Iq 電感性電感性 U1 I1 jXqI1EQ Iq jXd Id jXq Iq 電阻性電阻性 E0 E0 第第5章章 同同 步步 電電 機機 81 電動機呈電感性時電動機呈電感性時 = tan =U1sin XqI1U1cos R1I1 電動機呈電容性時電動機呈電容性時 = tan =U1sin XqI1U1cos R1I1Id U1 I1 R1I1 jXqI1 EQ Iq jXd Id jXq Iq E0 U1 I1 R1I1 jXqI1 EQ Iq Id jXd Id jXq Iq E0 第第5章章 同同 步步

52、 電電 機機 82(1) 輸入功率（不計勵磁功率）輸入功率（不計勵磁功率） P1 = 3U1I1cos (2) 電樞銅損耗電樞銅損耗 PCu = 3R1I12 (3) 電磁功率電磁功率 Pe = P1PCu = 3EQ I1cos = PCuPe 1XdE0U1 Xd Pe = 3 sin 3 ( ) sin2 1XqU1 2 2第第5章章 同同 步步 電電 機機 83(4) 空載損耗空載損耗 P0 = PFePfwPad (5) 輸出功率輸出功率 P2 = PeP0(6) 功率關系功率關系 P1 = PCuPe 鐵損耗鐵損耗 機械損耗機械損耗 附加損耗附加損耗 P1PCuPeP0P2 = 1

53、00% % P2P1 P1 = PCuPFePfwPadP2 (7) 效率效率第第5章章 同同 步步 電電 機機 84(1) 轉矩平衡關系轉矩平衡關系 Te = Pe1= 9.55Pen11XdE0U1 Xd Pe = 3 sin 3 ( ) sin2 1XqU1 2 2(2) 電磁轉矩電磁轉矩(3) 空載轉矩空載轉矩T0 = P01= 9.55P0n1T2 = P21(4) 輸出轉矩輸出轉矩= 9.55P2n1T2 = TeT0 第第5章章 同同 步步 電電 機機 85 【例例5-4】 一臺星形聯結的六極同步電動機接在無窮大一臺星形聯結的六極同步電動機接在無窮大 電網上運行，已知電網上運行，

54、已知 PN = 2000 kW，UN = 3 kV，fN = 50 Hz， cos N = 0.85 (電容性電容性)， N = 95%，R1 = 0.1 。試求額定。試求額定 運行時的運行時的: (1) 輸入功率和電樞電流；輸入功率和電樞電流；(2) 電磁功率和電磁電磁功率和電磁 轉矩。轉矩。解：解： (1) 額定輸入功率和電樞電流為額定輸入功率和電樞電流為 = (2105.330.1 476.72103) kW = 2037.1 kW P1N = = kW = 2105.3 kW PN N 2000 0.95 IN = = A = 476.7 A P1N 3 UNcos N 2105.3

55、3 30.85 (2) 電磁功率和電磁轉矩為電磁功率和電磁轉矩為 PeN = P1N3R1IN 2 第第5章章 同同 步步 電電 機機 86同步角速度為同步角速度為 N = = = 104.67 rad/s 2 f p 2 50 3 TeN = = Nm = 19462.1 NmPeN N 2037.1103 104.67 第第5章章 同同 步步 電電 機機 87 當當 U1L = UN ，f1 = fN ， If = IfN 時：時： I1 = f (P2) Te = f (P2) cos = f (P2) = f (P2)O P2 I1 Te cos 第第5章章 同同 步步 電電 機機 8

56、8v同步電動機的主要優點同步電動機的主要優點 調節調節If 調節調節 cos 90o 90o (純電容性純電容性) (純電感性純電感性) 調節調節 If 改變改變 cos 的原理的原理 以隱極同步電動機為例，并忽略以隱極同步電動機為例，并忽略 R1 和和 T0。 調節調節 If 時，時，U1、f1、TL 都不變，則都不變，則 Te、Pe 和和 P1不變。不變。 Pe = 3 sin U1E0Xs= 3U1I1cos 可得可得 E0 sin = 常數常數 I1cos = 常數常數 第第5章章 同同 步步 電電 機機 89另一方面另一方面: 因此因此當當 If E0 。當當 If E0 | | 。

57、U1 =E0j Xs I1U1jXsI1E0 ABjXsI1 CDjXsI1 I1E0 sin = 常數常數 I1cos = 常數常數 E0 I1 I1 E0 第第5章章 同同 步步 電電 機機 90 正常勵磁正常勵磁 (If = If0 ) I1 與與U1 同相，同相，cos = 1, 電機呈電阻性。電機呈電阻性。 欠勵磁欠勵磁 (If If0) 電機呈電感性。電機呈電感性。 If ，感性程度，感性程度 。 過勵磁過勵磁 (當當 If If0 ) U1jXsI1E0 ABjXsI1 CDjXsI1 I1E0 I1 I1 E0 I1 (I1 ) 超前于超前于U1， I1 (I1 ) 滯后于滯后

58、于U1， 電機呈電容性，電機呈電容性， If | | ，容性程度容性程度 。第第5章章 同同 步步 電電 機機 91 調節調節 If 可使同步電動機在任意特定負載下的可使同步電動機在任意特定負載下的 cos 達到達到 1，或改變其負載性質。或改變其負載性質。 同步電動機的同步電動機的 V 形曲線形曲線 當當 U1 = UN、f1 = f N、 TL 不變時：不變時： I1 = f (If )OI1IfP2P2欠勵欠勵 過勵過勵 If0 結論：結論：cos =1第第5章章 同同 步步 電電 機機 92 【】 某工廠的電源容量為某工廠的電源容量為 1600 kVA，原有負，原有負 載為載為 800 kW，功率因數為，功率因數為 0.65（電感性），現在需要增（電感性），現在需要增 加一臺電動機來拖動加一臺電動機來拖動 400 kW的新機械負載。的新機械負載。(1) 能否選用能否選用 400 kW、功率因數為、功率因數為 0.85、效率為、效率為 88% 的異步電動機？的異步電動機？ (2) 能否選用能否選用400 kW、功率因數為、功率因數為0.85（電容性）效率為（電容性）效率為 88% 的同步電動機？的同步電動機？ 解：解：原有負載的無功功率為原有負載