电机学课堂讲义第三部分同步电机16h 上海交通大学电气工程系EE SJTU 第十讲同步发电机的功率和转矩 重点：功率平衡，有功功率与无功功率调节 难点：电压稳定与频率稳定的同步发电机调节原理 问题：如何表达同步发电机的电磁功率？如何计算绕组铜耗？如何计算电磁转矩？如何确定其它损 耗？如何调节有功功率？如何计算无功功率？如何调节无功功率？同步发电机的功率因数由什么决 定？ 1、同步发电机的功率和转矩平衡关系 (1)功率流 原动机输入机械功率P1,转子机械损耗卸mcc,附加损耗pad,电枢铁耗p,电枢电阻损耗pu,输出电功 率P2,功率流如图26所示。转子独立供电系统励磁绕组电功率输入P等于转子绕组电阻损耗即。 功率平衡关系 P=Pem pfe+pmec+Pad Pem=P2+Pcu 同步发电机效率等于输出功率与输入功率之比的百分数 Pfe Pcu B×100%=0- )×100% P 图26同步发电机有功功率流 (2)电磁功率与无功功率 功率角或简称为功角的定义在功角特性中己经给出，表示励磁电势超前电枢电压的相位角。 电枢电流、电势、电压和功角的关系根据时空矢量图或直轴与交轴等效电路得到，忽略电枢绕组电 阻时，电枢电流用直轴和交轴分量表示 E-Ucose+X.I.Usine=X I 功角特性表示电磁功率与功率角的关系 mUELsin 2X/X (X。-X,)sin20 X 特别地，对于隐极同步电机，不存在磁阻转矩引起的电磁功率 无功功率表达式不再列出。 (3)转矩平衡 原动机输出机械转矩T,克服机械空载转矩To,与电磁转矩Tm平衡： Tp=To+Tom 转矩与功率的关系 T,=B19,。-∑p/2,Tm=P12 其中转子机械角速度和磁场同步机械角速度对于同步电机来说是相同的 2=2um/60=2,/60=2 1
电机学课堂讲义 第三部分 同步电机 16h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 1 第十讲 同步发电机的功率和转矩 重点：功率平衡，有功功率与无功功率调节 难点：电压稳定与频率稳定的同步发电机调节原理 问题：如何表达同步发电机的电磁功率？如何计算绕组铜耗？如何计算电磁转矩？如何确定其它损 耗？如何调节有功功率？如何计算无功功率？如何调节无功功率？同步发电机的功率因数由什么决 定？ 1、同步发电机的功率和转矩平衡关系 （1）功率流 原动机输入机械功率P1，转子机械损耗pmec，附加损耗pad，电枢铁耗pfe，电枢电阻损耗pcu，输出电功 率P2， 功率流如图26所示。转子独立供电系统励磁绕组电功率输入Pf等于转子绕组电阻损耗pfw。 功率平衡关系 ! P1 = Pem + pfe + pmec + pad ! Pem = P2 + pcu 同步发电机效率等于输出功率与输入功率之比的百分数 ! " = P2 P1 #100% = (1$ %p P1 ) #100% （2）电磁功率与无功功率 功率角或简称为功角的定义在功角特性中已经给出，表示励磁电势超前电枢电压的相位角。 电枢电流、电势、电压和功角的关系根据时空矢量图或直轴与交轴等效电路得到，忽略电枢绕组电 阻时，电枢电流用直轴和交轴分量表示 ! E f = U cos" + Xd Id , ! U sin" = Xq Iq 功角特性表示电磁功率与功率角的关系 ! Pem = mUE f Xd sin" + mU2 2Xd Xq (Xd # Xq )sin2" 特别地，对于隐极同步电机，不存在磁阻转矩引起的电磁功率 无功功率表达式不再列出。 （3）转矩平衡 原动机输出机械转矩Tp，克服机械空载转矩T0，与电磁转矩Tem平衡： ! Tp = T0 + Tem 转矩与功率的关系 ! Tp = P1 /", ! T0 ="p/#, ! Tem = Pem /"1 其中转子机械角速度和磁场同步机械角速度对于同步电机来说是相同的 ! " = 2#n /60 = 2#n1 /60 = "1 图26 同步发电机有功功率流 P1 P2 p pcu p pmec fe ad Pem
电机学课堂讲义第三部分同步电机16h 上海交通大学电气工程系EE SJTU 2、同步发电机的功率调节 (1)有功功率的调节 同步发电机有功功率调节只能通过原动机实现，调节励磁不可能改变有功功率。 在无功功率恒定条件下，调节有功功率。 (2)无功功率的调节 A、调节原动机输入功率 改变原动机输入功率不仅改变有功，而且还对改变无功。 B、调节励磁电流 调节励磁电流是改变无功功率的有效途径。对于隐极同步电机，利用图27时空矢量关系可以发现， 电枢电压恒定时，调节励磁电流，因有功功率不变，电枢电流的有功分量不变，即电枢电流失量端 点在水平虚线上移动，而励磁电势矢量端点在平行于电压矢量的垂直虚线上移动。随着电枢电流功 率因数角由滞后到单位功率因数再超前的变化过程中，电枢电流大小先减到最小后又增大，励磁电 势不断减小直到功率角增大到90°，发电机趋于临界稳定状态，即电枢电流与励磁电流的关系是呈 “V”字型曲线。 图28是无功功率调节特性曲线，有功功率等于零时，电枢电流与励磁电流的关系是折线，与横轴的 交点是空载电压。随着有功功率的增加，调节曲线抬升，虚线左侧表示同步发电机不稳定运行区， 功率角超过90°。中间红色曲线表示单位功率因素状态，称为正常励磁状态，单位功率因数线的左侧 表示欠励状态，而右侧表示过励状态。 隐极同步发电机有功功率 mE U UPF sin0 0=90°，1 无功功率 mE U 2= X cos0、nU2 X 用有功功率表示功率角，再代入上式得到 图27时空矢量图 图28无功功率调节特性 mE U p2 X 因此无功功率与励磁电势的关系是双曲线的一部分。 3、电压稳定与频率稳定 如果同步发电机有功功率不平衡，那么电磁转矩与机械转矩不平衡，转子转速将发生变化，发电机 输出频率将发生变化，造成电网频率不稳定。反过来，电网频率不稳定是由于有功功率不平衡。 如果同步发电机无功功率不平衡，那么发电机或电网电压不稳定。 电力系统中电网电压不稳定，说明无功功率不稳定，必须调节无功功率。电网电压偏低，增加同步 发电机励磁，输出更多无功功率提高电网电压，反之则减小同步发电机励磁。 电力系统中电网频率不稳定，说明有功功率不稳定，必须调节有功功率。电网频率降低，增加同步 发电机的原动机输入，提高发电机或电网频率，反之则减小同步发电机的原动机输入。 电力系统中电网功率因数偏低，那么需要进行无功补偿，通常在负载附近增加调相机、并联电容 器、静态无功补偿器statcom或单位功率因数校正电路等。 教学方法： 2
电机学课堂讲义 第三部分 同步电机 16h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 2 2、同步发电机的功率调节 （1）有功功率的调节 同步发电机有功功率调节只能通过原动机实现，调节励磁不可能改变有功功率。 在无功功率恒定条件下，调节有功功率。 （2）无功功率的调节 A、调节原动机输入功率 改变原动机输入功率不仅改变有功，而且还对改变无功。 B、调节励磁电流 调节励磁电流是改变无功功率的有效途径。对于隐极同步电机，利用图27时空矢量关系可以发现， 电枢电压恒定时，调节励磁电流，因有功功率不变，电枢电流的有功分量不变，即电枢电流矢量端 点在水平虚线上移动，而励磁电势矢量端点在平行于电压矢量的垂直虚线上移动。随着电枢电流功 率因数角由滞后到单位功率因数再超前的变化过程中，电枢电流大小先减到最小后又增大，励磁电 势不断减小直到功率角增大到900 ，发电机趋于临界稳定状态，即电枢电流与励磁电流的关系是呈 “V”字型曲线。 图28是无功功率调节特性曲线，有功功率等于零时，电枢电流与励磁电流的关系是折线，与横轴的 交点是空载电压。随着有功功率的增加，调节曲线抬升，虚线左侧表示同步发电机不稳定运行区， 功率角超过900 。中间红色曲线表示单位功率因素状态，称为正常励磁状态，单位功率因数线的左侧 表示欠励状态，而右侧表示过励状态。 隐极同步发电机有功功率 ! Pem = mE f U Xt sin" 无功功率 ! Q = mE f U Xt cos" # mU2 Xt 用有功功率表示功率角，再代入上式得到 ! Q = mE fU Xt " # $ % & ' 2 ( Pem 2 ( mU2 Xt 因此无功功率与励磁电势的关系是双曲线的一部分。 3、电压稳定与频率稳定 如果同步发电机有功功率不平衡，那么电磁转矩与机械转矩不平衡，转子转速将发生变化，发电机 输出频率将发生变化，造成电网频率不稳定。反过来，电网频率不稳定是由于有功功率不平衡。 如果同步发电机无功功率不平衡，那么发电机或电网电压不稳定。 电力系统中电网电压不稳定，说明无功功率不稳定，必须调节无功功率。电网电压偏低，增加同步 发电机励磁，输出更多无功功率提高电网电压，反之则减小同步发电机励磁。 电力系统中电网频率不稳定，说明有功功率不稳定，必须调节有功功率。电网频率降低，增加同步 发电机的原动机输入，提高发电机或电网频率，反之则减小同步发电机的原动机输入。 电力系统中电网功率因数偏低，那么需要进行无功补偿，通常在负载附近增加调相机、并联电容 器、静态无功补偿器statcom或单位功率因数校正电路等。 教学方法： U I Ef jIXt o 图27 时空矢量图 图28 无功功率调节特性 If I o P=0 UPF θ=900
电机学课堂讲义第三部分同步电机16h 上海交通大学电气工程系EE SJTU 同步电机功率（有功与无功）一一电磁功率一一功角特性—一无功功率功角特性—一比整步功率一 一稳定性一一有功功率调节（稳定频率）一一无功功率调节（稳定电压）。 EE Xie Baochang SJTU 3
电机学课堂讲义 第三部分 同步电机 16h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 3 同步电机功率（有功与无功）——电磁功率——功角特性——无功功率功角特性——比整步功率— —稳定性——有功功率调节（稳定频率）——无功功率调节（稳定电压）