同步电动机的功角特性(精)

同步发电机功角的含义
同步发电机功角是指发电机与电网系统之间的相位差。

在电网运行中，发电机需要与电网同步运行，以保持供电稳定。

功角是衡量发电机与电网同步运行的重要参数之一。

功角是通过测量电网电压和电流的相位差来计算得出的。

当发电机与电网的功角为零时，两者的相位完全同步，电压和电流波形一致。

如果功角偏离零度，表明发电机与电网的相位存在偏差，可能会导致电网不稳定甚至发生故障。

同步发电机功角的含义在于确定发电机运行的稳定性。

当功角偏离零度时，发电机会产生不平衡的电磁力，这可能导致发电机与电网的失去同步，电压和频率的波动。

因此，保持发电机功角接近零是确保电网稳定运行的关键。

要保持发电机功角稳定，需要对发电机进行准确的控制。

电力系统中的自动控制装置可以监测和调整功角，以确保发电机与电网同步运行。

这些控制装置可根据电网的需求对发电机的励磁系统进行调节，使功角接近零。

需要指出的是，同步发电机功角不同于功因角，后者是指电力系统中的功率因数。

功角是指发电机与电网的相位差，而功因角是指电压和电流之间的相位差。

这两个角度的概念和计算方式有所不同。

总结而言，同步发电机功角是指发电机与电网之间的相位差，它对电网的稳定性至关重要。

保持发电机功角接近零是确保电网运行稳定的关键。

在电力系统中，可以通过自动控制装置对发电机的励磁系统进行调节，以实现稳定的功角。

发电机功角特性详细功率平衡◆同步发电机的功率流程如图17.6所示。

为自原动机向发电机的输入的机械功率，其中一部分提供轴与轴承间的摩擦、转动部分与空气的摩擦及通风设备的损耗，总计为机械损耗，另一部分供给定子铁心中的涡流和磁滞损耗，总计为铁心损耗,为通过电磁感应作用转变为定子绕组上的电功率，称为电磁功率。

如果是负载运行，定子绕组中还存在定子铜耗，＝－就是发电机的输出功率。

同步发电机的功率平衡方程式为(17-1)定子绕组的电阻一般较小，其铜耗可以忽略不计，则有(17-2) 功角的概念◆?为内功率因数角，定义为功角。

它表示发电机的励磁电势和端电压之间相角差。

功角?对于研究同步电机的功率变化和运行的稳定性有重要意义。

◆图17.7画出了同步电机的时空相量图。

图中忽略了定子绕组的漏磁电势，认为≈+，对应于转子磁势，对应于电枢磁势，所以可近似认为端电压由合成磁势=+所感应。

和之间的空间相角差即为和之间的时间相角差。

◆可见功角?在时间上表示端电压和励磁磁势之间的相位差，在空间上表现为合成磁场轴线与转子磁场轴线之间夹角。

并网运行时，为电网电压，其大小和频率不变，对应的合成磁势总是以同步速度旋转，因此功角的大小只能由转子磁势的角速度决定。

稳定运行时，和之间无相对运动，?具有固定的值。

功角特性◆功角特性指的是电磁功率随功角?变化的关系曲线=f(?)的。

◆凸极电机令可以求出对应于最大电磁功率的功角,一般来说凸极电机的在45～90之间。

◆隐极电机◆最大功率与额定功率的比值定义为同步发电机的过载能力。

对隐极电机来说有功功率的调节◆功角特性=f(?)反映了同步发电机的电磁功率随着功角变化的情况。

稳态运行时，同步发电机的转速由电网的频率决定，恒等于同步转速，即，发电机的电磁转矩和电磁功率之间成正比关系：电磁转矩与原动机提供的动力转矩相平衡其中为空载转矩因摩擦、风阻等引起的阻力转矩）。

◆可见要改变发电机输送给电网的有功功率，就必须改变原动机提供的动力转矩，这一改变可以通过调节水轮机的进水量或汽轮机的汽门来达到。

第四章4 .1 如果电源频率是可调的,当频率为50 Hz 及40 Hz 时,六极同步电动机的转速各 是多少? 解: n =1n =pf 160六极同步电动机P=3,当1f =50HZ 时,min /100035060r n =⨯=; 当1f =40HZ 时,min /80034060r n =⨯=4 . 2 同步电动机在正常运行时,转子励磁绕组中是否存在感应电动势?在起动过程中 是否存在感应电动势?为什么?答: 同步电动机在正常运行时,转子励磁绕组中不存在感应电动势。

正常运行时转子的转速等于定子旋转磁场的转速,转子励磁绕组与定子旋转磁场之间没有相对切割运动,所以转子励磁绕组中不会产生感应电动势。

在起动过程中转子励磁绕组中存在感应电动势,因为起动时转子的转速低于定子旋转磁场的转速,转子励磁绕组与定子旋转磁场之间有相对切割运动,所以转子励磁绕组中会产生感应电动势。

4 . 3 为什么异步电动机不能以同步转速运行而同步电动机能以同步转速运行?答: 若异步电动机以同步转速运行,则转子的转速等于定子旋转磁场的转速,两者之间没有相对切割运动,在转子绕组中不会产生感应电动势,没有电流,没有电磁转矩,异步电动机不能运行,所以异步电动机不能以同步转速运行。

同步电动机的定子绕组通入三相交流电产生旋转磁场,而转子励磁绕组通入直流电产生恒定磁场,只有当转子转速等于同步转速时,同步电动机才能产生固定方向的电磁转矩,从而带动负载运行;如果转子转速不等于同步转速,则产生的电磁转矩的方向是交变的,时而是顺时针方向,时而是逆时针方向,平均电磁转矩为零,所以同步电动机只能以同步转速运行。

4 . 4 为什么要把凸极同步电动机的电枢磁动势aF 和电枢电流I 分解为直轴和交轴两个分量?答: 凸极同步电动机结构上的特点是转子具有明显突出的磁极,使得定、转子之间的气隙是不均匀的,这给分析工作带来困难。

为便于分析,在转子上放置垂直的两根轴,即直轴和交轴,直轴与转子轴线重合,交轴与转子轴线垂直,这样使得沿直轴或交轴方向的磁路是对称的,同时由于直轴与交轴互相垂直,计算直轴方向的磁通时不必考虑交轴磁动势的影响,同样,计算交轴方向的磁通时也不必考虑直轴磁动势的影响,可使计算工作简化,所以常把凸极同步电动机的电枢磁动势aF 和电枢电流I 分解为直轴和交轴两个分量。

发电机功角特性同步发电机的功角特性是指发电机的有功功率(P)、无功功率(Q)与发电机电抗(Xd、Xq)、内电动势(Ed)、机端电压(U)和功角(δ)的关系特性。

(1) 发电机功角特性。

1)有功特性：发电机输出的有功功率为：P = Ed*U*Sinδ/Xd + U2*Sin2δ*(1/Xq – 1/Xd)/22)无功特性：发电机输出的无功功率为Q = Ed*U*Cosδ/Xd + U2*Cos2δ*(1/Xq – 1/Xd)/2 - U2*(1/Xq + 1/Xd)/2(2)隐极发电机功角特性。

对于隐极发电机，取Xd = Xq。

1) 有功特性：发电机输出的有功功率为P = Ed*U*Sinδ/XdP代表发电机输出的有功功率，对发电机产生制动的电磁转矩。

在一定的电压和励磁电流下，发电机的有功功率P与功角多是函数关系。

2) 无功特性：发电机输出的无功功率为Q = Ed*U*Cosδ/Xd + U2/Xd式中第一项与Ed和δ有关，它表示由转子励磁经电磁感应传递到定子的无功功率，值随δ角的余弦而改变。

由于U*Cosδ = Ed – Id*Xd，则上式第一项可改写为Ed2/Xd – Ed*Id第二项与Ed和δ无关，它代表发电机维持一定端电压U所需励磁的无功功率。

因为Ed = U*Costδ + Id*Xd，故Q = Ed*Id – Id2*Xd，即供给电网的无功功率等于主磁通转换的无功功率减去电枢绕组电感的无功损耗。

由此可见，增加发电机的励磁电流(即加大Ed)，便可增大发电机的无功输出。

对于隐极发电机，取Xd = Xq。

此时发电机输出的有功功率为P = Ed*U*Sinδ/Xd但当δ = 90°时，P为最大功率（即极限功率）。

功角特性是同步发电机的基本特性之一。

通过功角特性，可以确定稳态运行时发电机所能发出的最大电磁功率。

功角特性还是研究同步发电机并联运行时经常应用的重要特性。

功角的物理含义功角有两重含义：一是表示E和U这两个时间相量之间的时间相位差角；二是表示产生E0的主磁极磁势Ff与产生端电压U的定子合成磁势Fu之间的空间相位角，即转子磁极轴线与定子合成等效磁极轴线之间的空间夹角(电角度)。

第2节 同步发电机的稳态功角特性一、填空题1、同步电机的功角θ有双重含义，一是 和 之间的夹角；二是 和 空间夹角。

2、同步发电机最大电磁转矩与 电抗有关，异步电机最大电磁转矩与 电抗有关，而与转子 无关。

3、汽轮同步发电机稳定极限角θ ，水轮同步发电机稳定极限角θ （填角度的大小范围）二、选择题1、对同步电机电磁转矩最大值起主要影响的电抗是（ ）。

（A ）定子漏抗δx ；（B ）同步电抗t x ;(C)电枢反应电抗a x ;2、与无穷大电网并联运行的一台凸极式同步发电机,若失去励磁后,电机的最大电磁功率出现在功角δ为（ ）。

(A)δ=0°(B)δ=45°(C)δ=90°(D)45°<δ<90°3、发电机绕组中流过电流之后，就在绕组的导体内产生损耗而发热，这种损耗称为( )。

（A ）铁损耗；（B ）铜损耗；（C ）涡流损耗；（D ）其它损耗。

三、问答题1、写出隐极同步发电机的有功功率角特性方程，并画出功角特性曲线。

2、同步发电机功率极限取决于什么？如何提高？3、同步发电机的功角在时间和空间上各有什么含义？四、计算题设有一凸极式同步发电机，Y 接线，Ω=Ω=9.0,2.1q d x x ，和它相连的无穷大电网的线电压为230V ，额定运行时024=N δ，每相空载电动势V E 5.2250=，求该发电机：1）在额定运行时的基本电磁功率；2）在额定运行时的附加电磁功率；3）在额定运行时的总的电磁功率；4）在额定运行时的比整步功率；参考答案一、填空题1、主极轴线 气隙合成磁场轴线 空载电动势 端电压2、同步 漏 电阻3、 90= 90<二、选择题1、（B ）2、（B ）3、（B ）三、问答题1、省略。

2、以隐极同步发电机为例，功率极限t em x U E m P 0max =，因电网电压C U =，故其功率极限取决于空载电动势()f I E 0和同步电抗x t提高方法：①运行中可增加励磁电流（既增大空载电动势0E ）；②在设计制造时可减小同步电抗（既增大气隙等）。

发电机进相与功角最简单的理解就是：机组并网发电后，定转子磁极间的角度，转子超前就是发电态，定子超前就是同步电动机状态（主汽门关闭，逆功率保护要动作）发电机功角是发电机内电势与发电机端电压向量的夹角。

当发电机功角为0时内电势与发电机端电压重合，应该是发电机全速未与系统并列。

发电机功角90度时发电机发出有功并从系统吸收无功。

发电机功角特性：Pdc=m EU/Xd sinδ Pdc电磁功率M 相数Xd 同步电抗δ 功角E电势，U机端电压当原动机增加输入功率时，发电机的电磁功率也相应增加，正常运行的发电机只增加电磁功率时，其电势不变（励磁不变）机端电压不变（并列于系统），同步电抗不变。

由以上公式可以看出，只有功角变大，才满足这个特性。

在物理上可以这样理解：增加原动力时，转子加速，但由于同步运行的作用，使得转子的转速不可能脱开同步转速，而又回到平衡。

但此时和电枢主磁通和转子磁极中心线不再是和刚才一样的角度，而是加了一个角度，即Δδ。

功角只有在0--90度间才符合这个特性。

也就是SIN0-90度的值是0---1 发电机在正常运行时，功角一般在30度左右，这是因为需要一个静稳定的冗余。

因为SIN30度=0.5也就是说一般发电机的静态稳定冗余为2。

现代发电机因为有了较为先进的调节器，往往功角可以运行在较大的角度运行，甚至运行在功率因数为进相0.9运行，而保证不会失去静态稳定。

这时候的功角大于90度，，，，，，根据以上公式大家可以进行分析。

发电机静稳极限角是90°，当功角大于90时，若发电机受到大的扰动就会失去同步。

进相运行的深度应经过试验得到。

我厂具体事例为：昨天#4机停机后，#3机A VC投入、600MW负荷时，无功负荷进相深度达-60MV ar，无法自动恢复，退出A VC手动增加无功至-40MV ar重新投入A VC。

查阅规程，在600MW进相试验时最大为-89MV ar，再低极可能发生发电机稳定破坏发生振荡，记得#4机试验时就振荡一次。