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1、第十九章 同步电动机,第一节 同步电动机的基本电磁关系、方程式和相量图 第二节 同步电动机的无功功率调节 第三节 同步调相机 第四节 同步电动机的起动 *第五节 特殊同步电机,同步电动机（synchronous motor）是同步电机的另一种重要的运行方式。 与异步电动机相比，同步电动机的主要特点： 一是转子转速恒定，不受负载大小变化的影响，其转子转速n与磁极对数p、电源频率f之间始终保持不变 ； 二是同步电动机的功率因数可以任意调节，由于同步电动机是双边励磁，可以调节转子励磁电流，将同步电动机的功率因数从滞后到超前范围内平滑地改变。,为了改善供电系统的功率因数，有时将同步电动机作空载运行，专
2、门用来调节系统的无功功率，作这种运行方式的同步电动机，称为同步调相机。同步电动机的功率因数都是设计在超前0.850.9的范围内，小容量的有时取到1.0； 三是同步电动机的气隙比异步电动机的大，同步电抗小，因而过载能力强，静态稳定性好； 四是同步电动机在不考虑凸极效应时最大转矩与电压成正比，而异步电动机的最大转矩与电压的平方成正比，因此在电网电压下降时，同步电动机的过载能力比同容量的异步电动机高。,同步电动机的主要缺点是：起动比较复杂，并需要直流励磁电源，结构也更复杂，制造成本和维护成本都更高。 同步电动机广泛用于不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频
3、调速系统中应用很广泛。 同步电动机一般都作成凸极式，为了能够自起动，在转子磁极的极靴上装起动绕组。,小型同步电机也广泛应用于自动控制系统中，如步进同步电机、永磁同步机等，尤其永磁同步机近年来作为发电机引起极大的关注，风力发电作为绿色能源之一，已在世界上和我国得到一定的应用，风力发电采用永磁同步发电机有重量轻、可靠性和效率高的优点，本章作简单的介绍。,第一节 同步电动机的基本电磁 关系、方程式和相量图,一.从发电机状态过渡到电动机状态过程 1.发电机状态 以隐极同步发电机为例，同步电机运行于发电机状态时，并向电网输送一定的有功，其相量图如图19-1a。,图19-1 从发电机到电动机的过渡,此时
4、超前于 ，转子主极轴线沿转向超前于气隙合成磁场轴线，和电磁功率都为正，因而作用于转子上的电磁转矩为制动性质。原动机输入驱动机械转矩克服电磁转矩，将机械能转变为电能。 2.空载状态 逐步减少原动机输入功率，使转子瞬时减速，角和电磁功率相应减小。当角减至零时，发电机变为空载运行，其输入功率正好抵偿空载损耗，相量图如图19-1b所示。,3.电动机状态 继续减小原动机的输入功率，如图19-1c， 超前于 ，主极磁场落后于气隙合成磁场，和电磁功率都为负，表明电机要从电网吸收一部分电功率，与原动机输入功率一起与空载损耗平衡，以维持转子的同步速。 如果再折去原动机，就变成空转的同步电动机，空载损耗全部由电网
5、输入的电功率供给。 如果在轴上加上机械负载，则和电磁功率的负值变大，主磁场落后于气隙合成磁场，电磁转矩为驱动性质，拖动轴上机械负载一同旋转，电机进入电动机运行状态，将电网输入的电能转换成机械能。此时发电机的相量图如图19-1c所示。,二.方程式和相量图,同步电动机分析时采用电动机惯例，电流流入电动机方向为正方向，如图19-2a，电流 滞后于电压 ，规定相应的功率因数角和功角为正值，则输入的电功率和产生的电磁功率都为正值。则电动势平衡方程式分别为 对于隐极同步电动机,图19-2 电动机惯例表示的隐极同步电动机的等效电路和相量图,凸极同步电动机：,同理根据电动势方程可以画出相量图，如图19-2。,
6、三.功率与转矩平衡方程和功角特性 1.功率平衡方程式 同步电动机正常运行时，由电网输入的电功率P1除了很小部分消耗于定子铜耗外，即为由电磁场从定子传送到转子的电磁功率Pem。 转子上获得的总机械功率Pm为Pem中减去定子铁心损耗、机械损耗pm，总机械功率Pm除去和附加损耗ps（有的还包括励磁机功率pf）后才是电动机最后的输出功率P2。,其中,称为空载损耗,2. 转矩平衡方程式,各项除以,得到转矩平衡式 T=T0+T2 转矩平衡式说明，电动机稳定运行时，驱动性质的电磁转矩与制动性质的输出转矩和空载转矩之和平衡。,3.功角特性 电动机运行时，励磁电动势,滞后与电压,功角为正值，同理有,若令,即得隐
7、极同步电动机的电磁功率和电磁转矩表达式,第二节 同步电动机的无功功率调节,一.同步电动机的无功功率调节 同步电动机运行时，从电网吸收的有功功率P1基本上由拖动的机械负载T2来决定，因为P1就等于输出功率P2= T21加上电机内部的损耗。与同步发电机类似，当励磁电流不变时，有功功率的改变将引起功率角的改变，此时也会引起无功功率的变化。 与同步发电机类似，当励磁电流不变时，有功功率的改变将引起功率角的改变，此时也会引起无功功率的变化。,但是同步电动机作为电网的有功负荷，它的无功功率却是可以依靠改变励磁电流来调节，这时同步电动机的一大特点。 图19-3表示同步电动机功率因数cos随负荷大小改变时的变
8、化情况。 图中曲线1表示，若调节同步电动机励磁电流，使电动机空载时cos=1，保持此励磁电流不变，随着电动机承担的负载增大，电动机的功率因数cos减小，且为滞后性质。 曲线2表示，若调节励磁电流，使电动机半载时cos=1，保持此励磁电流不变，当实际负载低于半载时，cos减小，且为超前性质；若实际负载高于半载时，cos同样减小，且为滞后性质。,图19-3 不同励磁时同步电动机的功率因数特性,曲线3表示，当调节励磁电流，使电动机满载时cos=1，此后随负载减小，cos减小，且为超前性质。 总之，从曲线分析，改变同步电动机的励磁电流，可以使cos改变，也即同步电动机可以用调节励磁电流的方法，使其成为
9、电网的感性负荷、容性负荷和纯电阻性负荷。,与同步发电机类似，同步电动机并在恒压电网上运行时，若输出功率P2恒定，以隐极同步电动机为例，且忽略电枢电阻损耗。则 由于m、U、xs均不变，则 图19-4给出了输出功率不变而励磁电势变化时隐极发电机的电势相量图。,图19-4 P2=常数，调节励磁时的相量图,和,的末端必须落在直线AB和CD上。可知同步电动机在有功功率恒定、励磁电流变化时，电枢电流随励磁电流变化的规律,二.同步电动机的V型曲线,电枢电流随励磁电流变化的关系曲线称为同步电动机的V型曲线，即I=f(If) ，如图19-5，从图中可见： 同步电动机输出有功功率P2恒定，改变励磁电流可以调节其无
10、功功率;,图19-5 同步电动机的V型曲线,“正常”励磁时功率因数cos =1，电枢电流全部为有功电流，故数值最小。 励磁电流小于正常励磁值(欠励)时，电动机功率因数cos 滞后，同步电动机相当于感性负载，要从电网吸取滞后无功。 励磁电流大于正常励磁值(过励)时，电动机功率因数cos超前，同步电动机相当于容性负载，要向电网输出感性无功。 在欠励区，励磁电流减小到一定数值时，电动机将失步，不能稳定运行；,改变励磁可以调节电动机的功率因数，这是同步电动机最可贵的特点。 因为普通电网上的负载主要是吸收感性无功的异步电机和变压器，因此，利用同步电动机功率因数可调的特点，让其工作于过励状态，要向电网输出
11、感性无功，可以改善电网的无功平衡状况，从而提高电网的功率因数和运行性能及效益。,第三节 同步调相机,同步调相机(synchronous condenser)，也称同步补偿机(SYC)，利用不带机械负载的同步电动机改变励磁可以调节功率因数的原理，在电网适当的位置装上调相机，就地补偿无功功率，提高功率因数，降低线路压降和损耗，提高发电设备的利用率和效率。,一.调相机的原理 同步调相机实为不带机械负载的同步电动机，它利用同步电动机改变励磁电流可以调节功率因数的原理并联运行于电网上。因为同步调相机吸收的有功功率仅供电机本身的损耗，因此它总是在接近零电磁功率和零功率因数的情况下。 同步调相机由于不带有功
12、负载，忽略调相机的全部损耗，则电枢电流只有无功分量，即 ， ，根据电动势方程式可知，同步电动机运行只有两种状态。,图19-6 同步调相机的相量图,如图19-6（a）为过励状态， 领先于 ，吸收容性无功功率，即发出感性无功功率。 如图19-6（b）为欠励状态， 落后于 ，吸收感性无功功率。 所以，只要调节励磁电流，就能灵活地调节无功功率的性质和大小。如前所述，电力系统在大多数情况下呈感性，故调相机通常都是在过励状态，作为无功功率电源，提供感性无功，改善电网功率因数，保持电网电压稳定。,二 .调相机用途,调相机向电网补充无功功率，根据其所在位置不同，补偿作用也不同。 1受控补偿 如图19-7，调相
13、机在负荷节点补偿，当负荷较大时，为了改善功率因素，同步补偿机应过励运行；当电网负荷很轻时，高压长输电线路将呈现较大的电容作用，使受端电网电压升高，此时，同步补偿机应运行在欠励状态，吸收电网中多余的无功功率。,图19-7 调相机的受控补偿,2中间补偿 如图19-8，调相机在输电线路上进行补偿，发电机送到系统的功率为,当,减小时对稳定有利，因为,增加 ，角减小，稳定提高；当保持原过载能力时，输送的功率将增大；中间加补偿机相当于线路的,x减小，提高了稳定性或增加输出。,图19-8 调相机的中间补偿,三.调相机特点 （1）因不带机械负载，补偿机转轴可以比细。因为输出有功功率为零（忽略调相机本身的损耗）
14、， 过励时，电流超前电压90； 欠励时，电流滞后电压90， 只要调节励磁电流，就能灵活地调节无功功率的性质和大小。 电力系统在大多数情况下呈感性，故调相机通常都是在过励状态下运行，作为无功功率电源，提供感性无功，改善电网功率因数，保持电网电压稳定。,（2）由于没有稳定问题，xs可较大，使得气隙较小，励磁也较小，转子用铜量少。 （3)额定容量对应过励而言。 （4)也存在起动问题，一般利用异步起动，加起动 绕组。 水电站在枯水期间，水轮发电机可作调相运行；在同时有水轮机和汽轮发电机的电网，丰水期间，水轮发电机发有功功率，汽轮发电机作调相机运行。,第四节 同步电动机的起动,一.起动方法 电机只有在定
15、子旋转磁场和转子旋转磁场相对静止时，才能得到平均电磁转矩，稳定地实现机电能量转换。 若将静止的同步电动机通入直流电后直接投入电网，则定子旋转磁场将以同步转速相对于转子磁场运动，转子上受到的是交变的脉振转矩，平均值为零。因此，同步电动机不能自起动，而必须借助于其它的起动方法。 同步电动机常采用的方法有下列三种。,1.辅助电动机起动法 辅助电动机通常采用和主机相同极对数的异步电动机（容量一般为主机的5%15%）。 起动时，先由辅助电动机将主机拖到接近同步转速，然后用自同步法将其投入电网，然后切断辅助电动机。另外，还可以用和主机同轴的直流励磁机兼作辅助电动机。 这种方法只适合于空载起动，而且所需设备
16、多，操作复杂。,2.变频起动法 这是一种改变定子旋转磁场转速、利用同步转矩起动的方法，也称软起动法。 起动过程中，同步电动机转子通入励磁电流，定子绕组由变频电源供电。变频电源的频率在起动时很低，使转子起动旋转，然后逐渐上调至额定频率，利用同步转矩的作用使电机的转速随变频电源的频率同步地升至额定速。 变频起动法起动过程平稳，性能优越，在中、大型容量电机中应用越来越多。但需要变频电源，并且励磁机不能和主机同轴，否则在最初转速很低时，励磁机无法提供所需的励磁电压。,3.异步起动法 异步起动的原理接线如图19-9，同步电动机多数在转子磁极表面上装有鼠笼式起动绕组（也称阻尼绕组），同步电机起动前先把励磁绕组经10倍于励磁绕组电阻值的附加电阻短接，当定子绕组接电源时，便能产生使转子转动的异步转矩，并加速至接近同步转速，此时，再加入励磁，依靠同步转矩将转子牵入同步。 异步起动法简单易行，在中、小容量同步电动机中应
