14 第十二章 同步电动机和同步调相机.docx

第1页：同步电动机的应用与可逆原理

随着工业发展，一些生产机械的功率越来越大，如空气压缩机、大型鼓风机、电动发电机组等，功率达数百 kW 到数万 kW，这些生产机械本身没有调节速度的要求，一般都采用同步电动机拖动——因为同步电动机的功率因数比异步电动机高，可以改善电网的功率因数，这是异步电动机做不到的。同步调相机只相当于空载运行的同步电动机，它不用来拖动机械负载而专门用来调节无功功率、提高电网的功率因数。

同步电机的可逆原理：同步电机和其它旋转电机一样具有可逆性，既可作发电机也可作电动机。一台发电机并联到无限大电网后向电网输出电功率的根本原因是把原动机的汽门、水门开大，增加拖动转矩 T1，使标志转子位置的 Ff 比气隙合成磁动势 Fδ 超前一个角度 θ，出现电磁功率，此时 Pe、θ 为正值，E0 超前 U 角度 θ。若减小输入功率，转子减速、θ 角减小、Pe 减小；当 θ 减小到零时电磁功率也为零，发电机处于空载，不向电网发电。这时撤掉原动机、在转子上加机械负载，电机减速、E0 滞后 U、功率角变为负值，电机即变为电动机运行。

第2页：同步电动机的基本方程式与相量图

按发电机惯例，P1=mUI·cosφ>0 表示电机吸收电功率、P1<0 表示电机发出电功率。因此当 φ>90° 时 P<0，说明电机吸收电功率；此时 Pe=m(E0U/xt)·sinθ。当 φ<90° 时 P>0，说明吸收的电功率变为机械功率，Pe=P2+P0，P2 为机械功率。

由于 φ>90°、P1=mUI·cosφ<0 说明此时从电网吸收电功率，按照电动机惯例把电流正方向倒一下，则 φ<90° 表示电机吸取电功率。此时方程式为 U=E0+I·ra+jI·xt。按电动机惯例，P1=mUI·cosφ>0 表示从电网吸收电功率，P1<0 表示发出电功率。根据能量守恒：P1−Pω=Pe，Pe−P0=P2，P2 为输出的机械功率。

第3页：同步电动机运行状态的判断与过载能力

无论用发电机惯例还是电动机惯例，判断一台同步电机究竟是发电机还是电动机运行，关键要看转子励磁磁动势是超前 Fδ 还是滞后 Fδ，即 E0 超前 U 还是 E0 落后 U。

静态稳定与过载能力：与发电机一样，dTe/dθ>0 稳定，dTe/dθ<0 不稳定。

• 隐极机：T=m(E0U/Ωxt)·sinθ；
• 凸极机：T=Pe/Ω=(m/Ω)[(E0U/xd)·sinθ+(U²/2)(1/xq−1/xd)·sin2θ]。

过载能力 km=Tmax/TN。

第4页：同步电动机的V形曲线

电动机在某一定负载下，改变它的励磁电流，找出它的电枢电流的变化曲线，就是所谓的 V 形曲线。同步电动机负载不变时 Pe=m(U·E0/xt)·sinθ=常数，即 E0·sinθ=常数；负载不变则输入的电功率 P1 也近似不变，P1=mUI·cosφ=常数，即 I·cosφ=常数。

同步电动机比较突出的优点是能够在超前的功率因数下运行，起到改善电网总功率因数的作用。从 V 形曲线看出，要想让同步电动机在超前的功率因数下运行，就必须增大励磁电流，使同步电动机处于过励状态下运行。

• 励磁电流大于正常励磁电流时，电流超前 U，功率因数超前，从电网吸收超前无功；
• 励磁电流小于正常励磁电流时，电流滞后 U，功率因数滞后，从电网吸收滞后无功。

第5页：同步调相机的用途与运行

专供无功功率的同步电机称为同步调相机（同步补偿机）。随着电力系统日益扩大，系统中的主要负载是异步电机与变压器，均为感性负载，因此电网除了供给感性负载必要的有功功率外，还要供给很大一部分感性无功，从而使整个电网的功率因数降低。功率因数越低，发电站容量越不能充分利用，而且线路损耗和压降增大、输电质量变坏、运行不经济，因此提出了提高电网功率因数的要求。

在电网里装上一部分同步电动机并使其工作在过励状态，可以起到改善功率因数的作用，但仅仅靠同步电动机还不能满足要求，因此有必要在受电端装上一些同步调相机，专门改善电网的功率因数：

• 当电网担负滞后功率因数的负载时，同步电动机采用过励运行，从电网吸收容性无功（即超前）电流；
• 当电网担负超前功率因数的负载时，同步电动机采用欠励磁运行，从电网吸收滞后的无功电流。