1、第九节第九节 同步电动机与同步补偿机同步电动机与同步补偿机一、同步电动机的电压方程和相量图一、同步电动机的电压方程和相量图,ooeP01800ooooePUE18090901800或为驱动转矩，滞后于cossinmUIXEmUPse0沿用发电机惯例时隐极同步电动机沿用发电机惯例时隐极同步电动机的相量图的相量图IU0EsXI jaRI1、沿用发电机惯例，以输出电枢电流为正方向、沿用发电机惯例，以输出电枢电流为正方向2、用电动机惯例，以输入电枢电流为正方向、用电动机惯例，以输入电枢电流为正方向IIM1）隐极电机：）隐极电机：saXI jRIUE0发电机惯例发电机惯例sMaMsaXI jRIEXIj
2、RIEU00电动机惯例电动机惯例oMooMo909090900电动机惯例隐极同步电动机相量图和等效电路电动机惯例隐极同步电动机相量图和等效电路IIMUMMM0sMXI jaMRIaIIMaRU0EsXb0E当当 超前超前 时，时，取正值，当取正值，当 滞后滞后 时，时，取负值，取负值，MIUMIUMM当当 超前超前 时，时，取正值，当取正值，当 滞后滞后 时，时，取负值，取负值，MI0EMI0EM0M02）凸极同步电动机）凸极同步电动机qMaMQqqMddMaMqqddaXI jRIEXI jXI jRIEXIjXIjRIEU00qqddaXI jXI jRIUE0qaqddqqddaqddQ
3、XI jRIUXXI jXI jXI jRIUXXI jEE0aMMqMMMRIUXIUcossinarctan0电枢反应电枢反应 超前超前 为去磁，为去磁，滞后滞后 为增磁为增磁MI0EMI0E,IIM采用电动机惯例后采用电动机惯例后qMaMQqqMddMaMXI jRIEXI jXI jRIEU0电动机惯例凸极同步电动机的相量图电动机惯例凸极同步电动机的相量图IdMIqMIIIMUaMRIqqMXI jddMXI j0EMMM0MqjI XdMdqjIXXQE二、同步电动机的功角特性、功率方程和转矩方程二、同步电动机的功角特性、功率方程和转矩方程MdqMdeXXmUXEmUP2112120
4、sinsinMdqsMdsseeXXmUXEmUPT211220sinsinsPT22输出转矩输出转矩sFeppT0 空载转矩空载转矩seePT 电磁转矩电磁转矩20TTTe转矩方程：转矩方程：2PppPFeeecuaPpP1从电网输入电功率：从电网输入电功率：采用电动机惯例，把采用电动机惯例，把 滞后滞后 的功率角规定为正值，的功率角规定为正值，表示。表示。0EUM三、同步电动机的工作特性三、同步电动机的工作特性220220200PTPTTPPTTTTeese增大时，增大时，时时,ppRmIPmUIPFeaMMM221coscos常值，常值，22200PPP后后，过，过，时时max2Pf3）
5、效率特性）效率特性2PfIM2）电枢电流特性）电枢电流特性2PfTe1）转矩特性）转矩特性2PfITIIUUMMefNfNcos,、时时1、工作特性、工作特性MMeITcos,同步电动机工作特性同步电动机工作特性025.05.075.000.12P0I0TMcosMIeT电枢电流与输出功率近似成正比。电枢电流与输出功率近似成正比。4）功率因数特性）功率因数特性2PfMcos不同励磁时的功率因数特性不同励磁时的功率因数特性025.05.075.000.12P2.04.06.08.00.18.06.0Mcos超前超前滞后滞后123曲线曲线1励磁电流较小励磁电流较小,空载时功率因数等于空载时功率因数
6、等于1的的情况；随着负载的增加，功率因数将从情况；随着负载的增加，功率因数将从1逐步逐步下降而变为滞后。下降而变为滞后。曲线曲线2励磁电流稍大，使半载时功率因数励磁电流稍大，使半载时功率因数等于等于1的情况；此时轻载时功率因数将变的情况；此时轻载时功率因数将变为超前，超过半载时功率因数滞后；为超前，超过半载时功率因数滞后；曲线曲线3励磁电流更大，使满载时励磁电流更大，使满载时功率因数等于功率因数等于1的情况。的情况。改变励磁电流，可使电动机在任一特定负载下的改变励磁电流，可使电动机在任一特定负载下的功率因数达到功率因数达到1，甚至变成超前。，甚至变成超前。2、有功功率、端电压不变电枢电流与励磁
7、电流关系、有功功率、端电压不变电枢电流与励磁电流关系fMeNIfIPUU常值，常值，,常值常值MMIcos常值常值MMmUIPcos1常值常值MseXUEmPsin0常值常值MEsin0电枢电阻和磁饱和忽略不计，调励磁前后输出功率不变电枢电阻和磁饱和忽略不计，调励磁前后输出功率不变,则有：则有：若若 时励磁时励磁为正常励磁，则增大励磁，为正常励磁，则增大励磁，电枢电流增大且超前，电机电枢电流增大且超前，电机输入超前的无功功率，发出输入超前的无功功率，发出滞后的无功功率。减小励磁，滞后的无功功率。减小励磁，电枢电流增大且滞后，电机电枢电流增大且滞后，电机输入滞后的无功功率。输入滞后的无功功率。1
8、Mcos恒功率、变励磁时隐极同步电动机的相量图恒功率、变励磁时隐极同步电动机的相量图常值常值MMIcosCMIMIU MIDAB常值常值MEsin00E0E 0EsMXI j sMXI jsMXI j 调节励磁电流可调节电动机的调节励磁电流可调节电动机的无功电流和功率因数。无功电流和功率因数。同步电动机的同步电动机的V形曲线形曲线MIfI0 ePeP0eP正常激励正常激励欠励欠励过励过励滞后滞后超前超前1Mcos稳定极限稳定极限V形曲线最低点为正常励磁、形曲线最低点为正常励磁、的工的工作点；其右侧为过励状态，功率因数超前；左作点；其右侧为过励状态，功率因数超前；左侧为欠励状态，功率因数滞后。侧
9、为欠励状态，功率因数滞后。三种励磁电流情况下，只有正常励磁时，定子三种励磁电流情况下，只有正常励磁时，定子电流为最小，过励或欠励时，定子电流都会增电流为最小，过励或欠励时，定子电流都会增大。大。当电机带有不同的负载时，对应一组当电机带有不同的负载时，对应一组V型曲线，型曲线，输出功率越大，在相同的励磁电流条件下，定输出功率越大，在相同的励磁电流条件下，定子电流增大，所得子电流增大，所得V型曲线往右上方移。型曲线往右上方移。对每条对每条V型曲线，定子电流有一最小值，这时定型曲线，定子电流有一最小值，这时定子仅从电网吸收有功功率，功率因数子仅从电网吸收有功功率，功率因数它微微向右倾斜，说明输出为纯
10、有功时，输出它微微向右倾斜，说明输出为纯有功时，输出功率增大的同时，必须相应的增加一些励磁电功率增大的同时，必须相应的增加一些励磁电流。流。1Mcos3、V形曲线：不同有功功率时电枢电流和励磁电流的关系曲线。形曲线：不同有功功率时电枢电流和励磁电流的关系曲线。eeePPP1Mcos四、同步电动机的起动四、同步电动机的起动 同步电动机在转子上装有类似异步电动机笼型绕组的起动绕组。同步电动机在转子上装有类似异步电动机笼型绕组的起动绕组。先将同步机异步起动先将同步机异步起动,待转速到接近同步速时投入励磁待转速到接近同步速时投入励磁,电机牵入同步。电机牵入同步。3、异步起动、异步起动 选用和同步电机极
11、数相同的异步电机（选用和同步电机极数相同的异步电机（515P2N）来拖动来拖动同步电动机，当转速接近同步转速时用自整步法牵入同步。同步电动机，当转速接近同步转速时用自整步法牵入同步。2、辅助电动机起动、辅助电动机起动pfn601、变频起动、变频起动 用变频器从零频率开始变频起动用变频器从零频率开始变频起动,当电动机转速达到同步频率当电动机转速达到同步频率转速时转速时,将电动机投入工频网。将电动机投入工频网。异步起动的过程：异步起动的过程：3）将励磁绕组与直流励磁电源接通，旋转磁场将转子牵入同步。）将励磁绕组与直流励磁电源接通，旋转磁场将转子牵入同步。1）用电阻短接转子上励磁绕组。）用电阻短接转
12、子上励磁绕组。2）定子绕组接通电源，异步起动转速至）定子绕组接通电源，异步起动转速至 。snn%95异步起动法异步起动法电机的结构有所变化：电机的主极极靴上设有起动绕组电机的主极极靴上设有起动绕组相当于感应电机的鼠笼绕组相当于感应电机的鼠笼绕组异步起动方法：起动时，先把励磁绕组通过电阻短接，然后把定子绕组接到三相交流电网起动时，先把励磁绕组通过电阻短接，然后把定子绕组接到三相交流电网依靠定子旋转磁场和转子绕组中感应电流所产生的异步电磁转矩，电机便能转起来，依靠定子旋转磁场和转子绕组中感应电流所产生的异步电磁转矩，电机便能转起来，待转速上升到接近于同步转速时，再将励磁电流接入励磁绕组，使转子建立
13、主极磁场。待转速上升到接近于同步转速时，再将励磁电流接入励磁绕组，使转子建立主极磁场。此时依靠定、转子磁场相互作用所产生的同步电磁转矩，再加上由于凸极效此时依靠定、转子磁场相互作用所产生的同步电磁转矩，再加上由于凸极效应所引起的磁阻转矩，便可将转子牵入同步应所引起的磁阻转矩，便可将转子牵入同步起动方法起动方法1:异步起动法异步起动法磁阻转矩是因为交直轴磁阻不同磁阻转矩是因为交直轴磁阻不同,磁力线总是趋向磁阻更小的回路闭合造成的磁力线总是趋向磁阻更小的回路闭合造成的,电机电机转子会受到一个朝向磁阻小的方向一个力，我们称之为磁阻转矩。转子会受到一个朝向磁阻小的方向一个力，我们称之为磁阻转矩。“牵入
14、同步”自耦变压器笼形起动绕组fU运行起动异步起动时的线路图异步起动过程包括两个阶段：异步起动过程包括两个阶段：“异步起动”在“异步起动”阶段1、要求起动转矩Tst大2、要求牵入转矩Tpi大牵入转矩：牵入转矩：转速达到0.95ns（即转差率s=0.05）时，起动绕组所产生的异步转矩值此时通常选用与同步电动机极数相同的感应电动机作为辅助电动机此时通常选用与同步电动机极数相同的感应电动机作为辅助电动机其他起动方法其他起动方法在具有三相变频电源的场合在具有三相变频电源的场合，亦可以采用变频起动法。，亦可以采用变频起动法。同步电动机亦可以用其他的辅助电动机拖动而起动同步电动机亦可以用其他的辅助电动机拖动
15、而起动当辅助电机把主机拖动到接近同步转速时，再用自整步法把主机投入电网当辅助电机把主机拖动到接近同步转速时，再用自整步法把主机投入电网(1)起动时，加上励磁，把变频电源输出频率调的起动时，加上励磁，把变频电源输出频率调的很低，很低，依靠定转子磁场之间的相互作用产生同步电磁依靠定转子磁场之间的相互作用产生同步电磁转矩，起动电机；并在很低的同步转速下运转。转矩，起动电机；并在很低的同步转速下运转。变频器(2)调节变频器的输出频率，使定子旋转磁场和转调节变频器的输出频率，使定子旋转磁场和转子的转速逐步加快，一直到额定转速子的转速逐步加快，一直到额定转速(3)切除变频器切除变频器9.59.5同步补偿机
16、同步补偿机根据调节励磁即可调节同步电动机的无功电流和功率因数这一特点，可专门设计一种用根据调节励磁即可调节同步电动机的无功电流和功率因数这一特点，可专门设计一种用以改变电网功率因数、不带任何机械负载的同步电机，这种电机称为同步补偿机（亦称以改变电网功率因数、不带任何机械负载的同步电机，这种电机称为同步补偿机（亦称为同步调相机）为同步调相机）同步补偿机的原理同步补偿机的原理 同步补偿机可以看作为空载运行的同步电动机。在正常励磁时，补偿机的电枢电流极小，同步补偿机可以看作为空载运行的同步电动机。在正常励磁时，补偿机的电枢电流极小，接近于零。过励时，补偿机能从电网吸收超前的无功电流；欠励时，则从电网
17、吸取滞后接近于零。过励时，补偿机能从电网吸收超前的无功电流；欠励时，则从电网吸取滞后的无功电流。的无功电流。电力系统的大部分负载为感应电动机和变压器，它们要从电力系统的大部分负载为感应电动机和变压器，它们要从电网中吸取一定的滞后无功电流来建立其主磁场和漏磁场，电网中吸取一定的滞后无功电流来建立其主磁场和漏磁场，致使整个电网的功率因数降低致使整个电网的功率因数降低,线路压降和铜耗增大线路压降和铜耗增大电站中同步发电机的容量便不能充分利用电站中同步发电机的容量便不能充分利用如果在电网的受电端装设同步补偿机，使之从电网吸收超前的无功电流，以补偿感性如果在电网的受电端装设同步补偿机，使之从电网吸收超前
18、的无功电流，以补偿感性负载所需的滞后无功电流，则电网的功率因数就可以得到改善负载所需的滞后无功电流，则电网的功率因数就可以得到改善ia为感应电动机从电网吸取的滞后无功电流为感应电动机从电网吸取的滞后无功电流ic为同步补偿机从电网吸取的超前无功电流为同步补偿机从电网吸取的超前无功电流i为线路电流，为线路电流，i=ia+ic由于补偿机从电网吸收的超前无由于补偿机从电网吸收的超前无功电流完全（或部分）补偿了感功电流完全（或部分）补偿了感应电动机所需的滞后无功电流，应电动机所需的滞后无功电流，使线路电流减少，功率因数显著使线路电流减少，功率因数显著提高提高避免了无功电流的远程输送，改善避免了无功电流的
19、远程输送，改善了电网的功率因数了电网的功率因数在电网受电端装设补偿机后在电网受电端装设补偿机后电网电流相量图电网电流相量图UIcIaI在电网受电端装设补偿机在电网受电端装设补偿机感感补补同步发电机同步发电机输电线输电线IaIcIU数将变成多少？，问电枢电流和功率因磁增加）若负载转矩不变，励（角特性；和该激磁电动势下的功电动势的标么值的情况下运行时，激磁）该机在额定电流，（求：和忽略不计，电枢电阻和磁饱，电动机的参数为因数电动机的额定功率无穷大电网上运行有一台同步电动机接在例%2021cos15.08.01cos,56*MqdMXX*0*sin0*cos11.00cos1,1.000.5arct
20、anarctan26.571MMMUIXMMqMUMUI 解：采用标幺值计算。（）取电动机的端电压为参考相量，。由于故电枢电流，于是内功率因数角为：57.2600MMM，故功率角为由于8944.057.26coscos4473.057.26sinsin00MMqMMMdMIIII轴分量于是，电流的直轴和交252.18.04473.057.26cos1cos*0*0ddMMXIUEE为：激磁电动势功率作为功率基值且以电动机的额定视在，式中无相数注意：用标幺值表示时性公式，可得：将有关数据代入功角特mXXUXUEPMMMMMdqMde2sin375.0sin565.12sin8.015.0121s
21、in8.01252.12sin112sin*2*0*91.2212sin375.0sin878.12sin8.015.0121sin8.01502.1,502.1252.12.12.1%202*0*0MMeMMMMePPEE，得，用试探法求保持为因为负载转矩不变，故此时功角特性为：，不计饱和时，）若励磁增加（7786.05.091.22sinsin7261.08.091.22cos502.1cos*0*qMqMdMdMXUIXUEI轴分量为：枢电流的直轴分量和交于是从相量图可知，电064.17786.07261.0222*2*qMdMMIII故电枢电流为：06.2091.2297.420MMM
22、功率因数角为：变为超前。即过励时功率因数将从超前）功率因数为：1(9393.006.20coscosM内功率因数角为：97.42064.17786.0arccosarccos*0MdMMII耗不计）？各为多少（电动机的损率因数工厂的总视在功率和功，试问这两种情况下，的同步电动机可供选用（超前），和（滞后）的感应电动机，添置功率为（滞后），今欲，的总功率为某工厂电力设备所消耗例8.0cos4008.0cos4008.0cos240066MMMkWkWkWvar1800var6.03000sin6.0sin(8.0cos30008.02400cos2400kkSQkVAkVAPSkWP于是，无功功
23、率为：滞后），故由于视在功率有功功率为：解：工厂原来所耗功率（滞后）总功率因数不变总视在功率（滞后）总无功功率总有功功率）选用感应电动机时：（8.0cos350021002800var2100var)6.08.04001800(2800)4002400(12222kVAkVAQPSkkQkWkWP总功率因数较高。总视在功率较小，电动机，工厂所需要的计算表明，若选用同步滞后）总功率因数不变总视在功率（滞后）总无功功率总有功功率）选用同步电动机时：（(8815.031762800cos317615002800var1500var)6.08.04001800(2800)4002400(22222SPkVAkVAQPSkkQkWkWP
