電機及電力拖動第11章-同步電動機和同步調(diào)相機課件

1、第十一章 同步電動機和同步調(diào)相機 11.1 同步電動機的基本方程式和相量圖 11.2 同步電動機的啟動 10.3 同步調(diào)相機 10.4 反應式同步電動機 11.0 前 言前 言同步調(diào)相機只相當于空載運行的同步電動機，它不用來拖動機械負載，而專門用來調(diào)節(jié)無功功率，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)。 同步電動機和調(diào)相機的轉(zhuǎn)子一般都采用凸極結(jié)構(gòu)，并在磁極的極靴上裝有起動繞組（即阻尼繞組）。同步電動機與感應電動機相比，其主要特點:1) 轉(zhuǎn)速不隨負載的變化而變化，而且有較高的功率因數(shù)（可達到cos=1），特別在過勵狀態(tài)下，還可使功率因數(shù)超前，從而提高了電網(wǎng)的功率因數(shù)。2) 同步電動機的氣隙較大，Xd較小，過載能力較高

2、（Km=23），靜態(tài)穩(wěn)定性好，且因為氣隙大而使結(jié)構(gòu)可靠性提高，安裝維護容易。3) 在不需要調(diào)速而功率又較大的場合，如驅(qū)動大型的空氣壓縮機、球磨機、鼓風機和水泵以及電動發(fā)電機組等，較多采用同步電動機。11.1 同步電動機的基本方程式和相量圖11.1.1 同步電機的可逆原理 同步電機運行于發(fā)電機狀態(tài)時，如圖所示。 轉(zhuǎn)子磁極軸線超前定子合成磁極軸線，0，電機把機械能轉(zhuǎn)變成電能。 同步電機的運行是可逆的，既可以用作發(fā)電機，還可以用作電動機。 電磁功率PeM和功率角均為正值，勵磁電動勢E0超前于電網(wǎng)電壓U-角。 逐步減少發(fā)電機的輸入功率，轉(zhuǎn)子將瞬時減速，角減小，相應的電磁功率也減少。 當發(fā)電機的輸入功率

3、只能滿足空載損耗時，發(fā)電機處于空載運行狀態(tài)。并不向電網(wǎng)輸送功率過渡狀態(tài) 繼續(xù)減少發(fā)電機的輸入功率，則和 Pem變?yōu)樨撝?。卸動原動機，電機從電網(wǎng)吸收功率滿足空載損耗，成為空轉(zhuǎn)的電動機。 電機軸上加上機械負載，負值的增大，由電網(wǎng)向電機輸入的電功率和相應的電磁功率增大，轉(zhuǎn)子磁極軸線落后定子合成磁極軸線，轉(zhuǎn)子受到驅(qū)動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩作用。電動機狀態(tài) 由同步發(fā)電機轉(zhuǎn)變?yōu)橥诫妱訖C時，功率角和相應的電磁功率均由正值變?yōu)樨撝担姍C由輸出電功率變?yōu)檩斎腚姽β?，電磁轉(zhuǎn)矩由制動變?yōu)轵?qū)動。11.1.2 同步電動機的基本方程式和相量圖 按照發(fā)電機慣例，同步電動機可以看成是一臺輸出負的有功功率的發(fā)電機，其電動勢方程與發(fā)電

4、機的方程相同，以隱極機發(fā)電機為例： 按照電動機慣例，把輸出負電流看成是輸入正電流即可，其電動勢方程：隱極機：發(fā)電機觀點電動機觀點等效電路凸極機：同步電動機的功角特性與發(fā)電機的相似，用M=-代替即可。同步電動機的電磁功率公式:上式除以同步速度得同步電動機的電磁轉(zhuǎn)距:同步發(fā)電機的過載能力、比整步功率所作的分析和結(jié)論，對電動機也是完全適用的。在近代同步電動機中，其參數(shù)Xd*=0.61.45，Xq*=1.01.4，額定功率角DN=2030，過載能力Km=23。凸極同步電動機相量圖11.1.3 同步電動機的V形曲線 與同步發(fā)電機相似,當同步電動機的輸入有功功率恒定而調(diào)節(jié)勵磁電流時,也有三種勵磁狀態(tài),“正

5、常勵磁”時,電動機沒有無功功率輸出；“過勵”時電動機從電網(wǎng)吸收容性無功（或發(fā)出感性無功）;“欠勵”時電動機從電網(wǎng)吸收感性無功（或發(fā)出容性無功）.也可以調(diào)節(jié)無功功率. 調(diào)節(jié)勵磁電流可以調(diào)節(jié)同步電動機的無功功率和功率因數(shù),這是同步電動最可貴的特點. 為了改善電網(wǎng)的功率因數(shù)和提高電機的過載能力，現(xiàn)代同步電動機的額定功率因數(shù)一般均設計為1-0.8（超前）。11.2 同步電動機的啟動同步電動機不能自行起動 假設定子磁場的運動方向由左向右，并在某瞬間轉(zhuǎn)到圖a所示的位置，由圖可見，此瞬間定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩是推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的；但由于轉(zhuǎn)子具有轉(zhuǎn)動慣量，在此轉(zhuǎn)矩作用下，并不可能立即加速到同步

6、。于是在半個周期以后（即1/100s以后），定子磁場向前移動了一個極距，達到圖b的位置，此時定子磁極對轉(zhuǎn)子磁極的排斥力，將阻止轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動。如此變化不已，可見轉(zhuǎn)子上受到的平均轉(zhuǎn)矩為零相互吸引相互排斥 由于同步電動機的平均起動轉(zhuǎn)矩為零，所不能自行起動，必須借用其它方法。 常用的起動方法有：輔助電動機起動法、變頻起動法和異步起動法。其中異步起動法應用最廣泛。 現(xiàn)代同步電動機多采用異步起動法來起動。它是通過在凸極式同步電動機的轉(zhuǎn)子上裝置阻尼組和感應電動機的籠型繞組相似，只是它裝在轉(zhuǎn)子磁極的極靴上，有時亦稱同步電動機的阻尼繞組為起動繞組。同步電動機的異步起動方法：第二步:將同步電動機的定子繞組接通三相交

7、流電源。這時定子旋轉(zhuǎn)磁場將在阻尼繞組中感應一電流，此電流與定子旋轉(zhuǎn)磁場相互作用而產(chǎn)生異步電磁轉(zhuǎn)矩，同步電動機便作為異步電動機而起動。第三步:當同步電動機的轉(zhuǎn)速達到同步轉(zhuǎn)速的95%左右時，將勵磁繞組與直流電源接通，給予直流勵磁。這時轉(zhuǎn)子上增加了一個頻率很低的交流轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子磁場與定子磁場之間的相互吸引力便能把轉(zhuǎn)子拉住，使它跟著定子旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，即所謂牽入同步。第一步:把同步電動機的勵磁繞組通過一個電阻短接（下圖）。起動時勵磁繞組開路是很危險的，因為勵磁繞組的匝數(shù)很多，定子數(shù)很多，定子旋轉(zhuǎn)磁場將在該繞組中感應很高的電壓，可能擊穿勵磁繞組的絕緣。短路電阻的大小約為勵磁繞組本身電阻的10倍左右

8、。同步電動機異步啟動法原理線路圖11.3 同步調(diào)相機 同步調(diào)相機（或稱同步補償機）是專門發(fā)送無功功率的同步電機，實質(zhì)上是一臺空載運行的同步電動機。 在電網(wǎng)的受電端接上同步調(diào)速相機，是減少線路中的損耗和電壓降，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，減輕發(fā)電機的負擔的重要方法。 受電端裝有自動勵磁調(diào)節(jié)的同步調(diào)相機可以使各種工況下受電端的電壓基本保持不變。1)調(diào)相機的額定容量指的是在過勵狀態(tài)下的額定視在功率。2)由于轉(zhuǎn)軸上不帶機械負載，所以調(diào)相機的轉(zhuǎn)軸比同容量的電動機轉(zhuǎn)軸細，沒有過載能力的要求。3)為了提高調(diào)相機提供感性無功的能力，勵磁線圈導線截面較大，但勵磁損耗仍然很大，對通風冷卻要求較高。同步調(diào)相機的特點 同步調(diào)

9、相機的起動一般采用異步起動法或輔助電動機法。選擇起動方法時，首先考慮限制起動電流，然后考慮滿足起動轉(zhuǎn)矩的要求。11.4 反應式同步電動機反應式同步電動機是在沒有直流勵磁時的凸極式同步電動機。 凸極同步電動機失去直流勵磁時，主極磁通為零，由主磁通所建立的電動勢E0也就等于零,只產(chǎn)生附加電磁功率和相應的附加電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩是由于直軸和交軸磁路磁阻不等而使Xd和Xq不相等所產(chǎn)生的，因此又稱磁阻轉(zhuǎn)矩反應式同步電動機轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生可以用下圖所示的簡單模型來說明，圖中N、S極表示電樞旋轉(zhuǎn)磁場的磁極。一個圓柱形隱極轉(zhuǎn)子，因此當轉(zhuǎn)子無勵磁時，無論其直軸和電樞旋轉(zhuǎn)磁場的軸線相差多大角度都不能產(chǎn)生切向電磁力及電磁轉(zhuǎn)矩

10、。 凸極的反應式同步電動機的空轉(zhuǎn)情況。由于電動機的機械損耗可略去不計，故電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T0，于是定子旋轉(zhuǎn)磁轉(zhuǎn)軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線重合（即=0），此時磁力線不發(fā)生扭斜，空載電流近似為 。 當電動機加上機械負載時，則由于轉(zhuǎn)矩不平衡，轉(zhuǎn)子將發(fā)生瞬時減速，于是轉(zhuǎn)子的直軸（d軸）將落后于電樞旋轉(zhuǎn)磁場軸線一個角度（圖中表示=45）。由于直軸磁路的磁阻遠小于交軸磁路的磁阻，故磁力線仍由極靴處進入轉(zhuǎn)子，使磁場發(fā)生扭斜，并因此產(chǎn)生與電樞磁場轉(zhuǎn)向相同方向的磁阻轉(zhuǎn)矩T與負載轉(zhuǎn)矩相平衡。如果角繼續(xù)增大，則磁場的畸變開始減小，因為部分磁通開始直接沿轉(zhuǎn)子交軸方向通過，從而使穿過轉(zhuǎn)子極面的磁力線數(shù)減少。當轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角=90時，磁阻雖最大，但磁力線卻未被扭曲，全部磁力線沿轉(zhuǎn)子交軸方向穿過，如圖d所示，這時氣隙磁場又是對稱分布，故合成轉(zhuǎn)矩又變成零當90時，轉(zhuǎn)矩將改變方向，如圖e所示。=180時，轉(zhuǎn)矩又等于零 反應式同步電動機接入電網(wǎng)后，從電網(wǎng)吸取感性的無功電流，并建立直軸電樞反應磁場。在理想的空載情況下，電動機不需要產(chǎn)生與負載轉(zhuǎn)矩相平衡的電磁轉(zhuǎn)矩，此時轉(zhuǎn)子保持其直軸方向的軸線與定子磁場軸線一致（=0），并隨定子磁場同步旋轉(zhuǎn)。 反應式同步電動機的最大