電機學課件第24章-同步電動機和同步補償機

第五篇同步機第24章同步電動機和同步補償機24.1同步電動機的原理24.2同步電動機的特性24.3同步電動機的起動24.4同步補償機24.1.1電壓方程、等效電路、相量圖24.1.2功角特性、功率方程24.1.3電磁轉矩、轉矩方程24.1

同步電動機的原理1隱極電動機的電壓方程2隱極電動機的等效電路3隱極電動機的相量圖4凸極電動機的電壓方程5凸極電動機的相量圖6電動機的電樞反應7無功（無功功率、無功能量）的幾種說法24.1.1同步電動機的

電壓方程、等效電路、相量圖為了應用方便，改用電動機慣例，即以輸入電流作為正方向，以輸入電功率作為正值，有關物理量的下標加M，代入發(fā)電機的電壓方程可得到隱極同步電動機的電壓方程：1隱極電動機的電壓方程2隱極電動機的等效電路3隱極電動機的相量圖上圖為以發(fā)電機慣例表示的電動機狀態(tài)：

Pe<０,δ<０,φ

和ψ0均為鈍角。

cosφ<０,cosψ0<０

右圖為以電動機慣例表示的電動機狀態(tài)。從發(fā)電機慣例（左）到電動機慣例（下）3續(xù)1關于δ<0?：課本第220頁下部指出：同步電機的功角特性，0?≤δ≤180?時，電磁功率為正值，對應于發(fā)電機狀態(tài)；-180?≤δ≤0?時，電磁功率為負值，對應于電動機狀態(tài)。從上頁電動機相量圖可見，δ<0?，正相吻合。3續(xù)2隱極電動機相量圖的特點：1）E0在U之下，即相量E0落后于相量U，亦即功率角為負。2）典型狀態(tài)為電流超前于電壓，即對電網(wǎng)而言，同步電動機相當于一個電容器。類似地可得凸極電動機的電壓方程：4凸極電動機的電壓方程凸極電動機的相量圖

參見課本第226頁之圖24-3。6電動機的電樞反應參見課本第226頁。

同步電動機電樞反應的性質與發(fā)電機的相反。即電樞電流滯后于勵磁電勢時，電樞反應有增磁作用；超前時，有去磁作用。理由如下：

在討論同步發(fā)電機電樞反應時，A相電樞電流的正向（X進A出）與+A相軸的方向符合右手螺旋慣例。B、C相類似。這樣一來，當某相電流最大時，三相合成磁勢的幅值就落到該相正相軸上。6續(xù)1如果時相合一，那么電樞電流相量和電樞磁勢矢量就同相位。在這些前提下，我們有發(fā)電機電樞反應效應的結論：電樞電流滯后勵磁電勢時電樞反應有去磁性，反之有增磁性。

現(xiàn)在，對同步電動機，電樞電流的正向剛好與同步發(fā)電機的相反。電動機的電樞電流超前勵磁電勢時，相當于發(fā)電機的電樞電流滯后勵磁電勢，反之亦然。因而二者電樞反應的性質剛好相反。6續(xù)2

前面畫出了典型狀態(tài)下隱極電動機的相量圖。該圖中電樞電流超前端電壓。并且提到：典型狀態(tài)下，對電網(wǎng)而言，同步電動機相當于電容器。

相當于電容器的同步電動機，電流超前電壓，電樞反應有去磁性，電動機處于過勵狀態(tài)。

反之，相當于電感器的同步電動機，電流落后電壓，電樞反應有增磁性，電動機處于欠勵狀態(tài)。

-------------------------------------------解答完畢。7無功的幾種說法：

汲取、發(fā)出、感性、容性、超前、滯后（落后）

電容器從電網(wǎng)汲取容性無功。這一說法相當于把電容器看作電網(wǎng)的負載-----負載從電源汲取某種東西。容性無功有時也說成超前無功。這是從電流超前電壓的角度說的。

我們也可以說：電容器向電網(wǎng)發(fā)出感性無功。這一說法相當于把電容器看作電網(wǎng)的電源-----電源向負載供應某種東西。感性無功有時也說成落后無功。這是從電流落后電壓的角度說的。1功角特性2功率方程24.1.2同步電動機的

功角特性、功率方程采用電動機慣例，把E0滯后于U的功率角和電磁功率Pe規(guī)定為正值，用δM表示，即δM=-δ，則同步電動機的功角特性表達式與同步發(fā)電機的相同，即1同步電動機的功角特性2.a定子功率方程輸入功率=定子銅耗+電磁功率2同步電動機的功率方程2.b轉子功率方程電磁功率=鐵耗+機械耗+雜散耗+輸出功率1電磁轉矩2轉矩方程24.1.3同步電動機的

電磁轉矩、轉矩方程將同步電動機的功角特性表達式除以Ωs，即得電磁轉矩表達式：1同步電動機的電磁轉矩將同步電動機的轉子功率方程除以Ωs，即得轉矩方程：2同步電動機的轉矩方程Te是電磁轉矩，表達式見上頁。

T0是空載轉矩，T0=(pFe+pΩ+pΔ)/Ωs

T2是輸出轉矩，T2=P2/Ωs。24.2.1工作特性24.2.2無功調節(jié)24.2

同步電動機的運行特性1工作特性定義2電磁轉矩、電樞電流特性3過載能力4功因特性5效率特性24.2.1工作特性1工作特性定義同步電動機的工作特性是指電樞電壓U=UN，勵磁電流If=IfN時，電磁轉矩、電樞電流、效率、功因與輸出功率之間的關系，即

Te、IM、cosφM、η=fcos（P2）。見下頁圖。1續(xù)12電磁轉矩、電樞電流特性當輸出功率P2=0時，Te=T0IM=I0

都比較小，但非零。隨著P2的增加，電磁轉矩將正比增大，電樞電流也隨之增大。因此，Te=fT（P2）是一條直線，而IM=fI（P2）近似為一條直線。3過載能力同步電動機的最大電磁功率與額定功率之比，稱為過載能力。和發(fā)電機一樣，增加電動機的勵磁（即增大E0），可以提高最大電磁功率Pe(max)，從而提高過載能力。這是同步電動機的特點之一。4功因特性功因特性：是一條下降的曲線。5效率特性效率特性：空載時，η=0；隨著P2增加，效率逐步增加，達到某個最大值后開始下降。同步電動機的效率特性與其他電機基本相同。1無功調節(jié)相量圖2不同勵磁時的功因特性24.2.2同步電動機的無功調節(jié)1無功調節(jié)相量圖同步電動機的無功功率和功率因數(shù)也可以通過勵磁來調節(jié)。相應的V型曲線與發(fā)電機的相似，也有正勵、過勵、欠勵以及穩(wěn)定極限，只是過勵時功率因數(shù)為超前，欠勵時功率因數(shù)為滯后，與發(fā)電機的相反。1續(xù)12不同勵磁時的功因特性與異步電動機比較，同步電動機最大的特點是：功率因數(shù)可調。改變勵磁電流，可使同步電動機的功率因數(shù)達到1，甚至變成超前。

2續(xù)1功率因數(shù)可調是同步電動機的最大優(yōu)點。同步電動機通常在過勵狀態(tài)下運行，從電網(wǎng)吸收超前電流，相當一個容性負載，可以改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。2續(xù)2例題24-1課本第227頁有一臺凸極同步電動機接在無窮大電網(wǎng)上運行，電動機的額定功率因數(shù)cosφM=1，電動機的參數(shù)為，，電樞電阻和磁飽和忽略不計。試求：（1）該機在額定電流、cosφM=1的情況下運行時，勵磁電動勢的標幺值和該勵磁電動勢下的功角特性；（2）若負載轉矩不變，勵磁增加20%，問電樞電流和功率因數(shù)將變成多少？分析：利用相量圖------由圖可見：E0=UcosδM+IdMXd因此，首先求內功率因數(shù)角Ψ0。以便對電流進行正交分解，求出IdM。解答：采用標幺值計算。Step1取電動機端電壓為參考相量。由于功因為1，故功率角=內功因角。將有關數(shù)據(jù)代入功角特性公式，可得：注意，用標么值表示時，式中無相數(shù)m，且以電動機的額定視在功率3UNIN作為功率基值。Step2若勵磁增加20%，不計飽和時有：因負載轉矩不變，故Pe*仍保持為1，用試探法求得：24.3.1異步起動法------了解即可。24.3.2其它起動法------不要求。24.3

同步電動機的起動24.3.1同步電動機的

異步起動法-----了解即可。1同步電動機不能自行起動

同步電動機直接起動時，定子旋轉磁場以同步轉速旋轉，而轉子靜止不動。由于定、轉子磁場在空間不能相對靜止，因而不能產(chǎn)生恒定的同步電磁轉矩。作用在轉子上的同步電磁轉矩正、反交變，平均轉矩為零。

2同步電動機的異步起動法

同步電動機在主極極靴上裝設起動繞組來起動。起動繞組相當于感應電動機轉子上的籠型繞組，因此稱為異步起動法。24.3.2同步電動機的

其它起動法-----不要求。24.4.1同步補償機的本質------空載電動機24.4.2同步補償機的功能------無功補償24.4

同步補償機：不要求24.4.1同步補償機的本質

（原理）-----空載的同步電動機補償機原理：同步補償機是空載運行的同步電動機。其V型曲線相當于Pe=0時電動機的V型曲線。正勵時，補償機的電樞電流接近于零；過勵時，補償機從電網(wǎng)吸取超前的無功電流；欠勵時，補償機從電網(wǎng)吸取滯后的無功電流。24.4.2同步補償機的功能-----無功補償1對感性無功的需求

電網(wǎng)中大部分的負載為感應電動機，還有大量的變壓器。它們要從電網(wǎng)中吸取滯后無功電流來建立磁場，致使整個電網(wǎng)的功率因數(shù)降低，同步發(fā)電機的容量不能充分利用，而且在輸電線和發(fā)電機中流動的無功電流增大了線路的電壓降和銅耗。2感性無功的供給

如果能在受電端裝設同步補償機，如圖示。設感應電動機的滯后電流為Ia，補償機的超前無功電流為Ic，線路電流為I。2感性無功的供給：續(xù)1

補償機從電網(wǎng)吸收的超前無功電流完全（或部分）補償了感應電動機所需的滯后無功電流，使線路電流減小，顯著提高了功率因數(shù)。

如果采用發(fā)電機慣例來分