第十一章同步电动机和同步调相机

反应式同步电动机接入电网后，从电网吸取感性的无功电 流，并建立直轴电枢反应磁场。在理想的空载情况下，电动机 不需要产生与负载转矩相平衡的电磁转矩，此时转子保持其直 轴方向的轴线与定子磁场轴线一致（δ=0），并随定子磁场同 步旋转。
在有负载的情况下，电动机的转子受到负载的制动力矩作 用，使得转子的直轴轴线对定子磁场轴线向后（逆转向）移动。 于是磁场便发生畸变，从而产生与负载转矩相平衡的附加电磁 转矩，并保持其转子直轴轴线滞后于定子磁场轴线一定的角度 δ而同步旋转。
反应式同步电动机的最大转矩发生在δ=45°时，而在 δ=90°时电磁转矩为零。如果负载再增加，将使电动机失去 同步。
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电动机状态
继续减少发电机的输入功率，则δ和 Pem变为负值。卸动原 动机，电机从电网吸收功率满足空载损耗，成为空转的电动机。
电机轴上加上机械负载，负 值的δ增大，由电网向电机输入 的电功率和相应的电磁功率增大， 转子磁极轴线落后定子合成磁极 轴线，转子受到驱动性质的电磁 转矩作用。
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同步调相机的特点
1)调相机的额定容量指的是在过励状态下的额定视在功率。
2)由于转轴上不带机械负载，所以调相机的转轴比同容量的电 动机转轴细，没有过载能力的要求。
3)为了提高调相机提供感性无功的能力，励磁线圈导线截面较 大，但励磁损耗仍然很大，对通风冷却要求较高。
同步调相机的起动一般采用异步起动 法或辅助电动机法。选择起动方法时，首 先考虑限制起动电流，然后考虑满足起动 转矩的要求。
电动机也是完全适用的。在近代同步电动机中，其参数
Xd*=0.6~1.45，Xq*=1.0~1.4，额定功率角δDN=20°~30°， 过载能力Km=2~3。
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11.1.3 同步电动机的V形曲线
与同步发电机相似,当同步 电动机的输入有功功率恒定而调 节励磁电流时,也有三种励磁状 态,“正常励磁”时,电动机没 有无功功率输出；“过励”时 电动机从电网吸收容性无功 （或发出感性无功）;“欠励” 时电动机从电网吸收感性无功 （或发出容性无功）.也可以调 节无功功率.
转子磁极轴线超前定子 合成磁极轴线，δ>0，电机 把机械能转变成电能。
电磁功率PeM和功率角 δ均为正值，励磁电动势E0 超前于电网电压U-δ角。
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过渡状态
逐步减少发电机的 输入功率，转子将瞬时 减速，δ角减小，相应 的电磁功率也减少。
当发电机的输入功率 只能满足空载损耗时，发 电机处于空载运行状态。 并不向电网输送功率
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11.3 同步调相机同源自调相机（或称同步补偿机）是专门发送无功功率的同 步电机，实质上是一台空载运行的同步电动机。
在电网的受电端接上同步调速相机，是减少线路中的损耗 和电压降，提高电网的功率因数，减轻发电机的负担的重要方 法。
受电端装有自动励磁调节的同步调相 机可以使各种工况下受电端的电压基本保 持不变。
调节励磁电流可以调节同步电动机的无功功率和功率因 数,这是同步电动最可贵的特点.
为了改善电网的功率因数和提高电机的过载能力，现代同 步电动机的额定功率因数一般均设计为1-0.8（超前）。
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11.2 同步电动机的启动
同步电动机不能自行起动
假设定子磁场的运动方向由左向右，并在某瞬间转到图a 所示的位置，由图可见，此瞬间定子磁场和转子磁场相互作 用所产生的电磁转矩是推动转子旋转的；但由于转子具有转 动惯量，在此转矩作用下，并不可能立即加速到同步。于是 在半个周期以后（即1/100s以后），定子磁场向前移动了一 个极距，达到图b的位置，此时定子磁极对转子磁极的排斥力， 将阻止转子的转动。如此变化不已，可见转子上受到的平均 转矩为零
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同步电动机的电磁功率公式:
PM
m
E0U Xd
sin D
m U2 2
1 Xq
1 Xd
sin 2D
上式除以同步速度得同步 电动机的电磁转距:
T
m E0U 1 Xd
sin D
m
U2 21
1 Xq
1 Xd
sin 2D
凸极同步电动机相量 图
同步发电机的过载能力、比整步功率所作的分析和结论，对
电机为例： E0 U IRa jIX t
按照电动机惯例，把输出负电流看成是输入正电流即可， 其电动势方程：
隐极机：
U E0 I D Ra I D X t
发电机观点
电动机观点
等效电路
凸极机：
U E0 I D Ra jIdD X d jIqD X q
同步电动机的功角特性与发电机的相似，用δM=-δ代替δ即可。
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第十一章 同步电动机和同步调相机
• 11.0 前 言 • 11.1 同步电动机的基本方程式和相量图 • 11.2 同步电动机的启动 • 10.3 同步调相机 • 10.4 反应式同步电动机
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前言
同步电动机和调相机的转子一般都采用凸极结构，并在磁极的 极靴上装有起动绕组（即阻尼绕组）。 同步电动机与感应电动机相比，其主要特点:
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11.4 反应式同步电动机
反应式同步电动机是在没有直流励磁时的凸极式同步电动机。
凸极同步电动机失去直流励磁时，主极磁通为零，由主磁 通所建立的电动势E0也就等于零,只产生附加电磁功率和相应 的附加电磁转矩
PM 0
m
U2 2
1 Xq
1 Xd
sin 2D
T
m
U2
21
1 Xq
由同步发电机转变为同步电 动机时，功率角和相应的电磁功 率均由正值变为负值，电机由输 出电功率变为输入电功率，电磁 转矩由制动变为驱动。
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11.1.2 同步电动机的基本方程式和相量图
按照发电机惯例，同步电动机可以看成是一台输出负的有功 功率的发电机，其电动势方程与发电机的方程相同，以隐极机发
当转子偏转角 δ=90°时，磁阻 虽最大，但磁力线 却未被扭曲，全部 磁力线沿转子交轴 方向穿过，如图d 所示，这时气隙磁 场又是对称分布， 故合成转矩又变成 零
当δ＞ 90°时， 转矩将改 变方向， 如图e所 示。 δ=180° 时，转矩 又等于零
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反应式同步电动机的工作原理
同步电动机的异步起动方法：
第一步:把同步电动机的励磁绕组通过一个电阻短接（下图）。 起动时励磁绕组开路是很危险的，因为励磁绕组的匝数很多，
定子数很多，定子旋转磁场 将在该绕组中感应很高的电
同步电动机异步启动法原理线路图
压，可能击穿励磁绕组的绝
缘。短路电阻的大小约为励
磁绕组本身电阻的10倍左右。
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1 Xd
sin 2D
电磁转矩是由于直轴和交轴磁路磁阻不等而使Xd和Xq不相等所 产生的，因此又称磁阻转矩
反应式同步电动机转矩的产生可以用下图所示的简单模型来说 明，图中N、S极表示电枢旋转磁场的磁极。
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一个圆柱形隐极转子，因此当转子无 励磁时，无论其直轴和电枢旋转磁场 的轴线相差多大角度都不能产生切向 电磁力及电磁转矩。
相互吸引
相互排斥
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由于同步电动机的平均起动转矩为零，所不能自行起动， 必须借用其它方法。
常用的起动方法有：辅助电动机起动法、变频起动法和异 步起动法。其中异步起动法应用最广泛。
现代同步电动机多采用异步起动法来起动。它是通过在凸 极式同步电动机的转子上装置阻尼组和感应电动机的笼型绕组 相似，只是它装在转子磁极的极靴上，有时亦称同步电动机的 阻尼绕组为起动绕组。
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（图中表示δ=45°）。由于直轴磁路的磁阻 远小于交轴磁路的磁阻，故磁力线仍由极靴处 进入转子，使磁场发生扭斜，并因此产生与电 枢磁场转向相同方向的磁阻转矩T与负载转矩 相平衡。如果δ角继续增大，则磁场的畸变开 始减小，因为部分磁通开始直接沿转子交轴方 向通过，从而使穿过转子极面的磁力线数减少。
第二步:将同步电动机的定子绕组接通三相交流电源。这时 定子旋转磁场将在阻尼绕组中感应一电流，此电流与定子旋 转磁场相互作用而产生异步电磁转矩，同步电动机便作为异 步电动机而起动。 第三步:当同步电动机的转速达到同步转速的95%左右时，将 励磁绕组与直流电源接通，给予直流励磁。这时转子上增加 了一个频率很低的交流转矩，转子磁场与定子磁场之间的相 互吸引力便能把转子拉住，使它跟着定子旋转磁场以同步转 速旋转，即所谓牵入同步。
凸极的反应式同步电动机的空转情况。由于电 动机的机械损耗可略去不计，故电动机产生的 电磁转矩T≈0，于是定子旋转磁转轴线与转子 磁极轴线重合（即δ=0），此时磁力线不发生 扭斜，空载电流近似为 。 U1 当电动机加上机械
Xd
负载时，则由于转矩不平衡，转子将发生瞬时 减速，于是转子的直轴（d轴）将落后于电枢 旋转磁场轴线一个角度δ
1) 转速不随负载的变化而变化，而且有较高的功率因数（可 达到cosφ=1），特别在过励状态下，还可使功率因数超前， 从而提高了电网的功率因数。
2) 同步电动机的气隙较大，Xd较小，过载能力较高 （提K高m，=2安~3装）维，护静容态易稳。定性好，且因为气隙大而使结构可靠性
3) 在不需要调速而功率又较大的场合，如驱动大型的空气压 缩机、球磨机、鼓风机和水泵以及电动发电机组等，较多采 用同步电动机。
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。
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11.1 同步电动机的基本方程式和相量图
11.1.1 同步电机的可逆原理
同步电机的运行是可逆 的，既可以用作发电机，还 可以用作电动机。
同步电机运行于发电 机状态时，如图所示。