第十一部分同步电动机和同步调相机

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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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。
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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。
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。
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。
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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电动机状态
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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11.3 同步调相机
同步调相机（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。
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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.
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。
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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11.4 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
发电机观点
电动机观点
百度文库
等效电路
凸极机：
U E 0 I D R a jI d D X d jI q D 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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同步电动机的电磁功率公式:
P Mm E X 0U d sinDm U 22 X 1qX 1d sin2D
上式除以同步速度得同步 电动机的电磁转距:
Tm E 10 X U dsinDm 2 U 2 1 X 1qX 1d sin2D
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。
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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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
电机为例： E 0U IR ajIX 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 E 0ID R aID X t