第十一部分同步电动机和同步调相机
第十一章同步电动机和同步调相机
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。
同步发电机的基本电磁关系
jIq xaq
jIx
E
Ira
kaq
Faq
cos
kaq Fa
U
E0 E0 E d
Eaq cos
kad Fad
以上可以确定d轴，进一步确定
0 kaq Fa Fd Ff
Ff
I
E0 Ed Id xad
Ff Fd kad Fad
Fad
Iq
Fad I d
F d
Ff 1
§10-6 空载和短路特性
一、空载特性
定义：xs xa x 为同步电机的同步电抗。
5、相量图和等效电路 向量图
E0
jIxa
E
jIx
Ira U
I
等效电路
xs
xa
x
E a
E
～ E0
E
ra
I U
问：各角度的物理意义是什么？
二、考虑饱和时的磁动势－电动势相矢图 1、电磁关系：
if 励磁电流 （I 定子三相电流）
Ff 1
非线性
F
Fa
E
与U Ira平衡
时空相矢图 1.空间矢量：沿空间按正弦分布的量。
f
A
Y C
A
Ff 1
N B0
n1 Z
举例：励磁磁动势Ff 1;磁通密度B0;电枢磁动势Fa 。
2.时间相量：随时间按正弦规律变化的量。
f
S X
B
t
t
举例：空载电动势 E0 和电枢电流 I 。
3. 空间矢量与时间向量的关系：
A
Y C
A Ff 1
B0 N
解： cos1 0.8 36.8
E0
tg 1
I xq U sin U cos
同步电动机和同步调相机教学
同步电动机和同步调相机的比较
应用场景
性能差异
同步电动机主要用于驱动负载，如泵、 风机等，而同步调相机主要用于调节 电力系统无功功率。
同步电动机具有较高的效率和稳定性， 适用于精确控制转速的场合，而同步 调相机则具有更好的无功调节性能和 节能环保特点。
控制方式
同步电动机通常通过改变输入电压或 频率来控制其转速，而同步调相机则 通过调节励磁电流来控制无功功率输 出。
同步调相机的应用
无功补偿
同步调相机可以用于无功补偿， 通过吸收容性无功功率来提高电 网的功率因数，改善电能质量。
电压调节
同步调相机可以通过调节励磁电 流来控制输出电压，保持电网电
压的稳定。
平衡负载
在电力系统中，同步调相机可以 平衡负载，防止因负载不平衡引
起的过载或欠载问题。
同步电动机和同步调相机的选择和使用
同步电动机和同步调相机的 应用
同步电动机的应用
驱动负载
同步电动机主要用于驱动各种负 载，如泵、风机、压缩机等，以 满足工业生产和日常生活的需求。
调速控制
同步电动机可以通过改变输入的励 磁电流或转子电流来调节转速，实 现精确的调速控制。
平衡负载
在多电机驱动系统中，同步电动机 可以平衡负载，确保各电机之间的 负载分配均匀。
THANKS
谢谢
励磁磁场与转子磁场相 互作用，形成旋转磁场。
阻尼绕组产生阻尼电流， 有助于稳定运行。
同步调相机将机械能转 换为电能，输出至电网。
同步调相机的控制和保护
控制方式
通过控制励磁电流的大小和方向 ，调节输出电压和频率。
保护措施
设置过电流、过电压、欠电压等 保护措施，确保同步调相机的安 全运行。
同步调相机你了解多少？
同步调相机你了解多少？同步调相机是一种特殊运行状态下的同步电机，当应用于电力系统时，能根据系统的需要，自动地在电网电压下降时增加无功输出!在电网电压上升时吸收无功功率，以维持电压，提高电力系统的稳定性，改善系统供电质量。
下面小编为大家介绍下同步调相机。
一、同步调相机原理电力系统中的主要负载是异步电动机和变压器。
这些设备均从电网汲取大量的无功功率以供其励磁之用。
所以，电网担负着很大一部分电感性的无功电流，导致电网的功率因数降低，以致发电机和输配电设备的作用不能充分发挥，线路损耗和电压损失增大，输电质量变坏，甚至影响输电的稳定性。
由于同步电机处在过励状态时，可以从电网汲取相位超前于电压的电流，从而改善电网的功率因数（见功率因数的提高，因此在过去的生产实际中，除选用一部分同步电动机外，还在电网的受电端装设一些同步调相机，用于改善电网的功率因数。
根据电网负载情况的不同，适当调节调相机的励磁电流，可改变调相机汲取的无功功率，使电网的功率因数接近于1。
此外,在长距离输电线路中，线路电压降随负载情况的不同而发生变化，如果在输电线的受电端装一同步调相机，在电网负载重时，让其过励运行，增加输电线中滞后的无功电流分量，从而可减少线路压降；在输电线轻载的情况下，让其欠励运行，吸收滞后的无功电流，可防止电网电压上升，从而维持电网的电压在一定的水平上。
同步调相机还有提高电力系统稳定性的作用。
二、同步调相机应用（1）控制电压的大幅偏移；（2）在HVDC的终端作为动态无功支持。
同步调相机是特殊运行状态下的同步电机。
可视为不带有有功负荷的同步发电机或是一种不带机械负荷的同步发电机。
它可以过励磁运行，也可以欠励磁运行，运行状态根据系统的需要来调节。
当它过励磁运行时，将向电网发出无功功率；欠励磁运行时，将从电网吸收无功功率。
同步调相机一般装设自动调节励磁装置，能自动地在电网电压降低时增加输出无功以维持电压，在有强励装置是，在电网故障情况下也能调整系统电压保证继电保护装置的正确动作。
新能源场站中调相机的作用及应用
新能源场站中调相机的作用及应用摘要最近几年，我国的新能源发电技术得到了充足有效的发展，光电、风电、水电建设项目正在如火如荼地进行，极大地改善了我国的电力能源结构。
调相机通过调整发出/吸收无功功率的方法，能够有效调整新能源场站的电压大小，切实保证新能源场站并网运行的稳定性。
通过对调相机的概念、工作原理进行简单地阐述分析，详细探讨调相机在新能源场站中的作用及应用场景，有助于推动调相机在新能源场站中的普及与应用。
关键词：新能源；调相机；作用；应用一、调相机的概念及工作原理调相机相当于空载运行的同步电动机，通过调整励磁电流的大小，控制自身向电网输送功率或者吸收功率，从而提升电网电压的稳定性和可靠性。
调相机通常由励磁系统、启动系统、DCS系统、保护系统等几部分组成，是电网调压管控中不可或缺的一部分，特别是在光能、风能发电项目快速发展的时代背景下，调相机得到了广泛的普及与应用。
众所周知，光能发电和风能发电的稳定性比较差，容易受到天文环境的影响。
以光能发电为例，当光照强度高时，产出的电量就比较多；当光照强度比较差时，产出的电量就比较少，而光照强度是不受人为控制的，这就导致光能发电的稳定性比较差，如果将光伏电站直接与外部电网相连，那么起伏不定的光电场站必然会对国家电网造成巨大的冲击，严重者会导致用电器烧毁。
而调相机的引入和应用很好地解决了这一问题。
当光能发电的电压下降明显时，调相机可以利用过励磁运行变成一个无功电源，向外部电网提供无功功率，用来弥补外部电网的电压欠缺。
当光能发电站的电压升高时，调相机通过欠励磁运行变成一个无功负荷，从系统中吸收无功功率，从而平衡外部电网的电压。
通常情况下，调相机的过励磁和欠励磁容量是不一样的，其铭牌标注的容量是过励磁状态下发出公共功率的最大值。
二、调相机在新能源场站中的作用分析在新能源场站中，调相机已经成为不可或缺的存在，调相机运行的好坏直接关系着新能源场站的经济效益和社会效益。
同步调相机特性及应用
同步调相机特性及应用作者：古曦来源：《山东工业技术》2019年第22期摘要：同步调相机是一种特殊运行状态下的同步电机，其特殊性在于没有负载。
它的运行可以是过励磁运行，也可以是欠励磁运行，其运行状态主要是根据电力系统的需要进行调配。
当它处于过励磁运行状态时，向电网发出无功功率;处于欠励磁运行状态时，从电网吸收无功功率。
当电网电压处于欠压状态时，同步调相机可向电網发出无功功率，使得电网电压处于稳定状态。
本文将从同步调相机的特性和相关的应用着手，浅谈同步调相机的相关问题。
关键词：同步调相机;电网无功补偿;调相机的应用DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2019.22.1071 同步调相机的特性同步调相机最早发明于20世纪初期，距今已有100多年的历史，其容量可以从最早的13MVA到近年来的350MVA，在这100多年间，同步调相机与其它的电容器和电感器一起发展。
对比而言，同步调相机有它特殊的性质，也有先天性的一些弊端，下面主要就同步调相机的相关特性及优缺点做主要介绍。
1.1 同步调相机在无功功率补偿中的独特优势无功功率，许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的，如配电变压器、电动机等，它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递，为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率。
从广义上讲，电压和电流的相位不同以及谐波产生的电流和电压失真均等效于无功存在。
（1）同步调相机具有感性和容性两种补偿范围。
狭义的无功功率可分为感性无功功率和容性无功功率。
感性无功功率是磁场变化时吸收或者释放的功率，其电感器的电流滞后于电压90°;容性无功功率是电场变化时吸收或者释放的功率，其电容器的电流超前于电压90°。
正因为有此特性，因此容性无功功率又称超前无功功率，感性无功功率又称滞后无功功率。
相较于其他的无功补偿方式而言，补偿的范围更广泛。
而且在长距离的高压输送中，输电线对地电容产生的电容无功功率很大，会导致电压上升，危及设备及电网系统的安全。
发电机的异常运行
同步发电机的异常运行Βιβλιοθήκη 调相机运行 同步发电机失磁
同步发电机的异常运行
一、调相机运行
用途： 此时感应电动机所需的滞后无功电流，实质上是由过励的同步补偿机发出而直接供给的，从而 避免了无功功率的远距离输送，改善了电网的功率因数。
同步发电机的 异常运行
调相机运行 同步发电机失磁
同步发电机的异常运行
一、调相机运行
工作原理：同步调相机实质上是一台不带机械负载、专门用以改善电网功率因数的同步电动机。 在正常励磁时,调相机的电枢电流极小,接近于零,过励时,补偿机能从电网吸取超前的无功电流;欠励时,则 从电网吸取滞后的无功电流。补偿机的V形曲线I=f(If),相当于图中电动机的电磁功率P≈0时的V形曲线。
调相机运行 同步发电机失磁
同步发电机的异常运行
二、发电机失磁
失磁的物理过程 由于定子磁场与转子磁场间有相对速度，即有滑差s (s=(ω-ω0)/ ω)，定子旋转磁场切割成闭合回路的励
磁绕组、组尼绕组和其它金属导体。并在其中感应出滑差频率的交流电势和电流。该电流与定子旋转磁场 相互作用产生异步力矩。原动机输入的力矩在克服异步力矩的过程中作功，使机械能变为电能。因此，发 电机仍向电网有功功率PYB。
调相机运行 同步发电机失磁
一、调相机运行
由于电力系统的大部分负载为感应电动机,它们要从 电网中吸取一定的滞后无功电流来建立其磁场,致使整 个电网的功率因数降低,线路的电压降和铜耗增大,电站 中同步发电机的容量不能有效利用。如果能在电网的 受电端装设同步调相机,使其从电网吸收超前的无功电 流,则电网的功率因数就可以得到改善。
同步电动机
假设在合闸瞬间，转子 已经加励磁 处于图18.5a所示的位置，此时，电磁转矩 倾 已经加励磁)处于 的位置， 假设在合闸瞬间，转子(已经加励磁 处于 的位置 此时，电磁转矩T 向于使转子逆时钟转动；在另一个瞬间(图18.5b所示)，定子磁场已转过 逆时钟转动 向于使转子逆时钟转动；在另一个瞬间 ，定子磁场已转过180度，而转 度 电磁转矩 倾向于使转子顺时钟转动。 子由于机械惯性尚未启动，电磁转矩T倾向于使转子顺时钟转动。由于定子磁场以 子由于机械惯性尚未启 倾向于使转子顺时钟转动 同步速旋转，作用于转子上的力矩随时间以f 作交变， 同步速旋转，作用于转子上的力矩随时间以 = 50Hz作交变，那么转子上受到的平均 作交变 转矩为0。因此同步电动机是不能自行起动的。概括一下同步电动机没有启动转矩的 转矩为 。因此同步电动机是不能自行起动的。概括一下同步电动机没有启动转矩的 原因是： 原因是：（1）定、转子磁场之间相对运动速度很快；（2）转子本身转动惯量的存 在。
同步电动机和同步调相机(1)
12.1 同步电动机的基本方程式和相量图
三、功角特性和功率、转矩平衡关系
3.功角特性
功率角正方向：电压超前于空载电动势为正
表达式
隐极机：PM
m UE0 xs
sin
凸极机：PM
m
E0U xd
sin
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ mU 2 2
(1 xq
1 xd
) sin 2
同步电动机和同步调相机
12.1 同步电动机的基本方程式和相量图
同步电动机和同步调相机
12.1 同步电动机的基本方程式和相量图
一、从发电机状态过渡到电动机状态
结论：
一台同步电机既可以作发电机运行，也可作电动机运 行；当由发电机变为电动机运行时，功率角和相应的 电磁转矩、电磁功率均由正值变为负值，电磁转矩由 制动性质变为驱动性质。随着负载的增加，功率角和 相应的电磁转矩、电磁功率都增大。
同步电动机和同步调相机
12.1 同步电动机的基本方程式和相量图
二、同步电动机的电动势方程式和相量图
发电机惯例
采用发电机惯例规定正方向，隐极同步电动机的电动
势方程式为：
E0 U Ira jIxs
此时， φ >90º, mUIcos φ <0, 功率为负值；常采用电 动机惯例。
同步电动机和同步调相机
同步电动机和同步调相机
12.1 同步电动机的基本方程式和相量图
三、功角特性和功率、转矩平衡关系
1.功率平衡
电磁功 输入功率 （电）P1 率PM
输出功率 （机）P2
定子铜耗 pcua
机械损耗pm 铁耗pfe
附加损耗 pad
同步电动机和同步调相机
12.1 同步电动机的基本方程式和相量图
同步发电机和调相机的试验
同步发电机和调相机的试验同步发电机和调相机的常规试验项目{定子绕组的直流电阻{定子绕组的绝缘电阻、吸收比或极化指数{定子绕组的泄漏电流和直流耐压{定子绕组的交流耐压{转子绕组的绝缘电阻{转子绕组的直流电阻{转子绕组的交流阻抗和功率损耗{轴电压定子绕组的直流电阻{测量顺序问题（建议在绝缘试验前）{绕组平均温度的测量z 温度计平均法（3～5只）z 使用发电机埋设的测温电阻011t 235t 235R R ++=定子绕组的绝缘电阻、吸收比或极化指数{定子水内冷发电机的绝缘测试z 正确将定子绕组进出水管和出线进出水管接入屏蔽回路z 检温元件绝缘不良{原理图{温度折算问题{绝缘绕组最低值的确定{吸收比和极化指数的规定tt t C R R )1(10−=α定子绕组的绝缘电阻、吸收比或极化指数{R1绝缘电阻{C1几何电容{R2 C2为吸收回路{R3汇水管电阻{R4汇水管法兰对地绝缘电阻定子绕组的泄漏电流和直流耐压{严禁在氢气置换过程中，进行耐压试验{正确将定子绕组进出水管和出线进出水管接入屏蔽回路{水质应合格，以降低电源容量，稳定读数{分段加压时，每段应在加压的1min内，仔细观察泄漏电流的变化情况定子绕组的泄漏电流和直流耐压{当发生读数急剧波动时，应仔细查找原因{读数不稳的情况时，应采用加大平波电容的电容量、提高水质、消除水的极化电势影响等方式，避免错误判断定子绕组的泄漏电流和直流耐压77437741150,22080,100060kV 64256427762750kV 51135115561540kV 39738841830kV 26325426420kV 131********kV 总电流(mA)泄漏电流(μA)总电流(mA)泄漏电流(μA)总电流(mA)泄漏电流(μA)C 相B 相A 相电压定子绕组的泄漏电流和直流耐压77437741784560kV 64256427702750kV 51135115561540kV 39738841830kV 26325426420kV 131********kV 总电流(mA)泄漏电流(μA)总电流(mA)泄漏电流(μA)总电流(mA)泄漏电流(μA)C 相B 相A 相电压定子绕组的泄漏电流和直流耐压定子绕组的交流耐压{耐压试验准备工作：转子绕组在滑环处接地；发电机出口CT二次绕组短路接地；埋置检温元件在接线端子处电气连接后接地；对绕组进行充分放电{并联谐振补偿电感的计算方法转子绕组的绝缘电阻{地线接于转子轴上，不要接在大地或机座上转子绕组的直流电阻{注意消除电桥的测量线与滑环的接触电阻转子绕组的交流阻抗和功率损耗{测量转子交流阻抗时，断开与励磁系统的联系{测量转子交流阻抗时，应先进行绝缘测量{应先进行退磁操作{应使用线电压，以避免相电压中的谐波分量{试验电压峰值不应大于转子绕组额定电压转子交流阻抗{在定子膛内测量时，定子绕组上有感应电压，因而应断开与外电路的连接轴电压{座式轴承轴电压{端盖式轴承轴电压{应同时记录发电机有功功率和无功功率（或空载、短路状态）{使用高内阻电压表{轴电压不应超过10V{有条件时，可用录波仪测量。
关于送配电系统调试
关于送配电系统调试第十一章电气调整试验1．调试过程、范围（1）电气工程调试的全过程包括设备的本体试验、分系统调试、整套设备的整体调试三个阶段。
本章调试的内容范围仅包括设备的本体试验和分系统调试，而不包括整体调试，应按专业定额另行计算。
（2）调试项目不包括设备的烘干处理、电缆故障查找、电动机轴芯检查和由于设备元件的缺陷造成的更换、修理和修改。
亦未考虑由于设备元件质量低劣和设计不合理等原因对电气调试工作造价的影响。
遇有上述情况，可另计调试费。
（3）综合基价的调试范围只限于电气设备本身的调试，不包括电动机带动机械设备的试运工作，该工作属于“试车”范畴，应另行计算。
（4）各项调试子目均包括熟悉资料、核对设备、填写试验记录和整理、编写调试报告等工作。
（5）电机的调试，未包括试验用的蒸汽、10KV以上电力和其他动力能源、介质消耗。
（6）配电装置调试中的1KV以下子目，适用于所有带调试元件的低压供电回路。
（7）从配电箱至电动机的供电回路已包括在电动机的系统调试子目之内，不得重复计算。
（8）馈线系统中的电缆试验、瓷瓶耐压、导线及设备的绝缘测定等工作，已包括在有关项目之内。
（9）供电桥回路中的断路器、母线分段断路皆作为独立的送配电设备系统计算调试费。
（10）综合基价是按一个系统一侧有一台断路器考虑的，若两侧皆有断路器则按两个系统计算。
2．电气调试的分项比例一个回路或系统的调整工作中包括：本体试验，附属高压及二次设备试验，断电器及仪表试验，一次电流及二次回路检查启动试验。
在编制预算时如需单独计算其中某一项（阶段）的调试费用可按表9中的百分比计算。
3．电气调试的费用内容费用包括：（1）电气调试所需的电力消耗，试验用的消耗及仪表使用费。
表9 调试费用百分比阶段发电机调相机系统变压器系统送配电设备系统电动机系统一次设备本体试验附属高压二次设备试验继电器及仪表试验一次电流及二次回路检查 30%20%30%20% 30%30%20%20% 40%20%20%20% 30%30%20%20%（2）试验前的看图、试验后的记录整理及原理图的改正工作。
同步电机
㈡ 转速特性与启动步骤 当在定子绕组中通入三相交流电以后， 当在定子绕组中通入三相交流电以后，在气隙中则产生旋转磁 转子绕组加入直流励磁以后，在气隙中生成静止的转子磁场。 场。转子绕组加入直流励磁以后，在气隙中生成静止的转子磁场。 定、转子磁场之间存在较大的相对运动，转子上的平均转矩为零， 转子磁场之间存在较大的相对运动，转子上的平均转矩为零， 所以同步电动机不产生起动转矩。因此，在同步电动机起动时， 所以同步电动机不产生起动转矩。因此，在同步电动机起动时，我 们经常采用的是异步起动方法。 们经常采用的是异步起动方法。 异步启动法： 异步启动法：在磁极表面上装设有类似异步电机笼型导条的短路绕 称为起动绕组。在起动时， 组，称为起动绕组。在起动时，气隙旋转磁场将在转子上的起动绕 组中感应电流，电流和磁场相互作用产生电磁矩转， 组中感应电流，电流和磁场相互作用产生电磁矩转，使同步电机转 动起来（如同感应电机）。待速度上升到接近同步转速时， ）。待速度上升到接近同步转速时 动起来（如同感应电机）。待速度上升到接近同步转速时，再给转 子绕组通入直流电流，产生转子磁场， 子绕组通入直流电流，产生转子磁场，此时它和定子磁场间得到转 速已非常接近，依靠这两个磁场间相互吸引力， 速已非常接近，依靠这两个磁场间相互吸引力，使转子与定子磁场 同步旋转。所以同步电动机的起动过程可以分为两个阶段： 同步旋转。所以同步电动机的起动过程可以分为两个阶段： 首先按异步电机方式起动，使转子转速接近同步转速。 （1）首先按异步电机方式起动，使转子转速接近同步转速。 转子绕组通入直流电流，产生转子磁场，使转子牵入同步。 （2）转子绕组通入直流电流，产生转子磁场，使转子牵入同步。
大小及位置均发生变化, 这种影响称为电枢反应. 大小及位置均发生变化, 这种影响称为电枢反应.
同步电动机和同步调相机(2)
同步电动机和同步调相机
12.3 同步电动机的起动方法
起动转矩 分析
同步电动机和同步调相机
12.3 同步电动机的起动方法
起动方法
1.辅助电动机起动：采用异步电动机作为辅助电机 带动同步电动机接近同步转速，然后投入电网， 加入励磁，利用自整步作用牵入同步。成本较高。
2.调频起动：采用变频电源，由低到高逐步增加频 率一直到额定频率。（抽水蓄能电站）
同步电动机和同步调相机
12.5 同步调相机
运行分析 过励：
领I 先于 ，U吸收容性无功功率，即发 出感性无功功率。电力系统在大多数情 况下呈感性，故调相机通常都是在过励 状态下运行，作为无功功率电源，提供 感性无功，改善电网功率因数，保持电 网电压稳定。
欠励： I滞后于 U,吸收感性无功功率,即发出容性无功功率。
同步电动机和同步调相机
12.3 同步电动机的起动方法
起动转矩 大小：
同步电动机自起动转距为零，不能自起动，必须 借助其它方法起动。
原因：
转子绕组加入直流励磁以后，在气隙中产生静止 的转子磁场。当在定子绕组中通入三相交流电以 后，在气隙中则产生旋转磁场。定子旋转磁场将 以同步转速相对于转子磁场运动，转子上承受的 是交变的脉振转矩，平均值为零。只有磁场相对 静止时才能产生平均转矩。
12.2 同步电动机的V形曲线
相量图（以隐极机为例）
E0 sin 常数
E0 s0 末端的轨迹为与 平行U的 直线CD
I cos 常数
I末端的轨迹为与 垂直U的直线AB
A I2
U
jI1xs
jI 3
x
s
E01
I1
I3
E03 B
I cos 常数
电机学同步电机
势
波 磁电流决定
决定
转速
• 由原动机 旳转速决 定
转向
由原动机 决定
电枢反应 正弦 恒定，由电 由电流瞬时 由磁极对数和电 由电流相
磁动势 波 枢电流决定 值决定
流频率决定 序决定
第三篇 同步电机
准备工作
1.三个角
1)内功率因数角 :
是 E与0 之I 间旳时间相位角,与 电机参数及负载有关.
2)外功率因数角 :
直、助 增强 不变 上升 C
00 900 d、
q轴 900 00 d、
q轴
F ad F aq
交、直 去
减弱
F ad F aq
交、直 助
增强
下降 下降
下降 上升
R、L R、C
第三篇 同步电机
三、电磁转矩
同步发电机带上负载后，电枢电流建立电枢反应磁场，它与 励磁电流作用产生电磁力，在某些情况下形成电磁转矩，实现机 电能量转换。
旳线电压。
绕组旳线电流.
对同步发电机额定值之间关系为：
额定功率因数cos 额 额 额 额定 定 定 定励 转 效 频磁 速 率 率电 nfNNN流I fN
N
额定励磁电压U fN
PN SN cosN 3 U N I N cosN
第三篇 同步电机
第十章 同步发电机旳运营原理
第一节 同步发电机旳电枢反应 第二节 同步发电机旳电动势方程和相量图 第三节 同步发电机旳运营特征 第四节 同步发电机旳并列 第五节 同步发电机旳有功功率功角特征和静态稳定 第六节 同步发电机旳无功功率功角特征和Ｖ形曲线 第七节 同步调相机和同步电动机
第三篇 同步电机
国产200MW汽轮发电机定子铁心
第三篇 同步电机
同步调相机短路比
同步调相机短路比1. 引言同步调相机短路比是一种用于测量电力系统中同步电动机短路比的重要方法。
它是通过测量电动机的短路阻抗和同步阻抗之间的比值来确定。
同步调相机短路比在电力系统中具有广泛的应用，对于保证电力系统的稳定运行和故障诊断具有重要意义。
2. 同步调相机短路比原理同步调相机短路比是基于同步电动机在运行过程中，通过测量其转子绕组绝对值和定子绕组绝对值之间的差异来确定。
在正常运行状态下，转子绕组绝对值与定子绕组绝对值之间应该存在一定差异，这种差异可以通过同步调相器来测量。
3. 同步调相器原理及应用3.1 同步调相器原理同步调相器是一种用于测量转子和定子之间差异的仪器。
它通过与转子和定子之间形成闭环，并将其连接到外部电源上，从而实现对两者差异进行实时监测。
3.2 同步调相器应用在实际应用中，同步调相器可以广泛应用于电力系统的运行和维护中。
它可以用于检测电力系统中的故障，例如电动机的短路和绝缘故障。
同时，同步调相器还可以用于测量电动机的运行状态，例如转速和转矩等。
4. 同步调相器在电力系统中的应用案例4.1 电动机短路检测同步调相器可以通过测量转子和定子之间的差异来检测电动机是否存在短路故障。
当存在短路时，转子绕组绝对值与定子绕组绝对值之间的差异将显著增大。
4.2 电动机负载状态监测同步调相器还可以通过监测转速和转矩等参数来评估电动机的负载状态。
通过与预设值进行比较，可以及时发现负载过大或过小等异常情况，并采取相应措施进行调整。
5. 同步调相器在故障诊断中的优势5.1 高精度度量同步调相器具有高精度度量能力，能够准确地监测转子和定子之间差异，并提供准确可靠的数据供故障诊断使用。
5.2 实时监测同步调相器可以实时监测电动机的运行状态，及时发现异常情况，避免故障的进一步扩大。
5.3 自动化操作同步调相器可以实现自动化操作，减少人工干预，提高工作效率。
6. 同步调相器的发展趋势6.1 精度提升随着科技的进步和技术的发展，同步调相器的精度将不断提升。
同步电动机和同步调相机课件
2. 辅助电动机起动
选用与同步电动机极数相同的异步电动机（容量为主机的5%～15%） 作为辅助电动机。首先给辅助电动机加交流电源，使其拖动同步电动机旋转， 当转速接近同步转速时，用自整步法将主机投入电源，并切断辅助电动机电源。 这种方法只适合于空载起动，所需设备较多，操作复杂。
3.变频起动
同步电动机采用变频电源供电。
按电动机来写电动机功角特性： （设 为正）
发出负功率， 即吸收功率。
E0U U2 1 1 Pem m sin m ( ) sin2 Xd 2 Xq Xd
（吸收正功率）
二、磁阻电动机
在小容量凸极同步电动机中，转子上不安放励磁绕组， E0 0 此时电动机的电磁功率为：
欠励时，电动机输入的滞后性（感性）无功电流增大。
可见，过励运行的同步电动机，相当于电容器，可提高电网的功率因数。
同步电动机的电枢反应性质：
电动机输入电流与发电机输出电流方向相反， 过励时，发电机输出滞后的电流，电动机输入超前的电流，电枢反应有去磁作用；
欠励时，发电机输出超前的电流，电动机输入滞后的电流，电枢反应有增磁作用。
Pem 0 吸收电功率 P1 p0 P2 TL n 0 T T T 0 2 Tem 变为驱动转矩 em
合成磁场在前 转子磁场在后
u 超前 f 超前 E U
0
角
电功率 → 机械功率 电磁转矩为驱动转矩
U2 1 1 Pem m ( ) sin2 2 Xq Xd
该电磁功率对应的电磁转矩，称为磁阻转矩。 它是由于电机的交、直磁阻不等（ X d X q ）而产生的。 这种电动机称为磁阻电动机。 可见，凸极同步电动机的转子上无励磁时，也能拖动一定的机械负载工作。
同步电动机和同步调相机
随着新能源技术的发展，同步电动机和同步调相机在风力发电和太 阳能发电等领域的应用也越来越广泛。
02 同步电动机的特点与种类
特点
同步性
同步电动机的转速与电源频率 保持同步，因此其运行非常稳
定。
高效率
由于其高效的磁场设计和制造 工艺，同步电动机通常具有较 高的能源效率。
高启动转矩
同步电动机在启动时能够提供 较大的转矩，有助于克服启动 阻力。
模块化设计
采用模块化设计，简化制造工艺， 缩短产品研发周期，提高生产效率。
应用领域拓展
新能源领域
01
随着新能源技术的不断发展，同步电动机和同步调相机在风力
发电、太阳能发电等领域的应用将进一步拓展。
工业自动化
02
在工业自动化领域，同步电动机和同步调相机将应用于更广泛
的设备和统中，提高生产效率和设备性能。
绿色制造
推广绿色制造技术，减少生产过程中的环境污染，确保同步电动机和 同步调相机的可持续发展。
THANKS
种类
1 2
自冷式同步调相机
通过自然冷却方式散热，适用于小型或低负载的 场合。
强油循环式同步调相机
采用强制油循环散热，适用于中等到高负载的场 合。
3
蒸发冷却式同步调相机
利用蒸发冷却技术散热，适用于高负载和高温环 境。
常见问题与解决方案
问题一
解决方案一
启动困难：启动同步调相机时可能遇到困 难，需要检查电源、控制线路和电机本身 是否正常。
发展
随着技术的不断进步，同步电动 机和同步调相机的性能和效率得 到了显著提高，同时也在不断探 索新的应用领域。
应用领域
工业自动化
同步电动机在工业自动化领域中广泛应用于各种机械设备的驱动， 如泵、风机、压缩机等。
第十二章 同步电动机和同步调相机
第十二章 同步电动机和同步调相机随着工业的发展一些生产机模的功率越来越大，例如空气压缩机，大型鼓风机，电动发电机组等，它们的功率达数百kw 到数万kw ，同时这些生产机械本身也没有调节速度的要求，一般都采用同步电动机去拖动，因为同步电动机在比异步电动机的功率因数高，可以改善电网的功率因数，这点是异步电动机做不到的。
而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。
§12-1．同步电动机的基本方程式和相量图1．同步电机的可逆原理同步电机和其它旋转电机一样，具有可逆性，即可做为发电机，也可做为电动机。
前面已讲一台发电机并联到无限大电网后，向电网输出电功率的根本原因是把拖动发电机运行的原动机S 冷门，水门开大，增加拖动转矩，使标志转子位置的1F f F 比气隙合成磁势F δ超前一个角度θ，出现了电磁功率，此时、P e P θ为正值，•E o 超前角度•U θ。
若减小输入功率，转子减速，θ角减少，减小，当e P θ角减小到零时，相应电磁功率也为零，发电机在输入功率，发电机入于空载，不向电网发电。
1P P =0这时撤掉原动机，相反在转子上加机械负载，电机减速，•E o 滞后，功率角变为负值，电机的电流关系有了新的变化——即变为电动机。
•U发电机惯例在这种规定的正方向下 1cos 0P mUI ϕ=>，电机吸收电功率 1cos 0P mUI ϕ=<，电机发出电功率因此当时，，说明电机吸收电功率 90ϕ>D10P <此时0sin e tE uP mθχ=。
90ϕ<D 时，，说明吸收电功率变为机械功率。
10P >2e P P P =+0 2P —机械功率2．同步电动机的基本方程式相量图由于，90ϕ>D1cos 0P mUI ϕ=<t 说明此时从电网吸收电功率 按照电动机惯例，把电流正方向倒一下，则 90ϕ<D表示电机吸取电功率。
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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
发电机观点
电动机观点
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
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。
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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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
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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.
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。
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
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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。
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。
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。退出 下页 上页 目录退出 下页 上页 目录
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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。