第17章 同步电动机和同步调相机
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。
电机学—同步电动机和调相机
2. 空载状态： 逐步减少原动机输入功率，使转子
瞬时减速，θ角和电磁功率相应减小。当θ角减至零时， 发电机变为空载，其输入功率正好抵偿空载损耗。
3. 电动机状态：主极磁场落后于气隙合成磁场，电
磁转矩为驱动性质，电机进入电动机运行状态，将电网输 入的电能转换成机械能。
二、无功功率调节(电动机）
1. 矢量图
四、调相机
1. 原理：利用不带机械负载的同步电动机改变励磁可以调节功
率因数的原理，并联运行于电网上提供感性无功功率，提高功 率因数，降低线路压降和损耗，提高发电设备的利用率和效率。
2. 用途：在适当地点装上调相机，就地补偿负载所需的感性
无功功率，即吸收容性无功、发出感性无功，就能显著提高 电力系统的经济性与供电质量。
3. 特点
若输出有功功率为零（忽略调相机本身的损耗），过励时， 电流超前电压90°；欠励时，电流滞后电压90°
只要调节励磁电流，就能灵活地调 节无功功率的性质和大小
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
电动机并在恒压电网上运行时， 若P2恒，且忽略电枢电阻损耗。
Pem
mE0U Xt
sin
P1
mUI cos
常数
即 E0 sin 常数 I cos 常数
2. 特点
➢ 同步电动机输出有功功率P2恒定， 改变励磁电流可以调节其无功功率
➢ “正常”励磁时功率因数cos =1，电
枢电流全部为有功电流，故数值最小
➢ 励磁电流小于正常励磁值(欠励)时，
电动机功率因数cos 滞后，同步电动
机相当于感性负载，要从电网吸取滞后 无功
17.0同步电动机和同步调相机
17.4.2 同步电机的异步起动过程
1、在励磁回路串接约10Rf的附加电阻构成回路，将同步 电动机的定子直接投入电网，电机按异步电动机起动。 2、在速度上升到接近同步转速时，接入励磁电流时电机 切入同步转速。 注意：
~
1、起动时切记开路， 否则在励磁可能感应 起动绕组 危险的高压； 2、励磁回路必须要串入约10Rf的电阻，而不能直接短 路，否则会应短路电流过大而使转速卡在1/2n1附近。
E0 U I (Ra jxt )
xt
Ra
～ E0
I
U
jIxt
U
I
jIRa
E0
或 U E0 I (Ra jxt )
二、凸极电动机电势方程式为
jI q xq
U E0 IRa jI d xd jI q xq
17.4 同步电动机的起动
在同步电动机静止时，将转子通入直流电流励磁，定 子直接投入电网，由于定、转子磁场的相对转速为同 步转速n1，电磁转矩为频率为f1的交变转矩，作用在 转子上平均转矩为零，电机不能自行起动。
17.4.1 同步电机的起动方法
一、辅助电动机起动法
选用和同步电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。
U
E0
n1
Tem
T2
S
气隙合成磁场磁极
I
结论：当同步发电机变为电动机时，功率角θ，电磁转 矩和电磁功率均由正变为负值，电磁转矩由制动转矩 变为驱动转矩。
17.2 同步电机的基本方程式、 矢量图和功角特性
17.2.1 基本方程式和相量图
重新按负载支路规定电机的正方 向，即电流的正方向和电压的正 方向一致。 一、隐极电动机电势方程式为
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。
电机学—同步电动机和调相机
改变励磁可以调节电动机的功率因 数 利用同步电动机功率因数可调的特 点，让其工作于过励状态，从电网 吸收容性无功，可以改善电网的无 功平衡状况，从而提高电网的功率 因数和运行性能及效益。
三、起动与调速
1. 起动方法
同步电动机不能自起动，必须借助其它起动方法 原因：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。 常用起动方法
➢ 辅助电动机起动
➢ 变频起动
➢ 异步起动
2. 同步电动机调速
同步电动机通常应用于不需要调速的场合，少数情 况下(如风机、水泵的节能运行)，需要两至三种转速，也 都用变极方式实现。
随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，用 同步电动机、特别是特种同步电动机(如永磁式同步电 动机、磁阻式同步电动机、开关磁阻式同步电动机等) 构成高品质交流变速传动系统已成为调速研究领域的 主要发展趋势。
2. 空载状态： 逐步减少原动机输入功率，使转子
瞬时减速，θ角和电磁功率相应减小。当θ角减至零时， 发电机变为空载，后于气隙合成磁场，电
磁转矩为驱动性质，电机进入电动机运行状态，将电网输 入的电能转换成机械能。
二、无功功率调节(电动机）
1. 矢量图
电动机并在恒压电网上运行时， 若P2恒定，且忽略电枢电阻损耗。
Pem
mE0U Xt
sin
P1
mUI cos
常数
即 E0 sin 常数 I cos 常数
2. 特点
➢ 同步电动机输出有功功率P2恒定， 改变励磁电流可以调节其无功功率
➢ “正常”励磁时功率因数cos =1，电
枢电流全部为有功电流，故数值最小
同步电动机和同步调相机
mU2
(
1
1
) s i n2
Xd
2 Xq Xd
If 0 E0 0 但是Xq Xd 故T 0
此原理适用于小型同步电动机。
知识回顾 Knowledge Review
高了稳定性或增加输出。
4、特点
(1) 因不带机械负载，补偿机转轴可以比细. (2) 由于没有稳定问题，Xt可较大，使得气隙较小，
励磁也较小，转子用铜量少. (3) 额定容量对应过励而言.
(4) 也存在起动问题，一般利用异步起动，加起 动绕组。
5、说明
(1) 水电站在枯水期间，水轮发电机可作调相运行 (2) 在同时有水轮机和汽轮发电机的电网，丰水期 间，水轮发电机发有功功率，汽轮发电机作调相 机运行。
定子接通电源，能产生异步转矩，并不断加速 接近同步速，加入直流励磁，进入同步电机运行状 态。
2．变频起动：
起动时定子电流频率f1较低，n1定子同步转速 也较低，使平均电磁转距不为零。
起动时，定子电源不是直接电网，而是 由变频电源供电。
开始启动，转子绕组加励磁，且定子电 源频率尽量调低，使转子启动旋转，然 后上调定子电源频率至额定频率，则转 子转速将随定子旋转磁场的转速上升而 同步上升，直到额定转速。
三、同步电动机的稳定性及过载能力
电动机运行稳定性与发电机类似。
dTem 0 稳定
d
dTem 0 不稳定
d
过载能力：
kM=Pemmax/PN=1/sinN
同步电动机的V形曲线
滞后(吸收滞后无功) 超前(吸收超前无功)
四、同步电机的起动
同步电动机自起动转距为零。
将静止的同步电动机加励磁电 流后直接投入电网，定子旋 转磁场以同步转速相对于转 A
第17章 同步电动机和同步调相机
第17章同步电动机和同步调相机习题解答郑乃清王洪涛17-1 一台同步电动机在额定电压下运行，从电网吸收cos 0.8ϕ=超前的额定电流，已知该机的参数为：0.8, 0.5, 0d q a x x R **==≈，试求（1）励磁电动势0E *及功率角θ；（2）该机运行在什么励磁状态？解：方法一cos 0.8ϕ=超前，036.87ϕ=0sin 10.610.553.97cos 10.8q I x U arctgarctgU ϕψϕ****+⨯+⨯===⨯00053.9736.8717.1θψϕ=-=-=000cos sin 1cos17.110.8sin53.97 1.6d E U I x θψ****=+=⨯+⨯=00θ>，U&超前E &，电动机运行于过激状态。
方法二：设010U *=∠&，cos 0.8ϕ=超前，036.87ϕ= 0136.87I *=∠&00136.870.5 1.3617.1q UjI x j ***-=-∠⨯=∠-&&，该相量与E &同相位 017.1θ=00036.8717.153.97ψθϕ=+=+=sin 0.809dI I ψ**== 0() 1.360.809(0.80.5) 1.6q d d q E U jI x I x x *******=-+-=+⨯-=17-2 三相隐极同步发电机60kVA N S =，Y 接，380V N U =， 1.55t x =Ω，0a R ≈。
当电机过励cos 0.8N ϕ=滞后，37.5kVA S =时（1）作相量图，求0E 和θ；（2）原动机移去，不计损耗，作相量图，求I ；（3）改作电动机运行，em P 同（1）中数值，调节励磁使cos 1ϕ=，作相量图，求I 和0E 。
解：357(A)I ===cos 0.8ϕ=滞后，036.87ϕ= sin ()()sin t Ix U arctg acrtg arctg U ϕψθϕϕ+=+=57 1.552200.651.3822008arctg ⨯+⨯⎛⎫==⎪⨯⎝⎭00051.3836.8714.51θψϕ=-=-=()()20cos sin t E U U Ix ϕϕ=++()()()222200.82200.657 1.55282V =⨯+⨯+⨯=（2）10P =，00p ≈，20, 0P θ==0t E U Ix =+028222040(A)1.55t E U I x --=== （3）003282220sin sin14.5130085.3(W)1.55em t mE U P x θ⨯⨯==⨯= cos 1ϕ'=，I&与U &同相 em P 不变，cos I ϕ=常数，cos cos I I ϕϕ''=cos 570.845.6cos 1I I ϕϕ⨯'==='(A) ()22220()220 1.5545.6231(V)t E U Ix =+=+⨯=17-3 某工厂变电所变压器容量为2000kVA ，该厂电力设备消耗的总功率1200kW ，cos =0.65ϕ滞后。
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第17章同步电动机和同步调相机
习题解答
郑乃清王洪涛
17-1 一台同步电动机在额定电压下运行，从电网吸收cos 0.8ϕ=超前的额定
电流，已知该机的参数为：0.8, 0.5, 0d q a x x R **==≈，试求（1）励磁电动势0E *
及
功率角θ；（2）该机运行在什么励磁状态？
解：方法一
cos 0.8ϕ=超前，036.87ϕ=
0sin 10.610.5
53.97cos 10.8
q I x U arctg
arctg
U ϕ
ψϕ
**
**+⨯+⨯===⨯
00053.9736.8717.1θψϕ=-=-=
000cos sin 1cos17.110.8sin53.97 1.6d E U I x θψ****=+=⨯+⨯=
00θ>，U 超前E ，电动机运行于过激状态。
方法二：设010U *=∠，cos 0.8ϕ=超前，036.87ϕ= 0136.87
I *=∠ 00136.870.5 1.3617.1q
U jI x j ***
-=-∠⨯=∠-，该相量与E 同相位 017.1θ=
000
36.8717.153.97
ψθϕ=+=
+= s i n 0.80d
I I ψ*
*== 0() 1.360.809(0.80.5) 1.6
q d d q E U j I x I x x *******
=-+-=
+⨯-= 17-2 三相隐极同步发电机60kVA N S =，Y 接，380V N U =， 1.55t x =Ω，0a R ≈。
当电机过励cos 0.8N ϕ=滞后，37.5kVA S =时（1）作相量图，求0E 和θ；（2）原动机移去，不计损耗，作相量图，求I ；（3）改作电动机运行，em P 同（1）中数值，调节励磁使cos 1ϕ=，作相量图，求I 和0E 。
解：3
57(A)I =
==
cos 0.8ϕ=滞后，036.87ϕ= sin ()(
)sin t Ix U arctg acrtg arctg U ϕ
ψθϕϕ
+=+=
0571.552200.651.38
22008a r c t g
⨯+⨯
⎛⎫== ⎪⨯⎝
⎭ 0
00
51.3836.8714.51θψϕ=-=
-=
0E
()282V =
=
（2）10P =，00p ≈，20, 0P θ==
0t E U Ix =+
028222040(A)1.55
t E U I x --=
== （3）003282220
sin sin14.5130085.3(W)1.55
em t mE U P x θ⨯⨯=
=⨯= cos 1ϕ'=，I 与U 同相
em P 不变，cos I ϕ=常数，cos cos I I ϕϕ''=
cos 570.845.6cos 1
I I ϕϕ⨯'=
=='(A)
0231(V)E =
17-3 某工厂变电所变压器容量为2000kVA ，该厂电力设备消耗的总功率
1200kW ，cos =0.65ϕ滞后。
由于生产发展，欲新添一台400kW, cos =0.8ϕ超前，
95%N η=的同步电动机，问当电动机处于额定运行状态时，全厂的功率因数为多
少？变压器过载否？
解：电力设备从电源吸引的有功功率为11200kW P '=
电力设备从电源吸引的无功功率为11
sin Q 1403(kVar)cos P
ϕϕ
''==
U
I t
jIx 0
j =
同步电动机从电源吸引的有功功率为1400
421kW 0.95
N
N
P P η''=
=
= 同步电动机从电源吸引的无功功率为12
12sin 42106Q 315.8(kVar)cos 0.8
P ϕϕ''⨯''=-
==- 电源提供的总有功功率为11112004211621kW P P P
'''=+=+= 电源提供的总无功功率为111Q Q 1403315.81082.2(kVar)Q '''=+=-=
电源提供的视在功率11951.8kVA S ==
1
11621cos 0.831951.8
P S ϕ=
==（滞后） 11951.8k V A <2000k V A
S =，变压器没有过载。
17-4 从某电厂的35kV 、30km 长的输电线供给某工厂20000kVA 的功率（见图17-7），c o s 0.70ϕ=
滞后，设输电线每km 长度电阻为0.17Ω，试求（1）
不装调相机时输电线的电流及功率损耗；（2）如用户端装设一台调相机，将总功率因数提高到0.96滞后，问此调相机的容量为多少kVA （调相机的有功电流可忽略）？补偿后线路的功率损耗为多少？
题17-4图
解：（1）变压器次级侧线电流
7
1832.9(A)I === 变压器初级侧线电流 6.3 6.3
1832.9330(A)3535
I I =
⨯=⨯=线 2233(330)300.171666.2(kW)P I R ==⨯⨯⨯=
（2）cos 0.707ϕ=，sin 0.707ϕ=；1cos 0.96ϕ=，sin 0.28ϕ'=
cos 200000.707
14140(kW)P S ϕ==⨯= 工厂需要的无功功率sin 200000.70714140(kVar)Q S ϕ==⨯= 总功率提高至0.96时 电厂需要提供的视在功率14140
14729(kVA)cos 0.96
P S ϕ'=
==' 电厂需要提供的无功功率sin 147290.284124.12(kVA)Q S ϕ'''==⨯= 调相机的容量14140412410016(kVA)S Q Q '''=-=-=
线路上的电流 6.3 6.3243(A)3535I '===线
2233(243)300.17903.45(kW)P I R ''==⨯⨯⨯=
jIx
j =。