浅析如何利用同步电动机实现无功补偿

浅析如何利用同步电动机实现无功补偿

张慧慧

（广东省水利水电第三工程局有限公司，广东东莞523710）

摘要：功率因数在电力系统中有着举足轻重的作用，功率因数无论过大还是过小，都对电网或电气设备不利，为了使其保持在合理区间，在电气设备运行中，往往会采取一定的技术手段进行人为调节，即通过改变无功，从而改变功率因数，也就是无功补偿。无功补偿技术的发展经历了多个阶段，到目前为止已经形成了多种无功补偿的技术。本文将从同步电动机如何进行无功调节的角度进行简要的分析说明。

关键词：功率因数、无功补偿、励磁、同步电动机。

我们都知道在电气设备运行时，功率因数cosψ不能太低，功率因数太低会造成电能浪费，而功率因数也不能太高，功率因数太高尤其当功率因数接近于1时，此时只剩下有功功率p，即感性无功和容性无功几乎相抵消，那么在电路中极有可能会表现为感性阻抗与容性阻抗发生串联或并联谐振，而这对电气设备运行是极其不利的。根据运行经验，电气设备在功率因数取0.9～0.95之间运行最佳。所以当功率因数太低或太高时，我们都需要对进行无功补偿，以保证功率因数在合理区间内。所以无功补偿在电力系统中有着不可忽缺的作用，选择合理的无功补偿方式，不仅可以减少经济投入和电能浪费，还可以提高电能质量，否则就会产生谐波、电压波动等诸多不利因素。无功补偿发展至今，已经形成了多种补偿技术，目前所用到的无功补偿装置主要有电容补偿（较为常用）、同步调相机补偿、静止无功补偿SVC、静止同步补偿SVG等。在上述几种补偿技术中，同步调相机补偿技术本质上就是励磁可调但空载运行的同步电动机，即在其转轴上不带机械负载，而通过调节励磁电流大小改变其发出无功的大小及性质，从而达到无功补偿的效果。同步调相机不进行机械能和电能的转换，只是补偿电力系统所需的无功功率，从而改善功率因数。既然同步调相机无功补偿本质上就是通过改变空载运行的同步电动机所发出的无功功率的大小和性质进行无功补偿，那么当励磁可调的同步电动机带负载后还能不能在保持其有功不变的情况下进行无功调节，下面我们就进行简要的分析：

同步电机由隐极机和凸极机，而隐极机仅为凸极机的特例，为了简便期间，下述分析均以隐极机为例。由等效电路图可得同步电动机电压平衡方程式：

U

r jx

E

....E I jx r U +⨯+=）（（：外加电压.U ，：反电势.

E ，：绕组电阻r ，：绕组感抗x ）

另外由同步电动机的功率平衡方程式: ）（ad fe m M cu p p p P P p P +++==-21，两边同时除以同步角速度Ω可得：

（其中：1P ：电网输入功率， 2P ：电动机输出的机械功率， M P ：气隙磁场作用产生的电磁功率， m p ：机械损耗， fe p ：铁芯损耗， ad p ：附加损耗， cu p ：定子绕组铜耗）

02T T T M +=（M T ：电磁驱动转矩，2T ：负载制动转矩， 0T ：空载制动转矩，Ω

）（ad fe m p p p T ++=0） 为了分析简化，我们假设电网电压恒定，频率恒定，且为无内阻的无穷大系统，那么当忽略定子绕组铜耗，则可由同步电动机的电压平衡方程式及功率平衡方程式得出：

M P P ≈1 ，

jx E U +≈..

我们再进行简化假设，若空载制动转矩为常数，且保持负载制动转矩不变，则可得知电磁驱动转矩常数=M T ，从而常数==1P P M ，常数ψ常数，θ====cos P sin 1mUI x

mEU P M ，那么常数ψ常数，θ==cos sin I E 。从上面分析式可以定性看出，在保持负载转矩即输出机械功率不变的情况下，若调节励磁电流可以导致电枢电流变化，从而引起功率因数变化，即无功的增加或减少。而从上述分析式得到的相量图（见下图）中我们可以得出以下结论：当输入仅为有功时，电枢电流最小，此时为正常励磁；仅调节励磁电流，不会引起有功的变化；当增加励磁电流，即过励时，感应

电动势增加，输入有功不变，但超前的容性无功增加；当减小励磁电流，即欠励时，感应电动势减小，输入有功不变，但滞后的感性无功增加。

相量图

既然励磁可调的同步电动机在带负载情况下可以进行无功调节，那么我们就通过案例对同步电动机的无功补偿作用进行定量分析：

某制造厂目前所有电力设备所消耗有功功率1800kW ，功率因数cos ψ=0.8（滞后），现由于工厂扩产，消耗功率需增加到2200kW ，由于该厂原来功率因数较低，致使电能浪费较多，那么如果通过购入额定效率为95%的同步电动机在额定运行状态下进行无功调节（调节后功率因数cos ψ=0.9，滞后）和达到扩产目的，则需要选择额定功率因数为多少的同步电动机？下面我们对该案例进行计算分析：

由本案例可知：kW P 2200=总，（滞后）ψ总9.0cos =，则kW P S 4.24449.02200cos ===总

总总ψ5.10650.9-14.2444cos -122=⨯=⨯=总总总ψS Q ；

kW P 18001=，（滞后）

ψ8.0cos 1=，则 22508.01800cos 1

11===ψP S

13508.0-12250cos 121211=⨯=-⨯=ψS Q ；

kW P 4002=，则

2

2cos 400ψ=S ，2222222cos -1cos 400cos -1ψψψ⨯=⨯=S Q ， 另21Q Q Q +=总，那么由222cos -1cos 40013505.1065ψψ⨯+

=得出： （超前）ψ0.81cos 2=。

由上计算分析可知，只需选择一台额定效率为0.95，额定功率因数为0.81（超前），额定功率为400×0.95=380kW 的同步电动机即可达到无功补偿和扩产的目的。所以在适合的背景情况下，可以选择励磁可调的同步电动机进行无功补偿，这样不仅可以可以提高功率因数，减少电能浪费，还可以减少增加无功补偿装置的专项费用。当然在本案例中，如果制造厂在扩产前就含有励磁可调的同步电动机，那么我们也可以利用其原有的同步电动机进行无功功率的调节而达到调节功率因数的效果。也就是说在所有含有励磁可调的同步电动机的动力系统运行时，如果我们发现功率因数不合理时，就可以通过调节励磁电流，而改变同步电动机的无功功率的大小和性质，从而达到调节功率因数的效果。

综上所述，励磁可调的同步电动机在非空载运行时也可以通过改变励磁电流而改变其输出无功功率，进而改善功率因数，使其达到预期的要求，所以在含有励磁可调的同步电动机和异步电动机的混合动力系统中，我们可以就地取源，利用现有资源进行无功调节，而不必进行无功补偿装置的专项投资。

参考文献：《电机学》（中国电力出版社）

《谐波抑制和无功功率补偿》（机械工业出版社）

《同步发电机励磁系统原理与运行维护》（中国水利水电出版社）

《励磁控制与电力系统稳定》（中国电力出版社）