同步电动机和同步调相机
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6.5 同步电动机和同步调相机
教学要求：
1．了解同步电动机的优缺点 2．熟悉同步补偿机的用途
一、概述
大功率同步电动机与同容量的异步电动机相比，同
步电动机的功率因数高，在运行时，不仅不使电网 的功率因数降低，而且能够改善电网的功率因数。
同步电动机一般都作成凸极式的，为了能够自起动，
在转子磁极的极靴上装起动绕组。
(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。
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
3、中间补偿
UE0 (1) Pem P2 m sin X
( P,U )
UE0 ， 角减小， （2）当 X 时对稳定有利，因为 X 稳定提高。
（3）当保持原过载能力时，输送的功率将增大。
（4）中间加补偿机相当于线路的 X 减小，提 高了稳定性或增加输出。
4、特点
0 a t
凸极机：U
E0 IRa jI d X d jI q X q )
3、功角特性与功率平衡
功角特性：
UE0 Pem m sin Xt
UE0 mU 2 1 1 Pem m sin ( )sin 2 Xd 2 Xq Xd
电磁转矩：
1 UE0 mU2 1 1 T m sin ( ) sin2 2 Xq Xd Xd
三、调相机
电网主要负载为异步电动机、变压器，为感 性负载，需吸收感性无功，使电网功率因数下降， 线路压降和损耗增大，发电设备的利用率和效率
降低。
在适当地点装上调相机，吸收容性无功，发
出感性无功，可显著提高电力系统的经济性与供
电质量。
不带机械负载的同步电动机。它利用同步电 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。其吸收的有功功率仅供给电机本身的 损耗，总是在接近于零电磁功率和零功率因数的 情况下运行。
1、两种运行方式
领先于U ，吸收容性无 (1) 过励： 为过励时，I 功功率，即发出感性无功功率。(按照电动机惯例) 落后于U (2) 欠励：I
电动机惯例)
，吸收感性无功功率。(按照
按照发电机惯例画出空载、过励、欠励时-空矢量图 如下：
2、用途 (受控补偿)
(1) 当负荷较大时，为了改善功率因素，同步补偿机 应过励运行. (2) 当电网负荷很轻时，高压长输电线路将呈现较大的 电容作用，使受端电网电压升高，此时同步补偿机 应运行在欠励状态，吸收电网中多余的无功功率。
同步电动机自起动转距为零。
Y C
A
Na Z
N +A
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 子磁场运动，转子承受交的 脉振转矩，平均值为零。同 步电动机不能自行启动。
Sa
X
S
B
解决方法： 1、异步起动:
采用感应电动机工作原理.在转子极靴上加装起 动绕组（发电机称为阻尼绕组），起动时，励磁绕 组不能开路（以免产生过大的感应电势，击穿绝缘 ），亦不能直接短路（对起动不利），需串入阻值 约为10倍的电阻。 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。
3、辅助电动机起动:
选于同步电动机极数相同的异步电动机 作辅助电动机。先用辅助电动机将主机 拖动至接近于同步转速，然后用自整步 法将其投入电网，并切断辅助电动机电 源。 只适合空载起动，且设备多，操作复杂。
五、反应式同步电动机
转子上无励磁绕组的凸极同步电动机，
1 UE0 mU2 1 1 T m sin ( ) sin2 2 Xq Xd Xd
I f 0 E0 0
但是Xq Xd
故T 0
此原理适用于小型同步电动机。
同步电动机不带机械负载运行时，可以作为同步补
偿机使用，它可以改善电网的功率因数，调整电网 的电压。
二、 同步电动机的运行原理
1、同步电动机运行的可逆原理
结论：同步电机以 角的正负判断电机的运行状态。
超前与 U ， 为正 发电机： E 0
电动机： ， 为负 滞后与 U E 0
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。
电功率和所产生的电磁功率为正.
E I ( R jX jX ) U 0 a a I ( R jX ) E
0 a t
按电动机惯例
jIXt
U
.
.
.
E0
.
jIXt
U
.
.
E0
.
.
I
I
电动机过励运行状态 (按电动机惯例)
电动机过励运行状态 (按发电机惯例)
E I ( R jX jX ) U 0 a a 隐极机： I ( R jX ) E
E0
.
jIXt
U
. . . IRa
.
jIXt
U
.
.
E0
.
.
I
I
发电机过励运行状态 (按发电机规则)
电动机过励运行状态 (Leabharlann Baidu发电机规则)
2、同步电动机的基本方程式、相量图和 功 率平衡关系
按发电机惯例， Pem、为负，900，相量图对
分析不方便。
采用电动机惯例，将发电机惯例的电流方向改变
即可，此时电流超前于电压，Pem、为正，输入
教学要求：
1．了解同步电动机的优缺点 2．熟悉同步补偿机的用途
一、概述
大功率同步电动机与同容量的异步电动机相比，同
步电动机的功率因数高，在运行时，不仅不使电网 的功率因数降低，而且能够改善电网的功率因数。
同步电动机一般都作成凸极式的，为了能够自起动，
在转子磁极的极靴上装起动绕组。
(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。
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
3、中间补偿
UE0 (1) Pem P2 m sin X
( P,U )
UE0 ， 角减小， （2）当 X 时对稳定有利，因为 X 稳定提高。
（3）当保持原过载能力时，输送的功率将增大。
（4）中间加补偿机相当于线路的 X 减小，提 高了稳定性或增加输出。
4、特点
0 a t
凸极机：U
E0 IRa jI d X d jI q X q )
3、功角特性与功率平衡
功角特性：
UE0 Pem m sin Xt
UE0 mU 2 1 1 Pem m sin ( )sin 2 Xd 2 Xq Xd
电磁转矩：
1 UE0 mU2 1 1 T m sin ( ) sin2 2 Xq Xd Xd
三、调相机
电网主要负载为异步电动机、变压器，为感 性负载，需吸收感性无功，使电网功率因数下降， 线路压降和损耗增大，发电设备的利用率和效率
降低。
在适当地点装上调相机，吸收容性无功，发
出感性无功，可显著提高电力系统的经济性与供
电质量。
不带机械负载的同步电动机。它利用同步电 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。其吸收的有功功率仅供给电机本身的 损耗，总是在接近于零电磁功率和零功率因数的 情况下运行。
1、两种运行方式
领先于U ，吸收容性无 (1) 过励： 为过励时，I 功功率，即发出感性无功功率。(按照电动机惯例) 落后于U (2) 欠励：I
电动机惯例)
，吸收感性无功功率。(按照
按照发电机惯例画出空载、过励、欠励时-空矢量图 如下：
2、用途 (受控补偿)
(1) 当负荷较大时，为了改善功率因素，同步补偿机 应过励运行. (2) 当电网负荷很轻时，高压长输电线路将呈现较大的 电容作用，使受端电网电压升高，此时同步补偿机 应运行在欠励状态，吸收电网中多余的无功功率。
同步电动机自起动转距为零。
Y C
A
Na Z
N +A
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 子磁场运动，转子承受交的 脉振转矩，平均值为零。同 步电动机不能自行启动。
Sa
X
S
B
解决方法： 1、异步起动:
采用感应电动机工作原理.在转子极靴上加装起 动绕组（发电机称为阻尼绕组），起动时，励磁绕 组不能开路（以免产生过大的感应电势，击穿绝缘 ），亦不能直接短路（对起动不利），需串入阻值 约为10倍的电阻。 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。
3、辅助电动机起动:
选于同步电动机极数相同的异步电动机 作辅助电动机。先用辅助电动机将主机 拖动至接近于同步转速，然后用自整步 法将其投入电网，并切断辅助电动机电 源。 只适合空载起动，且设备多，操作复杂。
五、反应式同步电动机
转子上无励磁绕组的凸极同步电动机，
1 UE0 mU2 1 1 T m sin ( ) sin2 2 Xq Xd Xd
I f 0 E0 0
但是Xq Xd
故T 0
此原理适用于小型同步电动机。
同步电动机不带机械负载运行时，可以作为同步补
偿机使用，它可以改善电网的功率因数，调整电网 的电压。
二、 同步电动机的运行原理
1、同步电动机运行的可逆原理
结论：同步电机以 角的正负判断电机的运行状态。
超前与 U ， 为正 发电机： E 0
电动机： ， 为负 滞后与 U E 0
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。
电功率和所产生的电磁功率为正.
E I ( R jX jX ) U 0 a a I ( R jX ) E
0 a t
按电动机惯例
jIXt
U
.
.
.
E0
.
jIXt
U
.
.
E0
.
.
I
I
电动机过励运行状态 (按电动机惯例)
电动机过励运行状态 (按发电机惯例)
E I ( R jX jX ) U 0 a a 隐极机： I ( R jX ) E
E0
.
jIXt
U
. . . IRa
.
jIXt
U
.
.
E0
.
.
I
I
发电机过励运行状态 (按发电机规则)
电动机过励运行状态 (Leabharlann Baidu发电机规则)
2、同步电动机的基本方程式、相量图和 功 率平衡关系
按发电机惯例， Pem、为负，900，相量图对
分析不方便。
采用电动机惯例，将发电机惯例的电流方向改变
即可，此时电流超前于电压，Pem、为正，输入