电机学第19章

1、 东北电力大学东北电力大学19-1 同步电动机同步电动机19-2 同步补偿机同步补偿机 第第19章章 同步电动机和同步补偿机同步电动机和同步补偿机 东北电力大学东北电力大学19-1 同步电动机同步电动机一、同步电机的可逆原理一、同步电机的可逆原理图19-1 同步电机的可逆原理 东北电力大学东北电力大学改变电枢电流的参考方向，以输入电流作为电枢电流的正改变电枢电流的参考方向，以输入电流作为电枢电流的正方向，记为方向，记为IM，此时输入电功率为正值，电压方程式为，此时输入电功率为正值，电压方程式为 隐极同步电动机隐极同步电动机sMaMsaXI jrIEXI jrIEU00 )()( 1. 同步电动

2、机的电压方程和向量图同步电动机的电压方程和向量图 二、同步电动机二、同步电动机图19-2 隐极同步电动机的相量图和等效电路 东北电力大学东北电力大学画凸极同步电动机向量图时，需要先确定画凸极同步电动机向量图时，需要先确定0M角。角。 cossinarctan 0M RIUxIUaMMqMMqMaMQXI jrIUE凸极同步电动机凸极同步电动机qqMddMaMXI jXI jrIEU0图19-3 凸极同步电动机的相量图 东北电力大学东北电力大学2. 同步电动机的功角特性，功率方程和转矩方程同步电动机的功角特性，功率方程和转矩方程在电动机惯例下，把在电动机惯例下，把 滞后滞后 的功率角为正，用的功

3、率角为正，用 M表示，则表示，则MdqMdemXXUmXUEmP2sin112sin20这时这时电磁功率为正，表示从电能转换为机械能电磁功率为正，表示从电能转换为机械能。将上式除以同步角速度将上式除以同步角速度1，便得电动机的，便得电动机的电磁转矩电磁转矩MdqdXXmUXUmT2sin112sinE1M10em2同步电动机的同步电动机的电磁转矩是驱动性质电磁转矩是驱动性质的。的。0EU 东北电力大学东北电力大学功率方程功率方程Pem=pFe+pmec+P2 Tem=T0+T21ememPTTem为电动机的电磁转矩为电动机的电磁转矩10mecFeppTT0为空载转矩为空载转矩122PTT2为输

4、出转矩为输出转矩P1 = pcua+Pem转矩方程转矩方程 东北电力大学东北电力大学3. 3. 同步电动机的运行特性同步电动机的运行特性 同步电动机的运行特性包括工作特性工作特性和U形曲线形曲线两部分。U=UN、If=IfN时，Tem、IM、cosM=f(P2)。当输出功率当输出功率P2=0时，电枢电流为很小的空载电流；随着输时，电枢电流为很小的空载电流；随着输出功率的增加，电枢电流也随之增大，电枢电流也随之增出功率的增加，电枢电流也随之增大，电枢电流也随之增大，大，IM=f(P2)近似为一直线近似为一直线。（1）工作特性工作特性 12020PTTTTemTem=f(P2)是一条直线是一条直线

5、 东北电力大学东北电力大学 同步电动机同步电动机的的效率特性效率特性与其与其他电机基本相同。他电机基本相同。空载时，空载时，=0，随着输出功率的随着输出功率的增加，效率逐步增加，效率逐步增加，达到某个增加，达到某个最大之后开始下最大之后开始下降。降。图19-4 同步电动机的运行特性 东北电力大学东北电力大学同步电动机的同步电动机的功率因数特性功率因数特性与额定功率因数有关。与额定功率因数有关。曲线曲线1对应励磁电流较小，对应励磁电流较小，空载时功率因数等于空载时功率因数等于1。曲线曲线2对应励磁电流稍大，对应励磁电流稍大，半载时功率因数等于半载时功率因数等于1。曲线曲线3对应励磁电流更大，对应

6、励磁电流更大，满载时功率因数等于满载时功率因数等于1。改变励磁电流，改变励磁电流，可使电动机在任意特定负载下的功率因数可使电动机在任意特定负载下的功率因数达到达到1 1，甚至变成超前，甚至变成超前。图19-5 同步电动机的功率因数特性 东北电力大学东北电力大学同步电动机的最大电磁功率与额定功率之比，称为过载同步电动机的最大电磁功率与额定功率之比，称为过载能力。能力。和发电机一样，增加电动机的励磁，可以提高最和发电机一样，增加电动机的励磁，可以提高最大电磁功率大电磁功率Pe(max)，从而提高过载能力。从而提高过载能力。 东北电力大学东北电力大学U=UN，Pem=C时，IM=f(If)。 (2)

7、 U形曲线形曲线图19-6 同步电动机的U形曲线 东北电力大学东北电力大学将变成多少？数，问电枢电流和功率因磁增加）若负载转矩不变，励（势下的功角特性；的标么值和该激磁电动电动势的情况下运行时，激磁）该机在额定电流，（不计，求：电枢电阻和磁饱和忽略，电动机的参数为额定功率因数电动机的无穷大电网上运行有一台同步电动机接在例 %202 1cos15 .08 .01cos,119*MqdMXX57.2615 . 0arctancossinarctan00 . 1, 1cos00 . 1100*M*q*MM*MMMMUXIUIU为：，于是内功率因数角故电枢电流。由于参考相量，）取电动机的端电压为（解：

8、采用标幺值计算。 东北电力大学东北电力大学8944. 057.26coscos4473. 057.26sinsin00MMqMMMdMIIII轴分量于是，电流的直轴和交252. 18 . 04473. 057.26cos1 cos*0*0ddMMXIUEE为：激磁电动势作为功率基值额定视在功率且以电动机的，中无相数值表示时，式注意：用标幺mUI0EddXIjqqXIjM57.26 00MMM，故功率角为由于 东北电力大学东北电力大学MMMMMdqMdeXXUXUEP2sin375. 0sin565. 1 2sin8 . 015 . 0121sin8 . 01252. 1 2sin112sin*

9、2*0*性公式，可得：将有关数据代入功角特91.2212sin375. 0sin878. 12sin8 . 015 . 0121sin8 . 01502. 1,502. 1252. 12 . 12 . 1%202*0*0MMeMMMMePPEE，得，用试探法求保持为因为负载转矩不变，故此时功角特性为：，不计饱和时，）若励磁增加（ 东北电力大学东北电力大学7786. 05 . 091.22sinsin7261. 08 . 091.22cos502. 1cos*0*qMqMdMdMXUIXUEI轴分量为：枢电流的直轴分量和交于是从相量图可知，电064. 17786. 07261. 0222*2*q

10、MdMMIII故电枢电流为： 东北电力大学东北电力大学06.2091.2297.42 0MMM功率因数角为：变为超前。即过励时功率因数将从超前）功率因数为：1(9393. 006.20coscos M内功率因数角为：97.42064. 17786. 0arccosarccos*0MqMMII 东北电力大学东北电力大学的损耗不计）？各为多少（电动机总视在功率和功率因数这两种情况下，工厂的可供选用，试问（超前）的同步电动机，动机和（滞后）的感应电，率为（滞后），今欲添置功，的总功率为某工厂电力设备所消耗例8 . 0coskW4008 . 0coskW4008 . 0coskW2400219MMMk

11、var1800kvar6 . 03000sin6 . 0sin(8 . 0coskVA3000kVA8 . 02400coskW2400SQPSP于是，无功功率为：滞后），故由于视在功率为：有功功率解：工厂原来所耗功率 东北电力大学东北电力大学kVA317615002800vark1500)6 . 08 . 04001800(kW2800)4002400(22222QPSQP总视在功率（滞后）总无功功率总有功功率）选用同步电动机时：（滞后）总功率因数不变总视在功率（滞后）总无功功率总有功功率）选用感应电动机时：（8 . 035002800coskVA3500kVA21002800kvar210

12、0kvar)6 . 08 . 04001800(kW2800kW)4002400(12222QPSQP 东北电力大学东北电力大学总功率因数较高。总视在功率较小，电动机，工厂所需要的计算表明，若选用同步滞后）总功率因数不变(8815. 031762800cosSP 东北电力大学东北电力大学4. 同步电动机的起动同步电动机的起动同步电动机仅在同步转速时才产生恒定的同步电磁转矩。同步电动机仅在同步转速时才产生恒定的同步电磁转矩。起动时若把定子直接投入电网，转子加上直流励磁，则定起动时若把定子直接投入电网，转子加上直流励磁，则定子旋转磁场以同步转速旋转，而转子磁场静止不动，定、子旋转磁场以同步转速旋转

13、，而转子磁场静止不动，定、转子磁场之间具有相对运动，所以作用在转子上的同步电转子磁场之间具有相对运动，所以作用在转子上的同步电磁转矩正、负交变，平均转矩为零，电机不能自行起动。磁转矩正、负交变，平均转矩为零，电机不能自行起动。因此，要把同步电动机起动起来，必须借助其他方法。因此，要把同步电动机起动起来，必须借助其他方法。起动方法起动方法异步起动法异步起动法辅机起动法辅机起动法变频起动法变频起动法图19-7 同步电动机的起动示意图 东北电力大学东北电力大学（1）异步起动法）异步起动法起动绕组起动绕组：电机的主极极靴上设：电机的主极极靴上设有起动绕组，相当于感应电机的有起动绕组，相当于感应电机的鼠

14、笼绕组。鼠笼绕组。起动方法：起动方法： 起动时，先把励磁绕组通过电阻短起动时，先把励磁绕组通过电阻短接，然后把定子绕组接到三相交流接，然后把定子绕组接到三相交流电网。电网。 依靠定子旋转磁场和转子绕组中感应电流所产生的异步依靠定子旋转磁场和转子绕组中感应电流所产生的异步电磁转矩，电磁转矩，电机便能转起来。电机便能转起来。图19-8 同步电动机的起动绕组 东北电力大学东北电力大学自耦变压器笼形起动绕组fU运行起动图图19-9 异步起动时的线路图异步起动时的线路图 待转速上升到接近于同待转速上升到接近于同步转速时，再将励磁电步转速时，再将励磁电流接入励磁绕组，使转流接入励磁绕组，使转子建立主极磁场

15、。子建立主极磁场。 此时依靠定、转子磁场此时依靠定、转子磁场相互作用所产生的同步相互作用所产生的同步电磁转矩，再加上由于电磁转矩，再加上由于凸极效应所引起的磁阻凸极效应所引起的磁阻转矩，便可能转矩，便可能将转子牵将转子牵入同步。入同步。 东北电力大学东北电力大学通常选用与同步电动机极数相同的感应电动机作为辅助通常选用与同步电动机极数相同的感应电动机作为辅助电动机，电动机，当辅助电机把主机拖动到接近同步转速时，再当辅助电机把主机拖动到接近同步转速时，再用自整步法把主机投入电网。用自整步法把主机投入电网。(2) 辅机起动方法辅机起动方法(3) (3) 变频起动法变频起动法 起动时，加上励磁，把变频

16、电源起动时，加上励磁，把变频电源输出频率调的很低。输出频率调的很低。变频器缓慢提高变频器的输出频率，直缓慢提高变频器的输出频率，直到额定频率。到额定频率。 切除变频器。切除变频器。图19-10 同步电动机的变频起动电路 东北电力大学东北电力大学19-2 同步补偿机同步补偿机 1.1.同步补偿机的原理同步补偿机的原理 同步补偿机可以看作为空载运行的同步电动机。在正常励磁时，同步补偿机可以看作为空载运行的同步电动机。在正常励磁时，电枢电流极小，接近于零。过励时，从电网吸收超前的无功电流；欠电枢电流极小，接近于零。过励时，从电网吸收超前的无功电流；欠励时，则从电网吸取滞后的无功电流。励时，则从电网吸取滞后的无功电流。图19-11 同步补偿机的原理示意图 东北电力大学东北电力大学 2.2.同步补偿机的额定容量和结构特点同步补偿机的额定容量和结构特点 同步补偿机的转子上装有起动绕组，供异步起动之用。同步补偿机的转子上装有起动绕组，供异步起动