第十四次13同步电动机及补偿机

同步电动机教学要求：了解同步电动机的优缺点了解同步电动机的起动，功率因数的调节熟悉同步补偿机的用途。了解特殊同步电动机工作原理第一节同步电动机的基本电磁关系、方程式和相量图第二节同步电动机的无功功率调节第三节三相同步电动机的起动第四节同步调相机第五节特殊同步电动机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。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。同步电动机特点:（1）n=n1不变,n1=60f/P（调f可以调速）（2）功率固数可以任意调节（调If）（3）与异步电动机比，气隙大，电抗小，过载能力强。(x小，Pemax大）。静态稳定好（4）；异步电动机:（5）η高。大连理工大学电气工程系三相同步电机的可逆运行NSSNn0n0θ电动机状态NSSNn0n0理想空载状态SNn0NSn0θ发电机运行5.1三相同步电机的工作原理第一节同步电动机的基本电磁关系、方程式和相量图一、从发电机状态过渡到电动机状态过程

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。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若此时去掉原动机

T1-T0=-T0<0转子降速，δ角为负，F超前Ff

，此时F拖动Ff前进。电磁转矩为驱动转矩。空载时(T1=T0)。若在转子上加负载转矩，转子磁极更加落后，T=T2+T0，δ角↑，T↑，电机带负载运行。二、方程式和相量图同步电动机分析时采用电动机惯例，则电流超前端电压（从电网吸收超前的容性电流），励磁电动势滞后与电压，和角为正值，产生的电磁功率也为正值。电动势平衡方程式分别为：隐极同步电动机：根据电动势方程可以画出等效电路和相量图，如图17-2。图17-2电动机惯例表示的隐极同步电动机的等效电路和相量图（a）等效电路（b）滞后功率因数（c）超前功率因数凸极同步电动机：

同理根据电动势方程可以画出相量图。三、功率与转矩平衡方程和功角特性（一）功率平衡方程式同步电动机正常运行时，由电网输入的电功率P1除了很小部分消耗于定子铜耗外，即为由电磁场从定子传送到转子的电磁功率Pem。转子上获得的总机械功率Pm为Pem中减去定子铁心损耗、机械损耗pm，总机械功率Pm除去和附加损耗ps（有的还包括励磁机功率pf）后才是电动机最后的输出功率P2。其中称为空载损耗

（二）转矩平衡方程式各项除以得到转矩平衡式

T=T0+T2

转矩平衡式说明，电动机稳定运行时，驱动性质的电磁转矩与制动性质的输出转矩和空载转矩之和平衡。（三）功角特性电动机运行时，励磁电动势滞后与电压功角为正值，同理有：

若令即得隐极同步电动机的电磁功率和电磁转矩表达式

大连理工大学电气工程系三相同步电动机功率因数的调节同步电动机可以通过调节励磁电流来调节其功率因数

即：

调节If

→

调节cos

→－90o＜＜90o第5章同步电机的基本理论第二节同步电动机的无功功率调节一、同步电动机的无功功率调节同步电动机并在恒压电网上运行时，若输出功率P2恒定，以隐极同步电动机为例，且忽略电枢电阻损耗。则由于m、U、xs均不变，则图17-3给出了输出功率不变而励磁电势变化时隐极发电机的电势相量图，和的末端必须落在直线AB和CD上。可见，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；图17-3P2=常数，调节励磁时的相量图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；励磁电流大于正常励磁值(过励)时，电动机功率因数cos超前，同步电动机相当于容性负载，要从电网吸取超前无功图17-3P2=常数，调节励磁时的相量图二、同步电动机的V型曲线同步电动机在有功功率恒定、励磁电流变化时，电枢电流随励磁电流变化的曲线，即I=f(If)，如图在欠励区，励磁电流减小到一定数值时，电动机将失步，不能稳定运行；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大连理工大学电气工程系第三节三相同步电动机的起动

三相同步电动机的主要缺点是自身没有起动转矩，即TST=0。因此无法自己起动。1.拖动起动法2.异步起动法3.变频起动法第6章同步电动机的电力拖动大连理工大学电气工程系1.拖动起动法6.2三相同步电动机的起动三相同步电动机磁极对数：p功率：PN辅助电动机磁极对数：p功率：(10%~20%)

PN异步机同步机大连理工大学电气工程系起动运行2.异步起动法

起动过程：(1)异步起动：励磁绕组不能开路、不能短路，需接限流电阻：RS≈(8~12)Rf(2)牵入同步笼型起动绕组3~Q1

＋

Uf

－RSQ2电刷滑环6.2三相同步电动机的起动大连理工大学电气工程系3.变频起动法3~

变频电源Qf由零逐渐缓慢增加50HzNSSN6.2三相同步电动机的起动第四节同步调相机同步调相机，也称同步补偿机，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。一、调相机两种运行状态过励状态；欠励状态，同步调相机由于不带有功负载，运行只有两种状态，如图（a）为过励状态，领先于，吸收容性无功功率，即发出感性无功功率。如图（b）为欠励状态，落后于，吸收感性无功功率。二、调相机用途调相机向电网补充无功功率，根据其所在位置不同，补偿作用也不同。如图，调相机在负荷节点补偿，当负荷较大时，为了改善功率因素，同步补偿机应过励运行；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。（二）中间补偿

如图，调相机在输电线路上进行补偿，发电机送到系统的功率为当减小时对稳定有利，因为增加

，角减小，稳定提高；当保持原过载能力时，输送的功率将增大；中间加补偿机相当于线路的减小，提高了稳定性或增加输出。

三、调相机特点（1）因不带机械负载，补偿机转轴可以比细。因为输出有功功率为零（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。（2）由于没有稳定问题，xs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。水电站在枯水期间，水轮发电机可作调相运行；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。第五节特殊同步电动机一、永磁同步电动机一般同步电机转子的励磁采是用电磁式，如果用永久磁铁来代替，则成为永磁同步电机。永磁同步电机即可作发电机也可作电动机。永磁同步电机作为发电机近年引起极大的关注，风力发电作为绿色能源之一，已在世界上和我国得到一定的应用，风力发电采用永磁同步发电机有重量轻、可靠性和效率高的优点。磁钢是永磁同步电机的关键材料，永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三类。根据永磁同步电动机结构原理图如图17-8，可以设计出不同结构的转子，图17-9为凸极式转子结构，结构灵活，不同的转子结构往往带来自身性能上的特点，因而稀土永磁同步电动机可根据使用需要选择不同的转子结构形式。图17-9不同励磁形式同步电动机转子的一个极矩的横截面17-8永磁同步电动机结构示意图

1-转轴2-轴承3-端盖4-定子绕组5-机座6-定子铁心7-转子铁心8-永磁体9-起动笼10-风扇11-风罩与电磁式同步电动机相比较，稀土永磁同步电动机具有的优点，稀土永磁同步电动机无需电流励磁,不设电刷和肩环,因此结构简单、使用方便、可靠性高；由于上述结构的特点，使得稀土永磁同步电动机转子上无励磁损耗，无电刷和滑环之间的磨擦损耗和接触电损耗。因此，稀土永磁同步电动机的效率比电磁式同步电动机要高，并且其功率因数可以设计在1.0附近；稀土永磁同步电动机在一定功率范围内，可以比电磁式同步电动机具有更小的体积和重量。二、步进同步电动机步进电动机是一种将电脉冲信号转换为角位移的控制微电机，可在各种数控系统中作可执行元件,可在宽广的范围内调速，在负载能力范围内，其角位移的定位精度无积累误差，特别适用于开环数控系统中。步进电动机按其工作原理来分，主要有磁电式和反应式两大类，这里介绍常用的反应式步进电动机的工作原理。步进电动机是一种将电脉冲信号转换为角位移的控制微电机，可在各种数控系统中作可执行元件,可在宽广的范围内调速，在负载能力范围内，其角位移的定位精度无积累误差，特别适用于开环数控系统中。步进电动机按其工作原理来分，主要有磁电式和反应式两大类，这里介绍常用的反应式步进电动机的工作原理。上图表示一台三相反应式步进电动机，定子为三相绕组，每相有两个磁极，三相绕组为Y接法。转子铁心及定子极靴上均有小齿，且定、转子齿距相等，图中转子齿数为40。因此每一齿距对应的空间角度为。B、C两相与A相相差120和2400，通过计算可知B极和C极正中的齿超前转子14号齿和27号齿的距离分别为1/3齿和2/3齿距。首先有一相线圈(设为A相)通电，于是建立如图17-11（a）磁场，由于转子力求整个磁路磁阻最小，转子1号齿对准磁极A极轴。然后，A相断电，B相通电，则磁极A的磁场消失磁极B产生了磁场，如图17-11（b）,磁极的磁场把离它最近的14号齿吸引过去，14号齿对准磁极B极轴，这时转子逆时针转了30°。再接下去B相断电，C相通电，如图17-11（c）。根据同样道理，转子又逆时针转了3°，27号齿对准磁极C极轴。若再A相通电，C相断开，那么转子再逆转3°，使转子1号齿对准磁极A极轴。定子各相轮流通电一次转子转过一个齿。这样按A→B→C→A→B→C→A→次序轮流通电，步进电动机就一步一步地按逆时针方向旋转。通电线圈每转换一次，步进电动机旋转3°，我们把步进电动机每步转过的角度称之为步距角。如果把步进电动机通电线圈转换的次序倒过来换成A→C→B→A→C→B→…的顺序，则步进电动机将按逆时针方向旋转，所以要改变步进电动机的旋转方向可以在任何一相通电时进行。步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。随着微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电动机推