第十一章同步电动机和同步调相机

目录下页上页退出第十一章同步电动机和同步调相机•11.1同步电动机的基本方程式和相量图•11.2同步电动机的启动•10.3同步调相机•10.4反应式同步电动机•11.0前言目录下页上页退出前言同步调相机只相当于空载运行的同步电动机，它不用来拖动机械负载，而专门用来调节无功功率，提高电网的功率因数。同步电动机和调相机的转子一般都采用凸极结构，并在磁极的极靴上装有起动绕组（即阻尼绕组）。同步电动机与感应电动机相比，其主要特点:1)转速不随负载的变化而变化，而且有较高的功率因数（可达到cosφ=1），特别在过励状态下，还可使功率因数超前，从而提高了电网的功率因数。2)同步电动机的气隙较大，Xd较小，过载能力较高（Km=2~3），静态稳定性好，且因为气隙大而使结构可靠性提高，安装维护容易。3)在不需要调速而功率又较大的场合，如驱动大型的空气压缩机、球磨机、鼓风机和水泵以及电动发电机组等，较多采用同步电动机。目录下页上页退出11.1同步电动机的基本方程式和相量图11.1.1同步电机的可逆原理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，δ0，电机把机械能转变成电能。同步电机的运行是可逆的，既可以用作发电机，还可以用作电动机。电磁功率PeM和功率角δ均为正值，励磁电动势E0超前于电网电压U-δ角。目录下页上页退出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。并不向电网输送功率过渡状态目录下页上页退出继续减少发电机的输入功率，则δ和Pem变为负值。卸动原动机，电机从电网吸收功率满足空载损耗，成为空转的电动机。电机轴上加上机械负载，负值的δ增大，由电网向电机输入的电功率和相应的电磁功率增大，转子磁极轴线落后定子合成磁极轴线，转子受到驱动性质的电磁转矩作用。电动机状态由同步发电机转变为同步电动机时，功率角和相应的电磁功率均由正值变为负值，电机由输出电功率变为输入电功率，电磁转矩由制动变为驱动。目录下页上页退出11.1.2同步电动机的基本方程式和相量图按照发电机惯例，同步电动机可以看成是一台输出负的有功功率的发电机，其电动势方程与发电机的方程相同，以隐极机发电机为例：0atEUIRjIX&&&&按照电动机惯例，把输出负电流看成是输入正电流即可，其电动势方程：0&&&&DaDtUEIRIX隐极机：发电机观点电动机观点等效电路目录下页上页退出凸极机：0&&&&&DadDdqDqUEIRjIXjIX同步电动机的功角特性与发电机的相似，用δM=-δ代替δ即可。同步电动机的电磁功率公式:201122MDDdqdEUUPmsinmsinXXX上式除以同步速度得同步电动机的电磁转距:20111122DDdqdEUUTmsinmsinXXX同步发电机的过载能力、比整步功率所作的分析和结论，对电动机也是完全适用的。在近代同步电动机中，其参数Xd*=0.6~1.45，Xq*=1.0~1.4，额定功率角δDN=20°~30°，过载能力Km=2~3。凸极同步电动机相量图目录下页上页退出11.1.3同步电动机的V形曲线与同步发电机相似,当同步电动机的输入有功功率恒定而调节励磁电流时,也有三种励磁状态,“正常励磁”时,电动机没有无功功率输出；“过励”时电动机从电网吸收容性无功（或发出感性无功）;“欠励”时电动机从电网吸收感性无功（或发出容性无功）.也可以调节无功功率.调节励磁电流可以调节同步电动机的无功功率和功率因数,这是同步电动最可贵的特点.为了改善电网的功率因数和提高电机的过载能力，现代同步电动机的额定功率因数一般均设计为1-0.8（超前）。目录下页上页退出11.2同步电动机的启动同步电动机不能自行起动假设定子磁场的运动方向由左向右，并在某瞬间转到图a所示的位置，由图可见，此瞬间定子磁场和转子磁场相互作用所产生的电磁转矩是推动转子旋转的；但由于转子具有转动惯量，在此转矩作用下，并不可能立即加速到同步。于是在半个周期以后（即1/100s以后），定子磁场向前移动了一个极距，达到图b的位置，此时定子磁极对转子磁极的排斥力，将阻止转子的转动。如此变化不已，可见转子上受到的平均转矩为零相互吸引相互排斥目录下页上页退出由于同步电动机的平均起动转矩为零，所不能自行起动，必须借用其它方法。常用的起动方法有：辅助电动机起动法、变频起动法和异步起动法。其中异步起动法应用最广泛。现代同步电动机多采用异步起动法来起动。它是通过在凸极式同步电动机的转子上装置阻尼组和感应电动机的笼型绕组相似，只是它装在转子磁极的极靴上，有时亦称同步电动机的阻尼绕组为起动绕组。目录下页上页退出同步电动机的异步起动方法：第二步:将同步电动机的定子绕组接通三相交流电源。这时定子旋转磁场将在阻尼绕组中感应一电流，此电流与定子旋转磁场相互作用而产生异步电磁转矩，同步电动机便作为异步电动机而起动。第三步:当同步电动机的转速达到同步转速的95%左右时，将励磁绕组与直流电源接通，给予直流励磁。这时转子上增加了一个频率很低的交流转矩，转子磁场与定子磁场之间的相互吸引力便能把转子拉住，使它跟着定子旋转磁场以同步转速旋转，即所谓牵入同步。第一步:把同步电动机的励磁绕组通过一个电阻短接（下图）。起动时励磁绕组开路是很危险的，因为励磁绕组的匝数很多，定子数很多，定子旋转磁场将在该绕组中感应很高的电压，可能击穿励磁绕组的绝缘。短路电阻的大小约为励磁绕组本身电阻的10倍左右。同步电动机异步启动法原理线路图目录下页上页退出11.3同步调相机同步调相机（或称同步补偿机）是专门发送无功功率的同步电机，实质上是一台空载运行的同步电动机。在电网的受电端接上同步调速相机，是减少线路中的损耗和电压降，提高电网的功率因数，减轻发电机的负担的重要方法。受电端装有自动励磁调节的同步调相机可以使各种工况下受电端的电压基本保持不变。目录下页上页退出1)调相机的额定容量指的是在过励状态下的额定视在功率。2)由于转轴上不带机械负载，所以调相机的转轴比同容量的电动机转轴细，没有过载能力的要求。3)为了提高调相机提供感性无功的能力，励磁线圈导线截面较大，但励磁损耗仍然很大，对通风冷却要求较高。同步调相机的特点同步调相机的起动一般采用异步起动法或辅助电动机法。选择起动方法时，首先考虑限制起动电流，然后考虑满足起动转矩的要求。目录下页上页退出11.4反应式同步电动机反应式同步电动机是在没有直流励磁时的凸极式同步电动机。凸极同步电动机失去直流励磁时，主极磁通为零，由主磁通所建立的电动势E0也就等于零,只产生附加电磁功率和相应的附加电磁转矩电磁转矩是由于直轴和交轴磁路磁阻不等而使Xd和Xq不相等所产生的，因此又称磁阻转矩201122MDqdUPmsinXX211122DqdUTmsinXX目录下页上页退出反应式同步电动机转矩的产生可以用下图所示的简单模型来说明，图中N、S极表示电枢旋转磁场的磁极。目录下页上页退出一个圆柱形隐极转子，因此当转子无励磁时，无论其直轴和电枢旋转磁场的轴线相差多大角度都不能产生切向电磁力及电磁转矩。凸极的反应式同步电动机的空转情况。由于电动机的机械损耗可略去不计，故电动机产生的电磁转矩T≈0，于是定子旋转磁转轴线与转子磁极轴线重合（即δ=0），此时磁力线不发生扭斜，空载电流近似为。当电动机加上机械负载时，则由于转矩不平衡，转子将发生瞬时减速，于是转子的直轴（d轴）将落后于电枢旋转磁场轴线一个角度δ1dUX目录下页上页退出（图中表示δ=45°）。由于直轴磁路的磁阻远小于交轴磁路的磁阻，故磁力线仍由极靴处进入转子，使磁场发生扭斜，并因此产生与电枢磁场转向相同方向的磁阻转矩T与负载转矩相平衡。如果δ角继续增大，则磁场的畸变开始减小，因为部分磁通开始直接沿转子交轴方向通过，从而使穿过转子极面的磁力线数减少。当转子偏转角δ=90°时，磁阻虽最大，但磁力线却未被扭曲，全部磁力线沿转子交轴方向穿过，如图d所示，这时气隙磁场又是对称分布，故合成转矩又变成零当δ＞90°时，转矩将改变方向，如图e所示。δ=180°时，转矩又等于零目录下页上页退出反应式同步电动机接入电网后，从电网吸取感性的无功电流，并建立直轴电枢反应磁场。在理想的空载情况下，电动机不需要产生与负载转矩相平衡的电磁转矩，此时转子保持其直轴方向的轴线与定子磁场轴线一致（δ=0），并随定子磁场同步旋转。反应式同步电动机的最大转矩发生在δ=45°时，而在δ=90°时电磁转矩为零。如果负载再增加，将使电动机失去同步。反应式同步电动机的工作原理在有负载的情况下，电动机的转子受到负载的制动力矩作用，使得转子的直轴轴线对定子磁场轴线向后（逆转向）移动。于是磁场便发生畸变，从而产生与负载转矩相平衡的附加电磁转矩，并保持其转子直轴轴线滞后于定子磁场轴线一定的角度δ而同步旋转。目录下页上页退出优点:结构比较简单，转子无励磁，只需要交流电源反应式同步电动机缺点:功率因数较低反应式同步电动机的转速与电网频率保持恒定的关系。为了增大反应式同步电动机的电磁转矩，应使Xd与Xq的差别尽可能大，目前可以做到使Xd:Xq=5:1。反应式电机通常作为电动机运行。近年来容量为数十瓦至数百瓦的小功率恒速反应式同步电动机广泛地用于自动装置、遥控元件、有声电影、电钟及同步随动系统等。