【电机学复习笔记】特殊同步机——同步电动机和同步调相机

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主要介绍同步电动机和同步调相机的一般及特殊问题

1 同步电动机

同步电机的可逆性原理： #可逆性原理
任何旋转电机既可以作发电机运行，也可以作为电动机运行，取决于其运行条件

发电机运行状态：

1、 $\phi >0;P_2=mUI\cos \phi >0$，输出电功率

2、$\theta >0$，转子磁极轴线超前于电枢等效磁极轴线

3、 $T_M$为反转矩，吸收机械能

4、$E_0$为主电势

电动机运行状态：

1、 $\phi >90^{。};P_2=mUI\cos \phi <0$，输入电功率

2、$\theta <0$，转子磁极轴线落后于电枢等效磁极轴线

3、 $T_M$为主转矩，输出机械功率

4、$E_0$为反电势

过渡过程：

发电机——空载——电动机

同步电动机特点：

1、转速恒定、与负载大小无关

2、本身无起动转矩

3、与异步电动机相比，需要直流励磁

4、可向电网发出感性无功，提高电网功率因数

1.1 同步电动机的基本电磁关系

1.1.1 同步电动机的基本电磁关系

！注意：发电机惯例与电动机惯例（规定电流正方向不一致）

发电机惯例——电源，同步机侧关联：

电动机惯例——负载，电网侧关联：

分析同步电动机采用电动机惯例，可使功率为正值（计算）

1.1.2 同步电动机的电动势方程与相量图

隐极机：

$${\dot{E}}_0=\dot{U}-\dot{I}{r}_a-j\dot{I}{x}_s$$

凸极机：

$${\dot{E}}_0=\dot{U}-\dot{I}{r}_a-j{\dot{I}}_d{x}_d-j{\dot{I}}_q{x}_q$$
!要注意：

1、电枢电流方向与电枢磁动势方向相反（与发电机相反）

电动机惯例规定正方向与发电机惯例相反，正向电流与空间相轴正方向不符合右手螺旋，故正电流产生负的磁动势

2、同步电动机可向电网输出无功功率：

过励磁——电流超前于电压，发出感性无功，为去磁电枢反应；

欠励磁——电流滞后于电压，发出容性无功，可能为加磁电枢反应。

1.1.3 同步电动机的功率和转矩

功率平衡关系：

$$P_1=P_{cua}+P_M$$
$$P_M=p_{fe}+p_m+p_{ad}+P_2$$
转矩平衡关系：
$$T_M=T_0+T_2$$

1.1.4 同步电动机的功角特性

#功角特性
只注意功角正方向为电压超前于空载电动势，其余一致。


静态稳定判据与过载能力也与同步发电机一致

1.2 同步电动机的V形曲线

#V形曲线
定义：负载不变时，同步电动机电枢电流和励磁电流之间的关系曲线。

只注意功角正方向为电压超前于空载电动势，功率因数角正方向为电枢电流超前于端电压，其余一致。

注意
在下图这里滞后、超前指的是电压滞后（超前）电流

因此，无论是同步电动机还是同步发电机，过励磁都产生去磁电枢反应，发出感性无功；欠励磁都产生助磁电枢反应，吸收感性无功。

1.3 同步电动机的起动

同步电动机起动转矩为0，不能自启动

为什么启动转矩为0？

同步电动机的电磁转矩是由定子电流建立的旋转磁场与转子磁场的相互作用而产生的，仅仅在两者相对静止时，才能得到平均电磁转矩
转子绕组加入直流励磁以后，在气隙中产生静止的转子磁场。当在定子绕组中能入三相交流电以后，在气隙中则产生旋转磁场。定子旋转磁场将以同步转速相对于转子磁场运动，转子上承受的是交变的脉振转矩，平均值为零。因此无法自起动。

起动方法：

1、辅助电动机起动

字面意思，用其他电机将同步电动机拖入同步速再投入运行

采用异步电动机作为辅助电机带动同步电动机接近同步转速，然后投入电网，加入励磁，利用自整步作用牵入同步，成本较高

2、调频起动

采用变频电源，由低到高逐步增加频率一直到额定频率。
$$n_1=\frac{60f}{p}$$
频率减小相当于定子侧旋转磁场同步速减小
需要一套变频电源，设备昂贵，少用

3、异步起动

采用异步电动机工作原理，在磁极表面装设类似异步电机笼型导条的短路绕组作为起动绕组（发电机称为阻尼绕组）。当异步起动使转子转速上升，转接近同步速时，加入直流励磁，使电动机牵入同步

1.4 反应式同步电动机

#反应式同步电动机
定义：
转子上无励磁绕组的凸极同步电动机，利用磁阻转矩工作，只有电枢反应磁场
由于转矩是因为直轴和交轴磁阻不同而产生的，又称为磁阻同步电动机
根据：
$$\begin{array}{rl}{P}_M& =P_M^{\prime }+P_M^{\prime \prime }\\ =& m\frac{U{E}_0}{x_d}\sin \theta -m\frac{U^2}{2}(\frac{1}{x_q}-\frac{1}{x_d})\sin 2\theta \end{array}\text{\hspace{1em}(*)}$$
其中：
附加电磁功率（磁阻功率）：$P_M^{\prime \prime }=m\frac{U^2}{2}(\frac{1}{x_q}-\frac{1}{x_d})\sin 2\theta$
磁阻功率主要是由于凸极电机直轴交轴磁阻不等引起，只与电网电压有关，而与励磁磁动势无关。

因此，即使转子无励磁，只要电网电压不为0，就会产生附加功率。
电磁转矩为：
$$T_M=m\frac{U^2}{2{\Omega }_1}(\frac{1}{x_q}-\frac{1}{x_d})\sin 2\theta$$
且，直轴交轴磁阻差别越大，最大电磁转矩越大：
当$\theta =45^{。}$s时：
$$T_{M\max }=m\frac{U^2}{2{\Omega }_1}(\frac{1}{x_q}-\frac{1}{x_d})$$

2 同步调相机

2.1 同步调相机的原理、特点与用途

定义：
不带机械负荷，运行于电动机状态，专门用来改善电网功率因数的同步电动机
运行状态：
过励磁：

电流超前于电压，发出感性无功，吸收容性无功，为去磁电枢反应
电力系统大多数成感性，故调相机通常都处于过励磁状态，作为无功电源提供感性无功。

欠励磁：

电流滞后于电压，发出容性无功，吸收感性无功，为加磁电枢反应

同步调相机特点：
1、额定容量是指过励时的视在功率；

2、由于不带机械负荷，因而没有静态过载能力的要求，为了减少励磁绕组的用铜量，气隙 比发电机和电动机的小，$x_d$较大；

2.2 同步调相机的起动

基本与同步电动机启动一致：
辅助电动机法或异步启动法（多）
！要注意：
由于同步调相机容量较大（几千或几万法），在异步起动投入电网时，相当于投入一个很大的电感负载， 将显著地降低同步调相机接入处电压，而严重影响附近其它用电设备的正常运行因此，通常要在定子回路中串入电抗器起动，以限制起动电流。

2.3 同步调相机的装设