（2）正确说出同步电动机的工作原理。
（3）正确启动同步电动机。
微课14.5：同步电机的调相运行
1.同步电机的可逆原理
电力负载中，异步电动机与变压器应用得最多，它们在运行时需要吸取感性无功功率。一个现代化的电力系统，异步电动机负载需要的无功功率占电网供给的总无功功率的70%，变压器占20%，其他设备占10%。这些无功功率完全由电网供给，就会导致电网功率因数的降低。如果仅靠同步发电机在向电力系统输送有功功率的同时，供给一部分感性无功功率，往往是不能满足需求的，为此，还须装设适当数量的专用无功电源，如电容器、调相机、静止无功补偿器、静止无功发生器等，也可使系统中的少数同步发电机做调相运行。同步电机的调相运行实质上是同步电机在不带负载的情况下，专门向电力系统输送或吸收感性无功功率的同步电动机空载运行状态。
同步电机与其他电机一样，具有可逆性，它既可以作发电机运行，也可以作电动机运行。作发电机运行时，除可向电力系统输送有功功率外，还可以向电力系统输送或吸收感性无功功率；作电动机运行时，除可从电力系统吸收有功功率外，还可以从电力系统吸收或输送感性无功功率。运行于哪种状态取决于它的输入功率是机械功率还是电功率。下面以一台已投入电网运行的隐极电机为例，说明其从同步发电机过渡到同步电动机运行状态的物理过程，以及其内部各电磁物理量之间的关系变化。
同步电机运行于发电机状态时，其转子主磁极轴线2超前于气隙合成磁场磁极轴线1一个功率角δ，它可以想象成为转子磁极拖着合成等效磁极以同步转速旋转，如图14－28（a）所示。这时发电机产生的电磁制动转矩与输入的驱动转矩相平衡，把机械功率转变为电功率输送给电网。因此，此时电磁功率PM和功率角δ均为正值，励磁电动势
超前于电网电压
一个δ角度。
如果逐步减少发电机的输入机械功率，转子将随之减速，δ角减小，相应的电磁功率PM也减小。当δ减到零时，相应的电磁功率也为零，发电机的输入机械功率只能抵偿空载损耗。维持空载转动时，转子主磁极轴线2与气隙合成磁场磁极轴线1之间的功率角δ为零，如图14－28（b）所示，此时发电机处于空载运行状态，并不向电网输送有功功率。
图14－28 同步发电机过渡到同步电动机的过程
（a）发电机状态；（b）发电机空载运行状态；（c）电动机状态
若继续减少发电机的输入机械功率，把原动机的汽门或水门关闭，转子主磁极轴线2开始落后于气隙合成磁场磁极轴线1，但仍然以同步速度旋转，此时功率角δ开始变为负值，电磁功率也开始变为负值（驱动转矩），电机开始从电力系统吸收空载转动所需的少量有功功率，同步电机处于电动机的空载运行状态，此时同步电机不带机械负载（
很小）。调节励磁电流，仅向电力系统输送或吸收感性无功功率，同步电机即处于调相运行状态。如果在轴上加上机械负载，而由机械负载产生的制动转矩使转子磁极更为落后，则负值功率角δ的绝对值将增大，即
滞后于
，从电力系统吸收的电功率和作为驱动转矩的电磁功率亦将变大，以平衡电动机的输出机械功率，此时同步电机处于电动机负载运行状态，如图14－28（c）所示。所以同步电机调相运行时功率角δ较之同步电动机负载运行时是很小的。
从以上分析可知，δ的不同范围决定了同步电机的运行状态：
（1）90°＞δ＞0°，同步电机处于发电机运行状态，向电力系统输送有功功率，同时也向电力系统输送或吸收无功功率。
（2）δ＝0°，同步电机处于发电机空载运行状态，只向电力系统送出或吸收无功功率。
（3）
（负值），同步电机处于电动机空载运行状态，从电力系统吸收少量的有功功率，供给同步电机空载运行的各种损耗，并可向电力系统送出或吸收无功功率，此为同步电机调相运行状态。
（4）－90°＜δ＜0°，同步电机处于电动机负载运行状态，从电力系统吸收有功功率，同时可向电力系统送出或吸收无功功率。
2.同步调相机
1）用途
同步调相机用来改善电力系统的功率因数和调节电力系统的电压，为此，一般调相机往往安装在靠近负载中心的变电所中。
2）特点
（1）同步调相机的额定容量是指它在过励时的视在功率，通常按过励状态时所允许的容量而定，这时的励磁电流称为额定励磁电流。考虑到稳定等因素，欠励时的容量为过励时额定容量的50%～65%。
（2）调相机轴上不带机械负载，转轴较细，没有过载能力的需求，气隙可小些，故同步电抗Xt较大，一般Xt*≥2。
（3）为节省材料，调相机的转速较高。
（4）调相机的转子上装有鼠笼绕组，作异步启动之用。启动时常采用电抗器降压法，以限制启动电流和启动时对电网的影响。
3.同步电动机
1）同步电动机的基本方程和相量图
按照发电机惯例，同步电动机为一台输出负的有功功率的发电机，其隐极电机的电动势方程为
此时
滞后于
一个功率角δ，φ＞90°。其相量图和等效电路图如图14－29（a）和图14－29（c）所示。但习惯上，人们总是把电动机看作是电网的负载，它从电网吸取有功功率。
按照电动机惯例重新定义，把输出负值电流看成是输入正值电流，则
应转过180°，其电动势相量图和等效电路如图14－29（b）和图14－29（c）所示。此时φ＜90°，表示电动机自电网吸取有功功率，其电动势方程为
同步电动机的电磁功率PM与功率角δ的关系，和发电机PM与δ的关系一样，所不同的是在电动机中功率角δ变为负值。因此，只需在发电机的电磁功率公式中用δM＝－δ代替δ即可。于是，同步电动机电磁功率公式为
式（14－27）除以同步机械角速度Ω1，便得到同步电动机的电磁转矩为
当同步电动机的负载转矩大于最大电磁转矩时，电动机便无法保持同步旋转状态，即产生“失步”现象。为了衡量同步电动机的过载能力，常以最大电磁转矩与额定转矩之比值作为过载能力，对隐极式同步电动机，则有
图14－29 隐极式同步电动机的相量图和等效电路
（a）发电机观点；（b）电动机观点；（c）等效电路
式中 λm——同步电动机的过载能力；
δN——额定运行时的功率角。(www.xing528.com)
同步电动机稳定运行时，一般λm＝2～3，δN＝20°～30°。
从机—电能量转换角度来看，由于同步电动机运行状态是同步发电机运行状态的逆过程，由此可得同步电动机的功率方程为
将上式两边同除同步角速度Ω1得
式（14－31）为转矩平衡方程，该式表明同步电动机产生的电磁转矩TM是驱动转矩，其大小等于负载制动转矩T2和空载制动转矩T0之和。驱动转矩与制动转矩相等时，电动机稳定运行。由于同步电动机是气隙合成磁场拖着转子励磁磁场同步转动的，因此其转速总是同步转速不变。当负载制动转矩T2变化时，转子转速瞬间改变，功率角δ随之改变，电磁转矩TM也相应变化，以保持转矩平衡关系不变，维持稳定状态。所以当励磁电流不变时，同步电动机之功角δ的大小取决于负载制动转矩T2的大小，而不决定于电动机本身。
【例题14－5】某工厂电源电压为6 000V，厂中使用了许多台异步电动机，设其总输出功率为1 500 kW，平均效率为70%，功率因数为0.7（滞后），由于生产需要又增添一台同步电动机。设当该同步电动机的功率因数为0.8（超前）时，已将全厂的功率因数调整到1，求此同步电动机承担多少视在功率（kV·A）和有功功率（kW）。
解：这些异步电动机总的视在功率S为
由于cosφ＝0.7，sinφ＝0.713，故这些异步电动机总的无功功率为
同步电动机运行后，cosφ＝1，故全厂的感性无功全由该同步电动机提供，即有
因cosφ′＝0.8，sinφ′＝0.6，故同步电动机的视在功率为
有功功率为
自测题
答案14.6
一、填空题
1.同步调相机又称________，实际上就是一台__________运行的同步电动机，通常工作于__________状态。
2.同步电机作发电机运行时，在相位上，
________
；作电动机运行时，在相位上，
________
。
3.同步发电机在过励时向电网发出________无功功率，产生直轴________电枢反应；同步电动机在过励时向电网吸收________无功功率，产生直轴________电枢反应。
4.与其他旋转电机类似，同步电机运行是可逆的，它既可作__________运行，又可作________运行，还可作________运行。
二、选择题
1.交流电站中，若电网负载无变化，电网频率不稳多由（ ）引起。
A.励磁 B.调速器 C.调压器 D.均压线
2.已知一台凸极同步发电机的Id＝Iq＝100 A，此时发电机的电枢电流为（ ）。
A.100 A B.200 A C.141.4 A D.1 414 A
3.同步补偿机的作用是（ ）。
A.补偿电网电力不足 B.改善电网功率因数
C.作为用户的备用电源 D.作为同步发电机的励磁电源
三、判断题
1.隐极式发电机电磁功率随功角按正弦规律变化。（ ）
2.当励磁电流一定时，隐极式发电机功率极限与电网电压成正比。（ ）
3.功角大于零，同步电机为发电机。（ ）
4.功角大于180°，同步电机为发电机。（ ）
5.功角大于180°，同步电机为电动机。（ ）
6.同步发电机的零功率因数负载特性曲线与其空载特性曲线形状相似。（ ）
7.同步电动机的功率因数可以调整到1。（ ）
四、分析计算题
1.从同步发电机过渡到同步电动机时，功角δ、电流I电磁转矩TM的大小和方向有何变化？
2.某工厂变电所变压器的容量为2 000 kV·A，该厂电力设备的平均负载为1 200 kW，cosφ＝0.8（滞后），今欲新装一台500 kW，cosφ＝0.8（超前），η＝95%的同步电动机，问当电动机满载时，全场的功率因数是多少？变压器是否过载？
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
