相同步电动机的基本控制线路.docVIP

第五章 三相同步电动机的基本控制线路 在交流电机中，转子的转速始终保持与同步转速相等的一类电机称为同步电机。按功率转换关系，同步电机主要有三种运行方式，即作为发电机、电动机和补偿机运行。 作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。 同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的—绕组相电势的最大值 ω—交变电势的角频率，ω=2πf。其中f即为电势的频率，单位为赫兹。 由于三相绕组在空间彼此互差120o电角度，因此，定子三相电势大小相等，相位彼此相差120o电角度。设U相的初相角为零，则三相电势的瞬时值为： eU=Emsinωt eV= Emsin(ωt-120o) eW= Emsin(ωt-240o) 这样，在同步发电机的定子绕组中就产生了三相对称电势，若定子绕组接上负载，则同步发电机就会向负载输出三相交流电流，从而将转子上的机械能转换为电能输出。 三相电势的频率可以这样决定：当转子为一对极时，转子旋转一周，绕组中的感应电势就正好交变一次（一个周波）；当电机有p对极时，则转子旋转一周，感应电势交变p次（即p个周波）；设转子每分钟转数为n，则转子每秒钟旋转转，因此感应电动势每秒交变次，即电势的频率为： 从上式可以看出，同步发电机输出电压的频率等于电机的极对数p与转子每秒钟转速的乘积。我国国家标准规定工业交流电的频率为50赫兹，因此电机的极对数和转速成反比关系。例如：在汽轮发电机中，如果n=3000转/分，则电机为一对极；n=1500转/分，电机为两对极。所以电机的转速越低，则极对数越多。 三、同步电动机功率因数的调整 与异步电动机相似，同步电动机接至电网运行时，其外接电源电压由定子绕组产生的反电势和内阻抗压降来平衡。它们之间的电压平衡关系可由下式表示 上式中，为定子绕组切割转子旋转磁场产生的反电势；为定子电流在定子绕组内产生的内阻压降。为定子绕组的电抗压降，当忽略定子绕组电阻时，定子绕组电流将滞后于90 o。 图5.1 同步电动机定子电压、电流向量图 对应于上式的向量图如图5.1所示。电势与外加电压之间的夹角θ称为同步电动机的功角；电压与电流之间的夹角φ即为功率因数角。 更深入的分析表明：在外加电压一定，并忽略定子绕组电阻时，同步电动机的电磁功率与反电势和功角的正弦的乘积成正比，即： Pem=KE0sinθ 式中，K — 与电机结构和外加电压有关的常数 下面，我们进一步分析当外加电压一定、电动机的机械负载一定时，同步电动机的无功功率随励磁电流变化的规律。 当同步电动机的负载功率不变时，如果忽略定子绕组的电阻的影响，则电动机的电磁功率、输入功率均为常数，改变励磁电流的大小，可使同步电动机处于正常励磁、过励和欠励三种励磁状态。 同步电动机正常励磁时，定子电流与电压同相，为纯有功电流，同步电动机仅从电网吸取有功功率，电动机表现为电阻性负载。 若在正常励磁的基础上，增大励磁电流，则电动机将处于过励状态，这时将超前于，电动机除向电网吸取一定的有功功率外，同时还向电网吸取一定的容性无功功率，电动机表现为电容性负载。 若在正常励磁的基础上，减小励磁电流使电动机处于欠励状态，这时，将滞后于一个角度，电动机除向电网吸取有功功率外，还向电网吸取一定的感性无功功率，电动机表现为电感性负载。 综上所述可知，改变同步电动机的励磁电流，即可改变其功率因数。正常励磁时，电动机为电阻性负载。功率因数为1；欠励时，电动机为感性负载，功率因数小于1，要向电网吸取一定的感性无功功率，这是很不利的，同步电动机一般不允许欠励运行。过励时，电动机为容性负载，向电网吸取一定的容性无功功率，换句话说，即电动机向电网输出感性无功功率，这一点对电网十分有利，因为电网上通常有大量的感性负载，需要吸收大量的感性无功功率，使输电线的电流增大，增加了线路损耗。如果在同一工厂中或附近工厂中，使用了大容量的同步电动机，而且令其在过励状态下工作，则同步电动机能向附近的感性负载提供感性无功功率，使负载所需的感性无功功率不必从发电厂送来，于是减小了输电线的电流，降低了线路损耗，充分发挥了发电机的利用率。 四、同步补偿机 同步电动机在过励状态下运行，可以输出感性的无功功率，提高电网的功率因数。根据这一特性，人们专门制造了一种同步电动机，使其在过励状态下运转而不带任何机械负载，用来向电网输出感性无功功率，专门吸收超前的无功电流，用来