同步电机特殊问题：失步和功率因数控制

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：也就是说，式（6.1）中定子电流的幅值和相位可以经转子励磁控制。调节励磁可以调节同步电机的功率因数这一特点扩大了同步电机的应用范围，例如不带负载时（θ=0），通过励磁控制向电网提供容性电流的同步电机即为调相机。图6.6 同步电机功率因数控制

1.同步电机的稳定运行和失步

如果转子转速偏离同步转速时，同步电机会发生失步和振荡问题。由式（6.6）画出隐极式同步电动机的矩角特性，如图6.5所示，设同步电动机负载为T_L，负载线T_L与矩角特性有两个交点A和B，在交点上都有T_e=T_L，其中A是稳定工作点，B是不稳定工作点。当工作在A点（0°<θ_A<90°）时，若电动机遇到扰动（负载或电源电压波动）引起工作点偏离A点，在扰动消除后电动机仍能回到原来的工作点A。例如负载从T_L增加到T′_L，由于A点电动机转矩T_eA<T′_L，将引起转速下降使功率角从θ_A增大到θ′_A，功率角增加使电动机转矩T_eA↑到T_eA′=T′_L，从工作点A→A′运行。如果负载扰动消除，T′_L恢复为T_L，因为T′_e>T_L，电动机将加速使功率角θ′_A↓到θ_A，又回到工作点A。因此，A点是稳定工作点。工作在B点时，如电动机负载从T_L增加到T′_L，则由于B点T_e<T′_L，使电动机转速下降并使功率角从θ_B增大到θ′_B。同时，θ′_B时电动机转矩为T_eB′，T_eB′更小于T′_L，电动机转速将继续下降，功率角将进一步增加，使θ→180°→360°。当θ在θ_B～180°区间时，电动机转矩都小于T′_L，当θ在180°～360°区间时电动机转矩为“-”，电动机继续处于减速状态使θ继续增加，当θ进入360°～（360°+90°）区间时，电动机进入稳定运行区，将在A′点稳定工作。在B点若有负载减小的扰动，则在90°<θ<180°区间，随θ↓→T_e↑，电动机加速使θ进一步减小，θ进入稳定运行区，因为在A′点T_e=T′_L，所以电动机仍将在A′点稳定运行。因此，B是电机不稳定工作点。综合以上，在不稳定运行区（90°<θ<360°），电动机都不能稳定工作；在稳定运行区（0<θ<90°），虽然不同负载时电动机的工作点不同，但是电动机的转速都是同步转速，即使扰动引起转速瞬间变化，扰动消除后电动机仍会保持同步转速。

图6.5 同步电动机矩角特性和稳定运行

如果负载转矩T_L>T_em（电动机最大转矩），电动机转速下降将使同步电动机进入“失步”状态。在“失步”状态时，θ角将反复在0°～360°之间循环，电动机转矩的大小和转向都随θ变化，使电动机发生剧烈的机械振动和电流振荡，同样情况也会发生在负载急剧变化的时候，这是需要避免的。

在同步电动机变频调速没有实现前，同步电动机主要使用在负载比较稳定的场合，如大功率风机和水泵。在变频调速实现后，负载较大时可以通过降低电动机同步转速Ω₁，提高同步电动机最大转矩（T_e=P_e/Ω₁）来减少发生失步的可能。

2.功率因数控制

由同步电机电压方程[见式（6.1）]可知，在同步电机一定工作状态时，电机电源电压U_s和电枢阻抗（r_a+jx₁）都是一定的，在负载不变时同步电机功率角θ是固定的，使定子电动势对的相位是一定的，但是定子电势的大小取决于励磁Φ_d[见式（6.2）]。也就是说，式（6.1）中定子电流的幅值和相位可以经转子励磁控制。设电机在额定励磁状态时，电枢电流滞后于电压为φ角（见图6.6），电机从电源吸收感性无功，同步电机功率因数1>λ>0。现加强电机励磁使电动势为E，电流，若与同相位，即φ=0，则同步电机功率因数λ=1。若继续增加转子励磁，可使0°≥φ≥-90°，即同步电机电流超前于电压，功率因数-1<λ<0，则这时电机对电源呈容性，向电源提供容性电流，可对电网起无功补偿的作用。调节励磁可以调节同步电机的功率因数这一特点扩大了同步电机的应用范围，例如不带负载时（θ=0），通过励磁控制向电网提供容性电流的同步电机即为调相机。

3.同步电机的起动

同步电机在起动时，如果直接合闸接通定子三相和转子励磁，则定子磁场即以同步速旋转。但是，这时转子速度是从零开始的，这将使转子励磁与定子磁场转速不能同步，电动机功率角θ也将在0～360°之间重复变化，因为电机转矩是θ的正弦函数[见式（6.6）]，一个周期中电机产生的平均转矩为0，所以同步电机不能起动。因此，同步电机起动时一般需要由其他动力（如异步电动机等），将同步电机带到接近同步速时，再接通励磁电源将电机转速牵入同步。对于有阻尼绕组的同步电机，其短路的阻尼绕组就相当于异步电动机转子，因此这种电机可以使用异步起动方式，在转速接近同步速时再接通励磁，牵入同步完成起动过程。

图6.6 同步电机功率因数控制

同步电机特殊问题：失步和功率因数控制

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