同步电动机励磁电流调节方法优化

调节同步电动机励磁电流具有两项功能：第一项功能是保证电动机稳定工作在同步转速。当机械负载增大或者电源电压降低时，励磁电流控制系统将自动增加励磁电流，使同步电动机在同步运行时有足够的最大转矩值（见图3-26）。第二项功能是调节定子回路的无功功率。

同步电动机电气传动最可贵的优点就在于做功的同时还可以补偿电网的无功功率。电网上主要负载是异步电动机和变压器，它们都是感性负载，需要从电网吸收感性无功功率，使电网的功率因数降低。如能在适当地点装上同步电动机，就地补偿负载所需的感性无功功率，就能显著地提高电力系统的经济性与供电质量。因此大型同步电动机得到了较多的应用。

改变同步电动机的励磁电流调节定子回路的无功功率的原理如图3-29所示。根据同步电动机电压方程式（3-40）得到

图3-29 同步电动机在相同负载不同励磁情况下的矢量图

图3-29a对应于欠励磁的情况，励磁电流小于额定值。定子电流滞后于定子电压角度φ，即定子侧呈感性无功功率。随着励磁电流逐步增加，感应电动势增大，电流向靠拢，直至与相重合，这时cosφ=1（见图3-29b）。因为电动机轴上的机械负载不变，负载角θ略有减小，也略有减小，但是在的投影不变，如图中虚线所示。这种工况对于同步电动机最为有利，因为这时定子的损失最小。

如果进一步增加励磁电流，定子电流将超前定子电压，同步电动机发出无功功率（见图3-29c）。这时的值又有所增大，可见增加同步电动机定子侧的容性无功功率的代价是加大了定子侧的有功功率。

同步电动机在有功功率恒定、励磁电流变化时，调节曲线I₁=f（I_f）的形状呈“V”字，被称为同步电动机的V形曲线，如图3-30所示。由于减小励磁电流时，最大转矩值减小，过载能力降低。当励磁电流减小到一定程度时，电动机将会失步，不能稳定运行。图3-30中的虚线表示电动机不稳定区域的界限。

图3-30 同步电动机的V形特性曲线

这里需要强调一点，通过交-交变频器向同步电动机供电的电气传动系统，在电网侧的功率因数依然很低，不能依靠同步电动机补偿电网所需求的感性无功功率。这是因为同步电动机定子侧的容性无功功率无法通过交-交变频器传递到电网侧。

例题3.2异步电动机AM和同步电动机SM由同一段6kV高压母线供电。电动机AM的机械负载不变，并等于额定值。电动机SM的机械负载也不变，并等于50%额定值。两台电动机都是连续工作制。调节同步电动机励磁电流，使供电母线的功率因数等于1。

两台电动机的技术数据为

笼型异步电动机定子电压（线）U_1l=6000V，定子额定电流I_1N=80A，额定转速n_N=592r/min，cosφ=0.8。

同步电动机（隐极）定子线电压U_1l=6000V，额定功率P_N=800kW，定子额定电流I_1N=90A，额定转速n_N=1000r/min，额定励磁电流I_fN=175A，额定效率η_N=0.95，额定功率因数cosφ_N=0.9（超前），过载倍数λ=2。

解：异步电动机定子侧的无功功率

为了补偿这部分无功功率，同步电动机应当工作在超前功率因数的工况。同步电动机定子的无功电流（超前）为

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同步电动机的机械负载为50%的情况下，定子的有功电流为

同步电动机定子的视在电流为

同步电动机的功率因数为

为了利用同步电动机矩角特性式（3-41）确定这个条件下励磁电流值，首先要求出电动机额定的参数x₁和E_1N。根据式（3-41）有和。由λ=2可以得到

sinθ_N=0.5和θ_N=30°由相量图3-25可得

U₁sinθ=I₁x₁cos(φ-θ) （3-43）在额定工况下

由式（3-43）还可以得到

U₁sinθ=I₁x₁（cosφ·cosθ+sinφ·sinθ）

sinθ=0.262

根据矩角特性公式（3-41）得到给定工况的电动势

式中

因为感应电动势E₁和励磁电流成比例，所以可以求出相应工况的励磁电流