同步电动机的物理过程及特点简析

1.同步电机的可逆原理

和其他旋转电机一样，同步电机也是可逆的，既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，完全取决于其输入功率是机械功率还是电功率。下面以一台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变化关系。

如前所述，同步电机运行于发电机状态时，其转子主磁极轴线超前于气隙合成磁场的等效磁极轴线一个功角δ，它可以想象成转子磁极拖着合成等效磁极以同步转速旋转，如图4-21（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，此时电功率Pem和公角δ均为正值，励磁电动势U·超前于电网电压一个δ角度。

如果逐步减少发电机的输入功率，转子将瞬时减速，δ角减小，相应的电磁功率Pem也减小，当δ减到零时，发电机的输入功率只能抵偿空载损耗，这时发电机处于空载运行状态，并不向电网输送功率，如图4-21（b）所示。

图4-21　同步发电机过渡到同步电动机的过程

继续减小发电机的输入功率，则δ和Pem变为负值，电机开始从电网吸收功率，和原动机一起共同提供驱动转矩来克服空载转矩，供给空载损耗。如果再卸掉原动机，就变成了空转的电动机，此时空载损耗全部由电网输入的电功率来供给。如在电动机轴上再加上机械负载，则负值的δ角将增大，由电网输入的功率和相应的电磁功率也将增大，以平衡电动机的输出功率。此时，公角δ为负值，即滞后于，主极磁场落后于气隙合成磁场，转子受到一个驱动性质的电磁转矩作用，如图4-21（c）所示。机—电能量转换过程由此发生逆变。

2.同步电动机的基本方程式和相量图

同步电动机为一台输出负的有功功率的发电机，其隐极电机的电动方程为

此时滞后于一个功角δ，φ＞90°。其相量图和等效电路如图4-22（a）、（c）所示。但习惯上，人们总是把电动机看作电网的负载，它从电网吸收有功功率。为此按照电动机重新定义，把输出负值电流看作输入正值电流，则应转过180°，其电动势相量图和等效电路如图4-22（b）、（c）所示。此时φ＜90°，表示电动机从电网吸收有功功率。其电动势方程为

图4-22　隐极同步电动机的相量图和等效电路

对于凸极同步电动机，如按电动机的观点，其电动势方程式为(www.xing528.com)

式中　——同步电动机输入电流的直轴分量；

IMq——同步电动机输入电流的交轴分量。

同步电动机的电磁功率Pem与功角δ的关系和发电机的Pem与δ的关系一样，所不同的是在电动机中功角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

上式除以同步角速度Ω1，便得到同步电动机的电磁转矩为

此外，关于同步发电机过载能力的分析，对电动机也完全适用。

由于同步电动机运行状态从机—电能转换角度来看，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

3.同步电动机的V形曲线

与同步发电机相似，当同步电动机输出的无功功率恒定而改变其励磁电流时，也可以调节电动机的无功功率，同步电动机的V形曲线如图4-21所示。图中所示为对应于不同的电磁功率的V形曲线，其中Pem≈0是一条曲线对应于同步调相机的运行状态。

调节励磁电流可以调节同步电动机的无功电流和功率因数，这是同步电动机最重要的特点。如果将同步电动机工作在过励状态，从电网吸收容性无功功率，则可就地向其他感性负载提供感性无功功率，从而提高电网的功率因数。因此，为了改善电网的功率因数和提高电机的过载能力，现代同步电机的额定功率因数一般均设计为1～0.8（超前）。