功率因数调节的方法与意义

当同步电动机接在电源上，保持电源电压及频率都不变，同时让电动机拖动的有功负载也保持为常数，仅改变它的励磁电流，就能调节它的功率因数。在分析过程中忽略电动机的各种损耗。

通过画不同励磁电流下同步电动机的电动势相量图，可以使问题得到解答。为了简单起见，采用隐极同步电动机电动势相量图来进行分析，所得结论完全可以用在凸极同步电动机上。

同步电动机的负载不变，是指电动机转轴输出转矩T2不变，为了分析的简单，忽略空载转矩，即Tem=T2，当T2不变时，可以认为电磁转矩Tem也不变。

根据式Tem=3（E0U/Ωxc）sinθ=常数，由于电源电压、电源频率以及电动机的同步电抗等都是常数，式中E0sinθ=常数。

改变励磁电流If时，电动势E0的大小随之变化，但仍然满足E0sinθ=常数的关系式。当负载转矩变化时，也认为电动机的输入功率P1不变（因忽略了电动机的各种损耗），于是P1=3UIcosφ=常数，在U不变的条件下必有

式（4-18）实则是电动机定子绕组的有功电流，应维持不变。

图4-12是根据式E0sinθ=常数和式Icosφ=常数，画出的3种不同的励磁电流If1、If2、If对应的电动势E01、E02、E0的电动势相量图。其中

If2＜If＜If1

所以

E02＜E0＜E01

从图4-12可以看出，不管如何改变励磁电流的大小，为了满足Icosφ=常数的条件，电流的轨迹总是在与电压垂直的虚线上；另外，要满足E0sinθ=常数的条件，的轨迹总是在于电压平行的虚线上。这样，就可以从图4-12中看出，当改变励磁电流If时，同步电动机功率因数的变化规律如下。

（1）当励磁电流为If时，使定子电流与同相，称为正常励磁状态，见图4-12中的、相量。这种情况下，同步电动机只从电网吸收有功功率，不吸收任何无功功率，同步电动机就像个纯电阻负载，功率因数cosφ=1。

（2）当励磁电流比正常励磁电流If小时，称为欠励磁状态，见图4-12中的、相量。这时E02＜U，定子电流比落后φ02（图4-12中未画出）角。同步电动机除了从电网吸收有功功率外，还要从电网吸收落后的无功功率。这种情况下运行的同步电动机，像个感性负载。

图4-12　同步电动机拖动机械负载不变，仅改变励磁电流的电动势相量图

本来电网就供应着如异步电动机、变压器等这种需要落后性无功功率的负载，现在欠励的同步电动机，也需要落后性的无功功率，从而加重了电网的负担，所以同步电动机很少工作在此种方式。

（3）当励磁电流比正常励磁电流If大时，称为过励磁状态，见图4-12中的、相量。这时E01＞U，定子电流比超前φ01（图4-12中未画出）角。同步电动机除了从电网吸收有功功率外。还要从电网吸收超前的无功功率。这种情况下运行的同步电动机，像个容性负载。可见，过励磁状态下的同步电动机对改善电网的功率因数有很大的好处。

总之，当改变同步电动机的励磁电流时，能够改变它的功率因数，而三相异步电机是无法办到的。所以同步电动机拖动负载运行时，一般要过励，至少运行在正常励磁状态下，而不会让它运行在欠励状态下。

【例4-3】 一抬隐极同步电动机，同步电抗的标么值=1，忽略定子绕组的电阻，不考虑磁路的饱和，求：

（1）该电动机接在额定电压的电源上，运行时定子电流为额定电流，且功率因数等于1，这时的（标么值）及θ角各为多少？

（2）如在输出有功功率不变的前提下，仅把该电动机的励磁电流增加了20%，这时电动机定子电流及功率因数各为多少？

图4-13　例4-3的相量图(www.xing528.com)

（3）如在输出有功功率不变的前提下，仅把该电动机的励磁电流减小了20%，这时电动机定子电流及功率因数各为多少？

解：（1）已知电源电压的标么值=1，负载电流为额定值，用标么值表示是=1，这种情况下的电动势相量图如图4-13所示。从图4-13可以看出直接量出及θ角的大小，也可用计算的方法求得

（2）励磁电路增加20%，即增加20%，用表示为

由于电动机输出有功功率不变，因此增加励磁电流后的

于是有

即

这种情况下的功率因数为

（3）励磁电流减小20%，即减小20%，用表示为

由于电动机输出有功功率不变，因此减小励磁电流后的

于是有

即

这种情况下的功率因数为