同步电机的三种运行状态

首先要知道同步电机的一共有四种运行状态：滞后运行、超前运行、调相运行、电动机运行。

滞后运行（常态运行）----发电机向电网同时送出有功功率和无功功率（容性）。超前运行（进相运行）----发电机向电网送出有功功率，吸收电网无功功率。调相运行----发电机吸收电网的有功功率维持同步运转，向电网送出无功功率（容性）。电动机运行（非正常运行）-----发电机同时吸收电网的有功功率和无功功率维持同步运行。

前三种运行状态都是同步发电机的正常运行状态，第4种运行状态应避免。功率因数为1的时候，是发电机滞后运行和超前运行的分界线，这时发电机不向电网送无功功率也不吸收电网无功功率。在若干年前，由于电网的容量小，稳定性差，加上发电机励磁系统的性能等原因，发电机在超前运行时很容易引起震荡失步，所以机组一般不允许超前运行。

现时电网的容量可以说是“无穷大”，其稳定性、电能的质量不可同日而语。各电站可以根据调度令或电站机组自身的实际情况（包括转子温升和励磁系统的稳定性等）选择不同的正常运行状态。在某些局部地区因附近有大功率用电设备的干扰，如果供电主变压器又容量不足时，发电机功率因数就不宜在接近超前值运行了，否则容易引起震荡失步跳闸，这个问题是可以解决的，就是使用高品质的数控励磁系统。与其它电机一样，同步电机也是可逆的，既可作发电机运行，亦可作电动机运行。设一台隐极同步电机并联运行于无穷大电网，处于发电机状态，其相量图如图所示。此时E0超前U，功率角θ和相应的电磁功率Pem都是正值，θi≈θ也为正值，即转子主极轴线沿转向超前于气隙合成磁场轴线，因而作用于转子上的电磁转矩为制动性质。原动机输入驱动性质的机械转矩克服起制动作用的电磁转矩，将机械能转变为电能。

图1同步电机的三种运行状态逐步减少原动机输入功率，使转子瞬时减速，θ角和电磁功率相应减小。当θ角减至零时，发电机变为空载，其输入功率正好抵偿空载损耗，相量图如图b所示。继续减少原动机输入功率，则θ和Pem变为负值，表明电机要从电网吸收一部分电功率，与原动机输入功率一起与空载损耗平衡，以维持转子的同步旋转。如果再拆去原动机，就变成了空转的同步电动机，空载损耗必须全部由电网输入的电功率供给。如果在电机轴上再加上机械负载，则负值的θ角和Pem会更大，θi亦为负值。主极磁场落后于气隙合成磁场，电磁转矩为驱动性质、拖动轴上机械负载一道旋转，电机进入电动机运行状态，将电网输入的电能转换成机械能。此时电机的相量图如图（c）所示。

从上分析可知，从发电机状态进入电动机状态的过程中，功率角θ和电磁功率Pem均由正值变为负值，电磁转矩由制动性质变为驱动性质，机电能量转换过程也发生了逆变。同步电动机在结构上大致有两种：1️、转子用直流电进行励磁它的转子做成显极式的，安装在磁极铁芯上面的磁场线圈是相互串联的，接成具有交替相反的极性，并有两根引线连接到装在轴上的两只滑环上面。磁场线圈是由一只小型直流发电机​或蓄电池来激励，在大多数同步电动机中，直流发电机是装在电动机轴上的，用以供应转子磁极线圈的励磁电流。由于这种同步电动机不能自动启动，所以在转子上还装有鼠笼式绕组而作为电动机启动之用。鼠笼绕组放在转子的周围，结构与异步电动机相似。当在定子绕组通上三相交流电源​时，电动机内就产生了一个旋转磁场，鼠笼绕组切割磁力线而产生感应电流，从而使电动机旋转起来。电动机旋转之后，其速度慢慢增高到稍低于旋转磁场的转速，此时转子磁场线圈经由直流电来激励，使转子上面形成一定的磁极，这些磁极就企图跟踪定子上的旋转磁极，这样就增加电动机转子的速率直至与旋转磁场同步旋转为止。2、转子不需要励磁的同步电机转子不励磁的同步电动机能够运用于单相电源上，也能运用于多相电源上。这种电动机中，有一种的定子绕组与分相电动机或多相电动机的定子相似，同时有一个鼠笼转子，而转子的表面切成平面。所以是属于显极转子，转子磁极是由一种磁化钢做成的，而且能够经常保持磁性。鼠笼绕组是用来产生启动转矩的，而当电动机旋转到一定的转速时，转子显极就跟住定子线圈的电流频率而达到同步。显极的极性是由定子感应出来的，因此它的数目应和定子上极数相等，当电动机转到它应有的速度时，鼠笼绕组就失去了作用，维持旋转是靠着转子与磁极跟住定子磁极，使之同步。由于同步电机​可以通过调节励磁电流使它在超前功率因数下运行，有利于改善电网的功率因数，因此，大型设备，如大型鼓风机、水泵、球磨机、压缩机、轧钢机等，常用同步电动机驱动。低速的大型设备采用同步电动机时，这一优点尤为突出。此外，同步电动机的转速完全决定于电源频率。频率一定时，电动机的转速也就一定，它不随负载而变。这一特点在某些传动系统，特别是多机同步传动系统和精密调速稳速系统中具有重要意义。同步电动机的运行稳定性也比较高。同步电动机一般是在过励状态下运行，其过载能力比相应的异步电动机大。异步电动机的转矩与电压平方成正比，而同步电动机的转矩决定于电压和电机励磁电流所产生的内电动势的乘积，即仅与电压的一次方成比例。当电网电压突然下降到额定值的80%左右时，异步电动机转矩往往下降为64%左右，并因带不动负载而停止运转；而同步电动机的转矩却下降不多，还可以通过强行励磁来保证电动机的稳定运行。同步电动机的结构和同步发电机​基本相同，转子也分凸极和隐极。但大多数同步电动机为凸极式。安装形式也分卧式和立式。为了解决同步电动机的启动问题，在其转子上一般装有起动绕组。它还可以在运行中抑制振荡,故又称阻尼绕组​。除了上述传统结构外，还有一种无滑动接触的爪极式转子结构。以6极电机为例，在转轴上相向地装上两组爪形磁极。一组在爪盘上沿轴向向右伸出3个极身；另一组反向安装在右边,使爪盘上沿轴向向左伸出3个极身。两组磁极的极性相反。磁极的外圆周表面装配后，不再象一般凸极电机​那样呈圆瓦面，而是楔形瓦面，即一端的极弧较另一端长。励磁绕组装在两侧磁轭外缘。它产生的磁通经过N、S极间的侧向主气隙gm、转子和定子间的轴向气隙g1和g2，再经端盖和机座而闭合。为防止磁通经转轴短路，转轴应采用非磁性钢；或把转轴分成3段，中间一段为非磁性钢。这种结构的主要优点是旋转部分没有绕组，也无集电环和电刷之间的滑动接触，故运行可靠，绝缘结构简单，维修也方便。但它的主磁路长且有较多气隙，使励磁所需功率增大；电机外壳有强磁性，这会引起轴承发热；而转轴也必须采用隔磁措施。因此这种电机并未获得普遍推广，只在某些特殊场合下使用，一般容量不超过几百千瓦。同步电动机仅在同步转速下才能产生平均的转矩。如在起动时立即将定子接入电网而转子加直流励磁，则定子旋转磁场立即以同步转速旋转，而转子磁场因转子有惯性而暂时静止不动，此时所产生的电磁转矩将正负交变而其平均值为零，故电动机无法自行起动。要起动同步电动机须借助其他方法，主要有以下两种方法。①异步起动法：在电动机主磁极极靴上装设笼型起动绕组。起动时，先使励磁绕组通过电阻短接，而后将定子绕组接入电网。依靠起动绕组的异步电磁转矩使电动