同步电动机的功率因数调节

当同步电动机接在电源上，认为电源的电压U以及频率f都不变，维持常数。另外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，采用隐极式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于凸极式同步电动机。

同步电动机的负载不变，是指电动机转轴输出的转矩T2（TL）不变，为了简单，忽略空载转矩，这样有T＝T2。

当T2不变时，可以认为电磁转矩T也不变。

根据式（8－13）知道

由于电源电压U，电源频率f以及电机的同步电抗等都是常数，上式中

当改变励磁电流If时，电动势E0的大小要跟着变化，但必须满足式（8－14）的关系。

当负载转矩不变时，也认为电动机的输入功率P1不变（因为忽略了电机的各种损耗），于是

在电压U不变的条件下，必有

式（8－15）实则是电动机定子边的有功电流，应维持不变。

图8.4.1根据式（8－14）和式（8－15）这两个条件，画出了三种不同励磁电流If，I′f，I″f对应的电动势E0，E′0，E″0的电动势相量图，其中

所以

从图8.4.1中可以看出，不管如何改变励磁电流的大小，为了要满足式（8－15）的条件，电流的轨迹总是在与电压垂直的虚线上。另外，要满足式（8－14）的条件，的轨迹总是在与电压平行的虚线上。这样我们就可以从图8.4.1看出，当改变励磁电流If时，同步电动机功率因数变化的规律如下。

图8.4.1　负载不变时，仅改变励磁电流的电动势相量图

（2）当励磁电流比正常励磁电流小时，称为欠励状态，如图8.4.1中的。这时E″0＜U，定子电流落后角φ″。同步电动机除了从电网吸收有功功率外，还要从电网吸收滞后性的无功功率。这种情况下运行的同步电动机，像是个电阻电感负载。继续减小励磁电流，E0会更小，θ角和φ增大，定子电流I增大，θ＝90°时，有最大输出转矩和最大输出功率，已经达到稳定工作的极限。若再减小励磁电流同步电动机将进入不稳定工作区。

本来电网就供应着如异步电动机、变压器等这种需要滞后性无功功率的负载，现在欠励的同步电动机，也需要滞后性的无功功率，这就加重了电网的负担，所以，很少采用这种运行方式。

（3）当励磁电流比正常励磁电流大时，称为过励状态，如图8.4.1中的。这时E′0＞U，定子电流领先角φ′。同步电动机除了从电网吸收有功功率外，还要从电网吸收领先的无功功率。这种情况下运行的同步电机，像是个电阻电容负载。

可见，过励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，这点三相异步电动机是办不到的。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，不会让它运行在欠励状态。过励状态可以输出机械功率，又可以向电网提供一定数量的无功功率，对其他设备所需的无功功率进行补偿。

例8－3　某企业变电所，变压器容量为1000kVA，二次电压为6000V。已用的容量为有功功率400kW、无功功率400kvar（感性），现在企业要增加一台较大的设备，要求电动机功率为500kW，转速在370r／min左右。根据生产机械的要求，由产品目录中查出的可供选用的异步电动机和同步电动机分别为：

Y500－6／1430笼型异步电动机，PN＝500kW，UN＝6000V，IN＝67A，nN＝370r／min，cosφN＝0.78，ηN＝0.92。

TDK173／20－16同步电动机，PN＝550kW，UN＝6000V，IN＝64A，nN＝375r／min，ηN＝0.92。

试计算选用异步机时变压器需要输出的视在功率，不增加变电所容量是否可行。选用同步电动机时，调节If向电网提供无功功率，调到I1额定时，求同步电动机输入的有功功率；向电网提供的无功功率；电动机此时的功率因数；再求出此时电源变压器的有功功率；无功功率及视在功率。

解 1.选用异步机时它正好运行在额定状态

①异步机输入的有功功率为

②异步机从电网吸收的无功功率为

③变压器输出的总有功功率为

④变压器输出的总无功功率为

⑤变压器的总视在功率为

由此可见，视在功率已超过变压器容量，如不采取措施就不能正常工作。

2.选用同步电动机时，假定输出功率仍为500kW，效率仍为0.92，则有

①同步电动机从电网吸收的有功功率为

②调节If使I1到额定，此时电动机的视在功率为

③同步电动机向电网提供的无功功率为

④同步电动机功率因数为

⑤变压器输出的总有功功率为

⑥变压器的无功功率为

⑦变压器的视在功率为

可见，选用同步电动机时，由于补偿了无功功率，使变压器的视在功率未超过变压器容量，不用增加变压器容量，可以工作。