同步电动机的起动分析

同步电动机的起动1.同步电机的基本原理同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。

一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。

图1.1给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。

这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。

转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场) 气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。

除了转场式同步电机外,还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。

图中用AX、BY、CZ三个在空间错开120 分布的线圈代表三相对称交流绕组。

图1.1同步电机结构模型1.1工作原理主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。

载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。

切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。

交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。

通过引出线，即可提供交流电源。

感应电势有效值：每相感应电势的有效值为E0 =4.44fNψΦ感应电势频率:感应电势的频率决定于同步电机的转速n和极对数p ，即f=pn/60交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。

1.2同步转速同步转速从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。

我国电网的频率为50Hz ，故有：n=60f/p=3000/p要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。

例如2极电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转速为1500r/min，依次类推。

只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。

1.3运行方式同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。

作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。

同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。

近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。

同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。

这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。

分析表明，同步电机运行于哪一种状态，主要取决于定子合成磁场与转子主极磁场之间的夹角δ，δ称为功率角。

若转子主磁场趋超前于定子合成磁场，δ＞0，此时转子上将受到一个与其旋转方向相反的制动性质的电磁转矩。

为使转子能以同步转速持续旋转，转子必须从原动机输人驱动转矩。

此时转子输入机械功率，定子绕组向电网或负载输出电功率，电机作发电机运行。

图1.2发电机状态若转子主极磁场与定子合成磁场的轴线重合，即δ＝0，则电磁转矩为零。

此时电机内没有有功功率的转换，电机处于补偿机状态或空载状态。

图1.3补偿机状态若转子主极磁场滞后于定子合成磁场，即δ＜0，则转子上将受到一个与其转向相同的驱动性质的电磁转矩。

此时定子从电网吸收电功率，转子可拖动负载而输出机械功率．电机作为电动机运行。

图1.4电动机状态1.3基本结构同步电机按其结构型式可分为旋转电枢式和旋转磁极式两种。

在实际应用中，需要通过滑环将电功率自转子部分导入或者引出。

由于同步电机的电枢功率极大，电压较高，因而不容易由滑环导入或引出。

由于励磁绕组的功率与电枢的功率相比，所占比例较小，励磁电压通常又较低，因此使磁极旋转，通过滑环为励磁绕组供电容易实现。

因此旋转电枢式只适用于小容量同步电机，同步电机的基本结构形式是旋转磁极式。

同步电机的基本结构与直流电机和异步电机相同，都是由定子与转子两大部分组成。

1.3.1定子由铁心、电枢绕组、机座以及端盖等结构件组成。

定子铁心是构成磁路的部件，一般采用硅钢片叠装而成，以减少磁滞和涡流损耗。

定子冲片分段叠装，每段之间有通风槽片，以构成径向通风。

大型同步电机由于尺寸太大，硅钢片常为扇形冲片，然后组装成圆形。

电枢绕组为三相对称交流绕组，多为双层绕组，嵌装在定子槽内。

定子机座是支承部件，用于安放定子铁心和电枢绕组，并构成所需的通风路径，因此要求它有足够的刚度和强度。

大型同步电机的机座都采用钢板焊接结构。

端盖的作用与异步电机相同，将电机本体的两端封盖起来，并与机座、定子铁心和转子一起构成电机内部完整的通风系统。

1.3.2转子与异步电机转子结构不同，通常由转子铁心、转轴、阻尼绕组、励磁绕组和滑环等组成。

分类：同步电机的转子结构有两种类型，可分为隐极式和凸极式两种。

隐极式转子如图所示，转子呈圆柱形，无明显的磁极。

隐极式转子的圆周上开槽，槽中嵌放分布式直流励磁绕组。

隐极式转子的机械强度高，故多用于高速同步电机，例如汽轮发电机。

在同步电机运行过程中，转子由于高速旋转而承受很大的机械应力，所以隐极式转子大多由整块强度高和导磁性能好的铸钢或锻钢加工而成。

隐极电机的气隙是均匀的，圆周上各处的磁阻相同。

凸极式转子结构比较简单，磁极形状与直流机相似，磁极上装有集中式直流励磁绕阻。

凸极式转子制造方便，容易制成多极，但是机械强度低，多用于中速或低速的场合，例如水轮发电机或者柴油发电机。

凸极电机的气隙是不均匀的，圆周上各处的磁阻各不相同，在转子磁极的几何中线处气隙最大，磁阻也大。

此外，同步电机转子磁极表面都装有类似笼型异步电机转子的短路绕组，由嵌入磁极表面的若干铜条组成，这些铜条的两端用短路环联结起来。

此绕组在同步发电机中起到了抑制转子机械振荡的作用，称为阻尼绕组；在同步电动机中主要作起动绕组使用，同步运行时也起稳定作用。

滑环装在转子轴上，经引线接至励磁绕组，并借电刷接到励磁装置。

1.3.3励磁方式同步电机的直流励磁电流需要从外部提供，供给同步电机励磁电流的装置称为励磁系统。

获得励磁电流的方法即为励磁方式有以下几种。

1)直流发电机励磁系统这是传统的励磁系统，由装在同步电机转轴上的小型直流发电机供电。

这种专供励磁的直流发电机称为励磁机。

2)静止整流器励磁系统这种励磁方式是将同轴的交流励磁机（小容量同步发电机）或者主发电机发出的交流电经过静止的整流装置变换成直流电后，由集电环引入主发电机励磁绕组供给所需的直流励磁。

3)旋转整流器励磁系统这种励磁方式将同轴交流励磁机做成旋转电枢式，并将整流器装置固定在此电枢上一起旋转，组成了旋转整流器励磁系统，将交流励磁发电机输出的交流电整流之后，直接供电给励磁绕组。

这样可以完全省去集电环、电刷等滑动接触装置，成为无刷励磁系统,广泛应用于大容量发电机中。

2．同步电动机转子转速与定子旋转磁场的转速相同的交流电动机。

其转子转速n与磁极对数p、电源频率f之间满足n=f/p。

转速n决定于电源频率f，故电源频率一定时，转速不变，且与负载无关。

具有运行稳定性高和过载能力大等特点。

常用于多机同步传动系统、精密调速稳速系统和大型设备(如轧钢机)等。

属于交流电机，定子绕组与异步电动机相同。

它的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的，所以称为同步电动机。

正由于这样，同步电动机的电流在相位上是超前于电压的，即同步电动机是一个容性负载。

为此，在很多时候，同步电动机是用以改进供电系统的功率因数的。

同步电动机在结构上大致有两种：1)转子用直流电进行励磁的同步电动机：它的转子做成凸极式的，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。

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：它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。

所以是属于凸极转子，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，转子凸极就跟住定子线圈的电流频率而达到同步。

凸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。

3．同步电动机的运行分析3.1同步电动机运行特点1) 起动困难、不易调速，需要用直流励磁，结构比感应电动机复杂，运行维护要求高。

2 )可以通过调节励磁电流改善电网功率因数，所以在大功率恒速机械中也得到了广泛应用。

3.2隐极同步电动机的电动势平衡方程式和相量图磁动势：当隐极同步发电机转子励磁绕组通入直流励磁电流后，产生主极磁动势，产生主磁通0Φ；定子绕组接上三相对称负载后，产生电枢磁动势a F ，产生电枢磁通a Φ和漏磁通σΦ。

电动势：主磁通0Φ和电枢磁通a Φ，切割定子绕组并在定子绕组内感应出相应的励磁电动势•E 0和电枢反应电动势压•E a 。

把•E 0和•E a 相量相加，可得电枢一相绕组的合成电动势 E (亦称为气隙电动势)。

上述关系可表示为：E F I U m f f 000→→→→ΦE F I U a a am →→→→Φ11E σσ→↓→ΦI R 11↓→•+---=••••I R E E E U a 1101σa E 正比于I ；在时间相位上，a E 滞后于a Φ 90电角度，若不计定子铁耗，a Φ与I 同相位，则及a E 将滞后于电枢电流I 90度。

于是a E 亦可写成电抗压降的形式，即a aE jIX ≈- 式中，a X 是与电枢反应磁通相对应的电抗，称为电枢反应电抗。