同步电动机转子失磁及定子频率变化对运行的影响

工作研究
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同步电动机转子失磁及定子频率变化对运行的影响
姜巍
（佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002）
摘要：同步电动机转子的励磁方式通常采用电励磁的方式，由于整流桥故障或电机转子断线，就会导致转子失磁，另外电网频率
的变化也会对正常带载运行的电机产生非常大的影响，下面对在这两种常见情况分别发生时在电机内部产生的影响进行分析，以便读者对这一现象有更直观的了解，有一定的实际使用指导意义。

关键词：频率变化；转子失磁；附加转矩；过电流
引言
由于电力系统波动，会导致作用于电机端的频率发生变化，另外励磁系统中带有无刷励磁结构，旋转整流模块安装在电机转子上，散热变差，这就导致额定运行时对电机的各项性能产生非常重要的影响，严重时可能导致停机事故的发生，影响实际的生产，下面我们具体分析这两种情况对电机性能的影响情况，频率在哪些范围内可以短暂运行、哪些情况必须停机排除故障。

1转子失磁对同步电动机的影响
同步电动机正常运行时，定子旋转磁场拉着转子磁场以同步转速运转，这种驱动性质的同步电磁转矩与转子轴上的机械负载转矩相平衡。

失磁时，转子磁场衰减，同步电磁转矩减小，由于负载转矩不变，转子开始减速，出现失步，此时转子就和定子旋转磁场有了相对运动，在阻尼绕阻和励磁绕组(不开路时)以及转子表面感应出交流电流，这个电流与定子旋转磁场相互作用产生异步电磁转矩，异步电磁转矩为驱动转矩，拖动转子以低于同步转速的速度旋转，进入异步运行状态。

定子电流升高并出现波动
定子电流升高可以这样理解:电动机失磁后，由于它所拖动的机械负载不变，定子电流中的有功分量几乎不变；而同步电动机的气隙较大，异步运行时，需从电网吸取大量的无功电流来励磁，因此，定子电流可能超过额定值。

定子过电流一般不会很大，约为额定电流的1.2倍左右。

定子电流波动的原因是由于转子中的交流电流以及转子的直轴、交轴磁路不对称所引起。

异步运行时，转子励磁绕组中感应出一个频率为sf 1的单相交流电流，这个电流产生脉动磁场，该磁场可以分解为两个转向相反的旋转磁场，其中一个以相对于转子为sn 1的转速与转子同向旋转，另一个以相对于转子为sn 1的转速逆转子转向旋转。

因此，定子电流中除了基波分量外，还含有一个频率为(1-2s)f 1的分量，使定子电流的幅值以2sf 1的频率摆动。

无功功率变为负值
同步电动机正常运行时，为了补偿电网功率因数，电动机处于过励状态，除了从电网吸取有功功率外，还向电网送出感性无功功率。

失磁后，同步电动机转变为异步运行状态，气隙磁场要靠从电网吸取大量的感性无功功率来建立，因此，无功功率变为负值。

转子电流为零、接近于零或超过额定值
若因转子励磁绕组断路引起同步电动机失磁，励磁回路中无电流通过，转子电流表指示为零，有可能在断路处产生很高的感应电压，击穿绕组绝缘或损坏励磁设备；若因励磁系统故障引起同步电动机失磁。

且励磁绕组经过灭磁电阻短接，此时励磁绕组切割定子旋转磁场，产生感应交流电流。

转子电流表是为了测量直流励磁电流而设置的，故只能指示很小的数值，即接近于零；若因转子励磁绕组匝间短路引起失磁时，转子励磁回路电阻减小，转子电流表指示可能超过额定值。

转子阻尼绕组过热
同步电动机失磁后，转矩基本都是由阻尼绕组产生，自起动的同步电动机设计时一般只考虑空载起动的情况，所以在热容量方面不会有过大的设计裕度，当长时间异步运行时会使阻尼绕组热量累积，强度下降，最终导致阻尼绕组烧毁。

2频率变化对同步电动机运行的影响
同步电动机定子电源频率变动时，对电动机的运行有一定影
响。

为了分析简单起见，我们假定在定子电压、转子励磁电流及负载转矩不变，来讨论频率变化对同步电动机运行中各物理量的影响。

2.1对转速的影响
同步电动机的转子转速n 与定子电源频率f 之间的对应关系为n=60f/p ，对于已经制成的电动机，极对数p 一定，则转子转速n 就取决于定子电源频率f。

频率变化时，转子转速n 将严格的对应变化，而不再保持恒定。

2.2对磁通的影响
同步电动机定子电势(通常称为电枢反应电势)E a ，与定子磁通(通常称为电枢反应磁通)Φa 和定子电源频率f 的大小关系如式1所
示，
（1）
式中W 1-定子绕组匝数；K W1-定子绕组的绕组系数；Φa -电枢反应磁通，Wb
在上述假定条件下，并忽略定子绕组漏阻抗压降时，若频率f 下降，则定子磁通Φa 增大。

气隙合成磁通Φδ为定子磁通Φa 和励磁主磁通Φ0的相量和，根据同步电机的电枢反应理论、在过励情况下，定子磁通Φa 对励磁主磁通Φ0有去磁作用，故气隙合成磁通Φδ随频率下降而减小。

2.3对转矩的影响
采用异步起动的同步电动机,异步起动转矩与频率的三次方成反比。

所以，当定子电源频率降低时，异步起动转矩增大；频率升高时，异步起动转矩减小。

当忽略同步电动机定子绕组电阻R a
时，其最大电磁转矩为
（2）
若频率f 升高，同步电抗X d =2πfL d 也增大，最大电磁转矩M max
减小，电动机过载能力K m =M max /M N 下降。

反之，若频率降低，最大电磁转矩增大，电动机过载能力上升。

事实上，当频率降低较多时，定子绕组电阻R a 的作用加大，X d ＞＞R a 的条件不再成立，此时，如不采取增加定子电压和励磁电流的措施，最大电磁转矩M max 将减小。

3结束语
同步电动机失磁异步运行时，由于定子过电流不大，电动机出力不减，运行中无异常声音和振动，不易被发现，可能因异步运行时间过长，电机过热而烧坏。

因此应注意观察定、转子电压和电流的变化，一旦发现同步电动机失磁运行，应尽快采取相应措施，使电动机停下来，查明失磁原因，进行检修。

同步电机转子失磁和定子频率变化是工业生产中经常发生的问题，通过本文的介绍，可以判断两种情况发生时对电动机的性能影响，给实际操作提供了依据。

参考文献
[1]章名涛，电机学[M]，科学出版社,1964
[2]赖旭芝，电工基础实用教程(机电类)[M],中南大学出版社，2003
作者简介：
姜巍，男，1988年生，毕业于齐齐哈尔大学机械设计及其自动化专业，现从事电机设计工作。