(完整)同步电动机

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同步电动机的起动方法设计

摘要：虽然同步电机大部分情况用作发电机。但是在工业生产中有一些大功率的空气压缩机、大型鼓风机、电动发电机组等，这些生产机械本身也没有调节速度的要求。如果用同步电动机去拖动可能更合适。这是因为同步电动机与同容量的异步电动机相比,同步电动机的功率因数髙，还可以通过调节其励磁电流来改善电网的功率因数，因而在不需要调速的低速大功率机械中得到较广泛的应用。随着变频技术的不断发展，同步电动机的起动和调速问题都得到了解决，从而进一步扩大了其应用范围。本文先介绍了同步电机及同步电动机的工作原理,而后分析了调节同步电动机的励磁电流以提高电网功率因数以及异步起动和变频起动.

关键字：同步电机，同步电动机,电网功率因数，励磁电流，异步起动，变频起

动

1 同步电机的基本原理

同步电机和感应电机一样是一种常用的交流电机。特点是稳态运行时，转子的

转速和电网频率之间有不变的关系n=n s=60f/p，n s称为同步转速.若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关.

同步电机分为同步发电机和同步电动机。现代发电厂中的交流电机以同步电机

为主。

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。

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。

图1 同步电机的三种运行状态

a）发电机 b）补偿机 c)电动机

1。2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，如图1a）所示.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。

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，如图

1b)所示。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.

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,如图1c)所示.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.

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。

图2旋转电枢式同步电机图3旋转磁极式同步电机

a）隐极式b）凸极式

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。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3a）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.

凸极式转子如图3b）所示，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。

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，