同步电动机的启动及运行

同步电动机的启动及运行
武汉市排水泵站管理处常青排水站：耿金枝、姜学力
关键词：同步电动机启动运行
同步电动机和异步电动机一样，是根据电磁感应原理工作的一种旋转电机，同步电动计时转子转速始终与定子旋转磁场的转速相同的一类交流电机。

按照功率转换方式，同步电机可分为同步电动机、同步发电机、同步调相机三类。

同步电动机将电能转化为机械能，用来驱动负载，由于同步电动机转速恒定，适宜于要求转速稳定的场所，目前大多数大中型排灌站采用的同步电动机；同步发电机将机械能转化为电能，由于交流电在输送和使用方面的优点，现在全世界发电量几乎全部都是同步发电机发出的；同步调相机实际上就是一台空载运行的同步电动机，专门用来调节电网的功率因数。

一、同步电动机的构造
同步电动机按机构形式不同，可分为旋转电枢式和旋转磁极式两种。

旋转电枢式电机仅仅只适用于小容量的同步电动机；而旋转磁极式电机按照磁极形式又可分为凸极式和隐极式，隐极式转子做成圆柱形，转子上无凸出的磁极，气隙是均匀的，励磁绕组为分布绕组，一般用于两极电机；而凸极式转子有明显的凸出的磁极，气隙不均匀，极靴下的气隙小，极间部分的气隙较大，励磁绕组为集中绕组，一般用于四级以上的电机。

从总体结构上看，常见的同步电动机都是由建立磁场的转子和产生电动势的定子两大部分组成。

转子和定子之间没有机械的和电的联系，他们是依靠气隙磁场联系起来的，依靠磁场进行能量的传递和转换。

定子部分是由定子铁芯和定子绕组组成。

机座、端盖和风道等也属于定子部分。

定子铁芯是磁场通过的部分，一般由0.35mm 或0.5mm厚的硅钢片冲成有开口槽的扇形片迭成。

每迭厚约4~6mm，迭与迭之间留有1mm宽的通风沟，铁芯槽中线圈按一定规律连接构成空间互成120o的三相对称线组。

转子的主要作用就是产生磁场，当它旋转时就会在定子线圈中感应出交流电动势，同时把轴上输入的机械功率转换为电磁功率。

因此转子主要是由导电的励磁绕组和导磁的铁芯两部分组成。

上下机架和轴承。

同步电动机的轴承有导轴承和推力轴承两种，在上下机架中均装有导轴承，主要作用是防止轴的摆动。

推力轴承承受转子重量、水泵转动部分重量和水流产生的轴向推力。

二、同步电动机的工作原理
当三相交流电源加在三相同步电动机的定子绕组时，便有三项对称电流流过定子的三相对称绕组，并产生旋转磁场。

这时如果在转子励磁绕组中通以直流电，由于电磁感应原理，转子便会在旋转磁场中随旋转磁场以相同的转速一起旋转。

故称之为同步电动机。

由于电动机空载运行时总存在阻力，因此转子磁极的轴
线总要滞后旋转磁场轴线一个很小的角度，以增大电磁转矩，角度越大，电动机的电磁转矩越大，使电动机转速仍保持同步状态。

当负载转矩超过同步转矩时，旋转磁场就无法拖着转子一起旋转，这种现象称为失步，同步电动机不能正常工作。

三、同步电动机的启动
同步电动机因本身没有启动转矩，所以同步电机自身是不能启动的，这是它的一大缺点。

因为把同步电动机的定子直接投入电网，则定子旋转磁场为同步转速，而转子不动，定子、转子磁场之间具有相对运动，不能产生平均的同步电磁转矩，从而电机将不能转动。

同步电动机的启动方法一般有三种：①辅助电动机启动法；
②调频启动法；③异步启动法。

辅助电动机法不宜用来启动带有负载的同步电动机，而采用大容量的辅助电动机又显得很不经济；调频启动法则需要有一个变频电源，使得设备的投资费用高。

这两种方法均在特殊情况下采用，最常用的启动方法是异步启动法。

许多大、中型的同步电动机，在转子磁极表面上装有类似异步电动机鼠笼转子的短路绕组，称为启动绕组，其结构和同步发电机的阻尼绕组一样。

同步电动机的启动过程分为两个阶段：当定子绕组接入电网后，在气隙中产生旋转磁场，并在转子的启动绕组中产生感应电流，此电流与旋转磁场相互作用产生异步转矩使转子转动，这一过程称为异步启动阶段；当转速上升到接近同步转速时，即亚同
步转速（95%同步转速），将励磁绕组通入直流励磁，转子产生直流磁场，此时定子、转子磁场间具有相互吸引力而产生同步转矩，将转子拉入同步转速旋转，即称为拉入同步阶段。

在异步启动时，励磁绕组切忌开路，否则启动时励磁绕组内将感应危险的高压，将绕组绝缘击穿并可能引起人身事故。

而把励磁绕组短路则会产生较大的单轴转矩，启动点流也很大，所以启动时，励磁绕组通常通过电阻短接，其阻值约为励磁绕组的5~10倍左右。

四、同步电动机的运行及故障
1、温度过高
同步电动机运行中，如定子和转子电流、定子电压、功率因数等都在正常允许的范围内，定子线圈或定子铁芯的温度升高，超过正常运行的数值时，就应判断电动机发生了异常情况，首先应对各个测量仪表的指示进行分析，找出原因，进行适当的处理。

（1）定子温度异常升高
它可能是定子温度表失灵。

测量定子温度用的电阻测温元件的电阻值有的会在运行中逐步增大，甚至开路，这时就会出现某一点温度突然上升的现象。

（2）负载不正常
同步电动机如果没有按照规定的条件运行，造成电压、电流、功率因数及转速等数据与铭牌值有较大的差异。

就会造成铁损、铜损的增加，使定子、转子线圈的温度升高。

（3）电动机通风不良
当风道被堵塞，如电机的气隙、径向风道及进口处的过滤器等处被灰、飞絮等堵塞，造成通风效果不良，即会导致电机的温度升高。

（4）电机内部积尘
在工作条件较差的场所，粉、飞絮等进入电机内部，堆积在散热表面上使电机散热困难，引起温度升高。

如果发现电动机温度升高，应首先检查电机的负载情况是否正常，其次需要检查电机是否在正常范围内运行。

2、定子绕组损坏
电动机由于定子线圈绝缘击穿、接头开焊等情况会引起接地或相间故障。

造成电压下降、波动，同时可以听到强烈的响声，并在观察窗口可以看见电弧的火花。

此时应紧急停机，组织灭火，进行事故处理。

3、同步电动机转子接地
大型同步电动机转子接地是转子线圈直接与磁极铁芯之间的绝缘有损坏造成线圈直接与铁芯相碰或局部绝缘电阻降到相当低的程度，这时会发生同步电动机转子接地故障。

转子发生一点接地时，因无法构成回路，电机仍可以正常运转，一旦发生两点接地，就有可能烧毁转子线圈。

一般在转子发生一点接地时，都有接地保护，此时应立即停机进行事故处理，防止事故的扩大。

4、同步电动机的失磁
在运行中，由于励磁系统故障，转子励磁回路断线或励磁变阻器接触不良，使转子磁场消失，这种现象叫做失磁。

失磁后电
机不能长期运行，否则烧毁绕组，因此失磁后必须马上停机，检察原因并排除故障。

同步电机失磁主要表现为：转子励磁电流突然下降到零或接近于零，励磁电压也接近于零，定子电流增加并出现指示表针摆动。

失磁故障一般有以下几个方面的原因：1、励磁绕组断线。

2、励磁系统故障。

3、电刷接触不良，弹簧失去压力。

五、结束语
限于作者水平，只是对同步电动机的启动及其运行故障作了初步的阐述，其中的错误和缺点在所难免，请读者给与批评和指正。

（2008年5月11日）
参考书目：
1、《泵站运行及维修工》，2003年4月；
2、《进网作业电工培训教材》（上册），辽宁科学技术出版社，1992年10月；
3、《大型同步电动机及励磁装置》，湖北省水利厅农水处，1988年10月。