3.3 同步电动机的电气传动_电气传动的原理和实践-QQ阅读男生历史网

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3.3 同步电动机的电气传动

3.3.1 同步电动机的工作原理

很多大功率（大于160kW）不需要调速的工作机械采用同步电动机电气传动。同步电动机的定子绕组结构和异步电动机的定子绕组结构相同。三相交流电流流过定子三相绕组产生旋转磁场的磁通为，同步电动机的转速等于旋转磁场的转速，其接线示意图如图3-22所示。

图3-22 同步电动机的接线示意图

同步电动机的转子分为隐极和凸极两种形式，转子上设置有直流励磁绕组，励磁电流建立的磁通相对于转子静止。在定子磁通和转子磁通的共同作用下，在同步电动机轴上产生的电磁转矩为

图3-23 同步电动机的空间磁场的矢量关系

同步电动机定子磁通空间矢量和转子磁通空间矢量的关系如图3-23所示。空载时和方向一致，并以相同的转速ω₀旋转。当电动机轴上加有负载转矩时，矢量牵引矢量矢量旋转（犹如通过弹簧牵引），两个矢量之间的夹角θ被称为负载角。如果落后于，同步电机工作在电动工况，电磁转矩是做功的；如果同步电机工作在发电工况，超前角度（-θ），电磁转矩为负。随着电动机轴上负载变化，角度θ随之改变，就如同弹簧被拉伸或压缩。最大转矩T_max出现在θ=π/2之处。如果负载转矩超过T_max，同步运行的方式被破坏，出现失步。

同步电动机的机械特性是一条界于±T_max之间平行于横轴的直线（见图3-24）。机械特性的硬度为无穷大。研究同步电动机的机械特性没有意义，而是使用矩角特性描述其工作性能。所谓矩角特性就是转矩与负载角之间的关系。

因为同步电动机的转子以同步转速旋转，没有转差，所以电磁功率全部变换成轴上的机械功率，电动机的转矩为

图3-24 同步电动机的机械特性

隐极同步电动机的电磁结构具有对称的特点，忽略定子电阻，隐极同步电动机的矢量图如图3-25所示，并可以得到电压方程

式中 ——转子磁通Φ₀在定子绕组中感应的电动势。

由图3-26可得到隐极同步电动机的主要关系式

把这些关系代入式（3-39）可以得到隐极同步电动机的矩角特性公式

这说明同步电动机的转矩与负载角θ的正弦成正比，转矩的最大值出现在θ=π/2之处。考虑到电动势E₁与磁通Φ₀（或转子励磁电流I_f）成正比，即E₁=k_EI_f，则同步电动机的最大转矩为

即同步电动机的最大转矩与定子电压成正比。在磁路不饱和的情况下，最大转矩还与转子励磁电流成正比。大多数同步电动机都有自动励磁控制装置，以保证在冲击负载时或定子电源电压降低时，能够自动增加励磁电流，使过载能力保持不变。

图3-25 隐极同步电动机的相量图

凸极同步电动机的磁路不对称，矩角特性和磁极位置有关。式（3-42）是凸极同步电动机的矩角特性。转矩由两部分之和构成（图3-26b的曲线5），第一部分是转子磁通产生的转矩（图3-26b的曲线3），第二部分是由磁极位置确定的反应转矩（图3-26b的曲线4）。

图3-26 同步电动机的矩角特性

式中 x_d、x_q——同步电动机的直轴电抗和交轴电抗。

3.3.2 同步电动机的运行工况

同步电动机只有同步转速一种工作速度，而且同步电动机没有起动能力，通常采用的起动方法有：

1.辅助电动机起动法

选用和同步电动机极数相同的异步电动机，容量为主机的5%～15%作为辅助电动机，将主机拖到准同步转速，然后主机用自整步法投入电网运行，再退出辅助电动机。此法不能在负载状态下起动。

2.变频起动法

定子接入变频器，改变定子旋转磁场转速，励磁绕组正常接通，逐渐升高变频器的频率，直到额定额率、额定转速。此方法需要变频电源，投资较大。对于风机类负载，变频器还可以起到调速节能的作用。

3.异步起动法

大多数的同步电动机转子装有类似异步电动机笼型绕组的笼条型阻尼绕组，可以利用这个阻尼绕组作为异步起动绕组（机械特性见图3-24的曲线2）。当定子接通电源时，起动绕组中的电流产生使转子转动的异步转矩，并沿着异步机械特性曲线2加速至准同步转速的a点，这时投入励磁，就可以利用自整步法将转子牵入同步，工作点移到b点。这种异步起动法简单易行，比较流行。

起动绕组不能长时间运行（一般小于20～30s），当同步电动机稳定运行在同步转速时，起动绕组和定子旋转磁场相对静止，没有电流流过。当同步电动机轴上的负载发生变化时，转速偏离同步转速，这时起动绕组切割定子旋转磁场，有电流流过，起到使动态过程趋于稳定的阻尼作用。

图3-27 单轴转矩对于同步电动机起动时的影响

同步电动机的异步起动过程是一个比较复杂的物理过程。在整个起动过程中，转子会受到多种转矩的作用，而在励磁投入前，起主要作用的就是由起动绕组所产生的异步转矩和由励磁绕组引起的单轴转矩。异步转矩的T-s曲线与普通笼型异步电动机相同，如图3-27中的虚线所示。单轴转矩是励磁绕组在定子旋转磁场作用下产生的转矩。异步转矩和单轴转矩之和就是合成的起动转矩。合成的起动转矩在s=0.5附近发生明显的下凹，形成一个最小转矩T_min，有可能将电动机转速“卡住”在半同步转速附近而不能继续升速。因此，为了限制单轴转矩对起动的不利影响，励磁绕组不能短路。通常的做法是在励磁回路中串入10倍于励磁绕组电阻值的限流电阻，尽量减小励磁绕组中的感应电流。在起动时，励磁绕组也不能开路，如果励磁绕组开路，因为这时转差率很大，感应电动势很高，可能破坏绕组的绝缘。

异步起动使同步电动机达到准同步转速，为了把转子拉入同步，这时需要靠同步转矩起作用，在电动机转子转速达到准同步转速后，应及时给直流励磁绕组加入励磁电流。在加上励磁电流后，转子磁极有了确定的极性，在半个周期内旋转磁场对转子一直是拉力，这一转矩加上这段时间的异步转矩，完全有可能把转子由准同步转速牵入到同步转速。电动机轴上负载越轻，电动机就越容易牵入同步。

异步起动法需要降低定子侧的电压，一般采用晶闸管软起动器或者水电阻减低定子电压。

工业用大型同步电动机必须有独立的直流励磁装置。励磁装置分为三类：第一类是采用直流发电机提供励磁电流；第二类是交流整流励磁装置；第三类是无刷励磁装置。

直流发电机励磁装置是一种经典的励磁方式。直流发电机与同步发电机同轴旋转，或者采用另外的专用电动机带动直流发电机旋转。输出的直流电流经电刷、集电环输入同步电动机的转子励磁绕组（见图3-28a）。

交流整流励磁装置是通过晶闸管整流器将交流电变为直流电后提供励磁电流（见图3-28b），其优点是消除了直流发电机的整流子和电刷的火花。

图3-28 同步电动机励磁方式

最近比较流行的是无刷励磁装置。把建立励磁电压的旋转电枢式同步发电机G和同步电动机SM同轴连接。二极管整流器、辅助晶闸管VTH、放电电阻R₂、R₃也都放置在同步电动机轴上，与轴同时旋转。改变同步发电机G的励磁电流，就可以调节同步电动机M的励磁电流。当转速达到准同步转速时，断开放电回路，接通直流励磁电源，将电动机牵入同步转速。由于省却了同步电动机的集电环和电刷，故称之为无刷励磁。

如果采用晶闸管整流器作为励磁装置，在起动时励磁绕组必须接入放电电阻及其控制的晶闸管。

3.3.3 同步电动机的励磁电流调节

调节同步电动机励磁电流具有两项功能：第一项功能是保证电动机稳定工作在同步转速。当机械负载增大或者电源电压降低时，励磁电流控制系统将自动增加励磁电流，使同步电动机在同步运行时有足够的最大转矩值（见图3-26）。第二项功能是调节定子回路的无功功率。

同步电动机电气传动最可贵的优点就在于做功的同时还可以补偿电网的无功功率。电网上主要负载是异步电动机和变压器，它们都是感性负载，需要从电网吸收感性无功功率，使电网的功率因数降低。如能在适当地点装上同步电动机，就地补偿负载所需的感性无功功率，就能显著地提高电力系统的经济性与供电质量。因此大型同步电动机得到了较多的应用。

改变同步电动机的励磁电流调节定子回路的无功功率的原理如图3-29所示。根据同步电动机电压方程式（3-40）得到

图3-29 同步电动机在相同负载不同励磁情况下的矢量图

图3-29a对应于欠励磁的情况，励磁电流小于额定值。定子电流滞后于定子电压角度φ，即定子侧呈感性无功功率。随着励磁电流逐步增加，感应电动势增大，电流向靠拢，直至与相重合，这时cosφ=1（见图3-29b）。因为电动机轴上的机械负载不变，负载角θ略有减小，也略有减小，但是在的投影不变，如图中虚线所示。这种工况对于同步电动机最为有利，因为这时定子的损失最小。