第9章  同步电动机

  在交流电机中，转子的转速始终保持与同步转速相等的一类电机称为同步电机。按功率转换关系，同步电机主要有三种运行方式，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。

第一节   学习目的和要求

一、学习目的和要求

1．熟悉同步电动机起动时自动加入励磁的原理。

2．熟悉同步电动机起动控制线路的工作原理。

3．熟悉同步电动机的起动方法。

二、参考课时

第二节   学习与训练指导

本章重点

     同步电动机的起动控制线路

     同步电动机的制动控制线路

本章难点

     同步电动机自动加入励磁的控制

本章主要学习三相同步电动机的异步起动控制原理和起动过程中转子励磁电流的加入控制方式，以及同步电动机的制动控制线路。

一、重点内容

同步电动机的起动方法有两种：一种是辅助电机法起动；一种是异步起动法起动。按起动时供给定子电压的方式不同，分为直接起动和降压起动。直接起动取决于电动机的结构（是否允许直接起动）及线路电压下降程度等因素。降压起动有定子绕组串电阻或电抗器降压起动，自耦变压器降压起动等方法。

同步电动机降压起动时，按转子加入励磁的时间分为轻载起动和重栽起动。

轻载起动是同步电动机在降低了定子电压的情况下加速到同步转速，供给励磁，使电动机进入同步，然后再接入全电压。轻载起动时可以减小励磁接入时引起的电流冲击，但起动转矩较小，仅适用于轻载或空载起动。

重载起动分两步进行，先降压起动，待电动机转动后再加全压使电动机加速到准同步转速，然后再供给励磁。牵入同步运行。若直接加全压起动，起动电流太大，可能会影响电机的寿命或者造成其他设备不能正常工作。若起动中不加全压，因为起动转矩与电压的平方成正比，由于负载重不能加速到准同步转速，也就不能牵入同步运行。

二、难点分析

同步电动机自动加入励磁原理是同步电动机起动控制线路分析的基础，必须在充分理解的基础上再展开对同步电动机起动控制线路原理的分析。

同步电动机起动时，它的励磁绕组要串入大约10倍励磁绕组电阻值的附加电阻构成闭合回路，达到既能降低励磁绕组感应电势，又能保证同步电动机有足够起动转矩的目的。待起动到接近同步转速时，再把所串的电阻去除，通以直流励磁电流，电动机自动牵入同步，完成起动过程。

教材对按定子电流原则自动加入励磁起动控制线路的工作原理进行了详细的分析。要对照原理图来掌握这部分内容。

三、学习方法

1．抓住重点  同步电动机的起动和制动控制线路原理是本章学习的重点内容。同步电动机没有起动转矩，所以不能自行起动。在生产中广泛采用异步起动法。在同步电动机设计和制造时，在转子上加装一套笼型起动绕组。这样一来，当同步电动机定子绕组接到电源上时，由起动绕组的作用，产生起动转矩，，使电动机能自行起动。这个过程和异步电动机的起动过程完全一致。当起动的最终转速达到同步转速的95%左右时，给同步电动机的励磁绕组通入直流电流，转子即刻自动牵入同步，以同步转速运转。

同步电动机的制动均采用能耗制动。制动时，首先切断运转的同步电动机定子绕组的交流电源，然后将定子绕组接入一组外接电阻R（或频敏变阻器）上，并保持转子励磁绕组的直流励磁。这时，励磁绕组电流产生的恒定磁场，继续随着转子的惯性转动在气隙中形成旋转磁场，该磁场切割定子三相绕组时，在定子绕组中产生感应电动势及电流，该电流在固定磁场作用下产生电磁力矩，此力矩与转子转动方向相反，从而使转子较快的停止转动。同步电动机能耗制动时，将转动的机械能变换成电枢中的电能，最终变为热能消耗在电阻R上。

2．突破难点内容  同步电动机自动加入励磁的控制是本章学习的难点内容。同步电动机作异步启动时，定子绕组的电流很大。但随着转速的升高，电流逐渐减小。当转速达到准同步转速时，电流明显减小。所以可用定子电流值来反映电动机的转速状况。按定子电流的大小加入励磁。

四、训练要点

1．开展参观学习，到工厂或高校参观同步电动机的启动、制动运行。

2．结合实际条件，在指导教师的教学演示过程中，根据所学知识和老师的讲解，认真观察同步电动机的启动、制动试验过程。

3．有条件的地方进行这一课题的技能训练：三相同步电动机异步起动控制线路的安装接线与试车。

五、注意事项

1．同步电动机起动时，励磁绕组既不能开路，也不能短路。

2．同步电动机起动时，必须待转子转速达到同步转速的95%或以上时再通入励磁直流电流。

第三节  知识拓展

一、同步电机的基本结构

同步电机的结构形式有两种，一种是旋转电枢式，即把三相绕组装在转子上，磁极装在定子上；另一种是旋转磁极式，它与前者相反，把磁极装在转子上，三相绕组装在定子上。后一种结构的同步电机，由于磁极装在转子上，其电压和容量常比电枢小得多，所以电刷和集电环的负荷和工作条件就大为减轻和改善，因而广泛用于大、中型同步电机中，已成为同步电机的基本结构形式。

在旋转磁极式中，按照磁极的形状又可分为隐极式和凸极式两种。隐极式的转子上没有明显凸出的磁极，其气隙是均匀的，转子成圆柱形。凸极式的转子上有明显凸出的磁极，气隙不均匀，极弧下气隙较小，极间部分气隙较大。

二、三相同步发电机的工作原理

同步发电机主要是由定子和转子两部分组成。同步发电机的定子上装有一套在空间上彼此相差120º电角度的三相对称绕组（图中绕组均画在各相绕组轴线上）；转子磁极（简称主极）上装有励磁绕组，由直流电励磁。当励磁绕组中通

有直流电流时，就在气隙中产生恒定的主极磁场。若用原动机拖动发电机转子恒速旋转时，主极产生的恒定磁场就随着转子的转动在气隙中形成旋转磁场。该磁场切割定子三相绕组时，在定子绕组中就会感应出交变电势。设气隙磁场沿圆周在空间按正弦规律分布，则各相绕组中产生的交变电势也随时间按正弦规律分布，即：

e=Emsinωt

式中  Em—绕组相电势的最大值

      ω—交变电势的角频率，ω=2πf。其中f即为电势的频率，单位为赫兹。

由于三相绕组在空间彼此互差120º电角度，因此，定子三相电势大小相等，相位彼此相差120º电角度。设U相的初相角为零，则三相电势的瞬时值为：

eU=Emsinωt

eV= Emsin(ωt-120º)

eW= Emsin(ωt-240º)

这样，在同步发电机的定子绕组中就产生了三相对称电势，若定子绕组接上负载，则同步发电机就会向负载输出三相交流电流，从而将转子上的机械能转换为电能输出。

三相电势的频率可以这样决定：当转子为一对极时，转子旋转一周，绕组中的感应电势就正好交变一次（一个周波）；当电机有p对极时，则转子旋转一周，感应电势交变p次（即p个周波）；设转子每分钟转数为n，则转子每秒钟旋转转，因此感应电动势每秒交变次，即电势的频率为：

从上式可以看出，同步发电机输出电压的频率等于电机的极对数p与转子每秒钟转速的乘积。我国国家标准规定工业交流电的频率为50赫兹，因此电机的极对数和转速成反比关系。例如：在汽轮发电机中，如果n=3000转/分，则电机为一对极；n=1500转/分，电机为两对极。所以电机的转速越低，则极对数越多。

三、同步电动机功率因数的调整

与异步电动机相似，同步电动机接至电网运行时，其外接电源电压由定子绕组产生的反电势和内阻抗压降来平衡。它们之间的电压平衡关系可由下式表示

上式中，为定子绕组切割转子旋转磁场产生的反电势；为定子电流在定子绕组内产生的内阻压降。为定子绕组的电抗压降，当忽略定子绕组电阻时，定子绕组电流将滞后于90 º。

图5.1     同步电动机定子电压、电流向量图

对应于上式的向量图如图5.1所示。电势与外加电压之间的夹角θ称为同步电动机的功角；电压与电流之间的夹角φ即为功率因数角。

更深入的分析表明：在外加电压一定，并忽略定子绕组电阻时，同步电动机的电磁功率与反电势和功角的正弦的乘积成正比，即：

Pem=KE0sinθ

式中，K — 与电机结构和外加电压有关的常数

下面，我们进一步分析当外加电压一定、电动机的机械负载一定时，同步电动机的无功功率随励磁电流变化的规律。

当同步电动机的负载功率不变时，如果忽略定子绕组的电阻的影响，则电动机的电磁功率、输入功率均为常数，改变励磁电流的大小，可使同步电动机处于正常励磁、过励和欠励三种励磁状态。

同步电动机正常励磁时，定子电流与电压同相，为纯有功电流，同步电动机仅从电网吸取有功功率，电动机表现为电阻性负载。

若在正常励磁的基础上，增大励磁电流，则电动机将处于过励状态，这时将超前于，电动机除向电网吸取一定的有功功率外，同时还向电网吸取一定的容性无功功率，电动机表现为电容性负载。

若在正常励磁的基础上，减小励磁电流使电动机处于欠励状态，这时，将滞后于一个角度，电动机除向电网吸取有功功率外，还向电网吸取一定的感性无功功率，电动机表现为电感性负载。

综上所述可知，改变同步电动机的励磁电流，即可改变其功率因数。正常励磁时，电动机为电阻性负载。功率因数为1；欠励时，电动机为感性负载，功率因数小于1，要向电网吸取一定的感性无功功率，这是很不利的，同步电动机一般不允许欠励运行。过励时，电动机为容性负载，向电网吸取一定的容性无功功率，换句话说，即电动机向电网输出感性无功功率，这一点对电网十分有利，因为电网上通常有大量的感性负载，需要吸收大量的感性无功功率，使输电线的电流增大，增加了线路损耗。如果在同一工厂中或附近工厂中，使用了大容量的同步电动机，而且令其在过励状态下工作，则同步电动机能向附近的感性负载提供感性无功功率，使负载所需的感性无功功率不必从发电厂送来，于是减小了输电线的电流，降低了线路损耗，充分发挥了发电机的利用率。

四、同步补偿机

同步电动机在过励状态下运行，可以输出感性的无功功率，提高电网的功率因数。根据这一特性，人们专门制造了一种同步电动机，使其在过励状态下运转而不带任何机械负载，用来向电网输出感性无功功率，专门吸收超前的无功电流，用来改善（补偿）电网的功率因数。这种同步电动机就称为同步补偿机，又称同步调相机。由此来看，同步补偿机实际上就是一台在空载情况下运行的同步电动机。它从电网吸收的有功功率仅提供给电机本身的损耗，因此同步补偿机总是在接近于零的电磁功率和零功率因数的情况下运行。其补偿原理如下：

图5.2    同步补偿机的电压、电流向量图

忽略补偿机的全部功耗，图5.2是同步补偿机的电压、电流向量图。由图可见，过励时，电流超前90°，而欠励时，电流滞后90°。所以只要调节励磁电流，就能灵活地调节它的无功功率的性质和大小。电网中的负载大部分为感性负载，例如电动机变压器等。当负载变化较大时，功率因数也会发生较大的变化，将在电网中引起较大的电压波动，造成许多设备不能正常工作。如果在用户端接入同步补偿机，在电网感性负载较大引起电网电压下降时，同步补偿机工作在过励状态，提高电网功率因数，维持负载端电压基本不变；在电网轻载时，同步补偿机工作在欠励状态，以抵消电网线路电容效应造成的电压升高。

第四节  习题与思考题选解

一、教材中的习题解答

5-1. 如何解决同步电动机不能自行起动的问题？　

答：由于同步电动机没有起动转矩，所以不能自行起动。这给使用带来极大的不方便。为了解决起动的问题，主要采用两种方法：一种是辅助电动机起动法，这种方法由于需要一台起动用的辅助电动机，设备多，操作复杂，故已基本不采用；另一种是异步起动法。这种方法不需另加设备，操作简单，而在生产中被广泛采用。在同步电动机设计和制造时，在转子上加装一套笼型起动绕组。这样，当同步电动机定子绕组接到电源上时，由起动绕组的作用，产生起动转矩，使电动机能自起动，此过程和异步电动机的起动过程完全一致。一般起动的最终转速达同步转速的95%左右，然后给同步电动机的励磁绕组通入直流电流，转子即刻自动牵入同步，以同步转速运转。

5-2. 同步电动机的制动控制是如何实现的？分析教材中图5．3的工作原理。

答：同步电动机的制动均采用能耗制动。制动时，首先切断运转的同步电动机定子绕组的交流电源，然后将定子绕组接入一组外接电阻R（或频敏变阻器）上，并保持转子励磁绕组的直流励磁。这时，励磁绕组电流产生的恒定磁场，继续随着转子的惯性转动在气隙中形成旋转磁场，该磁场切割定子三相绕组时，在定子绕组中产生感应电动势及电流，该电流在固定磁场作用下产生电磁力矩，此力矩与转子转动方向相反，从而使转子较快的停止转动。同步电动机能耗制动时，将转动的机械能变换成电枢中的电能，最终变为热能消耗在电阻R上。

同步电动机能耗制动的工作原理：

当同步电动机正常运行时，若断开电源开关QS1，则同步电动机定子绕组断电。同步电动机转子仍在惯性运转。此时合上开关QS2，使定子绕组接入外接电阻。通有直流励磁电流的转子绕组继续随着转子的惯性转动，在气隙中形成的旋转磁场切割定子三相绕组，产生与转子转动方向相反的制动力矩，从而使转子较快的停止转动。

第五节    实训范例

一、实训目的和要求

了解三相同步电动机的异步起动方法。

二、实训内容

1．按教材表5—1选配电器元件，并检查元件质量。

2．根据教材图5．4所示电路图在控制板上合理布置和牢固安装电器元件。

3．安装电动机。

4．进行正确接线。

5．接线完毕，采用自检、互检的方式进行检查，有问题时，由指导教师现场指导。

6．检查无误后通电试车。其具体操作如下：

（1）根据励磁绕组电阻的阻值调节变阻器R 1和R2的的阻值。

（2）把QS合向上方，变阻器R1接入励磁绕组。接通三相同步电动机电源进行异步启动。

（3）观察电压表V和电流表A1的读数变化情况，用转速表测量其转速。

（4）当电动机转速接近同步转速时（约1425r/min左右），把开关QS迅速从上方扳向下方，同步电动机励磁绕组加入直流励磁，牵入同步运行，异步起动过程结束。