同步电动机的起动分析.docx
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同步电动机的起动分析
同步电动机的起动
1.同步电机的基本原理
同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。
一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。
图1.1给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。
这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。
转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场（也称主磁场、转子磁场）气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。
除了转场式同步电机外，还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分
布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。
图中用AXBYCZ三个在空间
错开120分布的线圈代表三相对称交流绕组。
—OO+
―-定子铁心』2—转子*3—滑环F
4—电刷"5—磁力线
图1.1同步电机结构模型
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。
感应电势有效值：
每相感应电势的有效值为Eo=4.44fN
感应电势频率：
感应电势的频率决定于同步电机的转速n和极对数p，即
f=pn/60
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。
1.2同步转速
同步转速从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。
我国电网的频率为50Hz，
故有：
n=60f/p=3000/p
要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。
例如2极电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转速为
1500r/min，依次类推。
只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。
1.3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S，S称为功率角
若转子主磁场趋超前于定子合成磁场，s>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。
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。
主极
主极
图1.2发电机状态
若转子主极磁场与定子合成磁场的轴线重合，即3=0，则电磁转矩为零。
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。
N
It.
1（
0
So
图1.3补偿机状态
若转子主极磁场滞后于定子合成磁场，即Sv0，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。
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。
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。
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。
132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。
分类：
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。
133励磁方式
同步电机的直流励磁电流需要从外部提供，供给同步电机励磁电流的装置称为励磁系统。
获得励磁电流的方法即为励磁方式有以下几种。
1）直流发电机励磁系统
这是传统的励磁系统，由装在同步电机转轴上的小型直流发电机供电。
这种专供励磁的直流发电机称为励磁机。
2）静止整流器励磁系统
这种励磁方式是将同轴的交流励磁机（小容量同步发电机）或者主发电机发出的交流电经过静止的整流装置变换成直流电后，由集电环引入主发电机励磁绕组供给所需的直流励磁。
3）旋转整流器励磁系统
这种励磁方式将同轴交流励磁机做成旋转电枢式，并将整流器装置固定在此电枢上一起旋转，组成了旋转整流器励磁系统，将交流励磁发电机输出的交流电整流之后，直接供电给励磁绕组。
这样可以完全省去集电环、电刷等滑动接触装置，成为无刷励磁系统，广泛
应用于大容量发电机中。
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，且与负载无关。
具有运行稳定性高和过载能力大等特点。
常用于多机同步传动系统、精密调速稳速系统和大型设备（如轧钢机）等。
属于交流电机，定子绕组与异步电
动机相同。
它的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的，所以称
为同步电动机。
正由于这样，同步电动机的电流在相位上是超前于电压的，即同步电动机是一个容性负载。
为此，在很多时候，同步电动机是用以改进供电系统的功率因数的。
同步电动机在结构上大致有两种：
1）转子用直流电进行励磁的同步电动机：
它的转子做成凸极式的，安装在磁极铁
芯上面的磁场线圈是相互串联的，接成具有交替相反的极性，并有两根引线连接到装
在轴上的两只滑环上面。
磁场线圈是由一只小型直流发电机或蓄电池来激励，在大多
数同步电动机中，直流发电机是装在电动机轴上的，用以供应转子磁极线圈的励磁电
流。
由于这种同步电动机不能自动启动，所以在转子上还装有鼠笼式绕组而作为电动
机启动之用。
当在定子绕组通上三相交流电源时，电动机内就产生了一个旋转磁场，鼠笼绕组切割磁力线而产生感应电流，从而使电动机旋转起来。
电动机旋转之后，其速度慢慢增高到稍低于旋转磁场的转速，此时转子磁场线圈经由直流电来激励，使转
子上面形成一定的磁极，这些磁极就企图跟踪定子上的旋转磁极，这样就增加电动机
转子的速率直至与旋转磁场同步旋转为止。
2）转子不需要励磁的同步电机：
它能够运用于单相电源上，也能运用于多相电源
上。
这种电动机中，有一种的定子绕组与分相电动机或多相电动机的定子相似，同时
有一个鼠笼转子，而转子的表面切成平面。
所以是属于凸极转子，转子磁极是由一种磁化钢做成的，而且能够经常保持磁性。
鼠笼绕组是用来产生启动转矩的，而当电动机旋转到一定的转速时，转子凸极就跟住定子线圈的电流频率而达到同步。
凸极的极
性是由定子感应出来的，因此它的数目应和定子上极数相等，当电动机转到它应有的
速度时，鼠笼绕组就失去了作用，维持旋转是靠着转子与磁极跟住定子磁极，使之同
3•同步电动机的运行分析
3.1同步电动机运行特点
1）起动困难、不易调速，需要用直流励磁，结构比感应电动机复杂，运行维护要求高。
2）可以通过调节励磁电流改善电网功率因数，所以在大功率恒速机械中也得到了广泛应用。
3.2隐极同步电动机的电动势平衡方程式和相量图
磁动势：
当隐极同步发电机转子励磁绕组通入直流励磁电流后，产生主极磁动势，产
生主磁通0；定子绕组接上三相对称负载后，产生电枢磁动势Fa，产生电枢磁通a和
漏磁通。
电动势：
主磁通0和电枢磁通a，切割定子绕组并在定子绕组内感应出相应的励
磁电动势〔°和电枢反应电动势压Ea0
把E。
和Ea相量相加，可得电枢一相绕组的合成电动势E（亦称为气隙电动势）。
上述关系可表示为：
Uf
|fF0m0
E0
Ui
li
Fama
Ea
E
?
Ri|i
?
?
?
?
U1
E0jEaE
Ri|i
Ea正比于I；在时间相位上,
Ea滞后于
a90电角度,
于是
若不计定子铁耗，a与
式中，Xa是与电枢反应磁通相对应的电抗，称为电枢反应电抗。
定子电压方程
UiEoRjXsii
式中，XsXaX称为隐极同步电机的同步电抗，Xs是对称稳态运行时表征电枢
反应和电枢漏磁这两个效应的一个综合参数。
不计饱和时，Xs是一个常数
图3.1隐极同步电动机的等效电路图
3.3凸极同步发电机的电动势方程
磁动势：
当隐极同步发电机转子励磁绕组通入直流励磁电流后，产生主极磁动势，产生主磁通0；
定子绕组接上三相对称负载后，产生电枢磁动势Fa。
凸极同步电机的气隙沿电枢圆周是不均匀的，直轴上气隙较小，交轴上气隙较大.因此直轴上磁阻比交轴上磁阻小。
同样大小的电枢磁动势作用在直轴磁路上与作用在交轴磁路上产生的磁通因而存在很大差别。
随着负载电流性质不同，电枢磁动势作用在不同的空间位置。
因此在定量分析电枢反应的作用时.需要应用双反应理论：
一般情况下，如果电枢磁动势既不作用于直轴、亦不在交轴而是在空间任意位置处，可把电枢磁动势Fa分解成直轴和交轴两个分量Fad、Faq，再用对应的直轴磁导和交轴磁导分别算出直轴和交轴电枢磁通bad、baq，最后把它们的效果叠加起来。
这种考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，就称为双反应理论。
实践证明，不计磁饱和时，这种方法的效果是满足要求的。
不计磁饱和时，根据双反应理论，把电枢磁动势Fa分解成直轴和交轴磁动势Fad、
Faq两个分量，然后根据对应的磁导分别求出其所产生的直轴、交轴电枢磁通ad，aq
电动势：
主磁通0和电枢磁通，即直轴、交轴电枢磁通切割定子绕组并在定子绕组
内感应出相应的励磁电动势E0和电枢反应电动势Ead,Eaq
电压平衡方程：
按照隐极同步电动机各物理量正方向的规定，可写出凸极同步发电机定子电枢任一相的电势方程
UEoEadEaq
4.同步电动机的起动
4.1起动方法
4.1.1辅助电动机起动
通常选用一台和同步电动机极数相同的小型感应电动机作为辅助电动机。
适于空载起动。
4.1.2变频起动
这种方法通过改变定子旋转磁场转速，利用同步转矩来起动。
在开始起动时，转子通入直流，然后使变频电源的频率从零缓慢上升，逐步增加到额定频率，使转子的转速随着定子旋转磁场的转速而同步上升，直到额定转速。
这种方法起动性能好，起动电流小，对电网冲击小，但是需要专门的变频电源，增加了投资。
4.1.3异步起动
在同步电动机的转子上安装类似于感应电机笼型绕组的起动绕组（即阻尼绕组）。
当接
通电源后，使同步电机在异步转矩作用下起动，当转速接近同步转速时再加励磁，依靠同步电磁转矩将转子牵入同步。
这是当前同步电动机广泛采用的一种方法，下面进行着重分析。
4.2异步起动过程
4.2.1起动过程
图4.1同步电动机异步起动时的线路图
过程：
整个起动过程包括“异步起动”和“牵入同步”两个阶段。
1）起动时，先把励磁绕组串入约为励磁绕组电阻值10倍的附加电阻后短接，然后用感应电动机起动方法将定子接入电网，这时同步电动机与感应电动机相同，依靠异步电磁转矩起动，等转速上升到接近同步转速时再通入励磁电流。
2）依靠定、转子磁场相互作用所产生的同步电磁转矩以及凸极效应引起的磁阻转矩，将转子牵入同步。
4.2.2转子绕组的处理
1）励磁绕组加入直流励磁电流。
将会产生主磁极磁通势，并随着转速的上升在气隙中形成旋转磁场。
此旋转磁场将会在定子绕组中感生出频率随着转速变化的三相对称电动势，这个电动势的频率与电网电压频率不相同，它通过电源变压器的二次绕组构成回路，产生很大的电流，这一电流与定子绕组起动电流叠加起来使定子电流过大，超出允许范围。
2）直流励磁绕组开路。
则定子旋转磁场将会切割直流励磁绕组，特别是在起动过程初期以很高的速度切割直流励磁绕组。
由于转子励磁绕组匝数较多，因而会在直流励磁绕组上产生很高的感应电动势，容易击穿绕组绝缘，对操作人员的人身安全构成一定的威胁。
3）将直流励磁绕组直接短路。
则定子旋转磁场会切割励磁绕组产生单轴转矩。
转子在起动绕组的异步转矩和单轴转矩的共同作用下会在n“2处发生合成转矩下凹影响起动过程，所以采用串电阻接入的方法
423直流励磁绕组短路情况下的转矩情况
图4.2直流励磁绕组直接短路时的单轴转矩及其对同步电动机起动的影响
1）单轴转矩的产生
异步起动磁场分析：
转子起动绕组的机械特性曲线与普通感应电机一样。
假定定子旋转磁动势转速为n1,转子速度为n,那么旋转磁场切割转子的速度为山n。
转子绕组感应电动势：
旋转磁场在转子直流励磁绕组中感应电动势的频率为f2sfi。
这一电动势在直流励磁绕组中产生频率为f2的单相短路电流。
转子脉振磁场：
根据磁动势理论，这一单相短路电流可以在转子绕组中产生一个频率
为sfi的脉振磁动势。
此脉振磁场可分解成正、反两个方向旋转的磁场。
单轴转：
正向旋转磁场：
：
对定子的相对转速为ni,与定子旋转磁场相对静止，产生普通感应电动机的异步转矩T1，其Ts曲线如图4-2（a）中曲线1所示。
反向旋转磁场：
对定子转速为（12s）ni,在定子绕组中感应出频率为fO60（12s）nip的电流并建立相应的旋转磁场F。
该旋转磁场与转子反转磁场相互作用产生另一个异步转矩T2，其Ts曲线如图4-2中曲线2所示。
单轴转矩的产生：
该转矩在s0.5时为零；在s0.5时为负，对转子起拖动作用；在
s0.5时为正，对转子起制动作用。
将转子单相绕组所产生的上述两个异步转矩T1和T2合
成起来即为起动过程中的单轴转矩T3，其Ts曲线如图4-2（a）中曲线3所示。
2）起动过程中的转矩下凹问题及解决方法
将起动绕组所产生的异步转矩与单轴转矩相加，即得异步起动过程中的合成电磁转
矩，其Ts曲线如图4-2（b）所示。
图4-2（b）中曲线1为起动绕组产生的单轴转矩,曲线2为起动绕组产生的异步转矩，曲线3为二者合成转矩。
由图可知，由于单轴转矩的存在使电动机的合成转矩曲线在nn仁2附近发生明显的下凹，形成一个最小转矩Tmin有可能使电动机卡在nn仁2附近而不能继续升速。
图4-3直流励磁绕组串电阻闭合时的单轴转矩
为了限制单轴转矩对起动的不利影响，可以在异步起动时在励磁绕组中接入10倍于
励磁绕组电阻的附加电阻来限制电流。
串入适量的电阻后、对转子正转的磁场所产生的转矩来讲，相当于增大感应电动机转子电阻。
根据异步电动机的人为机械特性可知，最大转矩不变，而临界转差率增大；对转子反转的磁场所产生的转矩来讲，相当于感应电动机定子回路串入电阻，因为这时转子是初级侧，而定子为次级侧，结果使最大转矩大为削弱，如图4-3中曲线2所示，而合成转矩曲线中的凹陷状部分可基本消除，如图4-3中曲线3
所示。
4.2.4同步牵入
异步起动之后，电动机已经达到准同步转速，这时笼型绕组的异步转矩虽然仍有一定数值，但不能靠它把转子拉入同步。
由异步电动机机械特性可以知道，在这一段的异步转矩基本与转差率成正比，转速升高，转差率减小，转矩与之成正比的减小，到同步转速时，该转矩为零。
为了把转子拉入同步，这时需要靠同步转矩起作用，在电动机达到准同步转速后，应及时给直流励磁绕组加入励磁电流.
这时转差率很低，转子转速已接近旋转磁场转速，同时由凸极引起的磁阻转矩已起作用。
此时转子未加励磁，转子磁极无固定极性，仅由定子磁场磁化而定。
由于角连续变化，磁阻转矩是脉振的，使转子转速发生振荡。
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拉到同步转速，使电动机进入稳定的同步运行。
这时的磁阻转矩个振荡周期较前增加一倍。
由于转子加励磁后的同步转矩比磁阻转矩强得多，故转速变化也大得多，转速瞬时值可能超过同步转速，而在减速回到同步转速时由于整步转矩的作用使振荡衰减，转子逐渐牵入同步。
一般讲，轴上负载愈轻，电机愈容
易牵入同步。
结论
同步电动机以转速与电源频率保持同步著称，而且具有功率因素可调的优点，故同步调相机可以对电网的无功功率进行调节，以改善电网的功军因数，提高电网的运行经济性及电压的稳定性。
此外小功率的同步电动机和微型同步电机在恒转速传动控制装置、自动记录仪表、家用电器以及自动控制系统中有着广泛的应用。
但又因为其不能调速和起动性能差等限制了它的应用。
随着电力电子技术的发展。
采用变频装置实现了调速问题的解决，从根本上改变了同步电动机在调速领域的应用。
同步电动机在正常工作时，依靠合成磁场对转子磁极的磁拉力牵引转子同步旋转的。
只有在定子旋转磁场与转子励磁磁场相对静止时，才能得到平均电磁转矩。
该电磁转矩能使同步电动机正常旋转，当在非变频起动时却无法起作用。
如果静止的同步电动机励磁后立接投入电网，这时定子旋转磁场与转子磁场间以同步转速n1间作相对运动，功角
°~360之间不断变化，转子承受交变的脉振转矩，其平均值为零，电机直接无法起动，所以必须拖动起动、异步起动、变频起动等，而目前最常用的是异步启动，采用异步起动法直接起动时，起动电流大，必须减压起动。
心得体会
通过此次课程设计使我更加深深地体会到：
现代的社会是信息的社会，科技对于一个企业一个国家的重要性，设计出好的，性价比高的电机对于我们能源的重要性，是电能发展的关键因素所在，是我们作为一名电气专业的学生应努力学好的课程，我们不仅要学好课本上的知识，还要学会将所学到的知识联系并应用到现实生活中，做到理论联系实际。
通过这这周紧张而充实的课程设计，我学到了很多东西，并对我以后所要做的毕业设计有了一个初步的了解。
做好一个课程设计或毕业设计不仅要具备扎实的书本知识并会善于应用，还要学会查阅资料，对以前学过的知识不清楚的地方还要进行复习，实在搞不明白的地方要向老师或同学请教，这样才可能做出一个比较不错的课程设计。
通过此次设计过程，在这里我要感谢我们的指导老师，非常感谢老师的指导和帮助，真的很感谢他们。
希望以后还能参加这样的课程设计。
我想我会做的更好的。
参考文献
[1]电机学汤蕴璆•史乃•机械工业出版社•2002
[2]电机与拖动.唐介.高等教育出版社.2003
[3]异步启动永磁同步电动机理论.王秀和.杨玉波.朱常清.机械工业出版社.2002
[4]电机学.李海发.主编.科学出版社.2001
致谢
本论文是在王继强老师的悉心指导下完成的。
老师渊博的专业知识，严谨的治学态度,精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。
不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我曾加了与同学间的交流学习。
通过这次的课程设计让我对这门课有了更为深刻的理解，在同步电机方面有了全方位的认识，对以后的毕业设计也有了初步的了解。
在此，谨向王老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！
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