第五章 三相同步電動機的基本控制線路 在交流電機中，轉子的轉速始終保持與同步轉速相等的一類電機稱為同步電機。按功率轉換關系，同步電機主要有三種運行方式，即作為發電機、電動機和補償機運行。 作為發電機運行是同步電機最主要的運行方式，作為電動機運行是同步電機的另一種重要的運行方式。同步電動機的功率因數可以調節，在不要求調速的場合，應用大型同步電動機可以提高運行效率。近年來，小型同步電動機在變頻調速系統中開始得到較多地應用。 同步電機還可以接于電網作為同步補償機。這時電機不帶任何機械負載，靠調節轉子中的勵磁電流向電網發出所需的感性或者容性無功功率，以達到改善電網功率因數或者調節電網電壓的目的。第一節 學習目的和要求一、學習目的和要求1熟悉同步電動機起動時自動加入勵磁的原理。2熟悉同步電動機起動控制線路的工作原理。3熟悉同步電動機的起動方法。二、參考課時第一章授課內容總學時理論學時實訓學時一同步電動機的起動22二同步電動機的制動控制2合 計642第二節 學習與訓練指導本章重點l 同步電動機的起動控制線路l 同步電動機的制動控制線路本章難點l 同步電動機自動加入勵磁的控制本章主要學習三相同步電動機的異步起動控制原理和起動過程中轉子勵磁電流的加入控制方式，以及同步電動機的制動控制線路。一、重點內容同步電動機的起動方法有兩種：一種是輔助電機法起動；一種是異步起動法起動。按起動時供給定子電壓的方式不同，分為直接起動和降壓起動。直接起動取決于電動機的結構（是否允許直接起動）及線路電壓下降程度等因素。降壓起動有定子繞組串電阻或電抗器降壓起動，自耦變壓器降壓起動等方法。同步電動機降壓起動時，按轉子加入勵磁的時間分為輕載起動和重栽起動。輕載起動是同步電動機在降低了定子電壓的情況下加速到同步轉速，供給勵磁，使電動機進入同步，然后再接入全電壓。輕載起動時可以減小勵磁接入時引起的電流沖擊，但起動轉矩較小，僅適用于輕載或空載起動。重載起動分兩步進行，先降壓起動，待電動機轉動后再加全壓使電動機加速到準同步轉速，然后再供給勵磁。牽入同步運行。若直接加全壓起動，起動電流太大，可能會影響電機的壽命或者造成其他設備不能正常工作。若起動中不加全壓，因為起動轉矩與電壓的平方成正比，由于負載重不能加速到準同步轉速，也就不能牽入同步運行。二、難點分析同步電動機自動加入勵磁原理是同步電動機起動控制線路分析的基礎，必須在充分理解的基礎上再展開對同步電動機起動控制線路原理的分析。同步電動機起動時，它的勵磁繞組要串入大約10倍勵磁繞組電阻值的附加電阻構成閉合回路，達到既能降低勵磁繞組感應電勢，又能保證同步電動機有足夠起動轉矩的目的。待起動到接近同步轉速時，再把所串的電阻去除，通以直流勵磁電流，電動機自動牽入同步，完成起動過程。教材對按定子電流原則自動加入勵磁起動控制線路的工作原理進行了詳細的分析。要對照原理圖來掌握這部分內容。三、學習方法1抓住重點 同步電動機的起動和制動控制線路原理是本章學習的重點內容。同步電動機沒有起動轉矩，所以不能自行起動。在生產中廣泛采用異步起動法。在同步電動機設計和制造時，在轉子上加裝一套籠型起動繞組。這樣一來，當同步電動機定子繞組接到電源上時，由起動繞組的作用，產生起動轉矩，使電動機能自行起動。這個過程和異步電動機的起動過程完全一致。當起動的最終轉速達到同步轉速的95%左右時，給同步電動機的勵磁繞組通入直流電流，轉子即刻自動牽入同步，以同步轉速運轉。同步電動機的制動均采用能耗制動。制動時，首先切斷運轉的同步電動機定子繞組的交流電源，然后將定子繞組接入一組外接電阻R（或頻敏變阻器）上，并保持轉子勵磁繞組的直流勵磁。這時，勵磁繞組電流產生的恒定磁場，繼續隨著轉子的慣性轉動在氣隙中形成旋轉磁場，該磁場切割定子三相繞組時，在定子繞組中產生感應電動勢及電流，該電流在固定磁場作用下產生電磁力矩，此力矩與轉子轉動方向相反，從而使轉子較快的停止轉動。同步電動機能耗制動時，將轉動的機械能變換成電樞中的電能，最終變為熱能消耗在電阻R上。2突破難點內容 同步電動機自動加入勵磁的控制是本章學習的難點內容。同步電動機作異步啟動時，定子繞組的電流很大。但隨著轉速的升高，電流逐漸減小。當轉速達到準同步轉速時，電流明顯減小。所以可用定子電流值來反映電動機的轉速狀況。按定子電流的大小加入勵磁。四、訓練要點1開展參觀學習，到工廠或高校參觀同步電動機的啟動、制動運行。2結合實際條件，在指導教師的教學演示過程中，根據所學知識和老師的講解，認真觀察同步電動機的啟動、制動試驗過程。3有條件的地方進行這一課題的技能訓練：三相同步電動機異步起動控制線路的安裝接線與試車。五、注意事項1同步電動機起動時，勵磁繞組既不能開路，也不能短路。2同步電動機起動時，必須待轉子轉速達到同步轉速的95%或以上時再通入勵磁直流電流。第三節 知識拓展一、同步電機的基本結構同步電機的結構形式有兩種，一種是旋轉電樞式，即把三相繞組裝在轉子上，磁極裝在定子上；另一種是旋轉磁極式，它與前者相反，把磁極裝在轉子上，三相繞組裝在定子上。后一種結構的同步電機，由于磁極裝在轉子上，其電壓和容量常比電樞小得多，所以電刷和集電環的負荷和工作條件就大為減輕和改善，因而廣泛用于大、中型同步電機中，已成為同步電機的基本結構形式。在旋轉磁極式中，按照磁極的形狀又可分為隱極式和凸極式兩種。隱極式的轉子上沒有明顯凸出的磁極，其氣隙是均勻的，轉子成圓柱形。凸極式的轉子上有明顯凸出的磁極，氣隙不均勻，極弧下氣隙較小，極間部分氣隙較大。二、三相同步發電機的工作原理同步發電機主要是由定子和轉子兩部分組成。同步發電機的定子上裝有一套在空間上彼此相差120電角度的三相對稱繞組（圖中繞組均畫在各相繞組軸線上）；轉子磁極（簡稱主極）上裝有勵磁繞組，由直流電勵磁。當勵磁繞組中通有直流電流時，就在氣隙中產生恒定的主極磁場。若用原動機拖動發電機轉子恒速旋轉時，主極產生的恒定磁場就隨著轉子的轉動在氣隙中形成旋轉磁場。該磁場切割定子三相繞組時，在定子繞組中就會感應出交變電勢。設氣隙磁場沿圓周在空間按正弦規律分布，則各相繞組中產生的交變電勢也隨時間按正弦規律分布，即：e=Emsint式中 Em繞組相電勢的最大值 交變電勢的角頻率，=2f。其中f即為電勢的頻率，單位為赫茲。由于三相繞組在空間彼此互差120電角度，因此，定子三相電勢大小相等，相位彼此相差120電角度。設U相的初相角為零，則三相電勢的瞬時值為：eU=EmsinteV= Emsin(t-120)eW= Emsin(t-240)這樣，在同步發電機的定子繞組中就產生了三相對稱電勢，若定子繞組接上負載，則同步發電機就會向負載輸出三相交流電流，從而將轉子上的機械能轉換為電能輸出。三相電勢的頻率可以這樣決定：當轉子為一對極時，轉子旋轉一周，繞組中的感應電勢就正好交變一次（一個周波）；當電機有p對極時，則轉子旋轉一周，感應電勢交變p次（即p個周波）；設轉子每分鐘轉數為n，則轉子每秒鐘旋轉轉，因此感應電動勢每秒交變次，即電勢的頻率為：從上式可以看出，同步發電機輸出電壓的頻率等于電機的極對數p與轉子每秒鐘轉速的乘積。我國國家標準規定工業交流電的頻率為50赫茲，因此電機的極對數和轉速成反比關系。例如：在汽輪發電機中，如果n=3000轉/分，則電機為一對極；n=1500轉/分，電機為兩對極。所以電機的轉速越低，則極對數越多。三、同步電動機功率因數的調整與異步電動機相似，同步電動機接至電網運行時，其外接電源電壓由定子繞組產生的反電勢和內阻抗壓降來平衡。它們之間的電壓平衡關系可由下式表示上式中，為定子繞組切割轉子旋轉磁場產生的反電勢；為定子電流在定子繞組內產生的內阻壓降。為定子繞組的電抗壓降，當忽略定子繞組電阻時，定子繞組電流將滯后于90 。圖5.1 同步電動機定子電壓、電流向量圖對應于上式的向量圖如圖5.1所示。電勢與外加電壓之間的夾角稱為同步電動機的功角；電壓與電流之間的夾角即為功率因數角。更深入的分析表明：在外加電壓一定，并忽略定子繞組電阻時，同步電動機的電磁功率與反電勢和功角的正弦的乘積成正比，即：Pem=KE0sin式中，K 與電機結構和外加電壓有關的常數下面，我們進一步分析當外加電壓一定、電動機的機械負載一定時，同步電動機的無功功率隨勵磁電流變化的規律。當同步電動機的負載功率不變時，如果忽略定子繞組的電阻的影響，則電動機的電磁功率、輸入功率均為常數，改變勵磁電流的大小，可使同步電動機處于正常勵磁、過勵和欠勵三種勵磁狀態。同步電動機正常勵磁時，定子電流與電壓同相，為純有功電流，同步電動機僅從電網吸取有功功率，電動機表現為電阻性負載。若在正常勵磁的基礎上，增大勵磁電流，則電動機將處于過勵狀態，這時將超前于，電動機除向電網吸取一定的有功功率外，同時還向電網吸取一定的容性無功功率，電動機表現為電容性負載。若在正常勵磁的基礎上，減小勵磁電流使電動機處于欠勵狀態，這時，將滯后于一個角度，電動機除向電網吸取有功功率外，還向電網吸取一定的感性無功功率，電動機表現為電感性負載。綜上所述可知，改變同步電動機的勵磁電流，即可改變其功率因數。正常勵磁時，電動機為電阻性負載。功率因數為1；欠勵時，電動機為感性負載，功率因數小于1，要向電網吸取一定的感性無功功率，這是很不利的，同步電動機一般不允許欠勵運行。過勵時，電動機為容性負載，向電網吸取一定的容性無功功率，換句話說，即電動機向電網輸出感性無功功率，這一點對電網十分有利，因為電網上通常有大量的感性負載，需要吸收大量的感性無功功率，使輸電線的電流增大，增加了線路損耗。如果在同一工廠中或附近工廠中，使用了大容量的同步電動機，而且令其在過勵狀態下工作，則同步電動機能向附近的感性負載提供感性無功功率，使負載所需的感性無功功率不必從發電廠送來，于是減小了輸電線的電流，降低了線路損耗，充分發揮了發電機的利用率。四、同步補償機同步電動機在過勵狀態下運行，可以輸出感性的無功功率，提高電網的功率因數。根據這一特性，人們專門制造了一種同步電動機，使其在過勵狀態下運轉而不帶任何機械負載，用來向電網輸出感性無功功率，專門吸收超前的無功電流，用來改善（補償）電網的功率因數。這種同步電動機就稱為同步補償機，又稱同步調相機。由此來看，同步補償機實際上就是一臺在空載情況下運行的同步電動機。它從電網吸收的有功功率僅提供給電機本身的損耗，因此同步補償機總是在接近于零的電磁功率和零功率因數的情況下運行。其補償原理如下：圖5.2 同步補償機的電壓、電流向量圖忽略補償機的全部功耗，圖5.2是同步補償機的電壓、電流向量圖。由圖可見，過勵時，電流超前90，而欠勵時，電流滯后90。所以只要調節勵磁電流，就能靈活地調節它的無功功率的性質和大小。電網中的負載大部分為感性負載，例如電動機變壓器等。當負載變化較大時，功率因數也會發生較大的變化，將在電網中引起較大的電壓波動，造成許多設備不能正常工作。如果在用戶端接入同步補償機，在電網感性負載較大引起電網電壓下降時，同步補償機工作在過勵狀態，提高電網功率因數，維持負載端電壓基本不變；在電網輕載時，同步補償機工作在欠勵狀態，以抵消電網線路電容效應造成的電壓升高。第四節 習題與思考題選解一、教材中的習題解答5-1. 如何解決同步電動機不能自行起動的問題？答：由于同步電動機沒有起動轉矩，所以不能自行起動。這給使用帶來極大的不方便。為了解決起動的問題，主要采用兩種方法：一種是輔助電動機起動法，這種方法由于需要一臺起動用的輔助電動機，設備多，操作復雜，故已基本不采用；另一種是異步起動法。這種方法不需另加設備，操作簡單，而在生產中被廣泛采用。在同步電動機設計和制造時，在轉子上加裝一套籠型起動繞組。這樣，當同步電動機定子繞組接到電源上時，由起動繞組的作用，產生起動轉矩，使電動機能自起動，此過程和異步電動機的起動過程完全一致。一般起動的最終轉速達同步轉速的95%左右，然后給同步電動機的勵磁繞組通入直流電流，轉子即刻自動牽入同步，以同步轉速運轉。5-2. 同步電動機的制動控制是如何實現的？分析教材中圖53的工作原理。答：同步電動機的制動均采用能耗制動。制動時，首先切斷運轉的同步電動機定子繞組的交流電源，然后將定子繞組接入一組外接電阻R（或頻敏變阻器）上，并保持轉子勵磁繞組的直流勵磁。這時，勵磁繞組電流產生的恒定磁場，繼續隨著轉子的慣性轉動在氣隙中形成旋轉磁場，該磁場切割定子三相繞組時，在定子繞組中產生感應電動勢及電流，該電流在固定磁場作用下產生電磁力矩，此力矩與轉子轉動方向相反，從而使轉子較快的停止轉動。同步電動機能耗制動時，將轉動的機械能變換成電樞中的電能，最終變為熱能消耗在電阻R上。同步電動機能耗制動的工作原理：當同步電動機正常運行時，若斷開電源開關QS1，則同步電動機定子繞組斷電。同步電動機轉子仍在慣性運轉。此時合上開關QS2，使定子繞組接入外接電阻。通有直流勵磁電流的轉子繞組繼續隨著轉子的慣性轉動，在氣隙中形成的旋轉磁場切割定子三相繞組，產生與轉子轉動方向相反的制動力矩，從而使轉子較快的停止轉動。第五節 實訓范例一、實訓目的和要求了解三相同步電動機的異步起動方法。二、實訓內容1按教材表51選配電器元件，并檢查元件