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一，概述：同步電動機(jī)可以通過調(diào)節(jié)其勵磁電流來改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，因而在不需要調(diào)速的低速大功率機(jī)械中得到較廣泛的應(yīng)用。隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，同步電動機(jī)的起動和調(diào)速問題都得到了解決，從而進(jìn)一步擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。本文先介紹了同步電機(jī)及同步電動機(jī)的工作原理，而后就同步電動機(jī)的異步起動和變頻起動進(jìn)行了Simulink仿真，并作簡要分析。
1， 同步電機(jī)的基本原理
同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)一樣是一種常用的交流電機(jī)。特點(diǎn)是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間有不變的關(guān)系n=ns=60f/p，ns稱為同步轉(zhuǎn)速。若電網(wǎng)的頻率不變，則穩(wěn)態(tài)時同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒為常數(shù)而與負(fù)載的大小無關(guān)。
同步電機(jī)分為同步發(fā)電機(jī)和同步電動機(jī)?，F(xiàn)代發(fā)電廠中的交流電機(jī)以同步電機(jī)為主。
1.1工作原理
主磁場的建立：勵磁繞組通以直流勵磁電流，建立極性相間的勵磁磁場，即建立起主磁場。
載流導(dǎo)體：三相對稱的電樞繞組充當(dāng)功率繞組，成為感應(yīng)電勢或者感應(yīng)電流的載體。
切割運(yùn)動：原動機(jī)拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機(jī)輸入機(jī)械能），極性相間的勵磁磁場隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組（相當(dāng)于繞組的導(dǎo)體反向切割勵磁磁場）。
交變電勢的產(chǎn)生：由于電樞繞組與主磁場之間的相對切割運(yùn)動，電樞繞組中將會感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的三相對稱交變電勢。通過引出線，即可提供交流電源。
交變性與對稱性：由于旋轉(zhuǎn)磁場極性相間，使得感應(yīng)電勢的極性交變；由于電樞繞組的對稱性，保證了感應(yīng)電勢的三相對稱性。
圖1 同步電機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài)
a)發(fā)電機(jī) b)補(bǔ)償機(jī) c)電動機(jī)
1.2運(yùn)行方式
同步電機(jī)的主要運(yùn)行方式有三種，即作為發(fā)電機(jī)、電動機(jī)和補(bǔ)償機(jī)運(yùn)行。 作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行是同步電機(jī)最主要的運(yùn)行方式，作為電動機(jī)運(yùn)行是同步電機(jī)的另一種重要的運(yùn)行方式。同步電動機(jī)的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，在不要求調(diào)速的場合，應(yīng)用大型同步電動機(jī)可以提高運(yùn)行效率。近年來，小型同步電動機(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開始得到較多地應(yīng)用。 同步電機(jī)還可以接于電網(wǎng)作為同步補(bǔ)償機(jī)。這時電機(jī)不帶任何機(jī)械負(fù)載，靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性或者容性無功功率，以達(dá)到改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的目的。分析表明，同步電機(jī)運(yùn)行于哪一種狀態(tài)，主要取決于定子合成磁場與轉(zhuǎn)子主極磁場之間的夾角δ，δ稱為功率角。
若轉(zhuǎn)子主磁場趨超前于定子合成磁場，δ＞0，此時轉(zhuǎn)子上將受到一個與其旋轉(zhuǎn)方向相反的制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，如圖1a)所示。為使轉(zhuǎn)子能以同步轉(zhuǎn)速持續(xù)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子必須從原動機(jī)輸人驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。此時轉(zhuǎn)子輸入機(jī)械功率，定子繞組向電網(wǎng)或負(fù)載輸出電功率，電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。
若轉(zhuǎn)子主極磁場與定子合成磁場的軸線重合，即δ＝0，則電磁轉(zhuǎn)矩為零，如圖1b)所示。此時電機(jī)內(nèi)沒有有功功率的轉(zhuǎn)換，電機(jī)處于補(bǔ)償機(jī)狀態(tài)或空載狀態(tài)。
若轉(zhuǎn)子主極磁場滯后于定子合成磁場，即δ＜0，則轉(zhuǎn)子上將受到一個與其轉(zhuǎn)向相同的驅(qū)動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，如圖1c)所示。此時定子從電網(wǎng)吸收電功率，轉(zhuǎn)子可拖動負(fù)載而輸出機(jī)械功率．電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)行。
1.3基本結(jié)構(gòu)
同步電機(jī)按其結(jié)構(gòu)型式可分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式兩種。在實(shí)際應(yīng)用中，需要通過滑環(huán)將電功率自轉(zhuǎn)子部分導(dǎo)入或者引出。由于同步電機(jī)的電樞功率極大，電壓較高，因而不容易由滑環(huán)導(dǎo)入或引出。由于勵磁繞組的功率與電樞的功率相比，所占比例較小，勵磁電壓通常又較低，因此使磁極旋轉(zhuǎn)，通過滑環(huán)為勵磁繞組供電容易實(shí)現(xiàn)。因此旋轉(zhuǎn)電樞式只適用于小容量同步電機(jī)，同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)形式是旋轉(zhuǎn)磁極式。同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與直流電機(jī)和異步電機(jī)相同，都是由定子與轉(zhuǎn)子兩大部分組成。
圖2旋轉(zhuǎn)電樞式同步電機(jī) 圖3旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)
a)隱極式b)凸極式
1.3.1定子
由鐵心、電樞繞組、機(jī)座以及端蓋等結(jié)構(gòu)件組成。
定子鐵心是構(gòu)成磁路的部件，一般采用硅鋼片疊裝而成，以減少磁滯和渦流損耗。定子沖片分段疊裝，每段之間有通風(fēng)槽片，以構(gòu)成徑向通風(fēng)。大型同步電機(jī)由于尺寸太大，硅鋼片常為扇形沖片，然后組裝成圓形。
電樞繞組為三相對稱交流繞組，多為雙層繞組，嵌裝在定子槽內(nèi)。
定子機(jī)座是支承部件，用于安放定子鐵心和電樞繞組，并構(gòu)成所需的通風(fēng)路徑，因此要求它有足夠的剛度和強(qiáng)度。大型同步電機(jī)的機(jī)座都采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)。
端蓋的作用與異步電機(jī)相同，將電機(jī)本體的兩端封蓋起來，并與機(jī)座、定子鐵心和轉(zhuǎn)子一起構(gòu)成電機(jī)內(nèi)部完整的通風(fēng)系統(tǒng)。
1.3.2轉(zhuǎn)子
與異步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同，通常由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)軸、阻尼繞組、勵磁繞組和滑環(huán)等組成。同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種類型，可分為隱極式和凸極式兩種。
隱極式轉(zhuǎn)子如圖3a)所示，轉(zhuǎn)子呈圓柱形，無明顯的磁極。隱極式轉(zhuǎn)子的圓周上開槽，槽中嵌放分布式直流勵磁繞組。隱極式轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度高，故多用于高速同步電機(jī)，例如汽輪發(fā)電機(jī)。在同步電機(jī)運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子由于高速旋轉(zhuǎn)而承受很大的機(jī)械應(yīng)力，所以隱極式轉(zhuǎn)子大多由整塊強(qiáng)度高和導(dǎo)磁性能好的鑄鋼或鍛鋼加工而成。隱極電機(jī)的氣隙是均勻的，圓周上各處的磁阻相同。
凸極式轉(zhuǎn)子如圖3b)所示，結(jié)構(gòu)比較簡單，磁極形狀與直流機(jī)相似，磁極上裝有集中式直流勵磁繞阻。凸極式轉(zhuǎn)子制造方便，容易制成多極，但是機(jī)械強(qiáng)度低，多用于中速或低速的場合，例如水輪發(fā)電機(jī)或者柴油發(fā)電機(jī)。凸極電機(jī)的氣隙是不均勻的，圓周上各處的磁阻各不相同，在轉(zhuǎn)子磁極的幾何中線處氣隙******，磁阻也大。
此外，同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極表面都裝有類似籠型異步電機(jī)轉(zhuǎn)子的短路繞組，由嵌入磁極表面的若干銅條組成，這些銅條的兩端用短路環(huán)聯(lián)結(jié)起來。此繞組在同步發(fā)電機(jī)中起到了抑制轉(zhuǎn)子機(jī)械振蕩的作用，稱為阻尼繞組；在同步電動機(jī)中主要作起動繞組使用，同步運(yùn)行時也起穩(wěn)定作用。
滑環(huán)裝在轉(zhuǎn)子軸上，經(jīng)引線接至勵磁繞組，并借電刷接到勵磁裝置。
2 同步電動機(jī)
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同的交流電動機(jī)。其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與磁極對數(shù)p、電源頻率f之間滿足n=f/p。轉(zhuǎn)速n決定于電源頻率f，故電源頻率一定時，轉(zhuǎn)速不變，且與負(fù)載無關(guān)。具有運(yùn)行穩(wěn)定性高和過載能力大等特點(diǎn)。常用于多機(jī)同步傳動系統(tǒng)、精密調(diào)速穩(wěn)速系統(tǒng)和大型設(shè)備(如軋鋼機(jī))等。屬于交流電機(jī)，定子繞組與異步電動機(jī)相同。它的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與定子繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的速度是一樣的，所以稱為同步電動機(jī)。正由于這樣，同步電動機(jī)的電流在相位上是超前于電壓的，即同步電動機(jī)是一個容性負(fù)載。為此，在很多時候，同步電動機(jī)是用以改進(jìn)供電系統(tǒng)的功率因數(shù)的。
同步電動機(jī)在結(jié)構(gòu)上大致有兩種：
1、轉(zhuǎn)子用直流電進(jìn)行勵磁。它的轉(zhuǎn)子做成凸極式的，安裝在磁極鐵芯上面的磁場線圈是相互串聯(lián)的，接成具有交替相反的極性，并有兩根引線連接到裝在軸上的兩只滑環(huán)上面。磁場線圈是由一只小型直流發(fā)電機(jī)或蓄電池來激勵，在大多數(shù)同步電動機(jī)中，直流發(fā)電機(jī)是裝在電動機(jī)軸上的，用以供應(yīng)轉(zhuǎn)子磁極線圈的勵磁電流。
由于這種同步電動機(jī)不能自動啟動，所以在轉(zhuǎn)子上還裝有鼠籠式繞組而作為電動機(jī)啟動之用。鼠籠繞組放在轉(zhuǎn)子的周圍，結(jié)構(gòu)與異步電動機(jī)相似。
當(dāng)在定子繞組通上三相交流電源時，電動機(jī)內(nèi)就產(chǎn)生了一個旋轉(zhuǎn)磁場，鼠籠繞組切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)起來。電動機(jī)旋轉(zhuǎn)之后，其速度慢慢增高到稍低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，此時轉(zhuǎn)子磁場線圈經(jīng)由直流電來激勵，使轉(zhuǎn)子上面形成一定的磁極，這些磁極就企圖跟蹤定子上的旋轉(zhuǎn)磁極，這樣就增加電動機(jī)轉(zhuǎn)子的速率直至與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)為止。
2、轉(zhuǎn)子不需要勵磁的同步電機(jī)
轉(zhuǎn)子不勵磁的同步電動機(jī)能夠運(yùn)用于單相電源上，也能運(yùn)用于多相電源上。這種電動機(jī)中，有一種的定子繞組與分相電動機(jī)或多相電動機(jī)的定子相似，同時有一個鼠籠轉(zhuǎn)子，而轉(zhuǎn)子的表面切成平面。所以是屬于凸極轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子磁極是由一種磁化鋼做成的，而且能夠經(jīng)常保持磁性。鼠籠繞組是用來產(chǎn)生啟動轉(zhuǎn)矩的，而當(dāng)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)到一定的轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子凸極就跟住定子線圈的電流頻率而達(dá)到同步。凸極的極性是由定子感應(yīng)出來的，因此它的數(shù)目應(yīng)和定子上極數(shù)相等，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)到它應(yīng)有的速度時，鼠籠繞組就失去了作用，維持旋轉(zhuǎn)是靠著轉(zhuǎn)子與磁極跟住定子磁極，使之同步。
3 同步電動機(jī)的起動
3.1同步電動機(jī)為什么不能直接起動？
同步電機(jī)僅在同步轉(zhuǎn)速時才能產(chǎn)生恒定的同步電磁轉(zhuǎn)矩。起動時若把定子直接投入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子加上直流勵磁，則定子旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子磁場靜止不動。定、轉(zhuǎn)子磁場之間具有相對運(yùn)動，所以作用在轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩快速地正、負(fù)交變，平均轉(zhuǎn)矩為零，電機(jī)不能自行起動。因此，要把同步電動機(jī)起動起來，必須借助于其它方法。
3.2同步電動機(jī)的異步起動
多數(shù)同步電動機(jī)都用異步起動法來起動。為此，在電動機(jī)的主極極靴上裝設(shè)起動繞組（相當(dāng)于感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)子上的籠型繞組）。
同步電動機(jī)異步起動時的線路如圖4所示。起動時，先把勵磁繞組接到限流電阻，然后接到三相交流電網(wǎng)。這洋，依靠定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子起動繞組中感應(yīng)電流所產(chǎn)生的異步電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)便能起動起來。待轉(zhuǎn)速上升到接進(jìn)于同步轉(zhuǎn)速時，再將勵磁電流接入勵磁繞組，使轉(zhuǎn)子建立主磁場；此時依靠定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用所產(chǎn)生的同步電磁轉(zhuǎn)矩，再加上凸極效應(yīng)所引起的磁阻轉(zhuǎn)矩，通常便可將轉(zhuǎn)子牽人同步。一般來講，負(fù)載越輕，加人直流勵磁時電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率越小，就越易進(jìn)入同步。
圖4 同步電動機(jī)異步起動時的線路圖 圖5同步電動機(jī)異步起動時的轉(zhuǎn)矩曲線
起動繞組所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩Te(起動)類似于感應(yīng)電動機(jī)的異步電磁轉(zhuǎn)矩，如圖5所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到0.95ns（即轉(zhuǎn)差率＝0.05）時，起動繞組所產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩值稱為牽人轉(zhuǎn)矩。起動時，要求起動轉(zhuǎn)矩Tst大，牽入轉(zhuǎn)矩Tpi也要大。
異步起動時，勵磁繞組不能開路，否則定子旋轉(zhuǎn)磁場會在匝數(shù)較多的勵磁繞組中感應(yīng)出高電壓，易使勵磁繞組擊穿或引起人身事故。但也不能直接短路，否則勵磁繞組（相當(dāng)于一個單相繞組）中的感應(yīng)電流與氣隙磁場相作用，會產(chǎn)生顯著的“單軸轉(zhuǎn)矩”Te(單軸)，使合成電磁轉(zhuǎn)矩Te在0.5ns附近產(chǎn)生明顯的下凹（見圖5），使重載起動時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速停滯在0.5ns附近而不能繼續(xù)上升。為減小單軸轉(zhuǎn)矩，可在勵磁繞組內(nèi)接人一個限流電阻，其阻值約為勵磁繞組本身電阻的5～10倍。
3.2.1同步電動機(jī)異步起動的Simulink仿真
圖6 同步電動機(jī)異步起動的仿真模型
圖7 同步電動機(jī)異步起動的仿真結(jié)果
這個模型演示了一個60kVA 400V 50HZ的同步電動機(jī)的異步起動過程。在這個模型中，勵磁電流（Idf）和增益模塊（R_start）用于實(shí)現(xiàn)勵磁繞組的電阻聯(lián)結(jié)。通過在t =0.1s關(guān)閉斷路器，電機(jī)由空載起動。 開始勵磁繞組連接一個2倍標(biāo)幺值的電阻，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到0.99倍標(biāo)幺值時，“R_start”電阻器從勵磁繞組端斷開，并由額定的勵磁直流電源取代。同時，一秒內(nèi)機(jī)械功率從零增加到50％額定機(jī)械功率（即Pm= -0.5pu）。在大概t=1.3s時，電動機(jī)鎖定在同步轉(zhuǎn)速。
3.3同步電動機(jī)的變頻起動
同步電動機(jī)變頻啟動控制系統(tǒng)是大型同步電動機(jī)的理想啟動設(shè)備，具有起動平穩(wěn)，不存在失步問題，對電網(wǎng)也完全沒有沖擊，可靠性高，具有較好的應(yīng)用前景和較高的研究價(jià)值。這種方法通過改變定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，利用同步轉(zhuǎn)矩來起動。在開始起動時，轉(zhuǎn)子通入直流，然后使變頻電源的頻率從零緩慢上升，逐步增加到額定頻率，使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨著定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速而同步上升，直到額定轉(zhuǎn)速。
3.3.1同步電動機(jī)變頻起動simulink仿真
圖8 同步電動機(jī)變頻起動仿真模型
圖9 同步電動機(jī)變頻起動時的頻率變化曲線
圖10 同步電動機(jī)變頻起動時受控源電壓波形
圖11 同步電動機(jī)變頻起動時的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果
這個模型演示了一個同步電動機(jī)的變頻起動過程。在這個模型中，電機(jī)由受控電壓源供電，頻率按時間的正比變化從零逐漸增加到額定頻率。由于在額定頻率以下，如果電壓一定而只降低頻率，那么氣隙磁通就要過大，造成磁路飽和，嚴(yán)重時燒毀電動機(jī)。因此為了保持氣隙磁通不變，就要求在降低供電頻率的同時降低輸出電壓，保持u/f=常數(shù)，即保持電壓與頻率之比為常數(shù)進(jìn)行控制。這種控制方式為恒壓頻比控制方式，又稱恒磁通控制方式。
從仿真結(jié)果分析，同步電動機(jī)變頻起動時電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線還比較理想。
4 結(jié)論
同步電動機(jī)以其可調(diào)的功率因數(shù)和輸出轉(zhuǎn)矩對電網(wǎng)電壓波動不敏感等良好的運(yùn)行性能,在大功率電氣傳動領(lǐng)域獨(dú)占鰲頭,是驅(qū)動大型風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、高爐鼓風(fēng)機(jī)、短路實(shí)驗(yàn)機(jī)組的優(yōu)選機(jī)型,更是抽水蓄能電站必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。同步電動機(jī)的起動是一個復(fù)雜的過程，除了上述兩種方法外。還可以用輔助電動機(jī)拖動法起動，此時通常選用一臺和同步電動機(jī)極數(shù)相同的小型感應(yīng)電動機(jī)（容量約為主機(jī)的10％－15％）作為輔助電動機(jī)。當(dāng)輔助電機(jī)把主機(jī)拖到接近同步轉(zhuǎn)速時，再用自整步法把主機(jī)投入電網(wǎng)。
由于同步電動機(jī)存在起動困難的缺點(diǎn),使它的應(yīng)用在很大程度上受到了限制。通常采用的異步起動方法,依靠阻尼繞組進(jìn)行起動,對電力系統(tǒng)的擾動將十分嚴(yán)重,一般是不允許的。但是隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,變頻裝置作為同步電動機(jī)的軟起動設(shè)備解決了同步電動機(jī)起動困難的問題,從根本上改變了同步電動機(jī)在調(diào)速領(lǐng)域的應(yīng)用。
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