《電器設備及控制技術》課件項目16

同步電動機

一、能力目標 二、儀器與設備

三、項目要求 （一）三相同步電動機的異步起動 1．按圖16-1接線。其中R的阻值為同步電動機ＭＳ勵磁繞組電阻的10倍（約90Ω），選用90Ω固定電阻。Rf選用225Ω阻值。Rf1選用1800Ω阻值并調至最小。R2選用2250Ω阻值并調至最大。MS為Y接法，額定電壓UN=220V。同步電動機

同步電動機

2．

用導線把功率表電流線圈及交流電流表短接，開關Q閉合于勵磁電源一側（圖16-1中為上端）。 3．將調壓器旋鈕向逆時針方向旋轉至零位。接通電源開關。調節(jié)同步電機勵磁電源調壓旋鈕及Rf阻值，使同步電機勵磁電流If約0.7A左右。 4．把開關Q閉合于R電阻一側（圖16-1中為下端），調節(jié)調壓器旋鈕，使升壓至同步電動機額定電壓220伏，觀察電機旋轉方向，若不符合則應調整相序使電機旋轉方向符合要求。同步電動機

5．當轉速接近同步轉速1500r/min時，把開關Q迅速從下端切換到上端讓同步電動機勵磁繞組加直流勵磁而強制拉入同步運行，異步起動同步電動機的整個起動過程完畢。 6．把功率表、交流電流表短接線拆掉，使儀表正常工作。 （二）測取三相同步電動機輸出功率P2≈0時的V形曲線 1．同步電動機空載（軸端不連接直流測功機）按上述方法起動同步電動機。同步電動機

2．調節(jié)同步電動機的勵磁電流If并使If增加，這時同步電動機的定子三相電流I亦隨之增加直至達額定值，記錄定子三相電流I和相應的勵磁電流If、輸入功率P1。 3．調節(jié)If使If逐漸減小，這時I亦隨之減小直至最小值，記錄這時MS的定子三相電流I、勵磁電流If及輸入功率P1。 4．繼續(xù)減小同步電動機的磁勵電流If，直到同步電動機的定子三相電流反而增大達額定值。 5．在這過勵和欠勵范圍內讀取數(shù)據(jù)9～11組，并記錄。同步電動機

（三）測取三相同步電動機輸出功率P2≈0.5倍額定功率時的V形曲線。 1．同軸連接直流測功機MG（按他勵發(fā)電機接線）作MS的負載。 2．按1方法起動同步電動機，保持直流測功機的勵磁電流為規(guī)定值（50mA或100mA），改變直流測功機負載電阻R2的大小，使同步電動機輸出功率P2改變。直至同步電動機輸出功率接近于0.5倍額定功率且保持不變。同步電動機

輸出功率按下式計算：

P2=0.105nT2

式中n——電機轉速，r/min；

T2——由直流測功機負載電流IF查對應轉矩，N·m 3．調節(jié)同步電動機的勵磁電流If使If增加，這時同步電動機的定子三相電流I亦隨之增加，直到同步電動機達額定電流，記錄定子三相電流I和相應的勵磁電流If、輸入功率P1。同步電動機

4．調節(jié)If使If逐漸減小，這時I亦隨之減小直至最小值，記錄這時的定子三相電流I、勵磁電流If、輸入功率P1。 5．繼續(xù)調小If，這時同步電動機的定子電流I反而增大直到額定值

。 6．在過勵和欠勵范圍內讀取數(shù)據(jù)9～11組并記錄。 （四）測取三相同步電動機的工作特性 1．按1方法起動同步電動機。 2．調節(jié)直流發(fā)電機的勵磁電流為規(guī)定值并保持不變。同步電動機

3．調節(jié)直流發(fā)電機的負載電流IF，同時調節(jié)同步電動機的勵磁電流If使同步電動機輸出功率P2達額定值及功率因數(shù)為1。 4．保持此時同步電動機的勵磁電流If恒定不變，逐漸減小直流電機的負載電流，使同步電動機輸出功率逐漸減小直至為零，讀取定子電流I、輸入功率P1、輸出轉矩T2、轉速n。共取數(shù)據(jù)6～7組并記錄。同步電動機

四、三相同步電動機的構造及工作原理 在交流電機中，如果三相電機的轉子轉速n恒等于同步轉速ns。 這種電機就稱為同步電機。同步電動機的負載改變時，只要電源頻率不變，轉速就不變。同步電機可以分為同步發(fā)電機、同步電動機和同步補償機三大類。三相同步發(fā)電機的主要用途是發(fā)電，三相同步發(fā)電機是現(xiàn)代發(fā)電廠（站）的主體設備；用作電動機時，因為它的結構比異步電動機復雜，沒有起動轉矩，以及不能調速，應用范圍受到限制，但是它具有改善電網(wǎng)的功率因數(shù)、轉速穩(wěn)定、過載能力強等優(yōu)點，常用于不需調速的大型設備上。同步電動機

（一）同步發(fā)電機的結構 同步發(fā)電機、同步電動機和同步補償機的基本結構完全一樣，都是由定子和轉子兩大部分組成。 1．定子 同步電機定子與異步電機定子結構基本相同，也是由鐵心、定子繞組、機座和端蓋等部分組成。鐵心一般用厚0.５mm的硅鋼片疊成，鐵心上嵌有三相繞組，繞組的排列和接法與三相異步電動機的定子繞組相同。大型高壓同步電機定子繞組絕緣性能要求較高，常用云母絕緣。機座和端蓋的作用也與異步電機相同，主要起支撐和固定作用。同步電動機

2．轉子 同步發(fā)電機有旋轉磁極式和旋轉電樞式兩種。一般同步發(fā)電機都做成旋轉磁極式的，并廣泛應用于大、中型同步電機中，已成為同步電機的基本結構形式；另一種是旋轉電樞式，這種形式用得較少。 在旋轉磁極式同步電機中，按照磁極的形狀又可分為隱極式轉子和凸極式轉子兩種。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，如圖16-2所示，它常用作高速旋轉的汽輪發(fā)電機的轉子。同步電動機

同步電動機

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，水輪發(fā)電機等轉速較低的同步電機一般都采用凸極式的轉子。由于轉速低，轉子磁極對數(shù)多，因此要增大直徑，轉子的長度相對比較短。凸極式的轉子在運行時轉速低，部件承受的離心力比較小，因此可用1～1.5mm厚的鋼片沖制后疊成，也可用整塊鑄鋼或鍛鋼做成，如圖16-3所示。同步電動機

同步電動機

（二）三相同步發(fā)電機的工作原理 同步發(fā)電機的作用是把機械能轉變成電能。圖16-4（a）所示是具有兩個磁極的凸極式同步發(fā)電機，它的定子和三相異步電動機一樣對稱地安放著三相繞組，轉子則是由磁極鐵心和套在磁極上的勵磁繞組構成，勵磁繞組中通入直流電流后，就會在氣隙中產(chǎn)生一個恒定的主極磁場，若用原動機拖動發(fā)電機轉子以同步轉速旋轉，主磁極產(chǎn)生的恒定主極磁場隨著轉子的轉動形成一個旋轉磁場，在定子繞組中就會感應出交變正弦電動勢。同步電動機

同步電動機

同步發(fā)電機的定子繞組中就產(chǎn)生了如圖16-4（b）所示的三相對稱電動勢，若在定子繞組上接上負載，則同步發(fā)電機就會向負載輸出三相交流電流。三相電動勢的頻率由發(fā)電機的磁極數(shù)和轉速決定，電動勢的頻率f為 我國國家標準規(guī)定工業(yè)交流電的頻率為50Hz，汽輪發(fā)電機在高轉速下運行比較經(jīng)濟，轉速一般為或，發(fā)電機對應為一對磁極或為兩對磁極。相反，水輪發(fā)電機為低速發(fā)電機，它的轉子磁極對數(shù)較多，如時，發(fā)電機磁極對數(shù)有30對。同步電動機

（三）同步電動機的工作原理

同步電動機定子三相繞組接入三相電網(wǎng)后，定子三相對稱繞組中流過三相對稱電流，產(chǎn)生三相旋轉磁場，轉子勵磁繞組接入直流勵磁電流后產(chǎn)生大小和極性都不變的恒定磁場，旋轉磁場的磁極對轉子異性磁極的磁拉力牽引轉子與旋轉磁場同速旋轉，這就是同步電動機的簡單工作原理。由于轉子轉速與旋轉磁場轉速相同，所以這兩個磁場在空間上的位置是相互固定的，因此它們之間的作用也是固定的。故稱同步電動機。同步電動機

電動機運行時，定子磁場拖動轉子磁場旋轉，兩個磁場之間存在著一個固定的力矩，這個力矩的存在是有條件的，必須兩者的轉速要相等，即同步才行，所以這個力矩也稱為同步力矩。一旦兩者的速度不相等，則同步力矩就不存在了，電機就會慢慢停下來，這種轉子速度與定子磁場不同步，而造成同步力矩消失，轉子慢慢停下來的現(xiàn)象，稱為“失步現(xiàn)象”。發(fā)生失步現(xiàn)象時，定子電流迅速上升，這時應盡快切斷電源，以免損壞電動機。同步電動機

（四）同步電動機的V形曲線 根據(jù)實驗測取三相同步電動機的V形曲線的數(shù)據(jù)，可得到當改變勵磁電流時電動機定子電流變化情況，如圖16-5所示V形曲線，從圖中看出，三種勵磁電流情況下，只有正常勵磁時，定子電流為最小，過勵或欠勵時，定子電流都會增大。把定子電流I的大小與勵磁電流If大小的關系，用曲線表示。圖中定子電流變化規(guī)律像V字形，故稱V形曲線。同步電動機

同步電動機

當電動機帶有不同的負載時，對應有一組V型曲線，如圖16-5所示。輸出功率越大，在相同的勵磁電流條件下，定子電流增大，所得V形曲線往右上方移。圖16-5中各條V形曲線對應的功率為 。 對每條V形曲線，定子電流有一最小值，這時定子僅從電網(wǎng)吸收有功功率，功率因數(shù) 。把這些點連起來，稱為的線 。它微微向右傾斜，說明輸出為純有功功率時，輸出功率增大的同時，必須相應地增加一些勵磁電流。 線的左邊是欠勵區(qū)，右邊是過勵區(qū)。同步電動機

對同步電動機功率因數(shù)可調的原因不妨簡單地這樣理解；同步電動機的磁場由定子邊電樞反應磁通勢和轉子邊勵磁磁通勢共同建立的，因此，①轉子邊欠勵時，定子邊需要從電源輸入落后的無功功率建立磁場，定子邊便呈落后性功率因數(shù)。②轉子邊正常勵磁，不需要定子邊提供無功功率，定子邊便呈純電阻性， 。⑧轉子邊過勵時，定子邊反而要吸收領先性無功功率或者說從電源送入領先性的無功功率，定子邊便呈領先性的功率因數(shù)。所以同步電動機功率因數(shù)呈電感性（落后）還是呈電阻性還是呈電容性（領先），完全可以人為地調節(jié)勵磁電流改變勵磁磁通勢大小來實現(xiàn)。同步電動機

（五）同步電動機的啟動 同步電動機的啟動方法有：輔助電動機啟動法、調頻啟動法和異步啟動法。最常用的是異步啟動法。 異步啟動法的啟動過程分為兩大步：第一步是給三相定子繞組通人三相正弦交流電進行異步啟動。為了防止剛啟動時轉子繞組感應高電壓擊穿絕緣，故啟動前轉子勵磁繞組要求接一個約10倍于勵磁繞組電阻的放電電阻進行短接。第二步是當轉速升到同步轉速的95％以上時，將直流電壓加入轉子勵磁繞組并切除放電電阻，將電動機牽人同步運轉。同步電動機

同步電動機異步啟動時，同步電動機的勵磁繞組切忌開路。因為剛啟動時，定子旋轉磁場相對于轉子的轉速很大，而勵磁繞組的匝數(shù)又很多，因此會在勵磁繞組中感應出很高的電動勢，可能會破壞勵磁繞組的絕緣，造成人身和設備的