新同步電機勵磁系統(tǒng)

同步電機勵磁系統(tǒng)知識培訓(xùn)永濟電機高級技工學校

趙彩賢第一部分：電機概述

一、電機的定義與性質(zhì)1、定義電機俗稱“馬達”是指依靠電磁感應(yīng)作用而運行的電磁機械，用于機械能和電能之間的轉(zhuǎn)換或者不同形式電能之間的變換。

2、性質(zhì)任何一種電機的輸入和輸出能量中，至少有一方為電能或者雙方都是電能。電機本身不是能源，而只是轉(zhuǎn)換或者傳遞能量的機械裝置。2、電機的性質(zhì)要從電機輸出能量，必須先給電機輸入能量，其能量轉(zhuǎn)換與傳遞過程遵從能量守恒定律。電機是以電磁感應(yīng)為基本作用原理來運行的。利用其他原理（光電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、化學效應(yīng)等等）產(chǎn)生電能的裝置通常不包括在電機的范圍內(nèi)。二、電機在國民經(jīng)濟中的作用電能是現(xiàn)代社會最主要的能源，并對人類文明的發(fā)展起到了重要的推動作用。電機是和電能的生產(chǎn)、輸送和利用密切相關(guān)的能量轉(zhuǎn)換機械。電機不僅是國民經(jīng)濟各行業(yè)中的重要或關(guān)鍵設(shè)備，而且在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用也越來越廣泛。電磁直流電動機永磁直流電動機無刷直流電動機電動機直流電動機交流電動機有刷直流電動機單相電動機三相電動機稀土永磁直流電動機鐵氧體永磁直流電動機鋁鎳鈷永磁直流電動機串勵直流電動機并勵直流電動機他勵直流電動機復(fù)勵直流電動機1、按工作電源種類劃分

三、工業(yè)中常用電機的主要類型電動機直流電動機同步電動機異步電動機磁滯同步電動機永磁同步電動機磁阻同步電動機感應(yīng)電動機交流換向器電動機三相異步電動機單相異步電動機罩極異步電動機2、按結(jié)構(gòu)和工作原理劃分推斥電動機單相串勵電動機交直流兩用電動機3.按起動與運行方式劃分電動機電容起動式單相異步電動機電容運轉(zhuǎn)式單相異步電動機電容起動運轉(zhuǎn)式單相異步電動機分相式單相異步電動機電動機鼠籠型異步電動機繞線型異步電動機4、按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)劃分5.按用途劃分電動機驅(qū)動用電動機控制用電動機電動工具用電動機家電用電動機通用小型機械設(shè)備用電動機

步進電動機伺服電動機電動機低速電動機高速電動機恒速電動機調(diào)速電動機齒輪減速電動機電磁減速電動機力矩電動機爪極同步電動機有級恒速電動機無級恒速電動機有級變速電動機無級變速電動機電磁調(diào)速電動機直流調(diào)速電動機PWM變頻調(diào)速電動機開關(guān)磁阻調(diào)速電動機6、按運轉(zhuǎn)速度劃分四、“異步電機”與“同步電機”的概念異步電機電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速并與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向相同。同步電機電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速相同并與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向相同。

第二部分：異步電機一、異步電機的特點異步電機主要作為電動機運行。異步電動機是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、乃至日常生活和醫(yī)療器械中應(yīng)用最廣泛的一種電動機。優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、運行可靠、效率較高、成本較低和堅固耐用等。缺點不能在較大范圍內(nèi)比較經(jīng)濟地獲得好的調(diào)速特性；需要從電網(wǎng)吸收滯后的勵磁電流，從而使電網(wǎng)的功率因數(shù)降低。二、異步電動機的結(jié)構(gòu)罩殼機座接線盒端蓋軸承蓋吊環(huán)端蓋接線盒轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸定子鐵芯定子繞組風扇罩殼三相異步電動機的結(jié)構(gòu)馬蹄形磁鐵銅框—籠型轉(zhuǎn)子通電后，磁針轉(zhuǎn)動1．旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生三、異步電動機的工作原理1、旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生三相對稱的定子繞組中通入對稱的三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。U1V2W1V1W2(?)電流出()電流入U22．三相異步電動機的轉(zhuǎn)動原理同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流旋轉(zhuǎn)磁場定子繞組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(1)、電生磁：三相對稱繞組通往三相對稱電流產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。(2)、動磁生電：旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體感應(yīng)電動勢和電流。(3)、電磁力：轉(zhuǎn)子載流（有功分量電流）體在磁場作用下受電磁力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機械能。四、異步電動機的銘牌型號及聯(lián)接方式

1、三相異步電動機的銘牌

額定功率PN

→轉(zhuǎn)子軸上輸出的機械功率PN=3kW額定電壓UNUN=380V→定子三相繞組應(yīng)施加的線電壓

額定電流ININ=7.2A→定子三相繞組的額定線電流聯(lián)結(jié)方式通常三相異步電動機3kW以下者，聯(lián)結(jié)成星形，4kW以上者，聯(lián)結(jié)成三角形。額定轉(zhuǎn)速nN電機在額定電壓、額定負載下運行時的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。額定功率因數(shù)cosN額定負載時一般為0.7-0.9，空載時功率因數(shù)很低約為0.2-0.3。額定負載時，功率因數(shù)最大。實用中應(yīng)選擇合適容量的電機，防止“大馬”拉“小車”的現(xiàn)象。絕緣等級B指電機絕緣材料能夠承受的極限溫度等級，共分7級：ＹＡＥＢＦＨＣ2、定子繞組星形接法與三角形接法4kW以下電機多采用星形接法4kW以上電機多采用三角形接法第三部分：同步電機一、同步電機的特點1、同步電機主要作為發(fā)電機運行。目前我國的交流電能，幾乎全是同步發(fā)電機產(chǎn)生的。2、同步電機也可用作電動機，主要用于不需要調(diào)速的大功率負荷的電力拖動中。3、同步電機的另一個用途是專門向電網(wǎng)提供感性或容性無功功率，即為補償機用。4、不管是同步電機作為發(fā)電機用還是電動機用，區(qū)別于異步機的一個重要特點是：它的轉(zhuǎn)速始終與電勢頻率保持嚴格的關(guān)系，即同步電機的轉(zhuǎn)速始終等于同步轉(zhuǎn)速。

二、同步電機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)1、同步電機的基本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功率繞組，成為感應(yīng)電勢或者感應(yīng)電流的載體。切割運動：原動機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機輸入機械能），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。同步電機的基本工作原理（1）、同步發(fā)電機定子 鐵芯 電樞繞組(交流)轉(zhuǎn)子 鐵芯 勵磁繞組(直流)原動機拖動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子磁場切割定子繞組感應(yīng)三相交流電勢轉(zhuǎn)子加直流勵磁同步電機的基本工作原理（2）、同步電動機定子：三相繞組通入三相交流電→產(chǎn)生氣隙旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)子：磁極的勵磁繞組通入直流電產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場定子、轉(zhuǎn)子相互吸引，轉(zhuǎn)子跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)可見：無論是同步發(fā)電機還是同步電動機，恒有：2、同步電機的組成：定子、(氣隙)、轉(zhuǎn)子NSNS+AABCCB氣隙轉(zhuǎn)子磁極鐵芯轉(zhuǎn)子勵磁繞組集電環(huán)（滑環(huán)）轉(zhuǎn)子定子鐵芯定子繞組電刷定子同步電機主要部件拆分圖勵磁系統(tǒng)—為同步電機提供勵磁電流(直流)的整個系統(tǒng)1、勵磁系統(tǒng)應(yīng)滿足的條件:能穩(wěn)定提供發(fā)電機從空載到滿載(及過載)所需的If當電網(wǎng)電壓減小時,能快速強行勵磁,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性.發(fā)電機突然甩負荷時能快速減磁，限制電壓過高當電機內(nèi)部發(fā)生短路故障時,能快速滅磁.運行可靠,維護方便,簡單,經(jīng)濟.多臺并聯(lián)運行時，能夠成組配合調(diào)節(jié)無功功率.直流勵磁機勵磁系統(tǒng)交流勵磁機整流勵磁系統(tǒng)靜止整流勵磁旋轉(zhuǎn)整流勵磁2、勵磁系統(tǒng)分類三、同步電機的勵磁系統(tǒng)

直流勵磁機與同步發(fā)電機同軸最常用直流并勵發(fā)電機;也有采用它勵直流發(fā)電機一般帶有自動電壓調(diào)節(jié)器（1）直流勵磁機勵磁系統(tǒng)注：紅色為轉(zhuǎn)動部件（2）交流勵磁機整流勵磁系統(tǒng)1）靜止整流勵磁系統(tǒng)(他勵)交流勵磁機與整流裝置相配合又可分為靜止整流勵磁和旋轉(zhuǎn)整流勵磁無電刷和集電環(huán)，系統(tǒng)運行可靠，勵磁容量高2）旋轉(zhuǎn)整流勵磁系統(tǒng)(無刷勵磁系統(tǒng))主勵磁機采用旋轉(zhuǎn)電樞式三相同步發(fā)電機無電刷和集電環(huán)，運行可靠，適用于防燃防爆場合但滅磁時間常數(shù)大，轉(zhuǎn)子繞組保護困難四、同步電動機從電網(wǎng)吸收電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌麢C械動力的同步電機，稱為同步電動機。同步電動機是一種定子繞組用三相交流電勵磁以建立旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子繞組用直流電流勵磁以建立轉(zhuǎn)子磁場，這樣雙邊勵磁的交流電動機。其工作實質(zhì)是定子的旋轉(zhuǎn)磁場以磁拉力拖著轉(zhuǎn)子磁場一同旋轉(zhuǎn)。它們之間沒有相對運動，所以稱“同步”(相對異步而言)。同步電動機的功率因數(shù)，可通過調(diào)節(jié)勵磁電流進行調(diào)節(jié)。它不但可把功率因數(shù)調(diào)節(jié)到1，還可以調(diào)節(jié)到超前，對改善電網(wǎng)的功率因數(shù)有重要意義。同步電動機轉(zhuǎn)速為恒定值，不受負載變動的影響。功率范圍一般在250KW到1萬KW以上，電壓有3kV、6kV和10kV幾種，轉(zhuǎn)速范圍從100r／min到3000r／min。一般用于不調(diào)速(或恒速)機械。1.同步電動機功率因數(shù)的調(diào)節(jié)同步電動機的有功功率取決于負載。而同步電動機的功率因數(shù)是超前還是滯后，取決于電動機勵磁狀態(tài)。若在調(diào)節(jié)無功功率時，假定電動機的有功功率不變（電動機的負載不變），于是：1）當I與U同相，φ＝0，即cosφ=1.0。此時電動機的無功功率為零，此時的電樞電流為最小值，所對應(yīng)的勵磁電流我們叫做正常勵磁電流。DABC

2）增加勵磁電流，則空載電動勢E0相應(yīng)增加，電樞電流由I1,I2,電動勢變化到E02，此時整個系統(tǒng)出現(xiàn)了無功電流，并且是超前，即此時電動機將吸收超前的無功功率，整個狀態(tài)我們稱之為過勵。DABC3）減小勵磁電流，則電動勢亦減小（在正常勵磁電流對應(yīng)的情況下）此時電流滯后電壓，即吸收一滯后的無功功率，整個狀態(tài)我們稱之為欠勵。

對于電動機無功功率的調(diào)節(jié)，可以通過對勵磁電流的調(diào)節(jié)實現(xiàn)。。DABC2、同步電動機的V型曲線將不同勵磁電流及與其對應(yīng)的電樞電流畫成曲線，此曲線稱V形曲線，曲線的最低點對應(yīng)的cosφ=1.0，電樞電流最小，此時的勵磁電流為正常勵磁電流，如果增大則進入過勵，吸收容性無功（輸出感性無功）；反之為欠勵，吸收感性無功（輸出容性無功）

。DABC同步電動機的V形曲線正常勵磁滯后欠勵超前過勵不穩(wěn)定區(qū)'emP"emP"'emP'emP"emP"'emP'emP"emP"'emPIfI0If0同步電動機在過勵時，能夠從電網(wǎng)吸入超前電流?？梢允构╇娤到y(tǒng)的功率因數(shù)提高。同步電動機能夠改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，這是同步電動機突出的優(yōu)點。3、同步電動機的起動方法

同步電動機本身是沒有起動轉(zhuǎn)矩的，所以通電以后，轉(zhuǎn)子不能自行起動。

轉(zhuǎn)子繞組加入直流勵磁以后，在氣隙中生成靜止的轉(zhuǎn)子磁場。當在定子繞組中能入三相交流電以后，在氣隙中則產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。定、轉(zhuǎn)子磁場之間存在有相對運動，轉(zhuǎn)子上的平均轉(zhuǎn)矩為零，所以同步電動機不產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩。

同步電機起動方法有：（1）在轉(zhuǎn)子上加籠型起動繞組法，即異步啟動法。（2）采用輔助起動法，即用異步電動機或其他動力機械將同步電動機帶到其亞同步速后再接通電源。（3）采用調(diào)頻起動法，使電動機轉(zhuǎn)速始終等于同步速。（1）異步起動法

在設(shè)計和制造同步電動機時，在轉(zhuǎn)子磁極的圓周表面上加裝一套阻尼繞組作為起動繞組。

繞組的形式與籠型異步電動機一樣，在轉(zhuǎn)子磁極表面的槽內(nèi)嵌入銅條，兩端用端環(huán)把銅條短接，構(gòu)成籠型起動繞組，如下圖所示。這種在轉(zhuǎn)子上加籠型起動繞組的方法稱為異步起動法。

啟動原理與過程：

在起動前，先將勵磁繞組經(jīng)過電阻(附加電阻RM)短接，如下圖所示。這樣可防止剛開始轉(zhuǎn)動時，勵磁繞組切割磁力線而產(chǎn)生很大的電動勢，從而避免對人或設(shè)備造成危害。

然后，接通三相電源，定子與籠型起動繞組組成一臺異步電動機，靠這種轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子加速。

當轉(zhuǎn)速增至空載轉(zhuǎn)速時，即達到所說的亞同步速，就可給轉(zhuǎn)子磁極通入勵磁電流。旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子磁場作用力矩的頻率很小，方向幾乎不變。這時靠同步速度的旋轉(zhuǎn)磁場就可以把轉(zhuǎn)子拉到同步轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)子達到同步轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)子籠型導(dǎo)條與旋轉(zhuǎn)磁場之間沒有相對轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子起動繞組中也就沒有感應(yīng)電流了，此時起動繞組就完成了起動任務(wù)。另外，如果電動機容量較大，起動時定子繞組中的電流會很大，為了限制起動電流，應(yīng)該采用恰當?shù)钠饎臃椒ǎ缃祲浩饎臃ǖ取?/p>

（2）輔助起動法

如果同步電動機中沒有設(shè)起動繞組，可以用輔助起動法解決起動問題。就是用一臺異步電動機或其它動力機械(如柴油機等)，把轉(zhuǎn)子加速到接近同步轉(zhuǎn)速時脫開，再通入定子電流及勵磁電流，就可以使電動機進入同步運行。

具體做法是輔助電動機通常采用和同步電動機相同磁極對數(shù)的異步電動機，且容量為主機容量的5％～15％。起動時，先由輔助電動機將主機拖到接近同步轉(zhuǎn)速，再用自同步法將其投入電網(wǎng)，然后切斷輔助電動機電源。

注：輔助電動機也可以采用比同步電動機少一對磁極的異步電動機。異步機起動后，異步電動機的同步轉(zhuǎn)速高于主機的同步轉(zhuǎn)速。待將主機拖到高于主機同步轉(zhuǎn)速后，再切斷輔助電動機電源，使轉(zhuǎn)速下降，當轉(zhuǎn)速降到等于主機同步轉(zhuǎn)速時，立即將主機投入電網(wǎng)。這樣可得到較大的整步轉(zhuǎn)矩。

另外，還可以用和主機同軸的直流勵磁機兼作輔助電動機，即把直流勵磁機先當直流電動機使用，將同步電動機拖到接近同步轉(zhuǎn)速，用自同步法將其投入電網(wǎng)后，再斷開直流電源，當然，在起動過程中，主機勵磁電流要由直流電網(wǎng)供電。

（3）調(diào)頻起動法

調(diào)頻起動法需要一個能夠把電源頻率從零逐步調(diào)節(jié)到額定頻率的變頻電源。這樣，可把旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速從零調(diào)到額定同步轉(zhuǎn)速。在起動的整個過程中，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速始終與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速同步。此法的主要不足是需要一個變頻電源，并且勵磁機不能和主機同軸，因為一開始就需要對勵磁繞組通入所需要的勵磁電流，如果同軸，勵磁機在最初轉(zhuǎn)速很低時，無法產(chǎn)生所需要的勵磁電壓。4、同步電動機的無刷勵磁

同步電動機具有過載能力強、功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)速不變以及轉(zhuǎn)矩受電源電壓影響較小等優(yōu)點，尤其是應(yīng)用無刷勵磁技術(shù)的同步電動機取消了滑環(huán)，無火花產(chǎn)生和簡化了操作及維護程序，廣泛應(yīng)用在石油、化工等易然易爆的場所，無刷勵磁已成為今天同步電動機主要的勵磁方式。

（1）無刷交流勵磁機的設(shè)計特點

無刷勵磁所用交流勵磁機為靜止磁場，旋轉(zhuǎn)電樞型式的多極同步發(fā)電機，其負載特性隨同步電動機所帶負荷的大小而變化。因此設(shè)計時要按同步電動機的最大勵磁進行。交流勵磁機應(yīng)有線性的工作特性、磁路工作點設(shè)計在非飽和區(qū)，并能滿足系統(tǒng)的強勵倍數(shù)要求。

交流勵磁機的負載為旋轉(zhuǎn)整流橋，其電樞電感阻止整流電路中電流的變化，使得換相不能瞬時完成，形成重疊角。在此期間，交流勵磁機處于兩相短路狀態(tài)，因此，交流勵磁機設(shè)計時為了減小換相壓降，須限制換向電抗在0.15~0.2之間，換相重疊角為30~40°。一般說來，改善無刷同步電動機勵磁系統(tǒng)的動態(tài)特性，應(yīng)當減小交流勵磁機這一級的時間常數(shù)，最有效的設(shè)計途徑是提高交流勵磁機的頻率和極對數(shù)。工程設(shè)計時，也要遵循整個機組結(jié)構(gòu)上的影響和約束，系列化的交流勵磁機設(shè)計往往需要反復(fù)校驗才能夠完成。

（2）同步電動機無刷勵磁線路無刷勵磁線路中的快速熔斷器有以下作用：保護回路中的整流元件。保護交流勵磁機。