同步电机基本知识

第一章 基本知识

1.1同步电动机起动方式

同步电动机起动方式主要有异步起动和变频起动。变频起动需一套专用调频电源，技术复杂且设备成本高，主要用于负载及转动惯量都很大的大容量高速同步电动机，国内钢厂有几套进口变频起动装置，其它行业一般不使用。异步起动是同步电动机常用的起动方式，视供用电系统容量采用全压起动或降压起动，降压起动分为电抗器降压和自耦变压器降压。

图1-1 电抗器降压起动 图1-2自耦变压器降压起动

1.1.1电抗器降压起动

图1-1为采用电抗器降压起动主接线及投全压开关合闸控制回路示意图。电抗器降压时施加于电机端电压电流降低的同时起动力矩相应降低较大，适用于系统容量小不允许直接全压起动且对起动力矩要求不高的机组，如供电系统容量小但又要求起动力矩大的场合，需采用自耦变压器降压起动。电抗器降压起动时，合1DL，机组转速加速至投全压滑差时（约0.9Ne），励磁装置投全压继电器JQY动作，控制2DL合闸，将母线电压直接施加于电机定子。 1.1.2自耦变压器降压起动

图1-2示自耦变压器降压起动主接线及控制回路，两者都较电抗器降压起动复杂。励磁装置投全压继电器JQY需控制2DL跳闸及3DL合闸，操作顺序为1DL合闸---2DL合闸---JQY动作跳2DL，合3DL。

不论全压起动还是降压起动，机组起动时间长短与起动时机端电压及负载等有关，从励磁装置读写控制器上读出的机组各次起动时间有些差异属正常。

1.2同步电动机无功调节特性

同步电动机正常运行时需从电网吸收有功，吸收有功功率大小取决于所带负载及电机本身有功损耗。同步电动机无功决定于励磁装置输出励磁电流，过励（超前）运行时，同步电动机向电网发无功；欠励（滞后）运行时，从电网吸收无功；正常励磁运行时，既不发无功，又不吸收无功，对应功率因数COSΦ＝1。同步电动机V形曲线是指电机定子电流I和励磁电流If的关系曲线，见图1-3。

同步电动机V形曲线图表明， 功 率因数为1运行时，定子电流最小，在此基础上增/减磁，定子电流都将增加，增磁时功率因数超前运行，减磁时 功率因数滞后运行。利用同步电动机V 形曲励磁装置投闭环之前，可以检

图1-3 同步电动机V形曲线 查接入励磁装置用于测取功率因数的PT及CT外部接

线是否正确。

利用同步电动机的无功调节特性，工业现场实际运行时，同步电动机工作在超前状态，可以就地补偿异步电机所需无功。

1.3同步电动机运行稳定性

同步电动机正常运行时，由从电网吸收的电磁功率Pem与负载功率Pf维持动态平衡，电网电压及负载在正常波动范围内时，同步电动机都不会滑出同步而失步，这由其功角特性决定，如图1-4所示。 功角特性：

E×U

Pem＝ sinδ

XdΣ

E－励磁电势 U－母线电压 XdΣ－总电抗

图1-4 功角特性曲线 δ－功角

负载突增而电压不变时，负载功率P往上移，如无闭环调节，电磁功率曲线Pem不变，

运行功角δ增大，δ≥90°时，电机将失去同步；有闭环调节时，曲线Pem同时上移，运行功角δ保持相对恒定，电机稳定性增加。 电压突降而负载不变时，如无闭环调节，因励磁装置380V励磁电源（取自电机同段母线）同时下降，励磁电势E近似与电压成正比下降，故电磁功率曲线Pem近似与机端电压Ud平方成正比下降，运行功角δ增大,电机稳定裕度大大减小；如采用闭环调节，Ud下降 的同时励磁电势E加大，Pem基本不变，电机稳定性增加。

1. 4同步电动机的失步危害及措施

同步电动机在正常运行时，其转速与电网频率严格对应（n＝60f/p），转子磁场和定子旋转磁场严格同步，这种严格的对应和同步关系是以转轴上转矩平衡为基础的。来自电网、负载等多种扰动一旦破坏转矩平衡关系，依靠电机的一定调节能力，以功角δ相应变化自动地调节电磁转矩大小，以抵消各种扰动引起的不平衡，使转轴上的转矩关系处于动态平衡。电机的这种调节能力有一定限度，当扰动超过一定限度时，就会导致电机失步。

按失步原因及性质不同，可分为三种类型：即带励失步、失磁失步和断电失步。带励失步一般由相邻出线端头短路故障、附近大型机组起动或自起动引起母线电压较长时间较大幅度的降低，电动机所带负载的大幅度增加以及起动过程中励磁系统过早投励等原因所引起。带励失步对电动机所造成的危害主要是脉振转矩较长时间的反复作用，使电动机在绕组的端部和端部绑线、转子线圈的接头处、电动机轴和联轴器等部位承受正负交变的扭矩，影响机械强度和使用寿命，甚至造成设备的损坏。由于振荡转矩按转差频率脉振，电动机的电流、电压、功率等物理量会强烈振荡，在一定条件下可能引起电气和机械共振，导致事故扩大。 失磁失步因转子绕组匝间短路，励磁电源短暂中断、励磁系统设备故障等引起。同步电动机失磁异步运行时，由于定子过电流不大，约1.2倍额定电流，电动机出力不减，运行无异常声音和振动，不易被值班人员发现，导致长时间失磁运行，引起转子绕组尤其是阻尼绕组的过热、开焊、甚至烧毁。

断电失步是由于供电系统故障及人为切换电源引起，如输电线路的自动重合闸动作、备用电源自动投入等；由于电源中断后重新投入的瞬间，电网电压矢量与机端感应电压矢量的相位关系存在随机性，两矢量相位差在180°时对电机冲击最大。断电失步对电机主要危害在于电源重新恢复瞬间使电机遭受巨大的冲击电流和冲击转矩。

电机出现失步后，转子回路的物理量能反映出来，因此励磁装置应设有完备的失步检测环节，一旦检测出失步应根据情况分类处理，因电机本身故障引起的失步应跳闸停机，对非电机本身引起的失步，如外部条件许可，则应实施自动再整步。同步电动机自动再整步即在检测到失步后熄灭转子磁场，将电机暂时转入异步运行，在适当滑差时重新投入励磁将电机牵入同步运行。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/vv4v.html