關(guān)于同步電動機的電力拖動問題分析

羊文玉

摘 要：同步電動機只有在轉(zhuǎn)速等于同步速度時才能產(chǎn)生恒定不變的同步電磁轉(zhuǎn)矩，而只有在穩(wěn)定運行狀態(tài)下，才能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速相同，因此其啟動方法尤為重要。文章分析了同步電動機的起動問題和同步電動機的變頻調(diào)速問題，以提高其機械性能，確保其穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：同步電動機；電力拖動；變頻調(diào)速；功率因數(shù)補償

在同步電動機使用過程中，其穩(wěn)定性的控制是關(guān)鍵。而電力拖動是影響其穩(wěn)定性的主要因素，如何實現(xiàn)同步電動機的轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速相同是本文討論的重點。

一、同步電動機的起動

正常運行狀態(tài)下的同步電動機，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持不變，確保定子與轉(zhuǎn)子磁場因電磁作用所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場處于相對靜止狀態(tài)，從而使其產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩。因此同步電動機可以帶動負載在同步速度下穩(wěn)定運行。但由于能夠處于穩(wěn)定狀態(tài)，直接起動將影響其機械性能。由于其使用電源為50Hz交流電源，加大了其起動難度。同時，三相定子繞組連接三相對稱電源后，如定子磁場N極與轉(zhuǎn)子磁極的S極接觸，雖受到異性磁極的吸引，但由于轉(zhuǎn)子自身的慣性較大，并不能使靜止的轉(zhuǎn)子發(fā)生轉(zhuǎn)動。如此狀態(tài)循環(huán)下，轉(zhuǎn)子無法運轉(zhuǎn)而只能在原處擺動。這使得因此同步電動機的起動問題成為難題，要確保其起動過程中穩(wěn)定性不受到影響，可采取以下措施：

（一）輔助電動機起動

為了實現(xiàn)對同步電動機的牽引，可選一臺異步電動機，并要求其極數(shù)與同步電動機一致。若同步電動機在起動時轉(zhuǎn)子未加入勵磁，需要將轉(zhuǎn)子借助輔助電動機牽引以接近或達到同步轉(zhuǎn)速，完成之后將直流勵磁電流通入到同步電動機的轉(zhuǎn)子勵磁繞組中，將同步電動機利用整步轉(zhuǎn)矩將接入電網(wǎng)。實際上，在完成定子的同步運行后，輔助電動機已失效。要降低不必要的電能損耗，應(yīng)停止輔助電動機的運轉(zhuǎn)。輔助電動機起動法主要應(yīng)用于同步調(diào)相機起動和空載起動，但其需要較多的設(shè)備，且操作相對較為復(fù)雜。

（二）異步起動

異步起動主要靠安裝在同步電動機上的異步電動機繞組實現(xiàn)。其操作原理為：將定子通電，靠起動繞組中所產(chǎn)生的異步電磁轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)電動機起動。在其轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，通入勵磁電流，通過同步電磁轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)電動機的同步運轉(zhuǎn)。異步起動主要靠安裝在電動機上的繞組實現(xiàn)，所需設(shè)備較少，操作方便。需要注意的是，要避免異步起動時勵磁繞組的開路狀態(tài)。這是由于開路狀態(tài)下，過多的勵磁繞組匝數(shù)將造成定子的感應(yīng)電壓升高，從而導(dǎo)致其絕緣性能下降甚至消失，容易造成安全事故，這是異步起動最大的缺點。同時，這種起動方式過程不能使磁繞組直接短路。否則將造成勵磁繞組的單相電流過大，并且在旋轉(zhuǎn)氣隙磁場的共同作用下， 附加轉(zhuǎn)矩增大。根據(jù)異步起動的轉(zhuǎn)矩特點，在其起動時，可選擇實阻值約為勵磁繞組10倍的起動電阻，并將其與轉(zhuǎn)子勵磁繞組連接。這樣可以減小勵磁繞組的感應(yīng)電流，降低單軸轉(zhuǎn)矩對電動機起動的影響。

二、同步電動機的變頻調(diào)速

同步電動機的轉(zhuǎn)速與供電電源頻率之間始終保持同步并處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，也就是說，電動機的轉(zhuǎn)速只與電源頻率有關(guān)，與負載之間無必要聯(lián)系。也就是說，要實現(xiàn)其轉(zhuǎn)速的改變，變頻調(diào)速是唯一的方法。目前，變頻調(diào)速系統(tǒng)主要為自控式調(diào)控系統(tǒng)和他控式調(diào)試系統(tǒng)。

（一）自控式同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)

自控式同步電動機的變頻調(diào)速的優(yōu)勢在于消除了其轉(zhuǎn)子振蕩和失步而出現(xiàn)的安全問題，自控式同步電動機的變頻調(diào)速系統(tǒng)由安裝在電動機軸端的檢測器為主， 該檢測器的主要作用就是通過信號的發(fā)出電力電子器件的頻率和導(dǎo)通順序，實現(xiàn)定子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持同步，消除了負載對設(shè)備運轉(zhuǎn)的沖擊。目前，該變頻裝置可采用交-交型或交-直-交型。自控式同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)不再使用旋轉(zhuǎn)接觸式換向器，而是采用了電力電子逆變器與轉(zhuǎn)子位置檢測器。自控式變頻同步電動機的變頻裝置具有差異，這要影響無換向器電動機的電流使用交流還是直流。

（二）他控式同步電動機變頻調(diào)速

交-直-交變頻器是他控式同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要應(yīng)用裝置，其變頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與自控式變頻系統(tǒng)相比較為簡單，通常只有一臺中變頻器供電，因此操作較為簡單，但相對來說，變頻效率不高。但能夠作為變頻起動裝置，確保同步電動機的軟起動，或?qū)⑵鋺?yīng)用于多臺同步電動機的同時調(diào)速。但他控式同步電動機變頻調(diào)速性能較差，結(jié)構(gòu)簡單，存在轉(zhuǎn)子振蕩和失步等安全問題，因此應(yīng)用并不多。

三、總結(jié)

同步電動機只有在轉(zhuǎn)速等于同步速度時才能產(chǎn)生恒定不變的同步電磁轉(zhuǎn)矩。該電動機的結(jié)構(gòu)較為簡單，主要問題在于其起動。如何保持轉(zhuǎn)子與定子速度的一致是保證其穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。目前，同步電動機所用電源多為50Hz的交流電源，這使得其從靜止狀態(tài)到運轉(zhuǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變較為困難。隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，運行在系統(tǒng)上的主要負載為異步電動機和變壓器。這使電網(wǎng)必須要擔(dān)負電感性的無功功率，從而造成線路損耗，因此同步電動機的起動是其運行中最重要的問題。（作者單位：海南師范大學(xué)）

參考文獻：

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