6.5 同步电动机的启动方法（课件）-《电机与变压器》同步精品课堂（高等教育出版社）

6.5 同步电动机的启动方法 同步精品课堂 电机与变压器 高教版 1 学习目标 掌握异步启动法结构及启动过程 掌握辅助启动法 掌握并学会调频启动法的内容 知识目标 能力目标 新知学习 一 、异步启动法 同步电动机本身无启动转矩，如图6-22所示，所以通电以后，转子不能自行启动。 定子通入三相电流后，产生定子旋转磁场，旋转方向为顺时针旋转，在图(a) 所示的瞬间，定子磁场顺时针旋转，由于异性磁极相吸引，旋转磁场对转子有一个转矩，欲把转子拖转。 新知学习 一 、异步启动法 但 是由于转子惯性很大，转子不能立即以同步转速旋转。旋转磁场转速却很快，当定子旋转磁场转 过180°电角度时(即定子电流经过半个周期),定子旋转磁场的位置变为图(b) 所示。 新知学习 一 、异步启动法 这时 定子磁场对转子磁场产生一个反向作用的转矩，转子还是因惯性不能转动。在电流变化一个周 期内旋转磁场对转子的平均转矩为零，所以转子不能启动。 当用外力将转子以一定的转速沿定子旋转磁场方向旋转时，再给定子绕组通以三相交流电 则转子所受交变转矩的频率将降为f₂=sf, 当s 越来越小时，所受交变作用力的次数越来越少，当 s=0 时，受到大小恒定的作用力，转子就达到了同步转速。 01 02 新知学习 一 、异步启动法 1.异步启动法结构及启动过程 在设计和制造同步电动机时，在转子磁极的圆周表面上加装一套启动绕组。 绕组的形式与 笼型异步电动机一样 在转子磁极表面的槽内嵌入铜条，两端用端环把铜条短接 02 01 03 新知学习 一 、异步启动法 1.异步启动法结构及启动过程 构成笼型启动 绕组，如图所示。这种在转子上加笼型启动绕组的方法称为异步启动法。 新知学习 一 、异步启动法 1.异步启动法结构及启动过程 在启动前，先将励磁绕组经过电阻RM=(5～10)r₁(启动电阻RM,励磁绕组电阻 r,) 短接，如图所示。这样可防止刚开始转动时励磁绕组切割磁感线而产生很大的电动势，从而避免对 人或设备造成危害。 新知学习 一 、异步启动法 1.异步启动法结构及启动过程 然后，接通三相电源，定子与笼型启动绕组组成一台异步电动机，靠这种转矩使转子加速。 当转速增至空载转速时，即达到所说的亚同步速，就可给转子磁极通入励磁电流。旋转磁场对转 子磁场作用力矩的频率很小，方向几乎不变。 这时靠同步速度的旋转磁场就可以将转子拉到同 步转速(称为牵入同步)。 转子达到同步转速后，转子笼型导条与旋转磁场之间没有相对转速，转子启动绕组中也就没 有感应电流了，此时启动绕组就完成了启动任务。 新知学习 一 、异步启动法 2.异步启动原理 装有启动绕组的同步电动机转子结构如图所示。启动绕组在启动时产生异步转矩，此 转矩在启动过程中起主要作用。 新知学习 一 、异步启动法 2.异步启动原理 同步电动机在异步启动过程中，作用在转子上的转矩有四种：一是励磁绕组产生的单轴转 矩；二是启动绕组产生的异步转矩；三是磁阻转矩；四是励磁绕组励磁后产生的同步转矩。 单轴转矩是同步电动机在异步状态下由励磁绕组中流过感应电流与气隙磁场相互作用产生 的。 由于励磁绕组相当于一个单相绕组，故由此而产生的转矩称为单轴转矩。这是因为同步电 动机作异步启动时，不允许将励磁绕组开路。 新知学习 一 、异步启动法 2.异步启动原理 若开路，在刚启动时，气隙磁场与转子之间的相对 转速很大，励磁绕组的匝数又很多，将在两端产生很高电压，很可能破坏绕组的绝缘，并危及人身 安全。 但若将励磁绕组直接短路，则在励磁绕组中感应出很大的电流，这个电流与气隙磁场作用 将产生较大的单轴转矩 其特点是在略大于半同步速时产生较大的负转矩，使电动机合成转矩曲 线发生明显的下凹，可能把同步电动机卡在此速度下不能继续升速。 新知学习 一 、异步启动法 2.异步启动原理 单轴转矩对同步电动机启动 的影响如图所示。 新知学习 一 、异步启动法 2.异步启动原理 在启动过程中，可将同步电动机看成是一个具有三相定子绕组和单相转子绕组的感应电动 机。 转子绕组产生频率为sf 的脉振电流，这个脉振电流与定子三相旋转磁场相互作用而产生转 矩，这个转矩也是随频率sf, 变化的。 01 02 新知学习 一 、异步启动法 2.异步启动原理 启动过程中，启动绕组产生的转矩就是普通的异步转矩，其T-s 曲线与感应电动机一样，如图中虚线所示。 新知学习 一 、异步启动法 2.异步启动原理 图所示为同步电动机启动过程的异步合成转矩。 新知学习 一 、异步启动法 2.异步启动原理 当异步启动达到同步转速n, 的95%时，此时转差率s 较低，磁阻转矩已起作用。由于转子 尚未励磁，转子励磁仍无固定的极性而仅由定子磁场磁极决定 磁阻转矩是定子旋转磁场吸引 转子凸极铁心产生的，当定子磁场等效磁极在转子凸极铁心之前时，其吸引力将使转子加速；反 之则使转子减速。 在异步状态下磁阻转矩是交变的，在电机启动初期，s 较大，磁阻转矩对大转动 惯量电机的转速影响很小；但当转速接近同步转速时，由于s 很小，磁阻转矩对电机转速的影响 很显著,使转子转速发生振荡，即形成时大时小的变化。 新知学习 一 、异步启动法 2.异步启动原理 当转速达到同步转速n 的95%时，接通励磁电流，则转子磁极就有了确定的极性。这时产 生了同步转矩，在转子磁极落后于气隙等效磁极的情况下，则二者极性相同时转子减速，极性相反时转子加速； 当转子磁极超前于气隙等效磁极时 则相反(这在辅助电动机启动时经常出现)。每当 气隙等效磁极相对于转子滑过一对磁极时，转矩变 化一个周期，该转矩引起的转速振荡周期比磁阻转 矩引起的要大。 由于其周期较长，转矩值又比磁阻 转矩大得多，所以转速变化也大得多。转速的瞬时 值可以超过同步转速，经过减速过程又回到同步转 速附近，在整步转矩(同步转矩)作用下，经过很短 一段衰减振荡后，转子即可牵入同步 新知学习 一 、异步启动法 2.异步启动原理 如图所示。一般来说，同步电动机轴上负载越轻，电动机就 越容易牵入同步。 由同步转矩所引起的转速振荡及牵入同步示意图 新知学习 二、辅助启动法 辅助启动法 1 2 如果同步电动机中没有设启动绕组，可以用辅助启动法解决启动问题。就是用一台异步电 动机或其他动力机械(如柴油机等),把转子加速到接近同步转速时脱开，再通入定子电流及励 磁电流，就可以使电动机进入同步运行。 3 辅助电动机也可以采用比同步电动机少一对磁极的异步电动机。 具体做法是辅助电动机通常采用和同步电动机相同磁极对数的异步电动机，且容量为主机 容量的5%～15%。启动时，先由辅助电动机将主机拖动到接近同步转速，再用自同步法将其投 入电网，然后切断辅助电动机电源。 新知学习 二、辅助启动法 辅助启动法 1 2 异步机启动后，异步电动机的 同步转速高于主机的同步转速。待将主机拖动到高于主机同步转速后，再切断辅助电动机电源，使转 速下降，当转速降到等于主机同步转速时，立即将主机投入电网。这样可得到较大的整步转矩。 3 辅助电动机启动方法的缺点是不能带负载启动，否则，辅助电动机的容量将很大，启动设备 和操作也将变得很复杂。如用其他动力机械启动，道理也是如此。 另外，还可以用和主机同轴的直流励磁机兼作辅助电动机，即把直流励磁机先当直流电动机 使用，将同步电动机拖动到接近同步转速，用自同步法将其投入电网后，再断开直流电源，当然 在启动过程中，主机励磁电流要由直流电网供电。 新知学习 三 、调频启动法 调频启动法需要一个能够把电源频率从零逐步调节到额定频率的变频电源。 这样，可把旋转磁场的转速从零调至额定同步转速。 01 02 新知学习 三 、调频启动法 在启动的整个过程中，转子的转速始终与定子旋转磁场 的转速同步。此法的主要不足是需要一个变频电源，并且励磁机不能和主机同轴，因为一开始就 需要对励磁绕组通入所需要的励磁电流 如果同轴，励磁机在最初转速很低时，无法产生所需要 的励磁电压。 03 04 1.同步电动机通常不能直接启动的原因是什么？ A. 转子没有足够的启动扭矩 B. 转子和定子磁场不同步 C. 电机设计不允许自启动 D. 需要外部励磁电源 课堂练习 答案：A. 转子没有足够的启动扭矩 解析：同步电动机在启动时，如果直接连接到电网，由于其转子没有足够的启动扭矩，无法立即达到同步速度，因此不能直接启动。 2.异步启动法中，同步电动机是如何达到同步速度的？ A. 通过增加励磁电流 B. 通过减少定子电压 C. 通过辅助电动机加速 D. 通过在转子上安装笼型启动绕组 课堂练习 答案：D. 通过在转子上安装笼型启动绕组 解析：异步启动法中，同步电动机在主磁极极靴上装设笼型启动绕组，利用起动绕组的异步电磁转矩使电动机升速到接近同步转速，然后通入励磁电流，建立主极磁场，实现同步。 3.辅助电动机启动法中，辅助电动机的作用是什么？ A. 提供励磁电流 B. 拖动主机到接近同步转速 C. 调节电网电压 D. 控制电机温度 课堂练习 答案：B. 拖动主机到接近同步转速 解析：辅助电动机启动法中，通常选用与同步电动机同极数的感应电动机作为辅助电动机，拖动主机到接近同步转速，再将电源切换到主机定子，励磁电流通入励磁绕组，将主机牵入同步转速。 4.变频启动法中，变频器的作用是什么？ A. 提供直流电源 B. 逐步提高定子两端的电源频率 C. 降低电机噪音 D. 保护电机免受过载 课堂练习 答案：B. 逐步提高定子两端的电源频率 解析：变频启动法中，变频器用于逐步提高定子两端的电源频率，使转子磁极在开始启动时就与旋转磁场建立起稳定的磁拉力，从而实现平稳启动 5.在同步电动机的启动过程中，为什么需要调节励磁电流？ A. 为了提高电机效率 B. 为了控制电机的端电压 C. 为了改变电机的转速 D. 为了提供启动扭矩 课堂练习 答案：D. 为了提供启动扭矩 解析：在同步电动机的启动过程中，调节励磁电流可以改变电机的磁场强度，从而提供必要的启动扭矩，使电机能够达到并维持同步速度。 6.同步电动机在启动时，通常需要什么条件才能实现同步？ A. 电网提供足够的电流 B. 转子具有足够的启动扭矩 C. 定子和转子磁场同步 D. 电机达到最大设计速度 课堂练习 答案：C. 定子和转子磁场同步 解析：同步电动机需要定子产生的旋转磁场与转子磁场同步，才能实现同步运行，这通常通过在启动时适当调节励磁电流来实现。 7.以下哪种启动方法不属于同步电动机的启动方式？ A. 异步启动法 B. 变频启动法 C. 直接全压启动 D. 星三角启动法 课堂练习 答案：D. 星三角启动法 解析：星三角启动法通常用于异步电动机的启动，通过在启动时将定子绕组从星形连接转换为三角形连接来降低启动电流，而不适用于同步电动机。 8.同步电动机在启动时，为什么可能会对电网造成冲击？ A. 启动时电流需求大 B. 电机设计不合理 C. 电网稳定性差 D. 励磁系统故障 课堂练习 答案：A. 启动时电流需求大 解析：同步电动机在启动时，尤其是直接启动时，由于需要建立足够的磁场和提供启动扭矩，电流需求大，这可能会对电网造成冲击，导致电压波动。 课堂小结 1.简述辅助启动法。 2.简述调频启动法。 3.简述单轴转矩对同步电动机启动的影响。 作业布置 感谢观看 $$