专题三十四 同步电动机的启动方法（教案）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

专题三十四 同步电动机的启动方法（教案）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

一、考纲解读

1.能准确阐述同步电动机三种启动方法（异步启动法、辅助启动法、调频启动法）的核心原理，明确各方法启动过程中“转矩产生”“转速调节”“同步实现”的关键逻辑。

2.掌握异步启动法的结构组成，能区分转子励磁绕组、阻尼绕组的功能，且能完整描述“启动准备—异步加速—牵入同步”三阶段的操作流程及关键参数（如亚同步转速范围70%-95%）。

3.能对比三种启动方法的核心特点（如设备组成、启动转矩、平稳性、成本），明确各方法的适用场景（如异步启动法适用于中小型电机、调频启动法适用于高平稳性需求的大型电机）。

二、知识点梳理

一、同步电动机的启动方法

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。定子通人三相电流后,产生定子旋转磁场,旋转方向为顺时针旋转,在图6-22(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。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6-22(b)所示。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f_2=sf_1,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。

二、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,构成笼型启动绕组,如图6-23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。

在启动前,先将励磁绕组经过电阻RM=(5~10)rf(启动电阻RM励磁绕组电阻rf)短接,如图6-24所示。这样可防止刚开始转动时励磁绕组切制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。

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(称为牵人同步)。

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。

另外,如果电动机容量较大,启动时定子绕组中的电流会很大,为了限制启动电流,应该采用恰当的启动方法,如降压启动等。

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6-23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。

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。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。单轴转矩对同步电动机启动的影响如图 6-25 所示。

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sf1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sf1变化的。它与笼型绕组的启动转矩合成时,在1/2同步转速附近变小,出现最小转矩,即所谓单轴转矩效应。

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6-25中虚线所

示。同步电动机启动性能的好坏与合成启动转矩的大小有关。为使同步电动机启动转矩增大,在启动时励磁绕组回路中应串联一个启动电阻,电阻值为励磁绕组电阻,的5~10倍,以限制转子励磁绕组的感应电流,减少单轴转矩效应。

三、辅助启动法

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。

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人电网,然后切断辅助电动机电源。

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。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,立即将主机投人电网。这样可得到较大的整步转矩。

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,用自同步法将其投人电网后,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。

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。

四、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。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。

三、真题练讲

1.（2021年河北省统一考试）调频启动法的主要优点是？（ ）

A. 启动设备简单 

B. 启动电流小，启动平稳 

C. 启动转矩小 

D. 成本低

答案：B