专题三十四 同步电动机的启动方法（课件）-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

《电机与变压器》（第5版） 高教社 专题三十四 同步电动机的启动方法 目录 01 考纲解读 04 内容归纳小结 02 知识点梳理和重点概念复习 03 真题或常考题讲解 2 考纲解读—常见考点 03 02 01 能准确阐述同步电动机三种启动方法的核心原理，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。 能对比三种启动方法的核心特点，明确各方法的适用场景。 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。 考纲解读—考试要求 熟知异步启动法的结构组成，能区分转子励磁绕组（提供同步磁场）与阻尼绕组（产生启动转矩）的功能，且能识别两种绕组在转子中的位置关系。 掌握异步启动法的核心原理，能准确描述“借助异步电动机原理启动，再牵入同步”的逻辑，明确定子旋转磁场、阻尼绕组感应电流与异步转矩的关联。 明确同步电动机需特殊启动方法的原因，理解其“启动时无启动转矩”的核心特性，为后续学习三种启动方法奠定基础。 4 考纲解读—易考题型 掌握调频启动法的核心原理，理解“通过调节定子供电频率，使转子始终与定子旋转磁场同步转动”的机制，明确频率与定子旋转磁场转速的正比关系。 简答题 能描述辅助启动法的关键操作步骤，包括辅助电动机启动、转子加速至亚同步转速、通入励磁电流牵入同步、切断辅助电动机电源的先后顺序。 论述题 理解辅助启动法的基本原理，明确“依赖辅助电动机提供启动转矩”的核心逻辑，知道辅助电动机与同步电动机的机械连接方式。 选择题 5 知识点梳理和重点概念复习—知识点思维导图 知识点梳理和重点概念复习 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。 一、同步电动机的启动方法 知识点梳理和重点概念复习 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。 一、同步电动机的启动方法 知识点梳理和重点概念复习 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=,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。 一、同步电动机的启动方法 知识点梳理和重点概念复习 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。 二、异步启动法 知识点梳理和重点概念复习 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。 二、异步启动法 知识点梳理和重点概念复习 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)。 二、异步启动法 知识点梳理和重点概念复习 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。 二、异步启动法 知识点梳理和重点概念复习 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。 二、异步启动法 知识点梳理和重点概念复习 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。 二、异步启动法 知识点梳理和重点概念复习 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。 二、异步启动法 知识点梳理和重点概念复习 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。 二、异步启动法 知识点梳理和重点概念复习 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。 二、异步启动法 知识点梳理和重点概念复习 同步电动机启动性能可以用最初启动转矩TST0和名义牵人转矩Tqr的大小来表征。名义牵人转矩是指转速达到95%n1(即s=0.05)时电动机的异步转矩。同步电动机的启动转矩是单轴转矩与异步转矩的合成转矩。笼型启动绕组的电阻越大,名义牵人转矩Tqr就越小,而启动转矩TST0则变大,所以通常要求牵人转矩大而启动转矩较小。拖动鼓风机等的同步电动机可用电阻系数较小的紫铜来做启动绕组;而要求启动转矩大而牵入转矩较小的连续轧钢机的电机,应选用电阻系数较高的黄铜或铝青铜来做启动绕组。 二、异步启动法 知识点梳理和重点概念复习 图6-26所示为同步电动机启动过程的异步合成转矩。 二、异步启动法 知识点梳理和重点概念复习 当异步启动达到同步转速n1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弓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,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,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。 二、异步启动法 知识点梳理和重点概念复习 当转速达到同步转速n1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)。 二、异步启动法 知识点梳理和重点概念复习 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,转矩值又比磁阳转矩大得多,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,转子即可牵人同步,如图6-27所示。一般来说,同步电动机轴上负载越轻,电动机就越容易牵人同步。 二、异步启动法 知识点梳理和重点概念复习 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。 三、辅助启动法 知识点梳理和重点概念复习 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。 三、辅助启动法 知识点梳理和重点概念复习 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。 三、辅助启动法 知识点梳理和重点概念复习 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。 四、调频启动法 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：调频启动法基于 “同步加速” 原理，变频器连续调节定子频率，使定子旋转磁场转速从 0 逐渐升高，同时转子通励磁建立主磁场，两者始终同步（无相对滑动），无需异步阶段。 1.同步电动机调频启动法的核心原理是（ ） A. 先异步启动，再同步牵入 B. 利用辅助装置加速至同步转速 C. 调节定子电源频率，使定子旋转磁场与转子同步加速 D. 通过灭磁电阻控制励磁电流 28 常考习题练习与讲解—选择题 答案：A 解析：调频启动需转子提前建立主磁场，确保定子旋转磁场与转子磁场始终同步；若启动后通励磁（B、D），初期无主磁场，无法同步加速；切换工频后通励磁（C）会导致电机失步，因此必须在启动前通入励磁电流。 2.调频启动法启动同步电动机时，励磁电流的通入时机是（ ） A. 启动前 B. 转子加速至亚同步转速时 C. 切换至工频电网后 D. 定子通入交流电后 29 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：交 - 直 - 交型变频器（整流器→中间直流环节→逆变器）可实现频率、电压的连续可调，输出波形稳定，是调频启动法的主流选择；交 - 交型变频器（A）频率调节范围窄，直流变频器（C）、电阻式变频器（D）无实际应用于同步电机调频启动的场景。 3.调频启动法中，主变频器通常采用的类型是（ ） A. 交 - 交型变频器 B. 交 - 直 - 交型变频器 C. 直流变频器 D. 电阻式变频器 30 常考习题练习与讲解—选择题 答案：D 解析：调频启动法依赖高性能变频器和闭环系统，成本较高，仅适合中大容量或高端场景（如精密设备），中小容量电机采用此方式性价比低；A、B、C 选项均为调频启动法的典型优点，符合其技术特性。 4.以下哪项不是同步电动机调频启动法的优点？（ ） A. 启动电流小（1~1.5 倍额定电流） B. 启动过程平稳，无冲击 C. 无需启动绕组，简化转子结构 D. 成本低，适合所有容量电机 31 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：调频启动的最终目的是让电机在工频电网下同步运行，当变频器将转速升至额定值（对应 50Hz）后，需通过切换装置（如双向晶闸管）将电源切换至工频，同时断开变频器；A 选项（断励磁）会导致失步，C 选项（接灭磁电阻）是异步启动法操作，D 选项（启动辅助电机）与调频启动无关。 5.同步电动机采用调频启动法时，当转速达到额定同步转速后，需进行的操作是（ ） A. 断开励磁电源 B. 将定子电源从变频器切换至工频电网 C. 接入灭磁电阻短接励磁绕组 D. 启动辅助电动机 32 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：轧钢机属于大容量、高精度设备，需平稳启动（无冲击）和精准转速控制，调频启动法启动电流小、过程平稳、可实现精准调节，完全匹配需求；异步启动法（A）冲击大，辅助电动机法（B）精度不足，直接启动法（D）不适用于同步电机。 6.某工厂需启动一台大型精密轧钢机（对启动冲击、精度要求高），应优先选择哪种启动方式？（ ） A. 异步启动法 B. 辅助电动机启动法 C. 调频启动法 D. 直接启动法 33 常考习题练习与讲解—选择题 答案：A 解析：启动绕组是异步启动法产生异步转矩的核心部件，损坏后无法感应电流和产生转矩，电机无法从静止加速；B 选项（牵入转矩不足）与励磁电流相关，C 选项（电流过小）不符合实际（绕组损坏可能导致电流过大或断路）。 7.同步电动机异步启动法中，启动绕组损坏会导致以下哪种问题？（ ） A. 无法产生异步转矩，电机无法启动 B. 同步牵入时转矩不足 C. 启动电流过小 D. 励磁绕组产生高电压 34 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：两者均使用变频器和通入励磁电流（A、D 错误），且均需同步加速（无需牵入，B 错误）；核心区别是简易版无需复杂的转速闭环控制（仅粗略调节频率），专业调频启动法需闭环系统实时匹配转速，精度更高。 8.辅助启动法中的 “变频辅助启动法（简易版）” 与专业调频启动法的主要区别在于（ ） A. 是否使用变频器 B. 是否需要同步牵入 C. 是否具备转速闭环控制 D. 是否通入励磁电流 35 常考习题练习与讲解—填空题 答案：无法牵入同步（或失步） 解析：过早通入励磁电流时，转子转速远低于同步转速，旋转磁场与转子磁场相对运动剧烈，无法形成稳定同步转矩，转子无法被牵入同步，还可能因电磁力冲击损坏电机部件。 1.若同步电动机异步启动时过早通入励磁电流，会导致转子________，甚至产生设备冲击。 36 常考习题练习与讲解—填空题 答案：无法达到亚同步转速（或转速不足） 解析：辅助电动机容量决定其输出转矩大小，容量过小则转矩不足，无法克服同步电动机转子的惯性阻力，导致转子转速无法提升至70%-95%的亚同步转速，影响后续牵入同步。 2.同步电动机辅助启动法中，若辅助电动机容量过小，会导致同步电动机转子________，无法进入牵入同步的准备阶段。 37 常考习题练习与讲解—填空题 答案：电流 解析：调频启动时，定子旋转磁场转速缓慢升高，转子始终与磁场同步，无相对滑动，不会产生异步启动中的大冲击电流，启动电流始终维持在较低水平，保护电机和电网。 3.同步电动机调频启动法的显著优点是启动________小、启动过程平稳，无明显冲击。 38 常考习题练习与讲解—填空题 答案：转子在异步转矩作用下加速至亚同步转速 解析：异步启动的完整流程为：首先向定子通三相电产生旋转磁场，其次转子阻尼绕组感应电流产生异步转矩，带动转子加速至亚同步转速，最后通入励磁电流实现牵入同步，该阶段是连接启动与同步运行的关键。 4.同步电动机异步启动过程分为三个阶段：通入定子电流产生旋转磁场、________、通入励磁电流牵入同步。 39 常考习题练习与讲解—判断题 答案：× 解析：调频启动的频率调节逻辑是“从低到高”，即从接近0的低频开始，逐步升高至额定频率；无需先降至0再升，该操作不符合平稳启动的需求，还可能导致启动冲击，故该说法错误。 1.同步电动机调频启动时，供电频率需从额定频率降至0，再逐步升至额定频率。（ ） 40 常考习题练习与讲解—判断题 答案：× 解析：正确操作是先通入励磁电流，待转子被牵入同步、稳定运行后，再切断辅助电动机电源；若先切断辅助电动机电源，转子转速会因惯性下降，可能无法顺利牵入同步，故该说法错误。 2.辅助启动法中，当同步电动机转子达到亚同步转速后，需先切断辅助电动机电源，再通入励磁电流。（ ） 41 常考习题练习与讲解—判断题 答案：× 解析：过早通入励磁电流时，转子转速过低，定子旋转磁场与转子磁场的相对速度大，无法形成稳定的同步转矩；不仅无法牵入同步，还可能因电磁力冲击损坏电机部件，故该说法错误。 3.同步电动机异步启动时，过早通入励磁电流会导致转子顺利牵入同步。（ ） 42 常考习题练习与讲解—判断题 答案：√ 解析：调频启动时，定子旋转磁场转速缓慢升高，转子始终与磁场同步，无相对滑动，不会产生大的冲击电流；启动过程中转速、电流均平稳变化，符合“低冲击、平稳启动”的优点，故该说法正确。 4.调频启动法的显著优点是启动电流小、启动过程平稳，无明显冲击。（ ） 43 常考习题练习与讲解—简答题 答案：核心原理：通过变频器逐步改变定子绕组的供电频率，使定子旋转磁场的转速从接近0的低频开始，随频率升高同步提升；转子在定子旋转磁场的牵引下，始终与磁场保持同步转动，最终加速至额定同步转速。 1.同步电动机调频启动法的核心原理是什么？ 44 常考习题练习与讲解—简答题 答案：需依赖的关键设备是变频器。作用：变频器能将工频交流电（固定频率，如50Hz/60Hz）转换为频率可连续调节的交流电，为同步电动机定子绕组提供电源。 2. 同步电动机调频启动法需依赖哪种关键设备？该设备在启动中发挥的作用是什么？ 45 常考习题练习与讲解—简答题 答案：励磁回路短路的原因：启动初期转子转速低，定子旋转磁场切割励磁绕组的速度快，易在励磁绕组中感应出高电压（可能远超绕组绝缘耐受值），短路励磁回路可限制感应电压，保护励磁绕组及相关设备。 3.同步电动机异步启动时，为何需将励磁回路短路？ 46 常考习题练习与讲解—简答题 答案：三种启动法核心优缺点对比如下：异步启动法：优点是结构简单、启动设备成本低、操作便捷。 辅助启动法：优点是启动转矩可通过辅助电动机调节，适用于大型电机。 调频启动法：优点是启动电流小、启动过程平稳无冲击，可适用于对平稳性要求高的大型电机。 4.对比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）的核心优点。 47 重点复习知识点： 1.同步电动机启动时，若直接通入额定频率电源，定子旋转磁场转速极高，转子因惯性无法跟随转动，无启动转矩，无法自行启动，因此需通过特殊方法辅助启动，最终实现转子与定子旋转磁场同步运行。 2.异步启动法借助异步电动机启动原理，先让电机异步运转，再通过励磁电流牵入同步，即“先异步启动，后同步运行”。 3.辅助启动法通过辅助电动机（多为小型异步电动机） 提供启动转矩，机械带动同步电动机转子加速至亚同步转速，再通入励磁电流牵入同步，即“机械辅助加速，电磁牵入同步”。 阅读相关教材和课堂笔记，梳理重点知识点和关键概念。制作复习提纲或思维导图，以帮助理清知识框架和内部逻辑。进行练习题和例题的练习，加深对知识的理解和应用。 课堂小结 48 $