电拖第六章 同步电动机

第六章 同步电动机

同步电机可以分为同步发电机、同步电动机和同步补偿机三大类。同步发电机应用十分广泛，现在世界上几乎所有的发电厂都用同步发电机发电，也就是说现在几乎所有的电能都是由同步发电机发出来的。同步电动机过去虽然有启动比较困难、不易调速等缺点，限制了它的应用，但由于它可以通过调节励磁电流改善电网功率因数，所以多数用在大型不调速设备中。近年来，由于交流变频技术的发展，解决了它的变频电源问题，从而使同步电动机的启动和调速问题都得到了解决，因此，同步电动机的应用场合大为增加，在矿井卷扬机、可逆轧机这样一些要求非常高的电力拖动系统中得到了广泛的应用，并且相当成功。小功率的永磁同步电动机，由变频电源供电，组成了新一代的交流伺服系统，在数控机床和机器人等领域也越来越显示出它的优越性。同步补偿机实际上是空载运行的同步电动机，只用来向电网发出电感性或电容性无功功率，以满足电网对无功功率的需求，从而改善电网的功率因数。微型同步电动机则由于具有结构简单、成本低廉、运行可靠、体积小和同步特性，在控制领域中得到广泛应用。

第一节 同步电机的基本结构与工作原理

一、同步电机的基本结构

同步发电机、同步电动机和同步补偿机的基本结构完全一样，都是由定子和转子两大部分组成。

(一) 定子

同步电机定子与异步电机定子结构基本相同，也是由铁心、定子绕组、机座和端盖等部分组成。铁心也是由硅钢片叠成。大型同步电机由于尺寸太大，硅钢片常制成扇形，然后对成圆形。定子绕组也是三相对称绕组。大型高压同步电机定子绕组绝缘性能要求较高，常用云母绝缘。机座和端盖的作用也与异步电机相同，主要起支撑和固定作用。

(二) 转子

同步电机转子与异步电机转子有所不同，它的转子有固定的磁极，是通过电刷和滑环送入的直流励磁电流励磁，产生固定极性的磁极。同步电机转子结构有两种类型，即凸极式和隐极式。

凸极式转子如图6-1 (a)所示。磁极的形状与直流机磁极相似，铁心常由普通薄钢片冲压后叠成，磁极上装有成形的集中直流励磁绕组。绕组的连接应使N 极和S 极在电机圆周上交替排列。凸极式转子结构简单，制造方便，制成多极比较容易，但机械强度较低，所以它适用于低速、多极同步电机。在发电机中，水轮机属低速机械，由p f n /6011 可知，当工业频率为50H Z (个别国家为60H Z )时，低速必然多极，所以水轮发电机都是低速、多极的凸极式同步发电机。同步电动机大多数也是容量较大、转速较低的凸极同步电机。

凸极电机的特点是气隙不均匀，转子磁极中心附近气隙最小，磁阻也小。而在转子磁极的几何中线处气隙最大，磁阻也大，磁导最小。因此，磁通所走路径不同，所遇磁导不同，对应的电抗参数也不一致，这是凸极电机结构决定的。

隐极式转子如图6-1 (b)所示，转子呈圆柱形，无明显磁极，通常由整块铸钢制成，在圆周的三分之二部分铣有槽和齿，槽中有分布式直流励磁绕组，转子圆周没开槽的三分之一部分称为大齿，是磁极的中心区域。隐极式转子制造工艺比较复杂，但它的机械强度较好，适用于极数少、速度高的同步电机。汽轮机本身是高速机械，所以汽轮发电机都是极数较少、转速较高的隐极同步电机。隐极电机的气隙均匀，所以磁通无论走哪一条路径，不管是在磁

极中心处还是在几何中性线处，所走路径的磁导相同，对应的电抗也无变化。

(a) 凸极式 (b) 隐极式

图6-1 同步电机转子结构

此外，同步电机转子磁极表面都装有类似笼型异步电机转子的短路绕组，在发电机中称为阻尼绕组，在正常运行时起稳定作用，在电动机中称为启动绕组，异步启动时它是启动绕组，同步运行时也起稳定作用。

以上讲的同步电机都是磁极旋转式的，在同步电机发展初期还有一种电枢旋转式同步电机，磁极在定子(定子结构与直流电机相似)上，转子上装三相电枢绕组，三相电流通过滑环和电刷引出(转子结构与绕线转子异步电机的转子相似)。这种结构的同步电机仅在容量较小时工作，当容量增大时，因滑环和电刷流过的电流不能太大，所加电压也不能太高，因此，这种电枢旋转式同步电机不能适应大容量的要求，逐渐被现在的磁极旋转式所替代。磁极旋转式转子加的是直流励磁电流，它的容量仅为电机容量的百分之几，电压不高，电流也不大，可使用电刷和滑环，因此现代的同步电机多为磁极旋转式，而电枢旋转式同步电机仅在小容量时偶尔遇到。

二、同步电机的简单工作原理

同步发电机的作用是由原动机拖动旋转，把机械能转变成电能。当转子直流励磁绕组送入直流励磁电流后，形成固定极性的磁场，这个转子固定磁场切割定子绕组(或者说定子绕组做切割磁力线运动)，在定子三相对称绕组中将感应出三相对称电动势，成为三相交流电源。如果发电机作为电源单独给负载供电，对电源频率的要求并不十分严格，对原动机的转速要求也不很严格。但现代的发电机，绝大多数都是向大电网并网供电，这就对同步发电机的频率要求严格了，我国电网频率为50H Z ，所以发电机发出的电动势频率也必须为50H Z ，如果发电机的频率与电网频率不等将会造成严重事故。由60/1pn f 可知，为保证频率为

50H Z ，电机的极对数p 与转速1n 的乘积必须等于

常数(3000)，因此对应极对数p 为1、2、3的同步

电机，转速1n 必须分别为3000、1500、1000……r

／min 等同步转速。

同步电动机定子三相绕组接入三相电网后，定子三相对称绕组中流过三相对称电流，产生三

图6-2 同步电动机