第二节 三相交流同步电动机

一、同步电动机简介

同步电动机是由直流供电的励磁磁场与电枢的旋转磁场相互作用而产生转矩，以同步转速旋转的交流电动机。同步电动机的转子转速与定子旋转磁场的转速相同，其转子每分钟转速n与磁极对数p、电源频率f之间满足如下关系，即n=60f/p。电源频率f与电动机的转速n成一定的比例关系，故电源频率一定时，转速不变，且与负载无关。同步电动机具有运行稳定性高和过载能力大等特点，常用于恒速大功率拖动的场合，例如用来驱动大型空气压缩机、球磨机、鼓风机、水泵和轧钢机等。

同步电动机可以运行在过励状态下。其过载能力比相应的异步电动机大。异步电动机的转矩与定子电源电压二次方成正比，而同步电动机的转矩决定于定子电源电压和电动机励磁电流所产生的内电动势的乘积，即仅与定子电源电压的一次方成比例。当电网电压突然下降到额定值的80%左右时，异步电动机转矩往往下降为额定转矩的64%左右，并可能因带不动负载而停止运转；而同步电动机的转矩却下降不多，还可以通过自动强励来保证电动机的稳定运行。

同步电动机定子绕组与异步电动机相同，但是转子结构不同于异步电动机，同步电动机的转子上除了装有起动绕组外，还在磁极上绕有线圈，各个磁极的线圈串联起来构成励磁绕组，励磁绕组的两端接线通过转子轴上的集电环与电刷跟直流励磁电源连接。也有无刷同步电动机结构与此略有差异。同步电动机的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的，所以称为同步电动机。

当在定子绕组通上三相交流电源时，电动机内就产生一个旋转磁场，转子上的起动绕组切割磁力线而产生感应电流，从而电动机旋转起来。在转子旋转的速度达到定子绕组产生的旋转磁场速度的95%左右时，给转子励磁线圈通入直流励磁电流，这时转子绕组产生极性恒定的静止磁场，转子磁场受定子磁场作用而随定子旋转磁场同步旋转。

定子旋转磁场或转子的旋转方向决定于通入定子绕组的三相电流相序，改变其相序即可改变同步电动机的旋转方向。

二、同步电动机的调相功能

同步电机无论用作发电机、电动机或调相机，其基本原理及结构是相同的，只是运行方式不同而已。

同步电动机不带任何机械负荷空载运行时，调节电动机的励磁电流可使电动机向电网发出容性或感性的无功功率，用以维持电网电压的稳定和改善电力系统功率因数。运行在上述状态的同步电动机称为同步调相机，而维持电动机空转和补偿各种损耗的功率则须由电力系统提供。调相机一般安装在负载中心的变电所中。

电力系统中的同步调相机，只从电网吸收少量的有功功率以维持电机空载的有功损耗。如果不计损耗的话，同步调相机是在零电磁功率和零功率因数的情况下运行的。其电枢电流是无功性质的。

同步调相机过励运行时可以看做是电力系统的一个容性无功负荷。换句话说，若欲使同步调相机向电力系统提供容性无功时，则须使其过励磁。

同步调相机欠励运行时可以看做是电力系统的一个感性无功负荷。换句话说，若欲使同步调相机向电力系统提供感性无功时，则须使其欠励磁。

作为无功负载的同步调相机，其发出无功容量的大小及性质（感性或容性），可以通过调节励磁电流来实现。

同步电机作调相运行时，称其为电力系统的无功负荷，或者说向电力系统提供无功容量，其实质含义是一致的。

三、同步电动机的常用起动方式

同步电动机仅在同步转速下才能产生平均的转矩。如在起动时将定子绕组接入电网且转子绕组同时加入直流励磁，则定子旋转磁场立即以同步转速旋转，而转子磁场因转子有惯性而暂时静止不动，此时所产生的电磁转矩将正负交变而其平均值为零，故同步电动机不能带励起动。同步电动机的起动通常采用辅助电动机起动法、异步起动法，或变频起动法等。

1.辅助电动机起动法

通常选用与同步电动机同极数的感应电动机（容量约为主机的10%～15%）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，并使励磁电流通入励磁绕组，将主机牵入同步转速。

2.异步起动法

在电动机主磁极极靴上装设笼型起动绕组。起动时，先使励磁绕组通过电阻短接，而后将定子绕组接入电网。依靠起动绕组的异步电磁转矩使电动机升速到接近同步转速，再将励磁电流通入励磁绕组，建立主极磁场，即可依靠同步电磁转矩，将电动机转子牵入同步转速。

3.变频起动法

变频起动近几年也得到广泛的应用，起动时，先在转子绕组中通入直流励磁电流，利用变频器逐步升高加在定子上的电源频率f，使转子磁极在开始起动时就与旋转磁场建立起稳定的磁场吸引力而同步旋转，在起动过程中频率与转速同步增加，定子频率达到额定值后，转子的旋转速度也达到额定的转速，起动完成。