新同步电机励磁系统

同步电机励磁系统知识培训永济电机高级技工学校

赵彩贤第一部分：电机概述

一、电机的定义与性质1、定义电机俗称“马达”是指依靠电磁感应作用而运行的电磁机械，用于机械能和电能之间的转换或者不同形式电能之间的变换。

2、性质任何一种电机的输入和输出能量中，至少有一方为电能或者双方都是电能。电机本身不是能源，而只是转换或者传递能量的机械装置。2、电机的性质要从电机输出能量，必须先给电机输入能量，其能量转换与传递过程遵从能量守恒定律。电机是以电磁感应为基本作用原理来运行的。利用其他原理（光电效应、热电效应、化学效应等等）产生电能的装置通常不包括在电机的范围内。二、电机在国民经济中的作用电能是现代社会最主要的能源，并对人类文明的发展起到了重要的推动作用。电机是和电能的生产、输送和利用密切相关的能量转换机械。电机不仅是国民经济各行业中的重要或关键设备，而且在人们日常生活中的应用也越来越广泛。电磁直流电动机永磁直流电动机无刷直流电动机电动机直流电动机交流电动机有刷直流电动机单相电动机三相电动机稀土永磁直流电动机铁氧体永磁直流电动机铝镍钴永磁直流电动机串励直流电动机并励直流电动机他励直流电动机复励直流电动机1、按工作电源种类划分

三、工业中常用电机的主要类型电动机直流电动机同步电动机异步电动机磁滞同步电动机永磁同步电动机磁阻同步电动机感应电动机交流换向器电动机三相异步电动机单相异步电动机罩极异步电动机2、按结构和工作原理划分推斥电动机单相串励电动机交直流两用电动机3.按起动与运行方式划分电动机电容起动式单相异步电动机电容运转式单相异步电动机电容起动运转式单相异步电动机分相式单相异步电动机电动机鼠笼型异步电动机绕线型异步电动机4、按转子的结构划分5.按用途划分电动机驱动用电动机控制用电动机电动工具用电动机家电用电动机通用小型机械设备用电动机

步进电动机伺服电动机电动机低速电动机高速电动机恒速电动机调速电动机齿轮减速电动机电磁减速电动机力矩电动机爪极同步电动机有级恒速电动机无级恒速电动机有级变速电动机无级变速电动机电磁调速电动机直流调速电动机PWM变频调速电动机开关磁阻调速电动机6、按运转速度划分四、“异步电机”与“同步电机”的概念异步电机电机转子转速低于旋转磁场转速并与旋转磁场转向相同。同步电机电机转子转速与旋转磁场转速相同并与旋转磁场转向相同。

第二部分：异步电机一、异步电机的特点异步电机主要作为电动机运行。异步电动机是工业、农业、国防、乃至日常生活和医疗器械中应用最广泛的一种电动机。优点结构简单、制造容易、运行可靠、效率较高、成本较低和坚固耐用等。缺点不能在较大范围内比较经济地获得好的调速特性；需要从电网吸收滞后的励磁电流，从而使电网的功率因数降低。二、异步电动机的结构罩壳机座接线盒端盖轴承盖吊环端盖接线盒转子转轴定子铁芯定子绕组风扇罩壳三相异步电动机的结构马蹄形磁铁铜框—笼型转子通电后，磁针转动1．旋转磁场的产生三、异步电动机的工作原理1、旋转磁场的产生三相对称的定子绕组中通入对称的三相交流电产生旋转的磁场。U1V2W1V1W2(•)电流出()电流入U22．三相异步电动机的转动原理同步转速转子感应电流旋转磁场定子绕组转子转速(1)、电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。(2)、动磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。(3)、电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。四、异步电动机的铭牌型号及联接方式

1、三相异步电动机的铭牌

额定功率PN

→转子轴上输出的机械功率PN=3kW额定电压UNUN=380V→定子三相绕组应施加的线电压

额定电流ININ=7.2A→定子三相绕组的额定线电流联结方式通常三相异步电动机3kW以下者，联结成星形，4kW以上者，联结成三角形。额定转速nN电机在额定电压、额定负载下运行时的转子转速。额定功率因数cosN额定负载时一般为0.7-0.9，空载时功率因数很低约为0.2-0.3。额定负载时，功率因数最大。实用中应选择合适容量的电机，防止“大马”拉“小车”的现象。绝缘等级B指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级，共分7级：ＹＡＥＢＦＨＣ2、定子绕组星形接法与三角形接法4kW以下电机多采用星形接法4kW以上电机多采用三角形接法第三部分：同步电机一、同步电机的特点1、同步电机主要作为发电机运行。目前我国的交流电能，几乎全是同步发电机产生的。2、同步电机也可用作电动机，主要用于不需要调速的大功率负荷的电力拖动中。3、同步电机的另一个用途是专门向电网提供感性或容性无功功率，即为补偿机用。4、不管是同步电机作为发电机用还是电动机用，区别于异步机的一个重要特点是：它的转速始终与电势频率保持严格的关系，即同步电机的转速始终等于同步转速。

二、同步电机的基本工作原理和结构1、同步电机的基本工作原理主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。同步电机的基本工作原理（1）、同步发电机定子 铁芯 电枢绕组(交流)转子 铁芯 励磁绕组(直流)原动机拖动转子转子磁场切割定子绕组感应三相交流电势转子加直流励磁同步电机的基本工作原理（2）、同步电动机定子：三相绕组通入三相交流电→产生气隙旋转磁场转子：磁极的励磁绕组通入直流电产生转子磁场定子、转子相互吸引，转子跟随定子旋转磁场旋转可见：无论是同步发电机还是同步电动机，恒有：2、同步电机的组成：定子、(气隙)、转子NSNS+AABCCB气隙转子磁极铁芯转子励磁绕组集电环（滑环）转子定子铁芯定子绕组电刷定子同步电机主要部件拆分图励磁系统—为同步电机提供励磁电流(直流)的整个系统1、励磁系统应满足的条件:能稳定提供发电机从空载到满载(及过载)所需的If当电网电压减小时,能快速强行励磁,提高系统稳定性.发电机突然甩负荷时能快速减磁，限制电压过高当电机内部发生短路故障时,能快速灭磁.运行可靠,维护方便,简单,经济.多台并联运行时，能够成组配合调节无功功率.直流励磁机励磁系统交流励磁机整流励磁系统静止整流励磁旋转整流励磁2、励磁系统分类三、同步电机的励磁系统

直流励磁机与同步发电机同轴最常用直流并励发电机;也有采用它励直流发电机一般带有自动电压调节器（1）直流励磁机励磁系统注：红色为转动部件（2）交流励磁机整流励磁系统1）静止整流励磁系统(他励)交流励磁机与整流装置相配合又可分为静止整流励磁和旋转整流励磁无电刷和集电环，系统运行可靠，励磁容量高2）旋转整流励磁系统(无刷励磁系统)主励磁机采用旋转电枢式三相同步发电机无电刷和集电环，运行可靠，适用于防燃防爆场合但灭磁时间常数大，转子绕组保护困难四、同步电动机从电网吸收电能转变为其他机械动力的同步电机，称为同步电动机。同步电动机是一种定子绕组用三相交流电励磁以建立旋转磁场，转子绕组用直流电流励磁以建立转子磁场，这样双边励磁的交流电动机。其工作实质是定子的旋转磁场以磁拉力拖着转子磁场一同旋转。它们之间没有相对运动，所以称“同步”(相对异步而言)。同步电动机的功率因数，可通过调节励磁电流进行调节。它不但可把功率因数调节到1，还可以调节到超前，对改善电网的功率因数有重要意义。同步电动机转速为恒定值，不受负载变动的影响。功率范围一般在250KW到1万KW以上，电压有3kV、6kV和10kV几种，转速范围从100r／min到3000r／min。一般用于不调速(或恒速)机械。1.同步电动机功率因数的调节同步电动机的有功功率取决于负载。而同步电动机的功率因数是超前还是滞后，取决于电动机励磁状态。若在调节无功功率时，假定电动机的有功功率不变（电动机的负载不变），于是：1）当I与U同相，φ＝0，即cosφ=1.0。此时电动机的无功功率为零，此时的电枢电流为最小值，所对应的励磁电流我们叫做正常励磁电流。DABC

2）增加励磁电流，则空载电动势E0相应增加，电枢电流由I1,I2,电动势变化到E02，此时整个系统出现了无功电流，并且是超前，即此时电动机将吸收超前的无功功率，整个状态我们称之为过励。DABC3）减小励磁电流，则电动势亦减小（在正常励磁电流对应的情况下）此时电流滞后电压，即吸收一滞后的无功功率，整个状态我们称之为欠励。

对于电动机无功功率的调节，可以通过对励磁电流的调节实现。。DABC2、同步电动机的V型曲线将不同励磁电流及与其对应的电枢电流画成曲线，此曲线称V形曲线，曲线的最低点对应的cosφ=1.0，电枢电流最小，此时的励磁电流为正常励磁电流，如果增大则进入过励，吸收容性无功（输出感性无功）；反之为欠励，吸收感性无功（输出容性无功）

。DABC同步电动机的V形曲线正常励磁滞后欠励超前过励不稳定区'emP"emP"'emP'emP"emP"'emP'emP"emP"'emPIfI0If0同步电动机在过励时，能够从电网吸入超前电流。可以使供电系统的功率因数提高。同步电动机能够改善电网的功率因数，这是同步电动机突出的优点。3、同步电动机的起动方法

同步电动机本身是没有起动转矩的，所以通电以后，转子不能自行起动。

转子绕组加入直流励磁以后，在气隙中生成静止的转子磁场。当在定子绕组中能入三相交流电以后，在气隙中则产生旋转磁场。定、转子磁场之间存在有相对运动，转子上的平均转矩为零，所以同步电动机不产生起动转矩。

同步电机起动方法有：（1）在转子上加笼型起动绕组法，即异步启动法。（2）采用辅助起动法，即用异步电动机或其他动力机械将同步电动机带到其亚同步速后再接通电源。（3）采用调频起动法，使电动机转速始终等于同步速。（1）异步起动法

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阻尼绕组作为起动绕组。

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，构成笼型起动绕组，如下图所示。这种在转子上加笼型起动绕组的方法称为异步起动法。

启动原理与过程：

在起动前，先将励磁绕组经过电阻(附加电阻RM)短接，如下图所示。这样可防止刚开始转动时，励磁绕组切割磁力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，定子与笼型起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把转子拉到同步转速。

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，转子起动绕组中也就没有感应电流了，此时起动绕组就完成了起动任务。另外，如果电动机容量较大，起动时定子绕组中的电流会很大，为了限制起动电流，应该采用恰当的起动方法，如降压起动法等。

（2）辅助起动法

如果同步电动机中没有设起动绕组，可以用辅助起动法解决起动问题。就是用一台异步电动机或其它动力机械(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％。起动时，先由辅助电动机将主机拖到接近同步转速，再用自同步法将其投入电网，然后切断辅助电动机电源。

注：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。异步机起动后，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。

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，在起动过程中，主机励磁电流要由直流电网供电。

（3）调频起动法

调频起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到额定同步转速。在起动的整个过程中，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。4、同步电动机的无刷励磁

同步电动机具有过载能力强、功率因数高、转速不变以及转矩受电源电压影响较小等优点，尤其是应用无刷励磁技术的同步电动机取消了滑环，无火花产生和简化了操作及维护程序，广泛应用在石油、化工等易然易爆的场所，无刷励磁已成为今天同步电动机主要的励磁方式。

（1）无刷交流励磁机的设计特点

无刷励磁所用交流励磁机为静止磁场，旋转电枢型式的多极同步发电机，其负载特性随同步电动机所带负荷的大小而变化。因此设计时要按同步电动机的最大励磁进行。交流励磁机应有线性的工作特性、磁路工作点设计在非饱和区，并能满足系统的强励倍数要求。

交流励磁机的负载为旋转整流桥，其电枢电感阻止整流电路中电流的变化，使得换相不能瞬时完成，形成重叠角。在此期间，交流励磁机处于两相短路状态，因此，交流励磁机设计时为了减小换相压降，须限制换向电抗在0.15~0.2之间，换相重叠角为30~40°。一般说来，改善无刷同步电动机励磁系统的动态特性，应当减小交流励磁机这一级的时间常数，最有效的设计途径是提高交流励磁机的频率和极对数。工程设计时，也要遵循整个机组结构上的影响和约束，系列化的交流励磁机设计往往需要反复校验才能够完成。

（2）同步电动机无刷励磁线路无刷励磁线路中的快速熔断器有以下作用：保护回路中的整流元件。保护交流励磁机。