同步电动机的起动

1.同步电动机起动方法

长期以来，同步电动机起动困难是限制它广泛应用的一个重要原因。由同步电动机模型可知，它在正常工作时是靠合成磁场对转子磁极的磁拉力牵引转子同步旋转的，转子转速只有与合成磁场同步才有稳定的磁拉力，形成一定的同步转矩。同步转矩能使同步电动机正常旋转，但在非变频起动中它却无能为力，这是因为同步转矩是功角θ的函数。在非变频起动过程中，转子转速与旋转磁场转速不等，功角θ在0～360°之间不断变化，当θ在0～180°之间时，定、转子磁极相吸引，转矩起拖动作用，而当θ在180°～360°之间时，定、转子磁极相排斥，转矩起制动作用。θ角变化一个周期平均转矩为零。无法使电动机加速，所以在同步电动机恒频率起动时，起动转矩为零，不能依靠同步转矩、必须采取其他措施。同步电动机起动可有如下三种方法。

第一种起动方法是辅助电动机法，通常是用一台与同步电动机极数相同的小型异步电动机把同步电动机拖动到异步转速，然后投入电网，加入直流，靠同步转矩把转子牵入同步。这种起动方法投资大、不经济、占地面积大，不适合带负载起动，所以用得不多，个别用于起动同步补偿机。

第二种方法是变频起动，这是一种性能很好的起动方法，起动电流小，对电网冲击小，它要求有为同步电动机供电的变频电源。变频起动是在起动之前将转子加入直流，然后使变频器的频率从零缓慢上升，旋转磁场牵引转子缓慢地同步加速，直到额定转速。这种起动方法只要有变频电源是容易实现的。现在，除应用变频调速的变频电源对同步电动机进行起动外，还有专门为起动同步电动机的变频电源，这种电源把电动机起动起来后，投入电网，变频电源即被切除，因此它可以用一台变频电源分时起动多台同步电动机。这样的变频电源只在起动时短时应用，所以它的容量也可比同步电动机大为减小。

第三种方法是异步起动，这是同步电动机采用的一种方法，起动过程分为两个阶段，即异步起动和牵入同步阶段，下面我们仅对这种起动方法进行分析。

2.异步起动阶段

同步电动机转子上装有笼型绕组，主要靠它在起动的第一阶段把转子加速到正常的异步转速，这一转速通常大于同步转速的95%，也称为准同步转速。同步电动机的异步起动与笼型电动机的起动过程完全一样，只是同步电动机的笼条可以细些，容量可以小些。这是因为它只在异步起动过程中起作用，在同步运行时不切割磁场，不产生感应电动势也无电流，在同步电动机出现振荡时，笼型绕组感生的瞬时电流起稳定作用。

与异步电动机起动—样，同步电动机在异步起动阶段也要求有足够大的起动转矩倍数；有尽量小的起动电流倍数；有一定的过载能力。此外，为了能够顺利地牵入同步，它也要求在准同步转速下有一定的转矩，我们把它称为牵入转矩。

不同的生产机械对起动有不同的要求，风机、水泵类机械，对起动转矩要求不高，但希望有较大的牵入转矩，球磨机则对起动转矩有较高的要求。与笼型电动机起动一样，同步电动机异步起动时，可以直接起动，也可以减压起动，这要根据具体情况而定。

在异步起动过程中、转子直流励磁绕组如何处理也是一个值得注意的问题。这时它不能加入直流励磁电流，原因是如果加入直流励磁电流，随着转速的上升转子磁极在定子绕组中能感生出一个频率随转速变化的三相对称电动势，这个电动势的频率与电网电压的频率不相同，它通过电源变压器二次绕组构成回路，产生很大的电流，这一电流与定子绕组起动电流按瞬时叠加，使定子电流过大，这是不允许的。在异步起动过程中，直流励磁绕组也不能开路，因为直流绕组匝数很多，正常运行时旋转磁场并不切割它，而在起动过程中，特别是在低速时，旋转磁场以很高的速度切割直流励磁绕组，在其上感生很高的电动势，容易击穿绕组绝缘，对操作人员的人身安全也构成了—定的威胁，这也是不允许的。

在异步起动过程中，如果把直流励磁绕组直接短路，将产生单轴转矩。假定这时定子旋转磁动势转速为n1，转子转速为n，那么旋转磁场切割转子的速度为n1－n，旋转磁场在转子直流励磁绕组中感应电动势的频率为f2＝p（n1—n）／60＝sf1，这与异步机的情形相同，这一电动势在直流励磁绕组中产生频率为f2的单相短路电流。根据磁动势理论，它将在旋转着的转子上产生一个脉振磁动势，我们把这一脉振磁动势再分成两个大小相等、方向相反的旋转磁动势Fr＋和Fr－，分别看它们在起动过程中所起的作用。

正序磁动势Fr＋，在转子上继续向前旋转，它对转子的转速为Δn＝60f2／p＝sn1，所以Fr＋对定子的转速为n＋Δn＝n＋n1s＝n＋n1（n1－n）／n＝n1，可见它与定子旋转磁动势同速、同向旋转，产生固定的转矩，这与正常异步电动机—样，画出T＋＝f（n）曲线如图8.5.1中曲线1所示。

负序磁动势Fr－，以Δn＝sn1速度在转子上向反方向旋转，它对定子的转速为n—＝n－sn1＝n1―sn1―sn1＝n1（1－2s）。可见，Fr的转速是随s而变化的，它与定子旋转磁场转速不等，产生小的转矩周期性变化，平均转矩为零。所以Fr对定子旋转磁场的作用可以不必考虑，但由于Fr在气隙中旋转切割定子三相绕组，在定子绕组中感生一组与电网不同频率的三相对称电动势，它在定子三相绕组及供电变压器二次绕组中形成三相对称电流，这组三相对称电流产生的旋转磁场，与Fr－同速、同向旋转，两者相对静止，形成了一个反装的异步电动机（转子为一次侧，定子为二次侧），产生的转矩我们用T－表示，T－随s的变化曲线T－＝f（s）如图8.5.1中曲线2所示。当1＞s＞0.5（0＜n＜0.5n1）时，Fr－的转速n1（1－2s）为负，它力图拉着定子反向旋转，但定子不动，其反作用转矩把转子推向前进，所以在转速的这个范围里T－对转子起拖动作用，使转子加速，T－为正。当s＝0.5（n＝0.5n1）时，Fr－的转速n1（1－2s）为零，这时不切割定子绕组，T－＝0。当0.5＞s＞0（0.5n1＜n＜n1）时，Fr－的转速n1（1－2s）为正，Fr－力图拉着定子正向旋转，定子不动，反作用力把转子推向反转，T－为负，对电动机起制动作用，特别是转速在0.5n1附近时，反作用转矩很大，对电动机起动有较大影响。

把图8.5.1中的曲线1T＋＝f（s）和曲线2 T－＝f（s）相加得到的曲线3 T＝f（s）就是起动过程中的单轴转矩曲线。由图中曲线2可知，如果在起动过程中把直流励磁绕组直接短路，在转速升到1／2同步速度之后，T－出现一个很大的负值，有可能把电动机的转速卡在半速附近，升不上去达不到准同步转速，无法牵入同步，使起动失败。为克服这一缺点，将直流励磁绕组串一电阻闭合，所串电阻阻值一般为励磁绕组电阻的5～10倍。串电阻后，T＋和T—以及合成转矩T的形状都发生了变化，如图8.5.2所示，对于T＋相当于正常异步电动机转子串电阻，临界转差率sm增大，对于T－相当于把一次磁动势削弱，T—＝f（s）曲线与异步电动机降低电源电压时的机械特性相似，所以在串电阻后在半速附近T－的最大制动转矩将大为减小，在起动过程中靠鼠笼产生的异步转矩和单轴转矩中的T＋，完全可以把转子拉过这段T—制动转矩最大的区域（半速附近），使电动机达到准同步转速，并牵入同步。

图8.5.1　直流励磁绕组直接短路时的单轴转矩

图8.5.2　直流励磁绕组串电阻闭合时的单轴转矩

3.牵入同步

异步起动之后，电动机已达到准同步转速，这时笼型绕组的异步转矩虽然仍有一定数值，但不能靠它把转子拉入同步，因为由异步电动机机械特性可知，在这一段的异步转矩基本与转差率成正比，转速升高，转差率减小，转矩与之成正比地减小，到同步转速时该项转矩为零，所以不能靠它把转子牵入同步。为把转子拉入同步，这时要靠同步转矩起作用，为此在电动机达到准同步转速后，应及时给直流励磁绕组加入励磁电流，同步转矩在异步起动阶段不起加速作用，那是因为在转速较低时，旋转磁场以较高的速度扫过转子磁场，对转子推拉减半，平均转矩为零。但到准同步转速之后，情况发生了变化，这时转子转速已接近旋转磁场转速，加入直流励磁后，旋转磁场相对转子转速已经很低，功角θ由0°变到180°这段时间较长，而在这半个周期旋转磁场对转子一直是拉力，这一转矩再加上这段时间的异步转矩，完全有可能把转子由准同步转速度拉到同步转速，使电动机进入稳定的同步运行。这就是同步电动机起的第二阶段——牵入同步阶段。

牵入同步进行得是否顺利与以下几个因素有关：首先与这时的负载转矩有关，负载越轻越容易牵入；其次是与系统的转动惯量GD2有关，惯量越小加速越快，越容易牵入；再一个因素就是与加入直流励磁的瞬间有关，显然当功角θ等于零时，加入直流励磁最为有利。这时牵入的可能性最大。因此，对于负载较重、惯量较大、牵入困难的同步电动机，希望在θ为零时加入直流励磁，因而要在控制电路中加入测量功角的环节，以保证在θ过零时加入直流励磁电流。对于牵入不是很困难的同步电动机，一般不检测功角θ，随时加入直流励磁电流，也能够牵入同步。这是因为即使是在θ为180°～360°区间加入直流，开始同步转矩为负，对转子起减速作用，但因这时异步转矩还有不小的数值，减速又使异步转矩加大，它有效地抑制了减速，速度减不了多少，过一会当θ进入360°～540°区间（即进入0°～180°区间），同步转矩又起牵入作用，仍能把转子牵入同步。

如果牵入同步有困难，还有一个办法，那就是加大直流励磁。加大直流励磁电流，可以加大E0，从而加大同步转矩，有利于牵入同步。

综上所述，同步电动机的异步起动法，是先进行异步起动，然后牵入同步，达到同步后电动机进入稳定运行状态，起动结束。