同步电动机的运行工况优化

同步电动机只有同步转速一种工作速度，而且同步电动机没有起动能力，通常采用的起动方法有：

1.辅助电动机起动法

选用和同步电动机极数相同的异步电动机，容量为主机的5%～15%作为辅助电动机，将主机拖到准同步转速，然后主机用自整步法投入电网运行，再退出辅助电动机。此法不能在负载状态下起动。

2.变频起动法

定子接入变频器，改变定子旋转磁场转速，励磁绕组正常接通，逐渐升高变频器的频率，直到额定额率、额定转速。此方法需要变频电源，投资较大。对于风机类负载，变频器还可以起到调速节能的作用。

3.异步起动法

大多数的同步电动机转子装有类似异步电动机笼型绕组的笼条型阻尼绕组，可以利用这个阻尼绕组作为异步起动绕组（机械特性见图3-24的曲线2）。当定子接通电源时，起动绕组中的电流产生使转子转动的异步转矩，并沿着异步机械特性曲线2加速至准同步转速的a点，这时投入励磁，就可以利用自整步法将转子牵入同步，工作点移到b点。这种异步起动法简单易行，比较流行。

起动绕组不能长时间运行（一般小于20～30s），当同步电动机稳定运行在同步转速时，起动绕组和定子旋转磁场相对静止，没有电流流过。当同步电动机轴上的负载发生变化时，转速偏离同步转速，这时起动绕组切割定子旋转磁场，有电流流过，起到使动态过程趋于稳定的阻尼作用。

图3-27 单轴转矩对于同步电动机起动时的影响

同步电动机的异步起动过程是一个比较复杂的物理过程。在整个起动过程中，转子会受到多种转矩的作用，而在励磁投入前，起主要作用的就是由起动绕组所产生的异步转矩和由励磁绕组引起的单轴转矩。异步转矩的T-s曲线与普通笼型异步电动机相同，如图3-27中的虚线所示。单轴转矩是励磁绕组在定子旋转磁场作用下产生的转矩。异步转矩和单轴转矩之和就是合成的起动转矩。合成的起动转矩在s=0.5附近发生明显的下凹，形成一个最小转矩T_min，有可能将电动机转速“卡住”在半同步转速附近而不能继续升速。因此，为了限制单轴转矩对起动的不利影响，励磁绕组不能短路。通常的做法是在励磁回路中串入10倍于励磁绕组电阻值的限流电阻，尽量减小励磁绕组中的感应电流。在起动时，励磁绕组也不能开路，如果励磁绕组开路，因为这时转差率很大，感应电动势很高，可能破坏绕组的绝缘。(www.xing528.com)

异步起动使同步电动机达到准同步转速，为了把转子拉入同步，这时需要靠同步转矩起作用，在电动机转子转速达到准同步转速后，应及时给直流励磁绕组加入励磁电流。在加上励磁电流后，转子磁极有了确定的极性，在半个周期内旋转磁场对转子一直是拉力，这一转矩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牵入到同步转速。电动机轴上负载越轻，电动机就越容易牵入同步。

异步起动法需要降低定子侧的电压，一般采用晶闸管软起动器或者水电阻减低定子电压。

工业用大型同步电动机必须有独立的直流励磁装置。励磁装置分为三类：第一类是采用直流发电机提供励磁电流；第二类是交流整流励磁装置；第三类是无刷励磁装置。

直流发电机励磁装置是一种经典的励磁方式。直流发电机与同步发电机同轴旋转，或者采用另外的专用电动机带动直流发电机旋转。输出的直流电流经电刷、集电环输入同步电动机的转子励磁绕组（见图3-28a）。

交流整流励磁装置是通过晶闸管整流器将交流电变为直流电后提供励磁电流（见图3-28b），其优点是消除了直流发电机的整流子和电刷的火花。

图3-28 同步电动机励磁方式

最近比较流行的是无刷励磁装置。把建立励磁电压的旋转电枢式同步发电机G和同步电动机SM同轴连接。二极管整流器、辅助晶闸管VTH、放电电阻R₂、R₃也都放置在同步电动机轴上，与轴同时旋转。改变同步发电机G的励磁电流，就可以调节同步电动机M的励磁电流。当转速达到准同步转速时，断开放电回路，接通直流励磁电源，将电动机牵入同步转速。由于省却了同步电动机的集电环和电刷，故称之为无刷励磁。

如果采用晶闸管整流器作为励磁装置，在起动时励磁绕组必须接入放电电阻及其控制的晶闸管。