同步电动机异步起动法分析

    杨勇

    摘 要：本文阐述了同步电动机的工作原理及异步起动原理，对同步电动机异步起动过程转矩特性做了比较详细的分析，说明了同步电动机异步起动方法具有一定的实用性以及科学性。

    关键词：同步电动机；异步起动法

    在我国的厂矿企业中，除了异步电动机，同步电动机的应用也是相当广泛的。同步电动机主要应用于矿山、化工、燃料等工业企业中各种空气压缩机、矿山球磨机、水泥厂管磨机以及水利工程中巨型水泵等的拖动。异步起动法是同步电动机起动采用比较多的方法，将同步电动机转子上开槽装上阻尼绕组，用与起动鼠笼型异步电动机相类似的方法对同步电动机进行起动，由于这一方法无须起动设备，因此得到了非常广泛的应用。

    1 分析同步电动机工作的原理

    在同步电动机当中的定子和异步电动机的定子是相同的，其中的定子经三相对称绕组再通入三相交流电流，以定子为中心形成旋转的磁场，旋转方向取决于电流的相序，转速的大小为同步转速。转子中装有直流励磁绕组，并通入直流电流，形成对转子自身进行相对运动的一个恒定磁场，转子的磁极被外力推动以同步转速与定子旋转磁场同步旋转时，定子磁场与定子选择的转子磁极相互吸引产生磁拉力，转子磁极与定子旋转磁场可同速同相旋转起来，此时可取消外加推力，由于转子的转速同定子旋转磁的转速是相等的，因此被称之为同步电动机。

    2 对同步电动机的异步起动原理的分析

    同步电动机在起动时，励磁绕组会最先通过电阻短路，之后会将定子绕组与三相交流电源相接，转子起动绕组中定子旋转磁场会形成电流及感应电动势，与此同时转子起动绕组并同定子旋转磁场形成相互的作用而产生异步电磁转矩，当同步电机起动时，转速上升并接近同步转速，达到95%左右时，励磁绕组被接到直流电源上，转子会建立起励磁磁场，这样转子磁场与定子旋转磁场的转速非常接近，这两个磁场相互吸引，便将转子牵入同步。

    3 分析同步电动机异步起动的过程中转矩的特性

    在同步电动异步起动的过程当中包括四个转矩：第一，单轴转矩；第二，起动绕组形成的异步转矩；第三，凸极转子直、交轴磁阻不等而形成的磁阻转矩；第四，励磁后形成的同步转矩。

    转矩1，其半速附近时正值会变成负值，这对于起动极为不利，一定要进行限制。以下就略大于半速时的负转矩进行说明，起动时，其实是有三相定子绕组以及单相转子绕组而组成的异步电动机，转子绕组形成的脉振磁场会被分解成两个旋转磁场即正向和反向。正转分量同定子旋转磁场形成相对静止的一对，它们的相互作用则形成了异步电动机的异步转矩，反转分量在定子绕组中形成的电流则会形成旋转磁场。转子磁场旋转分量与定子磁场形成相对静止的另一对磁场，也可认为是另外一台异步电动机，而其原边是转子，副边是定子，联合后又形成了另一组异步转矩。这种异步转矩被称之为单轴转矩，因受其影响，电动机的合成转矩将在半速时明显的下降。

    第二种转矩就是普通的异步转矩，可以认为异步电动机全部相同。通过最初起转矩以及名义牵入转矩的大小，可以体现出同步电动机起动性能的好与坏。名义牵入当转矩变小时，起动的转矩则会变大，它们有着一定的矛盾。可以用紫铜来做牵入转矩要求较大而起动转矩又较小的拖动鼓风机等负载电机的绕组，对于起动转矩要求大，而牵入转矩较小的拖动连续轧钢机等设备的电机，可使用电阻的系数相对较高的黄铜做起动绕组。

    第三、四种转矩则全是同步转矩，对于电动机自异步状态牵入同步运行的过程中具有决定性的作用。由于异步转矩的作用，电动机会被带动为同步转速95%左右，这样的低转差率下，磁阻转矩已经起到了一定的作用。但转子还未励磁，其磁极并没有固定的极性，只是由定子磁场的磁化来定。因磁阻转矩在异步转矩上加了周期性的一个交变分量，转子的转速受其影响则会发生振荡，在励磁投入以前的那一段曲线。显然可见，定子相对同转子滑过某个极距，这时磁阻转矩便变化为一个周期。电动机轴上一旦负载过重，靠磁阻转矩根本无法将电动机牵入同步。

    接励磁电流在同步转速在达到95%左右时，其转子磁极的极性便能够确定，转速如发生振荡则会有所不同，一旦转子较定子等效磁极落后，其极性在相同情况会便会形成减速转矩，其极性相反情况下则会形成加速转矩；转子在超前定子时出现的状况则相反。因此，定子相对转子过的情况下，转矩则会变化一个周期，该转矩导致的转速振荡的周期会较磁阻转矩导致的大一倍。因其周期很长，转矩值较磁阻转矩又强很多，转化的变化也较大。转速瞬时值有可能会超过同步转速，减速时会回到同步转速时，因整个转矩的作用，在衰减振荡以后，转子便能够牵入同步。因此，轴上负载越轻，较易使电机牵入同步。当容量小惯性较小时，单靠磁阻转矩也常可牵入同步。

    5 结语

    生产机械对于起动的要求各不相同，像离心式通风机等这一类生产机械，对于转动转矩倍数要求不高，不需要太大，但对于起动转矩倍数却要求较高；像直流发动机的原动机则又不同，它需要在空载的情况下起动并牵入，因此对于起动转矩倍数以及牵入转矩倍数都要求不高。实际应用中，必须按照生产机械具体的要求去选择电动机。无论是哪种起动方法，都要确保同步转速下异步转矩较同步电动机静负载转矩大，不然异步转矩转子将不能够加速到亚同步的转速及以上，便会产生同步电动机牵入困难。

    参考文献：

    [1] 杨宗豹主编.电机及拖动基础[M].冶金工业出版社，2003.