摘要：同步電動機可以通過調節其勵磁電流來改善電網的功率因數，因而在不需要調速的低速大功率機械中得到較廣泛的應用。隨著變頻技術的不斷發展，同步電動機的起動和調速問題都得到了解決，從而進一步擴大了其應用範圍。
本文先介紹了同步電機及同步電動機的工作原理，而後就同步電動機的非同步起動和變頻起動進行了simulink**，並作簡要分析。
關鍵字：同步電機，同步電動機，非同步起動，變頻起動，**分析
1 同步電機的基本原理
同步電機和感應電機一樣是一種常用的交流電機。特點是穩態執行時，轉子的轉速和電網頻率之間有不變的關係n=ns=60f/p，ns稱為同步轉速。若電網的頻率不變，則穩態時同步電機的轉速恒為常數而與負載的大小無關。
同步電機分為同步發電機和同步電動機。現代發電廠中的交流電機以同步電機為主。
1.1工作原理
主磁場的建立：勵磁繞組通以直流勵磁電流，建立極性相間的勵磁磁場，即建立起主磁場。
載流導體：三相對稱的電樞繞組充當功率繞組，成為感應電勢或者感應電流的載體。
切割運動：原動機拖動轉子旋轉（給電機輸入機械能），極性相間的勵磁磁場隨軸一起旋轉並順次切割定子各相繞組（相當於繞組的導體反向切割勵磁磁場）。
交變電勢的產生：由於電樞繞組與主磁場之間的相對切割運動，電樞繞組中將會感應出大小和方向按週期性變化的三相對稱交變電勢。通過引出線，即可提供交流電源。
交變性與對稱性：由於旋轉磁場極性相間，使得感應電勢的極**變；由於電樞繞組的對稱性，保證了感應電勢的三相對稱性。
圖1 同步電機的三種執行狀態
a)發電機 b)補償機 c)電動機
1.2執行方式
同步電機的主要執行方式有三種，即作為發電機、電動機和補償機執行。 作為發電機執行是同步電機最主要的執行方式，作為電動機執行是同步電機的另一種重要的執行方式。同步電動機的功率因數可以調節，在不要求調速的場合，應用大型同步電動機可以提高執行效率。
近年來，小型同步電動機在變頻調速系統中開始得到較多地應用。 同步電機還可以接於電網作為同步補償機。這時電機不帶任何機械負載，靠調節轉子中的勵磁電流向電網發出所需的感性或者容性無功功率，以達到改善電網功率因數或者調節電網電壓的目的。
分析表明，同步電機執行於哪一種狀態，主要取決於定子合成磁場與轉子主極磁場之間的夾角δ，δ稱為功率角。
若轉子主磁場趨超前於定子合成磁場，δ＞0，此時轉子上將受到乙個與其旋轉方向相反的制動性質的電磁轉矩，如圖1a)所示。為使轉子能以同步轉速持續旋轉，轉子必須從原動機輸人驅動轉矩。此時轉子輸入機械功率，定子繞組向電網或負載輸出電功率，電機作發電機執行。
若轉子主極磁場與定子合成磁場的軸線重合，即δ＝0，則電磁轉矩為零，如圖1b)所示。此時電機內沒有有功功率的轉換，電機處於補償機狀態或空載狀態。
若轉子主極磁場滯後於定子合成磁場，即δ＜0，則轉子上將受到乙個與其轉向相同的驅動性質的電磁轉矩，如圖1c)所示。此時定子從電網吸收電功率，轉子可拖動負載而輸出機械功率．電機作為電動機執行。
1.3基本結構
同步電機按其結構型式可分為旋轉電樞式和旋轉磁極式兩種。在實際應用中，需要通過滑環將電功率自轉子部分匯入或者引出。由於同步電機的電樞功率極大，電壓較高，因而不容易由滑環匯入或引出。
由於勵磁繞組的功率與電樞的功率相比，所佔比例較小，勵磁電壓通常又較低，因此使磁極旋轉，通過滑環為勵磁繞組供電容易實現。因此旋轉電樞式只適用於小容量同步電機，同步電機的基本結構形式是旋轉磁極式。同步電機的基本結構與直流電機和非同步電機相同，都是由定子與轉子兩大部分組成。
圖2旋轉電樞式同步電機圖3旋轉磁極式同步電機
a)隱極式b)凸極式
1.3.1定子
由鐵心、電樞繞組、機座以及端蓋等結構件組成。
定子鐵心是構成磁路的部件，一般採用矽鋼片疊裝而成，以減少磁滯和渦流損耗。定子衝片分段疊裝，每段之間有通風槽片，以構成徑向通風。大型同步電機由於尺寸太大，矽鋼片常為扇形衝片，然後組裝成圓形。
電樞繞組為三相對稱交流繞組，多為雙層繞組，嵌裝在定子槽內。
定子機座是支承部件，用於安放定子鐵心和電樞繞組，並構成所需的通風路徑，因此要求它有足夠的剛度和強度。大型同步電機的機座都採用鋼板焊接結構。
端蓋的作用與非同步電機相同，將電機本體的兩端封蓋起來，並與機座、定子鐵心和轉子一起構成電機內部完整的通風系統。
1.3.2轉子
與非同步電機轉子結構不同，通常由轉子鐵心、轉軸、阻尼繞組、勵磁繞組和滑環等組成。同步電機的轉子結構有兩種型別，可分為隱極式和凸極式兩種。
隱極式轉子如圖3a)所示，轉子呈圓柱形，無明顯的磁極。隱極式轉子的圓周上開槽，槽中嵌放分布式直流勵磁繞組。隱極式轉子的機械強度高，故多用於高速同步電機，例如汽輪發電機。
在同步電機執行過程中，轉子由於高速旋轉而承受很大的機械應力，所以隱極式轉子大多由整塊強度高和導磁性能好的鑄鋼或鍛鋼加工而成。隱極電機的氣隙是均勻的，圓周上各處的磁阻相同。
凸極式轉子如圖3b)所示，結構比較簡單，磁極形狀與直流機相似，磁極上裝有集中式直流勵磁繞阻。凸極式轉子製造方便，容易製成多極，但是機械強度低，多用於中速或低速的場合，例如水輪發電機或者柴油發電機。凸極電機的氣隙是不均勻的，圓周上各處的磁阻各不相同，在轉子磁極的幾何中線處氣隙最大，磁阻也大。
此外，同步電機轉子磁極表面都裝有類似籠型非同步電機轉子的短路繞組，由嵌入磁極表面的若干銅條組成，這些銅條的兩端用短路環聯結起來。此繞組在同步發電機中起到了抑制轉子機械振盪的作用，稱為阻尼繞組；在同步電動機中主要作起動繞組使用，同步執行時也起穩定作用。
滑環裝在轉子軸上，經引線接至勵磁繞組，並借電刷接到勵磁裝置。
2 同步電動機
轉子轉速與定子旋轉磁場的轉速相同的交流電動機。其轉子轉速n與磁極對數p、電源頻率f之間滿足n=f/p。轉速n決定於電源頻率f，故電源頻率一定時，轉速不變，且與負載無關。
具有執行穩定性高和過載能力大等特點。常用於多機同步傳動系統、精密調速穩速系統和大型裝置(如軋鋼機)等。屬於交流電機，定子繞組與非同步電動機相同。
它的轉子旋轉速度與定子繞組所產生的旋轉磁場的速度是一樣的，所以稱為同步電動機。正由於這樣，同步電動機的電流在相位上是超前於電壓的，即同步電動機是乙個容性負載。為此，在很多時候，同步電動機是用以改進供電系統的功率因數的。
同步電動機在結構上大致有兩種：
1、轉子用直流電進行勵磁。它的轉子做成凸極式的，安裝在磁極鐵芯上面的磁場線圈是相互串聯的，接成具有交替相反的極性，並有兩根引線連線到裝在軸上的兩隻滑環上面。磁場線圈是由乙隻小型直流發電機或蓄電池來激勵，在大多數同步電動機中，直流發電機是裝在電動機軸上的，用以**轉子磁極線圈的勵磁電流。
由於這種同步電動機不能自動啟動，所以在轉子上還裝有鼠籠式繞組而作為電動機啟動之用。鼠籠繞組放在轉子的周圍，結構與非同步電動機相似。
當在定子繞組通上三相交流電源時，電動機內就產生了乙個旋轉磁場，鼠籠繞組切割磁力線而產生感應電流，從而使電動機旋轉起來。電動機旋轉之後，其速度慢慢增高到稍低於旋轉磁場的轉速，此時轉子磁場線圈經由直流電來激勵，使轉子上面形成一定的磁極，這些磁極就企圖跟蹤定子上的旋轉磁極，這樣就增加電動機轉子的速率直至與旋轉磁場同步旋轉為止。
2、轉子不需要勵磁的同步電機
轉子不勵磁的同步電動機能夠運用於單相電源上，也能運用於多相電源上。這種電動機中，有一種的定子繞組與分相電動機或多相電動機的定子相似，同時有乙個鼠籠轉子，而轉子的表面切成平面。所以是屬於凸極轉子，轉子磁極是由一種磁化鋼做成的，而且能夠經常保持磁性。
鼠籠繞組是用來產生啟動轉矩的，而當電動機旋轉到一定的轉速時，轉子凸極就跟住定子線圈的電流頻率而達到同步。凸極的極性是由定子感應出來的，因此它的數目應和定子上極數相等，當電動機轉到它應有的速度時，鼠籠繞組就失去了作用，維持旋轉是靠著轉子與磁極跟住定子磁極，使之同步。
3 同步電動機的起動
3.1同步電動機為什麼不能直接起動？
同步電機僅在同步轉速時才能產生恆定的同步電磁轉矩。起動時若把定子直接投入電網，轉子加上直流勵磁，則定子旋轉磁場以同步轉速旋轉，而轉子磁場靜止不動。定、轉子磁場之間具有相對運動，所以作用在轉子上的電磁轉矩快速地正、負交變，平均轉矩為零，電機不能自行起動。
因此，要把同步電動機起動起來，必須借助於其它方法。
3.2同步電動機的非同步起動
多數同步電動機都用非同步起動法來起動。為此，在電動機的主極極靴上裝設起動繞組（相當於感應電動機轉子上的籠型繞組）。
同步電動機非同步起動時的線路如圖4所示。起動時，先把勵磁繞組接到限流電阻，然後接到三相交流電網。這洋，依靠定子旋轉磁場和轉子起動繞組中感應電流所產生的非同步電磁轉矩，電機便能起動起來。
待轉速上公升到接進於同步轉速時，再將勵磁電流接入勵磁繞組，使轉子建立主磁場；此時依靠定、轉子磁場相互作用所產生的同步電磁轉矩，再加上凸極效應所引起的磁阻轉矩，通常便可將轉子牽人同步。一般來講，負載越輕，加人直流勵磁時電動機的轉差率越小，就越易進入同步。
圖4 同步電動機非同步起動時的線路圖圖5同步電動機非同步起動時的轉矩曲線
起動繞組所產生的轉矩te(起動)類似於感應電動機的非同步電磁轉矩，如圖5所示。當轉速達到0.95ns（即轉差率＝0.
05）時，起動繞組所產生的非同步轉矩值稱為牽人轉矩。起動時，要求起動轉矩tst大，牽入轉矩tpi也要大。
非同步起動時，勵磁繞組不能開路，否則定子旋轉磁場會在匝數較多的勵磁繞組中感應出高電壓，易使勵磁繞組擊穿或引起人身事故。但也不能直接短路，否則勵磁繞組（相當於乙個單相繞組）中的感應電流與氣隙磁場相作用，會產生顯著的「單軸轉矩」te(單軸)，使合成電磁轉矩te在0.5ns附近產生明顯的下凹（見圖5），使過載起動時電動機的轉速停滯在0.
5ns附近而不能繼續上公升。為減小單軸轉矩，可在勵磁繞組內接人乙個限流電阻，其阻值約為勵磁繞組本身電阻的5～10倍。
3.2.1同步電動機非同步起動的simulink**
圖6 同步電動機非同步起動的**模型
圖7 同步電動機非同步起動的**結果
這個模型演示了乙個60kva 400v 50hz的同步電動機的非同步起動過程。在這個模型中，勵磁電流（idf）和增益模組（r_start）用於實現勵磁繞組的電阻聯結。通過在t =0.
1s關閉斷路器，電機由空載起動。 開始勵磁繞組連線乙個2倍標么值的電阻，當轉子轉速達到0.99倍標么值時，「r_start」電阻器從勵磁繞組端斷開，並由額定的勵磁直流電源取代。
同時，一秒內機械功率從零增加到50％額定機械功率（即pm= -0.5pu）。在大概t=1.
3s時，電動機鎖定在同步轉速。
同步電動機的工作原理
同步電動機 轉子轉速與定子旋轉磁場的轉速相同的交流電動機。其轉子轉速n與磁極對數p 電源頻率f之間滿足n f p。轉速n決定於電源頻率f，故電源頻率一定時，轉速不變，且與負載無關。具有執行穩定性高和過載能力大等特點。常用於多機同步傳動系統 精密調速穩速系統和大型裝置 如軋鋼機 等。同步電動機是屬於交...
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bl c 5803 dl 05 2004 編制 李邁群 審核 檢維修中心 2005年3月 第一章概述 第一節適應範圍和一般要求 第1條本規程適用於化肥系統的同步電動機。第2條在每台同步電動機及附屬裝置上均有定額銘牌。第3條每台同步機均應按各規定的次序編號，同步電動機的附屬裝置如礪磁裝置，輔助機盤等均...
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