姜巍
佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯（154002）
摘 要 本文介绍了同步电动机阻尼绕组的作用和选择时的注意事项以及灭磁电阻在电动机启动及运行过程中的运行机理，最后介绍了几种常见的同步电动机的启动方式，给出了电动机异步启动过程的启动时间计算公式，具有实际的工程使用意义。
关键词 灭磁电阻、阻尼绕组；增安型；启动方式；
Rotor structure and starting mode of synchronous motor
Jiang Wei
Jiamusi Electric Machine Co., Ltd., Jiamusi (154002)
Abstract This paper introduces the function of damping winding of synchronous motor and the precautions in selection, and the operation mechanism of de excitation resistance in the process of motor start and operation. Finally, it introduces several common starting modes of synchronous motor, and gives the formula of starting time in asynchronous starting process of motor, which has practical engineering significance.
Keywords excitation resistance ;damping winding; increased safety type; starting method
0引言
同步电动机以其转速恒定、功率因数可调整的特性被广泛应用在石油、矿山、钢铁、化工等行业，同步电动机按结构类型分类分为有刷励磁和无刷励磁两大类，无刷励磁以其免维护且可使电机运行在防爆区域的特性而越来越受到欢迎，同步电动机与传统异步电动机相比其主要区别在于转子结构，下面对转子上主要零部件的结构设计要点以及主要作用一一介绍。
1阻尼绕组的安装方式及作用
一般大中型同步电动机的转子上，除装有励磁绕组外，还装有阻尼绕组。阻尼绕组与鼠笼式异步电动机的转子笼型结构相似，整个阻尼绕组由插入极靴孔内的铜条和端接短路铜环焊接组成。阻尼绕组主要有两个作用。其一是在同步电动机异步起动时，同鼠笼式异步电动机那样，利用阻尼绕组中的感应电流和定子旋转磁场相互作用，产生异步起动转矩，使同步电动机起动起来。所以又称阻尼绕组为起动绕组。其二是在同步电动机运行中发生振荡时，转子与旋转磁场之间有相对运动，阻尼绕组中便产生感应电流，这个电流与磁场相互作用产生阻止转子相对旋转磁场运动的转矩，从而减弱同步电动机的振荡，这就是“阻尼”的含义。
此外，在同步电动机发生三相不对称运行时，由于负序磁场以两倍的同步转速在气隙中掠过转子表面，使转子表面发热并引起转子振动，如果在转子上装有阻尼绕组，就可显著地削弱负序磁场的影响。
顺便指出，在同步电动机发生三相突然短路时，阻尼绕组的“屏敲作用”将使定子短路电流变得更大，产生很大的电磁冲击力，阻尼绕组运行温度与其本身的结构强度也有着密切的关系，在设计时也应进行考虑。
对于增安型同步电动机来说，阻尼绕组的设计除了满足基本的结构强度需求外，还应考虑到转子的tE时间，过少的阻尼绕组用铜量会使得阻尼绕组热容量大幅降低，启动或堵转状态下导致温度超过所在爆炸性气体环境的温度组别，影响电机的使用安全。
2灭磁电阻的作用及选择
同步电动机在运行过程中，励磁绕组内储存的磁场能量很大。根据电工基础中的换路定律，电感线圈中的磁场能量不能突变，同步电动机正常或事故停车时，如果励磁绕组开路，将在励磁绕组两端产生很高的感应电压，就有可能击穿转子绝缘和损坏励磁装置。所以，在这种情况下，应尽快熄灭转子磁场。通常采用的方法是经过一个电阻将励磁绕组短接，把储存在励磁绕组中的能量消耗在电阻上。这个电阻一般称为灭磁电阻。
灭磁电阻的阻值越大，灭磁时间越短，但励磁绕组两端的感应电压越高。为了限制感应电压不超过允许值，一般取灭磁电阻的大小为励磁绕组本身电阻的5~10倍左右。
在同步电动机异步起动时，励磁绕组不能开路，否则，起动时励磁绕组内将感应危险的高压、击穿绕组绝缘，引起人身事故。但是，励磁绕组也不能直接短路。如果直接短路，则会在励磁绕组中产生较大的感应电流，励磁绕组(此时相当于一个单相绕组)中的感应电流，与定子三相旋转磁场相互作用，将产生较大的单轴转矩。单轴转矩的特点是，在转差率s=0.5的附近产生一个负的转矩。由于单轴转矩的影响，使得电动机的合成转矩在s= 0.5附近明显减小，出现最小转矩。如果起动时电机所拖动的负载较重，超过了这个最小转矩，则电动机会在一半同步转速附近被“卡住”，而不能继续升速。
同步电动机的起动过程都是用自动控制线路来实现的。目前广泛采用晶闸管整流励磁。除了自动控制起动外，还可以顺极性投励。灭磁电阻一般都装设在同步电动机的励磁装置上，当电机异步起动、停车或发生失步事故时，通过励磁装置的灭磁控制电路将灭磁电阻自动串入励磁绕组回路。如果启动时间过长，灭磁电阻上将有大量能力蓄积，在有效的时间内不能散出，会导致电阻温度升高甚至烧毁，通常灭磁电阻在标定电流下的允许运行时间为25s左右。
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。其原因可以这样理解，当定子三相绕组与电网接通时，三相电流就要产生旋转磁场，其转速为同步转速。这时，已被励磁的静止转子将会受到与旋转磁场转向相同的牵引转矩，如图1(a)所示。由于转子及其拖动的生产机械均有惯性，旋转磁场转得又快，当转子还未来得及转动时，旋转磁场已转过180°电角度，如图1(b)所示，转子又受到与旋转磁场转向相反的排斥转矩。每当定子电流变化一个周期，转子所受的转矩也变化一个周期，结果使转子受到的平均转矩为零。因此，同步电动机不能自行起动，通常采用的方法有以下几种。
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图1 工频启动已经励磁的转子
3.1 辅助电动机起动法
采用辅助电动机起动法时，一般选用和同步电动机具有相同极数的小型异步电动机或不同极数的变频电动机作为辅助电机。将辅助电机投入电网，它拖动同步电动机到达亚同步转速(约95%同步转速)时，在无励磁和励磁绕组未串入灭磁电阻的情况下，把同步电动机投入电网，再立即给转子加上直流励磁，即可把转子自动地拉入同步。
该方法不宜用来起动带有负载的同步电动机，除非采用大容量的辅助电机，这显然是不经济的。因此，辅助电动机起动法一-般只用于电动-发电变流机组或大型同步调相机以及有必要限制起动电流的大型同步电动机。
3.2调频同步起动法
调频同步起动法需要有一套调频电源，来改变同步电动机定子电流的频率。开始起动时，先给转子加上直流励磁。把调频电源的频率调得很低，使定子三相电流所产生的旋转磁场转得极慢，定、转子磁极之间能产生一定的平均同步转矩而不致滑极，转子便在低频率下缓慢地同步旋转。然后，逐渐调高定子电流的频率，直至额定频率为止。这样，转子的转速将随着定子旋转磁场旋转速度的逐步上升而同步地上升，直至达到额定转速。
调频同步起动法的缺点是起动技术较复杂，起动设备成本较高。此法适用于大容量高速同步电动机，尤其在负载转矩及转动惯量都很大的情况，更为适用，另一个是对启动电流要求严格且启动转矩需求较大的场合。
3.3异步起动法
一般大、中型同步电动机的转子上都装有阻尼绕组，亦称起动绕组。对于这类电机，普遍采用异步起动法来起动。同步电动机的异步起动过程是，先把励磁绕组经过灭磁电阻短接，然后把定子投入交流电网，电机定子与起动绕组构成一个鼠笼式异步电动机、依靠定子旋转磁场和转子起动绕组内感应电流的相互作用产生起动转矩，使转子开始加速。当转子升速到亚同步转速时，切除灭磁电阻，给转子励随绕组通入适当的励磁电流，靠同步转矩将转子自动牵入同步，以同步转速运行。
同步电动机异步起动时，可以全压起动，也可用降压起动。选择起动方法必须从电网容量、电动机的特性以及负载机械特性三方面来考虑。在条件许可的情况下，应优先考虑采用全压异步起动。
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由式(14-2) 可以看出，同步电动机所拖动的平均负载转矩及总飞轮转矩越大，起动的时间就越长;起动转矩、牵入转矩越大，起动电压就越高，起动时间也越短。对于拖动风机类大飞轮力矩的负载时，有时即使采用实心磁极结构，其启动过程中产生的热量也会使转子极靴温度迅速升高，强度下降，甚至发生转子结构损坏，出现定转子相刮擦的情况。
4结束语
同步电动机阻尼绕组在结构允许的情况下应尽量增强，这样在启动、运行过程中可以更好的维持电机的稳定，另外热容量的增加会使阻尼绕组的温升维持在较低水平，当同步电动机使用在防爆场所时，使温升不会超过温度组别；对于拖动风机类大飞轮力矩的负载时，有时即使采用实心磁极结构，其启动过程中产生的热量也会使转子极靴温度迅速升高，强度下降，甚至发生转子结构损坏，出现定转子相刮擦的情况。因此，同步电动机转子设计时需要充分考虑负载类型、启动方式、启动电压、负载阻力矩的情况，这样才能获得更优的结构，以延长电动机的使用寿命。
参考文献
[1] 大型电机机械计算公式 电指（DZ）21～24-63[M]，大电机研究所，1965.
[2] E·维德曼 ，W·克伦贝格尔.电机结构[M].北京，机械工业出版社，1976.
[3] GB 3836.3-2010《爆炸性环境 第3部分：由增安型“e”保护的设备》.
作者简介：姜巍，男，1988年生，毕业齐齐哈尔大学机械设计制造及其自动化专业，现从事电机设计工作。