同步电动机是效率最高的电动机之一。控制其功率因数的能力使其非常需要，特别是对于低速驱动器。本文将讨论同步电动机的结构、工作原理、类型、特点、起动方法、应用、模型相量图、优缺点。
什么是同步电动机
同步电机是一种交流电机，其中，在稳定状态下，轴的旋转与供电电流的频率同步;旋转周期正好等于交流周期的整数。
图1 -同步电机
这些电动机的定子上装有多相交流电磁铁，产生的磁场随线路电流的振荡而及时旋转。在同步电动机的转子和定子上分别安装独立励磁的多相交流电磁铁，即为双馈电动机。
同步电机结构
结构与其它电机相同。定子和转子是同步电动机的主要部件，机架是外壳，定子和转子构成同步电动机的电路和磁路。电机的主要部件有:
- 定子
- 转子
- 励磁机
- 框架
图2 -同步电机的组成
定子
定子是电机的固定部件。它有一个圆柱形框架，该框架有插槽来承载绕组电路。定子由铁心组成，铁心一般由钢制成。这个核心是绝缘的，以防止涡流的流动。
图3 -定子的组成
定子的绕组电路称为定子绕组。它提供三相交流电源。
转子
转子是与定子磁场以完全相同的速度旋转的旋转部件。它是由直流电源激发的。
转子由若干极组成，这取决于机器的速度和频率。定义磁极、速度和频率之间的关系为
在那里,
N =电机转速(rpm)
f=频率，且
p =不。的波兰人
同步电动机转子结构类型
同步电动机的转子结构有两种。它们是:
- 凸极转子
- 非凸极转子
凸极转子
在凸极转子中，极从转子表面突出。
图4 -凸极转子
非凸极转子
在非凸极转子中，绕组放置在加工转子的槽中。
图5 -非凸极转子
励磁机
它是一个放置在转子上的小型发电机，为励磁提供励磁功率。它由磁场绕组和电枢绕组组成。电机的磁场绕组置于定子内，电枢绕组置于转子内。
框架
它保护电机并覆盖整个组件。
同步电动机的工作原理
同步电动机的运行是转子跟随定子的旋转磁场并以接近定子的速度旋转。转子绕组由直流电源励磁，定子绕组由交流电源励磁。
图6 -同步电机工作原理
同步电动机工作原理的要点是:
- 由于三相交流，定子绕组产生三相旋转磁场。
- 转子绕组产生恒定的磁场。
- 在某些旋转中，两个磁场的两极相互吸引，而在某些瞬间，它们相互排斥。
- 由于惯性，转子不会开始转动。所以外部源会提供初始旋转。
- 一旦转子开始以同步速度移动，外部电源被关闭。
- 转子的磁场不是由转子的磁场产生的，而是通过感应产生的。因此，转子和定子之间的气隙不会保持很小。
同步电动机的种类
同步电动机根据转子的磁化方式可分为两种类型。
- 非励磁同步电动机
- 直流(DC)励磁同步电动机
非励磁同步电动机
转子是钢制的。在同步速度下，它随着定子的旋转磁场旋转，因此有一个几乎恒定的磁场通过它。转子由高保留力钢制成，如钴钢。
非励磁同步电机有三种设计:
- 滞回同步电动机
- 磁阻同步电动机
- 永磁同步电动机
磁滞同步电动机
磁滞电机是转子由铁磁材料制成的单相电机。转子具有较高的磁滞损耗特性。它们由铬、钴钢或铝镍钴合金制成。
图7 -磁滞同步电动机
它们是自启动的，不需要额外的绕组。它有一个宽的磁滞环，这意味着一旦它在一个给定的方向上被磁化;它需要一个大的反向磁场来逆转磁化。
磁阻同步电动机
当一块铁旋转完成一条磁通路径时，磁阻总是最小的。当磁极与定子磁场对齐时，磁阻随磁极夹角的增大而增大。这将产生一个扭矩，将转子拉入与靠近定子磁场的极对齐。
图8 -磁阻同步电动机
转子极一般有鼠笼绕组嵌入，以提供转矩低于同步速度启动电机。
永磁同步电动机
永磁电机是利用钢转子中的永磁体来产生恒定的磁通量。当转速接近同步转速时，转子锁定。
图9 -永磁同步电动机
定子带有连接到交流电源以产生旋转磁场的绕组。永磁电机类似于无刷直流电动机。
直流(DC)励磁同步电动机
直流(DC)励磁同步电动机需要向转子提供直流电源以产生磁场。它既有定子绕组，也有转子绕组。直流电可以由单独的直流电源提供，也可以由连接到电机轴的直流发电机提供。
同步电动机特性
同步电动机区别于其他电动机的一些关键特性如下:
速度
转速范围从150转到1800转。速度是同步的，不依赖于负载条件。从空载到满载，速度始终保持恒定。
磁极、速度和频率之间的关系定义为
在那里,
N =电机转速(rpm)
f=频率，且
p =不。的波兰人
起动转矩
由于同步电动机没有启动转矩，需要外力才能启动。
评级
同步电动机的额定功率在150kW到15MW之间。
效率
同步电动机是高效率的机器，其效率比感应电动机高得多。
维护
同步电机采用无刷励磁器，减少了维护问题。
功率因数校正
这些电机具有高功率因数校正，因此它们用于需要功率因数校正的领域。
同步电动机的起动方法
众所周知，同步电动机由于没有起动转矩而不能自启动。因此，采用不同的方式启动电动机。在启动时使用外力将速度提高到同步速度。三种主要方式是:
- 将定子频率降低到安全启动水平。
- 使用外部原动机。
- 使用阻尼器绕组。
同步电动机的模型图和相量图
同步电动机的磁场结构是由直流电刺激的。由于旋转磁场，定子绕组中产生的电压称为反电动势(E)。
图10 -同步电机模型示意图
电枢反应的影响用虚拟电抗(Xa)代替。当Xa与电枢的漏抗结合时，它得到同步电抗(Xs)。当x与电枢有效电阻(Re)结合时，它给出了同步阻抗(Zs)。
图11 -同步电动机相量图
为了绘制相量图，以Vt为参考相量，需遵循以下几点:
- 如果一台机器作为异步电动机工作，那么电枢电流的方向将与励磁电动势的方向相反。
- 相态励磁电动势总是滞后于相态端电压。
同步电机的应用领域
同步电机的应用领域包括:
- 同步电动机的基本用途是“功率因数校正”，即增加系统的功率因数。
- 同步电动机用于电压调节
- 同步电动机一般用于低速、大功率负载。
- 同步电动机一般用于空气和气体压缩机和真空泵。
- 同步电机也在破碎机、磨机和磨粉机中得到应用。
- 它们也用于排气、风扇和鼓风机。
同步电动机的优点
同步电机的优点包括:
- 使用同步电动机的优点是能够控制功率因数。一种过励磁同步电动机具有超前功率因数，并与感应电动机并联运行，从而改善了系统功率因数。
- 无论同步电动机的负载如何，速度都保持不变。这种品质有助于工业机器，无论负载如何都需要恒定的速度。
- 同步电动机比感应电动机具有更宽的气隙，这使得它们在机械上更稳定。
- 同步电动机中的电磁功率随电压线性变化。
- 与感应电动机相比，同步电动机通常以更高的效率(90%以上)运行，特别是在低速时。
同步电动机的缺点
同步电动机的缺点包括:
- 同步电动机需要直流励磁，励磁由外部电源提供。
- 这些电动机不是自起动电动机，需要一些外部装置来启动和同步。
- 每千瓦输出的成本通常高于感应电动机。
- 除非调整输入电源频率，否则没有可能的方法来调整速度。
- 它们不能在负载下启动，因为它的启动扭矩为零。
- 需要集电环和电刷，维护成本高。
- 同步电动机不能用于需要频繁启动机器的应用。
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