三相同步电机的工作原理

将三相电能转换成机械能的三相同步电机称为三相同步电动机。

三相同步电动机是恒速电机，以同步转速运行。三相同步电机的同步速度由下式给出：

$$\mathrm{\mathit{N_{s}}\:=\:\frac{120\mathit{f}}{\mathit{p}}\cdot \cdot \cdot (1)}$$

其中，f是电源频率，P是电机中的励磁极数。

与任何其他电动机一样，三相同步电动机也由两个主要部分组成，即定子和转子。定子容纳三相电枢绕组并从三相交流电源接收电力。转子是一个旋转部件，带有由外部直流电源励磁的励磁绕组。

同步电机最重要的缺点是它不能自启动，因此必须使用辅助装置来启动它。

三相同步电机的工作原理

考虑一个具有两极凸极型转子的三相同步电机，即 $\mathit{N_{\mathrm{2}}}$ 和 $\mathit{S_{\mathrm{2}}}$。因此，定子也将缠绕两个极，即 $\mathit{N_{\mathrm{1}}}$ 和 $\mathit{S_{\mathrm{1}}}$。直流电压施加到转子绕组，平衡的三相交流电压施加到定子绕组。

定子绕组产生旋转磁场，该磁场以称为同步速度（$\mathit{N_{\mathit{s}}}$）的速度围绕定子旋转。流经转子绕组的直流电流在转子绕组中产生两个场极。只要转子不运转，转子和由这些磁极产生的磁场就是固定的。因此，在这种情况下，我们有一对旋转电枢磁极 $\left ( \mathit{N_{\mathrm{1}}}-\mathit{S_{\mathrm{1}}} \right )$ 和一对固定转子磁极 $\left ( \mathit{N_{\mathrm{2}}}-\mathit{S_{\mathrm{2}}} \right )$。

三相电源

现在，考虑定子磁极位于位置 A 和 B 的瞬间，如图 1 所示。显然，极点 $\mathit{N_{\mathrm{1}}}$ 和 $\mathit{N_{\mathrm{2}}}$ 相互排斥，极点 $\mathit{S_{\mathrm {1}}}$ 和 $\mathit{S_{\mathrm{1}}}$。因此，转子倾向于沿逆时针方向旋转。交流供电半周期后，定子磁极极性反转，但转子磁极极性保持不变，如图2所示。在这种情况下，极点 $\mathit{S_{\mathrm{1}}}$ 和 $\mathit{N_{\mathrm{2}}}$ 相互吸引，极点 $\mathit{N_{\mathrm {1}}}$ 和 $\mathit{S_{\mathrm{2}}}$。因此，转子现在倾向于沿顺时针方向旋转。

由于定子磁极快速改变其极性，因此它们倾向于首先沿一个方向拉动转子，然后在交流半周期后沿另一个方向拉动转子。由于转子上有双向扭矩且转子惯性较大，导致同步电机无法启动。因此，同步电动机没有自启动转矩。

使同步电机自启动

同步电动机不能自行启动。为了使电动机自启动，在转子上设有鼠笼式绕组，称为阻尼绕组。阻尼绕组由嵌入转子凸极极面切槽中的铜条组成，如图 3 所示。

自启动

这些阻尼绕组用于自行启动同步电机，解释如下 -

  • 最初，将三相电源馈送到定子绕组，同时转子绕组保持开路。定子绕组的旋转磁场在阻尼绕组中感应出电流，并且由于电磁力，转子开始移动。因此，同步电动机作为感应电动机启动。

  • 一旦电机达到几乎等于同步速度的速度，转子绕组就会由直流电源激励。现在，转子上的磁极面对相反极性的定子磁极，并且它们之间建立了强大的磁吸引力。因此，转子磁极与定子的旋转磁极锁定。因此，转子以与定子磁极相同的速度（即同步速度）旋转。

  • 由于转子现在以与定子磁场相同的速度旋转，阻尼条不会切割任何磁通，因此其中没有感应电流。因此，转子的阻尼绕组实际上从电机的操作中移除。

  • 这样，同步电动机就实现了自启动。必须注意的是，由于定子和转子磁极之间存在磁力互锁，同步电动机只能以同步转速运行。