异步电机与同步电机的发电机状态与电动机状态理解

 

琢磨了好长时间的异步发电机和同步电动机是怎么运行的，终于琢磨出来了，写出来帮我记记。

1、异步电动机与同步发电机原理

这个两个也是最常见的情况，原理不难理解。

• 异步电动机以鼠笼式的为例：定子通入三相对称电流，气隙中产生以同步速n1旋转的基波磁动势Fa（n1=60f/p，f为电流频率，p为电机极对数），进而建立基波旋转磁场。基波旋转磁场在短路的转子绕组中产生感应电动势，进而在转子中产生感应电流，这个电流与气隙中的旋转磁场相互作用，电磁力便在转子绕组上产生了，转子自然而然地开始旋转。
• 同步电机：与异步电机不同的是，同步电机转子上有励磁电流或直接装有永磁体，即转子上自发有励磁磁动势Ff产生。用原动机拖动转子至同步速n1（n1=60f/p，f是电网频率，p为电机极对数），那么励磁磁动势Ff会以同步速n1切割定子绕组，在定子绕组中产生频率为f的三相交流电。

2、 异步发电机与同步电动机原理

这个是一个很有意思的问题，其实现方法类似于物极必反的思想，科学归于最后都是哲学。着实很有意思。

• 异步发电机：

我开始的疑惑在于：既然是发电机，就是让原动机带着转子旋转 。对于鼠笼式异步电机，转子转就是一个铁框框瞎转，而定子侧呢没通电就是一堆线和铁块，这不是对牛弹琴嘛？转子侧跟定子侧哪里来的电磁能量交换？

从下面这幅图入手：

其实，异步电机的电动机状态与发电机状态就取决于定转子哪个带着哪个转。

（a）电动机状态：当0

（b）发电机状态：用原动机拖动异步电机,使其转速高于旋转磁场的同步转速,即n>n1，s<0。转子上导体切割旋转磁场的方向与电动机状态时相反,从而导体上感应电动势、电流的方向与电动机状态相反,N极下导体电流方向为向外;电磁转矩的方向与转子转向相反,电磁转矩为制动性质。此时异步电机由转轴从原动机输入机械功率,克服电磁转矩,通过电磁感应由定子向电网输出电功率(因导体中电流方向与电动机状态相反),电机处于发电机状态。换句话说，由于转子转速n大于定子旋转磁场的转速n1，从原来吸收电网功率、克服负载制动力矩转变为输入机械功率、克服电磁转矩，即加大转子转速即可使异步电机实现从电动机到发电机的转变。

实现方法：先使异步电机运行于电动状态，待运行稳定，即转子速达到n后，用原动机拖动转子转速大于n1即可。（理论分析是这样，但工程实际操作肯定不同）

• 同步电动机

我开始的疑惑在于：同步电机的同步就是励磁磁场Ff转速与旋转磁场Fa转速相同，更深的理解是定转子侧频率相同。异步电机之所以异步是因为如果转子被加速到n1,此时转子导体与旋转磁场同步旋转，它们之间无相对切割，因而导体中无感应电动势,也没有电流,电磁转矩为零。因此异步电机在电动机状态,转速n不可能达到同步转速n1。同步电机于异步电机的区别就在于，同步电机转子上自发建立磁场。

而且对于同步发电机来说，转子是由原动机拖动所以可以达到同步速n1，进而在定子侧产生电网频率的电流。按照异步电动机的思路来思考，同步电动机转子的转速能达不到同步速啊，这不是与同步机的定子冲突了嘛？

这一点我们从同步电动机的转子结构入手：

同步电动机多数在转子上装有类似于异步电机笼型绕组的起动绕组(通称为阻尼绕组),因此,当定子接通电源时,便能产生使转子转动的异步转矩,并不断加速至接近同步速，此时,再加入励磁,就可以用自整步法将电机牵入同步。

换句话说，同步电机的定转子可以类比为两块大磁铁（姑且定义定子为外磁铁，转子为内磁铁），电动机状态或者是发电机状态都可以理解为外磁铁与内磁铁之间的相互带动作用形成的。我们之所以在转子上加上了类似于异步电机笼型绕组的起动绕组，是因为如果在转子静止时就直接通入定子电流，转子是无法转动的。从理解的角度分析，转子一旦通入电流就会产生以速度n1旋转的旋转磁场，即内磁铁静止时，外磁铁突然以速度n1开始高速旋转；内磁铁会因为惯性而无法响应高速旋转的外磁铁。

像那句电影台词，“不是我没动，而是你太慢了。”

所以，先以异步电机的状态启动，待转子达到稍小于同步速n1的转速n稳定后，再加入励磁以同步机状态运行。这时两块磁铁就可以在磁力的相互作用下，共同达到同步速。

3、几个有趣的问题：

• 什么是同步？什么是异步？

异步的本质是因为异步机必须要有相对运动才会有转矩。

同步机作为发电机时，要考虑到发电频率与电网相同，所以原动机必须以同步速n1旋转；作为电动机，定转子相当于两个磁铁吸引旋转，速度也是相同的。

• 为什么再说旋转磁场基波Fa以n1旋转时一定要强调基波？而励磁磁场Ff时不需要强调？

对于励磁磁场Ff书上这样写的：

 

 由于励磁磁场是“绑在”电机上的，无论基波、谐波转速均为n1；谐波频率为基波的谐波次数倍。

 

对于旋转磁场磁场Fa书上这样写的：

 即基波、谐波的转速不同，谐波转速为谐波次数分之一；但二者频率相同，均为f。

 

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