同步電機(jī)和異步電機(jī)的區(qū)別

1、摘要：目前，隨著同步電機(jī)在調(diào)速性能方面的逐漸改善，已在大容量變頻調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用。在高速列車上，法國(guó)率先采用同步牽引電機(jī)，它的功率因數(shù)可接近1，解決了異步電機(jī)功率因數(shù)低的問題。本文針對(duì)同步電機(jī)和異步電機(jī)在軌道調(diào)速系統(tǒng)中的差異進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：同步電機(jī)；異步電機(jī)；功率因數(shù) ；變頻調(diào)速；1引言 隨著同步電機(jī)的調(diào)速性能和控制精度的提高，同步電機(jī)在高速列車的牽引傳動(dòng)領(lǐng)域中也逐漸占據(jù)一席之地，例如，法國(guó)TGV的牽引電機(jī)采用的都是同步電機(jī)。 由于異步電機(jī)功率因數(shù)低（基本都在0.9以下）是一個(gè)很難克服的缺陷，而同步電機(jī)理想功率因數(shù)可以到達(dá)1，例如法國(guó)TGV的功率因數(shù)可以達(dá)到0.99，除此以外，同步電機(jī)還

2、有容量大、轉(zhuǎn)速恒定等優(yōu)點(diǎn)，因此，同步電機(jī)在牽引傳動(dòng)領(lǐng)域中還有很大的發(fā)展空間。 同步電動(dòng)機(jī)在調(diào)速系統(tǒng)中的缺點(diǎn)正逐漸被解決，例如現(xiàn)在通常采用永磁同步電機(jī)，避免同步電機(jī)的勵(lì)磁裝置引發(fā)的問題和增加的維護(hù)工作量。但是，同步電機(jī)在調(diào)速方面略遜于異步電機(jī)，且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高，因此，異步電機(jī)在牽引傳動(dòng)領(lǐng)域仍占優(yōu)勢(shì)。2感應(yīng)電機(jī)的工作原理 定子中通以三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，由于感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組是自行閉合的繞組，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，轉(zhuǎn)子繞組中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。正常情況下，感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是略低或略高于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速。感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)與轉(zhuǎn)差率有關(guān)，s1為電磁制動(dòng)狀態(tài)，0s

3、1為電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，s0為發(fā)電機(jī)狀態(tài)。轉(zhuǎn)差率公式： 經(jīng)過頻率歸算和繞組歸算，得到感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的T型等效電路，如圖1所示。 由圖1可知，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是一個(gè)感性電路，所以感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)角在（ ，）范圍內(nèi)。因此，感應(yīng)電機(jī)在運(yùn)行過程中不斷從電網(wǎng)吸收無功功率。 當(dāng)感應(yīng)電機(jī)在空載運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速， ，轉(zhuǎn)子電流接近于零，定子電流基本上是激磁電流（主要成分是無功的磁化電流），所以功率因數(shù)很低，約為0.1-0.2。當(dāng)電動(dòng)機(jī)加上負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)差率增大，減小，轉(zhuǎn)子電流增大，定子電流中的有功分量也增大，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)會(huì)逐漸提高，通常在額定負(fù)載附近，功率因數(shù)達(dá)到最大值。若負(fù)載繼續(xù)增大，由于轉(zhuǎn)差率較大，轉(zhuǎn)子等效

4、電阻下降較快，轉(zhuǎn)子功率因數(shù)隨之大幅下降，定子功率因數(shù)也隨之下降。 在電力系統(tǒng)中，應(yīng)保證無功功率平衡，即無功電源發(fā)出的無功功率應(yīng)該大于或至少等于負(fù)荷所需的無功功率和網(wǎng)絡(luò)中的無功損耗之和。若系統(tǒng)中負(fù)荷吸收的無功功率增大，則導(dǎo)致電網(wǎng)電壓下降，以保持系統(tǒng)的無功功率平衡。而電網(wǎng)電壓下降，會(huì)使電路中損耗增加，電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性下降，影響電網(wǎng)中設(shè)備的使用壽命和生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量；若負(fù)荷吸收的無功功率減小，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓上升，各種電氣設(shè)備的絕緣可能受到傷害。 但是由于大量使用三相異步電動(dòng)機(jī)，交流電網(wǎng)的功率因數(shù)普遍偏低，為了改善功率因數(shù)，同步電機(jī)得到發(fā)展和使用。3同步電機(jī)的工作原理 和異步電機(jī)不同，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子

5、繞組中通以直流勵(lì)磁電流，會(huì)在轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生一恒定磁場(chǎng)，與定子繞組中通以三相對(duì)稱電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。由電機(jī)統(tǒng)一理論知道，兩磁場(chǎng)在電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，必須保持相對(duì)靜止，才能產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。因此，在穩(wěn)態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，恒等于同步轉(zhuǎn)速。 同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)取決于定子合成磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子主極磁場(chǎng)之間的夾角，即功率角。根據(jù)功率角的不同，有三種運(yùn)行狀態(tài)：發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和補(bǔ)償機(jī)。若轉(zhuǎn)子主機(jī)磁場(chǎng)超前于定子合成磁場(chǎng)，即，電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行；若轉(zhuǎn)子主機(jī)磁場(chǎng)和定子合成磁場(chǎng)軸線重合，即當(dāng) 時(shí)，電機(jī)作補(bǔ)償機(jī)運(yùn)行；若轉(zhuǎn)子主機(jī)磁場(chǎng)滯后于定子合成磁場(chǎng)，即當(dāng)時(shí)，電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，同步電機(jī)的

6、三種運(yùn)行狀態(tài)如圖2所示。（a）發(fā)電機(jī)（b）補(bǔ)償機(jī)（c）電動(dòng)機(jī)圖2 同步電機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài)31 同步電機(jī)的失步3.1.1同步電機(jī)失步的原理 同步電機(jī)保持正常同步運(yùn)行的一個(gè)必要條件和顯著標(biāo)志是：它的轉(zhuǎn)速必須與電網(wǎng)嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)必須與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)嚴(yán)格同步。這種嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)和同步關(guān)系是以轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩平衡為基礎(chǔ)的。但來自電網(wǎng)、負(fù)載以及電機(jī)本身的各種擾動(dòng)不斷地破壞著電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系。盡管電機(jī)按其本身的特性，具有一定的調(diào)節(jié)能力，以功角的相應(yīng)變化自動(dòng)地調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩的大小，以抵消各種擾動(dòng)所引起的不平衡，使轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩關(guān)系處于動(dòng)平衡之中。但電機(jī)的這種自動(dòng)調(diào)節(jié)能力是有限度的，當(dāng)擾動(dòng)大到一定程度

7、，就會(huì)導(dǎo)致電機(jī)失步。 以隱極同步電動(dòng)機(jī)為例，電磁轉(zhuǎn)矩公式為：其中， 為相數(shù)， 為激磁電動(dòng)勢(shì)， 為端電壓， 為直軸同步電抗， 為同步角速度， 為功角。 當(dāng)擾動(dòng)破壞電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系，使得 減小時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩 減小，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降，使得 增大，使轉(zhuǎn)矩保持平衡。擾動(dòng)使得 增大時(shí)，增大，轉(zhuǎn)速上升，使得 減小，轉(zhuǎn)矩保持平衡。因此，在一定范圍內(nèi)，同步電機(jī)具有自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，使得電機(jī)保持同步運(yùn)行。312 同步電機(jī)常見的幾種失步類型 按失步原因及性質(zhì)的不同，可分為三種失步類型，即斷電失步、帶勵(lì)失步和失磁失步。1斷電失步：引起斷電失步的主要原因是供電系統(tǒng)故障及人為切換電源等。在電源中斷又重新恢復(fù)期間，同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)

8、子轉(zhuǎn)速不斷降低，電源重新恢復(fù)時(shí)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速低于定子磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速。2帶勵(lì)失步：帶勵(lì)失步一般由相鄰出線端頭短路故障、附近大型機(jī)組或機(jī)組群起動(dòng)或自起動(dòng)引起母線電壓較長(zhǎng)時(shí)間較大幅度的降低、電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載的大幅度突增以及起動(dòng)過程中勵(lì)磁系統(tǒng)過早投勵(lì)等原因所引起。3失磁失步：失磁失步是由于轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路某處斷路或接觸不良，勵(lì)磁繞組匝間短路，勵(lì)磁機(jī)或晶閘管勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)生故障等原因，造成轉(zhuǎn)子失去直流勵(lì)磁電流，使轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)消失，從而導(dǎo)致同步電動(dòng)機(jī)“失磁”。32 同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速 從控制方法上可以將同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速分為兩種，一種為他控式變頻調(diào)速，一種為自控式變頻調(diào)速。他控式同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)所用的變頻裝置是

9、獨(dú)立的，變頻裝置的輸出頻率是由速度給定信號(hào)決定的，這種系統(tǒng)一般為開環(huán)控制系統(tǒng)，導(dǎo)致同步電機(jī)發(fā)生失步現(xiàn)象。 自控式同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的最大特點(diǎn)是可以從根本上消除同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子振蕩和失步的隱患，因?yàn)榻o同步電動(dòng)機(jī)定子供電的變頻裝置的輸出頻率受轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器的控制，通過控制變頻裝置的輸出頻率保證定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速相等，始終保持同步，因此不會(huì)由于負(fù)載沖擊等原因造成失步現(xiàn)象。自控式同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由同步電動(dòng)機(jī)、變頻器、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器和控制單元組成，如圖3所示。 圖中MS是同步電動(dòng)機(jī)，PS是轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器?？刂茊卧淖饔弥饕前褋碜赞D(zhuǎn)子位置檢測(cè)器的信號(hào)進(jìn)行分析，判明轉(zhuǎn)子的真實(shí)位置和

10、轉(zhuǎn)速后，按一定的控制策略產(chǎn)生控制信號(hào)，控制變頻器輸出三相電流的頻率、幅值和相位大小，達(dá)到同步轉(zhuǎn)速跟蹤轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的目的。 既然自控式同步電動(dòng)機(jī)的定子電流頻率受轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制，那么電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速就受轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制，那么如何實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速呢？統(tǒng)一的電磁轉(zhuǎn)矩公式如下所示： 根據(jù)上式知道，控制好定子磁動(dòng)勢(shì)的大小和方位就可以控制轉(zhuǎn)矩，繼而可以控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。由于電動(dòng)機(jī)的三相定子電流和定子合成磁動(dòng)勢(shì)有嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過控制三相定子電流的幅值和相位，就可以控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。因此，同步電機(jī)和異步電機(jī)的變頻調(diào)速并不一樣，同步電機(jī)并不是通過改變定子電流的頻率來改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的。3.3 同步電動(dòng)機(jī)的無功調(diào)節(jié) 忽略電樞電阻和磁飽和的

11、影響，并假定調(diào)節(jié)勵(lì)磁時(shí)原動(dòng)機(jī)的輸入有功功率保持不變，根據(jù)功率平衡關(guān)系可知，在調(diào)節(jié)勵(lì)磁前后，發(fā)動(dòng)機(jī)的電磁功率和輸出的有功功率應(yīng)近似保持不變，即 由于電網(wǎng)電壓和發(fā)電機(jī)的同步電抗 均為定值，因此可以得到： 隱極同步電動(dòng)機(jī)的等效電路如圖4所示。 隱極同步電機(jī)的電壓方程為由公式6和公式7可得到改變勵(lì)磁時(shí)隱極同步電動(dòng)機(jī)的向量圖如圖5所示（電樞電阻和磁飽和忽略不計(jì)）。 由上圖可知，改變勵(lì)磁時(shí)， 的端點(diǎn)將落在水平線 上， 的端點(diǎn)將落在鉛垂線 上。若勵(lì)磁為“正常勵(lì)磁”，激磁磁動(dòng)勢(shì)為 ， 和同相位，則電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù) =1，如圖5實(shí)線所示。激磁電動(dòng)勢(shì)的有效值 為：其中， 為基波繞組因數(shù)， 為主磁通量。 若增大勵(lì)磁

12、，增大， 隨之增大，移動(dòng)至 ，如圖5的點(diǎn)線所示，此時(shí) 變?yōu)?，相位超前于 ，其值較正常勵(lì)磁時(shí)大，電機(jī)便處于“過勵(lì)”狀態(tài)，功率因數(shù)為超前，功率因數(shù)角，因此，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)出無功功率狀態(tài)；反之，若減小勵(lì)磁， 減小，使激磁電動(dòng)勢(shì)減小到 ，如圖5中點(diǎn)劃線所示，此時(shí) 變?yōu)?，相位滯后于，其值也比正常勵(lì)磁時(shí)大，電機(jī)處于“欠勵(lì)”狀態(tài)，功率因數(shù)為滯后，功率因數(shù)角 ，因此，電動(dòng)機(jī)處于吸收無功功率狀態(tài)。 在穩(wěn)態(tài)下，通過改變勵(lì)磁電流，可使電動(dòng)機(jī)在任一特定負(fù)載下的功率因數(shù)達(dá)到1，甚至變成超前，這是同步電動(dòng)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)。4結(jié)論 感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、價(jià)格便宜、運(yùn)行可靠、維護(hù)工作量少，因此，在生產(chǎn)生活廣泛應(yīng)用，但是感應(yīng)電機(jī)功率因數(shù)低是其難以克服的缺陷，尤其在空載時(shí)，功率因數(shù)僅為0.1-0.2，大范圍的使用異步電機(jī)使電網(wǎng)的功率因數(shù)很低，從而使電網(wǎng)電壓下降，影響各種用電設(shè)備。而同步電機(jī)功率因數(shù)可調(diào)是其寶貴的優(yōu)勢(shì)，穩(wěn)態(tài)時(shí)可以控制電機(jī)在功率因數(shù)為1的情況下運(yùn)行。在異步電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)中，磁通控制取決于轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)，而該電阻隨溫度變化，而同步電機(jī)激磁電流是單獨(dú)控制的，電機(jī)磁通不隨溫度變化，故同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制精度高。 在鐵路的牽引傳動(dòng)領(lǐng)域，功率比