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同步電機的工作原理以及和異步電機的主要區別
- 2019-12-16-

同步電機和異步電機的主要區別是:同步電機能與其定子磁場旋轉達到同步轉速,異步電機轉速達不到定子磁場的同步轉速。

電機大致分成三種,同步機,異步機(以上兩種多與電網相連),還有個直流電機。

下面的內容是一個過渡,只作為對電機(同步機、異步機)原理性的知識進行形象的講解(懂電機的可跳過)。

同步機和異步機,這兩個東西都是交流電機,利用了三相交流電的比較有意思的一個特性:簡單的說如果把三個線圈像攪拌器(就是家里用來打雞蛋的那種東西)那樣布置,三個線圈相互不接觸,分別加上abc三相電壓,于是產生三相電流,接著好玩的事情就發生了,線圈所圍的空間內出現了與所加電壓同頻的旋轉磁場(若要更深入的解釋,就得說駐波的分解,疊加,比較麻煩)。所以人們把線圈按照上述所說的辦法,嵌進定子,于是轉子所在的那個空間就產生了旋轉的磁場。

有了這個磁場就好辦了,我們就可以想象定子處有一個看不見的磁鐵在轉,此時如果轉子是個磁鐵的話,那么轉子不就被帶動起來了么,就是電動機了,反之如果轉子帶動那個看不見的磁鐵,就成了發電機了(首先轉子帶動那個虛擬磁鐵,轉子肯定受個阻力矩吧,虛擬磁鐵受個動力矩吧,注意!力是能量轉換的中介(或者說是標志),虛擬磁鐵畢竟是虛擬的,定子又不動,那么定子肯定地獲得電動勢嘍。如定子帶負載的話,就會有電流,還是三相的,有電流就會有磁場,干擾轉子產生的磁場,這個叫做電樞反應。于是帶上負載后定子處獲得的電動勢與空載時的不一樣)。

在上面的原理指引下,把轉子做成個電磁鐵,外部單獨用個電源給它電,那么這個電機就叫做同步機,之所以叫同步機是轉子的磁性是獨立產生的,于是轉子能達到那個虛擬磁鐵的轉速。轉子磁性獨立產生是個大好事,使得同步機調整很容易,比如說調無功功率。

后來人們發現轉子不用電磁鐵也行,把轉子做成個裝松鼠的籠子,由于虛擬磁鐵的磁力線會切割鼠籠的籠棍,于是由偉大的右手定則,就會產生電流,仔細研究一下你會發現這個電流也是個三相的,于是與定子的產生磁場的原理類似,轉子也產生個圍繞他旋轉的虛擬磁鐵,再研究一下你會發現,定轉子的虛擬磁鐵在空間上轉速一樣。于是鼠籠子起到了與電磁鐵類似的效果,不過鼠籠的電流是由于其與定子虛擬磁鐵相對運動產生的,鼠籠的虛擬磁鐵也就不是獨立的了,鼠籠轉速總是要比定子虛擬磁鐵轉速慢點,達不到同步速(否則就無相對運動,電流就無從產生,鼠籠磁場也就無從產生)。

在分析上,同步機由于有個轉子獨立的磁場,像電路里的有源負載。而異步機,由于轉子的一切都是由定子產生的,所以就相當于無源負載。在設計上,當然同步電機更為復雜些。

同步電機的工作原理如下:

1、主磁場的建立:勵磁繞組通以直流勵磁電流,建立極性相間的勵磁磁場,即建立起主磁場。

2、載流導體:三相對稱的電樞繞組充當功率繞組,成為感應電勢或者感應電流的載體。

3、切割運動:原動機拖動轉子旋轉(給電機輸入機械能),極性相間的勵磁磁場隨軸一起旋轉并順次切割定子各相繞組。

4、交變電勢的產生:由于電樞繞組與主磁場之間的相對切割運動,電樞繞組中將會感應出大小和方向按周期性變化的三相對稱交變電勢。通過引出線,即可提供交流電源。

5、交變性與對稱性:由于旋轉磁場極性相間,使得感應電勢的極性交變;由于電樞繞組的對稱性,保證了感應電勢的三相對稱性。

同步電動機工作原理圖解

同步電動機的結構與同步發電機相同,其轉子一般都采用凸極式結構。使用時,同步電動機的定子繞組中要通入三相交流電流,同時轉子勵磁繞組中通入直流電勵磁。

如圖所示是同步電動機的工作原理示意圖。定子三相繞組(也稱電樞繞組)接至三相交流電源后,便有三相對稱電流流過,并產生電樞旋轉磁場。該磁場以同步速度n1= 60f1/p在氣隙空間旋轉,其方向決定于電流的相序。轉子的勵磁繞組接入直流電源后,就有直流電流流過,并產生大小和極性都不變的恒定磁場,極對數和電樞旋轉磁場一樣。根據同性磁極互相排斥、異性磁極互相吸引的原理,當轉子磁極的S極與電樞旋轉磁場的N極對齊(或轉子的N極與旋轉磁場的S極對齊)時,轉子磁極將被電樞旋轉磁場吸引而產生電磁吸引力,并進而產生電磁轉矩,拖動轉子跟著旋轉磁場轉動。因而轉子的轉速大小及方向和電樞旋轉磁場的轉速大小及方向相同,兩者相對于定子“同步”旋轉,故稱為同步電動機。如果同步電動機軸上帶有機械負載,則和異步電動機一樣,電樞繞組從電網吸收電功率,通過氣隙磁場傳給轉子,變為機械功率,帶動生產機械做功。

同步電機的工作原理

圖 同步電動機工作原理圖

可以證明,同步電動機的電磁轉矩的大小與電樞磁場磁極軸線和轉子磁極軸線的夾角有關,如果外加電壓和電動機的勵磁電流不變,則在一定的范圍內(《90°),夾角越大,電磁轉矩越大;夾角越小,電磁轉矩越小。

圖(a)是同步電動機理想空載時的情況,這時轉子磁極軸線和電樞磁場軸線重合,θ=0,電動機產生的電磁轉矩為零;實際空載時,電動機有一定的空載阻力矩,故電動機要產生一定的電磁轉矩來克服空載阻力矩,以維持電動機的轉速不變。這時θ》0,但其值很小,如圖(b)所示;若電動機軸上的負載增加,則θ角隨之增加,電動機的電磁轉矩也隨之增加,如圖(c)所示;但若電動機軸上的負載轉矩太大,則電動機產生的電磁轉矩將不足以克服負載轉矩,同步電動機將停止旋轉,這種現象稱為同步電動機的“失步”現象。同步電動機產生失步現象時,通過定子繞組的電流將很大,這時應盡快切斷電源,以免電動機因過熱而損壞。

結論:當外加電源的頻率一定時,同步電動機的轉速就確定了,它總是以同步轉速n1=60f1/p旋轉。負載在一定范圍內變化時,電動機的轉速不變,這個特性是同步電動機的特點,也是優點,因此同步電動機適用于不需調速的場合,例如拖動大型空氣壓縮機、水泵等。


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