同步电机和异步电机的区别

谷杨心

摘要：目前，随着同步电机在调速性能方面的逐渐改善，已在大容量变频调速领域内广泛使用。在高速列车上，法国率先采用同步牵引电机，它的功率因数可接近1，解决了异步电机功率因数低的问题。本文针对同步电机和异步电机在轨道调速系统中的差异进行了分析。

关键词：同步电机；异步电机；功率因数 ；变频调速；

1．引言

    随着同步电机的调速性能和控制精度的提高，同步电机在高速列车的牵引传动领域中也逐渐占据一席之地，例如，法国TGV的牵引电机采用的都是同步电机。

    由于异步电机功率因数低（基本都在0.9以下）是一个很难克服的缺陷，而同步电机理想功率因数可以到达1，例如法国TGV的功率因数可以达到0.99，除此以外，同步电机还有容量大、转速恒定等优点，因此，同步电机在牵引传动领域中还有很大的发展空间。

    同步电动机在调速系统中的缺点正逐渐被解决，例如现在通常采用永磁同步电机，避免同步电机的励磁装置引发的问题和增加的维护工作量。但是，同步电机在调速方面略逊于异步电机，且结构较复杂，成本较高，因此，异步电机在牵引传动领域仍占优势。

2．感应电机的工作原理

    定子中通以三相电流产生旋转磁场，由于感应电机的转子绕组是自行闭合的绕组，根据电磁感应原理，转子绕组中会产生感应电流，感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁转矩。正常情况下，感应电机的转子转速总是略低或略高于旋转磁场的转速。感应电机的运行状态与转差率有关，s>1为电磁制动状态，0<s<1为电动机状态，s<0为发电机状态。转差率公式：

    经过频率归算和绕组归算，得到感应电动机的T型等效电路，如图1所示。

    由图1可知，感应电动机是一个感性电路，所以感应电动机的功率因数角在（ ，）范围内。因此，感应电机在运行过程中不断从电网吸收无功功率。

    当感应电机在空载运行时，转子转速接近于同步转速， ，，转子电流接近于零，定子电流基本上是激磁电流（主要成分是无功的磁化电流），所以功率因数很低，约为0.1-0.2。当电动机加上负载时，转差率增大，减小，转子电流增大，定子电流中的有功分量也增大，电动机的功率因数会逐渐提高，通常在额定负载附近，功率因数达到{zd0}值。若负载继续增大，由于转差率较大，转子等效电阻下降较快，转子功率因数随之大幅下降，定子功率因数也随之下降。

    在电力系统中，应保证无功功率平衡，即无功电源发出的无功功率应该大于或至少等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗之和。若系统中负荷吸收的无功功率增大，则导致电网电压下降，以保持系统的无功功率平衡。而电网电压下降，会使电路中损耗增加，电力系统运行的稳定性下降，影响电网中设备的使用寿命和生产产品的质量；若负荷吸收的无功功率减小，会导致电网电压上升，各种电气设备的绝缘可能受到伤害。

    但是由于大量使用三相异步电动机，交流电网的功率因数普遍偏低，为了改善功率因数，同步电机得到发展和使用。

3．同步电机的工作原理

    和异步电机不同，同步电机的转子绕组中通以直流励磁电流，会在转子内产生一恒定磁场，与定子绕组中通以三相对称电流产生的旋转磁场相互作用，产生电磁转矩。由电机统一理论知道，两磁场在电机稳态运行时，必须保持相对静止，才能产生稳定的电磁转矩，驱动电动机以同步转速旋转。因此，在稳态下，电机转速稳定，恒等于同步转速。

    同步电机的运行状态取决于定子合成磁场与转子主极磁场之间的夹角，即功率角。根据功率角的不同，有三种运行状态：发电机、电动机和补偿机。若转子主机磁场超前于定子合成磁场，即，电机作发电机运行；若转子主机磁场和定子合成磁场轴线重合，即当 时，电机作补偿机运行；若转子主机磁场滞后于定子合成磁场，即当时，电机作为电动机运行，同步电机的三种运行状态如图2所示。

（a）发电机

（b）补偿机

（c）电动机

图2 同步电机的三种运行状态

3．1 同步电机的失步

3.1.1同步电机失步的原理

    同步电机保持正常同步运行的一个必要条件和显著标志是：它的转速必须与电网严格对应，电动机的转子和转子磁场必须与定子旋转磁场严格同步。这种严格的对应和同步关系是以转轴上的转矩平衡为基础的。但来自电网、负载以及电机本身的各种扰动不断地破坏着电机轴上的转矩平衡关系。尽管电机按其本身的特性，具有一定的调节能力，以功角的相应变化自动地调节电磁转矩的大小，以抵消各种扰动所引起的不平衡，使转轴上的转矩关系处于动平衡之中。但电机的这种自动调节能力是有限度的，当扰动大到一定程度，就会导致电机失步。

    以隐极同步电动机为例，电磁转矩公式为：

其中， 为相数， 为激磁电动势， 为端电压， 为直轴同步电抗， 为同步角速度， 为功角。

    当扰动破坏电机轴上的转矩平衡关系，使得 减小时，电磁转矩 减小，转子转速下降，使得 增大，使转矩保持平衡。扰动使得 增大时，增大，转速上升，使得 减小，转矩保持平衡。因此，在一定范围内，同步电机具有自动调节能力，使得电机保持同步运行。

3．1．2 同步电机常见的几种失步类型

    按失步原因及性质的不同，可分为三种失步类型，即断电失步、带励失步和失磁失步。

1．断电失步：引起断电失步的主要原因是供电系统故障及人为切换电源等。在电源中断又重新恢复期间，同步电动机转子转速不断降低，电源重新恢复时，转子磁场的转速低于定子磁场的同步转速。

2．带励失步：带励失步一般由相邻出线端头短路故障、附近大型机组或机组群起动或自起动引起母线电压较长时间较大幅度的降低、电动机所带负载的大幅度突增以及起动过程中励磁系统过早投励等原因所引起。

3．失磁失步：失磁失步是由于转子励磁回路某处断路或接触不良，励磁绕组匝间短路，励磁机或晶闸管励磁系统发生故障等原因，造成转子失去直流励磁电流，使转子磁场消失，从而导致同步电动机“失磁”。

3．2 同步电动机变频调速

    从控制方法上可以将同步电动机变频调速分为两种，一种为他控式变频调速，一种为自控式变频调速。

他控式同步电动机变频调速系统所用的变频装置是独立的，变频装置的输出频率是由速度给定信号决定的，这种系统一般为开环控制系统，导致同步电机发生失步现象。

    自控式同步电动机变频调速的{zd0}特点是可以从根本上xx同步电动机转子振荡和失步的隐患，因为给同步电动机定子供电的变频装置的输出频率受转子位置检测器的控制，通过控制变频装置的输出频率保证定子旋转磁场的转速和转子旋转的转速相等，始终保持同步，因此不会由于负载冲击等原因造成失步现象。

自控式同步电动机变频调速系统主要由同步电动机、变频器、转子位置检测器和控制单元组成，如图3所示。

    图中MS是同步电动机，PS是转子位置检测器。控制单元的作用主要是把来自转子位置检测器的信号进行分析，判明转子的真实位置和转速后，按一定的控制策略产生控制信号，控制变频器输出三相电流的频率、幅值和相位大小，达到同步转速跟踪转子转速的目的。

    既然自控式同步电动机的定子电流频率受转子转速控制，那么电动机的同步转速就受转子转速控制，那么如何实现变频调速呢？统一的电磁转矩公式如下所示：

    根据上式知道，控制好定子磁动势的大小和方位就可以控制转矩，继而可以控制转子转速。由于电动机的三相定子电流和定子合成磁动势有严格对应关系，通过控制三相定子电流的幅值和相位，就可以控制转子转速。因此，同步电机和异步电机的变频调速并不一样，同步电机并不是通过改变定子电流的频率来改变转子转速的。

3.3 同步电动机的无功调节

    忽略电枢电阻和磁饱和的影响，并假定调节励磁时原动机的输入有功功率保持不变，根据功率平衡关系可知，在调节励磁前后，发动机的电磁功率和输出的有功功率应近似保持不变，即

    由于电网电压和发电机的同步电抗 均为定值，因此可以得到：

    隐极同步电动机的等效电路如图4所示。

    隐极同步电机的电压方程为

由公式6和公式7可得到改变励磁时隐极同步电动机的向量图如图5所示（电枢电阻和磁饱和忽略不计）。

    由上图可知，改变励磁时， 的端点将落在水平线 上， 的端点将落在铅垂线 上。若励磁为“正常励磁”，激磁磁动势为 ， 和同相位，则电动机的功率因数 =1，如图5实线所示。

激磁电动势的有效值 为：

其中， 为基波绕组因数， 为主磁通量。  

    若增大励磁，增大， 随之增大，

移动至 ，如图5的点线所示，此时 变为 ，相位超前于 ，其值较正常励磁时大，电机便处于“过励”状态，功率因数为超前，功率因数角，因此，电动机处于发出无功功率状态；反之，若减小励磁， 减小，使激磁电动势减小到 ，如图5中点划线所示，此时 变为 ，相位滞后于，其值也比正常励磁时大，电机处于“欠励”状态，功率因数为滞后，功率因数角 ，因此，电动机处于吸收无功功率状态。

    在稳态下，通过改变励磁电流，可使电动机在任一特定负载下的功率因数达到1，甚至变成超前，这是同步电动机的主要优点。

4．结论

    感应电机的结构简单、制造方便、价格便宜、运行可靠、维护工作量少，因此，在生产生活广泛应用，但是感应电机功率因数低是其难以克服的缺陷，尤其在空载时，功率因数仅为0.1-0.2，大范围的使用异步电机使电网的功率因数很低，从而使电网电压下降，影响各种用电设备。而同步电机功率因数可调是其宝贵的优势，稳态时可以控制电机在功率因数为1的情况下运行。在异步电机的磁场定向控制系统中，磁通控制取决于转子电阻参数，而该电阻随温度变化，而同步电机激磁电流是单独控制的，电机磁通不随温度变化，故同步电机的转矩控制精度高。

    在铁路的牵引传动领域，功率比较大，在同功率等级下，由于异步电机功率因数低于同步电机，视在功率高于同步电机，故异步电机调速的变换器容量比同步电机大。由于永磁同步电机的出现，同步电机使用更为广泛，永磁同步电机体积小，重量轻，可以安装在转向架内，降低了列车的重心。由于其xx封闭，可以防止赃物进入，增加运行可靠性。

    法国的高速列车TGV一直是采用同步电机牵引，而新一代AGV采用永磁同步电机牵引，可以看到同步电机的发展有着良好的前景。

参考文献

[1] 汤蕴璆，史乃.电机学.第2版.北京：机械工业出版社，2006

[2] 李志民，张遇杰.同步电动机调速系统.北京：机械工业出版社，1998

[3] 李崇坚.交流同步电机调速系统.北京：科学出版社，2006

[4] 何仰赞，温增银.电力系统分析（下册）.第三版.武汉：华中科技大学出版社，2002

[5] 柳青，张志田.同步电动机失步原因分析、产生的危害及保护措施.湖南工业职业技术学院学报,2001, Vol．1 ,No．2