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國家電網招聘考試高頻考點電機學:如何選擇同步電機和異步電機?

 二維碼
發表時間:2023-03-26 19:23作者:思格教育


  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。


  下面看看他們的區別吧。


      01、同步電機和異步電機在設計上的不同


  永磁同步電動機模型


  三相異步電機結構圖


      ①同步與異步的最大區別就在于看他門的轉子速度是不是與定子旋轉的磁場速度一致,如果轉子的旋轉速度與定子是一樣的,那就叫同步電動機,如果不一致,就叫異步電動機。


      ②當極對數一定時,電機的轉速和頻率之間有嚴格的關系,用電機專業術語說,就是同步。異步電機也叫感應電機,主要作為電動機使用,其工作時的轉子轉速總是小于同步電機。


      ③所謂“同步”就是電樞(定子)繞組流過電流后,將在氣隙中形成一旋轉磁場,而該磁場的旋轉方向及旋轉速度均與轉子轉向,轉速相同,故為同步。


  異步電機的話,其旋轉磁場與轉子存在相對轉速,即產生轉距。


      02、為什么會同步,為什么會不同步呢


  同步電機和異步電機的定子繞組是相同的,主要區別在于轉子的結構。同步電機的轉子上有直流勵磁繞組,所以需要外加勵磁電源,通過滑環引入電流;而異步電機的轉子是短路的繞組,靠電磁感應產生電流。相比之下,同步電機較復雜,造價高。


  同步和異步電機均屬交流動力電機,是靠50Hz交流電網供電而轉動。異步電機是定子送入交流電,產生旋轉磁場,而轉子受感應而產生磁場,這樣兩磁場作用,使得轉子跟著定子的旋轉磁場而轉動。其中轉子比定子旋轉磁場慢,有個轉差,不同步所以稱為異步機。而同步電機定子與異步電機相同,但其轉子是人為加入直流電形成不變磁場,這樣轉子就跟著定子旋轉磁場一起轉而同步,始稱同步電機。


  簡單的說就是:異步電機的轉子上沒加直流勵磁電流,同步電機的轉子上加了一個直流勵磁電流使轉子的轉速與定子與轉子切割產生的磁場轉速一致。


      03、同步發電機轉子為什么要通入直流勵磁電流


  而不通入交流勵磁電流


  按工頻50HZ考慮,轉子通入直流勵磁電流,可在定子繞組中感應出50HZ電勢。


  轉子通入交流勵磁電流后,可分解為正向與反向兩個旋轉磁場,正向旋轉磁場旋轉速度與轉子旋轉速度迭加,在定子繞組中感應出100HZ電勢;反向旋轉磁場旋轉速度與轉子旋轉速度抵消,與定子繞組相對靜止,不產生電勢,但定子磁通中出現直流分量,可能飽和。


      04、同步電機和異步電機怎么選擇


    (從功能和用途上區分)


      ①同步電機大多用在大型發電機的場合。而異步電機則幾乎全用在電動機場合。同步電機可以通過勵磁靈活調節輸入側的電壓和電流相位,即功率因數;異步電機的功率因數不可調,一般在0.75-0.85之間,因此在一些大的工廠,異步電機應用較多時,可附加一臺同步電機做調相機用,用來調節工廠與電網接口處的功率因數。但是,由于同步電機造價高,維護工作量大,現在一般都采用電容補償功率因數。


      ②同步電機效率較異步電機稍高,在2000KW以上的電動機選型時,一般要考慮是否選用同步電機。但是,同步機因為有勵磁繞組和滑環,需要操作工人有較高的水平來控制勵磁,另外,比起異步電機的免維護來,維護工作量較大;所以,現在2500KW以下的電動機,現在大多選擇異步電機。在功率較小時,效率的差別已經變得微不足道了。


      ③異步電機簡單,成本低,易于安裝、使用和維護,所以受到廣泛使用。缺點是效率低,功率因數低對電網不利。而同步電機效率高是容性負載,可改善電網功率因數。


      ④同步機需要勵磁電壓、電流調節,異步機則不需;同步機可以給系統補償無功,異步機需要專門設備增加功率補償。


      ⑤同步電機的主要運行方式有三種,即作為發電機、電動機和補償機運行。作為發電機運行是同步電機最主要的運行方式,作為電動機運行是同步電機的另一種重要的運行方式。同步電動機的功率因數可以調節,在不要求調速的場合,應用大型同步電動機可以提高運行效率。近年來,小型同步電動機在變頻調速系統中開始得到較多地應用。同步電機還可以接于電網作為同步補償機。這時電機不帶任何機械負載,靠調節轉子中的勵磁電流向電網發出所需的感性或者容性無功功率,以達到改善電網功率因數或者調節電網電壓的目的。一般的應用場合做為設備驅動選擇異步電動機就可以了。

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