异步电机及同步发电机的基本工作原理

知识点：同步电机异步运行

当一对称的三相电流通入同步电机的定子绕组时，在空气隙中便产生一旋转磁场以同步转速 n1旋转。

设旋转磁场的旋转方向为自左至右，当放置磁场切割转子导体时，在转子导体中感应电势，由于转子绕组是闭合的，在转子导体中将有电流流通。为了图面清晰，图中只画有一根转子导体。

按照右手定则，转子导体中的电势方向为流向纸面，电流的方向也为流向纸面，转子导体中和电流与旋转磁场相互作用，使转子导体上受到一电磁力Fe，按照左手定则，这一电磁力的方向与旋转磁场的旋转方向相同。

在电磁力的作用下形成电磁转矩，拖动转子顺着旋转磁场方向旋转。这时电磁力Fe为原动力，相应的电磁转矩为驱动转矩，负载力F为阻力，相应的转矩为阻力矩。

    设转子的转速为n。在电动机状态，n较同步转速n1为小，旋转磁场切割转子的相对转速为n1-n,称为转差速度。

我们定义转差速度与同步转速的比值为转差率s，即有：s=(n1-n)/n1转差率是决定同步电机运行情况的重要变量。转子绕组中的感应电势的大小与转差速度成正比，亦即与转差率成正比。当负载转矩愈大时，必须有较大的转子电流和电势，因而必须有较大的转差率。在理想空载情况下，因无阻力转矩，这时电磁转矩为零，转子绕组中无需有电流和电势，转子转速便达到同步转速。

在实际的电动机运行情况下，因拖动着机械负载，电磁转矩必须要克服负载阻力转矩，故电动机的转子必须有适当的转差率。由此可得出结论：异步电动机的转速常在同步转速以下。普遍来讲，转子的转速在0≤n 0范围内。

    如果在转子上施加原动力矩拖动转子以大于同步转速顺着旋转磁场方向旋转，则旋转磁场切割转子的相对速度便倒转方向，图12-8（b）中n和n1为同一方向，都为自左至右，且n>n1，相对速度n1-n为自右至左，和电动机运行情况相比，转子导体中感应电势和电流的方向倒转，

在图12-8（b）中为自纸面流出。导体上所受到的电磁力的方向与转子旋转方向相反。这时机械功率为输入，电功率为输出，外施力F为原动力，电磁力Fe为阻力，这种运行状态为发电机运行，由此可得出结论：异步电机作为发电机运行，转速需大于同步转速，即n>n1,s<0,亦即s取负值。

    当对称三相电流流过对称三相绕组时，将在空气隙中产生旋转磁势。其基波分量有下列特性：它的振幅为3/2×0.9sqkw1I1；它的旋转速度为同步转速，即n1=60f/p(r/min)；它的旋转方向是从带有超前电流的相转向带有滞后电流的相；当某相电流达到最大值的瞬间，旋转磁势的振幅恰好转到该相绕组轴线处。

同步电机不论作为发电机运行还是作为电动机运行，只要其定子三相绕组中流通对称三相电流，都将在空气隙中产生上述旋转磁势，建立旋转磁场。因为这个磁场是由交流电流激励产生的，故称为交流激励的旋转磁场。同步电机的定子绕组又称为电枢绕组。因此，上述磁势又常称为电枢磁势，相应的磁场称为电枢磁场。

在同步机的转子上装有直流激磁的磁极，它与转子无相对运动。当转子旋转时，在气隙中又形成另一种旋转磁场。它是由直流电流激磁，又因为它随转子一同旋转，常称为直流激磁的旋转磁场或机械旋转磁场。

既然在同步电机的气隙空间存在着两种不同方式产生的旋转磁场，只要这两个磁场在空间有位移，它们之间便会产生电磁力，犹如两块磁铁之间存在着相互作用力一样。

    同步电机的电枢磁场与转子磁场之间虽然没有相对运动，但是，依据负载电流的性质不同，两个磁场间有着不同的相对位置。这个相对位置决定着同步电机的运行方式，就有功功率来讲，如顺着旋转方向，转子磁场超前于电枢磁场为发电机运行方式，这时转子由外施机械转矩拖动，对转子而言电枢磁场与转子磁场相互作用的力是一个电磁阻力。反之，电枢磁场超前于转子磁场为电动机运行方式，这时，电枢磁场作用到转子上的转矩是驱动转矩。

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