1、摘要：目前，隨著同步電機在調速性能方面的逐漸改善，已在大容量變頻調速領域內廣泛使用。在高速列車上，法國率先采用同步牽引電機，它的功率因數可接近1，解決了異步電機功率因數低的問題。本文針對同步電機和異步電機在軌道調速系統中的差異進行了分析。關鍵詞：同步電機；異步電機；功率因數 ；變頻調速；1引言 隨著同步電機的調速性能和控制精度的提高，同步電機在高速列車的牽引傳動領域中也逐漸占據一席之地，例如，法國TGV的牽引電機采用的都是同步電機。 由于異步電機功率因數低（基本都在0.9以下）是一個很難克服的缺陷，而同步電機理想功率因數可以到達1，例如法國TGV的功率因數可以達到0.99，除此以外，同步電機還

2、有容量大、轉速恒定等優點，因此，同步電機在牽引傳動領域中還有很大的發展空間。 同步電動機在調速系統中的缺點正逐漸被解決，例如現在通常采用永磁同步電機，避免同步電機的勵磁裝置引發的問題和增加的維護工作量。但是，同步電機在調速方面略遜于異步電機，且結構較復雜，成本較高，因此，異步電機在牽引傳動領域仍占優勢。2感應電機的工作原理 定子中通以三相電流產生旋轉磁場，由于感應電機的轉子繞組是自行閉合的繞組，根據電磁感應原理，轉子繞組中會產生感應電流，感應電流與旋轉磁場相互作用產生電磁轉矩。正常情況下，感應電機的轉子轉速總是略低或略高于旋轉磁場的轉速。感應電機的運行狀態與轉差率有關，s1為電磁制動狀態，0s

3、1為電動機狀態，s0為發電機狀態。轉差率公式： 經過頻率歸算和繞組歸算，得到感應電動機的T型等效電路，如圖1所示。 由圖1可知，感應電動機是一個感性電路，所以感應電動機的功率因數角在（ ，）范圍內。因此，感應電機在運行過程中不斷從電網吸收無功功率。 當感應電機在空載運行時，轉子轉速接近于同步轉速， ，轉子電流接近于零，定子電流基本上是激磁電流（主要成分是無功的磁化電流），所以功率因數很低，約為0.1-0.2。當電動機加上負載時，轉差率增大，減小，轉子電流增大，定子電流中的有功分量也增大，電動機的功率因數會逐漸提高，通常在額定負載附近，功率因數達到最大值。若負載繼續增大，由于轉差率較大，轉子等效

4、電阻下降較快，轉子功率因數隨之大幅下降，定子功率因數也隨之下降。 在電力系統中，應保證無功功率平衡，即無功電源發出的無功功率應該大于或至少等于負荷所需的無功功率和網絡中的無功損耗之和。若系統中負荷吸收的無功功率增大，則導致電網電壓下降，以保持系統的無功功率平衡。而電網電壓下降，會使電路中損耗增加，電力系統運行的穩定性下降，影響電網中設備的使用壽命和生產產品的質量；若負荷吸收的無功功率減小，會導致電網電壓上升，各種電氣設備的絕緣可能受到傷害。 但是由于大量使用三相異步電動機，交流電網的功率因數普遍偏低，為了改善功率因數，同步電機得到發展和使用。3同步電機的工作原理 和異步電機不同，同步電機的轉子

5、繞組中通以直流勵磁電流，會在轉子內產生一恒定磁場，與定子繞組中通以三相對稱電流產生的旋轉磁場相互作用，產生電磁轉矩。由電機統一理論知道，兩磁場在電機穩態運行時，必須保持相對靜止，才能產生穩定的電磁轉矩，驅動電動機以同步轉速旋轉。因此，在穩態下，電機轉速穩定，恒等于同步轉速。 同步電機的運行狀態取決于定子合成磁場與轉子主極磁場之間的夾角，即功率角。根據功率角的不同，有三種運行狀態：發電機、電動機和補償機。若轉子主機磁場超前于定子合成磁場，即，電機作發電機運行；若轉子主機磁場和定子合成磁場軸線重合，即當 時，電機作補償機運行；若轉子主機磁場滯后于定子合成磁場，即當時，電機作為電動機運行，同步電機的

6、三種運行狀態如圖2所示。（a）發電機（b）補償機（c）電動機圖2 同步電機的三種運行狀態31 同步電機的失步3.1.1同步電機失步的原理 同步電機保持正常同步運行的一個必要條件和顯著標志是：它的轉速必須與電網嚴格對應，電動機的轉子和轉子磁場必須與定子旋轉磁場嚴格同步。這種嚴格的對應和同步關系是以轉軸上的轉矩平衡為基礎的。但來自電網、負載以及電機本身的各種擾動不斷地破壞著電機軸上的轉矩平衡關系。盡管電機按其本身的特性，具有一定的調節能力，以功角的相應變化自動地調節電磁轉矩的大小，以抵消各種擾動所引起的不平衡，使轉軸上的轉矩關系處于動平衡之中。但電機的這種自動調節能力是有限度的，當擾動大到一定程度

7、，就會導致電機失步。 以隱極同步電動機為例，電磁轉矩公式為：其中， 為相數， 為激磁電動勢， 為端電壓， 為直軸同步電抗， 為同步角速度， 為功角。 當擾動破壞電機軸上的轉矩平衡關系，使得 減小時，電磁轉矩 減小，轉子轉速下降，使得 增大，使轉矩保持平衡。擾動使得 增大時，增大，轉速上升，使得 減小，轉矩保持平衡。因此，在一定范圍內，同步電機具有自動調節能力，使得電機保持同步運行。312 同步電機常見的幾種失步類型 按失步原因及性質的不同，可分為三種失步類型，即斷電失步、帶勵失步和失磁失步。1斷電失步：引起斷電失步的主要原因是供電系統故障及人為切換電源等。在電源中斷又重新恢復期間，同步電動機轉

8、子轉速不斷降低，電源重新恢復時，轉子磁場的轉速低于定子磁場的同步轉速。2帶勵失步：帶勵失步一般由相鄰出線端頭短路故障、附近大型機組或機組群起動或自起動引起母線電壓較長時間較大幅度的降低、電動機所帶負載的大幅度突增以及起動過程中勵磁系統過早投勵等原因所引起。3失磁失步：失磁失步是由于轉子勵磁回路某處斷路或接觸不良，勵磁繞組匝間短路，勵磁機或晶閘管勵磁系統發生故障等原因，造成轉子失去直流勵磁電流，使轉子磁場消失，從而導致同步電動機“失磁”。32 同步電動機變頻調速 從控制方法上可以將同步電動機變頻調速分為兩種，一種為他控式變頻調速，一種為自控式變頻調速。他控式同步電動機變頻調速系統所用的變頻裝置是

9、獨立的，變頻裝置的輸出頻率是由速度給定信號決定的，這種系統一般為開環控制系統，導致同步電機發生失步現象。 自控式同步電動機變頻調速的最大特點是可以從根本上消除同步電動機轉子振蕩和失步的隱患，因為給同步電動機定子供電的變頻裝置的輸出頻率受轉子位置檢測器的控制，通過控制變頻裝置的輸出頻率保證定子旋轉磁場的轉速和轉子旋轉的轉速相等，始終保持同步，因此不會由于負載沖擊等原因造成失步現象。自控式同步電動機變頻調速系統主要由同步電動機、變頻器、轉子位置檢測器和控制單元組成，如圖3所示。 圖中MS是同步電動機，PS是轉子位置檢測器。控制單元的作用主要是把來自轉子位置檢測器的信號進行分析，判明轉子的真實位置和

10、轉速后，按一定的控制策略產生控制信號，控制變頻器輸出三相電流的頻率、幅值和相位大小，達到同步轉速跟蹤轉子轉速的目的。 既然自控式同步電動機的定子電流頻率受轉子轉速控制，那么電動機的同步轉速就受轉子轉速控制，那么如何實現變頻調速呢？統一的電磁轉矩公式如下所示： 根據上式知道，控制好定子磁動勢的大小和方位就可以控制轉矩，繼而可以控制轉子轉速。由于電動機的三相定子電流和定子合成磁動勢有嚴格對應關系，通過控制三相定子電流的幅值和相位，就可以控制轉子轉速。因此，同步電機和異步電機的變頻調速并不一樣，同步電機并不是通過改變定子電流的頻率來改變轉子轉速的。3.3 同步電動機的無功調節 忽略電樞電阻和磁飽和的

11、影響，并假定調節勵磁時原動機的輸入有功功率保持不變，根據功率平衡關系可知，在調節勵磁前后，發動機的電磁功率和輸出的有功功率應近似保持不變，即 由于電網電壓和發電機的同步電抗 均為定值，因此可以得到： 隱極同步電動機的等效電路如圖4所示。 隱極同步電機的電壓方程為由公式6和公式7可得到改變勵磁時隱極同步電動機的向量圖如圖5所示（電樞電阻和磁飽和忽略不計）。 由上圖可知，改變勵磁時， 的端點將落在水平線 上， 的端點將落在鉛垂線 上。若勵磁為“正常勵磁”，激磁磁動勢為 ， 和同相位，則電動機的功率因數 =1，如圖5實線所示。激磁電動勢的有效值 為：其中， 為基波繞組因數， 為主磁通量。 若增大勵磁

12、，增大， 隨之增大，移動至 ，如圖5的點線所示，此時 變為 ，相位超前于 ，其值較正常勵磁時大，電機便處于“過勵”狀態，功率因數為超前，功率因數角，因此，電動機處于發出無功功率狀態；反之，若減小勵磁， 減小，使激磁電動勢減小到 ，如圖5中點劃線所示，此時 變為 ，相位滯后于，其值也比正常勵磁時大，電機處于“欠勵”狀態，功率因數為滯后，功率因數角 ，因此，電動機處于吸收無功功率狀態。 在穩態下，通過改變勵磁電流，可使電動機在任一特定負載下的功率因數達到1，甚至變成超前，這是同步電動機的主要優點。4結論 感應電機的結構簡單、制造方便、價格便宜、運行可靠、維護工作量少，因此，在生產生活廣泛應用，但是感應電機功率因數低是其難以克服的缺陷，尤其在空載時，功率因數僅為0.1-0.2，大范圍的使用異步電機使電網的功率因數很低，從而使電網電壓下降，影響各種用電設備。而同步電機功率因數可調是其寶貴的優勢，穩態時可以控制電機在功率因數為1的情況下運行。在異步電機的磁場定向控制系統中，磁通控制取決于轉子電阻參數，而該電阻隨溫度變化，而同步電機激磁電流是單獨控制的，電機磁通不隨溫度變化，故同步電機的轉矩控制精度高。 在鐵路的牽引傳動領域，功率比