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科学瞎想系列之一〇七 电机运行工况的判别方法

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最近一段时期,本公众号连续发表的科学瞎想系列文章大多是讲NVH那些事,可能是这个话题过于枯燥,而且多为大段的公式和数学推导,本来NVH就是天书,所以许多宝宝有些懵B,以致于最近发表的文章阅读量有些冷清,公众号涨粉速度徘徊。鉴于此,本期瞎想就暂时先把烦人的NVH放一放,插播一期接地气的。许多宝宝经常问起一个话题——“电机运行工况的判别方法”,也就是怎么判别电机是运行在发电工况还是电动工况,希望这期瞎想能实实在在解决一下宝宝们的这个困惑。 经常有宝宝问,电动汽车的驱动电机在低速运行时,空载反电势很低,低于外接电源的电压,它怎么还会做制动给蓄电池反充发电呢?高速运行时反电势远高于电池电压,怎么电池还能反过来给电机供电做电动运行驱动汽车呢?风力发电机在风速很低时转速也很低,发电机的端电压远低于电网电压还能并网发电吗?同步电机怎么会即向外输出无功功率又要从电源吸收有功功率呢?异步电机为什么即要向电源索取无功功率用于励磁还能对外输出有功功率?……通过本期瞎想,这些问题都可以给你一个完美的答案。 旋转电机是一种机电能量转换装置,即可以把电能转换成机械能——作电动工况运行;也可以把机械能转换成电能——作发电工况运行。通常对于任意一台特定的电机,理论上都是可以可逆运行的,即可以电动运行也可以发电运行,当然发电工况和电动工况都需要满足一定的运行条件才能实现相应的运行工况,因此一台电机做好后,从原理结构上不能说它就是发电机或电动机,而是看给它提供什么样的运行条件,运行条件决定它的运行工况或运行状态。当然,虽然发电机和电动机在原理结构上没有区别,但针对电机预定的用途,在设计时还是需要重点考虑其在预定用途工况下的运行性能要尽量的优,非预定用途工况下的性能可做次要考虑甚至忽略。例如:如果要设计一台发电机,那么就需要重点针对其输出的电能品质、各项发电性能进行优化,而起动性能等电动工况下的性能就可以不做重点考虑甚至不考虑,同理如果要设计一台电动机,就需要重点针对电动工况下的性能进行优化,而忽略一些发电性能。 如前所述,对于一台特定的电机,从原理结构上是不能区分是电动机还是发电机的,运行工况主要取决于运行条件。对于不同种类的电机,发电和电动运行的条件也不相同。通常电机按结构原理分类可分为直流电机和交流电机,其中交流电机又可分为同步电机和异步电机,接下来就按不同电机类别说说它们运行工况判别方法。 1 直流电机的运行工况判别方法 首先声明,这里所说的直流电机是指那种带换向器的传统直流电机,不包括无刷直流电机,无刷直流电机在原理上类似同步电机,因此我们将其归结为后面要讲的同步电机。直流电机绕组和换向器特有的连接方式使其在电刷上得到的反电势为直流反电势,反电势的大小与转速成正比。也就是说,直流电机可以看作一个直流蓄电池,其反电势即为电池的电动势,其电枢电阻即为电池的内阻。如图1所示为传统直流电机的原理图,图中各物理量的正方向都是按照电动机惯例来规定的,即从电源端口向电机看进去,电流正方向是从电源正极流向电机正电刷,再从负电刷流回电源负极,反电势正方向与电流方向相反。

在这种正方向规定的前提下,如果电流实际值为正就表示电源向电机输入电功率,电机就处于电动工况运行;如果电流实际值为负(即电流实际方向与规定的正方向相反),则电机就是向外输出电功率,电机就运行在发电工况。那么怎么判断电流的实际值是正还是负呢?我们就要从直流电机的电势平衡方程式说起,在图1规定的正方向下,电机的电势平衡方程式为: Ud=Ia•(Ra+Rc)+2ΔUc+Ea ⑴ 忽略掉电刷压降ΔUc后,由⑴式得出电枢电流为: Ia=(Ud-Ea)/(Ra+Rc) ⑵ 由⑵式可知,当Ud>Ea时,电枢电流Ia为正,电机处于电动工况运行;当Ud<Ea时,电枢电流Ia为负,电机处于发电工况运行。 划重点:判断直流电机运行工况的方法是看端电压和反电势哪个高,如果端电压高于反电势,电机就处于电动工况;反之如果端电压低于反电势,电机就处于发电工况。 2 同步电机的运行工况判别方法 如果说上述直流电机运行工况的判别方法地球人都知道,那么同步电机的运行工况判别则是宝宝们最为困惑的,许多宝宝仍然用直流电机的的判别方法错误地认为:同步电机的反电势低于端电压时就不可能发电,只能运行在电动工况,只有反电势高于端电压时才能运行在发电工况。理由是电流只能由高电压流向低电压,反电势比端电压低就不可能有电流流出,只能流进电机。从许多宝宝的提问中可以看出,持这种观点的人不在少数,你是不是也是这样认为的?这种观点的主要错误在于:一是概念混乱,简单地把电流比作水流,“水往低处流”,所以能量就往“低处流”;二是混淆了功率和电流的概念,认为电流的流向就是功率的流向;三是对同步电机的基本原理和理论理解不深,凭想象靠朴素的常识去理解、判断。同步电机属于交流电机,所谓交流电机就是它在运行时电枢端口的电压和电流都是交变的,也就是说同步电机的电流方向是不断变化的,怎么能仅靠电流方向去判别功率流向呢?退一万步讲,即使是直流电流,电流从一端流入必然会从另一端流出,又怎么能把电流理解为能量或者功率的流入流出呢?要想了解同步电机的运行状态还得从同步电机的电压平衡方程和相量图说起。 以隐极同步电机为例,按发电机惯例规定正方向,忽略漏阻抗后其电压平衡方程为: E0=I•jXt+U ⑶ 式中:E0为空载反电势;I为电枢电流;Xt为同步电抗;U为端电压。如图2为按发电机惯例规定正方向时的相量图。

图2a、图2c为过励时的相量图,可见这两种状态都是E0>U;图2b、图2d为欠励时的相量图,可见这两种状态都是E0<U。由图2a和图2b可见,-90º<φ<+90º(定义电流滞后电压时φ为正),cosφ>0,电机的输出电功率为: P=U•I•cosφ>0 ⑷ 说明这两种状态电机都是对外输出电功率,即这两种状态都是发电工况。 由图2c和图2d可见,+90º<φ<+270º,cosφ<0,电机的输出电功率为: P=U•I•cosφ<0 ⑷ 这两种状态下输出的电功率均为负值,说明这两种状态都是电动工况。 进一步分析,图2a和图2b两种发电工况的共同特点是:反电势E0的相位都是超前端电压U的,而图2c和图2d两种电动工况的共同特点是:反电势E0的相位都是滞后端电压U的。 再进一步分析,反电势E0与端电压U分别是由转子磁场Bf和气隙磁场Bδ产生的,即E0和U分别滞后Bf和Bδ 90º,而电枢反应压降I•jXt则是定子磁场Ba产生的,即I•jXt超前Ba 90º。图2a和图2b两种发电工况还有一个共同特点就是:转子磁场都是超前气隙磁场和定子磁场的,也就是说发电工况下,是转子的磁场“拉着”气隙磁场(或定子磁场)转;而图2c和图2d两种电动工况的另一个共同特点就是:转子磁场都是滞后气隙磁场和定子磁场的,也就是说电动工况下,是气隙磁场(或定子磁场)“拉着”转子的磁场转

上述的讨论虽然是以隐极同步电机为例讨论的,但所得到的结论同样适用于凸极同步电机和永磁同步电机,也适用于无刷直流电机,只不过无刷直流电机可认为是电流都是q轴电流,即电流的相位总是与E0同相位或反相位,同相位时为发电工况,反相位时为电动工况。 综上所述,判别同步电机(包括无刷直流电机)是发电工况还是电动工况,不是根据反电势和端电压的大小来判定的,而是根据反电势和端电压的相位来判定的,或者说是根据定子磁场(或气隙磁场)与转子磁场的空间相位关系来判定的,当E0超前U时,电机就处于发电工况,或者说转子磁场在前时,转子“拉着”定子转,就是发电工况;当E0滞后U时,电机就处于电动工况,或者说定子磁场(或气隙磁场)在前时,定子“拉着”转子转,就是电动工况。无论反电势比端电压高还是低,同步电机都可以运行在发电工况,只不过反电势高于端电压时,电机处于过励状态,输出滞后的无功功率,反电势低于端电压时,电机处于欠励状态,输出超前的无功功率。同理,无论反电势比端电压高还是低,同步电机都可以运行在电动工况,只不过反电势高于端电压时,电机处于过励状态,吸收超前的无功功率,反电势低于端电压时,电机处于欠励状态,吸收滞后的无功功率。划重点:转子拉着定子转——发电!定子拉着转子转——电动!如图3所示。

3 异步电机的运行工况判别方法 异步电机又称感应电机,异步电机常见的运行工况是电动工况,某些特定场合下也作发电运行。由于感应电机只有定子绕组一个电气接口与电源连接,转子绕组是短路的闭合绕组,其中的电流是通过气隙磁场和转子的转差感应而来,因此电机中的磁场只能由定子侧电流建立,也就是说,无论异步电机是发电工况还是电动工况,都需要从电网吸收滞后的无功功率来建立磁场。 如图4a为异步电机的等效电路图,由于异步电机常作为电动机使用,所以图中各物理量的正方向都是按照电动机惯例规定的,需要说明的是,分析的结论与正方向规定无关,因此无论按什么惯例规定正方向都会得到同样的结论。

图中按电动机惯例规定的正方向下,异步电机的电压平衡方程为: U1=-E1+I1•R1+I1•jX1σ E2′=I2′•R2′/s+I2•jX′2σ E1=E2′ I1=Im+(-I2′) ⑸ 根据⑸式,我们可以画出如图4b和图4c电动工况和发电工况的相量图。 接下来我们解释一下这两个相量图,以便总结出异步电机在电动工况和发电工况的本质区别。在解释之前,有必要先说一下异步电机非常重要的一个状态参数,那就是转差率s,它是同步转速(定子磁场转速)与转子转速之差(转差)再与同步转速的比值,即: s=(n1-n)/n1 ⑹ 式中:n1为同步转速;n为转子的转速。由⑹式可知,当n1>n(转子的转速低于同步转速)时,s>0,即转差率为正;当n1<n(转子的转速高于同步转速)时,s<0,即转差率为负。如图4b所示,当转差率s>0时,转子绕组感应电势与转子电流的相位差ψ2<90º,定子电流与定子端电压的相位差(功率因数角)φ1<90º,此时定子输入的电功率为: P1=U1•I1•cosφ1>0 ⑺ 说明电机从电源吸收电功率,相应地,轴上输出机械功率,因此电机处于电动工况。需要特殊说明的是,异步电机还有一个极特殊的工况,就是电磁制动工况,当转子旋转方向与同步转速方向相反(或电压逆相序)时,转差率s>1,此时定子电端口同样输入电功率,同时轴上的机械端口也输入机械功率,产生的电磁转矩方向仍与同步转速方向相同,但与转子旋转方向相反,对转子起到制动作用,这种工况即不是发电工况也不是电动工况,称为电磁制动工况,这种工况由于电端口和机械端口同时都输入功率,两个功率全部被电机转换成了热量,因此这种工况发热会非常严重,一般极少运行在此工况,除非误操作或需要紧急制动的情况下才会短时间出现,因此需要修正一下,当转子转速低于同步转速但不反转(1>s>0)时电机处于电动工况,转子反转(s>1)时,电机处于电磁制动工况。如图4c所示,当转差率s<0时,转子绕组感应电势与转子电流的相位差ψ2>90º,定子功率因数角φ1>90º,此时定子输入的电功率为: P1=U1•I1•cosφ1<0 ⑺ 说明电机向电源输出电功率,相应地,轴上输入机械功率,因此电机处于发电工况。 划重点:判断异步电机是发电工况还是电动工况,只需看转差率,或者说看转子转速是低于同步转速还是高于同步转速。如果转子转速低于同步转速且不反转(1>s>0),电机处于电动工况;如果电机反转(s>1),电机处于电磁制动工况;如果转子转速高于同步转速(s<0),电机处于发电工况。 4 有关问题的说明 说完各种电机运行工况的判别方法,接下来我们就说说本文开头所说的那几个问题。前面的问题中无论是汽车驱动电机还是风力发电机,与电机相连接的都有一个变频器,在说那些问题之前有必要先说说变频器是个神马东东,顾名思义变频器是一个用来变频的东东,但实际上变频器还真不是为“变频”而生的,虽然“变频”是它输出的一个结果,但“变频”绝对不是它的目的,而是不得已而为之的被动结果。变频器控制电机的目的是变速,而要想变速本质上是控制电机的电磁转矩,因此变频器本质的控制功能是控制电机的转矩,对电动机,由于电磁转矩是驱动性质,只要增大电磁转矩,电机就会加速,减小转矩就会降速;反之对发电机而言,电磁转矩减小就会加速,电磁转矩增大就会减速。而控制转矩主要是控制电流的相位和大小。也就是说,变频器通常是通过控制输出电流的大小和相位,来控制电磁转矩。对于一个全控器件组成的变频器,电流的相位可以控制到0~360º任意变化,电流大小可以从0到器件极限,因此也称这种变频器为四象限变频器,只要控制了电流的相位和大小,就可以控制电机的电磁转矩,从而控制了转速,至于输出电压和频率,则通常是因为转速变化而引起的被动变化的结果。说了半天变频器的控制原理可能宝宝们有点蒙圈,听不懂不要紧,你只需知道一个结论,就是变频器可以任意控制输出的电流大小和相位。说完变频器就可以解答宝宝们的疑问了。 电动汽车的驱动电机在低速时,空载反电势很低,能不能发电回馈制动,给蓄电池反充电? :能!只需控制电流的相位,使定子磁场滞后转子磁场,让转子拉着定子转,电机就会回馈制动发电给蓄电池回充,至于制动转矩的大小,除取决于电流相位外还可通过控制电流大小来调节。至于低速时反电势低于端电压,不要紧,那不影响发电制动,只不过是影响无功功率,此时电机欠励运行,输出超前无功功率而已。理论上,无论车速多慢,都可以实现回馈制动,而且制动转矩可以保持恒定。 高速运行时电机反电势远高于电池电压,电池能否给电机供电做电动运行驱动汽车? :可以!只要控制电流的相位,使定子磁场超前转子磁场,让定子拉着转子转,电机就会处于电动工况驱动汽车运行,只不过转速过高时为了电压不超限,需要弱磁,相应的转矩会有所降低。 风力发电机在低转速时能否并网发电? :能!只需根据主控给出的发电指令,控制电流的相位和大小,使定子磁场滞后转子磁场,让转子拉着定子转,电机就处于发电工况,理论上,即使电机不转,同样可以并网,只不过不能输出电功率,事实上,对于交流电机带全功率变频器的风力发电机组,大多是在电机不转时先并网,一旦电机旋转即可开始调制控制发电。 同步电机怎么会即向外输出无功功率又要从电源吸收有功功率呢? :搜衣贼!只需控制电流相位或励磁电流(对电励磁),就可以实现无功功率的任意调节,至于要同时吸收来自电源有功,只需控制电流相位让定子拉着转子转,处于电动工况即可。对于直接并网的同步电机,只要轴上带上机械负载,转子磁场就自然会滞后定子磁场,让定子拉着转子转。 异步电机为什么即要向电源吸收无功功率用于励磁还能对外输出有功功率? :异步电机只能由定子励磁,而励磁必须要滞后的无功电流,无论发电还是电动。至于如何同时即向电源索取无功功率又对外输出有功功率,搜衣贼!只需控制电流相位,使功率因数角φ1>90º,使电机处于发电状态即可。其实降低变频器的输出频率使定子磁场转速低于转子转速,自然功率因数角φ1就大于90º,电机就处于发电工况,当然这个时候转子必须要由原动机驱动哦! OK!今天的课就上到这里,都明白了没?明白了你知道接下来该干嘛!下课!

本文分享自微信公众号 - 龙行天下CSIEM(gh_a8911987218e),作者:龙行天下 标准答案 李保来

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原始发表时间:2020-02-27

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