“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 。 经常有同学问 ， 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？……通过本期文章 ， 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 。


本文插图


图1 他励直流电动机的电路原理
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同学们最为困惑的 ， 许多同学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 。 从许多同学的提问中可以看出 ， 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 。