简述将异步电动机改为同步发电机的方法
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摘要：在电机学中，我们简要地了解了异步电机和同步电机这两种电机。在理论上同步电机和异步电机都既可以做发电机又可以做电动机。但在实际应用中，出于其工作性能的考虑，异步电机通常做为电动机，同步电机通常做为发电机。在某些特定情况下（如身边没有同步机，只有异步机），异步电机通过电源的交流直流转换，外加原动机的驱动，是能够改装成一台较为合适的同步电机。如何将异步电机改为所需要的同步电机，是本文论述的重点。
关键词：异步电机；同步电机
中图分类号：TB857+.3 文献标识码：B 文章编号：1009-9166（2008）33（c）-0056-02
同步电机和异步电机是电机学中两大主要电机。为充分发挥各自不同性能，通常被安放在不同工作领域。为能够让理论上异步电机既可做电动机又可做发电机在实际中得以实现，本文在前人基础上，简单介绍如何将异步电机改为所需要的同步电机。
首先，简单介绍异步电机和同步电机。
在结构上，同步电机和异步电机都主要由定子，转子及端盖和风扇之类的部分构成，在定子和转子中，都有相应的定子绕组和转子绕组。
在分类上，异步电机按相数分，有单相异步电机、三相异步电机；按转子结构分，有鼠笼式异步电机和绕线式异步电机。同步电机按用途来分，有发电机、电动机和调相机；按结构形式分，有旋转电枢式和旋转磁极式。在旋转磁极式中，按磁极形状又可分为隐极式同步电机和凸极式同步电机。
在工作原理中，异步电机是电机转速N1和旋转磁场转速N不相同的电机。在工作时，定子绕组接到三相电源，输入三相对称电流，便在气隙中建立基波圆形旋转磁动势，从而产生基波旋转磁场，其转速N1=60F/P，方向与定子电流相序一致。
若转子不转，该气隙磁场与转子绕组有相对运动，便切割转子绕组，转子绕组产生电动势，方向可由右手定则判断。由于转子电路是闭合的，在转子绕组中产生相应的电流，电流的有功分量的方向与电动势同相。
转子带电导体在变化的磁场中会受电磁力的作用，受力方向可用右手定则判断。因此便产生电磁转矩，方向与旋转磁动势相同。这样，转子便在该方向上旋转起来。转子旋转起来后，转速为N，只要N
同步电机是电机转速N1和旋转磁场转速N相同的电机。在工作时，原动机将同步发电机拖动到同步转速，转子绕组同入直流励磁电流，定子绕组开路（称为空载运行）或带负载（称为对称负载运行）。电机中有励磁电流IF，产生励磁磁动势，建立励磁磁场。在电枢绕组中感应出对称的三相电动势，若接上负载，则三相绕组中流过三相对称电流，定子绕组中会产生电枢磁动势。励磁磁动势和电枢磁动势一起产生合成次动势，从而产生出电能。无论是对于隐极还是凸极式同步发电机都要注意不考虑饱和和考虑饱和这两种情况
根据上述所说的原理，要将一台异步电机改装成为同步电机，首先在运行工作原理上要加以改动。要把异步机的三相电流输入定子绕组改为直流励磁通入转子绕组。由于外界是三相交流电，在把直流励磁通入转子之前，需要把交流变为直流，下面介绍如何将三相交流电变为直流电。
交流变直流通常要经过变压，整流，滤波，稳压这四个步骤，如图。
1、电源变压器：将电网交流电压（220V或380V）变换成符合需要的交流电压，此交流电压经过整流后可获得电子设备所需的直流电压。因为大多数电子电路使用的电压都不高，这个变压器是降压变压器。
2、整流电路：利用具有单向导电性能的整流元件，把方向和大小都变化的50Hz交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电。在这我们用三相全控桥整流电路。利用二极管的单向导电性组成整流电路，可将交流电压变为单向脉动电压。为便于分析整流电路，把整流二极管当作理想元件，即认为它的正向导通电阻为零，而反向电阻为无穷大。那么三相整流电路中各个二极管如何导电？基本原则仍然是二极管的阳极电位高于阴极电位时二极管导电，反之不导电。在图1中根据各相波形相交的情况，按30°为一段进行时间段的划分，在图的最下方用1、2、3、4、5、6、7、…表示。
图1电阻负载三相桥式整流电路 图2三相桥式整流电路的波形图
三相桥式电阻负载整流电路的输出电压波形见图2的下半部分，它是由相应时间段导电二极管所对应的两相电压之差得到的。由于输出电压是以共阳极线为参考地电位，对于其中时间段1，可由A相和B相电压之差得到，见图3，同理可得到其他时间段的输出波形。这样在一个工频周期内，输出电压有六个波头，相当于300赫兹，这有利于提高输出电压的平均值，同时有利于滤波，减小输出的纹波。
图3三相桥式整流电路输出电压波形的合成
3、滤波电路：利用储能元件电容器C两端的电压不能突变的性质，把电容C与整流电路的负载RL并联，就可以将整流电路输出中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电。在小功率整流电路中，经常使用的是电容滤波。
电容滤波电路滤波原理
滤波电容容量大，因此一般采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正、负极。电容滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑。
当u2为正半周并且数值大于电容两端电压uC时，二极管D1和D3管导通，D2和D4管截止，电流一路流经负载电阻RL，另一路对电容C充电。当uC>u2，导致D1和D3管反向偏置而截止，电容通过负载电阻RL放电，uC按指数规律缓慢下降。
当u2为负半周幅值变化到恰好大于uC时，D2和D4因加正向电压变为导通状态，u2再次对C充电，uC上升到u2的峰值后又开始下降；下降到一定数值时D2和D4变为截止，C对RL放电，uC按指数规律下降；放电到一定数值时D1和D3变为导通，重复上述过程。
4、稳压电路：当电网电压或负载电流发生变化时，滤波电路输出的直流电压的幅值也将随之变化，因此，稳压电路的作用是使整流滤波后的直流电压基本上不随交流电网电压和负载的变化而变化
最后，交流电就变成了直流电。
在把交流电转变为所需要的直流电后，下面就要把转变而来的直流点加入到转子绕组中。
对转子绕组加入直流电的方式有两种，一种是将转子任意两个线圈并联，再与另一个线圈串联后连到直流电源上。另一种是将转子任意一个线圈开路，将另两个线圈接到直流上。这两种方法只要在滑环外面改变接线即可，不必改变转子内部接线，如图所示。
当把要改装的异步机的转子通入直流电后，还需要一个原动机拖动转子转动。在定子绕组外部接入负载。把所需要的原动机和转子相连，在输入直流励磁电流的同时，开动原动机，使原动机拖动转子转动，一直拖动到同步转速。这样，转子上所需要的机械能和电能都给予了提供。在产生的磁场的作用下，在电枢绕组中感应出对称的三相电动势，在负载中就会流过的电流。这样，就把一台异步电动机改装成了一台同步发电机。
作者单位：东南大学成贤学院
作者简介：许家文（1986年），男，汉族，江苏南京人，东南大学成贤学院2005级电力系统及其自动化本科生。
参考文献：
[1]戴文进,徐龙权.电机学.清华大学出版社.2008
[2]李岚,段树华,罗伟.谈将绕线式转子异步电动机改成同步发电机的方法.广西轻工业.2007.3