“電機(jī)運(yùn)行工況的判別方法”，也就是怎么判別電機(jī)是運(yùn)行在發(fā)電工況還是電動工況。經(jīng)常有同學(xué)問，電動汽車的驅(qū)動電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，空載反電勢很低，低于外接電源的電壓，它怎么還會做制動給蓄電池反充發(fā)電呢？高速運(yùn)行時(shí)反電勢遠(yuǎn)高于電池電壓，怎么電池還能反過來給電機(jī)供電做電動運(yùn)行驅(qū)動汽車呢？風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)速很低時(shí)轉(zhuǎn)速也很低，發(fā)電機(jī)的端電壓遠(yuǎn)低于電網(wǎng)電壓還能并網(wǎng)發(fā)電嗎？同步電機(jī)怎么會即向外輸出無功功率又要從電源吸收有功功率呢？異步電機(jī)為什么即要向電源索取無功功率用于勵(lì)磁還能對外輸出有功功率？……通過本期文章，這些問題都可以給你一個(gè)完美的答案。

旋轉(zhuǎn)電機(jī)是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，即可以把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能——作電動工況運(yùn)行；也可以把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能——作發(fā)電工況運(yùn)行。通常對于任意一臺特定的電機(jī)，理論上都是可以可逆運(yùn)行的，即可以電動運(yùn)行也可以發(fā)電運(yùn)行，當(dāng)然發(fā)電工況和電動工況都需要滿足一定的運(yùn)行條件才能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)行工況，因此一臺電機(jī)做好后，從原理結(jié)構(gòu)上不能說它就是發(fā)電機(jī)或電動機(jī)，而是看給它提供什么樣的運(yùn)行條件，運(yùn)行條件決定它的運(yùn)行工況或運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)然，雖然發(fā)電機(jī)和電動機(jī)在原理結(jié)構(gòu)上沒有區(qū)別，但針對電機(jī)預(yù)定的用途，在設(shè)計(jì)時(shí)還是需要重點(diǎn)考慮其在預(yù)定用途工況下的運(yùn)行性能要盡量的優(yōu)，非預(yù)定用途工況下的性能可做次要考慮甚至忽略。例如：如果要設(shè)計(jì)一臺發(fā)電機(jī)，那么就需要重點(diǎn)針對其輸出的電能品質(zhì)、各項(xiàng)發(fā)電性能進(jìn)行優(yōu)化，而起動性能等電動工況下的性能就可以不做重點(diǎn)考慮甚至不考慮，同理如果要設(shè)計(jì)一臺電動機(jī)，就需要重點(diǎn)針對電動工況下的性能進(jìn)行優(yōu)化，而忽略一些發(fā)電性能。

如前所述，對于一臺特定的電機(jī)，從原理結(jié)構(gòu)上是不能區(qū)分是電動機(jī)還是發(fā)電機(jī)的，運(yùn)行工況主要取決于運(yùn)行條件。對于不同種類的電機(jī)，發(fā)電和電動運(yùn)行的條件也不相同。通常電機(jī)按結(jié)構(gòu)原理分類可分為直流電機(jī)和交流電機(jī)，其中交流電機(jī)又可分為同步電機(jī)和異步電機(jī)，接下來就按不同電機(jī)類別說說它們運(yùn)行工況判別方法。

1 直流電機(jī)的運(yùn)行工況判別方法

首先聲明，這里所說的直流電機(jī)是指那種帶換向器的傳統(tǒng)直流電機(jī)，不包括無刷直流電機(jī)，無刷直流電機(jī)在原理上類似同步電機(jī)，因此我們將其歸結(jié)為后面要講的同步電機(jī)。直流電機(jī)繞組和換向器特有的連接方式使其在電刷上得到的反電勢為直流反電勢，反電勢的大小與轉(zhuǎn)速成正比。也就是說，直流電機(jī)可以看作一個(gè)直流蓄電池，其反電勢即為電池的電動勢，其電樞電阻即為電池的內(nèi)阻。如圖1所示為傳統(tǒng)直流電機(jī)的原理圖，圖中各物理量的正方向都是按照電動機(jī)慣例來規(guī)定的，即從電源端口向電機(jī)看進(jìn)去，電流正方向是從電源正極流向電機(jī)正電刷，再從負(fù)電刷流回電源負(fù)極，反電勢正方向與電流方向相反。

圖1 他勵(lì)直流電動機(jī)的電路原理

在這種正方向規(guī)定的前提下，如果電流實(shí)際值為正就表示電源向電機(jī)輸入電功率，電機(jī)就處于電動工況運(yùn)行；如果電流實(shí)際值為負(fù)(即電流實(shí)際方向與規(guī)定的正方向相反)，則電機(jī)就是向外輸出電功率，電機(jī)就運(yùn)行在發(fā)電工況。那么怎么判斷電流的實(shí)際值是正還是負(fù)呢？我們就要從直流電機(jī)的電勢平衡方程式說起，在圖1規(guī)定的正方向下，電機(jī)的電勢平衡方程式為：

Ud=Ia·(Ra+Rc)+2ΔUc+Ea ⑴

忽略掉電刷壓降ΔUc后，由⑴式得出電樞電流為：

Ia=(Ud-Ea)/(Ra+Rc) ⑵

由⑵式可知，當(dāng)Ud＞Ea時(shí)，電樞電流Ia為正，電機(jī)處于電動工況運(yùn)行；當(dāng)Ud＜Ea時(shí)，電樞電流Ia為負(fù)，電機(jī)處于發(fā)電工況運(yùn)行。

劃重點(diǎn)：判斷直流電機(jī)運(yùn)行工況的方法是看端電壓和反電勢哪個(gè)高，如果端電壓高于反電勢，電機(jī)就處于電動工況；反之如果端電壓低于反電勢，電機(jī)就處于發(fā)電工況。

2 同步電機(jī)的運(yùn)行工況判別方法

如果說上述直流電機(jī)運(yùn)行工況的判別方法地球人都知道，那么同步電機(jī)的運(yùn)行工況判別則是同學(xué)們最為困惑的，許多同學(xué)仍然用直流電機(jī)的的判別方法錯(cuò)誤地認(rèn)為：同步電機(jī)的反電勢低于端電壓時(shí)就不可能發(fā)電，只能運(yùn)行在電動工況，只有反電勢高于端電壓時(shí)才能運(yùn)行在發(fā)電工況。理由是電流只能由高電壓流向低電壓，反電勢比端電壓低就不可能有電流流出，只能流進(jìn)電機(jī)。從許多同學(xué)的提問中可以看出，持這種觀點(diǎn)的人不在少數(shù)，你是不是也是這樣認(rèn)為的？這種觀點(diǎn)的主要錯(cuò)誤在于：一是概念混亂，簡單地把電流比作水流，“水往低處流”，所以能量就往“低處流”；二是混淆了功率和電流的概念，認(rèn)為電流的流向就是功率的流向；三是對同步電機(jī)的基本原理和理論理解不深，憑想象靠樸素的常識去理解、判斷。同步電機(jī)屬于交流電機(jī)，所謂交流電機(jī)就是它在運(yùn)行時(shí)電樞端口的電壓和電流都是交變的，也就是說同步電機(jī)的電流方向是不斷變化的，怎么能僅靠電流方向去判別功率流向呢？退一萬步講，即使是直流電流，電流從一端流入必然會從另一端流出，又怎么能把電流理解為能量或者功率的流入流出呢？要想了解同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)還得從同步電機(jī)的電壓平衡方程和相量圖說起。

以隱極同步電機(jī)為例，按發(fā)電機(jī)慣例規(guī)定正方向，忽略漏阻抗后其電壓平衡方程為：

E0=I·jXt+U ⑶

式中：E0為空載反電勢；I為電樞電流；Xt為同步電抗；U為端電壓。如圖2為按發(fā)電機(jī)慣例規(guī)定正方向時(shí)的相量圖。

圖2a、圖2c為過勵(lì)時(shí)的相量圖，可見這兩種狀態(tài)都是E0＞U；圖2b、圖2d為欠勵(lì)時(shí)的相量圖，可見這兩種狀態(tài)都是E0＜U。由圖2a和圖2b可見，-90o＜φ＜+90o(定義電流滯后電壓時(shí)φ為正)，cosφ＞0，電機(jī)的輸出電功率為：

P=U·I·cosφ＞0 ⑷

說明這兩種狀態(tài)電機(jī)都是對外輸出電功率，即這兩種狀態(tài)都是發(fā)電工況。由圖2c和圖2d可見，+90o＜φ＜+270o，cosφ＜0，電機(jī)的輸出電功率為：

P=U·I·cosφ＜0 ⑷

這兩種狀態(tài)下輸出的電功率均為負(fù)值，說明這兩種狀態(tài)都是電動工況。進(jìn)一步分析，圖2a和圖2b兩種發(fā)電工況的共同特點(diǎn)是：反電勢E0的相位都是超前端電壓U的，而圖2c和圖2d兩種電動工況的共同特點(diǎn)是：反電勢E0的相位都是滯后端電壓U的。

再進(jìn)一步分析，反電勢E0與端電壓U分別是由轉(zhuǎn)子磁場Bf和氣隙磁場Bδ產(chǎn)生的，即E0和U分別滯后Bf和Bδ 90o，而電樞反應(yīng)壓降I·jXt則是定子磁場Ba產(chǎn)生的，即I·jXt超前Ba 90o。圖2a和圖2b兩種發(fā)電工況還有一個(gè)共同特點(diǎn)就是：轉(zhuǎn)子磁場都是超前氣隙磁場和定子磁場的，也就是說發(fā)電工況下，是轉(zhuǎn)子的磁場“拉著”氣隙磁場(或定子磁場)轉(zhuǎn)；而圖2c和圖2d兩種電動工況的另一個(gè)共同特點(diǎn)就是：轉(zhuǎn)子磁場都是滯后氣隙磁場和定子磁場的，也就是說電動工況下，是氣隙磁場(或定子磁場)“拉著”轉(zhuǎn)子的磁場轉(zhuǎn)。

上述的討論雖然是以隱極同步電機(jī)為例討論的，但所得到的結(jié)論同樣適用于凸極同步電機(jī)和永磁同步電機(jī)，也適用于無刷直流電機(jī)，只不過無刷直流電機(jī)可認(rèn)為是電流都是q軸電流，即電流的相位總是與E0同相位或反相位，同相位時(shí)為發(fā)電工況，反相位時(shí)為電動工況。

綜上所述，判別同步電機(jī)(包括無刷直流電機(jī))是發(fā)電工況還是電動工況，不是根據(jù)反電勢和端電壓的大小來判定的，而是根據(jù)反電勢和端電壓的相位來判定的，或者說是根據(jù)定子磁場(或氣隙磁場)與轉(zhuǎn)子磁場的空間相位關(guān)系來判定的，當(dāng)E0超前U時(shí)，電機(jī)就處于發(fā)電工況，或者說轉(zhuǎn)子磁場在前時(shí)，轉(zhuǎn)子“拉著”定子轉(zhuǎn)，就是發(fā)電工況；當(dāng)E0滯后U時(shí)，電機(jī)就處于電動工況，或者說定子磁場(或氣隙磁場)在前時(shí)，定子“拉著”轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)，就是電動工況。無論反電勢比端電壓高還是低，同步電機(jī)都可以運(yùn)行在發(fā)電工況，只不過反電勢高于端電壓時(shí)，電機(jī)處于過勵(lì)狀態(tài)，輸出滯后的無功功率，反電勢低于端電壓時(shí)，電機(jī)處于欠勵(lì)狀態(tài)，輸出超前的無功功率。同理，無論反電勢比端電壓高還是低，同步電機(jī)都可以運(yùn)行在電動工況，只不過反電勢高于端電壓時(shí)，電機(jī)處于過勵(lì)狀態(tài)，吸收超前的無功功率，反電勢低于端電壓時(shí)，電機(jī)處于欠勵(lì)狀態(tài)，吸收滯后的無功功率。劃重點(diǎn)：轉(zhuǎn)子拉著定子轉(zhuǎn)——發(fā)電！定子拉著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)——電動！如圖3所示：

3 異步電機(jī)的運(yùn)行工況判別方法

異步電機(jī)又稱感應(yīng)電機(jī)，異步電機(jī)常見的運(yùn)行工況是電動工況，某些特定場合下也作發(fā)電運(yùn)行。由于感應(yīng)電機(jī)只有定子繞組一個(gè)電氣接口與電源連接，轉(zhuǎn)子繞組是短路的閉合繞組，其中的電流是通過氣隙磁場和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差感應(yīng)而來，因此電機(jī)中的磁場只能由定子側(cè)電流建立，也就是說，無論異步電機(jī)是發(fā)電工況還是電動工況，都需要從電網(wǎng)吸收滯后的無功功率來建立磁場。

如圖4a為異步電機(jī)的等效電路圖，由于異步電機(jī)常作為電動機(jī)使用，所以圖中各物理量的正方向都是按照電動機(jī)慣例規(guī)定的，需要說明的是，分析的結(jié)論與正方向規(guī)定無關(guān)，因此無論按什么慣例規(guī)定正方向都會得到同樣的結(jié)論。

圖中按電動機(jī)慣例規(guī)定的正方向下，異步電機(jī)的電壓平衡方程為：

U1=-E1+I1·R1+I1·jX1σ

E2′=I2′·R2′/s+I2·jX′2σ

E1=E2′

I1=Im+(-I2′) ⑸

根據(jù)⑸式，我們可以畫出如圖4b和圖4c電動工況和發(fā)電工況的相量圖。

接下來我們解釋一下這兩個(gè)相量圖，以便總結(jié)出異步電機(jī)在電動工況和發(fā)電工況的本質(zhì)區(qū)別。在解釋之前，有必要先說一下異步電機(jī)非常重要的一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，那就是轉(zhuǎn)差率s，它是同步轉(zhuǎn)速(定子磁場轉(zhuǎn)速)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差(轉(zhuǎn)差)再與同步轉(zhuǎn)速的比值，即：

s=(n1-n)/n1 ⑹

式中：n1為同步轉(zhuǎn)速；n為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。由⑹式可知，當(dāng)n1＞n(轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速)時(shí)，s＞0，即轉(zhuǎn)差率為正；當(dāng)n1＜n(轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速)時(shí)，s＜0，即轉(zhuǎn)差率為負(fù)。如圖4b所示，當(dāng)轉(zhuǎn)差率s＞0時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢與轉(zhuǎn)子電流的相位差ψ2＜90o，定子電流與定子端電壓的相位差(功率因數(shù)角)φ1＜90o，此時(shí)定子輸入的電功率為：

P1=U1·I1·cosφ1＞0 ⑺

說明電機(jī)從電源吸收電功率，相應(yīng)地，軸上輸出機(jī)械功率，因此電機(jī)處于電動工況。需要特殊說明的是，異步電機(jī)還有一個(gè)極特殊的工況，就是電磁制動工況，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向與同步轉(zhuǎn)速方向相反(或電壓逆相序)時(shí)，轉(zhuǎn)差率s＞1，此時(shí)定子電端口同樣輸入電功率，同時(shí)軸上的機(jī)械端口也輸入機(jī)械功率，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向仍與同步轉(zhuǎn)速方向相同，但與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，對轉(zhuǎn)子起到制動作用，這種工況即不是發(fā)電工況也不是電動工況，稱為電磁制動工況，這種工況由于電端口和機(jī)械端口同時(shí)都輸入功率，兩個(gè)功率全部被電機(jī)轉(zhuǎn)換成了熱量，因此這種工況發(fā)熱會非常嚴(yán)重，一般極少運(yùn)行在此工況，除非誤操作或需要緊急制動的情況下才會短時(shí)間出現(xiàn)，因此需要修正一下，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速但不反轉(zhuǎn)(1＞s＞0)時(shí)電機(jī)處于電動工況，轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)(s＞1)時(shí)，電機(jī)處于電磁制動工況。如圖4c所示，當(dāng)轉(zhuǎn)差率s＜0時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢與轉(zhuǎn)子電流的相位差ψ2＞90o，定子功率因數(shù)角φ1＞90o，此時(shí)定子輸入的電功率為：

P1=U1·I1·cosφ1＜0 ⑺

說明電機(jī)向電源輸出電功率，相應(yīng)地，軸上輸入機(jī)械功率，因此電機(jī)處于發(fā)電工況。

劃重點(diǎn)：判斷異步電機(jī)是發(fā)電工況還是電動工況，只需看轉(zhuǎn)差率，或者說看轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是低于同步轉(zhuǎn)速還是高于同步轉(zhuǎn)速。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速且不反轉(zhuǎn)(1＞s＞0)，電機(jī)處于電動工況；如果電機(jī)反轉(zhuǎn)(s＞1)，電機(jī)處于電磁制動工況；如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速(s＜0)，電機(jī)處于發(fā)電工況。

4 有關(guān)問題的說明

說完各種電機(jī)運(yùn)行工況的判別方法，接下來我們就說說本文開頭所說的那幾個(gè)問題。前面的問題中無論是汽車驅(qū)動電機(jī)還是風(fēng)力發(fā)電機(jī)，與電機(jī)相連接的都有一個(gè)變頻器，在說那些問題之前有必要先說說變頻器是個(gè)神馬東東，顧名思義變頻器是一個(gè)用來變頻的東東，但實(shí)際上變頻器還真不是為“變頻”而生的，雖然“變頻”是它輸出的一個(gè)結(jié)果，但“變頻”絕對不是它的目的，而是不得已而為之的被動結(jié)果。變頻器控制電機(jī)的目的是變速，而要想變速本質(zhì)上是控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，因此變頻器本質(zhì)的控制功能是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，對電動機(jī)，由于電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動性質(zhì)，只要增大電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)就會加速，減小轉(zhuǎn)矩就會降速；反之對發(fā)電機(jī)而言，電磁轉(zhuǎn)矩減小就會加速，電磁轉(zhuǎn)矩增大就會減速。而控制轉(zhuǎn)矩主要是控制電流的相位和大小。也就是說，變頻器通常是通過控制輸出電流的大小和相位，來控制電磁轉(zhuǎn)矩。對于一個(gè)全控器件組成的變頻器，電流的相位可以控制到0～360o任意變化，電流大小可以從0到器件極限，因此也稱這種變頻器為四象限變頻器，只要控制了電流的相位和大小，就可以控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，從而控制了轉(zhuǎn)速，至于輸出電壓和頻率，則通常是因?yàn)檗D(zhuǎn)速變化而引起的被動變化的結(jié)果。說了半天變頻器的控制原理可能同學(xué)們有點(diǎn)蒙圈，聽不懂不要緊，你只需知道一個(gè)結(jié)論，就是變頻器可以任意控制輸出的電流大小和相位。說完變頻器就可以解答同學(xué)們的疑問了。

① 電動汽車的驅(qū)動電機(jī)在低速時(shí)，空載反電勢很低，能不能發(fā)電回饋制動，給蓄電池反充電？

答：能！只需控制電流的相位，使定子磁場滯后轉(zhuǎn)子磁場，讓轉(zhuǎn)子拉著定子轉(zhuǎn)，電機(jī)就會回饋制動發(fā)電給蓄電池回充，至于制動轉(zhuǎn)矩的大小，除取決于電流相位外還可通過控制電流大小來調(diào)節(jié)。至于低速時(shí)反電勢低于端電壓，不要緊，那不影響發(fā)電制動，只不過是影響無功功率，此時(shí)電機(jī)欠勵(lì)運(yùn)行，輸出超前無功功率而已。理論上，無論車速多慢，都可以實(shí)現(xiàn)回饋制動，而且制動轉(zhuǎn)矩可以保持恒定。

② 高速運(yùn)行時(shí)電機(jī)反電勢遠(yuǎn)高于電池電壓，電池能否給電機(jī)供電做電動運(yùn)行驅(qū)動汽車？

答：可以！只要控制電流的相位，使定子磁場超前轉(zhuǎn)子磁場，讓定子拉著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)，電機(jī)就會處于電動工況驅(qū)動汽車運(yùn)行，只不過轉(zhuǎn)速過高時(shí)為了電壓不超限，需要弱磁，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩會有所降低。

③ 風(fēng)力發(fā)電機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)能否并網(wǎng)發(fā)電？

答：能！只需根據(jù)主控給出的發(fā)電指令，控制電流的相位和大小，使定子磁場滯后轉(zhuǎn)子磁場，讓轉(zhuǎn)子拉著定子轉(zhuǎn)，電機(jī)就處于發(fā)電工況，理論上，即使電機(jī)不轉(zhuǎn)，同樣可以并網(wǎng)，只不過不能輸出電功率，事實(shí)上，對于交流電機(jī)帶全功率變頻器的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，大多是在電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)先并網(wǎng)，一旦電機(jī)旋轉(zhuǎn)即可開始調(diào)制控制發(fā)電。

④ 同步電機(jī)怎么會即向外輸出無功功率又要從電源吸收有功功率呢？

答：只需控制電流相位或勵(lì)磁電流(對電勵(lì)磁)，就可以實(shí)現(xiàn)無功功率的任意調(diào)節(jié)，至于要同時(shí)吸收來自電源有功，只需控制電流相位讓定子拉著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)，處于電動工況即可。對于直接并網(wǎng)的同步電機(jī)，只要軸上帶上機(jī)械負(fù)載，轉(zhuǎn)子磁場就自然會滯后定子磁場，讓定子拉著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)。

⑤ 異步電機(jī)為什么即要向電源吸收無功功率用于勵(lì)磁還能對外輸出有功功率？

答：異步電機(jī)只能由定子勵(lì)磁，而勵(lì)磁必須要滯后的無功電流，無論發(fā)電還是電動。至于如何同時(shí)即向電源索取無功功率又對外輸出有功功率；只需控制電流相位，使功率因數(shù)角φ1＞90o，使電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)即可。其實(shí)降低變頻器的輸出頻率使定子磁場轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，自然功率因數(shù)角φ1就大于90o，電機(jī)就處于發(fā)電工況，當(dāng)然這個(gè)時(shí)候轉(zhuǎn)子必須要由原動機(jī)驅(qū)動！