同步机和异步机的原理，同步主机和异步主机的区别

***：同步机工作原理基于定子旋转磁场与转子磁场同步旋转。异步机原理是定子旋转磁场切割转子导体产生感应电流，进而产生电磁转矩。同步主机与异步主机有诸多区别。同步主机转速与电源频率严格同步，异步主机转速略低于同步转速。同步主机结构复杂、成本高、效率高且功率因数可调节；异步主机结构简单、成本低、维护方便，但功率因数不可控且效率相对略低。

本文目录导读：

1. 同步主机的原理
2. 异步主机的原理
3. 同步主机和异步主机的区别

原理及区别深度剖析

在电机领域，同步主机和异步主机是两类重要的设备，它们在工业、商业、电力系统等众多领域都有着广泛的应用，理解它们的原理以及二者之间的区别，对于正确选型、高效运行和故障诊断等方面都具有至关重要的意义。

同步主机的原理

（一）基本结构

同步主机主要由定子和转子两大部分组成，定子通常包含三相对称绕组，这些绕组按照特定的规律嵌放在定子铁芯槽内，转子则有两种主要类型：凸极式和隐极式，凸极式转子具有明显的磁极，磁极上绕有励磁绕组；隐极式转子则是一个圆柱体，励磁绕组分布在转子表面的槽内。

（二）工作原理

1、磁场产生

- 定子绕组通入三相交流电后，会在定子内部空间产生一个旋转磁场，这个旋转磁场的转速，称为同步转速，其计算公式为\(n = \frac{60f}{p}\)，(n\)为同步转速（转/分钟），\(f\)为电源频率（赫兹），\(p\)为电机的磁极对数。

- 转子的励磁绕组通入直流电流，从而在转子上产生一个恒定的磁场。

2、同步运行原理

- 当定子旋转磁场以同步转速旋转时，转子磁场由于受到定子旋转磁场的磁力作用，会随着定子旋转磁场同步旋转，因为转子磁场与定子旋转磁场之间存在着相互的电磁吸引力，并且转子的转速与定子旋转磁场的转速严格相等，所以称为同步主机。

- 在一个4极（\(p = 2\)）、50Hz电源供电的同步主机中，根据公式计算其同步转速\(n=\frac{60\times50}{2}=1500\)转/分钟，只要电机正常运行，转子就会以1500转/分钟的速度旋转。

异步主机的原理

（一）基本结构

异步主机同样由定子和转子组成，定子结构与同步主机相似，也是三相对称绕组，转子主要有鼠笼式和绕线式两种，鼠笼式转子是在转子铁芯槽内嵌入导条，两端用端环短接形成一个闭合的回路；绕线式转子则是在转子铁芯槽内绕有三相绕组，并且通过滑环和电刷与外部电路相连接。

（二）工作原理

1、磁场产生

- 定子绕组通入三相交流电后，产生旋转磁场，其同步转速的计算方式与同步主机相同，即\(n = \frac{60f}{p}\)。

2、转子转动原理

- 当定子旋转磁场切割转子绕组（或导条）时，根据电磁感应定律，转子绕组（或导条）中会产生感应电动势，由于转子绕组（或导条）是闭合的，所以会产生感应电流。

- 这个感应电流又会在转子上产生一个磁场，根据楞次定律，转子磁场会阻碍定子旋转磁场的相对运动，从而使转子跟着定子旋转磁场转动，转子的转速\(n_{r}\)总是小于定子旋转磁场的同步转速\(n\)，这就是“异步”的由来。

- 对于一个4极、50Hz电源供电的异步主机，同步转速为1500转/分钟，而实际运行时转子转速可能是1450转/分钟左右，二者存在一个转差\(\Delta n=n - n_{r}\)，转差率\(s=\frac{\Delta n}{n}\)。

同步主机和异步主机的区别

（一）转速特性

1、同步主机

- 同步主机的转速是严格与电源频率和磁极对数相关的，只要电源频率不变，负载在一定范围内变化时，其转速保持恒定，具有严格的同步性，这一特性使得同步主机在一些对转速精度要求极高的场合，如精密机床、纺织机械等，有着不可替代的作用。

2、异步主机

- 异步主机的转速随着负载的变化而变化，其转差率在空载到满载的过程中会逐渐增大，这种转速随负载变化的特性，在一些需要一定调速范围且对转速精度要求不是特别高的场合，如风机、水泵等设备中应用较为合适。

（二）启动性能

1、同步主机

- 同步主机的启动较为困难，由于其转子在静止时，定子旋转磁场以同步转速切割转子绕组，转子磁场与定子磁场之间的相互作用是交变的，平均转矩为零，所以同步主机不能自行启动，通常需要借助其他方法，如变频启动、异步启动（在转子上加装鼠笼式启动绕组）等方法来启动。

2、异步主机

- 异步主机的启动性能较好，鼠笼式异步主机直接接入电源就可以启动，虽然启动电流较大，但启动转矩也能满足一般负载的启动要求，绕线式异步主机还可以通过在转子回路中串接电阻等方式来改善启动性能，进一步提高启动转矩和降低启动电流。

（三）效率特性

1、同步主机

- 在额定负载附近，同步主机的效率较高，这是因为同步主机的磁场是由直流励磁产生的，其功率因数可以通过调节励磁电流来控制，在合适的励磁情况下，能够使电机的输入功率得到有效的利用。

- 在轻载时，由于同步主机的磁场建立需要消耗一定的励磁功率，其效率会相对较低。

2、异步主机

- 异步主机的效率曲线呈现出在一定负载率下达到最大值的特性，异步主机在负载率为70% - 80%左右时效率最高，在轻载和过载时，效率都会下降，这是因为异步主机的磁场是通过定子磁场感应产生的，存在一定的无功损耗。

（四）功率因数特性

1、同步主机

- 同步主机可以通过调节励磁电流来灵活控制功率因数，当励磁电流合适时，功率因数可以达到1甚至超前，这对于改善电网的功率因数有着积极的意义。

2、异步主机

- 异步主机的功率因数通常较低，并且是滞后的，这是因为异步主机需要从电网吸收无功功率来建立磁场，在运行过程中，其功率因数会随着负载的变化而变化，一般在满载时功率因数相对较高，但也很难达到同步主机的水平。

（五）应用场景

1、同步主机

- 由于其转速恒定、效率高（在额定负载附近）、功率因数可调节等优点，在大型发电站（如汽轮发电机、水轮发电机）、需要精确转速控制的工业设备（如轧钢机、造纸机）以及对电网功率因数要求高的场合得到广泛应用。

2、异步主机

- 因为其启动性能好、结构简单、成本较低等特点，在中小功率的电动机应用中占据主导地位，如家庭电器（洗衣机、冰箱等）、小型工业设备（风机、水泵等）。

同步主机和异步主机在原理、转速特性、启动性能、效率特性、功率因数特性和应用场景等方面存在着诸多区别，在实际的工程应用中，需要根据具体的需求，如对转速精度、启动转矩、效率、功率因数以及成本等因素的综合考虑，来选择合适的主机类型，以达到最佳的运行效果。