同步发电机的工作原理

一般同步电机的定 子和异步电机的定子相同，在定子铁芯内圆上分布一定数量的槽， 在糟中嵌放三相对称绕组。对于发电机，定子叉叫电枢。同步电机的转子主要是由磁极和励藏绕组构成，励磁绕组是靠外接直流电源供给励磁电流的。同步发电机和同步电机的工作原理分述如下。

1.同步发电机的工作原理

(1)同步发电机的能量转换同步电机作为发电机运行时，是通过原动力机械将机械能输人同步电机，在原动力机拖动下运转，成为发电机，将机械能转变为电能，或将其他形式的能转变成电能，这取决于原动力机械的动力源(如水力、热力等)。

(2)转子旋转磁场的形成旋转磁极式发电机转子上绕有励磁绕组。在静止不动的转子绕组上，采用一定 方法通人直流电进行励磁，这时，在转子绕组轴线上(即直轴方向)产生空间不动的幅值恒定的磁场，这就是转子磁场，是转子的主磁场。当原动机拖动转子旋转时，就得到一个旋转磁场。一旦原动机将转子带动到同步转速n时，则转子磁场以n转速旋转，在气隙中便形成了一个圆形的旋转磁场。

(3)三相交变电 动势的产生发电机定子铁芯内嵌放如同三相异步电机定子绕组式的对称绕组。转子磁场旋转时，该磁场与定子绕组有相对运动，并以同步转速相对切割定子三相对称绕组，在定子绕组中感应出三相对称的电动势euo、ero、 emo

此时，如果同步发电机上接有负载，在负载内就有三相电流通过，这说明同步发电机将机械能转化为电能。

显然，同步发电机外电路开路时，电机处于空载运行状态，这时，没有电流输送给负载，也就没有电磁功率的转换，但此时的损耗均由原动机供给；而同步发电机在负载运行时，定子三相对称绕组中将有三相对称电流通过，也要建立一个旋转磁场，即电枢磁场，它使气隙磁场的大小及位置发生了变化。电枢磁场(磁动势)对主极磁场的影响称为电枢反应。它与旋转的转子磁场 ---励 磁磁场相对静止，在原动机的作用下，转轴带动转子磁场拉着电枢磁场一起旋转，从而把原动机的机械能转换为电能，供给负载。

(4)三相感应电动势的频率同步发电机三相感应电动势的频率与磁极相对于定子绕组的相对运动速度有关，可以表示为：

式中p-为电机的磁极对数；n-为转子每分钟转数。

可见，当电机的磁极对数、转数定时， 产生感应电动势的频率是一定的。反之，如果磁极对数一定，要使电动势频率达到规定的fN，则电机的转速必须达到与fN相适应的nN。这就是同步发电机的基本工作原理。

2. 同步电机的工作原理

(1)同步电机的能量转换三相同步电机工作时，定子的三相对称绕组接人三相对称交流电源，在定子铁心中便建立旋转磁场。转子绕组中通人直流电，转子铁心中便产生转子磁场。这两个磁场相互作用，转子将在定子磁场的带动下，沿定子旋转磁场的转向，以旋转磁场的转速旋转，输出转矩带动工作机构工作，实现电能向机械能的转换。

(2)同步电机“同步”的含义同步电机是一种定子绕组用三相交流电励磁以建立旋转磁场，转子绕组用直流电流励磁以建立转子磁场进行双边励磁的交流电机。其工作实质是定子的旋转磁场以磁拉力拖着转子磁场一同转。它们之间没有相对运动，所以称“同步”( 相对异步而言)。(3)同步电机旋转过程

当三相交流电通过定子绕组时，产生旋转磁场，转子绕组中通人直流电，产生极性固定的磁极，磁极的对数与旋转磁场的磁极对数相等。当转子上的N极与旋转磁场的S极对齐时，转子的S极与旋转磁场的N极也对齐，异性磁极相互吸引，转子就随着旋转磁场转动了。理想空载时，如图8-4 (a) 所示。转子磁极与定子旋转磁场磁极时时对正，转子磁极的轴线与定子旋转磁场磁极的轴线重合。当电机空载时，转子的轴承及空气对转子总有一些阻力，实际上的磁极总要比旋转磁场的磁极落后一个小小的角度φ0。角φ0称为功率角，简称功角，是同步电机的一个基本参数，如同转差率s是异步电机的基本参数一样，功角的大小随电机轴上的负载增加而增大。可把磁吸引力比做弹簧的作用，功角增大，气隙间磁力线拉长，犹如弹簧被拉长一样。但转子转速不变，随旋转磁场一起转动。当电机加上部分负载(轻载情况)，转子磁极落后于旋转磁场的角度增大了，但转速仍不变

如果电机负载增大，则转子磁极落后的角度更大了。到达满载时，转子还能以同步转速随旋转磁场转动。如果负载太大，落后角度更大，当负载力矩超过磁拉力力矩时，旋转磁场就无法拖着转子一起旋转，犹如弹簧被拉断一-样，转子就不随旋转磁场转动了。这种现象称为失步，电机不能稳定工作，这时，电机就要停止转动(4)同步电机的转速同步电机的转速决定于同步电机的磁极对数和电源

同步电机的转速n恒等于同步转速n1,我国电源标准频率规定为50 Hz，而电机的磁极对数为整数时，故当p=1时，n=3 000 r/min, p=2时，n=1 500 r/ min。同步电机正常运行时，都是以同步转速运行的。