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同步發(fā)電機的工作原理

一般同步電機的定 子和異步電機的定子相同，在定子鐵芯內(nèi)圓上分布一定數(shù)量的槽， 在糟中嵌放三相對稱繞組。對于發(fā)電機，定子叉叫電樞。同步電機的轉(zhuǎn)子主要是由磁極和勵藏繞組構(gòu)成，勵磁繞組是靠外接直流電源供給勵磁電流的。同步發(fā)電機和同步電機的工作原理分述如下。

1.同步發(fā)電機的工作原理

(1)同步發(fā)電機的能量轉(zhuǎn)換同步電機作為發(fā)電機運行時，是通過原動力機械將機械能輸人同步電機，在原動力機拖動下運轉(zhuǎn)，成為發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，或?qū)⑵渌问降哪苻D(zhuǎn)變成電能，這取決于原動力機械的動力源(如水力、熱力等)。

(2)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的形成旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機轉(zhuǎn)子上繞有勵磁繞組。在靜止不動的轉(zhuǎn)子繞組上，采用一定 方法通人直流電進(jìn)行勵磁，這時，在轉(zhuǎn)子繞組軸線上(即直軸方向)產(chǎn)生空間不動的幅值恒定的磁場，這就是轉(zhuǎn)子磁場，是轉(zhuǎn)子的主磁場。當(dāng)原動機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，就得到一個旋轉(zhuǎn)磁場。一旦原動機將轉(zhuǎn)子帶動到同步轉(zhuǎn)速n時，則轉(zhuǎn)子磁場以n轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，在氣隙中便形成了一個圓形的旋轉(zhuǎn)磁場。

(3)三相交變電 動勢的產(chǎn)生發(fā)電機定子鐵芯內(nèi)嵌放如同三相異步電機定子繞組式的對稱繞組。轉(zhuǎn)子磁場旋轉(zhuǎn)時，該磁場與定子繞組有相對運動，并以同步轉(zhuǎn)速相對切割定子三相對稱繞組，在定子繞組中感應(yīng)出三相對稱的電動勢euo、ero、 emo

此時，如果同步發(fā)電機上接有負(fù)載，在負(fù)載內(nèi)就有三相電流通過，這說明同步發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能。

顯然，同步發(fā)電機外電路開路時，電機處于空載運行狀態(tài)，這時，沒有電流輸送給負(fù)載，也就沒有電磁功率的轉(zhuǎn)換，但此時的損耗均由原動機供給；而同步發(fā)電機在負(fù)載運行時，定子三相對稱繞組中將有三相對稱電流通過，也要建立一個旋轉(zhuǎn)磁場，即電樞磁場，它使氣隙磁場的大小及位置發(fā)生了變化。電樞磁場(磁動勢)對主極磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。它與旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁場 ---勵 磁磁場相對靜止，在原動機的作用下，轉(zhuǎn)軸帶動轉(zhuǎn)子磁場拉著電樞磁場一起旋轉(zhuǎn)，從而把原動機的機械能轉(zhuǎn)換為電能，供給負(fù)載。

(4)三相感應(yīng)電動勢的頻率同步發(fā)電機三相感應(yīng)電動勢的頻率與磁極相對于定子繞組的相對運動速度有關(guān)，可以表示為：

式中p-為電機的磁極對數(shù)；n-為轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。

可見，當(dāng)電機的磁極對數(shù)、轉(zhuǎn)數(shù)定時， 產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的頻率是一定的。反之，如果磁極對數(shù)一定，要使電動勢頻率達(dá)到規(guī)定的fN，則電機的轉(zhuǎn)速必須達(dá)到與fN相適應(yīng)的nN。這就是同步發(fā)電機的基本工作原理。

2. 同步電機的工作原理

(1)同步電機的能量轉(zhuǎn)換三相同步電機工作時，定子的三相對稱繞組接人三相對稱交流電源，在定子鐵心中便建立旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子繞組中通人直流電，轉(zhuǎn)子鐵心中便產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場。這兩個磁場相互作用，轉(zhuǎn)子將在定子磁場的帶動下，沿定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向，以旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，輸出轉(zhuǎn)矩帶動工作機構(gòu)工作，實現(xiàn)電能向機械能的轉(zhuǎn)換。

(2)同步電機“同步”的含義同步電機是一種定子繞組用三相交流電勵磁以建立旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子繞組用直流電流勵磁以建立轉(zhuǎn)子磁場進(jìn)行雙邊勵磁的交流電機。其工作實質(zhì)是定子的旋轉(zhuǎn)磁場以磁拉力拖著轉(zhuǎn)子磁場一同轉(zhuǎn)。它們之間沒有相對運動，所以稱“同步”( 相對異步而言)。(3)同步電機旋轉(zhuǎn)過程

當(dāng)三相交流電通過定子繞組時，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子繞組中通人直流電，產(chǎn)生極性固定的磁極，磁極的對數(shù)與旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)相等。當(dāng)轉(zhuǎn)子上的N極與旋轉(zhuǎn)磁場的S極對齊時，轉(zhuǎn)子的S極與旋轉(zhuǎn)磁場的N極也對齊，異性磁極相互吸引，轉(zhuǎn)子就隨著旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動了。理想空載時，如圖8-4 (a) 所示。轉(zhuǎn)子磁極與定子旋轉(zhuǎn)磁場磁極時時對正，轉(zhuǎn)子磁極的軸線與定子旋轉(zhuǎn)磁場磁極的軸線重合。當(dāng)電機空載時，轉(zhuǎn)子的軸承及空氣對轉(zhuǎn)子總有一些阻力，實際上的磁極總要比旋轉(zhuǎn)磁場的磁極落后一個小小的角度φ0。角φ0稱為功率角，簡稱功角，是同步電機的一個基本參數(shù)，如同轉(zhuǎn)差率s是異步電機的基本參數(shù)一樣，功角的大小隨電機軸上的負(fù)載增加而增大?？砂汛盼Ρ茸鰪椈傻淖饔茫窃龃?，氣隙間磁力線拉長，猶如彈簧被拉長一樣。但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變，隨旋轉(zhuǎn)磁場一起轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機加上部分負(fù)載(輕載情況)，轉(zhuǎn)子磁極落后于旋轉(zhuǎn)磁場的角度增大了，但轉(zhuǎn)速仍不變

如果電機負(fù)載增大，則轉(zhuǎn)子磁極落后的角度更大了。到達(dá)滿載時，轉(zhuǎn)子還能以同步轉(zhuǎn)速隨旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動。如果負(fù)載太大，落后角度更大，當(dāng)負(fù)載力矩超過磁拉力力矩時，旋轉(zhuǎn)磁場就無法拖著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，猶如彈簧被拉斷一-樣，轉(zhuǎn)子就不隨旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動了。這種現(xiàn)象稱為失步，電機不能穩(wěn)定工作，這時，電機就要停止轉(zhuǎn)動(4)同步電機的轉(zhuǎn)速同步電機的轉(zhuǎn)速決定于同步電機的磁極對數(shù)和電源

同步電機的轉(zhuǎn)速n恒等于同步轉(zhuǎn)速n1,我國電源標(biāo)準(zhǔn)頻率規(guī)定為50 Hz，而電機的磁極對數(shù)為整數(shù)時，故當(dāng)p=1時，n=3 000 r/min, p=2時，n=1 500 r/ min。同步電機正常運行時，都是以同步轉(zhuǎn)速運行的。