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同步發(fā)電機(jī)的工作原理

一般同步電機(jī)的定 子和異步電機(jī)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(duì)稱繞組。對(duì)于發(fā)電機(jī)，定子叉叫電樞。同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子主要是由磁極和勵(lì)藏繞組構(gòu)成，勵(lì)磁繞組是靠外接直流電源供給勵(lì)磁電流的。同步發(fā)電機(jī)和同步電機(jī)的工作原理分述如下。

1.同步發(fā)電機(jī)的工作原理

(1)同步發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換同步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，是通過(guò)原動(dòng)力機(jī)械將機(jī)械能輸人同步電機(jī)，在原動(dòng)力機(jī)拖動(dòng)下運(yùn)轉(zhuǎn)，成為發(fā)電機(jī)，將機(jī)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(dòng)力機(jī)械的動(dòng)力源(如水力、熱力等)。

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

(3)三相交變電 動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生發(fā)電機(jī)定子鐵芯內(nèi)嵌放如同三相異步電機(jī)定子繞組式的對(duì)稱繞組。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，該磁場(chǎng)與定子繞組有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并以同步轉(zhuǎn)速相對(duì)切割定子三相對(duì)稱繞組，在定子繞組中感應(yīng)出三相對(duì)稱的電動(dòng)勢(shì)euo、ero、 emo

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

顯然，同步發(fā)電機(jī)外電路開路時(shí)，電機(jī)處于空載運(yùn)行狀態(tài)，這時(shí)，沒(méi)有電流輸送給負(fù)載，也就沒(méi)有電磁功率的轉(zhuǎn)換，但此時(shí)的損耗均由原動(dòng)機(jī)供給；而同步發(fā)電機(jī)在負(fù)載運(yùn)行時(shí)，定子三相對(duì)稱繞組中將有三相對(duì)稱電流通過(guò)，也要建立一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，即電樞磁場(chǎng)，它使氣隙磁場(chǎng)的大小及位置發(fā)生了變化。電樞磁場(chǎng)(磁動(dòng)勢(shì))對(duì)主極磁場(chǎng)的影響稱為電樞反應(yīng)。它與旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng) ---勵(lì) 磁磁場(chǎng)相對(duì)靜止，在原動(dòng)機(jī)的作用下，轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)拉著電樞磁場(chǎng)一起旋轉(zhuǎn)，從而把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，供給負(fù)載。

(4)三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率同步發(fā)電機(jī)三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率與磁極相對(duì)于定子繞組的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，可以表示為：

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

可見(jiàn)，當(dāng)電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)數(shù)定時(shí)， 產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率是一定的。反之，如果磁極對(duì)數(shù)一定，要使電動(dòng)勢(shì)頻率達(dá)到規(guī)定的fN，則電機(jī)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(jī)的基本工作原理。

2. 同步電機(jī)的工作原理

(1)同步電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換三相同步電機(jī)工作時(shí)，定子的三相對(duì)稱繞組接人三相對(duì)稱交流電源，在定子鐵心中便建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。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(chǎng)。這兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用，轉(zhuǎn)子將在定子磁場(chǎng)的帶動(dòng)下，沿定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向，以旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，輸出轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)工作機(jī)構(gòu)工作，實(shí)現(xiàn)電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。

(2)同步電機(jī)“同步”的含義同步電機(jī)是一種定子繞組用三相交流電勵(lì)磁以建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子繞組用直流電流勵(lì)磁以建立轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)進(jìn)行雙邊勵(lì)磁的交流電機(jī)。其工作實(shí)質(zhì)是定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以磁拉力拖著轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)一同轉(zhuǎn)。它們之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以稱“同步”( 相對(duì)異步而言)。(3)同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程

當(dāng)三相交流電通過(guò)定子繞組時(shí)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，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(duì)數(shù)與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)相等。當(dāng)轉(zhuǎn)子上的N極與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的S極對(duì)齊時(shí)，轉(zhuǎn)子的S極與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的N極也對(duì)齊，異性磁極相互吸引，轉(zhuǎn)子就隨著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)了。理想空載時(shí)，如圖8-4 (a) 所示。轉(zhuǎn)子磁極與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁極時(shí)時(shí)對(duì)正，轉(zhuǎn)子磁極的軸線與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁極的軸線重合。當(dāng)電機(jī)空載時(shí)，轉(zhuǎn)子的軸承及空氣對(duì)轉(zhuǎn)子總有一些阻力，實(shí)際上的磁極總要比旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極落后一個(gè)小小的角度φ0。角φ0稱為功率角，簡(jiǎn)稱功角，是同步電機(jī)的一個(gè)基本參數(shù)，如同轉(zhuǎn)差率s是異步電機(jī)的基本參數(shù)一樣，功角的大小隨電機(jī)軸上的負(fù)載增加而增大?？砂汛盼Ρ茸鰪椈傻淖饔?，功角增大，氣隙間磁力線拉長(zhǎng)，猶如彈簧被拉長(zhǎng)一樣。但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變，隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)加上部分負(fù)載(輕載情況)，轉(zhuǎn)子磁極落后于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的角度增大了，但轉(zhuǎn)速仍不變

如果電機(jī)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(shí)，轉(zhuǎn)子還能以同步轉(zhuǎn)速隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)。如果負(fù)載太大，落后角度更大，當(dāng)負(fù)載力矩超過(guò)磁拉力力矩時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就無(wú)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(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)了。這種現(xiàn)象稱為失步，電機(jī)不能穩(wěn)定工作，這時(shí)，電機(jī)就要停止轉(zhuǎn)動(dòng)(4)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于同步電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)和電源

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