同步电机的工作原理解析

【学习任务】（1）正确说出同步电机的概念和运行方式。

（2）正确说出同步发电机、电动机的基本工作原理。

（3）正确说出同步电机的类别和应用场合。

任务手册13：同步电机的选用

微课13.1：同步电机的原理

1.同步电机的概念和运行方式

同步电机是一种交流旋转电机，因其转子的转速始终与定子旋转磁场的转速相同而得名。同步电机有三种运行方式：发电机、电动机和调相机，同步电机主要用作发电机。同步发电机是一种最常用的交流发电机，其将机械能转换为电能，在现代电力工业中广泛用于水力发电、火力发电、核能发电以及柴油机发电。同步电机也可用作电动机，同步电动机将电能转换为机械能，主要用于拖动功率较大、转速不要求调节的生产机械，如大型水泵、空气压缩机和矿井通风机等。同步电机还可用作同步调相机，同步调相机实际上就是一台空载运转的同步电动机，不带机械负载也不带原动机，专门向电网输送感性无功功率，用来改善电网的功率因数，以提高电网的运行经济性及电压的稳定性。随着电力系统无功补偿技术的日益成熟，电网就地无功补偿设备更加经济、可靠和高效，同步调相机已基本不再使用，退出了历史舞台。同步发电机、同步电动机和同步调相机各有自己的特点，没有特殊情况不得互换使用。

无论是同步电机还是异步电机，交流电机绕组的结构形式及其所产生的电动势和磁动势都有许多共同之处，因而在学习过程中应注意比较它们的相似和不同之处的差别。

2.同步电机的基本工作原理

图13－1所示为同步电机的构造原理图，它由定子和转子两部分组成。同步电机的定子和异步电机的定子相同，在定子铁芯内圆均匀分布的槽内嵌放三相对称定子绕组，每相有相同的匝数和空间分布，其轴线在空间互差120°。转子主要由磁极铁芯与励磁绕组组成，当励磁绕组通以直流电流后，转子即建立恒定的转子磁场。

同步电机作为发电机运行，当原动机拖动转子以转速n1旋转时，其定子绕组切割转子磁力线而产生交流感应电动势。因三相绕组在空间位置上有120°电角度的相位差，故其感应电动势在时间相位上也存在120°的相位差。每经过一对磁极，感应电动势就交变一周。若电机有p对极，则感应电动势的频率为

式中　p——电机的磁极对数；

n1——转子每分钟转的圈数。

如果同步发电机接上负载，在电动势作用下将有三相交流电流流过，如图13－2所示。定子电流与磁场相互作用产生的电磁转矩与原动机的拖动转矩相平衡，说明同步发电机将机械能转换成为电能。(www.xing528.com)

同步电机作为电动机运行时，在定子的三相绕组中通入三相对称电流，转子的励磁绕组通入直流电流。定子绕组的三相对称电流将在电机气隙中产生一个定子旋转磁场，转子励磁绕组中通入的直流电流将产生极性恒定的静止磁场。若转子磁场的极数与定子磁极对数相等，转子磁场因受定子磁场拉力作用而随定子旋转磁场同步旋转，即转子以等同于旋转磁场的速度、方向带动负载旋转，其旋转速度为同步转速n1，此时，同步电动机将电能转换为机械能。

图13－1　凸极式同步发电机的构造原理图

图13－2　三相对称交流电源

综上所述，同步电机无论是作为发电机还是作为电动机运行，其转速与频率之间都将保持严格不变的关系。电网频率一定时，电机转速为恒定值，这是同步电机和异步电机的基本差别之一。

3.同步电机的分类

同步电机按运行方式，可分为同步发电机、同步电动机和同步调相机三类。按原动机类别，同步发电机又可分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。按结构形式，同步电机可分为旋转电枢式和旋转磁极式两种，前者适用于小容量同步电机，近来应用很少；后者应用广泛，是同步电机的基本结构形式。

旋转磁极式同步电机按磁极的形状，又可分为隐极式和凸极式两种类型，如图13－3所示。汽轮发电机由于转速高，转子各部分受到的离心力很大，机械强度要求高，故一般采用隐极式；水轮发电机转速低、磁极对数多，故都采用结构和制造上比较简单的凸极式；同步电动机、柴油发电机和调相机，一般也都做成凸极式。

图13－3　旋转磁极式同步电机

（a）凸极式；（b）隐极式

隐极式气隙是均匀的，转子做成圆柱形。凸极式有明显的磁极，气隙是不均匀的，极弧底下气隙较小，极间部分气隙较大。

按冷却介质及冷却方式不同分为空气冷却（空冷）—外冷，氢气冷却（氢冷）—外冷或内冷，水冷却（水冷）—内冷。这几种冷却介质和冷却方式还可以有不同的组合，如水—氢—氢（定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、铁芯氢冷）、水—水—氢（定子绕组水内冷、转子绕组水内冷、铁芯氢冷）等。

随着电力系统容量的迅速提高，发电机的单机容量也随之不断增大。电机在能量的传递和转换过程中均会产生损耗，而这些损耗一般以热能的形式散发在电机的有关部位，使电机的温升增高，这将限制电机的使用寿命。随着单机容量的增大，冷却介质、冷却方式及电机所用材料（包括绝缘材料、导磁材料、导电材料等）也不断得到改进和发展。事实上，电机制造技术的发展与上述三方面的不断改进是紧密相关的。