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同步發電機的工作原理

 

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

1.同步發電機的工作原理

(1)同步發電機的能量轉換同步電機作為發電機運行時,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,成為發電機,將機械能轉變為電能,或將其他形式的能轉變成電能,這取決于原動力機械的動力源(如水力、熱力等)。

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

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

此時,如果同步發電機上接有負載,在負載內就有三相電流通過,這說明同步發電機將機械能轉化為電能。

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

(4)三相感應電動勢的頻率同步發電機三相感應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,可以表示為:

式中p-為電機的磁極對數;n-為轉子每分鐘轉數。

可見,當電機的磁極對數、轉數定時, 產生感應電動勢的頻率是一定的。反之,如果磁極對數一定,要使電動勢頻率達到規定的fN,則電機的轉速必須達到與fN相適應的nN。這就是同步發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磁場。轉子繞組中通人直流電,轉子鐵心中便產生轉子磁場。這兩個磁場相互作用,轉子將在定子磁場的帶動下,沿定子旋轉磁場的轉向,以旋轉磁場的轉速旋轉,輸出轉矩帶動工作機構工作,實現電能向機械能的轉換。

(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磁場,轉子繞組用直流電流勵磁以建立轉子磁場進行雙邊勵磁的交流電機。其工作實質是定子的旋轉磁場以磁拉力拖著轉子磁場一同轉。它們之間沒有相對運動,所以稱“同步”( 相對異步而言)。(3)同步電機旋轉過程

當三相交流電通過定子繞組時,產生旋轉磁場,轉子繞組中通人直流電,產生極性固定的磁極,磁極的對數與旋轉磁場的磁極對數相等。當轉子上的N極與旋轉磁場的S極對齊時,轉子的S極與旋轉磁場的N極也對齊,異性磁極相互吸引,轉子就隨著旋轉磁場轉動了。理想空載時,如圖8-4 (a) 所示。轉子磁極與定子旋轉磁場磁極時時對正,轉子磁極的軸線與定子旋轉磁場磁極的軸線重合。當電機空載時,轉子的軸承及空氣對轉子總有一些阻力,實際上的磁極總要比旋轉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,如同轉差率s是異步電機的基本參數一樣,功角的大小隨電機軸上的負載增加而增大。可把磁吸引力比做彈簧的作用,功角增大,氣隙間磁力線拉長,猶如彈簧被拉長一樣。但轉子轉速不變,隨旋轉磁場一起轉動。當電機加上部分負載(輕載情況),轉子磁極落后于旋轉磁場的角度增大了,但轉速仍不變

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

同步電機的轉速n恒等于同步轉速n1,我國電源標準頻率規定為50 Hz,而電機的磁極對數為整數時,故當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,都是以同步轉速運行的。