性能特點(diǎn)和作用說明
同步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)及分類
同步電機(jī)主要用作發(fā)電機(jī)，作為各種設(shè)備的交流電源，現(xiàn)在全世界的發(fā)電量主要由同步發(fā)電機(jī)發(fā)出。同步發(fā)電機(jī)是發(fā)電機(jī)組的三大組成部分（發(fā)動機(jī)、同步發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)）之一，因此，學(xué)習(xí)并掌握同步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)及其類別區(qū)分方法至關(guān)重要。
一、同步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)
圖1所示為同步發(fā)電機(jī)的構(gòu)造原理圖。通常單、三相同步發(fā)電機(jī)的定子是電樞，轉(zhuǎn)子是磁極，當(dāng)轉(zhuǎn)子勵磁繞組通以直流電后，即建立恒定的磁場。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，定子導(dǎo)體由于與此磁場有相對運(yùn)動而感應(yīng)交流電動勢。電機(jī)具有p對磁極時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，感應(yīng)電動勢變化p次。設(shè)轉(zhuǎn)子每秒轉(zhuǎn)速為n，則轉(zhuǎn)子每秒旋轉(zhuǎn)n/60轉(zhuǎn)，因此感應(yīng)電動勢每秒變化pn/60次，即電動勢的頻率為
f＝pn/60(hz)
式中 f——電動勢頻率；
p——磁極對數(shù)；
n——發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。
由此可見，當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的磁極對數(shù)p、轉(zhuǎn)速n一定時，發(fā)電機(jī)的交流電動勢的頻率是一定的。也就是說，同步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是：同步發(fā)電機(jī)具有轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和交流電頻率之間保持嚴(yán)格不變的關(guān)系。在恒定頻率下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恒定而與負(fù)載大小無關(guān)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速恒等于發(fā)電機(jī)空氣隙中（定子）旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。同步電機(jī)即由此得名。
在我國的電力系統(tǒng)中，規(guī)定工頻交流電的額定頻率為50hz。因此，對某一臺指定的同步發(fā)電機(jī)而言，其轉(zhuǎn)速總為一固定值。例如：磁極對數(shù)為1對（二極）的同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為3000r/min；磁極對數(shù)為2對（四極）的同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1500r/min；依此類推，同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速還有1000r/min、750r/min、600r/min、500r/min和375r/min等。為了保持交流電動勢的頻率不變，拖動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的原動機(jī)必須具有調(diào)速機(jī)構(gòu)，使發(fā)電機(jī)在輸出不同的有功功率時都能維持轉(zhuǎn)速不變。
圖1 同步發(fā)電機(jī)構(gòu)造原理圖
二、同步發(fā)電機(jī)的基本類型
同步發(fā)電機(jī)可按發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式以及相數(shù)等進(jìn)行分類。
（1）按發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式分類
按發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分，同步發(fā)電機(jī)可分為旋轉(zhuǎn)電樞式（簡稱轉(zhuǎn)樞式）和旋轉(zhuǎn)磁極式（簡稱轉(zhuǎn)磁式）兩種形式。
① 旋轉(zhuǎn)電樞式同步發(fā)電機(jī)
旋轉(zhuǎn)電樞式同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其電樞是轉(zhuǎn)動的，磁極是固定的，電樞電勢通過集電環(huán)和電刷引出與外電路連接。旋轉(zhuǎn)電樞式只適用于小容量的同步發(fā)電機(jī)，因?yàn)椴捎秒娝⒑图姯h(huán)引出大電流比較困難，容易產(chǎn)生火花和磨損；電機(jī)定子內(nèi)腔的空間限制了電機(jī)的容量；發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高；電機(jī)運(yùn)行速度受到離心力及機(jī)械振動的限制。所以目前只有交流同步無刷發(fā)電機(jī)的勵磁機(jī)使用旋轉(zhuǎn)電樞結(jié)構(gòu)的同步發(fā)電機(jī)。
圖2 旋轉(zhuǎn)電樞式同步發(fā)電機(jī)模型
② 旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機(jī)
旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。其磁極是旋轉(zhuǎn)的，電樞是固定的，電樞繞組的感應(yīng)電勢不通過集電環(huán)和電刷而直接送往外電路，所以其絕緣能力和機(jī)械強(qiáng)度好，且安全可靠。由于勵磁電壓和容量比電樞電壓和容量小得多，所以電刷和集電環(huán)的負(fù)荷及工作條件就大為減輕和改善。這種結(jié)構(gòu)形式廣泛用于同步發(fā)電機(jī)，并成為同步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)形式?，F(xiàn)代交流發(fā)電機(jī)常采用無刷結(jié)構(gòu)的同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)省略了集電環(huán)和電刷，無滑動接觸部分，維護(hù)簡單，工作可靠性高。
在旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機(jī)中，按磁極的形狀又可分為凸極式同步發(fā)電機(jī)［如圖3（a）所示］和隱極式同步發(fā)電機(jī)［如圖3（b）所示］兩種形式。由圖3可以看出，凸極式轉(zhuǎn)子的磁極是突出的，氣隙不均勻，極弧頂部氣隙較小，兩極尖部分氣隙較大。勵磁繞組采用集中繞組套在磁極上。這種轉(zhuǎn)子構(gòu)造簡單、制造方便，故內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組和水輪發(fā)電機(jī)組一般都采用凸極式。隱極式轉(zhuǎn)子的氣隙是均勻的，轉(zhuǎn)子成圓柱形。勵磁繞組分布在轉(zhuǎn)子表面的鐵芯槽中。
圖3 旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機(jī)模型
（2）按發(fā)電機(jī)的相數(shù)分類
按相數(shù)來區(qū)分，同步發(fā)電機(jī)又可分為單相同步發(fā)電機(jī)和三相同步發(fā)電機(jī)。單相同步發(fā)電機(jī)的功率不大，通常不大于6kw。而三相同步發(fā)電機(jī)的功率可達(dá)幾萬千瓦。
（3）永磁發(fā)電機(jī)
永磁式發(fā)電機(jī)是一種只有永磁體的發(fā)電機(jī)，也叫永磁同步發(fā)電機(jī)，它不需要外部電源來啟動，而是利用磁鐵和轉(zhuǎn)子上的永磁體之間的磁力作用，使轉(zhuǎn)子從停止?fàn)顟B(tài)迅速旋轉(zhuǎn)起來，并產(chǎn)生電流。永磁式發(fā)電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和定轉(zhuǎn)子之間的磁性材料（永磁體）組成。它的工作原理是，當(dāng)定子產(chǎn)生交流電流時，定子線圈內(nèi)的磁場隨之改變，隨即在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生磁場，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能。
優(yōu)點(diǎn)：
① 發(fā)電效率高，只要定子中的線圈被供電，就可以立即產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力；
② 安裝維護(hù)簡單，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)內(nèi)部沒有滑動觸頭，所以維護(hù)保養(yǎng)成本比較低；
③ 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)惰性小，可以很快響應(yīng)負(fù)荷變化；
缺點(diǎn)：
① 由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本比較高；
② 轉(zhuǎn)子的最大轉(zhuǎn)速受限于永磁體的抗震力，所以轉(zhuǎn)速較低；
③ 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向受限于定子線圈方向，不能自由改變。

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