同步電機(jī)，和感應(yīng)電機(jī)（即異步電機(jī)）一樣是一種常用的交流電機(jī)。同步電機(jī)是電力系統(tǒng)的心臟，它是一種集旋轉(zhuǎn)與靜止、電磁變化與機(jī)械運(yùn)動(dòng)于一體，實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能變換的元件，其動(dòng)態(tài)性能十分復(fù)雜，而且其動(dòng)態(tài)性能又對(duì)全電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有極大影響。特點(diǎn)是：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間有不變的關(guān)系n=ns=60f/p，其中f為電網(wǎng)頻率，p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)，ns稱(chēng)為同步轉(zhuǎn)速。若電網(wǎng)的頻率不變，則穩(wěn)態(tài)時(shí)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒為常數(shù)而與負(fù)載的大小無(wú)關(guān)。同步電機(jī)分為同步發(fā)電機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。現(xiàn)代發(fā)電廠中的交流機(jī)以同步發(fā)電機(jī)為主。
工作原理
圖1所示為同步發(fā)電機(jī)的工作原理圖，它由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子鐵心內(nèi)圓上均勻分布的槽內(nèi)嵌放三相對(duì)稱(chēng)繞組，轉(zhuǎn)子主磁極由磁極鐵心和勵(lì)磁繞組組成。以發(fā)電機(jī)為例，定子上有 AX、BY、CZ三相繞組，它們?cè)诳臻g上彼此相差120°電角度，每相繞組的匝數(shù)相等。轉(zhuǎn)子磁極(簡(jiǎn)稱(chēng)主磁極)上裝有勵(lì)磁繞組，由直流勵(lì)磁，其磁通量從轉(zhuǎn)子N極出來(lái)經(jīng)過(guò)氣隙、定子鐵心、氣隙，進(jìn)入轉(zhuǎn)子S極而構(gòu)成回路，如果用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)沿順時(shí)針?lè)较蚝闼傩D(zhuǎn)，則磁極的磁力線將切割定子繞組的導(dǎo)體，由電磁感應(yīng)定律可知，在定子導(dǎo)體中就會(huì)感應(yīng)出交變電動(dòng)勢(shì)。設(shè)磁極磁場(chǎng)的氣隙磁密沿圓周按正弦規(guī)律分布，則導(dǎo)體電動(dòng)勢(shì)也隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化。
在定子三相對(duì)稱(chēng)繞組中通入三相交變電流時(shí)，將在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中通入直流電流時(shí)，將產(chǎn)生極性恒定的靜止磁場(chǎng)。若轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)與定子磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)相等，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)因受定子磁場(chǎng)磁拉力作用而隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)子以等同于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度、方向旋轉(zhuǎn)，這就是同步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理。
運(yùn)行方式
同步電機(jī)的主要運(yùn)行方式有三種，即作為發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和補(bǔ)償機(jī)運(yùn)行。
作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行是同步電機(jī)最主要的運(yùn)行方式。
作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行是同步電機(jī)的另一種重要的運(yùn)行方式。同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，在不要求調(diào)速的場(chǎng)合，應(yīng)用大型同步電動(dòng)機(jī)可以提高運(yùn)行效率。小型同步電動(dòng)機(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開(kāi)始得到較多地應(yīng)用。
同步電機(jī)還可以接于電網(wǎng)作為同步補(bǔ)償機(jī)。這時(shí)電機(jī)不帶任何機(jī)械負(fù)載，靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性或者容性無(wú)功功率，以達(dá)到改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的目的。
同步發(fā)電機(jī)和其它類(lèi)型的旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，由固定的定子和可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成。一般分為轉(zhuǎn)場(chǎng)式同步電機(jī)和轉(zhuǎn)樞式同步電機(jī)。
最常用的是轉(zhuǎn)場(chǎng)式同步發(fā)電機(jī)，其定子鐵心的內(nèi)圓均勻散布著定子槽，槽內(nèi)嵌放著按規(guī)律排列的三相對(duì)稱(chēng)繞組。這種同步電機(jī)的定子又稱(chēng)為電樞，定子鐵心和繞組又稱(chēng)為電樞鐵心和電樞繞組。
轉(zhuǎn)子鐵心上裝有制成必定形狀的成對(duì)磁極，磁極上繞有勵(lì)磁繞組，通以直流電流時(shí)，將會(huì)在電機(jī)的氣隙中形成極性相間的散布磁場(chǎng)，稱(chēng)為勵(lì)磁磁場(chǎng)(也稱(chēng)主磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng))。
原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)(給電機(jī)輸入機(jī)械能)，極性相間的勵(lì)磁磁場(chǎng)隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子和轉(zhuǎn)子各相繞組(相當(dāng)于繞組的導(dǎo)體反向切割勵(lì)磁磁場(chǎng))。
特點(diǎn)
穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間有不變的關(guān)系n═ns═60f/p，ns稱(chēng)為同步轉(zhuǎn)速。若電網(wǎng)的頻率不變，則穩(wěn)態(tài)時(shí)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒為常數(shù)而與負(fù)載的大小無(wú)關(guān)。
分類(lèi)
根據(jù)勵(lì)磁方式不同，同步電機(jī)可以分為電勵(lì)磁同步電機(jī)和永磁同步電機(jī)。
電勵(lì)磁
它的轉(zhuǎn)子做成顯極式的，安裝在磁極鐵芯上面的磁場(chǎng)線圈是相互串聯(lián)的，接成具有交替相反的極性，并有兩根引線連接到裝在軸上的兩只滑環(huán)上面。磁場(chǎng)線圈是由一只小型直流發(fā)電機(jī)或蓄電池來(lái)激勵(lì)，在大多數(shù)同步電動(dòng)機(jī)中，直流發(fā)電機(jī)是裝在電動(dòng)機(jī)軸上的，用以供應(yīng)轉(zhuǎn)子磁極線圈的勵(lì)磁電流。由于這種同步電動(dòng)機(jī)不能自動(dòng)啟動(dòng)，所以在轉(zhuǎn)子上還裝有鼠籠式繞組而作為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之用。鼠籠繞組放在轉(zhuǎn)子的周?chē)Y(jié)構(gòu)與異步電動(dòng)機(jī)相似。
當(dāng)在定子繞組通上三相交流電源時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)就產(chǎn)生了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，鼠籠繞組切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)起來(lái)。電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)之后，其速度慢慢增高到稍低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，此時(shí)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)線圈經(jīng)由直流電來(lái)激勵(lì)，使轉(zhuǎn)子上面形成一定的磁極，這些磁極就企圖跟蹤定子上的旋轉(zhuǎn)磁極，這樣就增加電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的速率直至與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)為止。
永磁
轉(zhuǎn)子不勵(lì)磁的同步電動(dòng)機(jī)能夠運(yùn)用于單相電源上，也能運(yùn)用于多相電源上。這種電動(dòng)機(jī)中，有一種的定子繞組與分相電動(dòng)機(jī)或多相電動(dòng)機(jī)的定子相似，同時(shí)有一個(gè)鼠籠轉(zhuǎn)子，而轉(zhuǎn)子的表面切成平面。所以是屬于顯極轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子磁極是由一種磁化鋼做成的，而且能夠經(jīng)常保持磁性。鼠籠繞組是用來(lái)產(chǎn)生啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的，而當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)到一定的轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子顯極就跟住定子線圈的電流頻率而達(dá)到同步。顯極的極性是由定子感應(yīng)出來(lái)的，因此它的數(shù)目應(yīng)和定子上極數(shù)相等，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)到它應(yīng)有的速度時(shí)，鼠籠繞組就失去了作用，維持旋轉(zhuǎn)是靠著轉(zhuǎn)子與磁極跟住定子磁極，使之同步。
兩者區(qū)別
同步電機(jī)與異步電機(jī)設(shè)計(jì)上的區(qū)別
同步電機(jī)和異步電機(jī)最大的區(qū)別在于它們的定子和轉(zhuǎn)子速度與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是否一致，電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相同，叫同步電機(jī)，反之，則叫異步電機(jī)。
另外，同步電機(jī)與異步電機(jī)的定子繞組是相同的，區(qū)別在于電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子是短路的繞組，靠電磁感應(yīng)產(chǎn)生電流。而同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，有直流勵(lì)磁繞組，因此需要外加勵(lì)磁電源，通過(guò)滑環(huán)引入電流；因此同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，造價(jià)、維修費(fèi)用也相對(duì)較高。
同步電機(jī)與異步電機(jī)無(wú)功方面的區(qū)別
相對(duì)于異步電機(jī)只能吸收無(wú)功，同步電機(jī)可以發(fā)出無(wú)功，也可以吸收無(wú)功！
同步電機(jī)與異步電機(jī)在功能、用途上的區(qū)別
同步電機(jī)轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)速同步，而異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速則低于電磁轉(zhuǎn)速，同步電機(jī)不論負(fù)載大小，只要不失步，轉(zhuǎn)速就不會(huì)變化，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)刻跟隨負(fù)載大小的變化而變化。
同步電機(jī)的精度高、但造工復(fù)雜、造價(jià)高、維修相對(duì)困難，而異步電機(jī)雖然反應(yīng)慢，但易于安裝、使用，同時(shí)價(jià)格便宜。所以同步電動(dòng)機(jī)沒(méi)有異步電機(jī)應(yīng)用廣泛。
同步電機(jī)多應(yīng)用于大型發(fā)電機(jī)，而異步電機(jī)幾乎應(yīng)用在電動(dòng)機(jī)場(chǎng)合。
試驗(yàn)
2010年6月2日，財(cái)政部、國(guó)家發(fā)展改革委聯(lián)合出臺(tái)《關(guān)于印發(fā)節(jié)能產(chǎn)品惠民工程高效電機(jī)推廣實(shí)施細(xì)則的通知》，將高效電機(jī)納入節(jié)能產(chǎn)品惠民工程實(shí)施范圍，采取財(cái)政補(bǔ)貼方式進(jìn)行推廣。
研制高效電機(jī)的同時(shí)，采用變頻調(diào)速技術(shù)是另一項(xiàng)行之有效的節(jié)能措施。高效電機(jī)和變頻電機(jī)試驗(yàn)對(duì)測(cè)試設(shè)備的功能及性能指標(biāo)提出了較高的要求，為了準(zhǔn)確獲取電機(jī)的效率，應(yīng)該采用帶微處理器的寬頻功率分析儀和準(zhǔn)確級(jí)較高的變頻電量變送器/傳感器。
建立條件
為了建立同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，必須對(duì)實(shí)際的三相同步電機(jī)作必要的假定，以便簡(jiǎn)化分析計(jì)算。通常假定：
（1）電機(jī)磁鐵部分的磁導(dǎo)率為常數(shù)，既忽略掉磁滯、磁飽和的影響，也不計(jì)渦流及集膚作用等的影響。
（2）對(duì)縱軸及橫軸而言，電機(jī)轉(zhuǎn)子在結(jié)構(gòu)上是完全對(duì)稱(chēng)的。
（3）定子的3個(gè)繞組的位置在空間互相相差120o電角度，3個(gè)繞組在結(jié)構(gòu)上完全相同。同時(shí)，它們均在氣隙中產(chǎn)生正弦形分布的磁通勢(shì)。
（4）定子和轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)子的槽及通風(fēng)溝等不影響電機(jī)定子及轉(zhuǎn)子的電感，即認(rèn)為電機(jī)的定子及轉(zhuǎn)子具有光滑的表面。
參考資料 >