同步電機(jī)的工作原理

同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)一樣是一種常用的交流電機(jī)。同步電機(jī)分為同步發(fā)電機(jī)和同步電動機(jī)?，F(xiàn)代發(fā)電廠中的交流機(jī)以同步電機(jī)為主。

同步電機(jī)的特點是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，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成為同步轉(zhuǎn)速。若電網(wǎng)的頻率不變，則穩(wěn)態(tài)時同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒為常數(shù)而與負(fù)載的大小無關(guān)。

同步電機(jī)在結(jié)構(gòu)上是定子鐵心上嵌放三相對稱繞組，轉(zhuǎn)子鐵心上裝置直流勵磁繞組。

主磁場的建立

勵磁繞組通以直流勵磁電流，建立極性相間的勵磁磁場，即建立起主磁場。

載流導(dǎo)體

三相對稱的電樞繞組充當(dāng)功率繞組，減速箱成為感應(yīng)電勢或者感應(yīng)電流的載體。

切割運(yùn)動

原動機(jī)拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機(jī)輸入機(jī)械能），極性相間的勵磁磁場隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組。

交變電勢的產(chǎn)生

由于電樞繞組與主磁場之間的相對切割運(yùn)動，電樞繞組中將會感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的三相對稱交變電勢。通過引出線，即可提供交流電源。

1、主磁場的建立：勵磁繞組通以直流勵磁電流，建立極性相間的勵磁磁場，即建立起主磁場。

2、載流導(dǎo)體：三相對稱的電樞繞組充當(dāng)功率繞組，成為感應(yīng)電勢或者感應(yīng)電流的載體。

3、切割運(yùn)動：原動機(jī)拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機(jī)輸入機(jī)械能），極性相間的勵磁磁場隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組。

4、交變電勢的產(chǎn)生：由于電樞繞組與主磁場之間的相對切割運(yùn)動，電樞繞組中將會感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的三相對稱交變電勢。通過引出線，即可提供交流電源。

5、交變性與對稱性：由于旋轉(zhuǎn)磁場極性相間，使得感應(yīng)電勢的極性交變；由于電樞繞組的對稱性，保證了感應(yīng)電勢的三相對稱性。

同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與同步發(fā)電機(jī)相同，其轉(zhuǎn)子一般都采用凸極式結(jié)構(gòu)。使用時，同步電動機(jī)的定子繞組中要通入三相交流電流，同時轉(zhuǎn)子勵磁繞組中通入直流電勵磁。

如圖所示是同步電動機(jī)的工作原理示意圖。定子三相繞組（也稱電樞繞組）接至三相交流電源后，便有三相對稱電流流過，并產(chǎn)生電樞旋轉(zhuǎn)磁場。該磁場以同步速度n1= 60f1/p在氣隙空間旋轉(zhuǎn)，其方向決定于電流的相序。轉(zhuǎn)子的勵磁繞組接入直流電源后，就有直流電流流過，并產(chǎn)生大小和極性都不變的恒定磁場，極對數(shù)和電樞旋轉(zhuǎn)磁場一樣。根據(jù)同性磁極互相排斥、異性磁極互相吸引的原理，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極的S極與電樞旋轉(zhuǎn)磁場的N極對齊（或轉(zhuǎn)子的N極與旋轉(zhuǎn)磁場的S極對齊）時，轉(zhuǎn)子磁極將被電樞旋轉(zhuǎn)磁場吸引而產(chǎn)生電磁吸引力，并進(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，拖動轉(zhuǎn)子跟著旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動。因而轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速大小及方向和電樞旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速大小及方向相同，兩者相對于定子“同步”旋轉(zhuǎn)，故稱為同步電動機(jī)。如果同步電動機(jī)軸上帶有機(jī)械負(fù)載，則和異步電動機(jī)一樣，電樞繞組從電網(wǎng)吸收電功率，通過氣隙磁場傳給轉(zhuǎn)子，變?yōu)闄C(jī)械功率，帶動生產(chǎn)機(jī)械做功。

圖 同步電動機(jī)工作原理圖

可以證明，同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的大小與電樞磁場磁極軸線和轉(zhuǎn)子磁極軸線的夾角有關(guān)，如果外加電壓和電動機(jī)的勵磁電流不變，則在一定的范圍內(nèi)（《90°），夾角越大，電磁轉(zhuǎn)矩越大；夾角越小，電磁轉(zhuǎn)矩越小。

圖（a）是同步電動機(jī)理想空載時的情況，這時轉(zhuǎn)子磁極軸線和電樞磁場軸線重合，θ=0，電動機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為零；實際空載時，電動機(jī)有一定的空載阻力矩，故電動機(jī)要產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩來克服空載阻力矩，以維持電動機(jī)的轉(zhuǎn)速不變。這時θ》0，但其值很小，如圖（b）所示；若電動機(jī)軸上的負(fù)載增加，則θ角隨之增加，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之增加，如圖（c）所示；但若電動機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩太大，則電動機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩將不足以克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩，同步電動機(jī)將停止旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為同步電動機(jī)的“失步”現(xiàn)象。同步電動機(jī)產(chǎn)生失步現(xiàn)象時，通過定子繞組的電流將很大，這時應(yīng)盡快切斷電源，以免電動機(jī)因過熱而損壞。

結(jié)論：當(dāng)外加電源的頻率一定時，同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速就確定了，它總是以同步轉(zhuǎn)速n1=60f1/p旋轉(zhuǎn)。負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，這個特性是同步電動機(jī)的特點，也是優(yōu)點，因此同步電動機(jī)適用于不需調(diào)速的場合，例如拖動大型空氣壓縮機(jī)、水泵等。