同步電機

同步電機，和感應電機（即異步電機）一樣是一種常用的交流電機。同步電機是電力系統的心臟，它是一種集旋轉與靜止、電磁變化與機械運動於一體，實現電能與機械能變換的元件，其動態性能十分複雜，而且其動態性能又對全電力系統的動態性能有極大影響。特點是：穩態運行時，轉子的轉速和電網頻率之間有不變的關係n=ns=60f/p，其中f為電網頻率，p為電機的極對數，ns稱為同步轉速。若電網的頻率不變，則穩態時同步電機的轉速恆為常數而與負載的大小無關。同步電機分為同步發電機和同步電動機。現代發電廠中的交流機以同步發電機為主。

基本介紹

• 中文名：同步電機
• 外文名：synchronous machine
• 類型：交流電機
• 運行方式：發電機、電動機、補償機
• 分類：電勵磁同步電機和永磁同步電機
• 學科：電力學

工作原理

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。

同步電機結構模型

載流導體

三相對稱的電樞繞組充當功率繞組，成為感應電勢或者感應電流的載體。

切割運動

原動機拖動轉子旋轉（給電機輸入機械能），極性相間的勵磁磁場隨軸一起旋轉並順次切割定子各相繞組（相當於繞組的導體反向切割勵磁磁場）。

交變電勢的產生

由於電樞繞組與主磁場之間的相對切割運動，電樞繞組中將會感應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。

交變性與對稱性

由於旋轉磁場極性相間，使得感應電勢的極性交變；由於電樞繞組的對稱性，保證了感應電勢的三相對稱性。

運行方式

同步電機的主要運行方式有三種，即作為發電機、電動機和補償機運行。

作為發電機運行是同步電機最主要的運行方式。

作為電動機運行是同步電機的另一種重要的運行方式。同步電動機的功率因數可以調節，在不要求調速的場合，套用大型同步電動機可以提高運行效率。小型同步電動機在變頻調速系統中開始得到較多地套用。

同步電機

同步電機還可以接於電網作為同步補償機。這時電機不帶任何機械負載，靠調節轉子中的勵磁電流向電網發出所需的感性或者容性無功功率，以達到改善電網功率因數或者調節電網電壓的目的。

同步發電機和其它類型的旋轉電機一樣，由固定的定子和可旋轉的轉子兩大部分組成。一般分為轉場式同步電機和轉樞式同步電機。

最常用的是轉場式同步發電機,其定子鐵心的內圓均勻散布著定子槽，槽內嵌放著按規律排列的三相對稱繞組。這種同步電機的定子又稱為電樞，定子鐵心和繞組又稱為電樞鐵心和電樞繞組。

轉子鐵心上裝有製成必定形狀的成對磁極，磁極上繞有勵磁繞組，通以直流電流時，將會在電機的氣隙中形成極性相間的散布磁場，稱為勵磁磁場(也稱主磁場、轉子磁場)。

原動機拖動轉子旋轉(給電機輸入機械能)，極性相間的勵磁磁場隨軸一起旋轉並順次切割定子各相繞組(相當於繞組的導體反向切割勵磁磁場)。

特點

穩態運行時，轉子的轉速和電網頻率之間有不變的關係n═n_s═60f/p，n_s稱為同步轉速。若電網的頻率不變，則穩態時同步電機的轉速恆為常數而與負載的大小無關。

分類

根據勵磁方式不同，同步電機可以分為電勵磁同步電機和永磁同步電機。

電勵磁

它的轉子做成顯極式的，安裝在磁極鐵芯上面的磁場線圈是相互串聯的，接成具有交替相反的極性，並有兩根引線連線到裝在軸上的兩隻滑環上面。磁場線圈是由一隻小型直流發電機或蓄電池來激勵，在大多數同步電動機中，直流發電機是裝在電動機軸上的，用以供應轉子磁極線圈的勵磁電流。由於這種同步電動機不能自動啟動，所以在轉子上還裝有鼠籠式繞組而作為電動機啟動之用。鼠籠繞組放在轉子的周圍，結構與異步電動機相似。

當在定子繞組通上三相交流電源時，電動機內就產生了一個旋轉磁場，鼠籠繞組切割磁力線而產生感應電流，從而使電動機旋轉起來。電動機旋轉之後，其速度慢慢增高到稍低於旋轉磁場的轉速，此時轉子磁場線圈經由直流電來激勵，使轉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磁極，這樣就增加電動機轉子的速率直至與旋轉磁場同步旋轉為止。

永磁

轉子不勵磁的同步電動機能夠運用於單相電源上，也能運用於多相電源上。這種電動機中，有一種的定子繞組與分相電動機或多相電動機的定子相似，同時有一個鼠籠轉子，而轉子的表面切成平面。所以是屬於顯極轉子，轉子磁極是由一種磁化鋼做成的，而且能夠經常保持磁性。鼠籠繞組是用來產生啟動轉矩的，而當電動機旋轉到一定的轉速時，轉子顯極就跟住定子線圈的電流頻率而達到同步。顯極的極性是由定子感應出來的，因此它的數目應和定子上極數相等，當電動機轉到它應有的速度時，鼠籠繞組就失去了作用，維持旋轉是靠著轉子與磁極跟住定子磁極，使之同步。

兩者區別

同步電機與異步電機設計上的區別

同步電機和異步電機最大的區別在於它們的轉子速度與定子旋轉磁場是否一致，電機的轉子速度與定子旋轉磁場相同，叫同步電機，反之，則叫異步電機。

另外，同步電機與異步電機的定子繞組是相同的，區別在於電機的轉子結構。異步電機的轉子是短路的繞組，靠電磁感應產生電流。而同步電機的轉子結構相對複雜，有直流勵磁繞組，因此需要外加勵磁電源，通過滑環引入電流；因此同步電機的結構相對比較複雜，造價、維修費用也相對較高。

同步電機與異步電機無功方面的區別

相對於異步電機只能吸收無功，同步電機可以發出無功，也可以吸收無功！

同步電機與異步電機在功能、用途上的區別

同步電機轉速與電磁轉速同步，而異步電動機的轉速則低於電磁轉速，同步電機不論負載大小，只要不失步，轉速就不會變化，異步電動機的轉速時刻跟隨負載大小的變化而變化。

同步電機的精度高、但造工複雜、造價高、維修相對困難，而異步電機雖然反應慢，但易於安裝、使用，同時價格便宜。所以同步電動機沒有異步電機套用廣泛。

同步電機多套用於大型發電機，而異步電機幾乎套用在電動機場合。

試驗

2010年6月2日，財政部、國家發展改革委聯合出台《關於印發節能產品惠民工程高效電機推廣實施細則的通知》，將高效電機納入節能產品惠民工程實施範圍，採取財政補貼方式進行推廣。

研製高效電機的同時，採用變頻調速技術是另一項行之有效的節能措施。高效電機和變頻電機試驗對測試設備的功能及性能指標提出了較高的要求，為了準確獲取電機的效率，應該採用帶微處理器的寬頻功率分析儀和準確級較高的變頻電量變送器/感測器。

建立條件

為了建立同步電機的數學模型，必須對實際的三相同步電機作必要的假定，以便簡化分析計算。通常假定：

（1）電機磁鐵部分的磁導率為常數，既忽略掉磁滯、磁飽和的影響，也不計渦流及集膚作用等的影響。

（2）對縱軸及橫軸而言，電機轉子在結構上是完全對稱的。

（3）定子的3個繞組的位置在空間互相相差120º電角度，3個繞組在結構上完全相同。同時，它們均在氣隙中產生正弦形分布的磁動勢。

（4）定子及轉子的槽及通風溝等不影響電機定子及轉子的電感，即認為電機的定子及轉子具有光滑的表面。