一、同步電機的基本結構
按照結構型式，同步電機可以分為旋轉電樞式和旋轉磁極式兩類。
旋轉電樞式——電樞裝設在轉子上，主磁極裝設在定子上。這種結構在小容量同步電機中得到一定的應用。
旋轉磁極式——主磁極裝設在轉子上，電樞裝設在定子上。對於高壓、大容量的同步電機，通常採用旋轉磁極式結構。由於勵磁部分的容量和電壓常較電樞小得多，電刷和集電環的負載就大為減輕，工作條件得以改善。
目前，旋轉磁極式結構已成為中、大型同步電機的基本結構型式。
在旋轉磁極式電機中，按照主極的形狀，又可分成隱極式和凸極式，如圖6-l所示。
隱極式——轉於做成圓柱形，氣隙為均勻；
凸極式——轉子有明顯的凸出的磁極，氣隙為不均勻。
對於高速的同步電機(3000r／min)．從轉子機械強度和妥善地固定勵磁繞組考慮，採用勵磁繞組分布於轉子表面槽內的隱極式結構較為可靠．對於低速電機(1000r／min及以下)，轉子的離心力較小，故採用製造簡單、勵磁繞組集中安放的凸極式結構較為合理。大型同步發電機通常採用汽柁機或水輪機作為原動機來拖動，前者稱為汽輪發電機，後者稱為水輪發電機。由於汽輪機是一種高速原動機，所以汽輪發電機一般採用隱極式結構。
水輪機則是一種低速原動機，所以水輪發電機一般都是凸極式結構。同步電動機、由內燃機拖動的同步發電機以及同步補償機．大多做成凸極式，少數兩極的高速同步電動機亦有做成隱極式的。
● 隱極同步電機
以汽輪發電機為例來說明隱極同步電機的結構。現代的汽輪發電機一般都是兩極的，同步轉速為3000r／min(對50hz的電機)。由於轉速高，所以汽輪發電機的直徑較小，長度較長．汽輪發電機均為臥式結構，圖6—2表示一台汽輪發電機的外形圖。
汽輪發電機的定子由定子鐵心、定於繞組、機座、端蓋等部件組成。定子鐵心一般用厚o．5mm的dr360矽鋼片疊成，每疊厚度為3—6cm，疊與疊之間留有寬0.8～lcm的通風槽。
整個鐵心用非磁性壓板壓緊．固定在機座上。
大容量汽輪發電機的轉子週速可達170—180m/s。由於週速高，轉子受到極大的機械應力，因此轉子一般都用整塊具有良好導磁性的高強度合金鋼鍛成．沿轉子表面約2／3部分銑有軸向凹槽，勵磁繞組就嵌放在這些槽裡；不開槽的部分組成乙個「大齒」，嵌線部分和大齒一起構成了主磁極(圖6-la)。為把勵磁繞組可靠地固定在轉子上，轉子槽楔採用非磁性的金屬槽楔，端部套上用高強度非磁性鋼段成的護環。
圖6-3表示一台嵌完線的汽輪發電機的轉子。
由於汽輪發電機的機身比較細長，轉子和電機中部的通風比較困難．所以良好的通風、冷卻系統城對汽輪發電機非常重要。
● 凸極同步電機
凸極同步電機通常分為臥式(橫式)和立式兩種結構。絕大部分同步電動機、同步補償機和用內燃機或衝擊式水輪機拖動的同步發電機都採用臥式結構。低速、大容量的水輪發電機和大型水幫浦電動機則採用立式結構。
臥式同步電機的定子結構與感應電機基本相同，定子亦由機座、鐵心和定子繞組δδδδ等部件組成；轉子則由主磁極、磁軛、勵磁繞組、集電環和轉軸等部件組成。圖6—4表示一台已經裝配好的凸極同步電動機的轉子。
大型水輪發電機通常都是立式結構。由於它的轉速低、極數多，要求轉動慣量大。故其特點是直徑大、長度短。
在立式水輪發電機中，整個機組轉動部分的重量以及作用在水輪機轉子上的水推力均由推力軸承支撐，並通過機架傳遞到地基上，如圖6—5所示。圖6—6表示一台大型水輪發電機的分瓣定子。
除勵磁繞組外，同步電機的轉子上還常裝有阻尼繞組。阻尼繞組與籠型感應電機轉子的籠形繞組結構相似，它由插入主極極靴槽中的銅條和兩端的端環焊成乙個閉合繞組。在同步發電機中，阻尼繞組起抑制轉子轉速振盪的作用；在同步電動機和補償機中，主要作為起動繞組用。
二、同步電機的執行狀態
當同步電機的定子(電樞)繞組中通過對稱的三相電流時．定子將產生乙個以同步轉速推移的旋轉磁場。穩態情況下，轉子轉速亦是同步轉速，於是定子旋轉磁場恆與直流勵磁的轉子主極磁場保持相對靜止，它們之間相互作用並產生電磁轉矩．進行能量轉換。同步電機有三種執行狀態：
發電機、電動機和補償機。發電機把機械能轉換為電能，電動機把電能轉換為機械能，補償機中沒有有功功率的轉換，專門發出或吸收無功功率、調節電網的功率因數。
分析表明，同步電機執行於哪一種狀態．主要取決於定子合成磁場與轉子主磁場之間的夾角δ，δ稱為功率角。
若轉子主磁場超前於定子合成磁場，δ>0，此時轉於上將受到乙個與其旋轉方向相反的制動性質的電磁轉矩，如圖6—7a所示。為使轉子能以同步轉速持續旋轉．轉子必須從原動機輸入驅動轉矩。此時轉子輸入機械功率，定子繞組向電網或負載輸出電功率，電機作發電機執行。
若轉子主磁場與定子合成磁場的軸線重合，δ＝0，則電磁轉矩為零，如圖6—7b所示。此時電機內沒有有功功率的轉換，電機處於補償機狀態或空載狀態。
若轉子主磁場滯後於定子合成磁場，δ<0，則轉子上將受到乙個與其轉向相同的驅動性質的電磁轉矩，如圖6—7c所示。此時定子從電網吸收電功率，轉子可拖動負載而輸出機械功率，電機作為電動機執行。
三、同步電機的勵磁方式
供給同步電機勵磁的裝置，稱為勵磁系統。下面對它作一簡介。
直流勵磁機勵磁
直流勵磁機通常與同步發電機同軸，井採用並勵或他勵接法。他勵時，勵磁機的勵磁由另一台與主勵磁機同軸的副勵磁機供給，如圖6—8所示。為使同步發電機的輸出電壓保持恆定，常在勵磁電路中加進乙個反映負載大小的自動調節系統，使發電機的負載電流增加時，勵碰電流相應地增大．這樣的系統稱為複式勵磁系統。
整流器勵磁
整流器勵磁又分為靜止式和旋轉式兩種。
圖6-9表示靜止整流器勵磁系統的原理圖。田中主勵磁機是一台與同步發電機同軸連線的三相100hz發電機，其交流輸出經靜止三相橋式不可控整流器整流後，通過集電環接到主發電機的勵磁繞組，供給其直流勵磁；主勵磁機的勵磁由交流副勵磁機發出的交流電經靜止可控整流器整流後供給。副勵磁機是一台中頻三相同步發電機(有時採用永磁發電機)，它也與主發電機同軸連線。
副勵磁機的勵磁，開始時由外部直流電源供給，待電壓建起後再轉為自勵。根據主發電機端電壓的偏差和負載大小，通過電壓調整器對主勵磁機的勵磁進行調節，即可實現對主發電機勵磁的自動調節。
由於取消了直流勵磁機，這種勵磁系統維護方便，勵磁容量得以提高，因而在大容量汽輪發電機中獲得廣泛的應用。
當勵磁電流超過2000a時，為避免集電環的過熱，可採用取消集電環的旋轉整流器勵磁系統。此系統的主勵磁機是與主發電機同軸連線的旋轉電樞式三相同步發電機，電樞的交流輸出經與主軸一起旋轉的不可控整流器整流後，直接送到主發電機的轉子勵磁繞組，供給其勵磁。因為主勵磁機的電樞，整流裝置與主發電機的勵磁繞組三者為同軸旋轉，不再需要集電環和電刷裝置，所以這種系統又稱為無刷勵磁系統．
無刷勵磁系統執行比較可靠，這種系統大多用於大、中容量的汽輪發電機、補償機以及在防燃、防爆等特殊環境中工作的同步電動機。
在小型同步發電機中，還經常採用具有結構簡單和具有自勵恆壓等特點的三次諧波勵磁、電抗移相勵磁等勵磁方式。
四、額定值
同步電機的額定值有
(1)額定容sn(或額定功率pn) 指額定執行時電機的輸輔出功率。同步發電
機的額定容量既可用視在功率表示，亦可用有功功率表示；同步電動機的額定功
率是指軸上輸出的機械功率；補償機則用無功功率表示。
(2)額定電壓un 指額定執行時定子的線電壓。
(3)額定電流in 指額定執行時定子的線電流。
(4)額定功率因數cosφ 指額定執行時電機的功率因數。
(5)額定頻率fn 指額定執行時電樞的頻率。我國標準工頻規定為50hz。
(6)額定轉速nn 指額定執行時電機的轉速，對同步電機而言，即為同步轉速。
除上述額定值以外，銘牌上還常常列出一些其他的執行資料，例如額定負載時的溫公升θn，額定勵磁電流和電壓ifn、ufn等。
6.2 空載和負載時同步發電機的磁場
一、空載執行
用原動機施動同步發電機到同步轉速，勵磁繞組通入直流勵磁電流，電樞繞組開路(或電樞電流為零)的情況，稱為同步發電機的空載執行。
空載執行時，同步電機內僅有由勵磁電流所建立的主極磁場。圖6—l0表示一台四極電機空載時的磁通示意圖。從圖可見，主極磁通分成主磁通φ0和漏磁通φfσ兩部分，前者通過氣隙並與定子繞組相交鏈，後者不通過氣隙，僅與勵磁繞組相交鏈。
主磁通所經過的主磁路包括空氣隙、電樞齒、電樞軛、磁極極身和轉子軛等五部分。
當轉子以同步轉速旋轉時，主磁場將在氣隙中形成乙個旋轉磁場，它「切割」對稱的三相定子繞組後，就會在定子繞組內感應出一組頻率為f的對稱三相電動勢，稱為激磁電動勢，
6—1)
忽略高次諧波時，激磁電動勢(相電動勢)的有效值eo＝4.44fn1kw1φ0，其中φ0為每極的主磁通量。這樣，改變直流勵磁電流if，便可得到不同的主磁通φ0。
和相應的激磁電動勢e0，從而得到空載特性e0＝f(if)，如圖6—11所示。空載特性是同步電機的一條基本特性。
空載曲線的下部是一條直線，與下部相切的直線稱為氣隙線。隨著φ0的增大，鐵心逐漸飽和，空載曲線就逐漸彎曲。
二、對稱負載時的電樞反應
同步發電機帶上對稱負載後，電樞繞組中將流過對稱三相電流，此時電樞繞組就會產生電樞磁動勢及相應的電樞磁場，其基波與轉子同向、同速旋轉。負載時，氣隙內的磁場由電樞磁動勢和主極磁動勢共同作用產生，電樞磁動勢的基波在氣隙中所產生的磁場就稱為電樞反應。電樞反應的性質(增磁、去磁或交磁)取決於電樞磁動勢和主磁場在空間的相對位置。
分析表明，此相對位置取決於激磁電動勢e0和扭載電流i之間的相角差ψ0(ψ0稱為內功率因數角)。下面分成兩種情況來分析。
與同相時
圖6—12a表示一台兩極同步發電機的示意圖。為簡明計，圖中電樞繞組每相用乙個集中線圈來表示，和的正方向規定為從繞組首端流出，從尾端流入．在圖6—12a所示瞬間，主極軸線與電樞a相繞組的軸線正交，a相鏈過的主磁通為零；因為電動勢滯後於感生它的磁通90°，故a相激磁電動勢的瞬時值達到正的最大值，其方向如圖中所示(從x入，從a出)；b、c兩相的激磁電動勢，和分別滯後於以120°和240°，如圖6—12b所示。
同步電機的基本結構和執行狀態
6.1 同步電機的基本結構和執行狀態 一 同步電機的基本結構 按照結構型式，同步電機可以分為旋轉電樞式和旋轉磁極式兩類。旋轉電樞式 電樞裝設在轉子上，主磁極裝設在定子上。這種結構在小容量同步電機中得到一定的應用。旋轉磁極式 主磁極裝設在轉子上，電樞裝設在定子上。對於高壓 大容量的同步電機，通常採用旋...
同步電機基本知識
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普通非同步電機的定子繞組接交流電網，轉子繞組不需與其他電源連線。因此，它具有結構簡單，製造 使用和維護方便，執行可靠以及質量較小，成本較低等優點。非同步電機有較高的執行效率和較好的工作特性，從空載到滿載範圍內接近恆速執行，能滿足大多數工農業生產機械的傳動要求。非同步電機還便於派生成各種防護型式，以適...