性能特點和作用說明
同步發電機的特點及分類
同步電機主要用作發電機，作為各種設備的交流電源，現在全世界的發電量主要由同步發電機發出。同步發電機是發電機組的三大組成部分（發動機、同步發電機和控制系統）之一，因此，學習并掌握同步發電機的特點及其類別區分方法至關重要。
一、同步發電機的特點
圖1所示為同步發電機的構造原理圖。通常單、三相同步發電機的定子是電樞，轉子是磁極，當轉子勵磁繞組通以直流電后，即建立恒定的磁場。轉子轉動時，定子導體由于與此磁場有相對運動而感應交流電動勢。電機具有p對磁極時，轉子旋轉一周，感應電動勢變化p次。設轉子每秒轉速為n，則轉子每秒旋轉n/60轉，因此感應電動勢每秒變化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；
n——發電機轉速。
由此可見，當同步發電機的磁極對數p、轉速n一定時，發電機的交流電動勢的頻率是一定的。也就是說，同步發電機的特點是：同步發電機具有轉子轉速和交流電頻率之間保持嚴格不變的關系。在恒定頻率下，轉子轉速恒定而與負載大小無關，發電機轉子的轉速恒等于發電機空氣隙中（定子）旋轉磁場的轉速。同步電機即由此得名。
在我國的電力系統中，規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電機而言，其轉速總為一固定值。例如：磁極對數為1對（二極）的同步發電機的轉速為3000r/min；磁極對數為2對（四極）的同步發電機的轉速為1500r/min；依此類推，同步發電機的轉速還有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，拖動發電機轉子旋轉的原動機必須具有調速機構，使發電機在輸出不同的有功功率時都能維持轉速不變。
圖1 同步發電機構造原理圖
二、同步發電機的基本類型
同步發電機可按發電機的結構形式以及相數等進行分類。
（1）按發電機的結構形式分類
按發電機的結構特點進行區分，同步發電機可分為旋轉電樞式（簡稱轉樞式）和旋轉磁極式（簡稱轉磁式）兩種形式。
① 旋轉電樞式同步發電機
旋轉電樞式同步發電機的結構如圖2所示。其電樞是轉動的，磁極是固定的，電樞電勢通過集電環和電刷引出與外電路連接。旋轉電樞式只適用于小容量的同步發電機，因為采用電刷和集電環引出大電流比較困難，容易產生火花和磨損；電機定子內腔的空間限制了電機的容量；發電機的結構復雜，成本較高；電機運行速度受到離心力及機械振動的限制。所以目前只有交流同步無刷發電機的勵磁機使用旋轉電樞結構的同步發電機。
圖2 旋轉電樞式同步發電機模型
② 旋轉磁極式同步發電機
旋轉磁極式同步發電機的結構如圖3所示。其磁極是旋轉的，電樞是固定的，電樞繞組的感應電勢不通過集電環和電刷而直接送往外電路，所以其絕緣能力和機械強度好，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，所以電刷和集電環的負荷及工作條件就大為減輕和改善。這種結構形式廣泛用于同步發電機，并成為同步發電機的基本結構形式。現代交流發電機常采用無刷結構的同步發電機，發電機省略了集電環和電刷，無滑動接觸部分，維護簡單，工作可靠性高。
在旋轉磁極式同步發電機中，按磁極的形狀又可分為凸極式同步發電機［如圖3（a）所示］和隱極式同步發電機［如圖3（b）所示］兩種形式。由圖3可以看出，凸極式轉子的磁極是突出的，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。這種轉子構造簡單、制造方便，故內燃發電機組和水輪發電機組一般都采用凸極式。隱極式轉子的氣隙是均勻的，轉子成圓柱形。勵磁繞組分布在轉子表面的鐵芯槽中。
圖3 旋轉磁極式同步發電機模型
（2）按發電機的相數分類
按相數來區分，同步發電機又可分為單相同步發電機和三相同步發電機。單相同步發電機的功率不大，通常不大于6kw。而三相同步發電機的功率可達幾萬千瓦。
（3）永磁發電機
永磁式發電機是一種只有永磁體的發電機，也叫永磁同步發電機，它不需要外部電源來啟動，而是利用磁鐵和轉子上的永磁體之間的磁力作用，使轉子從停止狀態迅速旋轉起來，并產生電流。永磁式發電機由定子、轉子和定轉子之間的磁性材料（永磁體）組成。它的工作原理是，當定子產生交流電流時，定子線圈內的磁場隨之改變，隨即在轉子上產生磁場，使轉子產生轉動，從而實現發電功能。
優點：
① 發電效率高，只要定子中的線圈被供電，就可以立即產生轉動力；
② 安裝維護簡單，因為發電機內部沒有滑動觸頭，所以維護保養成本比較低；
③ 轉子旋轉惰性小，可以很快響應負荷變化；
缺點：
① 由于其內部結構比較復雜，成本比較高；
② 轉子的最大轉速受限于永磁體的抗震力，所以轉速較低；
③ 轉子的轉動方向受限于定子線圈方向，不能自由改變。

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