分述同步发电机的基本运转工作原理

摘要：同步交流发电机是一种将机械能切换为交流电能的装置，其核心优势是发电机的转子速度与输出交流电的频率保持严格同步，这是现代电力系统中发电环节的绝对主力机型。简易来说，可以将同步发电原理解为电力装置的“定海神针”，它决定了电网的频率和电压基准。

  同步发电机是电力机构的心脏，是集旋转和静止、电磁变化、机械运动为一体，实现电能和机械能转换的组件，动态性能非常复杂，动态性能对整个电力机构的动态性能有很大危害。

  在布置同步发电机时，若适当选用磁极的形状，使得励磁绕组通直流电后，定子、转子之间的磁感应强度近似于按正弦规律分布。同步发电机所谓“同步”，就是说发电机的转子由发动机拖动旋转后，在定子和转子之间的气隙里便出现一个旋转磁场，这个旋转磁场是发电机的主磁场又称为转子磁场。当主磁场切割定子三相电枢绕组的线圈时，就会产生三相感应电势，接通负荷后，在电枢绕组中流过感应电流，这个交变电流也在发电机的气隙中出现一个旋转磁场。这个旋转称为电枢磁场，又称为定子磁场。根据右手螺旋守则，电枢磁场的等效磁极NS，如图1（a）所示。当主磁场由发动机拖动旋转到一个新的位置时，电枢磁场的等效磁极NS也随之旋转到另一位置，如图1（b）所示。

  由图1可知，主磁场被发动机拖动旋转时，它拉着电枢旋转，就像两块磁铁之间有相互吸引力一样。就是说发电机的转子带动电枢磁场以同一转速旋转，两者之间保持同步，故称为同步发电机。电枢磁场的速度称为同步转速。

  由于定子三相绕组在空间的位置是对称的，彼此相差120°电角度，因此，定子绕组切割磁力线时，将出现对称三相感应电势，即

Eo＝4.44k1f1N1φ                 (2-23)

  如果将电枢绕组接成星形，并且接上三相对称负载后，在感应电势的功用下，电路中出现对称的三相电流，向负载输出交流电能。

（2）输出电压调节性能好：通过调整转子励磁电流，可以方便地控制输出电压和无功功率，对市电提供电压支持。

  在同步发电机气隙中的磁感应强度是难以做到完全按正弦规律分布的，通常是近似梯形分布，因此，发电机定子每相绕组中的感应电势也是非正弦的梯形波，如图2所示。

  从式（2-24）中可见，同步发电机每相电势中，除基波外还包含一系列奇次谐波，其中三次谐波危害较大。

  高次谐波的存在，不仅使感应电势的波形变坏，而且谐波电势在发电机中将引起额外的附加损耗，使发电机效率下降，温升增高，同时输电线中的高次谐波所出现的电磁场对其附近的通信还将发生有害的干扰。因此，应设法采用方法来排查高次谐波的危害。改良发电机电势波形的手段有如下几种：

  前面解析已知，梯形波可分解为基波和各高次谐波。在同步发电机定子绕组中，由基波磁场出现基波电势，三次谐波磁场出现三次谐波电势，五次谐波磁场产生五次谐波电势······图3表示基波磁场和五次谐波磁场，由图3中可知，如果基波磁场极距为τ，那么，五次谐波磁场的极距。

  如果把一个的短距线圈放在五次谐波磁场中，由图4可见，这时短距线圈的两条高效边恰益处在同一极性（图中所示N极位置）对应的位置上，因此，在短距线圈每条高效边中东风康明斯发电机官网，五次谐波电势大小相等，而方向相反，对整个线圈而言，两者串联相互抵消，于是该线圈出线端间的五次谐波感应电势为零。同理，取，则可处理七次谐波电势，由此可知，选择适当的线圈节距，就可排查或削弱感应电势中的高次谐波。

  选取分布绕组，不仅使定子铁心圆周得到充分的利用，而且还可改善电势波形。对于分布绕组康明斯发电机官方厂家，虽然在每个瞬间各个线圈所出现的感应电势是近似梯形波，但是每个极相由几个绕组元件串联后，迭加后总的感应电势波形就接近于正弦波形了，如图5所示。

  在同步发电机定子绕组感应电势的高次谐波中，三次谐波电势数值较大。但由于三次谐波电势的频率是基波电势频率的三倍，因此，三相绕组中的三次谐波电势彼此的相位差为3×120°＝360°，即同相位。

  如果三相绕组接成三角时，在三角形闭合回路中，总电势为三相电势的总和。对基波而言，由于相位彼此相差120°，因此?A1＋?B1＋?C1=0，在三角形回路中不会出现基波电流。但对三相绕组中的三次谐波，由于相位相同，于是总电势为一相电势的三倍，这样大的三次谐波电势，就会在三角形回路中发生很大的三次谐波电流，致使附加损耗，所以同步发电机定子绕组一般都选用星形接法。

  综上分析可知，三相定子绕组接成星形，可处理输出电压中的三次及其倍数的各次谐波，而适当采取绕组元件的节距，可减少或清除五次和七次谐波。这样使电势波形就接近于正弦波了。

同步发电机的工作机理基于法拉第电磁感应定律和安培定则东风康明斯柴油发电机组，核心是“动磁生电”和“磁场同步”。总而言之，同步发电机以其精确的频率控制和卓越的无功/电压调整能力，成为现代电力装置不可替代的“定海神针”，但其复杂的控制和并网要点也使其在分布式、变速应用场景下面临挑战。

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