专题三十二 三相同步电机的工作原理（教案）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

专题三十二 三相同步电机的工作原理（教案）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

一、考纲解读

1.明确同步发电机与同步电动机的核心能量转换过程，能准确区分两者能量流向（同步发电机：机械能→电能；同步电动机：电能→机械能）。

2.掌握同步发电机转子旋转磁场的形成条件，理解 “转子励磁绕组通入直流电→形成恒定磁极→转子旋转带动磁极运动→产生气隙旋转磁场” 的逻辑链。

3.理解同步发电机三相交变电动势的产生机制，能结合电磁感应定律。

二、知识点梳理

一、三相同步电机的工作原理

一般同步电机的定子和异步电机的定子相同,在定子铁心内圆上分布一定数量的槽,在槽中嵌放三相对称绕组。对于发电机,定子又称电枢。同步电机的转子,主要是由磁极和励磁绕组构成,励磁绕组是靠外接直流电源供给励磁电流的。

二、同步发电机的工作原理

1.同步发电机的能量转换

同步电机作为发电机运行时,是通过原动力机械将机械能输入同步电机,在原动力机拖动下运转,成为发电机,将机械能或其他形式的能转变成电能,这取决于原动力机械的动力源(如水力、风力、热力等)。

2.转子旋转磁场的形成

旋转磁极式发电机转子上绕有励磁绕组。在静止不动的转子绕组内,采用一定方法通人直流电进行励磁,这时,在转子磁极轴线上(即直轴方向)产生空间不动的幅值恒定的磁场,这就是转子的主磁场。当原动机拖动转子旋转时,就得到一个旋转磁场。一旦原动机将转子带动到同步转速n1时,则转子磁场以n1转速旋转,在

气隙中便形成了一个转速为n1的旋转磁场。

3.三相交变电动势的产生

发电机定子铁心内嵌放如同三相异步电动机定子绕组式的对称绕组。转子磁场旋转时,该磁场与定子绕组有相对运动,并以同步转速切割定子三相对称绕组,在定子绕组中产生三相对称的电动势euo、evo、ewo。

此时,如果同步发电机上接有负载,在负载内就有三相电流通过,这说明同步发电机将机械能转变成了电能。

显然,同步发电机外电路开路时,电机处于空载运行状态,这时没有电流输送给负载,也就没有电磁功率的转换,但此时的损耗均由原动机供给:而同步发电机在负载运行时,定子三相对称绕组中将有三相对称电流通过,也要建立一个旋转磁场,即电枢磁场,电枢磁场的转速n1与转子磁场的转速n相同,n1=n,转向也相同,在空间上是相对静止的,所以称为“同步”。

这就是同步发电机的由来。电枢磁场只是使气隙磁场的大小及位置发生了变化。电枢磁场(磁通势)对主极磁场的影响称为电枢反应。它与旋转的转子磁场--励磁磁场相对静止,在原动机的作用下转轴带动转子磁场拉着电枢磁场一起旋转,从而把原动机的机械能转换为电能,供给负载。

4.三相电动势的频率

同步发电机三相电动势的频率与磁极对数和磁极相对于定子绕组相对运动速度有关,可以表示为

f=pn/60

三、同步电动机的工作原理

1.同步电动机的能量转换

三相同步电动机工作时,定子的三相对称绕组接人三相对称交流电源,在定子铁心中便建立旋转磁场。转子绕组中通人直流电,转子铁心中便产生转子磁场。这两磁场相互作用,转子磁场将在定子磁场的带动下,沿定子旋转磁场国的转向,以旋转磁场的转速旋转,输出转矩,带动工作机构工作,实现电能向机械能的转换。

2.同步电动机的工作原理

同步电动机是一种定子绕组用三相交流电励磁以建立旋转磁场，转子绕组用直流电流励磁以建立转子磁场,这是双边励磁的交流电动机,其工作原理是定子的旋转磁场以磁拉力拖着转子磁场以同步转速一同旋转(在转子转动起来以后,拖动转子旋转的,实际上是定子旋转磁场和转子磁场的合成磁场),这就是同步电动机的工作原理。它们之间没有相对运动,所以称为“同步”相对异步而言)。

3.同步电动机旋转过程

当三相交流电通入定子绕组时产生旋转磁场,转子绕组中通入直流电,产生极性固定的磁极,磁极的对数与旋转磁场的磁极对数相等。当转子上的N极与旋转磁场的S极对齐时,转子的S极与旋转磁场的N极也对齐,异性磁极相互吸引,转子就随着旋转磁场转动。理想空载时,如图6-12(a)所示。转子磁极与定子旋转磁场磁

极时时对正,转子磁极的轴线与定子旋转磁场磁极的轴线重合。

电动机空载时,转子的轴承及空气对转子总有一些阻力,实际上转子上的磁极总要比旋转磁场的磁极落后一个小小的角度,如图6-12(b)所示。角φ_0称为功率角,简称功角,是同步电动机的一个基本参数,如同转差率s是异步电动机的基本参数一样。功角的大小随电动机轴上的负载增加而增大。可把磁吸引力比作弹簧的作用,功角增大,气隙间磁感线拉长,犹如弹簧被拉长一样。但转子转速不变,随旋转磁场一起转动。

当电动机加上部分负载(轻载情况)时,转子磁极落后于旋转磁场的角度增大,但转速仍不变,随旋转磁场一起转动,如图6-12(c)所示。

如果电动机负载增大,则转子磁极落后的角度更大。到达满载时,转子还能以同步转速随旋转磁场转动。

如果负载太大,落后角度更大,当负载力矩超过磁拉力力矩时,旋转磁场就无法拖着转子一起旋转,犹如弹簧被拉断一样,转子就不随旋转磁场转动了。这种现象称为失步,电动机不能稳定工作,这时电动机就要停止转动,如图6-12(d)所示。这就是同步电动机运行过程中的功角关系,即功角特性。

4.同步电动机的转速

同步电动机的转速,决定于同步电机的磁极对数和电源频率,即

n=n1=60f/p

三、真题练讲

1.（2021年河北省统一考试）若同步电动机转子磁极对数，则其同步转速为（ ）

A. 1000r/min

B. 1500r/min

C. 2000r/min

D. 3000r/min

答案：A

解析：根据同步转速计算公式，故选 A。

2.（2023年山东省统一考试）同步电动机运行特性中，不属于其固有特性的是（ ）

A. 转速恒定（在同步转速）

B. 功率因数可调

C. 启动困难

D. 转速随负载变化