摘要：同步交流发电机是一种将机械能转换为交流电能的装置，其核心特征是发电机的转子转速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。简单来说，可以将同步发电机理解为电力系统的“定海神针”，它决定了电网的频率和电压基准。

 

一、发电机工作原理及其特点

 

  同步发电机是电力系统的心脏，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系统的动态性能有很大影响。

1、转速与频率的同步关系

f=(p×n)/60

其中：

f 是输出交流电的频率（单位：赫兹，Hz），例如中国标准为50Hz。

n 是发电机转子的机械转速（单位：转/每分钟，r/min）。

p 是发电机的磁极对数。

2、工作原理

  在设计同步发电机时，若适当选择磁极的形状，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产生一个旋转磁场，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，接通负载后，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产生一个旋转磁场。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N'S'，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N'S'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。电枢磁场的转速称为同步转速。

  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，将产生对称三相感应电势，即

 

  定子每相绕组感应电势的有效值为

E_o＝4.44k₁f₁N_1φ                  (2-23)

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

3、优点

（1）频率稳定性高：与电网或负载频率严格锁定，是维持电网频率稳定的基石。

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

（3）效率高：技术成熟，单机容量可以做得非常大（百万千瓦级），适用于大型电站。

4、缺点

（1）结构相对复杂：需要直流励磁系统（励磁机或静态励磁）和严格的转速控制。

（2）并网要求严格：投入电网时必须满足频率、电压、相位相同，否则会产生巨大冲击电流。

（3）不适合变速运行：其设计特性决定了必须在恒定转速下工作，否则输出频率会变化。

图1  发电机的“同步”示意

 

二、同步发电机电势波形的改善

 

1、感应电势中的高次谐波

  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，一般是近似梯形分布，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。

  根据富氏级数分析，梯形波感应电势可分解为

 

  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，其中三次谐波影响最大。

 

图2  同步发电机感应电势波形

2、感应电势波形的改善

  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产生的电磁场对其附近的通信还将产生有害的干扰。因此，应设法采取措施来消除高次谐波的影响。改善发电机电势波形的方法有如下几种：

（1）采用短距绕组

  前面分析已知，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，由基波磁场产生基波电势，三次谐波磁场产生三次谐波电势，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。

 

图3  发电机基波与五次谐波的波形图

  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有效边恰好处在同一极性（图中所示N极位置）对应的位置上，因此，在短距线圈每条有效边中，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，所以该线圈出线端间的五次谐波感应电势为零。同理，取，则可消除七次谐波电势，由此可知，选择适当的线圈节距，就可消除或削弱感应电势中的高次谐波。

图4  发电机短距绕组消除五次谐波电势

（2）采用分布绕组

  采用分布绕组，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，虽然在每个瞬间各个线圈所产生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，叠加后总的感应电势波形就接近于正弦波形了，如图5所示。

 

图5  发电机利用分布绕组改善电势波形

（3）三次谐波的消除

  在同步发电机定子绕组感应电势的高次谐波中，三次谐波电势数值最大。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。

  三相绕组接成星形时，它们的线电压中是没有三次谐波的。

  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Ė_A1＋Ė_B1＋Ė_C1=0，在三角形回路中不会产生基波电流。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产生很大的三次谐波电流，引起附加损耗，所以同步发电机定子绕组一般都采用星形接法。

  综上分析可知，三相定子绕组接成星形，可消除输出电压中的三次及其倍数的各次谐波，而适当选择绕组元件的节距，可减小或消除五次和七次谐波。这样使电势波形就接近于正弦波了。

 

总结：

 

同步发电机的工作原理基于法拉第电磁感应定律和安培定则，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/电压调节能力，成为现代电力系统不可替代的“定海神针”，但其复杂的控制和并网要求也使其在分布式、变速应用场景下面临挑战。

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