同步发电机的原理与感应电动势

转速变为 2 倍，频率会

转子是由直流励磁建立的 N、S 磁极。这块磁铁一转，定子各相感受到的磁通就按正弦变化，感应出三相电动势。转子每转一圈，电动势振荡的次数等于极对数，所以调高速度滑块，右侧波形就会变快。先选出转速变为 2 倍时频率会怎样，再用滑块验证。

与感应机相反的结构

感应电机里，定子产生旋转磁场，转子去追它。同步发电机正好相反，由转子自己产生磁通。在转子绕组(励磁绕组)中通入直流，建立 N、S 磁极，再用汽轮机之类的原动机带动这块磁铁旋转，定子(电枢)的三相绕组与旋转磁通交链，便感应出电动势。大型电机为了把大的电枢电流直接从静止的定子引出，而不是从旋转部分引出，采用让产生磁通的小励磁部分旋转的旋转磁极式。励磁所需的直流经集电环送入，或由装在转子上的无刷励磁机供给。

频率系于转速

2 极电机的转子每转一圈，磁通翻转一次，电动势画出一个周期；P 极电机每转一圈产生 P/2 个周期。因此频率为 f = PN/120 [Hz，N 以 rpm 计]，要发出 60 Hz，2 极须转 3600、4 极须转 1800、6 极须转 1200 rpm。发电机的转速就是电网频率，所以要保持频率，就要用调速器精确地稳住原动机的转速。像水轮发电机这样转得慢的电机有几十个极，也是出自同一个式子；转速与频率紧紧绑在一起、无法分开，所以这种电机称为同步电机。

电动势的大小与励磁

一相的感应电动势为 E = 4.44 f N Φ kw。f 是频率，N 是每相串联匝数，Φ 是每极磁通，kw 是绕组系数。由于线圈分散绕在多个槽中(分布绕组)，线圈节距又比极距略短(短距绕组)，各线圈电动势的相位错开，合成值比算术和略小；绕组系数就是反映这一点、小于 1 的数。短距绕组这样损失少许电动势，却能削弱谐波，使波形更接近正弦。磁通 Φ 由励磁绕组中的直流励磁电流决定，所以在铁心饱和以前，增大励磁，磁通和电动势几乎成正比地增大；如果说转速决定频率，那么励磁决定电压的大小。

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转速变为 2 倍，频率也变为 2 倍。直流励磁的转子每转一圈，定子磁通按极对数翻转相应次数，产生相应数目的电动势周期，所以频率通过 f = PN/120 与转速一一对应地锁定，守住电网频率就等于守住发电机的转速。电动势的大小为 E = 4.44 f N Φ kw，在转速决定的频率之上，由励磁电流通过磁通 Φ 另行决定。如果说感应电机让转速按转差偏离同步转速，那么同步电机则把转速和频率绑成一体。

到这里讨论的是不带负载的空载发电机。电枢中流过负载电流时，它产生的磁通与励磁磁通合成，所以在直流电机中见过的电枢反应，在同步电机中也会出现。不过在同步电机中，这一效应随功率因数不同，或削弱、或增强励磁磁通，因此把它归并为一个同步电抗来处理。下一单元(MC-D2)用电枢反应和同步电抗，研究带负载时端电压如何变化。