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同步发电机是电力系统中最核心的发电设备，火力发电厂、水力发电厂、核电站等大型电站几乎都使用它。

一、 发电原理：基于电磁感应定律和磁场同步旋转

核心原理就是法拉第电磁感应定律：当导体切割磁力线，或者穿过闭合导体的磁通量发生变化时，导体中就会产生感应电动势（电压）。

同步发电机的具体工作过程：

1. 建立磁场（励磁）：

   • 发电机的转子上装有励磁绕组（电磁铁）。

   • 通过直流电流（称为励磁电流）通入励磁绕组，在转子周围产生强大的旋转磁场。这个直流电通常由一个小型直流发电机（励磁机）或通过整流装置提供。

2. 驱动转子旋转（原动机）：

   • 转子由原动机驱动旋转（如汽轮机、水轮机、燃气轮机、柴油机，甚至风力涡轮机通过齿轮箱）。

   • 原动机将热能（蒸汽）、水能、风能等一次能源转化为机械能，带动转子旋转。

3. 磁场旋转：

   • 转子旋转，其上的磁场也随之同步旋转。

4. 定子绕组切割磁力线：

   • 发电机的定子由铁芯和嵌入其中的三相（A、B、C）绕组组成，这些绕组在空间上彼此相差120度电角度均匀分布。

   • 旋转的转子磁场不断扫过静止的定子绕组。相当于定子绕组中的导体在“切割”旋转磁场的磁力线。

5. 产生感应电动势：

   • 根据电磁感应定律，定子绕组中会感应出交变的电动势（电压）。

   • 由于定子三相绕组在空间上对称分布120度，感应出的三相电动势在时间上也彼此相差120度电角度，形成对称的三相交流电。

6. “同步”的含义：

   • 电频率与转速严格同步： 这是“同步”发电机名称的由来。产生的交流电的频率f（单位：赫兹Hz）与转子的机械转速n（单位：转/分钟 rpm）以及电机的磁极对数p之间满足严格的数学关系：f = (p * n) / 120 或 n = (120 * f) / p。

   • 转子磁场与定子磁场同步旋转： 当发电机带负载运行时，定子绕组中的三相交流电也会产生一个旋转磁场（称为定子磁场或电枢反应磁场）。在稳态运行时，转子磁场的转速（即机械转速）必须严格等于定子磁场的旋转速度（即同步转速），两者保持相对静止，才能稳定地传递能量。这是同步发电机稳定运行的必要条件。

总结发电过程： 原动机输入机械能 → 驱动转子（带直流励磁磁场）旋转 → 旋转磁场切割静止的定子三相绕组 → 在定子绕组中感应出三相对称的交流电动势 → 输出电能。