交流電機

電機用於將機械能轉換為電能（交流和直流發電機），反之亦然（電動機）。

在所有這些案例中，本質上都利用了電磁學領域的三個主要發現：1821年安培發現的電流的機械相互作用現象，1831年法拉第發現的電磁感應現象，以及1831年對這些現象的理論總結Lenz (1834) 在他著名的感應電流方向定律（事實上，Lenz 定律預測了電磁過程的能量守恆定律）。

為了將機械能轉換為電能或將機械能轉換為電能，有必要使導電電路與電流和磁場（磁鐵或電流）產生相對運動。

在設計用於連續運行的電機中，使用位於靜止部分（定子）內的電機運動部分（交流電機的轉子）的旋轉運動。用於產生磁場的機器線圈稱為電感器，而帶有工作電流的線圈稱為電樞。後兩個術語也用於直流電機。

為了增加磁感應強度，機器繞組被放置在鐵磁體（鋼、鑄鐵）上。

所有電機都具有可逆性，即它們既可以用作電能發電機，也可以用作電動機。

異步電機

使用異步電機 電磁感應的表現之一......在物理課程中，它被證明如下：

在一個可以繞穿過其中心的垂直軸旋轉的銅盤下方，放置一個垂直的馬蹄形磁鐵，驅動它繞同一軸旋轉（不包括磁盤和磁鐵之間的機械相互作用）。在這種情況下，圓盤開始以與磁鐵相同的方向旋轉，但速度較低。如果增加圓盤上的機械負載（例如，通過增加軸對止推軸承的摩擦力），則其轉速會降低。

這種現象的物理意義很容易用電磁感應理論來解釋：當磁鐵旋轉時，會產生旋轉磁場，從而在圓盤中感應出渦流，後者的大小取決於，在其他條件相同的情況下，場與盤的相對速度。

根據楞次定律，圓盤必須沿場的方向旋轉。在沒有摩擦的情況下，磁盤必須獲得等於磁鐵速度的角速度，之後感應電動勢將消失。在現實生活中，摩擦不可避免地存在，光盤變慢。其大小取決於盤所經歷的機械制動力矩。

圓盤（轉子）的旋轉速度與磁場的旋轉速度之間的差異反映在電機的名稱中。

異步電動機的工作原理：

在技​​術異步電機（通常是三相）中會產生旋轉磁場 多相電流在靜止的定子繞組周圍流動。在三相電流的頻率為和定子線圈數為3p的旋轉磁場使得n=f/p轉/秒。

可旋轉的轉子位於定子腔中。旋轉機構可以連接到它的軸上。在最簡單的“鼠電池”電機中，轉子由放置在鋼製圓柱體凹槽中的縱向金屬桿系統組成。電線被兩個環短路。為了增加扭矩，轉子的半徑做得足夠大。

在其他電機設計（通常是高功率電機）中，轉子線形成一個開放的三相繞組。線圈的末端在轉子內部短路，引線引出到安裝在轉子軸上並與其隔離的三個滑環。

三相變阻器使用滑動觸點（電刷）連接到這些環，用於啟動電機。電機轉動後，變阻器被完全移除，轉子變成鼠籠形（見—— 帶繞線轉子的異步電動機).

定子外殼上有接線板。定子繞組被引出。它們可以包括在內 星形或三角形, 取決於電源電壓：在第一種情況下，電源電壓可能比第二種情況高 1.73 倍。

表徵轉子相對於感應電動機定子磁場的相對減速度的值稱為 滑倒… 它從 100%（在啟動電機時）變為零（無損轉子運動的理想情況）。

感應電動機的旋轉方向的反轉是通過向電動機供電的電網的每兩個線性導體的相互切換來實現的。

鼠籠式電機在工業上應用廣泛。異步電動機的優點是設計簡單且沒有滑動觸點。

直到最近，這種電機的主要缺點是速度調節困難，因為如果為此改變定子電路的電壓，那麼轉矩會急劇變化，但在技術上很難改變電源電流的頻率。現代微處理器設備現在廣泛用於控制電源電流的頻率以改變電機的速度 - 變頻器.

交流發電機

交流發電機是為大功率和高電壓而建造的。像異步電機一樣，它們有兩個繞組。通常，電樞繞組位於定子外殼中。產生初級磁通量的電感器安裝在轉子上，並由勵磁機——安裝在轉子軸上的小型直流發電機——供電。在大功率機器中，激勵有時是由經過整流的交流電壓產生的。

由於電樞繞組的不動，與在高功率下使用滑動觸點相關的技術困難消失了。

下圖顯示了單相發電機的示意圖。它的轉子有八個磁極。這些繞組線圈（圖中未顯示）由外部電源通過施加到安裝在轉子軸上的滑環的直流電供電。磁極線圈的纏繞方式使得面向定子的磁極符號交替。極數必須是偶數。

電樞繞組位於定子外殼中。它的長工作“有源”線垂直於繪圖平面，在圖中用圓圈顯示，當轉子旋轉時，它們與磁感應線交叉。

圓圈表示感應電場方向的瞬時分佈。沿著定子正面延伸的連接線用實線表示，背面用虛線表示。 K 線夾用於將外部電路連接到定子繞組。轉子的旋轉方向由箭頭指示。

如果你在心裡沿著夾具 K 之間的半徑切割機器並將其變成一個平面，那麼定子繞組和轉子磁極的相對位置（側面和平面）將用示意圖描繪：

考慮到該圖，我們確保所有有源線（穿過電感器的兩極）彼此串聯，並且將其中感應的 EMF 相加。所有 EMF 的相位顯然是相同的。在轉子旋轉一圈期間，每根導線（因此在外電路中）將獲得四個完整的電流變化週期。

如果一台電機有p對極，轉子每秒鐘旋轉n圈，則電機接收到的交流電頻率為f = pn hz。

由於網絡中 EMF 的頻率必須恆定，轉子的旋轉速度也必須恆定。要獲得技術頻率 (50 Hz) 的 EMF，如果轉子極數足夠大，則可以使用相對較慢的旋轉。

為了獲得三相電流，三個獨立的繞組放置在定子體內。它們中的每一個都相對於其他兩個偏移了電感器相鄰（相反）極之間的弧距的三分之一。

很容易驗證，當電感器旋轉時，在相位（時間上）偏移 120° 的線圈中感應出 EMF。線圈的末端從機器上拆下，可以星形或三角形連接。

在發電機中，磁場和導體的相對速度由轉子的直徑、轉子每秒的轉數和極對數決定。

如果發電機由水流驅動（水力發電機），則通常採用慢速旋轉。要獲得所需的電流頻率，就必須增加極數，而這又需要增加轉子的直徑。

由於一些技術原因 強大的氫氣發生器 它們通常有一個垂直軸，位於水輪機上方，從而使它們旋轉。

蒸汽渦輪發電機——渦輪發電機通常是高速的。為了減少機械力，它們具有較小的直徑和相應較少的極數。許多技術考慮要求生產具有水平軸的渦輪發電機。

如果發電機是由內燃機驅動的，則稱為柴油發電機，因為柴油機通常用作消耗較便宜燃料的發動機。

發電機可逆性，同步電機

如果從外部電源向發電機的定子繞組施加交流電壓，則電感器的兩極將與定子中產生的電流的磁場相互作用，並且來自相同方向的扭矩將起作用在所有極點上。

如果轉子以這樣的速度旋轉，即在交流電週期的一半之後不久，電感器的下一個極（符號與第一個極相反）將安裝在所考慮的定子繞組導線下方，那麼電感的符號它與改變方向的電流之間的相互作用力將保持不變。

在這些條件下，轉子在扭矩的持續影響下將繼續運動並能夠驅動任何機構。由於網絡消耗的能量，克服轉子運動的阻力將發生，並且 發電機將變成電動機.

然而，應該注意的是，連續運動只有在嚴格定義的旋轉速度下才有可能，因為在偏離它的情況下，加速力矩將部分作用在轉子的每個磁極上，在轉子的兩個導體之間移動定子，部分時間停止。

因此，必須嚴格確定電機的旋轉速度——換極的時間必須與電流的半週期重合，這就是為什麼這種電機被稱為 同步地.

如果將交流電壓施加到具有靜止轉子的定子繞組上，那麼，儘管在電流的第一個半週期內轉子的所有極都經歷了相同符號的轉矩的作用，但由於慣性，轉子將沒有時間移動。在接下來的半個週期中，所有轉子磁極的轉矩符號將變為相反的。

結果，轉子會振動但無法旋轉。因此，同步電動機必須先繞線，即達到正常轉數，然後才能接通定子繞組中的電流。

同步電機的開發是通過機械方法（低功率）和特殊電氣設備（高功率）進行的。

對於較小的負載變化，電機轉速會自動改變以適應新的負載。因此，隨著電機軸上負載的增加，轉子會立即減速。因此，線電壓與定子繞組中電感器感應的相反感應電動勢之間的相移發生變化。

此外，電樞反應使電感器退磁，因此定子電流增加，電感器的扭矩增加，電機開始再次同步旋轉，克服增加的負載。負載減少會發生類似的過程。

隨著負載的劇烈波動，電機的這種適應性可能會不足，其速度會發生明顯變化，“失步”並最終停止，同時定子中感應的感應電動勢消失，其中的電流增加急劇地。因此，必須避免負載的急劇波動。要停止電機，顯然必須先斷開定子電路，然後再斷開扼流圈；啟動發動機時，必須遵守相反的操作順序。

同步電機最常用於驅動以恆定速度運行的機構。以下是同步電動機的優缺點及啟動方法： 同步電機及其應用

教育影片 - “同步電機”，由教育視覺教具廠於 1966 年製作。您可以在這裡觀看：幻燈片《同步電機》