电机学第六章同步电机第1讲

1、电机学 自动化学院电气工程系 罗 玲 324房间 88431336(O) 2016. 11 第第6章主要内容章主要内容 同步电机的结构和额定参数同步电机的结构和额定参数 同步电机的运行原理同步电机的运行原理 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行 同步电动机和调相机同步电动机和调相机 第第6章第章第1讲概述讲概述 基本工作原理基本工作原理 结构结构 励磁方式励磁方式 冷却方式冷却方式 额定参数额定参数 1同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理 异步电机的基本工作原理？异步电机的基本工作原理？ （以电动机为例进行说明）（以电动机为例进行说明） 1

2、同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理 l 定子磁场如何建立？定子磁场如何建立？ l 转子磁场如何建立？转子磁场如何建立？ l 定、转子磁场的关系？定、转子磁场的关系？ 异步电机的基本工作原理复习异步电机的基本工作原理复习 1同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理 结构模型：结构模型： 电枢电枢：定子槽内嵌放三相定子槽内嵌放三相 对称交流绕组，定子铁心对称交流绕组，定子铁心 和绕组又称为电枢铁心和和绕组又称为电枢铁心和 电枢绕组。电枢绕组。 1同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理 结构模型：结构模型： 磁极：磁极：转子铁心制成一定形转子铁心制成一定形 状的磁极，磁极上绕有励

3、磁状的磁极，磁极上绕有励磁 绕组。绕组。 1同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理 结构模型：结构模型： 气隙：气隙：气隙的长度和形状对气隙的长度和形状对 电机内部磁场的分布和同步电机内部磁场的分布和同步 电机的性能有重大影响电机的性能有重大影响 1同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理 励磁磁场建立：励磁磁场建立： 转子磁极上的励磁绕组通以转子磁极上的励磁绕组通以直流直流励励 磁电流，建立极性相间的励磁磁场磁电流，建立极性相间的励磁磁场。 1同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理 感应电动势的产生：感应电动势的产生： 当励磁磁场与三相对称电枢绕组当励磁磁场与三相对称电枢绕组

4、 有相对运动，在电枢绕组中就有三相有相对运动，在电枢绕组中就有三相 对称感应电动势产生。对称感应电动势产生。 1同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理 1111 4.44 N Ef Nk 感应电动势的有效值：感应电动势的有效值： 感应电动势的频率感应电动势的频率 60 pn 1同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理 感应电动势的交变性如何实现？感应电动势的交变性如何实现？ 磁场极性的交变决定了感应电动磁场极性的交变决定了感应电动 势的交变性势的交变性 1同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理 磁场分布的对称性和绕组的对称磁场分布的对称性和绕组的对称 性决定了感应电动势的对称性

5、性决定了感应电动势的对称性 感应电动势的对称性如何实现？感应电动势的对称性如何实现？ 1同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理 由原动机拖动，使励磁磁场与电由原动机拖动，使励磁磁场与电 枢绕组相对运动，电枢绕组产生对称枢绕组相对运动，电枢绕组产生对称 的交流感应电动势，通过引出线接用的交流感应电动势，通过引出线接用 电负载，即实现机械能向电能的转换。电负载，即实现机械能向电能的转换。 - -发电机发电机 1同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理 交流电源给电枢绕组供电，产生交流电源给电枢绕组供电，产生 旋转的电枢磁场，带动转子磁场旋转，旋转的电枢磁场，带动转子磁场旋转， 通过转轴带

6、动负载旋转，即实现电能通过转轴带动负载旋转，即实现电能 向机械能的转换。向机械能的转换。-电动机电动机 1同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理 同步电机的运行特点：转子同步电机的运行特点：转子 的转速始终是同步转速。的转速始终是同步转速。 60 f n p 1同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理 发电机：发出的电频率由原动机转发电机：发出的电频率由原动机转 速确定速确定 60 f n p 电动机：转速由电枢电流频率确定电动机：转速由电枢电流频率确定 1同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理 主要用作发电机主要用作发电机 同步电动机：纺织、造纸等同步电动机：纺织、造纸等 运

7、行方式：运行方式： 调相机：电网的无功补偿调相机：电网的无功补偿 2同步电机的结构同步电机的结构 只用于小容量电机只用于小容量电机 一般电机都采用一般电机都采用 2同步电机的结构同步电机的结构 气隙均匀，机械强度高，适于高速旋转气隙均匀，机械强度高，适于高速旋转 气隙不均匀，空气阻力大，适于中、低速旋转气隙不均匀，空气阻力大，适于中、低速旋转 2.1隐极同步电机的结构隐极同步电机的结构 汽轮发电机：以汽轮机为原动机的汽轮发电机：以汽轮机为原动机的 同步发电机，基本结构为隐极式同步发电机，基本结构为隐极式 多采用具有最高同步转速多采用具有最高同步转速 的两极结构的两极结构 外形细长，转子长度与直

8、外形细长，转子长度与直 径之比：径之比：2.5-6.52.5-6.5 2.1隐极同步电机的结构隐极同步电机的结构 汽轮发电机主要部件：定子、转子、汽轮发电机主要部件：定子、转子、 端盖和轴承端盖和轴承 2.1隐极同步电机的结构隐极同步电机的结构 定子：由铁心、绕组、机座和紧固连定子：由铁心、绕组、机座和紧固连 接件构成。接件构成。 2.1隐极同步电机的结构隐极同步电机的结构 铁心：铁心：大体上与异步电机相同，由大体上与异步电机相同，由0.35mm0.35mm、 0.5mm0.5mm或其它厚度的电工钢片叠成。定子外径较或其它厚度的电工钢片叠成。定子外径较 小时，采用圆形冲片，当定子外径大于小时，

9、采用圆形冲片，当定子外径大于1m 1m 时，采时，采 用扇形冲片。用扇形冲片。 2.1隐极同步电机的结构隐极同步电机的结构 铁心：铁心：大容量电机定子铁心分组叠成。每组厚度大容量电机定子铁心分组叠成。每组厚度 约约3-6cm3-6cm，每组叠片之间有宽，每组叠片之间有宽1cm1cm的径向通风沟。的径向通风沟。 整个定子铁心用拉紧螺杆和非导磁端压板压紧成整整个定子铁心用拉紧螺杆和非导磁端压板压紧成整 体后固定在机座上。体后固定在机座上。 2.1隐极同步电机的结构隐极同步电机的结构 机座：机座：钢板焊接结构，用于支撑定子铁钢板焊接结构，用于支撑定子铁 心，构成所需的通风路径，要求有足够心，构成所需

10、的通风路径，要求有足够 的钢度和强度，以满足加工、运输和运的钢度和强度，以满足加工、运输和运 行过程中的受力要求。行过程中的受力要求。 2.1隐极同步电机的结构隐极同步电机的结构 电枢绕组：电枢绕组： 一般采用双层短距叠绕形式一般采用双层短距叠绕形式 绕组电压很高，对绝缘材料绕组电压很高，对绝缘材料 和绝缘结构有特殊要求和绝缘结构有特殊要求 2.1隐极同步电机的结构隐极同步电机的结构 电枢绕组：电枢绕组： 导体截面较大，为减少涡导体截面较大，为减少涡 流损耗，采用多股并绕；流损耗，采用多股并绕； 且每股铜线在槽内采用特且每股铜线在槽内采用特 殊的循环换位形式，使电殊的循环换位形式，使电 流密度

11、分布均匀。流密度分布均匀。 2.1隐极同步电机的结构隐极同步电机的结构 转子：铁心、励磁绕组、护环、转子：铁心、励磁绕组、护环、 中心环和滑环等。中心环和滑环等。 2.1隐极同步电机的结构隐极同步电机的结构 转子铁心：转子铁心： 转子磁极的主体，巨大离心力的受体，兼备高转子磁极的主体，巨大离心力的受体，兼备高 导磁性能和高机械强度。导磁性能和高机械强度。 铁心表面以主极轴线中心为对称，铁心表面以主极轴线中心为对称，1/31/3极距范围极距范围 内不开槽，形象称之为内不开槽，形象称之为“大齿大齿”，其余部分均，其余部分均 匀铣有许多槽，用于嵌放励磁绕组。匀铣有许多槽，用于嵌放励磁绕组。 2.1隐

12、极同步电机的结构隐极同步电机的结构 励磁绕组：励磁绕组： 采用同心式线圈结构，由特制扁铜线绕制而成。采用同心式线圈结构，由特制扁铜线绕制而成。 槽楔必须采用高强度金属材料，以承受高速旋转的离槽楔必须采用高强度金属材料，以承受高速旋转的离 心力。心力。 高可靠的绝缘高可靠的绝缘 2.1隐极同步电机的结构隐极同步电机的结构 护环：护环： 保护励磁绕组的保护励磁绕组的 两个端部两个端部 采用高强度非导采用高强度非导 磁合金钢磁合金钢 2.1隐极同步电机的结构隐极同步电机的结构 中心环：中心环：支持支持 护环，阻止励磁护环，阻止励磁 绕组的轴向移动绕组的轴向移动 2.1隐极同步电机的结构隐极同步电机的

13、结构 滑环：滑环：实现励实现励 磁绕组与励磁磁绕组与励磁 电源的连接电源的连接 2.1隐极同步电机的结构隐极同步电机的结构 端盖：端盖： 与机座、定子铁心和转子一道构成电机的内通与机座、定子铁心和转子一道构成电机的内通 风系统风系统 采用非导磁硅铝浇铸而成采用非导磁硅铝浇铸而成 轴承：轴承：需承受巨大的转子重量和离心力，采需承受巨大的转子重量和离心力，采 用油膜润滑的座式结构，并配有油循环系统。用油膜润滑的座式结构，并配有油循环系统。 2.2凸极同步电机的结构凸极同步电机的结构 大多数同步电动机、调相机以大多数同步电动机、调相机以 及内燃机拖动的发电机采用及内燃机拖动的发电机采用 低速、大型水

14、轮发电机采用低速、大型水轮发电机采用 2.2.1卧式凸极同步电机的结构特卧式凸极同步电机的结构特 点点 转子：由磁极、励磁转子：由磁极、励磁 线圈、磁轭和阻尼绕线圈、磁轭和阻尼绕 组等组成组等组成 2.2.1卧式凸极同步电机的结构特卧式凸极同步电机的结构特 点点 磁极：磁极：用厚度为用厚度为 1 13mm3mm的钢板叠的钢板叠 成，高速电机采用成，高速电机采用 实心形式，极靴为实心形式，极靴为 外圆弧。外圆弧。 2.2.1卧式凸极同步电机的结构特卧式凸极同步电机的结构特 点点 励磁绕组：同励磁绕组：同 心式线圈套装心式线圈套装 结构结构 2.2.1卧式凸极同步电机的结构特卧式凸极同步电机的结构

15、特 点点 磁轭：磁轭：可用铸钢，也可可用铸钢，也可 用冲片叠压用冲片叠压 磁轭与磁极连接应牢固磁轭与磁极连接应牢固 2.2.1卧式凸极同步电机的结构特卧式凸极同步电机的结构特 点点 阻尼绕组：同异步电机的笼型结构阻尼绕组：同异步电机的笼型结构 2.2.2立式凸极同步电机的结构特立式凸极同步电机的结构特 点点 极数多极数多 直径大直径大 轴向长度短，呈扁盘形轴向长度短，呈扁盘形 2.2.2立式凸极同步电机的结构特立式凸极同步电机的结构特 点点 立式凸极立式凸极 悬式悬式 伞式伞式 推力轴承装在转子上部，整个推力轴承装在转子上部，整个 转子悬挂在上机架上转子悬挂在上机架上 推力轴承装在转子下部推力

16、轴承装在转子下部 3同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式 励磁系统励磁系统 直流发电机直流发电机 交流整流成直流交流整流成直流 3.13.1直流发电机励磁系统直流发电机励磁系统 直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励 或他励接法。或他励接法。 采用他励接法时，励磁机的励磁电流由另一台采用他励接法时，励磁机的励磁电流由另一台 被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。 3.2 3.2 静止式交流整流励磁系统静止式交流整流励磁系统 同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交 流主励磁机

17、和交流副励磁机。流主励磁机和交流副励磁机。 l 副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待 电压建立起来后再转为自励电压建立起来后再转为自励( (有时采用永磁发电机有时采用永磁发电机) )。 3.2 3.2 静止式交流整流励磁系统静止式交流整流励磁系统 l副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整 流后供给主励磁机流后供给主励磁机 2 2 静止式交流整流励磁系统静止式交流整流励磁系统 l主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式 硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。硅

18、整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。 2 2 静止式交流整流励磁系统静止式交流整流励磁系统 3.33.3旋转式交流整流励磁系统旋转式交流整流励磁系统 l主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢 的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直 接送到主发电机的转子励磁绕组。接送到主发电机的转子励磁绕组。 l主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励 磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给 3.3旋转式交流整流励磁系统旋转式交流整流励磁系统 这种励磁

19、系统取消了集电环和电刷装置，这种励磁系统取消了集电环和电刷装置， 故又称为无刷励磁系统。故又称为无刷励磁系统。 3.3旋转式交流整流励磁系统旋转式交流整流励磁系统 4同步电机的冷却方式同步电机的冷却方式 (1) (1) 空气冷却空气冷却 l内扇式轴向和径向混合通风系统内扇式轴向和径向混合通风系统 l50MW以下汽轮发电机以下汽轮发电机 l空气系统应该封闭空气系统应该封闭 4同步电机的冷却方式同步电机的冷却方式 (2) (2) 氢气冷却氢气冷却 l冷却效果优于空气冷却效果优于空气 l内冷式内冷式 l防漏和防爆防漏和防爆 4同步电机的冷却方式同步电机的冷却方式 (3)(3)水冷却水冷却 l冷却效果

20、优于氢气冷却效果优于氢气 l内冷式内冷式 l泄露和积垢堵塞泄露和积垢堵塞 4同步电机的冷却方式同步电机的冷却方式 水冷却与氢气冷却结合使用水冷却与氢气冷却结合使用-水氢氢水氢氢 l定子绕组用内冷定子绕组用内冷 l定、转子铁心用氢外冷定、转子铁心用氢外冷 l转子励磁绕组用氢内冷转子励磁绕组用氢内冷 4同步电机的冷却方式同步电机的冷却方式 (4) 超导发电机超导发电机 选用强磁场、高电密、高温交选用强磁场、高电密、高温交 流超导线材流超导线材 5同步电机的额定值同步电机的额定值 电机额定运行时定子的电机额定运行时定子的线线 电压，单位为电压，单位为V/kV 额定电压额定电压 N U 5同步电机的额

21、定值同步电机的额定值 电机额定运行时定子的电机额定运行时定子的线线 电流，单位为电流，单位为A/kA 额定电流额定电流 N I 5同步电机的额定值同步电机的额定值 电机额定运行时的功率因数电机额定运行时的功率因数 额定功率因数额定功率因数cos N 5同步电机的额定值同步电机的额定值 电机额定运行时的效率电机额定运行时的效率 额定效率额定效率 N 5同步电机的额定值同步电机的额定值 发电机发电机-额定运行出线端的视额定运行出线端的视 在功率，单位在功率，单位VA/kVA、MVA 额定容量额定容量 N S 调相机调相机-出线端的额定无功功率，出线端的额定无功功率， 单位单位var/kvar、Mv

22、ar 5同步电机的额定值同步电机的额定值 发电机发电机-额定运行输出的有功电功额定运行输出的有功电功 率，单位率，单位W/kW、MW 额定功率额定功率 N P 电动机电动机-额定运行时轴上输出的机械额定运行时轴上输出的机械 功率，单位功率，单位W/kW、MW cos3cos NNNNNN PSU I cos3cos NNNNNNNN PSU I 5同步电机的额定值同步电机的额定值 发电机发电机-额定运行时输出电能的频率，额定运行时输出电能的频率， 我国标准工业频率规定为我国标准工业频率规定为50Hz。 额定频率额定频率 N f 电动机电动机-额定运行时输入电能的频率，额定运行时输入电能的频率，

23、 我国标准工业频率规定为我国标准工业频率规定为50Hz。 5同步电机的额定值同步电机的额定值 额定运行时电机的转速，单位额定运行时电机的转速，单位r/min。 额定转速额定转速 N n 5同步电机的额定值同步电机的额定值 额定励磁电流额定励磁电流( ) fN IA 额定励磁电压额定励磁电压 ( ) fN UV 额定温升额定温升 国产同步电机的型号国产同步电机的型号 汽轮发电机汽轮发电机QFQ、 QFN、 QFS Q-氢外冷，氢外冷，N-氢内冷，氢内冷，S-双水内冷双水内冷 QFS-300-2 QFS-300-2 表示容量为表示容量为300MW300MW双水内冷双水内冷2 2极极 汽轮发电机汽轮发电机 国产同步电机的型号国产同步电机的型号 水轮发电机水轮发电机TSS TSS1264/160-48 TSS1264/160-48表示双水内冷水轮发电机，表示双水内冷水轮发电机， 定子外径为定子外径为12641264厘米，铁心长为厘米，铁心长为160160厘米，厘米， 极数为极数为4848 国产同步电机的型号国产同步电机的型号 同步电动机同步电动机TDL（立式）、（立式）、TDG （高速）（高速） 同步调相机同步调相机TT 重点内容重点内容 基本工作原理基本工作原理 磁极结构磁极结构 额定参数额定参数 预习：预习：6.2 思考