电机学－同步电机基本知识和结构讲义

1、电机学同步电机基本知识和结构讲义同步电机的基本知识和结构同步电机的基本知识和结构7-1 概述概述什么是同步电机什么是同步电机同步电机：是一种旋转的交流电机，它的转子转速同步电机：是一种旋转的交流电机，它的转子转速n与电动势频率与电动势频率f之间保持之间保持严格不变的关系。严格不变的关系。对同步发电机，发出的电动势频率对同步发电机，发出的电动势频率f对同步电动机，转子转速满足对同步电动机，转子转速满足 )(60Hzpnf min)/(60rpfn 同步电机的基本知识和结构同步电机的基本知识和结构7-1 概述概述同步电机的运行方式同步电机的运行方式作为发电机运行把机械能转换成电能汽轮发电机原动机为

2、汽轮机水轮发电机原动机为水轮机其它原动机带动的发电机柴油发电机，风力发电机等作为电动机运行把电能转换成机械能作为调相机运行向电网发送无功功率同步电机的基本知识和结构同步电机的基本知识和结构7-2 同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理同步发电机同步发电机基本构成：定子、转子、气隙、励磁绕组、电枢绕组。基本构成：定子、转子、气隙、励磁绕组、电枢绕组。NSAZBXCY1n.NSAZBXCY1n.横截面图横截面图 凸极式凸极式 隐极式隐极式 同步电机的基本知识和结构同步电机的基本知识和结构7-2 同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理同步发电机同步发电机作为发电机运行时，用一原动机拖动转

3、作为发电机运行时，用一原动机拖动转子旋转，转子励磁绕组中通入直流电，子旋转，转子励磁绕组中通入直流电，从而在气隙中产生一旋转的磁场，该磁从而在气隙中产生一旋转的磁场，该磁场切割定子上的电枢导体，电枢绕组便场切割定子上的电枢导体，电枢绕组便感应出交流电动势。设气隙磁密按正弦感应出交流电动势。设气隙磁密按正弦分布，则在定子三相绕组里感应出正弦分布，则在定子三相绕组里感应出正弦变化的三相电动势，交流电动势的频率变化的三相电动势，交流电动势的频率取决于电机的极对数取决于电机的极对数 p 和转子转速和转子转速 n，若电机为一对极，当转子旋转一周时，若电机为一对极，当转子旋转一周时，导体中感应电动势变化一

4、个周波。导体中感应电动势变化一个周波。 NSAZBXCY1n.同步电机的基本知识和结构同步电机的基本知识和结构7-2 同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理同步发电机同步发电机NSAZBXCY1n.考察电枢导体考察电枢导体 A A 的感应电动势。的感应电动势。e = B l v e = B l v ，右手定则。导体相，右手定则。导体相对于磁场的运动方向。对于磁场的运动方向。NSAZBXCY1n.e = E max e = E max 电枢导体电枢导体 A A 处径向磁密等于处径向磁密等于0 0 e = 0 e = 0同步电机的基本知识和结构同步电机的基本知识和结构7-2 同步电机的基本工

5、作原理同步电机的基本工作原理同步发电机同步发电机NSAZBXCY1n.NSAZBXCY1n.e = e = E max E max 电枢导体电枢导体 A A 处径向磁密等于处径向磁密等于0 0 e = 0 e = 0同步电机的基本知识和结构同步电机的基本知识和结构7-2 同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理同步发电机同步发电机若为若为 p 对极，当转子旋转一周时，导体感应电动势变化对极，当转子旋转一周时，导体感应电动势变化 p 个周个周波。设转子每分钟旋转波。设转子每分钟旋转 n 转，则对转，则对 p对对极电机，导体感应电动极电机，导体感应电动势每分钟变化势每分钟变化 pn 个周波，每

6、秒钟变化个周波，每秒钟变化 pn/60 个周波，这就是电个周波，这就是电动势的频率。动势的频率。 )(60Hzpnf 注：我国电力系统，规定交流电的频率为注：我国电力系统，规定交流电的频率为50Hz，因此极对数和，因此极对数和转速有如下固定关系转速有如下固定关系min)/(30005060rppn同步电机的基本知识和结构同步电机的基本知识和结构7-2 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动机同步电动机如果同步电机作为电动机运行，则必须在定子三相绕组上加上三如果同步电机作为电动机运行，则必须在定子三相绕组上加上三相交流电压，三相交流电流流过定子绕组，会在电机里产生旋转相交流电压，三

7、相交流电流流过定子绕组，会在电机里产生旋转磁场，当励磁绕组加上直流励磁电流时，转子好象是一个磁铁，磁场，当励磁绕组加上直流励磁电流时，转子好象是一个磁铁，于是旋转磁场带动这个磁铁，按旋转磁场的转向和转速旋转，从于是旋转磁场带动这个磁铁，按旋转磁场的转向和转速旋转，从而实现把电能转换成机械能的目的。这时转子的转速而实现把电能转换成机械能的目的。这时转子的转速 n 为为 “同步同步”的概念的概念min)/(60rpfn 同步电机无论作为发电机还是电动机运行，当极数一定时，它同步电机无论作为发电机还是电动机运行，当极数一定时，它的转速的转速 n 和频率和频率 f 之间保持严格不变的关系，用电机专业术

8、语之间保持严格不变的关系，用电机专业术语说，叫做说，叫做“同步同步”，所以这种电机叫同步电机，所以这种电机叫同步电机 。同步电机的基本知识和结构同步电机的基本知识和结构7-3 同步电机的基本结构同步电机的基本结构汽轮发电机汽轮发电机转子转子特点：转速高，转轴细长，由高机械强度和导磁性能较好的合金钢锻特点：转速高，转轴细长，由高机械强度和导磁性能较好的合金钢锻 成，并且和转轴作成一个整体，为隐极式转子。成，并且和转轴作成一个整体，为隐极式转子。作用：固定励磁绕组，产生励磁磁场。作用：固定励磁绕组，产生励磁磁场。定子定子特点：固定定子绕组，由硅钢片叠成。特点：固定定子绕组，由硅钢片叠成。作用：感应

9、电势，通过电流，实现机电能量转换。作用：感应电势，通过电流，实现机电能量转换。机座机座固定定子铁心。固定定子铁心。水轮发电机水轮发电机转子转子特点：转速低，转轴短粗，为凸极式转子。特点：转速低，转轴短粗，为凸极式转子。作用：固定励磁绕组，产生励磁磁场。作用：固定励磁绕组，产生励磁磁场。定子定子特点：固定定子绕组，由硅钢片叠成。特点：固定定子绕组，由硅钢片叠成。作用：感应电势，通过电流，实现机电能量转换。作用：感应电势，通过电流，实现机电能量转换。同步电机的基本知识和结构同步电机的基本知识和结构7-4 同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式 同步电机工作时必须供给励磁绕组直流电流，以便建立励磁磁场

10、。同步电机工作时必须供给励磁绕组直流电流，以便建立励磁磁场。提供直流的电源及附属设备统称为励磁系统。获得励磁电流的方提供直流的电源及附属设备统称为励磁系统。获得励磁电流的方法称为励磁方式。法称为励磁方式。 励磁系统的形式很多，按照励磁系统和发电机的关系，可分为他励磁系统的形式很多，按照励磁系统和发电机的关系，可分为他励式励式(separately excited)和自励式和自励式(self-excited)两类。两类。 同步电机的基本知识和结构同步电机的基本知识和结构7-4 同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式 同步电机工作时必须供给励磁绕组直流电流，以便建立励磁磁场。同步电机工作时必须供给励

11、磁绕组直流电流，以便建立励磁磁场。提供直流的电源及附属设备统称为励磁系统。获得励磁电流的方提供直流的电源及附属设备统称为励磁系统。获得励磁电流的方法称为励磁方式。法称为励磁方式。 励磁系统的形式很多，按照励磁系统和发电机的关系，可分为他励磁系统的形式很多，按照励磁系统和发电机的关系，可分为他励式励式(separately excited)和自励式和自励式(self-excited)两类。两类。 同步电机的基本知识和结构同步电机的基本知识和结构7-4 同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式 一、他励式励磁系统一、他励式励磁系统他励式励磁系统主要有下列几种。他励式励磁系统主要有下列几种。1直流励磁机

12、励磁系统直流励磁机励磁系统 ALGVKfifIfR同步电机的基本知识和结构同步电机的基本知识和结构7-4 同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式 2他励式静止半导体励磁系统他励式静止半导体励磁系统GGG87391052416同步电机的基本知识和结构同步电机的基本知识和结构7-4 同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式 3旋转半导体励磁系统旋转半导体励磁系统GGGS自动励磁调节器372651电压互感器电流互感器84同轴旋转同步电机的基本知识和结构同步电机的基本知识和结构7-4 同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式 二、自励式励磁系统二、自励式励磁系统1自并励半导体励磁系统自并励半导体励磁系统3GS1

13、5243ABC0同步电机的基本知识和结构同步电机的基本知识和结构7-4 同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式 二、自励式励磁系统二、自励式励磁系统1自并励半导体励磁系统自并励半导体励磁系统3GS15243ABC0同步电机的基本知识和结构同步电机的基本知识和结构7-4 同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式 二、自励式励磁系统二、自励式励磁系统2自复励半导体励磁系统自复励半导体励磁系统GS17264ABC053同步电机的基本知识和结构同步电机的基本知识和结构7-4 同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式 二、自励式励磁系统二、自励式励磁系统3相复励励磁系统相复励励磁系统 1ABC023456I相复励

14、励磁系统的全称是相位补偿复励式励磁系统，它具有自励恒压特性。所谓恒压特性，就是这种励磁系统能自动调节发电机的励磁，使得在任何负载下端电压都能稳定在一定范围内 1发电机 2线性电抗器 3电流互感器 4桥式整流器 5整定电阻 6起励装置 同步电机的基本知识和结构同步电机的基本知识和结构7-4 同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式 二、自励式励磁系统二、自励式励磁系统4三次谐波励磁系统三次谐波励磁系统313y在电机定子上加装一套独立的三次谐波绕组，其线圈节距把该绕组感应产生的三次谐波电动势引出，经整流后供给电机励磁绕组，这种方式称为三次谐波励磁方式。 同步电机的基本知识和结构同步电机的基本知识和结构7-4 同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式 二、自励式励磁系统二、自励式励磁系统4三次谐波励磁系统三次谐波励磁系统ABC06541231发电机 2励磁绕组 3谐波绕组 4整流器 5调节电阻 6集电环同步电机的基本知识和结构同步电机的基本知识和结构7-5 同步电机的额定值同步电机的额定值额定电压额定电压UN 指在额定运行时电机定子三相线电压，单位为伏指在额定运行时电机定子三相线电压，单位为伏( (V) )或千伏或千伏( (kV) )。额定电流额定电流IN 指电机在额定运行时流过定子绕