同步电机-结构讲义

1、同步电机的特点：同步速度，功率因数可调，三种运行状态。同步电机的特点：同步速度，功率因数可调，三种运行状态。第第5部分部分 同步电机同步电机同步电机同步电机是交流旋转电机的一种是交流旋转电机的一种,因其转速恒等于因其转速恒等于同步转速而得名。同步转速而得名。同步电机主要用作发电机，也可同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和调相机。用作电动机和调相机。同步电机的实用价值极大，最主要用途是作为发同步电机的实用价值极大，最主要用途是作为发电机，现在工农业所用的交流电能几乎全由同步发电机，现在工农业所用的交流电能几乎全由同步发电机做供给。电机做供给。同步电机作为同步电动机应用，不及异步电动机同步电机

2、作为同步电动机应用，不及异步电动机广泛。广泛。但在不需要调速的低速大功率机械中，为了但在不需要调速的低速大功率机械中，为了改善功率因数，同步电动机有和异步电动机抗衡的改善功率因数，同步电动机有和异步电动机抗衡的新趋势。新趋势。第第5部分部分 同步电机同步电机5.1 同步电机的结构和工作原理同步电机的结构和工作原理45.1.1同步电机分类：同步电机分类：旋转电枢式：旋转电枢式：电枢旋转，主极固定，因电枢功率电枢旋转，主极固定，因电枢功率不易由滑动部分送出，只适于较小容量发电机，不易由滑动部分送出，只适于较小容量发电机，实用少。实用少。同步电机同步电机旋转磁极式：旋转磁极式：磁极旋转，电枢固定，电

3、枢功率磁极旋转，电枢固定，电枢功率由静止部分送出，可传送较大功率，实用广，由静止部分送出，可传送较大功率，实用广，是同步发电机的基本结构型式。是同步发电机的基本结构型式。n按结构形式分按结构形式分旋转电枢式旋转电枢式旋转磁极式旋转磁极式5.1.1同步电机的分类同步电机的分类n按结构形式分按结构形式分转枢式：用于小容量同步电机转枢式：用于小容量同步电机转极式：用于高压、大容量同步电机转极式：用于高压、大容量同步电机n按磁极形状分按磁极形状分隐极式：隐极式：转子圆柱形，气隙均匀转子圆柱形，气隙均匀凸极式：凸极式：转子有明显凸出的磁极，气隙不均匀转子有明显凸出的磁极，气隙不均匀n发电机按原动机不同分

4、发电机按原动机不同分汽轮发电机：高速，转子隐极式汽轮发电机：高速，转子隐极式, 细长形细长形水轮发电机：低速，转子凸极式水轮发电机：低速，转子凸极式, 短粗形短粗形n按冷却介质和按冷却介质和 冷却方式分冷却方式分空冷空冷外冷：空气自然循环或风扇吹风强迫冷却外冷：空气自然循环或风扇吹风强迫冷却水冷水冷内冷：需进水管、出水管等内冷：需进水管、出水管等氢冷氢冷外冷或内冷：需密封系统，防爆防漏外冷或内冷：需密封系统，防爆防漏转子磁极结构转子磁极结构凸极型转子的外形图凸极型转子的外形图同步电机的基本类型同步电机的基本类型按用途分：发电机，电动机，补偿机。按用途分：发电机，电动机，补偿机。球蘑机水泵站通风

5、机补偿机或调相机按结构型式：旋转电枢式和旋转磁极式。按结构型式：旋转电枢式和旋转磁极式。按冷却方式分：内部冷却和外部冷却按冷却方式分：内部冷却和外部冷却冷却介质分：气体冷却、液体冷却和混合冷却冷却介质分：气体冷却、液体冷却和混合冷却例如：定子水内冷例如：定子水内冷-转子氢内冷，双水内冷，氢转子氢内冷，双水内冷，氢内冷，氢外冷，空冷。内冷，氢外冷，空冷。外部冷却分：开启式通风系统，闭路循环式通风外部冷却分：开启式通风系统，闭路循环式通风2)、定子绕组定子绕组：由许多线圈按一定规律连接而成。：由许多线圈按一定规律连接而成。大容量电机由于尺寸大，制成半匝式（线棒），大容量电机由于尺寸大，制成半匝式（

6、线棒），每个线棒由若干铜线并在一起，分成一排或两排，每个线棒由若干铜线并在一起，分成一排或两排，两个线棒的一端焊在一起，即成一个线圈。两个线棒的一端焊在一起，即成一个线圈。3)、机座机座：固定和支撑定子铁心，并形成风道。：固定和支撑定子铁心，并形成风道。5.1.2同步电机的基本结构同步电机的基本结构(一一)、隐极同步电机（卧式）、隐极同步电机（卧式）1)、定子铁心定子铁心：由：由0.5mm厚的硅钢片叠成，沿轴向分成好厚的硅钢片叠成，沿轴向分成好几叠，每叠几叠，每叠36cm，叠与叠之间留有宽叠与叠之间留有宽0.81cm的通风沟。的通风沟。1、定子、定子（也称为电枢也称为电枢）包括包括定子铁心、定

7、子绕组、机座、端盖等。定子铁心、定子绕组、机座、端盖等。当大型同步电机冲片外圆的直径大于当大型同步电机冲片外圆的直径大于1m时，由于材料标准时，由于材料标准尺寸的限制，硅钢片常制成扇形，然后对成圆形。尺寸的限制，硅钢片常制成扇形，然后对成圆形。定子铁心：有定子铁心：有0.5mm厚的硅钢片叠成，每叠厚度厚的硅钢片叠成，每叠厚度为为36cm，叠与叠间留有宽，叠与叠间留有宽0.81cm的通风槽。整的通风槽。整个铁心用磁性压板压紧，固定在机座上。个铁心用磁性压板压紧，固定在机座上。定子绕组定子绕组2)、励磁绕组励磁绕组：用扁铜线绕成同心式线圈，嵌放在大齿两侧：用扁铜线绕成同心式线圈，嵌放在大齿两侧的转

8、子槽中，并用非磁性硬铝槽楔压紧。的转子槽中，并用非磁性硬铝槽楔压紧。3)、护环护环：为使励磁绕组可靠地固定在转子上，绕组端部还要：为使励磁绕组可靠地固定在转子上，绕组端部还要套上用高强度非磁性钢锻成的护环。套上用高强度非磁性钢锻成的护环。1)、转子铁心转子铁心：一般用整块的导磁性好的高强度合金钢锻成，：一般用整块的导磁性好的高强度合金钢锻成，转子表面约转子表面约2/3部分铣有轴向凹槽，用于嵌放励磁绕组，不铣槽部分铣有轴向凹槽，用于嵌放励磁绕组，不铣槽的约的约1/3部分形成部分形成大齿，即磁极。大齿，即磁极。2、转子：包括转子、转子：包括转子铁心、励磁绕组、护环、风扇等。铁心、励磁绕组、护环、风

9、扇等。汽轮发汽轮发电机结电机结构构2)、定子绕组定子绕组：大、中容量凸极电机采用波绕组，：大、中容量凸极电机采用波绕组，小容量凸极电机采用叠绕组。小容量凸极电机采用叠绕组。3)、机座机座：固定和支撑定子铁心，并形成风道。：固定和支撑定子铁心，并形成风道。因直径大，通常采用分瓣机座。因直径大，通常采用分瓣机座。(二二)、凸极同步电机（卧式或立式）、凸极同步电机（卧式或立式）1)、定子铁心定子铁心：由：由0.5mm厚硅钢片叠成，因直径大，厚硅钢片叠成，因直径大，一般采用几片扇形硅钢片拼成一个圆形。一般采用几片扇形硅钢片拼成一个圆形。1、定子定子：包括：包括定子铁心、定子绕组、机座等。定子铁心、定子

10、绕组、机座等。卧式：同步电动机、同步补偿机和用内燃机或冲击式水轮卧式：同步电动机、同步补偿机和用内燃机或冲击式水轮 机拖动的同步发电机。机拖动的同步发电机。立式：低速、大容量水轮发电机和大型水泵用同步电动机。立式：低速、大容量水轮发电机和大型水泵用同步电动机。（二）、凸极发电机结构（二）、凸极发电机结构(1)(1)立式水轮发电机立式水轮发电机(2)(2)卧式水轮发电机卧式水轮发电机3)、阻尼绕组阻尼绕组：由插入磁极极靴槽中的铜条和两端的：由插入磁极极靴槽中的铜条和两端的端环焊成一个闭合绕组。在发电机不对称运行时，端环焊成一个闭合绕组。在发电机不对称运行时，起削弱负序旋转磁场，抑制转子机械振荡的

11、作用。起削弱负序旋转磁场，抑制转子机械振荡的作用。2)、转轴转轴：用高强度钢锻成。因用高强度钢锻成。因转速低，转子铁心与转速低，转子铁心与转轴分开锻造。转轴分开锻造。1)、转子铁心转子铁心：即磁极，采用：即磁极，采用T尾或鸠尾与磁轭连接，尾或鸠尾与磁轭连接，磁轭与转轴间用转子支架支撑着，转子支架固定在转磁轭与转轴间用转子支架支撑着，转子支架固定在转轴上。轴上。2、转子转子：包括转子：包括转子铁心、转轴、励磁绕组、阻尼绕组等。铁心、转轴、励磁绕组、阻尼绕组等。汽轮发电机：转速高，采用隐极式。汽轮发电机：转速高，采用隐极式。水论发电机：转速低，采用凸极式。水论发电机：转速低，采用凸极式。2 2、水

12、轮发电机结构、水轮发电机结构转子结构转子结构10000kW10000kW水轮机转子水轮机转子汽轮发电机定子包括机座、铁心和绕组。汽轮发电机定子包括机座、铁心和绕组。5.1.2 同步电机的基本结构同步电机的基本结构汽轮发电机：转速高，采用汽轮发电机：转速高，采用隐极式。隐极式。水论发电机：转速低，采用水论发电机：转速低，采用凸极式。凸极式。国产国产200MW汽轮发电机定子铁心汽轮发电机定子铁心同步电机定子绕组同步电机定子绕组国产国产200MW汽轮发电机定子机座汽轮发电机定子机座n从图从图1发电机定子绕组内冷水系统示意图可以看出发电机定子绕组绝缘中，不仅发电机定子绕组内冷水系统示意图可以看出发电机

13、定子绕组绝缘中，不仅包括绕组的槽部、端部和引出线部分，还包括了绝缘引水管内冷水的绝缘和各汇流包括绕组的槽部、端部和引出线部分，还包括了绝缘引水管内冷水的绝缘和各汇流管对地的绝缘。内冷水系统的各汇流管采取了多种措施，使其从机内到机外都对地管对地的绝缘。内冷水系统的各汇流管采取了多种措施，使其从机内到机外都对地绝缘，在汇流管与线圈绝缘引水管连接处还安装了许多测温元件，局部的绝缘缺陷绝缘，在汇流管与线圈绝缘引水管连接处还安装了许多测温元件，局部的绝缘缺陷或测温元件外壳与汇流管相碰等都可能造成接地故障。或测温元件外壳与汇流管相碰等都可能造成接地故障。汽轮机隐极式转子汽轮机隐极式转子转子：转子铁心、励磁

14、绕组、阻尼绕组、转轴、护环、中心转子：转子铁心、励磁绕组、阻尼绕组、转轴、护环、中心环、滑环、电刷、风扇和轴承。环、滑环、电刷、风扇和轴承。 隐极式转子：细长转子，由整块导磁性好的、高强度的合金钢锻造而成。隐极式转子：细长转子，由整块导磁性好的、高强度的合金钢锻造而成。2/3的小齿，没开槽为大齿，大齿中心线是磁极轴线，的小齿，没开槽为大齿，大齿中心线是磁极轴线，p=1，n1=3000r/min，齿槽，齿槽内绕励磁绕组。内绕励磁绕组。转子下线转子下线 隐极式转子机械强度高，高转速，卧式结构。长度与直径之比隐极式转子机械强度高，高转速，卧式结构。长度与直径之比26，容量越，容量越多，比值越大，但通

15、风比较困难。多，比值越大，但通风比较困难。同步电机同步电机换向器换向器 水轮发电机包括水轮发电机包括推力轴承、永磁发电推力轴承、永磁发电机、定子铁心、定子机、定子铁心、定子绕组和转子。绕组和转子。 转子又包括支架、转子又包括支架、磁轭、磁极、励磁绕磁轭、磁极、励磁绕组、阻尼绕组、集电组、阻尼绕组、集电环和碳刷、推力轴承环和碳刷、推力轴承（由推力头、镜板、（由推力头、镜板、推力瓦、轴承座、油推力瓦、轴承座、油膜组成）。膜组成）。（此图为立式机组）（此图为立式机组）卧式机组水电站卧式机组水电站水轮机凸极式转子水轮机凸极式转子凸极式转子：分卧凸极式转子：分卧式和立式两种结构。式和立式两种结构。粗而短

16、、磁极明显；粗而短、磁极明显；磁极由磁极由11.5厚的钢厚的钢板冲成，用铆钉装板冲成，用铆钉装成一体。成一体。 p1，n13000r/min，励磁，励磁绕组集中安放，转绕组集中安放，转速低。外径和长度速低。外径和长度之比大约为之比大约为57。汤峪电站发电机转子汤峪电站发电机转子阻尼绕组的结构类阻尼绕组的结构类似于鼠笼转子，由似于鼠笼转子，由插入主磁极极靴槽插入主磁极极靴槽中的铜条和两端的中的铜条和两端的端环焊成一个闭合端环焊成一个闭合绕组在发电机中抑绕组在发电机中抑制机械振荡；也是制机械振荡；也是同步电动机和补偿同步电动机和补偿机的起动绕组。机的起动绕组。5.1.35.1.3同步电机的基本工作

17、原理同步电机的基本工作原理1.同步发电机的基本工作原理同步发电机的基本工作原理大小大小：01104 44wE.fN k 频率频率：60pnf 励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动转子以转速场，原动机拖动转子以转速 旋转时，其旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势磁场切割定子绕组而感应交流电动势 . . n0E相序相序：由转子的转向决定。：由转子的转向决定。波形波形：由：由 可知，波形可知，波形取决于取决于 的空间分布。的空间分布。( x )eBlv ( x )BU2U1W2V1W1V2NSn发电机的物理过发电机的物理过程可用图示表示程可用图示表示旋

18、转示意图旋转示意图1旋转示意图旋转示意图2 e eA A=E=Ecmcmsinwtsinwt e eB B=E=Ecmcmsinsin（wt-wt-1201200 0） e eC C=E=Ecmcmsinsin（wt+wt+1201200 0）5.1.4同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式指同步电机获得直流励磁电流的方式；指同步电机获得直流励磁电流的方式；而供给励磁电流的整个系统，称为励磁系统。而供给励磁电流的整个系统，称为励磁系统。(一一)、直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统：用同轴直流发电机供给励磁。：用同轴直流发电机供给励磁。(二二)、整流器励磁系统整流器励磁系统： (用晶闸管取代直流

19、发电机电刷和换向器用晶闸管取代直流发电机电刷和换向器)1、静止整流器励磁系统静止整流器励磁系统：1)、他励式他励式：用同轴交流主励磁机发出交流电，经静止半导体整：用同轴交流主励磁机发出交流电，经静止半导体整流器整流后供给励磁。流器整流后供给励磁。2)、自励式自励式：(取消了交流励磁机取消了交流励磁机)取自同步发电机输出的交流电，经晶闸管整流后供给励磁。取自同步发电机输出的交流电，经晶闸管整流后供给励磁。2、旋转整流器励磁系统旋转整流器励磁系统： (取消了同步发电机集电环和电刷取消了同步发电机集电环和电刷) 用同轴转枢式交流主励磁机发出交流电，经同步发电机转子上的用同轴转枢式交流主励磁机发出交流

20、电，经同步发电机转子上的半导体整流器整流后供给励磁，称为无刷励磁系统。半导体整流器整流后供给励磁，称为无刷励磁系统。直流直流(并励并励)励磁机励磁励磁机励磁：属独立电源，与交流电网无关，运行可靠。：属独立电源，与交流电网无关，运行可靠。 LHLH电流互感器，电流互感器，YHYH电压互感器，电压互感器，F F 同步发电机，同步发电机，FLQFLQ同步发电机的励磁线圈，同步发电机的励磁线圈，L L直流励磁机，直流励磁机，LLQLLQ直流直流励磁机的励磁线圈励磁机的励磁线圈( (副励磁机副励磁机) )，RcRc可调电阻，由自动励磁装可调电阻，由自动励磁装置随发电机输出负载，调节发电机励磁电流置随发电

21、机输出负载，调节发电机励磁电流静止整流器励磁静止整流器励磁 属自励式系统，属自励式系统，ZB为整流变压器。起励元件：使主发电机的剩磁残压经为整流变压器。起励元件：使主发电机的剩磁残压经整流变压器和整流电压自励。用于中、小型同步发电机。整流变压器和整流电压自励。用于中、小型同步发电机。旋转整流器励磁旋转整流器励磁 解决了换向器上可能出现的火花。用于大型或防燃，防爆的同步电机。解决了换向器上可能出现的火花。用于大型或防燃，防爆的同步电机。JL:转枢式主励磁机，转枢式主励磁机，FLQ：主发电机的转子励磁绕组，：主发电机的转子励磁绕组，FL：交流副励磁机，：交流副励磁机，FLLQ：副励磁机励磁绕组副励

22、磁机励磁绕组5.1.5 5.1.5 同步电机的额定值同步电机的额定值一、额定值一、额定值1.1.额定电压额定电压U UN N(V,kV)(V,kV)：指额定运行时：指额定运行时定子定子输出端的线电压。输出端的线电压。2.2.额定电流额定电流I IN N(A)(A)：指额定运行时：指额定运行时定子定子的线电流。的线电流。3.3.额定功率因数额定功率因数coscos N N：额定运行时电机定子侧的功率因数。：额定运行时电机定子侧的功率因数。4.4.额定效率额定效率 N N：电机额定运行时的效率。：电机额定运行时的效率。4.4.额定容量额定容量 S SN N： 发电机指出线端额定视在功率，单位为发电

23、机指出线端额定视在功率，单位为VAVA，KVAKVA，MVAMVA； 调相机为线端额定无功功率，单位为调相机为线端额定无功功率，单位为Var,kVar,MVarVar,kVar,MVar。 S SN N = = 3U3UN NI IN N5.5.额定功率额定功率P PN N(W,kW,MW(W,kW,MW）：）： 发电机指额定输出有功电功率：发电机指额定输出有功电功率：P PN N=S=SN Ncoscos N N= = 3U3UN NI IN Ncoscos N N 电动机指轴上输出的额定机械功率：电动机指轴上输出的额定机械功率： P PN N=S=SN Ncoscos N N N N= =

24、 3U3UN NI IN Ncoscos N N N N6.6.额定频率：额定运行时电机电枢输出端电能的频率，额定频率：额定运行时电机电枢输出端电能的频率，我国标准工业频率规定为我国标准工业频率规定为50Hz50Hz。7.7.额定转速：额定运行时电机的转速，即同步转速。额定转速：额定运行时电机的转速，即同步转速。8.8.除上述额定值外，同步电机名牌上还常列出一些其除上述额定值外，同步电机名牌上还常列出一些其它的运行数据，例如额定负载时的温升、励磁容量它的运行数据，例如额定负载时的温升、励磁容量和励磁电压等。和励磁电压等。 二、国产同步电机型号二、国产同步电机型号 v 汽轮发电机有汽轮发电机有Q

25、FQQFQ、QFNQFN、QFSQFS等系列，等系列， 前两个字母表示汽轮前两个字母表示汽轮发电机；第三个字母表示冷却方式，发电机；第三个字母表示冷却方式，Q Q表示氢外冷，表示氢外冷，N N表示氢表示氢内冷，内冷，S S表示双水内冷。表示双水内冷。v 大型水轮发电机为大型水轮发电机为TSTS系列，系列，T T表示同步，表示同步，S S表示水轮。表示水轮。v 同步电动机系列有同步电动机系列有TDTD、TDLTDL等，等，TDTD表示同步电动机，后面的表示同步电动机，后面的字母指出其主要用途。如字母指出其主要用途。如TDGTDG表示高速同步电动机；表示高速同步电动机；TDLTDL表示表示立式同步电动机。同步补偿机为立式同步电动机。同步补偿机为TTTT系列。系列。 v 举例：举例：Q