第六章同步电机61

1、16.1同步电机的基本结构和运行状态同步电机的基本结构和运行状态6.2空载和负载时同步发电机的磁场空载和负载时同步发电机的磁场6.3隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路6.4凸极同步发电机的电压方程和相量图凸极同步发电机的电压方程和相量图6.5同步发电机的功率方程和转矩方程同步发电机的功率方程和转矩方程6.6同步电抗的测定同步电抗的测定6.7定子漏抗和电枢等效磁动势的测定定子漏抗和电枢等效磁动势的测定6.8同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性6.9同步发电机与电网的并联运行同步发电机与电网的并联运行燃燃烧烧室室燃燃料料锅炉的锅炉的炉膛炉膛循环

2、水循环水汽轮机汽轮机发电机发电机3 000 r/min升压变升压变压器压器超热高压蒸汽超热高压蒸汽电能输出电能输出电能的产生电能的产生 热电厂热电厂1 煤传送带煤传送带2 加煤机加煤机3 粉碎机粉碎机4 锅炉锅炉5 煤渣煤渣6 空气预热器空气预热器 7 静电除尘静电除尘8 烟囱烟囱9 汽轮机汽轮机10 冷凝器冷凝器11变压器变压器12 冷却塔冷却塔13 发电机发电机14 输电线输电线46.1 同步电机的工作原理及结构特点同步电机的工作原理及结构特点 同步电机的特点与用途同步电机的特点与用途 同步电机的结构形式同步电机的结构形式 同步电机的冷却方式同步电机的冷却方式 同步电机的额定值同步电机的额

3、定值 同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式电机学 第六章 同步电机5n 同步电机也是一种常用的交流电机。同步电机也是一种常用的交流电机。n 与感应电机相比较，特点是，稳态运行时，转子的转与感应电机相比较，特点是，稳态运行时，转子的转速速n n与极对数与极对数p p和频率和频率f f之间具有固定不变的关系：之间具有固定不变的关系：n 同步转速同步转速n 从原理上看，同步电机既可用作为发电机，也可用作从原理上看，同步电机既可用作为发电机，也可用作为电动机或补偿机。现代发电站中的交流发电机几乎为电动机或补偿机。现代发电站中的交流发电机几乎全部都是同步发电机，在工矿企业和电力系统中，同全部都是同步发电

4、机，在工矿企业和电力系统中，同步电动机和补偿机也有使用。步电动机和补偿机也有使用。 pfn60电机学 第六章 同步电机6主要内容主要内容n 以发电机为主进行分析以发电机为主进行分析n 同步电机的基本结构、运行原理同步电机的基本结构、运行原理n 空载运行；负载时的电枢反应；同步发电机的基本方空载运行；负载时的电枢反应；同步发电机的基本方程；程；n 同步电机内的能量转换同步电机内的能量转换n 同步发电机并联运行同步发电机并联运行电机学 第六章 同步电机7同步发电机的工作原理：同步发电机的工作原理：n 同步电机的构造图，在定子铁芯上开槽槽内放置导线，同步电机的构造图，在定子铁芯上开槽槽内放置导线，转

5、子上装有磁极及励磁绕组。当励磁绕组通以直流电转子上装有磁极及励磁绕组。当励磁绕组通以直流电流时，电机内就会产生磁场，如果转动转子使磁场与流时，电机内就会产生磁场，如果转动转子使磁场与定子导线之间有相对运动，就会在定子导线中感应出定子导线之间有相对运动，就会在定子导线中感应出交流电势。加把这些导线按一定规律联成三相的电枢交流电势。加把这些导线按一定规律联成三相的电枢绕组，即可以从该绕组中引出三相交流电势。绕组，即可以从该绕组中引出三相交流电势。电机学 第六章 同步电机8n 这个交流电势的频率这个交流电势的频率f f决定于电机的极对数决定于电机的极对数p p和转子每和转子每分钟的转数分钟的转数n(

6、r/min)n(r/min)。由于每一转对应。由于每一转对应p p对磁极，转对磁极，转子每秒钟转数为子每秒钟转数为n n6060，因此每秒钟有，因此每秒钟有pn/60pn/60个对磁极个对磁极切割定子导线，使它的感应电势交变切割定子导线，使它的感应电势交变pn/60pn/60个周期，个周期，换句话说，该电势的频率为：换句话说，该电势的频率为：n当电机的极对数和转速一定时、它发出交流电势的频当电机的极对数和转速一定时、它发出交流电势的频率也是一定的。率也是一定的。n我国电力系统规定，交流电的频率为我国电力系统规定，交流电的频率为50Hz50Hz，例：电机，例：电机为一对极，它的转速必定是为一对极

7、，它的转速必定是3000r/min3000r/min。pfn6060pnf 电机学 第六章 同步电机9n f与与n之间这种固定关系，是同步电机的一个特征。之间这种固定关系，是同步电机的一个特征。n 若定子三相电枢绕组与三相负载相连，则三相定子绕若定子三相电枢绕组与三相负载相连，则三相定子绕组中流通三相电流，产生三相合成旋转电枢磁势，基组中流通三相电流，产生三相合成旋转电枢磁势，基波转速波转速n1n 即，电枢磁势与转子同转速、同转向即，电枢磁势与转子同转速、同转向同步。同步。n 即，电枢磁势与转子磁势二者同步、相对静止。即，电枢磁势与转子磁势二者同步、相对静止。npfn601电机学 第六章 同步

8、电机10同步电机做电动机：同步电机做电动机：n 三相定子绕组与电源接通，产生三相合成基波磁势，三相定子绕组与电源接通，产生三相合成基波磁势，转速为同步速：转速为同步速：n 同时转子直流励磁产生恒定主极磁场；同时转子直流励磁产生恒定主极磁场；n 两个磁场间有相互电磁力作用，使得电枢磁场拖着主两个磁场间有相互电磁力作用，使得电枢磁场拖着主极磁场同步转动，转子转速极磁场同步转动，转子转速n=n1。pfn601电机学 第六章 同步电机11一、同步电机分类：一、同步电机分类：旋转电枢式：电枢旋转，主极固定，因电枢旋转电枢式：电枢旋转，主极固定，因电枢功率不易由滑动部分送出，只适于较小容量功率不易由滑动部

9、分送出，只适于较小容量发电机，实用少。发电机，实用少。同步电机同步电机6.1 6.1 概述概述6.1.1 6.1.1 同步电机的结构型式同步电机的结构型式旋转磁极式：磁极旋转，电枢固定，电枢旋转磁极式：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，功率由静止部分送出，可传送较大功率，实用广，是同步发电机的基本结构型式。实用广，是同步发电机的基本结构型式。电机学 第六章 同步电机12旋转磁极式旋转磁极式隐极式转子：不计齿槽时气隙均匀；机械强度隐极式转子：不计齿槽时气隙均匀；机械强度高，适用于高转速；一般用于汽轮发电机；外高，适用于高转速；一般用于汽轮发电机；外形细长。形细长。凸极式

10、转子：气隙不均匀，极弧下较小，极间凸极式转子：气隙不均匀，极弧下较小，极间较大；机械强度比隐极机低，适用于低转速；较大；机械强度比隐极机低，适用于低转速；一般用于水轮发电机，外形扁盘形。一般用于水轮发电机，外形扁盘形。电机学 第六章 同步电机13二、隐极同步电机二、隐极同步电机（只有卧式支撑）（只有卧式支撑）1、隐极式隐极式转子结构：转子结构： 隐极式转子上没有凸出的磁极。沿着转隐极式转子上没有凸出的磁极。沿着转子本体圆周表面上，开有许多槽，槽中嵌放励磁绕组。在转子本体圆周表面上，开有许多槽，槽中嵌放励磁绕组。在转子表面约子表面约1/3部分没有开槽，构成所谓大齿，是磁极的中心区。部分没有开槽，

11、构成所谓大齿，是磁极的中心区。励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也会出现励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也会出现 N 极和极和 S 极。极。电机学 第六章 同步电机142 2、隐极式隐极式转子特点转子特点在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可达达170170米米/ /秒。为了减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨秒。为了减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨大离心力，大型汽轮发电机都做成细长的隐极式圆柱体转子。大离心力，大型汽轮发电机都做成细长的隐极式圆柱体转子。考虑到转子冷却和强度方面的要求，隐极式转子的结构和加工考虑到

12、转子冷却和强度方面的要求，隐极式转子的结构和加工工艺较为复杂。转子长度工艺较为复杂。转子长度/ /直径直径=2.5=2.5 6.56.5，且容量愈大比值愈大。，且容量愈大比值愈大。电机学 第六章 同步电机153 3、汽轮发电机、汽轮发电机主要结构部件有：主要结构部件有：定子定子、转子、端盖和轴承。、转子、端盖和轴承。(1)(1)定子定子定子大体上与异步电机相同，定子铁心由定子大体上与异步电机相同，定子铁心由0.35mm,0.5mm0.35mm,0.5mm或其它厚度的硅钢片叠成。或其它厚度的硅钢片叠成。定子外径较小时，采用圆形冲片，当定子外径大于定子外径较小时，采用圆形冲片，当定子外径大于1m

13、时，采用扇形冲片。定子铁心固定在机座上，机座常由时，采用扇形冲片。定子铁心固定在机座上，机座常由钢板焊接而成，它必须有足够的强度和刚度，同时还必钢板焊接而成，它必须有足够的强度和刚度，同时还必须满足通风和散热的需要。汽轮发电机的电压较高，要须满足通风和散热的需要。汽轮发电机的电压较高，要求定子绕组有足够的绝缘强度，一般采用求定子绕组有足够的绝缘强度，一般采用 B 级或级或 F 级绝级绝缘。缘。 扇形冲片扇形冲片电机学 第六章 同步电机16电机学 第六章 同步电机17电机学 第六章 同步电机18(2)转子转子采用隐极式转子，外形常做成一个细长的圆柱体。采用隐极式转子，外形常做成一个细长的圆柱体。

14、转子铁心：铬镍钼合金钢锻制而成，与转轴锻为一个整体。转子铁心：铬镍钼合金钢锻制而成，与转轴锻为一个整体。励磁绕组：励磁绕组为同心式绕组，以特制扁铜线绕制，并励磁绕组：励磁绕组为同心式绕组，以特制扁铜线绕制，并用不导磁的槽楔将绕组紧固在槽内。用不导磁的槽楔将绕组紧固在槽内。 护环、中心环和滑环：护环为一金属圆筒，共两只，用于保护环、中心环和滑环：护环为一金属圆筒，共两只，用于保护励磁绕组的两个端部，采用高强度非导磁合金钢制成。中护励磁绕组的两个端部，采用高强度非导磁合金钢制成。中心环用于支撑护环，阻止心环用于支撑护环，阻止励磁绕组的轴向移动。励磁绕组的轴向移动。滑环实现滑环实现励励磁绕组与励磁电

15、源的连接，一方经引线接励磁绕组，另一方磁绕组与励磁电源的连接，一方经引线接励磁绕组，另一方经电刷接励磁电源。经电刷接励磁电源。(3)端盖和轴承端盖和轴承电机学 第六章 同步电机19电机学 第六章 同步电机20图图6-3典型汽轮发电机转子结构散件示意图典型汽轮发电机转子结构散件示意图电机学 第六章 同步电机21电机学 第六章 同步电机22定子定子汽轮发电机组汽轮发电机组电机学 第六章 同步电机23三、凸极同步电机三、凸极同步电机电机学 第六章 同步电机241 1、支撑：卧式、立式支撑。支撑：卧式、立式支撑。大多数同步电动机、调相机大多数同步电动机、调相机和内燃机或冲击式水轮机拖动的发电机采用卧式

16、结构。低和内燃机或冲击式水轮机拖动的发电机采用卧式结构。低速、大型水轮发电机采用立式结构。速、大型水轮发电机采用立式结构。2 2、水轮发电机的特点：极数多，直径大，轴向长度短。、水轮发电机的特点：极数多，直径大，轴向长度短。立式立式卧式卧式电机学 第六章 同步电机25灯泡贯流式水轮机是贯流式水轮机的主要类型之一。是贯流式水轮机的主要类型之一。1919年初，美年初，美国工程师哈尔扎国工程师哈尔扎(Harza)首先提出其设计理念。经过瑞士爱舍维斯公首先提出其设计理念。经过瑞士爱舍维斯公司司(Escher Wyss)公司近公司近20年的研究，于年的研究，于1936年研制成功，并开始生年研制成功，并开

17、始生产。该水轮机主要应用于潮汐电站，近年来逐渐应用到江河上的低产。该水轮机主要应用于潮汐电站，近年来逐渐应用到江河上的低水头电站。贯流式水电站是开发低水头水力资源较好的方式。水头电站。贯流式水电站是开发低水头水力资源较好的方式。电机学 第六章 同步电机264、转子、转子 水轮发电机由于水轮机的转速较低，要发出工频电能，发水轮发电机由于水轮机的转速较低，要发出工频电能，发电机的极数就比较多，做成凸极式转子结构工艺上较为简单。电机的极数就比较多，做成凸极式转子结构工艺上较为简单。凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈。凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈。 转子铁心：由厚度为转子铁心：由

18、厚度为13mm的钢片叠成；磁极两端有磁的钢片叠成；磁极两端有磁极压板，用来压紧磁极冲片和固定磁极绕组。有些发电机磁极压板，用来压紧磁极冲片和固定磁极绕组。有些发电机磁极的极靴上开有一些槽，槽内放上铜条，并用端环将所有铜极的极靴上开有一些槽，槽内放上铜条，并用端环将所有铜条连在一起构成阻尼绕组，其作用是用来抑制短路电流和减条连在一起构成阻尼绕组，其作用是用来抑制短路电流和减弱电机振荡，在电动机中作为起动绕组用。弱电机振荡，在电动机中作为起动绕组用。3 3、定子、定子 水轮发电机的直径很大，定子铁心由扇形硅钢片拼水轮发电机的直径很大，定子铁心由扇形硅钢片拼装叠成。为了散热的需要，定子铁心中留有径向

19、通风沟。装叠成。为了散热的需要，定子铁心中留有径向通风沟。电机学 第六章 同步电机2710000kw10000kw水轮机转子水轮机转子2.同步电机的运行状态同步电机的运行状态同步电机的三种运行状态同步电机的三种运行状态a)发电机发电机(0)b)补偿机补偿机(=0)c)电动机电动机(0)电机学 第六章 同步电机29一、励磁方式分类一、励磁方式分类获得励磁电流的方法称为励磁方式。获得励磁电流的方法称为励磁方式。 目前采用的励磁方式分为两大类：目前采用的励磁方式分为两大类： 用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统；用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统；1.1.用硅整流装置将交流转化成直

20、流后供给励磁的整流器励用硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统。磁系统。6.1.2 6.1.2 同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式电机学 第六章 同步电机30二、二、 直流励磁机励磁直流励磁机励磁直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励、他励直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励、他励或永磁励磁方式。采用他励接法时，励磁机的励磁电或永磁励磁方式。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。流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。电机学 第六章 同步电机31三、三、 静止整流器励磁：静止整流器励磁： 同一轴上有三台交流发电机，即主发同一

21、轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。副励磁机的励磁电流开电机、交流主励磁机和交流副励磁机。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始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励(有有时采用永磁发电机时采用永磁发电机)。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整。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，而主励磁机的交流输出电流经过静流器整流后供给主励磁机，而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。止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。与传统直流系统的区别：变直流励磁机为交流主磁

22、机，解决了与传统直流系统的区别：变直流励磁机为交流主磁机，解决了换向器火花问题。换向器火花问题。电机学 第六章 同步电机32四、四、 旋转整流器励磁：旋转整流器励磁： 静止整流器的直流输出必须经电刷和静止整流器的直流输出必须经电刷和集电环输送到旋转的励磁绕组，对大容量的同步发电机其励磁集电环输送到旋转的励磁绕组，对大容量的同步发电机其励磁电流达到数千安培，使得集电环严重过热。因此，在大容量的电流达到数千安培，使得集电环严重过热。因此，在大容量的同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统。系统。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电

23、机主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交，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，直接送到主发电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。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副机的转子励磁绕组。交流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。由于这种励磁系统励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于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。取消了集电环和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。 电机学 第六章 同步电机33l大容量的电机发热问题严重，为了使温升不超过允许限大容量的电机发热问题严重，为了使温升不超过允许限度，就要采用有效的冷却方法。对冷却方法的要求是能度，就要采用有效的冷却方法。对冷却方法的要求是能够输送足够