电工学09同步电机(港航)

第八章同步电机概述

同步电机是交流电机的一种，同步电机与异步电机的根本区别在于同步电机的转子侧装有磁极并要通入直流电流励磁,它具有确定的极性。同步电机的运行特点是转子的旋转速度必须与定子磁场的旋转速度严格同步。同步电机主要用作发电机，各种电站的发电机几乎都是三相同步发电机。同步电机还可以作为电动机运行，其特点是通过调节励磁电流来改变功率因数。同步电动机有一种特殊的运行方式，即接在电网作空载运行，不带负荷，称为调相机，专门用于电网的无功补偿，以提高功率因数和改善供电性能。什么是同步电机？同步电机和异步电机的区别①转子绕组结构感应电机: 三相双层叠绕组或其他交流绕组笼式绕组,构成闭合回路同步电机: 多为同心式绕组，外接直电源②转子转速和同步转速的关系③绕组中的电流④气隙大小的差别同步电机定义：同步电机转速n与定子电流频率f和极对数p保持严格不变的关系，即同步发电机电枢反应、有功和无功调节、并联运行。主要内容：同步电机的运行原理

当励磁绕组通以直流电之后，建立恒定的磁场，转子转速为n时，定子的导体感应交流电动势，其频率是同步电机的分类①按运行方式和功转换方向：同步发电机同步电动机同步调相机②按结构分 旋转磁极式旋转电枢式(小容量)③按磁极的形状分： 隐极机凸极机④按原动机的类别分：汽轮发电机水轮发电机柴油发电机燃汽轮发电机风力发电机汽轮发电机——转速高、离心力大——隐极式水轮发电机——转速低、极数多——凸极式

同步电机主要用作发电机运行，把机械能转化成电能，向电网发出交流电，即作为同步发电机运行，是同步电机最主要的运行方式。

定子绕组线圈（即导体）不动，原动机带动磁极旋转，与定子(电枢)导体之间有相对运动，导体切割磁力线，在定子当中产生感应电流。如果将这些导体（即定子绕组）按一定的规律连接成三相绕组，就可以引出三相感应电动势。§8.1同步发电机概述一．种类1．按原动机的种类分汽轮发电机水轮发电机2．按转轴（主轴）的布置形式立轴、卧轴，汽轮机均为卧式。3．按转子磁极形状分凸极式（显极式）隐极式隐极式：气隙均匀，适合与高速旋转的汽轮机组合。

凸极式：气隙不均匀，旋转时阻力大，转速低，适合与水轮机组合。

(1)立式水轮发电机(2)卧式水轮发电机水轮发电机结构(3)灯泡贯流式水轮发电机凸极式同步发电机示意图隐极式同步发电机示意图电刷滑环二．结构主要结构部件：定子、转子、端盖、轴承；①定子：定子铁心、电枢绕组、机座以及若干紧固连接部件构成；它是产生感应电动势的部分，三相交流电流从定子绕组引出。②转子：铁心、励磁绕组、护环、中心环、滑环（集电环）和阻尼绕组。铁心即为磁极，励磁绕组绕在磁极上，在励磁绕组中通入直流电流励磁，转子成为产生磁场的部分，也叫主磁极。转子与原动机同轴，在空间转动，主磁极在空间旋转。隐极同步发电机定子部分定子绕组（电枢绕组），是发电机进行能量转换的

定子铁芯是电机的主要部件，它起着构成主磁路

和固定定子绕组的重要作用。一般要求导磁性能好，损耗低，刚度好，振动小，并在结构及通风系统布置上能有良好的冷却效果。

心脏部位。定子电流较大，每槽一般只嵌放两个有效导体(线棒)，为减少涡流损耗，每根导体常由多股截面为15mm以下的扁铜线并联而成，进行编织换位。隐极同步发电机（汽轮机）转子部分汽轮发电机的基本结构汽轮发电机转子的基本结构

汽轮发电机转子的作用是传递汽轮机供给的负载转矩，支撑旋转的励磁线圈，形成良好的磁通路径和转子散热通道，因此对转子结构、材料、加工工艺要求较高。汽轮发电机转子采用隐极式。

汽轮发电机转速很高（>1000r/min，），转子磁极采用隐极式，转子铁心外形象一个长圆柱形，轴向尺寸大，用钢材锻造而成，机械强度非常高，在其表面（外圆）开有槽，励磁绕组就分布在槽中。水轮机发电机转子左江24MW发电机转子在吊装VGS发电机转子InsulatingframesoffiberglassPolewindingbracePoleclampingtypeT-dovetailSteelframetoclampthepolewindingPolewindingterminalsPolewinding发电机转子发电机转子（上图）

VGS和ALSTOM发电机的转子采用无轴结构，由转子支架（包括转子中心体和支臂部分）、磁轭和磁极等部件构成。转子支架为圆盘式结构，在工地进行组装焊接，且设有足够数量的孔洞，以满足发电机通风的要求和具有良好的导风性能；磁轭由高强度经钝化处理的冷轧薄钢板组装成的坚实结构；磁极包括磁极铁心磁极绕组和阻尼绕组。发电机定子总装配ALSTOM发电机ALSTOM发电机定子是由定子机座、定子铁芯和定子绕组等主要部件组成。定子机座由定子铁芯支撑环、20个垂直的斜元件、垂直筋板以及机座外壁等组成。机座分6瓣，现场组装发电机定子总装配定子铁芯由硅钢片、齿压板、压指、压紧螺栓等组成。硅钢片厚度为0.5mm，两面均涂有F级绝缘漆，叠成总高度为3130mm，共46段叠片堆，47个通风槽；铁芯拉紧螺栓位于铁芯叠片中部，用绝缘套管与铁芯叠片绝缘，与传统的位于铁芯叠片尾部相比拉紧效果好，有利于防止叠片翘曲变形和运行过程中松动。定子绕组设计为三相双层波形绕组，每相5支路并联，共1080根罗贝尔线棒组成。绕组轮换数为1—8—14，每极每相槽数为9/4，节距为13发电机定子总装配发电机定子总装配VGS发电机定子铁心发电机定子总装配

发电机定子绕组

水轮发电机转速较低（<1000r/min），转子磁极采用凸极式，转子极数多，其径向尺寸比轴向尺寸大，外形呈扁平的圆柱形。磁极用1～2毫米厚的钢板冲压成磁极片后，再用铆钉将片片磁极铆成一个整的磁极。励磁绕组则是用扁铜线绕成，励磁绕组套在磁极上。水轮发电机定子部分模型立轴水轮发电机组横剖面图

同步发电机运行时，有各种损耗，所以就有发热问题产生。同步发电机的冷却系统就是为解决这个问题的，分为空气冷却、氢气冷却和水冷却。

在中、小型电机中，都采用空气作为冷却介质。当电机的容量很大时，电机内部的损耗及发热量迅速增加，冷却问题显得格外重要，此时必须加强通风或采用其他的冷却方式。在大型汽轮发电机中，为了提高其冷却效率，往往用氢气冷却，但氢气与空气混合后，有爆炸危险，必须有一套控制设备来保证外界空气不会渗入到电机内部。目前在更大容量的发电机中，可以采用导线内部直接冷却。例如采用空心导体，冷却介质直接在导体中流通而把热量带走，这样能更有效地降低电机的温升。所采用的冷却介质一般有氢气及水等。同步发电机的额定值①额定容量PN（MW）：是该台电机安全运行的最大允许输出功率；②额定电压UN(kV)：是该台电机长期安全工作的最高电压，指线电压；③额定电流IN（A）：是该台电机正常连续运行的最大工作电流，指线电流；④额定频率fN

：我国标准工频为50Hz。⑤额定功率因数：指电机在额定运行时的功率因数。3.额定值之间的关系：三峡左岸电站发电机简介

三峡左岸水电站共安装额定容量700MW的水轮发电机组14台，总装机容量为9800MW。其中1#、2#、3#、7#、8#、9#为德国伏伊特水电集团公司、德国西门子公司、通用电气加拿大国际公司三家联营体，简称VGS生产制造；4#、5#、6#、10#、11#、12#、13#、14#为ALSTOM公司生产制造。

三峡左岸发电机简介三峡左岸电站水轮发电机组为混流式，采用立轴半伞式三导轴承结构，下导与推力采用推导联合轴承。机组额定转速75r/min，额定工作水头为80.6m。发电机冷却方式采用半水冷，即定子绕组采用直接水冷，定子铁芯和转子绕组采用空冷的发电机。发电机与主变连接采用联合单元接线，发电机出口不设断路器，发电机中性点通过接地变压器接地。机组制动采用电气/机械制动的方式。发电机各主要部件尺寸序号项目ALSTOMVGS1定子直径20900mm21420mm2定子铁芯外径19690mm19310mm3定子铁芯内径18800mm18500mm4定子铁芯高度2850mm3130mm5静止时的气隙尺寸31.5mm32mm6转子带磁极直径18757mm18433mm7发电机总重量3459000Kg3143000Kg三峡左岸发电机技术参数序号技术名称ALSTOMVGS1额定容量（MVA）777.8777.82最大容量（MVA）8408403额定电压（KV）20204额定电流（A）22453.822453.85额定功率因数0.90.96额定频率（HZ）50507额定转速（r/min）75758每相支路数559单相对地电容（uf）1.352.03三.同步发电机的运行原理❶同步发电机的转子被原动机拖动；❷转子励磁绕组中通入直流电流；❸定子三相绕组开路，即发电机的空载运行，此时，电枢电流为零；❹电机气隙中只有转子磁场（主磁通、漏磁通）主磁通转子N极➫气隙➬定子铁心➭气隙➮转子S极➩转子磁轭闭合定子铁心NS磁轭主磁通Φ漏磁通Φσ主磁通与定子绕组和转子绕组都匝链，是电磁能量转换的部分。只与转子绕组匝链的磁通，称为漏磁通。主磁通密度B0沿定子内圆周表面近似于按正弦规律分布。转子磁极旋转时，匝链电枢每相的主磁通也随时间按正弦规律变化，主磁通最大值为Φm。定子绕组中感应出对称的三相正弦电动势eA、eB、eC，每相绕组空载电动势的有效值：三相正弦电动势

发电机的转速达到同步转速时，励磁绕组通入励磁电流产生主磁场，但发电机不带负载，定子绕组中只有感应电动势，没有感应电流，这时的电动势即为空载电动势，它是由主磁场的主磁通产生的。空载电动势：AXBZCY

同步发电机的空载运行空载运行——同步发电机被原动机拖动到同步转速，转子绕组通入直流励磁电流，定子绕组开路（定子电流为零）。励磁磁动势（或主极磁动势）主磁通Φ0电动势同步发电机的空载特性气隙线0

的函数关系为空载特性，它是一条非线性关系的饱和曲线。同步电机在空载时，气隙中仅存在着转子磁势。带上负载以后，除转子磁势外，定子三相电流也产生电枢磁势。电枢磁势的存在，将使气隙中磁场的大小及位置发生变化，这种现象称之为电枢反应。电枢反应：电枢磁动势对励磁磁动势（主极磁场）的影响。电枢反应除使气隙磁场发生畸变，从而直接关系到机电能量转换外，还有去磁或增磁作用，对同步电机的运行性能产生重要的影响。电枢磁场磁通主磁场主磁通合成磁场的磁通

显然，此时通过改变励磁电流，则气隙中的旋转磁通及电枢绕组中的感应电动势都会随之发生变化。

同步发电机是利用电磁感应原理将旋转的机械能转换成电能的一种旋转机械设备。转子绕组中通入直流电流并在原动机的带动下高速旋转，则转子磁场的磁力线就被定子三相绕组切割，定子绕组就会产生感应电动势，定子三相绕组与外电路相连时，就有三相交流电流产生，这一电流又会产生一个以同步转速、顺转子转动方向的旋转磁场，通有励磁电流的转子励磁绕组在这一旋转磁场的作用下，会产生一个与转子旋转方向相反的力矩，对原动机起制动作用。为了维持转子在额定转速下旋转，原动机就一定要克服制动力矩做功。也就是说，原动机的机械能通过发电机中的电磁相互作用而转变成为定子绕组中的电能（即输出电流）。

的函数关系为空载特性，它是一条非线性关系的饱和曲线。

同步发电机的空载运行主磁极极对数，转子转速（同步转速），三相电动势或三相电流的频率，在、一定时，可以得出同步转速，它就是原动机的转速，也是发电机组的恒定转速或额定转速。励磁磁势和电枢磁势的区别基波波形大小位置转速励磁磁势正弦波恒定，由励磁电流决定由转子位置决定由原动机的转速决定电枢反应磁势正弦波恒定，由电枢电流决定由电流瞬时值决定由电流的f和P决定

电枢反应的性质取决与电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。分析表明，这一相对位置或电枢反应的性质与励磁电动势和负载电流之间的相位差有关。电枢反应的发生是实现能量传递的关键。同步发电机单机运行时，为了维持转速不变，输出电流或电压频率恒定，必须随着有功负载的变化，调节原动机的输入功率；为了维持机端电压不变，必须随着无功负载的变化相应地调节转子中通入的直流励磁电流。有功电流产生电磁力，并形成电磁转矩;无功电流产生电磁力，不形成电磁转矩。横轴电枢磁动势和励磁磁动势作用产生电磁力，形成电磁转矩直轴电枢磁动势也产生电磁力，但不形成电磁转矩。四.同步发电机的运行特性

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同步发电机在转速保持恒定、负载功率因数不变的条件下，有三个主要变量：定子端电压、负载电流、励磁电流。三个量之中保持一个量为常数，求其它两个量之间的函数关系就是同步发电机的运行特性。2、负载特性：当=const,CosΦ=const时,1、空载特性：当=0时，3、外特性：当=const,CosΦ=const时，4、调整特性：当=const,CosΦ=const时,5、短路特性：当=0时，五种基本特性：一、外特性时同步发电机外特性和调整特性（1）

（3）功率因数角滞后时，对起去磁作用，值比空载小，越大越小，产生的也越小，也越小。功率因数越低，下降越甚。

（2）功率因数角为零时，在发电机内主要产生横轴扭磁反应，增加时，

略有下降。。

（4）功率因数角超前时，对起增磁作用，随着增加，增磁作用增大，增大产生的也越大，也越大，功率因数越大，上升越甚。（滞后)（超前)同步发电机的外特性1）当是感性负载时：此时随着负载电流的减少，端电压逐步上升。这是因为考虑了电枢反应的去磁作用的影响，随着电枢电流的减少，电枢反应的去磁作用减弱，电机中的合成磁通增加，所以端电压逐渐增加。2）当是容性负载时：此时电流超前电压，此时的电枢反应是增磁作用，随着电枢电流的增加，合成的磁通增加，所以端电压上升。3）纯电阻负载定义：发电机的端电压随负载的改变而变化，变化的程度我们可以通过电压调整率来衡量。即：电压调整率空载与额定负载之间的电压调整率。当然，负载是任意负载，不仅仅指额定负载。二、调整特性：因为负载要求所加电压不变或在允许的范围内变化，为此，随着负载电流的增加，必须相应地调节励磁电流,使发电机机端电压基本保持不变。

功率因数角落后时，对起去磁作用，值会减小，若使不变，则应增加一些，则也应增加，必然也要增加。（滞后）（超前）同步发电机的调整特性（滞后）（超前）同步发电机的调整特性IN同步发电机装有快速自动电压调节装置及强行灭磁装置，以限制发电机机端电压的上升。§8.2同步发电机的并网运行.同步发电机并网运行的的意义和条件1.并网运行的意义

在现代电力系统中，将许多电厂的同步发电机并联起来运行，即所谓的并网运行。将空载运行的发电机接入电网，与电网并联运行，称作并网。这其中有水电厂、火电厂、核电站、抽水蓄能电站等。这些发电厂彼此之间并联在一起以达到组成强大的电力系统。

电力系统中的各级电压输配电线路、升压和降压变电站及其所属的电气设备，称为电网。1.电能的供应可以互相调剂，合理使用。2.增加供电的可靠性。3.提高供电质量，电网的电压和频率能保持在要求的恒定范围内。并网运行的优点：根据负荷的变化调整运行机组的台数；便于轮流检修设备，提高供电的可靠性。优点⑴有利于提高供电质量。⑵提高供电的可靠性。⑶有利于电力系统运行的经济性。⑷合理地利用动力资源,提高发电厂的运行效率⑸可以装设大容量的机组。⑹减少系统中总装机容量。组成电力系统的优越性：（7）系统愈大，负载就愈趋均匀，不同性质的负载，互相起补偿作用。5.联成大电力系统，有可能使发电厂的布局更加合理。2.并网的条件⑴待并机端的空载电压和电网电压相等⑵发电机电压的相序与电网电压的相序一致。⑶发电机电压的相位与电网电压的相位一致。⑷发电机电压的频率与电网电压的频率一致。3.条件不满足时对电机的影响⑴电机和电网之间有环流，定子绕组端部受力变形；⑵产生拍振电流和电压，引起电机内功率振荡；⑶电机和电网之间有高次谐波环流，增加损耗，温度升高，效率降低；⑷电网和电机之间存在巨大的电位差而产生无法消除的环流，电流会对机组有冲击，转轴上受到突然的扭力矩，危害电机安全运行。二.同步电机并网运行的理论基础无限大电网：

电网的容量相对于并联的同步发电机容量来说要大得多，如果对并联在电网上的同步发电机进行有功功率和无功功率调节时，对电网的电压和频率不会有什么影响。无限大电网的