第六章 同步电机

第六章同步电机§6.1概述一、基本工作原理基本工作原理：导体切割磁力线，在导体中产生感应电动势；感应电动势的波形：∵e=BLV，∴由B的波形决定；三相电动势的大小和相序：①大小：；

§6.1

概述一、基本工作原理3.三相电动势的大小和相序：②相序：由转子转向决定；感应电动势的频率：

§6.1

概述二、结构型式1.①

转极式；②转枢式。转枢式只用于小型电机，一般容量稍大的同步发电机均采用转极式。

§6.1

概述二、结构型式2.转极式的同步发电机有两种型式：①隐极式——适于高速旋转，多用于汽轮发电机；②凸极式——适于低、中速旋转，常用于水轮发电机。

§6.1概述二、结构型式2.1隐极式同步发电机：

转速高，极数少，l/D大（约为2.5~6.5）。例：100MW，l=5.4m，D=1.1m。定子：铁心——构成磁路的一部分，用硅钢片叠成；

§6.1概述二、结构型式2.1隐极式同步发电机：

定子：电枢绕组——构成电路的一部分，向外提供三相对称电压；多采用双层短距叠绕；导体由多根并联而成，并进行换位以减少损耗；机座——起支撑作用

§6.1

概述二、结构型式2.1隐极式同步发电机：转子：铁心——构成磁路的一部分，多用整钢锻成，以满足导磁性能好，机械强度高的要求；励磁绕组——构成电路的一部分，采用同心式结构，通以直流电建立磁场；滑环——用来与直流电源相连

§6.1

概述二、结构型式2.1隐极式同步发电机：端盖和轴承：端盖——构成内通风系统；轴承——起支撑作用，多用滑动轴承，用油膜润滑，并配有油循环系统。§6.1

概述二、结构型式2.2凸极式同步发电机：卧式：同步电动机，调相机，由内燃机拖动的发电机，小型的水发；立式：水发，低速，容量大。§6.1

概述二、结构型式2.2凸极式同步发电机：

①相对于隐极机的特点：定子——极数多，往往采用分数槽绕组，以减小谐波电动势和谐波磁动势；

转子——装有阻尼绕组，转子振荡时起阻尼作用，对电动机还起启动绕组作用。§6.1

概述二、结构型式2.2凸极式同步发电机：

①相对于隐极机的特点：

l/D＜1/10——为防止机组甩负荷时转子转速升高过快，要求水轮机组有较大的飞轮矩GD2。§6.1

概述二、结构型式2.2凸极式同步发电机：

②立式结构的特点：悬式机组——运行稳定，适于高水头电站，但厂房高，投资大；伞式机组——厂房低，投资省，适于低速的电站；还有半伞式结构的。§6.1

概述三、同步电机的励磁直流发电机励磁系统——有换向火花问题，维护较麻烦；静止式交流整流励磁系统——虽解决了直流励磁机固有的换向火花问题，但仍有触点；旋转式交流整流励磁系统——形成无刷励磁系统，就解决了上述有触点问题。§6.1

概述四、冷却方式空气冷却——内扇式轴向和径向混合通风系统，适于＜50MW的汽发，为安全空气系统是封闭的；氢气冷却——优于空冷，并作成导体内冷形式，防漏与防爆尤其重要；水冷却——主要是水内冷，主要用于定子，泄漏和积垢堵塞问题要解决好。§6.1

概述四、冷却方式4.超导发电机——是解决发热和冷却的一条好途径，但现在面临一些关键技术的商业应用还存有问题。§6.1

概述五、型号和额定值1.型号例如：QFQS-200-22——极数

200

——额定容量为200MW

§6.1

概述五、型号和额定值2.额定值①额定功率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；§6.1

概述五、型号和额定值2.额定值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。其他额定值见教材p.295。3.额定值之间的关系：§6.2

同步电机的运行原理一、空载运行定义：n=nN、I=0时的运行工况。电磁过程：

If→Ff→Φ0→E0

Φfσ空载特性：n=nN、I=0时，

U0=E0=f(If)

饱和系数——kμ=

If0/Ifδ

（约为1.1~1.25）§6.2

同步电机的运行原理一、空载运行4.时—空矢量图§6.2

同步电机的运行原理一、空载运行5.频率、波形要求频率：f=pn1/60

波形：用电压波形正弦性畸变率kM和电话谐波因数THF%衡量

§6.2

同步电机的运行原理二、电枢反应定义：

电枢反应——电枢电流产生的磁动势对气隙磁场的影响。性质：决定于励磁电动势和电枢电流之间的相位差角ψ。§6.2

同步电机的运行原理二、电枢反应性质：2.1ψ=0为纯粹的交轴电枢反应，使气隙磁场相对于空载而言：在空间上作用位置发生变化，同时幅值也有所增加。起交磁作用§6.2

同步电机的运行原理二、电枢反应性质：2.2ψ=π/2为纯粹的直轴电枢反应，使气隙磁场相对于空载而言：在空间上作用位置不发生变化，但幅值有所减少。起直轴去磁作用§6.2

同步电机的运行原理二、电枢反应性质：2.3ψ=π也为纯粹的交轴电枢反应，使气隙磁场相对于空载而言：在空间上作用位置发生变化，幅值也有所增加。起交磁作用§6.2

同步电机的运行原理二、电枢反应性质：2.3ψ=3π/2也为纯粹的直轴电枢反应，使气隙磁场相对于空载而言：在空间上作用位置不变，但幅值有所增加。起直轴助磁作用§6.2

同步电机的运行原理二、电枢反应性质：2.4一般的ψ一般地，三相合成磁动势基波可能既不作用在直轴上，也不作用在交轴上。可以进行分解§6.2

同步电机的运行原理二、电枢反应性质：2.4一般的ψ相应地，电枢电流也可以进行分解§6.2

同步电机的运行原理三、隐极同步发电机的负载运行正方向规定

§6.2

同步电机的运行原理三、隐极同步发电机的负载运行不考虑饱和时2.1电磁物理关系

§6.2

同步电机的运行原理三、隐极同步发电机的负载运行不考虑饱和时2.2时—空矢量图与等效电路

§6.2

同步电机的运行原理三、隐极同步发电机的负载运行不考虑饱和时2.3相量方程式、相量图和等效电路

§6.2

同步电机的运行原理三、隐极同步发电机的负载运行3.考虑饱和时3.1电磁关系

§6.2

同步电机的运行原理三、隐极同步发电机的负载运行3.考虑饱和时3.2基本方程式、时—空矢量图

§6.2

同步电机的运行原理三、隐极同步发电机的负载运行3.考虑饱和时3.3如何利用空载特性求一些值由于空载特性表示的是实际的磁动势与电动势之间的关系，因此必须要折算。

§6.2

同步电机的运行原理四、凸极同步发电机的负载运行1.不考虑饱和时1.1电磁关系

§6.2

同步电机的运行原理四、凸极同步发电机的负载运行1.不考虑饱和时1.2基本方程式、相量图

§6.2

同步电机的运行原理四、凸极同步发电机的负载运行1.不考虑饱和时1.2基本方程式、相量图

§6.2

同步电机的运行原理四、凸极同步发电机的负载运行1.不考虑饱和时1.3具体用法

§6.2

同步电机的运行原理四、凸极同步发电机的负载运行2.考虑饱和时2.1电磁关系

§6.2

同步电机的运行原理四、凸极同步发电机的负载运行2.考虑饱和时2.1基本方程式、时—空矢量图

§6.2

同步电机的运行原理四、凸极同步发电机的负载运行2.考虑饱和时2.2如何利用空载特性求一些值与隐极机相同，必须折算，由于d、q轴的气隙大小不一样，因此两者的折算系数不同

§6.3

同步发电机的运行特性○、基值的选取同步电机习惯采用标幺值进行计算，其基值选取如下：§6.3

同步发电机的运行特性一、空载特性

1.定义当n=nN，I=0时，

U0=f(If)2.空载特性曲线

3.测量与校正§6.3

同步发电机的运行特性二、短路特性

1.定义当n=nN，U=0时，

Ik=f(If)2.短路特性曲线

3.为什么是一直线？

4.如何求d轴不饱和同步电抗？§6.3

同步发电机的运行特性三、零功率因数负载特性

1.负载特性定义当n=nN，I=常数，cosφ=常数时，

U=f(If)2.零功率因数负载特性曲线

3.特性三角形与理想的零功率因数特性曲线

4.保梯三角形、保梯电抗Xp与d轴饱和同步电抗的求取§6.3

同步发电机的运行特性四、外特性

1.定义当n=nN，If=常数，cosφ=常数时，

U=f(I)2.外特性曲线

3.充电容量Pc=3UNφIc=3UNφUNφ/Xd

汽发：0.46~0.88pu，水发：0.9pu

4.电压调整率§6.3

同步发电机的运行特性四、调整特性

1.定义当n=nN，U=常数，cosφ=常数时，

If=f(I)2.调整特性曲线

§6.3

同步发电机的运行特性五、短路比

1.定义

§6.3

同步发电机的运行特性五、短路比

2.短路比大小对电机的影响短路比小，同步电抗值大，负载变化时电压变化大，并联运行的稳定性较差，造价较低；短路比大，则同步电抗值小，负载变化时电压变化小，并