《电机技术应用》课件 4.1.1 同步电机的原理和分类

同步电机原理和分类同步电机

什么是同步电机

与异步电机一样，同步电机也是一种常用的交流旋转电机。同步的含义是：稳态运行时，转子转速等于同步转速，与负载大小无关，转速n与电网频率f之间的关系为：n=60f/p。同步电机主要用作发电机，现代水电站、热电厂和核电站的交流发电机组几乎全部都是同步发电机。三种应用同步发电机：把机械能转化为电能，向电网发出交流电，是同步电机最主要的运行方式，比如汽轮发电机和水轮发电机；同步电动机：把电能转化为机械能；同步调相机：实际上是一台接在电网上空载的同步电动机，用于改善电网的功率因数。认识同步电机火电厂的生产现场汽轮机同步发电机励磁机认识同步电机大亚湾核电站发电机组认识同步电机岭澳一期核电站发电机组认识同步电机国产300MW汽轮发电机国产200MW汽轮发电机定子认识同步电机现场运行的水轮发电机同步电机原理

同步电机与异步电机的根本区别是旋转的转子通入直流电流励磁。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n旋转时，其磁场切割定子绕组而感应三相交流电动势E0。如果带三相对称负载运行时，则在定子三相绕组中产生三相对称电枢电流ia、ib、ic。三相对称电流的频率为：U2U1W2V1W1V2发电机的物理过程物理过程电动机的物理过程U2U1W2V1W1V2按运行方式

旋转磁极式

水轮发电机、同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式，极数多，转速低。汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为2极，转速为3000转/分钟。电动机调相机发电机按结构型式旋转电枢式隐极式凸极式按原动机类别汽轮发电机水轮发电机柴油发电机同步电机分类隐极和凸极两种型式凸极同步电机有明显的凸出的磁极，气隙不均匀，制作简单，适合于低速发电机。

同步电机分类

隐极同步电机转子圆柱形，在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，转子机械强度高，励磁绕组固定容易，适合于高速发电机。同步电机运行状态

同步电机运行于哪种状态，取决于转子磁场轴线领先合成磁场轴线的夹角δ（功率角）。δ>0，发电机状态；δ<0，电动机状态；δ=0，补偿机状态。转子磁场：转子通入直流励磁电流产生，与转子同步旋转。定子磁场：定子三相对称绕组流过三相对称电流产生，以同步速旋转（等于转子转速）。合成磁场：定子磁场和转子磁场的合成，以同步速旋转。1、发电机状态：δ>0δ>0时，Te为制动转矩，原动机的驱动转矩与电磁转矩Te平衡。转子吸收机械功率，定子发出电功率。2、补偿机状态：δ=0δ=0时，不进行能量转换，仅发出或吸收无功功率，作为补偿机运行。同步电机运行状态

3、电动机状态：δ<0δ<0时，Te为驱动转矩，带动负载运行。转子输出机械功率，定子吸收电功率。同步电机运行状态

同步电机励磁系统1、直流励磁机励磁以直流发电机作为励磁电源，在同步发电机发展的早期历史，首先获得应用。目前中、小型发电机还有一部分采用这种励磁方式。直流励磁机与同步发电机同轴，采用并励或他励，或负载电流反馈的复式励磁。

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。

同步电机励磁系统（2）静止整流器励磁整流器励磁又分为静止式和旋转式两种。静止整流器励磁主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机同轴，副励磁机励磁电流开始由外部直流电源提供，待电压建立起来后转为自励(有时采用永磁发电机)。副励磁机输出电流经静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机。

主励磁机输出的交流电流经静止三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。

静止硅整流器

同步电机励磁系统（3）旋转整流器励磁

静止整流器直流须经电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大容量同步发电机，励磁电流达到数千安培，使集电环严重过热。大容量同步发电机一般采用旋转整流器励磁系统。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，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，直接送主发电机转子励磁绕组。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。这种励磁系统取消了集电环和电刷，又称为无刷励磁系统。

同步电机励磁系统旋转整流器励磁系统

旋转硅整流器同步电机的型号汽轮发电机有QFQ、QFN、QFS等系列。QF表示汽轮发电机；第三个字母表示冷却方式，Q——氢外冷，N——氢内冷，S——双水内冷。如：QFS-300-2表示容量为300MW双水内冷2极汽轮发电机。同步电动机系列有TD、TDL等。TD表示同步电动机，后面的字母指出其主要用途。如：TDG表示高速同步电动机；TDL表示立式同步电动机。同步补偿机为TT系列。水轮发电机系列有TS系列。T表示同步，S表示水轮。如：TSS1264/160-48表示双水内冷水轮发电机，定子外径为1264厘米，铁心长为160厘米，极数为48。额定容量SN（kVA）或额定功率PN（kW）：指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输出的额定视在功率或有功功率，单位是kVA或kW。同步电动机是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是kW。同步调相机用kVA或kvar表示。额定电压UN（kV）：额定运行时加在三相定子绕组上的线电压。额定电流IN（A）：在额定运行状态下三相定子绕组的线电流。额定功率因数cos

N：额定运行时电机的功率因数。额定频率fN：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50Hz。额定转速nN

：额定运行时电机的转速，即同步转速。同步电机额定值2、为什么同步电机的气隙要比容量相同的感应电机的大？答感应电机的励磁电流由电源供给，需要从电网吸取感性无功功率，如果气隙大，则励磁电流大，电机的功率因数低，因此在机械允许的条件下，气隙要尽量小一些。同步电机的气隙磁场由转子电流和定子电流共同激励，从同步电机运行稳定性考虑，气隙大，同步电抗小，短路比大，运行稳定性高。但气隙大，转子用铜量增大，制造成本增加。气隙大小的选择要综合考虑运行性能和制造成本这两方面的要求。1、为什么大容量同步电机采用磁极旋转式而不用电枢旋转式？答由于励磁绕组电流相对较小，电压低，放在转子上引出较方便。电枢绕组电压高、容量大，放在转子上使结构复杂、引出不方便。故大容量电机将电枢绕组作为定子，磁极作为转子，为旋转磁极式。巩固与提高3、同步电机转子表面气隙磁通密度分布的波形是怎样的?转子表面某一点的气隙磁通密度大小随时间变化吗?定子表面某一点的气隙磁通密度随时间变化吗?答：凸极同步电机转子表面气隙磁通密度分布的波形接近于正弦波，其中含有一系列奇数次谐波；隐极同步电机转子表面气隙磁通密度分布的波形是接近正弦的阶梯状波，其中也含有一系列奇数次谐波。转子表面某一点的气隙磁通密度大小不随时间变化（电枢电流为零时），但由于转子是旋转的，因此定子表面某一点的气隙磁通密度是随时间变化的。4、请说明QFS-300-2为什么类型的同步电机答：QFS-300-2表示容量为300MW双水内冷2极汽轮发电机。巩固与提高5、在直流电机中，E>U还是E<U是判断电机作为发电机运行还是电动机运行的依据之一，在同步电机中，这个结论还正确吗？答在同步电机中，励磁电动势和电机端电压都是电压相量，不能根据它们的大小来判断电机的运行状态，而应该根据气隙合成磁场轴线与主磁极轴线的相对位置来决定。当主磁极场轴线超前合成磁场轴线时，为发电机状态；重合时为调相机状态；滞后时为电动机状态。6、什么是同步调相机？答：实际上是空载运行的同步电动机，通过调节励磁电流改善电网的功率因数，用于向电网发出感性或容性无功功率。巩固与提高7、某工厂变压器的容量为2000kV·A，该厂电力设备的平均负载为1200kW，