chap12 同步电机的基本理论和运行特性

汽轮发电机图
汽轮发电机组
凸极式转子
凸极式转子上有明显凸出的成 对磁极和励磁线圈 当励磁线圈中通过直流励磁电 流后， 流后，每个磁极就出现一定的 极性， 极性，相邻磁极交替为 N 极和 S极 对水轮发电机来说， 对水轮发电机来说，由于水轮 机的转速较低，离心力较小， 机的转速较低，离心力较小， 要发出工频电能， 要发出工频电能，发电机的极 数就比较多， 数就比较多，做成励磁绕组集 中安放的凸极式结构工艺上较 为简单。 为简单。中小型同步电机多半 也做成凸极式。 也做成凸极式。 凸极电机气隙不均匀， 凸极电机气隙不均匀，极弧下 较小，而极间较大。 较小，而极间较大。
水轮发电机
特点——极数多，直径大，轴向长度短，整个转子在外形上与汽轮发电 极数多，直径大，轴向长度短， 特点 极数多 机大不相同， 扁短形。大多数水轮发电机为立式。 机大不相同，具扁短形。大多数水轮发电机为立式。 定子铁心——水轮发电机的直径很大，定子铁心由扇形电工钢片拼装叠 水轮发电机的直径很大， 定子铁心 水轮发电机的直径很大 为了散热的需要，定子铁心中留有径向通风沟。 成。为了散热的需要，定子铁心中留有径向通风沟。 定子绕组——每槽内只有一线棒，称单层绕组。（为改善电压波形，常 每槽内只有一线棒， 定子绕组 每槽内只有一线棒 称单层绕组。 为改善电压波形， 采用分数槽绕组。） 采用分数槽绕组。） 转子磁极——由厚度为 ～2mm的钢片叠成；磁极两端有磁极压板，用 由厚度为1～ 的钢片叠成； 转子磁极 由厚度为 的钢片叠成 磁极两端有磁极压板， 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， 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，并用端环将所有铜条连在一起构成阻尼绕组， 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 用来拟制短路电流和减弱电机振荡，在电动机中作为起动绕组用。 用来拟制短路电流和减弱电机振荡，在电动机中作为起动绕组用。 由于水轮机的转子圆周速度较低，离心力较小，故一般采用制造简单、 由于水轮机的转子圆周速度较低，离心力较小，故一般采用制造简单、 励磁绕组集中安放的凸极式结构较为合理。 集中安放的凸极式结构较为合理 励磁绕组集中安放的凸极—绕组接至三相交流电源，频率为 的 将同步电机定子 绕组接至三相交流电源，频率为f的 绕组接至三相交流电源 三相交流电流将在电机气隙中产生转速为同步转速n 三相交流电流将在电机气隙中产生转速为同步转速 1 的旋转磁场。 的旋转磁场。 在一定条件下旋转磁场将吸住转子磁极一起旋转， 在一定条件下旋转磁场将吸住转子磁极一起旋转，它 有相同的转速和转向——无相对运动 们有相同的转速和转向 无相对运动 转子转速为同步转速 n＝60f／p ＝ ／ 同步电动机的功率因数可以调节， 同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场 合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来， 应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来， 小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应 用。
60 f 3000 n= = p p
发电机的转速必须为某些固定值——同步转速。例如 同步转速。 发电机的转速必须为某些固定值 同步转速 2极电机的同步转速为 极电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转 极电机的同步转速为 ， 极电机的同步转 速为1500r/min，依次类推。只有运行于同步转速， 速为 ，依次类推。只有运行于同步转速， 同步电机才能正常运行。 同步电机才能正常运行。
回顾同步电机的原理
定子上嵌放有对称三 定子上嵌放有对称三 对称 相绕组a-x、 、 相绕组 、b-y、c-z 转子绕组通以直流电 流形成分布磁场， 流形成分布磁场， 匝链定子上的各相绕 组。
设磁场在气隙中按正弦分布
原动机拖动，则为同步发电机
设转子以恒定速度旋转 定子绕组中所匝链的磁通按正弦 规律变化， 规律变化，其感应电势按正弦规 律变化。 律变化。 由于各相匝数相等， 由于各相匝数相等，从而各相电 势的大小相等， 势的大小相等，由于各相绕组空 间分布彼此相距120°，从而三 间分布彼此相距 ° 相电势时间相位差120°——满 相电势时间相位差 ° 满 足了三相电势对称要求。 足了三相电势对称要求。
水轮发电机图
分数槽绕组基本概念
原因：水轮发电机由于极数很多，极距相对较小， 原因：水轮发电机由于极数很多，极距相对较小，每 极每相槽数q就不可能太大 否则总槽数便过多， 就不可能太大， 极每相槽数 就不可能太大，否则总槽数便过多，使 制造工艺发生困难。 取较小整数， 制造工艺发生困难。若q取较小整数，却不能充分利 取较小整数 用绕组分布的方法来削弱由非正弦波分布的磁场所感 应的电势中的谐波分量。此外， 较小时 较小时齿谐波电势 应的电势中的谐波分量。此外，q较小时齿谐波电势 的次数较低而数值较大。 的次数较低而数值较大。 水轮发电机和低速同步电动机的每极每相槽数q常不 水轮发电机和低速同步电动机的每极每相槽数 常不 用整数，而用分数，例如采用q=b+c/d。——分数槽 用整数，而用分数，例如采用 。 分数槽 绕组。 绕组。
发电机原理示意 发电机原理示意
主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流， 主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁 即建立起主磁场。 场，即建立起主磁场。 载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感 载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组， 应电流的载体。 应电流的载体。 切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的 切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的 ）， 励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（ 励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体 反向切割励磁磁场）。 反向切割励磁磁场）。 交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动， 交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢 绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。 绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通 过引出线，即可提供交流电源。 过引出线，即可提供交流电源。 频率： 感应电势的频率决定于同步电机的转速n 和极对数p 感应电势 频率： 感应电势的频率决定于同步电机的转速 和极对数 ， 即 pn
磁极旋转式同步电机
定子、转子、 定子、转子、气隙
定子——定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌 定子铁心的内圆均匀分布着定子槽， 定子 定子铁心的内圆均匀分布着定子槽 放着按一定规律排列的三相对称交流绕组 三相对称交流绕组。 放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步 电机的定子又称为电枢， 电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢 铁心和电枢绕组 转子——转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极， 转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极， 转子 转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极 磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时 磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机 的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也 的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场 也 称主磁场、转子磁场)。 称主磁场、转子磁场 。 气隙——气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层 气隙处于电枢内圆和转子磁极之间， 气隙 气隙处于电枢内圆和转子磁极之间 的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性 能有重大影响。 能有重大影响。
二、同步电机的构造特点 1、定子 、 2、转子 、 隐极式转子
隐极式转子上没有凸出的磁极 气隙均匀，转子成圆柱形 气隙均匀， 沿着转子本体圆周表面上， 沿着转子本体圆周表面上，开有许 多槽，这些槽中嵌放着励磁绕组。 多槽，这些槽中嵌放着励磁绕组。 在转子表面约1/3部分没有开槽 部分没有开槽， 在转子表面约 部分没有开槽，构 成大齿，是磁极的中心区。 大齿，是磁极的中心区。 励磁绕组通入励磁电流后， 励磁绕组通入励磁电流后，沿转子 圆周也会出现 N 极和 S 极。 在大容量高转速汽轮发电机中， 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170 子圆周线速度极高，最大可达 米/秒。为了减小转子本体及转子上 秒 的各部件所承受的巨大离心力， 的各部件所承受的巨大离心力，从 转子机械强度和妥善地固定励磁绕 组考虑， 组考虑，采用励磁绕组分布于转子 表面槽内的隐极式结构较为可靠。 表面槽内的隐极式结构较为可靠。 大型汽轮发电机都做成细长的隐极 式圆柱体转子。
f =
60
交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变； 交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变； 由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。 由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。
同步转速
从供电品质考虑， 同步转速 从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构 成的交流电网的频率应该是一个不变的值， 成的交流电网的频率应该是一个不变的值，要求发电 机的频率应该和电网的频率一致。 机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为 50Hz ，故有： 故有：
第12章 同步电机的基本理论和运行特性 章
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 同步电机的结构 同步电机的励磁系统 同步电机的空载运行 对称负载时的电枢反应 隐极同步发电机的分析方法 凸极同步发电机的分析方法 电枢绕组的漏抗 同步发电机的空载、 同步发电机的空载、短路 和负载特性 第九节 同步发电机参数及测定 第十节 同步发电机的稳态运行特性
汽轮发电机
以汽轮机或燃气轮机为原动机。汽轮机的运行性能在高速时较为经济， 以汽轮机或燃气轮机为原动机。汽轮机的运行性能在高速时较为经济， 应有尽可能高的转速。火电站中汽轮发电机一般为两极隐极式。 应有尽可能高的转速。火电站中汽轮发电机一般为两极隐极式。原子能 电站的大型汽轮发电机一般采用4极隐极式 极隐极式。 电站的大型汽轮发电机一般采用 极隐极式。 定子——与异步电机相同，定子铁心由 与异步电机相同， 定子 与异步电机相同 定子铁心由0.35mm或0.5mm或其它厚度的 或 或其它厚度的 电工钢片叠成。定子外径较小时，采用圆形冲片，当定子外径大于1m 电工钢片叠成。定子外径较小时，采用圆形冲片，当定子外径大于 时，采用扇形冲片。 采用扇形冲片。 转子——隐极式转子，其外形常做成一个细长的圆柱体为了减少高速旋 隐极式转子， 外形常做成一个细长的圆柱体为了减少高速旋 转子 隐极式转子 转引起的离心力。转子铁心表面圆周上铣有许多槽，励磁绕组采用分布 转引起的离心力。转子铁心表面圆周上铣有许多槽，励磁绕组采用分布 于转子表面槽内的隐极式结构较为可靠。 励磁绕组为同心式绕组， 隐极式结构较为可靠 于转子表面槽内的隐极式结构较为可靠。 励磁绕组为同心式绕组，以铜 线绕制，并用不导磁的槽楔将绕组紧固在槽内 将绕组紧固在槽内。 线绕制，并用不导磁的槽楔将绕组紧固在槽内。 转轴——经联轴器与汽轮机相联的一端为汽机端 经联轴器与汽轮机相联的一端为汽机端， 转轴 经联轴器与汽轮机相联的一端为汽机端，称与励磁机相接的一端 为励磁机端。 为励磁机端。 集电环：励磁绕组的两个出线端， 集电环：励磁绕组的两个出线端，通过装在励磁机侧的集电环经电刷与 直流激磁电源接通。 直流激磁电源接通。