第八章同步电机

1第八章 同步电机8.1 同步电机原理和结构1．同步发电机原理简述（1）结构模型：同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。

最常用的转场式同步电机的定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌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，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。

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，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（也称主磁场、转子磁场）。

除了转场式同步电机外，还有转枢式同步发电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。

图8-1-1给出了典型的转场式同步发电机的结构模型。

图中用AX 、BY ，CZ 共3个在空间错开120°电角度分布的线圈代表三相对称交流绕组。

（2）工作原理同步电机电枢绕组是三相对称交流绕组，当原动拖动转子旋转时，通入三相对称电流后，会产生高速旋转磁场，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），会在其中感应出大小和方向按周期性变化的交变电势，每相感应电势的有效值为，E 0＝4.44f N Фf k w （8-1-1）式中 f ——电源频率；Фf ——每极平均磁通；N ——绕组总导体数；k w ——绕组系数；E 0是由励磁绕组产生的磁通Фf 在电枢绕组中感应而得，称为励磁电势（也称主电势、空载电势、转子电势）。

由于三相电枢绕组在空间分布的对称性，决定了三相绕组中的感应电势将在的时间上呈现出对称性，即在时间相位上相互错开1/3周期。

通过绕组的出线端将三相感应电势引出后可以作为交流电源。

可见，同步发电机可以将原动机提供给转子的旋转机械能转化为三相对称的交变电能。

感应电势的频率决定于同步电机的转速n 和极对数p ，即图8-1-1 同步电机结构模型 60pn f2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，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。

我国电网的频率为f =50Hz 。

2．同步电机的额定值和型号（1）额定值：额定容量S N (V A,kV A,MV A)或额定功率P N (W,kW,MW)：指电机输出功率的保证值。

发电机通过额定容量值可以确定电枢电流，通过额定功率可以确定配套原动机的容量。

电动机的额定容量一般用kW 表示，补偿机则用kW AR 表示。

额定电压U N (V ,kV)：指额定运行时定子输出端的线电压。

额定电流I N (A)：指额定运行时定子输出端的线电流。

额定功率因数 N cos ：额定运行时电机的功率因数。

额定频率f N (Hz)：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n N (r/min)：额定运行时电机的转速，即同步转速。

除上述额定值外，同步电机铭牌上还常列出一些其它的运行数据，例如额定负载时的温升τN ，励磁容量P fN 和励磁电压U fN 等。

（2）国产同步电机型号：我国生产的汽轮发电机有QFQ ，QFN ，QFS 等系列，前两个字母表示汽轮发电机；第三个字母表示冷却方式；Q 表示氢外冷，N 表示氢内冷，S 表示双水内冷。

我国生产的大型水轮发电机为TS 系列，T 表示同步，S 表示水轮。

举例来说：QFS －300－2表示容量为300MW 双水内冷2极汽轮发电机。

TSS1264/48表赤双水内冷水轮发电机，定子外径为1264cm ，铁心长为160cm ，极数为48。

此外同步电动机系列有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。

8.2 同步发电机励磁方式简介1．直流励磁机励磁直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或者他励接法。

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。

如图8-2-1所示。

图8-2-1 直流励磁机励磁系统2．静止整流器励磁3图8-2-2 静止整流器励磁系统同一轴上有3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始时由外部直流电源提供，待电压建立起来再转为自励（有时采用永磁发电机）。

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。

（见图8-2-2）3．旋转整流器励磁静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于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，如图8-2-3所示。

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器整流后，直接送到主发电机的转子励绕组。

交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机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环和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。

8.3 同步电机电枢反应的概念1．负载后的磁势分析 空载时，同步电机中只有一个以同步转速旋转的励磁磁势F f ，它在电枢绕组中感应出三相对称交流电势，其每相有效值为E 0，称为励磁电势。

电枢绕组每相端电压U ＝E 0。

当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组和负载一起构成闭合通路，通路中流过的是三相对称的交流电流 c b a I I I ⋅⋅⋅和,。

我们知道，当三相对称电流流过三相对称绕组时，将会形成一个以同步速度旋转的旋转磁势。

由此可见，负载以后同步电机内部将会产生又一个旋转磁势F a ——电枢旋转磁势。

因此，同步发电机接上三相对称负载以后，电机中除了随轴同转的转子磁势F f （称为机械旋转磁势）外，又多了一个电枢旋转磁势F a （称为电气旋转磁势）。

如图8-3-1所示，不难证明这两个旋转磁势的转速均为同步速，而且转向一致，二者在空间处于相对静止状态，可以用矢量加法将其合成为一个合成磁势F 。

气隙磁场B δ可以看成是由合成磁势F 在电机的气隙中建立起来的磁场。

B δ也是以同步转速旋转的旋转图8-2-3 旋转整流器励磁系统4 磁场。

可见同步发电机负载以后，电机内部的磁势和磁场将发生显著变化，这一变化主要由电枢磁势的出现所致。

2．电枢反应电枢磁势的存在，将使气隙磁场的大小和位置发生变化，我们把这一现象称为电枢反应。

电枢反应会对电机性能产生重大影响。

电枢反应的情况决定于空间相量F a 和F f 之间的夹角，从下面的分析可知，这一夹角又和时间相量0⋅⋅E Ia 和之间的相位差φ相关连。

φ称为内功率因数角，其大小由负载的性质决定。

可见φ的大小（即负载的性质）决定了F a 和F f 之间的夹角，也即决定了电枢反应的情况。

为了分析方便，将转子磁极的轴线定义为直轴，并用d 表示；将与直轴正交的方向定义为交轴，并用q 表示。

以下从同步发电机的时空相量图入手对各种情况下的电枢反应进行分析。

（1）同步发电机的时空相量图如图8-3-2所示的瞬间，A 相绕组中感应电势0⋅E 达到最大值，此时如果︒=0ϕ，即A 相电流a I o E a I ⋅⋅⋅同相位，则和亦达到最大值。

由异步电机介绍可知，电枢磁势（三相合成磁势）F a 的轴线将和A 相线圈的轴线重合。

一般情况下，a I ⋅（时间相量）滞后或超前于0⋅E （时间相量）ϕ 电角度时，F a （空间相量）的轴线位置也滞后或超前于A 相绕组的轴线ϕ电角度。

即0E I a 和在时间上的相位差等于F a 的轴线和A 相绕组轴线的空间角度差。

以上结论虽然是在一个特殊的瞬间（磁极轴线和A 相绕组轴线重合时）得出的，由于F a 和F f 同速同步旋转，故在负载一定的情况下，F a 和F f 的空间相位差等于ϕ＋90°电角度。

为了分析方便，人们常将时间相量a a f I E ,,,0ΦΦ和空间相量F f ，F a ，F 画在一起构成所谓的时空相量图（见图8-3-2）。

在时空相量图中 （处于磁极轴线方向，即d 方向）重合， 滞后︒Φ⋅90f 电角度（处于相邻一对磁极的中性线位置，即q 方向）， 和 之间的相位差 由负载性质决定，F a 和 重合。

利用时空相量图（图8-3-3），可以方便地分析不同负载情况时同步发电机电枢反应的情况。

（2） 和 同相位或者反相位时的电枢反应 此时，︒=0ϕ或者180°，F a 与F f 之间的夹角为90°或者270°，如图8-3-3(a)所示，即二者正交，转子磁势作用在直轴上，而电枢磁势作用在交轴上，电枢反应的结果使得合图8-3-1 负载后电机中的旋转磁势 图8-3-2 同步发电机时空相量图 ϕf f F 和⋅Φ0⋅E a I ⋅0⋅E ϕa I ⋅a I ⋅0⋅E5 成磁势的轴线位置产生一定的偏移，幅值发生一定的变化。

这种作用在交轴上的电枢反应称为交轴电枢反应，简称交磁作用。

（3）a I ⋅滞后于0⋅E 90 °时的电枢反应此时φ=90°，F a 与F f 之间的夹角为180°,如图8-3-3(b)所示，即二者反相，转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相反，电枢反应为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小，这一电枢反应称为直轴去磁电枢反应。

（4）a I ⋅超前于0⋅E 90°时的电枢反应此时φ=90°，F a 与F f 之间的夹角为0°，即二者同相，转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相同，电枢反应为纯增磁作用，合成磁势的幅值加大，这一电枢反应称为直轴增磁电枢反应。

（5）一般情况下的电枢反应一般情况下（φ为任意角度时），参看图8-3-3(c)和(d)，可将 分解为直轴分量 和交轴分量 产生直轴电枢磁势F ad ，F ad 与F f 同相或反相，起增磁或者去磁作用； 产图8-3-3 用时空相量图分析同步发电机的电枢反应(a)φ=0°；(b) φ=90°;(c) 0°<φ<90°；(d)-90°＜φ＜0°a I ⋅d I ⋅d q I I ⋅⋅q I ⋅ϕϕϕϕcos sin cos sin a aq a ad aqad a aqad a a q a d qd a F F F F F F F F F F I I I I I I I ==+=+===+=⋅⋅⋅（8-3-2）（8-3-1）6 生交轴电枢磁势F aq ，F aq 与F f 正交，起交磁作用。

根据正交分解原理有：8．4 电枢反应电抗和同步电抗当三相对称的电枢电流流过电枢绕组时，将产生旋转的电枢磁势F a ，F a 将在电机内部产生跨过气隙的电枢反应磁通a ⋅Φ和不通气隙的漏磁通σσ⋅⋅⋅ΦΦΦ和a ,将在分别在电枢各相绕组中感应出电枢反应电势a E ⋅和漏磁电势a a I E E ⋅⋅⋅与电枢电流。