第四章 同步电机
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励磁绕组：是由扁铜线绕成的同心式线 圈。由于隐极电机转束速很高，因此励 磁绕组在槽内需用不导磁高强度的硬铝 槽楔压紧。端部套上用高强度非磁性钢 锻成的护环。
隐极机的转速较高，所以转子的直径较
小而长度较长。
隐极发电机转子铁心
凸极同步电机的基本结构
凸极同步电机
卧式结构 立式结构
推力轴承装在转
子上边的上机架
1－定子 2－凸极转子 3－隐极转子 4－集电环
隐极式
以常见的旋转磁极式同步电机为例，说明同步电机的基本结 构 隐极同步电机都采用卧式结构，有定子和转子两大部分
一）定子 定子：由定子铁心、定 子绕组、机座、端盖、 挡风装置等部件组成。
定子铁心：由厚0.5mm 的硅钢片叠成，整个铁 心则固定于机座上。
按照磁极的形状又可分为隐极式和凸极式
凸极式 隐极式
气隙特性
不均匀，极 弧底下气隙 较小，极间 部气隙较大
均匀
转子形 状 圆柱形
结构 特性 结构 制造 简单
采用条件 nm1i≤n1500r/ （2p≥4） 转速较高
实例
水轮发电机，同步 电动机及由内燃机 拖动的同步发电机 和调相机
汽轮机
凸极式
旋转磁极式同步电 机
当同步发电机带负载后，定子绕组构成闭合回路，产生定
子电流，该电流是三相对称电流，因而要在气隙中产生与与转 子旋转方向相同，转速大小相等的旋转磁场。此时定、转子间 旋转磁场相对静止，气隙中的磁场是定、转子旋转磁场的合成。 由于气隙中磁场的改变，定子绕组中感应电动势的大小也发生 变化。
发电机的物理过 程可用图示表示
这时转子绕组加上直流励磁，则转子将在定子旋转磁场的带动
下，沿定子磁场的旋转方向以相同的转速旋转
转子的转速：n
n1
60 f p
2）额定电压UN（单位为V） 电机在额定运行时定子三相的 线电压
3）额定电流IN（单位为A） 电机在额定运行时定子的线电 流。
4）额定频率fN 我国标准工频为50Hz。 5）额定功率因数。
6）额定转速nN（单位为r/min）。 7）额定励磁电压UfN和额定励磁电流IfN。 8）额定温升。
同步电机的基本工作原理
第四章 同步电机
同步电机可以按运行方式和结构形式进行分类。
1）按运行方式和功率转换方式
发电机
机械能转换成电能
同步电机 电动机
电能转换为机械能
调相机 2）按结构形式
专门用来调节电网的无功功率，改 善电网的功率因数，在调相机内基 本上不转换有功功率。
同步电机
旋转电枢式 旋转磁极式
小容量同步电机中得到某些应用
应用比较广泛，并成为同步电 机的基本结构形式
同步电机的基本结构
转子
C A
定子绕组
机械端口
B 电端口
定子铁心
1、汽轮发电机结构
定子铁心
2、水轮发电机结构 (1)立式水轮发电机
(2)卧式水轮发电机
3）水轮发电机结构转子结构 10000kW水轮机转子
4）现场运行的水轮发电机
旋转Biblioteka Baidu极式结构
电动势的频率: f pn 60
式中 p——电机的极对数； n——转速，单位为r/min； f——频率，单位为Hz。
极同步电机的构造原理图
电机的极对数、转速一定，电机发出的交流电动动势的频率一定
2) 作为同步电动机运行
则需要在定子绕组上施以三相交流电压，电机内部便产生一
个旋转磁场。
旋转转速n1
60 f p
磁极的极靴上 一般还装有阻 尼绕组。阻尼
阻尼绕组
阻尼绕组 磁极铁心
磁极钢板
绕组：由插入
极靴阻尼槽内 的裸铜条和端
励磁绕组
部铜环焊接而
T尾
成
磁极固定在磁轭上，磁轭常用整块钢板或铸钢做成
同步电机的额定值
1）额定容量SN（单位为kV·A）或额定功率PN（单位为kW） 指南输出功率的保证值。对发电机通过额定容量可确定额定 电流，通过PN数可以确定配套原动机的容量。电动机的额定 容量一般都用kW表示。调相机则用kV·A表示。
定子铁心的内圆槽内安 放定子绕组。
二）转子
转子由转子铁心、励磁绕组、护环、中心环、滑环及风扇等部 件组成
转子铁心的材料：既要求有良好的导磁性能，又需要有很高 的机械强度一般都采用整块的高机械强度和良好导磁性能的合 金钢锻成，与转轴锻成一个整体
沿转子铁心表面铣有槽以安放励磁绕组（见右图）。由图可 见在一个极距内约有1/3部分没有开槽，叫大齿。大齿的中 心实际上就是磁极中心。
大容量的水轮发电 机，由于定子直径 太大，通常把它分 成几瓣，分别制造 后，再运到电站拼 装成一整体。
小，厂房的高度 和造价低
采用条件
转速较高的电机 （150r/min以上）
转速较低的电机 （125r/min以下）
二）转子
凸极同步电机的转子主要由磁极、励磁绕组和转轴组成。
磁极：由厚1-15mm的钢板冲成磁极冲片，用铆钉装成一体 磁极上套装有励磁绕组 励磁绕组：由扁铜线绕成，各励磁绕组串联后接到集电环上
1. 同步电机的物理模型
转子 q 轴
B轴 A
转子d 轴
Z
Y
1
B
C
X
A轴
C轴
图8-2 同步电机的物理模型
2. 同步电机的工作原理
现以同步发电机为例来说明同步电机的工作原理。当同步 发电机的转子在原动机的拖动下达到同步转速n0时，由于转子 绕组是由直流电流If 励磁，所以转子绕组在气隙中所建立的磁 场相对于定子来说是一个与转子旋转方向相同，转速大小相等 的旋转磁场。该磁场切割定子上开路的三相对称绕组，在三相 对称绕组中产生三相对称空载感应电动势E0 。若改变励磁电流 的大小则可相应地改变感应电动势的大小，此时同步发电机处 于空载运行。
上，整个转子是
悬
以一种悬吊状态
转动转动
式
除立式结构外的绝大多数的凸 极同步电机
低速、大容量的水轮发电机和 大型水泵用的同步电动机
推力轴承装在转子下
伞
边的机架上，整个转
子是以一种被托架着
式
的状态转动
悬式
1－推力轴承 2－导轴承
伞式
悬式
运转时机械稳定性 好
机组的轴向高度 大
伞式
差
一）定子
定子结构一般和隐 极同步电机相同。
U1
•
W2 •
V1
N
n •
S
U2
• V2
W1
旋转示意图1 旋转示意图2
3. 同步电机的运行方式
通常三相同步电机的定子是电枢，在定子铁心上开有槽，槽内 安置三相绕组（图中只画出了一相），转子上装有磁极和励磁 绕组。当励磁绕组通以直流电流后，转子即建立恒定磁场。
1) 作为发电机，当用原动机拖 动施转时，定子导体由于与此磁 场有相对运动而感生交流电动势，
隐极机的转速较高，所以转子的直径较
小而长度较长。
隐极发电机转子铁心
凸极同步电机的基本结构
凸极同步电机
卧式结构 立式结构
推力轴承装在转
子上边的上机架
1－定子 2－凸极转子 3－隐极转子 4－集电环
隐极式
以常见的旋转磁极式同步电机为例，说明同步电机的基本结 构 隐极同步电机都采用卧式结构，有定子和转子两大部分
一）定子 定子：由定子铁心、定 子绕组、机座、端盖、 挡风装置等部件组成。
定子铁心：由厚0.5mm 的硅钢片叠成，整个铁 心则固定于机座上。
按照磁极的形状又可分为隐极式和凸极式
凸极式 隐极式
气隙特性
不均匀，极 弧底下气隙 较小，极间 部气隙较大
均匀
转子形 状 圆柱形
结构 特性 结构 制造 简单
采用条件 nm1i≤n1500r/ （2p≥4） 转速较高
实例
水轮发电机，同步 电动机及由内燃机 拖动的同步发电机 和调相机
汽轮机
凸极式
旋转磁极式同步电 机
当同步发电机带负载后，定子绕组构成闭合回路，产生定
子电流，该电流是三相对称电流，因而要在气隙中产生与与转 子旋转方向相同，转速大小相等的旋转磁场。此时定、转子间 旋转磁场相对静止，气隙中的磁场是定、转子旋转磁场的合成。 由于气隙中磁场的改变，定子绕组中感应电动势的大小也发生 变化。
发电机的物理过 程可用图示表示
这时转子绕组加上直流励磁，则转子将在定子旋转磁场的带动
下，沿定子磁场的旋转方向以相同的转速旋转
转子的转速：n
n1
60 f p
2）额定电压UN（单位为V） 电机在额定运行时定子三相的 线电压
3）额定电流IN（单位为A） 电机在额定运行时定子的线电 流。
4）额定频率fN 我国标准工频为50Hz。 5）额定功率因数。
6）额定转速nN（单位为r/min）。 7）额定励磁电压UfN和额定励磁电流IfN。 8）额定温升。
同步电机的基本工作原理
第四章 同步电机
同步电机可以按运行方式和结构形式进行分类。
1）按运行方式和功率转换方式
发电机
机械能转换成电能
同步电机 电动机
电能转换为机械能
调相机 2）按结构形式
专门用来调节电网的无功功率，改 善电网的功率因数，在调相机内基 本上不转换有功功率。
同步电机
旋转电枢式 旋转磁极式
小容量同步电机中得到某些应用
应用比较广泛，并成为同步电 机的基本结构形式
同步电机的基本结构
转子
C A
定子绕组
机械端口
B 电端口
定子铁心
1、汽轮发电机结构
定子铁心
2、水轮发电机结构 (1)立式水轮发电机
(2)卧式水轮发电机
3）水轮发电机结构转子结构 10000kW水轮机转子
4）现场运行的水轮发电机
旋转Biblioteka Baidu极式结构
电动势的频率: f pn 60
式中 p——电机的极对数； n——转速，单位为r/min； f——频率，单位为Hz。
极同步电机的构造原理图
电机的极对数、转速一定，电机发出的交流电动动势的频率一定
2) 作为同步电动机运行
则需要在定子绕组上施以三相交流电压，电机内部便产生一
个旋转磁场。
旋转转速n1
60 f p
磁极的极靴上 一般还装有阻 尼绕组。阻尼
阻尼绕组
阻尼绕组 磁极铁心
磁极钢板
绕组：由插入
极靴阻尼槽内 的裸铜条和端
励磁绕组
部铜环焊接而
T尾
成
磁极固定在磁轭上，磁轭常用整块钢板或铸钢做成
同步电机的额定值
1）额定容量SN（单位为kV·A）或额定功率PN（单位为kW） 指南输出功率的保证值。对发电机通过额定容量可确定额定 电流，通过PN数可以确定配套原动机的容量。电动机的额定 容量一般都用kW表示。调相机则用kV·A表示。
定子铁心的内圆槽内安 放定子绕组。
二）转子
转子由转子铁心、励磁绕组、护环、中心环、滑环及风扇等部 件组成
转子铁心的材料：既要求有良好的导磁性能，又需要有很高 的机械强度一般都采用整块的高机械强度和良好导磁性能的合 金钢锻成，与转轴锻成一个整体
沿转子铁心表面铣有槽以安放励磁绕组（见右图）。由图可 见在一个极距内约有1/3部分没有开槽，叫大齿。大齿的中 心实际上就是磁极中心。
大容量的水轮发电 机，由于定子直径 太大，通常把它分 成几瓣，分别制造 后，再运到电站拼 装成一整体。
小，厂房的高度 和造价低
采用条件
转速较高的电机 （150r/min以上）
转速较低的电机 （125r/min以下）
二）转子
凸极同步电机的转子主要由磁极、励磁绕组和转轴组成。
磁极：由厚1-15mm的钢板冲成磁极冲片，用铆钉装成一体 磁极上套装有励磁绕组 励磁绕组：由扁铜线绕成，各励磁绕组串联后接到集电环上
1. 同步电机的物理模型
转子 q 轴
B轴 A
转子d 轴
Z
Y
1
B
C
X
A轴
C轴
图8-2 同步电机的物理模型
2. 同步电机的工作原理
现以同步发电机为例来说明同步电机的工作原理。当同步 发电机的转子在原动机的拖动下达到同步转速n0时，由于转子 绕组是由直流电流If 励磁，所以转子绕组在气隙中所建立的磁 场相对于定子来说是一个与转子旋转方向相同，转速大小相等 的旋转磁场。该磁场切割定子上开路的三相对称绕组，在三相 对称绕组中产生三相对称空载感应电动势E0 。若改变励磁电流 的大小则可相应地改变感应电动势的大小，此时同步发电机处 于空载运行。
上，整个转子是
悬
以一种悬吊状态
转动转动
式
除立式结构外的绝大多数的凸 极同步电机
低速、大容量的水轮发电机和 大型水泵用的同步电动机
推力轴承装在转子下
伞
边的机架上，整个转
子是以一种被托架着
式
的状态转动
悬式
1－推力轴承 2－导轴承
伞式
悬式
运转时机械稳定性 好
机组的轴向高度 大
伞式
差
一）定子
定子结构一般和隐 极同步电机相同。
U1
•
W2 •
V1
N
n •
S
U2
• V2
W1
旋转示意图1 旋转示意图2
3. 同步电机的运行方式
通常三相同步电机的定子是电枢，在定子铁心上开有槽，槽内 安置三相绕组（图中只画出了一相），转子上装有磁极和励磁 绕组。当励磁绕组通以直流电流后，转子即建立恒定磁场。
1) 作为发电机，当用原动机拖 动施转时，定子导体由于与此磁 场有相对运动而感生交流电动势，