第六章 同步电机的稳态分析

第六章同步电机的稳态分析6.1同步电机的基本结构和运行状态一、同步电机的基本结构按照结构型式，同步电机可以分为旋转电枢式和旋转磁极式两类。

旋转电枢式——电枢装设在转子上，主磁极装设在定子上。

这种结构在小容量同步电机中得到一定的应用。

旋转磁极式——主磁极装设在转子上，电枢装设在定子上。

对于高压、大容量的同步电机，通常采用旋转磁极式结构。

由于励磁部分的容量和电压常较电枢小得多，电刷和集电环的负载就大为减轻，工作条件得以改善。

目前，旋转磁极式结构已成为中、大型同步电机的基本结构型式。

在旋转磁极式电机中，按照主极的形状，又可分成隐极式和凸极式，如图6-l所示。

隐极式——转于做成圆柱形，气隙为均匀；凸极式——转子有明显的凸出的磁极，气隙为不均匀。

对于高速的同步电机(3000r／min)．从转子机械强度和妥善地固定励磁绕组考虑，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．对于低速电机(1000r／min及以下)，转子的离心力较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构较为合理。

大型同步发电机通常采用汽柁机或水轮机作为原动机来拖动，前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。

由于汽轮机是一种高速原动机，所以汽轮发电机一般采用隐极式结构。

水轮机则是一种低速原动机，所以水轮发电机一般都是凸极式结构。

同步电动机、由内燃机拖动的同步发电机以及同步补偿机．大多做成凸极式，少数两极的高速同步电动机亦有做成隐极式的。

隐极同步电机以汽轮发电机为例来说明隐极同步电机的结构。

现代的汽轮发电机一般都是两极的，同步转速为3000r／min(对50Hz的电机)。

由于转速高，所以汽轮发电机的直径较小，长度较长．汽轮发电机均为卧式结构，图6—2表示一台汽轮发电机的外形图。

汽轮发电机的定子由定子铁心、定于绕组、机座、端盖等部件组成。

定子铁心一般用厚o ．5mm 的DR360硅钢片叠成，每叠厚度为3—6cm ，叠与叠之间留有宽0.8～lcm 的通风槽。

整个铁心用非磁性压板压紧．固定在机座上。

大容量汽轮发电机的转子周速可达170—180m/s 。

由于周速高，转子受到极大的机械应力，因此转子一般都用整块具有良好导磁性的高强度合金钢锻成．沿转子表面约2／3部分铣有轴向凹槽，励磁绕组就嵌放在这些槽里；不开槽的部分组成一个“大齿”，嵌线部分和大齿一起构成了主磁极(图6-la)。

为把励磁绕组可靠地固定在转子上，转子槽楔采用非磁性的金属槽楔，端部套上用高强度非磁性钢段成的护环。

图6-3表示一台嵌完线的汽轮发电机的转子。

由于汽轮发电机的机身比较细长，转子和电机中部的通风比较困难．所以良好的通风、冷却系统城对汽轮发电机非常重要。

凸极同步电机凸极同步电机通常分为卧式(横式)和立式两种结构。

绝大部分同步电动机、同步补偿机和用内燃机或冲击式水轮机拖动的同步发电机都采用卧式结构。

低速、大容量的水轮发电机和大型水泵电动机则采用立式结构。

卧式同步电机的定子结构与感应电机基本相同，定子亦由机座、铁心和定子绕组δδδδ等部件组成；转子则由主磁极、磁轭、励磁绕组、集电环和转轴等部件组成。

图6—4表示一台已经装配好的凸极同步电动机的转子。

大型水轮发电机通常都是立式结构。

由于它的转速低、极数多，要求转动惯量大。

故其特点是直径大、长度短。

在立式水轮发电机中，整个机组转动部分的重量以及作用在水轮机转子上的水推力均由推力轴承支撑，并通过机架传递到地基上，如图6—5所示。

图6—6表示一台大型水轮发电机的分瓣图6—2汽轮发电机的外形图 图6—3 汽轮发电机的转子图6—4 凸极同步电动机的转子定子。

除励磁绕组外，同步电机的转子上还常装有阻尼绕组。

阻尼绕组与笼型感应电机转子的笼形绕组结构相似，它由插入主极极靴槽中的铜条和两端的端环焊成一个闭合绕组。

在同步发电机中，阻尼绕组起抑制转子转速振荡的作用；在同步电动机和补偿机中，主要作为起动绕组用。

二、同步电机的运行状态当同步电机的定子(电枢)绕组中通过对称的三相电流时．定子将产生一个以同步转速推移的旋转磁场。

稳态情况下，转子转速亦是同步转速，于是定子旋转磁场恒与直流励磁的转子主极磁场保持相对静止，它们之间相互作用并产生电磁转矩．进行能量转换。

同步电机有三种运行状态：发电机、电动机和补偿机。

发电机把机械能转换为电能，电动机把电能转换为机械能，补偿机中没有有功功率的转换，专门发出或吸收无功功率、调节电网的功率因数。

分析表明，同步电机运行于哪一种状态．主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角δ，δ称为功率角。

若转子主磁场超前于定子合成磁场，δ>0，此时转于上将受到一个与其旋转方向相反的制动性质的电磁转矩，如图6—7a 所示。

为使转子能以同步转速持续旋转．转子必须从原动机输入驱动转矩。

此时转子输入机械功率，定子绕组向电网或负载输出电功率，电机作发电机运行。

若转子主磁场与定子合成磁场的轴线重合，δ＝0，则电磁转矩为零，如图6—7b 所示。

此时电机内没有有功功率的转换，电机处于补偿机状态或空载状态。

若转子主磁场滞后于定子合成磁场，δ<0，则转子上将受到一个与其转向相同的驱动性质的电磁转矩，如图6—7c 所示。

此时定子从电网吸收电功率，转子可拖动负图6—5 立式水轮发电机示意图图6—6大型水轮发电机的分瓣定子载而输出机械功率，电机作为电动机运行。

三、同步电机的励磁方式供给同步电机励磁的装置，称为励磁系统。

下面对它作一简介。

直流励磁机励磁直流励磁机通常与同步发电机同轴，井采用并励或他励接法。

他励时，励磁机的励磁由另一台与主励磁机同轴的副励磁机供给，如图6—8所示。

为使同步发电机的输出电压保持恒定，常在励磁电路中加进一个反映负载大小的自动调节系统，使发电机的负载电流增加时，励碰电流相应地增大．这样的系统称为复式励磁系统。

整流器励磁整流器励磁又分为静止式和旋转式两种。

图6-9表示静止整流器励磁系统的原理图。

田中主励磁机是一台与同步发电机同轴连接的三相100Hz发电机，其交流输出经静止三相桥式不可控整流器整流后，通过集电环接到主发电机的励磁绕组，供给其直流励磁；主励磁机的励磁由交流副励磁机发出的交流电经静止可控整流器整流后供给。

副励磁机是一台中频三相同步发电机(有时采用永磁发电机)，它也与主发电机同轴连接。

副励磁机的励磁，开始时由外部直流电源供给，待电压建起后再转为自励。

根据主发电机端电压的偏差和负载大小，通过电压调整器对主励磁机的励磁进行调节，即可实现对主发电机励磁的自动调节。

由于取消了直流励磁机，这种励磁系统维护方便，励磁容量得以提高，因而在大容量汽轮发电机中获得广泛的应用。

当励磁电流超过2000A时，为避免集电环的过热，可采用取消集电环的旋转整流器励磁系统。

此系统的主励磁机是与主发电机同轴连接的旋转电枢式三相同步发电机，电枢的交流输出经与主轴一起旋转的不可控整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组，供给其励磁。

因为主励磁机的电枢，整流装置与主发电机的励磁绕组三者为同轴旋转，不再需要集电环和电刷装置，所以这种系统又称为无刷励磁系统．无刷励磁系统运行比较可靠，这种系统大多用于大、中容量的汽轮发电机、补偿机以及在防燃、防爆等特殊环境中工作的同步电动机。

在小型同步发电机中，还经常采用具有结构简单和具有自励恒压等特点的三次谐波励磁、电抗移相励磁等励磁方式。

四、额定值同步电机的额定值有(1)额定容S N(或额定功率P N) 指额定运行时电机的输辅出功率。

同步发电机的额定容量既可用视在功率表示，亦可用有功功率表示；同步电动机的额定功率是指轴上输出的机械功率；补偿机则用无功功率表示。

(2)额定电压U N指额定运行时定子的线电压。

(3)额定电流I N指额定运行时定子的线电流。

(4)额定功率因数cosΦ指额定运行时电机的功率因数。

(5)额定频率f N指额定运行时电枢的频率。

我国标准工频规定为50Hz。

(6)额定转速n N指额定运行时电机的转速，对同步电机而言，即为同步转速。

除上述额定值以外，铭牌上还常常列出一些其他的运行数据，例如额定负载时的温升ΘN，额定励磁电流和电压I fN、U fN等。

6.2 空载和负载时同步发电机的磁场一、空载运行用原动机施动同步发电机到同步转速，励磁绕组通入直流励磁电流，电枢绕组开路(或电枢电流为零)的情况，称为同步发电机的空载运行。

空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所建立的主极磁场。

图6—l0表示一台四极电机空载时的磁通示意图。

从图可见，主极磁通分成主磁通Φ0和漏磁通Φfσ两部分，前者通过气隙并与定子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁绕组相交链。

主磁通所经过的主磁路包括空气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭等五部分。

当转子以同步转速旋转时，主磁场将在气隙中形成一个旋转磁场，它“切割”对称的三相定子绕组后，就会在定子绕组内感应出一组频率为f的对称三相电动势，称为激磁电动势，0000∠=E E A ，000120-∠=E E A ，000120∠=E E A(6—1) 忽略高次谐波时，激磁电动势(相电动势)的有效值Eo ＝4.44fN 1k w1Φ0，其中Φ0为每极的主磁通量。

这样，改变直流励磁电流I f ，便可得到不同的主磁通Φ0。

和相应的激磁电动势E 0，从而得到空载特性E 0＝f(I f )，如图6—11所示。

空载特性是同步电机的一条基本特性。

空载曲线的下部是一条直线，与下部相切的直线称为气隙线。

随着Φ0的增大，铁心逐渐饱和，空载曲线就逐渐弯曲。

二、对称负载时的电枢反应同步发电机带上对称负载后，电枢绕组中将流过对称三相电流，此时电枢绕组就会产生电枢磁动势及相应的电枢磁场，其基波与转子同向、同速旋转。

负载时，气隙内的磁场由电枢磁动势和主极磁动势共同作用产生，电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场就称为电枢反应。

电枢反应的性质(增磁、去磁或交磁)取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。

分析表明，此相对位置取决于激磁电动势E 0和扭载电流I 之间的相角差Ψ0(Ψ0称为内功率因数角)。

下面分成两种情况来分析。

I与0E 同相时 图6—12a 表示一台两极同步发电机的示意图。

为简明计，图中电枢绕组每相用一个集中线圈来表示，0E 和I的正方向规定为从绕组首端流出，从尾端流入．在图6—12a 所示瞬间，主极轴线与电枢A 相绕组的轴线正交，A 相链过的主磁通为零；因为电动势滞后于感生它的磁通90°，故A 相激磁电动势A 0E的瞬时值达到正的最大值，其方向如图中所示(从X 入，从A 出)；B 、C 两相的激磁电动势B 0E ，和C 0E 分别滞后于A 0E 以120°和240°，如图6—12b 所示。

设电枢电流I 与激磁电动势0E 同相位，即内功率因数角Ψ0=0°，则在图示瞬间，A 相电流亦将达到正的最大值，B 相和C 相电流分别滞后于A 相电流以120°和240°，如图6—12b 中所示。