11第11章 同步发电机的基本工作原理和结构

第3篇 同步电机

现代电力系统中的交流电能几乎都是发电厂中的同步发电机发出的。但从运行原理上讲，同步电机不仅可以用作发电机运行、也可作为电动机或调相机运行。本篇主要介绍同步发电机的工作原理、性能、参数及运行方式，对同步电动机和调相机作简要介绍。

大型同步发电机与异步电动机比较，二者的定子相同，其三相绕组流过三相对称电流都将产生一个旋转磁场；但二者的转子却差别很大。同步发电机转子的主要特点是：①转子绕组外加直流励磁电流而产生一个恒定磁场；②转子转速与定子旋转磁场转速相同，即转子与定子磁场严格保持同步旋转。因此称为同步电机。

第11章 同步发电机的基本工作原理和结构

[内容]

本章论述同步发电机的基本工作原理、分类与额定值，简述其基本结构与励磁方式。

[要求]

●

掌握同步发电机的基本工作原理、类型和额定值。 ●

了解同步发电机的基本结构及各主要部件的作用。 ● 了解同步发电机的励磁系统。

11.1 同步发电机的工作原理、分类与额定值

一、同步发电机的基本工作原理

同步发电机是将机械能转换为电能的电磁装置。三相同

步发电机的基本工作原理可用图11.1.1说明。

同步电机的定子铁心槽内安放着空间相隔o 120电角度

的三相对称绕组U1U2、V1V2、W1W2。转子主要由磁极铁

心和励磁绕组组成。当励磁绕组通入直流电流后，建立恒定

的转子磁场。转子由原动机拖动以转速n 匀速旋转时，转子

磁场不断切割定子三相对称绕组，在三相绕组中感应出三相

交变电动势,其方向可用右手定则确定。由于定子三相绕组在空间位置上互差o 120电角度，所以三相电动势在时间上互差o 120相位。

1．感应电动势的波形

根据感应电动势公式Blv e =可知,当导体有效长度l 和导体切割磁场线速度v 为常数时，B e ∝，即导体感应电动势的波形取决于转子磁场沿气隙空间分布的波形。若把转子磁极的极弧设计制造成适当的形状，使它产生的磁场沿气隙空间按正弦规律分布，则定子绕组就能得到正弦波形的感应电动势。

2．感应电动势的频率

由图11.1.1可知，转子转过一对磁极，电动势就经历了一个周期的变化；若转子有p 对磁极，转子以每分钟n 转的转速旋转，则每分钟内感应电动势变化pn 个周期；电动势在1秒钟内所变化的周期数称为交流电的频率，因此感应电动势的频率为 Z H 60

pn f = （11.1.1） 已经制造好的同步发电机，磁极对数p 一定，n f ∝，即定子绕组感应电动势的频率和转子转速之间保持严格的比例关系，这是同步发电机的主要特征。

3．三相电动势的大小和相序

由于三相绕组对称，所以三相绕组中的感应电动势也对称。与异步电动机定子绕组感应电动势公式相同，同步电机每相绕组感应电动势大小为

011Φ44.4w k fN E = （11.1.2） 式中，1N 为定子每相绕组匝数；1w k 为定子绕组系数；0Φ为主磁通。

转子由原动机拖动旋转，转子磁场切割定子绕组在时间上有先后。如图11.1.1中，当转子逆时针方向旋转时，转子磁场切割定子绕组的先后顺序依次为U 相、V 相、W 相，因此U 相超前V 相o 120电角度，V 相超前W 相o 120电角度。即三相电动势的相序与转子的转向一致，因此相序由转子的转向决定。

二、同步发电机的分类

同步发电机可以按结构型式、原动机的类别和冷却方式进行分类。

1．按结构型式分类

按结构型式分，同步电机可分为：

(1)旋转磁极式：如图11.1.2所示，高压大中容量的同步发电机均采用这种结构型式；

(2)旋转电枢式：如图11.1.3所示，这种结构型式只适用于小容量同步电机。

在旋转磁极式的电机中，按磁极形状又可分为隐极式和凸极式两种，分别如图11.1.2(a)

和图11.1.2(b)所示。前者转子呈圆柱形，气隙是均匀的，励磁绕组嵌放于转子表面的槽内，转子的大齿部分就是磁极；后者气隙是不均匀的，极弧下气隙小，极间气隙大，励磁绕组套在极弧下面。这两种转子结构不同的电机在原理上无差别，只是由于气隙均匀性的不同而在分析方法上有所差异。

2．按原动机类型分类

按原动机类型的不同，同步电机可分为： （1）汽轮发电机：原动机为汽轮机。由于汽轮机在高转速运行时较为经济，故汽轮发电机应当有尽可能高的转速或尽可能少的极数。为了发出50Hz 的交流电，因此汽轮发电机都是两极的，转速为3000r/min 。汽轮发电机的结构特点是细而长，转子为隐极式，一般是卧式安装。汽轮发电机应用在火力发电厂中。

（2）水轮发电机：原动机为水轮机。水轮机的转速由水头和流量决定，通常很低，为几十转/分到数百转/分。为了获得50Hz 的交流电，电机应设计成低转速、多极数。水轮发电机的结构特点是短而粗，转子为凸极式，一般是立式安装。水轮发电机应用在水力发电厂中。

（3）柴油发电机：原动机为柴油机。柴油机的转速通常在500~1500r/min 之间，由此决定了柴油发电机的转速。柴油发电机容量较小，主要作为自备电源、移动电源，或某些重要用电设备的保安电源。

3．按冷却介质和冷却方式分类

按冷却介质和冷却方式，同步电机可分为：

(1)空气冷却(空冷)：主要采用内扇式轴向和径向混合通风系统，为确保运行安全，整个空气系统应该是封闭的。

(a) 隐极式 (b)凸极式 图11.1.2 旋转磁极式

图11.1.3 旋转电枢式

(2)氢气冷却(氢冷)：氢气冷却的效果明显优于空气冷却，在汽轮发电机中被广泛应用，并从外冷式发展为内冷式，定、转子绕组均采用空心导线，直接将氢气压缩进导体带走热量。为了运行安全，应用中要注意解决防漏和防爆问题。

(3)水冷却(水冷)：水的冷却效果优于氢气。主要方式为水内冷，以定子绕组内冷的应用为多，面临泄露和积垢堵塞问题。

目前，除小容量的汽轮发电机仍采用空气冷却外，功率超过50兆瓦的汽轮发电机，广泛采用氢、水或几种不同冷却介质分别冷却不同部件的冷却方式。冷却组合方式有如下几种：①定、转子绕组和定子铁心均氢外冷；②定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、定转子铁心氢外冷(水一氢一氢)；③定、转子绕组水内冷，定子铁心氢冷(水一水一氢)；④定、转子绕组水内冷、定子铁心空冷(水一水一空)等。

三、 同步发电机的额定值

额定值是制造厂对电机的正常合理安全使用所作的参数规定，同时也是电机设计和试验的依据。同步发电机的额定值有：

1．额定功率N P (kW 或MW)：指在额定状态下运行时，发电机的输出功率（电功率）

。 2．额定电压N U （V 或kV ）：指在额定状态下运行时，按照制造厂的规定，定子三相绕组上的线电压。

3．额定电流N I （A 或kA ）：指在额定状态下运行时，按照制造厂的规定，流过定子绕组的线电流。

4.额定频率N f （H Z ）：我国额定工业频率规定为N f =50Hz 。

5．额定功率因数N ϕcos ：指在额定运行时，发电机输出的有功功率和视在功率的比值。

6. 额定转速N n (r/min): 指在额定运行时，发电机的转速，即为同步转速。

发电机的额定功率N P 、额定电压N U 和额定电流N I 之间的关系为 N N N N I U P ϕcos 3= （11.4.1）

除此之外，同步发电机的额定值还有额定效率N η、额定励磁电压fN U 、额定励磁电流fN I 、绝缘等级和额定温升等。