第11章同步电机的基本理论与运行特性

当对称的三相电流流过对称的三相绕组时， 合成磁势为一旋转磁势
定子绕组磁势产生的气隙圆形 旋转磁场与转子励磁产生的磁 场有相同的极对数，磁极相互 吸引，驱动转子旋转——同步 电动机
一、同步电机的结构
同步电机的型式与构造 1. 基本构造型式 2. 汽轮机 3. 水轮机
基本构造型式
组成：固定的定子和可旋转的转子 分：磁极旋转式和电枢旋转式。 磁极旋转式——以电枢为定子，磁极为转子。 使磁极旋转，激磁电流通过集电环送入激磁绕 组。 旋转电枢式应用于小容量同步电机
对励磁系统的要求
当电机内部发生短路故障时， 能快速灭磁和 减磁，以减小故障的损坏程度。 对两台以上并列运行发电机， 能成组调节无 功功率，使无功合理分配。 其他：反映迅速，运行可靠，结构简单，损耗 小，成本低，体积小等
强励指标
励磁电流增长幅度
强励时顶值电压 强励倍数K = 正常工作电压
励磁电流增长速度
同步电机铭牌
我国生产的汽轮发电机有QFQ、QFN、QFS等系列。 电机型号 额定容量 SN (VA,kVA,MVA等) 或额定功率PN (W,kW,MW 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 等) ：指电机输出功率的保证值。 氢外冷，N表示氢内冷，S表示双水内冷。 额定电压 (V,kV等) ：额定时定子输出端线电压。 系列：TS系列，T表示同步，S表示水轮。 额定电流 (A) ：指额定运行时定子的线电流。 举例：QFS-300-2 表示容量为300MW双水内冷2极汽轮发电机。 额定功率因数 ：额定运行时输出电功率的功率因数。 TSS1264/160-48表示双水内冷水轮发电机，定子外径为1264厘 额定频率 ：额定运行时电机电枢输出端电能的频率，我国 米，铁心长为160厘米，极数为48。 标准工业频率规定为50Hz。 外同步电动机系列有TD、TDL等，TD表示同步电动机，后面的 额定转速 ：额定运行时电机的转速，即同步转速。 同步
三、同步电机的空载运行
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空载磁势 时空矢量 空载电势 电压波形畸变
1、空载与空载磁势
空载运行：原动机带动发电机在同步转速下运 行，励磁绕组通过适当的励磁电流，电枢绕组 不带任何负载时。 空载运行是同步发电机最简单的运行方式， 其气隙磁场由转子磁势单独建立，分析较为简 单
1.1 隐极同步电机的空载磁势
0.5s内增长电压 电压上升速度v = 正常工作电压
一般值，K=1.5-2，v=0.5-1.0
励磁方式
它励 由另外电源供电——直流发电机，带整流的 交流发电机 运动方式——同轴，独立工作 自励
自并励，自复励，谐波绕组励
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，或采用负载电流反馈的复式励磁。 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。
同步补偿机运行
电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁 电流向电网发出所需的感性或者容性无功功 率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电 压的目的。 过激时，有超前的无功功率，如电容器
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，每个磁极就出 现一定的极性，相邻磁极 交替为 N 极和 S 极 对水轮发电机来说，由于 水轮机的转速较低，要发 出工频电能，发电机的极 数就比较多，做成凸极式 结构工艺上较为简单。中 小型同步电机多半也做成 凸极式。
第11章 同步电机的基本理论与运行特性
回顾同步电机的原理
定子上嵌放有对称三 相绕组a-x、b-y、c-z 转子绕组通以直流电 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Βιβλιοθήκη 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，其感应电势按正弦规 律变化。 由于各相匝数相等，从而各相电 势的大小相等，由于各相绕组空 间分布彼此相距120°，从而三 相电势时间相位差120°——满 足了三相电势对称要求。
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， 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。 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 时， 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 转引起的离心力。转子铁心表面圆周上铣有许多槽，励磁绕组嵌放在这 些槽内。 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。 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。 集电环：激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。
电机名牌上还有其它的运行数据，如额定负载时的温升 、励磁容量 和 字母指出其主要用途。如TDG表示高速同步电动机；TDL表示立 励磁电压 ，定子绕组连接等。 式同步电动机。同步补偿机为TT系列。
思考题
为什么同步电机不能有任意的转速？ 如何从外形上区分汽轮发电机和水轮发电机？ 定子电枢绕组安排的基本要求——各相绕组感 应电势对称
二、同步电机的励磁系统
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基本概念 励磁的要求 励磁方式 几种励磁系统
概念
励磁方式——同步电机获取直流励磁电流的方 式 励磁系统——供结励磁电流的整个系统，包括 装置和线路 励磁机 励磁调节器（手动、自动） 灭磁装置
对励磁系统的要求
正常运行时，供结励磁电流 为维持端电压或电网电压值，随负载情况变 化，励磁电流能相应调节 当系统电压严重下降时（如发生短路故障 等），能强行励磁提高电势，保持电压稳定 突然丢负荷时，如水轮机组转速明显升高，能 强行减磁，限制端电压过度增高。
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，每 极每相槽数q就不可能太大，否则总槽数便过多，使 制造工艺发生困难。若q取较小整数，却不能充分利 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，q较小时齿谐波电势 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 用整数，而用分数，例如采用q=b+c/d。——分数槽 绕组。
分数槽绕组示意
分数槽绕组意义
把各个极对依此重叠起来，则各不同极对下的齿和槽 便不能各个重合。槽与槽之间有了一个位移角。位于 各个极对下的每相导体的感应电势便必须用几何方法 相加。 分数槽实现了极对与极对间的分布，与分布绕组实现 了槽与槽的分布和短匝绕组实现了层与层的分布相 似，都起着削弱谐波分量的作用。 在求分数槽绕组的分布因数时，应考虑极对与极对之 间的分布。将各极对重叠，化成一台等效二极机，然 后求出分布因数。
磁极旋转式同步电机
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 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——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)。 气隙——气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层 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。
它励式
交流励磁机旋转整流系统
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。 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。 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流器整流后，直接送到 主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由 旋转电枢式 同轴的交流副励磁机经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刷装置——无 刷励磁系统。
发电机的转速必须为某些固定值——同步转速。例如 2极电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转 速为1500r/min，依次类推。只有运行于同步转速，同 步电机才能正常运行。
电动机原理
将同步电机定子—绕组接至三相交流电源，频率为f的 三相交流电流将在电机气隙中产生转速为同步转速n1 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，它 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，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，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多 地应用。
•励磁绕组为集中绕组，磁势波为矩形波
kf =
4
π
sin
απ
2
对于凸极发电机来说，由于定转子间的气隙沿整个电枢圆周分布不均 匀，极面下气隙较小，磁阻较小；极间气隙较大，极间磁阻很大。同 一个极面下，气隙径向磁通密度的分布近似于平顶的帽形。极靴以外 的气隙磁通密度减少很快，相邻两极中线上的磁通密度为零。 气隙磁密用付立叶谐波分析分解出空间基波和一系列谐波。
汽轮发电机图
汽轮发电机组
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 采用分数槽绕组。 转子磁极——由厚度为1～2mm的钢片叠成；磁极两端有磁极压板， 用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， 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。
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，建立极性相间的励磁磁 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 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）。 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。通过 引出线，即可提供交流电源。 感应电势 频率： 感应电势的频率决定于同步电机的转速n 和极对数 pn p ，即
交流励磁机静止整流励磁
副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主 副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压 同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机 主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器 励磁机 建立起来后再转为自励(有时采用永磁发电机)。 和交流副励磁机。 整流后供给主发电机的励磁绕组。 在中小型同步发电机中，也可采用自励式整流系统
f =
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。
60
同步转速
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，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 50Hz ，故有：
60 f 3000 n= = p p
隐极式转子
隐极式转子上没有凸出的磁极 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。在转 子表面约1/3部分没有开槽，构成大 齿，是磁极的中心区。 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，转子 圆周线速度极高，最大可达170米/ 秒。为了减小转子本体及转子上的各 部件所承受的巨大离心力，大型汽轮 发电机都做成细长的隐极式圆柱体转 子。
励磁绕组（分布绕组）埋于转子槽内，沿转子圆周气隙近似均匀。
波形系数 k
f
=
Ff1 Ff
励磁磁势在空间的分布为一个阶梯形，受齿槽的影响,气隙磁密呈现 出波动变化。 用谐波分析法可求出其基波分量 合理地选择大齿的宽度可以使气隙磁密的分布接近正弦波。如无特 殊说明，以后仅考虑磁通密度的基波分量
1.2 凸极同步电机的空载磁势