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1、同步电机 同步电机 定义： 同步电机是指电机转子的转速与磁场转速相同 的交流电机。同步电机的转速为 运用范围： 同步电机主要用来作为发电 机 同步电机也可作为电动 机拖动生产机械 ， 同步电机还可以作为同步补偿 机，他能 够专门 用来向电网输送感性和容性无功 功率。 同步电机的用途和分类 同步电机的用途和分类 2. 同步电机的分类 l同步发电机按原动机分类 2. 同步电机的分类 2. 同步电机的分类 同步电机基本结构 同步电机的基本结构形式 同步电机定子和异步电机相同，转子上装磁极 和励磁绕组。同步电机磁极通常装在转子上， 电枢绕组放在定子上，称为旋转磁极式电机。 旋转磁极式电机转子有凸极和隐
2、极两种结构。 用汽轮机作原动机来拖动的称为汽轮发电机， 采用隐极式结构；用水轮机作原动机拖动称为 水轮发电机，采用凸极式结构。 同步电机的构造特点 l转子 1、汽轮发电机转子结构 汽轮发电 机一般都是二极，同步转速为3000或 3600r/min。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。 2、水轮发电机转子结构 大型水轮发电机 通常都是立式结构，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。 同步电机的额定值 同步电机的额定值（铭牌值）由以下几种 ： l额定容量 或额定功率 l额定电压 是指同步电机在额定运行时 其定子三相的线电压 l额定电流 是指同步
3、电机在额定运行时 流过其定子绕组的线电流 同步发电机同步电动机同步调相机 额定 容量 发电机出线端的额 定视在功率（VA ） 额定 功率 发电机输出的额定 有功功率（电功率 ）（W） 转轴上输出的有 效机械功率（W ） 发电机出线端输出 的无功功率（Var ） 同步电机的额定值 同步电机的额定值 l额定功率因数 是指同步电机在额定 运行时的功率因数。 l额定效率 是指额定运行时的效率。 l额定转速 和额定频率 是指同步电机 运行时的转速（r/min）和定子绕组中电流 与电压的工作频率（Hz）。 l额定励磁电压 和额定励磁电流 是 指同步电机额定运行时加到励磁绕组上的 直流电压和电流。 n发电机
4、 n电动机 当 f =50Hz时，n =3000/p。 汽轮发电机： p1 n=3000r/min； 水轮发电机：例 p30 n=100r/min。 同步电机的转速与电网频率有严格不变关系， 即当电网频率一定时，电机转速不变。 （4）电动势的频率 若转子每分钟转速为n，电动势频率为 当磁极对数为1，转子旋转一周，电动势交变一次； 当磁极对数为p，转子旋转一周，电动势交变p次； 同步电机与异步电机的根本区别是旋转的转子通入直流电流励磁 转子通直流电流 If励磁磁场Bf 电枢感应 电势 随转子旋转 角速度 S N n ea 三相对称负 载运行时 旋转基波 磁势Fa 三相对称电 枢电流 iabc (
5、同步电机) ebec If 三相同步发电机的基本工作原理 定子外接负载，形成回路，有三相电流。 u 机械能转化为电能 u 定子绕组三相感应电势 三相同步发电机的基本工作原理 u交流电势频率f的确定 当转子为1对磁极时，转子旋转一周，定子绕组 中感应电势变化一个周期；当同步发电机有p对极 时，转子旋转一周，感应电势交变p个周期。 当转子转速为每分n转时，交变电势频率为： 三相同步发电机的基本工作原理 u交流电势频率f的确定 结论：同步发电机定子绕组感应电势的频率取决于它 的极对数p和转子的转速n。 同步发电机极对数一定时，转速与电枢电势的频率 有严格对应关系。 当电力系统频率f一定，发电机转速
6、为恒 定值，这是同步发电机的主要特点。 三相同步发电机的基本工作原理 结论：我国标准工频为50Hz，所以同步发电机的极 对数和转速成反比。 l 汽轮发电机转速较高，极对数较少，如转速 n=3000r/min，则极对数p=1。 l 水轮发电机转速较低，极对数较多，如转速 n=125r/min，则极对数p=24。 三相同步发电机的基本工作原理 第二节 同步发电机的基本构造 同步电机一般采用同步电机一般采用旋转磁极式结构旋转磁极式结构，根据磁极形状，根据磁极形状 可分为隐极和凸极两种型式。可分为隐极和凸极两种型式。 凸极同步电机气隙不均匀，适合于中速或低速旋转场合。凸极同步电机气隙不均匀，适合于中速
7、或低速旋转场合。 隐极同步电机在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，适合于高速隐极同步电机在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，适合于高速 旋转。旋转。 1定子 2凸极式转子 气隙不均匀，极弧 底下气隙较小，极间部 分较大。 凸极式电机结构特点 转子上没有凸出 的磁极，气隙均匀， 转子呈圆柱形。 1定子 3隐极式转子 隐极式电机结构特点 燃 烧 室 燃 料 锅炉的 炉膛循环水 汽轮机 发电机 3 600 r/min 升压变 压器 超热高压蒸汽 电能输出 汽轮发电机组示意图 汽轮机汽轮机 同步发电机同步发电机 励磁机励磁机 火电厂生产现场 汽轮发电机结构 大亚湾核电站发电机组 （3）定子绕组 也称电枢绕组，一般
8、采用双层三相对称绕组。 为便于绕组下线，定子槽采用矩形开口槽，定子绕组 放入槽中后，槽口用槽楔封住，槽楔常用绝缘材料(如 玻璃布板)做成。 汽轮发电机结构 汽轮发电机的电压较高，要求定子绕组有足够的绝缘 强度，一般采用 B 级或 F 级绝缘。 （3）定子绕组 大型电机定子电流极大，绕组导线截面大。为减小导 体集肤效应带来的附加损耗，定子绕组常由多股截面 15平方毫米以下的扁铜线并绕而成，且沿槽长进行适 当的换位，使绕组的有效部分，有时甚至连同绕组的 端接部分，成为编织形。 汽轮发电机结构 l 冷却系统封闭，冷却介质循环使用。 l 常用的冷却介质有空气、氢气和水。 l 冷却方式有： 空气冷却；
9、水-氢-氢，即定子绕组用水冷却，转子绕组采用氢 内冷，定子铁心为氢冷； 水-水-氢，即定子绕组和转子绕组用水冷却，定子 铁心为氢冷。 氢气密度仅为空气的1/4，导热性比空气好6倍 ，冷却效果比空气好。 汽轮发电机的冷却方式 三峡电站发电机定子 三峡电站发电机转子(1100t) 重792t、直径为16.9m的1、2发电机转子 葛洲坝大江电厂主发电机 四、同步电动机的起动 如果转于是静止(未转动)时，转于和转轴上生产机械的惯 性，电枢磁极快速掠过转子磁极，转子只会重复受到异名极 向前拖引和同名极向后推斥，不能自行起动。 同步电动机必须借助其他方法起动。同步电动机的起动 方法有辅助电机法，变频起动法
10、和异步起动法等。一般采用 异步起动法。 SNn N0S0 n 合成 磁极 主 磁极 A A B B C N N N S 励磁电源 采用异步起动法时，转子上需加设鼠笼式起动绕组，起动 时，先把励磁绕组短接，接通电源，靠起动绕组所产生的异步 转矩起动，待转速上升至接近同步转速时(约95%n0)，将励磁 绕组换接到励磁电源上，使转子建立励磁磁场，此时气隙磁场 与励磁磁场的转速十分接近，依靠两个磁场相互作用产生的转 矩，能将电动机转子牵入同步，以同步转速稳定运行。鼠笼绕 组与电枢磁场没有相对运动，自行失去作用。 注意：异步起动过程异步起动时，先把励磁绕组经过 大电阻短接，绝对不可以开路。（因为励磁绕组
11、匝数比较多， 起动时定子旋转磁场在励磁绕组中感应很高的电压，可能会击 穿转子绕组的绝缘） 同步电机的励磁系统的类型较多，也有不同的分 类方法，下面仅介绍几种常用的励磁系统。 二、同步电机的励磁系统的类型， 直流励磁机励磁系统 三次谐波励磁 交流励磁机一静止整流器励磁 交流励磁机一旋转整流器励磁 直流励磁机的励磁系统见图，图中GS为同步发电机，GE为 励磁机。励磁机的电枢电压通过同步发电机的集电环和炭刷A 、B加到发电机的励磁绕组WEG两端。励磁机励磁绕组WEE 的励磁电流除了励磁机GE通过调节电阻RM供给的自励电流外 ，还有自动调节励磁装置AE供给的附加励磁电流lAE，前者可 通过调节RM的大
12、小达到手动调节的目的，后者可预定要求按 自动调节励磁。 1、直流励磁机励磁系统 三次谐波电压经整流后给励磁绕组供电 在输出380V的三相四线制发电机组中，励磁线圈所需电 压只要26伏左右就足够了。这个电压就是由3次谐波提供的。 它是通过在发电机定子铁心槽中埋设的辅助绕组而产生的， 再经桥式整流送给励磁电路。图中LF为谐波绕组，U、V、W、 N为三相输出。 2、三次谐波励磁 表示静止整流器励磁系统的原理图 交流励磁机装在发电机大轴上，它输出的交流电流经整 流后供给发电机转子励磁，此时，采用静止的整流装置，交 流副励磁机提供励磁电流。交流副励磁机可以是永磁机或是 具有自励恒压装置的交流发电机。为了
13、提高励磁调节速度， 交流励磁机通常采用100200Hz的中频发电机，而交流副 励磁机则采用400500Hz的中频发电机。这种发电机的直 流励磁绕组和三相交流绕组都绕在定子槽内，转子只有齿与 槽而没有绕组，像个齿轮。 4、交流励磁机一静止整流器励磁 同步发电机的型号与额定值 一.型号 汽轮发电机有QFQ、QFN、QFS等系列。QF表示 汽轮发电机；第三个字母表示冷却方式，Q氢 外冷，N氢内冷，S双水内冷。 如：QFS-300-2 表示容量为300MW双水内冷2极汽轮 发电机。 水轮发电机系列有TS系列，T表示同步，S表示水 轮。 如：TSS1264/160-48表示双水内冷水轮发电机，定子 外径
14、为1264厘米，铁心长为160厘米，极数为48。 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。 一.型号 同步发电机的型号与额定值 2.额定值 l额定容量SN(VA、kVA、MVA等) 或额定功率PN (W、kW、MW等)：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数表示，补偿机则 用kVAR表示。 l额定电压 UN(V、kV等)：指额定运行时定子输出 端的线电压。 同步发电机的型号与额定
15、值 l 额定电流IN (A、kA) ：指额定运行时定子的线电流 。 l 额定功率因数cosN：额定运行时电机的功率因数 。 l 额定频率fN：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。 l 额定转速nN ：额定运行时电机的转速，即同步转 速。 除上述额定值外，名牌上还列出一些其它运行数 据，如额定负载时的温升tN 、励磁容量PfN和励磁电压 UfN等。 2.额定值 同步发电机的型号与额定值 同步电机的额定值同步电机的额定值 1. 额定容量 SN 或额定功率 PN 2. 额定电压 UN 3. 额定电流 IN 4. 额定功率因数 cosN 5. 额定频率 fN 6. 额
16、定转速 nN 三相同步发电机： 三相同步电动机： PN = 3 UNIN cosN PN = 3 UNIN cosNN 概念 内功率因数角：E0和Ia之间间的夹夹角，与 电电机本身参数和负载负载 性质质有关； 外功率因数角：U和Ia之间间的夹夹角，与 负载负载 性质质有关； 功率角（功角）：E0和U之间间的夹夹角； 且有=+ （电电感性负载负载 ） 直轴轴（d轴轴）：主磁极轴线轴线 （纵轴纵轴 ）； 交轴轴（q轴轴）：转转子相临临磁极轴线间轴线间 的中 心线为线为 交轴轴（横轴轴） 同步发电机的电枢反应 一、电枢反应的概念 同步发电机空载时，只有直流励磁电流 IL产生的主磁场以 转速n旋转，电枢中产生空载电动势E0，若电枢三相绕组接有负 载时，三相绕组中便有对称三相电流通过，电枢绕组就产生了 旋转磁场，称为电枢
