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1、同步电机篇：第一章 同步电机原理和结构 结构模型 同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。图 15.1 给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其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
2、同步电机的性能有重大影响。 除了转场式同步电机外,还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。图中用 AX、BY、CZ 三个在空间错开 120 电角度分布的线圈代表三相对称交流绕组。工作原理 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
3、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 有效值：由第 11 章可知，每相感应电势的有效值为 (15.1) 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 p ，即(15.2) 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。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，这就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：(15.3) 要使得发电机供给电网 50Hz 的工
4、频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。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。运行方式同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。 作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。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。 同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时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
5、达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。 西安交通大学电机教研室 版权所有，侵权必究 2000.12同步电机篇：第一章 同步电机原理和结构 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，如图 15.3 所示。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。另外，中小型同步电机多半也做成凸极式。水轮发电机 水轮发电机的特点是：极数多，直径大，轴向长度短，整个转子在外形
6、上与汽轮发电机大不相同。大多数水轮发电机为立式。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。转子磁极由厚度为 12mm 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。磁极与磁极轭部采用 T 形或鸽尾形连接，如图 15.4 所示。隐极式转子 隐极式转子上没有凸出的磁极，如图 15.2b 所示。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
7、没有开槽，构成所谓大齿，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。考虑到转子冷却和强度方面的要求，隐极式转子的结构和加工工艺较为复杂。 汽轮发电机 定子大体上与异步电机相同，定子铁心由0.35mm,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。定子铁心固定在机座上，机座常由钢板焊接而成，它必须有足够的强度和刚度，同时还必须满足通风
8、和散热的需要。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。 为了减少高速旋转引起的离心力，一般采用隐极式转子，其外形常做成一个细长的圆柱体。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。 励磁方式简介 获得励磁电流的方法称为励磁方式。目前采用的励磁方式分为两大类：一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统；另一类是用硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统。现说明如下： 1 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。采用他励接法时
9、，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。如图 15.5 所示。 2 静止整流器励磁 同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励(有时采用永磁发电机)。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励磁机，而主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。(见图 15.6） 3 旋转整流器励磁 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。因此，在大容量的同步
10、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，如图 15.7 所示。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，故又称为无刷励磁系统。 西安交通大学电机教研室 版权所有，侵权必究 2000.12同步电机篇：第一章 同步电机原理和结构 额定值同步电机的额定值有： 额定容量 (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
11、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。 额定电压(V,kV 等) ：指额定运行时定子输出端的线电压。 额定电流(A) ：指额定运行时定子的线电流。 额定功率因数 ：额定运行时电机的功率因数。 额定频率 ：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。 额定转速 ：额定运行时电机的转速，即同步转速。 除上述额定值外，同步电机名牌上还常列出一些其它的运行数据，例如额定负载时的温升 、励磁容量 和励磁电压 等。 国产同步电机型号 我国生产的汽轮发电机有 QFQ、QFN、QFS 等系列，前两个字母表示汽轮
12、发电机；第三个字母表示冷却方式，Q 表示氢外冷，N 表示氢内冷，S 表示双水内冷。我国生产的大型水轮发电机为 TS 系列，T 表示同步，S 表示水轮。举例来说：QFS-300-2 表示容量为 300MW 双水内冷 2 极汽轮发电机。TSS1264/160-48 表示双水内冷水轮发电机，定子外径为 1264 厘米，铁心长为 160 厘米，极数为48。 此外同步电动机系列有 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。 同步电机篇：第二章 同步发电机对称运行分析 当原动机带动发电机在同步转速下
13、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的运行情况，称为空载运行。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。 空载气隙磁场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，而极间气隙较大，极面下的磁阻较小，而极间磁阻很大，而且在同一个极面下，在一个极的范围内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。气隙磁密可以用付立叶谐波分析的方法分解出空间基波和一系列谐波。图 16.1a 中画出了基波波形 。通常将极靴的极弧半径做成小于定子的内圆半径，而且两圆弧的
14、圆心不重合(称为偏心气隙)，从而形成极弧中心处的气隙最小，沿极弧中心线两侧方向气隙逐渐增大，这样可以使得气隙磁通密度的分布较接近正弦波形。 隐极电机的励磁绕组嵌埋于转子槽内，沿转子圆周气隙可视为是均匀的。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，如图 16.1 (b)所示。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。在本书以后的分析中，如无特殊说明，仅考虑磁通密度的基波分量。感应电势的波形和大小与气隙磁密的分布形状及幅值大小紧密相关，在设计和制造电机时，应采取适当的措施，以获得尽可能接近正弦分布的气隙磁密，从而得到品质较高的感
15、应电势。在本课程以后的分析中，我们仅考虑感应电势的基波分量。 空载特性 当空载运行时,励磁电势随励磁电流变化的关系 称为同步发电机的空载特性。励磁电势的大小 (有效值)与转子每极磁通成正比，而励磁电流的大小又和作用于同步电机磁路上的励磁磁势 正比例变化，所以空载特性与电机磁路的磁化曲线具有类似的变化规律。如图16.2 所示。由图可见，当励磁电流较小时，由于磁通较小，电机磁路没有饱和，空载特性呈直线（将其延长后的射线称为气隙线）。随着励磁电流的增大，磁路逐渐饱和，磁化曲线开始进入饱和段。为了合理地利用材料，空载额定电压一般设计在空载特性的弯曲处，如图中的 c 点。空载特性可以通过计算或试验得到。
16、试验测定的方法与直流发电机类似。同步电机的空载特性也常用标么值表示，空载电势以额定电压为基值，取 时的励磁电流 (称为额定励磁电流)为励磁电流的基值。用标么值表示的空载特性具有典型性，不论电机容量的大小，电压的高低，其空载特性彼此非常接近。 空载特性在同步发电机理论中有着重要作用： 将设计好的电机的空载特性与表 16-1 中的数据相比较，如果两者接近，说明电机设计合理，反之，则说明该电机的磁路过于饱和或者材料没有充分利用。空载特性结合短路特性(在后面介绍 )可以求取同步电机的参数。发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性以及励磁系统的故障。 同步电机篇：第二章 同步发电机对称运行分析 负载后磁势分析空载时，同步电机中只有一个以同步转速旋转的励磁磁势 ，它在电枢绕组中感应出三相对称交流电势，称为励磁电势。当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组和负载 一起构成闭合通路，通路中流过的是三相对称的交流电流 ，我们知道，当三相对称电流流过三相对称绕组时，将会形成一个以同步速度旋
