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1、同步电机的基本知识和结构,7-1 概述,什么是同步电机,同步电机：是一种旋转的交流电机，它的转子转速n与电动势频率f之间保持严格不变的关系。,对同步发电机，发出的电动势频率f满足,对同步电动机，转子转速满足,同步电机的基本知识和结构,7-1 概述,同步电机的运行方式,同步电机的基本知识和结构,7-2 同步电机的基本工作原理,同步发电机,基本构成：定子、转子、气隙、励磁绕组、电枢绕组。 横截面图：凸极式、隐极式。,同步电机的基本知识和结构,7-2 同步电机的基本工作原理,同步发电机,作为发电机运行时，用一原动机拖动转子旋转，转子励磁绕组中通入直流电，从而在气隙中产生一旋转的磁场，该磁场切割定子上
2、的电枢导体，电枢绕组便感应出交流电动势。设气隙磁密按正弦分布，则在定子三相绕组里感应出正弦变化的三相电动势，交流电动势的频率取决于电机的极对数 p 和转子转速 n，若电机为一对极，当转子旋转一周时，导体中感应电动势变化一个周波。,同步电机的基本知识和结构,7-2 同步电机的基本工作原理,同步发电机,考察电枢导体 A 的感应电动势。e = B l v ，右手定则。导体相对于磁场的运动方向。,e = E max,电枢导体 A 处径向磁密等于0 e = 0,同步电机的基本知识和结构,7-2 同步电机的基本工作原理,同步发电机,e =- E max,电枢导体 A 处径向磁密等于0 e = 0,同步电机
3、的基本知识和结构,7-2 同步电机的基本工作原理,同步发电机,若为 p 对极，当转子旋转一周时，导体感应电动势变化 p 个周波。设转子每分钟旋转 n 转，则对 p对极电机，导体感应电动势每分钟变化 pn 个周波，每秒钟变化 pn/60 个周波，这就是电动势的频率。,注：我国电力系统，规定交流电的频率为50Hz，因此极对数和转速有如下固定关系,同步电机的基本知识和结构,7-2 同步电机的基本工作原理,同步电动机,如果同步电机作为电动机运行，则必须在定子三相绕组上加上三相交流电压，三相交流电流流过定子绕组，会在电机里产生旋转磁场，当励磁绕组加上直流励磁电流时，转子好象是一个磁铁，于是旋转磁场带动这
4、个磁铁，按旋转磁场的转向和转速旋转，从而实现把电能转换成机械能的目的。这时转子的转速 n 为,“同步”的概念,同步电机无论作为发电机还是电动机运行，当极数一定时，它的转速 n 和频率 f 之间保持严格不变的关系，用电机专业术语说，叫做“同步”，所以这种电机叫同步电机 。,同步电机的基本知识和结构,7-3 同步电机的基本结构,汽轮发电机,转子,特点：转速高，转轴细长，由高机械强度和导磁性能较好的合金钢锻成，并且和转轴作成一个整体，为隐极式转子。 作用：固定励磁绕组，产生励磁磁场。,定子,特点：固定定子绕组，由硅钢片叠成。 作用：感应电势，通过电流，实现机电能量转换。,机座,固定定子铁心。,水轮发
5、电机,转子,特点：转速低，转轴短粗，为凸极式转子。 作用：固定励磁绕组，产生励磁磁场。,定子,特点：固定定子绕组，由硅钢片叠成。 作用：感应电势，通过电流，实现机电能量转换。,同步电机的基本知识和结构,7-5 同步电机的额定值,额定容量SN或额定功率PN,同步发电机：额定容量SN是指出线端的额定视在功率，一般以干伏安(kVA)或兆伏安(MVA即百万伏安)为单位；而额定功率PN是指发电机输出的额定有功功率，一般以千瓦(kW)或兆瓦(MW，即百万瓦)为单位。,同步电动机：PN是指轴上输出的有效机械功率，也用千瓦(kW)或兆瓦(MW)来表示。对于同步调相机，则用线端的额定无功功率来表示其容量。以千乏
6、(kVAR)或兆乏(MVAR)为单位。,额定电压UN,指在额定运行时电机定子三相线电压，单位为伏(V)或千伏(kV)。,额定电流IN,指电机在额定运行时流过定子绕组的线电流，单位为安(A),同步电机的基本知识和结构,7-5 同步电机的额定值,额定功率因数 cosN,指电机在额定运行时的功率因数。,额定效率N,指电机额定运行时的效率。,对三相交流发电机,对三相交流电动机,交流电机的绕组和电动势,8-1 交流绕组的基本概念,交流绕组的性能要求,1）良好的导电性能；2）一定导体数下，获得较大的基波电动势和基波磁动势；3）在三相绕组中，对基波而言，三相电动势必须对称，即三相的幅值相等而相位互差120度
7、电角度，并且三相的阻抗也要求相等； 4）电动势和磁动势波形力求接近正弦波，为此要求电动势和磁动势中的谐波分量尽量小；5）用铜量少，绝缘性能和机械强度可靠，散热条件好；6）制造工艺简单，检修方便。,交流电机的绕组和电动势,8-1 交流绕组的基本概念,关于交流绕组的基本概念,实用的交流绕组由分布地嵌在定子槽内的许多线圈组成，一个线圈有 wc 匝，每匝有两根导体,线圈的直线部分放在槽里，因它切割气隙磁场产生感应电动势，故称有效边，露在槽外的前后端连接线，称为端部，它不切割气隙磁场，仅起连接有效边的作用，如图所示。,交流电机的绕组和电动势,8-1 交流绕组的基本概念,关于交流绕组的基本概念,1）电角度
8、因磁场每转过一对磁极时，导体的基波电动势变化一个周期，在电路理论中，定义一个周期为 360 度时间电角度或 2 时间电弧度，所以把一对极所张的空间角度称为 360 度空间电角度或 2空间电弧度，若电机有 p 对极，则整个定子内圆有 p360 度空间电角度，而在几何学中把一个圆周对应的空间角度称为 360 度机械角度，所以电角度el 和机械角度mec 之间的关系应为,交流电机的绕组和电动势,8-1 交流绕组的基本概念,关于交流绕组的基本概念,时间电角度：绕组感应电动势随时间交变、一个周期（指基波）对应 360度时间电角度。,空间电角度：绕组的空间分布、绕组磁动势随空间周期性分布、一个周期（指基波
9、）对应 360度空间电角度。,交流电机的绕组和电动势,8-1 交流绕组的基本概念,关于交流绕组的基本概念,2）每极每相槽数 q 指定子槽数三相电机中，为了保证电气上的对称，每相绕组所占的槽数应该相等，并且均匀分布，因此，要形成2p个极的电机，应将定子总槽数Z分为2p个等分，每极下的槽数为Z2p，每极下的槽数再按m相分，(一般 m=3)，所以每极每相槽数为,集中绕组：q=1分布绕组：q1,整数槽绕组：q整数 分数槽绕组：q分数,交流电机的绕组和电动势,8-1 交流绕组的基本概念,关于交流绕组的基本概念,3）槽间角1 指定子槽相邻两槽相隔的空间电角度称为槽间角，用1表示。当总槽数为Z，极对数为p时
10、，槽间角为,4）相带 每极下一相绕组所占的宽度称为相带，相带用电角度表示。由于每极每相所占的槽数为q，而槽间角为1 ， 对于三相绕组 ，一个相带所占的电角度为,称为60度相带绕组。,交流电机的绕组和电动势,8-1 交流绕组的基本概念,关于交流绕组的基本概念,一对极下有六个相带，为了获得三相对称电动势，各绕组在空间相隔120 度电角度，因此六个相带可依次命名为A、Z、B、X、C、Y，图 (a)为一对极电机的相带排列情况。图(b)为两对极电机的情况。图中A与X，B与Y，C与Z相带的导体,处于不同极性的磁极下,相隔180度电角度，故电动势方向相反。,交流电机的绕组和电动势,8-1 交流绕组的基本概念
11、,关于交流绕组的基本概念,5）极距 沿电枢表面相邻两个磁极轴线之间的距离称为极距，极距有三种表示法：1）用电枢圆周长表示，单位为米或厘米；2）用电枢槽数表示，单位为槽/极；3）用空间电角度表示；,交流电机的绕组和电动势,8-1 交流绕组的基本概念,关于交流绕组的基本概念,6）节距y 一个线圈两有效边之间的距离称为节距，一般用槽数表示。如图所示线圈，若它的一个边放在第1槽，另一个边放在第10个槽，则节距y9，为了使线圈电动势最大或接近最大，线圈的节距应等于或近于极距。整距绕组：y 短距绕组： y ，端接较长，较少采用。,交流电机的绕组和电动势,8-2 三相单层绕组,单层绕组的特点,单层绕组：每个
12、定子槽内只放一个线圈边，每一个线圈需占用两个槽，整个绕组的线圈数等于总槽数的一半。由于每槽内仅放置一个线圈边，不需要层间绝缘，这就提高了槽的利用率，同时也没有层间绝缘击穿的问题，提高了电机工作的可靠性，此外单层绕组嵌线也比较方便，但由于节距受到一定的限制，不能利用它来改善电动势和磁动势波形，因此单层绕组一般用在lOkW以下的异步电动机中。,交流电机的绕组和电动势,8-2 三相单层绕组,三相单层集中整距绕组,三相绕组是由三个单相绕组组成的，为了使三相绕组感应的电动势幅值相等，相位互差120度电角度，要求三个相绕组的匝数必须相等，而且每相绕组的轴线应彼此互差120 度空间电角度，例如一台p=1的电
13、机，电枢槽数Z=6，则每极每相槽数 q=Z/2pm=6/231(集中绕组)，取节距y=Z/2p=3(整距),若连成单层绕组，其绕组排列如图所示。,交流电机的绕组和电动势,8-2 三相单层绕组,三相单层集中整距绕组,交流电机的绕组和电动势,8-2 三相单层绕组,三相单层集中整距绕组,图8-4 三相单层集中整距绕组,为了表示各线圈的位置和连接，通常采用所谓绕组展开图，它是把定子沿轴向剖开，然后把它展开，每一槽用一直线表示，槽上编以号码，按照节距连成线圈，如图所示，这就是 最简单的三相单层集中整距绕组展开图。,按照需要，三相绕组可以连成星形或三角形，图为星形联结；若接成三角形，则按AZ、BX、CY或
14、AY、BZ、CX连接然后由A、B、C引出。,交流电机的绕组和电动势,8-2 三相单层绕组,三相单层集中整距绕组,槽电势星形图：连成的绕组能否得到三相对称电动势呢？可以作三相绕组电动势相量的方法来说明。因槽间角 电角度，若规定导体电动势穿进纸面为正，则图8- 4(a)所示瞬间1槽导体电动势为正的最大，当转子转过 角后，2槽导体电动势才最大，因此2槽导体电动势落后于l槽导体电动势 60度电角度，这样依次作出相差 电角度的所有槽导体基波电动势相量，所得的相量图称为槽电动势星形图。如图所示。,转子以同步速旋转，电角速度电角频率。转过 60 度空间电角度所需要的时间时间电角度,交流电机的绕组和电动势,8
15、-2 三相单层绕组,三相单层集中整距绕组,图8-5 三相单层集中整距绕组,槽电势星形图： 1槽导体与4槽导体串联组成整距线圈构成A相绕组，由于1槽导体与4槽导体处于不同的极性下，因此A相电动势应为1槽导体电动势与4槽导体电动势的相量差。同理，B相电动势应为3槽导体电动势与6槽导体电动势的相量差，C相电动势应为5槽导体电动势与2槽导体电动势的相量差，如图所示，可知三相绕组的基波电动势为三相对称电动势。,集中整距绕组的优缺点：简单，但感应的电动势波形不好，而且由于绕组集中，运行时发热集中，散热不良，再加上电枢表面空间利用率低，所以一般采用分布绕组。,交流电机的绕组和电动势,8-2 三相单层绕组,三
16、相单层分布绕组,举例说明绕组槽电动势星形图及展开图的作法。 例81，一交流电机定子槽数Z=24，极数2p=4,绘制三相单层分布绕组的电动势星形图及绕组展开图。,定子槽顺转向编号。,交流电机的绕组和电动势,8-2 三相单层绕组,三相单层分布绕组,图8-6 槽导体分布和槽电势星形图,1. 作槽电势星形图,规定电动势穿进纸面为正，则在图8-6(a)所示位置，1槽导体电动势为正的最大，依次作出其它槽导体的电动势相量，如图8-6(b)所示,由于是两对极，电动势星形重复两圈,一般地说,p对极电机，电动势星形重复p圈。,交流电机的绕组和电动势,8-2 三相单层绕组,三相单层分布绕组,2. 分相,所谓分相，就是按每极每相槽数q，把各槽电动势相量所属的槽具体分配到各个相，分相的原则是应使每相电动势最大，且三相电动势对称。以A相为例，由于q=2，故每个极下A相有2槽，整个电机A相共有8槽，若在第一个S极下取1、2槽作为A相带，为使合成电动势最大，应将第一个N极下的7、8槽也划归A相，作为X相带。因为7、8槽与l、2槽相隔一个极距，它们可分别构成整距线圈，第二对极下13、14槽为A相带，19、20槽则为X相带。,
