Electrical machinery principleElectrical machinery principle同步电机篇Electrical machinery principleElectrical machinery principle第 四 篇第十三章同步发电机的基本工作原理和结构Electrical machinery principleElectrical machinery principle本章基本教学要求1.理解同步电机的基本工作原理； 2.掌握基本结构各部件的特点和作用； 3.了解冷却方式、掌握同步发电机的铭牌； 4.知道同步发电机的励磁方式及励磁系统的作用与要求本章重点和难点重点： 1.同步发电机的主要结构和基本工作原理； 2.主要结构部件特点和作用； 3.励磁系统的作用与要求 难点： 1.同步发电机的基本工作原理； 2.励同步发电机的磁系统第十三章同步发电机的基本工作原理和结构第十三章同步发电机的基本工作原理和结构Electrical machinery principleElectrical machinery principle第十三章同步发电机的基本工作原理和结构第十三章同步发电机的基本工作原理和结构同步电机是交流旋转电机的一种,因其转速恒等于同步速时而得名。
现代发电厂中所发出的交流电能几乎都是同步发电机的 对于有恒速要求的生产机械，可采用同步电动机作为动力，同步 电机也可作为调相机用，向电力系统发出感性或容性无功功率， 用于改善电力系统的功率因数及调整电网电压同步电机无论作 发电机、电动机或调相机，其基本原理及结构是相同的，只是运 行方式不同而已本章基本要求： ⒈同步发电机的基本工作原理；⒉同步发电机的基本结构；⒊同步发电机的铭牌数据Electrical machinery principleElectrical machinery principle 第一节第一节 同步发电机的基本工作原理同步发电机的基本工作原理定子转子滑环同步发电机基本原理工作是根据电磁感应现象，即导体切 割磁力线产生感应电动势工作的因此，同步发电机应有产生 磁力线的磁场和切割该磁场的导体一、基本结构模型，如图所示: 气隙图中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 1.定子Electrical machinery principleElectrical machinery principle2.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，当通过 电刷和滑环通以直流电流时，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) 。
主磁场由N极出来经过气隙、定子铁 芯，再经过气隙进入S极而构成主磁路 如图中虚线所示(图中p=1)3.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 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Electrical machinery principleElectrical machinery principle二、同步发电机的工作原理如图所示，外部直流电源通过滑环向 转子提供直流励磁电流，并产生磁场；原 动机拖动发电机转子以转速n按图示方向 作恒向旋转定子中三相绕组的导体依 次切割磁力线，三相绕组便感 应产生各相大小相等、相位彼 此相差1200的交流电动势若 气隙磁通密度按正弦波分布， 则三相绕组感应电动势波形如 图所示，且相序为A→B→C1.交变感应电动势的产生每相感应电势有效值: Electrical machinery principleElectrical machinery principle2.感应电势的频率 交流电动势的频率f可这样确定:当转子为1对极时，转子旋 转一周，定子绕组中感应电动势变化一个周期；当同步发电机具 有p对极时，转子旋转一周，感应电动势就交变p个周期；当转子 的转速为每分钟n转时，则交变电动势的频率为:转子的转速(r/min)由上式可知:同步发电机定子绕组感应电动势的频率取决于 它的极对数p和转子的转速n。
转子转速越高，定子绕组感应电势 E0的频率越高即 n↑→ f↑可见，同步发电机极对数p一定 时，转速n与电枢电动势的频率f之间具有严格不变的关系说明:如果发电机作为电源单独给负载供电，对电源频率的要求并 不十分严格，对原动机的转速要求也不很严格 Electrical machinery principleElectrical machinery principle3.同步转速 现代的发电机，绝大多数都是向大电网并网供电，这就对同 步发电机的频率要求严格了，我国电网频率为50HZ，所以发电机 发出的电动势频率也必须为50HZ，如果发电机的频率与电网频率 不等将会造成严重事故 ①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： ②要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，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。
同步电机的特点Electrical machinery principleElectrical machinery principle 4.电磁过程转子冲转到额定转速,汽轮发电3000r/min → 转子绕组加 励磁电流(直流) → 产生旋转磁场 → 定子绕组切割磁力线产 生三相对称感应电势 → 发电机出线端三相对称电压 5.电势的调节根据E0=4.44fNkw1Φ0 和If → Φ0可知，调节励磁电流If， 可改变磁通Φ0，从而改变定子绕组感应电势E0即If↑→E0↑； If↓→ E0↓6.相序相序决定于转子的转向从励磁端看，汽轮发电机的转向 为逆时针方向同步发电机原理小结:外部直流电源通过滑环向转子提供直 流励磁电流，并产生磁场；原动机拖动转子旋转，转子磁极磁场 切割三相定子绕组，感应三相交流电Electrical machinery principleElectrical machinery principle第二节第二节 同步发电机的基本结构同步发电机的基本结构 一、同步电机分类：旋转电枢式：电枢旋转，磁极固定，因电枢功率 不易由滑动部分送出，只适于较小容量发电机， 实用少。
旋转磁极式：磁极旋转，电枢固定，电枢功率由 静止部分送出，可传送较大功率，实用广，是同 步发电机的基本结构型式同步电机旋转磁极式隐极式转子：不计齿槽时气隙均匀；机械强度高， 适用于高转速；一般用于汽轮发电机；外形细长凸极式转子：气隙不均匀，极弧下较小，极间较大 ；机械强度比隐极机低，适用于低转速；一般用于 水轮发电机，外形扁盘形Electrical machinery principleElectrical machinery principleElectrical machinery principleElectrical machinery principle二、隐极同步发电机（只有卧式支撑）的基本结构Electrical machinery principleElectrical machinery principle汽轮发电机与直流励磁机配套而成的汽轮发电机组结构图1-定子机座 2-定子铁芯 3-外壳 4-吊起定子设备 5-防水导水管6-定子绕组7-定子压紧环 8-外护板10-通风壁 11-导风屏 12-电刷架9-里护板13、14-电刷 15-轴承座16-轴承衬17-油封口18-汽轮机的油封口 19-基础板20-转子21-端线22-励磁机Electrical machinery principleElectrical machinery principle一对极隐极式 转子示意图1.隐极式转子结构：主要由铁芯、励磁 绕组、阻尼绕组、紧固件和风扇组成。
它是汽轮发电机的重要部件，如图所示 Electrical machinery principleElectrical machinery principleElectrical machinery principleElectrical machinery principle(1)转子铁芯隐极式转子铁芯应具有良好的导磁性 能，并能承受很大的离心力作用隐极式 转子铁芯通常与转轴锻造成一体，一般所 用材料是具有高强度和导磁性能良好的含 铬、镍和钼的合金钢汽轮发电机的转子铁 芯横剖面如图示:Electrical machinery principleElectrical machinery principleElectrical machinery principleElectrical machinery principle(a)辐射形排列(b)平形排列隐极式转子上没有凸出的磁极，沿转子铁芯外圆表面铣出许多槽，槽中嵌放励 磁绕组在转子表面约1/3部分没有开槽， 构成所谓大齿，是磁极的中心区即主磁极 励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周 也会出现 N 极和 S 极汽轮发电机的转子槽分类图示:Electrical machinery principleElectrical machinery principle(2)励磁绕组励磁绕组是由矩形的绝缘 扁铜线绕成同心线圈，两线圈 边分别放置在大齿两侧所开出 的槽内，所有线圈串联组成励 磁绕组，构成转子的直流电路 。
励磁绕组引出的两个线端接 在滑环上，并通过电刷与外电 路直流电源相连接注意:励磁绕组的各线匝间需垫有 绝缘材料，同时，线圈和铁芯之 间也需有可靠的“对地绝缘”励磁绕组放置在槽内后，需用非 导磁材料、高强度的硬铝或铝青 铜制成的槽楔来压紧，如图所示 转子槽部剖面图槽楔楔下垫条匝间绝缘扁铜线槽绝缘Electrical machinery principleElectrical machinery principle(3)阻尼绕组某些大型汽轮发电机转子上装有阻尼绕组，它是一种短路绕 组，由放在槽楔下的铜条和转子两端的铜环焊接成闭合回路阻 尼绕组的主要作用是:在同步发电机短路或不对称运行时，利用 其感应电流来削弱负序旋转磁场的作用，以及同步发电机发生振 荡时起阻尼的作用，使振荡衰减嵌装完励磁绕组后的转子励磁绕组连接图Electrical machinery principleElectrical machinery principle (4)紧固件转子紧固件包括护环和中心环由于汽轮发电机转速高，绕 组端部受到很大的离心力，所以必须采用护环和中心环来可靠地 固定，如图所示护环把转子励磁绕组的端部套紧，以防绕组端 部甩出。
中心环用来支持护环和防止转子绕组端部的轴向位移 为了减少端部漏磁场，护环采用非导磁合金钢材料作用：保护转子绕组端部Electrical machinery principleElectrical machinery principle(5)滑环直流电流通过截止的正负极性的电刷、两互相绝缘且套在转轴上随转子转 动的滑环引入转子励磁绕组6)风扇汽轮发电机的转子细长，通风冷却比较困难，故转子的两端一般装有轴流 式或离心式风扇，用以改善冷却条件隐极式转子特点：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。