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1、同步电机篇同步电机篇 重点内容重点内容vv同步发电机的基本同步发电机的基本电磁关系电磁关系vv同步发电机对称运行时的同步发电机对称运行时的特性特性vv同步发电机同步发电机并网运行并网运行同步电机的基本特点：同步电机的基本特点：n n= =n n1 1vvn n n n1 1 1 1=60=60=60=60f f f f1 1 1 1/ / / /p p p p，f f f f1 1 1 1电网频率。电网频率。电网频率。电网频率。vv同步电机的用途同步电机的用途同步电机的用途同步电机的用途：主要作发电机；电动机；同步调相机。：主要作发电机；电动机；同步调相机。：主要作发电机；电动机；同步调相机。
2、：主要作发电机；电动机；同步调相机。vv作为产生三相交流电的作为产生三相交流电的作为产生三相交流电的作为产生三相交流电的发电机运行发电机运行发电机运行发电机运行，现在全世界的发电，现在全世界的发电，现在全世界的发电，现在全世界的发电量大部分是同步发电机提供。量大部分是同步发电机提供。量大部分是同步发电机提供。量大部分是同步发电机提供。 其他的发电形式，如：其他的发电形式，如：其他的发电形式，如：其他的发电形式，如：磁流体发电磁流体发电磁流体发电磁流体发电、太阳能发电太阳能发电太阳能发电太阳能发电、风风风风力发电、波浪能发电力发电、波浪能发电力发电、波浪能发电力发电、波浪能发电等等等等等等等等(
3、 ( ( (现西方国家研究智能电网，现西方国家研究智能电网，现西方国家研究智能电网，现西方国家研究智能电网，微电网等微电网等微电网等微电网等) ) ) )，但在我国的电力系统中还是以，但在我国的电力系统中还是以，但在我国的电力系统中还是以，但在我国的电力系统中还是以三相同步发三相同步发三相同步发三相同步发电机电机电机电机为主，包括为主，包括为主，包括为主，包括水电站水电站水电站水电站、火电厂火电厂火电厂火电厂和和和和核电站核电站核电站核电站。 转子的转子的机械转机械转速速电机磁电机磁场旋转场旋转速度速度v同步电机也作为同步电机也作为电动机应用电动机应用。 n=n=n n1 1=60=60f f
4、1 1/ /p p 调速：变频调速：变频 只要电源频率不变，同步电动机的转速是恒只要电源频率不变，同步电动机的转速是恒定的，在不要求调速的场合，应用大型同步电动定的，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。机可以提高运行效率。 同步电动机可以通过同步电动机可以通过调节励磁电流调节励磁电流来改善电来改善电网的功率因数。网的功率因数。 近年来，小型同步电动机在变频调速系统近年来，小型同步电动机在变频调速系统中得到较多地应用。中得到较多地应用。 v还作为还作为同步补偿机同步补偿机（也称（也称调相机调相机）用。）用。 同步补偿机实际是一台接在交流电网上空同步补偿机实际是一台接在交流电网
5、上空载的同步电动机，电机不带任何机械负载，靠载的同步电动机，电机不带任何机械负载，靠调调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者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容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。节电网电压的目的。 vv主要介绍同步电机的结构、分析方法、运行特性和主要介绍同步电机的结构、分析方法、运行特性和主要介绍同步电机的结构、分析方法、运行特性和主要介绍同步电机的结构、分析方法、运行特性和它的各种参数。它的各种参数。它的各种参数。它的各种参数。第十四章第十四章 三相同步发电机的三相同步发电机的基本工作原理与结构基
6、本工作原理与结构 第一节第一节 三相同步发电机的基三相同步发电机的基本工作原理及分类本工作原理及分类 一一. . 三相同步发电机的基本工作原理三相同步发电机的基本工作原理 v同步发电机同步发电机(synchronous generator)(synchronous generator)是将机械能转是将机械能转变为交流电能的设备。变为交流电能的设备。 在火电厂，发电机用汽轮机作原动机，称为在火电厂，发电机用汽轮机作原动机，称为汽汽轮发电机轮发电机；在核电站是以核反应堆来代替火电站的；在核电站是以核反应堆来代替火电站的锅炉，原动机仍然是汽轮机；锅炉，原动机仍然是汽轮机； 在水电厂，发电机用水轮机作
7、原动机，称为在水电厂，发电机用水轮机作原动机，称为水水轮发电机轮发电机； 有的地方用柴油机用作原动机，称为有的地方用柴油机用作原动机，称为柴油发电柴油发电机机。 等等等等vv定子上嵌放有定子上嵌放有定子上嵌放有定子上嵌放有对称对称对称对称三相绕组三相绕组三相绕组三相绕组a-xa-xa-xa-x、b-yb-yb-yb-y、c-zc-zc-zc-z。vv转子绕组通以直流电流形成分转子绕组通以直流电流形成分转子绕组通以直流电流形成分转子绕组通以直流电流形成分布布布布励磁励磁励磁励磁磁场，匝链定子上的各磁场，匝链定子上的各磁场，匝链定子上的各磁场，匝链定子上的各相绕组。相绕组。相绕组。相绕组。vv原动
8、机拖动转子以恒定速度旋原动机拖动转子以恒定速度旋原动机拖动转子以恒定速度旋原动机拖动转子以恒定速度旋转，励磁磁场随转子一起旋转，转，励磁磁场随转子一起旋转，转，励磁磁场随转子一起旋转，转，励磁磁场随转子一起旋转，就得到一个机械旋转磁场，该就得到一个机械旋转磁场，该就得到一个机械旋转磁场，该就得到一个机械旋转磁场，该磁场依次切割定子各相绕组磁场依次切割定子各相绕组磁场依次切割定子各相绕组磁场依次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割（相当于绕组的导体反向切割（相当于绕组的导体反向切割（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）励磁磁场）励磁磁场）励磁磁场）。SNnIf图14-1 同步电机的结构模型转
9、子通直流电流 If励磁磁场Bf电枢感应电势（大小，频率）随转子旋转 速度nvv如果发电机接上负载，就有三相电流流过，这时发电如果发电机接上负载，就有三相电流流过，这时发电如果发电机接上负载，就有三相电流流过，这时发电如果发电机接上负载，就有三相电流流过，这时发电机将有电能的输出，实现机械能转换为交流电能。机将有电能的输出，实现机械能转换为交流电能。机将有电能的输出，实现机械能转换为交流电能。机将有电能的输出，实现机械能转换为交流电能。 SNnIfe ea ae eb be ec c二二. .同步电机的类型同步电机的类型 v同步电机的分类方法有多种，常见的有以下几种同步电机的分类方法有多种，常见
10、的有以下几种分类方法。分类方法。v按按运行方式运行方式不同分为：发电机、电动机和调相机。不同分为：发电机、电动机和调相机。v按按结构形式结构形式不同分为：电枢旋转式（简称转枢式）不同分为：电枢旋转式（简称转枢式）和磁极旋转式（简称转场式）。磁极旋转式按转和磁极旋转式（简称转场式）。磁极旋转式按转子结构不同又分为凸极式和隐极式。子结构不同又分为凸极式和隐极式。v按按安装方式安装方式不同分为：卧式和立式不同分为：卧式和立式。 v按按原动机类型原动机类型不同分为：汽轮发电机、水轮发电机、不同分为：汽轮发电机、水轮发电机、燃气轮发电机、柴油发电机等等。燃气轮发电机、柴油发电机等等。v按按冷却介质冷却介
11、质不同分为：空气冷却、氢气冷却、水冷不同分为：空气冷却、氢气冷却、水冷却等。却等。 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 v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，适合于中速或低速旋转场合（水轮发电机）（水轮发电机） 隐极同步电机在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，适合于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：汽轮发电机高速旋转：汽轮发电机v核电站用的汽轮发电机在构造上与常规火电站用的核电站
12、用的汽轮发电机在构造上与常规火电站用的大同小异，所不同的是由于蒸汽压力和温度都较低，大同小异，所不同的是由于蒸汽压力和温度都较低，所以同等功率机组的汽轮机体积比常规火电站的大。所以同等功率机组的汽轮机体积比常规火电站的大。 一一. .汽轮发电机结构汽轮发电机结构 v火电厂火电厂(heat-engine plant)(heat-engine plant)的生产现场如图的生产现场如图14-314-3，汽轮机作为原动机，驱动同步发电机旋转，励磁机汽轮机作为原动机，驱动同步发电机旋转，励磁机（或自动励磁调节器）给同步发电机提供励磁电流。（或自动励磁调节器）给同步发电机提供励磁电流。 汽轮机汽轮机汽轮机
13、汽轮机 同步发电机同步发电机同步发电机同步发电机 励磁机励磁机励磁机励磁机 火电厂的生产现场火电厂的生产现场火电厂的生产现场火电厂的生产现场图图14-4 14-4 国产国产300MW300MW汽轮发电机外汽轮发电机外( (turbonatorturbonator) )形结构图。形结构图。v图图14-514-5是一台汽轮发电机的主要部件图。是一台汽轮发电机的主要部件图。 300MW300MW水氢冷发电机结构水氢冷发电机结构隐极同步电机结构实物图隐极同步电机结构实物图隐极同步电机结构实物图隐极同步电机结构实物图大型汽轮发电机定子铁心槽大型汽轮发电机定子铁心槽大型汽轮发电机定子铁心槽大型汽轮发电机定
14、子铁心槽汽轮发电机完工后的定子汽轮发电机完工后的定子汽轮发电机完工后的定子汽轮发电机完工后的定子汽轮发电机结构汽轮发电机结构汽轮发电机结构汽轮发电机结构 定子铁心定子铁心定子铁心定子铁心思考：定子铁心为什么一般要用思考：定子铁心为什么一般要用思考：定子铁心为什么一般要用思考：定子铁心为什么一般要用0.35/0.5mm0.35/0.5mm0.35/0.5mm0.35/0.5mm的硅钢片的硅钢片的硅钢片的硅钢片叠裝？叠裝？叠裝？叠裝？ 汽轮发电机结构汽轮发电机结构 定子绕组定子绕组汽轮发电机结构汽轮发电机结构: :： 定子绕组下线定子绕组下线“半组式半组式”结构，即将一个线圈的两个线圈边分开来制造
15、，嵌结构，即将一个线圈的两个线圈边分开来制造，嵌入槽中后，再将其端接部分焊接起来。入槽中后，再将其端接部分焊接起来。2 2转子转子v 发电机的转子发电机的转子(rotor)(rotor)的作用是传递原动机供给的作用是传递原动机供给的机械能、支撑旋转的励磁线圈、形成良好的磁通的机械能、支撑旋转的励磁线圈、形成良好的磁通路径和转子散热通道，因此对转子路径和转子散热通道，因此对转子结构、材料和加结构、材料和加工工艺要求较高。工工艺要求较高。v汽轮发电机的转子是由转于铁心、转子绕组、端环汽轮发电机的转子是由转于铁心、转子绕组、端环以及滑环、风扇等部件组成，如图以及滑环、风扇等部件组成，如图14-914
16、-9。 转子绕组的通风口转子绕组的通风口 护环护环 中心环中心环 风扇风扇 14-914-9汽轮发电机转子外形汽轮发电机转子外形 护环护环用来套在转子绕组瑞部用来套在转子绕组瑞部外面，防止径向位移，外面，防止径向位移，中心中心环环则用来阻止轴向位移。则用来阻止轴向位移。汽轮发电机结构汽轮发电机结构汽轮发电机结构汽轮发电机结构 NS+隐极式隐极式隐极同步电机的主要部件隐极同步电机的主要部件汽轮发电机转子加工汽轮发电机转子加工汽轮发电机转子加工汽轮发电机转子加工3.3.其他部件其他部件v滑环与电刷滑环与电刷的作用是将外界的直流电引入到转动的励磁的作用是将外界的直流电引入到转动的励磁绕组。绕组。v电
17、刷是电机中最易损坏和维护工作量最大的零件，汽轮电刷是电机中最易损坏和维护工作量最大的零件，汽轮发电机一般采用石墨或电化石墨电刷。为使两滑环磨损发电机一般采用石墨或电化石墨电刷。为使两滑环磨损均匀，在运行中要定期改变滑环的极性。均匀，在运行中要定期改变滑环的极性。 v风扇风扇的作用是使电机内部通风冷却一般装在转子的作用是使电机内部通风冷却一般装在转子两瑞，当发电机运行时，风扇随转子而转动，使冷两瑞，当发电机运行时，风扇随转子而转动，使冷却气体流过线圈和铁心，带走热量。却气体流过线圈和铁心，带走热量。4.4.同步发电机的冷却方式同步发电机的冷却方式v常用的冷却介质有常用的冷却介质有空气、氢气和水空
18、气、氢气和水。v目前发电机的冷却方式有：目前发电机的冷却方式有： 空气冷却空气冷却；水；水- -氢氢- -氢，即定子绕组用水冷却，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；转子绕组采用氢内冷，定子铁心为氢冷； 水水- -水水- -氢氢，即定子绕组和转子绕组用水冷却，定，即定子绕组和转子绕组用水冷却，定子铁心为氢冷。子铁心为氢冷。 由于氢气的密度仅为空气的由于氢气的密度仅为空气的1/41/4，导热性能比空，导热性能比空气好气好6 6倍，其冷却效果比空气好，所以，大容量同步倍，其冷却效果比空气好，所以，大容量同步发电机采用水发电机采用水- -氢氢- -氢。氢。 二二. .水轮发电
19、机水轮发电机 v水轮发电机水轮发电机(hydro-generator)(hydro-generator)的主要结构型式有卧的主要结构型式有卧式、立式和灯泡贯流式，如图式、立式和灯泡贯流式，如图14-1314-13。v通常小容量水轮发电机多采用卧式结构，中等容量通常小容量水轮发电机多采用卧式结构，中等容量水轮发电机采用立式或卧式结构，而大容量水轮发水轮发电机采用立式或卧式结构，而大容量水轮发电机则广泛采用立式结构。电机则广泛采用立式结构。 （a a）立式水轮发电机）立式水轮发电机 ( (b b) )卧式水轮发电机卧式水轮发电机 ( (c c) ) 灯泡贯流式水轮发电机灯泡贯流式水轮发电机 图图1
20、4-13 14-13 水轮发电机的三种结构形式水轮发电机的三种结构形式 凸极同步电机凸极同步电机凸极同步电机凸极同步电机结构实物图结构实物图结构实物图结构实物图水轮发电机定子分段铁心水轮发电机定子分段铁心水轮发电机定子分段铁心水轮发电机定子分段铁心带阻尼绕组的凸极同步电机转子带阻尼绕组的凸极同步电机转子带阻尼绕组的凸极同步电机转子带阻尼绕组的凸极同步电机转子NSNS+凸极式凸极式凸极同步电机凸极同步电机凸极同步电机凸极同步电机 凸极同步电机转子由磁极、励磁线圈、磁轭和阻尼绕凸极同步电机转子由磁极、励磁线圈、磁轭和阻尼绕凸极同步电机转子由磁极、励磁线圈、磁轭和阻尼绕凸极同步电机转子由磁极、励磁线
21、圈、磁轭和阻尼绕组等部分构成。组等部分构成。组等部分构成。组等部分构成。 凸极同步电机的定子结构与隐极同步电机或异步电机的凸极同步电机的定子结构与隐极同步电机或异步电机的凸极同步电机的定子结构与隐极同步电机或异步电机的凸极同步电机的定子结构与隐极同步电机或异步电机的基本相同，所不同的只是转子结构。基本相同，所不同的只是转子结构。基本相同，所不同的只是转子结构。基本相同，所不同的只是转子结构。第四节第四节 同步发电机的型号与额定值同步发电机的型号与额定值 我国生产的我国生产的汽轮发电机有汽轮发电机有QFQQFQ、QFNQFN、QFSQFS等系列。等系列。前两个字母表示汽轮发电机；第三个字母表示冷
22、却方式，前两个字母表示汽轮发电机；第三个字母表示冷却方式，Q Q表表示氢外冷，示氢外冷，N N表示氢内冷，表示氢内冷，S S表示双水内冷。表示双水内冷。系列：系列：TSTS系列，系列，T T表示同步，表示同步，S S表示水轮。表示水轮。举例：举例：QFS-300-2 QFS-300-2 表示容量为表示容量为300MW300MW双水内冷双水内冷2 2极汽轮发电机。极汽轮发电机。TSS1264/160-48TSS1264/160-48表示双水内冷水轮发电机，定子外径为表示双水内冷水轮发电机，定子外径为12641264厘米，铁心长为厘米，铁心长为160160厘米，极数为厘米，极数为4848。同步电动
23、机系列有同步电动机系列有TDTD、TDLTDL等，等，TDTD表示同步电动机，后面的字表示同步电动机，后面的字母指出其主要用途。如母指出其主要用途。如TDGTDG表示高速同步电动机；表示高速同步电动机；TDLTDL表示立表示立式同步电动机。式同步电动机。同步补偿机为同步补偿机为TTTT系列。系列。2.2.额定值额定值 额定容量额定容量S SN N( (VAVA、kVAkVA、MVAMVA等等) ) 或额定功率或额定功率P PN N ( (W W、kWkW、MWMW等等) )：指电机输出功率的保证值。：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，通发电机通过额定容量值可以确定
24、电枢电流，通过额定功率可以确定配套原动机的容量。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电动机的额定容量一般用kWkW数表示，补偿机则数表示，补偿机则用用kVARkVAR表示。表示。 额定电压额定电压 U UN N( (V V、kVkV等等) )：指额定运行时定子输：指额定运行时定子输出端的线电压。出端的线电压。 额定电流额定电流I IN N ( (A A、kAkA) ) ：指额定运行时定子的线电流。：指额定运行时定子的线电流。 额定功率因数额定功率因数coscos N N：额定运行时电机的功率因数。：额定运行时电机的功率因数。 额定频率额定频率f fN N：额定运行时电机
25、电枢输出端电能的频率，：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我国标准工业频率规定为50Hz50Hz。 额定转速额定转速n nN N ：额定运行时电机的转速，即同步转速。：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它的运行数据，例如额定负载时的温升t tN N 、励磁容量、励磁容量P PfNfN和励磁电压和励磁电压U UfNfN等。等。例题例题14-1 14-1 一台一台QFS-300-2QFS-300-2的汽轮发电机，的汽轮发电机，U UN N=18kV=18kV，f fN N=50Hz=50Hz，试求，试求:(1:(1）发电机的额定电流；（）发电机的额定电流；（2 2）发电机在额定）发电机在额定运行时能发多少有功和无功？运行时能发多少有功和无功？解解:(1:(1）额定电流）额定电流（2 2）无功及有功）无功及有功与与p140p140例题例题8-18-1比较比较
