同步电机原理及结构.doc

第15章 同步电机原理和结构
15-1 同步电机原理简述

一、结构模型（图15-1）
· 定子上有三相对称交流绕组（电枢绕组）
· 转子上有成对磁极/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)。
· 定转子之间的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。
二、工作原理（动画15021）
· 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，即主磁场。
·  切割磁力线：原动机拖动转子旋转(给电机输入机械能),主磁场随轴旋转并顺次被电枢各相绕组切割。
· 交变电势的产生：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:
E0=4.44f NΦf kw　            　(15.1)     
· 感应电势频率:
f =pn/60  　           　　　  (15.2)     
· 交变性与对称性
三、同步转速
· 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:
    n =60f/p=3000/p　 　　 　　(15.3)    
· 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。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。
四、运行方式
发电机/电动机/补偿机 

15-2 同步发电机型式和结构
一、转子型式
· 同步电机的定子结构与异步电机相似。而转子结构有着自己的特点。
· 根据原动机的特点(汽轮机/水轮机)，同步电机的转子也制成两种型式与之配套。
· 凸极式/隐极式转子结构特点。
· 凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈。多极电机做成凸极结构和工艺较为简单，所以凸极电机与转速很低的水轮机配套
· 隐极式转子上没有凸出的磁极。转子本体表面开有槽，槽中嵌放励磁绕组。隐极转子适合于2极高速电机，常与大容量高转速汽轮机(线速度可达170米/秒)配套。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。.
二、结构特点
· 汽轮发电机
定子铁心叠片结构/圆形/扇形冲片。
机座由钢板焊接而成/强度/刚度/通风/散热。
定子绕组要有足够的绝缘强度(高压)，一般采用 B 级或 F 级绝缘。
转子采用隐极式。细长/铣槽/同心式励磁绕组/不导磁槽楔。

· 水轮发电机
极数多/直径大/轴向长度短/立式。
定子铁心由扇形电工钢片拼叠。径向通风沟。
转子采用凸极式/磁极由厚度为1～2mm的钢片叠成/阻尼绕组(起动绕组)抑制短路电流和减弱电机振荡/磁极与磁极轭部采用 T 形或鸽尾形连接。
三、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。

　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，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。
静止整流器励磁(图)
· 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。

旋转整流器励磁(图)
· 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。
· 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。
15-3 同步电机的额定值和型号
一、额定值
· 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。
· 额定电压 UN(V,kV等) ：指额定运行时定子输出端的线电压。
· 额定电流IN(A)：指额定运行时定子的线电流。
· 额定功率因数cosjN 额定运行时电机的功率因数。
· 额定频率fN(Hz)：额定运行时电机电枢端电能的频率，我国标准工业频率规定为50Hz。
· 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，同步电机铭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tN、励磁容量PfN和励磁电压UfN等。
二、国产同步电机型号
· 汽轮发电机有QFQ、QFN、QFS等系列，前两个字母表示汽轮发电机；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。
· 大型水轮发电机为TS系列，T表示同步，S表示水轮。
· 举例：
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。
· 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