电机学CAI-同步机(十五章)2013

1、第四篇第四篇 同同 步步 电电 机机 福州大学福州大学 电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院 电机学教研组电机学教研组 电机学多媒体课件系列电机学多媒体课件系列 2013.8 第十五章第十五章 同步电机的基本结构和工作原理同步电机的基本结构和工作原理 第一节第一节 同步电机的基本结构形式同步电机的基本结构形式 第二节第二节 同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理 第三节第三节 同步电机的励磁系统同步电机的励磁系统 第四节第四节 同步电机的额定值同步电机的额定值 目目 录录 第十五章第十五章 同步电机的基本结构和工作原理同步电机的基本结构和工作原理 2 2、基本特点：电机转子转速、基本

2、特点：电机转子转速n n、定子电流频率、定子电流频率f f和磁极和磁极 对数对数p p之间的关系之间的关系: : 3 3、主要用途：、主要用途： 主要用作发电机主要用作发电机产生单、三相交流电。产生单、三相交流电。 同步电动机同步电动机用于无需调速大功率机械中用于无需调速大功率机械中, ,能改善电网的功率因数。能改善电网的功率因数。 同步补偿机同步补偿机实质上是一台空转的同步电动机实质上是一台空转的同步电动机, ,靠调节励磁电流向靠调节励磁电流向 电网输送无功功率，改善电网的功率因数。电网输送无功功率，改善电网的功率因数。 p f nn 60 1 (r/min)(r/min) 当当f=50Hz

3、f=50Hz时，时，p=1p=1、2 2、3 3、4 4、5 5 则：则： n=n1=3000n=n1=3000、15001500、10001000、750750、600600 1 1、定义：由电磁感应原理而工作的一种、定义：由电磁感应原理而工作的一种旋转旋转电机。电机。 它是一种它是一种交流交流电机电机。 凸极式凸极式: : 第一节第一节 同步电机的基本结构形式同步电机的基本结构形式 一、基本结构型式一、基本结构型式 隐极式隐极式: 同步电机同步电机 ( (结构形式结构形式) ) a)a)旋转磁极式旋转磁极式 磁极装在转子磁极装在转子 上上, ,电枢绕组放电枢绕组放 在定子上。在定子上。 b

4、)b)旋转电枢式旋转电枢式: : 磁极装在定子磁极装在定子 上，电枢绕组上，电枢绕组 放在转子上放在转子上 a a）旋转磁极式）旋转磁极式 ：转子上装有磁极铁芯和励磁绕组：转子上装有磁极铁芯和励磁绕组, ,当当 励磁绕组通以直流电流后，电机内将产生转子磁场。励磁绕组通以直流电流后，电机内将产生转子磁场。 电枢：高电压、大电流，装在定子便于引出电枢：高电压、大电流，装在定子便于引出 磁极磁极( (励磁励磁) )：电流小，通过电刷引入转子方便：电流小，通过电刷引入转子方便 因此，同步电机一般都采用旋转磁极式结构。因此，同步电机一般都采用旋转磁极式结构。 凸极式凸极式: :气隙不均匀，气隙不均匀，集

5、中励磁集中励磁 绕组；绕组；极弧下较小而极间较大，极弧下较小而极间较大， 适合于中速或低速旋转场合。适合于中速或低速旋转场合。 隐极式隐极式:气隙均匀，励磁绕组分布于转气隙均匀，励磁绕组分布于转 子表面槽内，转子机械强度高，适合子表面槽内，转子机械强度高，适合 高速旋转场合。高速旋转场合。 S N X2 A1A1A2 N SS X1 X1 N S N X2 A1A1A2 N SS X1 X1 N b)b)旋转电枢式旋转电枢式: :机座上装有磁极铁机座上装有磁极铁 芯和励磁绕组芯和励磁绕组, ,当励磁绕组通以直当励磁绕组通以直 流电流后，电机内将产生定子磁场；流电流后，电机内将产生定子磁场； 电

6、枢绕组在转子上电枢绕组在转子上 。 用于小容量或特殊用途同步电机。如同步电机的交流励磁机用于小容量或特殊用途同步电机。如同步电机的交流励磁机. 与感应电机一样，同步电机也是由定子及转子两大部分所与感应电机一样，同步电机也是由定子及转子两大部分所 组成，定子上有三相交流绕组；转子上则有励磁绕组，通入直组成，定子上有三相交流绕组；转子上则有励磁绕组，通入直 流电流后，能产生磁场。流电流后，能产生磁场。 定子定子: :同步电机的定子有时也称为同步电机的定子有时也称为电枢电枢，由定子铁芯、电枢三，由定子铁芯、电枢三 相绕组、机座和相绕组、机座和电刷电刷等部件所组成。等部件所组成。 二、同步电机的构造特

7、点二、同步电机的构造特点 N S N S + AA BC CB 定子铁芯定子铁芯 定子绕组定子绕组 转子磁极铁芯转子磁极铁芯 转子励磁绕组转子励磁绕组 电刷电刷 集电环集电环 （滑环）（滑环） 气隙气隙 转子转子 定子定子 同步电机组成：定子、同步电机组成：定子、( (气隙气隙) )、转子、转子 转子转子: :由磁极、转轴、励磁绕组、阻尼绕组、滑环等组由磁极、转轴、励磁绕组、阻尼绕组、滑环等组 成。通过电刷和滑环通入直流电励磁，产生机械成。通过电刷和滑环通入直流电励磁，产生机械磁场磁场。 转子有转子有隐极式和凸极式隐极式和凸极式两种两种。 （一）定子（一）定子 : : 铁芯、定子绕组、机座及其

8、他固定部件铁芯、定子绕组、机座及其他固定部件 定子铁定子铁芯芯:由由0.350.350.5mm0.5mm硅钢片冲制后叠装而成。硅钢片冲制后叠装而成。 大型大型: :同步电机冲片外圆同步电机冲片外圆( (直径大于直径大于1m1m时时),),由于材料尺由于材料尺 寸的限制，必须做成扇形冲片，然后按圆周拼装而成寸的限制，必须做成扇形冲片，然后按圆周拼装而成; ; 采用矩形开口槽采用矩形开口槽, ,设有径向通风道。设有径向通风道。 小型小型: :同步电机由整型冲片叠压成，半开口槽。同步电机由整型冲片叠压成，半开口槽。 大型电大型电 机冲片机冲片 小型电小型电 机冲片机冲片 定子嵌线定子嵌线 定子绕组定

9、子绕组：双层（短距）对称三相绕组。大型电机：双层（短距）对称三相绕组。大型电机 常采用扁铜线成型线圈绕制嵌入常采用扁铜线成型线圈绕制嵌入 ；槽口、端部必须；槽口、端部必须 固定；大容量汽轮发电机常用高压（固定；大容量汽轮发电机常用高压（1824kv)1824kv)线圈，线圈， 要防电腐、电晕。要防电腐、电晕。 汽轮机定子汽轮机定子 (隐)外机座加工 机座机座：主要用于：主要用于 固定定子铁芯，固定定子铁芯， 起支撑作用。起支撑作用。 小型机座可小型机座可 根据发电机安装根据发电机安装 结构需要，由铸结构需要，由铸 铁铸造而成。铁铸造而成。 大型发电机大型发电机 机座常由钢板焊机座常由钢板焊 接

10、而成。接而成。 水轮机定子机座水轮机定子机座 其他部件其他部件：端盖、轴承盖、隔振结构等：端盖、轴承盖、隔振结构等 汽轮机定子压入外机座汽轮机定子压入外机座 1 1、隐极式转子结构（汽轮发电机）、隐极式转子结构（汽轮发电机） 隐极式同步发电机一般采用汽轮机作原动机驱动。汽轮隐极式同步发电机一般采用汽轮机作原动机驱动。汽轮 机转速高，离心力大，受转子材料机械强度限制，转子直径机转速高，离心力大，受转子材料机械强度限制，转子直径 限制在限制在1m1m左右左右, ,用增大长度来增大容量。用增大长度来增大容量。通常转子长通常转子长/ /径径 比：比： ，容量越大比值亦越大。，容量越大比值亦越大。 （二

11、）转子（二）转子 65 .2 D L 汽轮发电机汽轮发电机( (隐极机隐极机) 的构造特点：的构造特点：发电机极对数发电机极对数p2p2；隐；隐 极式，气隙均匀；转子铁芯细而长，极式，气隙均匀；转子铁芯细而长，因此均为卧式安装结构。因此均为卧式安装结构。 汽轮发电机的转子主要由转轴、转子铁芯、励磁绕组、集汽轮发电机的转子主要由转轴、转子铁芯、励磁绕组、集 电环电环( (引入励磁电流引入励磁电流) )、护环、风扇等部件构成。、护环、风扇等部件构成。 汽轮发电机转子加工汽轮发电机转子加工 转子铁芯材料：转子铁芯材料：要求有良好的导磁性能；高的机械强度。要求有良好的导磁性能；高的机械强度。 常用整块

12、高强度合金钢锻成常用整块高强度合金钢锻成, ,沿转子表面约沿转子表面约2/32/3部分铣有部分铣有 轴向凹槽，用于嵌放励磁绕组轴向凹槽，用于嵌放励磁绕组, ,不开槽的大齿为转子主不开槽的大齿为转子主 磁极。磁极。 转子绕组转子绕组： a)a)励磁绕组励磁绕组: :由扁铜线绕成同心式线圈由扁铜线绕成同心式线圈; ; b) b)阻尼绕组阻尼绕组: :放置在每槽槽契与导体之间或大齿上专门放置在每槽槽契与导体之间或大齿上专门 铣出的槽里铣出的槽里, ,与转子端环连成一短路绕组与转子端环连成一短路绕组; ; 阻尼绕组作用阻尼绕组作用: :正常运行不起作用正常运行不起作用, ,当电机发生振荡时当电机发生振

13、荡时, , 阻尼绕组中的电流能使振荡衰减，抑制转子机械振荡。阻尼绕组中的电流能使振荡衰减，抑制转子机械振荡。 c)c)转轴、风扇、集电环转轴、风扇、集电环( (引入励磁电流引入励磁电流) ) 汽轮发电机转子结构汽轮发电机转子结构 汽轮发电机转子槽形汽轮发电机转子槽形 2 2凸极式转子结构凸极式转子结构 通常通常分卧式结构分卧式结构和和立式结构立式结构两类。两类。 卧式结构卧式结构 立式立式结构结构 卧式结构卧式结构 ：同步电动机、补偿机和用同步电动机、补偿机和用 内燃机或冲击式水轮机拖动的同步发内燃机或冲击式水轮机拖动的同步发 电机都电机都采用卧式结构采用卧式结构 。 立式结构：立式结构：低速

14、、低速、 大容量的水轮发大容量的水轮发 电机和大型水泵电机和大型水泵 用同步电动机则用同步电动机则 采用立式结构安采用立式结构安 装。装。 吊装中的水轮吊装中的水轮 发电机转子发电机转子(凸凸 极极)(320MW) 凸极式转子凸极式转子: :由转轴、由转轴、转子支架、转子支架、磁轭、磁极、励磁绕磁轭、磁极、励磁绕 组及阻尼绕构成。组及阻尼绕构成。 转轴转轴: :传递转矩传递转矩,40#,40#或或50#50#和和20 SiMn20 SiMn等高强度钢锻成，等高强度钢锻成， 大型电机通常做成空心轴，以减轻重量。大型电机通常做成空心轴，以减轻重量。 磁极铁芯磁极铁芯: :由由1 12mm2mm的钢

15、板冲制成冲片叠压铆固成，在的钢板冲制成冲片叠压铆固成，在 高速电机中则采用实心磁极，构成磁路。高速电机中则采用实心磁极，构成磁路。 励磁绕组：励磁绕组：由扁铜线绕成由扁铜线绕成 同心式线圈套在磁极铁芯同心式线圈套在磁极铁芯 上，上，通入直流电励磁，产通入直流电励磁，产 生机械磁场生机械磁场。 T形尾槽 转轴 阻尼条 励磁绕组 磁极 磁轭 螺杆 磁极铁芯磁极铁芯 转子支架转子支架: :轴与转子磁轭之间过度结构（水轮发电）。轴与转子磁轭之间过度结构（水轮发电）。 阻尼绕组：阻尼绕组：由插入主极极靴槽中的铜条和两端的端环由插入主极极靴槽中的铜条和两端的端环 焊成的一个闭合绕组构成，当电机发生振荡时焊

16、成的一个闭合绕组构成，当电机发生振荡时, ,阻尼阻尼 绕组中的电流能使振荡衰减，抑制转子机械振荡。绕组中的电流能使振荡衰减，抑制转子机械振荡。 磁轭：磁轭：用钢锭加工或钢板冲用钢锭加工或钢板冲 成扇形片交错叠成成扇形片交错叠成, ,用来固用来固 定磁极并构成磁路。定磁极并构成磁路。 T形尾槽 转轴 阻尼条 励磁绕组 磁极 磁轭 螺杆 磁磁 轭轭 3 3、凸极式转子结构（水轮发电机）构造特点、凸极式转子结构（水轮发电机）构造特点 原动机是水轮机原动机是水轮机; ; 转速低转速低、 径大多极径大多极、极对数、极对数p3p3；有明；有明 显的磁极（凸极式）显的磁极（凸极式）, ,气隙不均气隙不均 匀

17、；匀；轴向短扁式轴向短扁式( )( )，采，采 用用竖轴安装竖轴安装立式结构。立式结构。 1 . 0 D L 定子定子: :同一般交流发电机相似同一般交流发电机相似, ,但是但是: : a) a)由于直径大由于直径大, ,为便于运输为便于运输, ,定子做成四或六定子做成四或六 块等到电厂拼装块等到电厂拼装; ; b) b)由于其极数多由于其极数多,q,q值小值小, ,为改善电压波形为改善电压波形, ,常常 用分数槽绕组用分数槽绕组. .大容量水轮发电机为省极间联接线大容量水轮发电机为省极间联接线, , 一般采用单匝波绕组一般采用单匝波绕组. . 汽轮发电机组汽轮发电机组 水水 轮轮 发发 电电

18、 机机 组组 N S N S + N S + 隐极式隐极式 （Salient-pole） 凸极式凸极式 （Cylindrical-Rotor） 类型类型隐极式隐极式凸极式凸极式 定子定子铁芯铁芯+ +三相对称绕组三相对称绕组铁芯铁芯+ +三相对称绕组三相对称绕组 转子磁极转子磁极 细长圆柱形，圆周上铣有细长圆柱形，圆周上铣有 大齿、小齿（大齿、小齿（1 1：2 2） 凸极形状凸极形状 转子绕组转子绕组分布分布集中集中 气隙气隙均匀均匀极弧下小、极间大极弧下小、极间大 速度速度高速高速低速低速 应用应用汽轮发电机（汽轮发电机（p2)p2)水轮发电机水轮发电机(p3)(p3) 总结对比总结对比:

19、: 直流励磁旋转磁场直流励磁旋转磁场 由外力驱动旋转的，由外力驱动旋转的， 故也称机故也称机械旋转磁场械旋转磁场。 第二节第二节 同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理 其磁势幅值为：其磁势幅值为： fff FI N 一两种旋转磁场一两种旋转磁场: : 1 1直流励磁的旋转磁场直流励磁的旋转磁场 : :当励磁绕组通入直流当励磁绕组通入直流 励磁电流时励磁电流时, , 磁极将产生直流励磁磁动势。原动机磁极将产生直流励磁磁动势。原动机 拖动转子以同步速旋转时，直流励磁磁场随之旋转，拖动转子以同步速旋转时，直流励磁磁场随之旋转， 在气隙中形成一个旋转磁场。在气隙中形成一个旋转磁场。 f F Y

20、bj2.swf 2 2、交流励磁的旋转磁场、交流励磁的旋转磁场 ：当定子三相对称绕组当定子三相对称绕组 流过对称的三相交流电流时，将在气隙中产生一个流过对称的三相交流电流时，将在气隙中产生一个 旋转磁动势建立旋转磁场，旋转磁动势建立旋转磁场， 也称也称电枢旋转磁场。电枢旋转磁场。 aF 其基波磁势为：其基波磁势为： aN1 2 cos() N fmk Itx p P104(8-22)P104(8-22) 基波磁场转速为：基波磁场转速为： p f n 60 1 基波旋转磁场总是从超前电流相相轴转向滞后电流相相轴。基波旋转磁场总是从超前电流相相轴转向滞后电流相相轴。 那相电流达到最大值那相电流达到

21、最大值,Fa,Fa就恰在该相轴线上就恰在该相轴线上. . C相轴 Z n B相轴 B q Fa Y A Ff 1d X C SN n A相轴 同步电机工作原理示意图同步电机工作原理示意图 a)a)作发电机运行时，转作发电机运行时，转 子励磁磁动势子励磁磁动势 在前，在前， 电枢旋转磁场电枢旋转磁场 在后。在后。 a F f1 F b)b)作电动机运行时，电作电动机运行时，电 枢旋转磁场枢旋转磁场 在前，在前， 转子励磁磁场转子励磁磁场 在后。在后。 a F f1 F 两种旋转磁场两种旋转磁场 、 只要空间有位移只要空间有位移, ,便会产生电磁便会产生电磁 力力. .它们间作用力的方向就决定同步

22、电机的运行方式它们间作用力的方向就决定同步电机的运行方式. . aF fF 与与 始终同速同向旋转，在空间保持始终同速同向旋转，在空间保持相对静止。相对静止。 空载时气隙磁场：空载时气隙磁场： ；负载后气隙磁场；负载后气隙磁场 。 a F f1 F f1 FF af1 FFF N1 (Fa) S2(Ff) N1(Fa) S S2(2(F Ff f ) ) 0 e T 1 n 1 n e T 1 n N1(Fa) S2(Ff) 定子定子 发电机发电机: 转子磁极磁场转子磁极磁场F Ff f超前于电枢磁场超前于电枢磁场FaFa 外力驱动转子外力驱动转子, ,电磁力电磁力TeTe是阻力矩。是阻力矩。

23、 补偿机补偿机: : 电动机电动机: : 电枢磁场电枢磁场FaFa超前于转子磁极磁场超前于转子磁极磁场F Ff f 电磁力电磁力TeTe驱动转子驱动转子, ,负载是阻力矩负载是阻力矩 定子定子 定子定子 =0 e T 阻力阻力 驱动力驱动力 转子转子 转子转子 转子转子 第三节第三节 同步电机的励磁系统同步电机的励磁系统 励磁系统励磁系统为同步电机提供为同步电机提供励磁电流励磁电流的整个系统的整个系统 a)a)直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统 b)b)交流励磁机整流励磁系统交流励磁机整流励磁系统 静止整流励磁静止整流励磁 旋转整流励磁旋转整流励磁 自励式自励式: :三次谐波励磁等三次谐波励

24、磁等 2 2、励磁系统分类、励磁系统分类 1 1、励磁系统应满足的条件（、励磁系统应满足的条件（P193P193）：）： 能稳定提供发电机从空载到满载能稳定提供发电机从空载到满载( (及过载及过载) )所需的所需的I If f。 。 当电网电压减小时当电网电压减小时, ,能快速强行励磁能快速强行励磁, ,提高系统稳定性。提高系统稳定性。 发电机突然甩负荷时能快速减磁，限制电压过高。发电机突然甩负荷时能快速减磁，限制电压过高。 当电机内部发生短路故障时当电机内部发生短路故障时, ,能快速灭磁。能快速灭磁。 运行可靠运行可靠, ,维护方便维护方便, ,简单简单, ,经济。经济。 多台并联运行时，能

25、够配合多台并联运行时，能够配合合理合理调节无功功率。调节无功功率。 一、直流励磁机励磁系统一、直流励磁机励磁系统 直流励磁机与同步发电机同轴直流励磁机与同步发电机同轴, ,当发电机转当发电机转 起来后起来后, ,励磁机就可发出直流电。一般最常用直流励磁机就可发出直流电。一般最常用直流 并励发电机并励发电机; ;也有采用它励直流发电机。也有采用它励直流发电机。 发电机励磁线圈发电机励磁线圈: : Rf r1 直流并励发电机励磁系统直流并励发电机励磁系统 交流副励磁机500Hz 交流主励磁机100Hz 主发电机 自动电压调节器 同轴连接 电压输出 图12-11 他励式静止整流励磁系统 二、交流励磁

26、机整流励磁系统二、交流励磁机整流励磁系统 大容量发电机大容量发电机, ,一般采用交流励磁机与整流装置相配合一般采用交流励磁机与整流装置相配合 共同构成励磁系统给主发电机提共励磁电流共同构成励磁系统给主发电机提共励磁电流. .根据整流装置根据整流装置 的放置又可分为的放置又可分为: :静止整流励磁静止整流励磁和和旋转整流励磁旋转整流励磁. . 1 1 、静止整流励磁系统、静止整流励磁系统( (他励他励) ) 主发电机励磁主发电机励磁: : 2 2 、旋转整流励磁系统、旋转整流励磁系统( (无刷励磁系统无刷励磁系统) ) 主励磁机采用旋转电枢式三相同步发电机主励磁机采用旋转电枢式三相同步发电机 无电刷和集电环，运行可靠，适用于防燃防爆场合无电刷和集电环，运行可靠，适用于防燃防爆场合 但灭磁时间常数大，转子绕组保护困难但灭磁时间常数大，转子绕组保护困难 交流副励磁机500Hz 图12-12