同步电机的基本类型与结构

1、第第 四四 篇篇同同 步步 电电 机机 作为发电机时，有原动机拖动，电枢作为发电机时，有原动机拖动，电枢相对磁极励磁磁通运动，切割磁力线，相对磁极励磁磁通运动，切割磁力线，感应电动势。感应电动势。 发电的关键是磁场与导体有相对运动。发电的关键是磁场与导体有相对运动。直流发电机直流发电机+-N+-S+- 磁极转动，感应电动势的线磁极转动，感应电动势的线圈静止，是否有同样的发电效圈静止，是否有同样的发电效果？果？ 定子不变，转子改成直流电机磁极。定子不变，转子改成直流电机磁极。 原动机拖动转子磁极旋转，磁场与定原动机拖动转子磁极旋转，磁场与定子线圈有相对运动。子线圈有相对运动。 定子线圈中感应电动

2、势，输出电能。定子线圈中感应电动势，输出电能。直流发电机直流发电机+-N+-S+-+AXBZCY+-转磁式同步发电机转磁式同步发电机+AXBZCY+-同步发电机同步发电机电网电网mdpkNfE111044.4 同步电机主要用做发电机，现在工农业同步电机主要用做发电机，现在工农业所用的交流电能几乎全由同步发电机发出。所用的交流电能几乎全由同步发电机发出。 同步电机还可以用做电动机，拖动生产同步电机还可以用做电动机，拖动生产机械，尤其在不要求调速的大功率生产机机械，尤其在不要求调速的大功率生产机械中。械中。 交流电能几乎全由同步发电机发出交流电能几乎全由同步发电机发出。 同步电机还可以做同步补偿机

3、用，只同步电机还可以做同步补偿机用，只向电网发出电感性的或电容性的无功功向电网发出电感性的或电容性的无功功率，以满足电网对无功功率的需求。率，以满足电网对无功功率的需求。 了解同步发电机的结构、工作原理，为了解同步发电机的结构、工作原理，为分析同步发电机的运行性能作必要的准备。分析同步发电机的运行性能作必要的准备。 了解同步发电机电枢电动势产生的原理了解同步发电机电枢电动势产生的原理本篇学习目的和要求本篇学习目的和要求本章要点本章要点:12-1 同步电机的分类同步电机的分类12-2 同步电机的基本结构同步电机的基本结构12-3 同步电机的冷却方式同步电机的冷却方式12-4 同步电机的励磁方式同

4、步电机的励磁方式12-5 12-5 同步电机的额定值同步电机的额定值12-1 同步电机的分类同步电机的分类按用途分类按用途分类（空载时的同步电动机（空载时的同步电动机）同步发电机同步发电机同步电动机同步电动机同步调相机同步调相机XB+AZCY+-同步电动机同步电动机XB+AZCY+-同步发电机同步发电机按结构分类按结构分类旋转电枢式旋转电枢式旋转磁极式旋转磁极式为基本结构为基本结构型式，分隐型式，分隐极式和凸极极式和凸极式式很少采用很少采用+AXBZCY+-转磁式同步发电机转磁式同步发电机转枢式同步发电机转枢式同步发电机+-N+-S+AXBYCZ转枢式同步发电机转枢式同步发电机+-N+-S+A

5、XBYCZ直流发电机直流发电机+-N+-S+-按发电机的按发电机的原动机分类原动机分类用于应急电站用于应急电站汽轮发电机汽轮发电机水轮发电机水轮发电机内燃机拖内燃机拖动发电机动发电机火力发电火力发电水力发电水力发电按冷却方按冷却方式分类式分类风风 冷冷氢氢 气气 冷冷 却却水水 冷冷 却却空气冷却空气冷却或干冷或干冷超导体发电机超导体发电机12-2 12-2 同步电机的基本结构同步电机的基本结构12-2 12-2 同步电机的基本结构同步电机的基本结构一、一、定子定子（静止部分静止部分）二二 、转转 子子1 1、隐极电机结构特点、隐极电机结构特点 2 2 、凸极、凸极（磁极旋转式磁极旋转式）3、

6、什么是阻尼绕组？、什么是阻尼绕组？三、三、同步电机与其它电机的比较同步电机与其它电机的比较定子定子转子转子铁芯铁芯机座机座绕组绕组转轴转轴磁极磁极绕组绕组集电环集电环+AXBZCY+AXBZCY+-一、一、定子定子（静止部分静止部分） 同步电机定子和异步电机类似，更同步电机定子和异步电机类似，更加强通风冷却效果。加强通风冷却效果。导磁的定子铁心是由冲槽叠片叠成。导磁的定子铁心是由冲槽叠片叠成。 槽中放入三相对称绕组，定子铁心槽中放入三相对称绕组，定子铁心固定在机座上。固定在机座上。 定子绕组象异步电机一样，按定子绕组象异步电机一样，按 600 相相带带A、B、C三相空间对称分布三相空间对称分布

7、 机座构成通风路径。机座构成通风路径。 定子铁心沿轴向长度上，定子铁心沿轴向长度上，每隔每隔 36cm，留有通风沟，增，留有通风沟，增加定子铁心的散热面积。加定子铁心的散热面积。 同步发电机的定子输出电同步发电机的定子输出电功率，并产生旋转磁场。功率，并产生旋转磁场。二、二、 转转 子子分为凸极式和隐极式分为凸极式和隐极式 气隙均匀，一般极对数等于气隙均匀，一般极对数等于1 1，高速同步电机最高转，高速同步电机最高转30003000r/minr/min。1 1、隐极电机结构特点、隐极电机结构特点 转子象直流电机中的旋转子象直流电机中的旋转电枢。转电枢。 转子为一表面开槽的圆转子为一表面开槽的圆

8、柱体，槽中放入励磁绕组，柱体，槽中放入励磁绕组，无明显磁极。无明显磁极。+-气隙均匀气隙均匀转子转子定子定子 磁极旋转式，四极，磁极旋转式，四极，凸极式。凸极式。凸极电机特点凸极电机特点：有明显磁极。有明显磁极。气隙不均匀；一般极气隙不均匀；一般极对数大对数大1 1，即用于低，即用于低速电机速电机。气隙不均匀气隙不均匀2 2、凸极、凸极（磁极旋转式磁极旋转式）+-转子转子定定子子pfnn601同步电机转速：同步电机转速： 汽轮发电机极数为汽轮发电机极数为 2 2，转速高达，转速高达3000r/min3000r/min，细长。，细长。 水轮发电机极数多，转速低，短粗。水轮发电机极数多，转速低，短

9、粗。类型类型汽轮发电机汽轮发电机水轮发水轮发电机电机 原动机为高速，转子一般作成二极，原动机为高速，转子一般作成二极，隐极式，气隙均匀，容量大，则一般为隐极式，气隙均匀，容量大，则一般为定子高压，外形细长。转子铁心是实心定子高压，外形细长。转子铁心是实心（机械强度好），可不采用阻尼绕组。（机械强度好），可不采用阻尼绕组。汽轮发电机特点：汽轮发电机特点： 原动机为低速，转子一般为凸极式原动机为低速，转子一般为凸极式（多极），气隙不均匀，外形为扁圆形（直径（多极），气隙不均匀，外形为扁圆形（直径大，分卧式和立式两种）。大，分卧式和立式两种）。 凸极式转子铁心迭压而成，另外装设阻尼绕凸极式转子铁心迭

10、压而成，另外装设阻尼绕组。组。水轮发电机特点：水轮发电机特点： 19051905年年 3.5 kw3.5 kw水轮发电机发展水轮发电机发展： 19601960年年 100100兆兆 kwkw 现现 在在 10001000兆兆 kwkw3、什么是阻尼绕组？、什么是阻尼绕组？ 与异步电机鼠笼绕组相似，铜条镶嵌与异步电机鼠笼绕组相似，铜条镶嵌在凸极式铁心上，两边用铜片连成闭路。在凸极式铁心上，两边用铜片连成闭路。阻尼绕组作用？阻尼绕组作用？ 抑制并联运行时的机械震荡（形成抑制并联运行时的机械震荡（形成 阻转矩）阻转矩） 同步电动机与同步调相机起动用（即异步起动）同步电动机与同步调相机起动用（即异步起

11、动） 为什么汽轮发电机转为什么汽轮发电机转子可不采用阻尼绕组？子可不采用阻尼绕组？ 因为实心铁心中的涡因为实心铁心中的涡流能起抑制振荡作用；槽流能起抑制振荡作用；槽楔也起阻尼作用。楔也起阻尼作用。同步电机与和直流电机比较同步电机与和直流电机比较 同步电机与直流电机同步电机与直流电机都有电枢反应。都有电枢反应。 结构上的差别是，同步结构上的差别是，同步电机一般是旋转电机一般是旋转磁极式磁极式。 直流电机为旋转直流电机为旋转电枢电枢式，式，磁极是固定的。磁极是固定的。与直流电机的比较与直流电机的比较 同步电机象反装的直流同步电机象反装的直流电机。电机。12-3 12-3 同步电机的冷却方式同步电机

12、的冷却方式 随着随着同步电机单机容量不断同步电机单机容量不断提高，大型同步电机的发热问题提高，大型同步电机的发热问题严重。严重。 随着随着同步电机容量增大，大同步电机容量增大，大型同步电机采用以下冷却方法。型同步电机采用以下冷却方法。一、空气冷却电机一、空气冷却电机二二、氢气冷却电机、氢气冷却电机三三、水内冷发电机、水内冷发电机四四、超导体发电机、超导体发电机一、一、 空气冷却空气冷却 冷空气由电机两端的风扇打入冷空气由电机两端的风扇打入气体流过定子绕组端部带走热风到气体流过定子绕组端部带走热风到热风室，与总热风室汇总，进入发热风室，与总热风室汇总，进入发电机下部的空气冷却器，冷却后回电机下部

13、的空气冷却器，冷却后回到两侧端盖内的冷风进风室，再次到两侧端盖内的冷风进风室，再次进入电机内。进入电机内。总热风室总热风室空气冷却器空气冷却器冷风冷风冷风冷风冷风室冷风室冷风室可以把电机中部的难以散去的热带走。冷风室可以把电机中部的难以散去的热带走。二、二、 氢气冷却氢气冷却 （10万万KW以上采用）以上采用）氢气相对密度约为空气的十分之一，氢气相对密度约为空气的十分之一，用它代替空气可将电机通风摩擦损用它代替空气可将电机通风摩擦损耗减少耗减少90%，总损耗减少，总损耗减少3040%，提高效率。提高效率。1、2、氢气冷却散热性能较好。氢气冷却散热性能较好。氢气冷却广泛用于大、中型汽轮同步氢气冷

14、却广泛用于大、中型汽轮同步发电机中，容量超过发电机中，容量超过10万万KW时采用时采用氢内冷方式，将氢气通入定子和转子氢内冷方式，将氢气通入定子和转子槽内直接冷却导线。槽内直接冷却导线。3、4、氢气冷却要注意防爆防漏。使钢板能氢气冷却要注意防爆防漏。使钢板能承受发生意外爆炸时的压力。承受发生意外爆炸时的压力。三、水内冷三、水内冷（ 60 万万KW 130 万万KW采用）采用）1、水内冷采用的不是一般的水。、水内冷采用的不是一般的水。 火电站中发电机中采用凝结水，导火电站中发电机中采用凝结水，导电率低，化学性能稳定，流动性好。电率低，化学性能稳定，流动性好。2、水内冷的散热能力显著高于空气和氢气

15、。、水内冷的散热能力显著高于空气和氢气。3、定子实心导线通过电流，空心导体通水。、定子实心导线通过电流，空心导体通水。定定 子子转转 子子双排空心导线双排空心导线水内冷的供水循环系统水内冷的供水循环系统出出水水支支座座出出水水支支座座水水箱箱过滤器过滤器冷水器冷水器运行水泵运行水泵备用水泵备用水泵冷水从外部水系统经管道流入定冷水从外部水系统经管道流入定子，进入定子进水环和转子进水支座。子，进入定子进水环和转子进水支座。 冷水再分别经绝缘管流入各个线冷水再分别经绝缘管流入各个线圈，吸收热量后再经绝缘水管汇总到圈，吸收热量后再经绝缘水管汇总到另一端的定子出水环和转子出水支座，另一端的定子出水环和转

16、子出水支座，最后排入电机的外部水系统，冷却后最后排入电机的外部水系统，冷却后重新进入。重新进入。（四）超导体发电机（四）超导体发电机 当某种金属在极低温中冷却时就会当某种金属在极低温中冷却时就会处于电阻为零的超导电状态。处于电阻为零的超导电状态。绝对零度绝对零度:02730K 超导电状态可以不消耗电力而超导电状态可以不消耗电力而通过强大的电流，或者产生强大的通过强大的电流，或者产生强大的电流，或者产生强磁场。电流，或者产生强磁场。比较：比较：普通导体普通导体超导体超导体电流密度电流密度J磁磁 密密电电 阻阻电阻损耗电阻损耗25mmA2120mmAT8 . 1T5R0有，发热有，发热无无 普通导

17、体的发电机若不采用导磁铁普通导体的发电机若不采用导磁铁心，励磁电流很大。心，励磁电流很大。 超导体的发电机若不采用导磁铁心，超导体的发电机若不采用导磁铁心，励磁电流不会很大。励磁电流不会很大。 但超导体要在很低的温度下实现。但超导体要在很低的温度下实现。铌钛合金在铌钛合金在9K下，电阻率为零。下，电阻率为零。K 为绝对温度。为绝对温度。0K = -27309K = -2730 + 90 = -2640100K = -2730 + 1000 = -1730 最适合作超导体的材最适合作超导体的材料是铌钛合金，它容易加料是铌钛合金，它容易加工成细线。工成细线。 现在世界各国的科学家正在竞相研现在世界

18、各国的科学家正在竞相研究新的超导体，并取得了突破。究新的超导体，并取得了突破。 1982年中国科学院年中国科学院物理研究所研制出物理研究所研制出100K以上的超导体（以上的超导体（-1730） 1982年年3月月4日，美国加州大学实现日，美国加州大学实现233K超导体（超导体（-400）。）。 日本一研究小组宣布制出日本一研究小组宣布制出123K超导超导体（体（-1500）。）。 一旦实用于室温超一旦实用于室温超导体研制成功，将引起导体研制成功，将引起新的工业革命。新的工业革命。12-4 12-4 同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式 供给同步电机励磁电流的装供给同步电机励磁电流的装置称为励磁

19、系统置称为励磁系统NS励励磁磁系系统统+-集集电电环环（一）（一）直流发电机励磁系统直流发电机励磁系统（二）（二）交流整流励磁系统交流整流励磁系统1、自励式静止半导体励磁系统、自励式静止半导体励磁系统2、他励式半导体励磁系统、他励式半导体励磁系统3、旋转半导体励磁系统、旋转半导体励磁系统（三）（三）三次谐波励磁系统三次谐波励磁系统（一）（一）直流发电机励磁系统直流发电机励磁系统（50MW50MW以下）以下）L+-RtIf1nCELeLAIf励磁机励磁机发电机发电机励磁绕励磁绕组组0111044. 4dpkNfE F负负载载L+-RtIf1nCELeLAIf0111044. 4dpkNfE F负

20、负载载负载 IUItR1fILLE00ERt 接到自动调励装置，它随主发电机负载变化接到自动调励装置，它随主发电机负载变化自动改变阻值，以保证发电机输出端电压基本保持不自动改变阻值，以保证发电机输出端电压基本保持不变。变。 由于转速高，大容量直流励由于转速高，大容量直流励磁机的制造困难，磁机的制造困难，50MW50MW上的上的汽轮发电机已不采用此种励磁汽轮发电机已不采用此种励磁系统。系统。（二）（二）交交 流流 整整 流流 励励 磁磁 系系 统统交流整流励磁系统有旋转和静止式两大类。交流整流励磁系统有旋转和静止式两大类。交流整流励磁系统都要利用可控硅整流交流整流励磁系统都要利用可控硅整流装置，

21、把交流变为直流电。装置，把交流变为直流电。 利用可控硅整流装置使直流电为可调节的利用可控硅整流装置使直流电为可调节的直流电。直流电。1 1、自励式静止半导体励磁系统自励式静止半导体励磁系统2 2、他励式静止半导体励磁系统、他励式静止半导体励磁系统3 3、旋转半导体励磁系统、旋转半导体励磁系统1 1、自励式静止半导体励磁系统、自励式静止半导体励磁系统主发电机主发电机励磁绕组励磁绕组整整流流变变压压器器自动电自动电压调整压调整器器复励变复励变压器压器两条路供给励磁绕组直流电两条路供给励磁绕组直流电 复励变流器经硅整流桥给发电机励复励变流器经硅整流桥给发电机励磁绕组提供一路直流电，可对发电机随磁绕组

22、提供一路直流电，可对发电机随负载而变化的电压起自动调节作用。负载而变化的电压起自动调节作用。UI负载UEIf001 在发电机端三相短路时，此复励电流在发电机端三相短路时，此复励电流又会自动增大，单独供给励磁电流，起强又会自动增大，单独供给励磁电流，起强励作用。励作用。这种励磁系统便于维护，这种励磁系统便于维护，电压稳定度高，动态性能好，电压稳定度高，动态性能好，采用多。采用多。2 2、他励式静止半导体励磁系统、他励式静止半导体励磁系统汽轮发电机用汽轮发电机用（3000r/min，125MW）所谓静止是指整流装置不旋转所谓静止是指整流装置不旋转自励自励恒压恒压副励磁机副励磁机f=400HZ交流励

23、磁机交流励磁机f=100HZ主发电机主发电机自动电自动电压调整压调整主发电机轴上连接了一台交流励磁机，是单相主发电机轴上连接了一台交流励磁机，是单相同步发电机，频率同步发电机，频率100HZ，高速，和一台中频副励，高速，和一台中频副励磁机，磁机，400HZ，单相同步发电机，可采用永磁发电，单相同步发电机，可采用永磁发电机。机。中频副励磁机中频副励磁机f1=400HZ，磁通小。，磁通小。电动势可调电动势可调交流励磁机交流励磁机f2=100HZ，磁通增，磁通增大，电动势增大。大，电动势增大。类似于励磁电流逐级放大的效果类似于励磁电流逐级放大的效果。各励磁线圈为旋转体，各整流装置各励磁线圈为旋转体，

24、各整流装置是静止装置。是静止装置。 静止装置与旋转体之间的连接用集静止装置与旋转体之间的连接用集电环和电刷。电环和电刷。 他励式静止半导体励磁系统比直流励他励式静止半导体励磁系统比直流励磁机维护方便且性能好，用于大容量汽磁机维护方便且性能好，用于大容量汽轮发电机轮发电机（125125MW)MW)3 3、旋转半导体励磁系统、旋转半导体励磁系统300MW和和600MW汽轮发电机采用汽轮发电机采用主发电机主发电机旋转部分旋转部分自动电自动电压调整压调整整流整流变压变压器器现代大容量汽轮发电机所需的励现代大容量汽轮发电机所需的励磁容量很大，即使采用磁容量很大，即使采用400500V的的励磁电压，励磁电

25、流仍可能高达励磁电压，励磁电流仍可能高达4000A以上。以上。 如果仍采用静止半导体励磁，如果仍采用静止半导体励磁，将引起集电环严重过热。将引起集电环严重过热。这时可将同轴交流励磁机做成旋这时可将同轴交流励磁机做成旋转电枢式转电枢式（磁极固定，电枢旋转磁极固定，电枢旋转）并并将硅整流桥也固定在此电枢上一起旋将硅整流桥也固定在此电枢上一起旋转。转。 省去集电环、电刷等滑动接触装省去集电环、电刷等滑动接触装置，成为无刷励磁系统。置，成为无刷励磁系统。 优点：优点：运行可靠，维护简单运行可靠，维护简单缺点：缺点：发电机励磁回路的电压发电机励磁回路的电压电流较难测量。电流较难测量。这种励磁系统用于大、

26、中容量这种励磁系统用于大、中容量汽轮发电机和调相机中。汽轮发电机和调相机中。（三）（三）三次谐波三次谐波 励励 磁磁 系系 统统发电机发电机三次谐波绕组三次谐波绕组是一种自励方式，将交流励磁机与发电机是一种自励方式，将交流励磁机与发电机本身合为一体。本身合为一体。在发电机定子槽内再装设一套在电气上在发电机定子槽内再装设一套在电气上与电枢绕组没有联系的，独立的三次谐波绕与电枢绕组没有联系的，独立的三次谐波绕组，绕组节距组，绕组节距313y 通过谐波绕组将贮存于气隙磁场通过谐波绕组将贮存于气隙磁场中的三次谐波功率引出，经过整流装中的三次谐波功率引出，经过整流装置整流后供给发电机作为励磁。置整流后供

27、给发电机作为励磁。 谐波励磁在我国小型同步发电机谐波励磁在我国小型同步发电机中获得一定应用。中获得一定应用。12-5 12-5 同步电机的额定值同步电机的额定值1 1、额定容量、额定容量S SN N或额定功率或额定功率P PN N2、 额定电压额定电压U UNN 3. 3. 额定电流额定电流 I IN N PN 是指发电机出线端输出的额是指发电机出线端输出的额定有功功率，或指电动机轴上定有功功率，或指电动机轴上 输出输出的额定有效机械功率。的额定有效机械功率。指额定运行时定子的线电压。指额定运行时定子的线电压。指额定运行时定子的线电流。指额定运行时定子的线电流。 5、额定频率额定频率f fNN 6.6.额定转速额定转速n nN N 指额定运行时电机的功率因数。指额定运行时电机的功率因数。指同步电机的同步转速。指同步电机的同步转速。4 4、额定功率因数、额定功率因数COSCOS N 指额