同步电机部分

1、同步电机 本单元介绍本单元介绍同步发电机的基本原理和结构，同步发电机的基本原理和结构，交流绕组的电动势和磁动势，交流绕组的电动势和磁动势，同步发电机的运行原理和运行特性，同步发电机的运行原理和运行特性，以及同步发电机的并列运行问题。以及同步发电机的并列运行问题。同步发电机工作原理大纲要求单元七单元七 同步发电机工作原理、结构大纲要求同步发电机工作原理、结构大纲要求（1） 基本目标熟悉同步发电机的基本理论，如定子磁势的分析方法、电枢反应理论、电压方程、相量图、等效电路、功率、转矩方程和功角特性、掌握同步发电机基本结构及工作原理。（2） 教学内容同步发电机基本工作原理和结构（工作原理、结构、铭牌、

2、励磁方式、型号、额定数据）同步发电机绕组磁势的空间分布、同步发电机绕组感应电势的分析同步发电机运行的电磁关系（运行特性：空载、短路、外特性、效率等）隐极发电机电枢反应理论基本电压方程、相量图、等效电路功率关系、功率和转矩方程功角特性及分析同步发电机的并联运行及功率调节（增加）同步电机同步电机第一节 同步发电机的工作原理和结构 基本原理、基本结构、 铭牌、型号和用途、励磁方式；第二节 同步发电机交流绕组的电动势和磁动势 交流绕组的电动势、交流绕组磁动势 、三相旋转磁动势、 交流绕组电动势；第三节 同步发电机的运行原理和运行特性 对称负载时的电枢及其电抗 、 同步发电机电动势方 程 式 和相量图同

3、步发电机的运行特性（空载特性、短路特性、 外特 性、调整特性、效率特性）；第四节 同步发电机与电网的并联运行 同步发电机并联运行的条件和方法 、并联运行时的有功功率调节、并联运行时的无功功率调节。第一节 同步发电机的工作原理和结构 一、同步电机的基本类型 二、同步电机的基本结构 三、同步发电机的基本工作原理 四、同步电机的运行状态 五、同步电机的励磁方式 六、同步电机的铭牌数据一、同步电机的基本类型同步电机的基本类型n按结构形式分转枢式：用于小容量同步电机转极式：用于高压、大容量同步电机n按磁极形状分隐极式：转子圆柱形，气隙均匀凸极式：转子有明显凸出的磁极，气隙不均匀n发电机按原动机不同分汽轮

4、发电机：高速，转子隐极式, 细长形水轮发电机：低速，转子凸极式, 短粗形n按冷却介质和 冷却方式分空冷外冷：空气自然循环或风扇吹风强迫冷却水冷内冷：需进水管、出水管等氢冷外冷或内冷：需密封系统，防爆防漏1发电机主体、2主励磁机、3永磁副励磁机、4气体冷却器、5励磁机轴承、6碳刷架隔音罩、7电机端盖、8连接汽轮机法兰、9电机接线盒、 10电流互感器、11引出线、12测温引线盒、13基座二、二、 同步电机基本类型与结构同步电机基本类型与结构二二 、 同步电机基本类型与结构同步电机基本类型与结构 1、汽轮发电机结构、汽轮发电机结构 （1）定子铁心）定子铁心1、汽轮发电机结构、汽轮发电机结构 （2）定

5、子绕组）定子绕组1 1、汽轮发电机结构、汽轮发电机结构 2 2、水轮发电机结构、水轮发电机结构(1)(1)立式水轮发电机立式水轮发电机(2)(2)卧式水轮发电机卧式水轮发电机2 2、水轮发电机结构、水轮发电机结构( (续续) )(4)(4)转子结构转子结构10000kw水轮机转子同步发电机结构形式 同步发电机结构形式同步发电机结构形式 无论是凸极式同步发电机还是隐极式同步发电机，它们都是由定子和转子两大部分组成。它们都是由定子和转子两大部分组成。其中 定子部分又包括定子铁芯、定子绕组、机座、定子部分又包括定子铁芯、定子绕组、机座、端盖等部件组成。端盖等部件组成。定子铁芯和定子绕组是同步发定子铁

6、芯和定子绕组是同步发电机用以产生三相交流电能，实现机械能与电能电机用以产生三相交流电能，实现机械能与电能转换的重要部件。转换的重要部件。 转子部分又包括转子铁芯、励磁绕组、阻尼转子部分又包括转子铁芯、励磁绕组、阻尼绕组、滑环、紧固件和风扇等部件组成。绕组、滑环、紧固件和风扇等部件组成。 下面对各部件分别作一介绍。同步发电机结构形式（定子部分） 定子部分：包括定子铁芯、定子绕组、机座、端盖等。定子部分：包括定子铁芯、定子绕组、机座、端盖等。 定子铁芯：定子铁芯：一般由0.50.35mm的硅钢叠片构成，沿轴向叠成多段形式，每段厚3060mm，各段叠片之间留有通风槽，以改善铁芯的散热条件。当铁芯的直

7、径大于1m时用扇形硅钢片叠成一个整圆，再用压板夹紧将整个铁芯固定在定子机座上。 定子绕组：定子绕组：汽轮发电机一般采用三相双层叠绕组构成定子三相交流电路。为减少导体集肤效应产生的损耗，绕组的导线由许多相互绝缘的并联多股线组成，在槽内的直线部分还应换位（平衡股间导线间的阻抗、抑制集肤效应、减少绕组端部漏磁通产生的环流及附加损耗）。为承受因短路产生的巨大电磁力而引起的端部变形，以及正常运行时不致产生较大的振动，绕组端部须用绑绳或压板夹紧在非磁性钢做成的端箍上。 机座：机座：定子机座是一个焊接钢板结构的外壳，起作用是支撑和固定定子铁芯、绕组和端盖，具有足够的强度和刚度，机座与铁芯之间应留有通风道。同

8、步发电机结构形式（转子部分） 转子部分：包括转子铁芯、励磁绕组、阻尼绕组、滑环、紧固件转子部分：包括转子铁芯、励磁绕组、阻尼绕组、滑环、紧固件和风扇等部件。和风扇等部件。 转子铁芯：转子铁芯：转子铁芯应具有良好的导磁性能，并能承受很大的离心作用，由硅钢片叠成，固定在发电机的轴上。也有的将铁芯与轴做成一体，一般用具有高强度和良好导磁性能的合金钢制成。 励磁绕组：励磁绕组：采用绝缘扁铜线绕制成同心绕组，再浸胶热压处理，套在磁极上。绕组引出的两个线端接在滑环上，经过电刷与外电路连接。 阻尼绕组：阻尼绕组：它由插入极靴阻尼孔中的铜条和端部铜环焊接而成，是一种短路绕组。其作用是在发电机短路或不对称运行时

9、，利用其作用是在发电机短路或不对称运行时，利用其感应电流来消弱负序旋转磁场的作用，以及同步发电机发生振其感应电流来消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作用，减小并联运行时转子振荡的振幅，使振荡衰减。荡时起阻尼作用，减小并联运行时转子振荡的振幅，使振荡衰减。 滑环：滑环：给励磁绕组引入直流电源。 风扇：风扇：装载转子的两端，改善冷却条件。同步发电机结构形式 同步发电机结构采用旋转磁极式，按转子磁极同步发电机结构采用旋转磁极式，按转子磁极的形状可分为隐极式和凸极式两种。的形状可分为隐极式和凸极式两种。 凸极式转子凸极式转子 凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线凸极式转子上有明

10、显凸出的成对磁极和励磁线圈，如图圈，如图 所示。所示。当励磁线圈中通过直流励磁电流当励磁线圈中通过直流励磁电流后，每个磁极就出现一定的极性，相邻磁极交替后，每个磁极就出现一定的极性，相邻磁极交替为为 N 极和极和 S 极。极。对水轮发电机来说，由于水轮机的转速较低，要发出工频电能，发电机的极数就比较多，做成凸极式结构工艺上较为简单。另外，中小型同步电机多半也做成凸极式。 凸极式同步发电机图 隐极式转子隐极式转子 隐极式转子上没有凸出的磁极，如图所示。隐极式转子上没有凸出的磁极，如图所示。 沿着转子本体圆周表面上，开有许多槽，这些槽中嵌放着励磁绕组。在转子表面约1/3部分没有开槽，构成所谓大齿，

11、是磁极的中心区。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。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细长的隐极式圆柱体转子。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都较为复杂。 隐极式转子应用于大容量高转速汽轮发电机上，转子的转速隐极式转子应用于大容量高转速汽轮发电机上，转子的转速较高（较高（3000r/min),因为提高发电机的转速可以提高汽轮机的效因为提高发电机的转速可以提高汽轮机的效率、缩小机组的体积、降低机组的造价。率、缩小机组的体积、降低机组的造价

12、。隐极式同步发电机图 水轮发电机水轮发电机 水轮发电机的特点是：极数多，直径大，轴向长度短，整个转子在外形上与汽轮发电机大不相同。大多数水轮发电机为立式。水轮发电机的直径很大，定子铁心由扇形电工钢片拼装叠成。为了散热的需要，定子铁心中留有径向通风沟。转子磁极由厚度为12mm的钢片叠成；磁极两端有磁极压板，用来压紧磁极冲片和固定磁极绕组。有些发电机磁极的极靴上开有一些槽，槽内放上铜条，并用端环将所有铜条连在一起构成阻尼绕组，其作用是用来拟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。 汽轮发电机汽轮发电机 定子大体上与异步电机相同，定子铁心0.35mm,0.5mm或其它厚度的

13、电工钢片叠成。定子外径较小时，采用圆形冲片，当定子外径大于1m 时，采用扇形冲片。定子铁心固定在机座上，机座常由钢板焊接而成，它必须有足够的强度和刚度，同时还必须满足通风和散热的需要。汽轮发电机的电压较高，要求定子绕组有足够的绝缘强度，一般采用 B 级或 F 级绝缘。 为了减少高速旋转引起的离心力，一般采用隐极式转子，其外形常做成一个细长的圆柱体。转子铁心表面圆周上铣有许多槽，励磁绕组嵌放在这些槽内。 励磁绕组为同心式绕组，以铜线绕制，并用不导磁的槽楔将绕组紧固在槽内。 同步发电机的冷却问题同步发电机的冷却问题 同步发电机运行中产生各种损耗，这些损耗最终变成为热能使机组的各部件温度升高。如温升

14、过高将加速电机的绝缘材料老化，将缩短电机的寿命，严重时会危及电机的运行安全。所以改善电机的冷却条件至关重要。 水轮发电机由于直径大、轴向长度短、体积大，冷却问题并不突出。 中小型汽轮发电机单位体积发热量较小，冷却多采用风冷。 对于大型汽轮发电机因直径小、轴向长度长，中部的热量不易散出，必须采取提高冷却效果的措施。用氢气代替空气作为冷却介质，因氢气导热率比空气大7倍，比重又较空气轻（是空气的1/14），所以氢冷发电机的损耗小，冷却效果好。但须采取严格的密封措施。纯净水不但导电率低，化学性能稳定，流动性能好具有极高的导电性能，也被用于作大型汽轮发电机的冷却介质。 大型汽轮发电机的冷却系统中，冷却介

15、质可以按不大型汽轮发电机的冷却系统中，冷却介质可以按不 同方式组合，典型的冷却方式主要有同方式组合，典型的冷却方式主要有水水-氢氢-氢、水氢、水-水水- 氢、水氢、水-水水-水水。（定子绕组、转子绕组、定子铁芯）。（定子绕组、转子绕组、定子铁芯）。 全氢冷：全氢冷：定转子绕组采用氢内冷，定子铁芯（包括附件）采用氢定转子绕组采用氢内冷，定子铁芯（包括附件）采用氢 冷。冷。 水氢氢冷：水氢氢冷：定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、定子铁芯（包括定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、定子铁芯（包括 附件）采用氢冷。附件）采用氢冷。 水水氢冷：水水氢冷：定子绕组水内冷、转子绕组水内冷、定子铁芯（包括定子绕组水内

16、冷、转子绕组水内冷、定子铁芯（包括 附件）采用氢冷。附件）采用氢冷。 双水内冷：双水内冷：定子绕组水内冷、转子绕组水内冷、定子铁芯（包括定子绕组水内冷、转子绕组水内冷、定子铁芯（包括 附件）采用空冷。附件）采用空冷。 同步电机的铭牌数据 （额定参数）同步电机的额定参数 同步电机的额定参数有： 额定功率PN (kW) ：是指额定运行时输出的额定有功功率； 对于发电机：电功率； 对于电动机：机械功率； 对于调相机：无功功率；（kvar、Mvar） 额定容量 SN (KVA)：是指额定运行时出线端的额定视在功率； 额定电压额定电压UN (V)：是指额定运行时三相定子绕组额定线是指额定运行时三相定子绕

17、组额定线电压；电压； 额定电流额定电流IN (A)：是指额定运行时流过三相定子绕组额是指额定运行时流过三相定子绕组额定线电流定线电流 额定转速额定转速nN (r/min)：额定运行时的转子转速；额定运行时的转子转速； 额定功率因数额定功率因数CosN N：额定工况下发电机的功率因数；额定工况下发电机的功率因数； 额定励磁电压额定励磁电压(V) 、励磁电流、励磁电流(A) 额定效率额定效率N：额定运行时的效率；：额定运行时的效率； 上述同步发电机额定参数之间有一定的关系：上述同步发电机额定参数之间有一定的关系： PN =SN CosN N= =3 UN IN CosN N 此外。铭牌上还标出温升

18、、绝缘、冷却方式等。此外。铭牌上还标出温升、绝缘、冷却方式等。同步电机的型号 QFQ系列 如QFQ-50-2 其中：Q-汽轮 F发电机 Q氢冷 50功率（MW） 2极数 TS系列 如TS900/135-56 其中：T同步 S水轮发电机 900定子铁芯外径（cm) 56极数 QFQ系列 （氢外冷） QFN系列 （氢内冷） QFS系列（双水内冷）三、同步发电机的基本工作原理同步发电机的基本工作原理同步发电机的基本工作原理 同步发电机是根据导体切割磁力线同步发电机是根据导体切割磁力线感应电动势这一基本原理工作的。感应电动势这一基本原理工作的。 因此，同步发电机如要发出电来因此，同步发电机如要发出电来

19、应要具备三个条件：应要具备三个条件： 有产生磁力线的磁场；有产生磁力线的磁场； 有能够切割磁力线的导体；有能够切割磁力线的导体； 导体与磁场之间有相对运动。导体与磁场之间有相对运动。同步发电机的基本工作原理 主磁场的建立：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，即建立起主磁场。磁力线由N极出发，经气隙进入定子铁芯， 再经气隙进入S极，构成主磁路。 载流导体：载流导体：三相绕组在空间上互差120电角度对称分布在定子的铁芯槽内，每相的结构参数完全相同。对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。 导体与磁场之间有相对运动导体与磁场之间有相对运动： 原动机拖动

20、转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。 由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，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，若气隙磁通密度按正弦波分布，三相绕组感应的电动势波形也为正弦波，各相之间相差120。通过引出线，即可提供交流电源。 由于线圈的组成是遵循电动势叠加的原则，线圈的两个边由于线圈的组成是遵循电动势叠加的原则，线圈的两个边相距一个磁距，这样就可以获得尽可能大的线圈电动势和磁动势。相距一个磁距，这样就可以获得尽可能大的线圈电动势和磁动势。同时，在各线圈构成三相定子绕组时，每相串联的

21、总匝数应相等，同时，在各线圈构成三相定子绕组时，每相串联的总匝数应相等，且布置的相对位置相同（在空间上互差且布置的相对位置相同（在空间上互差120）。电动势和磁动）。电动势和磁动势的波形接近正弦波，所以三相绕组感应出的电动势也是对称的势的波形接近正弦波，所以三相绕组感应出的电动势也是对称的三相电动势。三相电动势。e0eAeBeC2 120 240 360t EBEA.120120120EC.tEe sinmA )120sin(mB tEe )120sin(mC tEe EEE 0A 120BEE 120CEE同步发电机的基本工作原理感应电动势的频率感应电动势的频率 当发电机的转子由原动机驱动以

22、转速当发电机的转子由原动机驱动以转速n做恒定旋转时，定子做恒定旋转时，定子中的三相绕组的导体依次切割磁力线，三相绕组便感应出各相大中的三相绕组的导体依次切割磁力线，三相绕组便感应出各相大小相等、相位彼此相差小相等、相位彼此相差120的交流电动势。因发电机在制造过的交流电动势。因发电机在制造过程中气隙磁通密度按正弦波分布，所以感应电动势的波形也是正程中气隙磁通密度按正弦波分布，所以感应电动势的波形也是正弦波。其频率为弦波。其频率为式中式中 p-为磁极对数为磁极对数 n-为发电机转速为发电机转速 可见，发电机定子中的三相绕组感应电动势的频率取决于它的极发电机定子中的三相绕组感应电动势的频率取决于它

23、的极对数和转子的转速。对数和转子的转速。60pnf 同步发电机的基本工作原理 我国标准规定电网的频率为50Hz,当P=1时， 所以 n = 3000 r/min 同步电机的转速与电网频率有严格不同步电机的转速与电网频率有严格不变关系，即当电网频率一定时，电机转速变关系，即当电网频率一定时，电机转速应不变应不变。四、同步电机的运行方式 同步电机的主要运行方式有三种，即同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。作为发电机、电动机和补偿机运行。同步发电机的运行方式 当同步电机定子（电枢）绕组中流过对称三相电流时，定子将产生电枢磁动势及相应的电枢磁场（包括在气隙中以同步转速旋转的

24、电枢反应磁场和电枢漏磁场）。 在气隙中均以同步转速旋转的主磁场和电枢反应磁场共同合成为气隙磁场。气隙磁场在转子内部深处沿着主极轴线然后逐渐扭斜，在进入定子时其轴线已偏离主极轴线一个角度，再加上电枢漏磁场，电枢合成磁场（包括主磁场、电枢反应磁场和电枢漏磁场）与主磁场之间的夹角为，称为功率角。它越大，则磁场所产生的切向力及电磁转矩和电磁功率也越大。同步电机的三种状态 同步电机的三种状态之发电机状态N0S0主极nsSN表征电枢合成磁场的等效磁极nsTe同步电机的三种状态 同步电机的三种状态之补偿机状态SN 表征电枢合成磁场的等效磁极nsN0S0主极nsTe= 0同步电机的三种状态 同步电机的三种状态

25、之电动机状态SN 表征电枢合成磁场的等效磁极nsN0S0主极nsTe同步电机的用途同步电机的用途 同步电机主要用作发电机运行，把机械能转同步电机主要用作发电机运行，把机械能转化成电能。向电网发出交流电，是同步电机最主化成电能。向电网发出交流电，是同步电机最主要的运行方式；要的运行方式； 同步电动机可以通过调节励磁电流来改善电同步电动机可以通过调节励磁电流来改善电网的功率因数。在不要求调速的场合，应用大型网的功率因数。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。近年来，小型同同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用；步电动机在变频调速系统中

26、开始得到较多地应用； 同步补偿机实际是一台接在交流电网上空载同步补偿机实际是一台接在交流电网上空载的同步电动机，电机不带任何机械负载，靠调节的同步电动机，电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容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，以达到改善电网功率因数或者调节性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。电网电压的目的。 五、同步电机的励磁方式同步发电机的励磁方式 同步发电机一般采用直流励磁，我们把向同步发电机励磁绕组提供直流励磁电流向同步发电机励磁绕组提供直流励磁电流的电气设备称为励磁系统。的电气设备称为励磁系统。励磁系统对同步发电

27、机的运行性能和运行安全稳定有重要影响。 励磁系统的基本功能是维持电压水平，励磁系统的基本功能是维持电压水平，提供无功功率，详细来讲，励磁系统的基提供无功功率，详细来讲，励磁系统的基本功能有如下几点：本功能有如下几点： 励磁系统的功能 励磁系统的基本功能励磁系统的基本功能 1）在正常运行条件下，供给发电机励磁电流，）在正常运行条件下，供给发电机励磁电流，并根据发电机所带负荷情况，相应地调节发电机并根据发电机所带负荷情况，相应地调节发电机励磁电流，以维持发电机的端电压在给定的水平励磁电流，以维持发电机的端电压在给定的水平上。上。 2）使并列运行的各台发电机所带的无功功率得）使并列运行的各台发电机所

28、带的无功功率得到稳定而又合理的分配。到稳定而又合理的分配。 3）增加并网运行的发电机的阻尼转矩，以提高）增加并网运行的发电机的阻尼转矩，以提高电力系统的动态稳定性及输电线路有功功率的传电力系统的动态稳定性及输电线路有功功率的传输能力。输能力。 励磁系统的基本功能励磁系统的基本功能 4）在电力系统发生短路故障造成发电机端电压急剧下）在电力系统发生短路故障造成发电机端电压急剧下降时，强行励磁，将励磁电压提升到足够高的顶值，以降时，强行励磁，将励磁电压提升到足够高的顶值，以提高电力系统的暂态稳定性。提高电力系统的暂态稳定性。 5）在发电机突然解列、甩负荷时，强行减磁，将励磁）在发电机突然解列、甩负荷

29、时，强行减磁，将励磁电流迅速减到安全数值，以防止发电机的电压过分升高。电流迅速减到安全数值，以防止发电机的电压过分升高。 6）在发电机内部发生短路故障时，快速灭磁，将励磁）在发电机内部发生短路故障时，快速灭磁，将励磁电流迅速减到零值，以减小故障的损坏程度。电流迅速减到零值，以减小故障的损坏程度。 7）在不同的运行工况下，根据要求对发电机实行过励）在不同的运行工况下，根据要求对发电机实行过励限制和限制和 欠励限制，以确保发电机的安全稳定运行。欠励限制，以确保发电机的安全稳定运行。 同步发电机励磁系统的分类有很多分法，常见的有直流励磁机系统，交流励磁机系统，静止励磁系统三种。 直流励磁机系统：他激

30、直流励磁机系统、并激直流励磁机系统 交流励磁机系统：交流励磁机静止整流器磁机系统、交流励磁机可控整流器磁机系统、旋转整流器磁机系统。 静止励磁系统：电压源可控整流励磁系统、复激可控整流励磁系统同步发电机常用的励磁方式同步发电机常用的励磁方式 同步发电机励磁系统的分类有很多分法，如按励磁按励磁电源的不同来分有如下三种方式：电源的不同来分有如下三种方式： 1）直流励磁机的励磁方式，）直流励磁机的励磁方式，多用于中小型机组，它实际上是一个直流发电机。优点是比较简单，不易受系统影响，调节比较稳定。缺点是因有碳刷、换向器，维护麻烦，电流大时火花难以解决。 2）交流励磁机的励磁方式，）交流励磁机的励磁方式

31、，其中按功率整流器是静止还是旋转的又分为交流励磁机静止整流器励磁方式（有刷）和交流励磁机旋转整流器励磁方式（无刷）两种。多用于100MW及以上的汽轮发电机组。 3）静止励磁方式，）静止励磁方式，其中最具代表性的是自并励励磁方式。多用于100MW及以上的汽轮发电机组。同步发电机的励磁方式 同步发电机的励磁方式简介同步发电机的励磁方式简介 1 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。如图所示。目前已经较少用。 直流励磁机励磁方式直流励磁机励磁方式 直流励磁机励磁方式直流励磁机励磁方式 直流励

32、磁机励磁特点直流励磁机励磁特点 结构简单，只有两台励磁机，无须整流器之类的结构简单，只有两台励磁机，无须整流器之类的其他设备。其他设备。 因提供电源的是直流机，维护不方便。因提供电源的是直流机，维护不方便。 容量受限制。特别是对于汽轮机而言，因转数快，容量受限制。特别是对于汽轮机而言，因转数快，直流机的换向器受到制造的限制不能做得很大直流机的换向器受到制造的限制不能做得很大（我国的直流励磁机励磁系统汽轮发电机的最大（我国的直流励磁机励磁系统汽轮发电机的最大容量做到容量做到125MW,水轮发电机的最大容量做到水轮发电机的最大容量做到300MW ）。我国新投产的）。我国新投产的100MW以上汽轮发

33、电以上汽轮发电机的励磁系统不再使用直流励磁机励磁系统。机的励磁系统不再使用直流励磁机励磁系统。 2 交流励磁机静止整流器励磁方式交流励磁机静止整流器励磁方式 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。(见图） 交流励磁机静止整流器励磁原理 由于采用了交流励磁机，没有了直流励磁机的换向火花问题，发电机运行时较为可靠，维护也较为简单。 但是，大容

34、量的汽轮发电机由于励磁电流高达数千安培，集电环的制造将会遇到一些困难，为此，目前出现了旋转整流器励磁 形式。 3交流励磁机交流励磁机旋转整流器励磁旋转整流器励磁 方式（无刷励磁）方式（无刷励磁） 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，如图所示。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

35、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。 优点：优点：较高的运行可靠 性，操作简单，有备用硅整流管，可自动切换。交流励磁机旋转整流器励磁原理 无刷励磁系统原理图 无励磁机励磁系统（静止励磁系统）无励磁机励磁系统（静止励磁系统） 这种发电机励磁系统无专门的励磁机，励磁电源直接从发电机的端电压获得，电源经整流后送至发电机的转子回路，作为发电机的励磁电流。并通过电压控制器控制励磁电流的大小，以维持发电机端电压的恒定。 静止励磁方式的主要优点是：励磁系统的接线和设备简单，无转动部分，维护费用少，可靠性高；不需要同轴励磁机，缩短机组长度，震动减轻，节省基建投资；利用晶闸管

36、取得励磁能量，机端电压与机组转速的一次方成正比，故励磁电压与机组转速的一次方成正比。而同轴励磁机励磁系统输出的励磁电压与机组转速的平方成正比，这样，当机组甩负荷时静止励磁系统机组的过电压就低；系统响应速度快，对系统暂态电压的稳定水平有改善。 无励磁机励磁系统原理图无励磁机励磁系统原理图 无励磁机励磁系统原理图无励磁机励磁系统原理图 第二节 同步发电机交流绕组 的电动势和磁动势第二节 同步发电机交流绕组的电动势和磁动势 三相交流绕组的构成原则：三相交流绕组的构成原则： 1）线圈的组成应遵循电动势相加的原则，）线圈的组成应遵循电动势相加的原则，把相距一个极距（或接近一个极距）的两线圈边构成线圈，以

37、获得尽可能大的基波电动势和磁动势，尽可能地消弱高次谐波电动势和磁动势。 2）各线圈构成三相定子绕组时，每相绕组串联的总匝数应相等，且布置情况应相同，在空间互差120电角度，必须保证三相定必须保证三相定子绕组所产生的基波电动势具有对称性。子绕组所产生的基波电动势具有对称性。 3）电动势和磁动势波形力求接近正弦波。）电动势和磁动势波形力求接近正弦波。 满足上述原则构成的三相绕组即为三相对称绕组，只有在三满足上述原则构成的三相绕组即为三相对称绕组，只有在三相对称绕组中才能感应出三相对称的电动势。相对称绕组中才能感应出三相对称的电动势。 此外还有的要求绕组用铜量少、绝缘性能和机械强度可靠、此外还有的要

38、求绕组用铜量少、绝缘性能和机械强度可靠、散热条件好、制造工艺简单、检修方便。散热条件好、制造工艺简单、检修方便。第二节 同步发电机交流绕组的电动势和磁动势 同步发电机交流绕组的感应电动势同步发电机交流绕组的感应电动势 交流电机的感应电动势是由气隙的磁场和定子绕组交流电机的感应电动势是由气隙的磁场和定子绕组相对运动而产生的。磁场在气隙中分布的情况（大小、相对运动而产生的。磁场在气隙中分布的情况（大小、波形）和定子绕组构成方法（排列、连接方式），对电波形）和定子绕组构成方法（排列、连接方式），对电动势的波形和大小都有影响。因此，在讨论电动势之前，动势的波形和大小都有影响。因此，在讨论电动势之前，应

39、先了解电机的磁路和磁场的分布情况。应先了解电机的磁路和磁场的分布情况。 1）交流电机的磁路及磁场分布情况）交流电机的磁路及磁场分布情况 为了使交流电机绕组中的感应电动势接近于正弦波，为了使交流电机绕组中的感应电动势接近于正弦波，必须使转子磁极的磁通密度在气隙的分布接近于正弦波，必须使转子磁极的磁通密度在气隙的分布接近于正弦波，而气隙的磁通密度分布与转子磁动势和磁路的磁阻有关。而气隙的磁通密度分布与转子磁动势和磁路的磁阻有关。 凸极同步发电机转子磁通的磁路凸极同步发电机转子磁通的磁路 同步发电机空载时，气隙磁场是由转子励磁绕组通入直流电流建立励磁磁动势而产生的。 同步发电机空载磁路中转子磁通可分

40、为两部分： 1）经过气隙交链定子和转子绕组的磁通，称为主磁通主磁通（气隙磁通）； 2）还有只交链励磁绕组的磁通，称为主磁极漏磁通主磁极漏磁通，仅占主磁通的1020%。第二节 同步发电机交流绕组的电动势和磁动势 凸极同步发电机转子磁通的磁路 凸极同步发电机转子磁通的磁路凸极同步发电机转子磁通的磁路 凸极同步发电机转子的励磁绕组是集中的，为了使主磁通在气隙中的磁密度沿圆周空间分布接近正弦波，可调节磁路的磁阻，即选择适当的极弧形状来满足这一可调节磁路的磁阻，即选择适当的极弧形状来满足这一要求。要求。令极弧中间气隙最小，两侧逐渐增大，取最大气隙为最小气隙的1.52倍，这样，在气隙中的磁密度沿圆周空间分

41、布接近正弦波。(p84图2-32） 隐极同步发电机转子磁通的磁路隐极同步发电机转子磁通的磁路 对于隐极同步发电机空载磁路，由于气隙是均匀的，沿圆周磁阻相等，励磁绕组采用分布方式，磁通密度呈励磁绕组采用分布方式，磁通密度呈梯形空间分布，如不考虑槽、齿的影响，接近于正弦波梯形空间分布，如不考虑槽、齿的影响，接近于正弦波。 实际上，交流电机中气隙磁通密度沿实际上，交流电机中气隙磁通密度沿空间的分布曲线不可能是理想的正弦波，空间的分布曲线不可能是理想的正弦波，对于非正弦波，我们可以用傅里叶级数分对于非正弦波，我们可以用傅里叶级数分解的办法将其分解为基波和高次谐波分量，解的办法将其分解为基波和高次谐波分

42、量，再对基波和高次谐波分别加以分析。再对基波和高次谐波分别加以分析。 2）绕组的基波电动势）绕组的基波电动势 绕组的基波电动势是指气隙基波磁场所绕组的基波电动势是指气隙基波磁场所感应的电动势。感应的电动势。 而交流绕组是由许多线圈按一定规律而交流绕组是由许多线圈按一定规律连接而成的，所以，我们分析绕组的电动连接而成的，所以，我们分析绕组的电动势，首先讨论一个线圈的电动势，进而再势，首先讨论一个线圈的电动势，进而再讨论一个绕组的电动势。讨论一个绕组的电动势。 交流绕组是由线圈组成的，线圈可以是单匝也可以交流绕组是由线圈组成的，线圈可以是单匝也可以是多匝。是多匝。 每个线圈由首端和末端引出两根线。

43、每个线圈有两每个线圈由首端和末端引出两根线。每个线圈有两个直线边，称为有效边分别放在定子铁芯的两个槽内，个直线边，称为有效边分别放在定子铁芯的两个槽内，他们在定子圆周上的距离，称为节距，他们在定子圆周上的距离，称为节距，y1表示，一般用表示，一般用槽数计算。槽数计算。 为使每个线圈能够获得较大的电动势，节距应接近为使每个线圈能够获得较大的电动势，节距应接近极距，当节距等于极距时，该绕组称为整距绕组，当节极距，当节距等于极距时，该绕组称为整距绕组，当节距小于极距时，该绕组称为短距绕组。距小于极距时，该绕组称为短距绕组。第二节 同步发电机交流绕组的电动势和磁动势 2）绕组的基波电动势）绕组的基波电

44、动势 设设 磁通磁通= msinsintt， = = 2 2f f 2 2pnpn/60/60 单匝整距线圈中的电动势瞬时值单匝整距线圈中的电动势瞬时值e e = = dd/dt/dt = = msinsin(t(t-90-90) ) ， = = 2 2f f 电动势的有效值电动势的有效值E E = 4.44f = 4.44fmN N 匝整距线圈中的电动势有效值匝整距线圈中的电动势有效值E E = 4.44fN = 4.44fNm 2）绕组的基波电动势）绕组的基波电动势 整距线圈整距线圈电动势可以看成两个有效边电动势相加。电动势可以看成两个有效边电动势相加。因整距线圈两个有效边处在不同极面下相

45、对应的位置，因整距线圈两个有效边处在不同极面下相对应的位置，所以两个有效边导体内的感应电动势的瞬时值大小相等、所以两个有效边导体内的感应电动势的瞬时值大小相等、方向相同。两个有效边导体内的感应电动势之和是感应方向相同。两个有效边导体内的感应电动势之和是感应电动势的电动势的算术和算术和。 而对于短距线圈，两个有效边处在不同极面下的位而对于短距线圈，两个有效边处在不同极面下的位置不对应，所以两个有效边导体内的感应电动势的相位置不对应，所以两个有效边导体内的感应电动势的相位差不为零，短距线圈两个有效边导体内的感应电动势之差不为零，短距线圈两个有效边导体内的感应电动势之和为和为相量和。相量和。短距线圈

46、电动势比整距线圈电动势小一些，短距线圈电动势比整距线圈电动势小一些，相当于打了一个折扣，即短距系数。相当于打了一个折扣，即短距系数。 2）绕组的基波电动势）绕组的基波电动势 单匝整距线圈电动势也可以看成线圈两个有效边单匝整距线圈电动势也可以看成线圈两个有效边电动势相加。电动势相加。两个有效边导体内的感应电动势的两个有效边导体内的感应电动势的瞬时值大小相等、方向相同，瞬时值大小相等、方向相同， 若线圈有NC匝，则1111144. 42fEEEEC 1144.4CCfNE 2）绕组的基波电动势）绕组的基波电动势 短距线圈的电动势短距线圈的电动势 考虑基波短距系数考虑基波短距系数k ky1y1（短距

47、线匝电动势与该线匝为整（短距线匝电动势与该线匝为整距时的电动势之比为基波短距系数）距时的电动势之比为基波短距系数）E E = 4.44fNk= 4.44fNky1y1m 其中其中k ky1y1基波短距系数小于基波短距系数小于1，表示，表示由于短距关系使线匝电动势比整距时小，应打由于短距关系使线匝电动势比整距时小，应打k ky1y1的折的折扣。其中的物理意义表示短距线匝交链的磁通总是小于扣。其中的物理意义表示短距线匝交链的磁通总是小于整距线匝交链的磁通量，感应的电动势也是整距线匝的整距线匝交链的磁通量，感应的电动势也是整距线匝的k ky1y1倍。倍。90sin)()(111111yyEyEkcc

48、y 2）绕组的基波电动势）绕组的基波电动势 发电机的每相绕组都是由相距为a角（槽距角）的q个线圈串联而成。又因为每一个线圈具有相同的匝数，并且切割同一磁极下的基波磁通，所以每个线圈中的基波电动势的大小相等，相位相差a角，所以，绕组电动势就是q个线圈电动势的相量和。 如果我们把匝数相同的q个线圈串联并放在一个槽里， q个线圈的感应电动势是一个线圈的q倍（算数和），但是实际的绕组是分布地放在槽距角为a的q个槽内， q个线圈的感应电动势应为q个线圈电动势的相量和，实际的电动势要小些，这是由于绕组分布造成的，这是由于绕组分布造成的，相当于在集中绕组的基础上打了一个折扣，这个折扣称相当于在集中绕组的基础

49、上打了一个折扣，这个折扣称其为基波分布系数。其为基波分布系数。 2）绕组的基波电动势）绕组的基波电动势 再考虑基波分布系数（相电动势的有效值q个线圈分布地放在槽内感应的电动势与集中地放在一个槽内感应的电动势之比）E E = 4.44fNkq= 4.44fNkq1 1k ky1y1m= = 4.44fNk4.44fNkw1w1m 分布系数与短距系数的乘分布系数与短距系数的乘积称为绕组系数积称为绕组系数k kw1w1111qywkkk第二节 同步发电机交流绕组的电动势和磁动势 2）绕组的基波电动势）绕组的基波电动势E E = 4.44fNkq= 4.44fNkq1 1k ky1y1m= 4.44f

50、Nk= 4.44fNkw1w1m 说明同步发电机在额定频率下运行时，其相说明同步发电机在额定频率下运行时，其相电动势的大小与转子的每极下的磁通成正比，若电动势的大小与转子的每极下的磁通成正比，若要调节发电机的电压，必须调节转子励磁电流，要调节发电机的电压，必须调节转子励磁电流，即改变转子的每极下的磁通。即改变转子的每极下的磁通。 线电动势与三相绕组的接法有关，对于三相线电动势与三相绕组的接法有关，对于三相对称绕组，对称绕组，形接法时，线电动势等于相电动势，形接法时，线电动势等于相电动势， Y形接法时，线电动势等于相电动势的形接法时，线电动势等于相电动势的3倍。倍。第二节 同步发电机交流绕组的电

51、动势和磁动势 3）高次谐波电动势消弱方法）高次谐波电动势消弱方法 由于同步发电机主磁极在气隙里的磁通分布不是理想的正弦由于同步发电机主磁极在气隙里的磁通分布不是理想的正弦波，除基波以外，还有一系列的高次谐波。为了改善电动势的波波，除基波以外，还有一系列的高次谐波。为了改善电动势的波形必须设法消弱高次谐波电动势，常用的方法有以下几种：形必须设法消弱高次谐波电动势，常用的方法有以下几种： 改善主磁场分布改善主磁场分布（凸极改善极靴外形、隐极改善励磁绕组的分（凸极改善极靴外形、隐极改善励磁绕组的分布范围）；布范围）； 将三相绕组接成星形将三相绕组接成星形（可消除线电动势中的三次及其倍数的奇（可消除线

52、电动势中的三次及其倍数的奇次谐波）；次谐波）； 利用短距绕组来消弱谐波电动势利用短距绕组来消弱谐波电动势，合理地选择线圈的节矩，使，合理地选择线圈的节矩，使某次谐波的短距系数等于或接近于零；某次谐波的短距系数等于或接近于零；(p91表）表） 采用分布绕组来消弱谐波电动势采用分布绕组来消弱谐波电动势，适当的增加每极每相槽数，适当的增加每极每相槽数，使某次谐波的分布系数接近于零，从而消弱该次谐波电动势。使某次谐波的分布系数接近于零，从而消弱该次谐波电动势。 (p92表）表）第二节 同步发电机交流绕组的电动势和磁动势 交流绕组的磁动势交流绕组的磁动势 交流电机的定子绕组中流过电流交流电机的定子绕组中

53、流过电流时将建立电枢磁动势，时将建立电枢磁动势，它对电机的能它对电机的能量转换和运行特性会产生很大的影响，量转换和运行特性会产生很大的影响，研究交流绕组的磁动势的性质、大小、研究交流绕组的磁动势的性质、大小、分布等很有必要。分布等很有必要。下面要讨论的内容下面要讨论的内容包括单相绕组的磁动势和三相绕组的包括单相绕组的磁动势和三相绕组的磁动势。磁动势。 单相脉振磁动势单相脉振磁动势 1）整距线圈的磁动势）整距线圈的磁动势 组成相绕组的单元是线圈，我们先分析一个线圈的磁动势。 若线圈内流过电流时，线圈的磁动势便产生一个两极磁场，根据右手定则，磁力线如图所示。若设想将电机中间切开，取纵坐标处在线圈的

54、中心位置，并用纵坐标表示磁动势的大小，横坐标表示沿定子内圆周的空间距离，磁动势波形为一磁动势波形为一矩形波，矩形波，如下图。 单相脉振磁动势单相脉振磁动势 1）整距线圈的磁动势 根据安培环路定律，作用在每个磁力线所经磁路的磁势为f = Ni, 任一磁力线所经磁路上的磁动势都是相等的。每个磁力线所经磁路都有两个气隙，作用在每个气隙上的磁压降为1/2Ni。 如果通过线圈的电流是正弦波（按余弦规律变化）， 则磁动势为tIicccos2磁势的振幅tINiNfcccccmcos2221 沿气隙圆周空间分布的磁动势波形为矩形波，沿气隙圆周空间分布的磁动势波形为矩形波，矩形波的幅值是随时间按余弦规律变化，但

55、磁动矩形波的幅值是随时间按余弦规律变化，但磁动势在空间的位置保持固定不变，其宽度仍等于线势在空间的位置保持固定不变，其宽度仍等于线圈宽度。圈宽度。 换句话说，矩形波磁动势在空间的位置保持换句话说，矩形波磁动势在空间的位置保持固定不变，但其幅值的大小和正负随时间变化。固定不变，但其幅值的大小和正负随时间变化。 我们把这种从空间上看位置固定，从时间上我们把这种从空间上看位置固定，从时间上看大小在正负最大值之间变化的磁动势称之为脉看大小在正负最大值之间变化的磁动势称之为脉振磁动势。显然，脉振磁动势的频率就是电流的振磁动势。显然，脉振磁动势的频率就是电流的频率。频率。 矩形波矩形波整距线圈的磁动势可以

56、按傅里叶级数分解为基波和一系列奇次谐波的磁动势。 其基波的极距等于矩形波的矩形波的极距，而次谐波的极距为基波的极距的1/。 次谐波的极对数是基波的倍。 基波磁动势的最大幅值是矩形波矩形波磁动势振幅的 4/倍，则基波磁动势的最大幅值为cccccININF9 . 02241 2） 单相磁动势单相磁动势 前面分析的是整距一个线圈的磁动势，对于交流电机来讲，常采用分布绕组，各线圈依次沿定子圆周在空间错开一个槽距角，产生的基波磁动势在空间的相位相差电角度。把一个极距下的q个线圈的基波磁动势相加，就可以求的合成基波磁动势。 磁动势在空间按正弦分布，所以，可以用空间相量表示。 由于线圈有整距和短距之分、各线

57、圈在电机中的布置以是分由于线圈有整距和短距之分、各线圈在电机中的布置以是分布的，所以，磁动势和电动势一样，在计算线圈磁动势时要乘以布的，所以，磁动势和电动势一样，在计算线圈磁动势时要乘以短距系数和分布系数。短距系数和分布系数。 正弦电流励磁的磁势 整距绕组 单层 双层 短距线圈组111qcqkqFF2sin2sin1qqkq1112qcqkqFF111111129 . 029 . 090sin2wccyqccqcqkqNIkkqNIykqFF 通过以上分析，有关单相脉振基波磁动势可得以下通过以上分析，有关单相脉振基波磁动势可得以下结论：结论： 1）单相绕组产生的基波磁动势是脉振磁动势，它）单相

58、绕组产生的基波磁动势是脉振磁动势，它在空间上按余弦规律分布，其位置固定不变，各点的磁在空间上按余弦规律分布，其位置固定不变，各点的磁动势大小又随时间按余弦规律变化，磁动势的脉振频率动势大小又随时间按余弦规律变化，磁动势的脉振频率为电流的频率。为电流的频率。 2）单相脉振基波磁动势的最大幅值为）单相脉振基波磁动势的最大幅值为 0.9k w1 NI/p，其幅值的位置处在相绕组的轴线上（亦，其幅值的位置处在相绕组的轴线上（亦即构成一对极下的每相绕组中心线上）。即构成一对极下的每相绕组中心线上）。 3）单相脉振基波磁动势即是一对极下一相线圈组）单相脉振基波磁动势即是一对极下一相线圈组的磁动势，对于双层

59、绕组来说含有两个线圈组，对于单的磁动势，对于双层绕组来说含有两个线圈组，对于单层绕组来说只含有一个线圈组。层绕组来说只含有一个线圈组。三相旋转磁动势 三相旋转磁动势三相旋转磁动势 现代电力系统都是三相制，交流电机也是三相的，那么三相对称绕组中通过三相对称的交流电将会产生什么样的磁动势。 1、解析法：、解析法： 单相磁动势为单相磁动势为：当对称三相绕组中，通入对称三相电流时，由于三相绕组的轴线在空间上彼此互差1200，三相对称电流在时间上互差1200，因此若把空间坐标原点取在A相绕组轴线上，A相电流达到 最大值的瞬间为时间起始点，则A，B，C三相绕组各自产生的脉振磁动势基波的表达式为： )240

60、cos()240cos()120cos()120cos(coscos0011001111tFftFftFfsCsBsA 利用三角公式：)cos()cos(21coscosIPNKFFtFtFfffftFtFftFtFftFtFfWsscbcssCssBssA111111111011101111119 .02323)cos()cos(23)120cos(21)cos(21)240cos(21)cos(21)cos(21)cos(21 三相合成磁势是一个波幅恒定的旋转波三相合成磁势是一个波幅恒定的旋转波 如果我们取如果我们取t = 0和和t = t1, 将这两个瞬时磁势波进行比较可将这两个瞬时磁势