电机学课件-同步电机结构

1、同步电机同步发电机的基本电磁关系同步发电机对称运行时的特性同步发电机并网运行1同步电机同步发电机的基本电磁关系1同步电机的基本特点：n=n1n1=60f1/P，f1电网频率同步电机的用途：主要作发电机；电动机；同步调相机。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。2同步电机的基本特点：n=n1n1=60f1/P，f1电网频率同步发电机的基本电磁关系 16-1 同步电机的基本工作原理转子绕组通以直流电流形成分布磁场，匝链定子上的各相绕组。定子上嵌放有对称三相绕组a-x、b-y、c-zSNnIf同步电机的基本结构3同步发电机的基本电磁关系 16-1 同步电同步电机与异步电机的根本区

2、别是旋转的转子通入直流电流励磁转子通直流电流 If励磁磁场Bf电枢感应电势随转子旋转 角速度SNnea三相对称负 载运行时旋转基波 磁势三相对称电 枢电流 iabc(同步电机)ebecIf4同步电机与异步电机的根本区别是旋转的转子通入直流电流励磁转子16-2 同步电机的构造特点同步电机一般采用旋转磁极式结构，根据磁极形状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 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516-2 同步电机的构造特点同步电机一般采用旋转磁极式结构 国产300MW汽轮发电机6 国产300MW汽轮发电机61、汽轮发电机结构300M

3、W水氢冷发电机结构71、汽轮发电机结构300MW水氢冷发电机结构7隐极同步电机结构实物图大型汽轮发电机定子铁心槽汽轮发电机完工后的定子8隐极同步电机结构实物图大型汽轮发电机定子铁心槽汽轮发电机完工1、汽轮发电机结构 （1）定子铁心思考：定子铁心为什么要用0.5mm的硅钢片叠裝？ 91、汽轮发电机结构思考：定子铁心为什么要用0.5mm的硅钢片1、汽轮发电机结构 （2）定子绕组101、汽轮发电机结构101、汽轮发电机结构 111、汽轮发电机结构 1112121313汽轮发电机组14汽轮发电机组142、水轮发电机结构(1)立式水轮发电机(2)卧式水轮发电机152、水轮发电机结构(1)立式水轮发电机(

4、2)卧式水轮发电机12、水轮发电机结构(3)灯泡贯流式水轮发电机162、水轮发电机结构(3)灯泡贯流式水轮发电机16凸极同步电机结构实物图带阻尼绕组的凸极同步电机转子水轮发电机定子分段铁心17凸极同步电机结构实物图带阻尼绕组的凸极同步电机转子水轮发电机1818191920202121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基本相同，所不同的只是转子结构。22凸极同步电机 凸极同步电机转子由磁极、励磁线圈 同步电机的构造特点1、定子：铁心，绕组2、转子：凸极式 隐极式3 气隙：比异步电机大。气隙处于电枢内圆和转子

5、磁极之间，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。 23 同步电机的构造特点1、定子：铁心，绕组2316-3 同步电机的铭牌及额定值铭牌我国生产的汽轮发电机有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。系列：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

6、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系列。2416-3 同步电机的铭牌及额定值铭牌24额定值一 额定容量SN或功率PN：长期安全运行的最大允许输出功率。二 额定电压UN：额定工况时，线电压三 额定电流IN：额定工况时，线电流四 fn fn=50Hz五 nN 额定运行时电机转速六 额定功率因数（cosN）额定有功功率和视在功率的比值七 额定效率N 电机额定运行的效率25额定值2516-4 同步电机的空载运行一 空载磁场1 空载运行：同步发电机空载运行是指同步发电机被原动机拖动到同步转速，转子励磁绕组通入直流励磁电流而定子绕组开路时的运行工况。 2616-4

7、同步电机的空载运行一 空载磁场262 空载磁场时气隙中的磁场仅有直流励磁电流产生的励磁磁场， 称为空载磁场或主磁场。3 主磁路(0的路径)主极铁心气隙电枢齿电枢磁轭电枢齿气隙另一主极铁心转子磁轭。272 空载磁场时气隙中的磁场仅有直流励磁电流产生的励磁磁场，凸极同步电机的空载磁势励磁绕组为集中绕组，磁势波为矩形波对于凸极发电机来说，由于定转子间的气隙沿整个电枢圆周分布不均匀，极面下气隙较小，磁阻较小；极间气隙较大，极间磁阻很大。同一个极面下，气隙径向磁通密度的分布近似于平顶的帽形。极靴以外的气隙磁通密度减少很快，相邻两极中线上的磁通密度为零。气隙磁密用付立叶谐波分析分解出空间基波和一系列谐波。

8、 AXBCYz+A+A028凸极同步电机的空载磁势励磁绕组为集中绕组，磁势波为矩形波对于感应电势的波形和大小与气隙磁密的分布形状及幅值大小紧密相关。在设计和制造电机时，应采取适当的措施，以获得尽可能接近正弦分布的气隙磁密，从而得到较高品质的感应电势。 29感应电势的波形和大小与气隙磁密的分布形状及幅值大小紧密相关。二空载特性1. 空载感应电势的大小与频率n基波电动势：E0=4.44fWkW100 ：磁极的基波每极磁通。W：每相定子绕组串联匝数。30二空载特性1. 空载感应电势的大小与频率n基波电动势：E02空载特性：当转子以恒定转速n旋转时，为磁路的磁化特性与曲线相似(成比例)( )c1d0I

9、f(Ff)一般将发电机的空载额定电压设计于弯曲部分C点312空载特性：当转子以恒定转速n旋转时，为磁路的磁化特性与曲3.电机磁路的饱和系数气隙线:将空载特性的直线部分延长得线段2，称为气隙线。( )abc12ngd0Ff0F设oa代表额定电压， 则ac为产生额定电压所需磁势:323.电机磁路的饱和系数气隙线:将空载特性的直线部分延长得线段( )abc12ngd0Ff0Fab=F：不计饱和时产生oa电压所需磁势，称为气隙磁势。bc=FFe：由于饱和，使得产生oa电压的磁势增大的部分， FFe用以克服铁心磁阻所需磁势。且FFe铁心越饱和越大。c当E0=UN 时：33( )abc12ngd0Ff0F

10、ab=F：不计饱abc1ngd0If(Ff)Ff0F电机运行于曲线刚好弯曲除：1、充分利用材料；2、不会过分饱和;34abc1ngd0If(Ff)Ff0F电机运行于曲线刚好弯曲空载特性的工程应用 将设计好的电机的空载特性与常规空载特性相比较，如果两者接近，说明电机设计合理，反之，则说明该电机的磁路过于饱和或者材料没有充分利用。如太饱和，将使励磁绕组用铜过多，且电压调节困难如饱和度太低，则负载变化时电压变化较大，且铁心利用率较低，铁心耗材较多结合短路特性可以求取同步电机的参数。发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性以及励磁系统的故障。 必须掌握（*）35空载特性的工程应用 将设计好的电机的

11、空载特性与常规空载特三、对空载电势的要求三相对称。频率恒定。波形接近正弦。有一定幅值。36三、对空载电势的要求3616-5 对称负载时的电枢反应Armature reaction of synchronous generator电枢反应概念：内功率因数角 不同情况电枢反应分析3716-5 对称负载时的电枢反应Armature rea1、电枢反应的定义：电枢反应：电枢电流产生的磁动势对励磁磁场的影响381、电枢反应的定义：电枢反应：电枢电流产生的磁动势对励磁磁场 磁势分析1、定子三相对称绕组中对称三相电流产生基波电Fa枢磁势（1） 大小：（2） 转速： (r/min) （3） 转向：沿通电相序A

12、、B、C的方向，它与转子转向相同（4）极对数：和转子极对数相同，决定于绕组的节距y2、转子绕组通入直流产生每极基波励磁磁势Ff1 （1） 大小： （2） 转速：和转子转速一样为同步速（3） 转向：和转子转向一致（4） 极对数：和转子磁极的极对数相同39 磁势分析（1） 大小：（2） 转速： 励磁磁势和电枢磁势的区别基波波形大小位置转速励磁磁势正弦波恒定，由励磁电流决定由转子位置决定由原动机的转速决定电枢反应磁势正弦波恒定，由电枢电流决定由电流瞬时值决定由电流的f和P决定40励磁磁势和电枢磁势的区别基波波形大小位置转速励磁磁势正弦波恒4141准备工作 三个角 四个轴 42准备工作 三个角422.

13、 电枢反应的性质电枢反应的性质(助磁、去磁或交磁）取决于电枢磁势基波与励磁磁势基波的空间位置；这一相对位置与励磁电势E0和电枢电流I之间的相位差，即角度有关432. 电枢反应的性质电枢反应的性质(助磁、去磁或交磁）取决于一、 和 同相（ =0）时的电枢反应（ ：内功率因数角）q轴 A轴AX ZBCYFfNSd轴时轴+900FFa 交轴电枢反应44一、 和 同相（ =0）时的电枢反应 1. 在轴d上。如图瞬间，A相励磁电势达到最大值，由于 和 同相，故而 亦如图示方向。此时A相电流最大。三相合成电枢磁势 出现在A相轴线上。AXZCBYq轴A轴C轴B轴SNd轴n111时轴45 1. 在轴d上。如图

14、瞬间，A相AXZCBYq轴A轴C轴B轴SNd轴n111时轴1q轴时轴相轴d轴46AXZCBYq轴A轴C轴B轴SNd轴n111时轴1q轴可见 始终位于交轴上，称为 （交轴磁势）。2.时间向量图将时间向量图的参考轴与A相绕组轴线取重合3时空相矢量图三相电流对称， 仅以A相代表。1q轴时轴相轴d轴47可见 始终位于交轴上，称为 （交轴: 在定子中感应电势。 ：交轴电枢反应 使气隙磁势 增加，且由直轴后移一个角度。3、使得转子励磁绕组受一阻力矩（制动力矩）这样要维持n1，必须输入更多的有功。1q轴时轴相轴d轴48: 在定子中感应电势。 ：交轴电枢反时空相矢图的作法：1、根据负载性质定出4、画出与对应的

15、2、选时轴、相轴和q、d轴1q轴时轴相轴d轴3、画Ff1在d轴上，E0在q轴上5、Fa与I同“相”，49时空相矢图的作法：1、根据负载性质定出4、画出与对应的2二、 滞后 （ =900 ）时电枢反应时轴d轴q轴 A轴AXZBCYFfNS直轴去磁电枢反应Fa50二、 滞后 （ =900 ）时电枢反应时轴AXZCBYq轴A轴SNd轴n111时轴1q轴时轴相轴d轴1、各相电流如图51AXZCBYq轴A轴SNd轴n111时轴1q轴时轴相轴1q轴时轴相轴d轴可见 , 与 方向相反 ，气隙磁场被削弱，电枢反应纯去磁作用，位于d轴又称直轴电枢磁势2. 转子旋转不受影响，发电机供给纯感性（ =900 ）或纯容

16、性（ =-900 ）无功负载时，不需原动机载入功率。521q轴时轴相轴d轴可见 , 与 方向三、 超前 900 的电枢反应（ =-900 ）时轴d轴q轴 A轴AXZBCYFfNS直轴助磁电枢反应Fa53三、 超前 900 的电枢反应（ AXZCBYq轴A轴SNd轴n111时轴1q轴时轴相轴d轴54AXZCBYq轴A轴SNd轴n111时轴1q轴时轴相轴1q轴时轴相轴d轴可见， 超前 900相位时，电枢磁势 的方向总与励磁磁势 的方向相同。它们直接相加得气隙中合成磁势 的电枢反应是纯粹助磁的。 又位于d轴，又称551q轴时轴相轴d轴可见， 超前 900相位时四、 情况下的电枢反:( 滞后励磁电势

17、锐角）。时轴d轴q轴 A轴AXZBCYFfNS既有交轴又有直轴去磁电枢反应+900Fa56四、 情况下的电枢反:( 滞后励磁电可见此时电枢磁势 滞后 （ +900 ）此时电枢应兼有去磁及交磁两种性质。q轴d轴时轴相轴的直轴分量（无功分量）的交轴分量（有功分量）57可见此时电枢磁势 滞后 （ +900 ）此时电枢应电枢磁势和电枢电流分量 58电枢磁势和电枢电流分量 当角为不同值的电枢反应 位置夹角记作电枢反应性质对电机的影响负载性质n(f)U=00q轴+900交轴波形畸变下降不变R=900d轴+900直、去削弱不变下降L=-900d轴+900直、助增强不变上升C00900d、q轴+900交、直去削弱下降下降 R、L-900 xaq3、隐极机 同步阻抗凸极机 直轴同步阻抗 交轴同步阻抗 电枢电阻2、气隙越大，则磁阻越大，电枢反应电抗越小74：直轴电枢反应磁通所经路径磁导：交轴电枢反应磁通所经路径磁导同步电抗主要受电枢反应电抗的影响，与