同步电机的基本原理与运行特性

磁极旋转式同步电机
定子、转子、气隙
定子——定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌 放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步 电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢 铁心和电枢绕组 转子——转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极， 磁极上绕有励磁绕组，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)。 气隙——气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，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。
对励磁系统的要求
当电机内部发生短路故障时， 能快速灭磁和 减磁，以减小故障的损坏程度。 对两台以上并列运行发电机， 能成组调节无 功功率，使无功合理分配。 其他：反映迅速，运行可靠，结构简单，损耗 小，成本低，体积小等
强励指标
励磁电流增长幅度
强励时顶值电压 强励倍数K = 正常工作电压
励磁电流增长速度
发电机原理示意
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。 载流导体：三相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。 切割运动：原动机拖动转子旋转（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）。 交变电势的产生：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。通过 引出线，即可提供交流电源。 感应电势 频率： 感应电势的频率决定于同步电机的转速n 和极对数 pn p ，即
发电机的转速必须为某些固定值——同步转速。例如 2极电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转 速为1500r/min，依次类推。只有运行于同步转速，同 步电机才能正常运行。
电动机原理
将同步电机定子—绕组接至三相交流电源，频率为f的 三相交流电流将在电机气隙中产生转速为同步转速n1 的旋转磁场。 在一定条件下旋转磁场将吸住转子磁极一起旋转，它 们有相同的转速和转向——无相对运动 转子转速为同步转速 n＝60f／p 同步电动机的功率因数可以调节，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，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多 地应用。
电机名牌上还有其它的运行数据，如额定负载时的温升 、励磁容量 和 字母指出其主要用途。如TDG表示高速同步电动机；TDL表示立 励磁电压 ，定子绕组连接等。 式同步电动机。同步补偿机为TT系列。
思考题
为什么同步电机不能有任意的转速？ 如何从外形上区分汽轮发电机和水轮发电机？ 定子电枢绕组安排的基本要求——各相绕组感 应电势对称
励磁绕组（分布绕组）埋于转子槽内，沿转子圆周气隙近似均匀。
波形系数 k
f
=
Ff1 Ff
励磁磁势在空间的分布为一个阶梯形，受齿槽的影响,气隙磁密呈现 出波动变化。 用谐波分析法可求出其基波分量 合理地选择大齿的宽度可以使气隙磁密的分布接近正弦波。如无特 殊说明，以电机图
分数槽绕组基本概念
原因：水轮发电机由于极数很多，极距相对较小，每 极每相槽数q就不可能太大，否则总槽数便过多，使 制造工艺发生困难。若q取较小整数，却不能充分利 用绕组分布的方法来削弱由非正弦波分布的磁场所感 应的电势中的谐波分量。此外，q较小时齿谐波电势 的次数较低而数值较大。 水轮发电机和低速同步电动机的每极每相槽数q常不 用整数，而用分数，例如采用q=b+c/d。——分数槽 绕组。
它励式
交流励磁机旋转整流系统
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。 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 旋转电枢式 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——无 刷励磁系统。
同步补偿机运行
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。 过激时，有超前的无功功率，如电容器
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圈 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 交替为 N 极和 S 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。中 小型同步电机多半也做成 凸极式。
f =
交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变； 由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。
60
同步转速
同步转速 从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构 成的交流电网的频率应该是一个不变的值，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：
60 f 3000 n= = p p
交流励磁机静止整流励磁
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 副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压 同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机 主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器 励磁机 建立起来后再转为自励(有时采用永磁发电机)。 和交流副励磁机。 整流后供给主发电机的励磁绕组。 在中小型同步发电机中，也可采用自励式整流系统
汽轮发电机图
汽轮发电机组
水轮发电机
特点——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，具扁短形。大多数水轮发电机为立式。 定子铁心——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。 定子绕组——每槽内只有一线棒，称单层绕组。为改善电压波形，常 采用分数槽绕组。 转子磁极——由厚度为1～2mm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，在电动机中作为起动绕 组用。
0.5s内增长电压 电压上升速度v = 正常工作电压
一般值，K=1.5-2，v=0.5-1.0
励磁方式
它励 由另外电源供电——直流发电机，带整流的 交流发电机 运动方式——同轴，独立工作 自励
自并励，自复励，谐波绕组励
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，或采用负载电流反馈的复式励磁。 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。
二、同步电机的励磁系统
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基本概念 励磁的要求 励磁方式 几种励磁系统
概念
励磁方式——同步电机获取直流励磁电流的方 式 励磁系统——供结励磁电流的整个系统，包括 装置和线路 励磁机 励磁调节器（手动、自动） 灭磁装置
对励磁系统的要求
正常运行时，供结励磁电流 为维持端电压或电网电压值，随负载情况变 化，励磁电流能相应调节 当系统电压严重下降时（如发生短路故障 等），能强行励磁提高电势，保持电压稳定 突然丢负荷时，如水轮机组转速明显升高，能 强行减磁，限制端电压过度增高。
第11章 同步电机的基本理论与运行特性
回顾同步电机的原理
定子上嵌放有对称三 相绕组a-x、b-y、c-z 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。
设磁场在气隙中按正弦分布
原动机拖动，则为同步发电机
设转子以恒定速度旋转 定子绕组中所匝链的磁通按正弦 规律变化，其感应电势按正弦规 律变化。 由于各相匝数相等，从而各相电 势的大小相等，由于各相绕组空 间分布彼此相距120°，从而三 相电势时间相位差120°——满 足了三相电势对称要求。
三、同步电机的空载运行
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空载磁势 时空矢量 空载电势 电压波形畸变
1、空载与空载磁势
空载运行：原动机带动发电机在同步转速下运 行，励磁绕组通过适当的励磁电流，电枢绕组 不带任何负载时。 空载运行是同步发电机最简单的运行方式， 其气隙磁场由转子磁势单独建立，分析较为简 单
1.1 隐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
kf =
4
π
sin
απ
2
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。
隐极式转子
隐极式转子上没有凸出的磁极 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，构成大 齿，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。
同步电机铭牌
我国生产的汽轮发电机有QFQ、QFN、QFS等系列。 电机型号 额定容量 SN (VA,kVA,MVA等) 或额定功率PN (W,kW,MW 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 等) ：指电机输出功率的保证值。 氢外冷，N表示氢内冷，S表示双水内冷。 额定电压 (V,kV等) ：额定时定子输出端线电压。 系列：TS系列，T表示同步，S表示水轮。 额定电流 (A) ：指额定运行时定子的线电流。 举例：QFS-300-2 表示容量为300MW双水内冷2极汽轮发电机。 额定功率因数 ：额定运行时输出电功率的功率因数。 TSS1264/160-48表示双水内冷水轮发电机，定子外径为1264厘 额定频率 ：额定运行时电机电枢输出端电能的频率，我国 米，铁心长为160厘米，极数为48。 标准工业频率规定为50Hz。 外同步电动机系列有TD、TDL等，TD表示同步电动机，后面的 额定转速 ：额定运行时电机的转速，即同步转速。 同步