同步電機-結構

1、同步電機的特點：同步速度，功率因數可調，三種運行狀態(tài)。同步電機的特點：同步速度，功率因數可調，三種運行狀態(tài)。第第5部分部分 同步電機同步電機同步電機同步電機是交流旋轉電機的一種是交流旋轉電機的一種,因其轉速恒等于因其轉速恒等于同步轉速而得名。同步轉速而得名。同步電機主要用作發(fā)電機，也可同步電機主要用作發(fā)電機，也可用作電動機和調相機。用作電動機和調相機。同步電機的實用價值極大，最主要用途是作為發(fā)同步電機的實用價值極大，最主要用途是作為發(fā)電機，現在工農業(yè)所用的交流電能幾乎全由同步發(fā)電機，現在工農業(yè)所用的交流電能幾乎全由同步發(fā)電機做供給。電機做供給。同步電機作為同步電動機應用，不及異步電動機同步電機

2、作為同步電動機應用，不及異步電動機廣泛。廣泛。但在不需要調速的低速大功率機械中，為了但在不需要調速的低速大功率機械中，為了改善功率因數，同步電動機有和異步電動機抗衡的改善功率因數，同步電動機有和異步電動機抗衡的新趨勢。新趨勢。第第5部分部分 同步電機同步電機5.1 同步電機的結構和工作原理同步電機的結構和工作原理45.1.1同步電機分類：同步電機分類：旋轉電樞式：旋轉電樞式：電樞旋轉，主極固定，因電樞功率電樞旋轉，主極固定，因電樞功率不易由滑動部分送出，只適于較小容量發(fā)電機，不易由滑動部分送出，只適于較小容量發(fā)電機，實用少。實用少。同步電機同步電機旋轉磁極式：旋轉磁極式：磁極旋轉，電樞固定，電

3、樞功率磁極旋轉，電樞固定，電樞功率由靜止部分送出，可傳送較大功率，實用廣，由靜止部分送出，可傳送較大功率，實用廣，是同步發(fā)電機的基本結構型式。是同步發(fā)電機的基本結構型式。n按結構形式分按結構形式分旋轉電樞式旋轉電樞式旋轉磁極式旋轉磁極式5.1.1同步電機的分類同步電機的分類n按結構形式分按結構形式分轉樞式：用于小容量同步電機轉樞式：用于小容量同步電機轉極式：用于高壓、大容量同步電機轉極式：用于高壓、大容量同步電機n按磁極形狀分按磁極形狀分隱極式：隱極式：轉子圓柱形，氣隙均勻轉子圓柱形，氣隙均勻凸極式：凸極式：轉子有明顯凸出的磁極，氣隙不均勻轉子有明顯凸出的磁極，氣隙不均勻n發(fā)電機按原動機不同分

4、發(fā)電機按原動機不同分汽輪發(fā)電機：高速，轉子隱極式汽輪發(fā)電機：高速，轉子隱極式, 細長形細長形水輪發(fā)電機：低速，轉子凸極式水輪發(fā)電機：低速，轉子凸極式, 短粗形短粗形n按冷卻介質和按冷卻介質和 冷卻方式分冷卻方式分空冷空冷外冷：空氣自然循環(huán)或風扇吹風強迫冷卻外冷：空氣自然循環(huán)或風扇吹風強迫冷卻水冷水冷內冷：需進水管、出水管等內冷：需進水管、出水管等氫冷氫冷外冷或內冷：需密封系統(tǒng)，防爆防漏外冷或內冷：需密封系統(tǒng)，防爆防漏轉子磁極結構轉子磁極結構凸極型轉子的外形圖凸極型轉子的外形圖同步電機的基本類型同步電機的基本類型按用途分：發(fā)電機，電動機，補償機。按用途分：發(fā)電機，電動機，補償機。球蘑機水泵站通風

5、機補償機或調相機按結構型式：旋轉電樞式和旋轉磁極式。按結構型式：旋轉電樞式和旋轉磁極式。按冷卻方式分：內部冷卻和外部冷卻按冷卻方式分：內部冷卻和外部冷卻冷卻介質分：氣體冷卻、液體冷卻和混合冷卻冷卻介質分：氣體冷卻、液體冷卻和混合冷卻例如：定子水內冷例如：定子水內冷-轉子氫內冷，雙水內冷，氫轉子氫內冷，雙水內冷，氫內冷，氫外冷，空冷。內冷，氫外冷，空冷。外部冷卻分：開啟式通風系統(tǒng)，閉路循環(huán)式通風外部冷卻分：開啟式通風系統(tǒng)，閉路循環(huán)式通風2)、定子繞組定子繞組：由許多線圈按一定規(guī)律連接而成。：由許多線圈按一定規(guī)律連接而成。大容量電機由于尺寸大，制成半匝式（線棒），大容量電機由于尺寸大，制成半匝式（

6、線棒），每個線棒由若干銅線并在一起，分成一排或兩排，每個線棒由若干銅線并在一起，分成一排或兩排，兩個線棒的一端焊在一起，即成一個線圈。兩個線棒的一端焊在一起，即成一個線圈。3)、機座機座：固定和支撐定子鐵心，并形成風道。：固定和支撐定子鐵心，并形成風道。5.1.2同步電機的基本結構同步電機的基本結構(一一)、隱極同步電機（臥式）、隱極同步電機（臥式）1)、定子鐵心定子鐵心：由：由0.5mm厚的硅鋼片疊成，沿軸向分成好厚的硅鋼片疊成，沿軸向分成好幾疊，每疊幾疊，每疊36cm，疊與疊之間留有寬疊與疊之間留有寬0.81cm的通風溝。的通風溝。1、定子、定子（也稱為電樞也稱為電樞）包括包括定子鐵心、定

7、子繞組、機座、端蓋等。定子鐵心、定子繞組、機座、端蓋等。當大型同步電機沖片外圓的直徑大于當大型同步電機沖片外圓的直徑大于1m時，由于材料標準時，由于材料標準尺寸的限制，硅鋼片常制成扇形，然后對成圓形。尺寸的限制，硅鋼片常制成扇形，然后對成圓形。定子鐵心：有定子鐵心：有0.5mm厚的硅鋼片疊成，每疊厚度厚的硅鋼片疊成，每疊厚度為為36cm，疊與疊間留有寬，疊與疊間留有寬0.81cm的通風槽。整的通風槽。整個鐵心用磁性壓板壓緊，固定在機座上。個鐵心用磁性壓板壓緊，固定在機座上。定子繞組定子繞組2)、勵磁繞組勵磁繞組：用扁銅線繞成同心式線圈，嵌放在大齒兩側：用扁銅線繞成同心式線圈，嵌放在大齒兩側的轉

8、子槽中，并用非磁性硬鋁槽楔壓緊。的轉子槽中，并用非磁性硬鋁槽楔壓緊。3)、護環(huán)護環(huán)：為使勵磁繞組可靠地固定在轉子上，繞組端部還要：為使勵磁繞組可靠地固定在轉子上，繞組端部還要套上用高強度非磁性鋼鍛成的護環(huán)。套上用高強度非磁性鋼鍛成的護環(huán)。1)、轉子鐵心轉子鐵心：一般用整塊的導磁性好的高強度合金鋼鍛成，：一般用整塊的導磁性好的高強度合金鋼鍛成，轉子表面約轉子表面約2/3部分銑有軸向凹槽，用于嵌放勵磁繞組，不銑槽部分銑有軸向凹槽，用于嵌放勵磁繞組，不銑槽的約的約1/3部分形成部分形成大齒，即磁極。大齒，即磁極。2、轉子：包括轉子、轉子：包括轉子鐵心、勵磁繞組、護環(huán)、風扇等。鐵心、勵磁繞組、護環(huán)、風

9、扇等。汽輪發(fā)汽輪發(fā)電機結電機結構構2)、定子繞組定子繞組：大、中容量凸極電機采用波繞組，：大、中容量凸極電機采用波繞組，小容量凸極電機采用疊繞組。小容量凸極電機采用疊繞組。3)、機座機座：固定和支撐定子鐵心，并形成風道。：固定和支撐定子鐵心，并形成風道。因直徑大，通常采用分瓣機座。因直徑大，通常采用分瓣機座。(二二)、凸極同步電機（臥式或立式）、凸極同步電機（臥式或立式）1)、定子鐵心定子鐵心：由：由0.5mm厚硅鋼片疊成，因直徑大，厚硅鋼片疊成，因直徑大，一般采用幾片扇形硅鋼片拼成一個圓形。一般采用幾片扇形硅鋼片拼成一個圓形。1、定子定子：包括：包括定子鐵心、定子繞組、機座等。定子鐵心、定子

10、繞組、機座等。臥式：同步電動機、同步補償機和用內燃機或沖擊式水輪臥式：同步電動機、同步補償機和用內燃機或沖擊式水輪 機拖動的同步發(fā)電機。機拖動的同步發(fā)電機。立式：低速、大容量水輪發(fā)電機和大型水泵用同步電動機。立式：低速、大容量水輪發(fā)電機和大型水泵用同步電動機。（二）、凸極發(fā)電機結構（二）、凸極發(fā)電機結構(1)(1)立式水輪發(fā)電機立式水輪發(fā)電機(2)(2)臥式水輪發(fā)電機臥式水輪發(fā)電機3)、阻尼繞組阻尼繞組：由插入磁極極靴槽中的銅條和兩端的：由插入磁極極靴槽中的銅條和兩端的端環(huán)焊成一個閉合繞組。在發(fā)電機不對稱運行時，端環(huán)焊成一個閉合繞組。在發(fā)電機不對稱運行時，起削弱負序旋轉磁場，抑制轉子機械振蕩的

11、作用。起削弱負序旋轉磁場，抑制轉子機械振蕩的作用。2)、轉軸轉軸：用高強度鋼鍛成。因用高強度鋼鍛成。因轉速低，轉子鐵心與轉速低，轉子鐵心與轉軸分開鍛造。轉軸分開鍛造。1)、轉子鐵心轉子鐵心：即磁極，采用：即磁極，采用T尾或鳩尾與磁軛連接，尾或鳩尾與磁軛連接，磁軛與轉軸間用轉子支架支撐著，轉子支架固定在轉磁軛與轉軸間用轉子支架支撐著，轉子支架固定在轉軸上。軸上。2、轉子轉子：包括轉子：包括轉子鐵心、轉軸、勵磁繞組、阻尼繞組等。鐵心、轉軸、勵磁繞組、阻尼繞組等。汽輪發(fā)電機：轉速高，采用隱極式。汽輪發(fā)電機：轉速高，采用隱極式。水論發(fā)電機：轉速低，采用凸極式。水論發(fā)電機：轉速低，采用凸極式。2 2、水

12、輪發(fā)電機結構、水輪發(fā)電機結構轉子結構轉子結構10000kW10000kW水輪機轉子水輪機轉子汽輪發(fā)電機定子包括機座、鐵心和繞組。汽輪發(fā)電機定子包括機座、鐵心和繞組。5.1.2 同步電機的基本結構同步電機的基本結構汽輪發(fā)電機：轉速高，采用汽輪發(fā)電機：轉速高，采用隱極式。隱極式。水論發(fā)電機：轉速低，采用水論發(fā)電機：轉速低，采用凸極式。凸極式。國產國產200MW汽輪發(fā)電機定子鐵心汽輪發(fā)電機定子鐵心同步電機定子繞組同步電機定子繞組國產國產200MW汽輪發(fā)電機定子機座汽輪發(fā)電機定子機座n從圖從圖1發(fā)電機定子繞組內冷水系統(tǒng)示意圖可以看出發(fā)電機定子繞組絕緣中，不僅發(fā)電機定子繞組內冷水系統(tǒng)示意圖可以看出發(fā)電機

13、定子繞組絕緣中，不僅包括繞組的槽部、端部和引出線部分，還包括了絕緣引水管內冷水的絕緣和各匯流包括繞組的槽部、端部和引出線部分，還包括了絕緣引水管內冷水的絕緣和各匯流管對地的絕緣。內冷水系統(tǒng)的各匯流管采取了多種措施，使其從機內到機外都對地管對地的絕緣。內冷水系統(tǒng)的各匯流管采取了多種措施，使其從機內到機外都對地絕緣，在匯流管與線圈絕緣引水管連接處還安裝了許多測溫元件，局部的絕緣缺陷絕緣，在匯流管與線圈絕緣引水管連接處還安裝了許多測溫元件，局部的絕緣缺陷或測溫元件外殼與匯流管相碰等都可能造成接地故障?；驕y溫元件外殼與匯流管相碰等都可能造成接地故障。汽輪機隱極式轉子汽輪機隱極式轉子轉子：轉子鐵心、勵磁

14、繞組、阻尼繞組、轉軸、護環(huán)、中心轉子：轉子鐵心、勵磁繞組、阻尼繞組、轉軸、護環(huán)、中心環(huán)、滑環(huán)、電刷、風扇和軸承。環(huán)、滑環(huán)、電刷、風扇和軸承。 隱極式轉子：細長轉子，由整塊導磁性好的、高強度的合金鋼鍛造而成。隱極式轉子：細長轉子，由整塊導磁性好的、高強度的合金鋼鍛造而成。2/3的小齒，沒開槽為大齒，大齒中心線是磁極軸線，的小齒，沒開槽為大齒，大齒中心線是磁極軸線，p=1，n1=3000r/min，齒槽，齒槽內繞勵磁繞組。內繞勵磁繞組。轉子下線轉子下線 隱極式轉子機械強度高，高轉速，臥式結構。長度與直徑之比隱極式轉子機械強度高，高轉速，臥式結構。長度與直徑之比26，容量越，容量越多，比值越大，但通

15、風比較困難。多，比值越大，但通風比較困難。同步電機同步電機換向器換向器 水輪發(fā)電機包括水輪發(fā)電機包括推力軸承、永磁發(fā)電推力軸承、永磁發(fā)電機、定子鐵心、定子機、定子鐵心、定子繞組和轉子。繞組和轉子。 轉子又包括支架、轉子又包括支架、磁軛、磁極、勵磁繞磁軛、磁極、勵磁繞組、阻尼繞組、集電組、阻尼繞組、集電環(huán)和碳刷、推力軸承環(huán)和碳刷、推力軸承（由推力頭、鏡板、（由推力頭、鏡板、推力瓦、軸承座、油推力瓦、軸承座、油膜組成）。膜組成）。（此圖為立式機組）（此圖為立式機組）臥式機組水電站臥式機組水電站水輪機凸極式轉子水輪機凸極式轉子凸極式轉子：分臥凸極式轉子：分臥式和立式兩種結構。式和立式兩種結構。粗而短

16、、磁極明顯；粗而短、磁極明顯；磁極由磁極由11.5厚的鋼厚的鋼板沖成，用鉚釘裝板沖成，用鉚釘裝成一體。成一體。 p1，n13000r/min，勵磁，勵磁繞組集中安放，轉繞組集中安放，轉速低。外徑和長度速低。外徑和長度之比大約為之比大約為57。湯峪電站發(fā)電機轉子湯峪電站發(fā)電機轉子阻尼繞組的結構類阻尼繞組的結構類似于鼠籠轉子，由似于鼠籠轉子，由插入主磁極極靴槽插入主磁極極靴槽中的銅條和兩端的中的銅條和兩端的端環(huán)焊成一個閉合端環(huán)焊成一個閉合繞組在發(fā)電機中抑繞組在發(fā)電機中抑制機械振蕩；也是制機械振蕩；也是同步電動機和補償同步電動機和補償機的起動繞組。機的起動繞組。5.1.35.1.3同步電機的基本工作

17、原理同步電機的基本工作原理1.同步發(fā)電機的基本工作原理同步發(fā)電機的基本工作原理大小大?。?1104 44wE.fN k 頻率頻率：60pnf 勵磁繞組通入直流電流后建立恒定磁勵磁繞組通入直流電流后建立恒定磁場，原動機拖動轉子以轉速場，原動機拖動轉子以轉速 旋轉時，其旋轉時，其磁場切割定子繞組而感應交流電動勢磁場切割定子繞組而感應交流電動勢 . . n0E相序相序：由轉子的轉向決定。：由轉子的轉向決定。波形波形：由：由 可知，波形可知，波形取決于取決于 的空間分布。的空間分布。( x )eBlv ( x )BU2U1W2V1W1V2NSn發(fā)電機的物理過發(fā)電機的物理過程可用圖示表示程可用圖示表示旋

18、轉示意圖旋轉示意圖1旋轉示意圖旋轉示意圖2 e eA A=E=Ecmcmsinwtsinwt e eB B=E=Ecmcmsinsin（wt-wt-1201200 0） e eC C=E=Ecmcmsinsin（wt+wt+1201200 0）5.1.4同步電機的勵磁方式同步電機的勵磁方式指同步電機獲得直流勵磁電流的方式；指同步電機獲得直流勵磁電流的方式；而供給勵磁電流的整個系統(tǒng)，稱為勵磁系統(tǒng)。而供給勵磁電流的整個系統(tǒng)，稱為勵磁系統(tǒng)。(一一)、直流勵磁機勵磁系統(tǒng)直流勵磁機勵磁系統(tǒng)：用同軸直流發(fā)電機供給勵磁。：用同軸直流發(fā)電機供給勵磁。(二二)、整流器勵磁系統(tǒng)整流器勵磁系統(tǒng)： (用晶閘管取代直流

19、發(fā)電機電刷和換向器用晶閘管取代直流發(fā)電機電刷和換向器)1、靜止整流器勵磁系統(tǒng)靜止整流器勵磁系統(tǒng)：1)、他勵式他勵式：用同軸交流主勵磁機發(fā)出交流電，經靜止半導體整：用同軸交流主勵磁機發(fā)出交流電，經靜止半導體整流器整流后供給勵磁。流器整流后供給勵磁。2)、自勵式自勵式：(取消了交流勵磁機取消了交流勵磁機)取自同步發(fā)電機輸出的交流電，經晶閘管整流后供給勵磁。取自同步發(fā)電機輸出的交流電，經晶閘管整流后供給勵磁。2、旋轉整流器勵磁系統(tǒng)旋轉整流器勵磁系統(tǒng)： (取消了同步發(fā)電機集電環(huán)和電刷取消了同步發(fā)電機集電環(huán)和電刷) 用同軸轉樞式交流主勵磁機發(fā)出交流電，經同步發(fā)電機轉子上的用同軸轉樞式交流主勵磁機發(fā)出交流

20、電，經同步發(fā)電機轉子上的半導體整流器整流后供給勵磁，稱為無刷勵磁系統(tǒng)。半導體整流器整流后供給勵磁，稱為無刷勵磁系統(tǒng)。直流直流(并勵并勵)勵磁機勵磁勵磁機勵磁：屬獨立電源，與交流電網無關，運行可靠。：屬獨立電源，與交流電網無關，運行可靠。 LHLH電流互感器，電流互感器，YHYH電壓互感器，電壓互感器，F F 同步發(fā)電機，同步發(fā)電機，FLQFLQ同步發(fā)電機的勵磁線圈，同步發(fā)電機的勵磁線圈，L L直流勵磁機，直流勵磁機，LLQLLQ直流直流勵磁機的勵磁線圈勵磁機的勵磁線圈( (副勵磁機副勵磁機) )，RcRc可調電阻，由自動勵磁裝可調電阻，由自動勵磁裝置隨發(fā)電機輸出負載，調節(jié)發(fā)電機勵磁電流置隨發(fā)電

21、機輸出負載，調節(jié)發(fā)電機勵磁電流靜止整流器勵磁靜止整流器勵磁 屬自勵式系統(tǒng)，屬自勵式系統(tǒng)，ZB為整流變壓器。起勵元件：使主發(fā)電機的剩磁殘壓經為整流變壓器。起勵元件：使主發(fā)電機的剩磁殘壓經整流變壓器和整流電壓自勵。用于中、小型同步發(fā)電機。整流變壓器和整流電壓自勵。用于中、小型同步發(fā)電機。旋轉整流器勵磁旋轉整流器勵磁 解決了換向器上可能出現的火花。用于大型或防燃，防爆的同步電機。解決了換向器上可能出現的火花。用于大型或防燃，防爆的同步電機。JL:轉樞式主勵磁機，轉樞式主勵磁機，FLQ：主發(fā)電機的轉子勵磁繞組，：主發(fā)電機的轉子勵磁繞組，FL：交流副勵磁機，：交流副勵磁機，FLLQ：副勵磁機勵磁繞組副勵

22、磁機勵磁繞組5.1.5 5.1.5 同步電機的額定值同步電機的額定值一、額定值一、額定值1.1.額定電壓額定電壓U UN N(V,kV)(V,kV)：指額定運行時：指額定運行時定子定子輸出端的線電壓。輸出端的線電壓。2.2.額定電流額定電流I IN N(A)(A)：指額定運行時：指額定運行時定子定子的線電流。的線電流。3.3.額定功率因數額定功率因數coscos N N：額定運行時電機定子側的功率因數。：額定運行時電機定子側的功率因數。4.4.額定效率額定效率 N N：電機額定運行時的效率。：電機額定運行時的效率。4.4.額定容量額定容量 S SN N： 發(fā)電機指出線端額定視在功率，單位為發(fā)電

23、機指出線端額定視在功率，單位為VAVA，KVAKVA，MVAMVA； 調相機為線端額定無功功率，單位為調相機為線端額定無功功率，單位為Var,kVar,MVarVar,kVar,MVar。 S SN N = = 3U3UN NI IN N5.5.額定功率額定功率P PN N(W,kW,MW(W,kW,MW）：）： 發(fā)電機指額定輸出有功電功率：發(fā)電機指額定輸出有功電功率：P PN N=S=SN Ncoscos N N= = 3U3UN NI IN Ncoscos N N 電動機指軸上輸出的額定機械功率：電動機指軸上輸出的額定機械功率： P PN N=S=SN Ncoscos N N N N= =

24、 3U3UN NI IN Ncoscos N N N N6.6.額定頻率：額定運行時電機電樞輸出端電能的頻率，額定頻率：額定運行時電機電樞輸出端電能的頻率，我國標準工業(yè)頻率規(guī)定為我國標準工業(yè)頻率規(guī)定為50Hz50Hz。7.7.額定轉速：額定運行時電機的轉速，即同步轉速。額定轉速：額定運行時電機的轉速，即同步轉速。8.8.除上述額定值外，同步電機名牌上還常列出一些其除上述額定值外，同步電機名牌上還常列出一些其它的運行數據，例如額定負載時的溫升、勵磁容量它的運行數據，例如額定負載時的溫升、勵磁容量和勵磁電壓等。和勵磁電壓等。 二、國產同步電機型號二、國產同步電機型號 v 汽輪發(fā)電機有汽輪發(fā)電機有Q

25、FQQFQ、QFNQFN、QFSQFS等系列，等系列， 前兩個字母表示汽輪前兩個字母表示汽輪發(fā)電機；第三個字母表示冷卻方式，發(fā)電機；第三個字母表示冷卻方式，Q Q表示氫外冷，表示氫外冷，N N表示氫表示氫內冷，內冷，S S表示雙水內冷。表示雙水內冷。v 大型水輪發(fā)電機為大型水輪發(fā)電機為TSTS系列，系列，T T表示同步，表示同步，S S表示水輪。表示水輪。v 同步電動機系列有同步電動機系列有TDTD、TDLTDL等，等，TDTD表示同步電動機，后面的表示同步電動機，后面的字母指出其主要用途。如字母指出其主要用途。如TDGTDG表示高速同步電動機；表示高速同步電動機；TDLTDL表示表示立式同步電動機。同步補償機為立式同步電動機。同步補償機為TTTT系列。系列。 v 舉例：舉例：Q