電機學CAI-同步機(十五章)2013

1、第四篇第四篇 同同 步步 電電 機機福州大學福州大學電氣工程與自動化學院電氣工程與自動化學院電機學教研組電機學教研組電機學多媒體課件系列電機學多媒體課件系列2013.8第十五章第十五章 同步電機的基本結構和工作原理同步電機的基本結構和工作原理第一節(jié)第一節(jié) 同步電機的基本結構形式同步電機的基本結構形式第二節(jié)第二節(jié) 同步電機的基本工作原理同步電機的基本工作原理第三節(jié)第三節(jié) 同步電機的勵磁系統(tǒng)同步電機的勵磁系統(tǒng) 第四節(jié)第四節(jié) 同步電機的額定值同步電機的額定值目目 錄錄第十五章第十五章 同步電機的基本結構和工作原理同步電機的基本結構和工作原理 2 2、基本特點：電機轉子轉速、基本特點：電機轉子轉速n

2、n、定子電流頻率、定子電流頻率f f和磁極和磁極對數(shù)對數(shù)p p之間的關系之間的關系: : 3 3、主要用途：、主要用途： 主要用作發(fā)電機主要用作發(fā)電機產(chǎn)生單、三相交流電。產(chǎn)生單、三相交流電。 同步電動機同步電動機用于無需調速大功率機械中用于無需調速大功率機械中, ,能改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。能改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。 同步補償機同步補償機實質上是一臺空轉的同步電動機實質上是一臺空轉的同步電動機, ,靠調節(jié)勵磁電流向靠調節(jié)勵磁電流向 電網(wǎng)輸送無功功率，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。電網(wǎng)輸送無功功率，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。pfnn601 (r/min)(r/min)當當f=50Hzf=50Hz時，時，p=1p=1、2

3、 2、3 3、4 4、5 5 則：則：n=n1=3000n=n1=3000、15001500、10001000、750750、6006001 1、定義：由電磁感應原理而工作的一種、定義：由電磁感應原理而工作的一種旋轉旋轉電機。電機。 它是一種它是一種交流交流電機電機。凸極式凸極式: :第一節(jié)第一節(jié) 同步電機的基本結構形式同步電機的基本結構形式一、基本結構型式一、基本結構型式隱極式隱極式: 同步電機同步電機( (結構形式結構形式) )a)a)旋轉磁極式旋轉磁極式 磁極裝在轉子磁極裝在轉子上上, ,電樞繞組放電樞繞組放在定子上。在定子上。b)b)旋轉電樞式旋轉電樞式: : 磁極裝在定子磁極裝在定子

4、上，電樞繞組上，電樞繞組放在轉子上放在轉子上 a a）旋轉磁極式）旋轉磁極式 ：轉子上裝有磁極鐵芯和勵磁繞組：轉子上裝有磁極鐵芯和勵磁繞組, ,當當勵磁繞組通以直流電流后，電機內將產(chǎn)生轉子磁場。勵磁繞組通以直流電流后，電機內將產(chǎn)生轉子磁場。 電樞：高電壓、大電流，裝在定子便于引出電樞：高電壓、大電流，裝在定子便于引出磁極磁極( (勵磁勵磁) )：電流小，通過電刷引入轉子方便：電流小，通過電刷引入轉子方便因此，同步電機一般都采用旋轉磁極式結構。因此，同步電機一般都采用旋轉磁極式結構。凸極式凸極式: :氣隙不均勻，氣隙不均勻，集中勵磁集中勵磁繞組；繞組；極弧下較小而極間較大，極弧下較小而極間較大，

5、適合于中速或低速旋轉場合。適合于中速或低速旋轉場合。 隱極式隱極式:氣隙均勻，勵磁繞組分布于轉氣隙均勻，勵磁繞組分布于轉子表面槽內，轉子機械強度高，適合子表面槽內，轉子機械強度高，適合高速旋轉場合。高速旋轉場合。SNX2A1A1A2NSSX1X1NSNX2A1A1A2NSSX1X1Nb)b)旋轉電樞式旋轉電樞式: :機座上裝有磁極鐵機座上裝有磁極鐵芯和勵磁繞組芯和勵磁繞組, ,當勵磁繞組通以直當勵磁繞組通以直流電流后，電機內將產(chǎn)生定子磁場；流電流后，電機內將產(chǎn)生定子磁場；電樞繞組在轉子上電樞繞組在轉子上 。 用于小容量或特殊用途同步電機。如同步電機的交流勵磁機用于小容量或特殊用途同步電機。如同

6、步電機的交流勵磁機. 與感應電機一樣，同步電機也是由定子及轉子兩大部分所與感應電機一樣，同步電機也是由定子及轉子兩大部分所組成，定子上有三相交流繞組；轉子上則有勵磁繞組，通入直組成，定子上有三相交流繞組；轉子上則有勵磁繞組，通入直流電流后，能產(chǎn)生磁場。流電流后，能產(chǎn)生磁場。 定子定子: :同步電機的定子有時也稱為同步電機的定子有時也稱為電樞電樞，由定子鐵芯、電樞三，由定子鐵芯、電樞三相繞組、機座和相繞組、機座和電刷電刷等部件所組成。等部件所組成。二、同步電機的構造特點二、同步電機的構造特點NSNS+AABCCB定子鐵芯定子鐵芯定子繞組定子繞組轉子磁極鐵芯轉子磁極鐵芯轉子勵磁繞組轉子勵磁繞組電刷

7、電刷集電環(huán)集電環(huán)（滑環(huán)）（滑環(huán)）氣隙氣隙轉子轉子定子定子同步電機組成：定子、同步電機組成：定子、( (氣隙氣隙) )、轉子、轉子轉子轉子: :由磁極、轉軸、勵磁繞組、阻尼繞組、滑環(huán)等組由磁極、轉軸、勵磁繞組、阻尼繞組、滑環(huán)等組成。通過電刷和滑環(huán)通入直流電勵磁，產(chǎn)生機械成。通過電刷和滑環(huán)通入直流電勵磁，產(chǎn)生機械磁場磁場。轉子有轉子有隱極式和凸極式隱極式和凸極式兩種兩種。（一）定子（一）定子 : : 鐵芯、定子繞組、機座及其他固定部件鐵芯、定子繞組、機座及其他固定部件 定子鐵定子鐵芯芯:由由0.350.350.5mm0.5mm硅鋼片沖制后疊裝而成。硅鋼片沖制后疊裝而成。大型大型: :同步電機沖片外

8、圓同步電機沖片外圓( (直徑大于直徑大于1m1m時時),),由于材料尺由于材料尺寸的限制，必須做成扇形沖片，然后按圓周拼裝而成寸的限制，必須做成扇形沖片，然后按圓周拼裝而成; ;采用矩形開口槽采用矩形開口槽, ,設有徑向通風道。設有徑向通風道。小型小型: :同步電機由整型沖片疊壓成，半開口槽。同步電機由整型沖片疊壓成，半開口槽。大型電大型電機沖片機沖片小型電小型電機沖片機沖片定子嵌線定子嵌線 定子繞組定子繞組：雙層（短距）對稱三相繞組。大型電機：雙層（短距）對稱三相繞組。大型電機常采用扁銅線成型線圈繞制嵌入常采用扁銅線成型線圈繞制嵌入 ；槽口、端部必須；槽口、端部必須固定；大容量汽輪發(fā)電機常用

9、高壓（固定；大容量汽輪發(fā)電機常用高壓（1824kv)1824kv)線圈，線圈，要防電腐、電暈。要防電腐、電暈。汽輪機定子汽輪機定子(隱)外機座加工機座機座：主要用于：主要用于固定定子鐵芯，固定定子鐵芯，起支撐作用。起支撐作用。 小型機座可小型機座可根據(jù)發(fā)電機安裝根據(jù)發(fā)電機安裝結構需要，由鑄結構需要，由鑄鐵鑄造而成。鐵鑄造而成。 大型發(fā)電機大型發(fā)電機機座常由鋼板焊機座常由鋼板焊接而成。接而成。水輪機定子機座水輪機定子機座其他部件其他部件：端蓋、軸承蓋、隔振結構等：端蓋、軸承蓋、隔振結構等汽輪機定子壓入外機座汽輪機定子壓入外機座 1 1、隱極式轉子結構（汽輪發(fā)電機）、隱極式轉子結構（汽輪發(fā)電機）

10、隱極式同步發(fā)電機一般采用汽輪機作原動機驅動。汽輪隱極式同步發(fā)電機一般采用汽輪機作原動機驅動。汽輪機轉速高，離心力大，受轉子材料機械強度限制，轉子直徑機轉速高，離心力大，受轉子材料機械強度限制，轉子直徑限制在限制在1m1m左右左右, ,用增大長度來增大容量。用增大長度來增大容量。通常轉子長通常轉子長/ /徑徑比：比： ，容量越大比值亦越大。，容量越大比值亦越大。（二）轉子（二）轉子 65 .2 DL 汽輪發(fā)電機汽輪發(fā)電機( (隱極機隱極機) 的構造特點：的構造特點：發(fā)電機極對數(shù)發(fā)電機極對數(shù)p2p2；隱；隱極式，氣隙均勻；轉子鐵芯細而長，極式，氣隙均勻；轉子鐵芯細而長，因此均為臥式安裝結構。因此均

11、為臥式安裝結構。 汽輪發(fā)電機的轉子主要由轉軸、轉子鐵芯、勵磁繞組、集汽輪發(fā)電機的轉子主要由轉軸、轉子鐵芯、勵磁繞組、集電環(huán)電環(huán)( (引入勵磁電流引入勵磁電流) )、護環(huán)、風扇等部件構成。、護環(huán)、風扇等部件構成。 汽輪發(fā)電機轉子加工汽輪發(fā)電機轉子加工轉子鐵芯材料：轉子鐵芯材料：要求有良好的導磁性能；高的機械強度。要求有良好的導磁性能；高的機械強度。常用整塊高強度合金鋼鍛成常用整塊高強度合金鋼鍛成, ,沿轉子表面約沿轉子表面約2/32/3部分銑有部分銑有軸向凹槽，用于嵌放勵磁繞組軸向凹槽，用于嵌放勵磁繞組, ,不開槽的大齒為轉子主不開槽的大齒為轉子主磁極。磁極。 轉子繞組轉子繞組： a)a)勵磁繞

12、組勵磁繞組: :由扁銅線繞成同心式線圈由扁銅線繞成同心式線圈; ; b) b)阻尼繞組阻尼繞組: :放置在每槽槽契與導體之間或大齒上專門放置在每槽槽契與導體之間或大齒上專門銑出的槽里銑出的槽里, ,與轉子端環(huán)連成一短路繞組與轉子端環(huán)連成一短路繞組; ; 阻尼繞組作用阻尼繞組作用: :正常運行不起作用正常運行不起作用, ,當電機發(fā)生振蕩時當電機發(fā)生振蕩時, ,阻尼繞組中的電流能使振蕩衰減，抑制轉子機械振蕩。阻尼繞組中的電流能使振蕩衰減，抑制轉子機械振蕩。 c)c)轉軸、風扇、集電環(huán)轉軸、風扇、集電環(huán)( (引入勵磁電流引入勵磁電流) )汽輪發(fā)電機轉子結構汽輪發(fā)電機轉子結構汽輪發(fā)電機轉子槽形汽輪發(fā)電

13、機轉子槽形2 2凸極式轉子結構凸極式轉子結構通常通常分臥式結構分臥式結構和和立式結構立式結構兩類。兩類。臥式結構臥式結構立式立式結構結構臥式結構臥式結構 ：同步電動機、補償機和用同步電動機、補償機和用內燃機或沖擊式水輪機拖動的同步發(fā)內燃機或沖擊式水輪機拖動的同步發(fā)電機都電機都采用臥式結構采用臥式結構 。立式結構：立式結構：低速、低速、大容量的水輪發(fā)大容量的水輪發(fā)電機和大型水泵電機和大型水泵用同步電動機則用同步電動機則采用立式結構安采用立式結構安裝。裝。 吊裝中的水輪吊裝中的水輪發(fā)電機轉子發(fā)電機轉子(凸凸極極)(320MW)凸極式轉子凸極式轉子: :由轉軸、由轉軸、轉子支架、轉子支架、磁軛、磁極

14、、勵磁繞磁軛、磁極、勵磁繞組及阻尼繞構成。組及阻尼繞構成。轉軸轉軸: :傳遞轉矩傳遞轉矩,40#,40#或或50#50#和和20 SiMn20 SiMn等高強度鋼鍛成，等高強度鋼鍛成，大型電機通常做成空心軸，以減輕重量。大型電機通常做成空心軸，以減輕重量。磁極鐵芯磁極鐵芯: :由由1 12mm2mm的鋼板沖制成沖片疊壓鉚固成，在的鋼板沖制成沖片疊壓鉚固成，在高速電機中則采用實心磁極，構成磁路。高速電機中則采用實心磁極，構成磁路。勵磁繞組：勵磁繞組：由扁銅線繞成由扁銅線繞成同心式線圈套在磁極鐵芯同心式線圈套在磁極鐵芯上，上，通入直流電勵磁，產(chǎn)通入直流電勵磁，產(chǎn)生機械磁場生機械磁場。T形尾槽轉軸阻

15、尼條勵磁繞組磁極磁軛螺桿磁極鐵芯磁極鐵芯轉子支架轉子支架: :軸與轉子磁軛之間過度結構（水輪發(fā)電）。軸與轉子磁軛之間過度結構（水輪發(fā)電）。阻尼繞組：阻尼繞組：由插入主極極靴槽中的銅條和兩端的端環(huán)由插入主極極靴槽中的銅條和兩端的端環(huán)焊成的一個閉合繞組構成，當電機發(fā)生振蕩時焊成的一個閉合繞組構成，當電機發(fā)生振蕩時, ,阻尼阻尼繞組中的電流能使振蕩衰減，抑制轉子機械振蕩。繞組中的電流能使振蕩衰減，抑制轉子機械振蕩。磁軛：磁軛：用鋼錠加工或鋼板沖用鋼錠加工或鋼板沖成扇形片交錯疊成成扇形片交錯疊成, ,用來固用來固定磁極并構成磁路。定磁極并構成磁路。T形尾槽轉軸阻尼條勵磁繞組磁極磁軛螺桿磁磁 軛軛3 3

16、、凸極式轉子結構（水輪發(fā)電機）構造特點、凸極式轉子結構（水輪發(fā)電機）構造特點 原動機是水輪機原動機是水輪機; ; 轉速低轉速低、徑大多極徑大多極、極對數(shù)、極對數(shù)p3p3；有明；有明顯的磁極（凸極式）顯的磁極（凸極式）, ,氣隙不均氣隙不均勻；勻；軸向短扁式軸向短扁式( )( )，采，采用用豎軸安裝豎軸安裝立式結構。立式結構。1 . 0 DL定子定子: :同一般交流發(fā)電機相似同一般交流發(fā)電機相似, ,但是但是: : a) a)由于直徑大由于直徑大, ,為便于運輸為便于運輸, ,定子做成四或六定子做成四或六塊等到電廠拼裝塊等到電廠拼裝; ; b) b)由于其極數(shù)多由于其極數(shù)多,q,q值小值小, ,

17、為改善電壓波形為改善電壓波形, ,常常用分數(shù)槽繞組用分數(shù)槽繞組. .大容量水輪發(fā)電機為省極間聯(lián)接線大容量水輪發(fā)電機為省極間聯(lián)接線, ,一般采用單匝波繞組一般采用單匝波繞組. .汽輪發(fā)電機組汽輪發(fā)電機組水水輪輪發(fā)發(fā)電電機機組組NSNS+NS+隱極式隱極式（Salient-pole） 凸極式凸極式（Cylindrical-Rotor） 類型類型隱極式隱極式凸極式凸極式定子定子鐵芯鐵芯+ +三相對稱繞組三相對稱繞組鐵芯鐵芯+ +三相對稱繞組三相對稱繞組轉子磁極轉子磁極細長圓柱形，圓周上銑有細長圓柱形，圓周上銑有大齒、小齒（大齒、小齒（1 1：2 2）凸極形狀凸極形狀轉子繞組轉子繞組分布分布集中集中氣

18、隙氣隙均勻均勻極弧下小、極間大極弧下小、極間大速度速度高速高速低速低速應用應用汽輪發(fā)電機（汽輪發(fā)電機（p2)p2)水輪發(fā)電機水輪發(fā)電機(p3)(p3)總結對比總結對比: : 直流勵磁旋轉磁場直流勵磁旋轉磁場由外力驅動旋轉的，由外力驅動旋轉的，故也稱機故也稱機械旋轉磁場械旋轉磁場。第二節(jié)第二節(jié) 同步電機的基本工作原理同步電機的基本工作原理其磁勢幅值為：其磁勢幅值為：fffFI N一一兩種旋轉磁場兩種旋轉磁場: :1 1直流勵磁的旋轉磁場直流勵磁的旋轉磁場 : :當勵磁繞組通入直流當勵磁繞組通入直流勵磁電流時勵磁電流時, , 磁極將產(chǎn)生直流勵磁磁動勢。原動機磁極將產(chǎn)生直流勵磁磁動勢。原動機拖動轉子

19、以同步速旋轉時，直流勵磁磁場隨之旋轉，拖動轉子以同步速旋轉時，直流勵磁磁場隨之旋轉，在氣隙中形成一個旋轉磁場。在氣隙中形成一個旋轉磁場。 fFYbj2.swf2 2、交流勵磁的旋轉磁場、交流勵磁的旋轉磁場 ：當定子三相對稱繞組當定子三相對稱繞組流過對稱的三相交流電流時，將在氣隙中產(chǎn)生一個流過對稱的三相交流電流時，將在氣隙中產(chǎn)生一個旋轉磁動勢建立旋轉磁場，旋轉磁動勢建立旋轉磁場，也稱也稱電樞旋轉磁場。電樞旋轉磁場。aF 其基波磁勢為：其基波磁勢為：aN12cos()Nfmk ItxpP104(8-22)P104(8-22)基波磁場轉速為：基波磁場轉速為：pfn601 基波旋轉磁場總是從超前電流相

20、相軸轉向滯后電流相相軸。基波旋轉磁場總是從超前電流相相軸轉向滯后電流相相軸。那相電流達到最大值那相電流達到最大值,Fa,Fa就恰在該相軸線上就恰在該相軸線上. . C相軸ZnB相軸BqFaYAFf 1dXCSNnA相軸同步電機工作原理示意圖同步電機工作原理示意圖a)a)作發(fā)電機運行時，轉作發(fā)電機運行時，轉子勵磁磁動勢子勵磁磁動勢 在前，在前，電樞旋轉磁場電樞旋轉磁場 在后。在后。 aFf1Fb)b)作電動機運行時，電作電動機運行時，電樞旋轉磁場樞旋轉磁場 在前，在前，轉子勵磁磁場轉子勵磁磁場 在后。在后。 aFf1F兩種旋轉磁場兩種旋轉磁場 、 只要空間有位移只要空間有位移, ,便會產(chǎn)生電磁便

21、會產(chǎn)生電磁力力. .它們間作用力的方向就決定同步電機的運行方式它們間作用力的方向就決定同步電機的運行方式. .aF fF 與與 始終同速同向旋轉，在空間保持始終同速同向旋轉，在空間保持相對靜止。相對靜止?？蛰d時氣隙磁場：空載時氣隙磁場： ；負載后氣隙磁場；負載后氣隙磁場 。aFf1Ff1FFaf1FFFN1 (Fa)S2(Ff)N1(Fa)S S2(2(F Ff f ) )0eT1n1neT1nN1(Fa)S2(Ff)定子定子 發(fā)電機發(fā)電機:轉子磁極磁場轉子磁極磁場F Ff f超前于電樞磁場超前于電樞磁場FaFa外力驅動轉子外力驅動轉子, ,電磁力電磁力TeTe是阻力矩。是阻力矩。 補償機補償

22、機: : 電動機電動機: :電樞磁場電樞磁場FaFa超前于轉子磁極磁場超前于轉子磁極磁場F Ff f電磁力電磁力TeTe驅動轉子驅動轉子, ,負載是阻力矩負載是阻力矩定子定子定子定子=0eT阻力阻力驅動力驅動力轉子轉子轉子轉子轉子轉子第三節(jié)第三節(jié) 同步電機的勵磁系統(tǒng)同步電機的勵磁系統(tǒng)勵磁系統(tǒng)勵磁系統(tǒng)為同步電機提供為同步電機提供勵磁電流勵磁電流的整個系統(tǒng)的整個系統(tǒng) a)a)直流勵磁機勵磁系統(tǒng)直流勵磁機勵磁系統(tǒng)b)b)交流勵磁機整流勵磁系統(tǒng)交流勵磁機整流勵磁系統(tǒng) 靜止整流勵磁靜止整流勵磁 旋轉整流勵磁旋轉整流勵磁自勵式自勵式: :三次諧波勵磁等三次諧波勵磁等2 2、勵磁系統(tǒng)分類、勵磁系統(tǒng)分類1 1

23、、勵磁系統(tǒng)應滿足的條件（、勵磁系統(tǒng)應滿足的條件（P193P193）：）：能穩(wěn)定提供發(fā)電機從空載到滿載能穩(wěn)定提供發(fā)電機從空載到滿載( (及過載及過載) )所需的所需的I If f。當電網(wǎng)電壓減小時當電網(wǎng)電壓減小時, ,能快速強行勵磁能快速強行勵磁, ,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。發(fā)電機突然甩負荷時能快速減磁，限制電壓過高。發(fā)電機突然甩負荷時能快速減磁，限制電壓過高。當電機內部發(fā)生短路故障時當電機內部發(fā)生短路故障時, ,能快速滅磁。能快速滅磁。運行可靠運行可靠, ,維護方便維護方便, ,簡單簡單, ,經(jīng)濟。經(jīng)濟。多臺并聯(lián)運行時，能夠配合多臺并聯(lián)運行時，能夠配合合理合理調節(jié)無功功率。調節(jié)無功功率

24、。 一、直流勵磁機勵磁系統(tǒng)一、直流勵磁機勵磁系統(tǒng) 直流勵磁機與同步發(fā)電機同軸直流勵磁機與同步發(fā)電機同軸, ,當發(fā)電機轉當發(fā)電機轉起來后起來后, ,勵磁機就可發(fā)出直流電。一般最常用直流勵磁機就可發(fā)出直流電。一般最常用直流并勵發(fā)電機并勵發(fā)電機; ;也有采用它勵直流發(fā)電機。也有采用它勵直流發(fā)電機。發(fā)電機勵磁線圈發(fā)電機勵磁線圈: :Rfr1直流并勵發(fā)電機勵磁系統(tǒng)直流并勵發(fā)電機勵磁系統(tǒng) 交流副勵磁機500Hz交流主勵磁機100Hz主發(fā)電機自動電壓調節(jié)器同軸連接電壓輸出圖12-11 他勵式靜止整流勵磁系統(tǒng) 二、交流勵磁機整流勵磁系統(tǒng)二、交流勵磁機整流勵磁系統(tǒng) 大容量發(fā)電機大容量發(fā)電機, ,一般采用交流勵磁

25、機與整流裝置相配合一般采用交流勵磁機與整流裝置相配合共同構成勵磁系統(tǒng)給主發(fā)電機提共勵磁電流共同構成勵磁系統(tǒng)給主發(fā)電機提共勵磁電流. .根據(jù)整流裝置根據(jù)整流裝置的放置又可分為的放置又可分為: :靜止整流勵磁靜止整流勵磁和和旋轉整流勵磁旋轉整流勵磁. .1 1 、靜止整流勵磁系統(tǒng)、靜止整流勵磁系統(tǒng)( (他勵他勵) )主發(fā)電機勵磁主發(fā)電機勵磁: :2 2 、旋轉整流勵磁系統(tǒng)、旋轉整流勵磁系統(tǒng)( (無刷勵磁系統(tǒng)無刷勵磁系統(tǒng)) )主勵磁機采用旋轉電樞式三相同步發(fā)電機主勵磁機采用旋轉電樞式三相同步發(fā)電機無電刷和集電環(huán)，運行可靠，適用于防燃防爆場合無電刷和集電環(huán)，運行可靠，適用于防燃防爆場合但滅磁時間常數(shù)大，轉子繞組保護困難但滅磁時間常數(shù)大，轉子繞組保護困難交流副勵磁機500Hz圖12-12 旋轉整流勵磁系統(tǒng)