同步電機部分

1、同步電機 本單元介紹本單元介紹同步發(fā)電機的基本原理和結(jié)構(gòu)，同步發(fā)電機的基本原理和結(jié)構(gòu)，交流繞組的電動勢和磁動勢，交流繞組的電動勢和磁動勢，同步發(fā)電機的運行原理和運行特性，同步發(fā)電機的運行原理和運行特性，以及同步發(fā)電機的并列運行問題。以及同步發(fā)電機的并列運行問題。同步發(fā)電機工作原理大綱要求單元七單元七 同步發(fā)電機工作原理、結(jié)構(gòu)大綱要求同步發(fā)電機工作原理、結(jié)構(gòu)大綱要求（1） 基本目標熟悉同步發(fā)電機的基本理論，如定子磁勢的分析方法、電樞反應理論、電壓方程、相量圖、等效電路、功率、轉(zhuǎn)矩方程和功角特性、掌握同步發(fā)電機基本結(jié)構(gòu)及工作原理。（2） 教學內(nèi)容同步發(fā)電機基本工作原理和結(jié)構(gòu)（工作原理、結(jié)構(gòu)、銘牌、

2、勵磁方式、型號、額定數(shù)據(jù)）同步發(fā)電機繞組磁勢的空間分布、同步發(fā)電機繞組感應電勢的分析同步發(fā)電機運行的電磁關系（運行特性：空載、短路、外特性、效率等）隱極發(fā)電機電樞反應理論基本電壓方程、相量圖、等效電路功率關系、功率和轉(zhuǎn)矩方程功角特性及分析同步發(fā)電機的并聯(lián)運行及功率調(diào)節(jié)（增加）同步電機同步電機第一節(jié) 同步發(fā)電機的工作原理和結(jié)構(gòu) 基本原理、基本結(jié)構(gòu)、 銘牌、型號和用途、勵磁方式；第二節(jié) 同步發(fā)電機交流繞組的電動勢和磁動勢 交流繞組的電動勢、交流繞組磁動勢 、三相旋轉(zhuǎn)磁動勢、 交流繞組電動勢；第三節(jié) 同步發(fā)電機的運行原理和運行特性 對稱負載時的電樞及其電抗 、 同步發(fā)電機電動勢方 程 式 和相量圖同

3、步發(fā)電機的運行特性（空載特性、短路特性、 外特 性、調(diào)整特性、效率特性）；第四節(jié) 同步發(fā)電機與電網(wǎng)的并聯(lián)運行 同步發(fā)電機并聯(lián)運行的條件和方法 、并聯(lián)運行時的有功功率調(diào)節(jié)、并聯(lián)運行時的無功功率調(diào)節(jié)。第一節(jié) 同步發(fā)電機的工作原理和結(jié)構(gòu) 一、同步電機的基本類型 二、同步電機的基本結(jié)構(gòu) 三、同步發(fā)電機的基本工作原理 四、同步電機的運行狀態(tài) 五、同步電機的勵磁方式 六、同步電機的銘牌數(shù)據(jù)一、同步電機的基本類型同步電機的基本類型n按結(jié)構(gòu)形式分轉(zhuǎn)樞式：用于小容量同步電機轉(zhuǎn)極式：用于高壓、大容量同步電機n按磁極形狀分隱極式：轉(zhuǎn)子圓柱形，氣隙均勻凸極式：轉(zhuǎn)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汽輪

4、發(fā)電機：高速，轉(zhuǎn)子隱極式, 細長形水輪發(fā)電機：低速，轉(zhuǎn)子凸極式, 短粗形n按冷卻介質(zhì)和 冷卻方式分空冷外冷：空氣自然循環(huán)或風扇吹風強迫冷卻水冷內(nèi)冷：需進水管、出水管等氫冷外冷或內(nèi)冷：需密封系統(tǒng)，防爆防漏1發(fā)電機主體、2主勵磁機、3永磁副勵磁機、4氣體冷卻器、5勵磁機軸承、6碳刷架隔音罩、7電機端蓋、8連接汽輪機法蘭、9電機接線盒、 10電流互感器、11引出線、12測溫引線盒、13基座二、二、 同步電機基本類型與結(jié)構(gòu)同步電機基本類型與結(jié)構(gòu)二二 、 同步電機基本類型與結(jié)構(gòu)同步電機基本類型與結(jié)構(gòu) 1、汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)、汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu) （1）定子鐵心）定子鐵心1、汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)、汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu) （2）定

5、子繞組）定子繞組1 1、汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)、汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu) 2 2、水輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)、水輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)(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2 2、水輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)、水輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)( (續(xù)續(xù)) )(4)(4)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)10000kw水輪機轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)形式 同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)形式同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)形式 無論是凸極式同步發(fā)電機還是隱極式同步發(fā)電機，它們都是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。它們都是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。其中 定子部分又包括定子鐵芯、定子繞組、機座、定子部分又包括定子鐵芯、定子繞組、機座、端蓋等部件組成。端蓋等部件組成。定子鐵芯和定子繞組是同步發(fā)定子鐵

6、芯和定子繞組是同步發(fā)電機用以產(chǎn)生三相交流電能，實現(xiàn)機械能與電能電機用以產(chǎn)生三相交流電能，實現(xiàn)機械能與電能轉(zhuǎn)換的重要部件。轉(zhuǎn)換的重要部件。 轉(zhuǎn)子部分又包括轉(zhuǎn)子鐵芯、勵磁繞組、阻尼轉(zhuǎn)子部分又包括轉(zhuǎn)子鐵芯、勵磁繞組、阻尼繞組、滑環(huán)、緊固件和風扇等部件組成。繞組、滑環(huán)、緊固件和風扇等部件組成。 下面對各部件分別作一介紹。同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)形式（定子部分） 定子部分：包括定子鐵芯、定子繞組、機座、端蓋等。定子部分：包括定子鐵芯、定子繞組、機座、端蓋等。 定子鐵芯：定子鐵芯：一般由0.50.35mm的硅鋼疊片構(gòu)成，沿軸向疊成多段形式，每段厚3060mm，各段疊片之間留有通風槽，以改善鐵芯的散熱條件。當鐵芯的直

7、徑大于1m時用扇形硅鋼片疊成一個整圓，再用壓板夾緊將整個鐵芯固定在定子機座上。 定子繞組：定子繞組：汽輪發(fā)電機一般采用三相雙層疊繞組構(gòu)成定子三相交流電路。為減少導體集膚效應產(chǎn)生的損耗，繞組的導線由許多相互絕緣的并聯(lián)多股線組成，在槽內(nèi)的直線部分還應換位（平衡股間導線間的阻抗、抑制集膚效應、減少繞組端部漏磁通產(chǎn)生的環(huán)流及附加損耗）。為承受因短路產(chǎn)生的巨大電磁力而引起的端部變形，以及正常運行時不致產(chǎn)生較大的振動，繞組端部須用綁繩或壓板夾緊在非磁性鋼做成的端箍上。 機座：機座：定子機座是一個焊接鋼板結(jié)構(gòu)的外殼，起作用是支撐和固定定子鐵芯、繞組和端蓋，具有足夠的強度和剛度，機座與鐵芯之間應留有通風道。同

8、步發(fā)電機結(jié)構(gòu)形式（轉(zhuǎn)子部分） 轉(zhuǎn)子部分：包括轉(zhuǎn)子鐵芯、勵磁繞組、阻尼繞組、滑環(huán)、緊固件轉(zhuǎn)子部分：包括轉(zhuǎn)子鐵芯、勵磁繞組、阻尼繞組、滑環(huán)、緊固件和風扇等部件。和風扇等部件。 轉(zhuǎn)子鐵芯：轉(zhuǎn)子鐵芯：轉(zhuǎn)子鐵芯應具有良好的導磁性能，并能承受很大的離心作用，由硅鋼片疊成，固定在發(fā)電機的軸上。也有的將鐵芯與軸做成一體，一般用具有高強度和良好導磁性能的合金鋼制成。 勵磁繞組：勵磁繞組：采用絕緣扁銅線繞制成同心繞組，再浸膠熱壓處理，套在磁極上。繞組引出的兩個線端接在滑環(huán)上，經(jīng)過電刷與外電路連接。 阻尼繞組：阻尼繞組：它由插入極靴阻尼孔中的銅條和端部銅環(huán)焊接而成，是一種短路繞組。其作用是在發(fā)電機短路或不對稱運行時

9、，利用其作用是在發(fā)電機短路或不對稱運行時，利用其感應電流來消弱負序旋轉(zhuǎn)磁場的作用，以及同步發(fā)電機發(fā)生振其感應電流來消弱負序旋轉(zhuǎn)磁場的作用，以及同步發(fā)電機發(fā)生振蕩時起阻尼作用，減小并聯(lián)運行時轉(zhuǎn)子振蕩的振幅，使振蕩衰減。蕩時起阻尼作用，減小并聯(lián)運行時轉(zhuǎn)子振蕩的振幅，使振蕩衰減。 滑環(huán)：滑環(huán)：給勵磁繞組引入直流電源。 風扇：風扇：裝載轉(zhuǎn)子的兩端，改善冷卻條件。同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)形式 同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)磁極式，按轉(zhuǎn)子磁極同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)磁極式，按轉(zhuǎn)子磁極的形狀可分為隱極式和凸極式兩種。的形狀可分為隱極式和凸極式兩種。 凸極式轉(zhuǎn)子凸極式轉(zhuǎn)子 凸極式轉(zhuǎn)子上有明顯凸出的成對磁極和勵磁線凸極式轉(zhuǎn)子上有明

10、顯凸出的成對磁極和勵磁線圈，如圖圈，如圖 所示。所示。當勵磁線圈中通過直流勵磁電流當勵磁線圈中通過直流勵磁電流后，每個磁極就出現(xiàn)一定的極性，相鄰磁極交替后，每個磁極就出現(xiàn)一定的極性，相鄰磁極交替為為 N 極和極和 S 極。極。對水輪發(fā)電機來說，由于水輪機的轉(zhuǎn)速較低，要發(fā)出工頻電能，發(fā)電機的極數(shù)就比較多，做成凸極式結(jié)構(gòu)工藝上較為簡單。另外，中小型同步電機多半也做成凸極式。 凸極式同步發(fā)電機圖 隱極式轉(zhuǎn)子隱極式轉(zhuǎn)子 隱極式轉(zhuǎn)子上沒有凸出的磁極，如圖所示。隱極式轉(zhuǎn)子上沒有凸出的磁極，如圖所示。 沿著轉(zhuǎn)子本體圓周表面上，開有許多槽，這些槽中嵌放著勵磁繞組。在轉(zhuǎn)子表面約1/3部分沒有開槽，構(gòu)成所謂大齒，

11、是磁極的中心區(qū)。勵磁繞組通入勵磁電流后，沿轉(zhuǎn)子圓周也會出現(xiàn) N 極和 S 極。在大容量高轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機中，轉(zhuǎn)子圓周線速度極高，最大可達170米/秒。為了減小轉(zhuǎn)子本體及轉(zhuǎn)子上的各部件所承受的巨大離心力，大型汽輪發(fā)電機都做成細長的隱極式圓柱體轉(zhuǎn)子?？紤]到轉(zhuǎn)子冷卻和強度方面的要求，隱極式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和加工工藝都較為復雜。 隱極式轉(zhuǎn)子應用于大容量高轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機上，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隱極式轉(zhuǎn)子應用于大容量高轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機上，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速較高（較高（3000r/min),因為提高發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可以提高汽輪機的效因為提高發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可以提高汽輪機的效率、縮小機組的體積、降低機組的造價。率、縮小機組的體積、降低機組的造價

12、。隱極式同步發(fā)電機圖 水輪發(fā)電機水輪發(fā)電機 水輪發(fā)電機的特點是：極數(shù)多，直徑大，軸向長度短，整個轉(zhuǎn)子在外形上與汽輪發(fā)電機大不相同。大多數(shù)水輪發(fā)電機為立式。水輪發(fā)電機的直徑很大，定子鐵心由扇形電工鋼片拼裝疊成。為了散熱的需要，定子鐵心中留有徑向通風溝。轉(zhuǎn)子磁極由厚度為12mm的鋼片疊成；磁極兩端有磁極壓板，用來壓緊磁極沖片和固定磁極繞組。有些發(fā)電機磁極的極靴上開有一些槽，槽內(nèi)放上銅條，并用端環(huán)將所有銅條連在一起構(gòu)成阻尼繞組，其作用是用來擬制短路電流和減弱電機振蕩。磁極與磁極軛部采用 T 形或鴿尾形連接。 汽輪發(fā)電機汽輪發(fā)電機 定子大體上與異步電機相同，定子鐵心0.35mm,0.5mm或其它厚度的

13、電工鋼片疊成。定子外徑較小時，采用圓形沖片，當定子外徑大于1m 時，采用扇形沖片。定子鐵心固定在機座上，機座常由鋼板焊接而成，它必須有足夠的強度和剛度，同時還必須滿足通風和散熱的需要。汽輪發(fā)電機的電壓較高，要求定子繞組有足夠的絕緣強度，一般采用 B 級或 F 級絕緣。 為了減少高速旋轉(zhuǎn)引起的離心力，一般采用隱極式轉(zhuǎn)子，其外形常做成一個細長的圓柱體。轉(zhuǎn)子鐵心表面圓周上銑有許多槽，勵磁繞組嵌放在這些槽內(nèi)。 勵磁繞組為同心式繞組，以銅線繞制，并用不導磁的槽楔將繞組緊固在槽內(nèi)。 同步發(fā)電機的冷卻問題同步發(fā)電機的冷卻問題 同步發(fā)電機運行中產(chǎn)生各種損耗，這些損耗最終變成為熱能使機組的各部件溫度升高。如溫升

14、過高將加速電機的絕緣材料老化，將縮短電機的壽命，嚴重時會危及電機的運行安全。所以改善電機的冷卻條件至關重要。 水輪發(fā)電機由于直徑大、軸向長度短、體積大，冷卻問題并不突出。 中小型汽輪發(fā)電機單位體積發(fā)熱量較小，冷卻多采用風冷。 對于大型汽輪發(fā)電機因直徑小、軸向長度長，中部的熱量不易散出，必須采取提高冷卻效果的措施。用氫氣代替空氣作為冷卻介質(zhì)，因氫氣導熱率比空氣大7倍，比重又較空氣輕（是空氣的1/14），所以氫冷發(fā)電機的損耗小，冷卻效果好。但須采取嚴格的密封措施。純凈水不但導電率低，化學性能穩(wěn)定，流動性能好具有極高的導電性能，也被用于作大型汽輪發(fā)電機的冷卻介質(zhì)。 大型汽輪發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)中，冷卻介

15、質(zhì)可以按不大型汽輪發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)中，冷卻介質(zhì)可以按不 同方式組合，典型的冷卻方式主要有同方式組合，典型的冷卻方式主要有水水-氫氫-氫、水氫、水-水水- 氫、水氫、水-水水-水水。（定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組、定子鐵芯）。（定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組、定子鐵芯）。 全氫冷：全氫冷：定轉(zhuǎn)子繞組采用氫內(nèi)冷，定子鐵芯（包括附件）采用氫定轉(zhuǎn)子繞組采用氫內(nèi)冷，定子鐵芯（包括附件）采用氫 冷。冷。 水氫氫冷：水氫氫冷：定子繞組水內(nèi)冷、轉(zhuǎn)子繞組氫內(nèi)冷、定子鐵芯（包括定子繞組水內(nèi)冷、轉(zhuǎn)子繞組氫內(nèi)冷、定子鐵芯（包括 附件）采用氫冷。附件）采用氫冷。 水水氫冷：水水氫冷：定子繞組水內(nèi)冷、轉(zhuǎn)子繞組水內(nèi)冷、定子鐵芯（包括定子繞組水內(nèi)

16、冷、轉(zhuǎn)子繞組水內(nèi)冷、定子鐵芯（包括 附件）采用氫冷。附件）采用氫冷。 雙水內(nèi)冷：雙水內(nèi)冷：定子繞組水內(nèi)冷、轉(zhuǎn)子繞組水內(nèi)冷、定子鐵芯（包括定子繞組水內(nèi)冷、轉(zhuǎn)子繞組水內(nèi)冷、定子鐵芯（包括 附件）采用空冷。附件）采用空冷。 同步電機的銘牌數(shù)據(jù) （額定參數(shù)）同步電機的額定參數(shù) 同步電機的額定參數(shù)有： 額定功率PN (kW) ：是指額定運行時輸出的額定有功功率； 對于發(fā)電機：電功率； 對于電動機：機械功率； 對于調(diào)相機：無功功率；（kvar、Mvar） 額定容量 SN (KVA)：是指額定運行時出線端的額定視在功率； 額定電壓額定電壓UN (V)：是指額定運行時三相定子繞組額定線是指額定運行時三相定子繞

17、組額定線電壓；電壓； 額定電流額定電流IN (A)：是指額定運行時流過三相定子繞組額是指額定運行時流過三相定子繞組額定線電流定線電流 額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速nN (r/min)：額定運行時的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；額定運行時的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速； 額定功率因數(shù)額定功率因數(shù)CosN N：額定工況下發(fā)電機的功率因數(shù)；額定工況下發(fā)電機的功率因數(shù)； 額定勵磁電壓額定勵磁電壓(V) 、勵磁電流、勵磁電流(A) 額定效率額定效率N：額定運行時的效率；：額定運行時的效率； 上述同步發(fā)電機額定參數(shù)之間有一定的關系：上述同步發(fā)電機額定參數(shù)之間有一定的關系： PN =SN CosN N= =3 UN IN CosN N 此外。銘牌上還標出溫升

18、、絕緣、冷卻方式等。此外。銘牌上還標出溫升、絕緣、冷卻方式等。同步電機的型號 QFQ系列 如QFQ-50-2 其中：Q-汽輪 F發(fā)電機 Q氫冷 50功率（MW） 2極數(shù) TS系列 如TS900/135-56 其中：T同步 S水輪發(fā)電機 900定子鐵芯外徑（cm) 56極數(shù) QFQ系列 （氫外冷） QFN系列 （氫內(nèi)冷） QFS系列（雙水內(nèi)冷）三、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同步發(fā)電機的基本工作原理 同步發(fā)電機是根據(jù)導體切割磁力線同步發(fā)電機是根據(jù)導體切割磁力線感應電動勢這一基本原理工作的。感應電動勢這一基本原理工作的。 因此，同步發(fā)電機如要發(fā)出電來因此，同步發(fā)電機如要發(fā)出電來

19、應要具備三個條件：應要具備三個條件： 有產(chǎn)生磁力線的磁場；有產(chǎn)生磁力線的磁場； 有能夠切割磁力線的導體；有能夠切割磁力線的導體； 導體與磁場之間有相對運動。導體與磁場之間有相對運動。同步發(fā)電機的基本工作原理 主磁場的建立：主磁場的建立：勵磁繞組通以直流勵磁電流，建立極性相間的勵磁磁場，即建立起主磁場。磁力線由N極出發(fā)，經(jīng)氣隙進入定子鐵芯， 再經(jīng)氣隙進入S極，構(gòu)成主磁路。 載流導體：載流導體：三相繞組在空間上互差120電角度對稱分布在定子的鐵芯槽內(nèi)，每相的結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同。對稱的電樞繞組充當功率繞組，成為感應電勢或者感應電流的載體。 導體與磁場之間有相對運動導體與磁場之間有相對運動： 原動機拖動

20、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機輸入機械能），極性相間的勵磁磁場隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組（相當于繞組的導體反向切割勵磁磁場）。 由于電樞繞組與主磁場之間的相對切割運動，電樞繞組中將會感應出大小和方向按周期性變化的三相對稱交變電勢，若氣隙磁通密度按正弦波分布，三相繞組感應的電動勢波形也為正弦波，各相之間相差120。通過引出線，即可提供交流電源。 由于線圈的組成是遵循電動勢疊加的原則，線圈的兩個邊由于線圈的組成是遵循電動勢疊加的原則，線圈的兩個邊相距一個磁距，這樣就可以獲得盡可能大的線圈電動勢和磁動勢。相距一個磁距，這樣就可以獲得盡可能大的線圈電動勢和磁動勢。同時，在各線圈構(gòu)成三相定子繞組時，每相串聯(lián)的

21、總匝數(shù)應相等，同時，在各線圈構(gòu)成三相定子繞組時，每相串聯(lián)的總匝數(shù)應相等，且布置的相對位置相同（在空間上互差且布置的相對位置相同（在空間上互差120）。電動勢和磁動勢）。電動勢和磁動勢的波形接近正弦波，所以三相繞組感應出的電動勢也是對稱的三的波形接近正弦波，所以三相繞組感應出的電動勢也是對稱的三相電動勢。相電動勢。e0eAeBeC2 120 240 360t EBEA.120120120EC.tEe sinmA )120sin(mB tEe )120sin(mC tEe EEE 0A 120BEE 120CEE同步發(fā)電機的基本工作原理感應電動勢的頻率感應電動勢的頻率 當發(fā)電機的轉(zhuǎn)子由原動機驅(qū)動以

22、轉(zhuǎn)速當發(fā)電機的轉(zhuǎn)子由原動機驅(qū)動以轉(zhuǎn)速n做恒定旋轉(zhuǎn)時，定子做恒定旋轉(zhuǎn)時，定子中的三相繞組的導體依次切割磁力線，三相繞組便感應出各相大中的三相繞組的導體依次切割磁力線，三相繞組便感應出各相大小相等、相位彼此相差小相等、相位彼此相差120的交流電動勢。因發(fā)電機在制造過的交流電動勢。因發(fā)電機在制造過程中氣隙磁通密度按正弦波分布，所以感應電動勢的波形也是正程中氣隙磁通密度按正弦波分布，所以感應電動勢的波形也是正弦波。其頻率為弦波。其頻率為式中式中 p-為磁極對數(shù)為磁極對數(shù) n-為發(fā)電機轉(zhuǎn)速為發(fā)電機轉(zhuǎn)速 可見，發(fā)電機定子中的三相繞組感應電動勢的頻率取決于它的極發(fā)電機定子中的三相繞組感應電動勢的頻率取決于它

23、的極對數(shù)和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。對數(shù)和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。60pnf 同步發(fā)電機的基本工作原理 我國標準規(guī)定電網(wǎng)的頻率為50Hz,當P=1時， 所以 n = 3000 r/min 同步電機的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率有嚴格不同步電機的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率有嚴格不變關系，即當電網(wǎng)頻率一定時，電機轉(zhuǎn)速變關系，即當電網(wǎng)頻率一定時，電機轉(zhuǎn)速應不變應不變。四、同步電機的運行方式 同步電機的主要運行方式有三種，即同步電機的主要運行方式有三種，即作為發(fā)電機、電動機和補償機運行。作為發(fā)電機、電動機和補償機運行。同步發(fā)電機的運行方式 當同步電機定子（電樞）繞組中流過對稱三相電流時，定子將產(chǎn)生電樞磁動勢及相應的電樞磁場（包括在氣隙中以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的

24、電樞反應磁場和電樞漏磁場）。 在氣隙中均以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的主磁場和電樞反應磁場共同合成為氣隙磁場。氣隙磁場在轉(zhuǎn)子內(nèi)部深處沿著主極軸線然后逐漸扭斜，在進入定子時其軸線已偏離主極軸線一個角度，再加上電樞漏磁場，電樞合成磁場（包括主磁場、電樞反應磁場和電樞漏磁場）與主磁場之間的夾角為，稱為功率角。它越大，則磁場所產(chǎn)生的切向力及電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率也越大。同步電機的三種狀態(tài) 同步電機的三種狀態(tài)之發(fā)電機狀態(tài)N0S0主極nsSN表征電樞合成磁場的等效磁極nsTe同步電機的三種狀態(tài) 同步電機的三種狀態(tài)之補償機狀態(tài)SN 表征電樞合成磁場的等效磁極nsN0S0主極nsTe= 0同步電機的三種狀態(tài) 同步電機的三種狀態(tài)

25、之電動機狀態(tài)SN 表征電樞合成磁場的等效磁極nsN0S0主極nsTe同步電機的用途同步電機的用途 同步電機主要用作發(fā)電機運行，把機械能轉(zhuǎn)同步電機主要用作發(fā)電機運行，把機械能轉(zhuǎn)化成電能。向電網(wǎng)發(fā)出交流電，是同步電機最主化成電能。向電網(wǎng)發(fā)出交流電，是同步電機最主要的運行方式；要的運行方式； 同步電動機可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流來改善電同步電動機可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流來改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。在不要求調(diào)速的場合，應用大型網(wǎng)的功率因數(shù)。在不要求調(diào)速的場合，應用大型同步電動機可以提高運行效率。近年來，小型同同步電動機可以提高運行效率。近年來，小型同步電動機在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開始得到較多地應用；步電動機在變頻調(diào)速系統(tǒng)中

26、開始得到較多地應用； 同步補償機實際是一臺接在交流電網(wǎng)上空載同步補償機實際是一臺接在交流電網(wǎng)上空載的同步電動機，電機不帶任何機械負載，靠調(diào)節(jié)的同步電動機，電機不帶任何機械負載，靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性或者容轉(zhuǎn)子中的勵磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性或者容性無功功率，以達到改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調(diào)節(jié)性無功功率，以達到改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的目的。電網(wǎng)電壓的目的。 五、同步電機的勵磁方式同步發(fā)電機的勵磁方式 同步發(fā)電機一般采用直流勵磁，我們把向同步發(fā)電機勵磁繞組提供直流勵磁電流向同步發(fā)電機勵磁繞組提供直流勵磁電流的電氣設備稱為勵磁系統(tǒng)。的電氣設備稱為勵磁系統(tǒng)。勵磁系統(tǒng)對同步發(fā)電

27、機的運行性能和運行安全穩(wěn)定有重要影響。 勵磁系統(tǒng)的基本功能是維持電壓水平，勵磁系統(tǒng)的基本功能是維持電壓水平，提供無功功率，詳細來講，勵磁系統(tǒng)的基提供無功功率，詳細來講，勵磁系統(tǒng)的基本功能有如下幾點：本功能有如下幾點： 勵磁系統(tǒng)的功能 勵磁系統(tǒng)的基本功能勵磁系統(tǒng)的基本功能 1）在正常運行條件下，供給發(fā)電機勵磁電流，）在正常運行條件下，供給發(fā)電機勵磁電流，并根據(jù)發(fā)電機所帶負荷情況，相應地調(diào)節(jié)發(fā)電機并根據(jù)發(fā)電機所帶負荷情況，相應地調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流，以維持發(fā)電機的端電壓在給定的水平勵磁電流，以維持發(fā)電機的端電壓在給定的水平上。上。 2）使并列運行的各臺發(fā)電機所帶的無功功率得）使并列運行的各臺發(fā)電機所

28、帶的無功功率得到穩(wěn)定而又合理的分配。到穩(wěn)定而又合理的分配。 3）增加并網(wǎng)運行的發(fā)電機的阻尼轉(zhuǎn)矩，以提高）增加并網(wǎng)運行的發(fā)電機的阻尼轉(zhuǎn)矩，以提高電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性及輸電線路有功功率的傳電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性及輸電線路有功功率的傳輸能力。輸能力。 勵磁系統(tǒng)的基本功能勵磁系統(tǒng)的基本功能 4）在電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障造成發(fā)電機端電壓急劇下）在電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障造成發(fā)電機端電壓急劇下降時，強行勵磁，將勵磁電壓提升到足夠高的頂值，以降時，強行勵磁，將勵磁電壓提升到足夠高的頂值，以提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。 5）在發(fā)電機突然解列、甩負荷時，強行減磁，將勵磁）在發(fā)電機突然解列、甩負荷

29、時，強行減磁，將勵磁電流迅速減到安全數(shù)值，以防止發(fā)電機的電壓過分升高。電流迅速減到安全數(shù)值，以防止發(fā)電機的電壓過分升高。 6）在發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生短路故障時，快速滅磁，將勵磁）在發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生短路故障時，快速滅磁，將勵磁電流迅速減到零值，以減小故障的損壞程度。電流迅速減到零值，以減小故障的損壞程度。 7）在不同的運行工況下，根據(jù)要求對發(fā)電機實行過勵）在不同的運行工況下，根據(jù)要求對發(fā)電機實行過勵限制和限制和 欠勵限制，以確保發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行。欠勵限制，以確保發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行。 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的分類有很多分法，常見的有直流勵磁機系統(tǒng)，交流勵磁機系統(tǒng)，靜止勵磁系統(tǒng)三種。 直流勵磁機系統(tǒng)：他激

30、直流勵磁機系統(tǒng)、并激直流勵磁機系統(tǒng) 交流勵磁機系統(tǒng)：交流勵磁機靜止整流器磁機系統(tǒng)、交流勵磁機可控整流器磁機系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)整流器磁機系統(tǒng)。 靜止勵磁系統(tǒng)：電壓源可控整流勵磁系統(tǒng)、復激可控整流勵磁系統(tǒng)同步發(fā)電機常用的勵磁方式同步發(fā)電機常用的勵磁方式 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的分類有很多分法，如按勵磁按勵磁電源的不同來分有如下三種方式：電源的不同來分有如下三種方式： 1）直流勵磁機的勵磁方式，）直流勵磁機的勵磁方式，多用于中小型機組，它實際上是一個直流發(fā)電機。優(yōu)點是比較簡單，不易受系統(tǒng)影響，調(diào)節(jié)比較穩(wěn)定。缺點是因有碳刷、換向器，維護麻煩，電流大時火花難以解決。 2）交流勵磁機的勵磁方式，）交流勵磁機的勵磁方式

31、，其中按功率整流器是靜止還是旋轉(zhuǎn)的又分為交流勵磁機靜止整流器勵磁方式（有刷）和交流勵磁機旋轉(zhuǎn)整流器勵磁方式（無刷）兩種。多用于100MW及以上的汽輪發(fā)電機組。 3）靜止勵磁方式，）靜止勵磁方式，其中最具代表性的是自并勵勵磁方式。多用于100MW及以上的汽輪發(fā)電機組。同步發(fā)電機的勵磁方式 同步發(fā)電機的勵磁方式簡介同步發(fā)電機的勵磁方式簡介 1 直流勵磁機勵磁 直流勵磁機通常與同步發(fā)電機同軸，采用并勵或者他勵接法。采用他勵接法時，勵磁機的勵磁電流由另一臺被稱為副勵磁機的同軸的直流發(fā)電機供給。如圖所示。目前已經(jīng)較少用。 直流勵磁機勵磁方式直流勵磁機勵磁方式 直流勵磁機勵磁方式直流勵磁機勵磁方式 直流勵

32、磁機勵磁特點直流勵磁機勵磁特點 結(jié)構(gòu)簡單，只有兩臺勵磁機，無須整流器之類的結(jié)構(gòu)簡單，只有兩臺勵磁機，無須整流器之類的其他設備。其他設備。 因提供電源的是直流機，維護不方便。因提供電源的是直流機，維護不方便。 容量受限制。特別是對于汽輪機而言，因轉(zhuǎn)數(shù)快，容量受限制。特別是對于汽輪機而言，因轉(zhuǎn)數(shù)快，直流機的換向器受到制造的限制不能做得很大直流機的換向器受到制造的限制不能做得很大（我國的直流勵磁機勵磁系統(tǒng)汽輪發(fā)電機的最大（我國的直流勵磁機勵磁系統(tǒng)汽輪發(fā)電機的最大容量做到容量做到125MW,水輪發(fā)電機的最大容量做到水輪發(fā)電機的最大容量做到300MW ）。我國新投產(chǎn)的）。我國新投產(chǎn)的100MW以上汽輪發(fā)

33、電以上汽輪發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)不再使用直流勵磁機勵磁系統(tǒng)。機的勵磁系統(tǒng)不再使用直流勵磁機勵磁系統(tǒng)。 2 交流勵磁機靜止整流器勵磁方式交流勵磁機靜止整流器勵磁方式 同一軸上有三臺交流發(fā)電機，即主發(fā)電機、交流主勵磁機和交流副勵磁機。副勵磁機的勵磁電流開始時由外部直流電源提供，待電壓建立起來后再轉(zhuǎn)為自勵(有時采用永磁發(fā)電機)。副勵磁機的輸出電流經(jīng)過靜止晶閘管整流器整流后供給主勵磁機，而主勵磁機的交流輸出電流經(jīng)過靜止的三相橋式硅整流器整流后供給主發(fā)電機的勵磁繞組。(見圖） 交流勵磁機靜止整流器勵磁原理 由于采用了交流勵磁機，沒有了直流勵磁機的換向火花問題，發(fā)電機運行時較為可靠，維護也較為簡單。 但是，大容

34、量的汽輪發(fā)電機由于勵磁電流高達數(shù)千安培，集電環(huán)的制造將會遇到一些困難，為此，目前出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)整流器勵磁 形式。 3交流勵磁機交流勵磁機旋轉(zhuǎn)整流器勵磁旋轉(zhuǎn)整流器勵磁 方式（無刷勵磁）方式（無刷勵磁） 靜止整流器的直流輸出必須經(jīng)過電刷和集電環(huán)才能輸送到旋轉(zhuǎn)的勵磁繞組，對于大容量的同步發(fā)電機，其勵磁電流達到數(shù)千安培，使得集電環(huán)嚴重過熱。因此，在大容量的同步發(fā)電機中，常采用不需要電刷和集電環(huán)的旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)，如圖所示。主勵磁機是旋轉(zhuǎn)電樞式三相同步發(fā)電機，旋轉(zhuǎn)電樞的交流電流經(jīng)與主軸一起旋轉(zhuǎn)的硅整流器整流后，直接送到主發(fā)電機的轉(zhuǎn)子勵磁繞組。交流主勵磁機的勵磁電流由同軸的交流副勵磁機經(jīng)靜止的晶閘管整流器整

35、流后供給。由于這種勵磁系統(tǒng)取消了集電環(huán)和電刷裝置，故又稱為無刷勵磁系統(tǒng)。 優(yōu)點：優(yōu)點：較高的運行可靠 性，操作簡單，有備用硅整流管，可自動切換。交流勵磁機旋轉(zhuǎn)整流器勵磁原理 無刷勵磁系統(tǒng)原理圖 無勵磁機勵磁系統(tǒng)（靜止勵磁系統(tǒng)）無勵磁機勵磁系統(tǒng)（靜止勵磁系統(tǒng)） 這種發(fā)電機勵磁系統(tǒng)無專門的勵磁機，勵磁電源直接從發(fā)電機的端電壓獲得，電源經(jīng)整流后送至發(fā)電機的轉(zhuǎn)子回路，作為發(fā)電機的勵磁電流。并通過電壓控制器控制勵磁電流的大小，以維持發(fā)電機端電壓的恒定。 靜止勵磁方式的主要優(yōu)點是：勵磁系統(tǒng)的接線和設備簡單，無轉(zhuǎn)動部分，維護費用少，可靠性高；不需要同軸勵磁機，縮短機組長度，震動減輕，節(jié)省基建投資；利用晶閘管

36、取得勵磁能量，機端電壓與機組轉(zhuǎn)速的一次方成正比，故勵磁電壓與機組轉(zhuǎn)速的一次方成正比。而同軸勵磁機勵磁系統(tǒng)輸出的勵磁電壓與機組轉(zhuǎn)速的平方成正比，這樣，當機組甩負荷時靜止勵磁系統(tǒng)機組的過電壓就低；系統(tǒng)響應速度快，對系統(tǒng)暫態(tài)電壓的穩(wěn)定水平有改善。 無勵磁機勵磁系統(tǒng)原理圖無勵磁機勵磁系統(tǒng)原理圖 無勵磁機勵磁系統(tǒng)原理圖無勵磁機勵磁系統(tǒng)原理圖 第二節(jié) 同步發(fā)電機交流繞組 的電動勢和磁動勢第二節(jié) 同步發(fā)電機交流繞組的電動勢和磁動勢 三相交流繞組的構(gòu)成原則：三相交流繞組的構(gòu)成原則： 1）線圈的組成應遵循電動勢相加的原則，）線圈的組成應遵循電動勢相加的原則，把相距一個極距（或接近一個極距）的兩線圈邊構(gòu)成線圈，以

37、獲得盡可能大的基波電動勢和磁動勢，盡可能地消弱高次諧波電動勢和磁動勢。 2）各線圈構(gòu)成三相定子繞組時，每相繞組串聯(lián)的總匝數(shù)應相等，且布置情況應相同，在空間互差120電角度，必須保證三相定子必須保證三相定子繞組所產(chǎn)生的基波電動勢具有對稱性。繞組所產(chǎn)生的基波電動勢具有對稱性。 3）電動勢和磁動勢波形力求接近正弦波。）電動勢和磁動勢波形力求接近正弦波。 滿足上述原則構(gòu)成的三相繞組即為三相對稱繞組，只有在三滿足上述原則構(gòu)成的三相繞組即為三相對稱繞組，只有在三相對稱繞組中才能感應出三相對稱的電動勢。相對稱繞組中才能感應出三相對稱的電動勢。 此外還有的要求繞組用銅量少、絕緣性能和機械強度可靠、此外還有的要

38、求繞組用銅量少、絕緣性能和機械強度可靠、散熱條件好、制造工藝簡單、檢修方便。散熱條件好、制造工藝簡單、檢修方便。第二節(jié) 同步發(fā)電機交流繞組的電動勢和磁動勢 同步發(fā)電機交流繞組的感應電動勢同步發(fā)電機交流繞組的感應電動勢 交流電機的感應電動勢是由氣隙的磁場和定子繞組交流電機的感應電動勢是由氣隙的磁場和定子繞組相對運動而產(chǎn)生的。磁場在氣隙中分布的情況（大小、相對運動而產(chǎn)生的。磁場在氣隙中分布的情況（大小、波形）和定子繞組構(gòu)成方法（排列、連接方式），對電波形）和定子繞組構(gòu)成方法（排列、連接方式），對電動勢的波形和大小都有影響。因此，在討論電動勢之前，動勢的波形和大小都有影響。因此，在討論電動勢之前，應

39、先了解電機的磁路和磁場的分布情況。應先了解電機的磁路和磁場的分布情況。 1）交流電機的磁路及磁場分布情況）交流電機的磁路及磁場分布情況 為了使交流電機繞組中的感應電動勢接近于正弦波，為了使交流電機繞組中的感應電動勢接近于正弦波，必須使轉(zhuǎn)子磁極的磁通密度在氣隙的分布接近于正弦波，必須使轉(zhuǎn)子磁極的磁通密度在氣隙的分布接近于正弦波，而氣隙的磁通密度分布與轉(zhuǎn)子磁動勢和磁路的磁阻有關。而氣隙的磁通密度分布與轉(zhuǎn)子磁動勢和磁路的磁阻有關。 凸極同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁通的磁路凸極同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁通的磁路 同步發(fā)電機空載時，氣隙磁場是由轉(zhuǎn)子勵磁繞組通入直流電流建立勵磁磁動勢而產(chǎn)生的。 同步發(fā)電機空載磁路中轉(zhuǎn)子磁通可分

40、為兩部分： 1）經(jīng)過氣隙交鏈定子和轉(zhuǎn)子繞組的磁通，稱為主磁通主磁通（氣隙磁通）； 2）還有只交鏈勵磁繞組的磁通，稱為主磁極漏磁通主磁極漏磁通，僅占主磁通的1020%。第二節(jié) 同步發(fā)電機交流繞組的電動勢和磁動勢 凸極同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁通的磁路 凸極同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁通的磁路凸極同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁通的磁路 凸極同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子的勵磁繞組是集中的，為了使主磁通在氣隙中的磁密度沿圓周空間分布接近正弦波，可調(diào)節(jié)磁路的磁阻，即選擇適當?shù)臉O弧形狀來滿足這一可調(diào)節(jié)磁路的磁阻，即選擇適當?shù)臉O弧形狀來滿足這一要求。要求。令極弧中間氣隙最小，兩側(cè)逐漸增大，取最大氣隙為最小氣隙的1.52倍，這樣，在氣隙中的磁密度沿圓周空間分

41、布接近正弦波。(p84圖2-32） 隱極同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁通的磁路隱極同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁通的磁路 對于隱極同步發(fā)電機空載磁路，由于氣隙是均勻的，沿圓周磁阻相等，勵磁繞組采用分布方式，磁通密度呈勵磁繞組采用分布方式，磁通密度呈梯形空間分布，如不考慮槽、齒的影響，接近于正弦波梯形空間分布，如不考慮槽、齒的影響，接近于正弦波。 實際上，交流電機中氣隙磁通密度沿實際上，交流電機中氣隙磁通密度沿空間的分布曲線不可能是理想的正弦波，空間的分布曲線不可能是理想的正弦波，對于非正弦波，我們可以用傅里葉級數(shù)分對于非正弦波，我們可以用傅里葉級數(shù)分解的辦法將其分解為基波和高次諧波分量，解的辦法將其分解為基波和高次諧波分

42、量，再對基波和高次諧波分別加以分析。再對基波和高次諧波分別加以分析。 2）繞組的基波電動勢）繞組的基波電動勢 繞組的基波電動勢是指氣隙基波磁場所繞組的基波電動勢是指氣隙基波磁場所感應的電動勢。感應的電動勢。 而交流繞組是由許多線圈按一定規(guī)律而交流繞組是由許多線圈按一定規(guī)律連接而成的，所以，我們分析繞組的電動連接而成的，所以，我們分析繞組的電動勢，首先討論一個線圈的電動勢，進而再勢，首先討論一個線圈的電動勢，進而再討論一個繞組的電動勢。討論一個繞組的電動勢。 交流繞組是由線圈組成的，線圈可以是單匝也可以交流繞組是由線圈組成的，線圈可以是單匝也可以是多匝。是多匝。 每個線圈由首端和末端引出兩根線。

43、每個線圈有兩每個線圈由首端和末端引出兩根線。每個線圈有兩個直線邊，稱為有效邊分別放在定子鐵芯的兩個槽內(nèi)，個直線邊，稱為有效邊分別放在定子鐵芯的兩個槽內(nèi)，他們在定子圓周上的距離，稱為節(jié)距，他們在定子圓周上的距離，稱為節(jié)距，y1表示，一般用表示，一般用槽數(shù)計算。槽數(shù)計算。 為使每個線圈能夠獲得較大的電動勢，節(jié)距應接近為使每個線圈能夠獲得較大的電動勢，節(jié)距應接近極距，當節(jié)距等于極距時，該繞組稱為整距繞組，當節(jié)極距，當節(jié)距等于極距時，該繞組稱為整距繞組，當節(jié)距小于極距時，該繞組稱為短距繞組。距小于極距時，該繞組稱為短距繞組。第二節(jié) 同步發(fā)電機交流繞組的電動勢和磁動勢 2）繞組的基波電動勢）繞組的基波電

44、動勢 設設 磁通磁通= msinsintt， = 2f = 2f 2pn/602pn/60 單匝整距線圈中的電動勢瞬時值單匝整距線圈中的電動勢瞬時值e e = = d/dt = d/dt = msin(sin(t-90t-90) ) ， = 2f = 2f 電動勢的有效值電動勢的有效值E = 4.44fE = 4.44fmN N 匝整距線圈中的電動勢有效值匝整距線圈中的電動勢有效值E = 4.44fNE = 4.44fNm 2）繞組的基波電動勢）繞組的基波電動勢 整距線圈整距線圈電動勢可以看成兩個有效邊電動勢相加。電動勢可以看成兩個有效邊電動勢相加。因整距線圈兩個有效邊處在不同極面下相對應的位

45、置，因整距線圈兩個有效邊處在不同極面下相對應的位置，所以兩個有效邊導體內(nèi)的感應電動勢的瞬時值大小相等、所以兩個有效邊導體內(nèi)的感應電動勢的瞬時值大小相等、方向相同。兩個有效邊導體內(nèi)的感應電動勢之和是感應方向相同。兩個有效邊導體內(nèi)的感應電動勢之和是感應電動勢的電動勢的算術和算術和。 而對于短距線圈，兩個有效邊處在不同極面下的位而對于短距線圈，兩個有效邊處在不同極面下的位置不對應，所以兩個有效邊導體內(nèi)的感應電動勢的相位置不對應，所以兩個有效邊導體內(nèi)的感應電動勢的相位差不為零，短距線圈兩個有效邊導體內(nèi)的感應電動勢之差不為零，短距線圈兩個有效邊導體內(nèi)的感應電動勢之和為和為相量和。相量和。短距線圈電動勢比

46、整距線圈電動勢小一些，短距線圈電動勢比整距線圈電動勢小一些，相當于打了一個折扣，即短距系數(shù)。相當于打了一個折扣，即短距系數(shù)。 2）繞組的基波電動勢）繞組的基波電動勢 單匝整距線圈電動勢也可以看成線圈兩個有效邊單匝整距線圈電動勢也可以看成線圈兩個有效邊電動勢相加。電動勢相加。兩個有效邊導體內(nèi)的感應電動勢的兩個有效邊導體內(nèi)的感應電動勢的瞬時值大小相等、方向相同，瞬時值大小相等、方向相同， 若線圈有NC匝，則1111144. 42fEEEEC 1144.4CCfNE 2）繞組的基波電動勢）繞組的基波電動勢 短距線圈的電動勢短距線圈的電動勢 考慮基波短距系數(shù)考慮基波短距系數(shù)k ky1y1（短距線匝電動

47、勢與該線匝為整（短距線匝電動勢與該線匝為整距時的電動勢之比為基波短距系數(shù)）距時的電動勢之比為基波短距系數(shù)）E = 4.44fNkE = 4.44fNky1y1m 其中其中k ky1y1基波短距系數(shù)小于基波短距系數(shù)小于1，表示，表示由于短距關系使線匝電動勢比整距時小，應打由于短距關系使線匝電動勢比整距時小，應打k ky1y1的折的折扣。其中的物理意義表示短距線匝交鏈的磁通總是小于扣。其中的物理意義表示短距線匝交鏈的磁通總是小于整距線匝交鏈的磁通量，感應的電動勢也是整距線匝的整距線匝交鏈的磁通量，感應的電動勢也是整距線匝的k ky1y1倍。倍。90sin)()(111111yyEyEkccy 2）

48、繞組的基波電動勢）繞組的基波電動勢 發(fā)電機的每相繞組都是由相距為a角（槽距角）的q個線圈串聯(lián)而成。又因為每一個線圈具有相同的匝數(shù)，并且切割同一磁極下的基波磁通，所以每個線圈中的基波電動勢的大小相等，相位相差a角，所以，繞組電動勢就是q個線圈電動勢的相量和。 如果我們把匝數(shù)相同的q個線圈串聯(lián)并放在一個槽里， q個線圈的感應電動勢是一個線圈的q倍（算數(shù)和），但是實際的繞組是分布地放在槽距角為a的q個槽內(nèi)， q個線圈的感應電動勢應為q個線圈電動勢的相量和，實際的電動勢要小些，這是由于繞組分布造成的，這是由于繞組分布造成的，相當于在集中繞組的基礎上打了一個折扣，這個折扣稱相當于在集中繞組的基礎上打了一

49、個折扣，這個折扣稱其為基波分布系數(shù)。其為基波分布系數(shù)。 2）繞組的基波電動勢）繞組的基波電動勢 再考慮基波分布系數(shù)（相電動勢的有效值q個線圈分布地放在槽內(nèi)感應的電動勢與集中地放在一個槽內(nèi)感應的電動勢之比）E = 4.44fNkqE = 4.44fNkq1 1k ky1y1m= = 4.44fNk4.44fNkw1w1m 分布系數(shù)與短距系數(shù)的乘分布系數(shù)與短距系數(shù)的乘積稱為繞組系數(shù)積稱為繞組系數(shù)k kw1w1111qywkkk第二節(jié) 同步發(fā)電機交流繞組的電動勢和磁動勢 2）繞組的基波電動勢）繞組的基波電動勢E = 4.44fNkqE = 4.44fNkq1 1k ky1y1m= 4.44fNk=

50、4.44fNkw1w1m 說明同步發(fā)電機在額定頻率下運行時，其相說明同步發(fā)電機在額定頻率下運行時，其相電動勢的大小與轉(zhuǎn)子的每極下的磁通成正比，若電動勢的大小與轉(zhuǎn)子的每極下的磁通成正比，若要調(diào)節(jié)發(fā)電機的電壓，必須調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流，要調(diào)節(jié)發(fā)電機的電壓，必須調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流，即改變轉(zhuǎn)子的每極下的磁通。即改變轉(zhuǎn)子的每極下的磁通。 線電動勢與三相繞組的接法有關，對于三相線電動勢與三相繞組的接法有關，對于三相對稱繞組，對稱繞組，形接法時，線電動勢等于相電動勢，形接法時，線電動勢等于相電動勢， Y形接法時，線電動勢等于相電動勢的形接法時，線電動勢等于相電動勢的3倍。倍。第二節(jié) 同步發(fā)電機交流繞組的電動勢和磁

51、動勢 3）高次諧波電動勢消弱方法）高次諧波電動勢消弱方法 由于同步發(fā)電機主磁極在氣隙里的磁通分布不是理想的正弦由于同步發(fā)電機主磁極在氣隙里的磁通分布不是理想的正弦波，除基波以外，還有一系列的高次諧波。為了改善電動勢的波波，除基波以外，還有一系列的高次諧波。為了改善電動勢的波形必須設法消弱高次諧波電動勢，常用的方法有以下幾種：形必須設法消弱高次諧波電動勢，常用的方法有以下幾種： 改善主磁場分布改善主磁場分布（凸極改善極靴外形、隱極改善勵磁繞組的分（凸極改善極靴外形、隱極改善勵磁繞組的分布范圍）；布范圍）； 將三相繞組接成星形將三相繞組接成星形（可消除線電動勢中的三次及其倍數(shù)的奇（可消除線電動勢中

52、的三次及其倍數(shù)的奇次諧波）；次諧波）； 利用短距繞組來消弱諧波電動勢利用短距繞組來消弱諧波電動勢，合理地選擇線圈的節(jié)矩，使，合理地選擇線圈的節(jié)矩，使某次諧波的短距系數(shù)等于或接近于零；某次諧波的短距系數(shù)等于或接近于零；(p91表）表） 采用分布繞組來消弱諧波電動勢采用分布繞組來消弱諧波電動勢，適當?shù)脑黾用繕O每相槽數(shù)，適當?shù)脑黾用繕O每相槽數(shù)，使某次諧波的分布系數(shù)接近于零，從而消弱該次諧波電動勢。使某次諧波的分布系數(shù)接近于零，從而消弱該次諧波電動勢。 (p92表）表）第二節(jié) 同步發(fā)電機交流繞組的電動勢和磁動勢 交流繞組的磁動勢交流繞組的磁動勢 交流電機的定子繞組中流過電流交流電機的定子繞組中流過電流

53、時將建立電樞磁動勢，時將建立電樞磁動勢，它對電機的能它對電機的能量轉(zhuǎn)換和運行特性會產(chǎn)生很大的影響，量轉(zhuǎn)換和運行特性會產(chǎn)生很大的影響，研究交流繞組的磁動勢的性質(zhì)、大小、研究交流繞組的磁動勢的性質(zhì)、大小、分布等很有必要。分布等很有必要。下面要討論的內(nèi)容下面要討論的內(nèi)容包括單相繞組的磁動勢和三相繞組的包括單相繞組的磁動勢和三相繞組的磁動勢。磁動勢。 單相脈振磁動勢單相脈振磁動勢 1）整距線圈的磁動勢）整距線圈的磁動勢 組成相繞組的單元是線圈，我們先分析一個線圈的磁動勢。 若線圈內(nèi)流過電流時，線圈的磁動勢便產(chǎn)生一個兩極磁場，根據(jù)右手定則，磁力線如圖所示。若設想將電機中間切開，取縱坐標處在線圈的中心位置

54、，并用縱坐標表示磁動勢的大小，橫坐標表示沿定子內(nèi)圓周的空間距離，磁動勢波形為一磁動勢波形為一矩形波，矩形波，如下圖。 單相脈振磁動勢單相脈振磁動勢 1）整距線圈的磁動勢 根據(jù)安培環(huán)路定律，作用在每個磁力線所經(jīng)磁路的磁勢為f = Ni, 任一磁力線所經(jīng)磁路上的磁動勢都是相等的。每個磁力線所經(jīng)磁路都有兩個氣隙，作用在每個氣隙上的磁壓降為1/2Ni。 如果通過線圈的電流是正弦波（按余弦規(guī)律變化）， 則磁動勢為tIicccos2磁勢的振幅tINiNfcccccmcos2221 沿氣隙圓周空間分布的磁動勢波形為矩形波，沿氣隙圓周空間分布的磁動勢波形為矩形波，矩形波的幅值是隨時間按余弦規(guī)律變化，但磁動矩形

55、波的幅值是隨時間按余弦規(guī)律變化，但磁動勢在空間的位置保持固定不變，其寬度仍等于線勢在空間的位置保持固定不變，其寬度仍等于線圈寬度。圈寬度。 換句話說，矩形波磁動勢在空間的位置保持換句話說，矩形波磁動勢在空間的位置保持固定不變，但其幅值的大小和正負隨時間變化。固定不變，但其幅值的大小和正負隨時間變化。 我們把這種從空間上看位置固定，從時間上我們把這種從空間上看位置固定，從時間上看大小在正負最大值之間變化的磁動勢稱之為脈看大小在正負最大值之間變化的磁動勢稱之為脈振磁動勢。顯然，脈振磁動勢的頻率就是電流的振磁動勢。顯然，脈振磁動勢的頻率就是電流的頻率。頻率。 矩形波矩形波整距線圈的磁動勢可以按傅里葉

56、級數(shù)分解為基波和一系列奇次諧波的磁動勢。 其基波的極距等于矩形波的矩形波的極距，而次諧波的極距為基波的極距的1/。 次諧波的極對數(shù)是基波的倍。 基波磁動勢的最大幅值是矩形波矩形波磁動勢振幅的 4/倍，則基波磁動勢的最大幅值為cccccININF9 . 02241 2） 單相磁動勢單相磁動勢 前面分析的是整距一個線圈的磁動勢，對于交流電機來講，常采用分布繞組，各線圈依次沿定子圓周在空間錯開一個槽距角，產(chǎn)生的基波磁動勢在空間的相位相差電角度。把一個極距下的q個線圈的基波磁動勢相加，就可以求的合成基波磁動勢。 磁動勢在空間按正弦分布，所以，可以用空間相量表示。 由于線圈有整距和短距之分、各線圈在電機

57、中的布置以是分由于線圈有整距和短距之分、各線圈在電機中的布置以是分布的，所以，磁動勢和電動勢一樣，在計算線圈磁動勢時要乘以布的，所以，磁動勢和電動勢一樣，在計算線圈磁動勢時要乘以短距系數(shù)和分布系數(shù)。短距系數(shù)和分布系數(shù)。 正弦電流勵磁的磁勢 整距繞組 單層 雙層 短距線圈組111qcqkqFF2sin2sin1qqkq1112qcqkqFF111111129 . 029 . 090sin2wccyqccqcqkqNIkkqNIykqFF 通過以上分析，有關單相脈振基波磁動勢可得以下通過以上分析，有關單相脈振基波磁動勢可得以下結(jié)論：結(jié)論： 1）單相繞組產(chǎn)生的基波磁動勢是脈振磁動勢，它）單相繞組產(chǎn)生

58、的基波磁動勢是脈振磁動勢，它在空間上按余弦規(guī)律分布，其位置固定不變，各點的磁在空間上按余弦規(guī)律分布，其位置固定不變，各點的磁動勢大小又隨時間按余弦規(guī)律變化，磁動勢的脈振頻率動勢大小又隨時間按余弦規(guī)律變化，磁動勢的脈振頻率為電流的頻率。為電流的頻率。 2）單相脈振基波磁動勢的最大幅值為）單相脈振基波磁動勢的最大幅值為 0.9k w1 NI/p，其幅值的位置處在相繞組的軸線上（亦，其幅值的位置處在相繞組的軸線上（亦即構(gòu)成一對極下的每相繞組中心線上）。即構(gòu)成一對極下的每相繞組中心線上）。 3）單相脈振基波磁動勢即是一對極下一相線圈組）單相脈振基波磁動勢即是一對極下一相線圈組的磁動勢，對于雙層繞組來說

59、含有兩個線圈組，對于單的磁動勢，對于雙層繞組來說含有兩個線圈組，對于單層繞組來說只含有一個線圈組。層繞組來說只含有一個線圈組。三相旋轉(zhuǎn)磁動勢 三相旋轉(zhuǎn)磁動勢三相旋轉(zhuǎn)磁動勢 現(xiàn)代電力系統(tǒng)都是三相制，交流電機也是三相的，那么三相對稱繞組中通過三相對稱的交流電將會產(chǎn)生什么樣的磁動勢。 1、解析法：、解析法： 單相磁動勢為單相磁動勢為：當對稱三相繞組中，通入對稱三相電流時，由于三相繞組的軸線在空間上彼此互差1200，三相對稱電流在時間上互差1200，因此若把空間坐標原點取在A相繞組軸線上，A相電流達到 最大值的瞬間為時間起始點，則A，B，C三相繞組各自產(chǎn)生的脈振磁動勢基波的表達式為： )240cos(

60、)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 三相合成磁勢是一個波幅恒定的旋轉(zhuǎn)波三相合成磁勢是一個波幅恒定的旋轉(zhuǎn)波 如果我們?nèi)∪绻覀內(nèi) = 0和和t = t1, 將這兩個瞬時磁勢波進行比較可將這兩個瞬時磁勢波進行比