同步電機的基本理論和運行特性1

第四篇第十二章

同步電機的基本理論和運行特性12-1

同步電機的結(jié)構(gòu)一、同步電機的基本結(jié)構(gòu)型式組成：固定的定子和可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子分：磁極旋轉(zhuǎn)式和電樞旋轉(zhuǎn)式。磁極旋轉(zhuǎn)式——以電樞為定子，磁極為轉(zhuǎn)子。使磁極旋轉(zhuǎn)，激磁電流通過集電環(huán)送入激磁繞組。旋轉(zhuǎn)電樞式應用于小容量同步電機

定子——定子鐵心的內(nèi)圓均勻分布著定子槽，槽內(nèi)嵌放著按一定規(guī)律排列的三相對稱交流繞組。這種同步電機的定子又稱為電樞，定子鐵心和繞組又稱為電樞鐵心和電樞繞組轉(zhuǎn)子——轉(zhuǎn)子鐵心上裝有制成一定形狀的成對磁極，磁極上繞有勵磁繞組，通以直流電流時，將會在電機的氣隙中形成極性相間的分布磁場，稱為勵磁磁場(也稱主磁場、轉(zhuǎn)子磁場)。氣隙——氣隙處于電樞內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子磁極之間，氣隙層的厚度和形狀對電機內(nèi)部磁場的分布和同步電機的性能有重大影響。

發(fā)電機原理主磁場的建立：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。

載流導體：三相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。切割運動：原動機拖動轉(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）。

交變電勢的產(chǎn)生：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。通過引出線，即可提供交流電源。

感應電勢頻率：感應電勢的頻率決定于同步電機的轉(zhuǎn)速n和極對數(shù)p，即交變性與對稱性：由于旋轉(zhuǎn)磁場極性相間，使得感應電勢的極性交變；由于電樞繞組的對稱性，保證了感應電勢的三相對稱性。電動機原理將同步電機定子繞組接至三相交流電源，頻率為f的三相交流電流將在電機氣隙中產(chǎn)生轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速n1的旋轉(zhuǎn)磁場。在一定條件下旋轉(zhuǎn)磁場將吸住轉(zhuǎn)子磁極一起旋轉(zhuǎn)，它們有相同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向——無相對運動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速n＝60f／p同步電動機的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，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，小型同步電動機在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開始得到較多地應用。

同步補償機運行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。過激時，有超前的無功功率，如電容器凸極式轉(zhuǎn)子凸極式轉(zhuǎn)子上有明顯凸出的成對磁極和勵磁線圈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，相鄰磁極交替為N極和S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。中小型同步電機多半也做成凸極式。隱極式轉(zhuǎn)子隱極式轉(zhuǎn)子上沒有凸出的磁極沿著轉(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)成大齒，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。二、同步電機的額定值1.

額定容量SN或額定功率PN2.額定電壓UN3.額定電流IN4.額定功率因數(shù)cosN5.

額定效率N6.額定轉(zhuǎn)速nN和額定頻率fN7.額定勵磁電壓UfN和額定勵磁電流IfN國產(chǎn)同步電機型號：

【例12-1】

一臺汽輪發(fā)電機，額定功率PN=1100MW，額定電壓UN=20kV，Y連接，額定功率因數(shù)cosN=0.85（滯后）。求發(fā)電機的額定電流IN。

【例12-2】

一臺水輪發(fā)電機，額定容量SN=900MVA，額定電壓UN=15.5kV，Y連接，額定功率因數(shù)cosN=0.8（滯后）。求：（1）發(fā)電機的額定電流IN；（2）額定運行時發(fā)出的有功功率PN；（3）額定運行時發(fā)出的無功功率QN。12-2

同步電機的勵磁系統(tǒng)基本概念勵磁的要求勵磁方式12-3

同步電機的空載運行空載與空載磁勢：空載運行：原動機帶動發(fā)電機在同步轉(zhuǎn)速下運行，勵磁繞組通過適當?shù)膭畲烹娏?，電樞繞組不帶任何負載時?？蛰d運行是同步發(fā)電機最簡單的運行方式，其氣隙磁場由轉(zhuǎn)子磁勢單獨建立，分析較為簡單一、隱極式同步電機的空載磁動勢表12-1

隱極電機勵磁磁動勢波形系數(shù)0.60.660.70.750.8kf1.091.061.0310.965二、凸極式同步電機的空載磁動勢三、時間相量與空間矢量四、空載電動勢相量五、電壓波形正弦畸變率基本方法有：使勵磁電流產(chǎn)生接近于正弦分布的氣隙磁通密度；定子繞組采用分布和短距線圈；三相繞組采用Y接法。上述方法可以大大消除感應電動勢中的諧波含量，使同步電機的線電動勢基本達到正弦變化。12-4

對稱負載時的電樞反應首先要搞清楚什么是電樞反應其次要了解電樞磁動勢和勵磁磁動勢的關系再次之，要了解矢量合成的方法引入一個新概念，即內(nèi)功率因數(shù)角一、I和E0同相（y=0）時的電樞反應二、I滯后E090

（y=90）時的電樞反應三、I滯后E0180

（y=180）時的電樞反應四、I超前E090

（y=-90）時的電樞反應五、一般情況下的電樞反應有功電流產(chǎn)生電磁力，并形成電磁轉(zhuǎn)矩無功電流產(chǎn)生電磁力，不形成電磁轉(zhuǎn)矩12-5

隱極同步發(fā)電機的分析方法一、不計磁路報和影響隱極發(fā)電機的電磁過程1.

電路方程和等效電路隱極發(fā)電機的電勢方程式其中同步電抗的物理意義：表征地對稱負載下單位電樞電流三相聯(lián)合產(chǎn)生的電樞總磁場在電樞每相繞組中感應電勢簡化方程式2.

電樞反應電抗和同步電抗3.

隱極同步發(fā)電機的相量圖

【例12-3】一臺Y接法、4極的隱極同步發(fā)電機，它的空載線電動勢E0=400V，定子槽數(shù)為60，雙層繞組，節(jié)距y=13，每個線圈的匝數(shù)Nc=6，由試驗得到其同步電抗為xs=4.35?，F(xiàn)接上每相阻抗為ZL=40+j26的三相對稱負載，求負載電流I和電樞磁動勢Fa，并說明電樞反應的性質(zhì)（忽略電樞繞組電阻）。

二、考慮磁路飽和時隱極同步

發(fā)電機的分析方法

【例12-2】一臺三相汽輪發(fā)電機，Y連接，額定數(shù)據(jù)如下：功率PN=25000kW，電壓UN=6300V，功率因數(shù)cosN=0.8（落后），每相漏抗x=0.0917，忽略電阻。空載特性如下表。在額定負載下，電樞反應磁動勢的折算值ka