電機(jī)及電力拖動(dòng)（第五版） 課件 第08章－同步電機(jī)的基本類(lèi)型和基本結(jié)構(gòu)

第八章同步電機(jī)的基本類(lèi)型和基本結(jié)構(gòu)

8.1同步電機(jī)的基本類(lèi)型

8.2同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

8.3同步電機(jī)的額定值及勵(lì)磁方式8.1同步電機(jī)的基本類(lèi)型8.1.1同步電機(jī)的特點(diǎn)通常三相同步電機(jī)的定子是電樞，在定子鐵心上開(kāi)有槽，槽內(nèi)安置三相繞組（圖中只畫(huà)出了一相），轉(zhuǎn)子上裝有磁極和勵(lì)磁繞組。當(dāng)勵(lì)磁繞組通以直流電流后，轉(zhuǎn)子即建立恒定磁場(chǎng)。式中p——電機(jī)的極對(duì)數(shù)；n——轉(zhuǎn)速，單位為r/min；f——頻率，單位為Hz。1)作為發(fā)電機(jī)當(dāng)用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子導(dǎo)體由于與此磁場(chǎng)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)而感應(yīng)交流電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的頻率:電機(jī)的極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)速一定，電機(jī)發(fā)出的交流電動(dòng)動(dòng)勢(shì)的頻率一定極同步電機(jī)的構(gòu)造原理圖則需要在定子繞組上施以三相交流電壓，電機(jī)內(nèi)部便產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

這時(shí)轉(zhuǎn)子繞組加上直流勵(lì)磁，則轉(zhuǎn)子將在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的帶動(dòng)下，沿定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向以相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)同步電機(jī)的特點(diǎn):1)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n與電網(wǎng)頻率f之間具有固定不變的關(guān)系，轉(zhuǎn)速n稱(chēng)為同步轉(zhuǎn)速。2)若電網(wǎng)的頻率不變，則同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒為常值而與負(fù)載的大小無(wú)關(guān)。2)作為同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行

8.1.2同步電機(jī)的基本類(lèi)型同步電機(jī)可以按運(yùn)行方式和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類(lèi)。1）按運(yùn)行方式和功率轉(zhuǎn)換方式同步電機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)調(diào)相機(jī)專(zhuān)門(mén)用來(lái)調(diào)節(jié)電網(wǎng)的無(wú)功功率，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，在調(diào)相機(jī)內(nèi)基本上不轉(zhuǎn)換有功功率。2）按結(jié)構(gòu)形式同步電機(jī)小容量同步電機(jī)中得到某些應(yīng)用旋轉(zhuǎn)電樞式旋轉(zhuǎn)磁極式應(yīng)用比較廣泛，并成為同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)形式3）旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)按照磁極的形狀又可分為隱極式和凸極式氣隙特性轉(zhuǎn)子形狀結(jié)構(gòu)特性采用條件實(shí)例凸極式不均勻，極弧底下氣隙較小，極間部氣隙較大結(jié)構(gòu)制造簡(jiǎn)單n1≤1500r/min（2p≥4）水輪發(fā)電機(jī)，同步電動(dòng)機(jī)及由內(nèi)燃機(jī)拖動(dòng)的同步發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)隱極式均勻圓柱形轉(zhuǎn)速較高汽輪機(jī)隱極式旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)凸極式1－定子2－凸極轉(zhuǎn)子3－隱極轉(zhuǎn)子4－集電環(huán)旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)主要部件示意圖8.2同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)機(jī)械端口轉(zhuǎn)子定子繞組定子鐵心電端口ABCB1、汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

定子鐵心2、水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)(1)立式水輪發(fā)電機(jī)(2)臥式水輪發(fā)電機(jī)3）水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)10000kW水輪機(jī)轉(zhuǎn)子4）現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的水輪發(fā)電機(jī)8.2.1隱極同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)以常見(jiàn)的旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)為例，說(shuō)明同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)一）定子隱極同步電機(jī)都采用臥式結(jié)構(gòu)，有定子和轉(zhuǎn)子兩大部分定子：由定子鐵心、定子繞組、機(jī)座、端蓋、擋風(fēng)裝置等部件組成。定子鐵心：由厚0.5mm的硅鋼片疊成，整個(gè)鐵心則固定于機(jī)座上。定子鐵心的內(nèi)圓槽內(nèi)安放定子繞組。二）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、勵(lì)磁繞組、護(hù)環(huán)、中心環(huán)、滑環(huán)及風(fēng)扇等部件組成轉(zhuǎn)子鐵心的材料：既要求有良好的導(dǎo)磁性能，又需要有很高的機(jī)械強(qiáng)度一般都采用整塊的高機(jī)械強(qiáng)度和良好導(dǎo)磁性能的合金鋼鍛成，與轉(zhuǎn)軸鍛成一個(gè)整體。沿轉(zhuǎn)子鐵心表面銑有槽以安放勵(lì)磁繞組（見(jiàn)右圖）。由圖可見(jiàn)在一個(gè)極距內(nèi)約有1/3部分沒(méi)有開(kāi)槽，叫大齒。大齒的中心實(shí)際上就是磁極中心。勵(lì)磁繞組：是由扁銅線繞成的同心式線圈。由于隱極電機(jī)轉(zhuǎn)束速很高，因此勵(lì)磁繞組在槽內(nèi)需用不導(dǎo)磁高強(qiáng)度的硬鋁槽楔壓緊。端部套上用高強(qiáng)度非磁性鋼鍛成的護(hù)環(huán)。隱極機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，所以轉(zhuǎn)子的直徑較小而長(zhǎng)度較長(zhǎng)。隱極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心8.2.2凸極同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)凸極同步電機(jī)臥式結(jié)構(gòu)立式結(jié)構(gòu)除立式結(jié)構(gòu)外的絕大多數(shù)的凸極同步電機(jī)低速、大容量的水輪發(fā)電機(jī)和大型水泵用的同步電動(dòng)機(jī)推力軸承裝在轉(zhuǎn)子上邊的上機(jī)架上，整個(gè)轉(zhuǎn)子是以一種懸吊狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)推力軸承裝在轉(zhuǎn)子下邊的機(jī)架上，整個(gè)轉(zhuǎn)子是以一種被托架著的狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)懸式傘式懸式傘式1－推力軸承2－導(dǎo)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)械穩(wěn)定性機(jī)組的軸向高度采用條件懸式好大轉(zhuǎn)速較高的電機(jī)（150r/min以上）傘式差小，廠房的高度和造價(jià)低轉(zhuǎn)速較低的電機(jī)（125r/min以下）一）定子定子結(jié)構(gòu)一般和隱極同步電機(jī)相同。大容量的水輪發(fā)電機(jī)，由于定子直徑太大，通常把它分成幾瓣，分別制造后，再運(yùn)到電站拼裝成一整體。二）轉(zhuǎn)子凸極同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子主要由磁極、勵(lì)磁繞組和轉(zhuǎn)軸組成。磁極：由厚1-1.5mm的鋼板沖成磁極沖片，用鉚釘裝成一體磁極上套裝有勵(lì)磁繞組勵(lì)磁繞組：由扁銅線繞成，各勵(lì)磁繞組串聯(lián)后接到集電環(huán)上磁極的極靴上一般還裝有阻尼繞組。阻尼繞組：由插入極靴阻尼槽內(nèi)的裸銅條和端部銅環(huán)焊接而成磁極固定在磁軛上，磁軛常用整塊鋼板或鑄鋼做成勵(lì)磁繞組磁極鐵心阻尼繞組磁極鋼板T尾阻尼繞組8.3同步電機(jī)的額定值及勵(lì)磁方式8.3.1同步電機(jī)的額定值1）額定容量SN（單位為kV·A）或額定功率PN（單位為kW）指輸出功率的保證值。對(duì)發(fā)電機(jī)通過(guò)額定容量可確定額定電流，通過(guò)PN數(shù)可以確定配套原動(dòng)機(jī)的容量。電動(dòng)機(jī)的額定容量一般都用kW表示。調(diào)相機(jī)則用kV·A表示。2）額定電壓UN（單位為V）電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)定子三相的線電壓3）額定電流IN（單位為A）電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)定子的線電流。4）額定頻率fN

我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)工頻為50Hz。5）額定功率因數(shù)。6）額定轉(zhuǎn)速nN（單位為r/min）。7）額定勵(lì)磁電壓UfN和額定勵(lì)磁電流IfN。8）額定溫升。8.3.2勵(lì)磁方式簡(jiǎn)介勵(lì)磁電流：同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，必須在勵(lì)磁繞組中通入的直流電流勵(lì)磁方式：指同步電機(jī)獲得直流勵(lì)磁電流的方式勵(lì)磁系統(tǒng)是同步電機(jī)的一個(gè)重要組成部分。它直接影響同步電機(jī)的運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性，并對(duì)同步電機(jī)的運(yùn)行特性如電壓主調(diào)整率、短路特性、過(guò)載能力等有重大影響。

同步電機(jī)的勵(lì)磁方式有以下幾種。一、直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁系統(tǒng)：供給勵(lì)磁電流的整個(gè)系統(tǒng)直流勵(lì)磁機(jī)一般與同步發(fā)電機(jī)同軸，由同一原動(dòng)機(jī)施動(dòng)。其本身所需勵(lì)磁電流通常由并勵(lì)方式供給。直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)與外部交流電網(wǎng)無(wú)直接聯(lián)系，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠且比較簡(jiǎn)單，在中小型汽輪發(fā)電機(jī)中廣泛采用。大容量的汽輪發(fā)電機(jī)不宜采用同軸直流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁方式。二、靜止的交流整流勵(lì)磁系統(tǒng)

靜止的交流整流勵(lì)磁系統(tǒng)可分為自勵(lì)式與他勵(lì)式兩種：1、他勵(lì)式靜止半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)副勵(lì)磁機(jī)也是交流發(fā)電機(jī)共勵(lì)磁電流在電機(jī)運(yùn)行之初由外界直流電源供給，待建立輸出電壓后則改為自勵(lì)。汽輪發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流由同軸交流主勵(lì)磁機(jī)發(fā)出的三相交流通過(guò)靜止的半導(dǎo)體硅整流器供給。供給主勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的是副勵(lì)磁機(jī)。副勵(lì)磁機(jī)輸出的也是三相交流電，須由晶閘管整流后再供給主勵(lì)磁機(jī)。同步發(fā)電機(jī)主勵(lì)磁機(jī)副勵(lì)磁機(jī)他勵(lì)式靜止半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)2、自勵(lì)式靜止半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)自勵(lì)式靜止半導(dǎo)體勵(lì)磁：取消交流勵(lì)磁機(jī)，交流勵(lì)磁電源直接取自同步發(fā)電機(jī)本身主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流以由整流變壓器取自自身輸出端，經(jīng)過(guò)三相晶閘管整流后變?yōu)橹绷麟?。靜止的交流整流勵(lì)磁系統(tǒng)沒(méi)有直流勵(lì)磁機(jī)的換向器火花等問(wèn)題，運(yùn)行維護(hù)方便，技術(shù)性能較好國(guó)內(nèi)外已廣泛使用。同步發(fā)電機(jī)整流變壓器整流裝置自勵(lì)式靜止半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)三、旋轉(zhuǎn)的交流整流勵(lì)磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的交流整流勵(lì)磁系統(tǒng)：用一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電樞式的交流主勵(lì)磁機(jī)，和主發(fā)電機(jī)同軸聯(lián)接，半導(dǎo)體整流裝置安裝在主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上，這樣就用固定聯(lián)接代替了電刷和滑環(huán)，因此又稱(chēng)為無(wú)刷勵(lì)磁。主勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流可由主發(fā)電機(jī)輸出端取得，也可通過(guò)同軸交流副勵(lì)磁機(jī)供給。無(wú)刷勵(lì)磁優(yōu)點(diǎn)：整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)沒(méi)有觸點(diǎn)，運(yùn)行比較可靠，維護(hù)也比較方便。在國(guó)內(nèi)外大型汽輪發(fā)電機(jī)中已廣泛采用。旋轉(zhuǎn)部分副勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)電樞式主動(dòng)磁機(jī)半導(dǎo)體整流裝置主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組四、三次諧波勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的氣隙磁通密度分布，不可避免地存在三次諧波分量。這個(gè)諧波分量在同步發(fā)電機(jī)的電樞繞組內(nèi)雖然感應(yīng)出三次諧波電動(dòng)勢(shì)，但經(jīng)過(guò)三相聯(lián)接，電樞繞組輸出線上并不存在三次諧波電動(dòng)勢(shì)，即不影響供電質(zhì)量。三次諧波勵(lì)磁系統(tǒng)：利用三次諧波磁通密度，在定子槽中專(zhuān)門(mén)嵌放一套三次諧波繞組，其節(jié)距取極距的1/3，基波氣隙磁場(chǎng)在