【正文】 第 12章 同步電機(jī)的基本理論與運(yùn)行特性 回顧同步電機(jī)的原理 轉(zhuǎn)子繞組通以直流電流形成分布磁場(chǎng)， 匝鏈定子上的各相繞組。 定子上嵌放有 對(duì)稱 三相繞組 ax、 by、 cz 設(shè)磁場(chǎng)在氣隙中按正弦分布 ? 設(shè) 轉(zhuǎn)子以恒定速度旋轉(zhuǎn) ? 定子繞組中所匝鏈的磁通按正弦規(guī)律變化，其感應(yīng)電勢(shì)按正弦規(guī)律變化。 ? 由于各相匝數(shù)相等，從而各相電勢(shì)的大小相等，由于各相繞組空間分布彼此相距 120176。，從而三相電勢(shì)時(shí)間相位差 120176。 —— 滿足了三相電勢(shì)對(duì)稱要求 。 原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，則為同步發(fā)電機(jī) 當(dāng)對(duì)稱的三相電流流過對(duì)稱的三相繞組時(shí)，合成磁勢(shì)為一旋轉(zhuǎn)磁勢(shì) 定子繞組磁勢(shì)產(chǎn)生的 氣隙圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁產(chǎn)生的磁場(chǎng)有相同的極對(duì)數(shù)，磁極相互吸引，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) —— 同步電動(dòng)機(jī) 一、同步電機(jī)的結(jié)構(gòu) 同步電機(jī)的型式與構(gòu)造 1. 基本構(gòu)造型式 2. 汽輪機(jī) 3. 水輪機(jī) 基本構(gòu)造型式 ? 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(yīng)用于小容量同步電機(jī) 磁極旋轉(zhuǎn)式同步電機(jī) ? 定子、轉(zhuǎn)子、氣隙 ? 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(duì)稱交流繞組 。這種同步電機(jī)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(duì)磁極，磁極上繞有勵(lì)磁繞組，通以直流電流 時(shí)，將會(huì)在電機(jī)的氣隙中形成極性相間的分布磁場(chǎng)，稱為勵(lì)磁磁場(chǎng) (也稱主磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng) )。 ? 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(duì)電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的分布和同步電機(jī)的性能有重大影響。 發(fā)電機(jī)原理 示意 ? 主磁場(chǎng)的建立 ：勵(lì)磁繞組通以直流勵(lì)磁電流，建立極性相間的勵(lì)磁磁場(chǎng)，即建立起主磁場(chǎng)。 ? 載流導(dǎo)體：三相對(duì)稱的電樞繞組充當(dāng)功率繞組，成為感應(yīng)電勢(shì)或者感應(yīng)電流的載體。 ? 切割運(yùn)動(dòng) ：原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機(jī)輸入機(jī)械能），極性相間的勵(lì)磁磁場(chǎng)隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組（相當(dāng)于繞組的導(dǎo)體反向切割勵(lì)磁磁場(chǎng)）。 ? 交變電勢(shì)的產(chǎn)生 ：由于電樞繞組與主磁場(chǎng)之間的相對(duì)切割運(yùn)動(dòng)，電樞繞組中將會(huì)感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的三相對(duì)稱交變電勢(shì)。通過引出線，即可提供交流電源。 ? 感應(yīng)電勢(shì) 頻率 ： 感應(yīng)電勢(shì)的頻率決定于同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 和極對(duì)數(shù) p ，即 ? 交變性與對(duì)稱性 ：由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)極性相間，使得感應(yīng)電勢(shì)的極性交變；由于電樞繞組的對(duì)稱性，保證了感應(yīng)電勢(shì)的三相對(duì)稱性。 60pnf ? 同步轉(zhuǎn)速 ? 同步轉(zhuǎn)速 從供電品質(zhì)考慮，由眾多同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)構(gòu)成的交流電網(wǎng)的頻率應(yīng)該是一個(gè)不變的值， 要求發(fā)電機(jī)的頻率應(yīng)該和電網(wǎng)的頻率一致 。我國(guó)電網(wǎng)的頻率為50Hz ，故有： ? 發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須為某些固定值 —— 同步轉(zhuǎn)速。例如2極電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為 3000r/min， 4極電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為 1500r/min，依次類推。只有運(yùn)行于同步轉(zhuǎn)速，同步電機(jī)才能正常運(yùn)行。 ppfn 300060 ??電動(dòng)機(jī)原理 ? 將同步電機(jī)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(jī)氣隙中產(chǎn)生轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速 n1的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 ? 在一定條件下旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(duì)運(yùn)動(dòng) ? 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速 n＝ 60f／ p ? 同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，在不要求調(diào)速的場(chǎng)合，應(yīng)用大型同步電動(dòng)機(jī)可以提高運(yùn)行效率。近年來，小型同步電動(dòng)機(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開始得到較多地應(yīng)用。 同步補(bǔ)償機(jī)運(yùn)行 ? 電機(jī)不帶任何機(jī)械負(fù)載，靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)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(dá)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(shí)，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(duì)磁極和勵(lì)磁線圈 ? 當(dāng)勵(lì)磁線圈中通過直流勵(lì)磁電流后，每個(gè)磁極就出現(xiàn)一定的極性，相鄰磁極交替為 N 極和 S 極 ? 對(duì)水輪發(fā)電機(jī)來說，由于水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，要發(fā)出工頻電能，發(fā)電機(jī)的極數(shù)就比較多，做成凸極式結(jié)構(gòu)工藝上較為簡(jiǎn)單。中小型同步電機(jī)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(lì)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(lì)磁繞組通入勵(lì)磁電流后，沿轉(zhuǎn)子圓周也會(huì)出現(xiàn) N 極和 S 極。 ? 在大容量高轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子圓周線速度極高，最大可達(dá) 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(jī)都做成細(xì)長(zhǎng)的隱極式圓柱體轉(zhuǎn)子。 汽輪發(fā)電機(jī) ? 以汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)為原動(dòng)機(jī)。汽輪機(jī)的運(yùn)行性能在高速時(shí)較為經(jīng)濟(jì)，應(yīng)有盡可能高的轉(zhuǎn)速。火電站中汽輪發(fā)電機(jī)一般為兩極隱極式。原子能電站的大型汽輪發(fā)電機(jī)一般采用 4極隱極式。 ? 定子 —— 與異步電機(jī)相同，定子鐵心由 工鋼片疊成。定子外徑較小時(shí)，采用圓形沖片，當(dāng)定子外徑大于 1m 時(shí)，采用扇形沖片。 ? 轉(zhuǎn)子 —— 隱極式轉(zhuǎn)子，其 外形常做成一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的圓柱體 為了減少高速旋轉(zhuǎn)引起的離心力。轉(zhuǎn)子鐵心表面圓周上銑有許多槽，勵(lì)磁繞組嵌放在這些槽內(nèi)。 勵(lì)磁繞組為同心式繞組，以銅線繞制，并 用不導(dǎo)磁的槽楔 將繞組緊固在槽內(nèi)。 ? 轉(zhuǎn)軸 —— 經(jīng)聯(lián)軸器與汽輪機(jī)相聯(lián)的一端為汽機(jī)端 ， 稱與勵(lì)磁機(jī)相接的一端為勵(lì)磁機(jī)端 。 ? 集電環(huán) ：激磁繞組的兩個(gè)出線端，通過裝在勵(lì)磁機(jī)側(cè)的集電環(huán)經(jīng)電刷與直流激磁電源接通。 汽輪發(fā)電機(jī)圖 汽輪發(fā)電機(jī)組 水輪發(fā)電機(jī) ? 特點(diǎn) —— 極數(shù)多，直徑大，軸向長(zhǎng)度短 ，整個(gè)轉(zhuǎn)子在外形上與汽輪發(fā)電機(jī)大不相同，具 扁短形 。大多數(shù)水輪發(fā)電機(jī)為立式。 ? 定子鐵心 —— 水輪發(fā)電機(jī)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(fēng)溝。 ? 定子繞組 —— 每槽內(nèi)只有一線棒，稱單層繞組。 為改善電壓波形，常采用分?jǐn)?shù)槽繞組 。 ? 轉(zhuǎn)子磁極 —— 由厚度為 1～ 2mm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(jī)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(jī)振蕩，在電動(dòng)機(jī)中作為起動(dòng)繞組用。 水輪發(fā)電機(jī)圖 分?jǐn)?shù)槽繞組基本概念 ? 原因 ：水輪發(fā)電機(jī)由于極數(shù)很多，極距相對(duì)較小，每極每相槽數(shù) q就不可能太大，否則總槽數(shù)便過多，使制造工藝發(fā)生困難。若 q取較小整數(shù) ，卻 不能充分利用繞組分布的方法來削弱由非正弦波分布的磁場(chǎng)所感應(yīng)的電勢(shì)中的諧波分量 。此外， q較小時(shí) 齒諧波電勢(shì)的次數(shù)較低而數(shù)值較大 。 ? 水輪發(fā)電機(jī)和低速同步電動(dòng)機(jī)的每極每相槽數(shù) q常不用整數(shù)，而用分?jǐn)?shù)，例如采用 q=b+c/d。 —— 分?jǐn)?shù)槽繞組 。 分?jǐn)?shù)槽繞組示意 分?jǐn)?shù)槽繞組意義 ? 把各個(gè)極對(duì)依此重疊起來，則各不同極對(duì)下的齒和槽便不能各個(gè)重合。槽與槽之間有了一個(gè)位移角。 位于各個(gè)極對(duì)下的每相導(dǎo)體的感應(yīng)電勢(shì)便必須用幾何方法相加 。 ? 分?jǐn)?shù)槽實(shí)現(xiàn)了極對(duì)與極對(duì)間的分布 ，與分布繞組實(shí)現(xiàn)了槽與槽的分布和短匝繞組實(shí)現(xiàn)了層與層的分布相似，都起著削弱諧波分量的作用。 ? 在求分?jǐn)?shù)槽繞組的分布因數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮極對(duì)與極對(duì)之間的分布。將各極對(duì)重疊，化成一臺(tái)等效二極機(jī)，然后求出分布因數(shù)。 同步電機(jī)銘牌 ? 電機(jī)型號(hào) ? 額定容量 SN (VA,kVA,MVA等 ) 或額定功率 PN (W,kW,MW等 ) ：指電機(jī) 輸出功率 的保證值。 ? 額定電壓 (V,kV等 ) ：額定時(shí)定子輸出端線電壓。 ? 額定電流 (A) ：指額定運(yùn)行時(shí)定子的線電流。 ? 額定功率因數(shù) ：額定運(yùn)行時(shí)輸出電功率的功率因數(shù)。 ? 額定頻率 ：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)電樞輸出端電能的頻率，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)頻率規(guī)定為 50Hz。 ? 額定轉(zhuǎn)速 ：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速。 同步電機(jī)名牌上還有其它的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如額定負(fù)載時(shí)的溫升 、勵(lì)磁容量 和勵(lì)磁電壓 ，定子繞組連接等。 我國(guó)生產(chǎn)的汽輪發(fā)電機(jī)有 QFQ、 QFN、 QFS等系列。 前兩個(gè)字母表示汽輪發(fā)電機(jī)；第三個(gè)字母表示冷卻方式， Q表示氫外冷， N表示氫內(nèi)冷， S表示雙水內(nèi)冷。 系列： TS系列， T表示同步， S表示水輪。 舉例： QFS3002 表示容量為 300MW雙水內(nèi)冷 2極汽輪發(fā)電機(jī)。TSS1264/16048表示雙水內(nèi)冷水輪發(fā)電機(jī)，定子外徑為 1264厘米，鐵心長(zhǎng)為 160厘米，極數(shù)為 48。 外同步電動(dòng)機(jī)系列有 TD、 TDL等， TD表示同步電動(dòng)機(jī)，后面的字母指出其主要用途。如 TDG表示高速同步電動(dòng)機(jī)； TDL表示立式同步電動(dòng)機(jī)。同步補(bǔ)償機(jī)為 TT系列。 思考題 ? 為什么同步電機(jī)不能有任意的轉(zhuǎn)速？ ? 如何從外形上區(qū)分汽輪發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)？ ? 定子電樞繞組安排的基本要求 —— 各相繞組感應(yīng)電勢(shì)對(duì)稱 二、同步電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng) 1. 基本概念 2. 勵(lì)磁的要求 3. 勵(lì)磁方式 4. 幾種勵(lì)磁系統(tǒng) 概念 ? 勵(lì)磁方式 —— 同步電機(jī)獲取 直流 勵(lì)磁電流的方式 ? 勵(lì)磁系統(tǒng) —— 供結(jié)勵(lì)磁電流的整個(gè)系統(tǒng)，包括裝置和線路 勵(lì)磁機(jī) 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（手動(dòng)、自動(dòng)） 滅磁