1、16.1同步電機的基本結構和運行狀態同步電機的基本結構和運行狀態6.2空載和負載時同步發電機的磁場空載和負載時同步發電機的磁場6.3隱極同步發電機的電壓方程、相量圖和等效電路隱極同步發電機的電壓方程、相量圖和等效電路6.4凸極同步發電機的電壓方程和相量圖凸極同步發電機的電壓方程和相量圖6.5同步發電機的功率方程和轉矩方程同步發電機的功率方程和轉矩方程6.6同步電抗的測定同步電抗的測定6.7定子漏抗和電樞等效磁動勢的測定定子漏抗和電樞等效磁動勢的測定6.8同步發電機的運行特性同步發電機的運行特性6.9同步發電機與電網的并聯運行同步發電機與電網的并聯運行燃燃燒燒室室燃燃料料鍋爐的鍋爐的爐膛爐膛循環

2、水循環水汽輪機汽輪機發電機發電機3 000 r/min升壓變升壓變壓器壓器超熱高壓蒸汽超熱高壓蒸汽電能輸出電能輸出電能的產生電能的產生 熱電廠熱電廠1 煤傳送帶煤傳送帶2 加煤機加煤機3 粉碎機粉碎機4 鍋爐鍋爐5 煤渣煤渣6 空氣預熱器空氣預熱器 7 靜電除塵靜電除塵8 煙囪煙囪9 汽輪機汽輪機10 冷凝器冷凝器11變壓器變壓器12 冷卻塔冷卻塔13 發電機發電機14 輸電線輸電線46.1 同步電機的工作原理及結構特點同步電機的工作原理及結構特點 同步電機的特點與用途同步電機的特點與用途 同步電機的結構形式同步電機的結構形式 同步電機的冷卻方式同步電機的冷卻方式 同步電機的額定值同步電機的額

3、定值 同步電機的勵磁方式同步電機的勵磁方式電機學 第六章 同步電機5n 同步電機也是一種常用的交流電機。同步電機也是一種常用的交流電機。n 與感應電機相比較，特點是，穩態運行時，轉子的轉與感應電機相比較，特點是，穩態運行時，轉子的轉速速n n與極對數與極對數p p和頻率和頻率f f之間具有固定不變的關系：之間具有固定不變的關系：n 同步轉速同步轉速n 從原理上看，同步電機既可用作為發電機，也可用作從原理上看，同步電機既可用作為發電機，也可用作為電動機或補償機?，F代發電站中的交流發電機幾乎為電動機或補償機?，F代發電站中的交流發電機幾乎全部都是同步發電機，在工礦企業和電力系統中，同全部都是同步發電

4、機，在工礦企業和電力系統中，同步電動機和補償機也有使用。步電動機和補償機也有使用。 pfn60電機學 第六章 同步電機6主要內容主要內容n 以發電機為主進行分析以發電機為主進行分析n 同步電機的基本結構、運行原理同步電機的基本結構、運行原理n 空載運行；負載時的電樞反應；同步發電機的基本方空載運行；負載時的電樞反應；同步發電機的基本方程；程；n 同步電機內的能量轉換同步電機內的能量轉換n 同步發電機并聯運行同步發電機并聯運行電機學 第六章 同步電機7同步發電機的工作原理：同步發電機的工作原理：n 同步電機的構造圖，在定子鐵芯上開槽槽內放置導線，同步電機的構造圖，在定子鐵芯上開槽槽內放置導線，轉

5、子上裝有磁極及勵磁繞組。當勵磁繞組通以直流電轉子上裝有磁極及勵磁繞組。當勵磁繞組通以直流電流時，電機內就會產生磁場，如果轉動轉子使磁場與流時，電機內就會產生磁場，如果轉動轉子使磁場與定子導線之間有相對運動，就會在定子導線中感應出定子導線之間有相對運動，就會在定子導線中感應出交流電勢。加把這些導線按一定規律聯成三相的電樞交流電勢。加把這些導線按一定規律聯成三相的電樞繞組，即可以從該繞組中引出三相交流電勢。繞組，即可以從該繞組中引出三相交流電勢。電機學 第六章 同步電機8n 這個交流電勢的頻率這個交流電勢的頻率f f決定于電機的極對數決定于電機的極對數p p和轉子每和轉子每分鐘的轉數分鐘的轉數n(

6、r/min)n(r/min)。由于每一轉對應。由于每一轉對應p p對磁極，轉對磁極，轉子每秒鐘轉數為子每秒鐘轉數為n n6060，因此每秒鐘有，因此每秒鐘有pn/60pn/60個對磁極個對磁極切割定子導線，使它的感應電勢交變切割定子導線，使它的感應電勢交變pn/60pn/60個周期，個周期，換句話說，該電勢的頻率為：換句話說，該電勢的頻率為：n當電機的極對數和轉速一定時、它發出交流電勢的頻當電機的極對數和轉速一定時、它發出交流電勢的頻率也是一定的。率也是一定的。n我國電力系統規定，交流電的頻率為我國電力系統規定，交流電的頻率為50Hz50Hz，例：電機，例：電機為一對極，它的轉速必定是為一對極

7、，它的轉速必定是3000r/min3000r/min。pfn6060pnf 電機學 第六章 同步電機9n f與與n之間這種固定關系，是同步電機的一個特征。之間這種固定關系，是同步電機的一個特征。n 若定子三相電樞繞組與三相負載相連，則三相定子繞若定子三相電樞繞組與三相負載相連，則三相定子繞組中流通三相電流，產生三相合成旋轉電樞磁勢，基組中流通三相電流，產生三相合成旋轉電樞磁勢，基波轉速波轉速n1n 即，電樞磁勢與轉子同轉速、同轉向即，電樞磁勢與轉子同轉速、同轉向同步。同步。n 即，電樞磁勢與轉子磁勢二者同步、相對靜止。即，電樞磁勢與轉子磁勢二者同步、相對靜止。npfn601電機學 第六章 同步

8、電機10同步電機做電動機：同步電機做電動機：n 三相定子繞組與電源接通，產生三相合成基波磁勢，三相定子繞組與電源接通，產生三相合成基波磁勢，轉速為同步速：轉速為同步速：n 同時轉子直流勵磁產生恒定主極磁場；同時轉子直流勵磁產生恒定主極磁場；n 兩個磁場間有相互電磁力作用，使得電樞磁場拖著主兩個磁場間有相互電磁力作用，使得電樞磁場拖著主極磁場同步轉動，轉子轉速極磁場同步轉動，轉子轉速n=n1。pfn601電機學 第六章 同步電機11一、同步電機分類：一、同步電機分類：旋轉電樞式：電樞旋轉，主極固定，因電樞旋轉電樞式：電樞旋轉，主極固定，因電樞功率不易由滑動部分送出，只適于較小容量功率不易由滑動部

9、分送出，只適于較小容量發電機，實用少。發電機，實用少。同步電機同步電機6.1 6.1 概述概述6.1.1 6.1.1 同步電機的結構型式同步電機的結構型式旋轉磁極式：磁極旋轉，電樞固定，電樞旋轉磁極式：磁極旋轉，電樞固定，電樞功率由靜止部分送出，可傳送較大功率，功率由靜止部分送出，可傳送較大功率，實用廣，是同步發電機的基本結構型式。實用廣，是同步發電機的基本結構型式。電機學 第六章 同步電機12旋轉磁極式旋轉磁極式隱極式轉子：不計齒槽時氣隙均勻；機械強度隱極式轉子：不計齒槽時氣隙均勻；機械強度高，適用于高轉速；一般用于汽輪發電機；外高，適用于高轉速；一般用于汽輪發電機；外形細長。形細長。凸極式

10、轉子：氣隙不均勻，極弧下較小，極間凸極式轉子：氣隙不均勻，極弧下較小，極間較大；機械強度比隱極機低，適用于低轉速；較大；機械強度比隱極機低，適用于低轉速；一般用于水輪發電機，外形扁盤形。一般用于水輪發電機，外形扁盤形。電機學 第六章 同步電機13二、隱極同步電機二、隱極同步電機（只有臥式支撐）（只有臥式支撐）1、隱極式隱極式轉子結構：轉子結構： 隱極式轉子上沒有凸出的磁極。沿著轉隱極式轉子上沒有凸出的磁極。沿著轉子本體圓周表面上，開有許多槽，槽中嵌放勵磁繞組。在轉子本體圓周表面上，開有許多槽，槽中嵌放勵磁繞組。在轉子表面約子表面約1/3部分沒有開槽，構成所謂大齒，是磁極的中心區。部分沒有開槽，

11、構成所謂大齒，是磁極的中心區。勵磁繞組通入勵磁電流后，沿轉子圓周也會出現勵磁繞組通入勵磁電流后，沿轉子圓周也會出現 N 極和極和 S 極。極。電機學 第六章 同步電機142 2、隱極式隱極式轉子特點轉子特點在大容量高轉速汽輪發電機中，轉子圓周線速度極高，最大可在大容量高轉速汽輪發電機中，轉子圓周線速度極高，最大可達達170170米米/ /秒。為了減小轉子本體及轉子上的各部件所承受的巨秒。為了減小轉子本體及轉子上的各部件所承受的巨大離心力，大型汽輪發電機都做成細長的隱極式圓柱體轉子。大離心力，大型汽輪發電機都做成細長的隱極式圓柱體轉子。考慮到轉子冷卻和強度方面的要求，隱極式轉子的結構和加工考慮到

12、轉子冷卻和強度方面的要求，隱極式轉子的結構和加工工藝較為復雜。轉子長度工藝較為復雜。轉子長度/ /直徑直徑=2.5=2.5 6.56.5，且容量愈大比值愈大。，且容量愈大比值愈大。電機學 第六章 同步電機153 3、汽輪發電機、汽輪發電機主要結構部件有：主要結構部件有：定子定子、轉子、端蓋和軸承。、轉子、端蓋和軸承。(1)(1)定子定子定子大體上與異步電機相同，定子鐵心由定子大體上與異步電機相同，定子鐵心由0.35mm,0.5mm0.35mm,0.5mm或其它厚度的硅鋼片疊成?；蚱渌穸鹊墓桎撈B成。定子外徑較小時，采用圓形沖片，當定子外徑大于定子外徑較小時，采用圓形沖片，當定子外徑大于1m

13、時，采用扇形沖片。定子鐵心固定在機座上，機座常由時，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。汽輪發電機的電壓較高，要須滿足通風和散熱的需要。汽輪發電機的電壓較高，要求定子繞組有足夠的絕緣強度，一般采用求定子繞組有足夠的絕緣強度，一般采用 B 級或級或 F 級絕級絕緣。緣。 扇形沖片扇形沖片電機學 第六章 同步電機16電機學 第六章 同步電機17電機學 第六章 同步電機18(2)轉子轉子采用隱極式轉子，外形常做成一個細長的圓柱體。采用隱極式轉子，外形常做成一個細長的圓柱體。

14、轉子鐵心：鉻鎳鉬合金鋼鍛制而成，與轉軸鍛為一個整體。轉子鐵心：鉻鎳鉬合金鋼鍛制而成，與轉軸鍛為一個整體。勵磁繞組：勵磁繞組為同心式繞組，以特制扁銅線繞制，并勵磁繞組：勵磁繞組為同心式繞組，以特制扁銅線繞制，并用不導磁的槽楔將繞組緊固在槽內。用不導磁的槽楔將繞組緊固在槽內。 護環、中心環和滑環：護環為一金屬圓筒，共兩只，用于保護環、中心環和滑環：護環為一金屬圓筒，共兩只，用于保護勵磁繞組的兩個端部，采用高強度非導磁合金鋼制成。中護勵磁繞組的兩個端部，采用高強度非導磁合金鋼制成。中心環用于支撐護環，阻止心環用于支撐護環，阻止勵磁繞組的軸向移動。勵磁繞組的軸向移動。滑環實現滑環實現勵勵磁繞組與勵磁電

15、源的連接，一方經引線接勵磁繞組，另一方磁繞組與勵磁電源的連接，一方經引線接勵磁繞組，另一方經電刷接勵磁電源。經電刷接勵磁電源。(3)端蓋和軸承端蓋和軸承電機學 第六章 同步電機19電機學 第六章 同步電機20圖圖6-3典型汽輪發電機轉子結構散件示意圖典型汽輪發電機轉子結構散件示意圖電機學 第六章 同步電機21電機學 第六章 同步電機22定子定子汽輪發電機組汽輪發電機組電機學 第六章 同步電機23三、凸極同步電機三、凸極同步電機電機學 第六章 同步電機241 1、支撐：臥式、立式支撐。支撐：臥式、立式支撐。大多數同步電動機、調相機大多數同步電動機、調相機和內燃機或沖擊式水輪機拖動的發電機采用臥式

16、結構。低和內燃機或沖擊式水輪機拖動的發電機采用臥式結構。低速、大型水輪發電機采用立式結構。速、大型水輪發電機采用立式結構。2 2、水輪發電機的特點：極數多，直徑大，軸向長度短。、水輪發電機的特點：極數多，直徑大，軸向長度短。立式立式臥式臥式電機學 第六章 同步電機25燈泡貫流式水輪機是貫流式水輪機的主要類型之一。是貫流式水輪機的主要類型之一。1919年初，美年初，美國工程師哈爾扎國工程師哈爾扎(Harza)首先提出其設計理念。經過瑞士愛舍維斯公首先提出其設計理念。經過瑞士愛舍維斯公司司(Escher Wyss)公司近公司近20年的研究，于年的研究，于1936年研制成功，并開始生年研制成功，并開

17、始生產。該水輪機主要應用于潮汐電站，近年來逐漸應用到江河上的低產。該水輪機主要應用于潮汐電站，近年來逐漸應用到江河上的低水頭電站。貫流式水電站是開發低水頭水力資源較好的方式。水頭電站。貫流式水電站是開發低水頭水力資源較好的方式。電機學 第六章 同步電機264、轉子、轉子 水輪發電機由于水輪機的轉速較低，要發出工頻電能，發水輪發電機由于水輪機的轉速較低，要發出工頻電能，發電機的極數就比較多，做成凸極式轉子結構工藝上較為簡單。電機的極數就比較多，做成凸極式轉子結構工藝上較為簡單。凸極式轉子上有明顯凸出的成對磁極和勵磁線圈。凸極式轉子上有明顯凸出的成對磁極和勵磁線圈。 轉子鐵心：由厚度為轉子鐵心：由

18、厚度為13mm的鋼片疊成；磁極兩端有磁的鋼片疊成；磁極兩端有磁極壓板，用來壓緊磁極沖片和固定磁極繞組。有些發電機磁極壓板，用來壓緊磁極沖片和固定磁極繞組。有些發電機磁極的極靴上開有一些槽，槽內放上銅條，并用端環將所有銅極的極靴上開有一些槽，槽內放上銅條，并用端環將所有銅條連在一起構成阻尼繞組，其作用是用來抑制短路電流和減條連在一起構成阻尼繞組，其作用是用來抑制短路電流和減弱電機振蕩，在電動機中作為起動繞組用。弱電機振蕩，在電動機中作為起動繞組用。3 3、定子、定子 水輪發電機的直徑很大，定子鐵心由扇形硅鋼片拼水輪發電機的直徑很大，定子鐵心由扇形硅鋼片拼裝疊成。為了散熱的需要，定子鐵心中留有徑向

19、通風溝。裝疊成。為了散熱的需要，定子鐵心中留有徑向通風溝。電機學 第六章 同步電機2710000kw10000kw水輪機轉子水輪機轉子2.同步電機的運行狀態同步電機的運行狀態同步電機的三種運行狀態同步電機的三種運行狀態a)發電機發電機(0)b)補償機補償機(=0)c)電動機電動機(0)電機學 第六章 同步電機29一、勵磁方式分類一、勵磁方式分類獲得勵磁電流的方法稱為勵磁方式。獲得勵磁電流的方法稱為勵磁方式。 目前采用的勵磁方式分為兩大類：目前采用的勵磁方式分為兩大類： 用直流發電機作為勵磁電源的直流勵磁機勵磁系統；用直流發電機作為勵磁電源的直流勵磁機勵磁系統；1.1.用硅整流裝置將交流轉化成直

20、流后供給勵磁的整流器勵用硅整流裝置將交流轉化成直流后供給勵磁的整流器勵磁系統。磁系統。6.1.2 6.1.2 同步電機的勵磁方式同步電機的勵磁方式電機學 第六章 同步電機30二、二、 直流勵磁機勵磁直流勵磁機勵磁直流勵磁機通常與同步發電機同軸，采用并勵、他勵直流勵磁機通常與同步發電機同軸，采用并勵、他勵或永磁勵磁方式。采用他勵接法時，勵磁機的勵磁電或永磁勵磁方式。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電機供給。流由另一臺被稱為副勵磁機的同軸的直流發電機供給。電機學 第六章 同步電機31三、三、 靜止整流器勵磁：靜止整流器勵磁： 同一軸上有三臺交流發電機，即主發同一

21、軸上有三臺交流發電機，即主發電機、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為自勵始時由外部直流電源提供，待電壓建立起來后再轉為自勵(有有時采用永磁發電機時采用永磁發電機)。副勵磁機的輸出電流經過靜止晶閘管整。副勵磁機的輸出電流經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過靜流器整流后供給主勵磁機，而主勵磁機的交流輸出電流經過靜止的三相橋式硅整流器整流后供給主發電機的勵磁繞組。止的三相橋式硅整流器整流后供給主發電機的勵磁繞組。與傳統直流系統的區別：變直流勵磁機為交流主磁

22、機，解決了與傳統直流系統的區別：變直流勵磁機為交流主磁機，解決了換向器火花問題。換向器火花問題。電機學 第六章 同步電機32四、四、 旋轉整流器勵磁：旋轉整流器勵磁： 靜止整流器的直流輸出必須經電刷和靜止整流器的直流輸出必須經電刷和集電環輸送到旋轉的勵磁繞組，對大容量的同步發電機其勵磁集電環輸送到旋轉的勵磁繞組，對大容量的同步發電機其勵磁電流達到數千安培，使得集電環嚴重過熱。因此，在大容量的電流達到數千安培，使得集電環嚴重過熱。因此，在大容量的同步發電機中，常采用不需要電刷和集電環的旋轉整流器勵磁同步發電機中，常采用不需要電刷和集電環的旋轉整流器勵磁系統。系統。主勵磁機是旋轉電樞式三相同步發電

23、機主勵磁機是旋轉電樞式三相同步發電機，旋轉電樞的交，旋轉電樞的交流電流經與主軸一起旋轉的硅整流器整流后，直接送到主發電流電流經與主軸一起旋轉的硅整流器整流后，直接送到主發電機的轉子勵磁繞組。交流主勵磁機的勵磁電流由同軸的交流副機的轉子勵磁繞組。交流主勵磁機的勵磁電流由同軸的交流副勵磁機經靜止的晶閘管整流器整流后供給。由于這種勵磁系統勵磁機經靜止的晶閘管整流器整流后供給。由于這種勵磁系統取消了集電環和電刷裝置，故又稱為無刷勵磁系統。取消了集電環和電刷裝置，故又稱為無刷勵磁系統。 電機學 第六章 同步電機33l大容量的電機發熱問題嚴重，為了使溫升不超過允許限大容量的電機發熱問題嚴重，為了使溫升不超過允許限度，就要采用有效的冷卻方法。對冷卻方法的要求是能度，就要采用有效的冷卻方法。對冷卻方法的要求是能夠輸送足夠