1、同步電機結構第十六章 同步發電機的基本電磁關系 16-1 同步電機的基本工作原理轉子繞組通以直流電流形成分布磁場，匝鏈定子上的各相繞組。定子上嵌放有對稱三相繞組a-x、b-y、c-zSNnIf同步電機的基本結構10/2006 C.B.Zeng2同步電機與異步電機的根本區別是旋轉的轉子通入直流電流勵磁轉子通直流電流 If勵磁磁場Bf電樞感應電勢隨轉子旋轉 角速度SNnea三相對稱負 載運行時旋轉基波 磁勢三相對稱電 樞電流 iabc(同步電機)ebecIf10/2006 C.B.Zeng316-2 同步電機的構造特點同步電機一般采用旋轉磁極式結構，根據磁極形狀可分為隱極和凸極兩種型式。 凸極同步

2、電機氣隙不均勻，適合于中速或低速旋轉場合 隱極同步電機在不考慮齒槽效應時，氣隙均勻，適合于 高速旋轉10/2006 C.B.Zeng4 國產300MW汽輪發電機10/2006 C.B.Zeng51、汽輪發電機結構300MW水氫冷發電機結構10/2006 C.B.Zeng6隱極同步電機結構實物圖大型汽輪發電機定子鐵心槽汽輪發電機完工后的定子10/2006 C.B.Zeng71、汽輪發電機結構 （1）定子鐵心思考：定子鐵心為什么要用0.5mm的硅鋼片疊裝？ 10/2006 C.B.Zeng81、汽輪發電機結構 （2）定子繞組10/2006 C.B.Zeng91、汽輪發電機結構 10/2006 C.

3、B.Zeng10NS+隱極式隱極同步電機的主要部件汽輪發電機轉子加工10/2006 C.B.Zeng1110/2006 C.B.Zeng1210/2006 C.B.Zeng13汽輪發電機組10/2006 C.B.Zeng142、水輪發電機結構(1)立式水輪發電機(2)臥式水輪發電機10/2006 C.B.Zeng152、水輪發電機結構(3)燈泡貫流式水輪發電機10/2006 C.B.Zeng16凸極同步電機結構實物圖帶阻尼繞組的凸極同步電機轉子水輪發電機定子分段鐵心10/2006 C.B.Zeng17NSNS+凸極式10/2006 C.B.Zeng1810/2006 C.B.Zeng1910/

4、2006 C.B.Zeng2010/2006 C.B.Zeng2110/2006 C.B.Zeng22凸極同步電機 凸極同步電機轉子由磁極、勵磁線圈、磁軛和阻尼繞組等部分構成。 凸極同步電機的定子結構與隱極同步電機或異步電機的基本相同，所不同的只是轉子結構。10/2006 C.B.Zeng23 同步電機的構造特點1、定子：鐵心，繞組2、轉子：凸極式 隱極式3 氣隙：比異步電機大。氣隙處于電樞內圓和轉子磁極之間，氣隙層的厚度和形狀對電機內部磁場的分布和同步電機的性能有重大影響。 10/2006 C.B.Zeng2416-3 同步電機的銘牌及額定值銘牌我國生產的汽輪發電機有QFQ、QFN、QFS等

5、系列。前兩個字母表示汽輪發電機；第三個字母表示冷卻方式，Q表示氫外冷，N表示氫內冷，S表示雙水內冷。系列：TS系列，T表示同步，S表示水輪。舉例：QFS-300-2 表示容量為300MW雙水內冷2極汽輪發電機。TSS1264/160-48表示雙水內冷水輪發電機，定子外徑為1264厘米，鐵心長為160厘米，極數為48。同步電動機系列有TD、TDL等，TD表示同步電動機，后面的字母指出其主要用途。如TDG表示高速同步電動機；TDL表示立式同步電動機。同步補償機為TT系列。10/2006 C.B.Zeng25額定值一 額定容量SN或功率PN：長期安全運行的最大允許輸出功率。二 額定電壓UN：額定工況

6、時，線電壓三 額定電流IN：額定工況時，線電流四 fn fn=50Hz五 nN 額定運行時電機轉速六 額定功率因數（cosN）額定有功功率和視在功率的比值七 額定效率N 電機額定運行的效率10/2006 C.B.Zeng2616-4 同步電機的空載運行一 空載磁場1 空載運行：同步發電機空載運行是指同步發電機被原動機拖動到同步轉速，轉子勵磁繞組通入直流勵磁電流而定子繞組開路時的運行工況。 10/2006 C.B.Zeng272 空載磁場時氣隙中的磁場僅有直流勵磁電流產生的勵磁磁場， 稱為空載磁場或主磁場。3 主磁路(0的路徑)主極鐵心氣隙電樞齒電樞磁軛電樞齒氣隙另一主極鐵心轉子磁軛。10/20

7、06 C.B.Zeng28 隱極同步電機的空載磁勢勵磁磁勢在空間的分布為一個階梯形，受齒槽的影響,氣隙磁密呈現出波動變化。用諧波分析法可求出其基波分量合理地選擇大齒的寬度可以使氣隙磁密的分布接近正弦波。如無特殊說明，以后僅考慮磁通密度的基波分量 44 3 3 2 1 1 2 10/2006 C.B.Zeng29凸極同步電機的空載磁勢勵磁繞組為集中繞組，磁勢波為矩形波對于凸極發電機來說，由于定轉子間的氣隙沿整個電樞圓周分布不均勻，極面下氣隙較小，磁阻較小；極間氣隙較大，極間磁阻很大。同一個極面下，氣隙徑向磁通密度的分布近似于平頂的帽形。極靴以外的氣隙磁通密度減少很快，相鄰兩極中線上的磁通密度為零

8、。氣隙磁密用付立葉諧波分析分解出空間基波和一系列諧波。 AXBCYz+A+A010/2006 C.B.Zeng30感應電勢的波形和大小與氣隙磁密的分布形狀及幅值大小緊密相關。在設計和制造電機時，應采取適當的措施，以獲得盡可能接近正弦分布的氣隙磁密，從而得到較高品質的感應電勢。 10/2006 C.B.Zeng31二空載特性1. 空載感應電勢的大小與頻率n基波電動勢：E0=4.44fWkW100 ：磁極的基波每極磁通。W：每相定子繞組串聯匝數。10/2006 C.B.Zeng322空載特性：當轉子以恒定轉速n旋轉時，為磁路的磁化特性與曲線相似(成比例)( )c1d0If(Ff)一般將發電機的空載

9、額定電壓設計于彎曲部分C點10/2006 C.B.Zeng333.電機磁路的飽和系數氣隙線:將空載特性的直線部分延長得線段2，稱為氣隙線。( )abc12ngd0Ff0F設oa代表額定電壓， 則ac為產生額定電壓所需磁勢:10/2006 C.B.Zeng34( )abc12ngd0Ff0Fab=F：不計飽和時產生oa電壓所需磁勢，稱為氣隙磁勢。bc=FFe：由于飽和，使得產生oa電壓的磁勢增大的部分， FFe用以克服鐵心磁阻所需磁勢。且FFe鐵心越飽和越大。c當E0=UN 時：10/2006 C.B.Zeng35abc1ngd0If(Ff)Ff0F電機運行于曲線剛好彎曲除：1、充分利用材料；2

10、、不會過分飽和;10/2006 C.B.Zeng36空載特性的工程應用 將設計好的電機的空載特性與常規空載特性相比較，如果兩者接近，說明電機設計合理，反之，則說明該電機的磁路過于飽和或者材料沒有充分利用。如太飽和，將使勵磁繞組用銅過多，且電壓調節困難如飽和度太低，則負載變化時電壓變化較大，且鐵心利用率較低，鐵心耗材較多結合短路特性可以求取同步電機的參數。發電廠通過測取空載特性來判斷三相繞組的對稱性以及勵磁系統的故障。 必須掌握（*）10/2006 C.B.Zeng37三、對空載電勢的要求三相對稱。頻率恒定。波形接近正弦。有一定幅值。10/2006 C.B.Zeng3816-5 對稱負載時的電樞

11、反應Armature reaction of synchronous generator電樞反應概念：內功率因數角 不同情況電樞反應分析10/2006 C.B.Zeng391、電樞反應的定義：電樞反應：電樞電流產生的磁動勢對勵磁磁場的影響10/2006 C.B.Zeng40 磁勢分析1、定子三相對稱繞組中對稱三相電流產生基波電Fa樞磁勢（1） 大小：（2） 轉速： (r/min) （3） 轉向：沿通電相序A、B、C的方向，它與轉子轉向相同（4）極對數：和轉子極對數相同，決定于繞組的節距y2、轉子繞組通入直流產生每極基波勵磁磁勢Ff1 （1） 大小： （2） 轉速：和轉子轉速一樣為同步速（3）

12、轉向：和轉子轉向一致（4） 極對數：和轉子磁極的極對數相同10/2006 C.B.Zeng41勵磁磁勢和電樞磁勢的區別10/2006 C.B.Zeng4210/2006 C.B.Zeng43準備工作 三個角 四個軸 10/2006 C.B.Zeng442. 電樞反應的性質電樞反應的性質(助磁、去磁或交磁）取決于電樞磁勢基波與勵磁磁勢基波的空間位置；這一相對位置與勵磁電勢E0和電樞電流I之間的相位差，即角度有關10/2006 C.B.Zeng45一、 和 同相（ =0）時的電樞反應（ ：內功率因數角）q軸 A軸AX ZBCYFfNSd軸時軸+900FFa 交軸電樞反應10/2006 C.B.Ze

13、ng46 1. 在軸d上。如圖瞬間，A相勵磁電勢達到最大值，由于 和 同相，故而 亦如圖示方向。此時A相電流最大。三相合成電樞磁勢 出現在A相軸線上。AXZCBYq軸A軸C軸B軸SNd軸n111時軸10/2006 C.B.Zeng47AXZCBYq軸A軸C軸B軸SNd軸n111時軸1q軸時軸相軸d軸10/2006 C.B.Zeng48可見 始終位于交軸上，稱為 （交軸磁勢）。2.時間向量圖將時間向量圖的參考軸與A相繞組軸線取重合3時空相矢量圖三相電流對稱， 僅以A相代表。1q軸時軸相軸d軸10/2006 C.B.Zeng49: 在定子中感應電勢。 ：交軸電樞反應 使氣隙磁勢 增加，且由直軸后移

14、一個角度。3、使得轉子勵磁繞組受一阻力矩（制動力矩）這樣要維持n1，必須輸入更多的有功。1q軸時軸相軸d軸10/2006 C.B.Zeng50時空相矢圖的作法：1、根據負載性質定出4、畫出與對應的2、選時軸、相軸和q、d軸1q軸時軸相軸d軸3、畫Ff1在d軸上，E0在q軸上5、Fa與I同“相”，10/2006 C.B.Zeng51二、 滯后 （ =900 ）時電樞反應時軸d軸q軸 A軸AXZBCYFfNS直軸去磁電樞反應Fa10/2006 C.B.Zeng52AXZCBYq軸A軸SNd軸n111時軸1q軸時軸相軸d軸1、各相電流如圖10/2006 C.B.Zeng531q軸時軸相軸d軸可見 ,

15、 與 方向相反 ，氣隙磁場被削弱，電樞反應純去磁作用，位于d軸又稱直軸電樞磁勢2. 轉子旋轉不受影響，發電機供給純感性（ =900 ）或純容性（ =-900 ）無功負載時，不需原動機載入功率。10/2006 C.B.Zeng54三、 超前 900 的電樞反應（ =-900 ）時軸d軸q軸 A軸AXZBCYFfNS直軸助磁電樞反應Fa10/2006 C.B.Zeng55AXZCBYq軸A軸SNd軸n111時軸1q軸時軸相軸d軸10/2006 C.B.Zeng561q軸時軸相軸d軸可見， 超前 900相位時，電樞磁勢 的方向總與勵磁磁勢 的方向相同。它們直接相加得氣隙中合成磁勢 的電樞反應是純粹助

16、磁的。 又位于d軸，又稱10/2006 C.B.Zeng57四、 情況下的電樞反:( 滯后勵磁電勢 銳角）。時軸d軸q軸 A軸AXZBCYFfNS既有交軸又有直軸去磁電樞反應+900Fa10/2006 C.B.Zeng58可見此時電樞磁勢 滯后 （ +900 ）此時電樞應兼有去磁及交磁兩種性質。q軸d軸時軸相軸的直軸分量（無功分量）的交軸分量（有功分量）10/2006 C.B.Zeng59電樞磁勢和電樞電流分量 10/2006 C.B.Zeng60當角為不同值的電樞反應10/2006 C.B.Zeng61有功電流產生電磁力，并形成電磁轉矩無功電流產生電磁力，不形成電磁轉矩10/2006 C.B

17、.Zeng62電樞反應是實現能量轉換的關鍵（a) 電樞反應交軸作用，電磁力與旋轉方向相反，為了維持發電機的轉速不變，必須隨著有功負載的變化調節原動機的輸入功率。 有功電流產生電磁力, 并形成電磁轉矩Tem10/2006 C.B.Zeng63（b）（c）：電樞反應直軸作用，b為去磁，c為助磁，為保持發電機的端電壓不變，必須隨著無功負載的變化相應地調節轉子的激磁電流。無功電流產生電磁力, 不形成電磁轉矩10/2006 C.B.Zeng6416-6 隱極同步電機的電樞反應磁通，電樞反應電抗和同步電抗10/2006 C.B.Zeng65一、電樞反應電抗設定子電流有效值為I，則產生的三相合成電樞反應磁勢

18、的幅值為：W:每相串聯匝數電樞反應磁通：電樞反應磁通回路上的磁導電樞反應電勢：隱極機不計飽和，不計齒槽輪影響，氣隙均勻，故m 為常數，（a 在定子上感應電勢）故有：10/2006 C.B.Zeng66引入比例系數：比例系數xa稱電樞反應電抗。考慮到相位關系后，每相電樞反應電勢為： xa物理意義：電樞反應磁場在定子每相繞組中感應的電樞反應電勢，可以看作相電流所產生的一個電抗電壓降10/2006 C.B.Zeng67二、漏電抗三、同步電抗：xs稱為隱極同步電機的同步電抗，它是對稱穩態運行時表征電樞反應和電樞漏磁這兩個效應的一個綜合參數。不計飽和時，xs是一個常值。注意：電樞反應磁勢 與轉子同步，故

19、對轉子無影響，但轉子構成 的路徑，故對 的大小有重要作用10/2006 C.B.Zeng68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合產生的電樞總磁場在電樞每相繞組中感應電勢10/2006 C.B.Zeng6916-7 凸極同步電機的電樞反應磁通、直軸同步電抗及交軸同步電抗凸極同步機的氣隙不均勻在極面下的磁導大，兩極之間的磁導小。同一電樞磁勢波作用在氣隙不同處，會遇到不同的磁阻，產生不同的磁密。F=，B=S隱極機: 氣隙均勻，m 為常數10/2006 C.B.Zeng70 凸極電機氣隙不均勻， 處于不同位置，產生的氣隙磁場Ba不同，處于d，q軸上時，分別產生出如圖所示的磁勢：10/2006 C.B.Zeng71凸極同步電機電樞反磁通及所經磁路及磁導直軸電樞磁導交