同步电机的基本结构和运行状态

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1、6.1同步电机的基本结构和运行状态一、同步电机的基本结构按照结构型式，同步电机可以分为旋转电枢式和旋转磁极式两类。旋转电枢式——电枢装设在转子上，主磁极装设在定子上。这种结构在小容量同步电机中得到一定的应用。旋转磁极式——主磁极装设在转子上，电枢装设在定子上。对于高压、大容量的同步电机，通常采用旋转磁极式结构。由于励磁部分的容量和电压常较电枢小得多，电刷和集电环的负载就大为减轻，工作条件得以改善。目前，旋转磁极式结构已成为中、大型同步电机的基本结构型式。在旋转磁极式电机中，按照主极的形状，又可分成隐极式和凸极式，如图6-l所示

2、。隐极式——转于做成圆柱形，气隙为均匀；凸极式——转子有明显的凸出的磁极，气隙为不均匀。对于高速的同步电机(3000r／min)．从转子机械强度和妥善地固定励磁绕组考虑，采用励磁绕组分布于转子表面槽内的隐极式结构较为可靠．对于低速电机(1000r／min及以下)，转子的离心力较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构较为合理。大型同步发电机通常采用汽柁机或水轮机作为原动机来拖动，前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。由于汽轮机是一种高速原动机，所以汽轮发电机一般采用隐极式结构。水轮机则是一种低速原动机，所以水轮发电机

3、一般都是凸极式结构。同步电动机、由内燃机拖动的同步发电机以及同步补偿机．大多做成凸极式，少数两极的高速同步电动机亦有做成隐极式的。l隐极同步电机以汽轮发电机为例来说明隐极同步电机的结构。现代的汽轮发电机一般都是两极的，同步转速为3000r／min(对50Hz的电机)。由于转速高，所以汽轮发电机的直径较小，长度较长．汽轮发电机均为卧式结构，图6—2表示一台汽轮发电机的外形图。汽轮发电机的定子由定子铁心、定于绕组、机座、端盖等部件组成。定子铁心一般用厚o．5mm的DR360硅钢片叠成，每叠厚度为3—6cm，叠与叠之间留有宽0.8～

4、lcm的通风槽。整个铁心用非磁性压板压紧．固定在机座上。图6—3汽轮发电机的转子图6—2汽轮发电机的外形图大容量汽轮发电机的转子周速可达170—180m/s。由于周速高，转子受到极大的机械应力，因此转子一般都用整块具有良好导磁性的高强度合金钢锻成．沿转子表面约2／3部分铣有轴向凹槽，励磁绕组就嵌放在这些槽里；不开槽的部分组成一个“大齿”，嵌线部分和大齿一起构成了主磁极(图6-la)。为把励磁绕组可靠地固定在转子上，转子槽楔采用非磁性的金属槽楔，端部套上用高强度非磁性钢段成的护环。图6-3表示一台嵌完线的汽轮发电机的转子。由于汽

5、轮发电机的机身比较细长，转子和电机中部的通风比较困难．所以良好的通风、冷却系统城对汽轮发电机非常重要。l凸极同步电机凸极同步电机通常分为卧式(横式)和立式两种结构。绝大部分同步电动机、同步补偿机和用内燃机或冲击式水轮机拖动的同步发电机都采用卧式结构。低速、大容量的水轮发电机和大型水泵电动机则采用立式结构。图6—4凸极同步电动机的转子卧式同步电机的定子结构与感应电机基本相同，定子亦由机座、铁心和定子绕组δδδδ等部件组成；转子则由主磁极、磁轭、励磁绕组、集电环和转轴等部件组成。图6—4表示一台已经装配好的凸极同步电动机的转子。大

6、型水轮发电机通常都是立式结构。由于它的转速低、极数多，要求转动惯量大。故其特点是直径大、长度短。在立式水轮发电机中，整个机组转动部分的重量以及作用在水轮机转子上的水推力均由推力轴承支撑，并通过机架传递到地基上，如图6—5所示。图6—6表示一台大型水轮发电机的分瓣定子。除励磁绕组外，同步电机的转子上还常装有阻尼绕组。阻尼绕组与笼型感应电机转子的笼形绕组结构相似，它由插入主极极靴槽中的铜条和两端的端环焊成一个闭合绕组。在同步发电机中，阻尼绕组起抑制转子转速振荡的作用；在同步电动机和补偿图6—6大型水轮发电机的分瓣定子图6—5立式水

7、轮发电机示意图机中，主要作为起动绕组用。二、同步电机的运行状态当同步电机的定子(电枢)绕组中通过对称的三相电流时．定子将产生一个以同步转速推移的旋转磁场。稳态情况下，转子转速亦是同步转速，于是定子旋转磁场恒与直流励磁的转子主极磁场保持相对静止，它们之间相互作用并产生电磁转矩．进行能量转换。同步电机有三种运行状态：发电机、电动机和补偿机。发电机把机械能转换为电能，电动机把电能转换为机械能，补偿机中没有有功功率的转换，专门发出或吸收无功功率、调节电网的功率因数。分析表明，同步电机运行于哪一种状态．主要取决于定子合成磁场与转子主磁场

8、之间的夹角δ，δ称为功率角。若转子主磁场超前于定子合成磁场，δ>0，此时转于上将受到一个与其旋转方向相反的制动性质的电磁转矩，如图6—7a所示。为使转子能以同步转速持续旋转．转子必须从原动机输入驱动转矩。此时转子输入机械功率，定子绕组向电网或负载输出电功率，电机作发电机运行。