第六章同步电机的稳态分析

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1、第六章同步电机的稳态分析同步电机亦是一种常用的交流电机。与感应电机相比较，同步电机的特点是转子的转速〃与电网频率f之间具有固定不变的关系，即刃=ns=60//p(单位为转/分)，转速色称为同步转速。若电网的频率不变，则同步电机的转速恒为常值与负载的大小无关。从原理上看，同步电机即可用作为发电机，亦可用作为电动机或补偿机。现代发电站中的交流发电机几乎全部都是同步发电机。在工矿企业和电力系统中，同步电动机和补偿机用的也不少。本章先简要地介绍同步电机的结构，然后说明空载和负载时同步发电机内的电磁过程，并导出其基本方程。再进一步讨论同步发电机的运行特性、并联运行及同步电动机和同步

2、补偿机，最后分析同步发电机的不对称运行和特种同步电动机。6.1同步电机的基本结构和运行状态先说明同步电机的基本结构和运行状态，并简要介绍同步电机的励磁方式和额定值。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。前者的电枢装设在转子上，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。对于高压、大容量的同步电机，长期的制造和运行经验表明，采用旋转磁极式结构比较合理。由于历次部分的容量和电压常较电枢小的多，把电枢装设在定子上，主磁极装设在转子上，电刷和集电环的负载就大为减轻。工作条件得以改善。所以目前旋转磁极式结构已成为中、大型同

3、步电机的基本结构形式。在旋转磁极式电机中，按照转子主级的形状，同步电机又可分为隐极式和凸极式两种基本型式。如图6・1所示。隐极式转子做成圆柱形，气隙均匀；凸极式转子有明显的凸出的磁极，气隙不均匀。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)，由于转子的圆周速度较低、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。旋转磁极式同步电机的基本类型阻极戌b)凸扱式大型同步发电机通常用汽轮机或水轮机作为原动机来拖动，前者称为汽轮发电机,

4、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，少数二极的高速同步电动机亦有做成隐极式的。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二极的，同步转速为3000或3()()()r/min(对于60Hz的电机)。这是因为提高转速可以提高汽轮机的运行效率，减小机组的尺寸、降低机组的造价。由于转速高，所以汽轮发电机的直径较小，长度较长。现代汽轮发电机的转子本体长度与直径之比/2/Z)

5、2=2-6,容量越大，此比值亦越大。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、定子绕组、机座、端盖等部件组成。定子铁心一般用厚0.5mm的DR360硅钢片叠成，每叠厚度为3〜6cm,叠与叠之间留有0.8-lcm的通风槽。整个铁心用非磁性压板压紧，固定在定子机座上。从机械应力和发热这两方面来看，汽轮发电机中最吃紧的部件是转子。大容量汽轮发电机的转子周速可达170〜180m/s。由于周速高，转子的某些部件将受到极大的机械应力。因此，现代汽轮发电机的转子一般都用整块的具有良好导磁性的高强度合金钢锻成。沿转子表面约2/3部分铳有轴向凹

6、槽，励磁绕组就分布、嵌放在这些槽里。不开槽的部份组成一个“大齿”，大齿的中心线即为转子主磁极的中心线。嵌线部分和大齿构成了发电机的主磁极（图6-la）o为把励磁绕组可靠地固定在转子上，转子槽锲采用非磁性的金属槽锲，端部套上用高强度非磁性钢锻成的护环。图6・3表示一台嵌完线的汽轮发电机的转子。图6・3汽轮发电机的转子由于汽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、冷却系统对汽轮发电机特别重要。通常，汽轮发电机的冷却系统比较复杂凸极同步电机：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

7、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。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、铁心和定子绕组等部件组成；转子则由主磁极、磁#厄、励磁绕组、集电环和转轴等部件组成。图6-4<示一台已经装配好的凸极同步电动机的转子。大型水轮发电机通常都是立式结构。与隐极式电机相比较，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。在低速水轮发电机中，定子铁心的外径和长度之比Q/Z可达5〜7或更大。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