同步电机的基本理论与运行特性

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1、第12章同步电机的基本理论与运行特性回顾同步电机的原理转子绕组通以直流电流形成分布磁场，匝链定子上的各相绕组。定子上嵌放有对称三相绕组a-x、b-y、c-z设磁场在气隙中按正弦分布设转子以恒定速度旋转定子绕组中所匝链的磁通按正弦规律变化，其感应电势按正弦规律变化。由于各相匝数相等，从而各相电势的大小相等，由于各相绕组空间分布彼此相距120°，从而三相电势时间相位差120°——满足了三相电势对称要求。原动机拖动，则为同步发电机当对称的三相电流流过对称的三相绕组时，合成磁势为一旋转磁势定子绕组磁势产生的气隙圆形旋转磁场与转子励磁产生的磁场有相同的极对数，磁极相互吸引，驱动转子旋转——同步

2、电动机一、同步电机的结构同步电机的型式与构造基本构造型式汽轮机水轮机基本构造型式组成：固定的定子和可旋转的转子分：磁极旋转式和电枢旋转式。磁极旋转式——以电枢为定子，磁极为转子。使磁极旋转，激磁电流通过集电环送入激磁绕组。旋转电枢式应用于小容量同步电机磁极旋转式同步电机定子、转子、气隙定子——定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组转子——转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转

3、子磁场)。气隙——气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。发电机原理示意主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。感应电势频率：感应

4、电势的频率决定于同步电机的转速n和极对数p，即交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。同步转速同步转速从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz，故有：发电机的转速必须为某些固定值——同步转速。例如2极电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转速为1500r/min，依次类推。只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行。电动机原理将同步电机定子—绕组接至三相交流电源，频率为f的三相交流电流将在电机气隙中产生转速

5、为同步转速n1的旋转磁场。在一定条件下旋转磁场将吸住转子磁极一起旋转，它们有相同的转速和转向——无相对运动转子转速为同步转速n＝60f／p同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。同步补偿机运行电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。过激时，有超前的无功功率，如电容器凸极式转子凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈当励磁线圈中通过直流励磁电流后，每个磁极就出现一定的极性，相邻磁极交替为N极和S

6、极对水轮发电机来说，由于水轮机的转速较低，要发出工频电能，发电机的极数就比较多，做成凸极式结构工艺上较为简单。中小型同步电机多半也做成凸极式。隐极式转子隐极式转子上没有凸出的磁极沿着转子本体圆周表面上，开有许多槽，这些槽中嵌放着励磁绕组。在转子表面约1/3部分没有开槽，构成大齿，是磁极的中心区。励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也会出现N极和S极。在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可达170米/秒。为了减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨大离心力，大型汽轮发电机都做成细长的隐极式圆柱体转子。汽轮发电机以汽轮机或燃气轮机为原动机。汽轮机的运行性能在高速时较为经济，应

7、有尽可能高的转速。火电站中汽轮发电机一般为两极隐极式。原子能电站的大型汽轮发电机一般采用4极隐极式。定子——与异步电机相同，定子铁心由0.35mm或0.5mm或其它厚度的电工钢片叠成。定子外径较小时，采用圆形冲片，当定子外径大于1m时，采用扇形冲片。转子——隐极式转子，其外形常做成一个细长的圆柱体为了减少高速旋转引起的离心力。转子铁心表面圆周上铣有许多槽，励磁绕组嵌放在这些槽内。励磁绕组为同心式绕组，以铜线绕制，并用不导磁的槽楔将绕组紧固在槽内。转轴——经