同步电机

1、细心整理第八章 同步电机8.1 同步电机原理和构造 1同步发电机原理简述 1构造模型：同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大局部组成。最常用的转场式同步电机的定子铁心的内圆匀整分布着定子槽，槽内嵌放着按必需规律排列的三相对称沟通绕组。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。转子铁心上装有制成必需形态的成对磁极，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、转子磁场。除了转场式同步电机外，还有转枢式同步发电机，其磁极安装于定子上，而沟通绕组分布于转子外表的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。图8-1-1给出了典型的转场式同步发电机的构造模型。图中用AX、BY，CZ 共3个在空间错开120电角度分布的线圈代表三相对称沟通绕组。2工作原理图8-1-1 同步电机构造模型同步电机电枢绕组是三相对称沟通绕组，当原动拖动转子旋转时，通入三相对称电流后，会产生高速旋转磁场，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，会在其中感应出大小和方向按周期性变更的交变电势，每

2、相感应电势的有效值为， E04.44fNfkw 8-1-1式中 f电源频率；f每极平均磁通； N绕组总导体数；kw绕组系数；E0是由励磁绕组产生的磁通f在电枢绕组中感应而得，称为励磁电势也称主电势、空载电势、转子电势。由于三相电枢绕组在空间分布的对称性，确定了三相绕组中的感应电势将在的时间上呈现出对称性，即在时间相位上相互错开1/3周期。通过绕组的出线端将三相感应电势引出后可以作为沟通电源。可见，同步发电机可以将原动机供应应转子的旋转机械能转化为三相对称的交变电能。感应电势的频率确定于同步电机的转速n和极对数p，即供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的沟通电网的频率应当是一个不变的值，这就要求发电机的频率应当和电网的频率一样。我国电网的频率为f=50Hz。 2同步电机的额定值和型号 1额定值：额定容量SN(VA,kVA,MVA)或额定功率PN(W,kW,MW)：指电机输出功率的保证值。发电机通过额定容量值可以确定电枢电流，通过额定功率可以确定配套原动机的容量。电动机的额定容量一般用kW表示，补偿机那么用kWAR表示。额定电压UN(V,kV)：指额定运行时定子输出端的线电压。 额定电流

3、IN(A)：指额定运行时定子输出端的线电流。 额定功率因数 ：额定运行时电机的功率因数。 额定频率fN(Hz)：额定运行时电机电枢输出端电能的频率，我国标准工业频率规定为50Hz。额定转速nN(r/min)：额定运行时电机的转速，即同步转速。除上述额定值外，同步电机铭牌上还常列出一些其它的运行数据，例如额定负载时的温升N，励磁容量PfN和励磁电压UfN等。2国产同步电机型号： 我国生产的汽轮发电机有QFQ，QFN，QFS等系列，前两个字母表示汽轮发电机；第三个字母表示冷却方式；Q表示氢外冷，N表示氢内冷，S表示双水内冷。我国生产的大型水轮发电机为TS系列，T表示同步，S表示水轮。举例来说：QFS3002表示容量为300MW双水内冷2极汽轮发电机。TSS1264/48表赤双水内冷水轮发电机，定子外径为1264cm，铁心长为160cm，极数为48。此外同步电动机系列有TD，TDL等，TD表示同步电动机，后面的字母指出其主要用途。如TDG表示高速同步电动机；TDL表示立式同步电动机。同步补偿机为TT系列。8.2 同步发电机励磁方式简介 1直流励磁机励磁 直流励磁机通常及同步发电机同轴，接受并

4、励或者他励接法。接受他励接法时，励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供应。如图8-2-1所示。 图8-2-1 直流励磁机励磁系统2静止整流器励磁同一轴上有3台沟通发电机，即主发电机、沟通主励磁机和沟通副励磁机。副励磁机的励磁电流起先时由外部直流电源供应，待电压建立起来再转为自励有时接受永磁发电机。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流后供应主励磁机，而主励磁机的沟通输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供应主发电机的励磁绕组。见图8-2-2图8-2-2静止整流器励磁系统3旋转整流器励磁静止整流器的直流输出必需经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大容量的同步发电机，其励磁电流到达数千安培，使得集电环紧要过热。因此，在大容量的同步发电机中，常接受不须要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统，如图8-2-3所示。主励磁机是旋转电枢式三一样步发电机，旋转电枢的沟通电流经及主轴一起旋转的硅整器整流后，干脆送到主发电机的转子励绕组。沟通主励磁机的励磁电流由同轴的沟通副励磁机静止的晶闸管整流器整流后供应。由于这种励磁系统取消了集电环和电环和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。图8

5、-2-3 旋转整流器励磁系统8.3 同步电机电枢反响的概念 1负载后的磁势分析空载时，同步电机中只有一个以同步转速旋转的励磁磁势Ff，它在电枢绕组中感应出三相对称沟通电势，其每相有效值为E0，称为励磁电势。电枢绕组每相端电压UE0。当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组和负载一起构成闭合通路，通路中流过的是三相对称的沟通电流 。我们知道，当三相对称电流流过三相对称绕组时，将会形成一个以同步速度旋转的旋转磁势。由此可见，负载以后同步电机内部将会产生又一个旋转磁势Fa电枢旋转磁势。因此，同步发电机接上三相对称负载以后，电机中除了随轴同转的转子磁势Ff称为机械旋转磁势外，又多了一个电枢旋转磁势Fa称为电气旋转磁势。如图8-3-1所示，不难证明这两个旋转磁势的转速均为同步速，而且转向一样，二者在空间处于相对静止状态，可以用矢量加法将其合成为一个合成磁势F。气隙磁场B可以看成是由合成磁势F在电机的气隙中建立起来的磁场。B也是以同步转速旋转的旋转磁场。可见同步发电机负载以后，电机内部的磁势和磁场将发生显著变更，这一变更主要由电枢磁势的出现所致。2电枢反响图8-3-1 负载后电机中的旋转磁势电枢磁势

6、的存在，将使气隙磁场的大小和位置发生变更，我们把这一现象称为电枢反响。电枢反响会对电机性能产生重大影响。电枢反响的状况确定于空间相量Fa和Ff之间的夹角，从下面的分析可知，这一夹角又和时间相量之间的相位差相关连。称为内功率因数角，其大小由负载的性质确定。可见的大小即负载的性质确定了Fa和Ff之间的夹角，也即确定了电枢反响的状况。为了分析便利，将转子磁极的轴线定义为直轴，并用d表示；将及直轴正交的方向定义为交轴，并用q表示。以下从同步发电机的时空相量图入手对各种状况下的电枢反响进展分析。1同步发电机的时空相量图 如图8-3-2所示的瞬间，A相绕组中感应电势到达最大值，此时假如，即A相电流亦到达最大值。由异步电机介绍可知，电枢磁势三相合成磁势Fa的轴线将和A相线圈的轴线重合。一般状况下，时间相量滞后或超前于时间相量 电角度时，Fa空间相量的轴线位置也滞后或超前于A相绕组的轴线电角度。即在时间上的相位差等于Fa的轴线和A相绕组轴线的空间角度差。以上结论虽然是在一个特别的瞬间磁极轴线和A相绕组轴线重合时得出的，由于Fa和Ff同速同步旋转，故在负载必需的状况下，Fa和Ff的空间相位差等于90电角

7、度。图8-3-2 同步发电机时空相量图为了分析便利，人们常将时间相量 和空间相量Ff，Fa，F画在一起构成所谓的时空相量图见图8-3-2。在时空相量图中 处于磁极轴线方向，即d方向重合， 滞后电角度处于相邻一对磁极的中性线位置，即q方向， 和 之间的相位差 由负载性质确定，Fa和 重合。利用时空相量图图8-3-3，可以便利地分析不同负载状况时同步发电机电枢反响的状况。2 和 同相位或者反相位时的电枢反响此时，或者180，Fa及Ff之间的夹角为90或者270，如图8-3-3(a)所示，即二者正交，转子磁势作用在直轴上，而电枢磁势作用在交轴上，电枢反响的结果使得合成磁势的轴线位置产生必需的偏移，幅值发生必需的变更。这种作用在交轴上的电枢反响称为交轴电枢反响，简称交磁作用。图8-3-3 用时空相量图分析同步发电机的电枢反响(a)=0；(b) =90;(c) 090；(d)-900 3滞后于 90 时的电枢反响此时=90，Fa及Ff之间的夹角为180,如图8-3-3(b)所示，即二者反相，转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相反，电枢反响为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小，这一电枢反响称为直

8、轴去磁电枢反响。4超前于 90时的电枢反响此时=90，Fa及Ff之间的夹角为0，即二者同相，转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向一样，电枢反响为纯增磁作用，合成磁势的幅值加大，这一电枢反响称为直轴增磁电枢反响。5一般状况下的电枢反响8-3-28-3-1一般状况下为随意角度时，参看图8-3-3(c)和(d)，可将 分解为直轴重量 和交轴重量 产生直轴电枢磁势Fad，Fad及Ff同相或反相，起增磁或者去磁作用； 产生交轴电枢磁势Faq，Faq及Ff正交，起交磁作用。依据正交分解原理有：84 电枢反响电抗和同步电抗 当三相对称的电枢电流流过电枢绕组时，将产生旋转的电枢磁势Fa，Fa将在电机内部产生跨过气隙的电枢反响磁通和不通气隙的漏磁通将在分别在电枢各相绕组中感应出电枢反响电势和漏磁电势的大小成正比不计饱和，比例常数称为电枢反响电抗Xa，考虑到相位关系后，每相电枢反响电势为： (8-4-1) 电枢反响电抗Xa的大小和电枢反响磁通所经过磁路的磁阻成反比，所经过的磁路及电枢磁势Fa轴线的位置有关。对于凸极电机而言，当Fa和Ff重合时，即Fa和磁极的轴线重合时，经过直轴气隙和铁心而闭合这条磁路称为交轴磁路，如图8-4-1(a)所示。此时由于直轴磁路中的气隙较短，磁阻较小，所以电枢反响电抗就较大。当Fa和Ff正交时，即Fa和磁极的轴线垂直时， 经过交轴气隙和铁心而闭合这条磁路称为直轴磁路，如图8-4-1(b)所示。此时由于交轴磁路中的气隙较长，磁阻较大，所以电枢反响电抗就较小。一般状况下，Fa和Ff之间的夹角由负载的性质确定，为 的流通路径介于直轴磁路和交轴磁路之间，电枢反响电抗的大小也就介于最大和最小之间。8-4-1 凸极电机中枢磁通的流通路径(a)直轴磁路； (b)交轴磁路由于Fa和Ff之间的夹角受制于内功率因数角即负载的性质，不同负载时，Fa和Ff之间的夹角不同，对应的Xa也就不同，这给分析问题带来了诸多不便。为了解决这一问题，人们接受了正交分解法和叠加原理，将Fa看成是其直轴重量Fad和交轴重量Faq的叠加，并认为Fad单独激励直轴电枢反响磁通，其流通路径为直轴磁路，对应有一个固定的直轴电枢反响电抗Xad，并在电枢每组绕组中产生直轴电枢反响电势单独激励交轴电枢反响磁通，其流通路径为交轴磁路，对应有一个固定的交轴电枢反响电抗Xaq，

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