《電機技術應用》課件 4.1.1 同步電機的原理和分類

同步電機原理和分類同步電機

什么是同步電機

與異步電機一樣，同步電機也是一種常用的交流旋轉(zhuǎn)電機。同步的含義是：穩(wěn)態(tài)運行時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，與負載大小無關，轉(zhuǎn)速n與電網(wǎng)頻率f之間的關系為：n=60f/p。同步電機主要用作發(fā)電機，現(xiàn)代水電站、熱電廠和核電站的交流發(fā)電機組幾乎全部都是同步發(fā)電機。三種應用同步發(fā)電機：把機械能轉(zhuǎn)化為電能，向電網(wǎng)發(fā)出交流電，是同步電機最主要的運行方式，比如汽輪發(fā)電機和水輪發(fā)電機；同步電動機：把電能轉(zhuǎn)化為機械能；同步調(diào)相機：實際上是一臺接在電網(wǎng)上空載的同步電動機，用于改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。認識同步電機火電廠的生產(chǎn)現(xiàn)場汽輪機同步發(fā)電機勵磁機認識同步電機大亞灣核電站發(fā)電機組認識同步電機嶺澳一期核電站發(fā)電機組認識同步電機國產(chǎn)300MW汽輪發(fā)電機國產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機定子認識同步電機現(xiàn)場運行的水輪發(fā)電機同步電機原理

同步電機與異步電機的根本區(qū)別是旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子通入直流電流勵磁。勵磁繞組通入直流電流后建立恒定磁場，原動機拖動轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時，其磁場切割定子繞組而感應三相交流電動勢E0。如果帶三相對稱負載運行時，則在定子三相繞組中產(chǎn)生三相對稱電樞電流ia、ib、ic。三相對稱電流的頻率為：U2U1W2V1W1V2發(fā)電機的物理過程物理過程電動機的物理過程U2U1W2V1W1V2按運行方式

旋轉(zhuǎn)磁極式

水輪發(fā)電機、同步電動機、柴油發(fā)電機和調(diào)相機一般作成凸極式，極數(shù)多，轉(zhuǎn)速低。汽輪發(fā)電機一般作成隱極式，現(xiàn)代汽輪發(fā)電機均為2極，轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分鐘。電動機調(diào)相機發(fā)電機按結構型式旋轉(zhuǎn)電樞式隱極式凸極式按原動機類別汽輪發(fā)電機水輪發(fā)電機柴油發(fā)電機同步電機分類隱極和凸極兩種型式凸極同步電機有明顯的凸出的磁極，氣隙不均勻，制作簡單，適合于低速發(fā)電機。

同步電機分類

隱極同步電機轉(zhuǎn)子圓柱形，在不考慮齒槽效應時，氣隙均勻，轉(zhuǎn)子機械強度高，勵磁繞組固定容易，適合于高速發(fā)電機。同步電機運行狀態(tài)

同步電機運行于哪種狀態(tài)，取決于轉(zhuǎn)子磁場軸線領先合成磁場軸線的夾角δ（功率角）。δ>0，發(fā)電機狀態(tài)；δ<0，電動機狀態(tài)；δ=0，補償機狀態(tài)。轉(zhuǎn)子磁場：轉(zhuǎn)子通入直流勵磁電流產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。定子磁場：定子三相對稱繞組流過三相對稱電流產(chǎn)生，以同步速旋轉(zhuǎn)（等于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速）。合成磁場：定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場的合成，以同步速旋轉(zhuǎn)。1、發(fā)電機狀態(tài)：δ>0δ>0時，Te為制動轉(zhuǎn)矩，原動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩Te平衡。轉(zhuǎn)子吸收機械功率，定子發(fā)出電功率。2、補償機狀態(tài)：δ=0δ=0時，不進行能量轉(zhuǎn)換，僅發(fā)出或吸收無功功率，作為補償機運行。同步電機運行狀態(tài)

3、電動機狀態(tài)：δ<0δ<0時，Te為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，帶動負載運行。轉(zhuǎn)子輸出機械功率，定子吸收電功率。同步電機運行狀態(tài)

同步電機勵磁系統(tǒng)1、直流勵磁機勵磁以直流發(fā)電機作為勵磁電源，在同步發(fā)電機發(fā)展的早期歷史，首先獲得應用。目前中、小型發(fā)電機還有一部分采用這種勵磁方式。直流勵磁機與同步發(fā)電機同軸，采用并勵或他勵，或負載電流反饋的復式勵磁。

他勵接法時，勵磁機的勵磁電流由另一臺被稱為副勵磁機的同軸的直流發(fā)電機供給。

同步電機勵磁系統(tǒng)（2）靜止整流器勵磁整流器勵磁又分為靜止式和旋轉(zhuǎn)式兩種。靜止整流器勵磁主發(fā)電機、交流主勵磁機和交流副勵磁機同軸，副勵磁機勵磁電流開始由外部直流電源提供，待電壓建立起來后轉(zhuǎn)為自勵(有時采用永磁發(fā)電機)。副勵磁機輸出電流經(jīng)靜止晶閘管整流器整流后供給主勵磁機。

主勵磁機輸出的交流電流經(jīng)靜止三相橋式硅整流器整流后供給主發(fā)電機的勵磁繞組。

靜止硅整流器

同步電機勵磁系統(tǒng)（3）旋轉(zhuǎn)整流器勵磁

靜止整流器直流須經(jīng)電刷和集電環(huán)才能輸送到旋轉(zhuǎn)的勵磁繞組，對于大容量同步發(fā)電機，勵磁電流達到數(shù)千安培，使集電環(huán)嚴重過熱。大容量同步發(fā)電機一般采用旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)。主勵磁機是旋轉(zhuǎn)電樞式三相同步發(fā)電機，旋轉(zhuǎn)電樞的交流電流經(jīng)與主軸一起旋轉(zhuǎn)的硅整流器整流后，直接送主發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組。交流主勵磁機的勵磁電流由同軸的交流副勵磁機經(jīng)靜止的晶閘管整流器整流后供給。這種勵磁系統(tǒng)取消了集電環(huán)和電刷，又稱為無刷勵磁系統(tǒng)。

同步電機勵磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)硅整流器同步電機的型號汽輪發(fā)電機有QFQ、QFN、QFS等系列。QF表示汽輪發(fā)電機；第三個字母表示冷卻方式，Q——氫外冷，N——氫內(nèi)冷，S——雙水內(nèi)冷。如：QFS-300-2表示容量為300MW雙水內(nèi)冷2極汽輪發(fā)電機。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。水輪發(fā)電機系列有TS系列。T表示同步，S表示水輪。如：TSS1264/160-48表示雙水內(nèi)冷水輪發(fā)電機，定子外徑為1264厘米，鐵心長為160厘米，極數(shù)為48。額定容量SN（kVA）或額定功率PN（kW）：指電機額定運行時，輸出功率的保證值。同步發(fā)電機是指輸出的額定視在功率或有功功率，單位是kVA或kW。同步電動機是指額定條件下轉(zhuǎn)軸上輸出的機械功率，單位是kW。同步調(diào)相機用kVA或kvar表示。額定電壓UN（kV）：額定運行時加在三相定子繞組上的線電壓。額定電流IN（A）：在額定運行狀態(tài)下三相定子繞組的線電流。額定功率因數(shù)cos

N：額定運行時電機的功率因數(shù)。額定頻率fN：額定運行時電機電樞輸出端電能的頻率，我國標準工業(yè)頻率規(guī)定為50Hz。額定轉(zhuǎn)速nN

：額定運行時電機的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速。同步電機額定值2、為什么同步電機的氣隙要比容量相同的感應電機的大？答感應電機的勵磁電流由電源供給，需要從電網(wǎng)吸取感性無功功率，如果氣隙大，則勵磁電流大，電機的功率因數(shù)低，因此在機械允許的條件下，氣隙要盡量小一些。同步電機的氣隙磁場由轉(zhuǎn)子電流和定子電流共同激勵，從同步電機運行穩(wěn)定性考慮，氣隙大，同步電抗小，短路比大，運行穩(wěn)定性高。但氣隙大，轉(zhuǎn)子用銅量增大，制造成本增加。氣隙大小的選擇要綜合考慮運行性能和制造成本這兩方面的要求。1、為什么大容量同步電機采用磁極旋轉(zhuǎn)式而不用電樞旋轉(zhuǎn)式？答由于勵磁繞組電流相對較小，電壓低，放在轉(zhuǎn)子上引出較方便。電樞繞組電壓高、容量大，放在轉(zhuǎn)子上使結構復雜、引出不方便。故大容量電機將電樞繞組作為定子，磁極作為轉(zhuǎn)子，為旋轉(zhuǎn)磁極式。鞏固與提高3、同步電機轉(zhuǎn)子表面氣隙磁通密度分布的波形是怎樣的?轉(zhuǎn)子表面某一點的氣隙磁通密度大小隨時間變化嗎?定子表面某一點的氣隙磁通密度隨時間變化嗎?答：凸極同步電機轉(zhuǎn)子表面氣隙磁通密度分布的波形接近于正弦波，其中含有一系列奇數(shù)次諧波；隱極同步電機轉(zhuǎn)子表面氣隙磁通密度分布的波形是接近正弦的階梯狀波，其中也含有一系列奇數(shù)次諧波。轉(zhuǎn)子表面某一點的氣隙磁通密度大小不隨時間變化（電樞電流為零時），但由于轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)的，因此定子表面某一點的氣隙磁通密度是隨時間變化的。4、請說明QFS-300-2為什么類型的同步電機答：QFS-300-2表示容量為300MW雙水內(nèi)冷2極汽輪發(fā)電機。鞏固與提高5、在直流電機中，E>U還是E<U是判斷電機作為發(fā)電機運行還是電動機運行的依據(jù)之一，在同步電機中，這個結論還正確嗎？答在同步電機中，勵磁電動勢和電機端電壓都是電壓相量，不能根據(jù)它們的大小來判斷電機的運行狀態(tài)，而應該根據(jù)氣隙合成磁場軸線與主磁極軸線的相對位置來決定。當主磁極場軸線超前合成磁場軸線時，為發(fā)電機狀態(tài)；重合時為調(diào)相機狀態(tài)；滯后時為電動機狀態(tài)。6、什么是同步調(diào)相機？答：實際上是空載運行的同步電動機，通過調(diào)節(jié)勵磁電流改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，用于向電網(wǎng)發(fā)出感性或容性無功功率。鞏固與提高7、某工廠變壓器的容量為2000kV·A，該廠電力設備的平均負載為1200kW，