第六章同步电机的稳态分析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一一电枢装设在转子上，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。旋转磁极式一一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6-1所示。隐极式一—转于做成圆柱形，气隙为均匀；凸极式一一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，故采用制造简门N#N5E单、励磁绕组集中安放的凸极式-8-OSO结构较为合理。大型同步发电机风通常采用汽轮机或水轮机作为原动机来拖动，前者称为汽轮发b)a)电机，后者称为水轮发电机。由图6-1、旋转磁极式同步电机的类型a）隐极式b）凸极式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，少数两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6一2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，叠与叠之间留有宽0.8～lcm的通风槽。整个铁心用非磁性压板压紧．固定在机座上
第六章 同步电机的稳态分析 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。 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 通常采用汽轮机或水轮机作为 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。 ⚫ 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，叠与叠之间留有宽 0.8～lcm 的通风槽。整个铁心用非磁性 压板压紧．固定在机座上
大容量汽轮发电机的转子周速可达170一180m/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)。为图6—2汽轮发电机的外形图把励磁绕组可靠地固定在转子上，转子槽楔T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。·凸极同步电机图6一3汽轮发电机的转子占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。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、磁轭、励磁阻尼绕组主磁极绕组、集电环和转轴等部件组成。图6一4表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。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、长图6一4凸极同步电动机的转子度短。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6一5所示。图6一6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机中，主要作为起动绕组用
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。 ⚫ 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。 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机中，主要作为起 动绕组用。 图 6—2 汽轮发电机的外形图 图 6—3 汽轮发电机的转子 图 6—4 凸极同步电动机的转子
推力轴承上机架专子图6—5立式水轮发电机示意图图6一6大型水轮发电机的分瓣定子三、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。同表征定子合成磁场的等效磁极Ns步电机有三种运行状态：发电机、电动机AE和补偿机。发电机把机械能转换为电能，SoNo电动机把电能转换为机械能，补偿机中没主极主极a)有有功功率的转换，专门发出或吸收无功NS功率、调节电网的功率因数。TE分析表明，同步电机运行于哪一种状T.=0-SoNob)态，主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角8，8称为功率角。N若转子主磁场超前于定子合成磁场，SSoNoT.8>0，此时转于上将受到一个与其旋转方c)向相反的制动性质的电磁转矩，如图6一7a图6-8同步电机的三种运行状态所示。为使转子能以同步转速持续旋转.转a）发电机b）补偿机c）电动机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。若转子主磁场与定子合成磁场的轴线重合，8=0，则电磁转矩为零，如图6一7b所示。此时电机内没有有功功率的转换，电机处于补偿机状态或空载状态。若转子主磁场滞后于定子合成磁场，8<0，则转子上将受到一个与其转向相同的驱动性质的电磁转矩，如图6一7c所示。此时定子从电网吸收电功率，转子可拖动负载而输出机械功率，电机作为电动机运行。三、同步电机的励磁方式供给同步电机励磁的装置，称为励磁系统。下面对它作一简介
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。 若转子主磁场与定子合成磁场的轴线重合，δ＝0，则电磁转矩为零，如图 6—7b 所示。 此时电机内没有有功功率的转换，电机处于补偿机状态或空载状态。 若转子主磁场滞后于定子合成磁场，δ<0，则转子上将受到一个与其转向相同的驱动 性质的电磁转矩，如图 6—7c 所示。此时定子从电网吸收电功率，转子可拖动负载而输出机 械功率，电机作为电动机运行。 三、同步电机的励磁方式 供给同步电机励磁的装置，称为励磁系统。下面对它作一简介。 图 6—5 立式水轮发电机示意图 图 6—6 大型水轮发电机的分瓣定子
直流励磁机励磁直流励磁机通常与同步发电机同轴，并采用并励或他励接法。他励时，励磁机的励磁由另一台与主励磁机同轴主励磁机副励磁机同步发电机的副励磁机供给，如图6一8所示。为使同步发电机的输出电压保持恒定，常在励磁电路中加进一个反映负载大小的图6-8带副励磁机的励磁系统自动调节系统，使发电机的负载电流增加时，励磁电流相应地增大：这样的系统称为复式励磁系统。整流器励磁整流器励磁又分为静止式和旋转式两种。图6一9表示静止整流器励磁系统的原理图。其中主励磁机是一台与同步发电机同轴连接的三相100Hz发电机，其交流输出经静止三相桥式不可控整流器整流后，通过集电环接交流副励磁机交流主励磁机主发电机冠菜电流互感器e丰电互感器晶淘图6-9静止整流器励磁系统到主发电机的励磁绕组：供给其直流励磁：主励磁机的励磁由交流副励磁机发出的交流电经静止可控整流器整流后供给。副励磁机是一台中频三相同步发电机（有时采用永磁发电机）它也与主发电机同轴连接。副励磁机的励磁，开始时由外部直流电源供给，待电压建起后再转为自励。根据主发电机端电压的偏差和负载大小，通过电压调整器对主励磁机的励磁进行调节，即可实现对主发电机励磁的自动调节。由于取消了直流励磁机，这种励磁系统维护方便，励磁容量得以提高，因而在大容量汽轮发电机中获得广泛的应用。当励磁电流超过2000A时，为避免集电环的过热，可采用取消集电环的旋转整流器励磁系统。此系统的主励磁机是与主发电机同轴连接的旋转电枢式三相同步发电机，电枢的交流输出经与主轴一起旋转的不可控整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组，供给
直流励磁机励磁 直流励磁机通常与同步发电机同轴，并采用并励或他励接法。他励时，励磁机的励磁由 另一台与主励磁机同轴 的副励磁机供给，如图 6 —8 所示。为使同步发电 机的输出电 压保持恒 定，常在励磁电路中加 进一个反映负载大小的 自动调节系统，使发电 机的负载电流增加时，励磁电流相应地增大．这样的系统称为复式励磁系统。 整流器励磁 整流器励磁又分为静止式和旋转式两种。 图 6—9 表示静止整流器励磁系统的原理图。其中主励磁机是一台与同步发电机同轴连 接的三相 100Hz 发电机，其交流输出经静止三相桥式不可控整流器整流后，通过集电环接 到主发电机的励磁绕组，供给其直流励磁；主励磁机的励磁由交流副励磁机发出的交流电经 静止可控整流器整流后供给。副励磁机是一台中频三相同步发电机（有时采用永磁发电机）， 它也与主发电机同轴连接。副励磁机的励磁，开始时由外部直流电源供给，待电压建起后再 转为自励。根据主发电机端电压的偏差和负载大小，通过电压调整器对主励磁机的励磁进行 调节，即可实现对主发电机励磁的自动调节。 由于取消了直流励磁机，这种励磁系统维护方便，励磁容量得以提高，因而在大容量汽 轮发电机中获得广泛的应用。 当励磁电流超过 2000A 时，为避免集电环的过热，可采用取消集电环的旋转整流器励 磁系统。此系统的主励磁机是与主发电机同轴连接的旋转电枢式三相同步发电机，电枢的交 流输出经与主轴一起旋转的不可控整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组，供给
其励磁。因为主励磁机的电枢，整流装置与主发电机的励磁绕组三者为同轴旋转，不再需要集电环和电刷装置，所以这种系统又称为无刷励磁系统，无刷励磁系统运行比较可靠，这种系统大多用于大、中容量的汽轮发电机、补偿机以及在防燃、防爆等特殊环境中工作的同步电动机。在小型同步发电机中，还经常采用具有结构简单和具有自励恒压等特点的三次谐波励磁、电抗移相励磁等励磁方式。四、额定值同步电机的额定值有（1)额定容S（或额定功率PN）指额定运行时电机的输辅出功率。同步发电机的额定容量既可用视在功率表示，亦可用有功功率表示：同步电动机的额定功率是指轴上输出的机械功率：补偿机则用无功功率表示。(2）额定电压UN指额定运行时定子的线电压。(3)额定电流IN指额定运行时定子的线电流。(4)额定功率因数cos指额定运行时电机的功率因数。(5)额定频率fN指额定运行时电枢的频率。我国标准工频规定为50HZ。(6)额定转速nN指额定运行时电机的转速，对同步电机而言，即为同步转速。除上述额定值以外，铭牌上还常常列出一些其他的运行数据，例如额定负载时的温升ON，额定励磁电流和电压IN、UeN等。6.2空载和负载时同步发电机的磁场一、空载运行用原动机施动同步发电机到同步转速，励磁绕组通入直流励磁电流，电枢绕组开路（或电枢电流为零）的情况，称为同步发电机的空载运行。空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所建立的主极磁场。图6一10表示一台四极电机空载时的磁通示意图。从图可见，主极磁通分成主磁通o和漏磁通Φf两部分，前者通过气隙并与定子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁绕组相交链。主磁通所经过的主磁路包括空气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭等五部分。当转子以同步转速旋转时，主磁场将在气隙中形成一个旋转磁场，它“切割”对称的三相定子绕组后，就会在定子绕组内感应出一组频率为f的对称三相电动势，称为激磁电动势EoA=EZ0°,EoA=E.Z-120°,EoA=E.Z120°(61)
其励磁。因为主励磁机的电枢，整流装置与主发电机的励磁绕组三者为同轴旋转，不再需要 集电环和电刷装置，所以这种系统又称为无刷励磁系统． 无刷励磁系统运行比较可靠，这种系统大多用于大、中容量的汽轮发电机、补偿机以及 在防燃、防爆等特殊环境中工作的同步电动机。 在小型同步发电机中，还经常采用具有结构简单和具有自励恒压等特点的三次谐波励 磁、电抗移相励磁等励磁方式。 四、额定值 同步电机的额定值有 (1)额定容 SN（或额定功率 PN） 指额定运行时电机的输辅出功率。同步发电机的额定 容量既可用视在功率表示，亦可用有功功率表示；同步电动机的额定功率是指轴上输出的机 械功率；补偿机则用无功功率表示。 (2)额定电压 UN 指额定运行时定子的线电压。 (3)额定电流 IN 指额定运行时定子的线电流。 (4)额定功率因数 cosΦ 指额定运行时电机的功率因数。 (5)额定频率 fN 指额定运行时电枢的频率。我国标准工频规定为 50Hz。 (6)额定转速 nN 指额定运行时电机的转速，对同步电机而言，即为同步转速。 除上述额定值以外，铭牌上还常常列出一些其他的运行数据，例如额定负载时的温升 ΘN，额定励磁电流和电压 IfN、UfN 等。 6.2 空载和负载时同步发电机的磁场 一、空载运行 用原动机施动同步发电机到同步转速，励磁绕组通入直流励磁电流，电枢绕组开路（或 电枢电流为零）的情况，称为同步发电机的空载运行。 空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所建立的主极磁场。图 6—l0 表示一台四极电 机空载时的磁通示意图。从图可见，主极磁通分成主磁通 Φ0 和漏磁通 Φfσ 两部分，前者通 过气隙并与定子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁绕组相交链。主磁通所经过的主磁 路包括空气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭等五部分。 当转子以同步转速旋转时，主磁场将在气隙中形成一个旋转磁场，它“切割”对称的三 相定子绕组后，就会在定子绕组内感应出一组频率为 f 的对称三相电动势，称为激磁电动势， 0 E0A = E00 ， 0 E0A = E0 −120 ， 0 E0A = E0120 (6—1)