电机学Ch6-1-GT

6.1同步电机的工作原理及结构特点同步电机的工作原理同步电机的结构形式同步电机的冷却方式同步电机的额定值同步电机的励磁方式复习：异步电机的基本工作原理异步电机定子三相对称绕组接在三相对称交流电网上，转子绕组对称短路。定子绕组中流过三相对称电流，在气隙中产生基波旋转磁场。气隙旋转磁场在短路的转子绕组中感应电动势并产生电流，该电流与气隙中的旋转磁场相互作用产生电磁转矩，实现异步电机的运行。同步电机和异步电机的区别•①转子绕组结构感应电机:三相双层叠绕组或其他交流绕组笼式绕组,构成闭合回路同步电机:多为同心式绕组，外接直流电源②转子转速和同步转速的关系③绕组中的电流④气隙大小的差别电机的转子转速和定子电流的频率有固定不变的关系。即转速恒等于同步转速。同步电机气隙大；感应电机气隙小什么是同步电机？msinaBBtsinsincamcmeBlvBlvtEt转子转速为n时，定子的导体感应交流电动势。同步电机的运行原理当励磁绕组通以直流电之后，建立恒定的正弦磁场60spnfmmmsinsin(120)sin(240)OAOBOBeEteEteEt电动势的频率为：三相对称电动势为：一、同步电机的工作原理同步电机与异步电机的根本区别是旋转的转子通入直流电流励磁转子通直流电流If励磁磁场Bf电枢感应电动势tEemacos)120cos(tEemb)120cos(tEemcf260pnf随转子旋转角速度ωSNnea三相对称负载运行时旋转基波磁动势aF三相对称电枢电流iabcpfn6011nn(同步电机)ebecIf同步电机的分类{{旋转磁极式旋转电枢式同步发电机同步电动机同步调相机①按运行方式和功转换方向②按结构{汽轮发电机水轮发电机柴油发电机燃汽轮发电机风力发电机隐极机凸极机③磁极的形状{同步电机的分类④原动机同步电机的用途1.同步电机主要用作发电机运行，把机械能转化成电能。向电网发出交流电，是同步电机最主要的运行方式2.同步电动机可以通过调节励磁电流来改善电网的功率因数。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3.同步补偿机实际是一台接在交流电网上空载的同步电动机，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。二、同步电机的结构形式同步电机一般采用旋转磁极式结构，根据磁极形状可分为隐极和凸极两种型式。凸极同步电机气隙不均匀，适合于中速或低速旋转场合隐极同步电机在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，适合于高速旋转隐极同步电机结构实物图大型汽轮发电机定子铁心槽汽轮发电机完工后的定子汽轮发电机转子加工凸极同步电机凸极同步电机转子由磁极、励磁线圈、磁轭和阻尼绕组等部分构成。凸极同步电机的定子结构与隐极同步电机或异步电机的基本相同，所不同的只是转子结构。凸极同步电机结构实物图带阻尼绕组的凸极同步电机转子水轮发电机定子分段铁心汽轮发电机——转速高、离心力大(p=1,p=2)——隐极式水轮发电机——转速低、极数多——凸极式同步电机的结构一、隐极同步发电机的基本结构线棒换位定子电流较大，每槽一般只嵌放两个有效导体(线棒)，为减少涡流损耗，每根导体常由多股截面为15mm2以下的扁铜线并联而成，而有进行编织换位。汽轮发电机转子铁心的铣槽水轮发电机结构(1)立式水轮发电机(2)卧式水轮发电机(3)灯泡贯流式水轮发电机10000kW水轮机转子左江24MW发电机转子在吊装三峡左岸水电站转子的安装水轮发电机模型三峡左岸电站发电机简介三峡左岸水电站共安装额定容量700MW的水轮发电机组14台，总装机容量为9800MW。其中a.1#、2#、3#、7#、8#、9#为德国伏伊特水电集团公司、德国西门子公司、通用电气加拿大国际公司三家联营体，简称VGS生产制造；b.4#、5#、6#、10#、11#、12#、13#、14#为ALSTOM公司生产制造左岸发电机简介三峡左岸电站水轮发电机组为混流式，采用立轴半伞式三导轴承结构，下导与推力采用推导联合轴承。机组额定转速75r/min，额定工作水头为80.6m。发电机冷却方式采用半水冷，即定子绕组采用直接水冷，定子铁芯和转子绕组采用空冷的发电机。发电机与主变连接采用联合单元接线，发电机出口不设断路器，发电机中性点通过接地变压器接地。机组制动采用电气/机械制动的方式。三峡左岸发电机技术参数序号技术名称ALSTOMVGS1额定容量（MVA）777.8777.82最大容量（MVA）8408403额定电压（KV）20204额定电流（A）22453.822453.85额定功率因数0.90.96额定频率（HZ）50507额定转速（r/min）75758每相支路数559单相对地电容（uf）1.352.03发电机各主要部件尺寸序号项目ALSTOMVGS1定子直径20900mm21420mm2定子铁芯外径19690mm19310mm3定子铁芯内径18800mm18500mm4定子铁芯高度2850mm3130mm5静止时的气隙尺寸31.5mm32mm6转子带磁极直径18757mm18433mm7发电机总重量3459000Kg3143000Kg发电机定子总装配•ALSTOM发电机ALSTOM发电机定子是由定子机座、定子铁芯和定子绕组等主要部件组成。定子机座由定子铁芯支撑环、20个垂直的斜元件、垂直筋板以及机座外壁等组成。机座分6瓣，现场组装发电机定子总装配•定子铁芯由硅钢片、齿压板、压指、压紧螺栓等组成。硅钢片厚度为0.5mm，两面均涂有F级绝缘漆，叠成总高度为3130mm，共46段叠片堆，47个通风槽；铁芯拉紧螺栓位于铁芯叠片中部，用绝缘套管与铁芯叠片绝缘，与传统的位于铁芯叠片尾部相比拉紧效果好，有利于防止叠片翘曲变形和运行过程中松动。•定子绕组设计为三相双层波形绕组，每相5支路并联，共1080根罗贝尔线棒组成。绕组轮换数为1—8—14，每极每相槽数为9/4，节距为13发电机定子总装配发电机定子总装配发电机定子总装配•VGS发电机vgs发电机定子是由定子机座、定子铁芯和定子绕组等主要部件组成。定子机座分3瓣，现场组装定子铁芯由硅钢片、齿压板、压指、压紧螺栓等组成。硅钢片厚度为0.5mm，两面均涂厚度为7.5μmF级绝缘漆，叠成总高度为3130mm，共52段叠片堆，55个通风槽；铁芯拉紧螺栓位于铁芯叠片与定子机座之间。定子绕组设计为三相双层波形绕组，每相5支路并联，共1020根罗贝尔线棒组成。发电机定子总装配•VGS•发•电•机•定•子•铁•芯发电机定子总装配•发电机定子绕组发电机转子VGS和ALSTOM发电机的转子采用无轴结构，由转子支架（包括转子中心体和支臂部分）、磁轭和磁极等部件构成。转子支架为圆盘式结构，在工地进行组装焊接，且设有足够数量的孔洞，以满足发电机通风的要求和具有良好的导风性能；磁轭由高强度经钝化处理的冷轧薄钢板组装成的坚实结构；磁极包括磁极铁心磁极绕组和阻尼绕组。发电机转子•VGS发电机转子发电机转子InsulatingframesoffiberglassPolewindingbracePoleclampingtypeT-dovetailSteelframetoclampthepolewindingPolewindingterminalsPolewinding发电机转子发电机转子励磁电气特性和数据序号项目ALSTOMVGS1额定励磁电压447V364V2最大负荷及功率因数为0.9下励磁电压473V380V3空载励磁电流2233A2190A4额定负荷下的励磁电流3917A3779A5励磁绕组绝缘的最高耐压(直流)8000V5000V6励磁绕组90℃时的电阻0.107Ω0.0964Ω7励磁绕组对地电容0.55μF2.6μF三、同步电机的励磁方式同步电机运行时，必须在励磁绕组中通入直流电流，建立励磁磁场。将供给励磁电流的整个装置称为励磁系统。直流发电机励磁系统静止式交流整流励磁系统旋转式交流整流励磁系统（1）直流励磁机励磁直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或者他励接法，或采用负载电流反馈的复式励磁。采用他励接法时，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给。（2）交流励磁机静止整流励磁a)同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。b)副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励(有时采用永磁发电机)。c)副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机d)主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。在中小型同步发电机中，也可采用自励式整流系统它励式交流励磁机旋转整流系统静止整流器的直流输出必须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，其励磁电流达到数千安培，使得集电环严重过热。在大容量的同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置——无刷励磁系统。四、同步电机的冷却方式随着单机容量的不断提高，大型同步电机的发热和冷却问题日趋严重，冷却方式也不断改进。同步电机的冷却方式主要有以下几种。空气冷却氢气冷却水冷却超导发电机冷却问题在中、小型电机中，都采用空气作为冷却介质。当电机的容量很大时，电机内部的损耗及发热量迅速增加，冷却问题显得格外重要，此时必须加强通风或采用其他的冷却方式。在大型汽轮发电机中，为了提高其冷却效率，往往用氢气冷却，但氢气与空气混合后，有爆炸危险，必须有一套控制设备来保证外界空气不会渗入到电机内部。目前在更大容量的发电机中，可以采用导线内部直接冷却。例如采用空心导体，冷却介质直接在导体中流通而把热量带走，这样能更有效地降低电机的温升。所采用的冷却介质一般有氢气及水等。五、同步电机的额定值额定电压UN：电机额定运行时定子的线电压（V或kV）额定电流IN：电机额定运行时定子的线电流（A）额定功率因数：电机额定运行时的功率因数额定效率ηN：电机额定运行时的效率额定频率f(Hz)额定励磁电流IfN(A)额定励磁电压UfN(V)额定功率PN：电机额定运行时的输出功率（kW或MW）对发电机为额定输出有功电功率对电动机是轴上输出的额定机械功率NNNNIUPcos3NNNNNIUPcos3额定转速nN：电机额定运行时的转速