同步電機(jī)原理和分類同步電機(jī)

什么是同步電機(jī)

與異步電機(jī)一樣，同步電機(jī)也是一種常用的交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)。同步的含義是：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，與負(fù)載大小無(wú)關(guān)，轉(zhuǎn)速n與電網(wǎng)頻率f之間的關(guān)系為：n=60f/p。同步電機(jī)主要用作發(fā)電機(jī)，現(xiàn)代水電站、熱電廠和核電站的交流發(fā)電機(jī)組幾乎全部都是同步發(fā)電機(jī)。三種應(yīng)用同步發(fā)電機(jī)：把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，向電網(wǎng)發(fā)出交流電，是同步電機(jī)最主要的運(yùn)行方式，比如汽輪發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)；同步電動(dòng)機(jī)：把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；同步調(diào)相機(jī)：實(shí)際上是一臺(tái)接在電網(wǎng)上空載的同步電動(dòng)機(jī)，用于改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。認(rèn)識(shí)同步電機(jī)火電廠的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)汽輪機(jī)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)認(rèn)識(shí)同步電機(jī)大亞灣核電站發(fā)電機(jī)組認(rèn)識(shí)同步電機(jī)嶺澳一期核電站發(fā)電機(jī)組認(rèn)識(shí)同步電機(jī)國(guó)產(chǎn)300MW汽輪發(fā)電機(jī)國(guó)產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機(jī)定子認(rèn)識(shí)同步電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的水輪發(fā)電機(jī)同步電機(jī)原理

同步電機(jī)與異步電機(jī)的根本區(qū)別是旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子通入直流電流勵(lì)磁。勵(lì)磁繞組通入直流電流后建立恒定磁場(chǎng)，原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí)，其磁場(chǎng)切割定子繞組而感應(yīng)三相交流電動(dòng)勢(shì)E0。如果帶三相對(duì)稱負(fù)載運(yùn)行時(shí)，則在定子三相繞組中產(chǎn)生三相對(duì)稱電樞電流ia、ib、ic。三相對(duì)稱電流的頻率為：U2U1W2V1W1V2發(fā)電機(jī)的物理過(guò)程物理過(guò)程電動(dòng)機(jī)的物理過(guò)程U2U1W2V1W1V2按運(yùn)行方式

旋轉(zhuǎn)磁極式

水輪發(fā)電機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)一般作成凸極式，極數(shù)多，轉(zhuǎn)速低。汽輪發(fā)電機(jī)一般作成隱極式，現(xiàn)代汽輪發(fā)電機(jī)均為2極，轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分鐘。電動(dòng)機(jī)調(diào)相機(jī)發(fā)電機(jī)按結(jié)構(gòu)型式旋轉(zhuǎn)電樞式隱極式凸極式按原動(dòng)機(jī)類別汽輪發(fā)電機(jī)水輪發(fā)電機(jī)柴油發(fā)電機(jī)同步電機(jī)分類隱極和凸極兩種型式凸極同步電機(jī)有明顯的凸出的磁極，氣隙不均勻，制作簡(jiǎn)單，適合于低速發(fā)電機(jī)。

同步電機(jī)分類

隱極同步電機(jī)轉(zhuǎn)子圓柱形，在不考慮齒槽效應(yīng)時(shí)，氣隙均勻，轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度高，勵(lì)磁繞組固定容易，適合于高速發(fā)電機(jī)。同步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

同步電機(jī)運(yùn)行于哪種狀態(tài)，取決于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線領(lǐng)先合成磁場(chǎng)軸線的夾角δ（功率角）。δ>0，發(fā)電機(jī)狀態(tài)；δ<0，電動(dòng)機(jī)狀態(tài)；δ=0，補(bǔ)償機(jī)狀態(tài)。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)：轉(zhuǎn)子通入直流勵(lì)磁電流產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。定子磁場(chǎng)：定子三相對(duì)稱繞組流過(guò)三相對(duì)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(chǎng)：定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的合成，以同步速旋轉(zhuǎn)。1、發(fā)電機(jī)狀態(tài)：δ>0δ>0時(shí)，Te為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩Te平衡。轉(zhuǎn)子吸收機(jī)械功率，定子發(fā)出電功率。2、補(bǔ)償機(jī)狀態(tài)：δ=0δ=0時(shí)，不進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，僅發(fā)出或吸收無(wú)功功率，作為補(bǔ)償機(jī)運(yùn)行。同步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

3、電動(dòng)機(jī)狀態(tài)：δ<0δ<0時(shí)，Te為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行。轉(zhuǎn)子輸出機(jī)械功率，定子吸收電功率。同步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)1、直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁以直流發(fā)電機(jī)作為勵(lì)磁電源，在同步發(fā)電機(jī)發(fā)展的早期歷史，首先獲得應(yīng)用。目前中、小型發(fā)電機(jī)還有一部分采用這種勵(lì)磁方式。直流勵(lì)磁機(jī)與同步發(fā)電機(jī)同軸，采用并勵(lì)或他勵(lì)，或負(fù)載電流反饋的復(fù)式勵(lì)磁。

他勵(lì)接法時(shí)，勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流由另一臺(tái)被稱為副勵(lì)磁機(jī)的同軸的直流發(fā)電機(jī)供給。

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

主勵(lì)磁機(jī)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(jī)的勵(lì)磁繞組。

靜止硅整流器

同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)（3）旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)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(lì)磁繞組，對(duì)于大容量同步發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁電流達(dá)到數(shù)千安培，使集電環(huán)嚴(yán)重過(guò)熱。大容量同步發(fā)電機(jī)一般采用旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁系統(tǒng)。主勵(lì)磁機(jī)是旋轉(zhuǎn)電樞式三相同步發(fā)電機(jī)，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(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組。交流主勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流由同軸的交流副勵(lì)磁機(jī)經(jīng)靜止的晶閘管整流器整流后供給。這種勵(lì)磁系統(tǒng)取消了集電環(huán)和電刷，又稱為無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)。

同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)硅整流器同步電機(jī)的型號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)有QFQ、QFN、QFS等系列。QF表示汽輪發(fā)電機(jī)；第三個(gè)字母表示冷卻方式，Q——?dú)渫饫洌琋——?dú)鋬?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(jī)。同步電動(dòng)機(jī)系列有TD、TDL等。TD表示同步電動(dòng)機(jī)，后面的字母指出其主要用途。如：TDG表示高速同步電動(dòng)機(jī)；TDL表示立式同步電動(dòng)機(jī)。同步補(bǔ)償機(jī)為TT系列。水輪發(fā)電機(jī)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(jī)，定子外徑為1264厘米，鐵心長(zhǎng)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(jī)額定運(yùn)行時(shí)，輸出功率的保證值。同步發(fā)電機(jī)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(dòng)機(jī)是指額定條件下轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率，單位是kW。同步調(diào)相機(jī)用kVA或kvar表示。額定電壓UN（kV）：額定運(yùn)行時(shí)加在三相定子繞組上的線電壓。額定電流IN（A）：在額定運(yùn)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(yùn)行時(shí)電機(jī)的功率因數(shù)。額定頻率fN：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)電樞輸出端電能的頻率，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)頻率規(guī)定為50Hz。額定轉(zhuǎn)速nN

：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速。同步電機(jī)額定值2、為什么同步電機(jī)的氣隙要比容量相同的感應(yīng)電機(jī)的大？答感應(yīng)電機(jī)的勵(lì)磁電流由電源供給，需要從電網(wǎng)吸取感性無(wú)功功率，如果氣隙大，則勵(lì)磁電流大，電機(jī)的功率因數(shù)低，因此在機(jī)械允許的條件下，氣隙要盡量小一些。同步電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子電流和定子電流共同激勵(lì)，從同步電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性考慮，氣隙大，同步電抗小，短路比大，運(yùn)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(yùn)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(jī)采用磁極旋轉(zhuǎn)式而不用電樞旋轉(zhuǎn)式？答由于勵(lì)磁繞組電流相對(duì)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、引出不方便。故大容量電機(jī)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(jī)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(diǎn)的氣隙磁通密度大小隨時(shí)間變化嗎?定子表面某一點(diǎn)的氣隙磁通密度隨時(shí)間變化嗎?答：凸極同步電機(jī)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(jī)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(diǎn)的氣隙磁通密度大小不隨時(shí)間變化（電樞電流為零時(shí)），但由于轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)的，因此定子表面某一點(diǎn)的氣隙磁通密度是隨時(shí)間變化的。4、請(qǐng)說(shuō)明QFS-300-2為什么類型的同步電機(jī)答：QFS-300-2表示容量為300MW雙水內(nèi)冷2極汽輪發(fā)電機(jī)。鞏固與提高5、在直流電機(jī)中，E>U還是E<U是判斷電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行還是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的依據(jù)之一，在同步電機(jī)中，這個(gè)結(jié)論還正確嗎？答在同步電機(jī)中，勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)和電機(jī)端電壓都是電壓相量，不能根據(jù)它們的大小來(lái)判斷電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，而應(yīng)該根據(jù)氣隙合成磁場(chǎng)軸線與主磁極軸線的相對(duì)位置來(lái)決定。當(dāng)主磁極場(chǎng)軸線超前合成磁場(chǎng)軸線時(shí)，為發(fā)電機(jī)狀態(tài)；重合時(shí)為調(diào)相機(jī)狀態(tài)；滯后時(shí)為電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。6、什么是同步調(diào)相機(jī)？答：實(shí)際上是空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)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(wú)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(shè)備的平均負(fù)載為1200kW，