1、第第 四四 篇篇同同 步步 電電 機機 作為發電機時，有原動機拖動，電樞作為發電機時，有原動機拖動，電樞相對磁極勵磁磁通運動，切割磁力線，相對磁極勵磁磁通運動，切割磁力線，感應電動勢。感應電動勢。 發電的關鍵是磁場與導體有相對運動。發電的關鍵是磁場與導體有相對運動。直流發電機直流發電機+-N+-S+- 磁極轉動，感應電動勢的線圈靜磁極轉動，感應電動勢的線圈靜止，是否有同樣的發電效果？止，是否有同樣的發電效果？ 定子不變，轉子改成直流電機磁極。定子不變，轉子改成直流電機磁極。 原動機拖動轉子磁極旋轉，磁場與定子線圈原動機拖動轉子磁極旋轉，磁場與定子線圈有相對運動。有相對運動。 定子線圈中感應電動

2、勢，輸出電能。定子線圈中感應電動勢，輸出電能。直流發電機直流發電機+-N+-S+-AXBZCY+-轉磁式同步發電機轉磁式同步發電機AXBZCY+-同步發電機同步發電機電網電網mdpkNfE111044.4 同步電機主要用做發電機，現在工農業同步電機主要用做發電機，現在工農業所用的交流電能幾乎全由同步發電機發出。所用的交流電能幾乎全由同步發電機發出。 同步電機還可以用做電動機，拖動生產同步電機還可以用做電動機，拖動生產機械，尤其在不要求調速的大功率生產機機械，尤其在不要求調速的大功率生產機械中。械中。 交流電能幾乎全由同步發電機發出。交流電能幾乎全由同步發電機發出。 同步電機還可以做同步補償機用

3、，只同步電機還可以做同步補償機用，只向電網發出電感性的或電容性的無功功向電網發出電感性的或電容性的無功功率，以滿足電網對無功功率的需求。率，以滿足電網對無功功率的需求。 了解同步發電機的結構、工作原理，為分析同了解同步發電機的結構、工作原理，為分析同步發電機的運行性能作必要的準備。步發電機的運行性能作必要的準備。 了解同步發電機電樞電動勢產生的原理了解同步發電機電樞電動勢產生的原理本篇學習目的和要求本篇學習目的和要求本章要點本章要點:12-1 同步電機的分類同步電機的分類12-2 同步電機的基本結構同步電機的基本結構12-3 同步電機的冷卻方式同步電機的冷卻方式12-4 同步電機的勵磁方式同步

4、電機的勵磁方式12-5 同步電機的額定值同步電機的額定值12-1 同步電機的分類按用途分類按用途分類（空載時的同步電動機）（空載時的同步電動機）同步發電機同步發電機同步電動機同步電動機同步調相機同步調相機AXBZCY+-同步發電機同步發電機XBAZCY+-同步電動機同步電動機按結構分類按結構分類旋轉電樞式旋轉電樞式旋轉磁極式旋轉磁極式為基本結構型式，分隱極式和凸極式很少采用很少采用AXBZCY+-轉磁式同步發電機轉磁式同步發電機轉樞式同步發電機轉樞式同步發電機+-N+-SAXBYCZ轉樞式同步發電機轉樞式同步發電機+-N+-SAXBYCZ直流發電機直流發電機+-N+-S+-按發電機的按發電機的

5、原動機分類原動機分類用于應急電站用于應急電站汽輪發電機汽輪發電機水輪發電機水輪發電機內燃機拖內燃機拖動發電機動發電機火力發電火力發電水力發電水力發電按冷卻方按冷卻方式分類式分類 風 冷 氫 氣 冷 卻 水 冷 卻空氣冷卻空氣冷卻或干冷或干冷超導體發電機超導體發電機12-2 同步電機的基本結構12-2 12-2 同步電機的基本結構同步電機的基本結構一、定子靜止部分）一、定子靜止部分）二二 、轉、轉 子子1 1、隱極電機結構特點、隱極電機結構特點 2 2 、凸極磁極旋轉式）、凸極磁極旋轉式）3、什么是阻尼繞組？、什么是阻尼繞組？三、同步電機與其它電機的比較三、同步電機與其它電機的比較定子定子轉子轉

6、子鐵芯鐵芯機座機座繞組繞組轉軸轉軸磁極磁極繞組繞組集電環集電環AXBZCYAXBZCY+-一、定子靜止部分）一、定子靜止部分） 同步電機定子和異步電機類似，更同步電機定子和異步電機類似，更加強通風冷卻效果。加強通風冷卻效果。導磁的定子鐵心是由沖槽疊片疊成。導磁的定子鐵心是由沖槽疊片疊成。 槽中放入三相對稱繞組，定子鐵心槽中放入三相對稱繞組，定子鐵心固定在機座上。固定在機座上。 定子繞組象異步電機一樣，按定子繞組象異步電機一樣，按 600 相帶相帶A、B、C三相空間對稱分布三相空間對稱分布 機座構成通風路徑。機座構成通風路徑。 定子鐵心沿軸向長度上，定子鐵心沿軸向長度上，每隔每隔 36cm，留有

7、通風溝，增，留有通風溝，增加定子鐵心的散熱面積。加定子鐵心的散熱面積。 同步發電機的定子輸出電功率，同步發電機的定子輸出電功率，并產生旋轉磁場。并產生旋轉磁場。二、二、 轉轉 子子分為凸極式和隱極式分為凸極式和隱極式 氣隙均勻，一般極對氣隙均勻，一般極對數等于數等于1 1，高速同步電機，高速同步電機最高轉最高轉3000r/min3000r/min。1 1、隱極電機結構特點、隱極電機結構特點 轉子象直流電機中的旋轉子象直流電機中的旋轉電樞。轉電樞。 轉子為一表面開槽的圓轉子為一表面開槽的圓柱體，槽中放入勵磁繞組，柱體，槽中放入勵磁繞組，無明顯磁極。無明顯磁極。+-氣隙均勻氣隙均勻轉子轉子定子定子

8、 磁極旋轉式，四極，凸極式。凸極電機特點：凸極電機特點：有明顯磁極。有明顯磁極。氣隙不均勻；一般極氣隙不均勻；一般極對數大對數大1 1，即用于低，即用于低速電機。速電機。氣隙不均勻氣隙不均勻2 2、凸極磁極旋轉式）、凸極磁極旋轉式）+-轉子轉子定定子子pfnn601同步電機轉速：同步電機轉速： 汽輪發電機極數為汽輪發電機極數為2 2，轉速高達，轉速高達3000r/min3000r/min，細長。，細長。 水輪發電機極數多，轉速低，短粗。水輪發電機極數多，轉速低，短粗。類型汽輪發電機水輪發電機 原動機為高速，轉子一般作成二極，原動機為高速，轉子一般作成二極，隱極式，氣隙均勻，容量大，則一般為隱極

9、式，氣隙均勻，容量大，則一般為定子高壓，外形細長。轉子鐵心是實心定子高壓，外形細長。轉子鐵心是實心機械強度好），可不采用阻尼繞組。機械強度好），可不采用阻尼繞組。汽輪發電機特點：汽輪發電機特點： 原動機為低速，轉子一般為凸極式多極），氣隙不均勻，外形為扁圓形直徑大，分臥式和立式兩種）。 凸極式轉子鐵心迭壓而成，另外裝設阻尼繞組。水輪發電機特點：水輪發電機特點： 1905年 3.5 kw水輪發電機發展：水輪發電機發展： 1960年 100兆 kw 現 在 1000兆 kw3、什么是阻尼繞組？、什么是阻尼繞組？ 與異步電機鼠籠繞組相似，銅條鑲嵌與異步電機鼠籠繞組相似，銅條鑲嵌在凸極式鐵心上，兩邊用

10、銅片連成閉路。在凸極式鐵心上，兩邊用銅片連成閉路。阻尼繞組作用？阻尼繞組作用？ 抑制并聯運行時機械震蕩構成抑制并聯運行時機械震蕩構成 阻轉阻轉矩）；矩）； 同步電動機與同步調相機起動用即異同步電動機與同步調相機起動用即異步起動）。步起動）。 為什么汽輪發電機轉子可為什么汽輪發電機轉子可不采用阻尼繞組？不采用阻尼繞組？ 因為實心鐵心中的渦流能起抑制振蕩作用；槽楔也起阻尼作用。思索：思索： 直流電機中的電樞與同步電機中直流電機中的電樞與同步電機中的電樞有何不同？的電樞有何不同？ 直流電機中的電樞轉動，同步電直流電機中的電樞轉動，同步電機中的電樞就是定子，不會轉動，它機中的電樞就是定子，不會轉動，它

11、輸出電功率。輸出電功率。例題例題1：同步電機有哪幾種運行狀態？同步電機有哪幾種運行狀態？答：答： 同步電機符合可逆原理，既可以同步電機符合可逆原理，既可以作為電動機用又可以作為發電機用，作為電動機用又可以作為發電機用，還可以作調相機用。還可以作調相機用。例題例題2： 有一臺轉速有一臺轉速 75r/min 的同步電機，的同步電機，要求發電頻率為要求發電頻率為50HZ，問原動機應該，問原動機應該是什么？電機的極數為多少？是什么？電機的極數為多少？pfn60nfp60對極）(40755060是水輪凸極同步發電機。是水輪凸極同步發電機。例題例題3：鼠籠異步電動機、繞線式：鼠籠異步電動機、繞線式異步電動

12、機、旋轉電樞式同步發電異步電動機、旋轉電樞式同步發電機、旋轉磁極式同步電機各有多少機、旋轉磁極式同步電機各有多少個集電環？個集電環？答：鼠籠異步電動機答：鼠籠異步電動機0個、繞線式個、繞線式異步電動機異步電動機3個、旋轉電樞式同步個、旋轉電樞式同步發電機發電機3個、旋轉磁極式同步電機個、旋轉磁極式同步電機2個集電環。個集電環。同步電機與和直流電機比較同步電機與和直流電機比較 同步電機與直流電機同步電機與直流電機都有電樞反應。都有電樞反應。 結構上的差別是，同步結構上的差別是，同步電機一般是旋轉磁極式。電機一般是旋轉磁極式。 直流電機為旋轉電樞式，直流電機為旋轉電樞式，磁極是固定的。磁極是固定的

13、。與直流電機的比較與直流電機的比較 同步電機象反裝的直流同步電機象反裝的直流電機。電機。12-3 同步電機的冷卻方式同步電機的冷卻方式 隨著同步電機單機容量不斷提高，大型同步電機的發熱問題嚴重。 隨著同步電機容量增大，大型同步電機采用以下冷卻方法。一、空氣冷卻電機一、空氣冷卻電機二、氫氣冷卻電機二、氫氣冷卻電機三、水內冷發電機三、水內冷發電機四、超導體發電機四、超導體發電機一、一、 空氣冷卻空氣冷卻 冷空氣由電機兩端的風扇打入氣體流冷空氣由電機兩端的風扇打入氣體流過定子繞組端部帶走熱風到熱風室，與總過定子繞組端部帶走熱風到熱風室，與總熱風室匯總，進入發電機下部的空氣冷卻熱風室匯總，進入發電機下

14、部的空氣冷卻器，冷卻后回到兩側端蓋內的冷風進風室，器，冷卻后回到兩側端蓋內的冷風進風室，再次進入電機內。再次進入電機內。總熱風室總熱風室空氣冷卻器空氣冷卻器冷風冷風冷風冷風冷風室冷風室冷風室可以把電機中部的難以散去的熱帶走。冷風室可以把電機中部的難以散去的熱帶走。二、二、 氫氣冷卻氫氣冷卻 （10萬萬KW以上采用）以上采用）氫氣相對密度約為空氣的十分之一，氫氣相對密度約為空氣的十分之一，用它代替空氣可將電機通風摩擦損用它代替空氣可將電機通風摩擦損耗減少耗減少90%，總損耗減少，總損耗減少3040%，提高效率。提高效率。1、2、氫氣冷卻散熱性能較好。氫氣冷卻散熱性能較好。氫氣冷卻廣泛用于大、中型

15、汽輪同步氫氣冷卻廣泛用于大、中型汽輪同步發電機中，容量超過發電機中，容量超過10萬萬KW時采用時采用氫內冷方式，將氫氣通入定子和轉子氫內冷方式，將氫氣通入定子和轉子槽內直接冷卻導線。槽內直接冷卻導線。3、4、氫氣冷卻要注意防爆防漏。使鋼板能氫氣冷卻要注意防爆防漏。使鋼板能承受發生意外爆炸時的壓力。承受發生意外爆炸時的壓力。三、水內冷三、水內冷（ 60 萬萬KW 130 萬萬KW采用）采用）1、水內冷采用的不是一般的水。、水內冷采用的不是一般的水。 火電站中發電機中采用凝結水，導火電站中發電機中采用凝結水，導電率低，化學性能穩定，流動性好。電率低，化學性能穩定，流動性好。2、水內冷的散熱能力顯著

16、高于空氣和氫氣。、水內冷的散熱能力顯著高于空氣和氫氣。3、定子實心導線通過電流，空心導體通水。、定子實心導線通過電流，空心導體通水。定定 子子轉轉 子子雙排空心導線雙排空心導線水內冷的供水循環系統水內冷的供水循環系統出出水水支支座座出出水水支支座座水水箱箱過濾器過濾器冷水器冷水器運行水泵運行水泵備用水泵備用水泵 冷水從外部水系統經管道流入定子，進入定子進水環和轉子進水支座。 冷水再分別經絕緣管流入各個線圈，吸收熱量后再經絕緣水管匯總到另一端的定子出水環和轉子出水支座，最后排入電機的外部水系統，冷卻后重新進入。（四超導體發電機（四超導體發電機 當某種金屬在極低溫中冷卻時就會當某種金屬在極低溫中冷

17、卻時就會處于電阻為零的超導電狀態。處于電阻為零的超導電狀態。絕對零度絕對零度:02730K 超導電狀態可以不消耗電力而通過超導電狀態可以不消耗電力而通過強大的電流，或者產生強大的電流，或強大的電流，或者產生強大的電流，或者產生強磁場。者產生強磁場。比較：比較：普通導體普通導體超導體超導體電流密度電流密度J磁磁 密密電電 阻阻電阻損耗電阻損耗25mmA2120mmAT8 . 1T5R0有，發熱有，發熱無無 普通導體的發電機若不采用導磁鐵普通導體的發電機若不采用導磁鐵心，勵磁電流很大。心，勵磁電流很大。 超導體的發電機若不采用導磁鐵心，超導體的發電機若不采用導磁鐵心，勵磁電流不會很大。勵磁電流不會

18、很大。 但超導體要在很低的溫度下實現。但超導體要在很低的溫度下實現。鈮鈦合金在鈮鈦合金在9K下，電阻率為零。下，電阻率為零。K為絕對溫度。為絕對溫度。0K = -27309K = -2730 + 90 = -2640100K = -2730 + 1000 = -1730 最適合作超導體的材最適合作超導體的材料是鈮鈦合金，它容易加料是鈮鈦合金，它容易加工成細線。工成細線。 現在世界各國的科學家正在競相研現在世界各國的科學家正在競相研究新的超導體，并取得了突破。究新的超導體，并取得了突破。 1982年中國科學院年中國科學院物理研究所研制出物理研究所研制出100K以上的超導體（以上的超導體（-173

19、0） 1982年年3月月4日，美國加州大學實現日，美國加州大學實現233K超導體（超導體（-400）。）。 日本一研究小組宣布制出日本一研究小組宣布制出123K超導超導體（體（-1500）。）。 一旦實用于室溫超一旦實用于室溫超導體研制成功，將引起導體研制成功，將引起新的工業革命。新的工業革命。12-4 同步電機的勵磁方式同步電機的勵磁方式 供給同步電機勵磁電流供給同步電機勵磁電流的裝置稱為勵磁系統的裝置稱為勵磁系統NS勵勵磁磁系系統統+-集集電電環環（一直流發電機勵磁系統（一直流發電機勵磁系統（二交流整流勵磁系統（二交流整流勵磁系統1、自勵式靜止半導體勵磁系統、自勵式靜止半導體勵磁系統2、他

20、勵式半導體勵磁系統、他勵式半導體勵磁系統3、旋轉半導體勵磁系統、旋轉半導體勵磁系統（三三次諧波勵磁系統（三三次諧波勵磁系統（一直流發電機勵磁系統（一直流發電機勵磁系統50MW以以下）下）L+-RtI f 1nCELeLAIf勵磁機勵磁機發電機發電機勵磁繞勵磁繞組組0111044. 4dpkNfE F負負載載L+-RtI f 1nCELeLAIf0111044. 4dpkNfE F負負載載負載 IUItR1fILLE00E Rt 接到自動調勵裝置，它隨主發電機負載變化自動改變阻值，以保證發電機輸出端電壓基本保持不變。 由于轉速高，大容量直流勵磁機由于轉速高，大容量直流勵磁機的制造困難，的制造困難

21、，50MW50MW上的汽輪發電上的汽輪發電機已不采用此種勵磁系統。機已不采用此種勵磁系統。（二交（二交 流流 整整 流流 勵勵 磁磁 系系 統統 交流整流勵磁系統有旋轉和靜止式兩大類。 交流整流勵磁系統都要利用可控硅整流裝置，把交流變為直流電。 利用可控硅整流裝置使直流電為可調節的利用可控硅整流裝置使直流電為可調節的直流電。直流電。 1、自勵式靜止半導體勵磁系統 2、他勵式靜止半導體勵磁系統 3、旋轉半導體勵磁系統1 1、自勵式靜止半導體勵磁系統、自勵式靜止半導體勵磁系統主發電機主發電機勵磁繞組勵磁繞組整整流流變變壓壓器器自動電自動電壓調整壓調整器器復勵變復勵變壓器壓器兩路給勵磁繞組供直流電。

22、兩路給勵磁繞組供直流電。 復勵變流器經硅整流橋給發電機勵磁繞組復勵變流器經硅整流橋給發電機勵磁繞組提供一路直流電，可對發電機隨負載而變化的提供一路直流電，可對發電機隨負載而變化的電壓起自動調節作用。電壓起自動調節作用。UI負載UEIf001 在發電機端三相短路時，此復勵電流又會自在發電機端三相短路時，此復勵電流又會自動增大，單獨供給勵磁電流，起強勵作用。動增大，單獨供給勵磁電流，起強勵作用。 這種勵磁系統便于維護，電壓穩定度高，動態性能好，采用多。2 2、他勵式靜止半導體勵磁系統、他勵式靜止半導體勵磁系統汽輪發電機用汽輪發電機用 （3000r/min，125MW）所謂靜止是指整流裝置不旋轉。所

23、謂靜止是指整流裝置不旋轉。自勵自勵恒壓恒壓副勵磁機副勵磁機f = 400HZ交流勵交流勵磁機磁機f = 100HZ主發電機主發電機自動電自動電壓調整壓調整 主發電機軸上連接了一臺交流勵磁機，是單相同步發電機，頻率100HZ，高速，和一臺中頻副勵磁機，400HZ，單相同步發電機，可采用永磁發電機。中頻副勵磁機中頻副勵磁機f1=400HZ，磁通小。，磁通小。電動勢可調電動勢可調交流勵磁機交流勵磁機f2=100HZ，磁通增，磁通增大。電動勢增大。大。電動勢增大。類似于勵磁電流逐級放大的效果。類似于勵磁電流逐級放大的效果。 各勵磁線圈為旋轉體，各整流裝置是靜止裝置。 靜止裝置與旋轉體之間的連接用集電環和電刷。 他勵式靜止半導體勵磁系統比直流勵磁機維護方便且性能好，用于大容量汽輪發電機125MW)3 3、旋轉半導體勵磁系統、旋轉半導體勵磁系統300MW和和600MW汽輪發電機采用汽輪發電機采用主發電機主發電機旋轉部分旋轉部分自動電自動電壓調整壓調整整流整流變壓變壓器器 現代大容量汽輪發電機所需的勵磁容量很大，即使采用400500V的勵磁電壓，勵磁電流仍可能高達4000A以上。 如果仍采用靜止半導體勵磁，將引起集電環嚴重過熱。 這時可將同軸交流勵磁機做成旋