电机学 第11章_同步发电机的基本工作原理和结构
同步发电机的基本工作原理和结构
8/16/2015
临沂电力学校
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同步发电机的主要构成部件包括两大部分：定子 （工作时不运动部分）和转子（工作时转动部分）。 定子部分主要有：定子铁心（硅钢片叠成），其 内表面开槽用于嵌放定子绕组；定子三相对称绕组， 用于切割磁场感应电动势，将动能转换成电能。
转子部分主要有：转子铁心及磁极；转子绕组（ 也称为励磁绕组），用于通过直流电流（励磁电流） 形成恒定磁场。 对照原理结构图，说明同步发电机的工作过程： 电生磁：转子绕组通直流电流后产生恒定磁场。 磁生电：该恒定磁场在原动机带动下旋转，切割 定子上的三相对称绕组，在定子绕组上产生感应电动 势，在其引出端就有了三相对称交流电压输出。
相关部件的散热（冷却）方式：通过空气、水、 氢气等冷却介质进行冷却。
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第二节 同步发电机的基本结构 目前电力系统中的发电机主要有两大类：汽轮发 电机和水轮发电机，这两类发电机的工作原理是一样 的，不同的是在工作过程中一类是高转速发电机，一 类是低转速发电机，这使其结构有一点不同。 一、汽轮发电机的基本结构 汽轮发电机是在高转速下工作，定子结构与水轮 发电机是一样的，其转子采用隐极式结构，直径小、 轴向尺寸长，全为卧式布置，理由——
推力轴 承 上机 架 转子
转子
下机架
8/1Байду номын сангаас/2015
推力轴承
悬式
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伞式
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水轮发电机组也有采用卧式机组形式的，主要用 于高水头、小流量的小型机组，这样可降低整个厂房 的修建高度，从而降低修建成本。如青城电站——
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第三节 三相同步发电机的励磁方式 从原理分析已知，同步发电机运行时必须在转子 绕组中通入直流电流建立磁场，这个电流就叫励磁电 流。我们把供给励磁电流的电源及其附属设备（励磁 调节器、灭磁装置）统称为励磁系统。 获取励磁电流的方式有多种，在实际应用中常用 的有以下几种： 一、直流励磁机励磁系统 直流励磁机励磁系统的构成见下图示：
《电机学》课件同步电机
F F cos ψ aq
a
---交轴分量电流产生的合成磁动势
一般情况下的电枢反应（总结）
位置 夹角 q轴
d轴
记作
电枢 反应 性质
交轴
对电机的影响
负载性质
波形 畸变
下降 不变
R
直、去 削弱 不变 下降 L
d轴
d、q 轴
d、q 轴
直、助 增强 不变 上升 C
交、直 去
削弱
交、 直助
增强
下降 下降 下降 上升
同步电机的基本工作原理
励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动 转子以转速n 旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电 动势 。
波形：由e=Blv可知，波形取决于磁密的空间分布。 频率：f=pn/60 大小：E=4.44fN1kw1Φ 相序：由转子的转向决定
同步电机的分类
按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。 按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。 旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极
输出的有功功率越大，有功分量电流就越大， 交轴电枢反应越强，电磁转矩越大，为了保持 电机的转速不变，要求原动机输入更大的驱动 转矩——调节有功功率。
R、L R、C
电磁转矩
同步发电机带上负载后，电枢电流建 立电枢反应磁场，它与励磁电流作用 产生电磁力，在某些情况下形成电磁 转矩，实现机电能量转换。
1.有功电流产生电磁力,形成电磁转矩
当发电机带有功负载(阻性负载)时,可以近似认为
机电能量转换
有功电流产生电磁力,形成电磁转矩
即，电枢绕组流过有功电流时,产生交轴 电枢反应磁场。励磁绕组载流体在该磁 场作用产生电磁力，并形成制动性质的 电磁转矩。
电机学课件第11章旋转电机交流绕组的电势和磁势
其感应电势相位差180 电角度。
Ey 2Ed1 4.44 f11
O B1
考虑匝数后:
Ey 2N y Ed1 4.44 f1N y1
❖短距线圈中的感应电势
N n1
Ed1
X Ed2 SB1
线圈两有效边在磁场中相距为y, 其感应电势相位差是180-β电角度。
β=α(τ-y)=(τ-y ) *180/τ/(电角度)
Eq
2R sin
q
2
2
2
Ey2
sin
sin
q
2
2
Ey1 Ey2 Ey3
sin q
qEy
2
qEykq
4.44qN y f1kq1
q sin
2
分布系数：
kq
qEy
q
sin q
2
Eyi
i=1
q sin 2
Eq
Ey3
B
Ey2
D
R Eq
O
C
Ey1
A
注：分布系数小于1，通常 kq 在 0.93~1.0之间。
绕组系数：kw1= ky kq
5.本节小结：
❖正弦分布的以转速n1旋转的旋转磁场，在三相对称交流绕组中会感应 出三相对称交流电势。 ❖感应电势的波形与磁场分布波形相同，为正弦波。 ❖感应电势的频率为 f = pn/60（Hz） ❖每相电势的大小为 Ep1 =4.44 f N1Φ1Kw1 ❖绕组系数:kw1= ky kq, kq= sin(qα/2) / (q sinα/2) ,ky= cosβ/2
11-1 交流旋转电机定子绕组的感应电势
一、交流同步发电机的结构模型
A
❖同步发电机的结构模型如图
同步发电机结构及工作原理讲义
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第十四章
三相同步发电机的基本 工作原理与结构
2019/11/22
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本章主要内容
第一节 三相同步发电机的基本工作原理及分类 第二节 同步发电机的基本结构 第三节 大型同步发电机的基本系统 第四节 同步发电机的型号与额定值
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三相同步发电机的基本工作原理
• 同步发电机(synchronous generator)是将机械 能转变为交流电能的设备。
• 有的电机在大齿开有槽，内装阻尼绕组(damping windings)，阻尼绕组构成自行短接的半鼠笼结构， 用来改善发电机的稳定运行。
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转子铁心结构
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汽轮发电机结构
（2）励磁绕组
由矩形绝缘扁铜线绕成同心式线圈，两线圈边分别 放在大齿两侧所开的槽内，所有线圈串联。
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汽轮发电机结构
（3）定子绕组
大型电机定子电流极大，绕组导线截面大。为减小导 体集肤效应带来的附加损耗，定子绕组常由多股截面 15平方毫米以下的扁铜线并绕而成，且沿槽长进行适 当的换位，使绕组的有效部分，有时甚至连同绕组的 端接部分，成为编织形。
汽轮发电机的电压较高，要求定子绕组有足够的绝缘 强度，一般采用 B 级或 F 级绝缘。
ea
N
If
n
S
随转子旋转 电枢感应 eeOaAEEmmcsionstt
角速度ω 电势
eeObBEEmmcsionstt (112 20)00
22f f
f
f
ppnn 6600
eeOcBEEmmcsionstt (112 20)00
同步电机学
2. 漏电抗与同步电抗
（1）漏电抗
U→I
→Id→Fad→Φad →Ead →Iq→Faq→Φaq →Eaq
Φs →Es RaI
※ 漏磁感应电动势：Es =－j Xs I ※ Ra、Xs —— 定子每相绕组的电阻、漏电抗。
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2. 漏电抗与同步电抗
（2）隐极同步电机的同步电抗
※ Xc = Xs＋Xa —— 同步电抗。 （3）凸极同步电机的同步电抗
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二、同步电机的电枢反应
➢ 电枢反应的去磁或增磁，对电机的运行性能产生影响。 ➢ 电枢反应的性质（交磁、去磁或增磁）取决于空载电动
势E0 和负载电流 I 的之间的相位差 ，称为内功率因
数角。
U1
为了便于分析，将转子磁极的 轴线确立为直轴，用d表示； 将通过两个磁极之间，与直轴 正交的轴线确立为交轴，用q
所以
Ea =－jXa I ※ Xa —— 电枢反应电抗。
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1. 电枢反应电抗
（2）凸极同步电机
特点：气隙不均匀。 同样的 Fa →产生不同的Φa →对应不同的 Xa 。 如果磁路不饱和：将 I 分解为两个分量。
E0
Iq
I
d Id
直轴分量：Id = I sinΨ 交轴分量：Iq = I cosΨ
I = Id＋Iq —— 双反应理论。
V2
N
+ If
Uf
－
W2
表示。
W1
S
V1
U2
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a） =0º
用 时 空 相 矢 图 分
析 b） =90º
电 枢 反 应
7
用 c） =-90º
时 空 相 矢 图 分 析 电 枢 反 应
电机学同步电机部分知识点总结
二、 对称负载时的电枢反应
1. 同步电机空载时，气隙磁场就是由励磁磁动势所产生的同步旋转的主磁场， 在定子绕组中只感应有空载电动势，因为定子电流为 0，所以端电压就等于 空载电动势。带上对称负载以后，定子绕组流过负载电流时，电枢绕组就会 产生电枢磁动势以及相应的电枢磁场，若仅考虑其基波，则它与转子同向、 同速旋转，它的存在使空气隙磁动势分布发生变化，从而使空气隙磁场以及 绕组中的感应电动势发生变化，这种现象称为电枢反应。
因此，与之对应有直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗，再把电枢反应电 抗与漏抗相加，可得直轴同步电抗和交轴同步电抗。
四、同步发电机的参数及测定 1.不饱和同步电抗和饱和同步电抗：不饱和同步电抗的数值要比饱和同步电抗的 数值大得多。（因为饱和时，磁阻大，电抗就小）（有一规律：气隙大，磁阻就大， 电抗就小） 2.漏抗的测定和保梯电抗（电抗三角形） （1）负载特性：当电枢电流及功率因数均为常数时，端电压与励磁电流之间的 关系曲线 U=f(If)称为负载特性。
同步电机的基本原理和运行特性
一、 同步电机（电机转子的转速和旋转磁场转速相同）的结构
转子上装有磁极和励磁绕组。当励磁绕组通以直流电流后，电机内就产生转 子磁场。同步电机的磁极通常装在转子上，而电枢绕组放在定子上，通常称为旋 转磁极式电机。
旋转磁极式同步电机的转子有隐极和凸极两种结构，隐极电机的气隙均匀， 凸极电机的气隙不均匀（极弧下较小，而极间较大）。
6. 由内功率因数角判断同步电机的运行方式。
三、 隐极+凸极同步发电机的分析方法
1.电枢反应电抗的物理意义：电枢反应磁场在定子每相绕组中所感应的电枢反应 电动势 ，可以把它看作相电流所产生的一个电抗电压降，这个电抗便是电枢 反应电抗 。 2.同步电抗： = + ,包含两部分，一部分对应于定子绕组的漏磁通，另 一部分对应于定子电流所产生的电枢反应磁通。在实用上，我们通常不把它们分 开，而是把 + 当作一个同步电抗来处理。
电机学第11章2
§11-2 同步发电机并联投入的条件和方法
三、并联投入方法(2)
讨论：1）进行自整步操作时要注意，发电机投入电网时， 励磁绕 组不 应开路，否则励磁绕组中将感生危险高压；励 磁绕组也不直接 短路，否则合闸时定子电流会有很大冲击。 通常的做法是把灭磁电阻接入闭合的励磁回路作为限流电 阻。 2）自整步法主要缺点是投网时冲击电流稍大。
电压不相等时的并联合闸
§11-2 同步发电机并联投入的条件和方法
二、不满足并联投入条件的后果(2)
２、电压相等，相序一致，但发电机频率和电网频率不相等。
U S
U
U U G S
U G
U I c
U S
G S U G
G S
(a)
G S
U U U ，存在电压差 U （1）若fG=fS ，相序一致，但 U G S G S I 二者之间将出现环流 C （见下图)。
U
U G
I C
U U
S
U E 0 G
U S
G S
I C
U U j Z S x S ZG xG 式中 xG″和 xs″属于过渡性质的电抗，其数值很小，尤其对于无 很小，也会产生很大的冲 限大电网， xs″ =0，。因此，即使 U 击环流 IC。 IC
三、研究并联运行时所用的规定正方向
A
发 电 机 一 相 绕 组
I G
E 0
I S U G 电网 U S
X
图11-1 研究并联运行的正方向
§11-2 同步发电机并网投入的条件和方法
一、并网投入条件
为了避免并联合闸时引起电流、功率以及由此引起的发电机内 部的机械应力的冲击，将要投入电网的发电机应满足下列条件： 1. 发电机的电压幅值等于电网电压幅值，而且波形一致。
电机学课件同步电机结构ppt课件
为磁路的磁化特性
1 c
一般将发电机的空载额定电压
设计于弯曲部分C点
0
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d
If(Ff)
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3.电机磁路的饱和系数
Ks
Ff0 F
ac ab
dn dc
(
Ks
1.1 ~ 1.25) E0 ( 0)
2 n
气隙线:将空载特性
ab
的直线部分延长得线
c
段2，称为气隙线。
设oa代表额定电压， 则 ac为产生额定电压所需
F
Ff0
0
gd
磁势:
Ff0 ac ab bc F FFe
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1
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Ff0 ac ab bc F FFe
ab=F：不计饱和时产生oa电压所需磁势，称为气隙磁势。
bc=FFe：由于饱和，使得产生 oa电压的磁势增大的部分，
电枢反应 概念：内功率因数角ψ 不同情况电枢反应分析
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1、电枢反应的定义：
I f
F f
随转子旋转（n1) 基波F f 1(n1 ) E0
f1
Pn 60
接三相对称负载
或加三相对称电源 i三相对称，f1 电枢磁势Fa
大 转 转
小
速 向
Fa
1.35 WKW 1 P
亦如图示方向。此时A相
Fa 出现在A相轴线上。
F
1
d轴 Ff
B轴
q轴
A轴
Fa
Y
C
A
X
NS
Z n1 B
C轴
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第11章 思考题与习题参考答案
11.1 同步发电机感应电动势的频率和转速有什么关系? 在频率为50H Z 时，极数和转速有什么关系？ 答:频率与转速的关系为：60
pn f = 当频率为Hz 50时，30005060=×=pn 。
11.2 为什么汽轮发电机采用隐极式转子，水轮发电机采用凸极式转子？
答：汽轮发电机磁极对数少（通常p =1），转速高，为了提高转子机械强度，降低转子离心力，所以采用细而长的隐极式转子；水轮发电机磁极对数多,转速低，所以采用短而粗的凸极式转子。
11.3 试比较同步发电机与异步电动机结构上的主要异同点。
答：同步发电机和异步电动机的定子结构相同，都由定子铁心、定子三相对称绕组、机座和端盖等主要部件组成。
但这两种电机的转子结构却不同，同步发电机的转子由磁极铁心和励磁绕组组成，励磁绕组外加直流电流产生恒定的转子磁场。
转子铁心又分为隐极式和凸极式两种不同结构。
异步电动机的转子分为笼型和绕线型两种结构形式，转子绕组中的电流及转子磁场是依靠定子磁场感应而产生的，故也称为感应电动机。
11.4 一台汽轮发电机，极数22=p ，
MW 300=N P ，kV 18=N U ，85.0cos =N ϕ，Hz 50=N f ，试求：（1）发电机的额定电流；（2）发电机额定运行时的有功功率和无功功率。
解：（1）A U P I N N N
N 6.1132085.010********cos 336=××××==ϕ
（2）MW P N 300= MVA P S N N N 94.35285.0/300cos /===ϕ
var 186527.094.352sin M S Q N N N =×==ϕ
11.5一台水轮发电机，极数402=p ，MW 100=N P ，kV 813.U N =，9.0cos =N ϕ，Hz 50=N f ，求：（1）发电机的额定电流；（2）发电机额定运行时的有功功率和无功功率；（3）发电机的转速。
解：（1）A U P I N N N
N 553.46489.0108.13310100cos 336=××××==ϕ
（2）MW P N 100= MVA P S N N N 11.1119.0/100cos /===ϕ
var 44.48436.011.111sin M S Q N N N =×==ϕ
（3）min /15020
506060r p f n N =×== 第11章 自测题参考答案
一、填空题
1. 三相对称、直流；
2. 3000、3600；
3. 隐极、凸极；
4. 2、3000；
5. 转子转向、改变；
6. 旋转磁极、旋转电枢；
7.旋转磁极、旋转电枢；
8. 转子、定子磁场；
9. 相同、相同；
10. 笼型转子、抑制转子机械震荡
二、选择题
1.④
2.④
3.②
4.④
5.③
三、简答题
1. 答:同步发电机定子铁心槽内安放着空间相差D 120的电角度的三相对称绕组。
转子由磁极铁心和励磁绕组组成。
当励磁绕组通入直流电流后，建立恒定的转子磁场。
转子由原动机拖动以转速n 匀速旋转时，转子磁场切割定子三相对称绕组，在三相绕组中产生三相对称的电动势。
2. 答：励磁方式分为：
1）直流励磁机励磁系统：其优点是结构简单，直接获得直流电压；缺点是高转速、大容量的直流励磁机在制造和运行维护方面都存在一些困难，所以大容量汽轮发电机难以采用同轴直流励磁机励磁系统。
2）静止半导体励磁系统：其优点是运行、维护方便，由于取消了直流励磁机，使励磁容量得以提高；缺点是励磁电流通过电刷和滑环引入励磁绕组，当励磁电流过大时，将使滑环产生高温而极易损坏。
3）旋转半导体励磁系统：其优点是主励磁机实现了无刷化，避免了流经大电流的滑动接触，提高了电机运行的可靠性；缺点是转动部分的电压、电流难以测量，转子绕组保护比较困难。
四、计算题
解：（1）A U P I N N N
N 82.458.0103.6310400cos 333=××××==ϕ
（2）kW P N 400=
var 30075.0400k tg P Q N N N =×==ϕ。