同步电机的结构和运行原理

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原文来源于《电机学》，本书由潘再平、章玮、陈敏祥合作编写

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同步电机是交流电机的一种。普通同步电机与异步电机的根本区别是转子侧（特殊结构时也可以是定子侧）装有磁极并通入直流电流励磁，因而具有确定的极性。由于定、转子磁场相对静止及气隙合成磁场恒定是所有旋转电机稳定实现机电能量转换的两个前提条件，因此，同步电机的运行特点是转子的旋转速度必须与定子磁场的旋转速度严格同步。如果定子侧旋转磁场的交流电流频率为f，电机的极对数为P，则同步电机转速n与电流频率和极对数的关系为

同步电机主要用作发电机，全世界的发电量几乎全部是由同步发电机发出。同步电机也可用作恒速的电动机，虽然其结构较异步电机复杂，但它可以运作在功率因数等于1或超前的功率因数下以改善电网的功率因数。此外还有一种同步调相机，实质上是不接机械负载的空载同步电动机，其目的是从电网吸取超前无功功率来补偿其它电力用户从电网吸取的滞后无功功率。

一、同步电机的原理和结构

1.同步电机的基本构造型式

同步电机可分为旋转电枢式和旋转磁极式两种。旋转电枢式如图6-1（c）所示，励磁绕组在定子上，电枢绕组在转子上。由于转动着的电枢绕组要通过滑动接触才能输出或输入电能，对于大容量电能则存在着诸多制约条件，因此旋转电枢式结构只适用于小容量同步电机中。旋转磁极式是同步电机的基本结构形式。在旋转磁极式中，又可分为隐极式和凸极式两种。隐极式结构如图6-1（a）所示，气隙均匀，转子机械强度高，直流励磁嵌放在槽中，两个大齿分别形成N、S极，适用于少极高速的同步电机，汽轮发电机都采用隐极式结构。凸极式结构如图6-1（b）所示，气隙不均匀，构造简单，励磁绕组绕在磁极上通入直流电形成N、S极。但由于旋转时的空气阻力大，比较适合于多极中速或低速旋转场合，是水轮发电机的基本结构型式。下面分别以汽轮发电机和水轮发电机来介绍隐极同步电机和凸极同步电机。

图6-1　同步电机结构的主要类型

1.隐极式同步电机

隐极式转子适合于高速旋转，而提高转速可以提高发电机组的效率、减小尺寸并降低造价，因此汽轮发电机大多做成具有最高同步速的两极结构。由于转速高、离心力巨大，汽轮发电机的外形必然细长。现代汽轮发电机转子长度与直径之比l/D=2.5~6.5，容量越大比值越大。图6-2为一台330MW汽轮发电机转子的实物照片。

图6-2 330MW汽轮发电机转子

汽轮发电机的主要结构部件有定子、转子、端部和轴承等。

（1）定子

定子由铁芯、绕组、机座以及固定这些部件的结构件组成。图6-3为汽轮发电机定子铁心的照片。

图6-3 330MW汽轮发电机定子铁心

定子铁芯一般采用0.5mm的含硅量较高的无取向冷轧硅钢片（如D41）叠成，每叠厚度约3～6cm，各叠之间有10mm的通风沟，整个铁芯用拉紧螺杆或非磁性压板压紧后固定在定子机座上。

定子机座用钢板焊成，它除了支撑铁芯外还构成所需的通风路径。要求它有足够的钢度和强度。

定子绕组一般采用三相双层短距叠绕组。由于汽轮发电机容量较大，定子绕组选用较高线电压，一般取6.3、10.5和13.8kV。为了限制电流密度，绕组导体的截面积都比较大，为了减少涡流损耗，每根导体由多股截面为15mm2以下的扁铜线并联组成，并且在槽内直线部分进行特殊的循环换位方式，使电流密度的分布趋于均匀。如图6-4所示。

图6-4定子绕组槽内换位方式

（2）转子

图6-5是两极空气冷却汽轮发电机转子结构示意图，可看出各部件结构和组装情况。由于高速下转子受到强大的离心力，故转子直径最多为1.5m。转子的主要部件有铁心、励磁绕组、护环、中心环和滑环等。

图6-5两极空气冷却汽轮发电机转子结构示意图

图6-6汽轮发电机转子结构

转子铁芯（也称转子本体）是汽轮发电机最关键的部件之一。既是转子磁极的主体也是巨大离心力的受体。因此要求它具有高导磁性能和高机械强度。转子铁芯一般采用整块的具有良好导磁性能的高强度合金钢锻件。并与转轴锻为一体。在转子铁芯表面，沿转子铁芯表面约2/3部分（对于每个半圆）铣出转子槽并嵌放转子绕组。不开槽的部分形成“大齿”，而大齿的中心线即为主极轴线。如图6-6所示。转子槽形一般采用开口槽。

励磁绕组由扁铜线绕成同心式线圈。各线匝之间垫有绝缘，线圈与槽壁之间用可靠的槽绝缘隔开。考虑承受高速旋转离心力的要求，在槽口嵌入非磁性低电阻率高强度的金属槽锲，如硬质铝合金和铝铁镍青铜。大容量汽轮发电机为了降低可能的不平衡运行时转子的发热，在每一槽楔与转子导体之间放置一条细长铜片，其两端接到转子两端的阻尼端环上形成一个短路绕组，称为阻尼绕组。

护环、中心环和滑环护环是一个厚壁的金属圆筒，共两只，用来保护励磁绕组的端部不会因离心力而甩出。中心环用来支持护环并阻止励磁绕组端部沿轴向移动。运行中护环的应力十分巨大，可达590N/mm2，因此要求采用高强度无磁性合金钢制成。滑环（也称集电环）装在转子轴上，用引线连通励磁绕组，并经电刷接到励磁电源。

端盖和轴承端盖将电机本体的两端封盖起来，并与机座、定子铁芯和转子一起构成电机内完整的通风系统。端盖通常用无磁性硅铝合金铸成。轴承需承受巨大的转子重量和离心力，采用油膜液体润滑的座式结构，并配有油循环系统。

2.凸极式同步电机

从支撑角度看，隐极式同步电机只有卧式结构，而凸极式同步电机有卧式和立式两类。大多数同步电动机、调相机以及内燃机拖动的发电机采用卧式结构，容量一般从几个千瓦到上万千瓦。低速、大型水轮发电机采用立式结构。

（1）卧式凸极同步电机结构

卧式凸极同步电机的定子结构与隐极同步电机或异步电机基本相同，但其绕组大都采用波绕组。其转子如图6-7所示。

1—转子支架；2—转子磁轭；3—滑环；

4—轴；5—励磁线圈; 6—阻尼绕组端环片；

7—阻尼绕组铜条；8—磁极铁心；9—磁极通风沟

图6-7　凸极同步电机转子的典型结构

转子由磁极、磁轭、励磁绕组、集电环、风扇和转轴等部件组成，并采用同轴的直流励磁机。磁极用1mm～3mm的钢板叠压而成，用铆钉沿轴向铆紧，两端用L形的钢压板以防止励磁绕组在离心力作用下甩出。磁轭可用铸钢，也可用冲片叠压。励磁绕组多数为同心式线圈套装结构。集电环用耐磨黄铜浇注（也可用青铜、磷青铜和钢制成），两个集电环与转轴间用玻璃酚醛作绝缘，经热压成为一个整体。当电机容量较大时，磁极中须装阻尼绕组以抑制转子的机械振荡，在同步电动机和调相机中作为起动绕组用。阻尼绕组和异步电机的笼形结构相似，由若干插在极靴槽中的钢条经两端环短接而成。

（2）立式凸极同步电机

水轮发电机由水轮机作为原动机拖动，水轮发电机转速较低，多数在每分钟几十转到一两百转的范围内，因此水轮发电机设计的磁极数较多，电机的铁芯外径较大而长度较小，它们的比值可达5～7或更大，呈扁平状。

在立式水轮发电机中，整个机组转动部分的重量和水流的轴向推力均由推力轴承负担，再通过机架传递到地基上，其总负荷可达数千吨。推力轴承是水轮发电机的一个关键部件。按照它的安放位置，立式水轮发电机可分为悬式和伞式两种结构，如图6-8所示。悬式的推力轴承装在转子上面，整个转子悬挂在上机架上；伞式的推力轴承装在转子下面，状如伞式。悬式机组运行较稳定，适用于高水头电站。对于转速在150r/min以下的低水头电站，多采用伞式结构，以降低厂房高度，节省投资。

1—上导轴承；2—上机架；

3—推力轴承；4—下导轴承；

5—下机架 图6-8

悬式和伞式水轮发电机的示意图

水轮发电机转子上的磁极、励磁绕组、磁轭和阻尼绕组等结构和卧式凸极同步电机相似。由于大容量水轮发电机直径很大，为了便于运输，通常将定子分成二、四或六瓣，分别制造好运到水电站后再拼装成一整体。又因转子外径很大而磁极和磁轭的径向尺寸有限，故在转轴和转子磁轭间增添了一个轮辐式支架作为过渡结构。

2.同步电动机的励磁方式

供给同步电机励磁电流的装置称为励磁系统。获得励磁电流的方式称为励磁方式。励磁系统的性能对电机运行有重大影响,励磁系统应满足的要求有：

（1）能够稳定地提供同步电机从空载到满载以及过载时所需的励磁电流；

（2）当电力系统发生故障而使电网电压下降时，励磁系统应能快速强行励磁，以提高系统的稳定性；

（3）当同步电机内部发生短路故障时，为迅速排除故障并使故障局限在最小范围内，应能快速灭磁；

（4）励磁系统能长期可靠地运行，维护要方便，且力求简单、经济。

目前采用的励磁系统可分为两大类：

a）直流发电机励磁系统;

b）通过整流装置将交流电流变为直流电流的励磁系统。

1.直流发电机励磁系统

直流发电机作为直流励磁机，直流励磁机与同步发电机同轴旋转，并采用并励接法。有时为了提高励磁系统的反应速度，并使励磁机在较低电压下也能稳定运行，直流励磁机也有采用他励接法。为了使同步发电机的输出电压保持恒定，常在励磁电流中加进反映发电机负载电流的反馈分量；当负载增加时，使励磁电流相应增大，以补偿电枢反应和漏抗压降的作用。

2.静止交流整流励磁系统

静止交流整流励磁系统分为自励式和他励式两种，见图6-9所示。

自励式原理图如图6-9（a）所示。可控硅整流桥供给发电机空载励磁，而当发电机带负载后，副励磁机又给发电机励磁绕组供给一路复励电流，从而对发电机随负载而变化的电压起自动调节作用。这种励磁系统便于维护，电压稳定度高、动态性能好，采用较多。

他励式原理图如图6-9（b）所示。此时主发电机轴上连结了一台交流励磁机（通常频率为100Hz）和一台中频副励磁机（多为400Hz，有时采用永磁发电机）。主励磁机的交流输出经静止的三相桥式不可控整流器整流后，通过集电环接到发电机的励磁绕组，以供给直流励磁，而主励磁机的励磁电流由交流副励磁机发出的交流电经静止的可控整流器整流后供给。副励磁机的励磁开始由外部直流电源供给，待电压建立后转为自励。自动电压调整根据主发电机端电压的偏差，对交流主励磁机的励磁进行调节，从而实现对主发电机励磁的自动调节。

图6-9(a)自励式静止半导体励磁系统原理图

图6-9（b）他励式静止半导体励磁系统原理图

3.旋转式交流整流励磁系统

静止式交流整流励磁系统去掉了直流励磁机的换向器，解决了换向火花的问题，但电刷和滑环依然存在。现代大容量发电机的励磁容量很大，当励磁电流超过2000A时，可引起集电环的严重过热。此时可采用旋转式交流整流励磁系统，其原理图如图6-10所示。此时采用转枢式同步发电机作为交流励磁机，并将整流器固定在转轴上一道旋转。这样将整流输出直接供给发电机的励磁绕组，不再需要集电环和电刷装置，构成无刷励磁系统。交流主励磁机的励磁，由同轴的交流副励磁机经静止的可控整流器整流后供给。发电机的励磁由电压调整器自动调节。该励磁系统大多用于大、中容量的汽轮发电机、补偿机以及特殊环境中工作的同步电动机。

图6-10旋转式交流整流励磁系统原理图

4.超导发电机

超导发电机是未来巨型汽轮发电机的一种很有前途的冷却方式，在超导状态下电机绕组的电阻损耗完全消失，彻底解决了电机的发热温升问题并大大提高了电机的效率。但是其中牵涉到很多关键技术问题，如强磁场、高电密、高温交流超导线材的制备等。

3.额定值

同步电机的额定值有：

（1）额定容量SN或额定功率PN同步电机的额定容量指出线端的额定视在功率，单位为kVA或MVA；而额定功率是指发电机输出的额定有功功率，或指电动机轴上输出的额定有效机械功率，单位为kW或MW。对于调相机用额定视在功率表示。

（2）额定电压UN指额定运行时定子的线电压，以V或kV为单位。

（3）额定电流IN指额定运行时定子的线电流，以A为单位。

（4）额定功率因数cosφN指额定运行时电机的功率因数。

（5）额定频率fN指额定运行时的频率。我国标准工频规定为50Hz。

（6）额定转速nN指同步电机的同步转速。

（7）额定效率ηN指额定运行时电机效率

综合上述定义，对三相交流发电机可得

(6-1)

对三相交流电动机来说，则为

(6-2)

除以上额定值外，电机铭牌上还常列出其它额定运行数据，例如额定负载时的温升、额定励磁容量、额定励磁电压和额定励磁电流等。（未完待续）