同步电机的基本结构和运行状态

6.1 同步电机的基本结构和运行状态 一、同步电机的基本结构 依据结构型式，同步电机可以分为旋转电枢式和旋转磁极式两类。 旋转电枢式电枢装设在转子上，主磁极装设在定子上。这种结构在小容量同步电机中得到肯定的应用。 旋转磁极式主磁极装设在转子上，电枢装设在定子上。对于高压、大容量的同步电机，通常采纳旋转磁极式结构。由于励磁部分的容量和电压常较电枢小得多，电刷和集电环的负载就大为减轻，工作条件得以改善。目前，旋转磁极式结构已成为中、大型同步电机的基本结构型式。 在旋转磁极式电机中，依据主极的形态，又可分成隐极式和凸极式，如图6-l所示。 隐极式转于做成圆柱形，气隙为匀称； 凸极式转子有明显的凸出的磁极，气隙为不匀称。 对于高速的同步电机3000r／min．从转子机械强度和妥当地固定励磁绕组考虑，采纳励磁绕组分布于转子表面槽内的隐极式结构较为牢靠．对于低速电机1000r／min及以下，转子的离心力较小，故采纳制造简洁、励磁绕组集中安放的凸极式结构较为合理。大型同步发电机通常采纳汽柁机或水轮机作为原动机来拖动，前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。由于汽轮机是一种高速原动机，所以汽轮发电机一般采纳隐极式结构。水轮机则是一种低速原动机，所以水轮发电机一般都是凸极式结构。同步电动机、由内燃机拖动的同步发电机以及同步补偿机．大多做成凸极式，少数两极的高速同步电动机亦有做成隐极式的。 l 隐极同步电机 以汽轮发电机为例来说明隐极同步电机的结构。现代的汽轮发电机一般都是两极的，同步转速为3000r／min对50Hz的电机。由于转速高，所以汽轮发电机的直径较小，长度较长．汽轮发电机均为卧式结构，图62表示一台汽轮发电机的外形图。汽轮发电机的定子由定子铁心、定于绕组、机座、端盖等部件组成。定子铁心一般用厚o．5mm的DR360硅钢片叠成，每叠厚度为36cm，叠与叠之间留有宽0.8～lcm的通风槽。整个铁心用非磁性压板压紧．固定在机座上。 图63 汽轮发电机的转子 图62汽轮发电机的外形图 大容量汽轮发电机的转子周速可达170180m/s。由于周速高，转子受到极大的机械应力，因此转子一般都用整块具有良好导磁性的高强度合金钢锻成．沿转子表面约2／3部分铣有轴向凹槽，励磁绕组就嵌放在这些槽里；不开槽的部分组成一个“大齿”，嵌线部分和大齿一起构成了主磁极图6-la。为把励磁绕组牢靠地固定在转子上，转子槽楔采纳非磁性的金属槽楔，端部套上用高强度非磁性钢段成的护环。图6-3表示一台嵌完线的汽轮发电机的转子。 由于汽轮发电机的机身比较瘦长，转子和电机中部的通风比较困难．所以良好的通风、冷却系统城对汽轮发电机特别重要。 l 凸极同步电机 凸极同步电机通常分为卧式横式和立式两种结构。绝大部分同步电动机、同步补偿机和用内燃机或冲击式水轮机拖动的同步发电机都采纳卧式结构。低速、大容量的水轮发电机和大型水泵电动机则采纳立式结构。 图64 凸极同步电动机的转子 卧式同步电机的定子结构与感应电机基本相同，定子亦由机座、铁心和定子绕组δδδδ等部件组成；转子则由主磁极、磁轭、励磁绕组、集电环和转轴等部件组成。图64表示一台已经装配好的凸极同步电动机的转子。 大型水轮发电机通常都是立式结构。由于它的转速低、极数多，要求转动惯量大。故其特点是直径大、长度短。在立式水轮发电机中，整个机组转动部分的重量以及作用在水轮机转子上的水推力均由推力轴承支撑，并通过机架传递到地基上，如图65所示。图66表示一台大型水轮发电机的分瓣定子。 除励磁绕组外，同步电机的转子上还常装有阻尼绕组。阻尼绕组与笼型感应电机转子的笼形绕组结构相像，它由插入主极极靴槽中的铜条和两端的端环焊成一个闭合绕组。在同步发电机中，阻尼绕组起抑制转子转速振荡的作用；在同步电动机和补偿 图66大型水轮发电机的分瓣定子 图65 立式水轮发电机示意图 机中，主要作为起动绕组用。 二、同步电机的运行状态 当同步电机的定子电枢绕组中通过对称的三相电流时．定子将产生一个以同步转速推移的旋转磁场。稳态状况下，转子转速亦是同步转速，于是定子旋转磁场恒与直流励磁的转子主极磁场保持相对静止，它们之间相互作用并产生电磁转矩．进行能量转换。同步电机有三种运行状态发电机、电动机和补偿机。发电机把机械能转换为电能，电动机把电能转换为机械能，补偿机中没有有功功率的转换，特地发出或汲取无功功率、调整电网的功率因数。 分析表明，同步电机运行于哪一种状态．主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角δ，δ称为功率角。 若转子主磁场超前于定子合成磁场，δ0，此时转于上将受到一个与其旋转方向相反的制动性质的电磁转矩，如图67a所示。为使转子能以同步转速持续旋转．转子必需从原动机输入驱动转矩。此时转子输入机械功率，定子绕组向电网或负载输出电功率，电机作发电机运行。 若转子主磁场与定子合成磁场的轴线重合，δ＝0，则电磁转矩为零，如图67b所示。此时电机内没有有功功率的转换，电机处于补偿机状态或空载状态。 若转子主磁场滞后于定子合成磁场，δ0，则转子上将受到一个与其转向相同的驱动性质的电磁转矩，如图67c所示。此时定子从电网汲取电功率，转子可拖动负载而输出机械功率，电机作为电动机运行。 三、同步电机的励磁方式 供应同步电机励磁的装置，称为励磁系统。下面对它作一简介。 直流励磁机励磁 直流励磁机通常与同步发电机同轴，井采纳并励或他励接法。他励时，励磁机的励磁由另一台与主励磁机同轴的副励磁机供应，如图68所示。为使同步发电机的输出电压保持恒定，常在励磁电路中加进一个反映负载大小的自动调整系统，使发电机的负载电流增加时，励碰电流相应地增大．这样的系统称为复式励磁系统。 整流器励磁 整流器励磁又分为静止式和旋转式两种。 图6-9表示静止整流器励磁系统的原理图。田中主励磁机是一台与同步发电机同轴连接的三相100Hz发电机，其沟通输出经静止三相桥式不行控整流器整流后，通过集电环接到主发电机的励磁绕组，供应其直流励磁；主励磁机的励磁由沟通副励磁机发出的沟通电经静止可控整流器整流后供应。副励磁机是一台中频三相同步发电机有时采纳永磁发电机，它也与主发电机同轴连接。副励磁机的励磁，起先时由外部直流电源供应，待电压建起后再转为自励。依据主发电机端电压的偏差和负载大小，通过电压调整器对主励磁机的励磁进行调整，即可实现对主发电机励磁的自动调整。 由于取消了直流励磁机，这种励磁系统维护便利，励磁容量得以提高，因而在大容量汽轮发电机中获得广泛的应用。 当励磁电流超过2000A时，为避开集电环的过热，可采纳取消集电环的旋转整流器励磁系统。此系统的主励磁机是与主发电机同轴连接的旋转电枢式三相同步发电机，电枢的沟通输出经与主轴一起旋转的不行控整流器整流后，干脆送到主发电机的转子励磁绕组，供应其励磁。因为主励磁机的电枢，整流装置与主发电机的励磁绕组三者为同轴旋转，不再须要