第6章 同步电机一,同步电机和异步电机的区别
①转子绕组结构感应电机,三相双层叠绕组或其他交流绕组笼式绕组,构成闭合回路同步电机,多为同心式绕组，外接直电源
②转子转速和同步转速的关系
③绕组中的电流
④气隙大小的差别电机的转子转速和定子电流的频率有固定不变的关系。
即转速恒等于同步转速。
同步电机气隙大；
感应电机气隙小什么是同步电机？
m
sin
a
BB tω=
sin
sin
ca m
cm
eBlvBlv t
Et
ω
ω
==
=
? 转子转速为 n时，定子的导体感应交流电动势。
二、同步电机的运行原理
?当励磁绕组通以直流电之后，建立恒定的正弦磁场
60
s
pn
f =
m
m
m
sin
sin( 120 )
sin( 240 )
OA
OB
OB
eE t
eE t
eE t
ω
ω
ω
=
=?°
°
? 电动势的频率为：
? 三相对称电动势为：
三.同步电机的用途
1,同步电机主要用作 发电机 运行，把机械能转化成电能。
向电网发出交流电，是同步电机最主要的运行方式
2,同步电动机 可以通过调节励磁电流来改善电网的功率因数。在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用
3,同步补偿机 实际是一台接在交流电网上空载的同步电动机，电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目。
四.同步电机的分类
{
旋转磁极式旋转电枢式同步发电机同步电动机同步调相机
①按运行方式和功转换方向
②按结构汽轮发电机水轮发电机柴油发电机燃汽轮发电机风力发电机隐极机凸极机
③磁极的形状
{
四.同步电机的分类
④原动机汽轮发电机 ——转速高、离心力大(p=1,p=2) ——隐极式四.同步电机的分类水轮发电机 ——转速低、极数多 ——凸极式四.同步电机的分类
6.1.1 同步电机的结构一、隐极同步发电机的基本结构
线棒换位定子电流较大，每槽一般只嵌放两个有效导体 (线棒 )，为减少涡流损耗，每根导体常由多股截面为 15mm2以下的扁铜线并联而成，而有进行编织换位。
汽轮发电机转子铁心的铣槽
二、水轮发电机结构
(1)立式水轮发电机 (2)卧式水轮发电机
(3)灯泡贯流式水轮发电机
10000kW水轮机转子左江24MW发电机转子在吊装三峡左岸水电站转子的安装水轮发电机模型三峡左岸电站发电机简介三峡左岸水电站共安装额定容量700MW的水轮发电机组14台，总装机容量为9800MW。其中
a,1#、2#、3#、7#、8#、9#为德国伏伊特水电集团公司、德国西门子公司、通用电气加拿大国际公司三家联营体，简称VGS生产制造；
b,4#、5#、6#、10#、11#、12#、13#、14#为
ALSTOM公司生产制造左岸发电机简介
?三峡左岸电站水轮发电机组为混流式，采用立轴半伞式三导轴承结构，下导与推力采用推导联合轴承。
?机组额定转速 75r/min，额定工作水头为 80.6m。
?发电机冷却方式采用半水冷，即定子绕组采用直接水冷，定子铁芯和转子绕组采用空冷的发电机。
?发电机与主变连接采用联合单元接线，发电机出口不设断路器，发电机中性点通过接地变压器接地。
?机组制动采用电气 /机械制动的方式。
三峡左岸发电机技术参数
2.031.35单相对地电容（ uf）9
55每相支路数8
7575额定转速（ r/min）7
5050额定频率（ HZ）6
0.90.9额定功率因数5
22453.822453.8额定电流（ A）4
2020额定电压（ KV）3
840840最大容量（ MVA）2
777.8777.8额定容量（ MVA）1
VGSALSTOM技术名称序号发电机各主要部件尺寸
3143000Kg3459000Kg发电机总重量7
18433mm18757mm转子带磁极直径6
32mm31.5mm静止时的气隙尺寸5
3130mm2850mm定子铁芯高度4
18500mm18800mm定子铁芯内径3
19310mm19690mm定子铁芯外径2
20900mm
ALSTOM
21420mm
VGS
定子直径1
项目序号发电机定子总装配
ALSTOM发电机
ù ALSTOM 发电机定子是由定子机座、定子铁芯和定子绕组等主要部件组成。
? 定子机座由定子铁芯支撑环,20
个垂直的斜元件、
垂直筋板以及机座外壁等组成。
机座分 6瓣，现场组装发电机定子总装配
定子铁芯由硅钢片、齿压板、
压指、压紧螺栓等组成。 硅钢片厚度为 0.5mm，两面均涂有 F级绝缘漆，叠成总高度为 3130mm，共 46段叠片堆,47个通风槽；铁芯拉紧螺栓位于铁芯叠片中部，用绝缘套管与铁芯叠片绝缘，
与传统的位于铁芯叠片尾部相比拉紧效果好，有利于防止叠片翘曲变形和运行过程中松动 。
定子绕组设计为三相双层波形绕组，
每相5支路并联，
共1080根罗贝尔线棒组成。绕组轮换数为1—8—
14，每极每相槽数为9/4，节距为
13
发电机定子总装配发电机定子总装配发电机定子总装配
VGS发电机
?vgs 发电机定子是由定子机座、定子铁芯和定子绕组等主要部件组成 。
?定子机座分 3瓣，现场组装
?定子铁芯由硅钢片、齿压板、压指、压紧螺栓等组成。
硅钢片厚度为 0.5mm，两面均涂厚度为 7.5μ mF级绝缘漆，叠成总高度为 3130mm，共 52段叠片堆,55个通风槽；铁芯拉紧螺栓位于铁芯叠片与定子机座之间 。
?定子绕组设计为三相双层波形绕组，每相 5支路并联，
共 1020根罗贝尔线棒组成。
发电机定子总装配
VGS
发电机定子铁芯发电机定子总装配发电机定子绕组发电机转子
? VGS
和
ALSTOM
发电机的转子采用无轴结构，由转子支架（包括转子中心体和支臂部分）,磁轭和磁极等部件构成。转 子支架为圆盘式结构，在工地进行组装焊接，且 设有足够数量的孔洞，以满足发电机通风的要求 和具有良好的导风性能；磁轭由高强度经钝化处 理的冷轧薄钢板组装成的坚实结构；磁极包括磁极铁心磁极绕组和阻尼绕组。
发电机转子
VGS
发电机转子发电机转子
Insulating
frames of
fiber
glass
Pole winding
brace
Pole
clamping
type T-
dovetail
Steel
frame to
clamp the
pole
winding
Pole
winding
terminals
Pole
winding
发电机转子
?发电机转子励磁电气特性和数据励磁绕组对地电容励磁绕组 90℃时的电阻励磁绕组绝缘的最高耐压 (直流 )
额定负荷下的励磁电流空载励磁电流最大负荷及功率因数为 0.9下励磁电压额定励磁电压项目
2.6 μF
0.0964 Ω
5000V
3779A
2190A
380V
364V
VGS
0.55μF
7
0.107Ω
6
8000V
5
3917A
4
2233A
3
473V
2
447V
1
ALSTO
M
序号
6.1.2 同步电机的励磁系统
1.基本概念
2.励磁的要求
3.励磁方式
4.几种励磁系统
1,基本概念
a) 励磁方式 ——同步电机获取 直流 励磁电流的方式
b) 励磁系统 ——供结励磁电流的整个系统，包括装置和线路：
励磁机励磁调节器（手动、自动）
灭磁装置
2,对励磁系统的要求
a) 正常运行时，供结励磁电流
b) 为维持端电压或电网电压值，随负载情况变化，
励磁 电流能相应 调节
c) 当系统电压严重下降时（如发生短路故障等），
能 强行励磁 提高电势，保持电压稳定
d) 突然丢负荷时，如水轮机组转速明显升高，能 强行减磁,限制端电压过度增高。
2,对励磁系统的要求
e) 当电机内部发生短路故障时，能快速 灭磁 和减磁，
以减小故障的损坏程度。
f) 对两台以上并列运行发电机，能 成组 调节无功功率,使无功合理分配。
g) 其他：反映迅速，运行可靠，结构简单，损耗小，
成本低，体积小等
3.强励指标正常工作电压强励时顶值电压强励倍数 =K
正常工作电压内增长电压电压上升速度
s
v
5.0
=
一般值,K=1.5-2,v=0.5-1.0
a) 励磁电流增长幅度
b) 励磁电流增长速度
4.励磁方式
a) 它励由另外电源供电,直流发电机，带整流的交流发电机运动方式——同轴，独立工作
b) 自励自并励，自复励，谐波绕组励
（1）直流励磁机励磁直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或者他励接法，或采用负载电流反馈的复式励磁。
采用他励接法时，励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。
（2） 交流励磁机静止整流励磁
a) 同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。
b) 副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励(有时采用永磁发电机)。
c) 副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机
d) 主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。
在中小型同步发电机中，也可采用自励式整流系统它励式交流励磁机旋转整流系统静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大容量的同步发电机，其励磁电流达到数千安培，使得集电环严重过热。
在大容量的同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统。
主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机,旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，
直接送到主发电机的转子励磁绕组 。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置—— 无刷励磁系统 。
6.1.3 冷却问题在中、小型电机中，都采用空气作为冷却介质。
当电机的容量很大时，电机内部的损耗及发热量迅速增加，冷却问题显得格外重要，此时必须加强通风或采用其他的冷却方式。
在大型汽轮发电机中，为了提高其冷却效率，往往用氢气冷却，但氢气与空气混合后，有爆炸危险，
必须有一套控制设备来保证外界空气不会渗入到电机内部。
目前在更大容量的发电机中，可以采用导线内部直接冷却。例如采用空心导体，冷却介质直接在导体中流通而把热量带走，这样能更有效地降低电机的温升。所采用的冷却介质一般有氢气 及水等。
6.1.4 同步电机的额定值同步电机的额定值有：
1,额定电压：是指在正常运行时，按照制造厂的规定，定子三相绕组上的 线电压 。电压的单位用V或
kV表示。
2,额定电流：流过定子绕组的线电流 。
3,额定功率：是指在正常运行时，电机的 输出功率 。
A：对于发电机而言：输出的是电功率。
3cos
NNNN
PUI?=
3cos
NNN N
PUIη?=
B：对于电动机而言：输出的是机械功率。
4,相数m：一般m=3。
5,额定频率:我国额定工业频率规定 f
N
=50Hz.
6,额定转速：额定转速即为电机的同步速，在一定极数及频率时，它的转速是定值。
7,额定励磁电压
8,额定励磁电流
①转子绕组结构感应电机,三相双层叠绕组或其他交流绕组笼式绕组,构成闭合回路同步电机,多为同心式绕组，外接直电源
②转子转速和同步转速的关系
③绕组中的电流
④气隙大小的差别电机的转子转速和定子电流的频率有固定不变的关系。
即转速恒等于同步转速。
同步电机气隙大；
感应电机气隙小什么是同步电机？
m
sin
a
BB tω=
sin
sin
ca m
cm
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Et
ω
ω
==
=
? 转子转速为 n时，定子的导体感应交流电动势。
二、同步电机的运行原理
?当励磁绕组通以直流电之后，建立恒定的正弦磁场
60
s
pn
f =
m
m
m
sin
sin( 120 )
sin( 240 )
OA
OB
OB
eE t
eE t
eE t
ω
ω
ω
=
=?°
°
? 电动势的频率为：
? 三相对称电动势为：
三.同步电机的用途
1,同步电机主要用作 发电机 运行，把机械能转化成电能。
向电网发出交流电，是同步电机最主要的运行方式
2,同步电动机 可以通过调节励磁电流来改善电网的功率因数。在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用
3,同步补偿机 实际是一台接在交流电网上空载的同步电动机，电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目。
四.同步电机的分类
{
旋转磁极式旋转电枢式同步发电机同步电动机同步调相机
①按运行方式和功转换方向
②按结构汽轮发电机水轮发电机柴油发电机燃汽轮发电机风力发电机隐极机凸极机
③磁极的形状
{
四.同步电机的分类
④原动机汽轮发电机 ——转速高、离心力大(p=1,p=2) ——隐极式四.同步电机的分类水轮发电机 ——转速低、极数多 ——凸极式四.同步电机的分类
6.1.1 同步电机的结构一、隐极同步发电机的基本结构
线棒换位定子电流较大，每槽一般只嵌放两个有效导体 (线棒 )，为减少涡流损耗，每根导体常由多股截面为 15mm2以下的扁铜线并联而成，而有进行编织换位。
汽轮发电机转子铁心的铣槽
二、水轮发电机结构
(1)立式水轮发电机 (2)卧式水轮发电机
(3)灯泡贯流式水轮发电机
10000kW水轮机转子左江24MW发电机转子在吊装三峡左岸水电站转子的安装水轮发电机模型三峡左岸电站发电机简介三峡左岸水电站共安装额定容量700MW的水轮发电机组14台，总装机容量为9800MW。其中
a,1#、2#、3#、7#、8#、9#为德国伏伊特水电集团公司、德国西门子公司、通用电气加拿大国际公司三家联营体，简称VGS生产制造；
b,4#、5#、6#、10#、11#、12#、13#、14#为
ALSTOM公司生产制造左岸发电机简介
?三峡左岸电站水轮发电机组为混流式，采用立轴半伞式三导轴承结构，下导与推力采用推导联合轴承。
?机组额定转速 75r/min，额定工作水头为 80.6m。
?发电机冷却方式采用半水冷，即定子绕组采用直接水冷，定子铁芯和转子绕组采用空冷的发电机。
?发电机与主变连接采用联合单元接线，发电机出口不设断路器，发电机中性点通过接地变压器接地。
?机组制动采用电气 /机械制动的方式。
三峡左岸发电机技术参数
2.031.35单相对地电容（ uf）9
55每相支路数8
7575额定转速（ r/min）7
5050额定频率（ HZ）6
0.90.9额定功率因数5
22453.822453.8额定电流（ A）4
2020额定电压（ KV）3
840840最大容量（ MVA）2
777.8777.8额定容量（ MVA）1
VGSALSTOM技术名称序号发电机各主要部件尺寸
3143000Kg3459000Kg发电机总重量7
18433mm18757mm转子带磁极直径6
32mm31.5mm静止时的气隙尺寸5
3130mm2850mm定子铁芯高度4
18500mm18800mm定子铁芯内径3
19310mm19690mm定子铁芯外径2
20900mm
ALSTOM
21420mm
VGS
定子直径1
项目序号发电机定子总装配
ALSTOM发电机
ù ALSTOM 发电机定子是由定子机座、定子铁芯和定子绕组等主要部件组成。
? 定子机座由定子铁芯支撑环,20
个垂直的斜元件、
垂直筋板以及机座外壁等组成。
机座分 6瓣，现场组装发电机定子总装配
定子铁芯由硅钢片、齿压板、
压指、压紧螺栓等组成。 硅钢片厚度为 0.5mm，两面均涂有 F级绝缘漆，叠成总高度为 3130mm，共 46段叠片堆,47个通风槽；铁芯拉紧螺栓位于铁芯叠片中部，用绝缘套管与铁芯叠片绝缘，
与传统的位于铁芯叠片尾部相比拉紧效果好，有利于防止叠片翘曲变形和运行过程中松动 。
定子绕组设计为三相双层波形绕组，
每相5支路并联，
共1080根罗贝尔线棒组成。绕组轮换数为1—8—
14，每极每相槽数为9/4，节距为
13
发电机定子总装配发电机定子总装配发电机定子总装配
VGS发电机
?vgs 发电机定子是由定子机座、定子铁芯和定子绕组等主要部件组成 。
?定子机座分 3瓣，现场组装
?定子铁芯由硅钢片、齿压板、压指、压紧螺栓等组成。
硅钢片厚度为 0.5mm，两面均涂厚度为 7.5μ mF级绝缘漆，叠成总高度为 3130mm，共 52段叠片堆,55个通风槽；铁芯拉紧螺栓位于铁芯叠片与定子机座之间 。
?定子绕组设计为三相双层波形绕组，每相 5支路并联，
共 1020根罗贝尔线棒组成。
发电机定子总装配
VGS
发电机定子铁芯发电机定子总装配发电机定子绕组发电机转子
? VGS
和
ALSTOM
发电机的转子采用无轴结构，由转子支架（包括转子中心体和支臂部分）,磁轭和磁极等部件构成。转 子支架为圆盘式结构，在工地进行组装焊接，且 设有足够数量的孔洞，以满足发电机通风的要求 和具有良好的导风性能；磁轭由高强度经钝化处 理的冷轧薄钢板组装成的坚实结构；磁极包括磁极铁心磁极绕组和阻尼绕组。
发电机转子
VGS
发电机转子发电机转子
Insulating
frames of
fiber
glass
Pole winding
brace
Pole
clamping
type T-
dovetail
Steel
frame to
clamp the
pole
winding
Pole
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terminals
Pole
winding
发电机转子
?发电机转子励磁电气特性和数据励磁绕组对地电容励磁绕组 90℃时的电阻励磁绕组绝缘的最高耐压 (直流 )
额定负荷下的励磁电流空载励磁电流最大负荷及功率因数为 0.9下励磁电压额定励磁电压项目
2.6 μF
0.0964 Ω
5000V
3779A
2190A
380V
364V
VGS
0.55μF
7
0.107Ω
6
8000V
5
3917A
4
2233A
3
473V
2
447V
1
ALSTO
M
序号
6.1.2 同步电机的励磁系统
1.基本概念
2.励磁的要求
3.励磁方式
4.几种励磁系统
1,基本概念
a) 励磁方式 ——同步电机获取 直流 励磁电流的方式
b) 励磁系统 ——供结励磁电流的整个系统，包括装置和线路：
励磁机励磁调节器（手动、自动）
灭磁装置
2,对励磁系统的要求
a) 正常运行时，供结励磁电流
b) 为维持端电压或电网电压值，随负载情况变化，
励磁 电流能相应 调节
c) 当系统电压严重下降时（如发生短路故障等），
能 强行励磁 提高电势，保持电压稳定
d) 突然丢负荷时，如水轮机组转速明显升高，能 强行减磁,限制端电压过度增高。
2,对励磁系统的要求
e) 当电机内部发生短路故障时，能快速 灭磁 和减磁，
以减小故障的损坏程度。
f) 对两台以上并列运行发电机，能 成组 调节无功功率,使无功合理分配。
g) 其他：反映迅速，运行可靠，结构简单，损耗小，
成本低，体积小等
3.强励指标正常工作电压强励时顶值电压强励倍数 =K
正常工作电压内增长电压电压上升速度
s
v
5.0
=
一般值,K=1.5-2,v=0.5-1.0
a) 励磁电流增长幅度
b) 励磁电流增长速度
4.励磁方式
a) 它励由另外电源供电,直流发电机，带整流的交流发电机运动方式——同轴，独立工作
b) 自励自并励，自复励，谐波绕组励
（1）直流励磁机励磁直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或者他励接法，或采用负载电流反馈的复式励磁。
采用他励接法时，励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。
（2） 交流励磁机静止整流励磁
a) 同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。
b) 副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励(有时采用永磁发电机)。
c) 副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机
d) 主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。
在中小型同步发电机中，也可采用自励式整流系统它励式交流励磁机旋转整流系统静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大容量的同步发电机，其励磁电流达到数千安培，使得集电环严重过热。
在大容量的同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统。
主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机,旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，
直接送到主发电机的转子励磁绕组 。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置—— 无刷励磁系统 。
6.1.3 冷却问题在中、小型电机中，都采用空气作为冷却介质。
当电机的容量很大时，电机内部的损耗及发热量迅速增加，冷却问题显得格外重要，此时必须加强通风或采用其他的冷却方式。
在大型汽轮发电机中，为了提高其冷却效率，往往用氢气冷却，但氢气与空气混合后，有爆炸危险，
必须有一套控制设备来保证外界空气不会渗入到电机内部。
目前在更大容量的发电机中，可以采用导线内部直接冷却。例如采用空心导体，冷却介质直接在导体中流通而把热量带走，这样能更有效地降低电机的温升。所采用的冷却介质一般有氢气 及水等。
6.1.4 同步电机的额定值同步电机的额定值有：
1,额定电压：是指在正常运行时，按照制造厂的规定，定子三相绕组上的 线电压 。电压的单位用V或
kV表示。
2,额定电流：流过定子绕组的线电流 。
3,额定功率：是指在正常运行时，电机的 输出功率 。
A：对于发电机而言：输出的是电功率。
3cos
NNNN
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3cos
NNN N
PUIη?=
B：对于电动机而言：输出的是机械功率。
4,相数m：一般m=3。
5,额定频率:我国额定工业频率规定 f
N
=50Hz.
6,额定转速：额定转速即为电机的同步速，在一定极数及频率时，它的转速是定值。
7,额定励磁电压
8,额定励磁电流
