2.1.6 同步电机

同步电机和异步电机同属于交流电机，虽然这两类电机的运行性能有很大不同，但它们在定子电枢绕组结构及旋转磁场基本理论方面有着许多共同的地方。

同步电机与异步电机的区别是同步电机的转子转速n与电网频率f之间具有固定不变的关系。如果三相交流电机的转子转速n与定子电流的频率f满足n＝60f/p，这种电机就称为同步电机。而异步电机的转子转速n＜60f/p。

同步电机主要用来作为发电机运行。在现代电力系统中，无论是火力发电、水力发电、或是核能发电等，几乎全部采用同步发电机，以维持与电网频率一致，便于电力的生产与调度，同步发电机是各类发电厂的核心设备之一。

同步电机还可作为电动机使用，对不要求调速的大功率生产机械，常用同步电动机来驱动，如轧钢机、电力推进装置、空气压缩机，鼓风机和泵等。

同步电动机的最大优点是通过调节励磁电流可以方便地改变同步电动机的无功功率。过励时从电网吸收超前无功功率，欠励时从电网吸收滞后无功功率。

随着电力电子技术和计算机控制技术的不断发展，变频调速在同步电动机的调速系统中得以实现，它没有直流电机的机械换向器，用电子换向来代替，可以得到与直流电机同样的性能，但容量更大、电压和转速更高，使同步电动机的应用场合不断扩大。

同步电机还可以作为同步补偿机使用，它实际上是一台接于电网的空载运行的同步电动机，也称同步调相机，向电网发出感性或容性的无功功率，用以改善电网的功率因数。

1. 同步发电机工作原理

如图2-17所示，同步电机定子上，AX、BY、CZ三相绕组结构完全相同，互相对称，空间相隔120°电角度，转子上有磁极。如用原动机拖动发电机转子沿顺时针方向恒速旋转，则磁极的磁力线将依次切割定子绕组的导体，在定子导体中就会感应出交变电势；设主极磁场的磁密沿气隙圆周按正弦规律分布，则导体内电势也随时间按正弦规律变化。设A相电势的初相位为零，则三相电势的瞬时值为

当转子为一对磁极时，转子转一周，绕组中的感应电势正好交变一次，当电机中有p对磁极时，则转子转一周，绕组中的感应电势变化p次，而转子每分钟转n圈，因此电势的频率为f＝pn/60；如果作为电动机运行，则需在定子绕组中通过三相交流电流，就会在电机里产生旋转磁场，磁场转速为n1＝60f/p。这时转子绕组加上直流励磁，转子如同是磁铁，则转子将在定子旋转磁场的带动下，沿定子磁场的旋转方向以相同的转速旋转。转子的转速为n＝n1＝60f/p。

由此可见，同步电机无论作为发电机，或是作为电动机，当极对数一定时，转子的转速n与电网频率f之间具有固定不变的关系，电机专业的术语就是“同步”，转速n称为同步转速。我国的电力系统，规定交流电流的频率为50Hz。因此，当电机为一对磁极时，电机转速必定是3000r/min；电机为两对极时，电机转速必定是1500r/min，依次类推。

对同步电动机，若电网的频率不变，则其转速恒为常值而与负载的大小无关。

2. 同步电机结构

同步电机按运行方式可分为：发电机、电动机和调相机，已如上所述。按原动机类别可分为：汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。按冷却介质和冷却方式可分为：空气冷却，空气自然循环或风扇吹风强迫冷却；氢气冷却，与空气混合后有爆炸危险，需密封系统；水冷，水通过冷凝器及进、出水管循环；混合冷却，例如，定子用水内冷，转子也用水内冷，铁心用空气冷却，简称水—水—空冷却，也有用水—水—氢或水—氢—氢冷却的。

按结构形式，同步电机又可分为：旋转电枢式和旋转磁极式。旋转电枢式主要应用于小容量同步电机中；旋转磁极式应用比较广泛，并成为大中型同步电机的基本结构形式。旋转磁极式同步电机又有隐极、凸极之分。

按同步电机的磁路结构，还有感应子式、爪极式、磁阻式及永磁式等多种类型，感应子式用于中频发电机，爪极式主要用于车辆交流发电机与中频发电机，磁阻式主要适合于驱动与控制用小功率电动机。

世界上第一台电机就是永磁电机，但是早期的永磁材料磁性能很差，致使永磁电机体积很大，非常笨重，因而很快就为电励磁式电机所取代。近年来，随着稀土永磁材料的快速发展，特别是第三代稀土永磁材料钕铁硼（NdFeB）的问世，给永磁电机的研究和开发带来了新的活力。从20世纪80年代初开始，高性能永磁电机发展迅速，其中永磁同步电动机以其高效节能的优点而受到特别的关注。

下面重点介绍旋转磁极式同步电机，此类电机都是由定子和转子两大基本部分组成的。定子部分由定子铁心和电枢绕组组成，转子部分由转子铁心、励磁绕组、转轴等部件组成。

（1）隐极式同步发电机结构

隐极同步发电机都采用卧式结构，如图2-18所示。转子呈圆柱形，气隙均匀。汽轮发电机由于转速较高（一般都是3000r/min），为了固定励磁绕组，大容量的电机几乎全做成隐极式转子。隐极式转子从外形来看，没有明显凸出的磁极，但是在它的励磁绕组里通入直流电流，转子的周围也会出现N极和S极的磁场。图2-19是运行中的汽轮发电机组图片。

定子部分：由铁心、绕组、机座及固定这些部分的其他结构件组成。为了减少定子铁心里的铁损耗，铁心一般采用0.5mm的硅钢片叠成。定子铁心内圆开有槽，一般都做成开口槽，便于嵌线。绕组是嵌在铁心槽内的线圈按一定规律联结而成，可采用三相双层短距叠绕组。一般为避免电流太大，定子绕组采用较高电压，如6.3V、10.5V和13.8kV等。

转子部分：由转子铁心、励磁绕组、护环、中心环、滑环及风扇等部件组成。由于转子转速高，考虑离心力的影响，转子呈细长圆柱形。一般用整块的导磁性好的高强度合金钢锻成，转子表面约2/3部分铣有轴向凹槽，用于嵌放励磁绕组，不铣槽的约1/3部分形成大齿，即磁极。励磁绕组，是由扁铜线绕成的同心式线圈。在水冷电机里，则是用空心导线绕成的。由于隐极电机转速很高，因此励磁绕组在槽内需用不导磁高强度的硬铝槽楔压紧。端部套上用高强度非磁性钢锻成的护环固定。励磁绕组通过装在转子上的集电环与电刷装置才能和外面的直流励磁电源构成回路。图2-20是汽轮发电机的定子绕组与转子的维护安装图片。

（2）凸极同步发电机结构

凸极同步电机转子有明显凸出的磁极，气隙不均匀。分为卧式（同步电动机、补偿机等）和立式（低速大容量水轮发电机）两种结构。由水轮机带动的同步发电机称水轮发电机，由于水轮机的转速较低（一般每分钟只有几十转到几百转），因此把发电机的转子做成凸极式的。因为凸极式的转子，在结构上和加工工艺上都比隐极式的简单。

由于水轮发电机是立式的结构，转子部分必须支撑在一个推力轴承上，推力轴承要承担整个机组转动部分的重量和水的压力，这些向下的压力有时达几百吨，甚至上千吨重，因此大容量水轮发电机，必须很好地解决推力轴承的结构和工艺，以及推力轴承安放的位置等问题。从推力轴承安放的位置，立式水轮发电机可以分为悬吊式和伞式两种不同的结构。悬吊式是指推力轴承装在转子上边的机架上，整个转子是以一种悬吊状态转动。伞式是指推力轴承装在转子下边的机架上，整个转子是以一种被托架着的状态转动。

凸极同步电机定子部分与隐极同步电机或感应电机基本相似。大容量的水轮发电机，由于定子直径太大，通常把它分成几瓣，分别制造后，再运到电站拼装成一整体。

水轮发电机的转子部分是由磁轭、磁极、励磁绕组、转子支架、转轴等组成。立式同步电机由于转速低，因此极数多，要求转动惯量大。所以转子特点是直径大、长度短。磁极由厚1～1.5mm的钢板冲成磁极冲片，用铆钉装成一体，磁极上套装有励磁绕组。磁极上套有励磁绕组，磁极的极靴上还有阻尼绕组。阻尼绕组是由插入极靴阻尼槽内的裸铜条和端部铜环焊接而成，形成一个短接的回路。磁极固定在磁轭上，磁轭常用整块钢板或铸钢做成。

图2-21是运行中的水轮发电机组，图2-22是三峡水电站水轮发电机转子正在吊装。

3. 同步电机的励磁方式

励磁系统是给同步电机励磁绕组供电的装置，是同步电机的重要组成部分，发电机励磁系统的技术性能及可靠性，对供电质量、继电保护及机组的启动、安全稳定运行有重大影响。励磁系统的最基本功用是产生可以任意控制其大小的直流电流，称为励磁电流，以维持发电机电压在给定水平。

励磁系统主要作用有：

（1）发电机在运行中，随着负荷的增减和负荷性质的变化，其端电压和无功功率也随之变动，发电机在单机运行时，调节励磁电流可以改变发电机的端电压。与电网并联运行的发电机，调节励磁电流还可以改变发电机的无功功率。

（2）当电力系统发生事故而使发电机端电压下降时，对发电机进行强行励磁，可以提高继电保护动作的可靠性，有助于发电机并列运行的稳定性。

（3）在发电机因突然甩负荷而引起端电压升高时，对发电机进行强行减磁，以限制过电压。

励磁系统的励磁方式有：

（1）直流励磁机励磁。励磁绕组由小型直流发电机供电。

（2）三次谐波励磁。在输出380V的三相四线制小型发电机组中，励磁线圈所需电压只要26V左右就能满足需要。这个电压就是由三次谐波提供的。它是通过在发电机定子铁心槽中埋设的辅助绕组而产生的，再经桥式整流送给励磁电路。

（3）静止整流器励磁。交流主、副励磁机装在发电机大轴上，副励磁机经晶闸管整流供主励磁机励磁，在机外有专门的整流柜，对旋转交流主励磁机输出的交流电流经整流后再通过滑环和电刷送入转子励磁绕组。交流副励磁机可以是永磁机或是具有自励恒压装置的交流发电机。

（4）旋转整流器励磁。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，故又称为无刷励磁系统。

（5）自并励可控硅静止励磁。励磁系统由以下几部分构成：励磁变压器、可控硅整流装置、励磁调节器、灭磁及过电压保护装置、初励装置，如图2-23所示。这类励磁方式的励磁电源常取自发电机机端，发电机的励磁由接在机端的励磁变压器经可控硅整流后供给，由励磁调节器改变可控硅的控制角来进行励磁调节。多用于20世纪70年代以后的水电机组，以及20世纪90年代以后的大中小型火电机组，是性能良好的励磁系统。

4. 同步电机额定值及型号

同步电机铭牌上的额定值主要有如下几个。

①额定容量SN或额定功率PN：指输出功率的保证值。对同步发电机来说，额定容量SN是指出线端的额定视在功率，一般以kVA或MVA为单位。而额定功率PN是指发电机发出的有功功率，单位为kW或MW。对同步电动机PN是指轴上输出的机械功率，单位为kW或MW；对同步调相机则用出线端的额定无功功率来表示其容量，单位为kVar或MVar。

②额定电压UN：是指额定运行时加在定子的三相线电压，单位为V或kV。

③额定电流IN：是指额定运行时流过定子的线电流，单位为A。

④额定功率因数cosφN：指电机额定运行时的功率因数。

⑤额定频率fN：我国标准工频为50Hz。

还有额定转速nN：单位为r/min；额定励磁电压UfN，单位为V；额定励磁电流IfN，单位为A；额定温升。

同步电机的主要系列有：TF—三相同步发电机，其中T—同步、F—发电机；QFQ、QFN、QFS—不同冷却方式的同步发电机，其中QF—汽轮发电机，第三个字母表示冷却方式：Q—氢外冷、N—氢内冷、S—双水内冷。例如，QFN—100—2表示容量为100MW的两极的氢内冷汽轮发电机。TS—三相同步水轮发电机，其中T—同步、S—水轮。例如，TS1264/160—48表示三相同步水轮发电机，定子铁心外径为1264cm，铁心长160cm，极数为48，即额定转速nN＝125r/min。TD—三相同步电动机，其中D—电动机。TT—三相同步调相机，第二个“T”表示调相机。