电机培训教材 概述及各类型电机简介
第二章各类型电机简介
第一节 同步发电机与同步电动机
一、同步电机特点
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。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，并由此得名。
由其极数与交流电频率决定的按一定转速运转的电机．此转速称为同步转速。同步转速是由电网频率和极对数决定的，即 n＝60f/p (r／min)
式中 f——电网频率，Hz
p——极对数。
同步电机的主要功能是机械能与恒定频率交流电之间相互转换。现代的工业交流电源，需要保持其频率恒定而采用同步发电机。将同步电动机接入交流电源作电动机运行便成为同步电动机。由于同步电动机其恒定的转速持性和具有良好的功率因数等得到了广泛应用。同步电机还可以用来调节电力系统的无功功率和功率因数，这种用途的同步电机称同步调相机。
和其他电机一样，同步电机进行机电能量变换的过程是可逆的。当电磁转矩为驱动性时，同步电机运行于电动机状态；当电磁转矩为制动时，同步电机运行于发电机状态。但是需要说明，同步发电机或电动机从原理上说都可以可逆运行，而实际上由于对同步发电机和同步电动机运行参数和性能要求是不同的，所以一台同步电机当改变运行状态时，除非专门设计，一般来说，其运行性能和参数往往不能完全满足运行需要。 二、同步发电机
现代工业和生活的电源，几乎全部为恒定频率(50Hz或60Hz)的三相交流电，这种交流电全部是由同步发电机提供的。由于同步发电机拖动机械的种类不同，其结构型式和运行特点有很大差异，同步发电机主要有下列几种主要型式： (一)汽轮发电机
由高速汽轮机或燃气轮机驱动，主要用于火力发电或核能发电。这种发电机都是卧式结构，在高速下运行，几乎全为隐极式结构圆柱形转子。近30年来，汽轮发电机的单机容量，有了很大的提高。大功率的两极汽轮发电机单机容量已达1000Mw。而用于核能发电的汽轮发电机，因蒸汽条件，汽轮机为低速机，发电机为四极，最大单机容量已达1500Mw。汽轮发电机单机容量的提高，主要依靠改进冷却技术，如采用了绕组内部冷却技术，并用氢和水为冷却介质，以及各种组合冷却方式等。图2—1氢冷汽轮发电机的结构图。
由于大容量的汽轮发电机采用了很高的电磁负荷，设计得较细长，因而也带来了由端部漏磁引起的杂散损耗和端部发热，定、转子绕组在槽内和端部的固定方式、转子强度和振动等问题。
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图2-1 氢气冷却汽轮发电机（定子绕组为水冷却） 1---定子 2---转子 3---端盖轴承 4---油密封 5---轴承瓦 6---电刷罩 7---冷却水管 （二）水轮发电机
由水轮机驱动的同步发电机。结构型式有立式和卧式两种。卧式水轮发电机通常由冲击式或贯流式水轮机驱动，常用于特殊水路条件，容量较小，转子为凸极式结构。
立式水轮发电机主要由混流式或轴流式水轮机驱动，这种发电机组因水轮机结构比较合理，机组占地面积小等待点。最大水轮发电机容量已达700Mw。图2—2是5.7MVA，428r／min立式水轮发电机。水轮发电机起动、并网所需时间很短，运行调度较灵活，因而在电力系统除担负基荷外，还常用作调峰、调相和事故备用电源。
水轮发电机运行和设计中，具有下面几个特点：
1)要求发电机有较大的转动惯量(GDZ)，同时由于转速较低而极数较多，因此，水轮发电机转子直径和外型尺寸较大，而铁心长度往往较短，外形正与汽轮发电机相反，多数是扁平的。 2)水电站通常远离负荷中心，需通过长距离高压输电至负荷中心，因而，电力系统对水轮发电机有较高的动态稳定和稳态稳定的要求。
3)为了防止水轮发电机出现飞逸转速对电机造成的破坏，其结构强度必须要能承受逸速时的离心力，在逸速下保持可靠性。
(三)柴油发电机
是由活塞式内燃机驱动的同步发电机，其容星范围一般为几千瓦至几兆瓦，柴油发电机组待点是起动迅速，操作方便，但其发电成本较高，通常作为应急备用电源，或一些流动工作单位照明、动力和通信电源。
柴油发电机一般安装在户内或电源车内，其结构为凸极式。大型柴油发电机结构与卧式水轮发电机相雷同，小型柴油发电机除转子为凸极式外，其余结构与异步电机相同。 为了改善发电机运行性能，提高拉术经济指标和运行可靠性，柴油发电机通常采用自励恒压励磁系统。
由于活塞式内燃机轴上输出的是周期性脉动力矩，使柴油发电机在振动较大的条件下工作，因此，要求其机座、端盖、风扇等设计要具有足够的强度和刚度，特别是发电机组轴
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系设计要注意扭振问题。为使转速均匀和避免出现共振，柴油发电机组必须具有合适的飞轮力矩，在飞轮力矩过小的情况，必须加设飞轮。
图2-2 5.7MVA,428r/min立式水轮发电机 三、同步电动机 (一)工作原理
同步电动机是一种将三相交流电变换成恒定转速的输出机械功率的电机。在同步电机定子上，齿槽冲片叠成的铁心上嵌装了三相绕组，而转子上装有直流励磁的磁极。定子铁心内的三相绕组是这样设置的：各相绕组是对称的，在定子表面备相带占120电角度，而各相电势相位也差120电角度。根据电机学电势向量分析可知，这个三相绕组通电后将在定于空间产生一个与电网频同步的旋转磁场。而其转子磁场由于是恒定励磁，相对于转于是静止的，定、转子磁场作用结果，转子磁场被定子磁场吸引，以同步速度旋转，并产生电磁转矩。因此，电动机以同步速度运行，并输出机械转矩。
(二)同步电动机特点
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1) 转速不随负裁和电压而变化，只与频率有关； 2) 运行稳定性好，具有较强过载能力；
3) 运行效率高，在低速时，同步电动机这一点尤为突出； 4) 能以超前功率因数运行，有利于改善电网功率因数， 5) 一个弱点是不宜连续起动。 (三)同步电动机的应用范围
同步电动机主要用于恒速运行大型机械的驱动，如球磨机、空压机、鼓风机、各类大泵等。在实际使用场合中是以大型同步机为主，中、小型同步机较少使用，目前大型高炉鼓风机、制氧机用高速同步机单机容量已达70Mw。图2—3是一台800kw同步电动机。同步电动机为了满足被驱动机械的要求．可以设计具有不同的特性。如轧钢电动机具有较大过载能力和承受冲击负荷能力；球磨机同步电动机具有较高的起动力矩，拍动往复式压缩机的同步电动机应具有较大的飞轮力矩等。 四、同步电机结构
同步电机结构主要由定子、转子、轴承装置、滑环装置和底板等五个主要部分组成。但是，由于使用条件和运行方式的不同，其结构具有多种不同型式。同步电动机布置形式分立式和卧式两种，立式布置的同步电机通常用作大容量水轮发电机以及泵和离心压缩机类负荷的同步电动机；多数同步发电机和电动机为卧式结构，图2-4是630KW同步电机结构图。
图2-3 800KW同步电动机
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图2-4是630KW同步电机结构图。 (一)定子结构
定子是同步电机固定部件，其作用是在定子空间建立交流旋转磁场和产生电磁转矩、同步电机定于也称电枢。主要由机座、铁心和线圈等部件组成。中、小型同步机和汽轮发电机定子—般是一个整体，大型同步电动机和水轮发电机定子，由于考虑运输和安装条件，往往做成分瓣形式，大型同步电动机通常做成分半形式，而大型水轮发电机往往可分为4—8辨。
(1)机座。是定子主要结构支承部件，其作用是固定铁心和线圈，大型同步电机的机座都采用钢板焊接结构，要求有较高的刚性，并有利于通风，机座通常需根据定子铁心需要而做成整体或分瓣结构。
(2)定子铁心。是构成定子磁路的部件，由刷漆的硅钢片叠装而成，目的是减少涡流和磁滞损耗。定子冲片是分段叠装，每段之间有通风槽片，以构成径向通风。扇形冲片外圆上的鸽尾槽嵌装在机座的定位筋上，铁心两端用压扳把铁心压紧，使铁心紧实，牢固地固定在机座上。
(3)定子线圈。是同步电机实现能量交换的主要部件。定子线圈结构型式多为双层叠式绕组，嵌装在定子铁心内腔的槽内，依靠槽楔固定在槽内，其端部则用绑扎绳和绝缘垫块将线圈伸出铁心的两端部绑扎成喇叭形整体，并用端箍固定在机座上，目的是为了防止起动和冲击负荷大电流产生的巨大电动力造成线圈的振动和变形。
小型同步电机的定子电压通常为380v，中、大型同步电机电压为3—10kv，而大型同步发电机电压等级为10一20kv，对地绝缘厚度较厚，包统绝缘材料的层数较多，所使用的绝缘材料通常为F级或B级环氧胶粉云母带。对于使用环境较恶劣，运行要求较高的同步电动机，一般要求定子线圈下线后进行vPI工艺(真空压力浸胶工艺)处理，以便定子绝缘系统具有较好的整体性和防潮性能。
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