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微特電機論文:同步電機的結構、特點和分類
 
 

 同步電機是交流旋轉電機的一種,因轉速恒等于同步轉速而得名,它與異步電動機的不同之處在于其轉速與電流頻率之間有著嚴格的對應關系。同步電機應用廣泛,既可以做發(fā)電機,也可以做電動機以及調(diào)相機現(xiàn)代電力生產(chǎn)所使用的發(fā)電設備幾乎都是采用同步發(fā)電機,例如汽輪發(fā)電譏、水輪發(fā)電機、內(nèi)燃發(fā)電機等。同步電動機可以用呆拖動功率較大轉速不要求調(diào)節(jié)的生產(chǎn)機械,或者要求恒疋轉速運行的負載,如大型水泵、空氣壓縮機、礦井通風機等。由于同步電機具有功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)的
優(yōu)點,故同步調(diào)相機可以對電網(wǎng)的無功功率進行調(diào)節(jié),以改善電網(wǎng)的功軍因數(shù),提高電網(wǎng)的運行經(jīng)濟性及電壓的穩(wěn)定性。此外小功率的同步電動機和微型同步電機在恒轉速傳動控制裝置、自動記錄儀表、家用電器以及自動控制系統(tǒng)中有著廣泛的應用。
  一、同步電機的特點
  同步電機是由其極數(shù)與交流電頻率決定的按一定轉速運轉的電機此轉速稱為同步轉速。同步轉速是由電網(wǎng)頻率和極對數(shù)決定的,即

式中,f-----電網(wǎng)頻率,HZ

        P------極對數(shù)。

  同步電機的主要功能是機械能與恒定頻率交流電之間相互轉換,F(xiàn)代工業(yè)交流電源,需要保持其頻率恒定而采用同步發(fā)電機。將同步電動機接入交流電源作電動機運行便成為同步電動機。由于同步電動機其恒定的轉速特性和具有良好的功率因數(shù)等得到了廣泛應用。同步電機還可以用來調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的無功功率和功率因率因數(shù).這1X種用途的同步電機稱同步調(diào)相機。
    和箕他電機一樣,同步電機進行機電能量變換的過程是可逆的。當電磁轉矩為驅動性時,同步電機運行于電動機狀態(tài);當電磁轉矩為制動時,同步電機運行于發(fā)電機狀態(tài)。但是需要說明,同步發(fā)電機或電動機從原理上說都可以逆運行,而實際上由于對同步發(fā)電機和同步電動機運行參數(shù)和性能要求是不同的,所以一臺間步電機當改變運行狀態(tài)時,除非專門設計,一般來說,其運行性能和參數(shù)往往不能完全滿足運行需要。
  二、同步電機的分類
  同步電機可以按運行方式、結構形式、原動機的類別等進行分類。
  按運行方式分,同步電機可分為發(fā)電機、電動機和調(diào)相機三類。發(fā)電機把機械能轉換為電能;電動機把電能轉換為機械能;調(diào)相機基本上不轉安有功功率,專門用來調(diào)節(jié)電網(wǎng)的無功功率,以改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。
    按結構形式分,同步電機可分為旋轉電樞式(磁極固定)和旋轉磁極式電樞固定)兩種。通常三相同步電機的電樞繞組與三相電網(wǎng)聯(lián)接,勵磁繞組則與直流電源聯(lián)接。對于高壓、大中型同步電機,為了易于引出或引入電樞電流,一般都采用旋轉磁極式,只有某些小型或特殊用途的同步電機,如無刷勵磁同步電機勵磁系統(tǒng)中用的交流發(fā)電機,才采用旋轉電樞式。
    旋轉磁極式同步電機又可以按照磁極的形狀分為隱極式和凸極式,如圖5—1所示。隱極式轉了是圓柱形,勵磁繞組為分布繞組,轉了除小型電機用疊片結構外,一般都是整體的,氣隙均勻,一般用于高速同步電機(2p一2)。凸極式轉了有顯露的磁極,勵磁繞組為集中繞組,轉子的磁乏和磁極一般不是整體的,氣隙也是不均勻的,極弧底下氣隙較小,極間部分氣隙較大,一般用于低速同步電機(2p≥4)。


    按原動機類別分,同步電機可分為汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機和柴油發(fā)電機等。汽輪發(fā)電機由于轉速高,轉子各部分受到的離心力很大.機械強主要求高,故一般采用隱極式;水輪發(fā)電機轉速低、極數(shù)多,所以采用結構和制造上比較簡單的凸極式。同步電動機、柴油發(fā)電機和調(diào)相機一般也
做成凸極式的。
    除此之外,同步電機還可以按照極數(shù)分為三相和單相兩種;按通風方式分為開啟式、防護式、封閉式;按照磁路結構分為隱極式、凸極式、爪極式、感應子式、永磁式、磁滯式、磁阻式、電磁減速式等,如圖5—2所示


 

 感應子式耐步電機的轉子做成齒輪形,一個轉子齒距形成一對極,勵磁繞組做在定子上,可做成單極式或多極式。感應了式間步電機可以用。作中頻發(fā)甩機,其中小功率的用作超高速電動機、雷達裝置的特種電源,弋功率的用作高頻加熱電源。
 
磁阻式同步電機的定子與一般交流電機的定子相似,轉子無勵磁繞組并有反應槽,可用來驅動和控制小功率電動機、高速發(fā)電機。
 
爪極式是凸極式的一種耍型,N、s極各一組,并做成爪狀,交錯插合。用永磁體或勵磁繞組勵磁。一般用于車輛中的交流發(fā)電機或中頻發(fā)電機。

 三、同步電機的基本結構
  同步電機與其他旋轉電機一樣,主要由定子(靜止)部分和轉子(旋轉)部分構成。
    1.定子
    定了主要由疋子鐵芯、定子繞組、機座和端蓋等構成。疋予鐵芯由厚度為0.35mm或o.5mm的硅鋼片疊裝而成。定子鐵芯疊片時,一般每疊厚3~6 cm,留1 cm作為通風槽用,以利于鐵芯散熱。為減少鐵芯損耗,硅鋼片I一涂有絕緣漆。沖片內(nèi)圓均勻地沖出一定形狀的槽,用于嵌放定子繞組。定于繞組的作用、要求、結構形式與三相異步電動機定了繞組相似。疋子繞組采用波繞組。疊繞組。  一般采用三相雙層短距疊疊繞組和雙層分數(shù)槽繞組,以利于改善電壓波形。為減小由于集膚效應起的附加損耗,繞組導線經(jīng)常由許多相互絕緣的扁銅線并聯(lián),并且在槽內(nèi)直線部分還要按一定的方式進行編織換位。機座采川厚鋼板焊接結構,用于固定定子鐵芯,要求有足夠的強度和剛度并滿足通風散熱雩要。
  2.轉子
  轉子鐵芯是汽輪同步發(fā)電機最關鍵的部件之一,也是電機磁路的主要組成部分。高速旋轉時轉子承受著很大的離心力,故轉子一般采用整塊具有高機械強度和良好導磁性能的合金鋼鍛體。轉子有隱極式和凸極式兩種類型。
  隱極式轉子沿轉子鐵芯表面的全長銑有一定數(shù)量的槽,以便于放置勵磁繞組。槽的形狀有兩種,一種為輻射型排列,一種是平行排列,前者用得較為普遍,如圖5 3所示。在一個極距內(nèi)約有l(wèi)/3的部
分沒有開槽,叫做大齒,大齒的中心實際}二就是磁極的中心。我國生產(chǎn)的電機多用輻射型槽。勵磁繞組用矩形的扁銅線繞制成同心式線圈,并且利用不導磁、高強度的槽楔將勵磁繞組在槽內(nèi)壓緊,匝之間及線圈與鐵芯間均有絕緣。護環(huán)、中心環(huán)、滑環(huán)和風扇護環(huán)是一個厚壁金屬圓筒,用于保護勵磁繞組的端部不因離心力而甩出。中心環(huán)用于支撐護環(huán)并阻止勵磁繞組端部輔向移動。護環(huán)、中心環(huán)、勵磁繞組端部排列如圖5~4所示;h(huán)裝在轉子軸上,通過電刷將勵磁電流引進勵磁繞組。

    凸極式轉了有明顯的磁極,主要由轉軸、磁極、磁軛、勵磁繞組、槽環(huán)和阻尼繞組等組成,其外形見圖5-5。磁極鐵芯一般用厚l~1.5 mm的鋼板沖片由柳釘裝成一體,也有采用整體鍛鋼或鑄鋼件制成的買心磁極,磁極鐵芯上套裝有勵磁繞組。勵磁繞組一般由扁鋼線繞成,匝間粘貼玻璃絲布或石棉紙絕緣。各勵磁繞組串聯(lián)后接到同軸的滑環(huán)上。磁極的極靴上一般還裝有類似于異步電機籠型繞組的阻尼繞組,對于發(fā)電機,阻尼繞組可以減小并聯(lián)運行時轉子振蕩的幅值;對于電動機,其主要作為屆動繞組用。由于實心磁極本身有較好的阻尼作用,故不另外裝阻尼繞組。鐵軛主要用來組成磁路,并作為固定磁極的輪緣。大型電機的鐵軛是由厚2~5mm的鋼板沖成的扇形片疊成,各層間錯開接縫,最后用螺桿把各層夾緊,形成一個整體。在中小型電機中,鐵軛常用整塊鋼板或鑄鐵制
或。鐵軛于轉軸間用轉子支架支撐著。轉子支架由于要傳遞軸上的轉矩,必須要有足夠的強度。

主磁極
  四、同步電機的額定值
  1.額定電壓LN
  指在額定運行時,定子三相繞組的線電壓,單位為V或kV。
  2額定電流IN
  指在額定運行時,定子三相繞組的線電流,單位為A。
  3額定功率PN
  指在額定運行時,電機輸出的有功功率,對于發(fā)電機是指輸出的電功率;對于電動機是指軸上輸出的機械功率。PN與uN、IN之間有如下關系
    
    PN的單位為kw。
    對于同步發(fā)電機,額定功率也可用額定容量sN表示,sN指輸出的視在功率,計算公式為
     
  sN的單位為kV-A。
  上述PN、sN的公式中,UN的單位均為V。
  4.額定功率fn
  我國標準工頻為,50 Hz。
  5.額定功率固數(shù)cosφN
  指電機在額定運行時的功率因數(shù)。
  除上述額足值外,銘牌上還列出額定效率ηN、額定轉速nx(:即同步速)、額定勵磁電流Ifm額定勵磁電壓ufn和額定溫升等
    五、同步發(fā)電機與同步電動機
    1同步發(fā)電機
    現(xiàn)代工業(yè)和生活的電源,幾乎全部為恒定頻率(50 Hz或60 Hz)的三相交流電,這種交流電全部是由同步發(fā)電機提供的。由于同步發(fā)電機拖動機械的種類不同,其結構形式和運行特點有很大差異。同步發(fā)電機主要有下列幾種主要形式:
  (1)汽輪發(fā)電機
  由高速汽輪機或燃氣輪機驅動,主要用于火力發(fā)電或核能發(fā)電。這種發(fā)電機都是臥式結構,在高速下運行,幾乎全為隱極式結構圓柱形轉子。
    近30年來,汽輪電動機的單機容量有了很火的提高。大功率的兩極汽輪發(fā)電機單機容量已達1000 MW。而用于核能發(fā)電的汽輪發(fā)電機.因蒸汽條件,汽輪機為低速機,發(fā)電機為四極,****單機容量已達1 500 Mw。汽輪發(fā)電機單機容量的提高,主要依靠改進冷卻技術,如采用了繞組內(nèi)部
冷卻技術,并用氫和水為冷卻介質,以及各種組合冷卻方式等。圖5—6是氧冷卻汽輪發(fā)電機的結構圖。
    由于大容量的汽輪發(fā)電機采用了很高的電磁負荷,設計得較細長,因而也帶來了由端部漏磁引起的雜散損耗和端部發(fā)熱、定予和轉子繞組在槽內(nèi)和端部的固定萬式、轉子強度和振動等問題。
  (2)水輪發(fā)電機
  水輪發(fā)電機是由水輪機驅動的同步發(fā)電機。其結構形式有立式和臥式兩種。
    臥式水輪發(fā)電機通常由沖擊式或貫流式水輪機驅動,常用于特殊水路條件,容量較小,轉子為凸極式結構。
    立式水輪發(fā)電機主要由混流式或軸流式水輪機驅動,這種發(fā)電機組有水輪機結構比較合理,機組占地面積小等特點。****水輪發(fā)電機窬量已達700Mw,圖5-7是是5.7MVA、428 r/mln立式水輪發(fā)電機。水輪發(fā)鬯機啟動、并網(wǎng)所需時間很短,運行調(diào)度較靈活,因而在電力系統(tǒng)除擔負基荷外,還常用作調(diào)峰、調(diào)相和事故備用電源。
    水輪發(fā)電機運行和設計中,具有下面幾個特點:
    ①要求發(fā)電機有較大的轉動慣量,同時由于轉速較低,而極數(shù)較多,因此,水輪發(fā)電機轉子直徑和外形尺寸較大,而鐵芯艮度往往較短,外形正與汽輪發(fā)電機相反,多數(shù)是扁平的。
    ②水電站通常遠離負荷中心,需通過長距離高壓輸電至負荷中心,因而,電力系統(tǒng)對水輪發(fā)電機有較高的動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定的要求。
  為了防止水輪發(fā)電機出現(xiàn)飛逸轉速對電機造成破壞,其機構強度必須能承受逸速時的離心力,在逸速下保持可靠性。
(3)柴油發(fā)電機
柴油發(fā)電機是由活塞式內(nèi)燃機驅動的同步發(fā)電機,其容量范圍一般為幾千瓦至幾兆瓦。柴油發(fā)電機組的特點是啟動迅速,操作方便,但其發(fā)電成本較高,通常作為應急備用電源,或一些流動工作單位照明,動力和通信電源。
 
    柴油發(fā)電機般安裝在戶內(nèi)或電源車內(nèi),其結構為凸極式。大型柴油發(fā)電機結構與臥式水輪發(fā)電機相同,小型柴油發(fā)電機除轉子為凸極式外,其余結構與異步電機相同。
    為了改善發(fā)黽機運行性能,提高技術經(jīng)濟指標和運行可靠性,柴油發(fā)電機通常采用自勵恒壓勵磁系統(tǒng)。
    由于活塞式內(nèi)燃機軸上輸出的是周期性脈動力矩,使柴油發(fā)電機在振動較大的條件下工作,因此,要求其機座、端蓋、風扇等設計要具有足夠的強度和剛度,特別是發(fā)電機組軸系統(tǒng)設計要注意扭振問題。為使轉速均勻和避免出現(xiàn)共振,柴油發(fā)電機組必須具有合適的飛輪力矩,在飛輪力矩過小的情況,必須加設飛輪。
    2同步電動機
    同步電動機是一種將三相交流電變換成恒疋轉速的輸出機械功率的電機。在同步電機定子上,齒槽沖片疊成的鐵芯上嵌裝了三相繞組,而轉子上裝有直流勵磁的磁極。定子鐵芯內(nèi)的三相繞組是這樣設置的:各相繞組是對稱的,在定子表面各相相差120°電角度,而各相電勢相位也相差120°電角度。根據(jù)電機學電勢向量分析可知,這個三相繞組通電后將在定子空間產(chǎn)生一個與電網(wǎng)頻率同步的旋轉磁場。而其轉子磁場由于是恒定勵磁,相對于轉子是靜止的,定、轉子磁場作用結果,轉子磁場被定子磁場吸引,以同步速度旋轉,并產(chǎn)生電磁轉矩。因此,電動機以同步速度運行,并輸出機械轉矩。
    同步電動機具有以下特點:
    ①轉速不隨負載和電壓而變化,只與頻率相關。
    ②運行穩(wěn)定性好,具有較強的過載能力。
    ③運行效率高,在低速時,同步電動機這一點尤為突出。
    ④能以超前功率因數(shù)運行,有利于改善電網(wǎng)功率因數(shù)。
    ⑤缺點是不亙連續(xù)啟動:
    同步電動機主要用于恒速運行大型機械的驅動,如球磨機、至壓機、鼓風機、各類大泵等。在買際使用場合中是以大型同步電機為主,中、小型同步電機較少使用,目前大型高爐鼓風機、制氧機用高速同步電機單機容量已達70Mw。
    同步電動機為了滿足被驅動機械的要求,可以設計具有不同的特性。如軋鋼電動機具有較大的過載能力,沖擊負荷能力;球磨機同步電動機具有較高的啟動力矩;拖動往復式壓縮機的同步電動機應具有較大的飛輪力矩等。
 
 
 
 
 
 
 
 


 

 
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