2.1.6 同步電機

同步電機和異步電機同屬于交流電機，雖然這兩類電機的運行性能有很大不同，但它們在定子電樞繞組結構及旋轉磁場基本理論方面有著許多共同的地方。

同步電機與異步電機的區別是同步電機的轉子轉速n與電網頻率f之間具有固定不變的關系。如果三相交流電機的轉子轉速n與定子電流的頻率f滿足n＝60f/p，這種電機就稱為同步電機。而異步電機的轉子轉速n＜60f/p。

同步電機主要用來作為發電機運行。在現代電力系統中，無論是火力發電、水力發電、或是核能發電等，幾乎全部采用同步發電機，以維持與電網頻率一致，便于電力的生產與調度，同步發電機是各類發電廠的核心設備之一。

同步電機還可作為電動機使用，對不要求調速的大功率生產機械，常用同步電動機來驅動，如軋鋼機、電力推進裝置、空氣壓縮機，鼓風機和泵等。

同步電動機的最大優點是通過調節勵磁電流可以方便地改變同步電動機的無功功率。過勵時從電網吸收超前無功功率，欠勵時從電網吸收滯后無功功率。

隨著電力電子技術和計算機控制技術的不斷發展，變頻調速在同步電動機的調速系統中得以實現，它沒有直流電機的機械換向器，用電子換向來代替，可以得到與直流電機同樣的性能，但容量更大、電壓和轉速更高，使同步電動機的應用場合不斷擴大。

同步電機還可以作為同步補償機使用，它實際上是一臺接于電網的空載運行的同步電動機，也稱同步調相機，向電網發出感性或容性的無功功率，用以改善電網的功率因數。

1. 同步發電機工作原理

如圖2-17所示，同步電機定子上，AX、BY、CZ三相繞組結構完全相同，互相對稱，空間相隔120°電角度，轉子上有磁極。如用原動機拖動發電機轉子沿順時針方向恒速旋轉，則磁極的磁力線將依次切割定子繞組的導體，在定子導體中就會感應出交變電勢；設主極磁場的磁密沿氣隙圓周按正弦規律分布，則導體內電勢也隨時間按正弦規律變化。設A相電勢的初相位為零，則三相電勢的瞬時值為

當轉子為一對磁極時，轉子轉一周，繞組中的感應電勢正好交變一次，當電機中有p對磁極時，則轉子轉一周，繞組中的感應電勢變化p次，而轉子每分鐘轉n圈，因此電勢的頻率為f＝pn/60；如果作為電動機運行，則需在定子繞組中通過三相交流電流，就會在電機里產生旋轉磁場，磁場轉速為n1＝60f/p。這時轉子繞組加上直流勵磁，轉子如同是磁鐵，則轉子將在定子旋轉磁場的帶動下，沿定子磁場的旋轉方向以相同的轉速旋轉。轉子的轉速為n＝n1＝60f/p。

由此可見，同步電機無論作為發電機，或是作為電動機，當極對數一定時，轉子的轉速n與電網頻率f之間具有固定不變的關系，電機專業的術語就是“同步”，轉速n稱為同步轉速。我國的電力系統，規定交流電流的頻率為50Hz。因此，當電機為一對磁極時，電機轉速必定是3000r/min；電機為兩對極時，電機轉速必定是1500r/min，依次類推。

對同步電動機，若電網的頻率不變，則其轉速恒為常值而與負載的大小無關。

2. 同步電機結構

同步電機按運行方式可分為：發電機、電動機和調相機，已如上所述。按原動機類別可分為：汽輪發電機、水輪發電機和柴油發電機等。按冷卻介質和冷卻方式可分為：空氣冷卻，空氣自然循環或風扇吹風強迫冷卻；氫氣冷卻，與空氣混合后有爆炸危險，需密封系統；水冷，水通過冷凝器及進、出水管循環；混合冷卻，例如，定子用水內冷，轉子也用水內冷，鐵心用空氣冷卻，簡稱水—水—空冷卻，也有用水—水—氫或水—氫—氫冷卻的。

按結構形式，同步電機又可分為：旋轉電樞式和旋轉磁極式。旋轉電樞式主要應用于小容量同步電機中；旋轉磁極式應用比較廣泛，并成為大中型同步電機的基本結構形式。旋轉磁極式同步電機又有隱極、凸極之分。

按同步電機的磁路結構，還有感應子式、爪極式、磁阻式及永磁式等多種類型，感應子式用于中頻發電機，爪極式主要用于車輛交流發電機與中頻發電機，磁阻式主要適合于驅動與控制用小功率電動機。

世界上第一臺電機就是永磁電機，但是早期的永磁材料磁性能很差，致使永磁電機體積很大，非常笨重，因而很快就為電勵磁式電機所取代。近年來，隨著稀土永磁材料的快速發展，特別是第三代稀土永磁材料釹鐵硼（NdFeB）的問世，給永磁電機的研究和開發帶來了新的活力。從20世紀80年代初開始，高性能永磁電機發展迅速，其中永磁同步電動機以其高效節能的優點而受到特別的關注。

下面重點介紹旋轉磁極式同步電機，此類電機都是由定子和轉子兩大基本部分組成的。定子部分由定子鐵心和電樞繞組組成，轉子部分由轉子鐵心、勵磁繞組、轉軸等部件組成。

（1）隱極式同步發電機結構

隱極同步發電機都采用臥式結構，如圖2-18所示。轉子呈圓柱形，氣隙均勻。汽輪發電機由于轉速較高（一般都是3000r/min），為了固定勵磁繞組，大容量的電機幾乎全做成隱極式轉子。隱極式轉子從外形來看，沒有明顯凸出的磁極，但是在它的勵磁繞組里通入直流電流，轉子的周圍也會出現N極和S極的磁場。圖2-19是運行中的汽輪發電機組圖片。

定子部分：由鐵心、繞組、機座及固定這些部分的其他結構件組成。為了減少定子鐵心里的鐵損耗，鐵心一般采用0.5mm的硅鋼片疊成。定子鐵心內圓開有槽，一般都做成開口槽，便于嵌線。繞組是嵌在鐵心槽內的線圈按一定規律聯結而成，可采用三相雙層短距疊繞組。一般為避免電流太大，定子繞組采用較高電壓，如6.3V、10.5V和13.8kV等。

轉子部分：由轉子鐵心、勵磁繞組、護環、中心環、滑環及風扇等部件組成。由于轉子轉速高，考慮離心力的影響，轉子呈細長圓柱形。一般用整塊的導磁性好的高強度合金鋼鍛成，轉子表面約2/3部分銑有軸向凹槽，用于嵌放勵磁繞組，不銑槽的約1/3部分形成大齒，即磁極。勵磁繞組，是由扁銅線繞成的同心式線圈。在水冷電機里，則是用空心導線繞成的。由于隱極電機轉速很高，因此勵磁繞組在槽內需用不導磁高強度的硬鋁槽楔壓緊。端部套上用高強度非磁性鋼鍛成的護環固定。勵磁繞組通過裝在轉子上的集電環與電刷裝置才能和外面的直流勵磁電源構成回路。圖2-20是汽輪發電機的定子繞組與轉子的維護安裝圖片。

（2）凸極同步發電機結構

凸極同步電機轉子有明顯凸出的磁極，氣隙不均勻。分為臥式（同步電動機、補償機等）和立式（低速大容量水輪發電機）兩種結構。由水輪機帶動的同步發電機稱水輪發電機，由于水輪機的轉速較低（一般每分鐘只有幾十轉到幾百轉），因此把發電機的轉子做成凸極式的。因為凸極式的轉子，在結構上和加工工藝上都比隱極式的簡單。

由于水輪發電機是立式的結構，轉子部分必須支撐在一個推力軸承上，推力軸承要承擔整個機組轉動部分的重量和水的壓力，這些向下的壓力有時達幾百噸，甚至上千噸重，因此大容量水輪發電機，必須很好地解決推力軸承的結構和工藝，以及推力軸承安放的位置等問題。從推力軸承安放的位置，立式水輪發電機可以分為懸吊式和傘式兩種不同的結構。懸吊式是指推力軸承裝在轉子上邊的機架上，整個轉子是以一種懸吊狀態轉動。傘式是指推力軸承裝在轉子下邊的機架上，整個轉子是以一種被托架著的狀態轉動。

凸極同步電機定子部分與隱極同步電機或感應電機基本相似。大容量的水輪發電機，由于定子直徑太大，通常把它分成幾瓣，分別制造后，再運到電站拼裝成一整體。

水輪發電機的轉子部分是由磁軛、磁極、勵磁繞組、轉子支架、轉軸等組成。立式同步電機由于轉速低，因此極數多，要求轉動慣量大。所以轉子特點是直徑大、長度短。磁極由厚1～1.5mm的鋼板沖成磁極沖片，用鉚釘裝成一體，磁極上套裝有勵磁繞組。磁極上套有勵磁繞組，磁極的極靴上還有阻尼繞組。阻尼繞組是由插入極靴阻尼槽內的裸銅條和端部銅環焊接而成，形成一個短接的回路。磁極固定在磁軛上，磁軛常用整塊鋼板或鑄鋼做成。

圖2-21是運行中的水輪發電機組，圖2-22是三峽水電站水輪發電機轉子正在吊裝。

3. 同步電機的勵磁方式

勵磁系統是給同步電機勵磁繞組供電的裝置，是同步電機的重要組成部分，發電機勵磁系統的技術性能及可靠性，對供電質量、繼電保護及機組的啟動、安全穩定運行有重大影響。勵磁系統的最基本功用是產生可以任意控制其大小的直流電流，稱為勵磁電流，以維持發電機電壓在給定水平。

勵磁系統主要作用有：

（1）發電機在運行中，隨著負荷的增減和負荷性質的變化，其端電壓和無功功率也隨之變動，發電機在單機運行時，調節勵磁電流可以改變發電機的端電壓。與電網并聯運行的發電機，調節勵磁電流還可以改變發電機的無功功率。

（2）當電力系統發生事故而使發電機端電壓下降時，對發電機進行強行勵磁，可以提高繼電保護動作的可靠性，有助于發電機并列運行的穩定性。

（3）在發電機因突然甩負荷而引起端電壓升高時，對發電機進行強行減磁，以限制過電壓。

勵磁系統的勵磁方式有：

（1）直流勵磁機勵磁。勵磁繞組由小型直流發電機供電。

（2）三次諧波勵磁。在輸出380V的三相四線制小型發電機組中，勵磁線圈所需電壓只要26V左右就能滿足需要。這個電壓就是由三次諧波提供的。它是通過在發電機定子鐵心槽中埋設的輔助繞組而產生的，再經橋式整流送給勵磁電路。

（3）靜止整流器勵磁。交流主、副勵磁機裝在發電機大軸上，副勵磁機經晶閘管整流供主勵磁機勵磁，在機外有專門的整流柜，對旋轉交流主勵磁機輸出的交流電流經整流后再通過滑環和電刷送入轉子勵磁繞組。交流副勵磁機可以是永磁機或是具有自勵恒壓裝置的交流發電機。

（4）旋轉整流器勵磁。主勵磁機是旋轉電樞式三相同步發電機，旋轉電樞的交流電流經與主軸一起旋轉的硅整流器整流后，直接送到主發電機的轉子勵磁繞組。交流主勵磁機的勵磁電流由同軸的交流副勵磁機經靜止的晶閘管整流器整流后供給。由于這種勵磁系統取消了集電環和電刷裝置，故又稱為無刷勵磁系統。

（5）自并勵可控硅靜止勵磁。勵磁系統由以下幾部分構成：勵磁變壓器、可控硅整流裝置、勵磁調節器、滅磁及過電壓保護裝置、初勵裝置，如圖2-23所示。這類勵磁方式的勵磁電源常取自發電機機端，發電機的勵磁由接在機端的勵磁變壓器經可控硅整流后供給，由勵磁調節器改變可控硅的控制角來進行勵磁調節。多用于20世紀70年代以后的水電機組，以及20世紀90年代以后的大中小型火電機組，是性能良好的勵磁系統。

4. 同步電機額定值及型號

同步電機銘牌上的額定值主要有如下幾個。

①額定容量SN或額定功率PN：指輸出功率的保證值。對同步發電機來說，額定容量SN是指出線端的額定視在功率，一般以kVA或MVA為單位。而額定功率PN是指發電機發出的有功功率，單位為kW或MW。對同步電動機PN是指軸上輸出的機械功率，單位為kW或MW；對同步調相機則用出線端的額定無功功率來表示其容量，單位為kVar或MVar。

②額定電壓UN：是指額定運行時加在定子的三相線電壓，單位為V或kV。

③額定電流IN：是指額定運行時流過定子的線電流，單位為A。

④額定功率因數cosφN：指電機額定運行時的功率因數。

⑤額定頻率fN：我國標準工頻為50Hz。

還有額定轉速nN：單位為r/min；額定勵磁電壓UfN，單位為V；額定勵磁電流IfN，單位為A；額定溫升。

同步電機的主要系列有：TF—三相同步發電機，其中T—同步、F—發電機；QFQ、QFN、QFS—不同冷卻方式的同步發電機，其中QF—汽輪發電機，第三個字母表示冷卻方式：Q—氫外冷、N—氫內冷、S—雙水內冷。例如，QFN—100—2表示容量為100MW的兩極的氫內冷汽輪發電機。TS—三相同步水輪發電機，其中T—同步、S—水輪。例如，TS1264/160—48表示三相同步水輪發電機，定子鐵心外徑為1264cm，鐵心長160cm，極數為48，即額定轉速nN＝125r/min。TD—三相同步電動機，其中D—電動機。TT—三相同步調相機，第二個“T”表示調相機。