三相无刷同步发电机主发电机的电磁设计

1、毕 业 设 计 论 文题 目 三相无刷同步发电机主发电机的电磁设计 的电磁设计 （院）系 电气与信息工程系 专业 电气工程及其自动化 班级 000班 学号 000 学生姓名 导师姓名 完成日期 200年6月1日 （论 文）任 务 书设计（论文）题目： 无刷同步发电机主发电机的设计 姓名 刘国军 系别 电气与信息工程系 专业电气工程及其自动化 班级 0002 学号 0001120315 指导老师 邓秋玲 教研室主任 石安乐 一、基本任务及要求：1、基本技术要求：1）基本数据：额定容量 kva 连接方式y额定电压 额定转速 相数 m=3 功率因数 绝缘等级 f2) 性能要求：(1)线电压波形畸变率

2、5%；(2)动态性能优良；(3)有过电压保护。2、本毕业设计课题主要完成以下设计内容：（1） 主发电机的电磁设计方案；（2） 无刷励磁方案的设计；（3） 主要零部件图（定子冲片、定子绕组、转子冲片、转子绕组、电机总装图等）的绘制；（4） 说明书。二、进度安排及完成时间：2月16日3月6日：查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告3月6日：抽查文献综述、开题报告撰写情况3月7日3月21日：毕业实习、撰写实习报告3月22日5月29日：毕业设计4月底：毕业设计中期抽查5月30日6月15日：撰写毕业设计说明书（论文）6月16日6月20日：修改、装订毕业设计说明书（论文）6月20日6月26日：毕业设计答辩前

3、 言随着工业技术的飞跃发展，能源危机在世界都变的越来越严重了，同时人们对节能、环保、高效都提出了很高的要求。而作为消耗70%左右电能的电机，对其节能和获得更高的 效率有着非常重要的现实的意义。由于电能具有生产和变换比较的经济，传输分配比较的容易，使用和控制比较的方便等优点，因而成为现代最常用的一种能源。并且随着国民经济的发展，自动化程度越来越高，对电的需求量越来越大，同时对电的质量也提出了要求，无疑对同步发电机的性能也提出了要求。同步发电机是一种交流发电机 ，它区别另外一种交流电机-异步发电机的一个重要的特征是它的转速与电流的频率之间有个严格的关系 ，即：，（p为电机的极对数）。所以当同步电机

4、的极对数和转速一定的时，其感应交流电动势的频率也是一定的。在现代的电力工业无论是用火力发电还是水力、原子能或柴油机发电几乎全部采用同步发电机。同步电机还可以用做恒速的电动机，虽然其结构较异步机复杂些，但是它可以运行在或者超前的功率因数下以改善电网的功率因数。同步发电机还可以用做调相机，实际是不接负载的空载电动机，向电网输送电感性或电容性的无功功率以提高电网运行的经济性及其电压的稳定性。由于同步电机具有别的电机无法比拟的优点，目前世界各国均在研究、生产和应用。不管是从高速发展的电力工业以适应国民经济飞跃发展的需要还是从提高发电机的效率降低运行成本着眼，都要求增大发电机的容量为了降低电枢电流，还使

5、用一些电气配套设备易于制造，或省去发电机的升压设备，这就要把同步发电机的额定电压提高到20kv以上，因此相应研究也在展开。此外同步发电机的转子部件也需要承受很大的机械应力，这就需要研究有更高强度极限的转子部件，磁轭钢板等部件。提高电枢单位周长的安培导电数a或气隙磁密b，则可减少电机尺寸，降低电机成本。但由于磁通密度b受电机材料的限制而无法提高，需要研制出饱和系数更高的材料。本设计还有不足之处敬请各位老师、专家批评指正。湖南工程学院毕业设计论文目 录摘 要 abstract第1章 我国电机制造工业的发展概况1第2章 无刷同步发发电机励磁系统的研究32.1 无刷同步发电机励磁系统概述32.2 晶闸

6、管无刷励磁系统32.3 无刷励磁系统的分类52.3.1 按交流励磁功率源来分52.3.2 按旋转元件划分52.4 无刷励磁系统的选择62.5 旋转整流器励磁系统62.5.1 旋转整流器的设计72.5.2 旋转整流桥元件的选用72.5.3 旋转整流器元件的安装方式82.5.2 旋转整流器的保护措施82.6励磁系统的发展趋势8第3章 无刷同步发发电机结构和原理103.1 结构模型103.1.1 凸极式转子103.1.2 隐极式转子113.2磁极结构的选择113.3 磁极形状的选择133.4 无刷同步发电机的工作原理13第4章 无刷励磁发电机的简单介绍154.1 主发电机154.1.1 较小的线电压

7、波形畸变率154.1.2 动态性能154.1.3 维持短路电流的能力154.1.4 加装全阻尼绕组154.2交流励磁机164.2.1 交流励磁机的设计要求164.2.2 特殊的电压变比和电流变比164.2.3 交流励磁机的电枢反应164.3 旋转整流器的简述174.4 交流励磁机和旋转整流器的安装18第5章 方案总体设计195.1 课题的目的和意义195.2总体设计方案195.3 无刷同步发电机主发电机的电磁设计21结束语38参考文献39致谢40附录a定子冲片图41附录b定子绕组图42附录c转子冲片图43附录d转子绕组图44附录e总装图45三相无刷同步发电机主发电机的电磁设计摘要：交流励磁机的

8、电枢绕组的负载是一个经过旋转整流器供电的大电感，加之由于励磁机的电枢绕组内电抗的存在，使旋转整流器换相时，电流不能突变，产生了换相角，这使交流励磁机的输出相电压、相电流波形发生了畸变，本设计的交流励磁机的计算主要解决了以下两个问题：（1）如何根据主发电机给定的直流励磁电压和直流励磁电流，计算出交流励磁机的输出交流相电势、相电流，及励磁机的容量p；（2）如何计算交流励磁机的电枢反应，功率因数，及其所需的励磁磁势。关键词：无刷；同步；电磁计算；旋转整流器电压design of brushing the synchronous generator of generatorabstract：it is

9、 a great inductance of supplying power through rotating the rectifier to exchange the load of the armature winding of the exciter, because of armature existence of reactance in the winding of exciter , make rotatory rectifier at the phase of transfering to, electric current can change suddenly, prod

10、uce change photo corner, this make output looks voltage , phase electric current wave form to exchange exciter distortion has taken place, the calculation of the exchange exciter originally designed has solved two following problems mainly: (1)what the voltage of direct current excitation given defi

11、nitely according to the main generator and direct current excitation electric current, calculate out the output which is exchanged the exciter and exchange looks electric potential , looks electric current , and capacity p of the exciter; (2)how to calculate the armature which is exchanged the excit

12、er to reflect, power factor, and necessary excitation magnetism tendency.have sense winding in harmony wave to start motor and control design of circuitkeyword ：does not there is not scrubing ；synchronism ；electromagnetism calculation ；revolvin 第1章 我国电机制造工业的发展概况20世纪40年代以前，由于我国工业起步较晚，电机制造工业极端落后。新中国成立

13、后，随着工业的不断发展，电机工业才得以迅速发展，产品的品种、数量不断增加，技术水平逐步提高。50年代一仿制国外产品为主，60年代起即走上自行设计的道路；50年代初只能生产一般中小型电机，不久即能制造大型发电设备和特殊用途电机。下面对我国电机制造工业的发展概况作一简要介绍。1.1 产品品种、规格不断增加，单机容量迅速增大，技术经济指标逐步提高在发电机发面，继第一台10mw空冷水轮发电机（1955年）、6mw空冷气轮发电机（1956年）和12mw双水内冷气轮发电机（1958）诞生，又制成100mw双水内冷和氢内冷、125mw与200mw双水内冷、200mw水氢冷和300mw双水内冷与水氢冷气轮发电

14、机，225mw空冷、300mw双水内冷与空冷水轮发电机和600mw水氢冷气轮发电机。国产气轮发电机在不长时间内，就从空冷、氢冷发展到双水内冷和水氢冷，从而掌握了大型气轮发电机，除全氢冷以外的各种主要冷却方式的技术。在中小型电机方面，自从1953年进行第一次全国统一设计后，中小型电机的生产开始摆脱过去的混乱局面，走上统一和系列化的道路。据统计，到目前为止，我国生产的中小型电机系列，除一般电机或基本系列外，还有防爆、船用、潜水、单绕组多速、力矩、起重冶金、高起动转矩、辊道、电磁调速、热带型、屏蔽电机、磁阻式同步电动机及永磁电机等派生系列和专用系列。此外，还研制了中小型无槽直流电机、晶闸管供电直流电

15、动机、潜油电机、钻探电机、谐波励磁同步发电机等多种新产品。从目前情况看来，一般或基本系列中小型电机已能满足国民经济各部门的需要，其技术经济指标也在逐步提高。1.2 积极采用新技术、新材料、新结构和新工艺我国在发展电机时，十分注意新技术、新材料、新结构和新工艺的采用。在采用新技术方面，首先是应用电子计算机来进行电机的电磁计算以及磁场、温度场计算和零部件机械计算。其他像感应电机的单绕组和三角型y混合联结绕组，同步电机的无刷励磁、静止半导体励磁、谐波励磁和整块磁极，直流电动机的晶闸管供电和无槽电枢，以及双水内冷技术、直线电机等也都先后正式用于生产。在绝缘材料方面，目前我国生产的电机中，主要采用e、b

16、两级（其中e级约占2/3左右），f、h级仅在少数要求较高或特殊用途的电机应用，但前者正积极地分别向b、f级过渡。近年来，我国还在氢冷汽轮发电机上应用了液体塑料密封材料，以代替传统的橡胶皮条等固体密封材料，改善了密封性能。在工艺水平和机械化、自动化程度方面，小型电机的机座与转zhu加工、静电喷漆、总装实验等自动线均已正式采用；级进式冲模、大型压铸机、定子绕组自动下线机、插槽绝缘机、端部整形机、自动绕线机等新设备及真空压力浸渍、中型感应电机转子导条环氧粉末涂敖、机座射压造型等新工艺的应用，也都使工效大大提高，电机质量进一步改进。1.3 标准化、系列化和通用化程度不断提高1953年以后多次组织了电机

17、产品的改型设计和新系列统一设计，使我国从发电设备、大型交直流电机一直到种类繁多的中小型电机，大多数都有了自己的系列。不但建立了若干产量大、使用面广的基本系列，还建立了应用场合比较特殊的派生系列和专用系列。在电机零部件和安装尺寸、机座号等的标准化、系列化、通用化方面也进行了大量工作，已形成自己的体系，还制订了电机专业的许多国家标准，这些标准正逐步接近国际电工委员会的标准。1.4 积极开展电机理论、测试技术和新型发电方式的研究 近年来，我国对电机绕组、附加损耗、附加转矩、电机冷却、大型电机的端部磁场、电机测试技术以及超导电技术在电机的应用等方面开展了一系列研究，取得不少成果。此外，我国还对原子能、

18、磁流体、地热、太阳能、风力和燃气轮机用于发电方面进行了一系列实验研究工作，已建成一座实验性的地热发电站及制成若干燃气轮发电机组。第2章 无刷同步发电机励磁系统的研究2.1 无刷同步发电机励磁系统概述 从目前来看，励磁系统已成为交流同步发电机中最核心的部分，也是经典的同步发电机中最有发展前途的部分之一，励磁系统的好坏，直接影响到同步发电机的性能和运行质量。因此各国学者几十年来均致力于励磁系统的研究和改进。研究结果表明，当发电机的励磁电流大于8000a时，由于受滑环材质、冷却条件以及碳刷均流的影响，制造相应容量的滑环是困难的。为此，对于大型发电机采用无刷励磁系统是适宜的。从长远来看无刷励磁方式是同

19、步发电机今后的发展方向。励磁系统通常包含励磁机、手调励磁系统、自动励磁系统、灭磁装置等设备。作用是当电机正常运行时，供给维持一定的电压和一定的无功输出范围所需要的励磁电流：当电力系统发生短路或突然加负载、甩负载时，对电机强行励磁和减磁，以提高电力系统的运行稳定性：当电机内部发生短路时，对电极进行灭磁，以避免事故扩大。一般来说，无刷励磁发电机由两台电机组成，即主发电机和交流励磁机。对于主发电机而言，由于采用交流励磁机和旋转整流器，实现了励磁无刷化。但对于交流励磁即来说，它也是一台三相交流发电机，它也需要励磁。根据交流励磁机的励磁特点，我们可以把无刷励磁同步发电机划分许多不同的励磁方式。2.2 晶

20、闸管无刷励磁系统在无刷励磁系统中，将旋转的二极管整流器代以晶闸管整流元件，将会显著地提高励磁系统控制的快速性，但是在实现这一控制方式时，在技术上存在很大难点，因为在晶闸管无刷励磁系统中，需将处于静止侧的触发脉冲供给旋转的晶闸管整流元件，即要求在静止部分和旋转部分之间建立一个控制联系。英国派生斯公司所采用的方法是在无刷主励磁机的主轴上装一台极数与主励磁机相同的小型旋转电枢控制用励磁机，其电枢各相的末端接于旋转晶闸和整流器的控制极，从而提供了与主励磁机电枢电压波形同步的触发脉冲。控制励磁机的电压与主励磁机与主励磁机电压之间的相位移，决定于它们之间固定磁场系统之间的物理角。改变此角度即改变了晶闸管整

21、流器的触发角。实际上，控制励磁机在纵轴及横轴上均设有励磁绕组。这两个励磁绕组引入与自动控制成比例的控制电流，并使两绕组的合成磁通势为常数。改变两控制量的比例即可使其合成磁通势在空间位置发生变化，达到改变晶闸管整流器控制触发角的目的。这样，便可控制主励磁机的电压由正的电压最大值到负的电压最大值，而控制时间小于0.01s，和采用二极管的方案比较，采用晶闸管整流器的交流励磁机尺寸要大一些，因为此时交流励磁机是按恒定电压方式工作的。根据上述原理设计的晶闸管无刷励磁系统应注意以下问题：（1） 通过晶闸管的正向电流上升率不超过规范值，否则会由于晶闸管元件局部发热而损坏。（2） 正向电压的上升率不得超过规定

22、值，否则在元件的控制极上未加脉冲前亦有可能也会引起误触发导通。（3） 控制极电流必须同时迅速地加在全部应导通的并联晶闸管元件上。（4） 必须提出有效的方法，以保证输出电流在正向压降和导通特性不同的并联晶闸管元件之间均匀分配。（5） 必须防止整流器的逆变颠覆。如果整流器以接近于180的控制角工作，就有可能发生某桥臂一直保持导通的故障情况。（6） 控制系统必须有抗干扰的能力。英国派生斯公司曾根据上述原理研制了试验性晶闸管无刷励磁系统，以检验设计的正确性。原型500kva交流励磁机在设计时，虽然其输出适用于60mw、3000r/min的汽轮发电机组，但是在整流环、电枢的直径、电流负载及晶闸管元件的选

23、择上亦适用于660mw汽轮发电机组无刷励磁系统。在晶闸管无刷励磁系统的触发方式上，派生斯公司还发展了旋转脉冲变压器触发方式，在转轴上进行脉冲放大是其设计的特点。当汽轮发电机组采用晶闸管无刷励磁系统时，除可提高控制系统的快速性外，还可利用逆变进行灭磁这亦是此系统的主要优点之一。前苏联在开发大型汽轮发电机的晶闸管无刷励磁系统方面也取得了举世瞩目的成就。在解决怎样由静止侧将触发脉冲信号传递到旋转晶闸管整流器侧的问题时，采用了简单、可靠的无触点控制系统，以装在与旋转晶闸管元件同一轴上的旋转脉冲变压器来传送控制脉冲。脉冲变压器定子和转子的磁路为环形，定转子间有一小气隙。变压器的一次和二次绕组相应地置于定

24、子和转子槽中。基于以上研究，有可能生产一台用于300mw汽轮发电机原型晶闸管无刷励磁装置。在原型上进行的研究表明，在脉冲变压器二次绕组控制脉冲前沿持续时间约为70s的情况下，分别接于交流励磁机电枢绕组并联支路的晶闸管元件导通过程正常。在300900s内改变触发脉冲持续时间，对以汽发电机磁场绕组为负载的晶闸管励磁装置是足够的2.3 无刷励磁系统的分类2.3.1 按交流励磁功率源来分a 永磁发电机式无刷发电机 交流励磁机的励磁功率由永磁发电机供给。即整体来看也属于一种他励式发电机。此种励磁方式多用于航空无刷发电机或大型无刷同步发电机中。b 从主绕组中获得励磁功率源的基波励磁无刷发电机 该类无刷发电

25、机又可以分为复励和无复励两种。有复励式除了采用主绕组电压源外，还利用电流互感器从主机获得复励分量，而且交流励磁机定子磁场线圈由两个独立绕组组成。一个绕组由主机源供电，另一个绕组由电源供电，两个磁场可接成复励也可以接成差动式的复合关系。，有复励部分的交流无刷发电机动态性能好，但结构复杂。无复励式交流无刷发电机动态性能差，但线路简单。c 三次斜波励磁无刷系统交流励磁机的励磁功率源由定子中的三次斜波辅助绕组供给。具有斜波励磁的优点，即这种励磁方式本身就具有较强的复励能力，故动态性能好，强励能力强，能直接起动较大容量的电机。同时在控制线路简单的情况下，可以获得很高的稳定电压调整率。d 旋转相复励无刷发

26、电机旋转相复励无刷发电机的交流励磁机和前面所叙的交流励磁机的不一样，它是一种特殊的旋转复砾变压器。在这种交流励磁机的定子上配有电流绕组和经过电抗器移相绕组。转子部分配有相当于变压器副边的电枢绕组。这种励磁方式具有动态性能好，铁心尺寸比一般交流励磁机小，有较高的电压调整率等优点。但制造工艺复杂，体积大，自动建压比较困难。2.3.2 按旋转元件划分a 旋转二极管式的无刷励磁发电机 其旋转整流器由一般的旋转二极管组成，线路简单，但一般动态性能差。b 旋转晶闸管式无刷发电机 其旋转整流器由旋转晶闸管组成。该励磁方式是70年代发展起来的新技术，是为了克服二极管式无刷发电机动态性能反应慢的缺点而出现的。其

27、动态性能指标达到了静止励磁的水平恢复时间为0.2秒。但线路复杂，成本高。目前用于中型无刷发电机2.4 励磁系统的选择根据设计的要求，励磁系统必须有反应快，无电刷，能快速灭磁等特点，比较各种励磁系统的特点，最终我选择了用旋转整流器励磁系统 。该励磁系统具有反应速度快，有旋转机械，无电刷，能快速减磁和灭磁，独立运行性能高等特点，基本符合设计的要求。2.5 旋转整流器（晶闸管）励磁系统励磁旋转晶闸管式无刷发电机的特点是自动电压调节器（avr）与旋转晶闸管装于同一个轴上，直接对主励磁电流进行调节，故动态性能好，反应速度快。只有整定电位器在转子的外面，以便对电压进行整定。测量信号通过变压器由不动的定子部

28、分传送给旋转的转子部分，从而调节avr的输出，以达到控制的方式。2.5.1 旋转整流器的设计旋转整流器是无刷发电机的重要部件，整流管的可靠性直接影响发电机的运行。整流线路的选择，在主机参数不变的情况下选用半波或全波线路各有优缺点，应根据具体情况来决定。（1） 三相全波线路功率因数较高，；三相半波线路功率因数低，。另外，三相全波整流效率高，交流励磁机可设计的经济些。（2） 三相全波动态较好。（3） 三相半波时，每个桥臂串接的整流器少，起励比较容易。但每个元件上承受的反向电压比全波时高一倍。（4） 三相全波要用6个旋转整流器，是半波线路的两倍。元件愈多，故障愈多，故可靠性比半波时差，且结构复杂，连

29、线多。（5） 若充分利用旋转整流器位置，可采用双路并联的三相半波整流电路，其可靠性可大为提高。一般说来，对小容量的电机，为了追求结构紧凑，简单可靠，以选择三相半波整流线路为宜。对于较大容量电机或为了获得较好的动态性能，以选择三相全波整流线路较好。故本设计先用三相全波线路。旋转整流管采用模块结构，它将一个桥臂做成一个模块，一个完整的整流桥由四个桥臂组成，其中三个桥臂组成三相整流桥，另一个桥臂是压敏电阻，对整流桥进行保护，每个桥臂用螺钉直接固定到转轴上。2.5.2 旋转整流桥元件的选用无刷电机的整流元件必须是能耐受强大的离心力，耐受机械振动的旋转元件。要求它有极高的可靠性，在承受机械应力的情况下能

30、保持良好的电气性能。因此，旋转整流元件除了元件制造厂在出厂前应进行严格筛选外，电机制造厂在使用前，对其能否经受离心力、振动力以及热容量是否足够，也要经过超速、振动和温升试验的严格挑选。元件的筛选、老化试验项目有：（1） 长期静压试验；（2） 短时加压试验；（3） 旋转与振动试验。上述试验还需分带电与不带电二种工况进行。对旋转整流器元件的电气参数的选择，即要考虑稳定运行工况，也要考虑各种最恶劣的瞬时状态。例如，起动较大容量民步电动机或主发电机产生突然短路等工况。因此选用二极管时要有足够的裕度。一般二极管电流容量的选择可为每个桥臂流过的工作电流的三倍。1）、旋转二极管的电流 2）、旋转二极管的电压

31、 为额定励磁电压因此可选耐压比2347.4v大的二极管2.5.3 旋转整流元件的安装方式转整流元件的安装与接线必须考虑旋转的要求。目前旋转整流元件的安装方式共有两种：一种是径向安装方式，它又分为受压应力旋和受拉应力二类；另一种为轴向安装方式，旋转二极管受剪应力。各种安装方式各有优缺点，受压应力方式比较合理，但结构比较复杂。受剪应力工作方式工作似较恶劣，但结构简单，容易维修。目前在一般小型无刷发电机中，采用轴向安装方式的较多，它结构紧凑，易于安放保护电路。本次设计选用轴向安装。2.5.4 旋转整流器的保护措施由于对运行中的旋转整流器的工作状态不易监视与检测，故必须对整流桥中的旋转二极管采取适当的

32、保护措施。以确保整流桥的可靠性。通常保护措施有两类，一类为过流保护，可采用快速熔断器等元件进行保护。另一类为过压保护，多采取硅堆、非线性压敏电阻或线绕电阻等元件进行保护。但在中、小型无刷发电机中，为了结构上的简便和提高机械上的可靠性，通常对过流保护是适当增大整流元件的电流容量而不采用复杂的过流保护措施。至于过压保护，则通常只在直流侧并一个非线性压敏电阻，有时并一个线绕电阻。线绕电阻的安装方法是采用康铜丝或镍铬电阻丝绕制在旋转整流器装置圆盘之外圆上的槽内，这种布置方式的优点是易于散热，具有良好的运行可靠性和机械平衡性。一般认为，保护电阻的选择，应以电阻中流过的电流大于整流元件的漏电流为宜。据此，

33、保护电阻的阻值均在数千欧以上。但从保护效果来看，保护电阻应越小越好。但这样一来，将会使励磁机的励磁功率增加很多，同时也将会影响到无刷发电机整机的动态性能。根据日本西芝电机公司的经验，保护电阻阻值宜于选择为主发电机磁场电阻的3060倍。本设计采用压敏电阻对整流管进行保护，压敏电阻的选择，可取为额定励磁电压的45倍，便可将过电压水平限制在额定励磁电压的45倍的范围内。2.6 励磁系统发展趋势数十年来，实际应用过的励磁方式有多种，每一种励磁方式的出现都与当时的技术水平和生产需要密切相关。早期发电机单机容量小，半导体技术还没有发展起来，所以绝大多数采用同轴直流励磁机的励磁方式。随着发电机单机容量的增加

34、，高速直流励磁机的容量受换向器换流能力和离心力的限制，很难满足励磁功率大于500kw的要求，于是就出现了齿轮减速或电动发电机组的低速直流励磁机方式和水银整流器励磁方式。个别电厂为了解决高速大容量直流励磁机的稳定运行难题，创造了直流励磁机加发电机定子电流复励的方式。国内最大容量的高速直流励磁机为550kw，配用于qfs型双水内冷125mw等多种规格的发电机。20世纪50年代至60年代，出现了大功率半导体整流元件，于是就创立了交流励磁机整流器励磁系统，取代大容量的直流励磁机。随着永磁材料不断进步，永磁式副励磁机又取代了非永磁副励磁机。目前交流励磁机整流器励磁方式（含无刷励磁）广泛主用于100mw以

35、上的汽轮发电机组，直到目前最大的1450mw核电1500r/min核电发电机。20世纪60年代中期，出现了大功率晶闸管元件，于是又创立了多种与晶闸管元件有关的励磁方式，有交流励磁机或厂用电晶闸管励磁方式、并联自复励或串联自复励的励磁方式、自并励静止励磁方式以及三次谐波励磁方式等。当汽轮发电机的励磁电流达到数千安以上时，滑环和碳刷的矛盾比较突出，同时防爆防火场合要求无火花，于是又开发了交流励磁机无刷励磁方式。可见，励磁系统技术是跟随机械换向器整流不可控整流可控整流的发展而发展的，它们各有特点。新型无刷励磁系统的原理接线图它的副励磁机是永磁发电机，其磁极是旋转的，电枢是静止的，而交流励磁机正好相反

36、交流励磁机的电枢、可控硅整流元件、发电机的励磁绕组都在同一根轴上旋转，所以它们之间不需要任何滑环与电刷等接触元件，这就实现了无刷励磁. 同时，与原无刷励磁系统相比，新型励磁机转子上装有高速开关器件igbt三相桥，它的触发电路采用光电系统，即其触发电路为套在轴上旋转的光环(暂称为光转子)，励磁机定子上装有接成若干对极的励磁绕组和光环静止部分(暂称为光定子)，励磁机控制器在综合控制信号和同步发电机运行参数的基础上，将控制信息准确无误地传递到旋转着的igbt桥上的触发电路，而且能实现逆变灭磁。第3章 无刷同步发电机的结构和原理3.1 结构模型同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的

37、转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。 转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。 除了转场式同步电机外,还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转

38、子充当了电枢。图中用ax、by、cz三个在空间错开120电角度分布的线圈代表三相对称交流绕组。同步电机的结构分为旋转电枢式和旋转磁极式两种，前者偶然用与小容量同步机中，后者是同步机的主要结构形式。在旋转磁极式中又分为隐极式和凸极式两种，前者的气隙是均匀的，后者的是不均匀的。隐极式结构的转子机械强度大并能更好的固定转子绕组，所以多用与高速同步电机，例如3000r/min 的汽轮发电机。凸极同步机多用与低速和中速的场合，例如水轮发电机或柴油发电机中。此次设计的发电机属于中小型发电机，从经济性考虑，采用凸极式。3.1.1 凸极式转子凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈，如图15.3 所示。当励

39、磁线圈中通过直流励磁电流后，每个磁极就出现一定的极性，相邻磁极交替为 n 极和 s 极。对水轮发电机来说，由于水轮机的转速较低，要发出工频电能，发电机的极数就比较多，做成凸极式结构工艺上较为简单。另外，中小型同步电机多半也做成凸极式。3.1.2 隐极式转子 隐极式转子上没有凸出的磁极，如图15.2b所示。沿着转子本体圆周表面上，开有许多槽，这些槽中嵌放着励磁绕组。在转子表面约1/3部分没有开槽，构成所谓大齿，是磁极的中心区。励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也会出现 n 极和 s 极。在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可达170米/秒。为了减小转子本体及转子上的各部件所承受的

40、巨大离心力，大型汽轮发电机都做成细长的隐极式圆柱体转子。考虑到转子冷却和强度方面的要求，隐极式转子的结构和加工工艺较为复杂。 3.2 磁极结构的选择小型三相同步发电机可以采用凸极和隐极两种结构，主要由个厂家的生产习惯和工艺的不同而决定的，这两种结构各有优缺点，其比较见表：凸极转子隐极转子（1） 磁极冲片于磁轭分开制造，然后将磁极固定在磁轭上，金工工时多（2） 励磁绕组的每极线圈是集中式的，电工工时短（3） 磁极、磁极线圈、轴等分开制造，然后组装，便于平行制造。（4） 励磁绕组散热面积小，散热条件差（5） 定子线电压波形较差，负载时电压波形有较大畸变（6） 励磁功率小（7） 励磁绕组固定比较困难

41、，机械强度差（1） 磁极与磁轭整体冲片，然后叠压在轴上，金工工时短（2） 励磁绕组的每极线圈是分布式的，绕组制成后逐个嵌入槽内，电工工时短（3） 转子嵌线，绝缘处理必须在转轴加工、铁心压装后进行，不便于平行作业（4） 励磁绕组散热面积教大，散热条件好（5） 采用分布励磁绕组，气隙波形正弦性较好空载和负载时电压波形有较好（6） 励磁功率大，转子用铜量较多（7） 励磁绕组容易固定，机械强度较好70年代末期发展了兼顾凸极和隐极结构优点的整体凸极叠片转子。这种结构磁极和磁轭为一体，整体冲出，叠装在轴上，在铁心上包绝缘。励磁绕组由绕线机直接绕到极身上，边绕边涮漆，然后烘干。这种设计、工艺和分离式凸极结构

42、相比的特点见下表：分离式凸极转子整体凸极转子（1） 磁极线圈绕线在预制的框架上，线圈的框架和磁极间有一定的间隙，不利于励磁绕组的散热。电密只能取相对取低，增加了用铜量和电机的体积（2） 磁极和磁轭间有第二气隙，增加了励磁安匝（3） 采用磁极螺钉固定磁极，阻尼绕组的布置受到限制（4） 斜极非常困难，只能采用斜槽来消除齿谐波（5） 便于折卸修理（1） 励磁绕组直接绕在极身上散热好，电密可取得相对高，减少用铜量和电机的体积（2） 无第二气隙，减少了励磁安匝（3） 阻尼绕组布置方便（4） 斜极方便，可用斜极的办法消除齿谐波（5） 折卸修理困难在设计中采用整体凸极结构和绝缘材料的发展（采用f级），为了提

43、高励磁绕组的绝缘性能，改善励磁绕组的散热条件，使转子线圈工艺便于实现机械化。采用整体凸极叠片转子，已经成为电机的一种发展方向。3.3 磁极形状的选择为了获得接近正弦分布的气隙磁场，在凸极结构中一般采用最大气隙与最小气隙之比为1.5，极弧系数a=0.7-0.73，对于采用三次斜波励磁发电机，为使空载和负载时斜波分量适当，一般采用最大气隙和最小气隙之比为1.2-1.3。对于30kw以下的发电机，为了方便制造可以采用1.0，即均匀气隙3.4 无刷同步发电机的工作原理 当原动机拖动主发电机旋转时，交流励磁机的电枢绕组首先将切割剩磁自励发出交流电，然后经旋转整流器变成直流电后进入主发电机转子绕组以励磁。

44、这时主发电机的输出端有电压。励磁电源取自发电机输出端电压，称这种为自励恒压发电机。 图 1具有可控硅电压调节器的相复励励磁系统a1电压调节器 c1-3电容器 g1主电机g励磁机 l1电抗器 r1串联电阻器 t1-3单相电流互感器 t5压降补偿电流互感器 t5整流变压器 v1静止整流器 v2旋转整流器 只要调节交流励磁机的励磁电流，就可以改变主发电机的励磁电流，从而控制主发电机的输出端电压，依靠连接于主发电机输出端和交流励磁机定子磁场绕组之间的自动电压调节器就可以稳定主发电机的端电压。见无刷同步发电机接线原理图（图1）。主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁

45、场。 载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。 切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。 交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。 感应电势 有效值：由第11章可知，每相感应电势的有效值为 (15.1)(15.1) 感应电势 频率： 感应电势的频率决定于同步电机的转速n 和极对数p ，即 (15.2) 交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极

46、性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。第4章 无刷励磁发电机的简单介绍一般的无刷交流发电机是由两个电机组成的，即主发电机和交流励磁机，因此设计过程中也分为两个部分。4.1 主发电机主发电机是一般的三相交流同步发电机，其设计的方法与普通的三相同步发电机完全一样的。但是由于无刷励磁原理上有一些特殊性以及科学的发展、技术的进步，对现代无刷同步发电机也提出了许多新的技术要求，从而使无刷发电机的设计有新的特点。4.1.1 较小的线电压波形畸变率各国电机标准大都规定中、小型电机的畸变率不大于10%。但是近年来，中、小型无刷发电机广泛地用作为计算机隔离电源或应急用电源，因此，对发电机电压

47、波形的正弦畸变率应小于5%。这对电极设计提出了更高的要求。这主要是从主极磁场和绕组设计时候要考虑的。4.1.2 动态性能由于现代同步发电机许多供电负载，都是电子设备和配备有电子设备的装置，对发电机的动态性能有很高的要求 在主机设计的时候，必须选择适当主机的瞬时电抗值以减少主机的时间常数。一般取之间，左右。当然从电机系统观点来看还有许多其它的方法和其它的措施，例如：合适的励磁方式，采用叠片磁极，全部阻尼绕组，合理的励磁机设计以及采用快速反应的自动电压调节器等。4.1.3 维持短路电流的能力无刷励磁发电机大多数都是作为无人管理的自动化电站电源，故应能可靠地使配电站系统的保护装置动作，排除故障，提高

48、自动化电站的可靠性。国内、外无刷发电机的技术要求中，均提出了应能维持3倍以上的额定短路电流，维持时间2-3秒的要求，在励磁方式的选择或励磁系统设计中加以考虑。4.1.4 加装全阻尼绕组无刷发电机为现代化电源，均带有电子元器件的自动调节器和功率硅二极管，并要求具有能并联运行的特性。所以采用阻尼套，一改善电机的并联运行性能，使并联运行可靠，同时可作为电压调节器及旋转整流器的第一道可靠的过电压保护屏障。根据分析，当电机短路时，开路相会产生过电压。另外，发电机励磁绕组在突加负载或负载短路的瞬变过程中也会产生过电压，很多研究者指出，当电机有全阻尼绕组时，磁场绕组的过电压约为3-5倍额定励磁电压，而没有阻

49、尼绕组时过电压可达到10倍以上。凸极发电机的阻尼绕组是装在极靴的表面，极与极之间的连接一般采用端环，也可以采用与转子冲片相同的铜板作阻尼端板，厚度1.5-3mm，阻尼条与阻尼端板焊牢。这整体凸级冲片的磁极，极中心没有磁极螺钉，阻尼条的布置可不受刺激螺钉的限制，在容量较小f级绝缘的电机中，为了兼顾阻尼和通风，还设有阻尼板，板厚为1.5mm，阻尼板紧贴极身，高度约等于绕线的高度，两端卷成约10mm的管状，与阻尼端板焊牢，使转子绕成后在端部形成宽约10mm的通风道，可以改善通风的效果。4.2 交流励磁机交流励磁机是一个旋转电枢式交流同步发电机。但由于它的工作特点和负载的特殊性，使它与一般的交流同步发

50、电机不一样，因此在设计上有不同的特点。4.2.1 交流励磁机的设计要求一般同步发电机在允许的范围内变化时，其输出电压都要维持不变。但交流励磁机输出电压。u3随主发电机负载和工作温度变化而大幅度变化着，相应交流励磁机的感应电动势也应大幅度变化。这就是交流励磁机的负载特点。因此要满足主发电机的强大的励磁要求，交流励磁机的磁路尺寸就必须根据ujmax来设计，使与此相应最大电动势emax的磁路工作点处于空载特性的屈膝部。这样，相应于交流励磁机额定工作状态的磁路工作点就必须处在线性部分，即交流励磁机的额定工作时的磁密要取得底。所以交流励磁机磁性材料的利用率极底，同容量的交流励磁机的体积比一般的同步发电机

51、大，重量也重4.2.2 特殊的电压变比和电流变比 由于交流励磁机的电枢具有电感，换相时其独特的电压变比和电流变比植，并且是换相器的函数。其电压变比和电流变比公式如下：4.2.3 交流励磁机的电枢反应由于交流励磁机的负载是个大电感（主机的磁场绕组），能使直流输出电流id保持恒定，加之由于换相角的存在，结果使交流励磁机相电流波形与正弦波相差很大。在计算的时候，应首先算出基波电流，然后计算出电枢反应磁势。为了改善无刷发电机的动态特性，交流励磁机设计时必须注意以下2个问题1） 尽量选用较小的短路比（大约0.3-0.5左右）以提高励磁机励磁电流的瞬时灵敏度，缩短励磁机的时间常数.2） 选用较高的频率,约

52、为主机频率的4-3倍.起目的也是使励磁机有较小的时间常数.4.3 旋转整流器的简述旋转整流器是无刷发电机的重要组成部分，在一定程度上决定了发电机的可靠性。因此旋转整流器的正确设计、旋转整流元件的合理选用是无刷发电机设计的一个重要环节。旋转整流器由半导体旋转整流二极管、快速熔断器、过电压保护器等元件等组成，快速熔断器作为过电流或短路保护串联与每个二极管支路，浪涌抑制器或压敏电阻并联与旋转整流装置的直流侧可以吸收瞬时过电压，作为电压保护，旋转整流器和发电机的转子是同轴安装的，整流电路（单相，三相）应与交流励磁机相数相等，可以用全桥整流式或半桥整流式，旋转整流器的输入端（交流侧）接交流励磁机的输出端

53、，其输出端（直流侧）通过转轴中心的轴孔与主发电机的转子励磁绕组相连，供给主发电机励磁。旋转整流器不仅工作在高速、高温和有振动的场合，而且还承受过流过压冲击的可能，是电机故障率最高的部件，因为在电机受到外界干扰时，尽管由负载电流产生的定子旋转磁场和转子绕组无相对运动，但随着定子磁场幅植的突变，在转子绕组中变会感应出变压器电势，定子绕组中就会流过负序电流，这个负序电流产生的负序磁场对转子有两倍同步转速的相对速度，将在转子磁场绕组中感应出旋转电势；异相和闸常发生在同步设备检修后，因电压互感器 一相错误连接而造成，当发电机电压与系统电压之间的相位角为60度和闸时，会导致很高的转子电压，在非对称短路或并

54、网的误操作过程中，上述的旋转电势和变压器电势将可能于某一瞬时产生，这两个瞬时电势加上交流励磁机电枢输送的旋转整流器的电势再加上主发电机转子磁场绕组中原有的电流相迭加（转子磁场绕组是感性元件），共同作用于旋转整流二极管，可导致二极管流过很大的正向电流，也可使截止的二极管承受很高的反向电压，将可能损坏二极管。在气隙较小、阻尼不良或没有阻尼绕组的凸极同步发电机中，这也现象更为突出，若交流励磁机的极对数是主发电机极对数的整数倍时，当发电机三相对称短路时转子线圈中的感应电流也将流过正在导通的二极管，使二极管受损。 基于上述分析，必须采取适当的措施来预防可能发生的故障：在转子磁极表面中装有阻尼绕组，以改善动态性能；交流励磁机的极对数和主发电机的极对数不成整数倍；对旋转二极管才用过压和过流保护；选择旋转二极管时额定容量留有较大的裕量。因此旋转整流器在安装方式、绝缘方式、振动、热容量等方面须经过精心的设计、制造和严格的振动、超速、高温等实验，使其具有很高的可靠性，整流桥输出侧装有压敏电阻，以防发电机磁场绕组出现过电压时损坏整流二极