发电机的原理和构造

1、发电机结构与工作原理2022-3-32u同步电机：同步电机：交流旋转电机。交流旋转电机。u用途：用途：主要作发电机用，也可作电动机带主要作发电机用，也可作电动机带动具有恒速要求的机械，还可作调相机，向动具有恒速要求的机械，还可作调相机，向电力系统发出无功功率，用于改善电力系统电力系统发出无功功率，用于改善电力系统的功率因数及调整电网电压。的功率因数及调整电网电压。 现代发电厂中所发出的交流电能几乎全部现代发电厂中所发出的交流电能几乎全部是同步发电机发出，尽管目前有其他发电型是同步发电机发出，尽管目前有其他发电型式，如磁流体发电，太阳能发电等，但电力式，如磁流体发电，太阳能发电等，但电力系统中仍

2、是同步发电机占绝对优势。系统中仍是同步发电机占绝对优势。2022-3-33u 同步电机指电机同步电机指电机转子的转速转子的转速n与与旋转磁场旋转磁场转速转速n1相同的交流电机。相同的交流电机。u同步电机的转速：同步电机的转速：n=60f1/p f1 -电网频电网频率。率。2022-3-34三相同步发电机的基本工作原理三相同步发电机的基本工作原理 同步发电机同步发电机(synchronous generator)是将机械是将机械能转变为能转变为交流电能交流电能的设备。的设备。 在火电厂，发电机用汽轮机作原动机，称为在火电厂，发电机用汽轮机作原动机，称为汽汽轮发电机轮发电机；在核电站是以核反应堆来

3、代替火电站的；在核电站是以核反应堆来代替火电站的锅炉，原动机仍然是汽轮机；锅炉，原动机仍然是汽轮机； 在水电厂，发电机用水轮机作原动机，称为在水电厂，发电机用水轮机作原动机，称为水水轮发电机轮发电机； 有的地方用柴油机用作原动机，称为有的地方用柴油机用作原动机，称为柴油发电柴油发电机机。2022-3-35SNnIf三相同步发电机的基本工作原理三相同步发电机的基本工作原理 同步发电机基本工作原理：同步发电机基本工作原理：导导体切割磁力线感应电动势。体切割磁力线感应电动势。 转子：转子：转动的部分，转子上有转动的部分，转子上有磁极和励磁绕组，产生磁场。磁极和励磁绕组，产生磁场。 定子（又叫电枢）：

4、定子（又叫电枢）：固定的部固定的部分，定子铁心上有齿和槽，槽分，定子铁心上有齿和槽，槽内设置有绕组，是切割磁场的内设置有绕组，是切割磁场的导体。导体。 气隙：气隙：定转子之间有气隙。定转子之间有气隙。动画动画2022-3-36三相同步发电机的基本工作原理三相同步发电机的基本工作原理 定子：定子：有三相定子绕组，每相有三相定子绕组，每相结构完全相同，它们在空间上结构完全相同，它们在空间上互差互差120电角度对称分布放置电角度对称分布放置在定子铁心槽内。在定子铁心槽内。 转子：转子：有有p对磁极，磁极上有直对磁极，磁极上有直流励磁绕组，当直流电流通过流励磁绕组，当直流电流通过电刷和滑环流入转子绕组

5、后，电刷和滑环流入转子绕组后，产生主磁通，主磁通由产生主磁通，主磁通由N极经气极经气隙，定子铁心，再经气隙进入隙，定子铁心，再经气隙进入S极，构成主磁路。极，构成主磁路。2022-3-37 定子外接负载，形成回路，有三相电流。定子外接负载，形成回路，有三相电流。u 机械能转化为电能机械能转化为电能)120sin(tEemOBtEemOAsin）（240sintEemOCu 定子绕组三相感应电势定子绕组三相感应电势三相同步发电机的基本工作原理三相同步发电机的基本工作原理 2022-3-38u交流电势频率交流电势频率f的确定的确定 当转子为当转子为1对磁极时，转子旋转一周，定子绕组对磁极时，转子旋

6、转一周，定子绕组中感应电势变化一个周期；当同步发电机有中感应电势变化一个周期；当同步发电机有p对极对极时，转子旋转一周，感应电势交变时，转子旋转一周，感应电势交变p个周期。个周期。 当转子转速为每分当转子转速为每分n转时，交变电势频率为：转时，交变电势频率为：min/60rnpnf转子转速，三相同步发电机的基本工作原理三相同步发电机的基本工作原理 2022-3-39u交流电势频率交流电势频率f的确定的确定min/60rnpnf转子转速，结论：结论：同步发电机定子绕组感应电势的频率取决于它同步发电机定子绕组感应电势的频率取决于它的极对数的极对数p和转子的转速和转子的转速n。 同步发电机极对数一定

7、时，转速与电枢电势的频率同步发电机极对数一定时，转速与电枢电势的频率有严格对应关系。有严格对应关系。 当电力系统频率当电力系统频率f一定，发电机转速一定，发电机转速 为恒为恒定值，这是同步发电机的主要特点。定值，这是同步发电机的主要特点。pfn/60三相同步发电机的基本工作原理三相同步发电机的基本工作原理 2022-3-310结论：结论：我国标准工频为我国标准工频为50Hz，所以同步发电机的极，所以同步发电机的极对数和转速成反比。对数和转速成反比。np3000l 汽轮发电机转速较高，极对数较少，如转速汽轮发电机转速较高，极对数较少，如转速n=3000r/min，则极对数，则极对数p=1。l 水

8、轮发电机转速较低，极对数较多，如转速水轮发电机转速较低，极对数较多，如转速n=125r/min，则极对数，则极对数p=24。三相同步发电机的基本工作原理三相同步发电机的基本工作原理 2022-3-311 按按运行方式不同运行方式不同分为：发电机、电动机和调相机。分为：发电机、电动机和调相机。 按按结构形式不同结构形式不同分为：电枢旋转式（简称转枢式）分为：电枢旋转式（简称转枢式）和磁极旋转式（简称转场式）。磁极旋转式按和磁极旋转式（简称转场式）。磁极旋转式按转转子结构不同子结构不同又分为凸极式和隐极式。又分为凸极式和隐极式。 按按安装方式安装方式不同分为：卧式和立式。不同分为：卧式和立式。 同

9、步电机的类型同步电机的类型 按按原动机类型不同原动机类型不同分为：汽轮发电机、水轮发电分为：汽轮发电机、水轮发电机、燃气轮发电机、柴油发电机、风力发电机、机、燃气轮发电机、柴油发电机、风力发电机、太阳能发电机等等。太阳能发电机等等。 按按冷却介质不同冷却介质不同分为：空气冷却、氢气冷却、水分为：空气冷却、氢气冷却、水冷却等。冷却等。 2022-3-312l同步电机的气隙较同容量的异步电机大。同步电机的气隙较同容量的异步电机大。 异步电机异步电机励磁电流由电网供给，需从电网吸取感励磁电流由电网供给，需从电网吸取感性无功功率，若气隙大，则励磁电流大，电机的功性无功功率，若气隙大，则励磁电流大，电机

10、的功率因数低，因此在机械允许的条件下，率因数低，因此在机械允许的条件下，气隙要尽量气隙要尽量小一些小一些。 同步电机同步电机气隙磁场由转子电流和定子电流共同激气隙磁场由转子电流和定子电流共同激励，从运行稳定性考虑，气隙大，同步电抗小，短励，从运行稳定性考虑，气隙大，同步电抗小，短路比大，运行稳定性高。但气隙大，转子用铜量增路比大，运行稳定性高。但气隙大，转子用铜量增大，制造成本增加。所以大，制造成本增加。所以气隙大小的选择要综合考气隙大小的选择要综合考虑运行性能和制造成本这两方面的要求虑运行性能和制造成本这两方面的要求。 同步电机与异步电机同步电机与异步电机2022-3-3132022-3-3

11、14l 用途：多用于汽轮发电机，一般为两极，转速为用途：多用于汽轮发电机，一般为两极，转速为3000r/min。体积和造价运行效率发电机转速容量一定，电机长度转子直径发电机转速 一般汽轮发电机转子长一般汽轮发电机转子长度度L和定子内径和定子内径D之比为之比为2-6.5。2022-3-3151.定子定子(stator) 机座机座(baseframe)、端盖端盖(end closure)、定子铁心定子铁心(stator core)和和定子绕组定子绕组(stator windings)等。等。汽轮发电机结构汽轮发电机结构2022-3-316发电机定子发电机定子2022-3-317（1）机座和端盖）机

12、座和端盖 机座的作用机座的作用：固定和支撑定子铁心及定子绕组等部：固定和支撑定子铁心及定子绕组等部件，通过机座将整个定子安装、固定在基础上。件，通过机座将整个定子安装、固定在基础上。 机座内部有冷却风道。汽轮发电机机座一般采用钢机座内部有冷却风道。汽轮发电机机座一般采用钢板焊接而成。对机座的要求，除了使安装、运输方板焊接而成。对机座的要求，除了使安装、运输方便外，还需要有足够的强度和刚度。便外，还需要有足够的强度和刚度。 正常和故障时能承受可能发生的最大应力，保证不正常和故障时能承受可能发生的最大应力，保证不产生不允许的变形。产生不允许的变形。汽轮发电机结构汽轮发电机结构2022-3-318

13、端盖的作用端盖的作用: :保护定子和转子的端部，使电机内形成保护定子和转子的端部，使电机内形成一个与外界隔绝的风路系统。一个与外界隔绝的风路系统。 一般用钢板焊接结构，也可采用灰铸铁或硅铝合金一般用钢板焊接结构，也可采用灰铸铁或硅铝合金铸件，中等容量的电机端盖也有采用玻璃钢压制的。铸件，中等容量的电机端盖也有采用玻璃钢压制的。 有足够的刚度。有足够的刚度。 大型同步电机，由于端部漏磁通较大，所以固定端大型同步电机，由于端部漏磁通较大，所以固定端盖的螺栓宜加以绝缘，以防止漏磁通引起的涡流流盖的螺栓宜加以绝缘，以防止漏磁通引起的涡流流过螺栓而使其发热。过螺栓而使其发热。 （1）机座和端盖）机座和端

14、盖汽轮发电机结构汽轮发电机结构2022-3-319汽轮发电机结构汽轮发电机结构 定子铁心由定子铁心由0.35mm、0.5mm或其它厚度的电工钢或其它厚度的电工钢片叠成。各段叠片间有宽约片叠成。各段叠片间有宽约10mm的通风槽，以改善的通风槽，以改善定子铁心散热。定子铁心散热。 定子外径较小时，采用圆形冲片，外径大于定子外径较小时，采用圆形冲片，外径大于1m 时，采用扇形冲片，目的是减少漏磁，防止涡流引时，采用扇形冲片，目的是减少漏磁，防止涡流引起过热。起过热。 定子铁心两端用非磁性材料定子铁心两端用非磁性材料压板将其压紧，将整个铁心固定压板将其压紧，将整个铁心固定在定子机座上。在定子机座上。

15、沿定子铁心内圆表面的槽内沿定子铁心内圆表面的槽内放置三相定子绕组。放置三相定子绕组。（2）定子铁心）定子铁心2022-3-320 （2）定子铁心）定子铁心2022-3-321（3）定子绕组）定子绕组也称也称电枢绕组电枢绕组，一般采用双层三相对称绕组。，一般采用双层三相对称绕组。为便于绕组下线，定子槽采用矩形开口槽，定子绕组为便于绕组下线，定子槽采用矩形开口槽，定子绕组放入槽中后，槽口用槽楔封住，槽楔常用绝缘材料放入槽中后，槽口用槽楔封住，槽楔常用绝缘材料(如如玻璃布板玻璃布板)做成。做成。汽轮发电机结构汽轮发电机结构2022-3-322汽轮发电机的电压较高，要求定子绕组有足够的绝缘汽轮发电机的

16、电压较高，要求定子绕组有足够的绝缘强度，一般采用强度，一般采用 B 级或级或 F 级绝缘。级绝缘。（3）定子绕组）定子绕组大型电机定子电流极大，绕组导线截面大。为减小导大型电机定子电流极大，绕组导线截面大。为减小导体集肤效应带来的附加损耗，定子绕组常由多股截面体集肤效应带来的附加损耗，定子绕组常由多股截面15平方毫米以下的扁铜线并绕而成，且沿槽长进行适平方毫米以下的扁铜线并绕而成，且沿槽长进行适当的换位，使绕组的有效部分，有时甚至连同绕组的当的换位，使绕组的有效部分，有时甚至连同绕组的端接部分，成为编织形。端接部分，成为编织形。汽轮发电机结构汽轮发电机结构2022-3-323定子绕组下线定子绕

17、组端部定子绕组下线定子绕组端部 2022-3-3242022-3-325定子端部定子端部 2022-3-3262转子转子汽轮发电机结构汽轮发电机结构l转子组成转子组成 转子铁芯转子铁芯 励磁绕组励磁绕组 阻尼绕组阻尼绕组 紧固件紧固件 风扇风扇l 功能：传递原动机供给的机械能、支撑旋转的励磁功能：传递原动机供给的机械能、支撑旋转的励磁线圈、形成良好的磁通路径和转子散热通道，因此线圈、形成良好的磁通路径和转子散热通道，因此对转子结构、材料和加工工艺要求较高。对转子结构、材料和加工工艺要求较高。2022-3-327转子绕组的通风口转子绕组的通风口 护环护环 中心环中心环 风扇风扇 汽轮发电机转子外

18、形汽轮发电机转子外形 2022-3-3282022-3-329（1）转子铁心）转子铁心 既有良好导磁性能，又有足够机械强度和刚度，最既有良好导磁性能，又有足够机械强度和刚度，最关键部件之一。关键部件之一。 一般采用优质合金钢锻制，铁心上开有两组对称的一般采用优质合金钢锻制，铁心上开有两组对称的槽，槽与槽之间的部分称为槽，槽与槽之间的部分称为齿齿，有两个齿特别宽称，有两个齿特别宽称为为大齿大齿，其余的叫，其余的叫小齿小齿。小齿嵌放励磁线圈，大齿。小齿嵌放励磁线圈，大齿形成磁极。形成磁极。 大型电机为了加强转子表面冷却，大齿区也开有一大型电机为了加强转子表面冷却，大齿区也开有一些较小的槽并不安放线

19、圈，只作通风用，这种槽称些较小的槽并不安放线圈，只作通风用，这种槽称为通风槽。为通风槽。 汽轮发电机结构汽轮发电机结构2022-3-330转子铁心转子铁心 2022-3-331 大型两极汽轮发电机转子，当长度与直径的比值较大型两极汽轮发电机转子，当长度与直径的比值较大时，为了减小倍频振动的影响，常在大齿部分沿大时，为了减小倍频振动的影响，常在大齿部分沿轴向每隔一定距离开有径向月牙槽，使大齿方向与轴向每隔一定距离开有径向月牙槽，使大齿方向与小齿方向的刚度尽可能接近。小齿方向的刚度尽可能接近。 有的电机在大齿开有槽，内装阻尼绕组有的电机在大齿开有槽，内装阻尼绕组(damping windings)

20、，阻尼绕组构成自行短接的半鼠笼结构，阻尼绕组构成自行短接的半鼠笼结构，用来改善发电机的稳定运行。用来改善发电机的稳定运行。 （1）转子铁心）转子铁心汽轮发电机结构汽轮发电机结构2022-3-332转子铁心结构转子铁心结构 2022-3-333（2）励磁绕组）励磁绕组汽轮发电机结构汽轮发电机结构由矩形绝缘扁铜线绕成同心式线圈，两线圈边分别由矩形绝缘扁铜线绕成同心式线圈，两线圈边分别放在大齿两侧所开的槽内，所有线圈串联。放在大齿两侧所开的槽内，所有线圈串联。励磁绕组构成电机直流回路，通过电刷与外电路连励磁绕组构成电机直流回路，通过电刷与外电路连 接。接。各线圈匝间有绝缘，对地也有各线圈匝间有绝缘，

21、对地也有 绝缘。绝缘。2022-3-3342022-3-335（3）护环和中心环）护环和中心环 汽轮发电机转子绕组的端部在高速旋转中将承受巨汽轮发电机转子绕组的端部在高速旋转中将承受巨大的离心力，并在通过励磁电流时产生热膨胀，造大的离心力，并在通过励磁电流时产生热膨胀，造成径向和轴向位移成径向和轴向位移护环用来套在转子绕组瑞部外护环用来套在转子绕组瑞部外面，防止径向位移面，防止径向位移，而，而中心环则用来阻止轴向位移中心环则用来阻止轴向位移。 为了避免因护环偏心引起的振动以及不对称运行或为了避免因护环偏心引起的振动以及不对称运行或异步运行时因转子表面感应电流引起配合面上的电异步运行时因转子表面

22、感应电流引起配合面上的电灼伤，要求灼伤，要求护环与转子本体、护环与中心环之间有护环与转子本体、护环与中心环之间有较紧密的配合较紧密的配合。 汽轮发电机结构汽轮发电机结构2022-3-336转子绕组的通风口转子绕组的通风口 护环护环 中心环中心环 风扇风扇 汽轮发电机转子外形汽轮发电机转子外形 2022-3-337转子线圈装配转子线圈装配2022-3-338发电机转子装配发电机转子装配2022-3-339汽轮发电机结构汽轮发电机结构一种短路绕组，大型电机有。一种短路绕组，大型电机有。由放在槽楔下的铜条和转子两端铜环焊接成闭合由放在槽楔下的铜条和转子两端铜环焊接成闭合回路。回路。作用：在同步发电机短路或不对称运行时，利用作用：在同步发电机短路或不对称运行时，利用其感应电流来削弱负序旋转磁场作用；发电机振其感应电流来削弱负序旋转磁场作用；发电机振荡时起阻尼作用，使振荡衰减。荡时起阻尼作用，使振荡衰减。u阻尼绕组阻尼绕组2022-3-340l 冷却系统封闭，冷却介质循环使用。冷却系统封闭，冷却介质循环使用。l 常用的冷却介质有常用的冷却介质有空气、氢气和水空气、氢气和水。l 冷却方式冷却方式有：有：空气冷却；空气冷却；水水-氢氢-氢氢，即定子绕组用水冷却，转子绕组采用氢，即定子绕组用水冷却，转子绕组采用氢内冷，定子铁心为氢冷；内冷，定子铁心