同步发电机的基本工作原理与结构 2

1、第 一 篇第一章同步发电机的基本工作原理和结构第一章同步发电机的基本工作原理和结构本章基本教学要求本章基本教学要求1.1.理解同步电机的基本工作原理；理解同步电机的基本工作原理；2.2.掌握基本结构各部件的特点和作用；掌握基本结构各部件的特点和作用；3.3.了解冷却方式、掌握同步发电机的铭牌；了解冷却方式、掌握同步发电机的铭牌；4.4.知道同步发电机的励磁方式及励磁系统的作用与要求。知道同步发电机的励磁方式及励磁系统的作用与要求。本章重点和难点本章重点和难点重点：重点：1.1.同步发电机的主要结构和基本工作原理；同步发电机的主要结构和基本工作原理；2.2.主要结构部件特点和作用；主要结构部件特

2、点和作用；3.3.励磁系统的作用与要求。励磁系统的作用与要求。难点：难点：1.1.同步发电机的基本工作原理；同步发电机的基本工作原理；2.2.励同步发电机的磁系统。励同步发电机的磁系统。 同步电机是交流旋转电机的一种同步电机是交流旋转电机的一种, ,因其转速恒等于同步速时而因其转速恒等于同步速时而得名。现代发电厂中所发出的交流电能几乎都是同步发电机的。得名。现代发电厂中所发出的交流电能几乎都是同步发电机的。对于有恒速要求的生产机械，可采用同步电动机作为动力，同步对于有恒速要求的生产机械，可采用同步电动机作为动力，同步电机也可作为调相机用，向电力系统发出感性或容性无功功率，电机也可作为调相机用，

3、向电力系统发出感性或容性无功功率，用于改善电力系统的功率因数及调整电网电压。同步电机无论作用于改善电力系统的功率因数及调整电网电压。同步电机无论作发电机、电动机或调相机，其基本原理及结构是相同的，只是运发电机、电动机或调相机，其基本原理及结构是相同的，只是运行方式不同而已。行方式不同而已。本章基本要求：本章基本要求：同步发电机的基本工作原理；同步发电机的基本工作原理；同步发电机的基本结构；同步发电机的基本结构；同步发电机的铭牌数据。同步发电机的铭牌数据。定子定子转子转子滑环滑环 同步发电机基本原理工作是根据电磁感应现象，即导体切同步发电机基本原理工作是根据电磁感应现象，即导体切割磁力线产生感应

4、电动势工作的。因此，同步发电机应有产生割磁力线产生感应电动势工作的。因此，同步发电机应有产生磁力线的磁场和切割该磁场的导体。磁力线的磁场和切割该磁场的导体。一、基本结构模型，如图所示一、基本结构模型，如图所示: : 气隙气隙 图中给出了最常用的转场图中给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其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子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为种同步电机的定子又称为电枢电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。心

5、和电枢绕组。 1.1.定子定子2.2.转子转子 转子铁心上装有制成一定形状的成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，当通过对磁极，磁极上绕有励磁绕组，当通过电刷和滑环通以直流电流时，将会在电电刷和滑环通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场称为励磁磁场( (也称主磁场、转子磁场也称主磁场、转子磁场) )。主磁场由主磁场由N N极出来经过气隙、定子铁芯，极出来经过气隙、定子铁芯，再经过气隙进入再经过气隙进入S S极而构成主磁路。如极而构成主磁路。如图中虚线所示图中虚线所示( (图中图中p=1)p=1)。3.3.气

6、隙气隙 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。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除了转场式同步电机外, ,还有转枢式同步电机，其磁极安装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，这种同步电机的转子充当了电枢。转子充当了电枢。二、同步发电机的工作原理二、同步发电机的工作原理 如图所示，外部直流电源通过滑环向如图所示，外部直流电源通过滑环向转子提供直流励磁电流，并产生磁

7、场；原转子提供直流励磁电流，并产生磁场；原动机拖动发电机转子以转速动机拖动发电机转子以转速n n按图示方向按图示方向作恒向旋转。作恒向旋转。 定子中三相绕组的导体依定子中三相绕组的导体依次切割磁力线，三相绕组便感次切割磁力线，三相绕组便感应产生各相大小相等、相位彼应产生各相大小相等、相位彼此相差此相差1201200 0的交流电动势。的交流电动势。若若气隙磁通密度按正弦波分布气隙磁通密度按正弦波分布，则三相绕组感应电动势波形如则三相绕组感应电动势波形如图所示，且相序为图所示，且相序为ABCABC。1.1.交变感应电动势的产生交变感应电动势的产生每相感应电势有效值每相感应电势有效值: : 0104

8、44wfNKE.2.2.感应电势的频率感应电势的频率 交流电动势的频率交流电动势的频率f f可这样确定可这样确定: :当转子为当转子为1 1对极时，转子旋对极时，转子旋转一周，定子绕组中感应电动势变化一个周期；当同步发电机转一周，定子绕组中感应电动势变化一个周期；当同步发电机具有具有p p对极时，转子旋转一周，感应电动势就交变对极时，转子旋转一周，感应电动势就交变p p个周期；当个周期；当转子的转速为每分钟转子的转速为每分钟n n转时，则交变电动势的频率为转时，则交变电动势的频率为: :60pnf 转子的转速转子的转速(r/min)(r/min) 由上式可知由上式可知: :同步发电机定子绕组感

9、应电动势的同步发电机定子绕组感应电动势的频率频率取决于取决于它的它的极对数极对数p p和和转子的转速转子的转速n n。转子转速越高，定子绕组感应电势。转子转速越高，定子绕组感应电势E E0 0的频率越高。即的频率越高。即 n fn f。可见，同步发电机极对数。可见，同步发电机极对数p p一定一定时，转速时，转速n n与电枢电动势的频率与电枢电动势的频率f f之间具有严格不变的关系。之间具有严格不变的关系。说明说明: : 如果发电机作为电源单独给负载供电，对电源频率的要求并如果发电机作为电源单独给负载供电，对电源频率的要求并不十分严格，对原动机的转速要求也不很严格。不十分严格，对原动机的转速要求

10、也不很严格。 3.3.同步转速同步转速 现代的发电机，绝大多数都是向大电网并网供电，这就对同现代的发电机，绝大多数都是向大电网并网供电，这就对同步发电机的频率要求严格了，我国电网频率为步发电机的频率要求严格了，我国电网频率为50HZ50HZ，所以发电机，所以发电机发出的电动势频率也必须为发出的电动势频率也必须为50HZ50HZ，如果发电机的频率与电网频率，如果发电机的频率与电网频率不等将会造成严重事故。不等将会造成严重事故。 同步转速从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交同步转速从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率流电网的频率应

11、该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz 50Hz ，故有：，故有： ppfn300060 要使得发电机供给电网要使得发电机供给电网50Hz50Hz的工频电能，发电机的转速必须的工频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为为某些固定值，这些固定值称为同步转速同步转速。例如。例如2 2极电机的同极电机的同步转速为步转速为3000r/min3000r/min，4 4极电机的同步转速为极电机的同步转速为1500r/min1500r/min，依次，依次类推。只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也类推。只

12、有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是是同步电机名称的由来同步电机名称的由来。同步电机的特点同步电机的特点4.4.电磁过程电磁过程 转子冲转到额定转速转子冲转到额定转速, ,汽轮发电汽轮发电3000r/min3000r/min 转子绕组加励转子绕组加励磁电流磁电流( (直流直流) ) 产生旋转磁场产生旋转磁场 定子绕组切割磁力线产生定子绕组切割磁力线产生三相对称感应电势三相对称感应电势 发电机出线端三相对称电压。发电机出线端三相对称电压。 5.5.电势的调节电势的调节 根据根据E E0 0=4.44fNk=4.44fNkw1w10 0 和和I If f 0 0可知，调节励磁电流可知，调

13、节励磁电流I If f，可改变磁通可改变磁通0 0，从而改变定子绕组感应电势，从而改变定子绕组感应电势E E0 0。即。即I If fEE0 0；I If f E E0 0。6.6.相序相序 相序决定于转子的转向。从励磁端看，汽轮发电机的转向相序决定于转子的转向。从励磁端看，汽轮发电机的转向为逆时针方向。为逆时针方向。 同步发电机原理小结同步发电机原理小结: :外部直流电源通过滑环向转子提供直外部直流电源通过滑环向转子提供直流励磁电流，并产生磁场；原动机拖动转子旋转，转子磁极磁场流励磁电流，并产生磁场；原动机拖动转子旋转，转子磁极磁场切割三相定子绕组，感应三相交流电。切割三相定子绕组，感应三相

14、交流电。一、同步电机分类：一、同步电机分类：旋转电枢式旋转电枢式：电枢旋转，磁极固定，因电枢功率：电枢旋转，磁极固定，因电枢功率不易由滑动部分送出，只适于较小容量发电机，不易由滑动部分送出，只适于较小容量发电机，实用少。实用少。旋转磁极式旋转磁极式：磁极旋转，电枢固定，电枢功率由：磁极旋转，电枢固定，电枢功率由静止部分送出，可传送较大功率，实用广，是同静止部分送出，可传送较大功率，实用广，是同步发电机的基本结构型式。步发电机的基本结构型式。同步电机同步电机旋转磁极式旋转磁极式隐极式隐极式转子：不计齿槽时气隙均匀；机械强度高，转子：不计齿槽时气隙均匀；机械强度高，适用于高转速；一般用于汽轮发电机

15、；外形细长。适用于高转速；一般用于汽轮发电机；外形细长。凸极式凸极式转子：气隙不均匀，极弧下较小，极间较大；转子：气隙不均匀，极弧下较小，极间较大；机械强度比隐极机低，适用于低转速；一般用于水机械强度比隐极机低，适用于低转速；一般用于水轮发电机，外形扁盘形。轮发电机，外形扁盘形。二、隐极同步发电机二、隐极同步发电机（只有卧式支撑）（只有卧式支撑）的基本结构的基本结构汽轮发电机与直流励磁机配套而成的汽轮发电机组结构图汽轮发电机与直流励磁机配套而成的汽轮发电机组结构图1-1-定子机座定子机座 2-2-定子铁芯定子铁芯 3-3-外壳外壳 4-4-吊起定子设备吊起定子设备 5-5-防水导水管防水导水管

16、 6-6-定子绕组定子绕组7-7-定子压紧环定子压紧环 8-8-外护板外护板10-10-通风壁通风壁 11-11-导风屏导风屏 12-12-电刷架电刷架9-9-里护板里护板1313、14-14-电刷电刷15-15-轴承座轴承座16-16-轴承衬轴承衬17-17-油封口油封口18-18-汽轮机的油封口汽轮机的油封口 19-19-基础板基础板20-20-转子转子21-21-端线端线22-22-励磁机励磁机一对极隐极式一对极隐极式转子示意图转子示意图1.1.隐极式转子隐极式转子结构：主要由铁芯、励磁结构：主要由铁芯、励磁绕组、阻尼绕组、紧固件和风扇组成。绕组、阻尼绕组、紧固件和风扇组成。它是汽轮发电

17、机的重要部件，如图所示。它是汽轮发电机的重要部件，如图所示。(1)(1)转子铁芯转子铁芯 隐极式转子铁芯应具有良好的导磁隐极式转子铁芯应具有良好的导磁性能，并能承受很大的离心力作用。隐性能，并能承受很大的离心力作用。隐极式转子铁芯通常与转轴锻造成一体，极式转子铁芯通常与转轴锻造成一体，一般所用材料是具有高强度和导磁性能一般所用材料是具有高强度和导磁性能良好的含铬、镍和钼的合金钢。良好的含铬、镍和钼的合金钢。汽轮发电机的转子铁汽轮发电机的转子铁芯横剖面如图示芯横剖面如图示: :(a)(a)辐射形排列辐射形排列(b)(b)平形排列平形排列 隐极式隐极式转子上没有凸出的磁极转子上没有凸出的磁极，沿转

18、沿转子铁芯外圆表面铣出许多槽，槽中嵌放励子铁芯外圆表面铣出许多槽，槽中嵌放励磁绕组。在转子表面约磁绕组。在转子表面约1/31/3部分没有开槽，部分没有开槽，构成所谓大齿，是磁极的中心区即主磁极。构成所谓大齿，是磁极的中心区即主磁极。励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也会出现会出现 N N 极和极和 S S 极。极。汽轮发电机的转子槽分类图示汽轮发电机的转子槽分类图示: :(2)(2)励磁绕组励磁绕组 励磁绕组是由矩形的绝缘励磁绕组是由矩形的绝缘扁铜线绕成同心线圈，两线圈扁铜线绕成同心线圈，两线圈边分别放置在大齿两侧所开出边分别放置在大齿两侧所开出的槽内，所有

19、线圈串联组成励的槽内，所有线圈串联组成励磁绕组，构成转子的直流电路。磁绕组，构成转子的直流电路。励磁绕组引出的两个线端接在励磁绕组引出的两个线端接在滑环上，并通过电刷与外电路滑环上，并通过电刷与外电路直流电源相连接。直流电源相连接。注意注意: :励磁绕组的各线匝间需垫有励磁绕组的各线匝间需垫有绝缘材料，同时，线圈和铁芯之绝缘材料，同时，线圈和铁芯之间也需有可靠的间也需有可靠的“对地绝缘对地绝缘”。励磁绕组放置在槽内后，需用非励磁绕组放置在槽内后，需用非导磁材料、高强度的硬铝或铝青导磁材料、高强度的硬铝或铝青铜制成的槽楔来压紧，如图所示。铜制成的槽楔来压紧，如图所示。转子槽部剖面图转子槽部剖面图

20、槽楔槽楔楔下垫条楔下垫条匝间绝缘匝间绝缘扁铜线扁铜线槽绝缘槽绝缘(3)(3)阻尼绕组阻尼绕组 某些大型汽轮发电机转子上装有阻尼绕组，它是一种短路绕某些大型汽轮发电机转子上装有阻尼绕组，它是一种短路绕组，由放在槽楔下的铜条和转子两端的铜环焊接成闭合回路。组，由放在槽楔下的铜条和转子两端的铜环焊接成闭合回路。阻阻尼绕组的主要作用是尼绕组的主要作用是: :在同步发电机短路或不对称运行时，利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的作用，以及同步发电机发生振其感应电流来削弱负序旋转磁场的作用，以及同步发电机发生振荡时起阻尼的作用，使振荡衰减。荡时起阻尼的作用，使振荡衰减。嵌装

21、完励磁绕组后的转子嵌装完励磁绕组后的转子励磁绕组连接图励磁绕组连接图(4)(4)紧固件紧固件 转子紧固件包括护环和中心环。由于汽轮发电机转速高，绕转子紧固件包括护环和中心环。由于汽轮发电机转速高，绕组端部受到很大的离心力，所以必须采用护环和中心环来可靠地组端部受到很大的离心力，所以必须采用护环和中心环来可靠地固定，如图所示。护环把转子励磁绕组的端部套紧，以防绕组端固定，如图所示。护环把转子励磁绕组的端部套紧，以防绕组端部甩出。中心环用来支持护环和防止转子绕组端部的轴向位移。部甩出。中心环用来支持护环和防止转子绕组端部的轴向位移。为了减少端部漏磁场，护环采用非导磁合金钢材料。为了减少端部漏磁场，

22、护环采用非导磁合金钢材料。作用：保护转子绕组端部作用：保护转子绕组端部(5)(5)滑环滑环 直流电流通过截止的正负极性的电直流电流通过截止的正负极性的电刷、两互相绝缘且套在转轴上随转子转刷、两互相绝缘且套在转轴上随转子转动的滑环引入转子励磁绕组。动的滑环引入转子励磁绕组。(6)(6)风扇风扇 汽轮发电机的转子细长，通风冷却汽轮发电机的转子细长，通风冷却比较困难，故转子的两端一般装有轴流比较困难，故转子的两端一般装有轴流式或离心式风扇，用以改善冷却条件。式或离心式风扇，用以改善冷却条件。隐极式隐极式转子特点：转子特点：在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速线

23、速度极高度极高，最大可达，最大可达170170米米/ /秒。为了减小转子本体及转子上的各部秒。为了减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨大离心力，大型汽轮发电机都做成件所承受的巨大离心力，大型汽轮发电机都做成细长细长的隐极式的隐极式圆圆柱体柱体转子。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。构和加工工艺较为复杂。转子长度转子长度/ /直径直径=2.0=2.06.56.5，且容量愈大，且容量愈大比值愈大。比值愈大。滑环滑环风扇风扇2.2.隐极式定子隐极式定子结构：定子又称为电枢，主要由定子铁芯、定子绕结构：定子又称为电

24、枢，主要由定子铁芯、定子绕组、机座、端盖等部件组成。它是同步发电机用以产生三相交流组、机座、端盖等部件组成。它是同步发电机用以产生三相交流电能，实现机械能与电能转换的重要部件，如图所示。电能，实现机械能与电能转换的重要部件，如图所示。(1)(1)定子铁芯定子铁芯 定子铁芯是主磁路的一部定子铁芯是主磁路的一部分分, ,嵌放定子绕组。一般由厚嵌放定子绕组。一般由厚0.5mm0.5mm或或0.35mm0.35mm的硅钢片叠成，的硅钢片叠成，沿轴向叠成多段形式，每段叠沿轴向叠成多段形式，每段叠片厚为片厚为30-60mm30-60mm。各段叠片之。各段叠片之间留有宽约间留有宽约10mm10mm的通风槽，

25、以的通风槽，以改善定子铁芯的散热条件，如改善定子铁芯的散热条件，如图所示。图所示。 为减少漏磁防止涡流引起过为减少漏磁防止涡流引起过热，在定子铁芯的两端用非磁性热，在定子铁芯的两端用非磁性材料制成的压板将其夹紧，整个材料制成的压板将其夹紧，整个铁芯固定在定子机座上，如图所铁芯固定在定子机座上，如图所示。沿定子铁芯内圆表面的槽内示。沿定子铁芯内圆表面的槽内放置三相定子绕组。放置三相定子绕组。定子铁芯压紧定子铁芯压紧(a)(a)无磁性压板无磁性压板(b)(b)定子铁芯剖面定子铁芯剖面(2)(2)定子绕组定子绕组 汽轮发电机的定子绕组汽轮发电机的定子绕组一般采用三相双层短距叠绕一般采用三相双层短距叠

26、绕组，组，Y Y连接或连接或YYYY连接，构成定连接，构成定子三相交流电路。子三相交流电路。作用：产作用：产生感应电势。生感应电势。(1)(1)定子绕组定子绕组(2)(2)端部连接线端部连接线(4)(4)通风孔通风孔(3)(3)机壳机壳(5)(5)机座机座 由于定子电流较大，每槽一般由于定子电流较大，每槽一般只嵌放两个有效导体只嵌放两个有效导体( (线棒线棒) )，为减，为减少涡流损耗，同时也为了减少绕组少涡流损耗，同时也为了减少绕组导体中集肤效应引起的附加损耗，导体中集肤效应引起的附加损耗，每根导体常由许多相互绝缘的每根导体常由许多相互绝缘的15mm15mm2 2以下的扁铜线并联多股线组成，

27、在以下的扁铜线并联多股线组成，在槽内线圈的直线部分还应进行编织槽内线圈的直线部分还应进行编织换位，如图所示。换位，如图所示。 三相定子绕组对铁芯绝缘强度的要求，取决于电机额定电三相定子绕组对铁芯绝缘强度的要求，取决于电机额定电压的高低。为了防止电晕，压的高低。为了防止电晕，6.3kV6.3kV及以上的定子绕组经绝缘处理及以上的定子绕组经绝缘处理后还要涂以半导体漆。定子的每一槽内放置上、下两线圈边，并后还要涂以半导体漆。定子的每一槽内放置上、下两线圈边，并垫以层间绝缘，线圈放入槽中，采用槽楔固定，如图所示。垫以层间绝缘，线圈放入槽中，采用槽楔固定，如图所示。下层线棒绕包带层间垫条波纹垫条上层线棒

28、环氧垫条内楔外楔剖面示意图剖面示意图 为了能承受住突然短路等过渡过程产生的巨大的电磁力而为了能承受住突然短路等过渡过程产生的巨大的电磁力而引起的端部变形，以及正常运行时不致于产生较大的振动，定子引起的端部变形，以及正常运行时不致于产生较大的振动，定子绕组端接部分需用线绳绑紧或压板夹紧在非磁性钢做成的端箍上，绕组端接部分需用线绳绑紧或压板夹紧在非磁性钢做成的端箍上，如图所示。如图所示。定子绕组端部加工中的定子绕组水电接头定子绕组水电接头 (3)(3)机座机座 机座是用来支撑和固定定子铁芯和端盖的，应有足够的强机座是用来支撑和固定定子铁芯和端盖的，应有足够的强度和刚度，机座与定子铁芯之间需要留有适

29、当的通风道，以利于度和刚度，机座与定子铁芯之间需要留有适当的通风道，以利于电机的冷却，如图所示。电机的冷却，如图所示。定位筋定位筋 端盖端盖 三、同步发电机的冷却问题简介三、同步发电机的冷却问题简介 同步发电机在运行中产生各种损耗，这些损耗变为热能使有同步发电机在运行中产生各种损耗，这些损耗变为热能使有关部件的温度升高。温升太高将加速电机绝缘材料老化，从而缩关部件的温度升高。温升太高将加速电机绝缘材料老化，从而缩短电机的使用寿命，甚至危及电机的运行安全。所以改善发电机短电机的使用寿命，甚至危及电机的运行安全。所以改善发电机的冷却条件，对提高发电机的输出功率起着关键性的作用。的冷却条件，对提高发

30、电机的输出功率起着关键性的作用。 水轮发电机由于直径大，轴向长度短，体积大，冷却问题不水轮发电机由于直径大，轴向长度短，体积大，冷却问题不突出。中小型汽轮发电机单位体积的发热量较小，冷却方式多采突出。中小型汽轮发电机单位体积的发热量较小，冷却方式多采用风冷。用风冷。 在中、小型电机中，都采用空气作为冷却介质。当电机的容在中、小型电机中，都采用空气作为冷却介质。当电机的容量很大时，电机内部的损耗及发热量迅速增加，冷却问题显得格量很大时，电机内部的损耗及发热量迅速增加，冷却问题显得格外重要，此时必须加强通风或采用其他的冷却方式。外重要，此时必须加强通风或采用其他的冷却方式。 对于大型汽轮发电机，发

31、热和冷却问题就比较突出了。汽轮发对于大型汽轮发电机，发热和冷却问题就比较突出了。汽轮发电机直径小、长度长，中部的热量不易散出，需要采取提高冷却电机直径小、长度长，中部的热量不易散出，需要采取提高冷却效果的措施。效果的措施。 此外，纯净的水不但电导率低，化学性能稳定，此外，纯净的水不但电导率低，化学性能稳定，流动性好，而且具有较高的导热特性。目前，在更大流动性好，而且具有较高的导热特性。目前，在更大容量的大型汽轮发电机广泛采用转子氢冷，定子水内容量的大型汽轮发电机广泛采用转子氢冷，定子水内冷，也有采用定、转子水内冷的冷却方式。双水内冷冷，也有采用定、转子水内冷的冷却方式。双水内冷电机的定、转子的

32、导线是空心的，起到导线内部直接电机的定、转子的导线是空心的，起到导线内部直接冷却的作用。例如采用空心导体（如图），冷却介质冷却的作用。例如采用空心导体（如图），冷却介质直接在导体中流通而把热量带走，这样能更有效地降直接在导体中流通而把热量带走，这样能更有效地降低电机的温升，所采用的冷却介质一般有氢气及水等。低电机的温升，所采用的冷却介质一般有氢气及水等。 在大型汽轮发电机中，为了提高其冷却效率，例在大型汽轮发电机中，为了提高其冷却效率，例50MW50MW以上的以上的汽轮发电机，冷却介质用氢气代替空气。由于氢气的导热率较空汽轮发电机，冷却介质用氢气代替空气。由于氢气的导热率较空气大气大7 7倍，

33、比重仅为空气的倍，比重仅为空气的1/141/14，故氢冷发电机损耗较小，冷却，故氢冷发电机损耗较小，冷却效果较好。但氢气与氧气不能混合，若混合成一定比例时有爆炸效果较好。但氢气与氧气不能混合，若混合成一定比例时有爆炸的危险。因此，必须有一套控制设备来保证外界空气不会渗入到的危险。因此，必须有一套控制设备来保证外界空气不会渗入到电机内部，同时防止氢气外泄和保持氢气纯度，就要采取密封措电机内部，同时防止氢气外泄和保持氢气纯度，就要采取密封措施，两个轴伸端应有特殊的油封系统。施，两个轴伸端应有特殊的油封系统。 除了热源容量大以外，大型汽轮发电机的散热比较困难除了热源容量大以外，大型汽轮发电机的散热比

34、较困难是其另一个不利因素。电机容量大，必然体积也大。体积大是其另一个不利因素。电机容量大，必然体积也大。体积大增大了散热表面是有利的，但同时带来了散热途径增长的缺增大了散热表面是有利的，但同时带来了散热途径增长的缺点，使电机内部温度不均匀，容易发生局部过热而烧坏电机。点，使电机内部温度不均匀，容易发生局部过热而烧坏电机。大型电机绕组电压高，相应地定子组绝缘也就厚，绝缘材料大型电机绕组电压高，相应地定子组绝缘也就厚，绝缘材料的热阻很大，又增加了散热的困难。电机散热一般主要靠对的热阻很大，又增加了散热的困难。电机散热一般主要靠对流作用，汽轮发电机轴向长度很长，空气对流所受阻力大，流作用，汽轮发电机

35、轴向长度很长，空气对流所受阻力大，空气和转子摩擦还要引起损耗，这些均增加空气和转子摩擦还要引起损耗，这些均增加r r散热的困难。为散热的困难。为此，同步发电机特别是大容量汽轮发电机，必须有有效的冷此，同步发电机特别是大容量汽轮发电机，必须有有效的冷却系统，才能保证它正常运行。却系统，才能保证它正常运行。冷却系统冷却系统(1)(1)同步发电机的冷却介质有空气、氢气和水三种，按散热方式同步发电机的冷却介质有空气、氢气和水三种，按散热方式主要分为外冷（表面冷却）和内冷（直接冷却发热体），也有两主要分为外冷（表面冷却）和内冷（直接冷却发热体），也有两种兼用的方式。种兼用的方式。(1)(1)空气冷却空气

36、冷却空气由转子两侧的风扇吸人，通过所设计的风道后，排出机空气由转子两侧的风扇吸人，通过所设计的风道后，排出机外，将热量带走。热空气经机外的空气冷却器冷却后再送入机内外，将热量带走。热空气经机外的空气冷却器冷却后再送入机内重复利用。这样的空气封闭系统可以防止水分和灰尘等随空气进重复利用。这样的空气封闭系统可以防止水分和灰尘等随空气进入机内，引起绝缘性能下降、风道堵塞等弊病。如图所示为一机入机内，引起绝缘性能下降、风道堵塞等弊病。如图所示为一机内通风系统的示意图。内通风系统的示意图。冷却系统冷却系统(2)(2)机内通风情况示意图机内通风情况示意图1 1一进风区一进风区2 2一出风区一出风区3 3一

37、一绕组端接绕组端接4 4一风扇一风扇5 5一转一转子子66定子铁心定子铁心7 7一端盖一端盖空冷方式结构简单，运行维护都方便。但空气的传热系数相空冷方式结构简单，运行维护都方便。但空气的传热系数相对较小，冷却效果不理想。此外，加大通风量来提高散热作用，对较小，冷却效果不理想。此外，加大通风量来提高散热作用，又会增大转子风扇的鼓风损耗和空气和转子间的风摩擦损耗。因又会增大转子风扇的鼓风损耗和空气和转子间的风摩擦损耗。因此，空冷汽轮发电机的容景最大不超过此，空冷汽轮发电机的容景最大不超过50MW50MW。冷却系统冷却系统(3)(3)(2)(2)氢气冷却氢气冷却以氢气代替空气作为冷却介质。其系统基本

38、与空冷相同，但以氢气代替空气作为冷却介质。其系统基本与空冷相同，但氢气的导热系数比空气大氢气的导热系数比空气大6 67 7倍。用同样体积氢气和空气，前者倍。用同样体积氢气和空气，前者可带走的热量远大于后者。氢气比重较空气轻十多倍，又可以大可带走的热量远大于后者。氢气比重较空气轻十多倍，又可以大大减少通风和风摩擦损耗。此外，氢冷可防止绝缘材料氧化；氢大减少通风和风摩擦损耗。此外，氢冷可防止绝缘材料氧化；氢气不助燃，当机内发生短路故障时，不会引起火灾。采取氢冷必气不助燃，当机内发生短路故障时，不会引起火灾。采取氢冷必须保持机内为正压力，机内氢气表压力应为须保持机内为正压力，机内氢气表压力应为1.0

39、51.0510106 6PaPa，以防止，以防止空气渗入机内。因为氢气和空气混合是危险的，达到一定比例时空气渗入机内。因为氢气和空气混合是危险的，达到一定比例时可能发生爆炸。氢冷汽轮发电机容量可达可能发生爆炸。氢冷汽轮发电机容量可达5050150MW150MW左右。左右。(3)(3)内冷内冷上述为表面冷却，而内冷是使冷却介质直接接触绕组导体，上述为表面冷却，而内冷是使冷却介质直接接触绕组导体，使导体的热量不用再穿过绝缘层，就直接被介质带走。这就大使导体的热量不用再穿过绝缘层，就直接被介质带走。这就大大提高了冷却效果，改善了电机中最怕高温的绝缘材料的工作大提高了冷却效果，改善了电机中最怕高温的绝

40、缘材料的工作条件。内冷的冷却介质可以是氢气，亦可以是水。现有电机所条件。内冷的冷却介质可以是氢气，亦可以是水。现有电机所应用的冷却介质中，以水的冷却能力最强，约为空气的应用的冷却介质中，以水的冷却能力最强，约为空气的5050倍。倍。内冷用氢气作为介质时，可在绕组导体间夹置几个内部通氢气内冷用氢气作为介质时，可在绕组导体间夹置几个内部通氢气的管子。转子氢内冷时，转子绕组和槽楔上钻有与槽底通风槽的管子。转子氢内冷时，转子绕组和槽楔上钻有与槽底通风槽相通的小孔，氢气自槽底通风槽进入，冷却转子导体后再由小相通的小孔，氢气自槽底通风槽进入，冷却转子导体后再由小孔径向流入空气隙。氢气的流动性好，容易吹过细

41、孔是其一大孔径向流入空气隙。氢气的流动性好，容易吹过细孔是其一大优点。当内冷用水作介质时，绕组采用空心导体，冷却水沿着优点。当内冷用水作介质时，绕组采用空心导体，冷却水沿着导体内孔流通，直接将导体热量带走。导体内孔流通，直接将导体热量带走。冷却系统冷却系统(4)(4)定子绕组是静止的，所以冷却水系统比较简单。绕组是带电定子绕组是静止的，所以冷却水系统比较简单。绕组是带电体，冷却水必须通过一段绝缘水管才能引到绕组导体孔中去。下体，冷却水必须通过一段绝缘水管才能引到绕组导体孔中去。下图表示定子冷却水进出的示意图，冷却水进入环形总进水管，经图表示定子冷却水进出的示意图，冷却水进入环形总进水管，经过绝

42、缘水管和水电接头分配到管形导体中去。流过绕组，冷却水过绝缘水管和水电接头分配到管形导体中去。流过绕组，冷却水变热后，同样须经过水电接头，绝缘水管汇集到环形总出水管，变热后，同样须经过水电接头，绝缘水管汇集到环形总出水管，再从机内排出到机外冷却器中，冷却后再重复利用。再从机内排出到机外冷却器中，冷却后再重复利用。冷却系统冷却系统(5)(5)水内冷进出水原理图及水电接头图水内冷进出水原理图及水电接头图 a a）单边进出水）单边进出水b b）双边进出水）双边进出水c c）二种水电接头）二种水电接头1 1一空心导体一空心导体2 2一水电接头一水电接头3 3一绝缘水管一绝缘水管4 4一总出水管一总出水管

43、5 5一总进水管一总进水管转子绕组随着转子高速旋转，它用水内冷就比较复杂。常用转子绕组随着转子高速旋转，它用水内冷就比较复杂。常用的进出水结构为中心孔进水、表面出水的方式。冷却水经外部管的进出水结构为中心孔进水、表面出水的方式。冷却水经外部管道通过转轴中心孔进入位于转子上的环状进水箱。冷却水经水箱道通过转轴中心孔进入位于转子上的环状进水箱。冷却水经水箱轴向孔洞、绝缘水管分配到转子绕组的空心导体。冷却导体后，轴向孔洞、绝缘水管分配到转子绕组的空心导体。冷却导体后，冷却水经同样的绝缘水管进入出水箱，最后由离心力作用由水箱冷却水经同样的绝缘水管进入出水箱，最后由离心力作用由水箱辐向孔汇集到出水支座排

44、出机外。图转子进水结构的示意图。辐向孔汇集到出水支座排出机外。图转子进水结构的示意图。转子进水装置转子进水装置1 1一转子线圈一转子线圈2 2一护环一护环3 3一中心环一中心环4 4一绝缘水管和进水管接头一绝缘水管和进水管接头5 5一木垫一木垫块块66进水箱进水箱77绝缘引水管绝缘引水管8 8一转轴一转轴9 9一小护环一小护环冷却系统冷却系统(6)(6)定子铁心如要采用水内冷，则可在铁心叠片间设置几处冷定子铁心如要采用水内冷，则可在铁心叠片间设置几处冷却水管通以冷却水以降低铁心温升。却水管通以冷却水以降低铁心温升。对冷却水的水质有一定要求，一般未经处理的水，电导率对冷却水的水质有一定要求，一般

45、未经处理的水，电导率较大含有杂质，不能作冷却水用，否则将引起导体电解腐蚀；较大含有杂质，不能作冷却水用，否则将引起导体电解腐蚀；堵塞导体内孔，引起局部过热等严重问题。在火电厂中汽轮机堵塞导体内孔，引起局部过热等严重问题。在火电厂中汽轮机的凝结水水质较好，一般就用它作冷却水。的凝结水水质较好，一般就用它作冷却水。定、转子均采用水内冷，称为定、转子均采用水内冷，称为“双水内汽双水内汽”也称为也称为“水、水、水、空水、空”冷却方式，这种方式是我国于冷却方式，这种方式是我国于19581958年首先研制成功的，年首先研制成功的，其容量已制成其容量已制成125MW125MW，200MW200MW，300M

46、W300MW。有时为了避免转子水内冷。有时为了避免转子水内冷结构的复杂性，也采用定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、机结构的复杂性，也采用定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、机内用氢气作介质进行表面冷却的方式，称为内用氢气作介质进行表面冷却的方式，称为“水、氢、氢水、氢、氢”冷冷却方式，其容量可达却方式，其容量可达300MW300MW、600MW600MW。水轮发电机由于直径大，轴向长度短，冷却条件较好，大水轮发电机由于直径大，轴向长度短，冷却条件较好，大都采用空气表面冷却方式。都采用空气表面冷却方式。冷却系统冷却系统(7)(7)定子水路 用冷凝水通入导线的内孔直接冷却导线，较之空气或氢气用冷凝水通入

47、导线的内孔直接冷却导线，较之空气或氢气冷却的效果要好的多，导线的电流密度可大为提高。例如冷却的效果要好的多，导线的电流密度可大为提高。例如50MW50MW空气冷却的汽轮发电机与空气冷却的汽轮发电机与100MW100MW双水内冷的汽轮发电机所用材料双水内冷的汽轮发电机所用材料相近。相近。 转子风斗 在同步发电机的醒目部位装有铭牌。电机的额定值标在铭牌在同步发电机的醒目部位装有铭牌。电机的额定值标在铭牌上，主要有如下几种。上，主要有如下几种。1.1.额定容量额定容量S SN N或额定功率或额定功率P PN N 额定容量额定容量S SN N是指发电机在额定运行时出线端的额定视在功率，是指发电机在额定

48、运行时出线端的额定视在功率，一般用一般用kWkW（kVAkVA）或）或MWMW（MVAMVA）为单位；而）为单位；而额定功率额定功率P PN N是指发电机是指发电机在额定运行时输出的额定有功功率，一般用在额定运行时输出的额定有功功率，一般用kWkW或或MWMW为单位。对于为单位。对于同步调相机，同步调相机，则用出线端的额定无功功率来表示其容量，以则用出线端的额定无功功率来表示其容量，以kWkW（kvarkvar）或）或MWMW（MvarMvar）为单位。）为单位。 2.2.额定电流额定电流I IN N 额定电流额定电流I IN N是指发电机在额定运行时流过三相定子绕组的线是指发电机在额定运行时

49、流过三相定子绕组的线电流，单位为电流，单位为A A或或kAkA。 3.3.额定电压额定电压U UN N 额定电压额定电压U UN N是指发电机在额定运行时三相定子绕组的线电压，是指发电机在额定运行时三相定子绕组的线电压，单位为单位为V V或或kVkV。一、额定值一、额定值4.4.额定功率因数额定功率因数coscosN N 额定功率因数额定功率因数coscosN N是指发电机在额定运行时的功率因数，即是指发电机在额定运行时的功率因数，即额定有功功率与额定视在功率之比，额定有功功率与额定视在功率之比，coscosN N=P=PN N/S/SN N。电机铭牌上。电机铭牌上通常标有通常标有P PN N

50、和和coscosN N或或S SN N和和coscosN N。5.5.额定效率额定效率N N额定效率额定效率N N是指发电机额定运行时的效率。是指发电机额定运行时的效率。NNcosIUcosSPNNNN3同步发电机额定值之间关系为：同步发电机额定值之间关系为：fNfNNNNUInf额定励磁电压额定励磁电流额定转速额定效率额定频率额定功率因数Ncos 铭牌上还标明同步发电机的型号和类型，下面介绍几种同步铭牌上还标明同步发电机的型号和类型，下面介绍几种同步发电机的型号。发电机的型号。二、型号和类型二、型号和类型1.1.氢冷汽轮发电机氢冷汽轮发电机2.2.空冷水轮发电机空冷水轮发电机例例1 1：一台

51、汽轮发电机的型号为：一台汽轮发电机的型号为QFSN-300-2QFSN-300-2QFQF汽轮发电机；汽轮发电机；SNSN水内冷，表示发电机的冷却方式为水内冷，表示发电机的冷却方式为水氢氢；水氢氢；300300发电机输出的额定有功功率，单位发电机输出的额定有功功率，单位为为MWMW；22发电机的磁极个数。发电机的磁极个数。3.同步电机的分类 按运行方式和功转换方向：按运行方式和功转换方向：同步发电机同步发电机 同步电动机同步电动机 同步调相机同步调相机 按结构分按结构分旋转磁极式旋转磁极式 旋转电枢式旋转电枢式( (小容量小容量) ) 按磁极的形状分：按磁极的形状分：隐极机隐极机 凸极机凸极机

52、 按原动机的类别分：按原动机的类别分：汽轮发电机汽轮发电机 水轮发电机水轮发电机 柴油发电机柴油发电机 燃汽轮发电机燃汽轮发电机 风力发电机风力发电机 汽轮发电机汽轮发电机转速高、离心力大转速高、离心力大(p=1,p=2)(p=1,p=2)隐极式隐极式 水轮发电机水轮发电机转速低、极数多转速低、极数多凸极式凸极式同步发电机的基本知识及结构思考题同步发电机的基本知识及结构思考题 1 1、同步电机同所有旋转电机一样，其运行是、同步电机同所有旋转电机一样，其运行是可逆的，它即可作可逆的，它即可作 ，又可作，又可作 ，还可，还可作作 ， 答答: :发电机运行发电机运行 电动机运行电动机运行 调相机运行

53、调相机运行2 2、同步发电机三相电动势的相序由、同步发电机三相电动势的相序由 决定，决定，当磁极对数一定时，其感应电动势的频率由当磁极对数一定时，其感应电动势的频率由 决定。决定。答答: :转子的转向转子的转向 转子转速转子转速3 3、同步发电机主磁极的极对数一定时，其、同步发电机主磁极的极对数一定时，其 与与 之间有着严格不变的关系。之间有着严格不变的关系。答答: :感应电动势的频率感应电动势的频率 电机的转速电机的转速4 4、一台同步发电机的电动势频率为、一台同步发电机的电动势频率为50Hz50Hz，转速为转速为600r/min600r/min，其极对数为，其极对数为 。 （A A） 2

54、2； （B B） 5 5； （C C） 10 10； （D D） 20 20；答答: :（B B）5 5、同步发电机定子旋转磁场具有的特点为、同步发电机定子旋转磁场具有的特点为 。（A A）其磁极数和转速与转子同，但转向不同；）其磁极数和转速与转子同，但转向不同；（B B）其磁极数和转向与转子同，但转速不同；）其磁极数和转向与转子同，但转速不同；（C C）其转速和转向与转子同，而磁极对数也同。）其转速和转向与转子同，而磁极对数也同。答答: :（C C）6 6、什么叫同步电机？它的频率、极数和、什么叫同步电机？它的频率、极数和同步速之间有什么关系？同步速之间有什么关系？答：同步电机是指转子的转速

55、与定子答：同步电机是指转子的转速与定子旋转磁场转速相同的电机，即满足以旋转磁场转速相同的电机，即满足以下关系下关系 。7 7、如果将同步发电机的电枢置于转、如果将同步发电机的电枢置于转子子, ,而磁极固定不动而磁极固定不动, ,在原理上是否在原理上是否可以可以, ,为什么为什么? ?答答: :从原理上可以从原理上可以, ,因为因为 = = 。 由电磁感应原理知由电磁感应原理知, ,只有电枢置于与磁极之间有只有电枢置于与磁极之间有相对运动相对运动( (导体切割磁力线导体切割磁力线) )便可在绕组便可在绕组( (导体导体) )中感中感应电动势应电动势, ,它与电枢置于定子还是转子和磁极置于它与电枢

56、置于定子还是转子和磁极置于转子还是定子无关。一般大容量同步发电机均做成转子还是定子无关。一般大容量同步发电机均做成旋转磁极式的，既把电枢置于定子，这便于电枢绕旋转磁极式的，既把电枢置于定子，这便于电枢绕组引出高压电压大电流即大功率。组引出高压电压大电流即大功率。8 8、如果将励磁绕组所连接的集电环极性、如果将励磁绕组所连接的集电环极性互换，即将原来接直电流的正极该为负互换，即将原来接直电流的正极该为负极，是否会影响定子三相交流电动势的极，是否会影响定子三相交流电动势的相序？相序？答答: :三相交流电动势的相序由转子转向三相交流电动势的相序由转子转向决定（与相序一致），而与其他因素决定（与相序一

57、致），而与其他因素无关，故集电环极性互换，不影响三无关，故集电环极性互换，不影响三相电动势相序。相电动势相序。 思考题 为什么同步电机不能有任意的转速？ 如何从外形上区分汽轮发电机和水轮发电机？ 定子电枢绕组安排的基本要求各相绕组感应电势对称。同步发电机的基本工作原理和结构小结同步发电机的基本工作原理和结构小结 (1) (1)同步发电机是根据电磁感应定律这一基本原理工作的，在同步发电机是根据电磁感应定律这一基本原理工作的，在电力系统运行的同步发动机的转速电力系统运行的同步发动机的转速n n和电力系统频率和电力系统频率f f之间有严之间有严格不变的关系，即当电力系统频率格不变的关系，即当电力系统

58、频率f f一定时，同步发电机的转一定时，同步发电机的转速速n=60f/pn=60f/p为一恒值。同步发动机的转速为一恒值。同步发动机的转速n n与极对数与极对数p p成反比，成反比，这是引起水轮发动机和汽轮发动机极对数差异的根源。这是引起水轮发动机和汽轮发动机极对数差异的根源。 (2) (2)同步发电机的发展方向是：单机容量不断增大，冷却方式、同步发电机的发展方向是：单机容量不断增大，冷却方式、冷却介质和电机所用材料也不断得到改善。冷却介质和电机所用材料也不断得到改善。 (3) (3)凸极同步发电机与隐极同步发电机，由于原动机的转数不同，凸极同步发电机与隐极同步发电机，由于原动机的转数不同，极

59、数差异也较大，因而结构上有各自的特点，如凸极同步发电极数差异也较大，因而结构上有各自的特点，如凸极同步发电机机D/LD/L值较大，隐极同步发电机值较大，隐极同步发电机D/LD/L值较小。值较小。第二章发电机检修规范 1 检修周期检修周期 1.1 发电机本体的检修周期一般情况下大修间隔为3年，小修间隔为6个月。 1.2检修设备的停用日期，应根据检修人力、设备技术状况及影响工期的特殊项目等适当的确定，一般大修为1725天，小修为710天。 1.3属于发电机组的辅助设备，检修周期按照发电机本体的检修周期确定。 2 检修项目检修项目 2.1大修标准项目 2.1.1大修前做好一切电气原始实验记录。 2.

60、1.2发电机解体，拆卸检查端盖、倒风圈、护板，测量风扇及定、转子空气间隙，抽出转子，同时做好原始记录。 2.1.3检修发电机定子。 2.1.4检修发电机转子。 2.1.5检修发电机冷却系统。 2.1.6检修发电机灭火装置。 2.1.7做金属探伤风扇、套箍有无裂纹试验。 2.1.8检修励磁系统 2.1.9对发电机定子、转子及整体进行喷漆。 2.1.10发电机组装。 2.1.11组装后的整体电气试验。 2.2小修标准项目 2.2.1检查并消除存在的缺陷 2.2.2吊开两端大盖的一侧，检查和清扫定子绕组及引出线，灭火装置，检查端部绑线，压板有无松动，并做相应处理 2.2.3检查端盖严密性，清扫冷热风