11同步发电机的基本工作原理和结构

11113现代电力系统中的沟通电能几乎都是发电厂中的同步发电机发出的。但从运行原理上讲，同步电机不仅可以用作发电机运行、也可作为电动机或调相机运行。本篇主要介绍同步发电机的工作原理、性能、参数及运行方式，对同步电动机和调相机作简要介绍。大型同步发电机与异步电动机比较，二者的定子一样，其三相绕组流过三相对称电流都将产生一个旋转磁场；但二者的转子却差异很大。同步发电机转子的主要特点是：①转子绕组外加直流励磁电流而产生一个恒定磁场；②转子转速与定子旋转磁场转速一样，即转子与定子磁场严格保持同步旋转。因此称为同步电机。第11章同步发电机的根本工作原理和构造[内容]本章论述同步发电机的根本工作原理、分类与额定值，简述其根本构造与励磁方式。[要求]●把握同步发电机的根本工作原理、类型和额定值。●了解同步发电机的根本构造及各主要部件的作用。●了解同步发电机的励磁系统。同步发电机的工作原理、分类与额定值一、同步发电机的根本工作原理同步发电机是将机械能转换为电能的电磁装置。三一样步发电机的根本工作原理可用图11.1.1说明。同步电机的定子铁心槽内安放着空间相隔o120电角度的三相对称绕组U1U2、V1V2、W1W2。转子主要由磁极铁心和励磁绕组组成。当励磁绕组通入直流电流后，建立恒定的转子磁场。转子由原动机拖动以转速n匀速旋转时，转子磁场不断切割定子三相对称绕组，在三相绕组中感应出三相交变电动势,其方向可用右手定则确定。由于定子三相绕组在空间位置上互差o120电角度，所以三相电动势在时间上互差o120相位。感应电动势的波形Blve=可知,当导体有效长度l和导体切割磁场线速度v为常数时，Be∝，即导体感应电动势的波形取决于转子磁场沿气隙空间分布的波形。假设把转子磁极的极弧设计制造成适当的形状，使它产生的磁场沿气隙空间按正弦规律分布，则定子绕组就能得到正弦波形的感应电动势。感应电动势的频率由图11.1.1可知，转子转过一对磁极，电动势就经受了一个周期的变化；假设转子有p对磁极，转子以每分钟n转的转速旋转，则每分钟内感应电动势变化pn个周期；电动势在1秒钟内所变化的周期数称ZH60pnf=〔11.1.1〕已经制造好的同步发电机，磁极对数p肯定，nf∝，即定子绕组感应电动势的频率和转子转速之间保持严格的比例关系，这是同步发电机的主要特征。三相电动势的大小和相序由于三相绕组对称，所以三相绕组中的感应电动势也对称。与异步电动机定子绕组感应电动势公式一样，同步电机每相绕组感应电动势大小为011Φ44.4wkfNE=〔11.1.2〕式中，1N为定子每相绕组匝数；1wk为定子绕组系数；0Φ转子由原动机拖动旋转，转子磁场切割定子绕组在时间上有先后。如图11.1.1中，当转子逆时针方向旋转时，转子磁场切割定子绕组的先后挨次依次为U相、V相、W相，因此U相超前V相o120电角度，V相超前W相o120电角度。即三相电动势的相序与转子的转向全都，因此相序由转子的转向打算。二、同步发电机的分类同步发电机可以按构造型式、原动机的类别和冷却方式进展分类。1．按构造型式分类按构造型式分，同步电机可分为：旋转磁极式：如图11.1.2所示，高压大中容量的同步发电机均承受这种构造型式；旋转电枢式：如图11.1.3所示，这种构造型式只适用于小容量同步电机。在旋转磁极式的电机中，按磁极外形又可分为隐极式和凸极式两11.1.2(a)和图11.1.2(b)所示。前者转子呈圆柱形，气隙是均匀的，励磁绕组嵌放于转子外表的槽内，转子的大齿局部就是磁极；后者气隙是不均匀的，极弧下气隙小，极间气隙大，励磁绕组套在极弧下面。这两种转子构造不同的电机在原理上无差异，只是由于气隙均匀性的不同而在分析方法上有所差异。按原动机类型分类按原动机类型的不同，同步电机可分为： 〔1〕汽轮发电机：原动机为汽轮机。由于汽轮机在高转速运行时较为经济，故汽轮发电机应当有尽可能高的转速或尽可能少的极数。为了发出 50Hz的沟通电，因此汽轮发电机都是两极的，转速为3000r/min。汽轮发电机的构造特点是细而长，转子为隐极式，一般是卧式安装。汽轮发电机应用在火力发电厂中。水轮发电机：原动机为水轮机。水轮机的转速由水头和流量打算，通常很低，为几十转/分到数百转/分。为了获得50Hz的沟通电，电机应设计成低转速、多极数。水轮发电机的构造特点是短而粗，转子为凸极式，一般是立式安装。水轮发电机应用在水力发电厂中。〕柴油发电机：原动机为柴油机。柴油机的转速通常在500~1500r/min之间，由此打算了柴油发电机的转速。柴油发电机容量较小，主要作为自备电源、移动电源，或某些重要用电设备的保安电源。按冷却介质和冷却方式分类按冷却介质和冷却方式，同步电机可分为：空气冷却(空冷)：主要承受内扇式轴向和径向混合通风系统，为确保运行安全，整个空气系统应当是封闭的。(a)隐极式(b)凸极式图11.1.2旋转磁极式11.1.3氢气冷却(氢冷)：氢气冷却的效果明显优于空气冷却，在汽轮发电机中被广泛应用，并从外冷式进展为内冷式，定、转子绕组均承受空心导线，直接将氢气压缩进导体带走热量。为了运行安全，应用中要留意解决防漏和防爆问题。水冷却(水冷)：水的冷却效果优于氢气。主要方式为水内冷，以定子绕组内冷的应用为多，面临泄露和积垢堵塞问题。目前，除小容量的汽轮发电机仍承受空气冷却外，功率超过50兆瓦的汽轮发电机，广泛承受氢、水或几种不同冷却介质分别冷却不同部件的冷却方式。冷却组合方式有如下几种：①定、转子绕组和定子铁心均氢外冷；②定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、定转子铁心氢外冷(水一氢一氢)；③定、转子绕组水内冷，定子铁心氢冷(水一水一氢)；④定、转子绕组水内冷、定子铁心空冷(水一水一空)等。三、同步发电机的额定值额定值是制造厂对电机的正常合理安全使用所作的参数规定，同时也是电机设计和试验的依据。同步发电机的额定值有：1．额定功率NP(kW或MW)：指在额定状态下运行时，发电机的输出功率〔电功率〕。2NU〔VkV〕：指在额定状态下运行时，依据制造厂的规定，定子三相绕组上的线电压。额定电流NI〔A或kA〕：指在额定状态下运行时，依据制造厂的规定，流过定子绕组的线电流。额定频率Nf〔HZ〕：我国额定工业频率规定为Nf=50Hz。额定功率因数N?cos：指在额定运行时，发电机输出的有功功率和视在功率的比值。额定转速Nn(r/min):指在额定运行时，发电机的转速，即为同步转速。发电机的额定功率NP、额定电压NU和额定电流NI之间的关系为NNNNIUP?cos3〔11.4.1〕除此之外，同步发电机的额定值还有额定效率Nη、额定励磁电fNUfNI、绝缘等级和额定温升等。同步发电机的根本构造图11.2.1为火力发电厂中卧式安装的汽轮发电机组。汽轮机作为原动机带动同步发电机旋转，与发电机同轴的励磁机给发电机转子提供直流励磁电流。汽轮发电机的主要构造如图11.2.2~图11.2.4所示。图11.2.5和图11.2.6为水轮发电机的定、转子构造。同步发电机的基本构造由定子和转子两局部组成,下面进展简要介绍。一、定子同步发电机的定子又称为电枢，其构造与异步电机一样，由定子铁心、电枢绕组、机座和端盖等部件组成。1．定子铁心定子铁心是磁路的一局部，又起固定电枢绕组的作用。它由0.35或0.5毫米厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠装而成。由于同步发电机的尺寸较大，通常先将定子铁心冲成带有开口槽的扇形片，如图11.2.7所示，然后再把它们按圆周拼合叠装成定子铁心。定子铁心沿轴向长度每隔30～60mm，留有6～10mm的径向通风沟，以增加定子铁心的散热面积。整个铁心通过端部压板及定位筋结实地连成一体。2．电枢绕组汽轮发电机的电枢绕组一般为双层叠绕组，它由扁铜线绕制成型后，包以绝缘而成。为了冷却需要，线棒除了承受实心导线外，大型同步发电机还通常承受空心与实心导线组合的型式，空心导线可实现定子绕组水内冷。绕组的直线局部嵌于定子铁心槽内，是产生感应电动势的有效局部，端接局部只起连接作用。嵌入铁心槽中的导线，用绝缘材料制成的槽楔作径向固定，端部用绑扎或压板固定。大型同步发电机的定子绕组电压较高，对绕组的绝缘材料提出了较高的要求。3．机座和端盖机座和端盖构成电机的壳体，主要用来支持和固定定子铁心并构成冷却风道，由钢板焊接而成。机座和定子铁心外圆之间留有空间，加上隔板形成风道。机座、端盖和隔板构成的空间，加上风道、冷却器及风扇等，构成密闭的通风冷却系统。定子局部除上述主要部件外，还有轴承、轴承座及电刷等部件。汽轮发电机定子装配如图11.2.3所示。二、转子转子由转子铁心、励磁绕组、阻尼绕组、护环和中心环、滑环和风扇等组成。转子铁心转子铁心是磁路的一局部，又起固定励磁绕组和阻尼绕组的作用。汽轮发电机转速很高，转子所受离心力很大，所以转子铁心由高机械强度和导磁性能好的整块合金钢锻造而成。转子圆周上有三分之一部分没有槽，称作大齿，做为发电机的主磁极；转子外表其余局部铣有辐射形或平行的开口槽以安放励磁绕组。汽轮发电机的转子铁心截面11.2.811.2.4励磁绕组励磁绕组是由扁铜线绕成的同心式绕组。励磁绕组的槽内局部靠槽楔压紧。由于发电机转速高，离心力大，因此槽楔用不导磁且强度很高的硬铝或铝青铜做成。励磁绕组的端接局部用非导磁性的合金钢护环和中心环固定，护环套紧励磁绕组的端接局部，以防止其发生径向位移，中心环用来阻挡端部发生轴向位移。阻尼绕组大容量同步发电机转子上装有阻尼绕组，它与异步电机的笼形转子绕组构造相像，是一个短路绕组。在隐极转子中，由放在槽楔下的铜条和转子两端的铜环焊接而成；在凸极转子中，它是由插入主极极靴槽中的铜条和转子两端的铜环焊接而成，如图11.2.9所示。在同步发电机中，阻尼绕组起抑制转子机械振荡作用；在同步电动机和调相机中起主要起起动绕组作用。滑环(集电环)直流励磁电流通过电刷和滑环引入转子励磁绕组，滑环套于隔有云母绝缘的转轴上。*11.3同步发电机的励磁系统同步发电机运行时，转子磁极产生的主磁场是由转子励磁绕组通入直流电流建立的。供给励磁电流的装置称为励磁系统。下面简要介绍几种同步发电机的励磁系统。一、直流励磁机励磁系统用直流发电机作为励磁电源向同步发电机供给励磁电流，称为直流发电机励磁系统，这是同步发电机最根本的励磁方式。最简洁的办法是安装一台并励直流发电机，使其与同步发电机同轴旋转，依靠产生的直流电压为同步发电机的励磁绕组供给直流电流，此直流发电机称为励磁机。在同步发电机的运行方式中，有时需要励磁电压快速上升，为达此目的，励磁机可以承受他励式，这时再用另外一台并励直流发电机供给励磁机的励磁电流，如图11.3.1所示。其中，供给同步发电机励磁电流的他励直流发电机称为主励磁机；供给主励磁机励磁电流的并励直流发电机称为副励磁机。随着技术的进步，汽轮发电机的单机容量越来越大，相应的励磁机容量也随之增大。但是高转速、大容量的直流励磁机在制造和运行维护方面都存在一些困难，所以大容量汽轮发电机极靴图直流发电机励磁系统难以承受同轴直流励磁机励磁系统。伴随整流技术的进展，沟通励磁系统应运而生。二、静止半导体励磁系统静止半导体励磁系统分为他励式和自励式两种。1．他励式他励式静止半导体励磁系统的工作原理如图11.3.2所示。图中，沟通主励磁机、沟通副励磁机与同步发电机同轴连接。沟通主励磁机是旋转磁极式三一样步发电机，其频率通常为lOOHz，主励磁机的沟通输出经静止的三相桥式不行控整流器整流后，通过电刷和集电环接到主发电机的励磁绕组，以供给其直流励磁。而主励磁机的励磁电流则由沟通副励磁机发出的沟通电经静止的可控整流器整流后供给。交流副励磁机是中频三一样步发电机(有时承受永磁发电机)。副励磁机的励磁，开头时由外部直流电源供给，待电压建起后再转为自励。同步发电机带上负载输出电流以后，其端电压会产生波动。为了防止和减小这种电压波动，由自动励磁调整器，依据主发电机端电压的偏差，来转变可控硅的掌握信号，用以掌握主励磁机的励磁电流，以便掌握同步发电机的励磁电流，使其输出电压根本恒定。这种励磁系统运行、维护便利，由于取消了直流励磁机，使励磁容量得以提高，因而在大容量汽轮发电机中获得了广泛应用。2．自励式假设取消沟通励磁机,主发电机的励磁电流由励磁变压器取自自身输出端,经三相可控硅整流变换为直流后供给，则构成自励式静止半导体励磁系统，如图11.3.3所示。这种励磁系统没有旋转的励磁机,便于他励式静止半导体励磁系统三、旋转半导体励磁系统上述各种励磁系统，同步发电机的励磁电流都是通过电刷和滑环引入励磁绕组的，当励磁电流过大时，将使滑环产生高温而极易损坏。旋转半导体励磁系统则实现了励磁系统的无刷化，其原理如图 11.3.4所示。与他励式静止半导体励磁不同之处是主励磁机是一台旋转电枢式同步发电机,其电枢与主发电机同轴旋转,半导体整流装置也装在主发电机转子上。由于主励磁机的三相绕组、半导体整流器、同步发电机的励磁绕组同时在旋转，三者之间没有相对运动，因此，主励磁机发出的三相沟通电经过整流后就可直接送入励磁绕组中，不再需要经过电刷和滑环，从而避开了流经大电流的滑动接触，提高了电机运行的可靠性。这种励磁系统的缺点是转动局部的电压、电流难于测量，转子绕组保护比较困难。小结本章主要表达了同步发电机的根本工作原理、分类和额定值，简要介绍了构造和励磁系统。图11.3.4旋转半导体励磁系统图11.3.3自励式静止半导体励磁系统主要学问点包括：1．同步发电机的根本工作原理同步发电机转子励磁绕组通入直流电流产生励磁磁场，且随转子以同步速旋转，转子旋转磁场切割定子三相对称绕组产生感应电动势，于是定子三相绕组输出三相对称沟通电压。三相感应电动势的性质〔1〕感应电动势的波形取决于转子磁场在气隙空间分布的波形。同步发电机的转子磁极磁场在气隙空间分布波形一般都是正弦波，所以三相感应电动势都是正弦的。〔2〕感应电动势的频率为：60pnf=Hz，其中p为电机极对数；n为同步转速。(3)每相感应电动势大小为：011Φ44.4wkfNE=，三相电动势相序与转子转向全都。同步发电机的额定值发电机的额定值是电机安全运行的依据，包括额定功率、额定电压、额定电流、额定频率、额定功率因数等。额定功率指输出的电功率；额定电压和额定电流指输出的线电压和线电流，它们之间的关系为：NNNNIUP?cos3=。同步发电机的根本构造同步发电机的根本构造由定子和转子两局部组成。大型同步发电机的定子构造与异步电机定子一样，定子铁心槽中嵌放三相对称绕组。转子由转子铁心和集中励磁绕组组成。转子分两种：隐极式和凸极式。汽轮发电机承受隐极式转子，其极数少〔2极〕，转速高〔3000r/min〕，气隙均匀，外形呈瘦长；水轮发电机承受凸极式转子,其极数多，转速低，气隙不均匀，外形呈短粗。同步发电机的励磁系统同步发电机的转子磁场由转子绕组流过直流电流来建立。转子绕组中的直流电流可以通过直流发电机获得，也可以通过沟通〔同步〕发电机经过整流获得。与此对应，同步发电机有三种励磁方式：直流励磁机励磁〔有电刷〕、静止半导体励磁〔有电刷〕、旋转半导体励磁〔无电刷〕。思考题与习题同步发电机感应电动势的频率和转速有什么关系?在频率为50HZ为什么汽轮发电机承受隐极式转子，水轮发电机承受凸极式转子？试比较同步发电机与异步电动机构造上的主要异同点。一台汽轮发电机，极数22=p，MW300=NP，kV18=NU，85.0cos=N?，Hz50=Nf，试求：〔1〕发电机的额定电流；〔2〕发电机额定运行时的有功功率和无功功率。402=p，MW100=NPkV813.UN=，9.0cos=N?，Hz50=Nf〔1〕发电机的额定电流；〔2〕发电机额定运行时的有功功率和无功功率；〔3〕发电机的转速。本章自测题一、填空题同步发电机的定子铁心槽中嵌放着 绕组，转子励磁绕组通入的是 电流。两极同步发电机应以 r/min旋转，才能发出50HZ的沟通电，当它以 r/min旋转时，将发出60HZ的沟通电。汽轮同步发电机的转子承受 构造，水轮同步发电机的转子承受 构造。我国大型汽轮发电机的磁极数为 ，转子转数为 r/min。同步发电机输出三相电压的相序由 打算，假设转变原动机的旋转方向，则三相电压的相序将 。按构造型式分，同步电机