《电机原理与维修》课件第6章

第6章同步发电机的基本工作原理和结构

6.1同步发电机的基本工作原理和类型6.2三相同步发电机的结构简介习题6.1同步发电机的基本工作原理和类型6.1.1三相同步发电机的基本工作原理同步发电机是根据导体切割磁力线而感应电动势这一基本原理工作的。图6-1所示是三相同步发电机原理示意图。图6-1同步发电机原理示意图转子铁芯固定在同步发电机的转轴上，转子绕组(也称励磁绕组)绕在转子铁芯上，两者共同构成同步发电机的转子。定子铁芯与定子绕组共同构成同步发电机的定子(也称为电枢)。为了得到对称的三相交流电，沿定子铁芯内圆，相隔120°，分别嵌放着三相绕组AX、BY、CZ(绕法、匝数、线材都相同)。当转子绕组通入直流电后，在磁极间产生磁力线，磁力线从转子的N极经过定子、转子之间的空气间隙以及定子铁芯后回到S极。通过制造工艺，可使定子与转子间空气间隙中的磁场基本上按正弦规律分布。当原动机带动发电机转子以转速n逆时针转动时，定子绕组AX、BY、CZ依次切割磁力线，分别感应出大小相等、时间上相差120°的三相交变电动势，其相序为A→B→C，方向根据右手定则判定，其数学表达式为：eA=Emsinωt

eB=Emsin(ωt-120°)eC=Emsin(ωt-240°)=Emsin(ωt+120°)此时将定子绕组的X、Y、Z连接起来，另一端A、B、C与负荷接通后，就将在定子绕组和负载中流过三相交流电流。在发电机相序一定的情况下，发电机发出的电能质量是否合格，主要看发电机的端电压和频率。端电压U可通过调整转子电流来保证，而频率f主要取决于电机的磁极对数p和转子的转速n。转子为一对磁极时，它转动一周，定子绕组中的感应电动势正好交变一次(即一个周期)，当电机有p对磁极时，转子转动一周，感应电动势就交变p个周期，当转子的转速为每分钟n转时，则感应电动势每分钟变化pn个周期，所以定子绕组感应电动势的频率为

(6-1)式中:n为发电机转速，单位为r/min；p为发电机转子磁极对数。可见，当发电机的磁极对数、转速为一定时，则发电机发出的交流电动势的频率也是一定的。从上式得知，同步发电机的转速n与转子磁极对数p和交流电的频率f有关，即

(6-2)由此可见，同步发电机的特点是转子的转速与电网频率f之间具有固定不变的关系。若电网的频率不变，则同步发电机的转速恒为常值而与负载的大小无关。6.1.2同步发电机的类型和铭牌

1.同步发电机的类型同步发电机可以按运行方式和结构形式进行分类。按运行方式和功率转换方式，同步电机可分为发电机、电动机和调相机三类。发电机把机械能转换成电能；电动机把电能转换为机械能；调相机则专门用来调节电网的无功功率，改善电网的功率因数，在调相机内基本上不转换有功功率。按结构形式，同步发电机可分为旋转电枢式和旋转磁极式两种，前者的电枢装设在转子上，主磁极装设在定子上，这种结构在小容量同步发电机中得到一定的应用。对于高压、大容量的同步发电机，通常采用旋转磁极式结构。由于励磁部分的容量和电压较电枢小得多，因此把主磁极装设在转子上，电刷和集电环的负载就大为减轻，工作条件就得以改善。对于旋转磁极式结构，按照磁极的形状又可分为隐极式和凸极式两种(如图6-2所示)。隐极式的气隙是均匀的，转子做成圆柱形。凸极式的气隙是不均匀的，极弧底下气隙较小，极间部分气隙较大。对于高速的同步发电机(3000r/min)，从转子机械强度和妥善地固定励磁绕组方面考虑，采用励磁绕组分布于转子表面槽内的隐极式结构较为可靠。对于低速发电机,一般当n1≤1500r/min(即2p≥4)时，转子的离心力较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构较为合理。而转速较高时，则采用隐极式结构，如汽轮机是一种高转速的原动机，故汽轮发电机的转子通常采用隐极式，而水轮发电机通常都是凸极式。同步电动机及由内燃机拖动的同步发电机和调相机，一般也做成凸极式。图6-2旋转磁极式同步发电机(a)凸极式；(b)隐极式

2.同步电机的运行状态当同步电机的定子(电枢)绕组中通过对称的三相电流时，定子将产生一个以同步转速推移的旋转磁场。稳态情况下，转子转速亦是同步转速，于是定子旋转磁场恒与直流励磁的转子主极磁场保持相对静止，它们之间相互作用并产生电磁转矩，进行能量转换。同步电机有三种运行状态：发电机、电动机和补偿机。发电机把机械能转换为电能，电动机把电能转换为机械能，补偿机中没有有功功率的转换，专门发出或吸收无功功率、调节电网的功率因数。分析表明，同步电机运行于哪一种状态，主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角δ，δ称为功率角。若转子主磁场超前于定子合成磁场(δ＞0)，此时转子上将受到一个与其旋转方向相反的制动性质的电磁转矩，如图6-3(a)所示。图6-3同步电机的三种运行状态(a)发电机；(b)补偿机；(c)电动机为使转子能以同步转速持续旋转，转子必须从原动机输入驱动转矩。此时转子输入机械功率，定子绕组向电网或负载输出电功率，电机作为发电机运行。若转子主磁场与定子合成磁场的轴线重合(δ＝0)，则电磁转矩为0，如图6-3(b)所示。此时电机内没有有功功率的转换，电机处于补偿机状态或空载状态。若转子主磁场滞后于定子合成磁场(δ＜0)，则转子上将受到一个与其转向相同的驱动性质的电磁转矩，如图6-3(c)所示。此时定子从电网吸收电功率，转子可拖动负载而输出机械功率，电机作为电动机运行。

3.同步发电机的型号和额定值同步发电机在出厂时，其机座外壳醒目的位置上装有一块铭牌，标明它的型号和主要参数。通常有型号、额定值、绝缘等级等内容。额定值就是能保证电机正常运行的最大限值，电机在额定数据规定的限值情况下运行时，其寿命可以达到设计预期年限，效率也较高。

(1)型号。水轮发电机型号（中小容量）：汽轮发电机的型号：

(2)额定容量SN(或额定功率PN)：对于同步发电机，其额定容量SN是指从电枢绕组出线端输出的额定视在功率，其单位常用kV·A或MV·A表示；额定功率PN则是指发电机输出的额定有功功率，其单位为kW或MW。

(3)额定电压UN：同步发电机在额定运行时，三相电枢绕组接线端的额定线电压，其单位为V或kV。

(4)额定电流IN：同步发电机在额定运行时，三相电枢绕组接线端输出的额定线电流，其单位为A。

(5)额定功率因数cosφN：同步发电机在额定状态下运行时的功率因数。

(6)额定效率ηN：同步发电机带额定负载运行时，其输出的功率与输入功率之比值。

(7)额定频率fN：额定运行时电枢的频率。我国标准工频规定为50Hz。

(8)额定转速nN：额定运行时发电机的转速，对同步发电机而言，即为同步转速。除上述额定值以外，铭牌上还常常列出一些其他的运行数据，例如额定负载时的温升θN，额定励磁电流IfN和电压UfN，飞逸转速等。上述各量之间存在有一定的关系，对于额定功率PN有(6-3)对于频率与转速则有

(6-4)6.2三相同步发电机的结构简介6.2.1汽轮发电机的基本结构现代的汽轮发电机一般都是两极的，同步转速为3000r/min(对fN=50Hz)。由于转速高，因此汽轮发电机的直径较小，长度较长。汽轮发电机均为卧式结构，图6-4为一台汽轮发电机的外形图，主要有定子和转子两大部分。图6-4汽轮发电机的外形图

1.定子汽轮发电机的定子由定子铁芯、定子绕组、机座、端盖、挡风装置等部件组成。定子铁芯一般用厚0.5mm硅钢片叠成，每叠厚度为3～6cm，叠与叠之间留有宽0.8～1cm的通风槽。整个铁芯用非磁性压板压紧，固定在机座上。

2.转子转子由转子铁芯、励磁(转子)绕组、护环、中心环、滑环及风扇等部件组成。转子铁芯既是电机磁路的主要组成部件，又由于高速旋转时巨大的离心力而承受着很大的机械应力，因而其材料既要求有良好的导磁性能，又需要有很高的机械强度，所以一般都采用整块的高机械强度和良好导磁性能的合金钢锻成，与转轴锻成一个整体。沿转子铁芯表面铣有槽以安放励磁绕组，如图6-5所示。由图可见，在一个极距内约有1／3部分没有开槽，叫大齿。大齿的中心实际上就是磁极的中心。励磁绕组是由扁铜线绕成的同心式线圈。由于隐极发电机转速很高，因此励磁绕组在槽内需用不导磁高强度的硬铝槽楔压紧。端部套上用高强度非磁性钢锻成的护环。图6-6所示为一台汽轮发电机的转子。由于汽轮发电机的转速较高，转子和电机中部的通风比较困难，所以良好的通风、冷却系统对汽轮发电机非常重要。图6-6汽轮发电机的转子6.2.2水轮发电机的基本结构凸极式同步发电机分为卧式(横式)和立式结构两大类。除了低速、大容量的水轮发电机和大型水泵用的同步电动机采用立式结构外，绝大多数的凸极同步电机都采用卧式结构。卧式同步发电机的定子由机座、定子铁芯和定子绕组等部件组成，转子则由主磁极、磁轭、励磁绕组、集电环和转轴等部件组成。大型水轮发电机通常都是立式结构，如图6-7所示。由于它的转速低、极数多，要求转动惯量大，故其特点是直径大、长度短。在立式水轮发电机中，整个机组转动部分的重量以及作用在水轮机转轴上的水推力均由推力轴承支撑，并通过机架传递到地基上，如图6-8(a)所示。图6-7水轮发电机的转子立式水轮发电机可分为悬式和伞式两种。悬式是把推力轴承装在转子上边的上机架上，整个转子是以一种悬吊状态转动；伞式则是把推力轴承装在转子下边的机架上，整个转子是以一种被托架着的状态转动，见图6-8(b)。悬式水轮发电机运转时机械稳定性好，但机组的轴向高度大；伞式水轮发电机机械稳定性差，但轴向高度小，这可以使厂房的高度和造价降低。通常转速较高的电机(150r／min以上)采用悬式，转速较低的电机(125r／min以下)采用伞式。图6-8悬式和伞式水轮发电机的示意图(a)悬式；(b)伞式

1.定子凸极同步发电机的定子结构一般和隐极同步电机相同，但对于大容量的水轮发电机，由于定子直径太大，故通常把它分成几瓣，分别制造后，再运到电站拼装成一个整体。图6-9所示是一台大型水轮发电机的分瓣定子。图6-9大型水轮发电机的分瓣定子

2.转子凸极同步发电机的转子主要由磁极、励磁绕组和转轴组成。磁极是由厚1～1.5mm的钢板冲成磁极冲片，用铆钉装成一体。磁极上套装有励磁绕组。励磁绕组由扁铜线绕成，各励磁绕组串联后接到集电环上。磁极的极靴上一般还装有阻尼绕组。阻尼绕组是由插入极靴阻尼槽内的裸铜条和端部铜环焊接而成，如图6-10所示。在同步发电机中，阻尼绕组起抑制转子转速振荡的作用。磁极固定在磁轭上，磁轭常用整块钢板或铸钢做成。图6-10磁极铁芯习题

6-1什么叫同步电机?其感应电动势频率和转速有何关系？怎样由其极数决定它的转速，试问75r／min、50Hz的同步发电机是几极的?

6-2为什么大容量同步电机多采用旋转磁极式结构?

6-3说明汽轮发电机的基本结构，为什么汽轮发电机的转子采用隐极式，而水轮发电机的转子采用凸极式？

6-4观察同步发电机的外形，能否区分它是汽轮发电机还是水轮发电机？试列举汽轮发电机与水轮发电机结构上的不同之点并说明其理由。

6-5隐极式同步发电机与凸极式同步发电机在磁极铁芯、励磁绕组、励磁磁势等方面有什么不同之处?

6-6如何理解同步发电机的额定容量、额定功率、额定功率因数、额定效率、额定输入功率和额定输出功率等之间的关系?