同步發(fā)電機的基本工作原理

1、1.發(fā)電機主要構成部分2.發(fā)電機原理發(fā)電機工作原理發(fā)電機基本構成和作用1.定子（定子鐵芯、定子繞組）2.轉子(2)(2)勵磁繞組勵磁繞組 勵磁繞組是由矩形的絕緣勵磁繞組是由矩形的絕緣扁銅線繞成同心線圈，兩線圈扁銅線繞成同心線圈，兩線圈邊分別放置在大齒兩側所開出邊分別放置在大齒兩側所開出的槽內，所有線圈串聯(lián)組成勵的槽內，所有線圈串聯(lián)組成勵磁繞組，構成轉子的直流電路。磁繞組，構成轉子的直流電路。勵磁繞組引出的兩個線端接在勵磁繞組引出的兩個線端接在滑環(huán)上，并通過電刷與外電路滑環(huán)上，并通過電刷與外電路直流電源相連接。直流電源相連接。注意注意: :勵磁繞組的各線匝間需墊有勵磁繞組的各線匝間需墊有絕緣材料

2、，同時，線圈和鐵芯之絕緣材料，同時，線圈和鐵芯之間也需有可靠的間也需有可靠的“對地絕緣對地絕緣”。(3)(3)緊固件緊固件 轉子緊固件包括護環(huán)和中心環(huán)。由于汽輪發(fā)電機轉速高，繞轉子緊固件包括護環(huán)和中心環(huán)。由于汽輪發(fā)電機轉速高，繞組端部受到很大的離心力，所以必須采用護環(huán)和中心環(huán)來可靠地組端部受到很大的離心力，所以必須采用護環(huán)和中心環(huán)來可靠地固定，如圖所示。護環(huán)把轉子勵磁繞組的端部套緊，以防繞組端固定，如圖所示。護環(huán)把轉子勵磁繞組的端部套緊，以防繞組端部甩出。中心環(huán)用來支持護環(huán)和防止轉子繞組端部的軸向位移。部甩出。中心環(huán)用來支持護環(huán)和防止轉子繞組端部的軸向位移。為了減少端部漏磁場，護環(huán)采用非導磁合

3、金鋼材料。為了減少端部漏磁場，護環(huán)采用非導磁合金鋼材料。作用：保護轉子繞組端部作用：保護轉子繞組端部(4)(4)滑環(huán)滑環(huán) 直流電流通過截止的正負極性的電直流電流通過截止的正負極性的電刷、兩互相絕緣且套在轉軸上隨轉子轉刷、兩互相絕緣且套在轉軸上隨轉子轉動的滑環(huán)引入轉子勵磁繞組。動的滑環(huán)引入轉子勵磁繞組。(5)(5)風扇風扇 汽輪發(fā)電機的轉子細長，通風冷卻汽輪發(fā)電機的轉子細長，通風冷卻比較困難，故轉子的兩端一般裝有軸流比較困難，故轉子的兩端一般裝有軸流式或離心式風扇，用以改善冷卻條件。式或離心式風扇，用以改善冷卻條件。滑環(huán)滑環(huán)風扇風扇(1)(1)定子鐵芯定子鐵芯 定子鐵芯是主磁路的一部定子鐵芯是主

4、磁路的一部分分, ,嵌放定子繞組。一般由厚嵌放定子繞組。一般由厚0.5mm0.5mm或或0.35mm0.35mm的硅鋼片疊成，的硅鋼片疊成，沿軸向疊成多段形式，每段疊沿軸向疊成多段形式，每段疊片厚為片厚為30-60mm30-60mm。各段疊片之。各段疊片之間留有寬約間留有寬約10mm10mm的通風槽，以的通風槽，以改善定子鐵芯的散熱條件，如改善定子鐵芯的散熱條件，如圖所示。圖所示。 為減少漏磁防止渦流引起過為減少漏磁防止渦流引起過熱，在定子鐵芯的兩端用非磁性熱，在定子鐵芯的兩端用非磁性材料制成的壓板將其夾緊，整個材料制成的壓板將其夾緊，整個鐵芯固定在定子機座上，如圖所鐵芯固定在定子機座上，如圖

5、所示。沿定子鐵芯內圓表面的槽內示。沿定子鐵芯內圓表面的槽內放置三相定子繞組。放置三相定子繞組。定子鐵芯壓緊定子鐵芯壓緊(a)(a)無磁性壓板無磁性壓板(b)(b)定子鐵芯剖面定子鐵芯剖面 為了能承受住突然短路等過渡過程產生的巨大的電磁力而為了能承受住突然短路等過渡過程產生的巨大的電磁力而引起的端部變形，以及正常運行時不致于產生較大的振動，定子引起的端部變形，以及正常運行時不致于產生較大的振動，定子繞組端接部分需用線繩綁緊或壓板夾緊在非磁性鋼做成的端箍上，繞組端接部分需用線繩綁緊或壓板夾緊在非磁性鋼做成的端箍上，如圖所示。如圖所示。定子繞組端部 同步發(fā)電機基本原理工作是根據電磁感應現象，即導體切

6、同步發(fā)電機基本原理工作是根據電磁感應現象，即導體切割磁力線產生感應電動勢工作的。因此，同步發(fā)電機應有產生割磁力線產生感應電動勢工作的。因此，同步發(fā)電機應有產生磁力線的磁場和切割該磁場的導體。磁力線的磁場和切割該磁場的導體。 如圖所示，外部直流電源通過滑環(huán)向如圖所示，外部直流電源通過滑環(huán)向轉子提供直流勵磁電流，并產生磁場；原轉子提供直流勵磁電流，并產生磁場；原動機拖動發(fā)電機轉子以轉速動機拖動發(fā)電機轉子以轉速n n按圖示方向按圖示方向作恒向旋轉。作恒向旋轉。 定子中三相繞組的導體依定子中三相繞組的導體依次切割磁力線，三相繞組便感次切割磁力線，三相繞組便感應產生各相大小相等、相位彼應產生各相大小相等

7、、相位彼此相差此相差1201200 0的交流電動勢。的交流電動勢。若若氣隙磁通密度按正弦波分布氣隙磁通密度按正弦波分布，則三相繞組感應電動勢波形如則三相繞組感應電動勢波形如圖所示，且相序為圖所示，且相序為ABCABC。1.1.交變感應電動勢的產生交變感應電動勢的產生每相感應電勢有效值每相感應電勢有效值: : 010444wfNKE. 如圖所示，外部直流電源通過滑環(huán)向如圖所示，外部直流電源通過滑環(huán)向轉子提供直流勵磁電流，并產生磁場；原轉子提供直流勵磁電流，并產生磁場；原動機拖動發(fā)電機轉子以轉速動機拖動發(fā)電機轉子以轉速n n按圖示方向按圖示方向作恒向旋轉。作恒向旋轉。 定子中三相繞組的導體依定子中

8、三相繞組的導體依次切割磁力線，三相繞組便感次切割磁力線，三相繞組便感應產生各相大小相等、相位彼應產生各相大小相等、相位彼此相差此相差1201200 0的交流電動勢。的交流電動勢。若若氣隙磁通密度按正弦波分布氣隙磁通密度按正弦波分布，則三相繞組感應電動勢波形如則三相繞組感應電動勢波形如圖所示，且相序為圖所示，且相序為ABCABC。1.1.交變感應電動勢的產生交變感應電動勢的產生每相感應電勢有效值每相感應電勢有效值: : 010444wfNKE.定轉子受力分析和電磁力矩產生 電磁力矩：發(fā)電機在原動機帶動下電樞繞組切割磁力線感應電勢，發(fā)出電流；當電流流過電樞繞組產生的磁場作用于轉子，轉子會受到磁場的

9、作用產生電磁力，而形成電磁轉矩，這個轉矩與原動機轉矩方向反，大小與輸出電流成正比，原動機轉矩克服電磁轉矩使發(fā)電機保持恒速旋轉，這就把機械能轉換為電能輸送出去。機組加負荷發(fā)電機影響機理 當開大汽門時,發(fā)電機轉子軸上的主力矩增大,此時由于電功率還沒開始變,即阻力矩的大小沒有變,故轉子要加速,使轉子和定子間的夾角就拉開一些,根據電機本身的功角特性,功角一增大,電機的輸出功率就增大,也即多帶負荷.轉子會不會一個勁兒地加速呢 正常時是不會的.因為電機多帶了負荷,阻力矩就增大,當阻力矩大到和主力矩平衡時,轉子的轉速就穩(wěn)定下來,此時,發(fā)電機的出力便升到一個新的數值. 2.2.感應電勢的頻率感應電勢的頻率 交

10、流電動勢的頻率交流電動勢的頻率f f可這樣確定可這樣確定: :當轉子為當轉子為1 1對極時，轉子旋對極時，轉子旋轉一周，定子繞組中感應電動勢變化一個周期；當同步發(fā)電機轉一周，定子繞組中感應電動勢變化一個周期；當同步發(fā)電機具有具有p p對極時，轉子旋轉一周，感應電動勢就交變對極時，轉子旋轉一周，感應電動勢就交變p p個周期；當個周期；當轉子的轉速為每分鐘轉子的轉速為每分鐘n n轉時，則交變電動勢的頻率為轉時，則交變電動勢的頻率為: :60pnf 轉子的轉速轉子的轉速(r/min)(r/min) 由上式可知由上式可知: :同步發(fā)電機定子繞組感應電動勢的同步發(fā)電機定子繞組感應電動勢的頻率頻率取決于取

11、決于它的它的極對數極對數p p和和轉子的轉速轉子的轉速n n。轉子轉速越高，定子繞組感應電勢。轉子轉速越高，定子繞組感應電勢E E0 0的頻率越高。即的頻率越高。即 n fn f?？梢?，同步發(fā)電機極對數?？梢?，同步發(fā)電機極對數p p一定一定時，轉速時，轉速n n與電樞電動勢的頻率與電樞電動勢的頻率f f之間具有嚴格不變的關系。之間具有嚴格不變的關系。說明說明: : 如果發(fā)電機作為電源單獨給負載供電，對電源頻率的要求并如果發(fā)電機作為電源單獨給負載供電，對電源頻率的要求并不十分嚴格，對原動機的轉速要求也不很嚴格。不十分嚴格，對原動機的轉速要求也不很嚴格。 同步發(fā)電機原理小結同步發(fā)電機原理小結: :

12、外部直流電源通過滑環(huán)向轉子提供外部直流電源通過滑環(huán)向轉子提供直流勵磁電流，并產生磁場；原動機拖動轉子旋轉，轉子磁極直流勵磁電流，并產生磁場；原動機拖動轉子旋轉，轉子磁極磁場切割三相定子繞組，感應三相交流電。磁場切割三相定子繞組，感應三相交流電。發(fā)電機失磁故障發(fā)電機失磁故障 發(fā)電機做為系統(tǒng)唯一的無功源，向系統(tǒng)提供無功，建立電壓。而發(fā)電機無功的來源于勵磁系統(tǒng)輸出的直流經轉子旋轉，建立轉子旋轉磁場，這側磁場切割定子繞組產生定子電壓，并網后，因定子中產生電流，定子繞組又產生一個磁場，與轉子產生的磁場相互作用，完成轉子上的機械能到電能的轉化。 發(fā)電機在運行中由于某種原因引起發(fā)電機勵磁電流大幅度減小，甚至

13、失去外施勵磁電流，稱之為發(fā)電機“失磁”。造成發(fā)電機失磁的原因很多，通常是由于自動調節(jié)勵磁裝置故障、轉子繞組短路、勵磁回路因斷線而開路、滅磁開關誤跳閘使勵磁繞組經滅磁電阻閉路等，這些故障都可能使發(fā)電機轉子回路外施勵磁電流消失造成發(fā)電機失磁。失磁的種類失磁的種類 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)故障分為勵磁異常下降和完全失磁兩類。勵磁異常下降時，如果發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定儲備不足，則可能破壞發(fā)電機的靜態(tài)穩(wěn)定性。發(fā)電機完全失磁后不但不發(fā)出無功功率，還要從系統(tǒng)吸收無功功率，無功功率很快減小到零，然后向負變化到較大值；定子電壓下降，電流增大，有功功率減小。失步后發(fā)電機轉子本體上感應出的滑差頻率的交變電流會引起轉子發(fā)熱及使機組發(fā)生

14、振動，從而危及整個發(fā)電機的安全。失磁對系統(tǒng)危害 1. 發(fā)電機從電力系統(tǒng)吸收無功，引起系統(tǒng)電壓下降。如果電力系統(tǒng)無功儲備不足，將使臨近故障發(fā)電機組的系統(tǒng)某點電壓低于允許值，使電源與負荷間失去穩(wěn)定，甚至造成電力系統(tǒng)因電壓崩潰而瓦解。 2.一臺發(fā)電機失磁電壓下降，電力系統(tǒng)中的其他發(fā)電機組在自動調整勵磁裝置作用下將增大無功輸出，從而可能使某些發(fā)電機組和線路過負荷，其后備保護可能發(fā)生誤動作，使故障范圍擴大。 3.一臺發(fā)電機失磁后，由于有功功率的擺動，以及電力系統(tǒng)電壓的下降，可能導致相鄰正常發(fā)電機與電力系統(tǒng)之間或系統(tǒng)各回路之間發(fā)生振蕩，造成嚴重后果。發(fā)電機額定容量越大，低勵、失磁引起的無功缺額也越大。如果

15、電力系統(tǒng)相對容量較小，則補償這一無功缺額的能力較差，由此而來的后果會更嚴重。對發(fā)電機本身的影響失磁對發(fā)電機的危害 1.發(fā)動機定轉子之間出現轉差，在發(fā)電機轉子回路中產生損耗超過一定值時，將使轉子過熱。特別是大型發(fā)電機組，其熱容量裕度較低，轉子易過熱。而流過轉子表面的差額電流，還將使轉子本體與槽楔、護環(huán)的接觸面上發(fā)生嚴重的局部過熱。 2. 進入異步運行后，由機端觀測到的發(fā)電機等效電抗降低，從電力系統(tǒng)吸收無功功率增加。失磁前所帶的有功越大，轉差就越大，等效電抗就越小，從電力系統(tǒng)吸收無功就越大。因此，在重負荷下失磁發(fā)電機進入異步運行后，如不立即采取措施，發(fā)動機將因過電流使定子繞組過熱。 3.在高負荷下

16、失磁后，轉差也可能發(fā)生周期性的變化，使發(fā)電機出現周期性的嚴重超速，直接威脅著發(fā)電機組的安全。 4. 發(fā)動機定子端部漏磁增加，將使發(fā)電機端部部件和邊段鐵芯過熱，這一情況通常是限制發(fā)電機失磁異步運行能力的主要條件。失磁時定子電流上升 我們知道發(fā)電機工作的時候，它對外發(fā)出的機端電壓是由發(fā)電機的主磁場和發(fā)電機定子的電樞反映的合成磁場作用下產生的.發(fā)電機失磁的時候，也就是說它的轉子上的主磁場繞組失去了勵磁電流，此時發(fā)電機的工況就和發(fā)電機欠勵磁的工況一樣。現在發(fā)電機失磁，也就是說磁通現在不夠，那發(fā)電機的運行工況就必須能夠補償缺少的（和額定勵磁時相比）那部分磁通要么從主磁通那部分來，要么從電樞反映的那部分磁

17、通來，但現在是失磁，即主磁通無勵磁電流，不 可能增大，那么現在就只能從增加超前的定子電流以增強其電樞反應所產生的磁通，以來補償不足的部分，要增加電樞反應的磁通，那自然就增大了電樞的電流（有電流才能激勵出磁場），所以說：在發(fā)電機欠勵磁的時候，其定子電流會升高。失磁后差頻電流產生機理在正常情況下，定子磁場與轉子同步（轉速、方向一致），當發(fā)電機勵磁系統(tǒng)故障后，失去了勵磁電流，也就是平常所說的發(fā)電機失磁。發(fā)電機失磁后，轉子旋轉磁場消失，電磁力矩減少，而原動力矩不變，出現了過剩力矩，使轉子轉速增加，轉子與定子的旋轉磁場有了相對速度，出現了轉差，定子磁場以轉差速度切割轉子表面，使轉子表面感應出電流來，這個電流與定子旋轉磁場作用就產生了一個力矩，稱為異步力矩，它的制動作用限制了轉子轉速無限升高，轉速越高，異步力矩越大，從而降低了轉差，這時的