發(fā)電機的原理和構(gòu)造

2023/8/131發(fā)電機結(jié)構(gòu)與工作原理2023/8/132概述同步電機：交流旋轉(zhuǎn)電機。用途：主要作發(fā)電機用，也可作電動機帶動具有恒速要求的機械，還可作調(diào)相機，向電力系統(tǒng)發(fā)出無功功率，用于改善電力系統(tǒng)的功率因數(shù)及調(diào)整電網(wǎng)電壓?，F(xiàn)代發(fā)電廠中所發(fā)出的交流電能幾乎全部是同步發(fā)電機發(fā)出，盡管目前有其他發(fā)電型式，如磁流體發(fā)電，太陽能發(fā)電等，但電力系統(tǒng)中仍是同步發(fā)電機占絕對優(yōu)勢。2023/8/133

同步電機指電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1相同的交流電機。同步電機的轉(zhuǎn)速：n=60f1/p

f1--電網(wǎng)頻率。概述2023/8/134三相同步發(fā)電機的基本工作原理

同步發(fā)電機(synchronousgenerator)是將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔艿脑O(shè)備。

在火電廠，發(fā)電機用汽輪機作原動機，稱為汽輪發(fā)電機；在核電站是以核反應(yīng)堆來代替火電站的鍋爐，原動機仍然是汽輪機；在水電廠，發(fā)電機用水輪機作原動機，稱為水輪發(fā)電機；有的地方用柴油機用作原動機，稱為柴油發(fā)電機。2023/8/135SNnIf三相同步發(fā)電機的基本工作原理

同步發(fā)電機基本工作原理：導(dǎo)體切割磁力線感應(yīng)電動勢。轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)動的部分，轉(zhuǎn)子上有磁極和勵磁繞組，產(chǎn)生磁場。定子（又叫電樞）：固定的部分，定子鐵心上有齒和槽，槽內(nèi)設(shè)置有繞組，是切割磁場的導(dǎo)體。氣隙：定轉(zhuǎn)子之間有氣隙。動畫2023/8/136三相同步發(fā)電機的基本工作原理

定子：有三相定子繞組，每相結(jié)構(gòu)完全相同，它們在空間上互差120°電角度對稱分布放置在定子鐵心槽內(nèi)。轉(zhuǎn)子：有p對磁極，磁極上有直流勵磁繞組，當(dāng)直流電流通過電刷和滑環(huán)流入轉(zhuǎn)子繞組后，產(chǎn)生主磁通，主磁通由N極經(jīng)氣隙，定子鐵心，再經(jīng)氣隙進(jìn)入S極，構(gòu)成主磁路。2023/8/137同步電機與異步電機的根本區(qū)別是旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子通入直流電流勵磁轉(zhuǎn)子通直流電流If勵磁磁場Bf電樞感應(yīng)電勢隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度ωSNnea三相對稱負(fù)載運行時旋轉(zhuǎn)基波磁勢Fa三相對稱電樞電流iabc(同步電機)ebecIf三相同步發(fā)電機的基本工作原理

2023/8/138定子外接負(fù)載，形成回路，有三相電流。機械能轉(zhuǎn)化為電能定子繞組三相感應(yīng)電勢三相同步發(fā)電機的基本工作原理

2023/8/139交流電勢頻率f的確定當(dāng)轉(zhuǎn)子為1對磁極時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，定子繞組中感應(yīng)電勢變化一個周期；當(dāng)同步發(fā)電機有p對極時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，感應(yīng)電勢交變p個周期。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為每分n轉(zhuǎn)時，交變電勢頻率為：三相同步發(fā)電機的基本工作原理

2023/8/1310交流電勢頻率f的確定結(jié)論：同步發(fā)電機定子繞組感應(yīng)電勢的頻率取決于它的極對數(shù)p和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n。同步發(fā)電機極對數(shù)一定時，轉(zhuǎn)速與電樞電勢的頻率有嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)電力系統(tǒng)頻率f一定，發(fā)電機轉(zhuǎn)速為恒定值，這是同步發(fā)電機的主要特點。三相同步發(fā)電機的基本工作原理

2023/8/1311結(jié)論：我國標(biāo)準(zhǔn)工頻為50Hz，所以同步發(fā)電機的極對數(shù)和轉(zhuǎn)速成反比。汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速較高，極對數(shù)較少，如轉(zhuǎn)速n=3000r/min，則極對數(shù)p=1。水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速較低，極對數(shù)較多，如轉(zhuǎn)速n=125r/min，則極對數(shù)p=24。三相同步發(fā)電機的基本工作原理

2023/8/1312按運行方式不同分為：發(fā)電機、電動機和調(diào)相機。按結(jié)構(gòu)形式不同分為：電樞旋轉(zhuǎn)式（簡稱轉(zhuǎn)樞式）和磁極旋轉(zhuǎn)式（簡稱轉(zhuǎn)場式）。磁極旋轉(zhuǎn)式按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同又分為凸極式和隱極式。按安裝方式不同分為：臥式和立式。同步電機的類型按原動機類型不同分為：汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機、燃?xì)廨啺l(fā)電機、柴油發(fā)電機、風(fēng)力發(fā)電機、太陽能發(fā)電機等等。按冷卻介質(zhì)不同分為：空氣冷卻、氫氣冷卻、水冷卻等。2023/8/1313同步發(fā)電機的基本構(gòu)造

同步電機一般采用旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)，根據(jù)磁極形狀可分為隱極和凸極兩種型式。凸極同步電機氣隙不均勻，適合于中速或低速旋轉(zhuǎn)場合。隱極同步電機在不考慮齒槽效應(yīng)時，氣隙均勻，適合于高速旋轉(zhuǎn)。2023/8/13141—定子2—凸極式轉(zhuǎn)子

氣隙不均勻，極弧底下氣隙較小，極間部分較大。凸極式電機結(jié)構(gòu)特點2023/8/1315轉(zhuǎn)子上沒有凸出的磁極，氣隙均勻，轉(zhuǎn)子呈圓柱形。1—定子3—隱極式轉(zhuǎn)子隱極式電機結(jié)構(gòu)特點2023/8/1316電源頻率固定，采用轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)速有關(guān)。

火電廠和核電站的汽輪機拖動的發(fā)電機，轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)子宜作成細(xì)而長的隱極式，這種發(fā)電機通常稱為汽輪發(fā)電機。核電站用的汽輪發(fā)電機在構(gòu)造上與常規(guī)火電站用的大同小異，所不同的是由于蒸汽壓力和溫度都較低，所以同等功率機組的汽輪機體積比常規(guī)火電站的大。

水輪機拖動的發(fā)電機，轉(zhuǎn)速低，因而要求有較多的磁極，轉(zhuǎn)子宜作成短而胖的凸極式。凸極式和隱極式電機應(yīng)用場合2023/8/1317同步電機的氣隙較同容量的異步電機大。異步電機勵磁電流由電網(wǎng)供給，需從電網(wǎng)吸取感性無功功率，若氣隙大，則勵磁電流大，電機的功率因數(shù)低，因此在機械允許的條件下，氣隙要盡量小一些。

同步電機氣隙磁場由轉(zhuǎn)子電流和定子電流共同激勵，從運行穩(wěn)定性考慮，氣隙大，同步電抗小，短路比大，運行穩(wěn)定性高。但氣隙大，轉(zhuǎn)子用銅量增大，制造成本增加。所以氣隙大小的選擇要綜合考慮運行性能和制造成本這兩方面的要求。同步電機與異步電機2023/8/13182023/8/1319用途：多用于汽輪發(fā)電機，一般為兩極，轉(zhuǎn)速為3000r/min。一般汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子長度L和定子內(nèi)徑D之比為2-6.5。隱極式同步發(fā)電機2023/8/13201.定子(stator)機座(baseframe)、端蓋(endclosure)、定子鐵心(statorcore)和定子繞組(statorwindings)等。大型汽輪發(fā)電機定子鐵心槽汽輪發(fā)電機完工后的定子汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)2023/8/1321發(fā)電機定子2023/8/1322（1）機座和端蓋機座的作用：固定和支撐定子鐵心及定子繞組等部件，通過機座將整個定子安裝、固定在基礎(chǔ)上。機座內(nèi)部有冷卻風(fēng)道。汽輪發(fā)電機機座一般采用鋼板焊接而成。對機座的要求，除了使安裝、運輸方便外，還需要有足夠的強度和剛度。正常和故障時能承受可能發(fā)生的最大應(yīng)力，保證不產(chǎn)生不允許的變形。汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)2023/8/1323端蓋的作用:保護(hù)定子和轉(zhuǎn)子的端部，使電機內(nèi)形成一個與外界隔絕的風(fēng)路系統(tǒng)。一般用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，也可采用灰鑄鐵或硅鋁合金鑄件，中等容量的電機端蓋也有采用玻璃鋼壓制的。有足夠的剛度。大型同步電機，由于端部漏磁通較大，所以固定端蓋的螺栓宜加以絕緣，以防止漏磁通引起的渦流流過螺栓而使其發(fā)熱。（1）機座和端蓋汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)2023/8/1324汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)定子鐵心由0.35mm、0.5mm或其它厚度的電工鋼片疊成。各段疊片間有寬約10mm的通風(fēng)槽，以改善定子鐵心散熱。定子外徑較小時，采用圓形沖片，外徑大于1m時，采用扇形沖片，目的是減少漏磁，防止渦流引起過熱。定子鐵心兩端用非磁性材料壓板將其壓緊，將整個鐵心固定在定子機座上。沿定子鐵心內(nèi)圓表面的槽內(nèi)放置三相定子繞組。（2）定子鐵心2023/8/1325思考：定子鐵心為什么要用0.5mm的硅鋼片疊裝？

（2）定子鐵心2023/8/1326（3）定子繞組也稱電樞繞組，一般采用雙層三相對稱繞組。為便于繞組下線，定子槽采用矩形開口槽，定子繞組放入槽中后，槽口用槽楔封住，槽楔常用絕緣材料(如玻璃布板)做成。汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)2023/8/1327汽輪發(fā)電機的電壓較高，要求定子繞組有足夠的絕緣強度，一般采用B級或F級絕緣。（3）定子繞組大型電機定子電流極大，繞組導(dǎo)線截面大。為減小導(dǎo)體集膚效應(yīng)帶來的附加損耗，定子繞組常由多股截面15平方毫米以下的扁銅線并繞而成，且沿槽長進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿Q位，使繞組的有效部分，有時甚至連同繞組的端接部分，成為編織形。汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)2023/8/1328定子繞組下線定子繞組端部

2023/8/1329定子繞組端部接頭2023/8/1330定子端部

2023/8/13312．轉(zhuǎn)子汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子組成轉(zhuǎn)子鐵芯勵磁繞組阻尼繞組緊固件風(fēng)扇功能：傳遞原動機供給的機械能、支撐旋轉(zhuǎn)的勵磁線圈、形成良好的磁通路徑和轉(zhuǎn)子散熱通道，因此對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、材料和加工工藝要求較高。2023/8/1332轉(zhuǎn)子繞組的通風(fēng)口護(hù)環(huán)中心環(huán)風(fēng)扇汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子外形2023/8/1333發(fā)

電

機

轉(zhuǎn)

子2023/8/1334（1）轉(zhuǎn)子鐵心既有良好導(dǎo)磁性能，又有足夠機械強度和剛度，最關(guān)鍵部件之一。一般采用優(yōu)質(zhì)合金鋼鍛制，鐵心上開有兩組對稱的槽，槽與槽之間的部分稱為齒，有兩個齒特別寬稱為大齒，其余的叫小齒。小齒嵌放勵磁線圈，大齒形成磁極。大型電機為了加強轉(zhuǎn)子表面冷卻，大齒區(qū)也開有一些較小的槽并不安放線圈，只作通風(fēng)用，這種槽稱為通風(fēng)槽。汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)2023/8/1335轉(zhuǎn)子鐵心

2023/8/1336大型兩極汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子，當(dāng)長度與直徑的比值較大時，為了減小倍頻振動的影響，常在大齒部分沿軸向每隔一定距離開有徑向月牙槽，使大齒方向與小齒方向的剛度盡可能接近。有的電機在大齒開有槽，內(nèi)裝阻尼繞組(dampingwindings)，阻尼繞組構(gòu)成自行短接的半鼠籠結(jié)構(gòu)，用來改善發(fā)電機的穩(wěn)定運行。（1）轉(zhuǎn)子鐵心汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)2023/8/1337轉(zhuǎn)子鐵心結(jié)構(gòu)2023/8/1338（2）勵磁繞組汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)由矩形絕緣扁銅線繞成同心式線圈，兩線圈邊分別放在大齒兩側(cè)所開的槽內(nèi)，所有線圈串聯(lián)。勵磁繞組構(gòu)成電機直流回路，通過電刷與外電路連接。各線圈匝間有絕緣，對地也有絕緣。2023/8/13392023/8/1340（3）護(hù)環(huán)和中心環(huán)汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的端部在高速旋轉(zhuǎn)中將承受巨大的離心力，并在通過勵磁電流時產(chǎn)生熱膨脹，造成徑向和軸向位移．護(hù)環(huán)用來套在轉(zhuǎn)子繞組瑞部外面，防止徑向位移，而中心環(huán)則用來阻止軸向位移。為了避免因護(hù)環(huán)偏心引起的振動以及不對稱運行或異步運行時因轉(zhuǎn)子表面感應(yīng)電流引起配合面上的電灼傷，要求護(hù)環(huán)與轉(zhuǎn)子本體、護(hù)環(huán)與中心環(huán)之間有較緊密的配合。汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)2023/8/1341轉(zhuǎn)子繞組的通風(fēng)口護(hù)環(huán)中心環(huán)風(fēng)扇汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子外形2023/8/1342轉(zhuǎn)子線圈裝配2023/8/1343發(fā)電機轉(zhuǎn)子裝配2023/8/1344汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)一種短路繞組，大型電機有。由放在槽楔下的銅條和轉(zhuǎn)子兩端銅環(huán)焊接成閉合回路。作用：在同步發(fā)電機短路或不對稱運行時，利用其感應(yīng)電流來削弱負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場作用；發(fā)電機振蕩時起阻尼作用，使振蕩衰減。阻尼繞組2023/8/1345冷卻系統(tǒng)封閉，冷卻介質(zhì)循環(huán)使用。常用的冷卻介質(zhì)有空氣、氫氣和水。冷卻方式有：空氣冷卻；水-氫-氫，即定子繞組用水冷卻，轉(zhuǎn)子繞組采用氫內(nèi)冷，定子鐵心為氫冷；水-水-氫，即定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組用水冷卻，定子鐵心為氫冷。氫氣密度僅為空氣的1/4，導(dǎo)熱性比空氣好6倍，冷卻效果比空氣好。汽輪發(fā)電機的冷卻方式2023/8/13465.其他部件滑環(huán)與電刷：將直流電引入到轉(zhuǎn)動的勵磁繞組?；h(huán)或稱集電環(huán)，一般用耐磨的鍛鋼制成，表面進(jìn)行硬度處理，加工完的滑環(huán)表面要求光潔。汽輪發(fā)電機一般采用石墨或電化石墨電刷。雖然每種電刷以石墨粉作為主要原料，但是含量和工藝的不同，在導(dǎo)電率、比重、硬度、強度、伏安特性等方面有不同的性能。為使兩滑環(huán)磨損均勻，在運行中要定期改變滑環(huán)的極性。汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)2023/8/13475.其他部件電刷放在刷盒內(nèi)，刷盒內(nèi)有彈簧給電刷一個均勻的壓力，以防止電刷正運行時發(fā)生振動，使其與滑環(huán)間保持有良好的滑動接觸。風(fēng)扇：電機內(nèi)部通風(fēng)冷卻．一般裝在轉(zhuǎn)子兩瑞，當(dāng)發(fā)電機運行時，風(fēng)扇