《電機(jī)原理與維修》課件第6章

第6章同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理和結(jié)構(gòu)

6.1同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理和類型6.2三相同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡介習(xí)題6.1同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理和類型6.1.1三相同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理同步發(fā)電機(jī)是根據(jù)導(dǎo)體切割磁力線而感應(yīng)電動勢這一基本原理工作的。圖6-1所示是三相同步發(fā)電機(jī)原理示意圖。圖6-1同步發(fā)電機(jī)原理示意圖轉(zhuǎn)子鐵芯固定在同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)子繞組(也稱勵(lì)磁繞組)繞在轉(zhuǎn)子鐵芯上，兩者共同構(gòu)成同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子。定子鐵芯與定子繞組共同構(gòu)成同步發(fā)電機(jī)的定子(也稱為電樞)。為了得到對稱的三相交流電，沿定子鐵芯內(nèi)圓，相隔120°，分別嵌放著三相繞組AX、BY、CZ(繞法、匝數(shù)、線材都相同)。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組通入直流電后，在磁極間產(chǎn)生磁力線，磁力線從轉(zhuǎn)子的N極經(jīng)過定子、轉(zhuǎn)子之間的空氣間隙以及定子鐵芯后回到S極。通過制造工藝，可使定子與轉(zhuǎn)子間空氣間隙中的磁場基本上按正弦規(guī)律分布。當(dāng)原動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n逆時(shí)針轉(zhuǎn)動時(shí)，定子繞組AX、BY、CZ依次切割磁力線，分別感應(yīng)出大小相等、時(shí)間上相差120°的三相交變電動勢，其相序?yàn)锳→B→C，方向根據(jù)右手定則判定，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：eA=Emsinωt

eB=Emsin(ωt-120°)eC=Emsin(ωt-240°)=Emsin(ωt+120°)此時(shí)將定子繞組的X、Y、Z連接起來，另一端A、B、C與負(fù)荷接通后，就將在定子繞組和負(fù)載中流過三相交流電流。在發(fā)電機(jī)相序一定的情況下，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能質(zhì)量是否合格，主要看發(fā)電機(jī)的端電壓和頻率。端電壓U可通過調(diào)整轉(zhuǎn)子電流來保證，而頻率f主要取決于電機(jī)的磁極對數(shù)p和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n。轉(zhuǎn)子為一對磁極時(shí)，它轉(zhuǎn)動一周，定子繞組中的感應(yīng)電動勢正好交變一次(即一個(gè)周期)，當(dāng)電機(jī)有p對磁極時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周，感應(yīng)電動勢就交變p個(gè)周期，當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為每分鐘n轉(zhuǎn)時(shí)，則感應(yīng)電動勢每分鐘變化pn個(gè)周期，所以定子繞組感應(yīng)電動勢的頻率為

(6-1)式中:n為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/min；p為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)。可見，當(dāng)發(fā)電機(jī)的磁極對數(shù)、轉(zhuǎn)速為一定時(shí)，則發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電動勢的頻率也是一定的。從上式得知，同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)p和交流電的頻率f有關(guān)，即

(6-2)由此可見，同步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率f之間具有固定不變的關(guān)系。若電網(wǎng)的頻率不變，則同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒為常值而與負(fù)載的大小無關(guān)。6.1.2同步發(fā)電機(jī)的類型和銘牌

1.同步發(fā)電機(jī)的類型同步發(fā)電機(jī)可以按運(yùn)行方式和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類。按運(yùn)行方式和功率轉(zhuǎn)換方式，同步電機(jī)可分為發(fā)電機(jī)、電動機(jī)和調(diào)相機(jī)三類。發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能；電動機(jī)把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；調(diào)相機(jī)則專門用來調(diào)節(jié)電網(wǎng)的無功功率，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，在調(diào)相機(jī)內(nèi)基本上不轉(zhuǎn)換有功功率。按結(jié)構(gòu)形式，同步發(fā)電機(jī)可分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式兩種，前者的電樞裝設(shè)在轉(zhuǎn)子上，主磁極裝設(shè)在定子上，這種結(jié)構(gòu)在小容量同步發(fā)電機(jī)中得到一定的應(yīng)用。對于高壓、大容量的同步發(fā)電機(jī)，通常采用旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)。由于勵(lì)磁部分的容量和電壓較電樞小得多，因此把主磁極裝設(shè)在轉(zhuǎn)子上，電刷和集電環(huán)的負(fù)載就大為減輕，工作條件就得以改善。對于旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)，按照磁極的形狀又可分為隱極式和凸極式兩種(如圖6-2所示)。隱極式的氣隙是均勻的，轉(zhuǎn)子做成圓柱形。凸極式的氣隙是不均勻的，極弧底下氣隙較小，極間部分氣隙較大。對于高速的同步發(fā)電機(jī)(3000r/min)，從轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度和妥善地固定勵(lì)磁繞組方面考慮，采用勵(lì)磁繞組分布于轉(zhuǎn)子表面槽內(nèi)的隱極式結(jié)構(gòu)較為可靠。對于低速發(fā)電機(jī),一般當(dāng)n1≤1500r/min(即2p≥4)時(shí)，轉(zhuǎn)子的離心力較小，故采用制造簡單、勵(lì)磁繞組集中安放的凸極式結(jié)構(gòu)較為合理。而轉(zhuǎn)速較高時(shí)，則采用隱極式結(jié)構(gòu)，如汽輪機(jī)是一種高轉(zhuǎn)速的原動機(jī)，故汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常采用隱極式，而水輪發(fā)電機(jī)通常都是凸極式。同步電動機(jī)及由內(nèi)燃機(jī)拖動的同步發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)，一般也做成凸極式。圖6-2旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機(jī)(a)凸極式；(b)隱極式

2.同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)同步電機(jī)的定子(電樞)繞組中通過對稱的三相電流時(shí)，定子將產(chǎn)生一個(gè)以同步轉(zhuǎn)速推移的旋轉(zhuǎn)磁場。穩(wěn)態(tài)情況下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速亦是同步轉(zhuǎn)速，于是定子旋轉(zhuǎn)磁場恒與直流勵(lì)磁的轉(zhuǎn)子主極磁場保持相對靜止，它們之間相互作用并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。同步電機(jī)有三種運(yùn)行狀態(tài)：發(fā)電機(jī)、電動機(jī)和補(bǔ)償機(jī)。發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，電動機(jī)把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，補(bǔ)償機(jī)中沒有有功功率的轉(zhuǎn)換，專門發(fā)出或吸收無功功率、調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)。分析表明，同步電機(jī)運(yùn)行于哪一種狀態(tài)，主要取決于定子合成磁場與轉(zhuǎn)子主磁場之間的夾角δ，δ稱為功率角。若轉(zhuǎn)子主磁場超前于定子合成磁場(δ＞0)，此時(shí)轉(zhuǎn)子上將受到一個(gè)與其旋轉(zhuǎn)方向相反的制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，如圖6-3(a)所示。圖6-3同步電機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài)(a)發(fā)電機(jī)；(b)補(bǔ)償機(jī)；(c)電動機(jī)為使轉(zhuǎn)子能以同步轉(zhuǎn)速持續(xù)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子必須從原動機(jī)輸入驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。此時(shí)轉(zhuǎn)子輸入機(jī)械功率，定子繞組向電網(wǎng)或負(fù)載輸出電功率，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。若轉(zhuǎn)子主磁場與定子合成磁場的軸線重合(δ＝0)，則電磁轉(zhuǎn)矩為0，如圖6-3(b)所示。此時(shí)電機(jī)內(nèi)沒有有功功率的轉(zhuǎn)換，電機(jī)處于補(bǔ)償機(jī)狀態(tài)或空載狀態(tài)。若轉(zhuǎn)子主磁場滯后于定子合成磁場(δ＜0)，則轉(zhuǎn)子上將受到一個(gè)與其轉(zhuǎn)向相同的驅(qū)動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，如圖6-3(c)所示。此時(shí)定子從電網(wǎng)吸收電功率，轉(zhuǎn)子可拖動負(fù)載而輸出機(jī)械功率，電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)行。

3.同步發(fā)電機(jī)的型號和額定值同步發(fā)電機(jī)在出廠時(shí)，其機(jī)座外殼醒目的位置上裝有一塊銘牌，標(biāo)明它的型號和主要參數(shù)。通常有型號、額定值、絕緣等級等內(nèi)容。額定值就是能保證電機(jī)正常運(yùn)行的最大限值，電機(jī)在額定數(shù)據(jù)規(guī)定的限值情況下運(yùn)行時(shí)，其壽命可以達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期年限，效率也較高。

(1)型號。水輪發(fā)電機(jī)型號（中小容量）：汽輪發(fā)電機(jī)的型號：

(2)額定容量SN(或額定功率PN)：對于同步發(fā)電機(jī)，其額定容量SN是指從電樞繞組出線端輸出的額定視在功率，其單位常用kV·A或MV·A表示；額定功率PN則是指發(fā)電機(jī)輸出的額定有功功率，其單位為kW或MW。

(3)額定電壓UN：同步發(fā)電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)，三相電樞繞組接線端的額定線電壓，其單位為V或kV。

(4)額定電流IN：同步發(fā)電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)，三相電樞繞組接線端輸出的額定線電流，其單位為A。

(5)額定功率因數(shù)cosφN：同步發(fā)電機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)。

(6)額定效率ηN：同步發(fā)電機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，其輸出的功率與輸入功率之比值。

(7)額定頻率fN：額定運(yùn)行時(shí)電樞的頻率。我國標(biāo)準(zhǔn)工頻規(guī)定為50Hz。

(8)額定轉(zhuǎn)速nN：額定運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，對同步發(fā)電機(jī)而言，即為同步轉(zhuǎn)速。除上述額定值以外，銘牌上還常常列出一些其他的運(yùn)行數(shù)據(jù)，例如額定負(fù)載時(shí)的溫升θN，額定勵(lì)磁電流IfN和電壓UfN，飛逸轉(zhuǎn)速等。上述各量之間存在有一定的關(guān)系，對于額定功率PN有(6-3)對于頻率與轉(zhuǎn)速則有

(6-4)6.2三相同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡介6.2.1汽輪發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)現(xiàn)代的汽輪發(fā)電機(jī)一般都是兩極的，同步轉(zhuǎn)速為3000r/min(對fN=50Hz)。由于轉(zhuǎn)速高，因此汽輪發(fā)電機(jī)的直徑較小，長度較長。汽輪發(fā)電機(jī)均為臥式結(jié)構(gòu)，圖6-4為一臺汽輪發(fā)電機(jī)的外形圖，主要有定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。圖6-4汽輪發(fā)電機(jī)的外形圖

1.定子汽輪發(fā)電機(jī)的定子由定子鐵芯、定子繞組、機(jī)座、端蓋、擋風(fēng)裝置等部件組成。定子鐵芯一般用厚0.5mm硅鋼片疊成，每疊厚度為3～6cm，疊與疊之間留有寬0.8～1cm的通風(fēng)槽。整個(gè)鐵芯用非磁性壓板壓緊，固定在機(jī)座上。

2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、勵(lì)磁(轉(zhuǎn)子)繞組、護(hù)環(huán)、中心環(huán)、滑環(huán)及風(fēng)扇等部件組成。轉(zhuǎn)子鐵芯既是電機(jī)磁路的主要組成部件，又由于高速旋轉(zhuǎn)時(shí)巨大的離心力而承受著很大的機(jī)械應(yīng)力，因而其材料既要求有良好的導(dǎo)磁性能，又需要有很高的機(jī)械強(qiáng)度，所以一般都采用整塊的高機(jī)械強(qiáng)度和良好導(dǎo)磁性能的合金鋼鍛成，與轉(zhuǎn)軸鍛成一個(gè)整體。沿轉(zhuǎn)子鐵芯表面銑有槽以安放勵(lì)磁繞組，如圖6-5所示。由圖可見，在一個(gè)極距內(nèi)約有1／3部分沒有開槽，叫大齒。大齒的中心實(shí)際上就是磁極的中心。勵(lì)磁繞組是由扁銅線繞成的同心式線圈。由于隱極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速很高，因此勵(lì)磁繞組在槽內(nèi)需用不導(dǎo)磁高強(qiáng)度的硬鋁槽楔壓緊。端部套上用高強(qiáng)度非磁性鋼鍛成的護(hù)環(huán)。圖6-6所示為一臺汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子。由于汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)子和電機(jī)中部的通風(fēng)比較困難，所以良好的通風(fēng)、冷卻系統(tǒng)對汽輪發(fā)電機(jī)非常重要。圖6-6汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子6.2.2水輪發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)凸極式同步發(fā)電機(jī)分為臥式(橫式)和立式結(jié)構(gòu)兩大類。除了低速、大容量的水輪發(fā)電機(jī)和大型水泵用的同步電動機(jī)采用立式結(jié)構(gòu)外，絕大多數(shù)的凸極同步電機(jī)都采用臥式結(jié)構(gòu)。臥式同步發(fā)電機(jī)的定子由機(jī)座、定子鐵芯和定子繞組等部件組成，轉(zhuǎn)子則由主磁極、磁軛、勵(lì)磁繞組、集電環(huán)和轉(zhuǎn)軸等部件組成。大型水輪發(fā)電機(jī)通常都是立式結(jié)構(gòu)，如圖6-7所示。由于它的轉(zhuǎn)速低、極數(shù)多，要求轉(zhuǎn)動慣量大，故其特點(diǎn)是直徑大、長度短。在立式水輪發(fā)電機(jī)中，整個(gè)機(jī)組轉(zhuǎn)動部分的重量以及作用在水輪機(jī)轉(zhuǎn)軸上的水推力均由推力軸承支撐，并通過機(jī)架傳遞到地基上，如圖6-8(a)所示。圖6-7水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子立式水輪發(fā)電機(jī)可分為懸式和傘式兩種。懸式是把推力軸承裝在轉(zhuǎn)子上邊的上機(jī)架上，整個(gè)轉(zhuǎn)子是以一種懸吊狀態(tài)轉(zhuǎn)動；傘式則是把推力軸承裝在轉(zhuǎn)子下邊的機(jī)架上，整個(gè)轉(zhuǎn)子是以一種被托架著的狀態(tài)轉(zhuǎn)動，見圖6-8(b)。懸式水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)械穩(wěn)定性好，但機(jī)組的軸向高度大；傘式水輪發(fā)電機(jī)機(jī)械穩(wěn)定性差，但軸向高度小，這可以使廠房的高度和造價(jià)降低。通常轉(zhuǎn)速較高的電機(jī)(150r／min以上)采用懸式，轉(zhuǎn)速較低的電機(jī)(125r／min以下)采用傘式。圖6-8懸式和傘式水輪發(fā)電機(jī)的示意圖(a)懸式；(b)傘式

1.定子凸極同步發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)一般和隱極同步電機(jī)相同，但對于大容量的水輪發(fā)電機(jī)，由于定子直徑太大，故通常把它分成幾瓣，分別制造后，再運(yùn)到電站拼裝成一個(gè)整體。圖6-9所示是一臺大型水輪發(fā)電機(jī)的分瓣定子。圖6-9大型水輪發(fā)電機(jī)的分瓣定子

2.轉(zhuǎn)子凸極同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子主要由磁極、勵(lì)磁繞組和轉(zhuǎn)軸組成。磁極是由厚1～1.5mm的鋼板沖成磁極沖片，用鉚釘裝成一體。磁極上套裝有勵(lì)磁繞組。勵(lì)磁繞組由扁銅線繞成，各勵(lì)磁繞組串聯(lián)后接到集電環(huán)上。磁極的極靴上一般還裝有阻尼繞組。阻尼繞組是由插入極靴阻尼槽內(nèi)的裸銅條和端部銅環(huán)焊接而成，如圖6-10所示。在同步發(fā)電機(jī)中，阻尼繞組起抑制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速振蕩的作用。磁極固定在磁軛上，磁軛常用整塊鋼板或鑄鋼做成。圖6-10磁極鐵芯習(xí)題

6-1什么叫同步電機(jī)?其感應(yīng)電動勢頻率和轉(zhuǎn)速有何關(guān)系？怎樣由其極數(shù)決定它的轉(zhuǎn)速，試問75r／min、50Hz的同步發(fā)電機(jī)是幾極的?

6-2為什么大容量同步電機(jī)多采用旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)?

6-3說明汽輪發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，為什么汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用隱極式，而水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用凸極式？

6-4觀察同步發(fā)電機(jī)的外形，能否區(qū)分它是汽輪發(fā)電機(jī)還是水輪發(fā)電機(jī)？試列舉汽輪發(fā)電機(jī)與水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)上的不同之點(diǎn)并說明其理由。

6-5隱極式同步發(fā)電機(jī)與凸極式同步發(fā)電機(jī)在磁極鐵芯、勵(lì)磁繞組、勵(lì)磁磁勢等方面有什么不同之處?

6-6如何理解同步發(fā)電機(jī)的額定容量、額定功率、額定功率因數(shù)、額定效率、額定輸入功率和額定輸出功率等之間的關(guān)系?