《電機原理與維修》課件第6章

第6章同步發(fā)電機的基本工作原理和結構

6.1同步發(fā)電機的基本工作原理和類型6.2三相同步發(fā)電機的結構簡介習題6.1同步發(fā)電機的基本工作原理和類型6.1.1三相同步發(fā)電機的基本工作原理同步發(fā)電機是根據(jù)導體切割磁力線而感應電動勢這一基本原理工作的。圖6-1所示是三相同步發(fā)電機原理示意圖。圖6-1同步發(fā)電機原理示意圖轉子鐵芯固定在同步發(fā)電機的轉軸上，轉子繞組(也稱勵磁繞組)繞在轉子鐵芯上，兩者共同構成同步發(fā)電機的轉子。定子鐵芯與定子繞組共同構成同步發(fā)電機的定子(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)。當轉子繞組通入直流電后，在磁極間產生磁力線，磁力線從轉子的N極經過定子、轉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，可使定子與轉子間空氣間隙中的磁場基本上按正弦規(guī)律分布。當原動機帶動發(fā)電機轉子以轉速n逆時針轉動時，定子繞組AX、BY、CZ依次切割磁力線，分別感應出大小相等、時間上相差120°的三相交變電動勢，其相序為A→B→C，方向根據(jù)右手定則判定，其數(shù)學表達式為：eA=Emsinωt

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

(6-1)式中:n為發(fā)電機轉速，單位為r/min；p為發(fā)電機轉子磁極對數(shù)?？梢?，當發(fā)電機的磁極對數(shù)、轉速為一定時，則發(fā)電機發(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)電機的轉速n與轉子磁極對數(shù)p和交流電的頻率f有關，即

(6-2)由此可見，同步發(fā)電機的特點是轉子的轉速與電網頻率f之間具有固定不變的關系。若電網的頻率不變，則同步發(fā)電機的轉速恒為常值而與負載的大小無關。6.1.2同步發(fā)電機的類型和銘牌

1.同步發(fā)電機的類型同步發(fā)電機可以按運行方式和結構形式進行分類。按運行方式和功率轉換方式，同步電機可分為發(fā)電機、電動機和調相機三類。發(fā)電機把機械能轉換成電能；電動機把電能轉換為機械能；調相機則專門用來調節(jié)電網的無功功率，改善電網的功率因數(shù)，在調相機內基本上不轉換有功功率。按結構形式，同步發(fā)電機可分為旋轉電樞式和旋轉磁極式兩種，前者的電樞裝設在轉子上，主磁極裝設在定子上，這種結構在小容量同步發(fā)電機中得到一定的應用。對于高壓、大容量的同步發(fā)電機，通常采用旋轉磁極式結構。由于勵磁部分的容量和電壓較電樞小得多，因此把主磁極裝設在轉子上，電刷和集電環(huán)的負載就大為減輕，工作條件就得以改善。對于旋轉磁極式結構，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(3000r/min)，從轉子機械強度和妥善地固定勵磁繞組方面考慮，采用勵磁繞組分布于轉子表面槽內的隱極式結構較為可靠。對于低速發(fā)電機,一般當n1≤1500r/min(即2p≥4)時，轉子的離心力較小，故采用制造簡單、勵磁繞組集中安放的凸極式結構較為合理。而轉速較高時，則采用隱極式結構，如汽輪機是一種高轉速的原動機，故汽輪發(fā)電機的轉子通常采用隱極式，而水輪發(fā)電機通常都是凸極式。同步電動機及由內燃機拖動的同步發(fā)電機和調相機，一般也做成凸極式。圖6-2旋轉磁極式同步發(fā)電機(a)凸極式；(b)隱極式

2.同步電機的運行狀態(tài)當同步電機的定子(電樞)繞組中通過對稱的三相電流時，定子將產生一個以同步轉速推移的旋轉磁場。穩(wěn)態(tài)情況下，轉子轉速亦是同步轉速，于是定子旋轉磁場恒與直流勵磁的轉子主極磁場保持相對靜止，它們之間相互作用并產生電磁轉矩，進行能量轉換。同步電機有三種運行狀態(tài)：發(fā)電機、電動機和補償機。發(fā)電機把機械能轉換為電能，電動機把電能轉換為機械能，補償機中沒有有功功率的轉換，專門發(fā)出或吸收無功功率、調節(jié)電網的功率因數(shù)。分析表明，同步電機運行于哪一種狀態(tài)，主要取決于定子合成磁場與轉子主磁場之間的夾角δ，δ稱為功率角。若轉子主磁場超前于定子合成磁場(δ＞0)，此時轉子上將受到一個與其旋轉方向相反的制動性質的電磁轉矩，如圖6-3(a)所示。圖6-3同步電機的三種運行狀態(tài)(a)發(fā)電機；(b)補償機；(c)電動機為使轉子能以同步轉速持續(xù)旋轉，轉子必須從原動機輸入驅動轉矩。此時轉子輸入機械功率，定子繞組向電網或負載輸出電功率，電機作為發(fā)電機運行。若轉子主磁場與定子合成磁場的軸線重合(δ＝0)，則電磁轉矩為0，如圖6-3(b)所示。此時電機內沒有有功功率的轉換，電機處于補償機狀態(tài)或空載狀態(tài)。若轉子主磁場滯后于定子合成磁場(δ＜0)，則轉子上將受到一個與其轉向相同的驅動性質的電磁轉矩，如圖6-3(c)所示。此時定子從電網吸收電功率，轉子可拖動負載而輸出機械功率，電機作為電動機運行。

3.同步發(fā)電機的型號和額定值同步發(fā)電機在出廠時，其機座外殼醒目的位置上裝有一塊銘牌，標明它的型號和主要參數(shù)。通常有型號、額定值、絕緣等級等內容。額定值就是能保證電機正常運行的最大限值，電機在額定數(shù)據(jù)規(guī)定的限值情況下運行時，其壽命可以達到設計預期年限，效率也較高。

(1)型號。水輪發(fā)電機型號（中小容量）：汽輪發(fā)電機的型號：

(2)額定容量SN(或額定功率PN)：對于同步發(fā)電機，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)電機在額定運行時，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)電機在額定運行時，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)電機在額定狀態(tài)下運行時的功率因數(shù)。

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

(7)額定頻率fN：額定運行時電樞的頻率。我國標準工頻規(guī)定為50Hz。

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

(6-4)6.2三相同步發(fā)電機的結構簡介6.2.1汽輪發(fā)電機的基本結構現(xiàn)代的汽輪發(fā)電機一般都是兩極的，同步轉速為3000r/min(對fN=50Hz)。由于轉速高，因此汽輪發(fā)電機的直徑較小，長度較長。汽輪發(fā)電機均為臥式結構，圖6-4為一臺汽輪發(fā)電機的外形圖，主要有定子和轉子兩大部分。圖6-4汽輪發(fā)電機的外形圖

1.定子汽輪發(fā)電機的定子由定子鐵芯、定子繞組、機座、端蓋、擋風裝置等部件組成。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的通風槽。整個鐵芯用非磁性壓板壓緊，固定在機座上。

2.轉子轉子由轉子鐵芯、勵磁(轉子)繞組、護環(huán)、中心環(huán)、滑環(huán)及風扇等部件組成。轉子鐵芯既是電機磁路的主要組成部件，又由于高速旋轉時巨大的離心力而承受著很大的機械應力，因而其材料既要求有良好的導磁性能，又需要有很高的機械強度，所以一般都采用整塊的高機械強度和良好導磁性能的合金鋼鍛成，與轉軸鍛成一個整體。沿轉子鐵芯表面銑有槽以安放勵磁繞組，如圖6-5所示。由圖可見，在一個極距內約有1／3部分沒有開槽，叫大齒。大齒的中心實際上就是磁極的中心。勵磁繞組是由扁銅線繞成的同心式線圈。由于隱極發(fā)電機轉速很高，因此勵磁繞組在槽內需用不導磁高強度的硬鋁槽楔壓緊。端部套上用高強度非磁性鋼鍛成的護環(huán)。圖6-6所示為一臺汽輪發(fā)電機的轉子。由于汽輪發(fā)電機的轉速較高，轉子和電機中部的通風比較困難，所以良好的通風、冷卻系統(tǒng)對汽輪發(fā)電機非常重要。圖6-6汽輪發(fā)電機的轉子6.2.2水輪發(fā)電機的基本結構凸極式同步發(fā)電機分為臥式(橫式)和立式結構兩大類。除了低速、大容量的水輪發(fā)電機和大型水泵用的同步電動機采用立式結構外，絕大多數(shù)的凸極同步電機都采用臥式結構。臥式同步發(fā)電機的定子由機座、定子鐵芯和定子繞組等部件組成，轉子則由主磁極、磁軛、勵磁繞組、集電環(huán)和轉軸等部件組成。大型水輪發(fā)電機通常都是立式結構，如圖6-7所示。由于它的轉速低、極數(shù)多，要求轉動慣量大，故其特點是直徑大、長度短。在立式水輪發(fā)電機中，整個機組轉動部分的重量以及作用在水輪機轉軸上的水推力均由推力軸承支撐，并通過機架傳遞到地基上，如圖6-8(a)所示。圖6-7水輪發(fā)電機的轉子立式水輪發(fā)電機可分為懸式和傘式兩種。懸式是把推力軸承裝在轉子上邊的上機架上，整個轉子是以一種懸吊狀態(tài)轉動；傘式則是把推力軸承裝在轉子下邊的機架上，整個轉子是以一種被托架著的狀態(tài)轉動，見圖6-8(b)。懸式水輪發(fā)電機運轉時機械穩(wěn)定性好，但機組的軸向高度大；傘式水輪發(fā)電機機械穩(wěn)定性差，但軸向高度小，這可以使廠房的高度和造價降低。通常轉速較高的電機(150r／min以上)采用懸式，轉速較低的電機(125r／min以下)采用傘式。圖6-8懸式和傘式水輪發(fā)電機的示意圖(a)懸式；(b)傘式

1.定子凸極同步發(fā)電機的定子結構一般和隱極同步電機相同，但對于大容量的水輪發(fā)電機，由于定子直徑太大，故通常把它分成幾瓣，分別制造后，再運到電站拼裝成一個整體。圖6-9所示是一臺大型水輪發(fā)電機的分瓣定子。圖6-9大型水輪發(fā)電機的分瓣定子

2.轉子凸極同步發(fā)電機的轉子主要由磁極、勵磁繞組和轉軸組成。磁極是由厚1～1.5mm的鋼板沖成磁極沖片，用鉚釘裝成一體。磁極上套裝有勵磁繞組。勵磁繞組由扁銅線繞成，各勵磁繞組串聯(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)電機中，阻尼繞組起抑制轉子轉速振蕩的作用。磁極固定在磁軛上，磁軛常用整塊鋼板或鑄鋼做成。圖6-10磁極鐵芯習題

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

6-2為什么大容量同步電機多采用旋轉磁極式結構?

6-3說明汽輪發(fā)電機的基本結構，為什么汽輪發(fā)電機的轉子采用隱極式，而水輪發(fā)電機的轉子采用凸極式？

6-4觀察同步發(fā)電機的外形，能否區(qū)分它是汽輪發(fā)電機還是水輪發(fā)電機？試列舉汽輪發(fā)電機與水輪發(fā)電機結構上的不同之點并說明其理由。

6-5隱極式同步發(fā)電機與凸極式同步發(fā)電機在磁極鐵芯、勵磁繞組、勵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系?