同步發(fā)電機教案

2023/9/271昆明石林同步電機篇2023/9/272同步發(fā)電機的基本電磁關系同步發(fā)電機對稱運行時的特性同步發(fā)電機并網(wǎng)運行第九單元三相同步電機2023/9/273第九單元三相同步電機同步電機：交流旋轉電機。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)及調整電網(wǎng)電壓。現(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。2023/9/274

同步電機指電機轉子的轉速n與旋轉磁場轉速n1相同的交流電機。同步電機的轉速：n=60f1/p

f1--電網(wǎng)頻率。2023/9/275本章主要內容課題一三相同步發(fā)電機的基本工作原理及分類課題二同步發(fā)電機的基本結構及應用課題三同步發(fā)電機的勵磁方式和并聯(lián)運行課題四同步電動機的工作原理和啟動方法課題五同步電動機功率因素的調整和同步補償機2023/9/276三相同步發(fā)電機的基本工作原理

同步發(fā)電機(synchronousgenerator)是將機械能轉變?yōu)榻涣麟娔艿脑O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。2023/9/277SNnIf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：導體切割磁力線感應電動勢。轉子：轉動的部分，轉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，槽內設置有繞組，是切割磁場的導體。氣隙：定轉子之間有氣隙。動畫2023/9/278三相同步發(fā)電機的基本工作原理

定子：有三相定子繞組，每相結構完全相同，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。轉子：有p對磁極，磁極上有直流勵磁繞組，當直流電流通過電刷和滑環(huán)流入轉子繞組后，產(chǎn)生主磁通，主磁通由N極經(jīng)氣隙，定子鐵心，再經(jīng)氣隙進入S極，構成主磁路。2023/9/279同步電機與異步電機的根本區(qū)別是旋轉的轉子通入直流電流勵磁轉子通直流電流If勵磁磁場Bf電樞感應電勢隨轉子旋轉角速度ωSNnea三相對稱負載運行時旋轉基波磁勢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

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定子外接負載，形成回路，有三相電流。機械能轉化為電能

定子繞組三相感應電勢三相同步發(fā)電機的基本工作原理

2023/9/2711交流電勢頻率f的確定當轉子為1對磁極時，轉子旋轉一周，定子繞組中感應電勢變化一個周期；當同步發(fā)電機有p對極時，轉子旋轉一周，感應電勢交變p個周期。當轉子轉速為每分n轉時，交變電勢頻率為：三相同步發(fā)電機的基本工作原理

2023/9/2712交流電勢頻率f的確定結論：同步發(fā)電機定子繞組感應電勢的頻率取決于它的極對數(shù)p和轉子的轉速n。同步發(fā)電機極對數(shù)一定時，轉速與電樞電勢的頻率有嚴格對應關系。當電力系統(tǒng)頻率f一定，發(fā)電機轉速為恒定值，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

2023/9/2713結論：我國標準工頻為50Hz，所以同步發(fā)電機的極對數(shù)和轉速成反比。

汽輪發(fā)電機轉速較高，極對數(shù)較少，如轉速n=3000r/min，則極對數(shù)p=1。水輪發(fā)電機轉速較低，極對數(shù)較多，如轉速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

2023/9/2714按運行方式不同分為：發(fā)電機、電動機和調相機。按結構形式不同分為：電樞旋轉式（簡稱轉樞式）和磁極旋轉式（簡稱轉場式）。磁極旋轉式按轉子結構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、燃氣輪發(fā)電機、柴油發(fā)電機、風力發(fā)電機、太陽能發(fā)電機等等。按冷卻介質不同分為：空氣冷卻、氫氣冷卻、水冷卻等。2023/9/2715課題二同步發(fā)電機的基本構造及應用

同步電機一般采用旋轉磁極式結構，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場合。隱極同步電機在不考慮齒槽效應時，氣隙均勻，適合于高速旋轉。2023/9/27161—定子2—凸極式轉子

氣隙不均勻，極弧底下氣隙較小，極間部分較大。凸極式電機結構特點2023/9/2717

轉子上沒有凸出的磁極，氣隙均勻，轉子呈圓柱形。1—定子3—隱極式轉子隱極式電機結構特點2023/9/2718電源頻率固定，采用轉子結構與轉速有關。

火電廠和核電站的汽輪機拖動的發(fā)電機，轉速高，轉子宜作成細而長的隱極式，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，轉速低，因而要求有較多的磁極，轉子宜作成短而胖的凸極式。凸極式和隱極式電機應用場合2023/9/2719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2023/9/2720汽輪機同步發(fā)電機勵磁機火電廠(heat-engineplant)的生產(chǎn)現(xiàn)場汽輪發(fā)電機結構2023/9/2721大亞灣核電站發(fā)電機組2023/9/2722嶺澳一期核電站發(fā)電機組2023/9/2723國產(chǎn)300MW汽輪發(fā)電機外(turbonator)形結構圖2023/9/27242023/9/2725

用途：多用于汽輪發(fā)電機，一般為兩極，轉速為3000r/min。

一般汽輪發(fā)電機轉子長度L和定子內徑D之比為2-6.5。隱極式同步發(fā)電機2023/9/27261.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)電機結構2023/9/2727發(fā)電機定子2023/9/2728（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、固定在基礎上。機座內部有冷卻風道。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)生的最大應力，保證不產(chǎn)生不允許的變形。汽輪發(fā)電機結構2023/9/2729端蓋的作用:保護定子和轉子的端部，使電機內形成一個與外界隔絕的風路系統(tǒng)。一般用鋼板焊接結構，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)電機結構2023/9/2730汽輪發(fā)電機結構

定子鐵心由0.35mm、0.5mm或其它厚度的硅鋼片疊成。各段疊片間有寬約10mm的通風槽，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。沿定子鐵心內圓表面的槽內放置三相定子繞組。（2）定子鐵心2023/9/2731

（2）定子鐵心2023/9/2732（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)電機結構2023/9/2733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，繞組導線截面大。為減小導體集膚效應帶來的附加損耗，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，且沿槽長進行適當?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)電機結構2023/9/2734定子繞組下線定子繞組端部

2023/9/2735定子繞組端部接頭2023/9/2736定子端部

2023/9/27372．轉子汽輪發(fā)電機結構轉子組成轉子鐵芯勵磁繞組阻尼繞組緊固件風扇功能：傳遞原動機供給的機械能、支撐旋轉的勵磁線圈、形成良好的磁通路徑和轉子散熱通道，因此對轉子結構、材料和加工工藝要求較高。2023/9/2738轉子繞組的通風口護環(huán)中心環(huán)風扇汽輪發(fā)電機轉子外形轉子外形常做成細長的圓柱體，勵磁繞組嵌放在其表面圓周上銑出的槽內。轉子外形圖2023/9/2739發(fā)

電

機

轉

子2023/9/2740（1）轉子鐵心既有良好導磁性能，又有足夠機械強度和剛度，最關鍵部件之一。一般采用優(yōu)質合金鋼鍛制，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，只作通風用，這種槽稱為通風槽。汽輪發(fā)電機結構2023/9/2741轉子鐵心

2023/9/2742大型兩極汽輪發(fā)電機轉子，當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，內裝阻尼繞組(dampingwindings)，阻尼繞組構成自行短接的半鼠籠結構，用來改善發(fā)電機的穩(wěn)定運行。（1）轉子鐵心汽輪發(fā)電機結構2023/9/2743轉子鐵心結構2023/9/2744（2）勵磁繞組汽輪發(fā)電機結構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所開的槽內，所有線圈串聯(lián)。勵磁繞組構成電機直流回路，通過電刷與外電路連接。各線圈匝間有絕緣，對地也有絕緣。2023/9/27452023/9/2746（3）護環(huán)和中心環(huán)汽輪發(fā)電機轉子繞組的端部在高速旋轉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．護環(huán)用來套在轉子繞組瑞部外面，防止徑向位移，而中心環(huán)則用來阻止軸向位移。為了避免因護環(huán)偏心引起的振動以及不對稱運行或異步運行時因轉子表面感應電流引起配合面上的電灼傷，要求護環(huán)與轉子本體、護環(huán)與中心環(huán)之間有較緊密的配合。汽輪發(fā)電機結構2023/9/2747轉子繞組的通風口護環(huán)中心環(huán)風扇汽輪發(fā)電機轉子外形2023/9/2748轉子線圈裝配2023/9/2749發(fā)電機轉子裝配2023/9/2750汽輪發(fā)電機結構一種短路繞組，大型電機有。由放在槽楔下的銅條和轉子兩端銅環(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，利用其感應電流來削弱負序旋轉磁場作用；發(fā)電機振蕩時起阻尼作用，使振蕩衰減。阻尼繞組2023/9/2751冷卻系統(tǒng)封閉，冷卻介質循環(huán)使用。常用的冷卻介質有空氣、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，轉子繞組采用氫內冷，定子鐵心為氫冷；水-水-氫，即定子繞組和轉子繞組用水冷卻，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2023/9/27525.其他部件滑環(huán)與電刷：將直流電引入到轉動的勵磁繞組?；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)電機結構2023/9/27535.其他部件電刷放在刷盒內，刷盒內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。風扇：電機內部通風冷卻．一般裝在轉子兩瑞，當發(fā)電機運行時，風扇隨轉子而轉動，使冷卻氣體流過線圈和鐵心，帶走熱量。汽輪發(fā)電機結構2023/9/2754發(fā)電機總裝汽輪發(fā)電機性能能特點高轉速汽輪發(fā)電機轉子圓周線速度高，為了減少高速旋轉引起的離心力，轉子做成細長的隱極式圓柱體。隱極式結構和加工工藝較為復雜。2023/9/27552023/9/2756凸極式同步發(fā)電機

用途：多用于水輪發(fā)電機。

一般水輪發(fā)電機轉子長度L和定子內徑D之比為0.125-0.07。2023/9/2757水輪發(fā)電機(hydro-generator)的主要結構型式有臥式、立式和燈泡貫流式。通常小容量水輪發(fā)電機多采用臥式結構，中等容量水輪發(fā)電機采用立式或臥式結構，而大容量水輪發(fā)電機則廣泛采用立式結構。水輪發(fā)電機結構2023/9/2758

（a）立式水輪發(fā)電機(b)臥式水輪發(fā)電機(c)燈泡貫流式水輪發(fā)電機水輪發(fā)電機的三種結構形式2023/9/2759立式水輪發(fā)電機分為：懸吊式和傘式。發(fā)電機推力軸承位