11同步發(fā)電機的基本工作原理和結構

11113現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的溝通電能幾乎都是發(fā)電廠中的同步發(fā)電機發(fā)出的。但從運行原理上講，同步電機不僅可以用作發(fā)電機運行、也可作為電動機或調相機運行。本篇主要介紹同步發(fā)電機的工作原理、性能、參數及運行方式，對同步電動機和調相機作簡要介紹。大型同步發(fā)電機與異步電動機比較，二者的定子一樣，其三相繞組流過三相對稱電流都將產生一個旋轉磁場；但二者的轉子卻差異很大。同步發(fā)電機轉子的主要特點是：①轉子繞組外加直流勵磁電流而產生一個恒定磁場；②轉子轉速與定子旋轉磁場轉速一樣，即轉子與定子磁場嚴格保持同步旋轉。因此稱為同步電機。第11章同步發(fā)電機的根本工作原理和構造[內容]本章論述同步發(fā)電機的根本工作原理、分類與額定值，簡述其根本構造與勵磁方式。[要求]●把握同步發(fā)電機的根本工作原理、類型和額定值。●了解同步發(fā)電機的根本構造及各主要部件的作用?！窳私馔桨l(fā)電機的勵磁系統(tǒng)。同步發(fā)電機的工作原理、分類與額定值一、同步發(fā)電機的根本工作原理同步發(fā)電機是將機械能轉換為電能的電磁裝置。三一樣步發(fā)電機的根本工作原理可用圖11.1.1說明。同步電機的定子鐵心槽內安放著空間相隔o120電角度的三相對稱繞組U1U2、V1V2、W1W2。轉子主要由磁極鐵心和勵磁繞組組成。當勵磁繞組通入直流電流后，建立恒定的轉子磁場。轉子由原動機拖動以轉速n勻速旋轉時，轉子磁場不斷切割定子三相對稱繞組，在三相繞組中感應出三相交變電動勢,其方向可用右手定則確定。由于定子三相繞組在空間位置上互差o120電角度，所以三相電動勢在時間上互差o120相位。感應電動勢的波形Blve=可知,當導體有效長度l和導體切割磁場線速度v為常數時，Be∝，即導體感應電動勢的波形取決于轉子磁場沿氣隙空間分布的波形。假設把轉子磁極的極弧設計制造成適當的形狀，使它產生的磁場沿氣隙空間按正弦規(guī)律分布，則定子繞組就能得到正弦波形的感應電動勢。感應電動勢的頻率由圖11.1.1可知，轉子轉過一對磁極，電動勢就經受了一個周期的變化；假設轉子有p對磁極，轉子以每分鐘n轉的轉速旋轉，則每分鐘內感應電動勢變化pn個周期；電動勢在1秒鐘內所變化的周期數稱ZH60pnf=〔11.1.1〕已經制造好的同步發(fā)電機，磁極對數p肯定，nf∝，即定子繞組感應電動勢的頻率和轉子轉速之間保持嚴格的比例關系，這是同步發(fā)電機的主要特征。三相電動勢的大小和相序由于三相繞組對稱，所以三相繞組中的感應電動勢也對稱。與異步電動機定子繞組感應電動勢公式一樣，同步電機每相繞組感應電動勢大小為011Φ44.4wkfNE=〔11.1.2〕式中，1N為定子每相繞組匝數；1wk為定子繞組系數；0Φ轉子由原動機拖動旋轉，轉子磁場切割定子繞組在時間上有先后。如圖11.1.1中，當轉子逆時針方向旋轉時，轉子磁場切割定子繞組的先后挨次依次為U相、V相、W相，因此U相超前V相o120電角度，V相超前W相o120電角度。即三相電動勢的相序與轉子的轉向全都，因此相序由轉子的轉向打算。二、同步發(fā)電機的分類同步發(fā)電機可以按構造型式、原動機的類別和冷卻方式進展分類。1．按構造型式分類按構造型式分，同步電機可分為：旋轉磁極式：如圖11.1.2所示，高壓大中容量的同步發(fā)電機均承受這種構造型式；旋轉電樞式：如圖11.1.3所示，這種構造型式只適用于小容量同步電機。在旋轉磁極式的電機中，按磁極外形又可分為隱極式和凸極式兩11.1.2(a)和圖11.1.2(b)所示。前者轉子呈圓柱形，氣隙是均勻的，勵磁繞組嵌放于轉子外表的槽內，轉子的大齒局部就是磁極；后者氣隙是不均勻的，極弧下氣隙小，極間氣隙大，勵磁繞組套在極弧下面。這兩種轉子構造不同的電機在原理上無差異，只是由于氣隙均勻性的不同而在分析方法上有所差異。按原動機類型分類按原動機類型的不同，同步電機可分為： 〔1〕汽輪發(fā)電機：原動機為汽輪機。由于汽輪機在高轉速運行時較為經濟，故汽輪發(fā)電機應當有盡可能高的轉速或盡可能少的極數。為了發(fā)出 50Hz的溝通電，因此汽輪發(fā)電機都是兩極的，轉速為3000r/min。汽輪發(fā)電機的構造特點是細而長，轉子為隱極式，一般是臥式安裝。汽輪發(fā)電機應用在火力發(fā)電廠中。水輪發(fā)電機：原動機為水輪機。水輪機的轉速由水頭和流量打算，通常很低，為幾十轉/分到數百轉/分。為了獲得50Hz的溝通電，電機應設計成低轉速、多極數。水輪發(fā)電機的構造特點是短而粗，轉子為凸極式，一般是立式安裝。水輪發(fā)電機應用在水力發(fā)電廠中?！巢裼桶l(fā)電機：原動機為柴油機。柴油機的轉速通常在500~1500r/min之間，由此打算了柴油發(fā)電機的轉速。柴油發(fā)電機容量較小，主要作為自備電源、移動電源，或某些重要用電設備的保安電源。按冷卻介質和冷卻方式分類按冷卻介質和冷卻方式，同步電機可分為：空氣冷卻(空冷)：主要承受內扇式軸向和徑向混合通風系統(tǒng)，為確保運行安全，整個空氣系統(tǒng)應當是封閉的。(a)隱極式(b)凸極式圖11.1.2旋轉磁極式11.1.3氫氣冷卻(氫冷)：氫氣冷卻的效果明顯優(yōu)于空氣冷卻，在汽輪發(fā)電機中被廣泛應用，并從外冷式進展為內冷式，定、轉子繞組均承受空心導線，直接將氫氣壓縮進導體帶走熱量。為了運行安全，應用中要留意解決防漏和防爆問題。水冷卻(水冷)：水的冷卻效果優(yōu)于氫氣。主要方式為水內冷，以定子繞組內冷的應用為多，面臨泄露和積垢堵塞問題。目前，除小容量的汽輪發(fā)電機仍承受空氣冷卻外，功率超過50兆瓦的汽輪發(fā)電機，廣泛承受氫、水或幾種不同冷卻介質分別冷卻不同部件的冷卻方式。冷卻組合方式有如下幾種：①定、轉子繞組和定子鐵心均氫外冷；②定子繞組水內冷、轉子繞組氫內冷、定轉子鐵心氫外冷(水一氫一氫)；③定、轉子繞組水內冷，定子鐵心氫冷(水一水一氫)；④定、轉子繞組水內冷、定子鐵心空冷(水一水一空)等。三、同步發(fā)電機的額定值額定值是制造廠對電機的正常合理安全使用所作的參數規(guī)定，同時也是電機設計和試驗的依據。同步發(fā)電機的額定值有：1．額定功率NP(kW或MW)：指在額定狀態(tài)下運行時，發(fā)電機的輸出功率〔電功率〕。2NU〔VkV〕：指在額定狀態(tài)下運行時，依據制造廠的規(guī)定，定子三相繞組上的線電壓。額定電流NI〔A或kA〕：指在額定狀態(tài)下運行時，依據制造廠的規(guī)定，流過定子繞組的線電流。額定頻率Nf〔HZ〕：我國額定工業(yè)頻率規(guī)定為Nf=50Hz。額定功率因數N?cos：指在額定運行時，發(fā)電機輸出的有功功率和視在功率的比值。額定轉速Nn(r/min):指在額定運行時，發(fā)電機的轉速，即為同步轉速。發(fā)電機的額定功率NP、額定電壓NU和額定電流NI之間的關系為NNNNIUP?cos3〔11.4.1〕除此之外，同步發(fā)電機的額定值還有額定效率Nη、額定勵磁電fNUfNI、絕緣等級和額定溫升等。同步發(fā)電機的根本構造圖11.2.1為火力發(fā)電廠中臥式安裝的汽輪發(fā)電機組。汽輪機作為原動機帶動同步發(fā)電機旋轉，與發(fā)電機同軸的勵磁機給發(fā)電機轉子提供直流勵磁電流。汽輪發(fā)電機的主要構造如圖11.2.2~圖11.2.4所示。圖11.2.5和圖11.2.6為水輪發(fā)電機的定、轉子構造。同步發(fā)電機的基本構造由定子和轉子兩局部組成,下面進展簡要介紹。一、定子同步發(fā)電機的定子又稱為電樞，其構造與異步電機一樣，由定子鐵心、電樞繞組、機座和端蓋等部件組成。1．定子鐵心定子鐵心是磁路的一局部，又起固定電樞繞組的作用。它由0.35或0.5毫米厚的兩面涂有絕緣漆的硅鋼片疊裝而成。由于同步發(fā)電機的尺寸較大，通常先將定子鐵心沖成帶有開口槽的扇形片，如圖11.2.7所示，然后再把它們按圓周拼合疊裝成定子鐵心。定子鐵心沿軸向長度每隔30～60mm，留有6～10mm的徑向通風溝，以增加定子鐵心的散熱面積。整個鐵心通過端部壓板及定位筋結實地連成一體。2．電樞繞組汽輪發(fā)電機的電樞繞組一般為雙層疊繞組，它由扁銅線繞制成型后，包以絕緣而成。為了冷卻需要，線棒除了承受實心導線外，大型同步發(fā)電機還通常承受空心與實心導線組合的型式，空心導線可實現(xiàn)定子繞組水內冷。繞組的直線局部嵌于定子鐵心槽內，是產生感應電動勢的有效局部，端接局部只起連接作用。嵌入鐵心槽中的導線，用絕緣材料制成的槽楔作徑向固定，端部用綁扎或壓板固定。大型同步發(fā)電機的定子繞組電壓較高，對繞組的絕緣材料提出了較高的要求。3．機座和端蓋機座和端蓋構成電機的殼體，主要用來支持和固定定子鐵心并構成冷卻風道，由鋼板焊接而成。機座和定子鐵心外圓之間留有空間，加上隔板形成風道。機座、端蓋和隔板構成的空間，加上風道、冷卻器及風扇等，構成密閉的通風冷卻系統(tǒng)。定子局部除上述主要部件外，還有軸承、軸承座及電刷等部件。汽輪發(fā)電機定子裝配如圖11.2.3所示。二、轉子轉子由轉子鐵心、勵磁繞組、阻尼繞組、護環(huán)和中心環(huán)、滑環(huán)和風扇等組成。轉子鐵心轉子鐵心是磁路的一局部，又起固定勵磁繞組和阻尼繞組的作用。汽輪發(fā)電機轉速很高，轉子所受離心力很大，所以轉子鐵心由高機械強度和導磁性能好的整塊合金鋼鍛造而成。轉子圓周上有三分之一部分沒有槽，稱作大齒，做為發(fā)電機的主磁極；轉子外表其余局部銑有輻射形或平行的開口槽以安放勵磁繞組。汽輪發(fā)電機的轉子鐵心截面11.2.811.2.4勵磁繞組勵磁繞組是由扁銅線繞成的同心式繞組。勵磁繞組的槽內局部靠槽楔壓緊。由于發(fā)電機轉速高，離心力大，因此槽楔用不導磁且強度很高的硬鋁或鋁青銅做成。勵磁繞組的端接局部用非導磁性的合金鋼護環(huán)和中心環(huán)固定，護環(huán)套緊勵磁繞組的端接局部，以防止其發(fā)生徑向位移，中心環(huán)用來阻擋端部發(fā)生軸向位移。阻尼繞組大容量同步發(fā)電機轉子上裝有阻尼繞組，它與異步電機的籠形轉子繞組構造相像，是一個短路繞組。在隱極轉子中，由放在槽楔下的銅條和轉子兩端的銅環(huán)焊接而成；在凸極轉子中，它是由插入主極極靴槽中的銅條和轉子兩端的銅環(huán)焊接而成，如圖11.2.9所示。在同步發(fā)電機中，阻尼繞組起抑制轉子機械振蕩作用；在同步電動機和調相機中起主要起起動繞組作用?；h(huán)(集電環(huán))直流勵磁電流通過電刷和滑環(huán)引入轉子勵磁繞組，滑環(huán)套于隔有云母絕緣的轉軸上。*11.3同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)同步發(fā)電機運行時，轉子磁極產生的主磁場是由轉子勵磁繞組通入直流電流建立的。供給勵磁電流的裝置稱為勵磁系統(tǒng)。下面簡要介紹幾種同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)。一、直流勵磁機勵磁系統(tǒng)用直流發(fā)電機作為勵磁電源向同步發(fā)電機供給勵磁電流，稱為直流發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，這是同步發(fā)電機最根本的勵磁方式。最簡潔的辦法是安裝一臺并勵直流發(fā)電機，使其與同步發(fā)電機同軸旋轉，依靠產生的直流電壓為同步發(fā)電機的勵磁繞組供給直流電流，此直流發(fā)電機稱為勵磁機。在同步發(fā)電機的運行方式中，有時需要勵磁電壓快速上升，為達此目的，勵磁機可以承受他勵式，這時再用另外一臺并勵直流發(fā)電機供給勵磁機的勵磁電流，如圖11.3.1所示。其中，供給同步發(fā)電機勵磁電流的他勵直流發(fā)電機稱為主勵磁機；供給主勵磁機勵磁電流的并勵直流發(fā)電機稱為副勵磁機。隨著技術的進步，汽輪發(fā)電機的單機容量越來越大，相應的勵磁機容量也隨之增大。但是高轉速、大容量的直流勵磁機在制造和運行維護方面都存在一些困難，所以大容量汽輪發(fā)電機極靴圖直流發(fā)電機勵磁系統(tǒng)難以承受同軸直流勵磁機勵磁系統(tǒng)。伴隨整流技術的進展，溝通勵磁系統(tǒng)應運而生。二、靜止半導體勵磁系統(tǒng)靜止半導體勵磁系統(tǒng)分為他勵式和自勵式兩種。1．他勵式他勵式靜止半導體勵磁系統(tǒng)的工作原理如圖11.3.2所示。圖中，溝通主勵磁機、溝通副勵磁機與同步發(fā)電機同軸連接。溝通主勵磁機是旋轉磁極式三一樣步發(fā)電機，其頻率通常為lOOHz，主勵磁機的溝通輸出經靜止的三相橋式不行控整流器整流后，通過電刷和集電環(huán)接到主發(fā)電機的勵磁繞組，以供給其直流勵磁。而主勵磁機的勵磁電流則由溝通副勵磁機發(fā)出的溝通電經靜止的可控整流器整流后供給。交流副勵磁機是中頻三一樣步發(fā)電機(有時承受永磁發(fā)電機)。副勵磁機的勵磁，開頭時由外部直流電源供給，待電壓建起后再轉為自勵。同步發(fā)電機帶上負載輸出電流以后，其端電壓會產生波動。為了防止和減小這種電壓波動，由自動勵磁調整器，依據主發(fā)電機端電壓的偏差，來轉變可控硅的掌握信號，用以掌握主勵磁機的勵磁電流，以便掌握同步發(fā)電機的勵磁電流，使其輸出電壓根本恒定。這種勵磁系統(tǒng)運行、維護便利，由于取消了直流勵磁機，使勵磁容量得以提高，因而在大容量汽輪發(fā)電機中獲得了廣泛應用。2．自勵式假設取消溝通勵磁機,主發(fā)電機的勵磁電流由勵磁變壓器取自自身輸出端,經三相可控硅整流變換為直流后供給，則構成自勵式靜止半導體勵磁系統(tǒng)，如圖11.3.3所示。這種勵磁系統(tǒng)沒有旋轉的勵磁機,便于他勵式靜止半導體勵磁系統(tǒng)三、旋轉半導體勵磁系統(tǒng)上述各種勵磁系統(tǒng)，同步發(fā)電機的勵磁電流都是通過電刷和滑環(huán)引入勵磁繞組的，當勵磁電流過大時，將使滑環(huán)產生高溫而極易損壞。旋轉半導體勵磁系統(tǒng)則實現(xiàn)了勵磁系統(tǒng)的無刷化，其原理如圖 11.3.4所示。與他勵式靜止半導體勵磁不同之處是主勵磁機是一臺旋轉電樞式同步發(fā)電機,其電樞與主發(fā)電機同軸旋轉,半導體整流裝置也裝在主發(fā)電機轉子上。由于主勵磁機的三相繞組、半導體整流器、同步發(fā)電機的勵磁繞組同時在旋轉，三者之間沒有相對運動，因此，主勵磁機發(fā)出的三相溝通電經過整流后就可直接送入勵磁繞組中，不再需要經過電刷和滑環(huán)，從而避開了流經大電流的滑動接觸，提高了電機運行的可靠性。這種勵磁系統(tǒng)的缺點是轉動局部的電壓、電流難于測量，轉子繞組保護比較困難。小結本章主要表達了同步發(fā)電機的根本工作原理、分類和額定值，簡要介紹了構造和勵磁系統(tǒng)。圖11.3.4旋轉半導體勵磁系統(tǒng)圖11.3.3自勵式靜止半導體勵磁系統(tǒng)主要學問點包括：1．同步發(fā)電機的根本工作原理同步發(fā)電機轉子勵磁繞組通入直流電流產生勵磁磁場，且隨轉子以同步速旋轉，轉子旋轉磁場切割定子三相對稱繞組產生感應電動勢，于是定子三相繞組輸出三相對稱溝通電壓。三相感應電動勢的性質〔1〕感應電動勢的波形取決于轉子磁場在氣隙空間分布的波形。同步發(fā)電機的轉子磁極磁場在氣隙空間分布波形一般都是正弦波，所以三相感應電動勢都是正弦的?！?〕感應電動勢的頻率為：60pnf=Hz，其中p為電機極對數；n為同步轉速。(3)每相感應電動勢大小為：011Φ44.4wkfNE=，三相電動勢相序與轉子轉向全都。同步發(fā)電機的額定值發(fā)電機的額定值是電機安全運行的依據，包括額定功率、額定電壓、額定電流、額定頻率、額定功率因數等。額定功率指輸出的電功率；額定電壓和額定電流指輸出的線電壓和線電流，它們之間的關系為：NNNNIUP?cos3=。同步發(fā)電機的根本構造同步發(fā)電機的根本構造由定子和轉子兩局部組成。大型同步發(fā)電機的定子構造與異步電機定子一樣，定子鐵心槽中嵌放三相對稱繞組。轉子由轉子鐵心和集中勵磁繞組組成。轉子分兩種：隱極式和凸極式。汽輪發(fā)電機承受隱極式轉子，其極數少〔2極〕，轉速高〔3000r/min〕，氣隙均勻，外形呈瘦長；水輪發(fā)電機承受凸極式轉子,其極數多，轉速低，氣隙不均勻，外形呈短粗。同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)同步發(fā)電機的轉子磁場由轉子繞組流過直流電流來建立。轉子繞組中的直流電流可以通過直流發(fā)電機獲得，也可以通過溝通〔同步〕發(fā)電機經過整流獲得。與此對應，同步發(fā)電機有三種勵磁方式：直流勵磁機勵磁〔有電刷〕、靜止半導體勵磁〔有電刷〕、旋轉半導體勵磁〔無電刷〕。思考題與習題同步發(fā)電機感應電動勢的頻率和轉速有什么關系?在頻率為50HZ為什么汽輪發(fā)電機承受隱極式轉子，水輪發(fā)電機承受凸極式轉子？試比較同步發(fā)電機與異步電動機構造上的主要異同點。一臺汽輪發(fā)電機，極數22=p，MW300=NP，kV18=NU，85.0cos=N?，Hz50=Nf，試求：〔1〕發(fā)電機的額定電流；〔2〕發(fā)電機額定運行時的有功功率和無功功率。402=p，MW100=NPkV813.UN=，9.0cos=N?，Hz50=Nf〔1〕發(fā)電機的額定電流；〔2〕發(fā)電機額定運行時的有功功率和無功功率；〔3〕發(fā)電機的轉速。本章自測題一、填空題同步發(fā)電機的定子鐵心槽中嵌放著 繞組，轉子勵磁繞組通入的是 電流。兩極同步發(fā)電機應以 r/min旋轉，才能發(fā)出50HZ的溝通電，當它以 r/min旋轉時，將發(fā)出60HZ的溝通電。汽輪同步發(fā)電機的轉子承受 構造，水輪同步發(fā)電機的轉子承受 構造。我國大型汽輪發(fā)電機的磁極數為 ，轉子轉數為 r/min。同步發(fā)電機輸出三相電壓的相序由 打算，假設轉變原動機的旋轉方向，則三相電壓的相序將 。按構造型式分，同步電機