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1、同步电机 本单元介绍 同步发电机的基本原理和结构， 交流绕组的电动势和磁动势， 同步发电机的运行原理和运行特性， 以及同步发电机的并列运行问题。,同步发电机工作原理大纲要求,单元七 同步发电机工作原理、结构大纲要求 （1） 基本目标 熟悉同步发电机的基本理论，如定子磁势的分析方法、电枢反应理论、电压方程、相量图、等效电路、功率、转矩方程和功角特性、掌握同步发电机基本结构及工作原理。 （2） 教学内容 同步发电机基本工作原理和结构 （工作原理、结构、铭牌、励磁方式、型号、额定数据） 同步发电机绕组磁势的空间分布、同步发电机绕组感应电势的分析 同步发电机运行的电磁关系（运行特性：空载、短路、外特性
2、、效率等） 隐极发电机电枢反应理论 基本电压方程、相量图、等效电路 功率关系、功率和转矩方程 功角特性及分析 同步发电机的并联运行及功率调节（增加）,同步电机,第一节 同步发电机的工作原理和结构 基本原理、基本结构、 铭牌、型号和用途、励磁方式； 第二节 同步发电机交流绕组的电动势和磁动势 交流绕组的电动势、交流绕组磁动势 、三相旋转磁动势、 交流绕组电动势； 第三节 同步发电机的运行原理和运行特性 对称负载时的电枢及其电抗 、 同步发电机电动势方 程 式 和相量图同步发电机的运行特性（空载特性、短路特性、 外特 性、调整特性、效率特性）； 第四节 同步发电机与电网的并联运行 同步发电机并联运
3、行的条件和方法 、并联运行时的有功功率调节、并联运行时的无功功率调节。,第一节 同步发电机的工作原理和结构,一、同步电机的基本类型 二、同步电机的基本结构 三、同步发电机的基本工作原理 四、同步电机的运行状态 五、同步电机的励磁方式 六、同步电机的铭牌数据,一、同步电机的基本类型,按结构形式分,汽轮发电机：高速，转子隐极式, 细长形 水轮发电机：低速，转子凸极式, 短粗形,1发电机主体、2主励磁机、3永磁副励磁机、4气体冷却器、5励磁机轴承、6碳刷架隔音罩、7电机端盖、8连接汽轮机法兰、9电机接线盒、 10电流互感器、11引出线、12测温引线盒、13基座,二、 同步电机基本类型与结构,二 、
4、同步电机基本类型与结构,1、汽轮发电机结构 （1）定子铁心,1、汽轮发电机结构 （2）定子绕组,1、汽轮发电机结构,2、水轮发电机结构,(1)立式水轮发电机,(2)卧式水轮发电机,2、水轮发电机结构(续),(4)转子结构,10000kw水轮机转子,同步发电机结构形式,同步发电机结构形式 无论是凸极式同步发电机还是隐极式同步发电机，它们都是由定子和转子两大部分组成。其中 定子部分又包括定子铁芯、定子绕组、机座、端盖等部件组成。定子铁芯和定子绕组是同步发电机用以产生三相交流电能，实现机械能与电能转换的重要部件。 转子部分又包括转子铁芯、励磁绕组、阻尼绕组、滑环、紧固件和风扇等部件组成。 下面对各部
5、件分别作一介绍。,同步发电机结构形式（定子部分）,定子部分：包括定子铁芯、定子绕组、机座、端盖等。 定子铁芯：一般由0.50.35mm的硅钢叠片构成，沿轴向叠成多段形式，每段厚3060mm，各段叠片之间留有通风槽，以改善铁芯的散热条件。当铁芯的直径大于1m时用扇形硅钢片叠成一个整圆，再用压板夹紧将整个铁芯固定在定子机座上。 定子绕组：汽轮发电机一般采用三相双层叠绕组构成定子三相交流电路。为减少导体集肤效应产生的损耗，绕组的导线由许多相互绝缘的并联多股线组成，在槽内的直线部分还应换位（平衡股间导线间的阻抗、抑制集肤效应、减少绕组端部漏磁通产生的环流及附加损耗）。为承受因短路产生的巨大电磁力而引起
6、的端部变形，以及正常运行时不致产生较大的振动，绕组端部须用绑绳或压板夹紧在非磁性钢做成的端箍上。 机座：定子机座是一个焊接钢板结构的外壳，起作用是支撑和固定定子铁芯、绕组和端盖，具有足够的强度和刚度，机座与铁芯之间应留有通风道。,同步发电机结构形式（转子部分）,转子部分：包括转子铁芯、励磁绕组、阻尼绕组、滑环、紧固件和风扇等部件。 转子铁芯：转子铁芯应具有良好的导磁性能，并能承受很大的离心作用，由硅钢片叠成，固定在发电机的轴上。也有的将铁芯与轴做成一体，一般用具有高强度和良好导磁性能的合金钢制成。 励磁绕组：采用绝缘扁铜线绕制成同心绕组，再浸胶热压处理，套在磁极上。绕组引出的两个线端接在滑环上
7、，经过电刷与外电路连接。 阻尼绕组：它由插入极靴阻尼孔中的铜条和端部铜环焊接而成，是一种短路绕组。其作用是在发电机短路或不对称运行时，利用其感应电流来消弱负序旋转磁场的作用，以及同步发电机发生振荡时起阻尼作用，减小并联运行时转子振荡的振幅，使振荡衰减。 滑环：给励磁绕组引入直流电源。 风扇：装载转子的两端，改善冷却条件。,同步发电机结构形式,同步发电机结构采用旋转磁极式，按转子磁极的形状可分为隐极式和凸极式两种。 凸极式转子 凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈，如图 所示。当励磁线圈中通过直流励磁电流后，每个磁极就出现一定的极性，相邻磁极交替为 N 极和 S 极。对水轮发电机来说，由于
8、水轮机的转速较低，要发出工频电能，发电机的极数就比较多，做成凸极式结构工艺上较为简单。另外，中小型同步电机多半也做成凸极式。,凸极式同步发电机图,隐极式转子 隐极式转子上没有凸出的磁极，如图所示。 沿着转子本体圆周表面上，开有许多槽，这些槽中嵌放着励磁绕组。在转子表面约1/3部分没有开槽，构成所谓大齿，是磁极的中心区。励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也会出现 N 极和 S 极。在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可达170米/秒。为了减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨大离心力，大型汽轮发电机都做成细长的隐极式圆柱体转子。考虑到转子冷却和强度方面的要求，隐极式转子的结构和加
9、工工艺都较为复杂。 隐极式转子应用于大容量高转速汽轮发电机上，转子的转速较高（3000r/min),因为提高发电机的转速可以提高汽轮机的效率、缩小机组的体积、降低机组的造价。,隐极式同步发电机图,水轮发电机 水轮发电机的特点是：极数多，直径大，轴向长度短，整个转子在外形上与汽轮发电机大不相同。大多数水轮发电机为立式。水轮发电机的直径很大，定子铁心由扇形电工钢片拼装叠成。为了散热的需要，定子铁心中留有径向通风沟。转子磁极由厚度为12mm的钢片叠成；磁极两端有磁极压板，用来压紧磁极冲片和固定磁极绕组。有些发电机磁极的极靴上开有一些槽，槽内放上铜条，并用端环将所有铜条连在一起构成阻尼绕组，其作用是用
10、来拟制短路电流和减弱电机振荡。磁极与磁极轭部采用 T 形或鸽尾形连接。,汽轮发电机 定子大体上与异步电机相同，定子铁心0.35mm,0.5mm或其它厚度的电工钢片叠成。定子外径较小时，采用圆形冲片，当定子外径大于1m 时，采用扇形冲片。定子铁心固定在机座上，机座常由钢板焊接而成，它必须有足够的强度和刚度，同时还必须满足通风和散热的需要。汽轮发电机的电压较高，要求定子绕组有足够的绝缘强度，一般采用 B 级或 F 级绝缘。 为了减少高速旋转引起的离心力，一般采用隐极式转子，其外形常做成一个细长的圆柱体。转子铁心表面圆周上铣有许多槽，励磁绕组嵌放在这些槽内。 励磁绕组为同心式绕组，以铜线绕制，并用不
11、导磁的槽楔将绕组紧固在槽内。,同步发电机的冷却问题 同步发电机运行中产生各种损耗，这些损耗最终变成为热能使机组的各部件温度升高。如温升过高将加速电机的绝缘材料老化，将缩短电机的寿命，严重时会危及电机的运行安全。所以改善电机的冷却条件至关重要。 水轮发电机由于直径大、轴向长度短、体积大，冷却问题并不突出。 中小型汽轮发电机单位体积发热量较小，冷却多采用风冷。 对于大型汽轮发电机因直径小、轴向长度长，中部的热量不易散出，必须采取提高冷却效果的措施。用氢气代替空气作为冷却介质，因氢气导热率比空气大7倍，比重又较空气轻（是空气的1/14），所以氢冷发电机的损耗小，冷却效果好。但须采取严格的密封措施。纯
12、净水不但导电率低，化学性能稳定，流动性能好具有极高的导电性能，也被用于作大型汽轮发电机的冷却介质。,大型汽轮发电机的冷却系统中，冷却介质可以按不 同方式组合，典型的冷却方式主要有水-氢-氢、水-水- 氢、水-水-水。（定子绕组、转子绕组、定子铁芯）。 全氢冷：定转子绕组采用氢内冷，定子铁芯（包括附件）采用氢 冷。 水氢氢冷：定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、定子铁芯（包括 附件）采用氢冷。 水水氢冷：定子绕组水内冷、转子绕组水内冷、定子铁芯（包括 附件）采用氢冷。 双水内冷：定子绕组水内冷、转子绕组水内冷、定子铁芯（包括 附件）采用空冷。,同步电机的铭牌数据 （额定参数）,同步电机的额定参数,同
13、步电机的额定参数有： 额定功率PN (kW) ：是指额定运行时输出的额定有功功率； 对于发电机：电功率； 对于电动机：机械功率； 对于调相机：无功功率；（kvar、Mvar） 额定容量 SN (KVA)：是指额定运行时出线端的额定视在功率；,额定电压UN (V)：是指额定运行时三相定子绕组额定线电压； 额定电流IN (A)：是指额定运行时流过三相定子绕组额定线电流 额定转速nN (r/min)：额定运行时的转子转速； 额定功率因数CosN：额定工况下发电机的功率因数； 额定励磁电压(V) 、励磁电流(A) 额定效率N：额定运行时的效率； 上述同步发电机额定参数之间有一定的关系： PN =SN
14、CosN=3 UN IN CosN 此外。铭牌上还标出温升、绝缘、冷却方式等。,同步电机的型号,QFQ系列 如QFQ-50-2 其中：Q-汽轮 F发电机 Q氢冷 50功率（MW） 2极数 TS系列 如TS900/135-56 其中：T同步 S水轮发电机 900定子铁芯外径（cm) 56极数 QFQ系列 （氢外冷） QFN系列 （氢内冷） QFS系列（双水内冷）,三、同步发电机的基本工作原理,同步发电机的基本工作原理,同步发电机的基本工作原理,同步发电机是根据导体切割磁力线感应电动势这一基本原理工作的。 因此，同步发电机如要发出电来应要具备三个条件： 有产生磁力线的磁场； 有能够切割磁力线的导体
15、； 导体与磁场之间有相对运动。,同步发电机的基本工作原理,主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。磁力线由N极出发，经气隙进入定子铁芯， 再经气隙进入S极，构成主磁路。 载流导体：三相绕组在空间上互差120电角度对称分布在定子的铁芯槽内，每相的结构参数完全相同。对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。,导体与磁场之间有相对运动： 原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。 由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期
16、性变化的三相对称交变电势，若气隙磁通密度按正弦波分布，三相绕组感应的电动势波形也为正弦波，各相之间相差120。通过引出线，即可提供交流电源。 由于线圈的组成是遵循电动势叠加的原则，线圈的两个边相距一个磁距，这样就可以获得尽可能大的线圈电动势和磁动势。同时，在各线圈构成三相定子绕组时，每相串联的总匝数应相等，且布置的相对位置相同（在空间上互差120）。电动势和磁动势的波形接近正弦波，所以三相绕组感应出的电动势也是对称的三相电动势。,相量图,波形图,相量表示,三相电动势瞬时表示式,同步发电机的基本工作原理,感应电动势的频率 当发电机的转子由原动机驱动以转速n做恒定旋转时，定子中的三相绕组的导体依次切割磁力线，三相绕组便感应出各相大小相等、相位彼此相差120的交流电动势。因发电机在制造过程中气隙磁通密度按正弦波分布
