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1、 同步电机一、同步电机概述电能的发现和利用，是人类社会进步的重要标志。在现代工农业生产和人们日常生活中，电机有着十分重要的作用，电机可以有如下的分类。 同步电机指电机转子的转速n与旋转磁场转速n0相同的交流电机（n0=60f/p）。同步电机主要作发电机用，也可作电动机带动具有恒速要求的机械，还可作调相机，向电力系统发出无功功率，用于改善电力系统的功率因数及调整电网电压。现代发电厂中所发出的交流电能几乎全部是同步发电机发出，尽管目前有其他发电型式，如磁流体发电，太阳能发电等，但电力系统中仍是同步发电机占绝对优势。 同步发电机(synchronous generator)是将机械能转变为交流电能的
2、设备。在火电厂，发电机用汽轮机作原动机，称为汽轮发电机；在核电站是以核反应堆来代替火电站的锅炉，原动机仍然是汽轮机；在水电厂，发电机用水轮机作原动机，称为水轮发电机；有的地方用柴油机用作原动机，称为柴油发电机。二、同步电机的类型按运行方式不同分为：发电机、电动机和调相机；按结构形式不同分为：电枢旋转式（简称转枢式）和磁极旋转式（简称转场式）。磁极旋转式按转子结构不同又分为凸极式和隐极式；按安装方式不同分为：卧式和立式； 按原动机类型不同分为：汽轮发电机、水轮发电机、燃气轮发电机、柴油发电机、风力发电机、太阳能发电机等。按冷却介质不同分为：空气冷却、氢气冷却、水冷却等。三、同步发电机工作原理同步
3、发电机基本工作原理：导体切割磁力线则产生感应电动势，当外电路是形成闭合回路，则产生感应电流。在发电机中，转子上装有励磁绕组，励磁绕组中通入直流电产生磁场，转子在原动机的拖动下旋转，在定子上产生感应电动势，定子外接负载，形成回路，产生三相交流电流。 图1.同步电机结构模型转子：转动的部分，转子上有磁极和励磁绕组，产生磁场。有p对磁极，磁极上有直流励磁绕组，当直流电流通过电刷和滑环流入转子绕组后，产生主磁通，主磁通由N极经气隙，定子铁心，再经气隙进入S极，构成主磁路。定子（又叫电枢）：固定的部分，定子铁心上有齿和槽，槽内设置有绕组，是切割磁场的导体。有三相定子绕组，每相结构完全相同，它们在空间上互
4、差120电角度对称分布放置在定子铁心槽内。气隙：定转子之间有气隙。同步电机与异步电机的根本区别是旋转的转子通入直流电流励磁。转子通直流电流If励磁磁场Bf随转子旋转（角速度）电枢感应电动势三相对称负载运行时三相对称电枢电流 iabc旋转基波磁势Fa （同步电机）定子绕组三相感应电势 定子外接负载，形成回路，产生三相电流机械能转化为电能。当转子为1对磁极时，转子旋转一周，定子绕组中感应电势变化一个周期；当同步发电机有p对极时，转子旋转一周，感应电势交变p个周期。 当转子转速为每分n转时，交变电势频率为： 同步发电机定子绕组感应电势的频率取决于它的极对数p和转子的转速n。同步发电机极对数一定时，转
5、速与电枢电势的频率有严格对应关系。当电力系统频率f一定，发电机转速为恒定值，这是同步发电机的主要特点。我国标准工频为50Hz，所以同步发电机的极对数和转速成反比。汽轮发电机转速较高，极对数较少，如转速n=3000r/min，则极对数P=1。水轮发电机转速较低，极对数较多，如转速n=125r/min，则极对数P=24。四、同步发电机的基本构造 同步电机一般采用旋转磁极式结构，根据磁极形状可分为隐极和凸极两种型式。凸极同步电机气隙不均匀，适合于中速或低速旋转场合。隐极同步电机在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，适合于高速旋转。 图2 两种磁极的同步发电机示意图:图3 发电机主要部件（1）凸极式电机结构特
6、点：气隙不均匀，极弧底下气隙较小，极间部分较大，多用于水轮发电机。一般水轮发电机转子长度L和定子内径D之比为0.125-0.07。 1定子 2凸极式转子图4 凸极式同步电机（2）隐极式电机结构特点：转子上没有凸出的磁极，气隙均匀，转子呈圆柱形。多用于汽轮发电机，一般为两极，转速为3000r/min。 一般汽轮发电机转子长度L和定子内径D之比为2-6.5。 1 定子 3隐极式转子图5 隐极式同步电机（3）凸极式和隐极式电机应用场合电源频率固定，采用转子结构与转速有关。火电厂和核电站的汽轮机拖动的发电机，转速高，转子宜作成细而长的隐极式，这种发电机通常称为汽轮发电机。核电站用的汽轮发电机在构造上与
7、常规火电站用的大同小异，所不同的是由于蒸汽压力和温度都较低，所以同等功率机组的汽轮机体积比常规火电站的大。水轮机拖动的发电机，转速低，因而要求有较多的磁极，转子宜作成短而胖的凸极式。 （4）同步电机与异步电机同步电机的气隙较同容量的异步电机大。异步电机励磁电流由电网供给，需从电网吸取感性无功功率，若气隙大，则励磁电流大，电机的功率因数低，因此在机械允许的条件下，气隙要尽量小一些。同步电机气隙磁场由转子电流和定子电流共同激励，从运行稳定性考虑，气隙大，同步电抗小，短路比大，运行稳定性高。但气隙大，转子用铜量增大，制造成本增加。所以气隙大小的选择要综合考虑运行性能和制造成本这两方面的要求。 五、汽
8、轮发电机结构1.定子(stator) ：包括机座(baseframe)、端盖(end closure)、定子铁心(stator core)和定子绕组(stator windings)等几大部分。机座和端盖机座的作用：固定和支撑定子铁心及定子绕组等部件，通过机座将整个定子安装、固定在基础上。机座内部有冷却风道。汽轮发电机机座一般采用钢板焊接而成。对机座的要求，除了使安装、运输方便外，还需要有足够的强度和刚度。正常和故障时能承受可能发生的最大应力，保证不产生不允许的变形。端盖的作用：保护定子和转子的端部，使电机内形成一个与外界隔绝的风路系统。一般用钢板焊接结构，也可采用灰铸铁或硅铝合金铸件，中等容
9、量的电机端盖也有采用玻璃钢压制的，有足够的刚度。大型同步电机，由于端部漏磁通较大，所以固定端盖的螺栓宜加以绝缘，以防止漏磁通引起的涡流流过螺栓而使其发热。 定子铁心定子铁心由0.35mm、0.5mm或其它厚度的电工硅钢片叠成。各段叠片间有宽约10mm的通风槽，以改善定子铁心散热。定子外径较小时，采用圆形冲片，外径大于1m 时，采用扇形冲片，目的是减少漏磁，防止涡流引起过热。定子铁心两端用非磁性材料压板将其压紧，将整个铁心固定在定子机座上。沿定子铁心内圆表面的槽内放置三相定子绕组。图6.定子铁芯定子绕组也称电枢绕组，一般采用双层三相对称绕组。为便于绕组下线，定子槽采用矩形开口槽，定子绕组放入槽中
10、后，槽口用槽楔封住，槽楔常用绝缘材料(如玻璃布板)做成。大型电机定子电流极大，绕组导线截面大。为减小导体集肤效应带来的附加损耗，定子绕组常由多股截面15平方毫米以下的扁铜线并绕而成，且沿槽长进行适当的换位，使绕组的有效部分，有时甚至连同绕组的端接部分，成为编织形。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。图7.发电机定子2.转子 (rotor)：由转子铁芯、 励磁绕组、阻尼绕组、紧固件和风扇等几大部分组成。主要功能是传递原动机供给的机械能、支撑旋转的励磁线圈、形成良好的磁通路径和转子散热通道，因此对转子结构、材料和加工工艺要求较高。（1）转子铁芯既有良
11、好导磁性能，又有足够机械强度和刚度，最关键部件之一。一般采用优质合金钢锻制，铁芯上开有两组对称的槽，槽与槽之间的部分称为齿，有两个齿特别宽称为大齿，其余的叫小齿。小齿嵌放励磁线圈，大齿形成磁极。大型电机为了加强转子表面冷却，大齿区也开有一些较小的槽并不安放线圈，只作通风用，这种槽称为通风槽。 大型两极汽轮发电机转子，当长度与直径的比值较大时，为了减小倍频振动的影响，常在大齿部分沿轴向每隔一定距离开有径向月牙槽，使大齿方向与小齿方向的刚度尽可能接近。有的电机在大齿开有槽，内装阻尼绕组(damping windings)，阻尼绕组构成自行短接的半鼠笼结构，用来改善发电机的稳定运行。 图8.转子铁芯
12、（2）励磁绕组由矩形绝缘扁铜线绕成同心式线圈，两线圈边分别放在大齿两侧所开的槽内，所有线圈串联。励磁绕组构成电机直流回路，通过电刷与外电路连接。各线圈匝间有绝缘，对地也有绝缘。图9.励磁绕组（3）护环和中心环汽轮发电机转子绕组的端部在高速旋转中将承受巨大的离心力，并在通过励磁电流时产生热膨胀，造成径向和轴向位移。护环用来套在转子绕组端部外面，防止径向位移，而中心环则用来阻止轴向位移。为了避免因护环偏心引起的振动以及不对称运行或异步运行时因转子表面感应电流引起配合面上的电灼伤，要求护环与转子本体、护环与中心环之间有较紧密的配合。 阻尼绕组大型电机的一种短路绕组，由放在槽楔下的铜条和转子两端铜环焊
13、接成闭合回路。其作用是在同步发电机短路或不对称运行时，利用其感应电流来削弱负序旋转磁场作用，发电机振荡时起阻尼作用，使振荡衰减。其他部件滑环与电刷：将直流电引入到转动的励磁绕组。滑环或称集电环，一般用耐磨的锻钢制成，表面进行硬度处理，加工完的滑环表面要求光洁。汽轮发电机一般采用石墨或电化石墨电刷。虽然每种电刷以石墨粉作为主要原料，但是含量和工艺的不同，在导电率、比重、硬度、强度、伏安特性等方面有不同的性能。为使两滑环磨损均匀，在运行中要定期改变滑环的极性。电刷：电刷放在刷盒内，刷盒内有弹簧给电刷一个均匀的压力， 以防止电刷正运行时发生振动，使其与滑环间保持有良好的滑动接触。风扇：用来电机内部通
14、风冷却。一般装在转子两瑞，当发电机运行时，风扇随转子而转动，使冷却气体流过线圈和铁芯，带走热量。 图10.汽轮发电机转子外形五、水轮发电机结构水轮发电机(hydro-generator)的主要结构型式有卧式、立式和灯泡贯流式。通常小容量水轮发电机多采用卧式结构，中等容量水轮发电机采用立式或卧式结构，而大容量水轮发电机则广泛采用立式结构。立式水轮发电机分为：悬吊式和伞式。发电机推力轴承位于转子上部的统称为悬吊式，位于转子下部的统称为伞式。水轮发电机的结构型式对电站主厂房高度、起重机容量、机组本身技术经济指标、运行稳定性以及检修等方面都有直接影响，必须立足全局，对各种因素加以综合考虑后作出判断。一
15、般低速大容量水轮发电机采用伞式，因为伞式机组总高度比悬吊式低，可降低电站主厂房高度和减轻机组重量。伞式机组推力轴承直径较大，轴承损耗比悬吊式大。悬吊式机组适用于中、高速机组，优点是：机组径向机械稳定性较好、轴承损耗较小和维护检修方便。水轮发电机起动和投入并联所需时间较短，运行调度较灵活，电力系统中，除可用来担负基本负载外，还常用作调峰或作调相运行。一般采用空气冷却，容量相当大的发电机才考虑采用水内冷却方式。 定子：主要由机座、定子铁心和定子绕组等几部分组成。 （1）定子铁芯：扇形硅钢片叠成。铁芯在叠装过程中将每层扇形片间接缝错开。厚度3060mm留出一冷却风道。铁心固定在机座内圆支持筋上，机座外壳与铁心外圆之间留有通风道。铁心内圆均匀分布有槽，槽内放置定子绕组。 （2）定子绕组：水轮发电机极数较多，每极每相槽数较小，为了改替电动势波形，广泛采用分数槽绕组。对于大容量的水轮发电机，为节省极间连接线一般采用单匝波绕组，因此上、下
