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1、同 步 电 机,同步发电机的基本工作原理和结构,本章基本教学要求,1.理解同步电机的基本工作原理； 2.掌握基本结构各部件的特点和作用； 3.了解冷却方式、掌握同步发电机的铭牌； 4.知道同步发电机的励磁方式及励磁系统的作用与要求。,本章重点和难点,重点： 1.同步发电机的主要结构和基本工作原理； 2.主要结构部件特点和作用； 3.励磁系统的作用与要求。 难点： 1.同步发电机的基本工作原理； 2.励同步发电机的磁系统。,第十三章同步发电机的基本工作原理和结构,第十三章同步发电机的基本工作原理和结构,同步电机是交流旋转电机的一种,因其转速恒等于同步速时而得名。现代发电厂中所发出的交流电能几乎都
2、是同步发电机的。对于有恒速要求的生产机械，可采用同步电动机作为动力，同步电机也可作为调相机用，向电力系统发出感性或容性无功功率，用于改善电力系统的功率因数及调整电网电压。同步电机无论作发电机、电动机或调相机，其基本原理及结构是相同的，只是运行方式不同而已。,本章基本要求：,同步发电机的基本工作原理；,同步发电机的基本结构；,同步发电机的铭牌数据。,第一节 同步发电机的基本工作原理,定子,转子,滑环,同步发电机基本原理工作是根据电磁感应现象，即导体切割磁力线产生感应电动势工作的。因此，同步发电机应有产生磁力线的磁场和切割该磁场的导体。,一、基本结构模型，如图所示:,气隙,图中给出了最常用的转场式
3、同步发电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。,1.定子,2.转子,转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，当通过电刷和滑环通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。主磁场由N极出来经过气隙、定子铁芯，再经过气隙进入S极而构成主磁路。如图中虚线所示(图中p=1)。,3.气隙,气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。,除了转场式同步电机外,还有转
4、枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。,二、同步发电机的工作原理,如图所示，外部直流电源通过滑环向转子提供直流励磁电流，并产生磁场；原动机拖动发电机转子以转速n按图示方向作恒向旋转。,定子中三相绕组的导体依次切割磁力线，三相绕组便感应产生各相大小相等、相位彼此相差1200的交流电动势。若气隙磁通密度按正弦波分布，则三相绕组感应电动势波形如图所示，且相序为ABC。,1.交变感应电动势的产生,每相感应电势有效值:,2.感应电势的频率,交流电动势的频率f可这样确定:当转子为1对极时，转子旋转一周，定子绕组中感应电动势变化一个周期；当同步发电机
5、具有p对极时，转子旋转一周，感应电动势就交变p个周期；当转子的转速为每分钟n转时，则交变电动势的频率为:,转子的转速(r/min),由上式可知:同步发电机定子绕组感应电动势的频率取决于它的极对数p和转子的转速n。转子转速越高，定子绕组感应电势E0的频率越高。即 n f。可见，同步发电机极对数p一定时，转速n与电枢电动势的频率f之间具有严格不变的关系。,说明:,如果发电机作为电源单独给负载供电，对电源频率的要求并不十分严格，对原动机的转速要求也不很严格。,3.同步转速,现代的发电机，绝大多数都是向大电网并网供电，这就对同步发电机的频率要求严格了，我国电网频率为50HZ，所以发电机发出的电动势频率
6、也必须为50HZ，如果发电机的频率与电网频率不等将会造成严重事故。,同步转速从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz ，故有：,要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。例如2极电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转速为1500r/min，依次类推。只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。,同步电机的特点,4.电磁过程,转子冲转到额定转速,汽轮发电3000r/min 转子绕组加励磁电流(直流) 产生旋
7、转磁场 定子绕组切割磁力线产生三相对称感应电势 发电机出线端三相对称电压。,5.电势的调节,根据E0=4.44fNkw10 和If 0可知，调节励磁电流If，可改变磁通0，从而改变定子绕组感应电势E0。即IfE0；If E0。,6.相序,相序决定于转子的转向。从励磁端看，汽轮发电机的转向为逆时针方向。,同步发电机原理小结:外部直流电源通过滑环向转子提供直流励磁电流，并产生磁场；原动机拖动转子旋转，转子磁极磁场切割三相定子绕组，感应三相交流电。,第二节 同步发电机的基本结构,一、同步电机分类：,旋转电枢式：电枢旋转，磁极固定，因电枢功率不易由滑动部分送出，只适于较小容量发电机，实用少。 旋转磁极
8、式：磁极旋转，电枢固定，电枢功率由静止部分送出，可传送较大功率，实用广，是同步发电机的基本结构型式。,同步电机,旋转磁极式,隐极式转子：不计齿槽时气隙均匀；机械强度高，适用于高转速；一般用于汽轮发电机；外形细长。 凸极式转子：气隙不均匀，极弧下较小，极间较大；机械强度比隐极机低，适用于低转速；一般用于水轮发电机，外形扁盘形。,二、隐极同步发电机（只有卧式支撑）的基本结构,汽轮发电机与直流励磁机配套而成的汽轮发电机组结构图,一对极隐极式转子示意图,1.隐极式转子结构：主要由铁芯、励磁绕组、阻尼绕组、紧固件和风扇组成。它是汽轮发电机的重要部件，如图所示。,(1)转子铁芯,隐极式转子铁芯应具有良好的
9、导磁性能，并能承受很大的离心力作用。隐极式转子铁芯通常与转轴锻造成一体，一般所用材料是具有高强度和导磁性能良好的含铬、镍和钼的合金钢。,汽轮发电机的转子铁芯横剖面如图示:,隐极式转子上没有凸出的磁极，沿转子铁芯外圆表面铣出许多槽，槽中嵌放励磁绕组。在转子表面约1/3部分没有开槽，构成所谓大齿，是磁极的中心区即主磁极。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。,汽轮发电机的转子槽分类图示:,(2)励磁绕组,励磁绕组是由矩形的绝缘扁铜线绕成同心线圈，两线圈边分别放置在大齿两侧所开出的槽内，所有线圈串联组成励磁绕组，构成转子的直流电路。励磁绕组引出的两个线端接在滑环上，并通过电刷
10、与外电路直流电源相连接。,注意:励磁绕组的各线匝间需垫有绝缘材料，同时，线圈和铁芯之间也需有可靠的“对地绝缘”。,励磁绕组放置在槽内后，需用非导磁材料、高强度的硬铝或铝青铜制成的槽楔来压紧，如图所示。,转子槽部剖面图,槽楔,楔下垫条,匝间绝缘,扁铜线,槽绝缘,(3)阻尼绕组,某些大型汽轮发电机转子上装有阻尼绕组，它是一种短路绕组，由放在槽楔下的铜条和转子两端的铜环焊接成闭合回路。阻尼绕组的主要作用是: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的作用，以及同步发电机发生振荡时起阻尼的作用，使振荡衰减。,嵌装完励磁绕组后的转子,励磁绕组连接图,(4)紧固件,转子紧固件包括护环
11、和中心环。由于汽轮发电机转速高，绕组端部受到很大的离心力，所以必须采用护环和中心环来可靠地固定，如图所示。护环把转子励磁绕组的端部套紧，以防绕组端部甩出。中心环用来支持护环和防止转子绕组端部的轴向位移。为了减少端部漏磁场，护环采用非导磁合金钢材料。,作用：保护转子绕组端部,(5)滑环,直流电流通过截止的正负极性的电刷、两互相绝缘且套在转轴上随转子转动的滑环引入转子励磁绕组。,(6)风扇,汽轮发电机的转子细长，通风冷却比较困难，故转子的两端一般装有轴流式或离心式风扇，用以改善冷却条件。,隐极式转子特点：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
12、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工工艺较为复杂。转子长度/直径=2.06.5，且容量愈大比值愈大。,滑环,风扇,2.隐极式定子结构：定子又称为电枢，主要由定子铁芯、定子绕组、机座、端盖等部件组成。它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，如图所示。,(1)定子铁芯,定子铁芯是主磁路的一部分,嵌放定子绕组。一般由厚0.5mm或0.35mm的硅钢片叠成，沿轴向叠成多段形式，每段叠片厚为30-60mm。各段叠片之间留有宽约10mm的通风槽，以改善定子铁芯的散热条件，如图所示。,为减少
13、漏磁防止涡流引起过热，在定子铁芯的两端用非磁性材料制成的压板将其夹紧，整个铁芯固定在定子机座上，如图所示。沿定子铁芯内圆表面的槽内放置三相定子绕组。,(2)定子绕组,汽轮发电机的定子绕组一般采用三相双层短距叠绕组，Y连接或YY连接，构成定子三相交流电路。作用：产生感应电势。,(1)定子绕组,(2)端部连接线,(4)通风孔,(3)机壳,(5)机座,由于定子电流较大，每槽一般只嵌放两个有效导体(线棒)，为减少涡流损耗，同时也为了减少绕组导体中集肤效应引起的附加损耗，每根导体常由许多相互绝缘的15mm2以下的扁铜线并联多股线组成，在槽内线圈的直线部分还应进行编织换位，如图所示。,三相定子绕组对铁芯绝
14、缘强度的要求，取决于电机额定电压的高低。为了防止电晕，6.3kV及以上的定子绕组经绝缘处理后还要涂以半导体漆。定子的每一槽内放置上、下两线圈边，并垫以层间绝缘，线圈放入槽中，采用槽楔固定，如图所示。,剖面示意图,为了能承受住突然短路等过渡过程产生的巨大的电磁力而引起的端部变形，以及正常运行时不致于产生较大的振动，定子绕组端接部分需用线绳绑紧或压板夹紧在非磁性钢做成的端箍上，如图所示。,定子绕组端部,加工中的定子绕组水电接头,定子绕组水电接头,(3)机座,机座是用来支撑和固定定子铁芯和端盖的，应有足够的强度和刚度，机座与定子铁芯之间需要留有适当的通风道，以利于电机的冷却，如图所示。,三、凸极同步
15、发电机的基本结构,凸极同步电机通常分立式和卧式结构两类，大中型容量的水轮发电机一般采用立式结构，如图所示。,由于水轮机的转速很低，为了得到额定频率，发电机的极数就需要相应的增加，发电机的转子直径则需加大。在容量一定的情况下，发电机的总长度便可缩短，故水轮发电机的转子长度L和定子内径D之比为的0.125-0.07，如图所示。,立式水轮发电机的结构又分为悬式和伞式两种，如图所示。,悬式的推力轴承是安装在转子的上部，整个转子悬吊在机架上，这种结构运行时稳定性较好，只适用于转速较高的发电机(150r/min以上)。伞式的推力轴承是安装转子下部，整个转子形同被撑开的雨伞，这种结构运行时稳定性较差，只适用
16、于转速较低的发电机(125r/min以下)，如图所示。,推力轴承,1.定子,水轮发电机主要是由转子、定子和机架和推力轴承等部件组成。,由机座、定子铁芯和定子绕组等主要部件组成。,(1)机座,机座用来支撑定子铁芯、轴承和端盖等，并构成冷却风路。直径大于4m的机座可分成若干瓣，安装时再拼接成一体。,例:三峡左岸电站定子机座由定子铁芯支撑环、20个垂直的斜元件、垂直筋板以及机座外壁等组成。机座分6瓣，现场组装，如图所示。,(2)定子铁芯,定子铁芯的基本结构与汽轮机相同，大容量的水轮发电机定子铁芯由扇形硅钢片叠成，留有通风沟。沿铁芯内圆表面的槽内放置三相定子绕组，并用槽楔压紧。,例:三峡左岸电站定子铁芯由硅钢片、齿压板、压指、压紧螺栓等组成。硅钢片厚度为0.5mm，两面均涂有F级绝缘漆，叠成总高度为3130mm，共46段叠片堆，47个通风槽；铁芯拉紧螺栓位于铁芯叠片中部，用绝缘套管与铁 芯叠片绝缘，与传统的位于铁芯叠片尾部相比拉紧效果好，有利于防止叠片翘曲变形和运行过程中松动，如图所示。,(3)定子绕组,大中型水轮发电机
