第十三章同步發(fā)電機的基本工作原理和結(jié)構(gòu).ppt

電機技術(shù),同步電機篇,同步電機,第四篇,第十三章同步發(fā)電機的基本工作原理和結(jié)構(gòu),本章基本教學要求,1.理解同步電機的基本工作原理；2.掌握基本結(jié)構(gòu)各部件的特點和作用；3.了解冷卻方式、掌握同步發(fā)電機的銘牌；4.知道同步發(fā)電機的勵磁方式及勵磁系統(tǒng)的作用與要求。,本章重點和難點,重點：1.同步發(fā)電機的主要結(jié)構(gòu)和基本工作原理；2.主要結(jié)構(gòu)部件特點和作用；3.勵磁系統(tǒng)的作用與要求。難點：1.同步發(fā)電機的基本工作原理；2.勵同步發(fā)電機的磁系統(tǒng)。,第十三章同步發(fā)電機的基本工作原理和結(jié)構(gòu),第十三章同步發(fā)電機的基本工作原理和結(jié)構(gòu),同步電機是交流旋轉(zhuǎn)電機的一種,因其轉(zhuǎn)速恒等于同步速時而得名?，F(xiàn)代發(fā)電廠中所發(fā)出的交流電能幾乎都是同步發(fā)電機的。對于有恒速要求的生產(chǎn)機械，可采用同步電動機作為動力，同步電機也可作為調(diào)相機用，向電力系統(tǒng)發(fā)出感性或容性無功功率，用于改善電力系統(tǒng)的功率因數(shù)及調(diào)整電網(wǎng)電壓。同步電機無論作發(fā)電機、電動機或調(diào)相機，其基本原理及結(jié)構(gòu)是相同的，只是運行方式不同而已。,本章基本要求：,同步發(fā)電機的基本工作原理；,同步發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)；,同步發(fā)電機的銘牌數(shù)據(jù)。,第一節(jié)同步發(fā)電機的基本工作原理,定子,轉(zhuǎn)子,滑環(huán),同步發(fā)電機基本原理工作是根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，即導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢工作的。因此，同步發(fā)電機應(yīng)有產(chǎn)生磁力線的磁場和切割該磁場的導(dǎo)體。,一、基本結(jié)構(gòu)模型，如圖所示:,氣隙,圖中給出了最常用的轉(zhuǎn)場式同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)模型，其定子鐵心的內(nèi)圓均勻分布著定子槽，槽內(nèi)嵌放著按一定規(guī)律排列的三相對稱交流繞組。這種同步電機的定子又稱為電樞，定子鐵心和繞組又稱為電樞鐵心和電樞繞組。,1.定子,2.轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子鐵心上裝有制成一定形狀的成對磁極，磁極上繞有勵磁繞組，當通過電刷和滑環(huán)通以直流電流時，將會在電機的氣隙中形成極性相間的分布磁場，稱為勵磁磁場(也稱主磁場、轉(zhuǎn)子磁場)。主磁場由N極出來經(jīng)過氣隙、定子鐵芯，再經(jīng)過氣隙進入S極而構(gòu)成主磁路。如圖中虛線所示(圖中p=1)。,3.氣隙,氣隙處于電樞內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子磁極之間，氣隙層的厚度和形狀對電機內(nèi)部磁場的分布和同步電機的性能有重大影響。,除了轉(zhuǎn)場式同步電機外,還有轉(zhuǎn)樞式同步電機，其磁極安裝于定子上，而交流繞組分布于轉(zhuǎn)子表面的槽內(nèi)，這種同步電機的轉(zhuǎn)子充當了電樞。,二、同步發(fā)電機的工作原理,如圖所示，外部直流電源通過滑環(huán)向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁電流，并產(chǎn)生磁場；原動機拖動發(fā)電機轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n按圖示方向作恒向旋轉(zhuǎn)。,定子中三相繞組的導(dǎo)體依次切割磁力線，三相繞組便感應(yīng)產(chǎn)生各相大小相等、相位彼此相差1200的交流電動勢。若氣隙磁通密度按正弦波分布，則三相繞組感應(yīng)電動勢波形如圖所示，且相序為ABC。,1.交變感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生,每相感應(yīng)電勢有效值:,2.感應(yīng)電勢的頻率,交流電動勢的頻率f可這樣確定:當轉(zhuǎn)子為1對極時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，定子繞組中感應(yīng)電動勢變化一個周期；當同步發(fā)電機具有p對極時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，感應(yīng)電動勢就交變p個周期；當轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為每分鐘n轉(zhuǎn)時，則交變電動勢的頻率為:,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速(r/min),由上式可知:同步發(fā)電機定子繞組感應(yīng)電動勢的頻率取決于它的極對數(shù)p和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，定子繞組感應(yīng)電勢E0的頻率越高。即nf?？梢?，同步發(fā)電機極對數(shù)p一定時，轉(zhuǎn)速n與電樞電動勢的頻率f之間具有嚴格不變的關(guān)系。,說明:,如果發(fā)電機作為電源單獨給負載供電，對電源頻率的要求并不十分嚴格，對原動機的轉(zhuǎn)速要求也不很嚴格。,3.同步轉(zhuǎn)速,現(xiàn)代的發(fā)電機，絕大多數(shù)都是向大電網(wǎng)并網(wǎng)供電，這就對同步發(fā)電機的頻率要求嚴格了，我國電網(wǎng)頻率為50HZ，所以發(fā)電機發(fā)出的電動勢頻率也必須為50HZ，如果發(fā)電機的頻率與電網(wǎng)頻率不等將會造成嚴重事故。,同步轉(zhuǎn)速從供電品質(zhì)考慮，由眾多同步發(fā)電機并聯(lián)構(gòu)成的交流電網(wǎng)的頻率應(yīng)該是一個不變的值，這就要求發(fā)電機的頻率應(yīng)該和電網(wǎng)的頻率一致。我國電網(wǎng)的頻率為50Hz，故有：,要使得發(fā)電機供給電網(wǎng)50Hz的工頻電能，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速必須為某些固定值，這些固定值稱為同步轉(zhuǎn)速。例如2極電機的同步轉(zhuǎn)速為3000r/min，4極電機的同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，依次類推。只有運行于同步轉(zhuǎn)速，同步電機才能正常運行，這也是同步電機名稱的由來。,同步電機的特點,4.電磁過程,轉(zhuǎn)子沖轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速,汽輪發(fā)電3000r/min轉(zhuǎn)子繞組加勵磁電流(直流)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場定子繞組切割磁力線產(chǎn)生三相對稱感應(yīng)電勢發(fā)電機出線端三相對稱電壓。,5.電勢的調(diào)節(jié),根據(jù)E0=4.44fNkw10和If0可知，調(diào)節(jié)勵磁電流If，可改變磁通0，從而改變定子繞組感應(yīng)電勢E0。即IfE0；IfE0。,6.相序,相序決定于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向。從勵磁端看，汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)向為逆時針方向。,同步發(fā)電機原理小結(jié):外部直流電源通過滑環(huán)向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁電流，并產(chǎn)生磁場；原動機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁極磁場切割三相定子繞組，感應(yīng)三相交流電。,第二節(jié)同步發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu),一、同步電機分類：,旋轉(zhuǎn)電樞式：電樞旋轉(zhuǎn)，磁極固定，因電樞功率不易由滑動部分送出，只適于較小容量發(fā)電機，實用少。旋轉(zhuǎn)磁極式：磁極旋轉(zhuǎn)，電樞固定，電樞功率由靜止部分送出，可傳送較大功率，實用廣，是同步發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)型式。,同步電機,旋轉(zhuǎn)磁極式,隱極式轉(zhuǎn)子：不計齒槽時氣隙均勻；機械強度高，適用于高轉(zhuǎn)速；一般用于汽輪發(fā)電機；外形細長。凸極式轉(zhuǎn)子：氣隙不均勻，極弧下較小，極間較大；機械強度比隱極機低，適用于低轉(zhuǎn)速；一般用于水輪發(fā)電機，外形扁盤形。,二、隱極同步發(fā)電機（只有臥式支撐）的基本結(jié)構(gòu),汽輪發(fā)電機與直流勵磁機配套而成的汽輪發(fā)電機組結(jié)構(gòu)圖,一對極隱極式轉(zhuǎn)子示意圖,1.隱極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：主要由鐵芯、勵磁繞組、阻尼繞組、緊固件和風扇組成。它是汽輪發(fā)電機的重要部件，如圖所示。,(1)轉(zhuǎn)子鐵芯,隱極式轉(zhuǎn)子鐵芯應(yīng)具有良好的導(dǎo)磁性能，并能承受很大的離心力作用。隱極式轉(zhuǎn)子鐵芯通常與轉(zhuǎn)軸鍛造成一體，一般所用材料是具有高強度和導(dǎo)磁性能良好的含鉻、鎳和鉬的合金鋼。,汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子鐵芯橫剖面如圖示:,隱極式轉(zhuǎn)子上沒有凸出的磁極，沿轉(zhuǎn)子鐵芯外圓表面銑出許多槽，槽中嵌放勵磁繞組。在轉(zhuǎn)子表面約1/3部分沒有開槽，構(gòu)成所謂大齒，是磁極的中心區(qū)即主磁極。勵磁繞組通入勵磁電流后，沿轉(zhuǎn)子圓周也會出現(xiàn)N極和S極。,汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子槽分類圖示:,(2)勵磁繞組,勵磁繞組是由矩形的絕緣扁銅線繞成同心線圈，兩線圈邊分別放置在大齒兩側(cè)所開出的槽內(nèi)，所有線圈串聯(lián)組成勵磁繞組，構(gòu)成轉(zhuǎn)子的直流電路。勵磁繞組引出的兩個線端接在滑環(huán)上，并通過電刷與外電路直流電源相連接。,注意:勵磁繞組的各線匝間需墊有絕緣材料，同時，線圈和鐵芯之間也需有可靠的“對地絕緣”。,勵磁繞組放置在槽內(nèi)后，需用非導(dǎo)磁材料、高強度的硬鋁或鋁青銅制成的槽楔來壓緊，如圖所示。,轉(zhuǎn)子槽部剖面圖,槽楔,楔下墊條,匝間絕緣,扁銅線,槽絕緣,(3)阻尼繞組,某些大型汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子上裝有阻尼繞組，它是一種短路繞組，由放在槽楔下的銅條和轉(zhuǎn)子兩端的銅環(huán)焊接成閉合回路。阻尼繞組的主要作用是:在同步發(fā)電機短路或不對稱運行時，利用其感應(yīng)電流來削弱負序旋轉(zhuǎn)磁場的作用，以及同步發(fā)電機發(fā)生振蕩時起阻尼的作用，使振蕩衰減。,嵌裝完勵磁繞組后的轉(zhuǎn)子,勵磁繞組連接圖,(4)緊固件,轉(zhuǎn)子緊固件包括護環(huán)和中心環(huán)。由于汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速高，繞組端部受到很大的離心力，所以必須采用護環(huán)和中心環(huán)來可靠地固定，如圖所示。護環(huán)把轉(zhuǎn)子勵磁繞組的端部套緊，以防繞組端部甩出。中心環(huán)用來支持護環(huán)和防止轉(zhuǎn)子繞組端部的軸向位移。為了減少端部漏磁場，護環(huán)采用非導(dǎo)磁合金鋼材料。,作用：保護轉(zhuǎn)子繞組端部,(5)滑環(huán),直流電流通過截止的正負極性的電刷、兩互相絕緣且套在轉(zhuǎn)軸上隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的滑環(huán)引入轉(zhuǎn)子勵磁繞組。,(6)風扇,汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子細長，通風冷卻比較困難，故轉(zhuǎn)子的兩端一般裝有軸流式或離心式風扇，用以改善冷卻條件。,隱極式轉(zhuǎn)子特點：在大容量高轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機中，轉(zhuǎn)子圓周線速度極高，最大可達170米/秒。為了減小轉(zhuǎn)子本體及轉(zhuǎn)子上的各部件所承受的巨大離心力，大型汽輪發(fā)電機都做成細長的隱極式圓柱體轉(zhuǎn)子。考慮到轉(zhuǎn)子冷卻和強度方面的要求，隱極式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和加工工藝較為復(fù)雜。轉(zhuǎn)子長度/直徑=2.06.5，且容量愈大比值愈大。,滑環(huán),風扇,2.隱極式定子結(jié)構(gòu)：定子又稱為電樞，主要由定子鐵芯、定子繞組、機座、端蓋等部件組成。它是同步發(fā)電機用以產(chǎn)生三相交流電能，實現(xiàn)機械能與電能轉(zhuǎn)換的重要部件，如圖所示。,(1)定子鐵芯,定子鐵芯是主磁路的一部分,嵌放定子繞組。一般由厚0.5mm或0.35mm的硅鋼片疊成，沿軸向疊成多段形式，每段疊片厚為30-60mm。各段疊片之間留有寬約10mm的通風槽，以改善定子鐵芯的散熱條件，如圖所示。,為減少漏磁防止渦流引起過熱，在定子鐵芯的兩端用非磁性材料制成的壓板將其夾緊，整個鐵芯固定在定子機座上，如圖所示。沿定子鐵芯內(nèi)圓表面的槽內(nèi)放置三相定子繞組。,(2)定子繞組,汽輪發(fā)電機的定子繞組一般采用三相雙層短距疊繞組，Y連接或YY連接，構(gòu)成定子三相交流電路。作用：產(chǎn)生感應(yīng)電勢。,(1)定子繞組,(2)端部連接線,(4)通風孔,(3)機殼,(5)機座,由于定子電流較大，每槽一般只嵌放兩個有效導(dǎo)體(線棒)，為減少渦流損耗，同時也為了減少繞組導(dǎo)體中集膚效應(yīng)引起的附加損耗，每根導(dǎo)體常由許多相互絕緣的15mm2以下的扁銅線并聯(lián)多股線組成，在槽內(nèi)線圈的直線部分還應(yīng)進行編織換位，如圖所示。,三相定子繞組對鐵芯絕緣強度的要求，取決于電機額定電壓的高低。為了防止電暈，6.3kV及以上的定子繞組經(jīng)絕緣處理后還要涂以半導(dǎo)體漆。定子的每一槽內(nèi)放置上、下兩線圈邊，并墊以層間絕緣，線圈放入槽中，采用槽楔固定，如圖所示。,剖面示意圖,為了能承受住突然短路等過渡過程產(chǎn)生的巨大的電磁力而引起的端部變形，以及正常運行時不致于產(chǎn)生較大的振動，定子繞組端接部分需用線繩綁緊或壓板夾緊在非磁性鋼做成的端箍上，如圖所示。,定子繞組端部,加工中的定子繞組水電接頭,定子繞組水電接頭,(3)機座,機座是用來支撐和固定定子鐵芯和端蓋的，應(yīng)有足夠的強度和剛度，機座與定子鐵芯之間需要留有適當?shù)耐L道，以利于電機的冷卻，如圖所示。,三、凸極同步發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu),凸極同步電機通常分立式和臥式結(jié)構(gòu)兩類，大中型容量的水輪發(fā)電機一般采用立式結(jié)構(gòu)，如圖所示。,由于水輪機的轉(zhuǎn)速很低，為了得到額定頻率，發(fā)電機的極數(shù)就需要相應(yīng)的增加，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子直徑則需加大。在容量一定的情況下，發(fā)電機的總長度便可縮短，故水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子長度L和定子內(nèi)徑D之比為的0.125-0.07，如圖所示。,立式水輪發(fā)電機的結(jié)構(gòu)又分為懸式和傘式兩種，如圖所示。,懸式的推力軸承是安裝在轉(zhuǎn)子的上部，整個轉(zhuǎn)子懸吊在機架上，這種結(jié)構(gòu)運行時穩(wěn)定性較好，只適用于轉(zhuǎn)速較高的發(fā)電機(150r/min以上)。傘式的推力軸承是安裝轉(zhuǎn)子下部，整個轉(zhuǎn)子形同被撐開的雨傘，這種結(jié)構(gòu)運行時穩(wěn)定性較差，只適用于轉(zhuǎn)速較低的發(fā)電機(125r/min以下)，如圖所示。,推力軸承,1.定子,水輪發(fā)電機主要是由轉(zhuǎn)子、定子和機架和推力軸承等部件組成。,由機座、定子鐵芯和定子繞組等主要部件組成。,(1)機座,機座用來支撐定子鐵芯、軸承和端蓋等，并構(gòu)成冷卻風路。直徑大于4m的機座可分成若干瓣，安裝時再拼接成一體。,例:三峽左岸電站定子機座由定子鐵芯支撐環(huán)、20個垂直的斜元件、垂直筋板以及機座外壁等組成。機座分6瓣，現(xiàn)場組裝，如圖所示。,(2)定子鐵芯,定子鐵芯的基本結(jié)構(gòu)與汽輪機相同，大容量的水輪發(fā)電機定子鐵芯由扇形硅鋼片疊成，留有通風溝。沿鐵芯內(nèi)圓表面的槽內(nèi)放置三相定子繞組，并用槽楔壓緊。,例:三峽左岸電站定子鐵芯由硅鋼片、齒壓板、壓指、壓緊螺栓等組成。硅鋼片厚度為0.5mm，兩面均涂有F級絕緣漆，疊成總高度為3130mm，共46段疊片堆，47個通風槽；鐵芯拉緊螺栓位于鐵芯疊片中部，用絕緣套管與鐵芯疊片絕緣，與傳統(tǒng)的位于鐵芯疊片尾部相比拉緊效果好，有利于防止疊片翹曲變形和運行過程中松動，如圖所示。,(3)定子繞組,大中型水輪發(fā)電機的極數(shù)較多，定子繞組多采用雙層波繞組，可節(jié)省極間接線，并多采用分數(shù)槽繞組以便改善電動勢的波形。,例:三峽左岸電站定子繞組設(shè)計為三相雙層波形繞組，每相5支路并聯(lián)，共1080根羅貝爾線棒組成。繞組輪換數(shù)為1814，每極每相槽數(shù)為9/4，節(jié)距為13，如圖所示。,由中心導(dǎo)體、水冷部件、主絕緣、電暈保護層等組成,羅貝爾線棒,兩種發(fā)電機采用的是羅貝爾360度換位線棒，線棒由中心導(dǎo)體、水冷部件、主絕緣、電暈保護層等組成。,線棒結(jié)構(gòu)簡介,(1)ALSTOM發(fā)電機線棒中心導(dǎo)體部分由42根銅股線，單根銅股線表面噴有絕緣漆，層與層之間有一預(yù)浸漬環(huán)氧漆的墊條作為一層額外絕緣，以防層間短路。銅股線換位后留下的空隙用環(huán)氧云母膠填充，外面再加一層內(nèi)部半導(dǎo)體防電暈保護層；VGS發(fā)電機線棒中心導(dǎo)體部分由24根銅股線，線棒的股間絕緣采用玻璃纖維和優(yōu)質(zhì)云母材料。,(2)ALSTOM發(fā)電機水冷部件由6根不銹鋼空心導(dǎo)管和2個水箱組成；VGS發(fā)電機水冷部件由6根銅空心導(dǎo)管，作為中心導(dǎo)體的一部分。,(3)ALSTOM發(fā)電機線棒的主絕緣采用的是MICADURF級絕緣系統(tǒng)，它是由真空浸漬的合成樹脂絕緣帶和在無溶劑環(huán)氧樹脂中浸漬的高品質(zhì)云母玻璃纖維帶組成。整根線棒由19層此絕緣帶連續(xù)半疊繞構(gòu)成，形成后的線棒直線段主絕緣厚度為4.6mm，斜線段主絕緣厚度為3.7mm。VGS發(fā)電機線棒的主絕緣也采用的是MICADURF級絕緣系統(tǒng)，由優(yōu)質(zhì)云母和混合環(huán)氧樹脂組成主絕緣厚度為4.6mm。,(4)ALSTOM發(fā)電機防電暈保護層分兩部分，線棒直線段是浸有半導(dǎo)體漆LL17的聚胺脂帶子纏繞，厚度約為0.15mm，表面接觸電阻變化范圍為0.8-8千歐/平方毫米，線棒端部彎曲段采用高阻防暈層，厚度約為0.9mm。,2.轉(zhuǎn)子,由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子支架、磁軛和磁極等主要部件組成。,轉(zhuǎn)軸一般采用高強度鋼鍛造而成。大中型轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸是空心的，在用鋼量相同的情況下，強度可相應(yīng)增加。,(1)轉(zhuǎn)軸,(2)磁極,磁極采用1-1.5mm厚的鋼板沖片疊成，在磁極的兩端面加上磁極壓板，用鉚釘鉚成整體。,(3)勵磁繞組,勵磁繞組多采用絕緣扁銅線繞制而成，而后經(jīng)浸膠熱處理，套在磁極上，如圖所示。,(4)阻尼繞組,在水輪發(fā)電機中，極靴部位一般裝有阻尼繞組，用以減少并聯(lián)運行時轉(zhuǎn)子振蕩的振幅。整個阻尼繞組由插入極靴阻尼孔中的銅條和端部銅環(huán)焊接而成。某些中小型容量凸極同步發(fā)電機，磁極鐵芯是整體的，一般不另裝阻尼繞組。,(5)磁軛與轉(zhuǎn)子支架,磁軛由高強度經(jīng)鈍化處理的冷軋薄鋼板組裝成的堅實結(jié)構(gòu)，它是磁路的一部分，磁極固定在其圓柱表面。磁軛和轉(zhuǎn)子之間用轉(zhuǎn)子支架支撐著。轉(zhuǎn)子支架固定在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)子支架為圓盤式結(jié)構(gòu)，在工地進行組裝焊接，且設(shè)有足夠數(shù)量的孔洞，以滿足發(fā)電機通風的要求和具有良好的導(dǎo)風性能。停機時，為了避免長時間低速損壞軸瓦，一般在磁軛底部裝有制動環(huán)。,10MW水輪機轉(zhuǎn)子,三峽左岸電站24MW發(fā)電機轉(zhuǎn)子在吊裝,3.軸承,水輪機發(fā)電機組的軸承有導(dǎo)軸承和推力軸承兩種。導(dǎo)軸承的作用是約束軸線位移和防止軸擺動，主要承受徑向力。推力軸承承受水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)動部分(包括電機轉(zhuǎn)子和水輪)的全部重量及軸向水推力，是水輪發(fā)電機組關(guān)鍵部件。,三、同步發(fā)電機的冷卻問題簡介,同步發(fā)電機在運行中產(chǎn)生各種損耗，這些損耗變?yōu)闊崮苁褂嘘P(guān)部件的溫度升高。溫升太高將加速電機絕緣材料老化，從而縮短電機的使用壽命，甚至危及電機的運行安全。所以改善發(fā)電機的冷卻條件，對提高發(fā)電機的輸出功率起著關(guān)鍵性的作用。,水輪發(fā)電機由于直徑大，軸向長度短，體積大，冷卻問題不突出。中小型汽輪發(fā)電機單位體積的發(fā)熱量較小，冷卻方式多采用風冷。,在中、小型電機中，都采用空氣作為冷卻介質(zhì)。當電機的容量很大時，電機內(nèi)部的損耗及發(fā)熱量迅速增加，冷卻問題顯得格外重要，此時必須加強通風或采用其他的冷卻方式。,對于大型汽輪發(fā)電機，發(fā)熱和冷卻問題就比較突出了。汽輪發(fā)電機直徑小、長度長，中部的熱量不易散出，需要采取提高冷卻效果的措施。,此外，純凈的水不但電導(dǎo)率低，化學性能穩(wěn)定，流動性好，而且具有較高的導(dǎo)熱特性。目前，在更大容量的大型汽輪發(fā)電機廣泛采用轉(zhuǎn)子氫冷，定子水內(nèi)冷，也有采用定、轉(zhuǎn)子水內(nèi)冷的冷卻方式。雙水內(nèi)冷電機的定、轉(zhuǎn)子的導(dǎo)線是空心的，起到導(dǎo)線內(nèi)部直接冷卻的作用。例如采用空心導(dǎo)體（如圖），冷卻介質(zhì)直接在導(dǎo)體中流通而把熱量帶走，這樣能更有效地降低電機的溫升，所采用的冷卻介質(zhì)一般有氫氣及水等。,在大型汽輪發(fā)電機中，為了提高其冷卻效率，例50MW以上的汽輪發(fā)電機，冷卻介質(zhì)用氫氣代替空氣。由于氫氣的導(dǎo)熱率較空氣大7倍，比重僅為空氣的1/14，故氫冷發(fā)電機損耗較小，冷卻效果較好。但氫氣與氧氣不能混合，若混合成一定比例時有爆炸的危險。因此，必須有一套控制設(shè)備來保證外界空氣不會滲入到電機內(nèi)部，同時防止氫氣外泄和保持氫氣純度，就要采取密封措施，兩個軸伸端應(yīng)有特殊的油封系統(tǒng)。,除了熱源容量大以外，大型汽輪發(fā)電機的散熱比較困難是其另一個不利因素。電機容量大，必然體積也大。體積大增大了散熱表面是有利的，但同時帶來了散熱途徑增長的缺點，使電機內(nèi)部溫度不均勻，容易發(fā)生局部過熱而燒壞電機。大型電機繞組電壓高，相應(yīng)地定子組絕緣也就厚，絕緣材料的熱阻很大，又增加了散熱的困難。電機散熱一般主要靠對流作用，汽輪發(fā)電機軸向長度很長，空氣對流所受阻力大，空氣和轉(zhuǎn)子摩擦還要引起損耗，這些均增加r散熱的困難。為此，同步發(fā)電機特別是大容量汽輪發(fā)電機，必須有有效的冷卻系統(tǒng)，才能保證它正常運行。,冷卻系統(tǒng)(1),同步發(fā)電機的冷卻介質(zhì)有空氣、氫氣和水三種，按散熱方式主要分為外冷（表面冷卻）和內(nèi)冷（直接冷卻發(fā)熱體），也有兩種兼用的方式。(1)空氣冷卻空氣由轉(zhuǎn)子兩側(cè)的風扇吸人，通過所設(shè)計的風道后，排出機外，將熱量帶走。熱空氣經(jīng)機外的空氣冷卻器冷卻后再送入機內(nèi)重復(fù)利用。這樣的空氣封閉系統(tǒng)可以防止水分和灰塵等隨空氣進入機內(nèi)，引起絕緣性能下降、風道堵塞等弊病。如圖所示為一機內(nèi)通風系統(tǒng)的示意圖。,冷卻系統(tǒng)(2),機內(nèi)通風情況示意圖1一進風區(qū)2一出風區(qū)3一繞組端接4一風扇5一轉(zhuǎn)子6定子鐵心7一端蓋,空冷方式結(jié)構(gòu)簡單，運行維護都方便。但空氣的傳熱系數(shù)相對較小，冷卻效果不理想。此外，加大通風量來提高散熱作用，又會增大轉(zhuǎn)子風扇的鼓風損耗和空氣和轉(zhuǎn)子間的風摩擦損耗。因此，空冷汽輪發(fā)電機的容景最大不超過50MW。,冷卻系統(tǒng)(3),(2)氫氣冷卻以氫氣代替空氣作為冷卻介質(zhì)。其系統(tǒng)基本與空冷相同，但氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣大67倍。用同樣體積氫氣和空氣，前者可帶走的熱量遠大于后者。氫氣比重較空氣輕十多倍，又可以大大減少通風和風摩擦損耗。此外，氫冷可防止絕緣材料氧化；氫氣不助燃，當機內(nèi)發(fā)生短路故障時，不會引起火災(zāi)。采取氫冷必須保持機內(nèi)為正壓力，機內(nèi)氫氣表壓力應(yīng)為1.05106Pa，以防止空氣滲入機內(nèi)。因為氫氣和空氣混合是危險的，達到一定比例時可能發(fā)生爆炸。氫冷汽輪發(fā)電機容量可達50150MW左右。,(3)內(nèi)冷上述為表面冷卻，而內(nèi)冷是使冷卻介質(zhì)直接接觸繞組導(dǎo)體，使導(dǎo)體的熱量不用再穿過絕緣層，就直接被介質(zhì)帶走。這就大大提高了冷卻效果，改善了電機中最怕高溫的絕緣材料的工作條件。內(nèi)冷的冷卻介質(zhì)可以是氫氣，亦可以是水?，F(xiàn)有電機所應(yīng)用的冷卻介質(zhì)中，以水的冷卻能力最強，約為空氣的50倍。內(nèi)冷用氫氣作為介質(zhì)時，可在繞組導(dǎo)體間夾置幾個內(nèi)部通氫氣的管子。轉(zhuǎn)子氫內(nèi)冷時，轉(zhuǎn)子繞組和槽楔上鉆有與槽底通風槽相通的小孔，氫氣自槽底通風槽進入，冷卻轉(zhuǎn)子導(dǎo)體后再由小孔徑向流入空氣隙。氫氣的流動性好，容易吹過細孔是其一大優(yōu)點。當內(nèi)冷用水作介質(zhì)時，繞組采用空心導(dǎo)體，冷卻水沿著導(dǎo)體內(nèi)孔流通，直接將導(dǎo)體熱量帶走。,冷卻系統(tǒng)(4),定子繞組是靜止的，所以冷卻水系統(tǒng)比較簡單。繞組是帶電體，冷卻水必須通過一段絕緣水管才能引到繞組導(dǎo)體孔中去。下圖表示定子冷卻水進出的示意圖，冷卻水進入環(huán)形總進水管，經(jīng)過絕緣水管和水電接頭分配到管形導(dǎo)體中去。流過繞組，冷卻水變熱后，同樣須經(jīng)過水電接頭，絕緣水管匯集到環(huán)形總出水管，再從機內(nèi)排出到機外冷卻器中，冷卻后再重復(fù)利用。,冷卻系統(tǒng)(5),水內(nèi)冷進出水原理圖及水電接頭圖a）單邊進出水b）雙邊進出水c）二種水電接頭1一空心導(dǎo)體2一水電接頭3一絕緣水管4一總出水管5一總進水管,轉(zhuǎn)子繞組隨著轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，它用水內(nèi)冷就比較復(fù)雜。常用的進出水結(jié)構(gòu)為中心孔進水、表面出水的方式。冷卻水經(jīng)外部管道通過轉(zhuǎn)軸中心孔進入位于轉(zhuǎn)子上的環(huán)狀進水箱。冷卻水經(jīng)水箱軸向孔洞、絕緣水管分配到轉(zhuǎn)子繞組的空心導(dǎo)體。冷卻導(dǎo)體后，冷卻水經(jīng)同樣的絕緣水管進入出水箱，最后由離心力作用由水箱輻向孔匯集到出水支座排出機外。圖轉(zhuǎn)子進水結(jié)構(gòu)的示意圖。,轉(zhuǎn)子進水裝置1一轉(zhuǎn)子線圈2一護環(huán)3一中心環(huán)4一絕緣水管和進水管接頭5一木墊塊6進水箱7絕緣引水管8一轉(zhuǎn)軸9一小護環(huán),冷卻系統(tǒng)(6),定子鐵心如要采用水內(nèi)冷，則可在鐵心疊片間設(shè)置幾處冷卻水管通以冷卻水以降低鐵心溫升。對冷卻水的水質(zhì)有一定要求，一般未經(jīng)處理的水，電導(dǎo)率較大含有雜質(zhì)，不能作冷卻水用，否則將引起導(dǎo)體電解腐蝕；堵塞導(dǎo)體內(nèi)孔，引起局部過熱等嚴重問題。在火電廠中汽輪機的凝結(jié)水水質(zhì)較好，一般就用它作冷卻水。定、轉(zhuǎn)子均采用水內(nèi)冷，稱為“雙水內(nèi)汽”也稱為“水、水、空”冷卻方式，這種方式是我國于1958年首先研制成功的，其容量已制成125MW，200MW，300MW。有時為了避免轉(zhuǎn)子水內(nèi)冷結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，也采用定子繞組水內(nèi)冷、轉(zhuǎn)子繞組氫內(nèi)冷、機內(nèi)用氫氣作介質(zhì)進行表面冷卻的方式，稱為“水、氫、氫”冷卻方式，其容量可達300MW、600MW。水輪發(fā)電機由于直徑大，軸向長度短，冷卻條件較好，大都采用空氣表面冷卻方式。,冷卻系統(tǒng)(7),定子水路,用冷凝水通入導(dǎo)線的內(nèi)孔直接冷卻導(dǎo)線，較之空氣或氫氣冷卻的效果要好的多，導(dǎo)線的電流密度可大為提高。例如50MW空氣冷卻的汽輪發(fā)電機與100MW雙水內(nèi)冷的汽輪發(fā)電機所用材料相近。,轉(zhuǎn)子風斗,第三節(jié)同步發(fā)電機的銘牌數(shù)據(jù),在同步發(fā)電機的醒目部位裝有銘牌。電機的額定值標在銘牌上，主要有如下幾種。,1.額定容量SN或額定功率PN,額定容量SN是指發(fā)電機在額定運行時出線端的額定視在功率，一般用kW（kVA）或MW（MVA）為單位；而額定功率PN是指發(fā)電機在額定運行時輸出的額定有功功率，一般用kW或MW為單位。對于同步調(diào)相機，則用出線端的額定無功功率來表示其容量，以kW（kvar）或MW（Mvar）為單位。,2.額定電流IN,額定電流IN是指發(fā)電機在額定運行時流過三相定子繞組的線電流，單位為A或kA。,3.額定電壓UN,額定電壓UN是指發(fā)電機在額定運行時三相定子繞組的線電壓，單位為V或kV。,一、額定值,4.額定功率因數(shù)cosN,額定功率因數(shù)cosN是指發(fā)電機在額定運行時的功率因數(shù)，即額定有功功率與額定視在功率之比，cosN=PN/SN。電機銘牌上通常標有PN和cosN或SN和cosN。,5.額定效率N,額定效率N是指發(fā)電機額定運行時的效率。,同步發(fā)電機額定值之間關(guān)系為：,銘牌上還標明同步發(fā)電機的型號和類型，下面介紹幾種同步發(fā)電機的型號。,二、型號和類型,1.氫冷汽輪發(fā)電機,2.空冷水輪發(fā)電機,例1：一臺汽輪發(fā)電機的型號為QFSN-300-2QF汽輪發(fā)電機；SN水內(nèi)冷，表示發(fā)電機的冷卻方式為水氫氫；300發(fā)電機輸出的額定有功功率，單位為MW；2發(fā)電機的磁極個數(shù)。,T同步；S水輪發(fā)電機，900定子鐵心外徑，單位為cm；135定子鐵心長度，單位為cm；56磁極個數(shù)。,例2：一臺水輪發(fā)電機的型號為:TS900/13556,例3:東方電機廠的QFSN-300-2型電機,PN=300MW，UN=20kV，IN=10190A，cosN=0.85，nN=3000r/min，fN=50HZ。,3.同步電機的分類,按運行方式和功轉(zhuǎn)換方向：同步發(fā)電機同步電動機同步調(diào)相機按結(jié)構(gòu)分旋轉(zhuǎn)磁極式旋轉(zhuǎn)電樞式(小容量)按磁極的形狀分：隱極機凸極機按原動機的類別分：汽輪發(fā)電機水輪發(fā)電機柴油發(fā)電機燃汽輪發(fā)電機風力發(fā)電機汽輪發(fā)電機