同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理和結(jié)構(gòu)

1、同步電機(jī)屬交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)，主要用作發(fā)電機(jī)，在電力系統(tǒng)的發(fā)電廠中，絕大多數(shù)機(jī)組都是用的同步發(fā)電機(jī)。第二篇第二篇 同步電機(jī)篇同步電機(jī)篇同步電機(jī)也可用作電動機(jī)，只是使用得不多，只在一些特殊的場所使用。此外，同步電機(jī)還可用作調(diào)相機(jī)，用作對系統(tǒng)無功進(jìn)行補(bǔ)償。本教材著重討論同步發(fā)電機(jī)，對同步電動機(jī)和調(diào)相機(jī)作簡單介紹。通過對本篇內(nèi)容的學(xué)習(xí)，要能掌握同步發(fā)電機(jī)的工作原理、運(yùn)行特性、調(diào)節(jié)方法、運(yùn)行分析，從而能正確使用同步發(fā)電機(jī)。同步發(fā)電機(jī)的作用是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，水能發(fā)電機(jī)組的工作過程見下圖示：第七章第七章 同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理和結(jié)構(gòu)同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理和結(jié)構(gòu)本章討論的內(nèi)容主要是：同步發(fā)電機(jī)的工作原理即

2、同步發(fā)電機(jī)是如何將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的；同步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)同步發(fā)電機(jī)由哪些主要的部件構(gòu)成，各部件的作用；同步發(fā)電機(jī)的勵磁方式。第一節(jié)第一節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理一、三相同步發(fā)電機(jī)的工作原理三相同步發(fā)電機(jī)的工作原理示意圖見下圖示：同步發(fā)電機(jī)的主要構(gòu)成部件包括兩大部分：定子（工作時不運(yùn)動部分）和轉(zhuǎn)子（工作時轉(zhuǎn)動部分）。定子部分主要有：定子鐵心（硅鋼片疊成），其內(nèi)表面開槽用于嵌放定子繞組；定子三相對稱繞組，用于切割磁場感應(yīng)電動勢，將動能轉(zhuǎn)換成電能。轉(zhuǎn)子部分主要有：轉(zhuǎn)子鐵心及磁極；轉(zhuǎn)子繞組（也稱為勵磁繞組），用于通過直流電流（勵磁電流）形成恒定磁場。對照原理結(jié)構(gòu)圖，說明同步

3、發(fā)電機(jī)的工作過程：電生磁：轉(zhuǎn)子繞組通直流電流后產(chǎn)生恒定磁場。磁生電：該恒定磁場在原動機(jī)帶動下旋轉(zhuǎn)，切割定子上的三相對稱繞組，在定子繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，見圖7-2和式（7-1），在其引出端就有了三相對稱交流電壓輸出。若接上負(fù)載，則有電流輸出，即有了電能輸出，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。注：本篇同步發(fā)電機(jī)的三相繞組首尾端標(biāo)注為：U1U2、V1V2、W1W2，與前述的AX、BY、CZ對應(yīng)。三相同步發(fā)電機(jī)的工作過程見下圖示：三相同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生感應(yīng)的交流電動勢，電動勢的頻率f與機(jī)組的旋轉(zhuǎn)速度n、磁極對數(shù)p有以下關(guān)系：)( 60Hzpnf 我國規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)工頻為50Hz，當(dāng)發(fā)電機(jī)的磁極對數(shù)p確定時，機(jī)組的轉(zhuǎn)速也

4、確定。三者有以下關(guān)系：磁極對數(shù)p轉(zhuǎn)速n（轉(zhuǎn)/分）磁極對數(shù)p轉(zhuǎn)速n（轉(zhuǎn)/分）1300056002150065003100074750二、同步發(fā)電機(jī)的類型同步發(fā)電機(jī)分類方法很多，可按以下方式分類：按原動機(jī)的類型不同分：按發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同分，見下圖：按安裝方式不同分：立式、臥式。按發(fā)電機(jī)冷卻方式不同分：對以上分類有一初步了解。三、同步發(fā)電機(jī)的銘牌與前述變壓器相同，同步發(fā)電機(jī)外殼上也貼有一銘牌，銘牌給出了同步發(fā)電機(jī)的相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)和使用條件，是正確選購和使用電機(jī)的重要依據(jù)。（一）額定值重要的技術(shù)參數(shù)，掌握含義。（1）額定功率PN，單位kW（或MW），含義（2）額定電壓UN，單位V（或kV），含義（3）

5、額定電流IN，單位A（或kA），含義（4）額定功率因數(shù)conjN，含義同步發(fā)電機(jī)額定參數(shù)滿足以下關(guān)系：NNNNconIUPj3此外，銘牌上還標(biāo)有同步發(fā)電機(jī)的額定頻率fN、額定轉(zhuǎn)速nN、額定勵磁電壓UfN、額定勵磁電流IfN、額定效率hN及絕緣等級等參數(shù)。（二）型號型號是一標(biāo)明電機(jī)結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)的基本代號，由漢語拼音和數(shù)字組成，見書上例，對此作一了解。四、同步發(fā)電機(jī)的冷卻方式同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中存在三類損耗，消耗在不同的部件上，最終轉(zhuǎn)換成熱量，這些熱量若不及時排散，會使相應(yīng)部件溫度升高，會損壞相應(yīng)部件。鐵損：在定子鐵心中，產(chǎn)生原因銅損：在定、轉(zhuǎn)子繞組中，產(chǎn)生原因機(jī)械損損耗：在機(jī)組的軸承中，產(chǎn)生

6、原因相關(guān)部件的散熱（冷卻）方式：通過空氣、水、氫氣等冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷卻。第二節(jié)第二節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)同步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)目前電力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)主要有兩大類：汽輪發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)，這兩類發(fā)電機(jī)的工作原理是一樣的，不同的是在工作過程中一類是高轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)，一類是低轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)，這使其結(jié)構(gòu)有一點(diǎn)不同。一、汽輪發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)汽輪發(fā)電機(jī)是在高轉(zhuǎn)速下工作，定子結(jié)構(gòu)與水輪發(fā)電機(jī)是一樣的，其轉(zhuǎn)子采用隱極式結(jié)構(gòu)，直徑小、軸向尺寸長，全為臥式布置，理由定子結(jié)構(gòu)見下圖：二、水輪發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)水輪發(fā)電機(jī)大部分是在低轉(zhuǎn)速下工作，定子結(jié)構(gòu)與汽輪發(fā)電機(jī)是一樣的，包括機(jī)座、定子鐵心、定子繞組三大主要部件，外形見下圖：定

7、子鐵心用硅鋼片疊成圓筒形，由于定子鐵心的直徑很大，硅鋼片須沖剪成扇形后疊裝成圓筒狀，定子沖片形狀見下圖：定子繞組用銅線（銅棒）繞制成形，再嵌放在定子鐵心槽內(nèi)，定子繞組形狀見下圖：水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低，因而磁極數(shù)多，轉(zhuǎn)子采用凸極式結(jié)構(gòu)，其直徑大、軸向尺寸短，凸極式理由。轉(zhuǎn)子外形見下圖：水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子用低碳鋼板沖剪成形疊裝成轉(zhuǎn)子磁極，套上轉(zhuǎn)子繞組，嵌放在轉(zhuǎn)子磁軛上。每個轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)在一起構(gòu)成轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子磁極外形見下圖：注：轉(zhuǎn)子勵磁繞組是跟隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的，勵磁的直流電源一般是靜止的，同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，如何將旋轉(zhuǎn)的勵磁繞組與靜止的直流電源連接起來？這是通過下圖所示裝置完成這種連接的：至 勵 磁 繞 組

8、機(jī)組用軸承支撐、約束和維持轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)動。軸承有兩類：導(dǎo)軸承和推力軸承。導(dǎo)軸承的作用是約束機(jī)組軸線的位移，防止轉(zhuǎn)軸的擺動（即不能左右前后搖擺）。推力軸承的作用是支撐機(jī)組轉(zhuǎn)動部分的分部重量和軸向的水推力。根據(jù)推力軸承安裝位置的不同，立式機(jī)組分為懸式和傘式兩種，見下圖示：轉(zhuǎn)子下機(jī)架推力軸承傘式推力軸承上機(jī)架轉(zhuǎn)子懸式水輪發(fā)電機(jī)組也有采用臥式機(jī)組形式的，主要用于高水頭、小流量的小型機(jī)組，這樣可降低整個廠房的修建高度，從而降低修建成本。如青城電站從原理分析已知，同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時必須在轉(zhuǎn)子繞組中通入直流電流建立磁場，這個電流就叫勵磁電流。我們把供給勵磁電流的電源及其附屬設(shè)備（勵磁調(diào)節(jié)器、滅磁裝置）統(tǒng)稱為勵

9、磁系統(tǒng)。第三節(jié)第三節(jié) 三相同步發(fā)電機(jī)的勵磁方式三相同步發(fā)電機(jī)的勵磁方式獲取勵磁電流的方式有多種，在實(shí)際應(yīng)用中常用的有以下幾種：一、直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)的構(gòu)成見下圖示：該系統(tǒng)中，直流系統(tǒng)的電路部分與同步發(fā)電機(jī)無關(guān)聯(lián)，相互獨(dú)立，但直流發(fā)電機(jī)也由同步發(fā)電機(jī)的原動機(jī)帶動工作，工作過程。如青城電廠的機(jī)組。這種勵磁方式目前已淘汰，原因是容量有限、維護(hù)麻煩、工作性能差。二、交流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)（一）交流勵磁機(jī)靜止整流勵磁系統(tǒng)的構(gòu)成見下圖示：說明其構(gòu)成和工作過程大容量發(fā)電機(jī)組上使用，不過這種勵磁方式容量也不能做到太大，如現(xiàn)在的幾十萬kW的機(jī)組，原因。（一）交流勵磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流勵磁系統(tǒng)的構(gòu)成見下圖示：該系統(tǒng)的組成及工作過程該系統(tǒng)可用于超大型容量的發(fā)電機(jī)組中。三、自勵磁式勵磁系統(tǒng)在中小型同步發(fā)電機(jī)中，目前用得最多的是可控硅勵磁系統(tǒng)，即教材中所介紹的“自勵式靜止整流勵磁系統(tǒng)”，我校教學(xué)科研電站即此勵磁方式。見下圖示：該系統(tǒng)的構(gòu)成和工作過程 同步發(fā)電