第十四章同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1、n n= =n n1 1 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)速速電機(jī)磁電機(jī)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度速度v同步電機(jī)也作為同步電機(jī)也作為電動(dòng)機(jī)應(yīng)用電動(dòng)機(jī)應(yīng)用。 n=n= 調(diào)速：變頻調(diào)速：變頻 只要電源頻率不變，同步電動(dòng)機(jī)的只要電源頻率不變，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是恒轉(zhuǎn)速是恒定定的，在的，在不要求調(diào)速不要求調(diào)速的場(chǎng)合（可以采用變頻調(diào)的場(chǎng)合（可以采用變頻調(diào)速），應(yīng)用大型同步電動(dòng)機(jī)可以提高運(yùn)行效率。速），應(yīng)用大型同步電動(dòng)機(jī)可以提高運(yùn)行效率。 同步電動(dòng)機(jī)可以通過(guò)同步電動(dòng)機(jī)可以通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)來(lái)改善改善電電網(wǎng)的功率因數(shù)。網(wǎng)的功率因數(shù)。 近年來(lái)，小型同步電動(dòng)機(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)近年來(lái)，小型同步電動(dòng)機(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中得到較

2、多地應(yīng)用。中得到較多地應(yīng)用。 v還作為還作為同步補(bǔ)償機(jī)同步補(bǔ)償機(jī)（也稱(chēng)（也稱(chēng)調(diào)相機(jī)調(diào)相機(jī)）用。）用。 同步補(bǔ)償機(jī)實(shí)際是一臺(tái)接在交流電網(wǎng)上空同步補(bǔ)償機(jī)實(shí)際是一臺(tái)接在交流電網(wǎng)上空載的同步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)不帶任何機(jī)械負(fù)載，靠載的同步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)不帶任何機(jī)械負(fù)載，靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性或者容性無(wú)功功率或者容性無(wú)功功率，以達(dá)到改善電網(wǎng)功率因數(shù)，以達(dá)到改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的目的?；蛘哒{(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的目的。 一一. . 三相同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理三相同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理 v同步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)(synchronous generator

3、)(synchronous generator)是將機(jī)械能是將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔艿脑O(shè)備。轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔艿脑O(shè)備。 在火電廠，發(fā)電機(jī)用汽輪機(jī)作在火電廠，發(fā)電機(jī)用汽輪機(jī)作原動(dòng)機(jī)原動(dòng)機(jī)(給同步發(fā)給同步發(fā)電機(jī)輸入機(jī)械能），稱(chēng)為電機(jī)輸入機(jī)械能），稱(chēng)為汽輪發(fā)電機(jī)汽輪發(fā)電機(jī)；在核電站是；在核電站是以核反應(yīng)堆來(lái)代替火電站的鍋爐，原動(dòng)機(jī)仍然是汽以核反應(yīng)堆來(lái)代替火電站的鍋爐，原動(dòng)機(jī)仍然是汽輪機(jī)；輪機(jī)； 在水電廠，發(fā)電機(jī)用水輪機(jī)作原動(dòng)機(jī)，稱(chēng)為在水電廠，發(fā)電機(jī)用水輪機(jī)作原動(dòng)機(jī)，稱(chēng)為水水輪發(fā)電機(jī)輪發(fā)電機(jī)； 有的地方用柴油機(jī)用作原動(dòng)機(jī)，稱(chēng)為有的地方用柴油機(jī)用作原動(dòng)機(jī)，稱(chēng)為柴油發(fā)電柴油發(fā)電機(jī)機(jī)。 等等等等。SNnIf圖14

4、-1 同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型tEemacos)120cos(tEemb)120cos(tEemc00sinsin120sin120OAmOBmOBmeEteEteEtf 2 60pnf SNnIf二二. .同步電機(jī)的類(lèi)型同步電機(jī)的類(lèi)型 v同步電機(jī)的分類(lèi)方法有多種，常見(jiàn)的有以下幾種同步電機(jī)的分類(lèi)方法有多種，常見(jiàn)的有以下幾種分類(lèi)方法。分類(lèi)方法。v按按運(yùn)行方式運(yùn)行方式不同分為：發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和調(diào)相機(jī)。不同分為：發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和調(diào)相機(jī)。v按按結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式不同分為：電樞旋轉(zhuǎn)式（簡(jiǎn)稱(chēng)轉(zhuǎn)樞式）不同分為：電樞旋轉(zhuǎn)式（簡(jiǎn)稱(chēng)轉(zhuǎn)樞式）和磁極旋轉(zhuǎn)式（簡(jiǎn)稱(chēng)轉(zhuǎn)場(chǎng)式）。磁極旋轉(zhuǎn)式按轉(zhuǎn)和磁極旋轉(zhuǎn)式（簡(jiǎn)稱(chēng)轉(zhuǎn)場(chǎng)式）。磁極旋轉(zhuǎn)式按

5、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同又分為凸極式和隱極式。子結(jié)構(gòu)不同又分為凸極式和隱極式。v按按安裝方式安裝方式不同分為：不同分為： 臥式和立式臥式和立式。 SNnIfv按按原動(dòng)機(jī)類(lèi)型原動(dòng)機(jī)類(lèi)型不同分為：汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電不同分為：汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)等等。機(jī)、燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)等等。v按按冷卻介質(zhì)冷卻介質(zhì)不同分為：空氣冷卻、氫氣冷卻、水不同分為：空氣冷卻、氫氣冷卻、水冷卻等。冷卻等。 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) v同步電機(jī)一般采用同步電機(jī)一般采用旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)，根據(jù)磁極形，根據(jù)磁極形狀可分為隱極和凸極兩種型式。狀可分為隱極和凸極兩種型式。

6、 凸極同步電機(jī)氣隙不均勻，適合于中速或低速旋轉(zhuǎn)場(chǎng)合凸極同步電機(jī)氣隙不均勻，適合于中速或低速旋轉(zhuǎn)場(chǎng)合（水輪發(fā)電機(jī)）（水輪發(fā)電機(jī)） 隱極同步電機(jī)在不考慮齒槽效應(yīng)時(shí)，氣隙均勻，適合于隱極同步電機(jī)在不考慮齒槽效應(yīng)時(shí)，氣隙均勻，適合于 高速旋轉(zhuǎn)：汽輪發(fā)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)：汽輪發(fā)電機(jī)v核電站用的汽輪發(fā)電機(jī)在構(gòu)造上與常規(guī)火電站用的核電站用的汽輪發(fā)電機(jī)在構(gòu)造上與常規(guī)火電站用的大同小異，所不同的是由于蒸汽壓力和溫度都較低，大同小異，所不同的是由于蒸汽壓力和溫度都較低，所以同等功率機(jī)組的汽輪機(jī)體積比常規(guī)火電站的大。所以同等功率機(jī)組的汽輪機(jī)體積比常規(guī)火電站的大。 一一. .汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu) v火電廠火電廠(h

7、eat-engine plant)(heat-engine plant)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)如圖的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)如圖14-314-3，汽輪機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，勵(lì)磁機(jī)汽輪機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，勵(lì)磁機(jī)（或自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器）給同步發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電流。（或自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器）給同步發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電流。 圖圖14-4 14-4 國(guó)產(chǎn)國(guó)產(chǎn)300MW300MW汽輪發(fā)電機(jī)外汽輪發(fā)電機(jī)外(turbonator)(turbonator)形結(jié)構(gòu)圖。形結(jié)構(gòu)圖。v圖圖14-514-5是一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)的主要部件圖。是一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)的主要部件圖。 300MW300MW水氫冷發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)水氫冷發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu) “半組式半組式”結(jié)

8、構(gòu)，即將一個(gè)線圈的兩個(gè)線圈邊分開(kāi)來(lái)制造，嵌結(jié)構(gòu)，即將一個(gè)線圈的兩個(gè)線圈邊分開(kāi)來(lái)制造，嵌入槽中后，再將其端接部分焊接起來(lái)。入槽中后，再將其端接部分焊接起來(lái)。2 2轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子v 發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子(rotor)(rotor)的作用是傳遞原動(dòng)機(jī)供給的作用是傳遞原動(dòng)機(jī)供給的機(jī)械能、支撐旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁線圈、形成良好的磁通的機(jī)械能、支撐旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁線圈、形成良好的磁通路徑和轉(zhuǎn)子散熱通道，因此對(duì)轉(zhuǎn)子路徑和轉(zhuǎn)子散熱通道，因此對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、材料和加結(jié)構(gòu)、材料和加工工藝要求較高。工工藝要求較高。v汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由轉(zhuǎn)于鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、端環(huán)汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由轉(zhuǎn)于鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、端環(huán)以及滑環(huán)、風(fēng)扇等部件組成，如圖以及

9、滑環(huán)、風(fēng)扇等部件組成，如圖14-914-9。 轉(zhuǎn)子繞組的通風(fēng)口轉(zhuǎn)子繞組的通風(fēng)口 護(hù)環(huán)護(hù)環(huán) 中心環(huán)中心環(huán) 風(fēng)扇風(fēng)扇 14-914-9汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子外形汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子外形 護(hù)環(huán)護(hù)環(huán)用來(lái)套在轉(zhuǎn)子繞組瑞部用來(lái)套在轉(zhuǎn)子繞組瑞部外面，防止徑向位移，外面，防止徑向位移，中心中心環(huán)環(huán)則用來(lái)阻止軸向位移。則用來(lái)阻止軸向位移。NS+隱極式隱極式隱極同步電機(jī)的主要部隱極同步電機(jī)的主要部件件3.3.其他部件其他部件v滑環(huán)與電刷滑環(huán)與電刷的作用是將外界的直流電引入到轉(zhuǎn)動(dòng)的勵(lì)磁的作用是將外界的直流電引入到轉(zhuǎn)動(dòng)的勵(lì)磁繞組。繞組。v電刷是電機(jī)中最易損壞和維護(hù)工作量最大的零件，汽輪電刷是電機(jī)中最易損壞和維護(hù)工作量最大的零件，汽

10、輪發(fā)電機(jī)一般采用石墨或電化石墨電刷。為使兩滑環(huán)磨損發(fā)電機(jī)一般采用石墨或電化石墨電刷。為使兩滑環(huán)磨損均勻，在運(yùn)行中要定期改變滑環(huán)的極性。均勻，在運(yùn)行中要定期改變滑環(huán)的極性。 v風(fēng)扇風(fēng)扇的作用是使電機(jī)內(nèi)部通風(fēng)冷卻一般裝在轉(zhuǎn)子的作用是使電機(jī)內(nèi)部通風(fēng)冷卻一般裝在轉(zhuǎn)子兩瑞，當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)扇隨轉(zhuǎn)子而轉(zhuǎn)動(dòng)，使冷兩瑞，當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)扇隨轉(zhuǎn)子而轉(zhuǎn)動(dòng)，使冷卻氣體流過(guò)線圈和鐵心，帶走熱量。卻氣體流過(guò)線圈和鐵心，帶走熱量。4.4.同步發(fā)電機(jī)的冷卻方式同步發(fā)電機(jī)的冷卻方式v常用的冷卻介質(zhì)有常用的冷卻介質(zhì)有空氣、氫氣和水空氣、氫氣和水。v目前發(fā)電機(jī)的冷卻方式有：目前發(fā)電機(jī)的冷卻方式有： 空氣冷卻空氣冷卻；水；水-

11、 -氫氫- -氫，即定子繞組用水冷卻，氫，即定子繞組用水冷卻，轉(zhuǎn)子繞組采用氫內(nèi)冷，定子鐵心為氫冷；轉(zhuǎn)子繞組采用氫內(nèi)冷，定子鐵心為氫冷； 水水- -水水- -氫氫，即定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組用水冷卻，即定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組用水冷卻，定子鐵心為氫冷。定子鐵心為氫冷。 由于氫氣的密度僅為空氣的由于氫氣的密度僅為空氣的1/41/4，導(dǎo)熱性能比空，導(dǎo)熱性能比空氣好氣好6 6倍，其冷卻效果比空氣好，所以，大容量同倍，其冷卻效果比空氣好，所以，大容量同步發(fā)電機(jī)采用水步發(fā)電機(jī)采用水- -氫氫- -氫。氫。 v水輪發(fā)電機(jī)水輪發(fā)電機(jī)(hydro-generator)(hydro-generator)的主要結(jié)構(gòu)型式有的主要

12、結(jié)構(gòu)型式有臥式、立式和燈泡貫流式，如圖臥式、立式和燈泡貫流式，如圖14-1314-13。v通常小容量水輪發(fā)電機(jī)多采用臥式結(jié)構(gòu)，中等容量通常小容量水輪發(fā)電機(jī)多采用臥式結(jié)構(gòu)，中等容量水輪發(fā)電機(jī)采用立式或臥式結(jié)構(gòu)，而大容量水輪發(fā)水輪發(fā)電機(jī)采用立式或臥式結(jié)構(gòu)，而大容量水輪發(fā)電機(jī)則廣泛采用立式結(jié)構(gòu)。電機(jī)則廣泛采用立式結(jié)構(gòu)。 （a a）立式水輪發(fā)電機(jī)）立式水輪發(fā)電機(jī) ( (b b) )臥式水輪發(fā)電機(jī)臥式水輪發(fā)電機(jī) ( (c c) ) 燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī) 圖圖14-13 14-13 水輪發(fā)電機(jī)的三種結(jié)構(gòu)形式水輪發(fā)電機(jī)的三種結(jié)構(gòu)形式 NSNS+凸極式凸極式第四節(jié)第四節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的型號(hào)與

13、額定值同步發(fā)電機(jī)的型號(hào)與額定值 我國(guó)生產(chǎn)的我國(guó)生產(chǎn)的汽輪發(fā)電機(jī)有汽輪發(fā)電機(jī)有QFQQFQ、QFNQFN、QFSQFS等系列。等系列。前兩個(gè)字母表示汽輪發(fā)電機(jī)；第三個(gè)字母表示冷卻方式，前兩個(gè)字母表示汽輪發(fā)電機(jī)；第三個(gè)字母表示冷卻方式，Q Q表表示氫外冷，示氫外冷，N N表示氫內(nèi)冷，表示氫內(nèi)冷，S S表示雙水內(nèi)冷。表示雙水內(nèi)冷。系列：系列：TSTS系列，系列，T T表示同步，表示同步，S S表示水輪。表示水輪。舉例：舉例：QFS-300-2 QFS-300-2 表示容量為表示容量為300MW300MW雙水內(nèi)冷雙水內(nèi)冷2 2極汽輪發(fā)電機(jī)。極汽輪發(fā)電機(jī)。TSS1264/160-48TSS1264/16

14、0-48表示雙水內(nèi)冷水輪發(fā)電機(jī)，定子外徑為表示雙水內(nèi)冷水輪發(fā)電機(jī)，定子外徑為12641264厘米，鐵心長(zhǎng)為厘米，鐵心長(zhǎng)為160160厘米，極數(shù)為厘米，極數(shù)為4848。同步電動(dòng)機(jī)系列有同步電動(dòng)機(jī)系列有TDTD、TDLTDL等，等，TDTD表示同步電動(dòng)機(jī)，后面的字表示同步電動(dòng)機(jī)，后面的字母指出其主要用途。如母指出其主要用途。如TDGTDG表示高速同步電動(dòng)機(jī)；表示高速同步電動(dòng)機(jī)；TDLTDL表示表示立式同步電動(dòng)機(jī)。立式同步電動(dòng)機(jī)。同步補(bǔ)償機(jī)為同步補(bǔ)償機(jī)為T(mén)TTT系列。系列。2.2.額定值額定值 額定容量額定容量S SN N( (VAVA、kVAkVA、MVAMVA等等) ) 或額定功率或額定功率P

15、PN N ( (W W、kWkW、MWMW等等) )：指電機(jī)輸出功率的保證值。：指電機(jī)輸出功率的保證值。 發(fā)電機(jī)通過(guò)額定容量值可以確定電樞電流，通發(fā)電機(jī)通過(guò)額定容量值可以確定電樞電流，通過(guò)額定功率可以確定配套原動(dòng)機(jī)的容量。過(guò)額定功率可以確定配套原動(dòng)機(jī)的容量。 電動(dòng)機(jī)的額定容量一般用電動(dòng)機(jī)的額定容量一般用kWkW數(shù)表示，補(bǔ)償機(jī)則數(shù)表示，補(bǔ)償機(jī)則用用kVARkVAR表示。表示。 額定電壓額定電壓 U UN N( (V V、kVkV等等) )：指額定運(yùn)行時(shí)定子輸：指額定運(yùn)行時(shí)定子輸出端的線電壓。出端的線電壓。 額定電流額定電流I IN N ( (A A、kAkA) ) ：指額定運(yùn)行時(shí)定子的線電流。：

16、指額定運(yùn)行時(shí)定子的線電流。 額定功率因數(shù)額定功率因數(shù)coscos N N：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的功率因數(shù)。：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的功率因數(shù)。 額定頻率額定頻率f fN N：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)電樞輸出端電能的頻率，：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)電樞輸出端電能的頻率，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)頻率規(guī)定為我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)頻率規(guī)定為50Hz50Hz。 額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速n nN N ：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速。：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速。 除上述額定值外，同步電機(jī)名牌上還常列出一些其除上述額定值外，同步電機(jī)名牌上還常列出一些其它的運(yùn)行數(shù)據(jù)，例如額定負(fù)載時(shí)的溫升它的運(yùn)行數(shù)據(jù)，例如額定負(fù)載時(shí)的溫升t tN N 、勵(lì)磁容量、勵(lì)磁容量P PfNfN和勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電壓U UfNfN等。等。例題例題14-1 14-1 一臺(tái)一臺(tái)QFS-300-2QF