第十四章同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)及工作原理

1、n n= =n n1 1 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)速速電機磁電機磁場旋轉(zhuǎn)場旋轉(zhuǎn)速度速度v同步電機也作為同步電機也作為電動機應(yīng)用電動機應(yīng)用。 n=n= 調(diào)速：變頻調(diào)速：變頻 只要電源頻率不變，同步電動機的只要電源頻率不變，同步電動機的轉(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)速的場合（可以采用變頻調(diào)的場合（可以采用變頻調(diào)速），應(yīng)用大型同步電動機可以提高運行效率。速），應(yīng)用大型同步電動機可以提高運行效率。 同步電動機可以通過同步電動機可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流調(diào)節(jié)勵磁電流來來改善改善電電網(wǎng)的功率因數(shù)。網(wǎng)的功率因數(shù)。 近年來，小型同步電動機在變頻調(diào)速系統(tǒng)近年來，小型同步電動機在變頻調(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償機同步補償機（也稱（也稱調(diào)相機調(diào)相機）用。）用。 同步補償機實際是一臺接在交流電網(wǎng)上空同步補償機實際是一臺接在交流電網(wǎng)上空載的同步電動機，電機不帶任何機械負載，靠載的同步電動機，電機不帶任何機械負載，靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性或者容性無功功率或者容性無功功率，以達到改善電網(wǎng)功率因數(shù)，以達到改善電網(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)電機的基本工作原理三相同步發(fā)電機的基本工作原理 v同步發(fā)電機同步發(fā)電機(synchronous generator

3、)(synchronous generator)是將機械能是將機械能轉(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)電機用汽輪機作在火電廠，發(fā)電機用汽輪機作原動機原動機(給同步發(fā)給同步發(fā)電機輸入機械能），稱為電機輸入機械能），稱為汽輪發(fā)電機汽輪發(fā)電機；在核電站是；在核電站是以核反應(yīng)堆來代替火電站的鍋爐，原動機仍然是汽以核反應(yīng)堆來代替火電站的鍋爐，原動機仍然是汽輪機；輪機； 在水電廠，發(fā)電機用水輪機作原動機，稱為在水電廠，發(fā)電機用水輪機作原動機，稱為水水輪發(fā)電機輪發(fā)電機； 有的地方用柴油機用作原動機，稱為有的地方用柴油機用作原動機，稱為柴油發(fā)電柴油發(fā)電機機。 等等等等。SNnIf圖14

4、-1 同步電機的結(jié)構(gòu)模型tEemacos)120cos(tEemb)120cos(tEemc00sinsin120sin120OAmOBmOBmeEteEteEtf 2 60pnf SNnIf二二. .同步電機的類型同步電機的類型 v同步電機的分類方法有多種，常見的有以下幾種同步電機的分類方法有多種，常見的有以下幾種分類方法。分類方法。v按按運行方式運行方式不同分為：發(fā)電機、電動機和調(diào)相機。不同分為：發(fā)電機、電動機和調(diào)相機。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（簡稱轉(zhuǎn)樞式）不同分為：電樞旋轉(zhuǎn)式（簡稱轉(zhuǎn)樞式）和磁極旋轉(zhuǎn)式（簡稱轉(zhuǎn)場式）。磁極旋轉(zhuǎn)式按轉(zhuǎn)和磁極旋轉(zhuǎn)式（簡稱轉(zhuǎn)場式）。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按按原動機類型原動機類型不同分為：汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電不同分為：汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機、燃氣輪發(fā)電機、柴油發(fā)電機等等。機、燃氣輪發(fā)電機、柴油發(fā)電機等等。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)電機的基本結(jié)構(gòu)同步發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu) v同步電機一般采用同步電機一般采用旋轉(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、 凸極同步電機氣隙不均勻，適合于中速或低速旋轉(zhuǎn)場合凸極同步電機氣隙不均勻，適合于中速或低速旋轉(zhuǎn)場合（水輪發(fā)電機）（水輪發(fā)電機） 隱極同步電機在不考慮齒槽效應(yīng)時，氣隙均勻，適合于隱極同步電機在不考慮齒槽效應(yīng)時，氣隙均勻，適合于 高速旋轉(zhuǎn)：汽輪發(fā)電機高速旋轉(zhuǎn)：汽輪發(fā)電機v核電站用的汽輪發(fā)電機在構(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，所以同等功率機組的汽輪機體積比常規(guī)火電站的大。所以同等功率機組的汽輪機體積比常規(guī)火電站的大。 一一. .汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu) v火電廠火電廠(h

7、eat-engine plant)(heat-engine plant)的生產(chǎn)現(xiàn)場如圖的生產(chǎn)現(xiàn)場如圖14-314-3，汽輪機作為原動機，驅(qū)動同步發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，勵磁機汽輪機作為原動機，驅(qū)動同步發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，勵磁機（或自動勵磁調(diào)節(jié)器）給同步發(fā)電機提供勵磁電流。（或自動勵磁調(diào)節(jié)器）給同步發(fā)電機提供勵磁電流。 圖圖14-4 14-4 國產(chǎn)國產(chǎn)300MW300MW汽輪發(fā)電機外汽輪發(fā)電機外(turbonator)(turbonator)形結(jié)構(gòu)圖。形結(jié)構(gòu)圖。v圖圖14-514-5是一臺汽輪發(fā)電機的主要部件圖。是一臺汽輪發(fā)電機的主要部件圖。 300MW300MW水氫冷發(fā)電機結(jié)構(gòu)水氫冷發(fā)電機結(jié)構(gòu) “半組式半組式”結(jié)

8、構(gòu)，即將一個線圈的兩個線圈邊分開來制造，嵌結(jié)構(gòu)，即將一個線圈的兩個線圈邊分開來制造，嵌入槽中后，再將其端接部分焊接起來。入槽中后，再將其端接部分焊接起來。2 2轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子v 發(fā)電機的轉(zhuǎn)子發(fā)電機的轉(zhuǎn)子(rotor)(rotor)的作用是傳遞原動機供給的作用是傳遞原動機供給的機械能、支撐旋轉(zhuǎn)的勵磁線圈、形成良好的磁通的機械能、支撐旋轉(zhuǎn)的勵磁線圈、形成良好的磁通路徑和轉(zhuǎn)子散熱通道，因此對轉(zhuǎn)子路徑和轉(zhuǎn)子散熱通道，因此對轉(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)、風扇等部件組成，如圖以及

9、滑環(huán)、風扇等部件組成，如圖14-914-9。 轉(zhuǎn)子繞組的通風口轉(zhuǎn)子繞組的通風口 護環(huán)護環(huán) 中心環(huán)中心環(huán) 風扇風扇 14-914-9汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子外形汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子外形 護環(huán)護環(huán)用來套在轉(zhuǎn)子繞組瑞部用來套在轉(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)則用來阻止軸向位移。則用來阻止軸向位移。NS+隱極式隱極式隱極同步電機的主要部隱極同步電機的主要部件件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)動的勵磁的作用是將外界的直流電引入到轉(zhuǎn)動的勵磁繞組。繞組。v電刷是電機中最易損壞和維護工作量最大的零件，汽輪電刷是電機中最易損壞和維護工作量最大的零件，汽

10、輪發(fā)電機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，在運行中要定期改變滑環(huán)的極性。均勻，在運行中要定期改變滑環(huán)的極性。 v風扇風扇的作用是使電機內(nèi)部通風冷卻一般裝在轉(zhuǎn)子的作用是使電機內(nèi)部通風冷卻一般裝在轉(zhuǎn)子兩瑞，當發(fā)電機運行時，風扇隨轉(zhuǎn)子而轉(zhuǎn)動，使冷兩瑞，當發(fā)電機運行時，風扇隨轉(zhuǎn)子而轉(zhuǎn)動，使冷卻氣體流過線圈和鐵心，帶走熱量。卻氣體流過線圈和鐵心，帶走熱量。4.4.同步發(fā)電機的冷卻方式同步發(fā)電機的冷卻方式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)電機的冷卻方式有：目前發(fā)電機的冷卻方式有： 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)電機采用水步發(fā)電機采用水- -氫氫- -氫。氫。 v水輪發(fā)電機水輪發(fā)電機(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)電機多采用臥式結(jié)構(gòu)，中等容量通常小容量水輪發(fā)電機多采用臥式結(jié)構(gòu)，中等容量水輪發(fā)電機采用立式或臥式結(jié)構(gòu)，而大容量水輪發(fā)水輪發(fā)電機采用立式或臥式結(jié)構(gòu)，而大容量水輪發(fā)電機則廣泛采用立式結(jié)構(gòu)。電機則廣泛采用立式結(jié)構(gòu)。 （a a）立式水輪發(fā)電機）立式水輪發(fā)電機 ( (b b) )臥式水輪發(fā)電機臥式水輪發(fā)電機 ( (c c) ) 燈泡貫流式水輪發(fā)電機燈泡貫流式水輪發(fā)電機 圖圖14-13 14-13 水輪發(fā)電機的三種結(jié)構(gòu)形式水輪發(fā)電機的三種結(jié)構(gòu)形式 NSNS+凸極式凸極式第四節(jié)第四節(jié) 同步發(fā)電機的型號與

13、額定值同步發(fā)電機的型號與額定值 我國生產(chǎn)的我國生產(chǎn)的汽輪發(fā)電機有汽輪發(fā)電機有QFQQFQ、QFNQFN、QFSQFS等系列。等系列。前兩個字母表示汽輪發(fā)電機；第三個字母表示冷卻方式，前兩個字母表示汽輪發(fā)電機；第三個字母表示冷卻方式，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。極汽輪發(fā)電機。TSS1264/160-48TSS1264/16

14、0-48表示雙水內(nèi)冷水輪發(fā)電機，定子外徑為表示雙水內(nèi)冷水輪發(fā)電機，定子外徑為12641264厘米，鐵心長為厘米，鐵心長為160160厘米，極數(shù)為厘米，極數(shù)為4848。同步電動機系列有同步電動機系列有TDTD、TDLTDL等，等，TDTD表示同步電動機，后面的字表示同步電動機，后面的字母指出其主要用途。如母指出其主要用途。如TDGTDG表示高速同步電動機；表示高速同步電動機；TDLTDL表示表示立式同步電動機。立式同步電動機。同步補償機為同步補償機為TTTT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) )：指電機輸出功率的保證值。：指電機輸出功率的保證值。 發(fā)電機通過額定容量值可以確定電樞電流，通發(fā)電機通過額定容量值可以確定電樞電流，通過額定功率可以確定配套原動機的容量。過額定功率可以確定配套原動機的容量。 電動機的額定容量一般用電動機的額定容量一般用kWkW數(shù)表示，補償機則數(shù)表示，補償機則用用kVARkVAR表示。表示。 額定電壓額定電壓 U UN N( (V V、kVkV等等) )：指額定運行時定子輸：指額定運行時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) ) ：指額定運行時定子的線電流。：

16、指額定運行時定子的線電流。 額定功率因數(shù)額定功率因數(shù)coscos N N：額定運行時電機的功率因數(shù)。：額定運行時電機的功率因數(shù)。 額定頻率額定頻率f fN N：額定運行時電機電樞輸出端電能的頻率，：額定運行時電機電樞輸出端電能的頻率，我國標準工業(yè)頻率規(guī)定為我國標準工業(yè)頻率規(guī)定為50Hz50Hz。 額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速n nN N ：額定運行時電機的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速。：額定運行時電機的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速。 除上述額定值外，同步電機名牌上還常列出一些其除上述額定值外，同步電機名牌上還常列出一些其它的運行數(shù)據(jù)，例如額定負載時的溫升它的運行數(shù)據(jù)，例如額定負載時的溫升t tN N 、勵磁容量、勵磁容量P PfNfN和勵磁電壓和勵磁電壓U UfNfN等。等。例題例題14-1 14-1 一臺一臺QFS-300-2QF