同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理與結(jié)構(gòu)

《電機(jī)學(xué)》

§9.1三相同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理

李海娟

2/2/20231臨沂電力學(xué)校同步發(fā)電機(jī)的分類(lèi)及組成：1、同步發(fā)電機(jī)做為旋轉(zhuǎn)電機(jī)其結(jié)構(gòu)？請(qǐng)思考2、同步發(fā)電機(jī)做為電磁裝置可分為？請(qǐng)思考3、同步發(fā)電機(jī)按使用環(huán)境不同又分為？請(qǐng)思考溫故：2/2/20232臨沂電力學(xué)校你了解汽輪機(jī)的工作原理嗎？汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)2/2/20233臨沂電力學(xué)校本章討論的內(nèi)容主要是：同步發(fā)電機(jī)的工作原理——即同步發(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(lì)磁方式。知新：2/2/20234臨沂電力學(xué)校第一節(jié)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(jiàn)下圖示：定子轉(zhuǎn)子滑環(huán)2/2/20235臨沂電力學(xué)校同步發(fā)電機(jī)的主要構(gòu)成部件包括兩大部分：定子（工作時(shí)不運(yùn)動(dòng)部分）和轉(zhuǎn)子（工作時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)部分）。定子部分主要有：定子鐵心（硅鋼片疊成），其內(nèi)表面開(kāi)槽用于嵌放定子繞組；定子三相對(duì)稱繞組，用于切割磁場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，將動(dòng)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(lì)磁繞組），用于通過(guò)直流電流（勵(lì)磁電流）形成恒定磁場(chǎng)。對(duì)照原理結(jié)構(gòu)圖，說(shuō)明同步發(fā)電機(jī)的工作過(guò)程：電生磁：轉(zhuǎn)子繞組通直流電流后產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。磁生電：該恒定磁場(chǎng)在原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，切割定子上的三相對(duì)稱繞組，在定子繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在其引出端就有了三相對(duì)稱交流電壓輸出。2/2/20236臨沂電力學(xué)校若接上負(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(duì)應(yīng)。三相同步發(fā)電機(jī)的工作過(guò)程見(jiàn)下圖示：2/2/20237臨沂電力學(xué)校你學(xué)會(huì)了嗎？謝謝！2/2/20238臨沂電力學(xué)校三相同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生感應(yīng)的交流電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的頻率f與機(jī)組的旋轉(zhuǎn)速度n、磁極對(duì)數(shù)p有以下關(guān)系：我國(guó)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)工頻為50Hz，當(dāng)發(fā)電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)p確定時(shí)，機(jī)組的轉(zhuǎn)速也確定。三者有以下關(guān)系：磁極對(duì)數(shù)p轉(zhuǎn)速n（轉(zhuǎn)/分）磁極對(duì)數(shù)p轉(zhuǎn)速n（轉(zhuǎn)/分）130005600215006500310007……47502/2/20239臨沂電力學(xué)校二、同步發(fā)電機(jī)的類(lèi)型同步發(fā)電機(jī)分類(lèi)方法很多，可按以下方式分類(lèi)：按原動(dòng)機(jī)的類(lèi)型不同分：按發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同分，見(jiàn)下圖：2/2/202310臨沂電力學(xué)校2/2/202311臨沂電力學(xué)校按安裝方式不同分：立式、臥式。按發(fā)電機(jī)冷卻方式不同分：對(duì)以上分類(lèi)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(gòu)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）額定電流IN，單位A（或kA），含義——（4）額定功率因數(shù)conjN，含義——2/2/202312臨沂電力學(xué)校同步發(fā)電機(jī)額定參數(shù)滿足以下關(guān)系：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(lì)磁電壓UfN、額定勵(lì)磁電流IfN、額定效率hN及絕緣等級(jí)等參數(shù)。（二）型號(hào)型號(hào)是一標(biāo)明電機(jī)結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)的基本代號(hào)，由漢語(yǔ)拼音和數(shù)字組成，見(jiàn)書(shū)上例，對(duì)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(guò)程中存在三類(lèi)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(shí)排散，會(huì)使相應(yīng)部件溫度升高，會(huì)損壞相應(yīng)部件。2/2/202313臨沂電力學(xué)校鐵損：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)生原因——相關(guān)部件的散熱（冷卻）方式：通過(guò)空氣、水、氫氣等冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷卻。2/2/202314臨沂電力學(xué)校第二節(jié)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(lèi)：汽輪發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)，這兩類(lèi)發(fā)電機(jī)的工作原理是一樣的，不同的是在工作過(guò)程中一類(lèi)是高轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)，一類(lèi)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(zhǎng)，全為臥式布置，理由——2/2/202315臨沂電力學(xué)校2/2/202316臨沂電力學(xué)校2/2/202317臨沂電力學(xué)校2/2/202318臨沂電力學(xué)校定子結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖：2/2/202319臨沂電力學(xué)校二、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(jiàn)下圖：2/2/202320臨沂電力學(xué)校定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(jiàn)下圖：2/2/202321臨沂電力學(xué)校2/2/202322臨沂電力學(xué)校定子繞組用銅線（銅棒）繞制成形，再嵌放在定子鐵心槽內(nèi)，定子繞組形狀見(jiàn)下圖：2/2/202323臨沂電力學(xué)校水輪發(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(jiàn)下圖：2/2/202324臨沂電力學(xué)校水輪發(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(gè)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(jiàn)下圖：2/2/202325臨沂電力學(xué)校2/2/202326臨沂電力學(xué)校注：轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組是跟隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的，勵(lì)磁的直流電源一般是靜止的，同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，如何將旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁繞組與靜止的直流電源連接起來(lái)？這是通過(guò)下圖所示裝置完成這種連接的：2/2/202327臨沂電力學(xué)校機(jī)組用軸承支撐、約束和維持轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)。軸承有兩類(lèi)：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(dòng)（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(dòng)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(jiàn)下圖示：傘式懸式2/2/202328臨沂電力學(xué)校水輪發(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(gè)廠房的修建高度，從而降低修建成本。如青城電站——2/2/202329臨沂電力學(xué)校從原理分析已知，同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)必須在轉(zhuǎn)子繞組中通入直流電流建立磁場(chǎng)，這個(gè)電流就叫勵(lì)磁電流。我們把供給勵(lì)磁電流的電源及其附屬設(shè)備（勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、滅磁裝置）統(tǒng)稱為勵(lì)磁系統(tǒng)。第三節(jié)三相同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式獲取勵(lì)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(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的構(gòu)成見(jiàn)下圖示：2/2/202330臨沂電力學(xué)校該系統(tǒng)中，直流系統(tǒng)的電路部分與同步發(fā)電機(jī)無(wú)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(dòng)機(jī)帶動(dòng)工作，工作過(guò)程——。如青城電廠的機(jī)組。這種勵(lì)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。2/2/202331臨沂電力學(xué)校二、交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)（一）交流勵(lì)磁機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)的構(gòu)成見(jiàn)下圖示：說(shuō)明其構(gòu)成和工作過(guò)程——大容量發(fā)電機(jī)組上使用，不過(guò)這種勵(lì)磁方式容量也不能做到太大，如現(xiàn)在的幾十萬(wàn)kW的機(jī)組，原因——。2/2/202332臨沂電力學(xué)校（一）交流勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流勵(lì)磁系統(tǒng)的構(gòu)成見(jiàn)下圖示：該系統(tǒng)的組成及工作過(guò)程——該系統(tǒng)可用于超大型容量的發(fā)電機(jī)組中。2/2/202333臨沂電力學(xué)校三、自勵(lì)磁式勵(lì)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(lì)磁系統(tǒng)，即教材中所介紹的“自勵(lì)式靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)”，我校教學(xué)科研電站即此勵(lì)磁方式。見(jiàn)下圖示：該系統(tǒng)的構(gòu)成和工作過(guò)程——2/2/202334臨沂電力學(xué)校通過(guò)這部