1、2020/6/29,1,發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理,2020/6/29,2,概 述,同步電機(jī)：交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)。 用途：主要作發(fā)電機(jī)用，也可作電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)具有恒速要求的機(jī)械，還可作調(diào)相機(jī)，向電力系統(tǒng)發(fā)出無(wú)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。 現(xiàn)代發(fā)電廠中所發(fā)出的交流電能幾乎全部是同步發(fā)電機(jī)發(fā)出，盡管目前有其他發(fā)電型式，如磁流體發(fā)電，太陽(yáng)能發(fā)電等，但電力系統(tǒng)中仍是同步發(fā)電機(jī)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。,2020/6/29,3,同步電機(jī)指電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速n1相同的交流電機(jī)。 同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速：n=60f1/p f1 -電網(wǎng)頻率。,概 述,2020/6/29,4,三相同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理,同步發(fā)電

2、機(jī)(synchronous generator)是將機(jī)械能轉(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)作原動(dòng)機(jī)，稱為汽輪發(fā)電機(jī)；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)仍然是汽輪機(jī)； 在水電廠，發(fā)電機(jī)用水輪機(jī)作原動(dòng)機(jī)，稱為水輪發(fā)電機(jī)； 有的地方用柴油機(jī)用作原動(dòng)機(jī)，稱為柴油發(fā)電機(jī)。,2020/6/29,5,S,N,n,If,三相同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理,同步發(fā)電機(jī)基本工作原理：導(dǎo)體切割磁力線感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)動(dòng)的部分，轉(zhuǎn)子上有磁極和勵(lì)磁繞組，產(chǎn)生磁場(chǎng)。 定子（又叫電樞）：固定的部分，定子鐵心上有齒和槽，槽內(nèi)設(shè)置有繞組，是切割磁場(chǎng)的導(dǎo)體。 氣隙：定轉(zhuǎn)子之間有氣隙。 動(dòng)畫(huà),2020/6

3、/29,6,三相同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理,定子：有三相定子繞組，每相結(jié)構(gòu)完全相同，它們?cè)诳臻g上互差120電角度對(duì)稱分布放置在定子鐵心槽內(nèi)。 轉(zhuǎn)子：有p對(duì)磁極，磁極上有直流勵(lì)磁繞組，當(dāng)直流電流通過(guò)電刷和滑環(huán)流入轉(zhuǎn)子繞組后，產(chǎn)生主磁通，主磁通由N極經(jīng)氣隙，定子鐵心，再經(jīng)氣隙進(jìn)入S極，構(gòu)成主磁路。,2020/6/29,7,定子外接負(fù)載，形成回路，有三相電流。 機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,定子繞組三相感應(yīng)電勢(shì),三相同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理,2020/6/29,8,交流電勢(shì)頻率f的確定 當(dāng)轉(zhuǎn)子為1對(duì)磁極時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，定子繞組中感應(yīng)電勢(shì)變化一個(gè)周期；當(dāng)同步發(fā)電機(jī)有p對(duì)極時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，感應(yīng)電勢(shì)交變p個(gè)周期。

4、當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為每分n轉(zhuǎn)時(shí)，交變電勢(shì)頻率為：,三相同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理,2020/6/29,9,交流電勢(shì)頻率f的確定,結(jié)論：同步發(fā)電機(jī)定子繞組感應(yīng)電勢(shì)的頻率取決于它的極對(duì)數(shù)p和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n。 同步發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)一定時(shí)，轉(zhuǎn)速與電樞電勢(shì)的頻率有嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系。 當(dāng)電力系統(tǒng)頻率f一定，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速 為恒定值，這是同步發(fā)電機(jī)的主要特點(diǎn)。,三相同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理,2020/6/29,10,結(jié)論：我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)工頻為50Hz，所以同步發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)速成反比。,汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，極對(duì)數(shù)較少，如轉(zhuǎn)速n=3000r/min，則極對(duì)數(shù)p=1。 水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，極對(duì)數(shù)較多，如轉(zhuǎn)速n=125r/min，則極對(duì)數(shù)p

5、=24。,三相同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理,2020/6/29,11,按運(yùn)行方式不同分為：發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和調(diào)相機(jī)。 按結(jié)構(gòu)形式不同分為：電樞旋轉(zhuǎn)式（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)樞式）和磁極旋轉(zhuǎn)式（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)場(chǎng)式）。磁極旋轉(zhuǎn)式按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同又分為凸極式和隱極式。 按安裝方式不同分為：臥式和立式。,同步電機(jī)的類(lèi)型,按原動(dòng)機(jī)類(lèi)型不同分為：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)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)等等。 按冷卻介質(zhì)不同分為：空氣冷卻、氫氣冷卻、水冷卻等。,2020/6/29,12,同步電機(jī)的氣隙較同容量的異步電機(jī)大。 異步電機(jī)勵(lì)磁電流由電網(wǎng)供給，需從電網(wǎng)吸取感性無(wú)功功率，若氣隙大，則勵(lì)磁電流大，電機(jī)的功率因數(shù)低，因

6、此在機(jī)械允許的條件下，氣隙要盡量小一些。 同步電機(jī)氣隙磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子電流和定子電流共同激勵(lì)，從運(yùn)行穩(wěn)定性考慮，氣隙大，同步電抗小，短路比大，運(yùn)行穩(wěn)定性高。但氣隙大，轉(zhuǎn)子用銅量增大，制造成本增加。所以氣隙大小的選擇要綜合考慮運(yùn)行性能和制造成本這兩方面的要求。,同步電機(jī)與異步電機(jī),2020/6/29,13,2020/6/29,14,用途：多用于汽輪發(fā)電機(jī)，一般為兩極，轉(zhuǎn)速為3000r/min。,一般汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度L和定子內(nèi)徑D之比為2-6.5。,隱極式同步發(fā)電機(jī),2020/6/29,15,1.定子(stator) 機(jī)座(baseframe)、端蓋(end closure)、定子鐵心(stator

7、core)和定子繞組(stator windings)等。,大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心槽,汽輪發(fā)電機(jī)完工后的定子,汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu),2020/6/29,16,發(fā)電機(jī)定子,2020/6/29,17,（1）機(jī)座和端蓋 機(jī)座的作用：固定和支撐定子鐵心及定子繞組等部件，通過(guò)機(jī)座將整個(gè)定子安裝、固定在基礎(chǔ)上。 機(jī)座內(nèi)部有冷卻風(fēng)道。汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)座一般采用鋼板焊接而成。對(duì)機(jī)座的要求，除了使安裝、運(yùn)輸方便外，還需要有足夠的強(qiáng)度和剛度。 正常和故障時(shí)能承受可能發(fā)生的最大應(yīng)力，保證不產(chǎn)生不允許的變形。,汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu),2020/6/29,18,端蓋的作用:保護(hù)定子和轉(zhuǎn)子的端部，使電機(jī)內(nèi)形成一個(gè)與外界隔絕的風(fēng)路系統(tǒng)。 一

8、般用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，也可采用灰鑄鐵或硅鋁合金鑄件，中等容量的電機(jī)端蓋也有采用玻璃鋼壓制的。 有足夠的剛度。 大型同步電機(jī)，由于端部漏磁通較大，所以固定端蓋的螺栓宜加以絕緣，以防止漏磁通引起的渦流流過(guò)螺栓而使其發(fā)熱。,（1）機(jī)座和端蓋,汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu),2020/6/29,19,汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu),定子鐵心由0.35mm、0.5mm或其它厚度的電工鋼片疊成。各段疊片間有寬約10mm的通風(fēng)槽，以改善定子鐵心散熱。 定子外徑較小時(shí)，采用圓形沖片，外徑大于1m 時(shí)，采用扇形沖片，目的是減少漏磁，防止渦流引起過(guò)熱。 定子鐵心兩端用非磁性材料 壓板將其壓緊，將整個(gè)鐵心固定 在定子機(jī)座上。 沿定子鐵心內(nèi)圓表面的槽內(nèi)

9、 放置三相定子繞組。,（2）定子鐵心,2020/6/29,20,思考：定子鐵心為什么要用0.5mm的硅鋼片疊裝？,（2）定子鐵心,2020/6/29,21,（3）定子繞組,也稱電樞繞組，一般采用雙層三相對(duì)稱繞組。 為便于繞組下線，定子槽采用矩形開(kāi)口槽，定子繞組放入槽中后，槽口用槽楔封住，槽楔常用絕緣材料(如玻璃布板)做成。,汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu),2020/6/29,22,汽輪發(fā)電機(jī)的電壓較高，要求定子繞組有足夠的絕緣強(qiáng)度，一般采用 B 級(jí)或 F 級(jí)絕緣。,（3）定子繞組,大型電機(jī)定子電流極大，繞組導(dǎo)線截面大。為減小導(dǎo)體集膚效應(yīng)帶來(lái)的附加損耗，定子繞組常由多股截面15平方毫米以下的扁銅線并繞而成，且沿

10、槽長(zhǎng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿Q位，使繞組的有效部分，有時(shí)甚至連同繞組的端接部分，成為編織形。,汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu),2020/6/29,23,定子繞組下線定子繞組端部,2020/6/29,24,定子繞組端部接頭,2020/6/29,25,定子端部,2020/6/29,26,2轉(zhuǎn)子,汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子組成 轉(zhuǎn)子鐵芯 勵(lì)磁繞組 阻尼繞組 緊固件 風(fēng)扇,功能：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)、材料和加工工藝要求較高。,2020/6/29,27,轉(zhuǎn)子繞組的通風(fēng)口 護(hù)環(huán) 中心環(huán) 風(fēng)扇,汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子外形,2020/6/29,28,發(fā) 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 子,2020/6

11、/29,29,（1）轉(zhuǎn)子鐵心 既有良好導(dǎo)磁性能，又有足夠機(jī)械強(qiáng)度和剛度，最關(guān)鍵部件之一。 一般采用優(yōu)質(zhì)合金鋼鍛制，鐵心上開(kāi)有兩組對(duì)稱的槽，槽與槽之間的部分稱為齒，有兩個(gè)齒特別寬稱為大齒，其余的叫小齒。小齒嵌放勵(lì)磁線圈，大齒形成磁極。 大型電機(jī)為了加強(qiáng)轉(zhuǎn)子表面冷卻，大齒區(qū)也開(kāi)有一些較小的槽并不安放線圈，只作通風(fēng)用，這種槽稱為通風(fēng)槽。,汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu),2020/6/29,30,轉(zhuǎn)子鐵心,2020/6/29,31,大型兩極汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，當(dāng)長(zhǎng)度與直徑的比值較大時(shí)，為了減小倍頻振動(dòng)的影響，常在大齒部分沿軸向每隔一定距離開(kāi)有徑向月牙槽，使大齒方向與小齒方向的剛度盡可能接近。 有的電機(jī)在大齒開(kāi)有槽，內(nèi)裝阻

12、尼繞組(damping windings)，阻尼繞組構(gòu)成自行短接的半鼠籠結(jié)構(gòu)，用來(lái)改善發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。,（1）轉(zhuǎn)子鐵心,汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu),2020/6/29,32,轉(zhuǎn)子鐵心結(jié)構(gòu),2020/6/29,33,（2）勵(lì)磁繞組,汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu),由矩形絕緣扁銅線繞成同心式線圈，兩線圈邊分別放在大齒兩側(cè)所開(kāi)的槽內(nèi)，所有線圈串聯(lián)。 勵(lì)磁繞組構(gòu)成電機(jī)直流回路，通過(guò)電刷與外電路連 接。 各線圈匝間有絕緣，對(duì)地也有 絕緣。,2020/6/29,34,2020/6/29,35,（3）護(hù)環(huán)和中心環(huán) 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的端部在高速旋轉(zhuǎn)中將承受巨大的離心力，并在通過(guò)勵(lì)磁電流時(shí)產(chǎn)生熱膨脹，造成徑向和軸向位移護(hù)環(huán)用來(lái)套在轉(zhuǎn)子

13、繞組瑞部外面，防止徑向位移，而中心環(huán)則用來(lái)阻止軸向位移。 為了避免因護(hù)環(huán)偏心引起的振動(dòng)以及不對(duì)稱運(yùn)行或異步運(yùn)行時(shí)因轉(zhuǎn)子表面感應(yīng)電流引起配合面上的電灼傷，要求護(hù)環(huán)與轉(zhuǎn)子本體、護(hù)環(huán)與中心環(huán)之間有較緊密的配合。,汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu),2020/6/29,36,轉(zhuǎn)子繞組的通風(fēng)口 護(hù)環(huán) 中心環(huán) 風(fēng)扇,汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子外形,2020/6/29,37,轉(zhuǎn)子線圈裝配,2020/6/29,38,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子裝配,2020/6/29,39,汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu),一種短路繞組，大型電機(jī)有。 由放在槽楔下的銅條和轉(zhuǎn)子兩端銅環(huán)焊接成閉合回路。 作用：在同步發(fā)電機(jī)短路或不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，利用其感應(yīng)電流來(lái)削弱負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用；發(fā)電機(jī)振蕩時(shí)起阻尼作用，使振蕩衰減。,阻尼繞組,2020/6/29,40,冷卻系統(tǒng)封閉，冷卻介質(zhì)循環(huán)使用。 常用的冷卻介質(zhì)有空氣、氫氣和水。 冷卻方式有： 空氣冷卻； 水-氫-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； 水-水-氫，即定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組用水冷卻，定子鐵心為氫冷。 氫氣密度僅為空氣的1/4，導(dǎo)熱性比空氣好6倍，冷卻效果比空氣好。,汽輪發(fā)電機(jī)的冷卻方式,2020/6/29,41,5.其他部件 滑環(huán)與電刷：將直流電引入到轉(zhuǎn)動(dòng)的勵(lì)磁繞組。 滑環(huán)或稱集電環(huán)，一般用耐磨的鍛鋼制成，表面進(jìn)行硬度處理，加工完的滑環(huán)表面要求光潔。 汽輪發(fā)電機(jī)一般采用石墨或電化石墨電刷。雖然每種電刷以石墨粉作