同步电机知识培训.doc

同步电机一、同步电机概述电能的发现和利用，是人类社会进步的重要标志。在现代工农业生产和人们日常生活中，电机有着十分重要的作用，电机可以有如下的分类。 同步电机指电机转子的转速n与旋转磁场转速n0相同的交流电机（n0=60f/p）。同步电机主要作发电机用，也可作电动机带动具有恒速要求的机械，还可作调相机，向电力系统发出无功功率，用于改善电力系统的功率因数及调整电网电压。现代发电厂中所发出的交流电能几乎全部是同步发电机发出，尽管目前有其他发电型式，如磁流体发电，太阳能发电等，但电力系统中仍是同步发电机占绝对优势。 同步发电机(synchronous generator)是将机械能转变为交流电能的设备。在火电厂，发电机用汽轮机作原动机，称为汽轮发电机；在核电站是以核反应堆来代替火电站的锅炉，原动机仍然是汽轮机；在水电厂，发电机用水轮机作原动机，称为水轮发电机；有的地方用柴油机用作原动机，称为柴油发电机。二、同步电机的类型按运行方式不同分为：发电机、电动机和调相机；按结构形式不同分为：电枢旋转式（简称转枢式）和磁极旋转式（简称转场式）。磁极旋转式按转子结构不同又分为凸极式和隐极式；按安装方式不同分为：卧式和立式； 按原动机类型不同分为：汽轮发电机、水轮发电机、燃气轮发电机、柴油发电机、风力发电机、太阳能发电机等。按冷却介质不同分为：空气冷却、氢气冷却、水冷却等。三、同步发电机工作原理同步发电机基本工作原理：导体切割磁力线则产生感应电动势，当外电路是形成闭合回路，则产生感应电流。在发电机中，转子上装有励磁绕组，励磁绕组中通入直流电产生磁场，转子在原动机的拖动下旋转，在定子上产生感应电动势，定子外接负载，形成回路，产生三相交流电流。 图1.同步电机结构模型转子：转动的部分，转子上有磁极和励磁绕组，产生磁场。有p对磁极，磁极上有直流励磁绕组，当直流电流通过电刷和滑环流入转子绕组后，产生主磁通，主磁通由N极经气隙，定子铁心，再经气隙进入S极，构成主磁路。定子（又叫电枢）：固定的部分，定子铁心上有齿和槽，槽内设置有绕组，是切割磁场的导体。有三相定子绕组，每相结构完全相同，它们在空间上互差120电角度对称分布放置在定子铁心槽内。气隙：定转子之间有气隙。同步电机与异步电机的根本区别是旋转的转子通入直流电流励磁。转子通直流电流If励磁磁场Bf随转子旋转（角速度）电枢感应电动势三相对称负载运行时三相对称电枢电流 iabc旋转基波磁势Fa （同步电机）定子绕组三相感应电势 定子外接负载，形成回路，产生三相电流机械能转化为电能。当转子为1对磁极时，转子旋转一周，定子绕组中感应电势变化一个周期；当同步发电机有p对极时，转子旋转一周，感应电势交变p个周期。 当转子转速为每分n转时，交变电势频率为： 同步发电机定子绕组感应电势的频率取决于它的极对数p和转子的转速n。同步发电机极对数一定时，转速与电枢电势的频率有严格对应关系。当电力系统频率f一定，发电机转速为恒定值，这是同步发电机的主要特点。我国标准工频为50Hz，所以同步发电机的极对数和转速成反比。汽轮发电机转速较高，极对数较少，如转速n=3000r/min，则极对数P=1。水轮发电机转速较低，极对数较多，如转速n=125r/min，则极对数P=24。四、同步发电机的基本构造 同步电机一般采用旋转磁极式结构，根据磁极形状可分为隐极和凸极两种型式。凸极同步电机气隙不均匀，适合于中速或低速旋转场合。隐极同步电机在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，适合于高速旋转。 图2 两种磁极的同步发电机示意图:图3 发电机主要部件（1）凸极式电机结构特点：气隙不均匀，极弧底下气隙较小，极间部分较大，多用于水轮发电机。一般水轮发电机转子长度L和定子内径D之比为0.125-0.07。 1定子 2凸极式转子图4 凸极式同步电机（2）隐极式电机结构特点：转子上没有凸出的磁极，气隙均匀，转子呈圆柱形。多用于汽轮发电机，一般为两极，转速为3000r/min。 一般汽轮发电机转子长度L和定子内径D之比为2-6.5。 1 定子 3隐极式转子图5 隐极式同步电机（3）凸极式和隐极式电机应用场合电源频率固定，采用转子结构与转速有关。火电厂和核电站的汽轮机拖动的发电机，转速高，转子宜作成细而长的隐极式，这种发电机通常称为汽轮发电机。核电站用的汽轮发电机在构造上与常规火电站用的大同小异，所不同的是由于蒸汽压力和温度都较低，所以同等功率机组的汽轮机体积比常规火电站的大。水轮机拖动的发电机，转速低，因而要求有较多的磁极，转子宜作成短而胖的凸极式。 （4）同步电机与异步电机同步电机的气隙较同容量的异步电机大。异步电机励磁电流由电网供给，需从电网吸取感性无功功率，若气隙大，则励磁电流大，电机的功率因数低，因此在机械允许的条件下，气隙要尽量小一些。同步电机气隙磁场由转子电流和定子电流共同激励，从运行稳定性考虑，气隙大，同步电抗小，短路比大，运行稳定性高。但气隙大，转子用铜量增大，制造成本增加。所以气隙大小的选择要综合考虑运行性能和制造成本这两方面的要求。 五、汽轮发电机结构1.定子(stator) ：包括机座(baseframe)、端盖(end closure)、定子铁心(stator core)和定子绕组(stator windings)等几大部分。机座和端盖机座的作用：固定和支撑定子铁心及定子绕组等部件，通过机座将整个定子安装、固定在基础上。机座内部有冷却风道。汽轮发电机机座一般采用钢板焊接而成。对机座的要求，除了使安装、运输方便外，还需要有足够的强度和刚度。正常和故障时能承受可能发生的最大应力，保证不产生不允许的变形。端盖的作用：保护定子和转子的端部，使电机内形成一个与外界隔绝的风路系统。一般用钢板焊接结构，也可采用灰铸铁或硅铝合金铸件，中等容量的电机端盖也有采用玻璃钢压制的，有足够的刚度。大型同步电机，由于端部漏磁通较大，所以固定端盖的螺栓宜加以绝缘，以防止漏磁通引起的涡流流过螺栓而使其发热。 定子铁心定子铁心由0.35mm、0.5mm或其它厚度的电工硅钢片叠成。各段叠片间有宽约10mm的通风槽，以改善定子铁心散热。定子外径较小时，采用圆形冲片，外径大于1m 时，采用扇形冲片，目的是减少漏磁，防止涡流引起过热。定子铁心两端用非磁性材料压板将其压紧，将整个铁心固定在定子机座上。沿定子铁心内圆表面的槽内放置三相定子绕组。图6.定子铁芯定子绕组也称电枢绕组，一般采用双层三相对称绕组。为便于绕组下线，定子槽采用矩形开口槽，定子绕组放入槽中后，槽口用槽楔封住，槽楔常用绝缘材料(如玻璃布板)做成。大型电机定子电流极大，绕组导线截面大。为减小导体集肤效应带来的附加损耗，定子绕组常由多股截面15平方毫米以下的扁铜线并绕而成，且沿槽长进行适当的换位，使绕组的有效部分，有时甚至连同绕组的端接部分，成为编织形。汽轮发电机的电压较高，要求定子绕组有足够的绝缘强度，一般采用 B 级或 F 级绝缘。图7.发电机定子2.转子 (rotor)：由转子铁芯、 励磁绕组、阻尼绕组、紧固件和风扇等几大部分组成。主要功能是传递原动机供给的机械能、支撑旋转的励磁线圈、形成良好的磁通路径和转子散热通道，因此对转子结构、材料和加工工艺要求较高。（1）转子铁芯既有良好导磁性能，又有足够机械强度和刚度，最关键部件之一。一般采用优质合金钢锻制，铁芯上开有两组对称的槽，槽与槽之间的部分称为齿，有两个齿特别宽称为大齿，其余的叫小齿。小齿嵌放励磁线圈，大齿形成磁极。大型电机为了加强转子表面冷却，大齿区也开有一些较小的槽并不安放线圈，只作通风用，这种槽称为通风槽。 大型两极汽轮发电机转子，当长度与直径的比值较大时，为了减小倍频振动的影响，常在大齿部分沿轴向每隔一定距离开有径向月牙槽，使大齿方向与小齿方向的刚度尽可能接近。有的电机在大齿开有槽，内装阻尼绕组(damping windings)，阻尼绕组构成自行短接的半鼠笼结构，用来改善发电机的稳定运行。 图8.转子铁芯（2）励磁绕组由矩形绝缘扁铜线绕成同心式线圈，两线圈边分别放在大齿两侧所开的槽内，所有线圈串联。励磁绕组构成电机直流回路，通过电刷与外电路连接。各线圈匝间有绝缘，对地也有绝缘。图9.励磁绕组（3）护环和中心环汽轮发电机转子绕组的端部在高速旋转中将承受巨大的离心力，并在通过励磁电流时产生热膨胀，造成径向和轴向位移。护环用来套在转子绕组端部外面，防止径向位移，而中心环则用来阻止轴向位移。为了避免因护环偏心引起的振动以及不对称运行或异步运行时因转子表面感应电流引起配合面上的电灼伤，要求护环与转子本体、护环与中心环之间有较紧密的配合。 阻尼绕组大型电机的一种短路绕组，由放在槽楔下的铜条和转子两端铜环焊接成闭合回路。其作用是在同步发电机短路或不对称运行时，利用其感应电流来削弱负序旋转磁场作用，发电机振荡时起阻尼作用，使振荡衰减。其他部件滑环与电刷：将直流电引入到转动的励磁绕组。滑环或称集电环，一般用耐磨的锻钢制成，表面进行硬度处理，加工完的滑环表面要求光洁。汽轮发电机一般采用石墨或电化石墨电刷。虽然每种电刷以石墨粉作为主要原料，但是含量和工艺的不同，在导电率、比重、硬度、强度、伏安特性等方面有不同的性能。为使两滑环磨损均匀，在运行中要定期改变滑环的极性。电刷：电刷放在刷盒内，刷盒内有弹簧给电刷一个均匀的压力， 以防止电刷正运行时发生振动，使其与滑环间保持有良好的滑动接触。风扇：用来电机内部通风冷却。一般装在转子两瑞，当发电机运行时，风扇随转子而转动，使冷却气体流过线圈和铁芯，带走热量。 图10.汽轮发电机转子外形五、水轮发电机结构水轮发电机(hydro-generator)的主要结构型式有卧式、立式和灯泡贯流式。通常小容量水轮发电机多采用卧式结构，中等容量水轮发电机采用立式或卧式结构，而大容量水轮发电机则广泛采用立式结构。立式水轮发电机分为：悬吊式和伞式。发电机推力轴承位于转子上部的统称为悬吊式，位于转子下部的统称为伞式。水轮发电机的结构型式对电站主厂房高度、起重机容量、机组本身技术经济指标、运行稳定性以及检修等方面都有直接影响，必须立足全局，对各种因素加以综合考虑后作出判断。一般低速大容量水轮发电机采用伞式，因为伞式机组总高度比悬吊式低，可降低电站主厂房高度和减轻机组重量。伞式机组推力轴承直径较大，轴承损耗比悬吊式大。悬吊式机组适用于中、高速机组，优点是：机组径向机械稳定性较好、轴承损耗较小和维护检修方便。水轮发电机起动和投入并联所需时间较短，运行调度较灵活，电力系统中，除可用来担负基本负载外，还常用作调峰或作调相运行。一般采用空气冷却，容量相当大的发电机才考虑采用水内冷却方式。 定子：主要由机座、定子铁心和定子绕组等几部分组成。 （1）定子铁芯：扇形硅钢片叠成。铁芯在叠装过程中将每层扇形片间接缝错开。厚度3060mm留出一冷却风道。铁心固定在机座内圆支持筋上，机座外壳与铁心外圆之间留有通风道。铁心内圆均匀分布有槽，槽内放置定子绕组。 （2）定子绕组：水轮发电机极数较多，每极每相槽数较小，为了改替电动势波形，广泛采用分数槽绕组。对于大容量的水轮发电机，为节省极间连接线一般采用单匝波绕组，因此上、下层导线可用两根线棒分别制造，嵌线后再连接起来。2. 转子：一般为凸极式，直径大，轴向长度相对较短，整个转子呈扁盘形。 由转轴、励磁线圈、转子支架、磁轭和磁极等几大部分组成。（1）转轴：大中型采用空心，高强度钢锻造而成。（2）励磁绕组：采用绝缘扁铜线绕制，套装在极上。（3）磁极：1-1.5mm钢板冲片叠成。（4）阻尼绕组：装在极靴部位，减少并联运行时转子振荡的振幅，中小容量电机磁极铁心是整体的，一般无阻尼绕组。（5）磁轭与支架：磁轭是磁路的一部分，磁极固定在其圆柱表面，磁轭和转子间用支架支撑。（6）轴承：导轴承：约束轴线位移和防止轴摆动，承受径向力。推力轴承：承受转动部分全部重量及轴向水推力，水轮机关键部件。此外，水轮发电机也有滑环、电刷、风扇以及相应的冷却装置。六、大型同步发电机的基本系统1. 同步发电机的绝缘与冷却发电机运行时，由于绕组中的电流和磁路中交变的磁场会产生热量使发电机发热，温度升高，随着发电机单机容量的增加，温升也越来越高。由于铁心冲片的绝缘和线圈绝缘允许温度的限制，因此发电机必须加以冷却。 （1）冷却水系统功能：保证向定子绕组不间断供水，监视水压、流量和电导率等参数。系统还设有自动水温调节器，以调节定子冷却水温度，使之保持基本稳定；设置了离子交换器，用以提高定子冷却水的水质。 （2）定子绕组绝缘：匝间、层间、对地(槽绝缘)及连接线和引出线的绝缘。匝间绝缘：根据不同电压等级，采用聚酯漆包双玻璃丝包线或聚酰亚胺薄膜包双玻璃丝包线。层间绝缘：用玻璃布板做成的层间垫条来实现。对地绝缘和连接线及引出线绝缘：采用环氧玻璃粉云母多胶带。（3）转子绕组绝缘：主要有匝间绝缘、对地绝缘和引出线绝缘。匝间绝缘：导线本身的双玻璃丝包线或环氧玻璃坯布。对地绝缘：用环氧玻璃坯布和醇酸云母板构成。引出线绝缘：常用黄玻璃漆布管。2. 同步发电机的励磁系统励磁系统(field system)：同步电机运行时为了建立励磁磁场，转子绕组必须通入直流电流，供给同步机转子励磁电流的整个系统，包括装置和线路称为励磁系统。同步电机的运行可靠性与其励磁统有十分密切的关系，现代同步电机的发展对励磁系统提出越来越高的要求。为此，近年来同步电机励磁磁系统所采用的形式，即励磁方式也日新月异。 （1）对励磁系统的要求正常运行时供给励磁电流，维持端电压或电网电压值或并联运行机组之间的无功功率分配，随负载变化，励磁电流能相应调节。系统电压严重下降时（如发生短路故障等），能强行励磁（简称强励）提高电动势，保持电压稳定。突然丢负荷时，如水轮机组转速明显升高，能强行减磁，限制端电压过度增高。电机内部发生短路故障时，能快速灭磁和减磁，以减小故障的损坏程度。两台以上并列运行发电机能成组调节无功功率，使无功合理分配。迅速，可靠，结构简单，损耗小，成本低，体积小等。 （2）励磁方式直流励磁机励磁：以直流发电机作为励磁电源，在同步发电机发展的早期历史，首先获得应用。目前中、小型发电机还有一部分采用这种励磁方式。直流励磁机与同步发电机同轴，采用并励或他励，或负载电流反馈的复式励磁。他励接法时，励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。图11.直流励磁机励磁示意图静止整流器励磁 ：主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机同轴。副励磁机励磁电流开始由外部直流电源提供，待电压建立起来后转为自励(有时采用永磁发电机)。副励磁机输出电流经静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机，主励磁机交流输出电流经静止三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。图12.静止整流励磁系统图旋转整流器励磁 静止整流器直流须经电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大容量同步发电机，励磁电流达到数千安培，使集电环严重过热。大容量同步发电机采用旋转整流器励磁系统。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送主发电机转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。这种励磁系统取消了集电环和电刷，又称为无刷励磁系统 。图13.旋转整流器励磁系统七、同步发电机的型号与额定值1.型号汽轮发电机有QFQ、QFN、QFS等系列。QF表示汽轮发电机；第三个字母表示冷却方式，Q氢外冷，N氢内冷，S双水内冷。如：QFS-300-2 表示容量为300MW双水内冷2极汽轮发电机。水轮发电机系列有TS系列，T表示同步，S表示水轮。如：TSS1264/160-48表示双水内冷水轮发电机，定子外径为1264厘米，铁心长为160厘米，极数为48。同步电动机系列有TD、TDL等，TD表示同步电动机，后面的字母指出其主要用途。如：TDG表示高速同步电动机；TDL表示立式同步电动机。同步补偿机为TT系列。2.额定值额定容量SN(VA、kVA、MVA等) 或额定功率PN (W、kW、MW等)：指电机输出功率的保证值。发电机通过额定容量值可以确定电枢电流，通过额定功率可以确定配套原动机的容量。电动机的额定容量一般用kW数表示，补偿机则用kVAR表示； 额定电压 UN(V、kV等)：指额定运行时定子输出端的线电压；额定电流IN (A、kA) ：指额定运行时定子的线电流；额定功率因数cosN：额定运行时电机的功率因数； 额定频率fN：额定运行时电机电枢输出端电能的频率，我国标准工业频率规定为50Hz。额定转速nN ：额定运行时电机的转速，即同步转速。 除上述额定值外，名牌上还列出一些其它运行数据，如额定负载时的温升tN 、励磁容量PfN和励磁电压UfN等。八、同步电动机常见故障及处理方法同步电动机在运行过程中由于电动机本身、所带负载、外部电网或电动机附属设备等问题会出现各种各样的故障，运行人员要在第一时间内发现故障、查明原因并加以解决，才能保证安全生产。同步电动机常见故障及处理方法见下表。表1.同步电动机常见故障及处理方法序号故障现象故障原因处理方法1不能启动电网电压过低或熔断器内熔件烧断，断路器处于分开状态检查电网电压和断路器的工作状况。采用降压启动时，若启动电压太低，应适当提高电源电压阻尼绕组开路或连接处接触不良（一般是因为阻尼环和阻尼条由于长期受热，使焊接部分松脱或阻尼环连接处的连接螺丝松动）检查阻尼绕组的各连接点转子励磁绕组短路或励磁回路中加入的启动电阻太小测量励磁绕组的直流电阻，并检查启动电阻的大小定子绕组或外部电路中有一相开路用欧姆表检查定子绕组有无开路，再检查外部电路的界限是否完好轴承不清洁，油内有杂质，如砂子、水泥、金属粉末等检查润滑油质量负载过大或负载机械锁住断开负载，若电动机能单独启动，则检查负载的情况2牵入同步困难电压太低，力矩不够，特别是带负载启动的情况下牵入同步困难适当提高电压励磁回路接入的电阻太大或阻尼绕组产生脱焊、裂缝等现象，使其电阻增大检查接入启动电阻的大小以及阻尼绕组的连接情况转子励磁绕组有部分匝间短路可在励磁回路中通入额定励磁电流，用直流电压表测量各励磁线圈的电压降是否相同没有励磁电压检查励磁系统是否有故障负载太大调整负载或进行强励3运行中振动过大或有异常声音单相运行停机再启动，若不能启动则需检查电源或电动机是否一相开路电气上的不平衡检查电源电压是否平衡，是否单相连接负载不平衡或电动机本身不平衡（如励磁绕组松动、位移）断开负载，如电动机振动没有缓解，则需检验转子的动平衡，如电动机振动值不大则检查负载机械平衡情况励磁绕组有匝间短路或接线不正确测量励磁绕组的直流电阻和极性气隙不均匀调整定子或转子的安装位置安装不良。如机组的中心线不在一条直线上，轴承有倾斜或联轴器装配不正确调整机组的安装情况联轴器连接松动拧紧连接螺栓轴瓦间隙太大（轴瓦间隙一般不应超过允许值的一倍）调整轴瓦间隙，或更换新轴瓦底版固定不良或底版下基础不坚固或地基下沉检查底版的固定情况及基础的自由振动频率基础的自由振动频率与电机的振动频率相接近（共振）检查二者的振动频率，如接近，应设法改变基础的自由振动频率4定子铁芯发出噪声主要是铁芯齿端沿轴向朝外涨开，这是由于铁芯两侧的压圈没有压紧或运行日久，铁