同步发电机的基本工作原理和结构

1、12/19/2020,1,水职院电机教研室,电机技术讲稿 （同步发电机的基本原理和结构,12/19/2020,水职院电机教研室,2,同步电机属交流旋转电机，主要用作发电机，在电力系统的发电厂中，绝大多数机组都是用的同步发电机,第二篇 同步电机篇,同步电机也可用作电动机，只是使用得不多，只在一些特殊的场所使用,此外，同步电机还可用作调相机，用作对系统无功进行补偿,本教材着重讨论同步发电机，对同步电动机和调相机作简单介绍,通过对本篇内容的学习，要能掌握同步发电机的工作原理、运行特性、调节方法、运行分析，从而能正确使用同步发电机,12/19/2020,水职院电机教研室,3,同步发电机的作用是将机械能

2、转换成电能，水能发电机组的工作过程见下图示,第七章 同步发电机的基本工作原理和结构,12/19/2020,水职院电机教研室,4,本章讨论的内容主要是：同步发电机的工作原理即同步发电机是如何将机械能转换成电能的；同步发电机的基本结构同步发电机由哪些主要的部件构成，各部件的作用；同步发电机的励磁方式,12/19/2020,水职院电机教研室,5,第一节 同步发电机的基本工作原理,一、三相同步发电机的工作原理,三相同步发电机的工作原理示意图见下图示,12/19/2020,水职院电机教研室,6,同步发电机的主要构成部件包括两大部分：定子（工作时不运动部分）和转子（工作时转动部分,定子部分主要有：定子铁心

3、（硅钢片叠成），其内表面开槽用于嵌放定子绕组；定子三相对称绕组，用于切割磁场感应电动势，将动能转换成电能,转子部分主要有：转子铁心及磁极；转子绕组（也称为励磁绕组），用于通过直流电流（励磁电流）形成恒定磁场,对照原理结构图，说明同步发电机的工作过程,电生磁：转子绕组通直流电流后产生恒定磁场,磁生电：该恒定磁场在原动机带动下旋转，切割定子上的三相对称绕组，在定子绕组上产生感应电动势，见图7-2和式（7-1），在其引出端就有了三相对称交流电压输出,12/19/2020,水职院电机教研室,7,若接上负载，则有电流输出，即有了电能输出，从而将机械能转换成电能,注：本篇同步发电机的三相绕组首尾端标注为：

4、U1U2、V1V2、W1W2，与前述的AX、BY、CZ对应,三相同步发电机的工作过程见下图示,12/19/2020,水职院电机教研室,8,三相同步发电机产生感应的交流电动势，电动势的频率f与机组的旋转速度n、磁极对数p有以下关系,我国规定标准工频为50Hz，当发电机的磁极对数p确定时，机组的转速也确定。三者有以下关系,12/19/2020,水职院电机教研室,9,二、同步发电机的类型,同步发电机分类方法很多，可按以下方式分类,按原动机的类型不同分,按发电机转子结构不同分，见下图,12/19/2020,水职院电机教研室,10,12/19/2020,水职院电机教研室,11,按安装方式不同分：立式、卧

5、式,按发电机冷却方式不同分,对以上分类有一初步了解,三、同步发电机的铭牌,与前述变压器相同，同步发电机外壳上也贴有一铭牌，铭牌给出了同步发电机的相关技术数据和使用条件，是正确选购和使用电机的重要依据,一）额定值重要的技术参数，掌握含义,1）额定功率PN，单位kW（或MW），含义,2）额定电压UN，单位V（或kV），含义,3）额定电流IN，单位A（或kA），含义,4）额定功率因数conjN，含义,12/19/2020,水职院电机教研室,12,同步发电机额定参数满足以下关系,此外，铭牌上还标有同步发电机的额定频率fN、额定转速nN、额定励磁电压UfN、额定励磁电流IfN、额定效率hN及绝缘等级等参

6、数,二）型号,型号是一标明电机结构和性能特点的基本代号，由汉语拼音和数字组成，见书上例，对此作一了解,四、同步发电机的冷却方式,同步发电机在运行过程中存在三类损耗，消耗在不同的部件上，最终转换成热量，这些热量若不及时排散，会使相应部件温度升高，会损坏相应部件,12/19/2020,水职院电机教研室,13,铁损：在定子铁心中，产生原因,铜损：在定、转子绕组中，产生原因,机械损损耗：在机组的轴承中，产生原因,相关部件的散热（冷却）方式：通过空气、水、氢气等冷却介质进行冷却,12/19/2020,水职院电机教研室,14,第二节 同步发电机的基本结构,目前电力系统中的发电机主要有两大类：汽轮发电机和水

7、轮发电机，这两类发电机的工作原理是一样的，不同的是在工作过程中一类是高转速发电机，一类是低转速发电机，这使其结构有一点不同,一、汽轮发电机的基本结构,汽轮发电机是在高转速下工作，定子结构与水轮发电机是一样的，其转子采用隐极式结构，直径小、轴向尺寸长，全为卧式布置，理由,12/19/2020,水职院电机教研室,15,12/19/2020,水职院电机教研室,16,12/19/2020,水职院电机教研室,17,12/19/2020,水职院电机教研室,18,定子结构见下图,12/19/2020,水职院电机教研室,19,二、水轮发电机的基本结构,水轮发电机大部分是在低转速下工作，定子结构与汽轮发电机是一

8、样的，包括机座、定子铁心、定子绕组三大主要部件，外形见下图,12/19/2020,水职院电机教研室,20,定子铁心用硅钢片叠成圆筒形，由于定子铁心的直径很大，硅钢片须冲剪成扇形后叠装成圆筒状，定子冲片形状见下图,12/19/2020,水职院电机教研室,21,12/19/2020,水职院电机教研室,22,定子绕组用铜线（铜棒）绕制成形，再嵌放在定子铁心槽内，定子绕组形状见下图,12/19/2020,水职院电机教研室,23,水轮发电机转速低，因而磁极数多，转子采用凸极式结构，其直径大、轴向尺寸短，凸极式理由。转子外形见下图,12/19/2020,水职院电机教研室,24,水轮发电机转子用低碳钢板冲剪

9、成形叠装成转子磁极，套上转子绕组，嵌放在转子磁轭上。每个转子绕组串联在一起构成转子绕组。转子磁极外形见下图,12/19/2020,水职院电机教研室,25,12/19/2020,水职院电机教研室,26,注：转子励磁绕组是跟随转子一起旋转的，励磁的直流电源一般是静止的，同步发电机运行时，如何将旋转的励磁绕组与静止的直流电源连接起来,这是通过下图所示装置完成这种连接的,12/19/2020,水职院电机教研室,27,机组用轴承支撑、约束和维持转动部件的转动。轴承有两类：导轴承和推力轴承,导轴承的作用是约束机组轴线的位移，防止转轴的摆动（即不能左右前后摇摆,推力轴承的作用是支撑机组转动部分的分部重量和轴

10、向的水推力。根据推力轴承安装位置的不同，立式机组分为悬式和伞式两种，见下图示,伞式,悬式,12/19/2020,水职院电机教研室,28,水轮发电机组也有采用卧式机组形式的，主要用于高水头、小流量的小型机组，这样可降低整个厂房的修建高度，从而降低修建成本。如青城电站,12/19/2020,水职院电机教研室,29,从原理分析已知，同步发电机运行时必须在转子绕组中通入直流电流建立磁场，这个电流就叫励磁电流。我们把供给励磁电流的电源及其附属设备（励磁调节器、灭磁装置）统称为励磁系统,第三节 三相同步发电机的励磁方式,获取励磁电流的方式有多种，在实际应用中常用的有以下几种,一、直流励磁机励磁系统,直流励

11、磁机励磁系统的构成见下图示,12/19/2020,水职院电机教研室,30,该系统中，直流系统的电路部分与同步发电机无关联，相互独立，但直流发电机也由同步发电机的原动机带动工作，工作过程。如青城电厂的机组,这种励磁方式目前已淘汰，原因是容量有限、维护麻烦、工作性能差,12/19/2020,水职院电机教研室,31,二、交流励磁机励磁系统,一）交流励磁机静止整流励磁系统的构成见下图示,说明其构成和工作过程,大容量发电机组上使用，不过这种励磁方式容量也不能做到太大，如现在的几十万kW的机组，原因,12/19/2020,水职院电机教研室,32,一）交流励磁机旋转整流励磁系统的构成见下图示,该系统的组成及工作过程,该系统可用于超大型容量的发电机组中,12/19/2020,水职院电机教研室,33,三、自励磁式励磁系统,在中小型同步发电机中，目前用得最多的是可控硅励磁系统，即教材中所介绍的“自励式静止整流励磁系统”，我校教学科研电站即此励磁方式。见下图示,该系统的构成和工作过程,12/1