无刷同步发电机主发电机的设计综述

1、 毕 业 论 文 题目：无刷同步发电机主发电机的设计 姓 名 号 学 别 系 电子信息工程系 业 应用电子 专 指 导教师 间交提时 I 无刷同步发电机主发电机的设计 摘摘 要：要：无刷同步发电机实际上是两台发电机构成的，一台作为励磁机，一台才是主发电机。主发电机的励磁绕组在转子，电枢绕组在定子（将发出的电输出） ；励磁机的电枢绕组在转子，励磁绕组在定子。主发电机的励磁采用交流励磁机励磁的无刷励磁方式，励磁机产生的交流电进入旋转整流装置，经过旋转整流器的整流后，最后输入主发电机的转子绕组内部进行励磁，使得同步发电机的稳定性能大大增强。 关键词关键词：无刷励磁；同步发电机；旋转整流器；交流励磁机

2、 II 目录目录 一、绪论1 （一） 无刷同步发电机的介绍1 （二）无刷同步发电机发展及前景2 （三）无刷同步发电机的特点4 二、无刷同步发电机的工作原理及基本结构5 （一）无刷同步发电机的工作原理5 （二）无刷同步发电机的基本结构6 1. 静止部分6 2. 转动部分7 （三） 同步发电机的两种基本形式7 1. 旋转电枢式7 2. 旋转磁场式8 （四） 主要性能要求8 1. 较小的线电压波形畸率8 2. 动态性能9 3. 维持短路电流的能力10 4. 过电压保护10 三、无刷同步发电机的励磁系统11 （一）励磁系统的要求11 （二） 励磁系统的分类及选择11 1. 自励式励磁系统11 2. 它

3、励式励磁系统12 3.无刷励磁装置13 （三） 设计注意事项13 1.主发电机13 III 2. 交流励磁机14 3旋转整流器16 四、电磁设计说明书18 （一）初步确定各尺寸18 1. 确定效率18 （二）性能调整20 1. 转子温升20 2. 定子温升21 五. 主发电机的电磁设计22 （一）额定数据及主要尺寸22 （二）空载计算27 （三）满载计算31 （四）绕阻及励磁数据35 （五） 损耗及效率40 （六） 温升估算43 IV 无刷同步发电机主发电机的设计 第一章 绪 论 （一）无刷同步发电机的介绍（一）无刷同步发电机的介绍 随着工业技术的飞跃发展，能源危机在世界都变的越来越严重了。同

4、时人们对节能、环保、高效都提出了很高的要求。而作为消耗 70%左右电能的电机，对其节能和获得更高的效率有着非常重要的现实的意义。 由于电能具有生存和变换比较的经济，传输分配比较的容易，使用和控制比较的方便等有点，因而成为现代最常用的一种能源。并且随着国民经济的发展，自动化程度越来越高，对电的需求越来越大，同时对电的质量也提出了要求，无疑对同步发电机的性能也提出了要求。 同步发电机是一种交流发电机，它区别另外一种交流电机异步发电机的一个重要的特征是它的转速与电流的频率之间有个严格的关系，即：（P 为电机的极对数） 。所以当同步电机的极对数和转速一定的时候，其感应交流电动势的频率也是一定的。 在现

5、代的电力工业无论是用火力发电还是水力、原子能或柴油机发电几乎全部采用同步发电机。同步电机还可以用做恒速的电动机，虽然其机构较异步机复杂些，但是它可以运行在或者超前的功率因数下以改善电网的功率因数。同步发电机还可以用做调相机，实际是不接受负载的空载电动机，向电网输送电感性或电容性的无功功率以提高电网运行的1 无刷同步发电机主发电机的设计 经济性及其电压的稳定性。 由于同步电机具有别的电机无法比拟的优点，目前世界各国均在研究、生产和应用。不管是从高速发展的电力工业以适应国民经济飞跃发展的需要还是从提高发电机的效率降低运行成本着眼，都要求增大发电机的容量。为了降低电枢电流，还使用一些电气配套设备易于

6、制造，或省去发电机的升压设备，这就要把同步发电机的额定电压提高到 20KV 以上，因此相应研究也在展开。 此外同步发电机的转子部件也需要承受很大的机械应力，这就需要研究有更高强度极限的转子部件，磁轭钢板等部件。提高电枢单位周长的安培导电数 A 或气隙磁密 B，则可减少电机尺寸，降低电机成本。但由于磁通密度 B 受电机材料的限制而无法提高，需要研制出饱和系数更高的材料。 随着半导体技术的发展，进一步的推动了无刷电机的发展。无刷同步发电机以交流励磁机、旋转整流器取代了传统同步发电机的电刷、滑环，简化了维修和保养，提高了同步发电机的可靠性。 这些都无疑都促进了无刷同步发电机的飞速发展和广泛应用。然而

7、，现在对发电机的可靠性要求日益提高的情况下，无刷同步发动机可靠性就显得特别重要,我们就不得不对其进行深入的研究。 （二） 无刷同步发电机发展及前景 进入八十年代末、九十年代初，随着我国改革开放不断发展，我国的电机行业的部分企业开始引进先进工业国的中小型同步发电机，有的按生产许可证方式进行技术引进，有的引进软件技术（或生产技术） ，有2 无刷同步发电机主发电机的设计 的按合作生产方式引进国外的先进技术，其先后有德国西 门子公司的 IFC5 和 IFC6 系列、德国 AEG 公司的 DKBH 系列、英国彼特普公司E 系列、美国马拉松公司的 MP 系列发电机、英国的斯坦福公司BC、HC 系列等发电机

8、，这些发电机的绝缘等级为 F 级或 H 级，采用隐极式或整体凸级结构，其技术经济指标较先进，可靠性较高，其制造工艺水平较先进，这些产品的引进，对提高我国的中小型发电机水平和制造工艺水平有较大的促进作用。比如，无锡电机厂、汾西机械厂、柳州电机厂引进了德国西门子公司 1FC5、1FC6 系列无刷发电机，兰州电机有限责任公司（以下简称兰电）引进了德国 AEG公司 DKBH 系列船用、陆用无刷发电机，福州发电设备厂引进了美国麦格乃泰克公司无刷发电机制造技术等等。近年无锡电机厂又引进了西门子公司最近开发的 1FC2 系列无刷三相同步发电机，该电机为整园凸极冲片，克服了原西门子公司 1FC5、1FC6 隐

9、极结构体积偏大，重量偏重的不足。90 年代，无锡电机厂与新时代公司、上海革新电机厂与马拉松公司合资办了企业，使我国中小型三相同步发电机水平又有了进一步的提高，使国内三相同步发电机生产的主要企业产品达到了国际先进水平。兰州电机厂在引进德国 AEG 公司 DKBH 系列基础上，90 年代中期，又开发了自己的新一代产品：TZHW 系列（陆用） 、TFXW-H 系列（船用）无刷三相同步发电机，使其性能有了进一步的提高，更加适合国情、厂情，提高了市场竞争力。 中小型同步发电机是中小型电机的主要产品之一，广泛应用于小型水电站、船舶电站、移动电站、固定电站、应急备用电站、正弦波试验3 无刷同步发电机主发电机

10、的设计 电源、变频电源、计算机电源及新能源风力发电、地热发电、潮汐发电、余热发电等。它对边（疆）老（区）贫（穷）地区实现电气化，提高该地区经济发展水平和人民的生活水平有着重要的作用，中小型发电机在船舶、现代电气化火车内燃机车等运输设备中也是一个关键设备。移动电站对国防设施、工程建设、海上石油平台、陆上电驱动石油钻机、野外勘探等也是不可缺少的关键装备之一。应急备用电站在突发事件中的防灾、救护保障人民的生命和财产的安全有着不可替代的作用。开发绿色能源、可再生能源、减少大气二氧化碳的含量，小水电、风力发电、地热发电和余热发电是重要的组成部分。 在将来，无刷同步发电机将会越来越重要，应用范围也会越来越

11、广。 (三）无刷同步电机的特点 同步发电机是把机械能转换为交流电能的转换设备。自备电站过去的油机发电机组同步发电机的励磁，广泛采用直流发电机提供励磁电流来发电的。这种励磁方式，由于应用直流发电机，存在交流电变为直流电通过整流子进行变换，而励磁电流又通过同步发电机的铜环和炭刷向励磁绕组提供，因此，对维护和保证安全运行方面都带来了很多问题。为了改进这种励磁方式。60 年代主要发展了带静止硅整流器的自励恒压的同步发电机，这种发电机依然存在炭刷和滑环，仍需要经常维护，而且产生无线电磁干扰。为了从根本解决存在的问题，现代的同步发电机，通过改进和发展，广泛采用同轴交流无刷励磁机和旋转整流器的无刷同步发电机

12、。 无刷同步发电机有以下的主要特点： （1）无滑动的接触部分、维护简单、可靠性高、可长期连续运行而很少维护保养，特别略有适用于自动化电站； 4 无刷同步发电机主发电机的设计 （2）没有旋转接触的导电部分，不会产生火花，特别适用于有易燃气体及多粉尘等恶劣环境条件下的运动场合，同时无滑环也适用于高温度的环境下使用； （3）它的电压波形好，畸变率小； （4）由于无刷发电机是由多级发电机组成，间接控制主发电机励磁功率，因而控制励磁功率很小，在主励磁功率的 1/301/50 范围内，发热量低，因而故障率低，可靠高； （5）它虽为自励磁系统，但具有它励式同步发电机的特点，容易实现并联运行。 5 无刷同步发

13、电机主发电机的设计 第二章第二章 无刷同步发电机的工作原理及基本结构无刷同步发电机的工作原理及基本结构 (一） 无刷同步发电机的工作原理 当原动机拖动主发电机旋转时，交流励磁机的电枢绕组首先将切割剩磁自励发出交流电，然后经旋转整流器变成直流电后进入主发电机转子绕组以励磁。这时主发电机的输出端有电压。励磁电源取自发电机输出端电压，(见图 2.1)，称这种为自励恒压发电机。只要调节交流励磁机的励磁电流，就可以改变主发电机的励磁电流，从而控制主发电机的输出端电压，依靠连接于主发电机输出端和交流励磁机定子磁场绕组之间的自动电压调节器就可以稳定主发电机的端电压。 见无刷同步发电机接线原理图 2.1。 图

14、 2.1 具有可控硅电压调节器的相复励励磁系统 A1 电压调节器 R1 串联电阻器 6 无刷同步发电机主发电机的设计 C1-3 电容器 T1-3 单相电流互感器 G1 主电机 T5 压降补偿电流互感器 G 励磁机 T5 整流变压器 L1 电抗器 V1 静止整流器 V2旋转整流器 无刷励磁是已被公认为最有发展前途的励磁方式，随着其励磁系统性能的不断改善必将得到长足的发展。 （二）同步发电机的基本结构 无刷同步发电机由主发电机、交流励磁机和旋转整流装置等主要部分组成。主发电机转子、励磁机电枢和旋转整流装置都装在同一轴上一起旋转，励磁机磁极固定在定子内侧。主发电机结构大同小异，都是转场式的，按照结构

15、型式，同步发电机可分为旋转电枢式和旋转磁极式两类。前者的电枢装设在转子，主磁极装设在定子上，这种结构在小容量同步发电机中得到一定的应用，对于高压、大容量的同步发电机，长期的制造和运行经验表明，采用旋转磁极式结构比较合理。 1.静止部分 （1）定子 由铁心、绕组、机座以及结构部件组成。定子铁心及定子绕组是产生感应电动势和电流的部分，亦称电枢。 机座 机座是发电机的整体支架，用来固定电枢并和前后端盖一道支撑转子。机座上一般有出线盒，或位于机座的后侧面，或位于机座上部，出线盒内装有出线板，以便于引出交流电源。位于机座上部的出线盒一般均装有励磁调节器。 定子绕组 定子绕组由线圈组成，线圈采用高强度聚脂

16、漆包圆铜线绕制，并按一定规律连接，嵌入铁心槽中。线圈采用导线的规格、线圈匝数、并联路数等由设计确定绕线型有双层叠绕、单层链式及单双层7 无刷同步发电机主发电机的设计 式等。三相绕组应对称嵌放，彼此相互差 120 度电气相位角。 定子铁芯 定子铁芯是发电机磁路的一部分，为了减小涡流损耗，铁心用厚，两面都涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。铁芯内圆上mm50.均匀分布着可嵌放有定子绕组的线槽。 （2）交流励磁机定子 交流励磁机产生的交流电，经旋转整流器整流后，供给同步发电机励磁。为了避免励磁机与旋转磁极式发电机用电刷、滑环提供励磁电流，因此，交流励磁机的定子为磁极，而转子为电枢。 （3）端盖 用于与机座配

17、合并支撑转子，因此，在端盖的中心处应开有轴承室圆孔，以供安装轴承。端盖的端面有止口与机座配合，与柴油机专配发电机在轴伸出端的端盖两端面，均有端面止口，以保证转子装配后同轴度的要求。 2.转动部分 发电机的转动部分称为转子。它由转子铁芯、励磁绕组、电机轴、轴承、风扇、交流励磁机电枢和旋转整流器组成。 （1）磁极绕组 （2）转子铁芯 同步发电机的转子铁芯一般用 1mm 厚的低碳钢板冲制的磁极冲片迭压而成的。 （3）交流励磁机的电枢 无刷同步发电机是利用交流励磁机产生的交流电，经旋转整流器整流变为直流电，供交流发电机励磁用。交流励磁机电枢铁芯用硅钢片迭压而成，然后嵌放三相交流绕组，并经绝缘处理形成电

18、枢。 （4）旋转整流器 与交流励磁机同轴旋转的，发电机旋转整流器一般装在交流励磁机外侧，用螺钉固定在转轴上，便于安装和维修。 2.3 同步发电机的两种基本型式 交流同步发电机的基本型式分为旋转电枢式和旋转磁场式两种。这两种发电机在结构上虽然有所不同；但其基本原理却是一样的，即磁场与导体只要产生相对运动并切割磁力线，就能在导体中产生感应电动势.8 无刷同步发电机主发电机的设计 在交流同步发电机中，铁心及其在铁心槽中用来产生感应电动势并接通负载供给交流电流的绕组的总称称为电枢。由于它是交流同步发电机进行能量转化和传递的枢纽，所以将它称为电枢。 1.旋转电枢式 旋转电枢式交流同步发电机的磁场是固定不

19、动的，其电枢为旋转部分，三相交流电流是经滑环和电刷输送出去。这种发电机虽然能提高硅钢片的有效利用率，将定子机座作为磁轭以节省钢材。但是它的容量难以做大，额定电压也不高。 因此，旋转电枢式交流同步发电机已渐少生产，一般只用于容量很小的低压小型同步发电机，或在生产实践中利用现有支流电机改为同步发电机时,才会采用这种旋转电枢式的结构型式。此外，旋转电枢式发电机在采用无刷励磁方式的同步发电机中,被用作交流励磁机。 2.旋转磁场式 旋转磁场式交流同步发电机的电枢固定不动，而磁场是不断旋转的。它的电枢绕组嵌放在定子铁心槽内，并且随槽分布在定子铁心整个圆周上。因此，它有较多的空间位置来安放电枢绕组的线圈和绝

20、缘。这种结构型式交流同步发电机的突出优点是：电枢绕组输出的交流电流不必通过运动的滑环和电刷，而是直接由固定的电枢绕组引线电缆送往负载,所以其机械强度和绝缘条件都比较好，因而提高了电枢绕组的安全可靠性。旋转磁场式交流同步发电机的磁极上绕有励磁绕组，而产生发电机转子旋转磁场的励磁电流经电刷和滑环引入励磁绕组。 旋转电枢式只适用于小容量同步电机中，对于高压、大容量的同步电机，由于让高压和大电流从电刷和滑环的滑动接触引出不很可靠，因此都采用旋转磁场式。 （四） 主要性能要求 主发电机是一般的三相交流同步发电机，其设计的方法与普通的三相同步发电机完全一样的。但是由于无刷励磁原理上有一些特殊性以及9 无刷

21、同步发电机主发电机的设计 科学的发展、技术的进步，对现代无刷同步发电机也提出了许多新的技术要求，从而使无刷发电机的设计有新的特点。 1.较小的线电压波形畸变率 各国电机标准大都规定中、小型电机的畸变率不大于 10%。但是近年来，中、小型无刷发电机广泛地用作为计算机隔离电源或应急用电源，因此，对发电机电压波形的正弦畸变率应小于 5%。这对电极设计提出了更高的要求。这就必须在磁极形状、气隙尺寸和绕组选择等方面予以注意。 可以知道的是，高次谐波电势对相电势大小的影响很小，却很大的影响电势的波形。发电机电势中如果存在高次谐波，就将使电势波形变坏，产生很多不良影响，使发电机本身的附加损耗增加，效率下降，

22、温升增高，以及引起输电线路的电感和电容产生谐振，产生过电压。 2.动态性能 由于现代同步发电机许多供电负载，对发电机的动态性能有很高的要求。 设计电机时，所得到的空载特性应与常规空载特性相接近。如果设计得太饱和将使励磁绕组用铜太多，而且电压调节也比较困难；如果饱和度太低，则负载变化时电压变化较大，并且磁密偏低表示硅钢片的利用率较低，电机铁心消耗材料较多。 动态实验 ，以 100KVA 发电机为样机 ，用起动大容量电动机作为突然增加负荷的方法进行。 本实验属于旋转整流器式交流发电机自动电压调整器采用 PI 调节器进行综合调节的动态实验。综合调节，即既按电压偏差和电枢电流调节，同时也按电压偏差和电

23、流的一阶微分调节。 通过给空载运行的发电机突然增加负载，可以得到下表中系统调节规律的动态特性数据，反映了自动电压调整器的动态性能。 10 无刷同步发电机主发电机的设计 表 2.1 无刷发电机动态特性实验数据 标么值最大值频率偏差 f() 电压偏 差) U(电压恢 复时间tH(s) 电枢电流 励磁电 流旋转整流器式比例调 节2.8 1.8 -12 -18 0.75 旋转整流器式综合调 节2.7 1.5 -2.0 -5 0.05 旋转晶闸管式综合调 节0.9 1.25 -1.2 -3 0.03 实验数据显示，采用旋转晶闸管式和综合调节，明显比采用旋转整流器式和比例调节，频率、电压偏差低，电压恢复时

24、间短。进一步实验 可证明这一点。出：大容量发电机的自动电压调整器，完全可以用于小容量 应该指的发电机；也可以在小容量发电机上，测试大容量发电机的自动电压调 整器。区别在于取样负荷电流的比率不同。 维持短路电流的能力 3.无刷励磁发电机大多数都是作为无人管理的自动化电站电源，故应能可靠地使配电站系统的保护装置动作，排除故障，提高自动化电站的可靠性。突然短路时，各绕组中都出现了很大的电流，而使铜耗很大，所产生的热量使绕组温升增加，而且突然短路电流很大，会产生很大的电磁力和电磁转距，所以在励磁方式的选择或励磁系统设计中必须加以倍 3 考虑。因此国内、外无刷发电机的技术要求中，均提出了应能维持 32

25、以上的额定短路电流，维持时间秒的要求。11 无刷同步发电机主发电机的设计 4.过电压保护 无刷发电机为现代化电源，均带有电子元器件的自动调节器和功率硅二极管，并要求具有能并联运行的特性。采用阻尼套，可以改善电机的并联运行性能，使并联运行可靠，同时可作为电压调节器及旋转整流器的第一道可靠的过电压保护屏障。根据分析，当电机短路时，开路相会产生过电压。另外，发电机励磁绕组在突加负载或负载短路的瞬变过程中也会产生过电压，很多研究者指出，当电机有全阻尼绕组时，磁场绕组的过电压约为 35 倍额定励磁电压，而没有阻尼绕组时过电压可达到 10 倍以上。 旋转整流器的过电压保护有两种用途，换相引起的尖峰过电压，

26、此时由并联在整流元件两端的阻容元件吸收浪涌过电压；主机非同期投入，由电网引起的外部过电压作用于旋转整流器两端，一般采用在励磁绕组并联电阻的方法吸收此过电压，此时，将增加励磁机的容量。 12 无刷同步发电机主发电机的设计 第三章第三章 无刷同步发电机的励磁系统无刷同步发电机的励磁系统励磁系统是同步发电机的重要组成部分，其主要任务是向同步发电，控制机端电压恒定，满机的励磁绕组提供一个可调的直流电流（电压）足发电机正常发电的需要，同时控制发电机组间的无功率的合理分配，保证同步发电机并列运行机制的稳定性，以满足电力系统安全运行机制的需要。优良的励磁系统不仅可以保证发电机稳定和可靠性运行，而且 可以有效

27、的提高发电机及电力系统的经济技术指标。 励磁系统的要求（一）正常运行时，能按负荷电流和电压的变化调节（自动或手动）1（励磁电流，以维持电压在稳定值水平，并能稳定地分配机组间的无功负 荷。为避免例如电枢绕组出现匝间短路时， ）当发电机内部发生故障，2（事故继续扩大,励磁系统应能尽快地将发电机的励磁电流减到尽可能小的程度，即灭磁。 （3）励磁装置本身应无失灵区，以利于提高系统静态稳定，并且动作应迅速，工作要可靠，调节过程要稳定。 （4） 为了保证励磁绕组和整流器安全运行,对最大励磁电流要有所限制,不得超过规定值。同时，考虑到发电机在欠励情况下较易失步，为此对励磁电流的最小值也必须有所限制。 励磁系

28、统的分类及选择 （二）励磁系统是同步发电机励磁绕组的供电电源，按供电方式的不同，励磁系统可以分为它励和自励系统两大类，下面分别加以说明。 1. 自励式励磁系统 这种系统中，励磁绕组和电枢绕组由同一电源供电，即不用励磁机而由同步发电机本身提供励磁电流。有如下三种：仅由同步发电机本身13 无刷同步发电机主发电机的设计 线端的电压取得能量的称为自并励系统；由发电机本身线端的电压及电流两者取得能量的称为自复励系统；由发电机辅助谐波绕组提供励磁电源的则称为谐波励磁系统。 为了提高电力系统的稳定性和输电能力，国内外都采用串联电容补偿长距离输电线路的电感，但补偿度过高易发生同步发电机的自励磁(自激)。为了改

29、善配电网的电压水平和送电能力，也可采用串补方法，但补偿度过高同样会引起自励磁。因此，自励磁问题成为一个迫切需要解决的问题，受到广泛重视。 多年来，不少学者对自励磁进行了较深入的研究。特征方程分析法根据同步电机的基本方程，用运算电抗导出自励磁特征方程，求特征方程的根分析自励磁。基于同步电机的方程是五阶微分方程，其自励磁特征方程是相当冗长和繁杂的，不便使用。频率分析法从某同步发电机端求电网等值电阻和等值电抗的频率特性，等值电抗为零时的频率就是电机发生自励磁的串联谐振点。对于计及发电机控制系统的自励磁分析，由于阶数的提高，以上方法更显得无能为力。 计算机的出现和现代控制理论的发展为自励磁研究提供了有

30、力的工具。状态方程分析法(下称状态法)是一种新的分析方法。状态法首先建立描述自励磁的状态方程，然后根据状态方程的系数矩阵进行自励磁分析。此法数学模型清晰，计算准确，使用方便。 2. 它励式励磁系统 由同步发电机本身以外的电源供电的励磁系统称为它励式励磁系统，且励磁绕组与电枢绕组不连接。这种系统中的励磁电源是励磁机，它既可以是与电机同轴的直流发电机，也可以是带有整流设备的交流发电机。下面将介绍它励式励磁系统。 带副励磁机的它励励磁机励磁系统：它与同步发电机同轴的主励磁机是一台它励直流电机，主励磁机的励磁由另一台同轴的副励磁机供给。 带自动励磁调节器的同轴直流电机励磁系统：它的励磁调节电阻不再手动

31、调节,它带有自动的自动励磁调节器,具有更快的电压上升速度。 14 无刷同步发电机主发电机的设计 随着电力系统的单机容量和输电距离的不断增长，励磁容量亦显著加大。对于大容量发电机，特别是大容量的高速发电机，由于换向困难，直流励磁机已难以满足励磁要求。为适应生产需要，随着半导体技术的发展，出现了多种采用半导体整流器的励磁系统，其中它励式整流器励磁系统机为大、中容量同步发电机所常用。 3. 无刷励磁装置 无刷励磁装置主要由励磁变压器、阳极开关、三相可控硅全控整流桥、灭磁装置、检测励磁电压 和励磁 电流的仪表 、防止过电压和过电流的保护元件及励磁调节器 等组成。可控硅励磁装置主要为交流励磁机定子绕组提

32、供励磁电流。该装置输入信号通过励磁变压器取 自于汽轮发电机机端，并经过可控硅三相全控整流桥整流，将三相交流电势转换成直流电势来实现。交流励磁机励磁电流的大小是通过励磁调节器来实现的。励磁调节器设置有 自动调节和手动调节 2 种方式。手动调节作为自动调节的辅助方式，当自动调节运行发生故障时可转换成为手动调节运行，但采用手动调节运行时应防止过电压产生。此外励磁控制回路中还设有交流励磁机灭磁装置。灭磁方式分为 2 种，一种是机组故障停机，由系统保护自动(或手动)分断阳极开关，使交流励磁机励磁绕组的磁场能经并接于励磁绕组两端的灭磁电阻、二极管而释放；另一种是在正常停机时采用逆变灭励的方式进行灭励。 把

33、交流励磁机做成旋转电枢式的同步发电机，并把它安装在主发电机的同一转轴上，然后把硅整流桥也固定在励磁机的电枢上使其一起旋转，这样就组成了旋转的交流整流励磁系统。最大特点就是取消了滑环和碳刷，使整个励磁系统没有触点，所以该系统又称为无触点励磁或无刷励磁系统。 (三) 设计注意事项 1. 主发电机 由于现代同步发电机有许多供电负载都是电子设备或配备有电子设15 无刷同步发电机主发电机的设计 备的装置，故对同步发电机动态性能要求较高，在主机设计时必须适当选者择主机的瞬时电抗值以减少主机的时间参数。一般 Xd1 在0.170.2 之间，Xd2 在 0.1 左右。无刷发电机大多数都作为无人管理的自动化电站

34、电源，故应能可靠地使配电的保护装置动作，排除故障，提高自动化电站运行的可靠性。国内、外无刷发电机的技术要求中，均提出了应能维持 3 倍以上额定电流的短路电流，持续时间为 2.53S 的要求，在励磁方式的选择或励磁系统的选择设计中必须加以考虑。 主发电机比较大，引起发热比较厉害，则定子上需要有通风槽；发电机的容量比较大，其绕组要用截面积比较大电阻率比较小的扁铜线；且无刷发电机作为现代化电源，要求具有并联运行的特性，固需要装设阻尼绕组，以改善发电机的并联运行性能，并使并联运行趋于稳定。 在整个电机的设计过程中，要保证电机的各项性能效率、温升、电压畸变率、损耗、转矩、短路电流等指标要合乎要求。当有些

35、指标不合乎要求时，要明白如何进行调整。如定子温升过高，则： （1） 可降低 一般可加厚铜线； 1（2） 降低 A； （3） 加大 h/b 的比值； ss转子温升过高则可加大 h 或 b；最大转矩不合格则可增加 g，如还不em行则可改变 A/Bg 的值等； 通过以上的论证可得知该同步发电机具有符合设计要求的各种性能： （1） 定子绕组采用最佳短距和分布系数，采用斜槽结构，加之磁极形状经过优化设计，电压波形远远优于普通发电机，因而电压波形完全合乎设计要求； （2） 瞬变电抗小，动态性能优良等； （3） 发电机为 F 级绝缘，实际上温升低于 B 级温升，故过载能力大，大多数情况下在 1.3 倍额定负

36、载转矩下长期过载运行也不会发生绕组过 热，绝缘寿命长，可靠性高。 16 无刷同步发电机主发电机的设计 2. 交流励磁机 交流励磁机是一个旋转电枢式交流同步发电机，但由于它的工作特点和负载的特殊性，它与一般的同步发电机不大一样。对磁路设计来说，交流励磁机输出电压随主发电机负载及工作温度变化而大幅度变化着，相应交流励磁机的感应电势也应是幅度变化。为满足主发电机的最大强励要求，相应于励磁机额定工作状态的磁路工作点处在线性部分，即交流了励磁机的额定工作状态时的磁密要取得低。由于叫励磁机的电枢具有电感，换相时电流不能突变，产生了换相角，因此有其独特的电压变比和电流变比。通常采用较小的短路比和较高的频率来

37、改善无刷发电机030 的动态特性。为减小负载电压将及改善换相状况，将换相角控制在0之间。另外交流励磁机的极数最好不要为主机极数的整数倍。 50 交流励磁机在设计时应注意满足励磁系统对其提出的强励、高反应速度及高可靠性的要求，因而要有一些特殊考虑。 （1） 为提高励磁系统反应的快速性，交流励磁机励磁绕组的时间常数应尽量小。为此，交流励磁机转子铁心一般采用迭片式结构，以增大转子铁心涡流电阻，减小磁路内涡流阻尼作用及转子附加铁损。 （2） 为保证励磁系统的 2.0 倍峰值电压倍数的要求，通常励磁机应设计得使其负载特性直到额定工况时仍保持线性，为此一般选取空载气隙磁通密度 B：要在 0.4T 左右电枢

38、选用磁化特性较好的硅钢片，且要将电枢磁通密度控制在该硅钢片磁化曲线的直线区域。 （3） 为满足电压增长速度一般要在 2.0 倍/S 以上的要求和改善电压突然增长的瞬变特性，提高电压增长速度，对影响交流励磁机饱和程度的电机参数一短路比应尽量选得小一些，通常为 0.5 左右，同时还可以降低交流励磁机的造价。 00之间，这样要求 40304（） 为减小换相压降，换相角最好选取在换相电抗在 0.2 左右。 （5） 为减小交流励磁机定子线棒内频率较高的非正弦波电流产生的附加损耗和趋表效应，定子线圈采用多股扁导线换位编织线棒。 （6）为提高交流励磁机定子绕组的可靠性，当主机转子绕组过电压17 无刷同步发电

39、机主发电机的设计 时，励磁机定子绝缘不受破坏，励磁机定子绕组绝缘应与主发电机转子绝缘等级相同。 （7） 为了改善无刷发电机的动态特性，交流励磁机设计时，必须注意尽量选用较小的短路比（大约为 0.30.5 左右）以提高励磁机励磁电流的瞬时灵敏度，缩短励磁机的时间长数。较小的短路比，能使交流励磁机设计得经济些，缩小体积，减轻重量。其次短路比小，Xd 大，这样，在旋转整流器的整流管出现短路故障情况下，可使短路电流不致过大，对其他整流管就起到了保护作用。 （8） 由于交流励磁机的电枢绕组是一个经过旋转整流器大电感，加之由于励磁机的电枢绕组内电抗的存在，使旋转整流器换相时，电流不能突变，产生了换相角，因

40、此有独特的电压变比和电流变比，而且使交流励磁机相电流波形与正弦波相差很大。所以，交流励磁机的计算主要应解决以下两个问题： 如何根据主发电机给定的直流励磁电压和直流励磁电流，计算出交流励磁机的输出交流相电势、相电流、及励磁机的容量； 如何计算交流励磁机的电枢反应、功率因数及所需的励磁磁势。 （9） 此外，为了改善无刷发电机的动态特性，应尽量选用较小的短路比，以提高励磁机励磁电流的瞬时灵敏度，缩短了励磁机的时间常数，同时，选用较高的频率也可以缩短励磁机的时间常数。 因此设计时必须注意以上所述的特殊性，除此以外，其设计的步骤和原则基本上和小型凸极同步发电机的设计相同。 3. 旋转整流器 旋转整流器是

41、无刷发电机组交流励磁机的重要组成部分，整流管的可靠性直接影响电流的整流效果，从而影响到发电机组的运行。旋转整流器是电机故障率较高的部件。因为它工作在高温、高速和有振动的场合，而且还有承受过电流过电压冲击的可能。电机受到外界干扰时，尽管由负载电流产生的定子旋转磁场与转子绕组间无相对运动。但随着定子磁场幅值的突变，在转子绕组中便会感应出变压器电势；而当电机负载不对称时，定子绕组中将会流过负序电流，这个负序电流将在转子磁18 无刷同步发电机主发电机的设计 。60 场绕组中感应出旋转电势；当发电机电压与系统电压之间的相位角为时合闸，会导致很高的转子电压，在非对称短路或并网的误操作过程中，上述旋转电势和

42、变压器电势将可能于某一瞬间同时产生，这两个瞬时电势加上交流励磁机电枢输送给旋转整流器的电势、再和主发电机转子磁场绕组中原有的电势相叠加(注意转子磁场绕组是感性元件)，共同作用于旋转整流二极管。就可能使导通的二极管流过很大的正向电流，也可能使截止的二极管承受很高的反向电压，将二极管损坏。在气隙较小、阻尼不良或没有阻尼的凸极同步发电机中，这一现象更为突出。若交流励磁机的极对数是主发电机的极对数的整数倍，当发电机三相对称短路时，转子线圈中的感应电流将流过正在导通的二极管，使二极管受损。据此，可以采用以下措施。 （1） 在转子磁极表面装阻尼绕组以改善动态性能； （2） 交流励磁机的极对数和主发电机的极

43、对数不成整数倍； （3） 对旋转二极管采取过压和过流保护； （4） 选择旋转二极管的额定容量时留较大裕量； （5） 旋转整流装置在安装方式、绝缘方式、振动、热容量等方面须经过精心设计制造和严格的振动、超速、高温等试验，使其具有很高的可靠性，如整流桥输出侧装压敏电阻，以防发电机磁场绕组出现过电压时损坏整流二极管。熔断器作为过流或短路保护串联于每个二极管支路，万一整流管出现故障，则与之串联的快速熔断器可保证使其自动断开，从而防止励磁机局部严重超载过热。 19 无刷同步发电机主发电机的设计 第四章第四章 电磁设计说明电磁设计说明 （一） 初步确定各尺寸 1. 确定效率 一般说来效率只与电机的容量相关

44、，相同容量的电机其效率总是差不多的，且容量越大效率越高，因此可参照已做过的相近容量电机初步确定。 1.1. 主要尺寸及 l及与电机容量间有以下关系： l KVA 2ABkpPH以上可知要确定、 ，就要先确定、A、B，下面分别说明： l（1）的决定：对一台电机来讲可以在一个相当达到的范围内变/l动，因此，需通过采用不同的几个方案比较后才能决定。 值大小与下列因素有关： 经济性：电机的有效材料消耗及损耗大小与 有较大的关系。 一般电机容量有效材料消耗量有下列比例关系。 1.2 定子铜 11.6 )1G( 1cuJB11.3 定子铁 110 )G( 1FeABBJC11.4 转子铜 10.5 )G(

45、1 2cu80.1.5 转子铁 20 无刷同步发电机主发电机的设计 1G e2F1.6 一定减小）一方面增大时， （对一定容量电机 A 当将有所增长，一 /l减小，因此 G 及方面 G 式中刮号外部分值减小，当刮号内第二相却增大，故Cu2Cu1小于一定值时 G 及增加时，在 G 当减小，当超过一定值时将增加，而铁重 Cu2Cu1 增加而减少。 G 一般说来将随Fe当保持电密及磁密 B 相同时，铜及铁耗大小将与铜及铁重量成正J1比，因此铜及铁损与的关系将与上所述相似的关系。 单位容量机械损耗有以下比例关系： 0.5 maxP 1.7 故知：当 增加时机械损耗将增加，见表 4.1。 表 4.1 与

46、机械损耗的关系 容容量量/ / 极极D1 l/ G G bG mP P P P KW/P （M）M （吨） 6（吨） 以下（吨） （kw） k（w） 1 （kw） （kw） 4000/28 3250 4250 2.15 0.9 8.88 6.5 0.933 0.988 610 10.112 12.115 1.99 1.4 1.5 60.6 52.8 39.8 49.2 1.25 2.0 37.7 37.4 22.3 40.5 2000/40/4 1430 1180 0.74 1.62 2.48 2.92.9 0.512 0.457 0.434 0.548 20.6 25.2 21 18.3 1

47、2.2 11.3 32.8 2222 957952952957 通风条件变差，因此温升将增高，增加（减小）时，发热：当 2 大于的电机温升比较高，由此要特别注意通风的问题。21 无刷同步发电机主发电机的设计 结构：及选择常常还受到结构上的限制。 由于机械强度的限制，不能过大。一般说来，当接近 60cm，各处机械应力已接近允许值，当大于 70cm 时就需采用实心磁极结构。 22。GD （较大的）对于要求 GD，以增加大的电机则常选用较小的铁芯长度有时要受到周极限长及地坑长等限制。 l（1）A、决定：A、值大小对电机参数、启动性能、温升、损耗、BB经济等方面均有较大的影响。 电机参数 x、x、x、

48、x、x、r、r 等基本上皆与 A/成正比。 Bkqkqekdqdkd当 A/增加时，所有 x 及 r 均减小，电机起动电流 Bl I stx0.5(xx)kqkde1.8 当 A/增加时，起动电流减小，反之则增加，而 M、M 等，皆BBst随起动电流增加而增减少。 最大转矩 ，当/一定时 x=A/，故 M 随 A/增加而BBl/xMmaxddax减小。一般说来，对于相近的二台电机，如果 A/也相近的话，则所B有参数及起动性能等也是相近的，因此在新设计时，就可找一个相近的电机，根据其（A/）性能、参数为所设计的电机性能参考，利用上面B介绍的规律就可初步确定所设计的电机的（A/）值了。 BA，值对

49、电机发热也有影响，当定子槽面积不变时， ，2AAJAJ, B当电机用铁量不变时，B、B，故当 A、增加时电机发热将增加。对较BCT大的电机可取较大的值。主要时 B 限制，故一般与关系不大。 BT此外，当增加时 h/减小，因此为了维持 I 在一定水平下也需要sts增加 A 值。 A，值大小影响电机的用铜量与用铁量。 Bl 2ilD AB 当增加时，电机材料消耗就减小。A、1.9 B选择一般不标准定子外径：应采用标准定子外径以利生产，因此 是任的。22 无刷同步发电机主发电机的设计 确定了定子标准外径后，初步确定（） 1.9.1 轭高 h c确定轭高 h时，应注意以下各点： c（1） 轭磁密要合适

50、。 （2） 为了使齿部易压紧，h/b 应大于等于 70% ss（3） 考虑通用冲片，使该冲片用于相临极数时，B 能通过。 c（4） 考虑材料充分利用，最好能使一大张硅钢片正好冲完。 在最后确定 h、h 后，就可以确定内径 D 及和 A 值，如不合适，可1sc以适当调整。确定了后，就可以确定（铁心长）了。 l（二） 性能调整 当初步确定各尺寸后，就可按公式核算，核算后有些参数、性能、温升等可能不和要求，需要进行调整，下面分别介绍之。 1.转子温升 如转子温升过高，则可加大 h 或 b，但需注意线圈在极间不大， （一mm1，而与 h 效果较好，因为 b 般应留以 10mm 间隙） ，一般加大em

51、2cu2cube1） 。但如 h 已等于 h2/3 仅成一次方关系（，线圈极间也相 而温m 2cube升仍高时，则在转子中已无法解决高的问题了。此时需降低 A 及，B2cu因而需加大 l 或（但要注意性能仍要符合要求）或加大定子外径。 1 对励磁机要求（a）最大励磁电压 U =1.8U（发电机） 。 BHmax（b）励磁增长速度对一般电机应大于 0.8U/秒。 BH（c）最低励磁电压：对发电机为 0.8iR（i 为欠激运行时最小BminBminB15励磁电流） 。2.定子温升 如定子温升过高，一般可调整下列数据。 23 无刷同步发电机主发电机的设计 （1）降低，一般可加厚铜线，铜线加厚引起槽高

52、加深，轭高降低，J1有时为了保持 B 在一定水平上，可以减少 D。 i1C（2）降低 A（因而需要加大 l） ，在槽形不变时，及 A 皆降低， （JJJ1112成正比下降） ，但改变 A 后，要影响性能。 与 A 比成正比下降，AAJ1（3）加大h/b（需增大 q 值） 。 SS 24 无刷同步发电机主发电机的设计 第 5 章 主发电机的电磁设计 （一） 额定数据及主要尺寸 1 额定容量 SN = 500 (KVA) 2 额定电压 = 400 (V) UNU400 (Y 接法) 额定相电压NVU230.95 1333 额定频率 f=50Hz 4 额定转速 min/1000rnN5 极数 p=6

53、 =0.8 cos6 功率因数H7 相数 m=3 8 额定效率 =88% 9 额定电流 3310P10500 NA902.14I N0.834003UcosN10 绝缘等级 定子：F 级 转子：F 级 11 定子内径 满载电势标幺值： 500-0.013-0.013P+0.931=0.0108LP=0.0108LK6+0.931=0.92 nEnN25 无刷同步发电机主发电机的设计 计算功率： 3P105003 N10.409PK0.92653 E80.cos.0.88初选计算极弧系数为 68.0P气隙磁场波形系数为 11.K1NM定子基波绕组系数为 920K.1dp=26000 A/m 取

54、A 由电机设计图10-2=0.82 T 取 B 由电机设计表 10-1n=1000 r/min N 由电机设计表 10-3 按定子内外径比为 D/D=0.75 则 i112 定子外径 /D)=58.71/0.75=78.28 cm = D/( DDi11i113 定子铁心总长度 V cm.24l27 2D1i1.581.95 k2 在中型电机中取 定子铁心有效长度cm22.84024llnb27.8.55KeffK8 式中：为通风道数，初值选nk1-26 为通风道损失宽度。查交流电机设计手册图bk 可得55b.0k14 极中心处最小气隙)0g.cm35( 26 无刷同步发电机主发电机的设计 1

55、5 最大气隙 22bRD225.17)27.312(58.71pi1p cm0.528gm 825.178RD58.711ip初取 R=25.17, b=27.31 ppgg时，波形最好，新系列当 mm51.2351. gg16 极距 D58.71 1icm30.71 p6pg0.35 0.094 21030.71 p 17 定子槽数 Q 1当时，根据交流电机设计手册数据参考 30.71初选，高斯 cm350A/A6500Bg参考相近电机：q=4 则，槽 7236Q2mpq41定子槽宽主要与及电压有关，再新系列电机中为了减少铜线规格bs及工具，采用了标准槽宽。其适用范围如下： 30cm =17

56、.2mm bs初确定槽宽： mm.b172s27 无刷同步发电机主发电机的设计 Q72 18 每极每相槽数1槽4q 1pm63电压波形对发电机的值有要求，应保证 3。 qq当=3（或接近 3 的整数槽时）最好不用阻尼绕组，可得很好的波形，q且线电压畸变率小。 19 每相串联导体数 QZ7224 1132Z 1ma361式中：每槽导体数，对于双层绕组； Z 每圈匝数Z211 并联路数。 a1取并联路数 a=6 得每槽导体数 1Zma361611 4z 172Q1于是每圈匝数为 4 每相串联匝数 Z32116N 122 定子电流初步估计: p5001000功电流：n721.65AI KWmU323

57、0.94 N1定子电流： 选定子电密= 计算导线并绕根数和每根导线截面积的2mm.50A/J128 无刷同步发电机主发电机的设计 乘积 1025.13I21m17m34.NA c11t05.aJ611 2 ：则导线截面积 A=8.26 mm 在附录 2 中选 并绕根数=4N1c1t选线规 厚绝缘聚脂漆包扁线 2mm8.0b51.6a 20 绕组节距 槽 10yYP106 %.833% Q72121 定子电流密度 I902.14 2HmmA/4.55 1Sa33.04611式中 S=33.04 为并绕导线总截面积 S= AN1111ct22 定子线负荷 mZI332902.14N cm469.7

58、9/AA1 13.14D58.71il23 定子热负荷 2137.544.55A469.791124 绕组系数 0.961.0kkk0.96pdpd111绕组分布系数 查交流电机设计手册表 1-4，得 0.96 K1d29 无刷同步发电机主发电机的设计 绕组节距系数 查交流电机设计手册表 1-4，得 1.0 K1p 25 每相有效串联导体数 30.720.9632Zkdp1126 实际极弧系数 p一般取值 当 P=4 和6 时 720.680ppbp1SinR2 p2Rp p180p式中 R为极靴半径： pD58.71 又1i26.93R p） （0.530.35858.71g8Dg2i1m2

59、 2 21.502bp极靴宽铉长 = bbpppp初取 则= 700.21.500.730.71bppppbpSinarc2R p2Rp 则0.71 p180p 27 计算极弧系数 22 0.661.0650.97akk 1 =基波气隙磁通密度/实际气隙磁通密度 查交流电机设计手册图K11-81得 =AB=1.250.852=1.065 K130 无刷同步发电机主发电机的设计 为磁场波形系数 查交流电机设计手册图 1-82 K=BB=0.9071.076=0.97 K（二）空载计算 28 每极磁通 810kU810230.950.9716克斯6.5610 0.962.22fZk32502.22

60、 dp11 29 气隙磁通密度 6106.56 3高斯 7.710B g2l0.6630.7142.4a10eff6p30 定子槽形 58.7178.28DDi11Dh5.2873.77 s122c 2D13.1473.77c 219.31l 1c12p2 hD5.283.1458.71 si11.351.44bb 1sQ72T 21223.1458.71Dh5.28 s1i33 1.31.44bb s172QT 13D58.71 1i2.55t 172Q1lb42.41.44 seff2.30k s36.084bl1.961FeT 331 齿部磁通密度 31 无刷同步发电机主发电机的设计 计