同步发电机的基本工作原理

1、1.发电机主要构成部分2.发电机原理发电机工作原理发电机基本构成和作用1.定子（定子铁芯、定子绕组）2.转子(2)(2)励磁绕组励磁绕组 励磁绕组是由矩形的绝缘励磁绕组是由矩形的绝缘扁铜线绕成同心线圈，两线圈扁铜线绕成同心线圈，两线圈边分别放置在大齿两侧所开出边分别放置在大齿两侧所开出的槽内，所有线圈串联组成励的槽内，所有线圈串联组成励磁绕组，构成转子的直流电路。磁绕组，构成转子的直流电路。励磁绕组引出的两个线端接在励磁绕组引出的两个线端接在滑环上，并通过电刷与外电路滑环上，并通过电刷与外电路直流电源相连接。直流电源相连接。注意注意: :励磁绕组的各线匝间需垫有励磁绕组的各线匝间需垫有绝缘材料

2、，同时，线圈和铁芯之绝缘材料，同时，线圈和铁芯之间也需有可靠的间也需有可靠的“对地绝缘对地绝缘”。(3)(3)紧固件紧固件 转子紧固件包括护环和中心环。由于汽轮发电机转速高，绕转子紧固件包括护环和中心环。由于汽轮发电机转速高，绕组端部受到很大的离心力，所以必须采用护环和中心环来可靠地组端部受到很大的离心力，所以必须采用护环和中心环来可靠地固定，如图所示。护环把转子励磁绕组的端部套紧，以防绕组端固定，如图所示。护环把转子励磁绕组的端部套紧，以防绕组端部甩出。中心环用来支持护环和防止转子绕组端部的轴向位移。部甩出。中心环用来支持护环和防止转子绕组端部的轴向位移。为了减少端部漏磁场，护环采用非导磁合

3、金钢材料。为了减少端部漏磁场，护环采用非导磁合金钢材料。作用：保护转子绕组端部作用：保护转子绕组端部(4)(4)滑环滑环 直流电流通过截止的正负极性的电直流电流通过截止的正负极性的电刷、两互相绝缘且套在转轴上随转子转刷、两互相绝缘且套在转轴上随转子转动的滑环引入转子励磁绕组。动的滑环引入转子励磁绕组。(5)(5)风扇风扇 汽轮发电机的转子细长，通风冷却汽轮发电机的转子细长，通风冷却比较困难，故转子的两端一般装有轴流比较困难，故转子的两端一般装有轴流式或离心式风扇，用以改善冷却条件。式或离心式风扇，用以改善冷却条件。滑环滑环风扇风扇(1)(1)定子铁芯定子铁芯 定子铁芯是主磁路的一部定子铁芯是主

4、磁路的一部分分, ,嵌放定子绕组。一般由厚嵌放定子绕组。一般由厚0.5mm0.5mm或或0.35mm0.35mm的硅钢片叠成，的硅钢片叠成，沿轴向叠成多段形式，每段叠沿轴向叠成多段形式，每段叠片厚为片厚为30-60mm30-60mm。各段叠片之。各段叠片之间留有宽约间留有宽约10mm10mm的通风槽，以的通风槽，以改善定子铁芯的散热条件，如改善定子铁芯的散热条件，如图所示。图所示。 为减少漏磁防止涡流引起过为减少漏磁防止涡流引起过热，在定子铁芯的两端用非磁性热，在定子铁芯的两端用非磁性材料制成的压板将其夹紧，整个材料制成的压板将其夹紧，整个铁芯固定在定子机座上，如图所铁芯固定在定子机座上，如图

5、所示。沿定子铁芯内圆表面的槽内示。沿定子铁芯内圆表面的槽内放置三相定子绕组。放置三相定子绕组。定子铁芯压紧定子铁芯压紧(a)(a)无磁性压板无磁性压板(b)(b)定子铁芯剖面定子铁芯剖面 为了能承受住突然短路等过渡过程产生的巨大的电磁力而为了能承受住突然短路等过渡过程产生的巨大的电磁力而引起的端部变形，以及正常运行时不致于产生较大的振动，定子引起的端部变形，以及正常运行时不致于产生较大的振动，定子绕组端接部分需用线绳绑紧或压板夹紧在非磁性钢做成的端箍上，绕组端接部分需用线绳绑紧或压板夹紧在非磁性钢做成的端箍上，如图所示。如图所示。定子绕组端部 同步发电机基本原理工作是根据电磁感应现象，即导体切

6、同步发电机基本原理工作是根据电磁感应现象，即导体切割磁力线产生感应电动势工作的。因此，同步发电机应有产生割磁力线产生感应电动势工作的。因此，同步发电机应有产生磁力线的磁场和切割该磁场的导体。磁力线的磁场和切割该磁场的导体。 如图所示，外部直流电源通过滑环向如图所示，外部直流电源通过滑环向转子提供直流励磁电流，并产生磁场；原转子提供直流励磁电流，并产生磁场；原动机拖动发电机转子以转速动机拖动发电机转子以转速n n按图示方向按图示方向作恒向旋转。作恒向旋转。 定子中三相绕组的导体依定子中三相绕组的导体依次切割磁力线，三相绕组便感次切割磁力线，三相绕组便感应产生各相大小相等、相位彼应产生各相大小相等

7、、相位彼此相差此相差1201200 0的交流电动势。的交流电动势。若若气隙磁通密度按正弦波分布气隙磁通密度按正弦波分布，则三相绕组感应电动势波形如则三相绕组感应电动势波形如图所示，且相序为图所示，且相序为ABCABC。1.1.交变感应电动势的产生交变感应电动势的产生每相感应电势有效值每相感应电势有效值: : 010444wfNKE. 如图所示，外部直流电源通过滑环向如图所示，外部直流电源通过滑环向转子提供直流励磁电流，并产生磁场；原转子提供直流励磁电流，并产生磁场；原动机拖动发电机转子以转速动机拖动发电机转子以转速n n按图示方向按图示方向作恒向旋转。作恒向旋转。 定子中三相绕组的导体依定子中

8、三相绕组的导体依次切割磁力线，三相绕组便感次切割磁力线，三相绕组便感应产生各相大小相等、相位彼应产生各相大小相等、相位彼此相差此相差1201200 0的交流电动势。的交流电动势。若若气隙磁通密度按正弦波分布气隙磁通密度按正弦波分布，则三相绕组感应电动势波形如则三相绕组感应电动势波形如图所示，且相序为图所示，且相序为ABCABC。1.1.交变感应电动势的产生交变感应电动势的产生每相感应电势有效值每相感应电势有效值: : 010444wfNKE.定转子受力分析和电磁力矩产生 电磁力矩：发电机在原动机带动下电枢绕组切割磁力线感应电势，发出电流；当电流流过电枢绕组产生的磁场作用于转子，转子会受到磁场的

9、作用产生电磁力，而形成电磁转矩，这个转矩与原动机转矩方向反，大小与输出电流成正比，原动机转矩克服电磁转矩使发电机保持恒速旋转，这就把机械能转换为电能输送出去。机组加负荷发电机影响机理 当开大汽门时,发电机转子轴上的主力矩增大,此时由于电功率还没开始变,即阻力矩的大小没有变,故转子要加速,使转子和定子间的夹角就拉开一些,根据电机本身的功角特性,功角一增大,电机的输出功率就增大,也即多带负荷.转子会不会一个劲儿地加速呢 正常时是不会的.因为电机多带了负荷,阻力矩就增大,当阻力矩大到和主力矩平衡时,转子的转速就稳定下来,此时,发电机的出力便升到一个新的数值. 2.2.感应电势的频率感应电势的频率 交

10、流电动势的频率交流电动势的频率f f可这样确定可这样确定: :当转子为当转子为1 1对极时，转子旋对极时，转子旋转一周，定子绕组中感应电动势变化一个周期；当同步发电机转一周，定子绕组中感应电动势变化一个周期；当同步发电机具有具有p p对极时，转子旋转一周，感应电动势就交变对极时，转子旋转一周，感应电动势就交变p p个周期；当个周期；当转子的转速为每分钟转子的转速为每分钟n n转时，则交变电动势的频率为转时，则交变电动势的频率为: :60pnf 转子的转速转子的转速(r/min)(r/min) 由上式可知由上式可知: :同步发电机定子绕组感应电动势的同步发电机定子绕组感应电动势的频率频率取决于取

11、决于它的它的极对数极对数p p和和转子的转速转子的转速n n。转子转速越高，定子绕组感应电势。转子转速越高，定子绕组感应电势E E0 0的频率越高。即的频率越高。即 n fn f。可见，同步发电机极对数。可见，同步发电机极对数p p一定一定时，转速时，转速n n与电枢电动势的频率与电枢电动势的频率f f之间具有严格不变的关系。之间具有严格不变的关系。说明说明: : 如果发电机作为电源单独给负载供电，对电源频率的要求并如果发电机作为电源单独给负载供电，对电源频率的要求并不十分严格，对原动机的转速要求也不很严格。不十分严格，对原动机的转速要求也不很严格。 同步发电机原理小结同步发电机原理小结: :

12、外部直流电源通过滑环向转子提供外部直流电源通过滑环向转子提供直流励磁电流，并产生磁场；原动机拖动转子旋转，转子磁极直流励磁电流，并产生磁场；原动机拖动转子旋转，转子磁极磁场切割三相定子绕组，感应三相交流电。磁场切割三相定子绕组，感应三相交流电。发电机失磁故障发电机失磁故障 发电机做为系统唯一的无功源，向系统提供无功，建立电压。而发电机无功的来源于励磁系统输出的直流经转子旋转，建立转子旋转磁场，这侧磁场切割定子绕组产生定子电压，并网后，因定子中产生电流，定子绕组又产生一个磁场，与转子产生的磁场相互作用，完成转子上的机械能到电能的转化。 发电机在运行中由于某种原因引起发电机励磁电流大幅度减小，甚至

13、失去外施励磁电流，称之为发电机“失磁”。造成发电机失磁的原因很多，通常是由于自动调节励磁装置故障、转子绕组短路、励磁回路因断线而开路、灭磁开关误跳闸使励磁绕组经灭磁电阻闭路等，这些故障都可能使发电机转子回路外施励磁电流消失造成发电机失磁。失磁的种类失磁的种类 发电机励磁系统故障分为励磁异常下降和完全失磁两类。励磁异常下降时，如果发电机静态稳定储备不足，则可能破坏发电机的静态稳定性。发电机完全失磁后不但不发出无功功率，还要从系统吸收无功功率，无功功率很快减小到零，然后向负变化到较大值；定子电压下降，电流增大，有功功率减小。失步后发电机转子本体上感应出的滑差频率的交变电流会引起转子发热及使机组发生

14、振动，从而危及整个发电机的安全。失磁对系统危害 1. 发电机从电力系统吸收无功，引起系统电压下降。如果电力系统无功储备不足，将使临近故障发电机组的系统某点电压低于允许值，使电源与负荷间失去稳定，甚至造成电力系统因电压崩溃而瓦解。 2.一台发电机失磁电压下降，电力系统中的其他发电机组在自动调整励磁装置作用下将增大无功输出，从而可能使某些发电机组和线路过负荷，其后备保护可能发生误动作，使故障范围扩大。 3.一台发电机失磁后，由于有功功率的摆动，以及电力系统电压的下降，可能导致相邻正常发电机与电力系统之间或系统各回路之间发生振荡，造成严重后果。发电机额定容量越大，低励、失磁引起的无功缺额也越大。如果

15、电力系统相对容量较小，则补偿这一无功缺额的能力较差，由此而来的后果会更严重。对发电机本身的影响失磁对发电机的危害 1.发动机定转子之间出现转差，在发电机转子回路中产生损耗超过一定值时，将使转子过热。特别是大型发电机组，其热容量裕度较低，转子易过热。而流过转子表面的差额电流，还将使转子本体与槽楔、护环的接触面上发生严重的局部过热。 2. 进入异步运行后，由机端观测到的发电机等效电抗降低，从电力系统吸收无功功率增加。失磁前所带的有功越大，转差就越大，等效电抗就越小，从电力系统吸收无功就越大。因此，在重负荷下失磁发电机进入异步运行后，如不立即采取措施，发动机将因过电流使定子绕组过热。 3.在高负荷下

16、失磁后，转差也可能发生周期性的变化，使发电机出现周期性的严重超速，直接威胁着发电机组的安全。 4. 发动机定子端部漏磁增加，将使发电机端部部件和边段铁芯过热，这一情况通常是限制发电机失磁异步运行能力的主要条件。失磁时定子电流上升 我们知道发电机工作的时候，它对外发出的机端电压是由发电机的主磁场和发电机定子的电枢反映的合成磁场作用下产生的.发电机失磁的时候，也就是说它的转子上的主磁场绕组失去了励磁电流，此时发电机的工况就和发电机欠励磁的工况一样。现在发电机失磁，也就是说磁通现在不够，那发电机的运行工况就必须能够补偿缺少的（和额定励磁时相比）那部分磁通要么从主磁通那部分来，要么从电枢反映的那部分磁

17、通来，但现在是失磁，即主磁通无励磁电流，不 可能增大，那么现在就只能从增加超前的定子电流以增强其电枢反应所产生的磁通，以来补偿不足的部分，要增加电枢反应的磁通，那自然就增大了电枢的电流（有电流才能激励出磁场），所以说：在发电机欠励磁的时候，其定子电流会升高。失磁后差频电流产生机理在正常情况下，定子磁场与转子同步（转速、方向一致），当发电机励磁系统故障后，失去了励磁电流，也就是平常所说的发电机失磁。发电机失磁后，转子旋转磁场消失，电磁力矩减少，而原动力矩不变，出现了过剩力矩，使转子转速增加，转子与定子的旋转磁场有了相对速度，出现了转差，定子磁场以转差速度切割转子表面，使转子表面感应出电流来，这个电流与定子旋转磁场作用就产生了一个力矩，称为异步力矩，它的制动作用限制了转子转速无限升高，转速越高，异步力矩越大，从而降低了转差，这时的