《电机与电动》课件-任务5同步电机的安装与维护

任务五同步电机拆装与维护

同步发电机工作原理图2

一、同步发电机的基本工作原理定子：三相对称绕组：U1-U2、V1-V2、W1-W2

转子：磁极铁心、励磁绕组。励磁绕组通入直流电流，建立转子磁场。原动机拖动转子以转速n匀速旋转时，转子磁场切割定子三相绕组，在三相绕组中感应出交变电动势。由于定子三相绕组在空间位置上互差120°，所以三相电动势在时间上互差120°电角度。设计适当的转子极弧形状，使B沿气隙正弦分布，可得到正弦波形的感应电动势。3

1．感应电动势的波形4的波形取决于B的波形。设计适当的转子极弧形状，使B沿气隙正弦分布，可得到正弦波形的e。2．感应电动势的频率为了发出50HZ交流电，同步发电机转速与极对数关系极对数p123456

n（r/min）3000150010007506005003．三相电动势的大小和相序大小：相序：与转子转向一致，即相序由转子的转向决定。二、同步发电机的分类1．按结构型式分

隐极式凸极式旋转磁极式

旋转电枢式~旋转电枢式（小容量同步电机采用）旋转磁极式（大容量同步电机采用）隐极式（火电机组）凸极式（水电机组）52．按原动机类型分2p=2，n=3000r/min；隐极转子:细长，卧式安装；用在火力发电厂中。

汽轮发电机：原动机为汽轮机。

特点：水轮发电机：原动机为水轮机。极数多，转速低，几十转到数百转；凸极转子:短粗，立式安装；用在水力发电厂中。特点：柴油发电机：原动机为柴油机。n=500~1500r/min；容量较小；主要作为自备电源、移动电源。特点：6水轮发电机工作原理图上游水水轮发电机下游水水轮机7水轮发电机转子水轮机转轴83．按冷却介质和冷却方式分

空气冷却(空冷)：主要采用内扇式轴向和径向混合通风系统。

氢气冷却(氢冷)：定、转子绕组采用空心导线，将氢气压缩进导体带走热量。水冷却(水冷)：主要是定子绕组水内冷。冷却组合方式：

①定、转子绕组和定子铁心均氢外冷；②定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、定转子铁心氢外冷(水一氢一氢)；③定、转子绕组水内冷，定子铁心氢冷(水一水一氢)；④定、转子绕组水内冷、定子铁心空冷(水一水一空)。9三、同步发电机的额定值1．额定功率（kW、MW）：额定运行时发电机的输出电功率。2．额定电压（V、kV）：额定运行时定子三相绕组上的线电压。3．额定电流（A、kA）：额定运行时流过定子绕组的线电流。4.额定频率HZ5．额定功率因数:额定运行时输出有功功率和视在功率比值。6.额定转速(r/min):额定运行时的转速，为同步转速。额定值关系：

10四、

同步发电机的基本结构及应用汽轮发电机外形11汽轮发电机转子汽轮发电机定子水轮发电机外形水轮发电机转子12同步发动机结构示意图13同步发动机结构示意图14其结构与异步电机相同，由定子铁心、电枢绕组、机座和端盖等组成。（一）定子（电枢）1.定子铁心是磁路的一部分，由硅钢片叠装而成。内圆槽安放电枢绕组。定子铁心沿轴向每隔一段，留有径向通风沟，以利于散热。大型同步发电机定子铁心由扇形片拼合叠装成定子铁心。2.电枢绕组双层叠绕组，由扁铜线绕制成型后，包以绝缘而成。采用实心导线，空心与实心导线组合绕组，加强冷却。机座、端盖、轴承、轴承座及电刷等。15三相绕组结构示意图16由转子铁心、励磁绕组、阻尼绕组、护环和中心环、滑环和风扇等组成。（二）、转子1．转子铁心是磁路的一部分，固定励磁绕组和阻尼绕组作用。汽轮发电机转子铁心由高机械强度和导磁性能好的整块合金钢锻造而成。转子圆周上大齿，做为发电机的主磁极，其余开口槽部分安放励磁绕组。17由扁铜线绕成同心式绕组。槽内导体靠槽楔压紧，端部用合金钢护环固定。2．励磁绕组3．阻尼绕组由铜条和端环焊接而成，是短路绕组。相当于异步机的笼形绕组。在同步发电机中，阻尼绕组起抑制转子机械振荡作用；在同步电动机和调相机中，作为起动绕组。电刷和滑环将直流励磁电流引入到转子励磁绕组中。4．滑环(集电环)18五、同步发电机的励磁方式和并联运行（一）、励磁方式：同步发电机运行时，转子主磁场是由转子励磁绕组通入直流电流建立的。提供励磁电流的装置称为励磁系统。主要有三种：1、直流励磁机励磁系统用直流发电机作为励磁电源向同步发电机提供励磁电流。主励磁机（他励直流发电机）供给同步发电机励磁电流；副励磁机（并励直流发电机）供给主励磁机励磁电流。三者同轴旋转192、静止整流器励磁系统整流器是静止的。分为：他励式、自励式。1)．他励式发电机的励磁，由主励磁机（旋转磁极式同步发电机）发出的交流经整流后供给。主励磁机的励磁，由副励磁机（中频同步发电机）发出的交流经整流后供给。副励磁机的励磁，开始时由外部直流电源供给，待电压建起后再转为自励。交流主励磁机交流副励磁机同步发电机同轴202)．自励式发电机的励磁电流，由励磁变压器取自自身输出端,经三相可控硅整流变换为直流后提供。这种励磁系统没有旋转的励磁机,便于维护,反应速度快,目前已得到广泛应用。静止半导体励磁系统缺点：由于发电机励磁电流是通过电刷和滑环引入励磁绕组的，当励磁电流过大时，将使滑环产生高温而极易损坏。213、旋转整流器励磁系统主励磁机发出的三相交流电经过整流后直接送入发电机励磁绕组。不需要电刷和滑环，提高了发电机运行可靠性。将主励磁机改为旋转电枢式同步发电机，且将整流器装在发电机转子上。主励磁机三相绕组整流器发电机励磁绕组同轴旋转在他励式静止半导体励磁系统基础上，2223目前我国基本上进入大电网、大电厂、大机组、高电压输电、高度自动控制的新时代。截止2002年底装机总容量达3.38亿千瓦。我国现有发电装机容量在20000MW以上的电力系统11个，其中东北、华北、华东、华中电网装机容量均超30000MW，华东、华中电网甚至超过40000MW，西北电网的装机容量也达到20000MW。南方电力联营系统连结广东、广西、贵州、云南四省电网，实现了西电东送。其它几个独立省网，如四川、山东、福建等电网和装机容量也超过或接近10000MW。各电网中500KV（包括330KV）主网架逐步形成和壮大。220KV电网不断完善和扩充。电力系统简介

（二）、并联运行1、并网运行的优势(1)电能的供应可以相互调剂，合理使用，从而更合理地利用动力资源和发电设备，提高供电的经济性。(2)增加供电的可靠性。一台发电机的故障，不致于造成停电事故，同时，也减少了备用容量。(3)提高供电的质量。由于系统容量很大，一台电动机的起动、加载、停机，对系统来说，几乎就没有影响，因此，电网的电压和频率能保持在要求的恒定范围内。(4)系统愈大，负载就愈趋均匀，不同性质的负载，相互起补偿作用。就以地区来说，地区大，时差也大，使用照明的时间也就错开了，负载均匀，发电机就能经常满载运行，提高了设备的利用率，若电力系统处在尖峰负荷(短时用电量较大)，可以用增开担负尖峰负载的发电机来解决，不使电网中发电机的负载均衡性遭到破坏。(5)联成大电力系统后，有可能使发电厂的布局更加合理。在产煤区，多布置一些火力发电厂，在水力资源丰富的地方，多布置一些水力发电厂，然后，利用高压输电线对工业中心区域供电。24

2、并网运行条件并联投入时，避免产生大的电流冲击和转轴受到突然的扭矩。并联合闸必须满足四个条件:1）.发电机频率等于电网的频率(各国电网频率大致有两种:50Hz或60Hz，我国为50Hz)2）.发电机的电压幅值等于电网电压的幅值，且波形一致3）.发电机的电压相序与电网的电压相序相同(发电机相序决定于原动机的转向，一般是固定的)4）.在合闸时，发电机的电压相位与电网电压的相位一样253、条件不满足时对电机的影响1）、电机和电网之间有环流，定子绕组端部受力变形。2）、电机和电网之间有高次谐波环流，增加损耗，温度升高，效率降低。3）、电网和电机之间存在巨大的电位差而产生无法消除的环流，危害电机安全运行。相序不同是绝对不允许投入的。因为即使某相满足了前面三个条件，但其它两相由于相序不同而使电压相位相差120度，它将引起很大的冲击环流，危害电机的安全运行。26

4、并网运行方法:整步过程：把同步发电机并联到电网所进行的操作过程称为投入并列（或称并车)，并列方法：准同步法和自同步法。准同步法：把发电机调整到完全符合并列条件再进行合闸操作，然后并联投入电网的方法。

1）准同步法:为判断发电机是否满足并联投入条件，常常采用同步指示器，把电压表，频率表和整步表组合在一起。2728

准同步法并列投入的步骤为：①冲转——将发电机转速升高到接近额定转速nN；②投励——调节发电机励磁电流的大小，使得UF≈U，即使V2与V1的读数相同，调整转速，使Hz2与Hz1读数接近③由转换开关将整步表S接入；④微调发电机转速，使整步表指针顺时针(往“快”的方向)缓慢转动；⑤观察整步表指针转动情况，当指针接近“同步点”时，迅速合闸，完成并列操作；⑥合闸成功后，将整步表S退出。准同步法虽然可以避免过大电流的冲击，但操作复杂，要求较高的准确性，调整时间长且在系统故障时由于系统电压和频率都在变化，采用准同步法并列较为困难。29

2）自同步法并网(紧急情况采用)

自同步法的投入步骤:(1)校验发电机相序，把发电机拖动到接近同步转速，励磁绕组经限流电阻短路。

(2)发电机投放电网，立即加直流励磁电流，此时靠定、转子磁场间所形成的引力就可把转子自动牵入同步。缺点:合闸后有电流冲击。301）进行自同步法操作时要注意，发电机投入电网时，励磁绕组不应开路，否则励磁绕组中将感应危险高压；励磁绕组也不直接短路，否则合闸时定子电流会有很大冲击。通常的做法是把灭磁电阻接入闭合的励磁回路作为限流电阻。2）自同步法法主要缺点是投网时冲击电流稍大。31

六、

同步电动机

同步电机与其他旋转电机一样，由定子和转子两大部分组成。旋转磁极式同步电机的定子主要由机座、铁心和定子绕组（电枢绕组）构成。为减小磁滞和涡流损耗，定子铁心采用薄硅钢片叠装而成，定子铁心的内表面嵌有在空间上对称的三相绕组。转子主要由转轴、滑环、铁心和转子绕组（励磁绕组)构成。为兼顾导磁性能和机械强度的要求，转子铁心常采用高强度合金钢锻制而成。转子铁心上装有励磁绕组，其两个出线端与两个滑环分别相接。为便于启动，凸极式转子磁极的表面还装有用黄铜制成的导条，在磁极的两个端面分别用一个铜环将导条连接起来构成一个不完全的笼形启动绕组。（一）、同步电动机的工作原理同步电动机是转子转速与定子旋转磁场的转速相同的交流电动机。其转子转速n与磁极对数p、电源频率f之间满足n=60f/p。转速n决定于电源频率f，故电源频率一定时，转速不变，且与负载无关。具有运行稳定性高和过载能力大等特点。常用于转速不需要调节的大型机械，

如大型的水泵、空气压缩机鼓风机等33

同步电动机正常工作时，定子电枢绕组与交流电源接通，电枢电流产生合成旋转磁场;转子励磁绕组通入直流励磁电流，产生转子恒定主磁场。两个磁场的异性磁极间相互“吸引”，形成磁力，由于定子电枢磁场以同步转速n=60f/P转动，则拖着转子磁极同速、同向、“同步”转动。由于定、转子磁场间磁力线的纵向收缩作用，形成驱动转子的电磁转矩，同步电动机将电能转换为机械能。定子旋转磁场或转子的旋转方向决定于通入定子绕组的三相电流相序，改变其相序即可改变同步电动机的旋转方向。34

同步电动机由于以同步转速n1转动，转速不随转矩变化，其机械特性为一条直线，在同步电动机中，功率或转矩是随功角变化的。当三相同步电机正常工作时，转子也以同步转速旋转，所以这两个磁场在空间上的位置是相互固定的，因此它们之间的作用也是固定的。根据这两个磁场的相对位置不同，对应着同步电机的三种运行状态。即下表所列的三种情况。

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36磁场相对位置能量、力矩关系磁场相对位置示意图转子磁场超前定子磁场Ɵ角（发电机状态）这时转子磁场吸引着定子做同步转速运转，产生的电磁力矩为制动性质，转子的（机械）驱动力矩应等于定子磁场的（电磁）阻力矩。转子机械功转化为定子中产生的功(电功）．即把由原动机提供的机械能转化成电能输出，同步电机处于发电机运行状态。转子磁场超前定子磁场Ɵ角（电动机状态）这时定子磁场吸引着转子做同步转速运转，产生的电磁力矩为驱动性质，也就是定子磁场做功，转子输出机械功，即同步电机工作在电动机状态。当转子的负荷增加时，拉力就会增大．磁力线会被拉长转子落后的角度就会增加，所以Ɵ角也称为功角转子磁场与定子磁场的夹角Ɵ角为零（补偿机状态）这时定子磁场和转子磁场正好重合，虽然相互吸引，但这个吸引力经过转子的轴心，所以不会产生力矩，因此也就不会输出功率。当空载时，虽然转子没有输出功率，但电动机总有一定的摩擦力矩、空气阻力矩等，所以Ɵ角不可能完全为零，但Ɵ角很小37

从上述的分析可看出，电动机运行时’定子磁场拖动转子磁场转动，两个磁场之间存在着一个固定的力矩，这个力矩的存在是有条件的，两者的转速必须相等，即同步才行，所以这个力矩也称为同步力矩。一旦两者的速度不相等，同步力矩就不存在了，电动机就会慢慢停下来。这种转子速度与定子磁场不同，造成同步力矩消失，转子慢慢停下来的现象，称为失步现象。

发生失步现象时，电机从电网获取的电能不能转化成转子轴上的机械能输出，定子电流会迅速上升，应尽快切断电源，以免损坏电机。38（二）、同步电动机启动

1、同步电动机不能自行启动的原因同步电动机启动时，当在定子绕组中通入三相交流电以