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隐极同步发电机同步发电机的基本结构和工作原理

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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同步发电机的基本结构和工作原理

一、同步发电机的类型

同步发电机按其原动机的不同，可分为汽轮发电机和水轮发电机两种。在火电厂中，用汽轮机作为发电机的原动机，转速高（常为 1500~3000r/min）；在水力发电站中，用水轮机作为发电机的原动机，转速低（通常在 1000r/min 以下）。按发电机转子结构的不同，同步发电机可分为隐极式和凸极式两种，如图 1-1 所示。隐极式转子呈圆形，转速高，转子直径小，但长度长，汽轮发电机通常为隐极式。凸极式转子具有突出的磁极，发电机的励磁绕组绕在磁极上，转速低，常用于水轮发电机。按发电机与原动机的连接方式不同，同步发电机又有立式和卧式之分，汽轮发电机均为卧式的，水轮发电机两种型式都有；按冷却介质及冷却方式可分为：空气冷却、氢气冷却、水冷却和混合冷却方式等；按照发电机励磁方式来分，同步发电机可分为他励方式和自励方式；按发电机旋转部分划分，有旋转磁场式和旋转电枢式，以旋转磁场式发电机居多，其电枢绕组是定子的一部分，又叫定子绕组。

图1-1

（a）隐极式；（b）凸极式

二、同步发电机的基本结构

同步发电机由定子(固定部分)和转子(转动部分)两部分组成。

1.定子

定子是同步发电机的电枢部分,用以产生三相交流电能。定子由定子铁芯、定子绕组、机座等组成。定子铁芯由内圆冲有嵌线槽的硅钢片叠装而成,定子绕组用绝缘扁铜线或漆包线绕制而成,并三相对称地嵌放在定子铁芯槽内,如图 1-1、图 1-2 所示。定子三相绕组通常接成星形,机座是用来固定铁芯和承受荷重的

2.转子

由上述,同步发电机的转子有两种结构型式,即凸极式和隐极式。

水轮发电机的转子是凸极式,凸极式转子由磁极铁芯、磁轭、励磁绕组、转子支架、转轴等主要部分组成。磁极是用 1~1.5mm 厚的钢板冲成磁极冲片后铆装成一个整体。在磁极铁芯上套有励磁绕组。励磁绕组是由扁铜线绕成,匝间垫有绝缘,励磁绕组与磁极本身之间隔有绝缘。各励磁绕组串联后接到滑环上。磁轭通常由整块钢板或用铸钢做成,它用来固定磁极,是磁路的一部分。

图1-2

三、同步发电机的工作原理

1.电磁感应定律的应用

图 1-2 所示的是一台有一对磁极的同步发电机原理图,同步发电机定子槽中对称放置着三相绕组(互差 120°电角度),将 X、Y、Z 连在一起,组成星形连接。转子和定子之间留有很小的空气隙,当励磁绕组中通入直流电流后建立了磁场,由于转子磁极采用了特殊的结构,使磁场的磁感应强度沿空气隙近似于按正弦规律分布。当转子由原动机拖动旋转时,这个按正弦规律的旋转磁场就依次切割定子三相对称绕组,而在定子绕组中感应出对称的三相正弦交变电动势,其瞬时值为

三相电动势的波形和相量图如图 1-3 所示。

图 1-3

（a）波形图；（b）相量图

当合上发电机出口开关，带上负载后，发电机即向负载输出电能。

2、转子转速

感应电动势的频率 f 决定于发电机的磁极对数 p 和转子的转速 n，转子为一对磁极时，转子旋转一周，定子绕组的感应电动势正好交变一次（即一个周期），当转子有 p 对磁极时，转子旋转一周，感应电动势就交变 p 个周期，因此为保持一定的频率，发电机的转速必须符合下列关系

当定子三相对称绕组中有三相对称交流电流通过时,则在空间产生了一个旋转磁场,这个磁场的转速也由上式决定。由于同步发电机定子三相绕组是按转子磁极的对数来布置的,因此三相绕组所产生的旋转磁场的极对数和转子磁极对数一样。即定子旋转磁场的转速和转子转速相等,称为同步转速。同步发电机就是因此而得名的。

同步发电机稳态数学模型

理想电机假设：

1)电机铁心部分的导磁系数为常数;

2)电机定子三相绕组完全对称，在空间上互差120度，转子在结构上对本身的直轴和交轴完全对称;

3)定子电流在空气隙中产生正弦分布的磁势，转子绕组和定子绕组间的互感磁通也在空气隙中按正弦规率分布;

4)定子及转子的槽和通风沟不影响定子及转子的电感，即认为电机的定子及转子具有光滑的表面。

同步是一种交流电机，主要做发电机用，也可做电动机用，一般用于功率较大，转速不要求调节的生产机械，例如大型水泵，空压机和矿井通风机等。近年由于永磁材料和的发展，微型同步电机得到越来越广泛的应用。的特点之一是稳定运行时的转速n与定子电流的频率f1之间有严格不变的关系，即同步电动机的转速n与旋转磁场的转速n0相同。“同步”之名由此而来。

同步发电机是系统中的，它的稳态特性与暂态行为在电力系统中具有支配地位。虽然在电机学中已经学过同步电机，但那时侧重于基本电磁关系，而现在则从系统运行的角度审视发电机组。

1.同步发电机的相量图

设发电机以滞后功率因数运行，三相同步发电机正常运行时，定子某一相空载电势eq，输出电压或端电压u和输出电流i间的相位关系如图1所示。δ是eq领先u的角度，

称为功角，是功率因数角，即u与i的相位差， eq与q轴(横轴或交轴)重合，d为纵轴或直轴。u和i的d、q分量为：

图 1 电势电压相量图

电机学课程中已经讨论过，端电压和电流的分量与eq间的关系为：

(2-3)

式中，r为定子每相绕组的电阻，xd为定子纵轴同步电抗，xq为定子横轴同步电抗。其中空载电势eq与转子励磁绕组中的励磁电流成正比，其比例系数可从空载试验中得到。

为了便于绘制相量图，令d轴作正实轴，q轴作正虚轴，则各相量可表示为

所以

(2-7)

对于隐极式同步发电机(汽轮发电机)，因气隙均匀，直轴和交轴同步电抗相等(xd=xq)，上式变为

(2-8) 此即表示隐极式同步发电机的方程，由此即可作出它的等值电路和相量图，如图2所示

(a)等值电路 (b)矢量图

图2隐极式同步发电机等值电路和矢量图

凸极式同步发电机(水轮发电机)，把电枢反应磁势分解为d轴及q轴两个分量，d轴电枢反应磁势的位置固定在转子d轴上，q轴电枢反应磁势的位置固定在转子q轴上，从而解决了合成磁势遇到的不同气隙宽度的困难。d轴及q轴电枢反应磁势所产生的气隙磁通密度虽不是正弦形(气隙不均匀)，但由于磁路的对称性，其基波轴线仍分别处在d轴及q轴线上，从而可以用叠加定理求取合成电势。因气隙不均匀，直轴和交轴同步电抗不相等，只能用式(2-7)表示，为便于计算，定义了一个与eq同相的虚构电势eq，发电机电压方程为