精品论文设计三相同步发电机的电磁设计分解.docx
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精品论文设计三相同步发电机的电磁设计分解
毕业设计论文
三相同步发电机的电磁设计
题目:
院系:
专业:
班级:
学号:
学生姓名:
导师姓名:
完成日期:
(论文)任务书
———☆———
姓名系别专业班级学号
一、基本任务及要求:
1、基本技术要求:
625KVA1)基本数据:
额定容量SN连接方式Y
400V额定电压UN额定转速设计(论文)题目:
无刷同步发电机主发电机的设计指导老师邓秋玲教研室主任石安乐
1000r/minnN
相数m=3功率因数0.8c0s
0.94绝缘等级F
2)性能要求:
(1)线电压波形畸变率<5%;
(2)动态性能优良;(3)有过电压保护。
2、本毕业设计课题主要完成以下设计内容:
(1)主发电机的电磁设计方案;
(2)无刷励磁方案的设计;
(3)主要零部件图(定子冲片、定子绕组、转子冲片、转子绕组、
电机总装图等)的绘制;
(4)说明书。
二、进度安排及完成时间:
前言
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。
由于电能具有生产和变换比较的经济,传输分配比较的容易,使用和控制比较的方便等优点,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,对电的需求量越来越大,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N=60f/p,(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,其感应交流电动势的频率也是一定的。
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:
n=1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经济性及其电压的稳定性。
在现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,虽然其结构较异步机复杂些,但是它可以运行在cos∮=1.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。
本设计还有不足之处敬请各位老师、专家批评指正。
湖南工程学院毕业设计论文
摘要·················ⅠAbstract···············Ⅱ
第1章我国电机制造工业的发展概况················1
第2章无刷同步发发电机励磁系统的研究···············3
2.1无刷同步发电机励磁系统概述··················3
2.2晶闸管无刷励磁系统···············3
2.3无刷励磁系统的分类············5
2.3.1按交流励磁功率源来分············5
2.3.2按旋转元件划分············5
2.4无刷励磁系统的选择·············6
2.5旋转整流器励磁系统············6
2.5.1旋转整流器的设计··········7
2.5.2旋转整流桥元件的选用·············7
2.5.3旋转整流器元件的安装方式·············8
2.5.2旋转整流器的保护措施···············8
2.6励磁系统的发展趋势···············8
第3章无刷同步发发电机结构和原理··············10
3.1结构模型·············10
3.1.1凸极式转子············10
3.1.2隐极式转子············11
3.2磁极结构的选择··········11
3.3磁极形状的选择············13
3.4无刷同步发电机的工作原理·············13
第4章无刷励磁发电机的简单介绍··············15
4.1主发电机············15
4.1.1较小的线电压波形畸变率···········15
4.1.2动态性能··········15
4.1.3维持短路电流的能力············15
4.1.4加装全阻尼绕组············15
4.2交流励磁机···········16
4.2.1交流励磁机的设计要求············16
4.2.2特殊的电压变比和电流变比···········16
4.2.3交流励磁机的电枢反应··············16
4.3旋转整流器的简述·············17
4.4交流励磁机和旋转整流器的安装·················18
第5章方案总体设计··············19
5.1课题的目的和意义···············19
5.2总体设计方案·························19
5.3无刷同步发电机主发电机的电磁设计··············21
结束语·····························38
参考文献献···························39致谢······························40
湖南工程学院毕业设计论文
三相同步发电机主发电机的电磁设计
摘要:
交流励磁机的电枢绕组的负载是一个经过旋转整流器供电的大电感,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,这使交流励磁机的输出相电压、相电流波形发生了畸变,本设计的交流励磁机的计算主要解决了以下两个问题:
(1)如何根据主发电机给定的直流励磁电压UBH和直流励磁电流IBH,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P;
,及其所需的励磁磁势。
关键词:
无刷;同步;电磁计算;旋转整流器电压
(2)如何计算交流励磁机的电枢反应,功率因数cos
Abstract:
Itisagreatinductanceofsupplyingpowerthroughrotatingtherectifiertoexchangetheloadofthearmaturewindingoftheexciter,becauseofarmatureexistenceofreactanceinthewindingofexciter,makerotatoryrectifieratthephaseoftransferingto,electriccurrentcanchangesuddenly,producechangephotocorner,thismakeoutputlooksvoltage,phaseelectriccurrentwaveformtoexchangeexciterdistortionhastakenplace,thecalculationoftheexchangeexciteroriginallydesignedhassolvedtwofollowingproblemsmainly:
(1)Whatthevoltageofdirectcurrentexcitationgivendefinitelyaccordingtothemaingeneratoranddirectcurrentexcitationelectriccurrent,calculateouttheoutputwhichisexchangedtheexciterandexchangelookselectricpotential,lookselectriccurrent,andcapacityPoftheexciter;
(2)Howtocalculatethearmaturewhichisexchangedtheexcitertoreflect,powerfactor,andnecessaryexcitationmagnetismtendency.
Havesensewindinginharmonywavetostartmotorandcontroldesignofcircuit
Keyword:
Doesnotthereisnotscrubing;Synchronism;Electromagnetismcalculation;Revolvin
第1章我国电机制造工业的发展概况
20世纪40年代以前,由于我国工业起步较晚,电机制造工业极端落后。
新中国成立后,随着工业的不断发展,电机工业才得以迅速发展,产品的品种、数量不断增加,技术水平逐步提高。
50年代一仿制国外产品为主,60年代起即走上自行设计的道路;50年代初只能生产一般中小型电机,不久即能制造大型发电设备和特殊用途电机。
下面对我国电机制造工业的发展概况作一简要介绍。
1.1产品品种、规格不断增加,单机容量迅速增大,技术经济指标逐步提高
在发电机发面,继第一台10MW空冷水轮发电机(1955年)、6MW空冷气轮发电机(1956年)和12MW双水内冷气轮发电机(1958)诞生,又制成100MW双水内冷和氢内冷、125MW与200MW双水内冷、200MW水氢冷和300MW双水内冷与水氢冷气轮发电机,225MW空冷、300MW双水内冷与空冷水轮发电机和600MW水氢冷气轮发电机。
国产气轮发电机在不长时间内,就从空冷、氢冷发展到双水内冷和水氢冷,从而掌握了大型气轮发电机,除全氢冷以外的各种主要冷却方式的技术。
在中小型电机方面,自从1953年进行第一次全国统一设计后,中小型电机的生产开始摆脱过去的混乱局面,走上统一和系列化的道路。
据统计,到目前为止,我国生产的中小型电机系列,除一般电机或基本系列外,还有防爆、船用、潜水、单绕组多速、力矩、起重冶金、高起动转矩、辊道、电磁调速、热带型、屏蔽电机、磁阻式同步电动机及永磁电机等派生系列和专用系列。
此外,还研制了中小型无槽直流电机、晶闸管供电直流电动机、潜油电机、钻探电机、谐波励磁同步发电机等多种新产品。
从目前情况看来,一般或基本系列中小型电机已能满足国民经济各部门的需要,其技术经济指标也在逐步提高。
1.2积极采用新技术、新材料、新结构和新工艺
我国在发展电机时,十分注意新技术、新材料、新结构和新工艺的采用。
在采用新技术方面,首先是应用电子计算机来进行电机的电磁计算以及磁场、温度场计算和零部件机械计算。
其他像感应电机的单绕组和三角型Y混合联结绕组,同步电机的无刷励磁、静止半导体励磁、谐波励磁和整块磁极,直流电动机的晶闸管供电和无槽电枢,以及双水内冷技术、直线电机等也都先后正式用于生产。
在绝缘材料方面,目前我国生产的电机中,主要采用E、B两级(其中E级约占2/3左右),F、H级仅在少数要求较高或特殊用途的电机应用,但前者正积极地分别向B、F级过渡。
近年来,我国还在氢冷汽轮发电机上应用了液体塑料密封材料,以代替传统的橡胶皮条等固体密封材料,改善了密封性能。
在工艺水平和机械化、自动化程度方面,小型电机的机座与转ZHU加工、静电喷漆、总装实验等自动线均已正式采用;级进式冲模、大型压铸机、定子绕组自动下线机、插槽绝缘机、端部整形机、自动绕线机等新设备及真空压力浸渍、中型感应电机转子导条环氧粉末涂敖、机座射压造型等新工艺的应用,也都使工效大大提高,电机质量进一步改进。
1.3标准化、系列化和通用化程度不断提高
1953年以后多次组织了电机产品的改型设计和新系列统一设计,使我国从发电设备、大型交直流电机一直到种类繁多的中小型电机,大多数都有了自己的系列。
不但建立了若干产量大、使用面广的基本系列,还建立了应用场合比较特殊的派生系列和专用系列。
在电机零部件和安装尺寸、机座号等的标准化、系列化、通用化方面也进行了大量工作,已形成自己的体系,还制订了电机专业的许多国家标准,这些标准正逐步接近国际电工委员会的标准。
1.4积极开展电机理论、测试技术和新型发电方式的研究
近年来,我国对电机绕组、附加损耗、附加转矩、电机冷却、大型电机的端部磁场、电机测试技术以及超导电技术在电机的应用等方面开展了一系列研究,取得不少成果。
此外,我国还对原子能、磁流体、地热、太阳能、风力和燃气轮机用于发电方面进行了一系列实验研究工作,已建成一座实验性的地热发电站及制成若干燃气轮发电机组。
第2章无刷同步发电机励磁系统的研究
2.1无刷同步发电机励磁系统概述
从目前来看,励磁系统已成为交流同步发电机中最核心的部分,也是经典的同步发电机中最有发展前途的部分之一,励磁系统的好坏,直接影响到同步发电机的性能和运行质量。
因此各国学者几十年来均致力于励磁系统的研究和改进。
研究结果表明,当发电机的励磁电流大于8000A时,由于受滑环材质、冷却条件以及碳刷均流的影响,制造相应容量的滑环是困难的。
为此,对于大型发电机采用无刷励磁系统是适宜的。
从长远来看无刷励磁方式是同步发电机今后的发展方向。
励磁系统通常包含励磁机、手调励磁系统、自动励磁系统、灭磁装置等设备。
作用是当电机正常运行时,供给维持一定的电压和一定的无功输出范围所需要的励磁电流:
当电力系统发生短路或突然加负载、甩负载时,对电机强行励磁和减磁,以提高电力系统的运行稳定性:
当电机内部发生短路时,对电极进行灭磁,以避免事故扩大。
一般来说,无刷励磁发电机由两台电机组成,即主发电机和交流励磁机。
对于主发电机而言,由于采用交流励磁机和旋转整流器,实现了励磁无刷化。
但对于交流励磁即来说,它也是一台三相交流发电机,它也需要励磁。
根据交流励磁机的励磁特点,我们可以把无刷励磁同步发电机划分许多不同的励磁方式。
2.2晶闸管无刷励磁系统
在无刷励磁系统中,将旋转的二极管整流器代以晶闸管整流元件,将会显著地提高励磁系统控制的快速性,但是在实现这一控制方式时,在技术上存在很大难点,因为在晶闸管无刷励磁系统中,需将处于静止侧的触发脉冲供给旋转的晶闸管整流元件,即要求在静止部分和旋转部分之间建立一个控制联系。
英国派生斯公司所采用的方法是在无刷主励磁机的主轴上装一台极数与主励磁机相同的小型旋转电枢控制用励磁机,其电枢各相的末端接于旋转晶闸和整流器的控制极,从而提供了与主励磁机电枢电压波形同步的触发脉冲。
控制励磁机的电压与主励磁机与主励磁机电压之间的相位移,决定于它们之间固定磁场系统之间的物理角。
改变此角度即改变了晶闸管整流器的触发角。
实际上,控制励磁机在纵轴及横轴上均设有励磁绕组。
这两个励磁绕组引入与自动控制成比例的控制电流,并使两绕组的合成磁通势为常数。
改变两控制量的比例即可使其合成磁通势在空间位置发生变化,达到改变晶闸管整流器控制触发角的目的。
这样,便可控制主励磁机的电压由正的电压最大值到负的电压最大值,而控制时间小于0.01S,和采用二极管的方案比较,采用晶闸管整流器的交流励磁机尺寸要大一些,因为此时交流励磁机是按恒定电压方式工作的。
根据上述原理设计的晶闸管无刷励磁系统应注意以下问题:
(1)通过晶闸管的正向电流上升率不超过规范值,否则会由于晶闸管元件局部发热而损坏。
(2)正向电压的上升率不得超过规定值,否则在元件的控制极上未加脉冲前亦有可能
也会引起误触发导通。
(3)控制极电流必须同时迅速地加在全部应导通的并联晶闸管元件上。
(4)必须提出有效的方法,以保证输出电流在正向压降和导通特性不同的并联晶闸管
元件之间均匀分配。
(5)必须防止整流器的逆变颠覆。
如果整流器以接近于180°的控制角工作,就有可
能发生某桥臂一直保持导通的故障情况。
(6)控制系统必须有抗干扰的能力。
英国派生斯公司曾根据上述原理研制了试验性晶闸管无刷励磁系统,以检验设计的
正确性。
原型500kVA交流励磁机在设计时,虽然其输出适用于60MW、3000r/min的汽轮发电机组,但是在整流环、电枢的直径、电流负载及晶闸管元件的选择上亦适用于660MW汽轮发电机组无刷励磁系统。
在晶闸管无刷励磁系统的触发方式上,派生斯公司还发展了旋转脉冲变压器触发方
式,在转轴上进行脉冲放大是其设计的特点。
当汽轮发电机组采用晶闸管无刷励磁系统时,除可提高控制系统的快速性外,还可
利用逆变进行灭磁这亦是此系统的主要优点之一。
前苏联在开发大型汽轮发电机的晶闸管无刷励磁系统方面也取得了举世瞩目的成
就。
在解决怎样由静止侧将触发脉冲信号传递到旋转晶闸管整流器侧的问题时,采用了简单、可靠的无触点控制系统,以装在与旋转晶闸管元件同一轴上的旋转脉冲变压器来传送控制脉冲。
脉冲变压器定子和转子的磁路为环形,定转子间有一小气隙。
变压器的一次和二次绕组相应地置于定子和转子槽中。
基于以上研究,有可能生产一台用于300MW汽轮发电机原型晶闸管无刷励磁装置。
在原型上进行的研究表明,在脉冲变压器二次绕组控制脉冲前沿持续时间约为70
μs的情况下,分别接于交流励磁机电枢绕组并联支路的晶闸管元件导通过程正常。
在300~900μs内改变触发脉冲持续时间,对以汽发电机磁场绕组为负载的晶闸管励磁装置是足够的。
2.3无刷励磁系统的分类
2.3.1按交流励磁功率源来分
A永磁发电机式无刷发电机交流励磁机的励磁功率由永磁发电机供给。
即整体来看也属于一种他励式发电机。
此种励磁方式多用于航空无刷发电机或大型无刷同步发电机中。
B从主绕组中获得励磁功率源的基波励磁无刷发电机。
该类无刷发电机又可以分为复励和无复励两种。
有复励式除了采用主绕组电压源外,还利用电流互感器从主机获得复励分量,而且交流励磁机定子磁场线圈由两个独立绕组组成。
一个绕组由主机源供电,另一个绕组由电源供电,两个磁场可接成复励也可以接成差动式的复合关系。
有复励部分的交流无刷发电机动态性能好,但结构复杂。
无复励式交流无刷发电机动态性能差,但线路简单。
C三次斜波励磁无刷系统交流励磁机的励磁功率源由定子中的三次斜波辅助绕组供给。
具有斜波励磁的优点,即这种励磁方式本身就具有较强的复励能力,故动态性能好,强励能力强,能直接起动较大容量的电机。
同时在控制线路简单的情况下,可以获得很高的稳定电压调整率。
D旋转相复励无刷发电机旋转相复励无刷发电机的交流励磁机和前面所叙的交流励磁机的不一样,它是一种特殊的旋转复砾变压器。
在这种交流励磁机的定子上配有电流绕组和经过电抗器移相绕组。
转子部分配有相当于变压器副边的电枢绕组。
这种励磁方式具有动态性能好,铁心尺寸比一般交流励磁机小,有较高的电压调整率等优点。
但制造工艺复杂,体积大,自动建压比较困难。
2.3.2按旋转元件划分
A旋转二极管式的无刷励磁发电机
其旋转整流器由一般的旋转二极管组成,线路简单,但一般动态性能差。
B旋转晶闸管式无刷发电机其旋转整流器由旋转晶闸管组成。
该励磁方式是70年代发展起来的新技术,是为
了克服二极管式无刷发电机动态性能反应慢的缺点而出现的。
其动态性能指标达到了静止励磁的水平恢复时间为0.2秒。
但线路复杂,成本高。
目前用于中型无刷发电机
2.4励磁系统的选择
根据设计的要求,励磁系统必须有反应快,无电刷,能快速灭磁等特点,比较各种励磁系统的特点,最终我选择了用旋转整流器励磁系统。
该励磁系统具有反应速度快,有旋转机械,无电刷,能快速减磁和灭磁,独立运行性能高等特点,基本符合设计的要求。
2.5旋转整流器(晶闸管)励磁系统
励磁旋转晶闸管式无刷发电机的特点是自动电压调节器(AVR)与旋转晶闸管装于同一个轴上,直接对主励磁电流进行调节,故动态性能好,反应速度快。
只有整定电位器在转子的外面,以便对电压进行整定。
测量信号通过变压器由不动的定子部分传送给旋转的转子部分,从而调节AVR的输出,以达到控制的方式。
2.5.1旋转整流器的设计
旋转整流器是无刷发电机的重要部件,整流管的可靠性直接影响发电机的运行。
整流线路的选择,在主机参数不变的情况下选用半波或全波线路各有优缺点,应根据具体情况来决定。
0.995;三相半波线路功率因数低,
(1)三相全波线路功率因数较高,cos
0.827。
另外,三相全波整流效率高,交流励磁机可设计的经济些。
cos
(2)三相全波动态较好。
(3)三相半波时,每个桥臂串接的整流器少,起励比较容易。
但每个元件上承
受的反向电压比全波时高一倍。
(4)三相全波要用6个旋转整流器,是半波线路的两倍。
元件愈多,故障愈多,
故可靠性比半波时差,且结构复杂,连线多。
(5)若充分利用旋转整流器位置,可采用双路并联的三相半波整流电路,其可
靠性可大为提高。
一般说来,对小容量的电机,为了追求结构紧凑,简单可靠,以选择三相半波整流线路为宜。
对于较大容量电机或为了获得较好的动态性能,以选择三相全波整流线路较好。
故本设计先用三相全波线路。
旋转整流管采用模块结构,它将一个桥臂做成一个模块,一个完整的整流桥由四个桥臂组成,其中三个桥臂组成三相整流桥,另一个桥臂是压敏电阻,对整流桥进行保护,每个桥臂用螺钉直接固定到转轴上。
2.5.2旋转整流桥元件的选用
无刷电机的整流元件必须是能耐受强大的离心力,耐受机械振动的旋转元件。
要求它有极高的可靠性,在承受机械应力的情况下能保持良好的电气性能。
因此,旋转整流元件除了元件制造厂在出厂前应进行严格筛选外,电机制造厂在使用前,对其能否经受离心力、振动力以及热容量是否足够,也要经过超速、振动和温升试验的严格挑选。
元件的筛选、老化试验项目有:
(1)长期静压试验;
(2)短时加压试验;
(3)旋转与振动试验。
上述试验还需分带电与不带电二种工况进行。
对旋转整流器元件的电气参数的选择,即要考虑稳定运行工况,也要考虑各种最恶劣的瞬时状态。
例如,起动较大容量民步电动机或主发电机产生突然短路等工况。
因此选用二极管时要有足够的裕度。
一般二极管电流容量的选择可为每个桥臂流过的工作电流的三倍。
1)、旋转二极管的电流
40.37A440.3672.50.367KIIfNId
2.5,I为额定励磁电流,因此可选IIIfN2~4,取KK为安全系数,K
电流为40安的整流管
2)、旋转二极管的电压
2347.4VRRMfN106.7101.12U101.12U
UfN为额定励磁电压
因此可选耐压比2347.4V大的二极管
2.5.3旋转整流元件的安装方式
转整
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