电工学及电器设备第八章-同步电机.ppt
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第八章同步电机,同步电机是交流旋转电机的一种,因其转速恒等于同步速时而得名。
现代发电厂中所发出的交流电能几乎都是同步发电机的。
对于有恒速要求的生产机械,可采用同步电动机作为动力,同步电机也可作为调相机用,向电力系统发出感性或容性无功功率,用于改善电力系统的功率因数及调整电网电压。
同步电机无论作发电机、电动机或调相机,其基本原理及结构是相同的,只是运行方式不同而已。
第一节同步发电机的基本工作原理,定子,转子,滑环,同步发电机基本工作原理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磁力线的磁场和切割该磁场的导体。
一、基本结构模型,如图所示:
气隙,图中给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型,其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽,槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。
这种同步电机的定子又称为电枢,定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。
1.定子,2.转子,转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极,磁极上绕有励磁绕组,当通过电刷和滑环通以直流电流时,将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场,称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。
主磁场由N极出来经过气隙、定子铁芯,再经过气隙进入S极而构成主磁路。
如图中虚线所示(图中p=1)。
3.气隙,气隙处于电枢内圆和转子磁极之间,气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。
除了转场式同步电机外,还有转枢式同步电机,其磁极安装于定子上,而交流绕组分布于转子表面的槽内,这种同步电机的转子充当了电枢。
二、同步发电机的工作原理,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;原动机拖动发电机转子以转速n按图示方向作恒速旋转。
定子中三相绕组的导体依次切割磁力线,三相绕组便感应产生各相大小相等、相位彼此相差1200的交流电动势。
若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图所示,且相序为ABC。
1.交变感应电动势的产生,每相感应电势有效值:
2.感应电势的频率,交流电动势的频率f可这样确定:
当转子为1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;当同步发电机具有p对极时,转子旋转一周,感应电动势就交变p个周期;当转子的转速为每分钟n转时,则交变电动势的频率为:
转子的转速(r/min),由上式可知:
同步发电机定子绕组感应电动势的频率取决于它的极对数p和转子的转速n。
转子转速越高,定子绕组感应电势E0的频率越高。
即nf。
可见,同步发电机极对数p一定时,转速n与电枢电动势的频率f之间具有严格不变的关系。
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不十分严格,对原动机的转速要求也不很严格。
3.同步转速,现代的发电机,绝大多数都是向大电网并网供电,这就对同步发电机的频率要求严格了,我国电网频率为50HZ,所以发电机发出的电动势频率也必须为50HZ,如果发电机的频率与电网频率不等将会造成严重事故。
同步转速从供电品质考虑,由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值,这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。
我国电网的频率为50Hz,故有:
要使得发电机供给电网50Hz的工频电能,发电机的转速必须为某些固定值,这些固定值称为同步转速。
例如2极电机的同步转速为3000r/min,4极电机的同步转速为1500r/min,依次类推。
只有运行于同步转速,同步电机才能正常运行,这也是同步电机名称的由来。
同步电机的特点,4.电磁过程,转子冲转到额定转速,汽轮发电3000r/min转子绕组加励磁电流(直流)产生旋转磁场定子绕组切割磁力线产生三相对称感应电势发电机出线端三相对称电压。
5.电势的调节,根据E0=4.44fNkw10和If0可知,调节励磁电流If,可改变磁通0,从而改变定子绕组感应电势E0。
即IfE0;IfE0。
6.相序,相序决定于转子的转向。
从励磁端看,汽轮发电机的转向为逆时针方向。
同步发电机原理小结:
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,转子磁极磁场切割三相定子绕组,感应三相交流电。
第二节同步发电机的基本结构,一、同步电机分类:
旋转电枢式:
电枢旋转,磁极固定,因电枢功率不易由滑动部分送出,只适于较小容量发电机,实用少。
旋转磁极式:
磁极旋转,电枢固定,电枢功率由静止部分送出,可传送较大功率,实用广,是同步发电机的基本结构型式。
同步电机,旋转磁极式,隐极式转子:
不计齿槽时气隙均匀;机械强度高,适用于高转速;一般用于汽轮发电机;外形细长。
凸极式转子:
气隙不均匀,极弧下较小,极间较大;机械强度比隐极机低,适用于低转速;一般用于水轮发电机,外形扁盘形。
二、隐极同步发电机(只有卧式支撑)的基本结构,一对极隐极式转子示意图,1.隐极式转子结构:
主要由铁芯、励磁绕组、阻尼绕组、紧固件和风扇组成。
它是汽轮发电机的重要部件,如图所示。
(1)转子铁芯,隐极式转子铁芯应具有良好的导磁性能,并能承受很大的离心力作用。
隐极式转子铁芯通常与转轴锻造成一体,一般所用材料是具有高强度和导磁性能良好的含铬、镍和钼的合金钢。
汽轮发电机的转子铁芯横剖面如图示:
隐极式转子上没有凸出的磁极,沿转子铁芯外圆表面铣出许多槽,槽中嵌放励磁绕组。
在转子表面约1/3部分没有开槽,构成所谓大齿,是磁极的中心区即主磁极。
励磁绕组通入励磁电流后,沿转子圆周也会出现N极和S极。
汽轮发电机的转子槽分类图示:
(2)励磁绕组,励磁绕组是由矩形的绝缘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的槽内,所有线圈串联组成励磁绕组,构成转子的直流电路。
励磁绕组引出的两个线端接在滑环上,并通过电刷与外电路直流电源相连接。
注意:
励磁绕组的各线匝间需垫有绝缘材料,同时,线圈和铁芯之间也需有可靠的“对地绝缘”。
励磁绕组放置在槽内后,需用非导磁材料、高强度的硬铝或铝青铜制成的槽楔来压紧,如图所示。
转子槽部剖面图,槽楔,楔下垫条,匝间绝缘,扁铜线,槽绝缘,(3)阻尼绕组,某些大型汽轮发电机转子上装有阻尼绕组,它是一种短路绕组,由放在槽楔下的铜条和转子两端的铜环焊接成闭合回路。
阻尼绕组的主要作用是:
在同步发电机短路或不对称运行时,利用其感应电流来削弱负序旋转磁场的作用,以及同步发电机发生振荡时起阻尼的作用,使振荡衰减。
嵌装完励磁绕组后的转子,励磁绕组连接图,(4)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,护环采用非导磁合金钢材料。
作用:
保护转子绕组端部,(5)滑环,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动的滑环引入转子励磁绕组。
(6)风扇,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式或离心式风扇,用以改善冷却条件。
隐极式转子特点:
在大容量高转速汽轮发电机中,转子圆周线速度极高,最大可达170米/秒。
为了减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨大离心力,大型汽轮发电机都做成细长的隐极式圆柱体转子。
考虑到转子冷却和强度方面的要求,隐极式转子的结构和加工工艺较为复杂。
转子长度/直径=2.06.5,且容量愈大比值愈大。
滑环,风扇,2.隐极式定子结构:
定子又称为电枢,主要由定子铁芯、定子绕组、机座、端盖等部件组成。
它是同步发电机用以产生三相交流电能,实现机械能与电能转换的重要部件,如图所示。
(1)定子铁芯,定子铁芯是主磁路的一部分,嵌放定子绕组。
一般由厚0.5mm或0.35mm的硅钢片叠成,沿轴向叠成多段形式,每段叠片厚为30-60mm。
各段叠片之间留有宽约10mm的通风槽,以改善定子铁芯的散热条件,如图所示。
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,如图所示。
沿定子铁芯内圆表面的槽内放置三相定子绕组。
(2)定子绕组,汽轮发电机的定子绕组一般采用三相双层短距叠绕组,Y连接或YY连接,构成定子三相交流电路。
作用:
产生感应电势。
(1)定子绕组,
(2)端部连接线,(4)通风孔,(3)机壳,(5)机座,由于定子电流较大,每槽一般只嵌放两个有效导体(线棒),为减少涡流损耗,同时也为了减少绕组导体中集肤效应引起的附加损耗,每根导体常由许多相互绝缘的15mm2以下的扁铜线并联多股线组成,在槽内线圈的直线部分还应进行编织换位,如图所示。
定子绕组端部,(3)机座,机座是用来支撑和固定定子铁芯和端盖的,应有足够的强度和刚度,机座与定子铁芯之间需要留有适当的通风道,以利于电机的冷却,如图所示。
三、凸极同步发电机的基本结构,凸极同步电机通常分立式和卧式结构两类,大中型容量的水轮发电机一般采用立式结构,如图所示。
由于水轮机的转速很低,为了得到额定频率,发电机的极数就需要相应的增加,发电机的转子直径则需加大。
在容量一定的情况下,发电机的总长度便可缩短,故水轮发电机的转子长度L和定子内径D之比为的0.125-0.07,如图所示。
立式水轮发电机的结构又分为悬式和伞式两种,如图所示。
悬式的推力轴承是安装在转子的上部,整个转子悬吊在机架上,这种结构运行时稳定性较好,只适用于转速较高的发电机(150r/min以上)。
伞式的推力轴承是安装转子下部,整个转子形同被撑开的雨伞,这种结构运行时稳定性较差,只适用于转速较低的发电机(125r/min以下)。
推力轴承,1.定子,水轮发电机主要是由转子、定子和机架和推力轴承等部件组成。
由机座、定子铁芯和定子绕组等主要部件组成。
(1)机座,机座用来支撑定子铁芯、轴承和端盖等,并构成冷却风路。
直径大于4m的机座可分成若干瓣,安装时再拼接成一体。
例:
三峡左岸电站定子机座由定子铁芯支撑环、20个垂直的斜元件、垂直筋板以及机座外壁等组成。
机座分6瓣,现场组装,如图所示。
(2)定子铁芯,定子铁芯的基本结构与汽轮机相同,大容量的水轮发电机定子铁芯由扇形硅钢片叠成,留有通风沟。
沿铁芯内圆表面的槽内放置三相定子绕组,并用槽楔压紧。
(3)定子绕组,大中型水轮发电机的极数较多,定子绕组多采用双层波绕组,可节省极间接线,并多采用分数槽绕组以便改善电动势的波形。
例:
三峡左岸电站定子绕组设计为三相双层波形绕组,每相5支路并联,共1080根罗贝尔线棒组成。
绕组轮换数为1814,每极每相槽数为9/4,节距为13,如图所示。
2.转子,由转轴、转子支架、磁轭和磁极等主要部件组成。
转轴一般采用高强度钢锻造而成。
大中型转子的转轴是空心的,在用钢量相同的情况下,强度可相应增加。
(1)转轴,
(2)磁极,磁极采用1-1.5mm厚的钢板冲片叠成,在磁极的两端面加上磁极压板,用铆钉铆成整体。
(3)励磁绕组,励磁绕组多采用绝缘扁铜线绕制而成,而后经浸胶热处理,套在磁极上,如图所示。
(4)阻尼绕组,在水轮发电机中,极靴部位一般装有阻尼绕组,用以减少并联运行时转子振荡的振幅。
整个阻尼绕组由插入极靴阻尼孔中的铜条和端部铜环焊接而成。
某些中小型容量凸极同步发电机,磁极铁芯是整体的,一般不另装阻尼绕组。
(5)磁轭与转子支架,磁轭由高强度经钝化处理的冷轧薄钢板组装成的坚实结构,它是磁路的一部分,磁极固定在其圆柱表面。
磁轭和转子之间用转子支架支撑着。
转子支架固定在转轴上,转子支架为圆盘式结构,在工地进行组装焊接,且设有足够数量的孔洞,以满足发电机通风的要求和具有良好的导风性能。
停机时,为了避免长时间低速损坏轴瓦,一般在磁轭底部装有制动环。
10MW水轮机转子,三峡左岸电站24MW发电机转子在吊装,第三节同步发电机的铭牌数据,在同步发电机的醒目部位装有铭牌。
电机的额定值标在铭牌上,主要有如下几种。
1.额定容量SN或额定功率PN,额定容量SN是指发电机在额定运行时出线端的额定视在功率,一般用kW(kVA)或MW(MVA)为单位;而额定功率PN是指发电机在额定
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- 电工学 电器设备 第八 同步电机