电机学基础

华润电力（常熟）有限公司ChinaResourcesPower(Changshu)Co.Ltd.发电运行部培训教材1电机学（集控巡检培训）发电运行部培训教材华润电力（常熟）有限公司ChinaResourcesPower(Changshu)Co.Ltd.华润电力（常熟）有限公司ChinaResourcesPower(Changshu)Co.Ltd.发电运行部培训教材2目录第一章同步发电机第二章变压器第三章异步电动机华润电力（常熟）有限公司ChinaResourcesPower(Changshu)Co.Ltd.发电运行部培训教材3一、同步发电机华润电力（常熟）有限公司ChinaResourcesPower(Changshu)Co.Ltd.发电运行部培训教材41、同步发电机的基本工作原理和结构华润电力（常熟）有限公司ChinaResourcesPower(Changshu)Co.Ltd.发电运行部培训教材5同步发电机的基本工作原理•发电机主要有定子和转子两部分，定、转子之间有气隙，原理图如图所示。•定子上有AX、BY、CZ三相绕组，它们在空间上彼此相差120°电角度，每相绕组的匝数相等。转子磁极（主极）上装有励磁绕组，由直流励磁，建立起主磁场。其磁通从转子N极出来，经过气隙、定子铁芯、气隙，进入转子S极而构成回路，如图中的虚线所示。华润电力（常熟）有限公司ChinaResourcesPower(Changshu)Co.Ltd.发电运行部培训教材6•三相电势波形如左图。•由于三相绕组相差120°电角度，磁力线将先切割A相绕组，再切割B相，最后切割C相。因此，定子三相电势大小相等，相位彼此互差120°。设相电势最大值为Em，A相电势的初相角为零，则三相电势的瞬时值为：•关于频率f，当电机有p对极时，电机每转一圈，感应电势就要交变P次，转子每分钟转数为n，则每秒钟旋转n/60转，因此感应电势每秒交变（pn/60）次，即频率为：•汽轮发电机的极对数为1，当n＝3000r/min，f＝50Hz。而水轮发电机有多极对数。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。60pnf华润电力（常熟）有限公司ChinaResourcesPower(Changshu)Co.Ltd.发电运行部培训教材7同步发电机结构•交流电机的绕组分类：按相数分为单相、两相、三相和多相绕组；按槽内层数分为单层绕组和双层绕组；双层绕组又分为叠绕组和波绕组；按每极每相槽数是整数还是分数分为整数槽绕组和分数槽绕组。•对于大型汽轮发电机主要采用三相双层绕组，并采用叠绕组，双层绕组构成如左图。在每个槽内有上下两个线圈边，线圈的一个边嵌在某个槽的下层，则另一边则嵌在相隔y1（节距）槽的上层。华润电力（常熟）有限公司ChinaResourcesPower(Changshu)Co.Ltd.发电运行部培训教材8•凸极式转子：凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈，如图所示。当励磁线圈中通过直流励磁电流后，每个磁极就出现一定的极性，相邻磁极交替为N极和S极。对水轮发电机来说，由于水轮机的转速较低，要发出工频电能，发电机的极数就比较多，做成凸极式结构工艺上较为简单。另外，中小型同步电机多半也做成凸极式。•水轮发电机的特点是：极数多，直径大，轴向长度短，整个转子在外形上与汽轮发电机大不相同。大多数水轮发电机为立式。华润电力（常熟）有限公司ChinaResourcesPower(Changshu)Co.Ltd.发电运行部培训教材9•隐极式转子：隐极式转子上没有凸出的磁极，如图所示。沿着转子本体圆周表面上，开有许多槽，这些槽中嵌放着励磁绕组。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。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。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。•汽轮发电机的电压较高，要求定子绕组有足够的绝缘强度，一般采用B级或F级绝缘。为了减少高速旋转引起的离心力，一般采用隐极式转子，其外形常做成一个细长的圆柱体。转子铁心表面圆周上铣有许多槽，励磁绕组嵌放在这些槽内。励磁绕组为同心式绕组，以铜线绕制，并用不导磁的槽楔将绕组紧固在槽内。华润电力（常熟）有限公司ChinaResourcesPower(Changshu)Co.Ltd.发电运行部培训教材10同步发电机型号和额定值•国产同步电机型号：我国生产的汽轮发电机有QFQ、QFN、QFS等系列，前两个字母表示汽轮发电机；第三、四个字母表示冷却方式，Q表示氢外冷，N表示氢内冷，S水内冷。我国生产的大型水轮发电机为TS系列，T表示同步，S表示水轮。举例来说：QFSN-600-2表示容量为600MW，水、氢、氢冷2极汽轮发电机。•额定值：额定容量PN（MW）：发电机连续安全运行的最大允许输出功率；额定电压UN(kV)：发电机长期安全工作的最高电压，指线电压；额定电流IN（A）：发电机正常连续运行的最大工作电流，指线电流；额定频率fN：我国标准工频为50Hz。额定功率因数：指发电机在额定运行时的功率因数。额定值之间的关系：NNNNIUPcos3华润电力（常熟）有限公司ChinaResourcesPower(Changshu)Co.Ltd.发电运行部培训教材11同步发电机励磁方式简述•直流励磁机励磁：直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或者他励接法。采用他励接法时，励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。如图所示。华润电力（常熟）有限公司ChinaResourcesPower(Changshu)Co.Ltd.发电运行部培训教材12•静止整流器励磁：同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励(有时采用永磁发电机)。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机，而主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。•如果用接于发电机端的励磁变压器来取代交流主励磁机，用大功率可控硅替代主整流器来给发电机提供励磁电源，就变成了自并激励磁方式。如图所示：华润电力（常熟）有限公司ChinaResourcesPower(Changshu)Co.Ltd.发电运行部培训教材13•旋转整流器励磁：静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大容量的同步发电机，其励磁电流达到数千安培，使得集电环严重过热。因此，在大容量的同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统，如图所示。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。华润电力（常熟）有限公司ChinaResourcesPower(Changshu)Co.Ltd.发电运行部培训教材142、同步发电机运行原理及运行特性华润电力（常熟）有限公司ChinaResourcesPower(Changshu)Co.Ltd.发电运行部培训教材15同步发电机的空载运行•空载气隙磁场：对于凸极发电机来说，由于定转子间的气隙沿整个电枢圆周分布不均匀，极面下气隙较小，而极间气隙较大，极面下的磁阻较小，而极间磁阻很大，而且在同一个极面下，在一个极的范围内气隙径向磁通密度的分布近似于平顶的帽形。通常将极靴的极弧半径做成小于定子的内圆半径，而且两圆弧的圆心不重合(称为偏心气隙)，从而形成极弧中心处的气隙最小，沿极弧中心线两侧方向气隙逐渐增大，这样可以使得气隙磁通密度的分布较接近正弦波形。华润电力（常熟）有限公司ChinaResourcesPower(Changshu)Co.Ltd.发电运行部培训教材16隐极电机的励磁绕组嵌埋于转子槽内，沿转子圆周气隙可视为是均匀的。励磁磁势在空间的分布为一个阶梯形，受齿槽的影响,气隙磁密呈现出波动变化。用谐波分析法可求出其基波分量，如图所示。合理地选择大齿的宽度可以使气隙磁密的分布接近正弦波。感应电势的波形和大小与气隙磁密的分布形状及幅值大小紧密相关，在设计和制造电机时，应采取适当的措施，以获得尽可能接近正弦分布的气隙磁密，从而得到品质较高的感应电势。华润电力（常熟）有限公司ChinaResourcesPower(Changshu)Co.Ltd.发电运行部培训教材17•空载特性：当空载运行时,励磁电势随励磁电流变化的关系称为同步发电机的空载特性。如图所示。由图可见，当励磁电流较小时，由于磁通较小，电机磁路没有饱和，空载特性呈直线（将其延长后的射线称为气隙线）。随着励磁电流的增大，磁路逐渐饱和，磁化曲线开始进入饱和段。为了合理地利用材料，空载额定电压一般设计在空载特性的弯曲处，如图中的c点。空载特性在同步发电机理论中有着重要作用：①空载特性结合短路特性可以求取同步电机的参数。②发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性以及励磁系统的故障。华润电力（常熟）有限公司ChinaResourcesPower(Changshu)Co.Ltd.发电运行部培训教材18对称负载时的电枢反应和电磁转矩•负载后磁势分析空载时，同步电机中只有一个以同步转速旋转的励磁磁势，它在电枢绕组中感应出三相对称交流电势，称为励磁电势。当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组和负载一起构成闭合通路，通路中流过的是三相对称的交流电流，我们知道，当三相对称电流流过三相对称绕组时，将会形成一个以同步速度旋转的旋转磁势。可见，负载以后同步电机内部将会产生又一个旋转磁势——电枢旋转磁势。因此，同步发电机接上三相对称负载以后，电机中除了随轴同转的转子磁势(称为机械旋转磁势)外，又多了一个电枢旋转磁势。这两个旋转磁势的转速均为同步速，而且转向一致，二者在空间处于相对静止状态，可以用矢量加法将其合成为一个合成磁势。气隙磁场可以看成是由合成磁势在电机的气隙中建立起来的磁场。也是以同步转速旋转的旋转磁场。可见同步发电机负载以后，电机内部的磁势和磁场将发生显著变化，这一变化主要由电枢磁势的出现所致。华润电力（常熟）有限公司ChinaResourcesPower(Changshu)Co.Ltd.发电运行部培训教材19•电枢反应电枢磁势的存在，将使气隙磁场的大小和位置发生变化，我们把这一现象称为电枢反应。电枢反应会对电机性能产生重大影响。电枢反应的情况决定于空间相量和之间的夹角，而这一夹角又和时间相量和之间的相位差ψ相关连。ψ称为内功率因数角，其大小由负载的性质决定。fFaF0·EaI·afffaFFFFIFI华润电力（常熟）有限公司ChinaResourcesPower(Changshu)Co.Ltd.发电运行部培训教材20•ψ=0°时的电枢反应：转子磁势作用在直轴上，而电枢磁势作用在交轴上，电枢反应的结果使得合成磁势的轴线位置产生一定的偏移，幅值发生一定的变化。这种作用在交轴上的电枢反应称为交轴电枢反应，简称交磁作用。华润电力（常熟）有限公司ChinaResourcesPower(Changshu)Co.Ltd.发电运行部培训教材21•ψ=90°时的电枢反应：转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相反，电枢反应为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小，这一电枢反应称为直轴去磁电枢反应。•ψ=－90°时的电枢反应：转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相同，电枢反应为纯增磁作用，合成磁势的幅值加大，这一电枢反应称为直轴增磁电枢反应。华润电力（常熟）有限公司ChinaResourcesPower(Changshu)Co