同步发电机

第2节同步发电机•同步发电机是将机械能转变为交流电能的设备。同步电机指电机转子的转速n与旋转磁场转速n1相同的交流电机。简单发电机的模型•按运行方式不同分为：发电机、电动机和调相机。•按结构形式不同分为：电枢旋转式（简称转枢式）和磁极旋转式（简称转场式）。磁极旋转式按转子结构不同又分为凸极式和隐极式。•按安装方式不同分为：卧式和立式。同步电机的分类•按原动机类型不同分为：汽轮发电机、水轮发电机、燃气轮发电机、柴油发电机、风力发电机、太阳能发电机等等。•按冷却介质不同分为：空气冷却、氢气冷却、水冷却等。一同步发电机的构造交流同步发电机：两种结构示意图旋转磁极式（船用）旋转电枢式•同步发电机类型：旋转磁极式旋转电枢式•同步电机一般采用旋转磁极式结构，根据磁极形状可分为隐极和凸极两种型式。凸极同步电机气隙不均匀，适合于中速或低速旋转场合。（船用柴油发电机采用）隐极同步电机在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，适合于高速旋转。隐极凸极交流同步发电机：组成•定子：铁心+机座+电枢绕组•转子：转轴+磁极+励磁绕组+集电环定、转子间隙：很小•端盖及轴承：上有电刷、风扇（风冷）•集电环：将固定的直流励磁电流用电刷引入到转子励磁绕组上（指旋转磁极式）交流无刷同步发电机•组成：⑴主发电机：旋转磁极式，为电网供电⑵交流励磁机：旋转电枢式，为主发励磁⑶旋转整流器：将励磁机的AC→DC⑷永磁发电机（PMG）：旋转磁极式，为交流励磁机励磁1.定子•机座、端盖、定子铁心和定子绕组等。1）机座和端盖•机座的作用：固定和支撑定子铁心及定子绕组等部件，通过机座将整个定子安装、固定在基础上。•机座内部有冷却风道。对机座的要求，除了使安装、运输方便外，还需要有足够的强度和刚度；正常和故障时能承受可能发生的最大应力，保证不产生不允许的变形。•端盖的作用:保护定子和转子的端部，使电机内形成一个与外界隔绝的风路系统。•一般用钢板焊接结构，也可采用灰铸铁或硅铝合金铸件，中等容量的电机端盖也有采用玻璃钢压制的。•有足够的刚度。•大型同步电机，由于端部漏磁通较大，所以固定端盖的螺栓宜加以绝缘，以防止漏磁通引起的涡流流过螺栓而使其发热。定子铁心由硅钢片叠成。各段叠片间有一定宽的通风槽，以改善定子铁心散热。定子外径较小时，采用圆形冲片，外径大于1m时，采用扇形冲片，目的是减少漏磁，防止涡流引起过热。定子铁心两端用非磁性材料压板将其压紧，将整个铁心固定在定子机座上。沿定子铁心内圆表面的槽内放置三相定子绕组。（2）定子铁心（2）定子铁心（3）定子绕组也称电枢绕组，一般采用三相对称绕组。三相定子绕组，每相结构完全相同，它们在空间上互差120°电角度对称分布放置在定子铁心槽内为便于绕组下线，定子槽采用矩形开口槽，定子绕组放入槽中后，槽口用槽楔封住，槽楔常用绝缘材料(如玻璃布板)做成。2．转子转子组成转子铁芯励磁绕组阻尼绕组紧固件风扇功能：传递原动机供给的机械能、支撑旋转的励磁线圈、形成良好的磁通路径和转子散热通道，因此对转子结构、材料和加工工艺要求较高。带阻尼绕组的凸极同步机转子转子铁心•既有良好导磁性能，又有足够机械强度和刚度，最关键部件之一。•一般采用优质合金钢锻制，铁心上开有两组对称的槽，槽与槽之间的部分称为齿，有两个齿特别宽称为大齿，其余的叫小齿。小齿嵌放励磁线圈，大齿形成磁极。•大型电机为了加强转子表面冷却，大齿区也开有一些较小的槽并不安放线圈，只作通风用，这种槽称为通风槽。•大型两极发电机转子，当长度与直径的比值较大时，为了减小倍频振动的影响，常在大齿部分沿轴向每隔一定距离开有径向月牙槽，使大齿方向与小齿方向的刚度尽可能接近。•有的电机在大齿开有槽，内装阻尼绕组，阻尼绕组构成自行短接的半鼠笼结构，用来改善发电机的稳定运行。一种短路绕组。由放在槽楔下的铜条和转子两端铜环焊接成闭合回路。作用：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作用；减少并联运行时转子振荡的振幅，发电机振荡时起阻尼作用，使振荡衰减。阻尼绕组励磁绕组由矩形绝缘扁铜线绕成同心式线圈，两线圈边分别放在大齿两侧所开的槽内，所有线圈串联。励磁绕组构成电机直流回路，通过电刷与外电路连接。各线圈匝间有绝缘，对地也有绝缘。•发电机转子绕组的端部在高速旋转中将承受巨大的离心力，并在通过励磁电流时产生热膨胀，造成径向和轴向位移．护环用来套在转子绕组瑞部外面，防止径向位移，而中心环则用来阻止轴向位移。•为了避免因护环偏心引起的振动以及不对称运行或异步运行时因转子表面感应电流引起配合面上的电灼伤，要求护环与转子本体、护环与中心环之间有较紧密的配合。护环和中心环3.其他部件•滑环与电刷：将直流电引入到转动的励磁绕组。•滑环或称集电环，一般用耐磨的锻钢制成，表面进行硬度处理，加工完的滑环表面要求光洁。•发电机一般采用石墨或电化石墨电刷。虽然每种电刷以石墨粉作为主要原料，但是含量和工艺的不同，在导电率、比重、硬度、强度、伏安特性等方面有不同的性能。为使两滑环磨损均匀，在运行中要定期改变滑环的极性。•电刷放在刷盒内，刷盒内有弹簧给电刷一个均匀的压力，以防止电刷正运行时发生振动，使其与滑环间保持有良好的滑动接触。•风扇：电机内部通风冷却．一般装在转子两瑞，当发电机运行时，风扇随转子而转动，使冷却气体流过线圈和铁心，带走热量。轴承约束轴线位移和防止轴摆动，承受径向力。SNnIf•同步发电机基本工作原理：导体切割磁力线感应电动势。•转子：转动的部分，转子上有磁极和励磁绕组，产生磁场。•定子（又叫电枢）：固定的部分，定子铁心上有齿和槽，槽内设置有绕组，有三相定子绕组，每相结构完全相同，它们在空间上互差120°电角度对称分布放置在定子铁心槽内。•气隙：定转子之间有气隙。三相同步发电机的基本工作原理•在转子励磁绕组中通以直流电流励磁，产生恒定的磁场，当原动机拖动转子旋转时，就建立起转子旋转磁场，旋转磁场的磁力线切割定子绕组中的三相绕组，从而在三相绕组中感应产生三相交变电动势。定子外接负载，形成回路，有三相电流。)120sin(tEemOBtEemOAsin）（240sintEemOC定子绕组三相感应电势交流电势频率f的确定min/60rnpnf转子转速，结论：同步发电机定子绕组感应电势的频率取决于它的极对数p和转子的转速n。同步发电机极对数一定时，转速与电枢电势的频率有严格对应关系。当电力系统频率f一定，发电机转速为恒定值，这是同步发电机的主要特点。pfn/60p—磁极对数；f—交流电频率；n—转速结论：我国标准工频为50Hz，所以同步发电机的极对数和转速成反比。np3000•工频电源f=50Hz，p=2，则n=1500rpm•发电机运行时，由于绕组中的电流和磁路中交变的磁场会产生热量使发电机发热，温度升高，随着发电机单机容量的增加，温升也越来越高。由于铁心冲片的绝缘和线圈绝缘允许温度的限制，因此发电机必须加以冷却。同步发电机的冷却常用的冷却介质有空气、氢气和水。冷却方式有：空气冷却；水-氢-氢，即定子绕组用水冷却，转子绕组采用氢内冷，定子铁心为氢冷；水-水-氢，即定子绕组和转子绕组用水冷却，定子铁心为氢冷。发电机的冷却方式•同步电动机系列有TD、TDL等，TD表示同步电动机，后面的字母指出其主要用途。如：TDG表示高速同步电动机；TDL表示立式同步电动机。同步补偿机为TT系列。1.型号同步发电机的型号与额定值2.额定值额定容量SN(VA、kVA、MVA等)或额定功率PN(W、kW、MW等)：指电机输出功率的保证值。发电机通过额定容量值可以确定电枢电流，通过额定功率可以确定配套原动机的容量。电动机的额定容量一般用kW数表示，补偿机则用kVAR表示。额定电压UN(V、kV等)：指额定运行时定子输出端的线电压。额定电流IN(A、kA)：指额定运行时定子的线电流。额定功率因数cosN：额定运行时电机的功率因数。额定频率fN：额定运行时电机电枢输出端电能的频率，我国标准工业频率规定为50Hz。额定转速nN：额定运行时电机的转速，即同步转速。除上述额定值外，名牌上还列出一些其它运行数据，如额定负载时的温升tN、励磁容量PfN和励磁电压UfN等。同步发电机的保护保护目的：发电机是重要设备，是船舶安全航行的保障。一般设有：外部短路保护、过载保护、欠压保护和逆功率保护。短路的原因：⑴.维护保养不周；⑵.绝缘老化；⑶.机械损伤；⑷.误操作等。保护原则：——有总体和具体之分。⑴.总体：“既要保护发电机，又要保证供电”；⑵.具体：“时间原则”和“电流原则”相结合。考虑:选择性（I1I2I3；t1t2t3）、快速性、可靠性措施：—由过流脱扣器或综合保护装置实现(图12-13)。①.小电流，延时；——远端短路保护，避免大面积停电。小电流是比近端短路小的短路电流，不是过载电流。为了区分过载还是远端短路，所以要延时。②.大电流，瞬时；——近端短路保护，发电机应立即跳闸（因为已经没有其它保护）。整定值：⑴.小电流：3～5倍的发电机额定电流，延时0.2～0.6s动作。⑵.大电流：5～10倍的额定电流，瞬时动作。外部短路?（不是发电机短路）外部短路保护选择性（I1I2I3；t1t2t3）定义：发电机输出功率或电流超过其额定值。保护原则：保护发电机不受损坏，尽量不中断供电，且应避开短暂过载(有时限)。措施：——由空气断路器的“过电流脱器”\“热脱扣器”或“自动分级卸载”等装置动作，实现保护。自动分级卸载装置：卸次要负载（空调、风机）、延时动作。船舶一般有一级卸载装置《钢质海船建造规范》规定：1.无自动分级卸载时：出现1.25～1.35倍额定电流后，延时15～20s自动开关跳闸；2.有自动分级卸载时：1)出现1.1∼1.2倍额定电流后，延时5～10s自动分级卸载装置动作；2)出现1.5倍额定电流后，延时10～20s自动开关跳闸。过载保护危害：——不能正常工作，电动机过电流。保护：——已经并网的发电机：脱开；未并网的发电机：不能并网。措施（保护元件）：空气断路器的失压脱扣器或综合保护装置中的晶体管低压继电器。《钢质海船建造规范》规定：1.带时限的发电机,电压低于额定值的70%～80%时：延时1.5～3s动作跳闸；2.不带时限发电机,电压低于额定值的40%～70%时：瞬时动作跳闸。欠压保护逆功率原因：并联运行的发电机，若一台发电机的原动机发生故障使转矩消失，则发电机进入电动机状态，拖动原动机转动从电网吸收功率即逆功率；另外并车操作未能满足并车条件也出现逆功率。保护要求：——整定值：逆功率大小为额定功率的8%～15%，延时1～10s动作跳闸。措施（保护元件）：——通常采用“逆功率继电器”作为保护元件(能反映有功功率的方向与大小)。与主开关的失压脱扣器配合用。逆功率继电器：——反映有功功率大小和方向。并联运行发电机从电网中吸收功率逆功率保护铝盘的旋转力矩M∝UCBICCOSφ感应式接线图动作值的调整是通过改变电流线圈的匝数来实现。延时的时限的调整通过调整挡块的位置来实现。•两台及以上同步发电机同时向同一电网负载供电，称为同步发电机组的并联运行。•把“投入并联”的过程称为―“并车”•并车结束后要及时转移负载（加大—减小发电机原动机的油门）•为什么发电机要采用并联运行？1．发电机容量合理利用：负载少开一台，负载多开两至三台。2．便于对发电机的维护管理：多台机可以轮流进行保养和维护。发电机的并联运行(a)实际接线示意图(b)单相等效电路图并联运行连接示意图图•发电机的并联运行条件•1、理想的并车条件：•①待并发电机的电压与电网电压的有效值相同；•②待并发电机的频率与电网的频率相同；•③待并发电机的相位与电网的相位一致;•④待并发电机的相序与电网的相序一致。gnUUgnffgn实际并车时，除相序外，其他条件不可能做到完全一致。并联条件不满足的分析电压不等：会引起无功环流，此环流可使电压相等（通过电枢反应）。频率不等：会引起有功环流，此环流可使频率相等。但可能引起过载或逆