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國家電網招聘考試高頻考點電機學:同步發電機原理簡述

 二維碼
發表時間:2023-03-26 19:25作者:思格教育


      1、結構模型


      ◆同步發電機和其它類型的旋轉電機一樣,由固定的定子和可旋轉的轉子兩大部分組成。一般分為轉場式同步電機和轉樞式同步電機。


      ◆下圖給出了最常用的轉場式同步發電機的結構模型,其定子鐵心的內圓均勻分布著定子槽,槽內嵌放著按一定規律排列的三相對稱交流繞組。這種同步電機的定子又稱為電樞,定子鐵心和繞組又稱為電樞鐵心和電樞繞組。


      ◆轉子鐵心上裝有制成一定形狀的成對磁極,磁極上繞有勵磁繞組,通以直流電流時,將會在電機的氣隙中形成極性相間的分布磁場,稱為勵磁磁場(也稱主磁場、轉子磁場)。


      ◆氣隙處于電樞內圓和轉子磁極之間,氣隙層的厚度和形狀對電機內部磁場的分布和同步電機的性能有重大影響。


      ◆ 除了轉場式同步電機外,還有轉樞式同步電機,其磁極安裝于定子上,而交流繞組分布于轉子表面的槽內,這種同步電機的轉子充當了電樞。圖中用AX、BY、CZ三個在空間錯開120電角度分布的線圈代表三相對稱交流繞組。


1.jpg


      2、工作原理


      ◆主磁場的建立:勵磁繞組通以直流勵磁電流,建立極性相間的勵磁磁場,即建立起主磁場。


      ◆ 載流導體:三相對稱的電樞繞組充當功率繞組,成為感應電勢或者感應電流的載體。


      ◆ 切割運動:原動機拖動轉子旋轉(給電機輸入機械能),極性相間的勵磁磁場隨軸一起旋轉并順次切割定子各相繞組(相當于繞組的導體反向切割勵磁磁場)。


      ◆ 交變電勢的產生:由于電樞繞組與主磁場之間的相對切割運動,電樞繞組中將會感應出大小和方向按周期性變化的三相對稱交變電勢。通過引出線,即可提供交流電源?!?    


      ◆ 感應電勢 頻率: 感應電勢的頻率決定于同步電機的轉速n 和極對數p ,   即:f=pn/60              


      ◆ 交變性與對稱性:由于旋轉磁場極性相間,使得感應電勢的極性交變;由于電樞繞組的對稱性,保證了感應電勢的三相對稱性。


      3、同步轉速

   

      ◆同步轉速 從供電品質考慮,由眾多同步發電機并聯構成的交流電網的頻率應該是一個不變的值,這就要求發電機的頻率應該和電網的頻率一致。我國電網的頻率為50Hz ,      故有:n=60f/p=3000/p            


      ◆要使得發電機供給電網50Hz的工頻電能,發電機的轉速必須為某些固定值,這些固定值稱為同步轉速。例如2極電機的同步轉速為3000r/min,4極電機的同步轉速為1500r/min,依次類推。只有運行于同步轉速,同步電機才能正常運行,這也是同步電機名稱的由來。


  同步電機的主要運行方式有三種,即作為發電機、電動機和補償機運行。 作為發電機運行是同步電機最主要的運行方式,作為電動機運行是同步電機的另一種重要的運行方式。同步電動機的功率因數可以調節,在不要求調速的場合,應用大型同步電動機可以提高運行效率。近年來,小型同步電動機在變頻調速系統中開始得到較多地應用。


  同步電機還可以接于電網作為同步補償機。這時電機不帶任何機械負載,靠調節轉子中的勵磁電流向電網發出所需的感性或者容性無功功率,以達到改善電網功率因數或者調節電網電壓的目的。


      4、隱極式轉子


  隱極式轉子上沒有凸出的磁極,如下圖所示。沿著轉子本體圓周表面上,開有許多槽,這些槽中嵌放著勵磁繞組。在轉子表面約1/3部分沒有開槽,構成所謂大齒,是磁極的中心區。勵磁繞組通入勵磁電流后,沿轉子圓周也會出現 N 極和 S 極。在大容量高轉速汽輪發電機中,轉子圓周線速度極高,最大可達170米/秒。為了減小轉子本體及轉子上的各部件所承受的巨大離心力,大型汽輪發電機都做成細長的隱極式圓柱體轉子??紤]到轉子冷卻和強度方面的要求,隱極式轉子的結構和加工工藝較為復雜。


2.gif


      6、汽輪發電機

   

  定子大體上與異步電機相同,定子鐵心由0.35mm,0.5mm或其它厚度的電工鋼片疊成。定子外徑較小時,采用圓形沖片,當定子外徑大于1m 時,采用扇形沖片。定子鐵心固定在機座上,機座常由鋼板焊接而成,它必須有足夠的強度和剛度,同時還必須滿足通風和散熱的需要。汽輪發電機的電壓較高,要求定子繞組有足夠的絕緣強度,一般采用 B 級或 F 級絕緣。 為了減少高速旋轉引起的離心力,一般采用隱極式轉子,其外形常做成一個細長的圓柱體。轉子鐵心表面圓周上銑有許多槽,勵磁繞組嵌放在這些槽內。勵磁繞組為同心式繞組,以銅線繞制,并用不導磁的槽楔將繞組緊固在槽內。


      7、水輪發電機

     

  水輪發電機的特點是:極數多,直徑大,軸向長度短,整個轉子在外形上與汽輪發電機大不相同。大多數水輪發電機為立式。水輪發電機的直徑很大,定子鐵心由扇形電工鋼片拼裝疊成。為了散熱的需要,定子鐵心中留有徑向通風溝。轉子磁極由厚度為1~2mm的鋼片疊成;磁極兩端有磁極壓板,用來壓緊磁極沖片和固定磁極繞組。有些發電機磁極的極靴上開有一些槽,槽內放上銅條,并用端環將所有銅條連在一起構成阻尼繞組,其作用是用來擬制短路電流和減弱電機振蕩,在電動機中作為起動繞組用。磁極與磁極軛部采用 T 形或鴿尾形連接。


      8、勵磁方式介紹

     

  獲得勵磁電流的方法稱為勵磁方式。目前采用的勵磁方式分為兩大類:一類是用直流發電機作為勵磁電源的直流勵磁機勵磁系統;另一類是用硅整流裝置將交流轉化成直流后供給勵磁的整流器勵磁系統?,F說明如下:


  直流勵磁機勵磁


  直流勵磁機通常與同步發電機同軸,采用并勵或者他勵接法。采用他勵接法時,勵磁機的勵磁電流由另一臺被稱為副勵磁機的同軸的直流發電機供給。如下圖1所示。


3.jpg


  靜止整流器勵磁


  同一軸上有三臺交流發電機,即主發電機、交流主勵磁機和交流副勵磁機。副勵磁機的勵磁電流開始時由外部直流電源提供,待電壓建立起來后再轉為自勵(有時采用永磁發電機)。副勵磁機的輸出電流經過靜止晶閘管整流器整流后供給主勵磁機,而主勵磁機的交流輸出電流經過靜止的三相橋式硅整流器整流后供給主發電機的勵磁繞組。(見圖2)


4.jpg


  旋轉整流器勵磁


  靜止整流器的直流輸出必須經過電刷和集電環才能輸送到旋轉的勵磁繞組,對于大容量的同步發電機,其勵磁電流達到數千安培,使得集電環嚴重過熱。因此,在大容量的同步發電機中,常采用不需要電刷和集電環的旋轉整流器勵磁系統,如圖3所示。主勵磁機是旋轉電樞式三相同步發電機,旋轉電樞的交流電流經與主軸一起旋轉的硅整流器整流后,直接送到主發電機的轉子勵磁繞組。交流主勵磁機的勵磁電流由同軸的交流副勵磁機經靜止的晶閘管整流器整流后供給。由于這種勵磁系統取消了集電環和電刷裝置,故又稱為無刷勵磁系統。


5.jpg

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