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1、【精品】同步发电机结构及工作原理讲义 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望同步发电机的基本电磁关系同步发电机的基本电磁关系同步发电机对称运行时的特性同步发电机对称运行时的特性同步发电机并网运行同步发电机并网运行本篇主要内容本篇主要内容11/2/20222概概 述述u同步电机：同步电机：交流旋转电机。交流旋转电机。u用途：用途：主要作发电机用，也可作电动机带主要作发电机用，也可作电动机带动具有恒速要求的机械，还可作调相机，向动具有恒速要求的机械，还可作调相
2、机，向电力系统发出无功功率，用于改善电力系统电力系统发出无功功率，用于改善电力系统的功率因数及调整电网电压。的功率因数及调整电网电压。现代发电厂中所发出的交流电能几乎全现代发电厂中所发出的交流电能几乎全部是同步发电机发出，尽管目前有其他发电部是同步发电机发出，尽管目前有其他发电型式，如磁流体发电，太阳能发电等，但电型式，如磁流体发电，太阳能发电等，但电力系统中仍是同步发电机占绝对优势。力系统中仍是同步发电机占绝对优势。11/2/20223u 同步电机指电机同步电机指电机转子的转速转子的转速n与与旋转磁场旋转磁场转速转速n1相同的交流电机。相同的交流电机。u同步电机的转速：同步电机的转速：n=6
3、0f1/p f1-电网频电网频率。率。概概 述述11/2/20224第十四章第十四章三相同步发电机的基本三相同步发电机的基本工作原理与结构工作原理与结构11/2/20225本章主要内容本章主要内容第一节第一节 三相同步发电机的基本工作原理及分类三相同步发电机的基本工作原理及分类第二节第二节 同步发电机的基本结构同步发电机的基本结构第三节第三节 大型同步发电机的基本系统大型同步发电机的基本系统第四节第四节 同步发电机的型号与额定值同步发电机的型号与额定值 11/2/20226三相同步发电机的基本工作原理三相同步发电机的基本工作原理 同步发电机同步发电机(synchronous generator
4、)是将机械能是将机械能转变为转变为交流电能交流电能的设备。的设备。在火电厂，发电机用汽轮机作原动机，称为在火电厂，发电机用汽轮机作原动机，称为汽汽轮发电机轮发电机；在核电站是以核反应堆来代替火电站的；在核电站是以核反应堆来代替火电站的锅炉，原动机仍然是汽轮机；锅炉，原动机仍然是汽轮机；在水电厂，发电机用水轮机作原动机，称为在水电厂，发电机用水轮机作原动机，称为水水轮发电机轮发电机；有的地方用柴油机用作原动机，称为有的地方用柴油机用作原动机，称为柴油发电柴油发电机机。11/2/20227SNnIf三相同步发电机的基本工作原理三相同步发电机的基本工作原理 同步发电机基本工作原理：同步发电机基本工作
5、原理：导导体切割磁力线感应电动势。体切割磁力线感应电动势。转子：转子：转动的部分，转子上有转动的部分，转子上有磁极和励磁绕组，产生磁场。磁极和励磁绕组，产生磁场。定子（又叫电枢）：定子（又叫电枢）：固定的部固定的部分，定子铁心上有齿和槽，槽分，定子铁心上有齿和槽，槽内设置有绕组，是切割磁场的内设置有绕组，是切割磁场的导体。导体。气隙：气隙：定转子之间有气隙。定转子之间有气隙。动画动画11/2/20228三相同步发电机的基本工作原理三相同步发电机的基本工作原理 定子：定子：有三相定子绕组，每相有三相定子绕组，每相结构完全相同，它们在空间上结构完全相同，它们在空间上互差互差120电角度对称分布放置
6、在电角度对称分布放置在定子铁心槽内。定子铁心槽内。转子：转子：有有p对磁极，磁极上有直对磁极，磁极上有直流励磁绕组，当直流电流通过流励磁绕组，当直流电流通过电刷和滑环流入转子绕组后，电刷和滑环流入转子绕组后，产生主磁通，主磁通由产生主磁通，主磁通由N极经气极经气隙，定子铁心，再经气隙进入隙，定子铁心，再经气隙进入S极，构成主磁路。极，构成主磁路。11/2/20229同步电机与异步电机的根本区别是旋转的转子通入直流电流励磁同步电机与异步电机的根本区别是旋转的转子通入直流电流励磁转子通直流电流转子通直流电流 If励磁磁场励磁磁场Bf电枢感应电枢感应电势电势随转子旋转随转子旋转 角速度角速度SNne
7、a三相对称负三相对称负 载运行时载运行时旋转基波旋转基波 磁势磁势Fa三相对称电三相对称电 枢电流枢电流 iabc(同步电机同步电机)ebecIf三相同步发电机的基本工作原理三相同步发电机的基本工作原理 11/2/202210 定子外接负载，形成回路，有三相电流。定子外接负载，形成回路，有三相电流。u 机械能转化为电能机械能转化为电能u 定子绕组三相感应电势定子绕组三相感应电势三相同步发电机的基本工作原理三相同步发电机的基本工作原理 11/2/202211u交流电势频率交流电势频率f的确定的确定 当转子为当转子为1对磁极时，转子旋转一周，定子绕组对磁极时，转子旋转一周，定子绕组中感应电势变化一
8、个周期；当同步发电机有中感应电势变化一个周期；当同步发电机有p对极对极时，转子旋转一周，感应电势交变时，转子旋转一周，感应电势交变p个周期。个周期。当转子转速为每分当转子转速为每分n转时，交变电势频率为：转时，交变电势频率为：三相同步发电机的基本工作原理三相同步发电机的基本工作原理 11/2/202212u交流电势频率交流电势频率f的确定的确定结论：结论：同步发电机定子绕组感应电势的频率取决于它同步发电机定子绕组感应电势的频率取决于它的极对数的极对数p和转子的转速和转子的转速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。有严格对应关
9、系。当电力系统频率当电力系统频率f一定，发电机转速一定，发电机转速 为恒为恒定值，这是同步发电机的主要特点。定值，这是同步发电机的主要特点。三相同步发电机的基本工作原理三相同步发电机的基本工作原理 11/2/202213结论：结论：我国标准工频为我国标准工频为50Hz，所以同步发电机的极，所以同步发电机的极对数和转速成反比。对数和转速成反比。l 汽轮发电机转速较高，极对数较少，如转速汽轮发电机转速较高，极对数较少，如转速n=3000r/min，则极对数，则极对数p=1。l 水轮发电机转速较低，极对数较多，如转速水轮发电机转速较低，极对数较多，如转速n=125r/min，则极对数，则极对数p=2
10、4。三相同步发电机的基本工作原理三相同步发电机的基本工作原理 11/2/202214按按运行方式不同运行方式不同分为：发电机、电动机和调相机。分为：发电机、电动机和调相机。按按结构形式不同结构形式不同分为：电枢旋转式（简称转枢式）分为：电枢旋转式（简称转枢式）和磁极旋转式（简称转场式）。磁极旋转式按和磁极旋转式（简称转场式）。磁极旋转式按转转子结构不同子结构不同又分为凸极式和隐极式。又分为凸极式和隐极式。按按安装方式安装方式不同分为：卧式和立式。不同分为：卧式和立式。同步电机的类型同步电机的类型按按原动机类型不同原动机类型不同分为：汽轮发电机、水轮发电机、分为：汽轮发电机、水轮发电机、燃气轮发
11、电机、柴油发电机、风力发电机、太阳能燃气轮发电机、柴油发电机、风力发电机、太阳能发电机等等。发电机等等。按按冷却介质不同冷却介质不同分为：空气冷却、氢气冷却、水冷分为：空气冷却、氢气冷却、水冷却等。却等。11/2/202215第二节第二节 同步发电机的基本构造同步发电机的基本构造 同步电机一般采用同步电机一般采用同步电机一般采用同步电机一般采用旋转磁极式结构旋转磁极式结构旋转磁极式结构旋转磁极式结构，根据磁极形状，根据磁极形状，根据磁极形状，根据磁极形状可分为隐极和凸极两种型式。可分为隐极和凸极两种型式。可分为隐极和凸极两种型式。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
12、速旋转场合。凸极同步电机气隙不均匀，适合于中速或低速旋转场合。凸极同步电机气隙不均匀，适合于中速或低速旋转场合。凸极同步电机气隙不均匀，适合于中速或低速旋转场合。隐极同步电机在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，适合于高速隐极同步电机在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，适合于高速隐极同步电机在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，适合于高速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。旋转。旋转。旋转。11/2/2022161定子定子 2凸极式转子凸极式转子 气隙不均匀，极弧气隙不均匀，极弧底下气隙较小，极间部底下气隙较小，极间部分较大。分较大。凸极式电机结构特点凸极式电机结构特点11/2/202217
13、转子上没有凸出转子上没有凸出的磁极，气隙均匀，的磁极，气隙均匀，转子呈圆柱形。转子呈圆柱形。1定子定子 3隐极式转子隐极式转子隐极式电机结构特点隐极式电机结构特点11/2/202218l电源频率固定，采用转子结构与转速有关。电源频率固定，采用转子结构与转速有关。火电厂和核电站的汽轮机火电厂和核电站的汽轮机拖动的发电机，转拖动的发电机，转速高，速高，转子宜作成细而长的隐极式转子宜作成细而长的隐极式，这种发电机通，这种发电机通常称为汽轮发电机。常称为汽轮发电机。核电站用的汽轮发电机在构造上与常规火电站核电站用的汽轮发电机在构造上与常规火电站用的大同小异，所不同的是由于蒸汽压力和温度都用的大同小异，
14、所不同的是由于蒸汽压力和温度都较低，所以同等功率机组的汽轮机体积比常规火电较低，所以同等功率机组的汽轮机体积比常规火电站的大。站的大。水轮机拖动的发电机水轮机拖动的发电机，转速低，因而要求有较，转速低，因而要求有较多的磁极，多的磁极，转子宜作成短而胖的凸极式转子宜作成短而胖的凸极式。凸极式和隐极式电机应用场合凸极式和隐极式电机应用场合11/2/202219l同步电机的气隙较同容量的异步电机大。同步电机的气隙较同容量的异步电机大。异步电机异步电机励磁电流由电网供给，需从电网吸取励磁电流由电网供给，需从电网吸取感性无功功率，若气隙大，则励磁电流大，电机的感性无功功率，若气隙大，则励磁电流大，电机的
15、功率因数低，因此在机械允许的条件下，功率因数低，因此在机械允许的条件下，气隙要尽气隙要尽量小一些量小一些。同步电机同步电机气隙磁场由转子电流和定子电流共同气隙磁场由转子电流和定子电流共同激励，从运行稳定性考虑，气隙大，同步电抗小，激励，从运行稳定性考虑，气隙大，同步电抗小，短路比大，运行稳定性高。但气隙大，转子用铜量短路比大，运行稳定性高。但气隙大，转子用铜量增大，制造成本增加。所以增大，制造成本增加。所以气隙大小的选择要综合气隙大小的选择要综合考虑运行性能和制造成本这两方面的要求考虑运行性能和制造成本这两方面的要求。同步电机与异步电机同步电机与异步电机11/2/202220汽轮机汽轮机汽轮机
16、汽轮机同步发电机同步发电机同步发电机同步发电机励磁机励磁机励磁机励磁机火电厂火电厂(heat-engine plant)的生产现场的生产现场汽轮发电机结构汽轮发电机结构11/2/202221大亚湾核电站发电机组大亚湾核电站发电机组11/2/202222岭澳一期核电站发电机组岭澳一期核电站发电机组11/2/202223国产国产300MW汽轮发电机外汽轮发电机外(turbonator)形结构图形结构图11/2/20222411/2/202225l 用途：多用于汽轮发电机，一般为两极，转速为用途：多用于汽轮发电机，一般为两极，转速为3000r/min。一般汽轮发电机转子长一般汽轮发电机转子长度度L和
17、定子内径和定子内径D之比为之比为2-6.5。隐极式同步发电机隐极式同步发电机11/2/2022261.定子定子(stator)机座机座(baseframe)、端盖、端盖(end closure)、定子铁心、定子铁心(stator core)和定子绕组和定子绕组(stator windings)等。等。大型汽轮发电机定子铁心槽大型汽轮发电机定子铁心槽大型汽轮发电机定子铁心槽大型汽轮发电机定子铁心槽汽轮发电机完工后的定子汽轮发电机完工后的定子汽轮发电机完工后的定子汽轮发电机完工后的定子汽轮发电机结构汽轮发电机结构11/2/202227发电机定子发电机定子发电机定子发电机定子11/2/202228（
18、1）机座和端盖）机座和端盖机座的作用机座的作用：固定和支撑定子铁心及定子绕组等部：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。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。汽轮发电机机座一般采用钢机座内部有冷却风道。汽轮发电机机座一般采用钢板焊接而成。对机座的要求，除了使安装、运输方板焊接而成。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。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。产生不允许的变形。汽轮发电机结构汽轮发电机结构11/2/
19、202229端盖的作用端盖的作用:保护定子和转子的端部，使电机内形成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。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。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。过螺栓而使其发热。（1）机座和端盖）机座和端
20、盖汽轮发电机结构汽轮发电机结构11/2/202230汽轮发电机结构汽轮发电机结构 定子铁心由定子铁心由0.35mm、0.5mm或其它厚度的电工钢或其它厚度的电工钢片叠成。各段叠片间有宽约片叠成。各段叠片间有宽约10mm的通风槽，以改善的通风槽，以改善定子铁心散热。定子铁心散热。定子外径较小时，采用圆形冲片，外径大于定子外径较小时，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，防止涡流引时，采用扇形冲片，目的是减少漏磁，防止涡流引起过热。起过热。定子铁心两端用非磁性材料定子铁心两端用非磁性材料压板将其压紧，将整个铁心固定压板将其压紧，将整个铁心固定在定子机座上。在定子机座上。沿定
21、子铁心内圆表面的槽内沿定子铁心内圆表面的槽内放置三相定子绕组。放置三相定子绕组。（2）定子铁心）定子铁心11/2/202231思考：思考：思考：思考：定子铁心为什么要用定子铁心为什么要用定子铁心为什么要用定子铁心为什么要用0.5mm0.5mm的硅钢片叠装？的硅钢片叠装？的硅钢片叠装？的硅钢片叠装？（2）定子铁心）定子铁心11/2/202232（3）定子绕组）定子绕组也称也称电枢绕组电枢绕组，一般采用双层三相对称绕组。，一般采用双层三相对称绕组。为便于绕组下线，定子槽采用矩形开口槽，定子绕组为便于绕组下线，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，槽楔常用绝缘材料放入槽中后，槽口
22、用槽楔封住，槽楔常用绝缘材料(如如玻璃布板玻璃布板)做成。做成。汽轮发电机结构汽轮发电机结构11/2/202233汽轮发电机的电压较高，要求定子绕组有足够的绝缘汽轮发电机的电压较高，要求定子绕组有足够的绝缘强度，一般采用强度，一般采用 B 级或级或 F 级绝缘。级绝缘。（3）定子绕组）定子绕组大型电机定子电流极大，绕组导线截面大。为减小导大型电机定子电流极大，绕组导线截面大。为减小导体集肤效应带来的附加损耗，定子绕组常由多股截面体集肤效应带来的附加损耗，定子绕组常由多股截面15平方毫米以下的扁铜线并绕而成，且沿槽长进行适平方毫米以下的扁铜线并绕而成，且沿槽长进行适当的换位，使绕组的有效部分，有
23、时甚至连同绕组的当的换位，使绕组的有效部分，有时甚至连同绕组的端接部分，成为编织形。端接部分，成为编织形。汽轮发电机结构汽轮发电机结构11/2/202234定子绕组下线定子绕组端部定子绕组下线定子绕组端部 11/2/202235定子绕组端部接头定子绕组端部接头定子绕组端部接头定子绕组端部接头11/2/202236定子端部定子端部 11/2/2022372转子转子汽轮发电机结构汽轮发电机结构l转子组成转子组成 转子铁芯转子铁芯 励磁绕组励磁绕组 阻尼绕组阻尼绕组 紧固件紧固件 风扇风扇l功能：传递原动机供给的机械能、支撑旋转的励磁功能：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
24、径和转子散热通道，因此线圈、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。对转子结构、材料和加工工艺要求较高。11/2/202238转子绕组的通风口转子绕组的通风口 护环护环 中心环中心环 风扇风扇 汽轮发电机转子外形汽轮发电机转子外形 11/2/202239发发发发电电电电机机机机转转转转子子子子11/2/202240（1）转子铁心）转子铁心既有良好导磁性能，又有足够机械强度和刚度，最既有良好导磁性能，又有足够机械强度和刚度，最关键部件之一。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
25、为槽，槽与槽之间的部分称为齿齿，有两个齿特别宽称，有两个齿特别宽称为为大齿大齿，其余的叫，其余的叫小齿小齿。小齿嵌放励磁线圈，大齿。小齿嵌放励磁线圈，大齿形成磁极。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，这种槽称些较小的槽并不安放线圈，只作通风用，这种槽称为通风槽。为通风槽。汽轮发电机结构汽轮发电机结构11/2/202241转子铁心转子铁心 11/2/202242大型两极汽轮发电机转子，当长度与直径的比值较大型两极汽轮发电机转子，当长度与直径的比值较大时，为了减小倍频振动的影响，常在大齿部分沿大时，为
26、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。小齿方向的刚度尽可能接近。有的电机在大齿开有槽，内装阻尼绕组有的电机在大齿开有槽，内装阻尼绕组(damping windings)，阻尼绕组构成自行短接的半鼠笼结构，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。用来改善发电机的稳定运行。（1）转子铁心）转子铁心汽轮发电机结构汽轮发电机结构11/2/202243转子铁心结构转子铁心结构 11/2/202244（2）励磁绕组）励磁绕组汽轮发电机结构汽轮发电机结构由矩形绝缘扁铜线绕成同心
27、式线圈，两线圈边分别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。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励磁绕组构成电机直流回路，通过电刷与外电路连 接。接。各线圈匝间有绝缘，对地也有各线圈匝间有绝缘，对地也有 绝缘。绝缘。11/2/20224511/2/202246（3）护环和中心环）护环和中心环汽轮发电机转子绕组的端部在高速旋转中将承受巨汽轮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成径向和轴向位移护环用来套在
28、转子绕组瑞部外护环用来套在转子绕组瑞部外面，防止径向位移面，防止径向位移，而，而中心环则用来阻止轴向位移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，要求灼伤，要求护环与转子本体、护环与中心环之间有护环与转子本体、护环与中心环之间有较紧密的配合较紧密的配合。汽轮发电机结构汽轮发电机结构11/2/202247转子绕组的通风口转子绕组的通风口 护环护环 中心环中心环 风扇风扇 汽轮发电机转子外形汽轮发电机转子外形 11/2/202248转
29、子线圈装配转子线圈装配转子线圈装配转子线圈装配11/2/202249发电机转子装配发电机转子装配发电机转子装配发电机转子装配11/2/202250汽轮发电机结构汽轮发电机结构一种短路绕组，大型电机有。一种短路绕组，大型电机有。由放在槽楔下的铜条和转子两端铜环焊接成闭合由放在槽楔下的铜条和转子两端铜环焊接成闭合回路。回路。作用：在同步发电机短路或不对称运行时，利用作用：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；发电机振其感应电流来削弱负序旋转磁场作用；发电机振荡时起阻尼作用，使振荡衰减。荡时起阻尼作用，使振荡衰减。u阻尼绕组阻尼绕组11/2/202251l冷却系统封闭
30、，冷却介质循环使用。冷却系统封闭，冷却介质循环使用。l常用的冷却介质有常用的冷却介质有空气、氢气和水空气、氢气和水。l冷却方式冷却方式有：有：空气冷却；空气冷却；水水-氢氢-氢氢，即定子绕组用水冷却，转子绕组采用氢，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；内冷，定子铁心为氢冷；水水-水水-氢氢，即定子绕组和转子绕组用水冷却，定子，即定子绕组和转子绕组用水冷却，定子铁心为氢冷。铁心为氢冷。氢气密度仅为空气的氢气密度仅为空气的1/4，导热性比空气好，导热性比空气好6倍，倍，冷却效果比空气好。冷却效果比空气好。汽轮发电机的冷却方式汽轮发电机的冷却方式11/2/2022525.其他部件
31、其他部件滑环与电刷：将直流电引入到转动的励磁绕组。滑环与电刷：将直流电引入到转动的励磁绕组。滑环或称滑环或称集电环集电环，一般用耐磨的锻钢制成，表面进行，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。硬度处理，加工完的滑环表面要求光洁。汽轮发电机一般采用汽轮发电机一般采用石墨或电化石墨电刷石墨或电化石墨电刷。虽然每种。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，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，在运行中要定期改同的性能。为使两滑
32、环磨损均匀，在运行中要定期改变滑环的极性。变滑环的极性。汽轮发电机结构汽轮发电机结构11/2/2022535.其他部件其他部件电刷放在刷盒内，刷盒内有弹簧给电刷一个均电刷放在刷盒内，刷盒内有弹簧给电刷一个均匀的压力，匀的压力，以防止电刷正运行时发生振动，使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。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，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。气体流过线圈和铁心，带走热量。汽轮发电机结构汽轮发电机结构1
33、1/2/202254发电机总装发电机总装发电机总装发电机总装11/2/202255凸极式同步发电机凸极式同步发电机l 用途：多用于水轮发电机。用途：多用于水轮发电机。一般水轮发电机转子长度一般水轮发电机转子长度L和定子内径和定子内径D之比为之比为0.125-0.07。11/2/202256水轮发电机水轮发电机(hydro-generator)的主要结构型的主要结构型式有式有卧式、立式和灯泡贯流式卧式、立式和灯泡贯流式。通常小容量水轮发电机多采用卧式结构，通常小容量水轮发电机多采用卧式结构，中等容量水轮发电机采用立式或卧式结构，中等容量水轮发电机采用立式或卧式结构，而大容量水轮发电机则广泛采用立
34、式结构。而大容量水轮发电机则广泛采用立式结构。水轮发电机结构水轮发电机结构11/2/202257 （a）立式水轮发电机）立式水轮发电机 (b)卧式水轮发电机卧式水轮发电机 (c)灯泡贯流式水轮发电机灯泡贯流式水轮发电机 水轮发电机的三种结构形式水轮发电机的三种结构形式 11/2/202258立式水轮发电机分为：悬吊式和伞式。发电机推力立式水轮发电机分为：悬吊式和伞式。发电机推力轴承位于转子上部的统称为轴承位于转子上部的统称为悬吊式悬吊式，位于转子下部，位于转子下部的统称为的统称为伞式伞式。水轮发电机的结构型式对电站主厂房高度、起重机水轮发电机的结构型式对电站主厂房高度、起重机容量、机组本身技术
35、经济指标、运行稳定性以及检容量、机组本身技术经济指标、运行稳定性以及检修等方面都有直接影响，必须立足全局，对各种因修等方面都有直接影响，必须立足全局，对各种因素加以综合考虑后作出判断。素加以综合考虑后作出判断。一般低速大容量水轮发电机采用伞式，因为伞式机一般低速大容量水轮发电机采用伞式，因为伞式机组总高度比悬吊式低，可降低电站主厂房高度和减组总高度比悬吊式低，可降低电站主厂房高度和减轻机组重量。轻机组重量。水轮发电机结构水轮发电机结构11/2/202259伞式机组推力轴承直径较大，轴承损耗比悬吊式大。伞式机组推力轴承直径较大，轴承损耗比悬吊式大。悬吊式机组适用于中、高速机组，优点是：机组径悬吊
36、式机组适用于中、高速机组，优点是：机组径向机械稳定性较好、轴承损耗较小和维护检修方便。向机械稳定性较好、轴承损耗较小和维护检修方便。水轮发电机起动和投入并联所需时间较短，运行调水轮发电机起动和投入并联所需时间较短，运行调度较灵活，电力系统中，除可用来担负基本负载外，度较灵活，电力系统中，除可用来担负基本负载外，还常用作调峰或作调相运行。还常用作调峰或作调相运行。一般采用空气冷却，容量相当大的发电机才考虑采一般采用空气冷却，容量相当大的发电机才考虑采用水内冷却方式。用水内冷却方式。水轮发电机结构水轮发电机结构11/2/202260水轮发电机结构水轮发电机结构 转子转子 定子定子 机架机架 推力轴
37、承推力轴承11/2/202261 1.定子定子水轮发电机结构水轮发电机结构 机座机座 定子铁心定子铁心 定子绕组定子绕组11/2/202262定子铁心：定子铁心：扇形硅钢片叠成。铁心在叠装过程中将扇形硅钢片叠成。铁心在叠装过程中将每层扇形片间接缝错开。厚度每层扇形片间接缝错开。厚度3060mm留出一冷却留出一冷却风道。铁心固定在机座内圆支持筋上，机座外壳与风道。铁心固定在机座内圆支持筋上，机座外壳与铁心外圆之间留有通风道。铁心内圆均匀分布有槽，铁心外圆之间留有通风道。铁心内圆均匀分布有槽，槽内放置定子绕组。槽内放置定子绕组。定子绕组：定子绕组：水轮发电机极数较多，每极每相槽数较水轮发电机极数较
38、多，每极每相槽数较小，为了改替电动势波形，广泛采用小，为了改替电动势波形，广泛采用分数槽绕组分数槽绕组。对于大容量的水轮发电机，为节省极间连接线一对于大容量的水轮发电机，为节省极间连接线一般采用单匝波绕组，因此上、下层导线可用两根线般采用单匝波绕组，因此上、下层导线可用两根线棒分别制造，嵌线后再连接起来。棒分别制造，嵌线后再连接起来。1.定子定子水轮发电机结构水轮发电机结构11/2/202263水轮发电机定子分段铁心水轮发电机定子分段铁心 11/2/202264三峡电站发电机定子三峡电站发电机定子11/2/2022652.转子转子凸极式，直径大，轴向长度相对较短，整个转子呈凸极式，直径大，轴向
39、长度相对较短，整个转子呈扁盘形。扁盘形。带阻尼绕组的凸带阻尼绕组的凸极同步机转子极同步机转子 水轮发电机结构水轮发电机结构11/2/20226611/2/202267三峡电站发电机转子三峡电站发电机转子(1100t)11/2/202268 重重792t、直径为、直径为16.9m的的1、2发电机转子发电机转子葛洲坝大江电厂主发电机葛洲坝大江电厂主发电机11/2/2022692.转子转子水轮发电机结构水轮发电机结构 转轴转轴 励磁线圈励磁线圈 转子支架转子支架 磁轭磁轭 磁极磁极11/2/2022702.转子转子水轮发电机结构水轮发电机结构大中型采用空心，高强度钢锻造而成。大中型采用空心，高强度钢
40、锻造而成。u转轴转轴1-1.5mm1-1.5mm钢板冲片叠成。钢板冲片叠成。u磁极磁极采用绝缘扁铜线绕制，套装在极上。采用绝缘扁铜线绕制，套装在极上。u励磁绕组励磁绕组11/2/2022712.转子转子水轮发电机结构水轮发电机结构 装在极靴部位，减少并联运行时转子振荡的振幅，装在极靴部位，减少并联运行时转子振荡的振幅，中小容量电机磁极铁心是整体的，一般无阻尼绕组。中小容量电机磁极铁心是整体的，一般无阻尼绕组。u阻尼绕组阻尼绕组 磁轭是磁路的一部分，磁极固定在其圆柱表面，磁磁轭是磁路的一部分，磁极固定在其圆柱表面，磁轭和转子间用支架支撑。轭和转子间用支架支撑。u磁轭与支架磁轭与支架11/2/20
41、22722.转子转子水轮发电机结构水轮发电机结构l导轴承：约束轴线位移和防止轴摆动，承受径向导轴承：约束轴线位移和防止轴摆动，承受径向力。力。l推力轴承：承受转动部分全部重量及轴向水推力，推力轴承：承受转动部分全部重量及轴向水推力，水轮机关键部件。水轮机关键部件。u 轴承轴承11/2/202273磁极与磁轭的连接磁极与磁轭的连接 凸极同步电机的转子磁极与转子绕组凸极同步电机的转子磁极与转子绕组 水轮发电机也有滑环、电刷、风扇以及相应的冷水轮发电机也有滑环、电刷、风扇以及相应的冷却装置。却装置。11/2/202274第三节第三节 大型同步发电机的基本系统大型同步发电机的基本系统 一一.同步发电机
42、的绝缘与冷却同步发电机的绝缘与冷却发电机运行时，由于绕组中的电流和磁路中交变的发电机运行时，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。机必须加以冷却。11/2/202275u定子绕组和转子绕组绝缘定子绕组和转子绕组绝缘（1）定子绕组绝缘）定子绕组绝缘 匝间、层间、对地匝间、层间、对地(槽绝缘槽绝缘)及连接线和引出线的绝及连接线和引
43、出线的绝缘。缘。l匝间绝缘：根据不同电压等级，采用聚酯漆包双玻匝间绝缘：根据不同电压等级，采用聚酯漆包双玻璃丝包线或聚酰亚胺薄膜包双玻璃丝包线。璃丝包线或聚酰亚胺薄膜包双玻璃丝包线。l层间绝缘：用玻璃布板做成的层间垫条来实现。层间绝缘：用玻璃布板做成的层间垫条来实现。l对地绝缘和连接线及引出线绝缘：采用环氧玻璃粉对地绝缘和连接线及引出线绝缘：采用环氧玻璃粉云母多胶带。云母多胶带。1同步发电机的绝缘系统同步发电机的绝缘系统11/2/202276（2）转子绕组绝缘）转子绕组绝缘 主要有匝间绝缘、对地绝缘和引出线绝缘。主要有匝间绝缘、对地绝缘和引出线绝缘。l匝间绝缘：导线本身的双玻璃丝包线或环氧玻璃
44、坯匝间绝缘：导线本身的双玻璃丝包线或环氧玻璃坯布。布。l对地绝缘：用环氧玻璃坯布和醇酸云母板构成。对地绝缘：用环氧玻璃坯布和醇酸云母板构成。l引出线绝缘：常用黄玻璃漆布管。引出线绝缘：常用黄玻璃漆布管。u定子绕组和转子绕组绝缘定子绕组和转子绕组绝缘1同步发电机的绝缘系统同步发电机的绝缘系统11/2/202277以以B级绝缘为例：级绝缘为例：l定子绕组温升限度为定子绕组温升限度为80C，电阻法测量。，电阻法测量。l励磁绕组温升限度为励磁绕组温升限度为80C，电阻法测量。，电阻法测量。l铁心温度限度为铁心温度限度为80C，温度计法测量。，温度计法测量。l集电环温升限度为集电环温升限度为80C，温度
45、计法测量。，温度计法测量。2同步发电机的温升要求同步发电机的温升要求11/2/202278u300MW水氢氢机组水氢氢机组水系统水系统l定子绕组导线：空心和定子绕组导线：空心和实心导线的组合形式。实心导线的组合形式。l冷却水进入发电机励端冷却水进入发电机励端的的汇水总管汇水总管，经定子绕组，经定子绕组空心导线，冷却定子绕组，空心导线，冷却定子绕组，然后，从汽端汇水总管流然后，从汽端汇水总管流出，经水箱、水泵、水冷出，经水箱、水泵、水冷器、过滤器重新回到发电器、过滤器重新回到发电机励端的汇水总管。机励端的汇水总管。3.同步发电机的冷却系统同步发电机的冷却系统11/2/202279冷却水系统功能：
46、冷却水系统功能：保证向定子绕组不间断供保证向定子绕组不间断供水，监视水压、流量和电导率等参数。系统水，监视水压、流量和电导率等参数。系统还设有自动水温调节器，以调节定子冷却水还设有自动水温调节器，以调节定子冷却水温度，使之保持基本稳定；设置了离子交换温度，使之保持基本稳定；设置了离子交换器，用以提高定子冷却水的水质。器，用以提高定子冷却水的水质。3.同步发电机的冷却系统同步发电机的冷却系统11/2/202280u300MW水氢氢机组氢系统水氢氢机组氢系统发电机定子机座、端盖、氢气冷却器、密封瓦及氢发电机定子机座、端盖、氢气冷却器、密封瓦及氢气管路构成全封闭气密结构。气管路构成全封闭气密结构。热
47、氢通过发电机氢气热氢通过发电机氢气冷却器由循环水冷却。冷却器由循环水冷却。满足发电机充氢、自动满足发电机充氢、自动补氢、排氢以及中间气体补氢、排氢以及中间气体介质置换工作的要求，应介质置换工作的要求，应能自动监测和保持氢气的能自动监测和保持氢气的压力、规定纯度、冷氢温压力、规定纯度、冷氢温度、干燥度等。度、干燥度等。3.同步发电机的冷却系统同步发电机的冷却系统11/2/202281u300MW水氢氢机组密封油系统水氢氢机组密封油系统氢气是一种良好的冷却介质，但易燃易爆，所以必须氢气是一种良好的冷却介质，但易燃易爆，所以必须很好的密封，因此很好的密封，因此采用氢气冷却的发采用氢气冷却的发电机必须
48、相应设置电机必须相应设置密封装置，用于阻密封装置，用于阻止氢气外泄和空气止氢气外泄和空气的漏入。的漏入。3.同步发电机的冷却系统同步发电机的冷却系统11/2/202282励磁系统励磁系统(field system)：同步电机运行时为了建立励：同步电机运行时为了建立励磁磁场，转子绕组必须通入直流电流，供给同步机磁磁场，转子绕组必须通入直流电流，供给同步机转子励磁电流的整个系统，包括装置和线路称为励转子励磁电流的整个系统，包括装置和线路称为励磁系统。磁系统。同步电机的运行可靠性与其励磁统有十分密切的关同步电机的运行可靠性与其励磁统有十分密切的关系，现代同步电机的发展对励磁系统提出越来越高系，现代同
49、步电机的发展对励磁系统提出越来越高的要求。为此，近年来同步电机励磁磁系统所采用的要求。为此，近年来同步电机励磁磁系统所采用的形式，即励磁方式也日新月异。的形式，即励磁方式也日新月异。二、同步发电机的励磁二、同步发电机的励磁11/2/2022831 1对励磁系统的要求对励磁系统的要求正常运行时供给励磁电流，维持端电压或电网电压值正常运行时供给励磁电流，维持端电压或电网电压值或并联运行机组之间的无功功率分配，随负载变化，或并联运行机组之间的无功功率分配，随负载变化，励磁电流能相应调节。励磁电流能相应调节。系统电压严重下降时（如发生短路故障等），能强行系统电压严重下降时（如发生短路故障等），能强行励
50、磁（简称强励）提高电动势，保持电压稳定。励磁（简称强励）提高电动势，保持电压稳定。突然丢负荷时，如水轮机组转速明显升高，能强行减突然丢负荷时，如水轮机组转速明显升高，能强行减磁，限制端电压过度增高。磁，限制端电压过度增高。电机内部发生短路故障时，能快速灭磁和减磁，以减电机内部发生短路故障时，能快速灭磁和减磁，以减小故障的损坏程度。小故障的损坏程度。两台以上并列运行发电机能成组调节无功功率，使无两台以上并列运行发电机能成组调节无功功率，使无功合理分配。功合理分配。迅速，可靠，结构简单，损耗小，成本低，体积小等。迅速，可靠，结构简单，损耗小，成本低，体积小等。二、同步发电机的励磁二、同步发电机的励