無刷同步發(fā)電機(jī)主發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)

1、ii無刷同步發(fā)電機(jī)主發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)摘 要：無刷同步發(fā)電機(jī)實(shí)際上是兩臺(tái)發(fā)電機(jī)構(gòu)成的，一臺(tái)作為勵(lì)磁機(jī)，一臺(tái)才是主發(fā)電機(jī)。主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組在轉(zhuǎn)子，電樞繞組在定子（將發(fā)出的電輸出）；勵(lì)磁機(jī)的電樞繞組在轉(zhuǎn)子，勵(lì)磁繞組在定子。主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁采用交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁的無刷勵(lì)磁方式，勵(lì)磁機(jī)產(chǎn)生的交流電進(jìn)入旋轉(zhuǎn)整流裝置，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)整流器的整流后，最后輸入主發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部進(jìn)行勵(lì)磁，使得同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性能大大增強(qiáng)。關(guān)鍵詞：無刷勵(lì)磁；同步發(fā)電機(jī)；旋轉(zhuǎn)整流器；交流勵(lì)磁機(jī)the design of the main generator in brushless synchronous generatorabstract:

2、 the brushless synchronous generator is actually composed of two generators. one, as the exciter, one is the main generator. the main generators exciting winding in the rotor, and the armature winding in the stator (to output the generated electricity); the exciter armature winding in the rotor, exc

3、iting winding in the stator. the main generators exciting used the brushless exciting by the exchange exciter. the ac which the exciter produces enters the revolving rectifier, after passing through the revolving rectifiers rectification, making the synchronous generators stability enhanced greatly.

4、 key words：brushless exciting; synchronous generator; revolving rectifier; exchange exciter.無刷同步發(fā)電機(jī)主發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)第1章 緒 論1.1 無刷同步發(fā)電機(jī)的介紹 隨著工業(yè)技術(shù)的飛躍發(fā)展，能源危機(jī)在世界都變的越來越嚴(yán)重了。同時(shí)人們對節(jié)能、環(huán)保、高效都提出了很高的要求。而作為消耗70%左右電能的電機(jī)，對其節(jié)能和獲得更高的效率有著非常重要的現(xiàn)實(shí)的意義。由于電能具有生存和變換比較的經(jīng)濟(jì)，傳輸分配比較的容易，使用和控制比較的方便等有點(diǎn)，因而成為現(xiàn)代最常用的一種能源。并且隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，自動(dòng)化程度越來越高，對

5、電的需求越來越大，同時(shí)對電的質(zhì)量也提出了要求，無疑對同步發(fā)電機(jī)的性能也提出了要求。同步發(fā)電機(jī)是一種交流發(fā)電機(jī)，它區(qū)別另外一種交流電機(jī)異步發(fā)電機(jī)的一個(gè)重要的特征是它的轉(zhuǎn)速與電流的頻率之間有個(gè)嚴(yán)格的關(guān)系，即：（p為電機(jī)的極對數(shù)）。所以當(dāng)同步電機(jī)的極對數(shù)和轉(zhuǎn)速一定的時(shí)候，其感應(yīng)交流電動(dòng)勢的頻率也是一定的。在現(xiàn)代的電力工業(yè)無論是用火力發(fā)電還是水力、原子能或柴油機(jī)發(fā)電幾乎全部采用同步發(fā)電機(jī)。同步電機(jī)還可以用做恒速的電動(dòng)機(jī)，雖然其機(jī)構(gòu)較異步機(jī)復(fù)雜些，但是它可以運(yùn)行在或者超前的功率因數(shù)下以改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。同步發(fā)電機(jī)還可以用做調(diào)相機(jī)，實(shí)際是不接受負(fù)載的空載電動(dòng)機(jī)，向電網(wǎng)輸送電感性或電容性的無功功率以提高電

6、網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性及其電壓的穩(wěn)定性。由于同步電機(jī)具有別的電機(jī)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，目前世界各國均在研究、生產(chǎn)和應(yīng)用。不管是從高速發(fā)展的電力工業(yè)以適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)飛躍發(fā)展的需要還是從提高發(fā)電機(jī)的效率降低運(yùn)行成本著眼，都要求增大發(fā)電機(jī)的容量。為了降低電樞電流，還使用一些電氣配套設(shè)備易于制造，或省去發(fā)電機(jī)的升壓設(shè)備，這就要把同步發(fā)電機(jī)的額定電壓提高到20kv以上，因此相應(yīng)研究也在展開。此外同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子部件也需要承受很大的機(jī)械應(yīng)力，這就需要研究有更高強(qiáng)度極限的轉(zhuǎn)子部件，磁軛鋼板等部件。提高電樞單位周長的安培導(dǎo)電數(shù)a或氣隙磁密b，則可減少電機(jī)尺寸，降低電機(jī)成本。但由于磁通密度b受電機(jī)材料的限制而無法提高，需要研制

7、出飽和系數(shù)更高的材料。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步的推動(dòng)了無刷電機(jī)的發(fā)展。無刷同步發(fā)電機(jī)以交流勵(lì)磁機(jī)、旋轉(zhuǎn)整流器取代了傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的電刷、滑環(huán)，簡化了維修和保養(yǎng)，提高了同步發(fā)電機(jī)的可靠性。這些都無疑都促進(jìn)了無刷同步發(fā)電機(jī)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。然而，現(xiàn)在對發(fā)電機(jī)的可靠性要求日益提高的情況下，無刷同步發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性就顯得特別重要,我們就不得不對其進(jìn)行深入的研究。1.2 無刷同步發(fā)電機(jī)發(fā)展及前景 進(jìn)入八十年代末、九十年代初，隨著我國改革開放不斷發(fā)展，我國的電機(jī)行業(yè)的部分企業(yè)開始引進(jìn)先進(jìn)工業(yè)國的中小型同步發(fā)電機(jī)，有的按生產(chǎn)許可證方式進(jìn)行技術(shù)引進(jìn)，有的引進(jìn)軟件技術(shù)（或生產(chǎn)技術(shù)），有的按合作生產(chǎn)方式引進(jìn)國

8、外的先進(jìn)技術(shù)，其先后有德國西 門子公司的ifc5和ifc6系列、德國aeg公司的dkbh系列、英國彼特普公司e系列、美國馬拉松公司的mp系列發(fā)電機(jī)、英國的斯坦福公司bc、hc系列等發(fā)電機(jī)，這些發(fā)電機(jī)的絕緣等級為f級或h級，采用隱極式或整體凸級結(jié)構(gòu)，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較先進(jìn)，可靠性較高，其制造工藝水平較先進(jìn)，這些產(chǎn)品的引進(jìn)，對提高我國的中小型發(fā)電機(jī)水平和制造工藝水平有較大的促進(jìn)作用。比如，無錫電機(jī)廠、汾西機(jī)械廠、柳州電機(jī)廠引進(jìn)了德國西門子公司1fc5、1fc6系列無刷發(fā)電機(jī)，蘭州電機(jī)有限責(zé)任公司（以下簡稱蘭電）引進(jìn)了德國aeg公司dkbh系列船用、陸用無刷發(fā)電機(jī)，福州發(fā)電設(shè)備廠引進(jìn)了美國麥格乃泰克公

9、司無刷發(fā)電機(jī)制造技術(shù)等等。近年無錫電機(jī)廠又引進(jìn)了西門子公司最近開發(fā)的1fc2系列無刷三相同步發(fā)電機(jī)，該電機(jī)為整園凸極沖片，克服了原西門子公司1fc5、1fc6隱極結(jié)構(gòu)體積偏大，重量偏重的不足。90年代，無錫電機(jī)廠與新時(shí)代公司、上海革新電機(jī)廠與馬拉松公司合資辦了企業(yè)，使我國中小型三相同步發(fā)電機(jī)水平又有了進(jìn)一步的提高，使國內(nèi)三相同步發(fā)電機(jī)生產(chǎn)的主要企業(yè)產(chǎn)品達(dá)到了國際先進(jìn)水平。蘭州電機(jī)廠在引進(jìn)德國aeg公司dkbh系列基礎(chǔ)上，90年代中期，又開發(fā)了自己的新一代產(chǎn)品：tzhw系列（陸用）、tfxw-h系列（船用）無刷三相同步發(fā)電機(jī)，使其性能有了進(jìn)一步的提高，更加適合國情、廠情，提高了市場競爭力。 中小

10、型同步發(fā)電機(jī)是中小型電機(jī)的主要產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用于小型水電站、船舶電站、移動(dòng)電站、固定電站、應(yīng)急備用電站、正弦波試驗(yàn)電源、變頻電源、計(jì)算機(jī)電源及新能源風(fēng)力發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、潮汐發(fā)電、余熱發(fā)電等。它對邊（疆）老（區(qū)）貧（窮）地區(qū)實(shí)現(xiàn)電氣化，提高該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和人民的生活水平有著重要的作用，中小型發(fā)電機(jī)在船舶、現(xiàn)代電氣化火車內(nèi)燃機(jī)車等運(yùn)輸設(shè)備中也是一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備。移動(dòng)電站對國防設(shè)施、工程建設(shè)、海上石油平臺(tái)、陸上電驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)、野外勘探等也是不可缺少的關(guān)鍵裝備之一。應(yīng)急備用電站在突發(fā)事件中的防災(zāi)、救護(hù)保障人民的生命和財(cái)產(chǎn)的安全有著不可替代的作用。開發(fā)綠色能源、可再生能源、減少大氣二氧化碳的含量，小水

11、電、風(fēng)力發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電和余熱發(fā)電是重要的組成部分。在將來，無刷同步發(fā)電機(jī)將會(huì)越來越重要，應(yīng)用范圍也會(huì)越來越廣。1.3 無刷同步電機(jī)的特點(diǎn)同步發(fā)電機(jī)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為交流電能的轉(zhuǎn)換設(shè)備。自備電站過去的油機(jī)發(fā)電機(jī)組同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁，廣泛采用直流發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電流來發(fā)電的。這種勵(lì)磁方式，由于應(yīng)用直流發(fā)電機(jī)，存在交流電變?yōu)橹绷麟娡ㄟ^整流子進(jìn)行變換，而勵(lì)磁電流又通過同步發(fā)電機(jī)的銅環(huán)和炭刷向勵(lì)磁繞組提供，因此，對維護(hù)和保證安全運(yùn)行方面都帶來了很多問題。為了改進(jìn)這種勵(lì)磁方式。60年代主要發(fā)展了帶靜止硅整流器的自勵(lì)恒壓的同步發(fā)電機(jī)，這種發(fā)電機(jī)依然存在炭刷和滑環(huán)，仍需要經(jīng)常維護(hù)，而且產(chǎn)生無線電磁干擾。為了從根本解

12、決存在的問題，現(xiàn)代的同步發(fā)電機(jī)，通過改進(jìn)和發(fā)展，廣泛采用同軸交流無刷勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)整流器的無刷同步發(fā)電機(jī)。 無刷同步發(fā)電機(jī)有以下的主要特點(diǎn)：（1）無滑動(dòng)的接觸部分、維護(hù)簡單、可靠性高、可長期連續(xù)運(yùn)行而很少維護(hù)保養(yǎng)，特別略有適用于自動(dòng)化電站；（2）沒有旋轉(zhuǎn)接觸的導(dǎo)電部分，不會(huì)產(chǎn)生火花，特別適用于有易燃?xì)怏w及多粉塵等惡劣環(huán)境條件下的運(yùn)動(dòng)場合，同時(shí)無滑環(huán)也適用于高溫度的環(huán)境下使用；（3）它的電壓波形好，畸變率?。唬?）由于無刷發(fā)電機(jī)是由多級發(fā)電機(jī)組成，間接控制主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁功率，因而控制勵(lì)磁功率很小，在主勵(lì)磁功率的1/301/50范圍內(nèi)，發(fā)熱量低，因而故障率低，可靠高；（5）它雖為自勵(lì)磁系統(tǒng)，但具有它勵(lì)

13、式同步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行。第2章 無刷同步發(fā)電機(jī)的工作原理及基本結(jié)構(gòu)2.1 無刷同步發(fā)電機(jī)的工作原理 當(dāng)原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)主發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，交流勵(lì)磁機(jī)的電樞繞組首先將切割剩磁自勵(lì)發(fā)出交流電，然后經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器變成直流電后進(jìn)入主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組以勵(lì)磁。這時(shí)主發(fā)電機(jī)的輸出端有電壓。勵(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)輸出端電壓，(見圖2.1)，稱這種為自勵(lì)恒壓發(fā)電機(jī)。只要調(diào)節(jié)交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流，就可以改變主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，從而控制主發(fā)電機(jī)的輸出端電壓，依靠連接于主發(fā)電機(jī)輸出端和交流勵(lì)磁機(jī)定子磁場繞組之間的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器就可以穩(wěn)定主發(fā)電機(jī)的端電壓。 見無刷同步發(fā)電機(jī)接線原理圖2.1。 圖2.1具有可控硅電壓調(diào)節(jié)器的

14、相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng) a1電壓調(diào)節(jié)器 r1串聯(lián)電阻器 c1-3電容器 t1-3單相電流互感器 g1主電機(jī) t5壓降補(bǔ)償電流互感器 g勵(lì)磁機(jī) t5整流變壓器 l1電抗器 v1靜止整流器 v2旋轉(zhuǎn)整流器 無刷勵(lì)磁是已被公認(rèn)為最有發(fā)展前途的勵(lì)磁方式，隨著其勵(lì)磁系統(tǒng)性能的不斷改善必將得到長足的發(fā)展。2.2 同步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)無刷同步發(fā)電機(jī)由主發(fā)電機(jī)、交流勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)整流裝置等主要部分組成。主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁機(jī)電樞和旋轉(zhuǎn)整流裝置都裝在同一軸上一起旋轉(zhuǎn)，勵(lì)磁機(jī)磁極固定在定子內(nèi)側(cè)。主發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)大同小異，都是轉(zhuǎn)場式的，按照結(jié)構(gòu)型式，同步發(fā)電機(jī)可分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式兩類。前者的電樞裝設(shè)在轉(zhuǎn)子，主磁極裝設(shè)在定子

15、上，這種結(jié)構(gòu)在小容量同步發(fā)電機(jī)中得到一定的應(yīng)用，對于高壓、大容量的同步發(fā)電機(jī)，長期的制造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，采用旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)比較合理。2.2.1靜止部分（1）定子 由鐵心、繞組、機(jī)座以及結(jié)構(gòu)部件組成。定子鐵心及定子繞組是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和電流的部分，亦稱電樞。 機(jī)座 機(jī)座是發(fā)電機(jī)的整體支架，用來固定電樞并和前后端蓋一道支撐轉(zhuǎn)子。機(jī)座上一般有出線盒，或位于機(jī)座的后側(cè)面，或位于機(jī)座上部，出線盒內(nèi)裝有出線板，以便于引出交流電源。位于機(jī)座上部的出線盒一般均裝有勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。 定子繞組 定子繞組由線圈組成，線圈采用高強(qiáng)度聚脂漆包圓銅線繞制，并按一定規(guī)律連接，嵌入鐵心槽中。線圈采用導(dǎo)線的規(guī)格、線圈匝數(shù)、并聯(lián)路數(shù)

16、等由設(shè)計(jì)確定繞線型有雙層疊繞、單層鏈?zhǔn)郊皢坞p層式等。三相繞組應(yīng)對稱嵌放，彼此相互差120度電氣相位角。 定子鐵芯 定子鐵芯是發(fā)電機(jī)磁路的一部分，為了減小渦流損耗，鐵心用厚，兩面都涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成。鐵芯內(nèi)圓上均勻分布著可嵌放有定子繞組的線槽。（2）交流勵(lì)磁機(jī)定子 交流勵(lì)磁機(jī)產(chǎn)生的交流電，經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流后，供給同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁。為了避免勵(lì)磁機(jī)與旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)用電刷、滑環(huán)提供勵(lì)磁電流，因此，交流勵(lì)磁機(jī)的定子為磁極，而轉(zhuǎn)子為電樞。（3）端蓋 用于與機(jī)座配合并支撐轉(zhuǎn)子，因此，在端蓋的中心處應(yīng)開有軸承室圓孔，以供安裝軸承。端蓋的端面有止口與機(jī)座配合，與柴油機(jī)專配發(fā)電機(jī)在軸伸出端的端蓋兩端面，均

17、有端面止口，以保證轉(zhuǎn)子裝配后同軸度的要求。2.2.2轉(zhuǎn)動(dòng)部分發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分稱為轉(zhuǎn)子。它由轉(zhuǎn)子鐵芯、勵(lì)磁繞組、電機(jī)軸、軸承、風(fēng)扇、交流勵(lì)磁機(jī)電樞和旋轉(zhuǎn)整流器組成。（1）磁極繞組（2）轉(zhuǎn)子鐵芯 同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵芯一般用1mm厚的低碳鋼板沖制的磁極沖片迭壓而成的。（3）交流勵(lì)磁機(jī)的電樞 無刷同步發(fā)電機(jī)是利用交流勵(lì)磁機(jī)產(chǎn)生的交流電，經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流變?yōu)橹绷麟姡┙涣靼l(fā)電機(jī)勵(lì)磁用。交流勵(lì)磁機(jī)電樞鐵芯用硅鋼片迭壓而成，然后嵌放三相交流繞組，并經(jīng)絕緣處理形成電樞。（4）旋轉(zhuǎn)整流器 與交流勵(lì)磁機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)的，發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器一般裝在交流勵(lì)磁機(jī)外側(cè)，用螺釘固定在轉(zhuǎn)軸上，便于安裝和維修。2.3 同步發(fā)電機(jī)的兩種

18、基本型式交流同步發(fā)電機(jī)的基本型式分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁場式兩種。這兩種發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上雖然有所不同；但其基本原理卻是一樣的，即磁場與導(dǎo)體只要產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)并切割磁力線，就能在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢.在交流同步發(fā)電機(jī)中，鐵心及其在鐵心槽中用來產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢并接通負(fù)載供給交流電流的繞組的總稱稱為電樞。由于它是交流同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化和傳遞的樞紐，所以將它稱為電樞。2.3.1旋轉(zhuǎn)電樞式旋轉(zhuǎn)電樞式交流同步發(fā)電機(jī)的磁場是固定不動(dòng)的，其電樞為旋轉(zhuǎn)部分，三相交流電流是經(jīng)滑環(huán)和電刷輸送出去。這種發(fā)電機(jī)雖然能提高硅鋼片的有效利用率，將定子機(jī)座作為磁軛以節(jié)省鋼材。但是它的容量難以做大，額定電壓也不高。因此，旋轉(zhuǎn)電樞式

19、交流同步發(fā)電機(jī)已漸少生產(chǎn)，一般只用于容量很小的低壓小型同步發(fā)電機(jī)，或在生產(chǎn)實(shí)踐中利用現(xiàn)有支流電機(jī)改為同步發(fā)電機(jī)時(shí),才會(huì)采用這種旋轉(zhuǎn)電樞式的結(jié)構(gòu)型式。此外，旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)在采用無刷勵(lì)磁方式的同步發(fā)電機(jī)中,被用作交流勵(lì)磁機(jī)。2.3.2 旋轉(zhuǎn)磁場式旋轉(zhuǎn)磁場式交流同步發(fā)電機(jī)的電樞固定不動(dòng)，而磁場是不斷旋轉(zhuǎn)的。它的電樞繞組嵌放在定子鐵心槽內(nèi)，并且隨槽分布在定子鐵心整個(gè)圓周上。因此，它有較多的空間位置來安放電樞繞組的線圈和絕緣。這種結(jié)構(gòu)型式交流同步發(fā)電機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)是：電樞繞組輸出的交流電流不必通過運(yùn)動(dòng)的滑環(huán)和電刷，而是直接由固定的電樞繞組引線電纜送往負(fù)載,所以其機(jī)械強(qiáng)度和絕緣條件都比較好，因而提高了電樞

20、繞組的安全可靠性。旋轉(zhuǎn)磁場式交流同步發(fā)電機(jī)的磁極上繞有勵(lì)磁繞組，而產(chǎn)生發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的勵(lì)磁電流經(jīng)電刷和滑環(huán)引入勵(lì)磁繞組。旋轉(zhuǎn)電樞式只適用于小容量同步電機(jī)中，對于高壓、大容量的同步電機(jī)，由于讓高壓和大電流從電刷和滑環(huán)的滑動(dòng)接觸引出不很可靠，因此都采用旋轉(zhuǎn)磁場式。2.4 主要性能要求主發(fā)電機(jī)是一般的三相交流同步發(fā)電機(jī)，其設(shè)計(jì)的方法與普通的三相同步發(fā)電機(jī)完全一樣的。但是由于無刷勵(lì)磁原理上有一些特殊性以及科學(xué)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步，對現(xiàn)代無刷同步發(fā)電機(jī)也提出了許多新的技術(shù)要求，從而使無刷發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)有新的特點(diǎn)。2.4.1較小的線電壓波形畸變率各國電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)大都規(guī)定中、小型電機(jī)的畸變率不大于10%。但是近

21、年來，中、小型無刷發(fā)電機(jī)廣泛地用作為計(jì)算機(jī)隔離電源或應(yīng)急用電源，因此，對發(fā)電機(jī)電壓波形的正弦畸變率應(yīng)小于5%。這對電極設(shè)計(jì)提出了更高的要求。這就必須在磁極形狀、氣隙尺寸和繞組選擇等方面予以注意?？梢灾赖氖?，高次諧波電勢對相電勢大小的影響很小，卻很大的影響電勢的波形。發(fā)電機(jī)電勢中如果存在高次諧波，就將使電勢波形變壞，產(chǎn)生很多不良影響，使發(fā)電機(jī)本身的附加損耗增加，效率下降，溫升增高，以及引起輸電線路的電感和電容產(chǎn)生諧振，產(chǎn)生過電壓。2.4.2動(dòng)態(tài)性能由于現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)許多供電負(fù)載，對發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能有很高的要求。設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，所得到的空載特性應(yīng)與常規(guī)空載特性相接近。如果設(shè)計(jì)得太飽和將使勵(lì)磁繞組用銅

22、太多，而且電壓調(diào)節(jié)也比較困難；如果飽和度太低，則負(fù)載變化時(shí)電壓變化較大，并且磁密偏低表示硅鋼片的利用率較低，電機(jī)鐵心消耗材料較多。動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn) ，以 100kva發(fā)電機(jī)為樣機(jī) ，用起動(dòng)大容量電動(dòng)機(jī)作為突然增加負(fù)荷的方法進(jìn)行。 本實(shí)驗(yàn)屬于旋轉(zhuǎn)整流器式交流發(fā)電機(jī)自動(dòng)電壓調(diào)整器采用 pi調(diào)節(jié)器進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。綜合調(diào)節(jié)，即既按電壓偏差和電樞電流調(diào)節(jié)，同時(shí)也按電壓偏差和電流的一階微分調(diào)節(jié)。 通過給空載運(yùn)行的發(fā)電機(jī)突然增加負(fù)載，可以得到下表中系統(tǒng)調(diào)節(jié)規(guī)律的動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)，反映了自動(dòng)電壓調(diào)整器的動(dòng)態(tài)性能。表2.1 無刷發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)么值最大值頻率偏差f()電壓偏差u()電壓恢復(fù)時(shí)間th(s)電樞

23、電流勵(lì)磁電流旋轉(zhuǎn)整流器式比例調(diào)節(jié)2.81.8-12-180.75旋轉(zhuǎn)整流器式綜合調(diào)節(jié)2.71.5-2.0-50.05旋轉(zhuǎn)晶閘管式綜合調(diào)節(jié)0.91.25-1.2-30.03實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，采用旋轉(zhuǎn)晶閘管式和綜合調(diào)節(jié)，明顯比采用旋轉(zhuǎn)整流器式和比例調(diào)節(jié)，頻率、電壓偏差低，電壓恢復(fù)時(shí)間短。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)可證明這一點(diǎn)。應(yīng)該指 出：大容量發(fā)電機(jī)的自動(dòng)電壓調(diào)整器，完全可以用于小容量的發(fā)電機(jī)；也可以在小容量發(fā)電機(jī)上，測試大容量發(fā)電機(jī)的自動(dòng)電壓調(diào)整器。區(qū)別在于取樣負(fù)荷電流的比率不同。2.4.3維持短路電流的能力無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)大多數(shù)都是作為無人管理的自動(dòng)化電站電源，故應(yīng)能可靠地使配電站系統(tǒng)的保護(hù)裝置動(dòng)作，排除故障，提高

24、自動(dòng)化電站的可靠性。突然短路時(shí)，各繞組中都出現(xiàn)了很大的電流，而使銅耗很大，所產(chǎn)生的熱量使繞組溫升增加，而且突然短路電流很大，會(huì)產(chǎn)生很大的電磁力和電磁轉(zhuǎn)距，所以在勵(lì)磁方式的選擇或勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須加以考慮。因此國內(nèi)、外無刷發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求中，均提出了應(yīng)能維持3倍以上的額定短路電流，維持時(shí)間23秒的要求。2.4.4過電壓保護(hù)無刷發(fā)電機(jī)為現(xiàn)代化電源，均帶有電子元器件的自動(dòng)調(diào)節(jié)器和功率硅二極管，并要求具有能并聯(lián)運(yùn)行的特性。采用阻尼套，可以改善電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行性能，使并聯(lián)運(yùn)行可靠，同時(shí)可作為電壓調(diào)節(jié)器及旋轉(zhuǎn)整流器的第一道可靠的過電壓保護(hù)屏障。根據(jù)分析，當(dāng)電機(jī)短路時(shí)，開路相會(huì)產(chǎn)生過電壓。另外，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組

25、在突加負(fù)載或負(fù)載短路的瞬變過程中也會(huì)產(chǎn)生過電壓，很多研究者指出，當(dāng)電機(jī)有全阻尼繞組時(shí)，磁場繞組的過電壓約為35倍額定勵(lì)磁電壓，而沒有阻尼繞組時(shí)過電壓可達(dá)到10倍以上。旋轉(zhuǎn)整流器的過電壓保護(hù)有兩種用途，換相引起的尖峰過電壓，此時(shí)由并聯(lián)在整流元件兩端的阻容元件吸收浪涌過電壓；主機(jī)非同期投入，由電網(wǎng)引起的外部過電壓作用于旋轉(zhuǎn)整流器兩端，一般采用在勵(lì)磁繞組并聯(lián)電阻的方法吸收此過電壓，此時(shí)，將增加勵(lì)磁機(jī)的容量。第3章 無刷同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分，其主要任務(wù)是向同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組提供一個(gè)可調(diào)的直流電流（電壓），控制機(jī)端電壓恒定，滿足發(fā)電機(jī)正常發(fā)電的需要，同時(shí)控制發(fā)電機(jī)組間

26、的無功率的合理分配，保證同步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行機(jī)制的穩(wěn)定性，以滿足電力系統(tǒng)安全運(yùn)行機(jī)制的需要。優(yōu)良的勵(lì)磁系統(tǒng)不僅可以保證發(fā)電機(jī)穩(wěn)定和可靠性運(yùn)行，而且可以有效的提高發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。3.1 勵(lì)磁系統(tǒng)的要求（1） 正常運(yùn)行時(shí)，能按負(fù)荷電流和電壓的變化調(diào)節(jié)（自動(dòng)或手動(dòng)）勵(lì)磁電流，以維持電壓在穩(wěn)定值水平，并能穩(wěn)定地分配機(jī)組間的無功負(fù)荷。（2） 當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生故障，例如電樞繞組出現(xiàn)匝間短路時(shí)，為避免事故繼續(xù)擴(kuò)大,勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)能盡快地將發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流減到盡可能小的程度，即滅磁。（3） 勵(lì)磁裝置本身應(yīng)無失靈區(qū)，以利于提高系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定，并且動(dòng)作應(yīng)迅速，工作要可靠，調(diào)節(jié)過程要穩(wěn)定。（4） 為了保證勵(lì)

27、磁繞組和整流器安全運(yùn)行,對最大勵(lì)磁電流要有所限制,不得超過規(guī)定值。同時(shí)，考慮到發(fā)電機(jī)在欠勵(lì)情況下較易失步，為此對勵(lì)磁電流的最小值也必須有所限制。3.2 勵(lì)磁系統(tǒng)的分類及選擇勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的供電電源，按供電方式的不同，勵(lì)磁系統(tǒng)可以分為它勵(lì)和自勵(lì)系統(tǒng)兩大類，下面分別加以說明。3.2.1自勵(lì)式勵(lì)磁系統(tǒng)這種系統(tǒng)中，勵(lì)磁繞組和電樞繞組由同一電源供電，即不用勵(lì)磁機(jī)而由同步發(fā)電機(jī)本身提供勵(lì)磁電流。有如下三種：僅由同步發(fā)電機(jī)本身線端的電壓取得能量的稱為自并勵(lì)系統(tǒng)；由發(fā)電機(jī)本身線端的電壓及電流兩者取得能量的稱為自復(fù)勵(lì)系統(tǒng)；由發(fā)電機(jī)輔助諧波繞組提供勵(lì)磁電源的則稱為諧波勵(lì)磁系統(tǒng)。為了提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定

28、性和輸電能力，國內(nèi)外都采用串聯(lián)電容補(bǔ)償長距離輸電線路的電感，但補(bǔ)償度過高易發(fā)生同步發(fā)電機(jī)的自勵(lì)磁(自激)。為了改善配電網(wǎng)的電壓水平和送電能力，也可采用串補(bǔ)方法，但補(bǔ)償度過高同樣會(huì)引起自勵(lì)磁。因此，自勵(lì)磁問題成為一個(gè)迫切需要解決的問題，受到廣泛重視。多年來，不少學(xué)者對自勵(lì)磁進(jìn)行了較深入的研究。特征方程分析法根據(jù)同步電機(jī)的基本方程，用運(yùn)算電抗導(dǎo)出自勵(lì)磁特征方程，求特征方程的根分析自勵(lì)磁?；谕诫姍C(jī)的方程是五階微分方程，其自勵(lì)磁特征方程是相當(dāng)冗長和繁雜的，不便使用。頻率分析法從某同步發(fā)電機(jī)端求電網(wǎng)等值電阻和等值電抗的頻率特性，等值電抗為零時(shí)的頻率就是電機(jī)發(fā)生自勵(lì)磁的串聯(lián)諧振點(diǎn)。對于計(jì)及發(fā)電機(jī)控制系

29、統(tǒng)的自勵(lì)磁分析，由于階數(shù)的提高，以上方法更顯得無能為力。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展為自勵(lì)磁研究提供了有力的工具。狀態(tài)方程分析法(下稱狀態(tài)法)是一種新的分析方法。狀態(tài)法首先建立描述自勵(lì)磁的狀態(tài)方程，然后根據(jù)狀態(tài)方程的系數(shù)矩陣進(jìn)行自勵(lì)磁分析。此法數(shù)學(xué)模型清晰，計(jì)算準(zhǔn)確，使用方便。3.2.2它勵(lì)式勵(lì)磁系統(tǒng)由同步發(fā)電機(jī)本身以外的電源供電的勵(lì)磁系統(tǒng)稱為它勵(lì)式勵(lì)磁系統(tǒng)，且勵(lì)磁繞組與電樞繞組不連接。這種系統(tǒng)中的勵(lì)磁電源是勵(lì)磁機(jī)，它既可以是與電機(jī)同軸的直流發(fā)電機(jī)，也可以是帶有整流設(shè)備的交流發(fā)電機(jī)。下面將介紹它勵(lì)式勵(lì)磁系統(tǒng)。 帶副勵(lì)磁機(jī)的它勵(lì)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)：它與同步發(fā)電機(jī)同軸的主勵(lì)磁機(jī)是一臺(tái)它勵(lì)直流電機(jī)，

30、主勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁由另一臺(tái)同軸的副勵(lì)磁機(jī)供給。帶自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的同軸直流電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)：它的勵(lì)磁調(diào)節(jié)電阻不再手動(dòng)調(diào)節(jié),它帶有自動(dòng)的自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,具有更快的電壓上升速度。 隨著電力系統(tǒng)的單機(jī)容量和輸電距離的不斷增長，勵(lì)磁容量亦顯著加大。對于大容量發(fā)電機(jī)，特別是大容量的高速發(fā)電機(jī)，由于換向困難，直流勵(lì)磁機(jī)已難以滿足勵(lì)磁要求。為適應(yīng)生產(chǎn)需要，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種采用半導(dǎo)體整流器的勵(lì)磁系統(tǒng)，其中它勵(lì)式整流器勵(lì)磁系統(tǒng)機(jī)為大、中容量同步發(fā)電機(jī)所常用。3.2.3無刷勵(lì)磁裝置無刷勵(lì)磁裝置主要由勵(lì)磁變壓器、陽極開關(guān)、三相可控硅全控整流橋、滅磁裝置、檢測勵(lì)磁電壓 和勵(lì)磁 電流的儀表 、防止過電壓和過電流的

31、保護(hù)元件及勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 等組成?？煽毓鑴?lì)磁裝置主要為交流勵(lì)磁機(jī)定子繞組提供勵(lì)磁電流。該裝置輸入信號通過勵(lì)磁變壓器取 自于汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)端，并經(jīng)過可控硅三相全控整流橋整流，將三相交流電勢轉(zhuǎn)換成直流電勢來實(shí)現(xiàn)。交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的大小是通過勵(lì)磁調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)的。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器設(shè)置有 自動(dòng)調(diào)節(jié)和手動(dòng)調(diào)節(jié) 2種方式。手動(dòng)調(diào)節(jié)作為自動(dòng)調(diào)節(jié)的輔助方式，當(dāng)自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)可轉(zhuǎn)換成為手動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行，但采用手動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行時(shí)應(yīng)防止過電壓產(chǎn)生。此外勵(lì)磁控制回路中還設(shè)有交流勵(lì)磁機(jī)滅磁裝置。滅磁方式分為 2種，一種是機(jī)組故障停機(jī)，由系統(tǒng)保護(hù)自動(dòng)(或手動(dòng))分?jǐn)嚓枠O開關(guān)，使交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組的磁場能經(jīng)并接于勵(lì)磁繞組兩端的滅磁電阻、

32、二極管而釋放；另一種是在正常停機(jī)時(shí)采用逆變滅勵(lì)的方式進(jìn)行滅勵(lì)。把交流勵(lì)磁機(jī)做成旋轉(zhuǎn)電樞式的同步發(fā)電機(jī)，并把它安裝在主發(fā)電機(jī)的同一轉(zhuǎn)軸上，然后把硅整流橋也固定在勵(lì)磁機(jī)的電樞上使其一起旋轉(zhuǎn)，這樣就組成了旋轉(zhuǎn)的交流整流勵(lì)磁系統(tǒng)。最大特點(diǎn)就是取消了滑環(huán)和碳刷，使整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)沒有觸點(diǎn)，所以該系統(tǒng)又稱為無觸點(diǎn)勵(lì)磁或無刷勵(lì)磁系統(tǒng)。3.3 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)3.3.1主發(fā)電機(jī)由于現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)有許多供電負(fù)載都是電子設(shè)備或配備有電子設(shè)備的裝置，故對同步發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)性能要求較高，在主機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)必須適當(dāng)選者擇主機(jī)的瞬時(shí)電抗值以減少主機(jī)的時(shí)間參數(shù)。一般xd1在0.170.2之間，xd2在0.1左右。無刷發(fā)電機(jī)大多數(shù)都作為無人管

33、理的自動(dòng)化電站電源，故應(yīng)能可靠地使配電的保護(hù)裝置動(dòng)作，排除故障，提高自動(dòng)化電站運(yùn)行的可靠性。國內(nèi)、外無刷發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求中，均提出了應(yīng)能維持3倍以上額定電流的短路電流，持續(xù)時(shí)間為2.53s的要求，在勵(lì)磁方式的選擇或勵(lì)磁系統(tǒng)的選擇設(shè)計(jì)中必須加以考慮。主發(fā)電機(jī)比較大，引起發(fā)熱比較厲害，則定子上需要有通風(fēng)槽；發(fā)電機(jī)的容量比較大，其繞組要用截面積比較大電阻率比較小的扁銅線；且無刷發(fā)電機(jī)作為現(xiàn)代化電源，要求具有并聯(lián)運(yùn)行的特性，固需要裝設(shè)阻尼繞組，以改善發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行性能，并使并聯(lián)運(yùn)行趨于穩(wěn)定。在整個(gè)電機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，要保證電機(jī)的各項(xiàng)性能效率、溫升、電壓畸變率、損耗、轉(zhuǎn)矩、短路電流等指標(biāo)要合乎要求。當(dāng)有

34、些指標(biāo)不合乎要求時(shí)，要明白如何進(jìn)行調(diào)整。如定子溫升過高，則：（1） 可降低1一般可加厚銅線；（2） 降低a；（3） 加大hs/bs的比值；轉(zhuǎn)子溫升過高則可加大hm或be；最大轉(zhuǎn)矩不合格則可增加g，如還不行則可改變a/bg的值等；通過以上的論證可得知該同步發(fā)電機(jī)具有符合設(shè)計(jì)要求的各種性能：（1） 定子繞組采用最佳短距和分布系數(shù)，采用斜槽結(jié)構(gòu)，加之磁極形狀經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，電壓波形遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通發(fā)電機(jī)，因而電壓波形完全合乎設(shè)計(jì)要求；（2） 瞬變電抗小，動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良等；（3） 發(fā)電機(jī)為f級絕緣，實(shí)際上溫升低于b級溫升，故過載能力大，大多數(shù)情況下在1.3倍額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下長期過載運(yùn)行也不會(huì)發(fā)生繞組過熱，絕緣壽

35、命長，可靠性高。3.3.2交流勵(lì)磁機(jī)交流勵(lì)磁機(jī)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)電樞式交流同步發(fā)電機(jī)，但由于它的工作特點(diǎn)和負(fù)載的特殊性，它與一般的同步發(fā)電機(jī)不大一樣。對磁路設(shè)計(jì)來說，交流勵(lì)磁機(jī)輸出電壓隨主發(fā)電機(jī)負(fù)載及工作溫度變化而大幅度變化著，相應(yīng)交流勵(lì)磁機(jī)的感應(yīng)電勢也應(yīng)是幅度變化。為滿足主發(fā)電機(jī)的最大強(qiáng)勵(lì)要求，相應(yīng)于勵(lì)磁機(jī)額定工作狀態(tài)的磁路工作點(diǎn)處在線性部分，即交流了勵(lì)磁機(jī)的額定工作狀態(tài)時(shí)的磁密要取得低。由于叫勵(lì)磁機(jī)的電樞具有電感，換相時(shí)電流不能突變，產(chǎn)生了換相角，因此有其獨(dú)特的電壓變比和電流變比。通常采用較小的短路比和較高的頻率來改善無刷發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。為減小負(fù)載電壓將及改善換相狀況，將換相角控制在300500

36、之間。另外交流勵(lì)磁機(jī)的極數(shù)最好不要為主機(jī)極數(shù)的整數(shù)倍。交流勵(lì)磁機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意滿足勵(lì)磁系統(tǒng)對其提出的強(qiáng)勵(lì)、高反應(yīng)速度及高可靠性的要求，因而要有一些特殊考慮。（1） 為提高勵(lì)磁系統(tǒng)反應(yīng)的快速性，交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組的時(shí)間常數(shù)應(yīng)盡量小。為此，交流勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心一般采用迭片式結(jié)構(gòu)，以增大轉(zhuǎn)子鐵心渦流電阻，減小磁路內(nèi)渦流阻尼作用及轉(zhuǎn)子附加鐵損。（2） 為保證勵(lì)磁系統(tǒng)的2.0倍峰值電壓倍數(shù)的要求，通常勵(lì)磁機(jī)應(yīng)設(shè)計(jì)得使其負(fù)載特性直到額定工況時(shí)仍保持線性，為此一般選取空載氣隙磁通密度b：要在0.4t左右電樞選用磁化特性較好的硅鋼片，且要將電樞磁通密度控制在該硅鋼片磁化曲線的直線區(qū)域。（3） 為滿足電壓增長速度

37、一般要在2.0倍/s以上的要求和改善電壓突然增長的瞬變特性，提高電壓增長速度，對影響交流勵(lì)磁機(jī)飽和程度的電機(jī)參數(shù)一短路比應(yīng)盡量選得小一些，通常為0.5左右，同時(shí)還可以降低交流勵(lì)磁機(jī)的造價(jià)。（4） 為減小換相壓降，換相角最好選取在300400之間，這樣要求換相電抗在0.2左右。（5） 為減小交流勵(lì)磁機(jī)定子線棒內(nèi)頻率較高的非正弦波電流產(chǎn)生的附加損耗和趨表效應(yīng)，定子線圈采用多股扁導(dǎo)線換位編織線棒。（6） 為提高交流勵(lì)磁機(jī)定子繞組的可靠性，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)子繞組過電壓時(shí)，勵(lì)磁機(jī)定子絕緣不受破壞，勵(lì)磁機(jī)定子繞組絕緣應(yīng)與主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣等級相同。（7） 為了改善無刷發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，交流勵(lì)磁機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，必須注意盡量

38、選用較小的短路比（大約為0.30.5左右）以提高勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的瞬時(shí)靈敏度，縮短勵(lì)磁機(jī)的時(shí)間長數(shù)。較小的短路比，能使交流勵(lì)磁機(jī)設(shè)計(jì)得經(jīng)濟(jì)些，縮小體積，減輕重量。其次短路比小，xd大，這樣，在旋轉(zhuǎn)整流器的整流管出現(xiàn)短路故障情況下，可使短路電流不致過大，對其他整流管就起到了保護(hù)作用。（8） 由于交流勵(lì)磁機(jī)的電樞繞組是一個(gè)經(jīng)過旋轉(zhuǎn)整流器大電感，加之由于勵(lì)磁機(jī)的電樞繞組內(nèi)電抗的存在，使旋轉(zhuǎn)整流器換相時(shí)，電流不能突變，產(chǎn)生了換相角，因此有獨(dú)特的電壓變比和電流變比，而且使交流勵(lì)磁機(jī)相電流波形與正弦波相差很大。所以，交流勵(lì)磁機(jī)的計(jì)算主要應(yīng)解決以下兩個(gè)問題： 如何根據(jù)主發(fā)電機(jī)給定的直流勵(lì)磁電壓和直流勵(lì)磁電流，

39、計(jì)算出交流勵(lì)磁機(jī)的輸出交流相電勢、相電流、及勵(lì)磁機(jī)的容量； 如何計(jì)算交流勵(lì)磁機(jī)的電樞反應(yīng)、功率因數(shù)及所需的勵(lì)磁磁勢。（9） 此外，為了改善無刷發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，應(yīng)盡量選用較小的短路比，以提高勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的瞬時(shí)靈敏度，縮短了勵(lì)磁機(jī)的時(shí)間常數(shù)，同時(shí)，選用較高的頻率也可以縮短勵(lì)磁機(jī)的時(shí)間常數(shù)。因此設(shè)計(jì)時(shí)必須注意以上所述的特殊性，除此以外，其設(shè)計(jì)的步驟和原則基本上和小型凸極同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)相同。3.3.3旋轉(zhuǎn)整流器旋轉(zhuǎn)整流器是無刷發(fā)電機(jī)組交流勵(lì)磁機(jī)的重要組成部分，整流管的可靠性直接影響電流的整流效果，從而影響到發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行。旋轉(zhuǎn)整流器是電機(jī)故障率較高的部件。因?yàn)樗ぷ髟诟邷?、高速和有振?dòng)的場合，而

40、且還有承受過電流過電壓沖擊的可能。電機(jī)受到外界干擾時(shí)，盡管由負(fù)載電流產(chǎn)生的定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組間無相對運(yùn)動(dòng)。但隨著定子磁場幅值的突變，在轉(zhuǎn)子繞組中便會(huì)感應(yīng)出變壓器電勢；而當(dāng)電機(jī)負(fù)載不對稱時(shí)，定子繞組中將會(huì)流過負(fù)序電流，這個(gè)負(fù)序電流將在轉(zhuǎn)子磁場繞組中感應(yīng)出旋轉(zhuǎn)電勢；當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓與系統(tǒng)電壓之間的相位角為60。時(shí)合閘，會(huì)導(dǎo)致很高的轉(zhuǎn)子電壓，在非對稱短路或并網(wǎng)的誤操作過程中，上述旋轉(zhuǎn)電勢和變壓器電勢將可能于某一瞬間同時(shí)產(chǎn)生，這兩個(gè)瞬時(shí)電勢加上交流勵(lì)磁機(jī)電樞輸送給旋轉(zhuǎn)整流器的電勢、再和主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場繞組中原有的電勢相疊加(注意轉(zhuǎn)子磁場繞組是感性元件)，共同作用于旋轉(zhuǎn)整流二極管。就可能使導(dǎo)通的二極管流

41、過很大的正向電流，也可能使截止的二極管承受很高的反向電壓，將二極管損壞。在氣隙較小、阻尼不良或沒有阻尼的凸極同步發(fā)電機(jī)中，這一現(xiàn)象更為突出。若交流勵(lì)磁機(jī)的極對數(shù)是主發(fā)電機(jī)的極對數(shù)的整數(shù)倍，當(dāng)發(fā)電機(jī)三相對稱短路時(shí)，轉(zhuǎn)子線圈中的感應(yīng)電流將流過正在導(dǎo)通的二極管，使二極管受損。據(jù)此，可以采用以下措施。（1） 在轉(zhuǎn)子磁極表面裝阻尼繞組以改善動(dòng)態(tài)性能； （2） 交流勵(lì)磁機(jī)的極對數(shù)和主發(fā)電機(jī)的極對數(shù)不成整數(shù)倍； （3） 對旋轉(zhuǎn)二極管采取過壓和過流保護(hù)； （4） 選擇旋轉(zhuǎn)二極管的額定容量時(shí)留較大裕量； （5） 旋轉(zhuǎn)整流裝置在安裝方式、絕緣方式、振動(dòng)、熱容量等方面須經(jīng)過精心設(shè)計(jì)制造和嚴(yán)格的振動(dòng)、超速、高溫等試驗(yàn)

42、，使其具有很高的可靠性，如整流橋輸出側(cè)裝壓敏電阻，以防發(fā)電機(jī)磁場繞組出現(xiàn)過電壓時(shí)損壞整流二極管。熔斷器作為過流或短路保護(hù)串聯(lián)于每個(gè)二極管支路，萬一整流管出現(xiàn)故障，則與之串聯(lián)的快速熔斷器可保證使其自動(dòng)斷開，從而防止勵(lì)磁機(jī)局部嚴(yán)重超載過熱。 第4章 電磁設(shè)計(jì)說明4.1 初步確定各尺寸4.1.1 確定效率一般說來效率只與電機(jī)的容量相關(guān)，相同容量的電機(jī)其效率總是差不多的，且容量越大效率越高，因此可參照已做過的相近容量電機(jī)初步確定。4.1.2 主要尺寸及及與電機(jī)容量間有以下關(guān)系： kva （4.1）以上可知要確定、，就要先確定、a、b，下面分別說明：（1）的決定：對一臺(tái)電機(jī)來講可以在一個(gè)相當(dāng)達(dá)到的范圍內(nèi)

43、變動(dòng)，因此，需通過采用不同的幾個(gè)方案比較后才能決定。 值大小與下列因素有關(guān)： 經(jīng)濟(jì)性：電機(jī)的有效材料消耗及損耗大小與 有較大的關(guān)系。一般電機(jī)容量有效材料消耗量有下列比例關(guān)系。定子銅 (4.2)定子鐵 (4.3)轉(zhuǎn)子銅 (4.4)轉(zhuǎn)子鐵 (4.5)當(dāng) 增大時(shí)，（對一定容量電機(jī) 一定減?。┮环矫鎍將有所增長，一方面 減小，因此gcu1及gcu2式中刮號外部分值減小，當(dāng)刮號內(nèi)第二相卻增大，故當(dāng) 增加時(shí)，在小于一定值時(shí)gcu1及gcu2減小，當(dāng)超過一定值時(shí)將增加，而鐵重gfe一般說來將隨 增加而減少。當(dāng)保持電密及磁密b相同時(shí)，銅及鐵耗大小將與銅及鐵重量成正比，因此銅及鐵損與的關(guān)系將與上所述相似的關(guān)系。

44、單位容量機(jī)械損耗有以下比例關(guān)系： (4.6)故知：當(dāng) 增加時(shí)機(jī)械損耗將增加，見表4.1。表4.1 與機(jī)械損耗的關(guān)系容量/極d1l/gggppppkw/p（mm）（噸）（噸）（噸）（kw）（kw）（kw）（kw）（kw）4000/28325042502.150.98.886.50.9330.9881.991.460.652.839.849.237.737.422.340.595.795.22000/4143011800.741.622.482.90.5120.4570.4340.54820.625.22118.312.211.332.82295.295.7 發(fā)熱：當(dāng)增加（減?。r(shí)，通風(fēng)條件變差，

45、因此溫升將增高，大于2的電機(jī)溫升比較高，由此要特別注意通風(fēng)的問題。 結(jié)構(gòu)：及選擇常常還受到結(jié)構(gòu)上的限制。由于機(jī)械強(qiáng)度的限制，不能過大。一般說來，當(dāng)接近60cm，各處機(jī)械應(yīng)力已接近允許值，當(dāng)大于70cm時(shí)就需采用實(shí)心磁極結(jié)構(gòu)。對于要求gd2大的電機(jī)則常選用較小的（較大的），以增加gd2。鐵芯長度有時(shí)要受到周極限長及地坑長等限制。（1）a、決定：a、值大小對電機(jī)參數(shù)、啟動(dòng)性能、溫升、損耗、經(jīng)濟(jì)等方面均有較大的影響。電機(jī)參數(shù)xe、xd、xq、xkd、xkq、rkd、rkq等基本上皆與a/成正比。當(dāng)a/增加時(shí)，所有x及r均減小，電機(jī)起動(dòng)電流 (4.7)當(dāng)a/增加時(shí)，起動(dòng)電流減小，反之則增加，而mst、

46、mb等，皆隨起動(dòng)電流增加而增減少。最大轉(zhuǎn)矩 ，當(dāng)/一定時(shí)xd=a/，故mmax隨a/增加而減小。一般說來，對于相近的二臺(tái)電機(jī)，如果a/也相近的話，則所有參數(shù)及起動(dòng)性能等也是相近的，因此在新設(shè)計(jì)時(shí)，就可找一個(gè)相近的電機(jī)，根據(jù)其（a/）性能、參數(shù)為所設(shè)計(jì)的電機(jī)性能參考，利用上面介紹的規(guī)律就可初步確定所設(shè)計(jì)的電機(jī)的（a/）值了。a，值對電機(jī)發(fā)熱也有影響，當(dāng)定子槽面積不變時(shí)，當(dāng)電機(jī)用鐵量不變時(shí)，bt、bc，故當(dāng)a、增加時(shí)電機(jī)發(fā)熱將增加。對較大的電機(jī)可取較大的值。主要時(shí)bt限制，故一般與關(guān)系不大。此外，當(dāng)增加時(shí)hs/減小，因此為了維持ist在一定水平下也需要增加a值。a，值大小影響電機(jī)的用銅量與用鐵量。

47、 （4.8）當(dāng)a、增加時(shí)，電機(jī)材料消耗就減小。（2）標(biāo)準(zhǔn)定子外徑：應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)定子外徑以利生產(chǎn)，因此 選擇一般不是任的。確定了定子標(biāo)準(zhǔn)外徑后，初步確定（）4.1.3軛高h(yuǎn)c確定軛高h(yuǎn)c時(shí)，應(yīng)注意以下各點(diǎn)：（1） 軛磁密要合適。（2） 為了使齒部易壓緊，hs/bs應(yīng)大于等于70%（3） 考慮通用沖片，使該沖片用于相臨極數(shù)時(shí)，bc能通過。（4） 考慮材料充分利用，最好能使一大張硅鋼片正好沖完。在最后確定hc、hs后，就可以確定內(nèi)徑d1及和a值，如不合適，可以適當(dāng)調(diào)整。確定了后，就可以確定（鐵心長）了。4.2 性能調(diào)整當(dāng)初步確定各尺寸后，就可按公式核算，核算后有些參數(shù)、性能、溫升等可能不和要求，需要進(jìn)

48、行調(diào)整，下面分別介紹之。4.2.1轉(zhuǎn)子溫升如轉(zhuǎn)子溫升過高，則可加大hm或bm，但需注意線圈在極間不大，（一般應(yīng)留以10mm間隙），一般加大hm效果較好，因?yàn)椋cbe僅成一次方關(guān)系（）。但如hm已等于h2/3，線圈極間也相 而溫升仍高時(shí)，則在轉(zhuǎn)子中已無法解決高的問題了。此時(shí)需降低a及，因而需加大l或（但要注意性能仍要符合要求）或加大定子外徑。對勵(lì)磁機(jī)要求1（a）最大勵(lì)磁電壓umax =1.8ubh（發(fā)電機(jī)）。（b）勵(lì)磁增長速度對一般電機(jī)應(yīng)大于0.8ubh/秒。（c）最低勵(lì)磁電壓：對發(fā)電機(jī)為0.8ibminrb15（ibmin為欠激運(yùn)行時(shí)最小勵(lì)磁電流）。4.2.2定子溫升如定子溫升過高，一般可調(diào)

49、整下列數(shù)據(jù)。（1）降低，一般可加厚銅線，銅線加厚引起槽高加深，軛高降低，有時(shí)為了保持bc在一定水平上，可以減少di1。（2）降低a（因而需要加大l），在槽形不變時(shí)，及a皆降低，（比a成正比下降，a與a2成正比下降），但改變a后，要影響性能。（3）加大hs/bs（需增大q值）。第5章 主發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)5.1 額定數(shù)據(jù)及主要尺寸1 額定容量 sn = 500 (kva)2 額定電壓 = 400 (v) 額定相電壓 (y接法)3 額定頻率 f=50hz4 額定轉(zhuǎn)速 5 極數(shù) p=66 功率因數(shù) cosh=0.87 相數(shù) m=38額定效率 =88%9 額定電流 10 絕緣等級定子：f級轉(zhuǎn)子：f級 1

50、1 定子內(nèi)徑滿載電勢標(biāo)幺值：ke=0.0108lnpn-0.013p+0.931=0.0108ln500-0.0136+0.931=0.92計(jì)算功率：3初選計(jì)算極弧系數(shù)為 氣隙磁場波形系數(shù)為 定子基波繞組系數(shù)為 由電機(jī)設(shè)計(jì)圖10-2取a=26000 a/m由電機(jī)設(shè)計(jì)表10-1取b=0.82 tnn=1000 r/min 由電機(jī)設(shè)計(jì)表10-3 按定子內(nèi)外徑比為 di1/d=0.75 則12 定子外徑 d1= di1/( di1/d)=58.71/0.75=78.28 cm13 定子鐵心總長度 k2在中型電機(jī)中取1.581.95定子鐵心有效長度式中：為通風(fēng)道數(shù)，初值選8為通風(fēng)道損失寬度。 查交流電

51、機(jī)設(shè)計(jì)手冊圖1-26可得14 極中心處最小氣隙 15 最大氣隙 初取rp=25.17, bp=27.31當(dāng)時(shí)，波形最好，新系列16 極距 17 定子槽數(shù)q1當(dāng)時(shí)，根據(jù)交流電機(jī)設(shè)計(jì)手冊數(shù)據(jù)參考初選，高斯參考相近電機(jī)：q=4則，定子槽寬主要與及電壓有關(guān)，再新系列電機(jī)中為了減少銅線規(guī)格及工具，采用了標(biāo)準(zhǔn)槽寬。其適用范圍如下：30cm =17.2mm初確定槽寬：18 每極每相槽數(shù) 電壓波形對發(fā)電機(jī)的值有要求，應(yīng)保證3。當(dāng)=3（或接近3的整數(shù)槽時(shí)）最好不用阻尼繞組，可得很好的波形，且線電壓畸變率小。19 每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù) 式中：每槽導(dǎo)體數(shù)，對于雙層繞組； 并聯(lián)路數(shù)。取并聯(lián)路數(shù) a1=6 得每槽導(dǎo)體數(shù) 于是

52、每圈匝數(shù)為4每相串聯(lián)匝數(shù) 定子電流初步估計(jì):功電流： 定子電流： 選定子電密= 計(jì)算導(dǎo)線并繞根數(shù)和每根導(dǎo)線截面積的乘積在附錄2中選 并繞根數(shù)=4：則導(dǎo)線截面積 ac1=8.26 mm2選線規(guī) 厚絕緣聚脂漆包扁線 20 繞組節(jié)距 槽 21 定子電流密度式中s1=33.04 為并繞導(dǎo)線總截面積 s1= 22 定子線負(fù)荷23 定子熱負(fù)荷24 繞組系數(shù)繞組分布系數(shù) 查交流電機(jī)設(shè)計(jì)手冊表1-4，得0.96繞組節(jié)距系數(shù) 查交流電機(jī)設(shè)計(jì)手冊表1-4，得1.025 每相有效串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)26 實(shí)際極弧系數(shù) 一般取值 當(dāng)p=4和6時(shí)式中rp為極靴半徑：又極靴寬鉉長 = 初取 則= 則27 計(jì)算極弧系數(shù) =基波氣隙磁通密度/實(shí)際氣隙磁通密度 查交流電機(jī)設(shè)計(jì)手冊圖1-81得 =ab=1.250.852=1.065為磁場