無(wú)刷三相同步發(fā)電機(jī)培訓(xùn)資料

1、無(wú)刷三相同步發(fā)電機(jī)培訓(xùn)教材一、同步發(fā)電機(jī)的工作原理二、同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)三、同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)四、同步發(fā)電機(jī)的試驗(yàn)一、同步發(fā)電機(jī)的工作原理同步發(fā)電機(jī)就是一個(gè)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成交流電能的電力機(jī)械。發(fā)電機(jī)通過(guò)它內(nèi)部的電磁作用將放置的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能?；鹆Πl(fā)電廠的汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，水電站的水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，船舶上的柴油機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)工作。這其中，汽輪機(jī)、水輪機(jī)、柴油機(jī)都是發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)。它們通過(guò)軸傳輸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。下面要講的內(nèi)容就是同步發(fā)電機(jī)的工作情況以及有關(guān)交流電的一般概念。l 交流發(fā)電機(jī)圖1：發(fā)電機(jī)模型這是一個(gè)同步發(fā)電機(jī)工作原理的示意圖。它的轉(zhuǎn)子是一對(duì)磁極，定子上安放了發(fā)電機(jī)的定子繞

2、組，它有三相的，也有單相的。當(dāng)原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子磁極旋轉(zhuǎn)以后，磁場(chǎng)和線圈產(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，線圈的導(dǎo)體切割了磁力線，因而在線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（簡(jiǎn)稱電勢(shì)），此時(shí)也就是說(shuō)發(fā)電了。這個(gè)電勢(shì)的方向由右手定則決定，電勢(shì)的大小由電勢(shì)公式得：e=Blv式中：B磁通密度； l導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度； v相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的線速度；這個(gè)關(guān)系式表明：若磁極的磁場(chǎng)越強(qiáng)，線圈越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度越快，那么產(chǎn)生電勢(shì)的數(shù)值越大。 e圖2：交流電勢(shì)波形0 t這是一個(gè)隨時(shí)間交變的電勢(shì)。因?yàn)榇艠O在旋轉(zhuǎn)，線圈邊導(dǎo)體所處的磁場(chǎng)位置不斷地變換，從N極變到S極時(shí)電勢(shì)就跟著改變大小和方向，所以說(shuō)是一個(gè)交流電勢(shì)。l 頻率電勢(shì)每鈔鐘內(nèi)變化的次數(shù)稱為頻率，用f表

3、示。如圖1的一對(duì)磁極的電機(jī)（簡(jiǎn)稱一對(duì)極），轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈，導(dǎo)體下的極性變換一次，電勢(shì)也就變化一次，所產(chǎn)生產(chǎn)電勢(shì)波形如圖2所示。所以這個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子每秒鐘旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，也就是線圈電勢(shì)隨時(shí)間交變的頻率。頻率的一般表示式： f=(1/秒)式中：ns轉(zhuǎn)子每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)（轉(zhuǎn)/分） p轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)我國(guó)電力工程的標(biāo)準(zhǔn)頻率為每秒50周，即50赫茲（Hz）。故同步發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)p和轉(zhuǎn)速ns有嚴(yán)格的規(guī)定。表1：轉(zhuǎn)速與極對(duì)數(shù)的關(guān)系（f=50Hz時(shí)）極對(duì)數(shù)p1234568轉(zhuǎn)速ns300015001000750600500375l 交流電的有效值、瞬時(shí)值、最大值和平均值交流電勢(shì)（交流電流）在某一瞬間的數(shù)值稱為瞬時(shí)值。在交變的一周

4、中，下向或負(fù)向最大的瞬時(shí)數(shù)值稱為最大值，也稱幅值。交流的正半周或負(fù)半周內(nèi)各瞬時(shí)值的平均數(shù)值稱為平均值。在實(shí)際應(yīng)用中，交流電的大小常用有效值來(lái)表示，通常所說(shuō)的交流電壓（如380V、220V）及交流電流（如5A、10A）其數(shù)值都是指的有效值。交流電的有效值等于交流電一周中各瞬時(shí)值平方的平均值的平方根，故也稱為均方根值。正弦波交流電的有效值為最大值的1/或0.707倍。其關(guān)系如下：I=Im/=0.707 ImE=Em/=0.707 Em式中： I 交流電流有效值，Im 交流電流最大值，E 交流電壓有效值，Em 交流電壓最大值。l 交流電的電角度和相位差交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)一對(duì)磁極就可以產(chǎn)生交變電

5、動(dòng)勢(shì)的一個(gè)周期的變化。不論其實(shí)際空間角度如何，規(guī)定交流正弦波變化一周的角度為360°電角度（2弧度）。在交流電路中，除了電阻外不包含有電抗（電容和電感），會(huì)使電路中的電壓和電流之間產(chǎn)生相位差（用表示），使電流的變化不與電壓的變化一致，總是滯后或者超前一定的電角度。l 三相交流電的產(chǎn)生（a） （b）e eAeBeCEm0 t 120°240° （c）圖3：電機(jī)模型（a）一對(duì)極 （b）兩對(duì)極 （c）一組電勢(shì)波形在圖3（a）中，重復(fù)了圖1的模型，但增加了一個(gè)線圈B-Y，這個(gè)線圈的位置和原有線圈錯(cuò)開120°角的位置，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)于每個(gè)線圈單獨(dú)來(lái)說(shuō)，都產(chǎn)生一個(gè)

6、交流電勢(shì)，但這兩個(gè)交流電勢(shì)之間有一個(gè)相位差。亦即：B-Y的電勢(shì)最大值出現(xiàn)的時(shí)間要比A-X線圈晚一些，即相差120°的時(shí)間，相位差為120°。同樣在與B-Y相距120°的位置上布置一個(gè)線C-Z，這時(shí)，C-Z與A-X也相差120°，即三個(gè)線圈互差120°。那么就可使得C-Z的電勢(shì)落后B-Y120°。這樣就可以得到一組相位互差120°的三相電勢(shì)，即產(chǎn)生三相交流電（其電勢(shì)波形見圖3(c)所示）。由于引用了電角度，從而使我們對(duì)于任何極對(duì)數(shù)的電機(jī)都可以簡(jiǎn)化成一對(duì)極的電機(jī)來(lái)討論，所以結(jié)論應(yīng)該是：要獲得三相電勢(shì)，就必須在電機(jī)園周上布置一套互

7、相差120°電角度的三個(gè)繞組。若以A、B、C表示相序，以eA、eB、eC表示三相電勢(shì)，以數(shù)學(xué)式表示三個(gè)電勢(shì)為：eA=Emsint eB=Emsin（t-120°） eC=Emsin（t-240°）式中：Em正弦波電勢(shì)的振幅；電勢(shì)的角頻率，=2f（弧度/秒）l 三相交流電的功率、功率因數(shù)在交流電路中，交流電的功率一般常用平均功率P來(lái)表示。平均功率就是指在一個(gè)周期內(nèi)瞬時(shí)功率的平均值。在純電阻的電路中： P=UI=I2R=U2/R在具有電抗的交流電路中：a 電壓與電流有效值的乘積，稱為交流電的視在功率或稱總功率，用S來(lái)表示：S=UI（伏安）b 電流在電阻中消耗的功率稱為

8、交流電的有功功率（P）：P=URI（瓦）c 電流與電抗電壓降UL的乘積稱為交流電的無(wú)功功率（Q）：Q=ULI（乏）d 視在功率、有功功率、無(wú)功功率之間的關(guān)系為：S2=Q2+P2在正弦交流電路中，有功功率與視在功率的比值或負(fù)載電阻R與總阻抗Z的比值為一因數(shù)，這一因數(shù)稱為功率因數(shù)（cos）。cos=P/S=UR/U=R/ZP=UI cos功率因數(shù)的最大值為1（純電阻性電路），線路中電壓和電流的相位一致。功率因數(shù)的最小值為0（純電感性或純電容電路），電壓和電流的相位差為90°或-90°。以上介紹的單相電路的情況，三相電路的總功率P（有功功率）等于單相電路的有功功率的三倍，即：P=

9、3UXNIXN cos式中：UXN相電壓的有效值，IXN相電流的有效值，相電壓和相電流的相位差。在電路中，測(cè)量線電壓UX和線電流IX較為方便，所以通常發(fā)電機(jī)端的線電壓UX和供給負(fù)載的線電流IX來(lái)計(jì)算功率，在三相電路中通常所說(shuō)的電壓和電流都是指線電壓和線電流。當(dāng)負(fù)載作星形連接時(shí)： IX= IXN ， UX= UXN則： P=3×1/ UX IX cos= UX IX cos S= UX IX當(dāng)負(fù)載作三角形連接時(shí)： IX= IXN UX = UXN則： P=3 UX×1/ IX cos= UX IX cosS= UX IX由此可見，在三相電路中，無(wú)論是星形或者三角形接法，計(jì)算總

10、功率的公式都是相同的。在交流發(fā)電機(jī)中一般很少采用三角形接法，大多采用星形接法。二、同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 從結(jié)構(gòu)上講，發(fā)電機(jī)是由定子和轉(zhuǎn)子組成的。 發(fā)電機(jī)都是由：建立磁場(chǎng)的磁極，產(chǎn)生感應(yīng)變電動(dòng)勢(shì)的電樞和支持基礎(chǔ)的機(jī)殼以及傳導(dǎo)電流的附屬裝置（有刷電機(jī)有滑環(huán)和電刷，無(wú)刷電機(jī)有交流勵(lì)磁機(jī)）等組成。l 交流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)基本型式交流發(fā)電機(jī)的基本型式分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)式兩種。一般交流發(fā)電機(jī)多數(shù)采用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)式結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)式交流發(fā)電機(jī)，磁極是旋轉(zhuǎn)的，電樞是固定的。電樞繞組嵌置在固定的槽子里，分布在定子的整個(gè)園周上，因此有較多的空間位置來(lái)安置電樞繞組的線圈和絕緣，可以不經(jīng)過(guò)其它裝置而直接送往外電路，所以絕緣能力

11、和機(jī)械強(qiáng)度較好，而且安全可靠。此次著重討論這種結(jié)構(gòu)形式的電機(jī)。磁極上繞有勵(lì)磁繞組，發(fā)電機(jī)所需勵(lì)磁電流通過(guò)電刷和滑環(huán)引入勵(lì)磁繞組，一般勵(lì)磁電壓較低（幾十伏），勵(lì)磁電流較小，與轉(zhuǎn)樞式結(jié)構(gòu)相比，勵(lì)磁電流通過(guò)滑環(huán)和電刷時(shí)所產(chǎn)生的火花要小得多。磁極上繞有勵(lì)磁繞組，勵(lì)磁繞組的電流供給方式有多種。這里我們只介紹由定子內(nèi)的諧波繞組引出，通過(guò)交流勵(lì)磁機(jī)供給勵(lì)磁繞組電流。l 小型同步發(fā)電機(jī)的構(gòu)造圖4：三相同步發(fā)電機(jī)總裝圖三相交流同步發(fā)電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、風(fēng)扇、前后端蓋、出線盒等組成。圖4為我公司生產(chǎn)的一種三相同步發(fā)電機(jī)的總裝圖。定子：由機(jī)座、定子鐵心、定子繞組等組成，用以產(chǎn)生三相交流電；轉(zhuǎn)子：由軸、磁極、磁軛、磁極

12、繞組、平衡環(huán)、軸承等組成，用以產(chǎn)生磁通；風(fēng)扇：用以加強(qiáng)電機(jī)的軸間通風(fēng)；前后端蓋：支撐前后軸承，將電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子固定為一體；出線盒：裝在發(fā)電機(jī)機(jī)座面上，盒內(nèi)裝有引接線栓頭。l 同步發(fā)電機(jī)的銘牌在電機(jī)外殼上，釘有一塊銘牌。銘牌上標(biāo)明發(fā)電機(jī)的一系列數(shù)據(jù)，表明發(fā)電機(jī)的性能，是正確使用發(fā)電機(jī)的主要依據(jù)?，F(xiàn)將主要項(xiàng)目介紹如下：額定功率：表示發(fā)電機(jī)輸出交流電做功的能力。常用有功功率表示，單位是千瓦；額定電壓和電流：指發(fā)電機(jī)線電壓和線電流的有效值；功率因數(shù)：表示發(fā)電機(jī)做功能力的利用率；頻率和轉(zhuǎn)速：同步發(fā)電機(jī)的頻率、轉(zhuǎn)速和磁極對(duì)數(shù)間的關(guān)系為f=pns/60。國(guó)家規(guī)定，一般交流發(fā)電機(jī)的輸出頻率為50赫茲。勵(lì)磁電

13、壓和電流：在保證輸出交流額定值時(shí)所需要的磁場(chǎng)勵(lì)磁電壓和電流。絕緣等級(jí)：電機(jī)所用絕緣材料的等級(jí)。因其所用絕緣材料不同，其允許使用溫度也不同。表2：絕緣材料等級(jí)及其允許工作溫度等級(jí)AEBFHC溫度（）105120130155180180以上三、同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，就是導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。從它的結(jié)構(gòu)上看，轉(zhuǎn)子是用來(lái)建立磁場(chǎng)的，定子是用來(lái)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的，定子和轉(zhuǎn)子之間沒有機(jī)械的或電的連接，只有磁的聯(lián)系，利用磁的聯(lián)系傳遞能量、轉(zhuǎn)換能量。如果轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中通過(guò)直流電，轉(zhuǎn)子鐵心便成為電磁鐵，形成若干對(duì)磁極，叫做發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子主磁極。由主磁極產(chǎn)生的磁通

14、，從轉(zhuǎn)子N極出來(lái)，經(jīng)過(guò)氣隙、定子鐵心、氣隙，進(jìn)入轉(zhuǎn)子S極而構(gòu)成回 圖5：凸極式同步發(fā)電機(jī)磁路路，這條路徑就是發(fā)電機(jī)的主磁路。由上述可知，要使發(fā)電機(jī)運(yùn)行發(fā)電，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組必須要通以直流電，由于磁極是旋轉(zhuǎn)的，如何才能將直流電供給磁極繞組，這就是我們下面要討論的問(wèn)題。l 勵(lì)磁系統(tǒng)向同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組供給勵(lì)磁電流的裝置，就叫做同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)。同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式按其勵(lì)磁功率產(chǎn)生的方式分為自勵(lì)式和他勵(lì)式。自勵(lì)式是利用整流器將發(fā)電機(jī)本身發(fā)出的交流電（或諧波繞組、附加繞組產(chǎn)生的交流電）經(jīng)過(guò)整流后送入勵(lì)磁繞組。他勵(lì)式是發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁功率取自于另外的電源。l 無(wú)刷勵(lì)磁方式無(wú)刷勵(lì)磁方式就是在同步發(fā)電機(jī)同軸裝

15、有交流勵(lì)磁機(jī)和整流器，轉(zhuǎn)子上無(wú)需電刷，滑環(huán)和換向器等部件。無(wú)刷勵(lì)磁方式原理圖如圖6無(wú)刷勵(lì)磁方式具有結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)方便，對(duì)通訊干擾小等優(yōu)點(diǎn)。l 三次諧波勵(lì)磁方式A、原理：我們知道，通常的凸極同步發(fā)電機(jī)其磁密的空間波形并非正弦形。除基波外，存在一系列的高次諧波，其中三次諧波能量較大。三次諧波勵(lì)磁發(fā)電 圖6：無(wú)刷勵(lì)磁方式原理圖機(jī)就是把三次諧波的能量引出來(lái)，作為發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源。 （a） （b）圖7：三次諧波勵(lì)磁原理接線圖（a）有刷發(fā)電機(jī)（b）無(wú)刷發(fā)電機(jī) 1定子主繞組2勵(lì)磁繞組3三次諧波繞組 4整流器5勵(lì)磁機(jī)磁極繞組6勵(lì)磁機(jī)電樞繞組B、三次諧波繞組在定子槽中的布置必須滿足兩個(gè)條件： 繞組節(jié)距應(yīng)為磁極的

16、三分之一； 在每一對(duì)磁極極距的范圍內(nèi)，三次諧波線圈應(yīng)對(duì)稱布置。滿足了這兩個(gè)條件，就可以避免三次諧波繞組輸出基波或其它高次諧波。C、三次諧波勵(lì)磁方式的主要優(yōu)點(diǎn)： 與主繞組無(wú)電的聯(lián)系，是一個(gè)低壓繞組。只用那么幾圈諧波繞組和幾只整流元件，甩掉了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造和維護(hù)都較麻煩的直流勵(lì)磁機(jī)，運(yùn)行可靠，通用性強(qiáng)，縱特別簡(jiǎn)單。 穩(wěn)態(tài)和靜態(tài)性能都較好。 配上電壓調(diào)節(jié)器（AVR），電壓調(diào)整率可±3%，有的可以±1%，適用于一些要求比較高的移動(dòng)電站。D、主要缺點(diǎn)：發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，因外特性不一致等原因，出現(xiàn)中線電流大和負(fù)載分配不穩(wěn)定等現(xiàn)象。目前這種現(xiàn)象通過(guò)外圍控制系統(tǒng)已得到很好的解決。四、同步發(fā)

17、電機(jī)的試驗(yàn)l 基本物理量的測(cè)量A、 絕緣電阻R熱態(tài)=（兆歐）按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1032規(guī)定，繞組額定電壓在500伏以下的用500伏的兆歐表，額定電壓在5003000伏的用1000伏的兆歐表，3000伏及以上的用2500伏兆歐表測(cè)量。從式中可看出，R熱近似等于Vn/100兆歐。額定電壓Vn=400伏的三相同步發(fā)電機(jī)，其絕緣電阻在熱態(tài)時(shí)應(yīng)不低于0.4兆歐。B、 繞組直流電阻的測(cè)量測(cè)量方法有兩種： 電橋測(cè)量：用雙臂電橋或單臂電橋。 伏安法：用電流表和電壓表。歐姆定律計(jì)算。C、 電壓、電流及功率的測(cè)量用電壓表、電流表和瓦特表測(cè)量。儀表量程應(yīng)在許可范圍內(nèi)，否則應(yīng)加接互感器。l 同步發(fā)電機(jī)基本特性的測(cè)定同步發(fā)

18、電機(jī)的試驗(yàn)應(yīng)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1029三相同步電機(jī)試驗(yàn)方法的規(guī)定進(jìn)行。A、 空載特性測(cè)定同步電機(jī)的空載特性就是電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)空載電樞電壓與勵(lì)磁電流的關(guān)系曲線。B、 三相穩(wěn)態(tài)短路特性測(cè)定同步電機(jī)的三相穩(wěn)態(tài)短路特性是電樞繞組三相短路時(shí)的穩(wěn)態(tài)短路電流與勵(lì)磁電流的曲線。C、 自勵(lì)恒壓發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整性能試驗(yàn) 檢查電壓整定范圍：±5%Vn 穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率測(cè)定：n=×100% 冷熱態(tài)電壓變化測(cè)定：試驗(yàn)時(shí)，環(huán)境溫度的變化應(yīng)不大于10。 發(fā)電機(jī)的電壓波形正弦性畸變率：理想的波形是正弦波，但實(shí)際上發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)中含有三次及以上的高次諧波，因此發(fā)電機(jī)的電壓波形產(chǎn)生正弦性畸變。通常要求電站在空載額定電壓時(shí)，線電壓波形正弦畸變率不大于10%。畸變率大，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重、溫升高、絕緣老化，影響正常工作。 三相負(fù)載不平衡 負(fù)載不平衡將導(dǎo)致三相繞組供電流的不平衡，使線電壓間產(chǎn)生相位差，同時(shí)使發(fā)電機(jī)發(fā)熱和振動(dòng)，對(duì)設(shè)備不利。 一般規(guī)定：三相發(fā)電機(jī)的任一相電流都不應(yīng)超過(guò)額定值，各相電流不平衡度在不超過(guò)25%額定電流時(shí)，其線電壓的最大值（或最小值）與三相線電壓平均值之差不應(yīng)超過(guò)三相線電壓平均值5%。 直接起動(dòng)空載鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的能力發(fā)電機(jī)起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，由于起動(dòng)電流很大以及異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)低的影響，使發(fā)電機(jī)端電壓顯著下降，這時(shí)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)必須強(qiáng)行勵(lì)磁。表