《相交流同步發(fā)電機(jī)》課件

相交流同步發(fā)電機(jī)相交流同步發(fā)電機(jī)是一種電力設(shè)備，用于將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。它利用磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)來(lái)產(chǎn)生交流電。這些發(fā)電機(jī)廣泛應(yīng)用于電力生產(chǎn)，例如發(fā)電廠和風(fēng)力渦輪機(jī)。課程大綱相交流同步發(fā)電機(jī)的定義講解相交流同步發(fā)電機(jī)的基本概念和工作原理，闡述其在電力系統(tǒng)中的重要作用。相交流同步發(fā)電機(jī)的組成介紹同步發(fā)電機(jī)的主要部件，包括定子、轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁系統(tǒng)，并說(shuō)明各部分的功能和工作原理。性能指標(biāo)分析同步發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)，如電壓、電流、功率、效率、功率因數(shù)等，并探討其影響因素。并網(wǎng)運(yùn)行分析研究同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的特性，包括電壓調(diào)節(jié)、功率分配、同步運(yùn)行穩(wěn)定性等。相交流同步發(fā)電機(jī)定義相交流同步發(fā)電機(jī)是一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。它是一種同步電機(jī)，其轉(zhuǎn)子速度與輸出電壓頻率同步。同步發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件包括定子、轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁系統(tǒng)。定子繞組產(chǎn)生電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)切割磁力線，從而感應(yīng)出電流。勵(lì)磁系統(tǒng)通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓。相交流同步發(fā)電機(jī)的組成定子定子是同步發(fā)電機(jī)的主要靜止部分，由定子鐵芯、定子繞組、定子端蓋等組成。定子鐵芯由疊壓的硅鋼片構(gòu)成，其上繞制著三相定子繞組，定子繞組是產(chǎn)生三相交流電的部位。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子是同步發(fā)電機(jī)的主要旋轉(zhuǎn)部分，由轉(zhuǎn)子鐵芯、勵(lì)磁繞組、轉(zhuǎn)子端蓋等組成。轉(zhuǎn)子鐵芯由鍛鋼或鑄鋼制成，其上繞制著勵(lì)磁繞組，勵(lì)磁繞組在直流電流的作用下產(chǎn)生磁場(chǎng)。軸承軸承是支撐轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的部件，它能減小轉(zhuǎn)子的摩擦力，使轉(zhuǎn)子能夠平穩(wěn)、可靠地運(yùn)行。冷卻系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)是用來(lái)降低同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的熱量，保證其安全運(yùn)行的必要系統(tǒng)。電樞繞組電樞繞組是同步發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的關(guān)鍵部件。它通常由多根導(dǎo)線組成，并繞在定子鐵芯上。電樞繞組的設(shè)計(jì)和類型會(huì)影響發(fā)電機(jī)的輸出電壓、電流和功率等性能。勵(lì)磁繞組勵(lì)磁繞組的作用勵(lì)磁繞組是同步發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部分，為轉(zhuǎn)子提供直流電流，產(chǎn)生磁場(chǎng)，使定子產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。勵(lì)磁繞組的結(jié)構(gòu)勵(lì)磁繞組通常由絕緣銅線繞制，固定在轉(zhuǎn)子鐵芯上，并通過(guò)滑環(huán)和電刷連接到勵(lì)磁電源。轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心由疊壓的硅鋼片構(gòu)成，具有良好的磁導(dǎo)率，用于集中磁場(chǎng)并引導(dǎo)磁力線。磁極磁極由磁極鐵心和勵(lì)磁繞組組成，產(chǎn)生磁場(chǎng)，切割定子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。軸承軸承用于支撐轉(zhuǎn)子，降低轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦力，保證轉(zhuǎn)子平穩(wěn)運(yùn)行。風(fēng)扇風(fēng)扇用于散熱，降低轉(zhuǎn)子運(yùn)行溫度，防止過(guò)熱導(dǎo)致?lián)p壞。轉(zhuǎn)子的類型突極式轉(zhuǎn)子突極式轉(zhuǎn)子是傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子類型，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。非突極式轉(zhuǎn)子非突極式轉(zhuǎn)子也稱為圓柱形轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)子表面光滑，具有結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、運(yùn)行穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。突極式轉(zhuǎn)子突極式轉(zhuǎn)子是同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的一種常見結(jié)構(gòu)。它具有突出的磁極，每個(gè)磁極上都繞有勵(lì)磁繞組。勵(lì)磁繞組通電后，在磁極上產(chǎn)生磁場(chǎng)，切割定子繞組，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。突極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，但轉(zhuǎn)子慣性大，起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，且轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。因此，突極式轉(zhuǎn)子主要用于大型水力發(fā)電機(jī)和一些小型發(fā)電機(jī)中。非突極式轉(zhuǎn)子非突極式轉(zhuǎn)子廣泛應(yīng)用于大型發(fā)電機(jī)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，運(yùn)行穩(wěn)定。非突極式轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布均勻，減少齒槽效應(yīng)，提高發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)，降低發(fā)電機(jī)損耗。非突極式轉(zhuǎn)子主要由圓柱形鐵芯、勵(lì)磁繞組和轉(zhuǎn)子繞組組成，并通過(guò)通電勵(lì)磁繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)工作。性能指標(biāo)1額定功率指發(fā)電機(jī)在額定電壓、頻率、功率因數(shù)下所能輸出的最大功率。2額定電壓發(fā)電機(jī)在額定負(fù)荷下輸出的電壓。3額定電流發(fā)電機(jī)在額定負(fù)荷下輸出的電流。4額定轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)在額定負(fù)荷下運(yùn)行的轉(zhuǎn)速。定子電壓方程1定子電壓方程定子電壓等于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電樞電阻壓降之和2感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)定子繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)3電樞電阻壓降定子繞組電阻引起的壓降定子電壓方程是分析同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是定子繞組切割磁力線產(chǎn)生的。電樞電阻壓降是定子繞組電流流過(guò)電阻產(chǎn)生的。磁鏈方程1定子磁鏈定子繞組磁鏈由轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和定子電流產(chǎn)生2轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)子磁鏈由勵(lì)磁繞組電流產(chǎn)生3磁鏈方程定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈之間存在耦合關(guān)系4耦合系數(shù)耦合系數(shù)反映了定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈之間的相互影響程度磁鏈方程是描述同步發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)分布的重要公式，可以用來(lái)分析發(fā)電機(jī)的工作特性。電樞電流方程1電樞電流方程電樞電流方程描述了電樞電流與電壓、磁場(chǎng)強(qiáng)度和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。2電流方向電樞電流方向取決于電樞磁場(chǎng)和定子磁場(chǎng)的方向，根據(jù)右手定則可以確定。3影響因素電樞電流受定子電壓、轉(zhuǎn)速、磁場(chǎng)強(qiáng)度和電樞電阻等因素影響，電流大小會(huì)隨著這些因素的變化而改變。轉(zhuǎn)子電流方程轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子電流是同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中的電流，它在勵(lì)磁繞組中流動(dòng)。勵(lì)磁繞組勵(lì)磁繞組是安裝在轉(zhuǎn)子上的繞組，用于產(chǎn)生磁場(chǎng)，并為定子繞組提供磁場(chǎng)。磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)子電流大小會(huì)直接影響轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而影響同步發(fā)電機(jī)的輸出電壓。電流方程轉(zhuǎn)子電流方程描述了轉(zhuǎn)子電流與勵(lì)磁電壓、轉(zhuǎn)子電阻和轉(zhuǎn)子磁鏈之間的關(guān)系。輸出功率方程1公式表示同步發(fā)電機(jī)的輸出功率可以通過(guò)公式P=UIcosφ計(jì)算，其中U為定子電壓，I為定子電流，cosφ為功率因數(shù)。2功率因數(shù)功率因數(shù)表示輸出功率與視在功率的比值，反映了電能的利用率，功率因數(shù)越高，電能利用率越高。3功率損耗輸出功率并非全部傳遞到負(fù)載，一部分會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量，例如定子銅損、轉(zhuǎn)子銅損等。機(jī)械功率方程1輸入功率機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能2輸出功率發(fā)電機(jī)輸出到電網(wǎng)3損耗功率摩擦、風(fēng)力等損耗機(jī)械功率方程描述了同步發(fā)電機(jī)機(jī)械輸入功率與電氣輸出功率之間的關(guān)系。機(jī)械功率是指驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的功率，而電氣輸出功率是指發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能。機(jī)械功率方程可以用來(lái)計(jì)算發(fā)電機(jī)的效率。轉(zhuǎn)矩方程轉(zhuǎn)矩平衡同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩等于機(jī)械轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩由定子電流和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生。機(jī)械轉(zhuǎn)矩機(jī)械轉(zhuǎn)矩由原動(dòng)機(jī)提供，用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。負(fù)載特性分析負(fù)載特性曲線負(fù)載特性曲線是反映發(fā)電機(jī)輸出電壓隨負(fù)載電流變化的規(guī)律。發(fā)電機(jī)運(yùn)行不同負(fù)載下的發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)不同，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。負(fù)載變化負(fù)載變化會(huì)影響發(fā)電機(jī)電壓、電流、頻率等參數(shù)，需要進(jìn)行相應(yīng)的控制。無(wú)功功率補(bǔ)償電網(wǎng)無(wú)功功率平衡無(wú)功功率補(bǔ)償是保證電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的關(guān)鍵。它通過(guò)增加電網(wǎng)的無(wú)功功率來(lái)改善電壓水平，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。提高電力系統(tǒng)效率無(wú)功功率補(bǔ)償可以減少傳輸線路上的無(wú)功功率損耗，從而提高電力系統(tǒng)的效率，降低電能損耗。改善設(shè)備運(yùn)行狀況無(wú)功功率補(bǔ)償可以降低設(shè)備的運(yùn)行電流，減小設(shè)備的發(fā)熱量，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。并網(wǎng)運(yùn)行分析同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，必須滿足電壓、頻率和相位等條件才能穩(wěn)定運(yùn)行。電壓和頻率的偏差將影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性，相位不一致會(huì)造成電流沖擊，損壞設(shè)備。同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，同步發(fā)電機(jī)電壓、頻率和相位必須與電網(wǎng)一致。此外，同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也應(yīng)與電網(wǎng)頻率一致，才能確保同步運(yùn)行。并網(wǎng)協(xié)調(diào)控制11.電壓控制發(fā)電機(jī)電壓穩(wěn)定，確保電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，并與其他發(fā)電機(jī)電壓同步。22.頻率控制調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，保持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，并與其他發(fā)電機(jī)頻率同步。33.無(wú)功功率控制調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，控制發(fā)電機(jī)無(wú)功功率輸出，確保電網(wǎng)無(wú)功功率平衡。44.功率控制調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出功率，根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷需求進(jìn)行調(diào)整，保證電網(wǎng)供電可靠性。發(fā)電機(jī)調(diào)速控制穩(wěn)定運(yùn)行調(diào)速控制系統(tǒng)可以保持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，確保頻率穩(wěn)定，為電網(wǎng)提供穩(wěn)定電力。功率分配通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，可以控制發(fā)電機(jī)的輸出功率，滿足電網(wǎng)的負(fù)荷需求。保護(hù)系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速異常時(shí)，會(huì)及時(shí)采取保護(hù)措施，防止發(fā)電機(jī)過(guò)載或損壞。勵(lì)磁控制電壓調(diào)節(jié)勵(lì)磁控制用于調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出電壓，滿足電網(wǎng)電壓要求。功率因數(shù)調(diào)節(jié)通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，可以改善發(fā)電機(jī)功率因數(shù)，提高發(fā)電效率。勵(lì)磁電流控制勵(lì)磁電流控制系統(tǒng)確保發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流穩(wěn)定，防止勵(lì)磁過(guò)流或過(guò)低。勵(lì)磁穩(wěn)定勵(lì)磁控制系統(tǒng)可以防止勵(lì)磁系統(tǒng)因故障或干擾而失穩(wěn)，確保發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。勵(lì)磁系統(tǒng)渦流式勵(lì)磁機(jī)渦流式勵(lì)磁機(jī)是一種利用渦流效應(yīng)產(chǎn)生勵(lì)磁電流的裝置，主要用于小型同步發(fā)電機(jī)。整流式勵(lì)磁機(jī)整流式勵(lì)磁機(jī)利用整流裝置將直流勵(lì)磁電流轉(zhuǎn)換為交流勵(lì)磁電流，廣泛應(yīng)用于大型同步發(fā)電機(jī)。靜止式勵(lì)磁系統(tǒng)靜止式勵(lì)磁系統(tǒng)使用電力電子器件實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁控制，具有體積小、效率高、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。勵(lì)磁機(jī)的類型直流勵(lì)磁機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，但體積較大，效率較低。主要用于較小容量的發(fā)電機(jī)，且需定期維護(hù)。交流勵(lì)磁機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，但效率更高，體積更小。主要用于大型發(fā)電機(jī)，且維護(hù)量較少。勵(lì)磁機(jī)的選型11.發(fā)電機(jī)類型同步發(fā)電機(jī)的類型決定勵(lì)磁機(jī)的類型，例如突極式發(fā)電機(jī)通常使用直流勵(lì)磁機(jī)。22.發(fā)電機(jī)容量勵(lì)磁機(jī)容量與發(fā)電機(jī)容量成正比，容量越大，勵(lì)磁機(jī)容量也越大。33.運(yùn)行條件運(yùn)行條件包括電壓、電流、頻率等，會(huì)影響勵(lì)磁機(jī)的選擇，例如高電壓運(yùn)行需要選擇高耐壓勵(lì)磁機(jī)。44.經(jīng)濟(jì)性成本、效率、維護(hù)等方面需要綜合考慮，選擇性價(jià)比高的勵(lì)磁機(jī)。渦流式勵(lì)磁機(jī)渦流式勵(lì)磁機(jī)是一種無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)，它通過(guò)轉(zhuǎn)子上的渦流感應(yīng)磁場(chǎng)，為發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電流。渦流式勵(lì)磁機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需電刷，可靠性高，但效率較低，勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)范圍較小，應(yīng)用較少。整流式勵(lì)磁機(jī)整流式勵(lì)磁機(jī)是利用半導(dǎo)體元件將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，為同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組提供直流勵(lì)磁電流。整流式勵(lì)磁機(jī)具有效率高、體積小、重量輕、易于調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。整流式勵(lì)磁機(jī)主要由勵(lì)磁發(fā)電機(jī)、整流器、控制系統(tǒng)等組成。勵(lì)磁發(fā)電機(jī)通常采用小型同步發(fā)電機(jī)，由