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无刷三相同步发电机培训教材一、同步发电机的工作原理二、同步发电机的结构三、同步发电机的励磁系统四、同步发电机的试验一、同步发电机的工作原理 同步发电机就是一个将机械能转换成交流电能的电力机械。发电机通过它内部的电磁作用将放置的机械能转换成电能。火力发电厂的汽轮机带动发电机旋转，水电站的水轮机带动发电机转动，船舶上的柴油机拖动发电机工作。这其中，汽轮机、水轮机、柴油机都是发电机的原动机。它们通过轴传输带动发电机旋转的机械能。下面要讲的内容就是同步发电机的工作情况以及有关交流电的一般概念。l 交流发电机图1：发电机模型这是一个同步发电机工作原理的示意图。它的转子是一对磁极，定子上安放了发电机的定子绕组，它有三相的，也有单相的。当原动机带动转子磁极旋转以后，磁场和线圈产生了相对运动，线圈的导体切割了磁力线，因而在线圈中产生了感应电动势（简称电势），此时也就是说发电了。这个电势的方向由右手定则决定，电势的大小由电势公式得：e=Blv式中：B磁通密度； l导体的有效长度； v相对运动时的线速度；这个关系式表明：若磁极的磁场越强，线圈越长，转子的旋转速度越快，那么产生电势的数值越大。 e 图2：交流电势波形0 t这是一个随时间交变的电势。因为磁极在旋转，线圈边导体所处的磁场位置不断地变换，从N极变到S极时电势就跟着改变大小和方向，所以说是一个交流电势。l 频率电势每钞钟内变化的次数称为频率，用f表示。如图1的一对磁极的电机（简称一对极），转子转一圈，导体下的极性变换一次，电势也就变化一次，所产生产电势波形如图2所示。所以这个电机的转子每秒钟旋转的转速，也就是线圈电势随时间交变的频率。频率的一般表示式： f=(1/秒)式中：ns转子每分钟的转数（转/分） p转子的极对数我国电力工程的标准频率为每秒50周，即50赫兹（Hz）。故同步发电机的极对数p和转速ns有严格的规定。表1：转速与极对数的关系（f=50Hz时）极对数p1234568转速ns300015001000750600500375l 交流电的有效值、瞬时值、最大值和平均值交流电势（交流电流）在某一瞬间的数值称为瞬时值。在交变的一周中，下向或负向最大的瞬时数值称为最大值，也称幅值。交流的正半周或负半周内各瞬时值的平均数值称为平均值。在实际应用中，交流电的大小常用有效值来表示，通常所说的交流电压（如380V、220V）及交流电流（如5A、10A）其数值都是指的有效值。交流电的有效值等于交流电一周中各瞬时值平方的平均值的平方根，故也称为均方根值。正弦波交流电的有效值为最大值的1/或0.707倍。其关系如下：I=Im/=0.707 ImE=Em/=0.707 Em式中： I 交流电流有效值，Im 交流电流最大值，E 交流电压有效值，Em 交流电压最大值。l 交流电的电角度和相位差交流发电机的转子旋转经过一对磁极就可以产生交变电动势的一个周期的变化。不论其实际空间角度如何，规定交流正弦波变化一周的角度为360电角度（2弧度）。在交流电路中，除了电阻外不包含有电抗（电容和电感），会使电路中的电压和电流之间产生相位差（用表示），使电流的变化不与电压的变化一致，总是滞后或者超前一定的电角度。l 三相交流电的产生（a） （b）e eA eB eC Em0 t 120240 （c）图3：电机模型（a）一对极 （b）两对极 （c）一组电势波形在图3（a）中，重复了图1的模型，但增加了一个线圈B-Y，这个线圈的位置和原有线圈错开120角的位置，当转子旋转时，对于每个线圈单独来说，都产生一个交流电势，但这两个交流电势之间有一个相位差。亦即：B-Y的电势最大值出现的时间要比A-X线圈晚一些，即相差120的时间，相位差为120。同样在与B-Y相距120的位置上布置一个线C-Z，这时，C-Z与A-X也相差120，即三个线圈互差120。那么就可使得C-Z的电势落后B-Y120。这样就可以得到一组相位互差120的三相电势，即产生三相交流电（其电势波形见图3(c)所示）。由于引用了电角度，从而使我们对于任何极对数的电机都可以简化成一对极的电机来讨论，所以结论应该是：要获得三相电势，就必须在电机园周上布置一套互相差120电角度的三个绕组。若以A、B、C表示相序，以eA、eB、eC表示三相电势，以数学式表示三个电势为：eA=Emsint eB=Emsin（t-120） eC=Emsin（t-240）式中：Em正弦波电势的振幅； 电势的角频率，=2f（弧度/秒）l 三相交流电的功率、功率因数在交流电路中，交流电的功率一般常用平均功率P来表示。平均功率就是指在一个周期内瞬时功率的平均值。在纯电阻的电路中： P=UI=I2R=U2/R在具有电抗的交流电路中：a 电压与电流有效值的乘积，称为交流电的视在功率或称总功率，用S来表示：S=UI（伏安）b 电流在电阻中消耗的功率称为交流电的有功功率（P）：P=URI（瓦）c 电流与电抗电压降UL的乘积称为交流电的无功功率（Q）：Q=ULI（乏）d 视在功率、有功功率、无功功率之间的关系为：S2=Q2+P2在正弦交流电路中，有功功率与视在功率的比值或负载电阻R与总阻抗Z的比值为一因数，这一因数称为功率因数（cos）。cos=P/S=UR/U=R/ZP=UI cos功率因数的最大值为1（纯电阻性电路），线路中电压和电流的相位一致。功率因数的最小值为0（纯电感性或纯电容电路），电压和电流的相位差为90或-90。以上介绍的单相电路的情况，三相电路的总功率P（有功功率）等于单相电路的有功功率的三倍，即：P=3UXNIXN cos式中：UXN相电压的有效值，IXN相电流的有效值，相电压和相电流的相位差。在电路中，测量线电压UX和线电流IX较为方便，所以通常发电机端的线电压UX和供给负载的线电流IX来计算功率，在三相电路中通常所说的电压和电流都是指线电压和线电流。当负载作星形连接时： IX= IXN ， UX= UXN 则： P=31/ UX IX cos= UX IX cos S= UX IX当负载作三角形连接时： IX= IXN UX = UXN 则： P=3 UX1/ IX cos= UX IX cosS= UX IX由此可见，在三相电路中，无论是星形或者三角形接法，计算总功率的公式都是相同的。在交流发电机中一般很少采用三角形接法，大多采用星形接法。二、同步发电机的结构 从结构上讲，发电机是由定子和转子组成的。 发电机都是由：建立磁场的磁极，产生感应变电动势的电枢和支持基础的机壳以及传导电流的附属装置（有刷电机有滑环和电刷，无刷电机有交流励磁机）等组成。l 交流发电机结构基本型式交流发电机的基本型式分为旋转电枢式和旋转磁场式两种。一般交流发电机多数采用旋转磁场式结构。旋转磁场式交流发电机，磁极是旋转的，电枢是固定的。电枢绕组嵌置在固定的槽子里，分布在定子的整个园周上，因此有较多的空间位置来安置电枢绕组的线圈和绝缘，可以不经过其它装置而直接送往外电路，所以绝缘能力和机械强度较好，而且安全可靠。此次着重讨论这种结构形式的电机。磁极上绕有励磁绕组，发电机所需励磁电流通过电刷和滑环引入励磁绕组，一般励磁电压较低（几十伏），励磁电流较小，与转枢式结构相比，励磁电流通过滑环和电刷时所产生的火花要小得多。磁极上绕有励磁绕组，励磁绕组的电流供给方式有多种。这里我们只介绍由定子内的谐波绕组引出，通过交流励磁机供给励磁绕组电流。l 小型同步发电机的构造 图4：三相同步发电机总装图三相交流同步发电机由定子、转子、风扇、前后端盖、出线盒等组成。图4为我公司生产的一种三相同步发电机的总装图。定子：由机座、定子铁心、定子绕组等组成，用以产生三相交流电；转子：由轴、磁极、磁轭、磁极绕组、平衡环、轴承等组成，用以产生磁通；风扇：用以加强电机的轴间通风；前后端盖：支撑前后轴承，将电机的定子和转子固定为一体；出线盒：装在发电机机座面上，盒内装有引接线栓头。l 同步发电机的铭牌在电机外壳上，钉有一块铭牌。铭牌上标明发电机的一系列数据，表明发电机的性能，是正确使用发电机的主要依据。现将主要项目介绍如下：额定功率：表示发电机输出交流电做功的能力。常用有功功率表示，单位是千瓦；额定电压和电流：指发电机线电压和线电流的有效值；功率因数：表示发电机做功能力的利用率；频率和转速：同步发电机的频率、转速和磁极对数间的关系为f=pns/60。国家规定，一般交流发电机的输出频率为50赫兹。励磁电压和电流：在保证输出交流额定值时所需要的磁场励磁电压和电流。绝缘等级：电机所用绝缘材料的等级。因其所用绝缘材料不同，其允许使用温度也不同。表2：绝缘材料等级及其允许工作温度等级AEBFHC温度（）105120130155180180以上三、同步发电机的励磁系统同步发电机是根据电磁感应原理工作的，简单说来，就是导体在磁场中运动产生感应电动势。从它的结构上看，转子是用来建立磁场的，定子是用来产生感应电动势的，定子和转子之间没有机械的或电的连接，只有磁的联系，利用磁的联系传递能量、转换能量。如果转子励磁绕组中通过直流电，转子铁心便成为电磁铁，形成若干对磁极，叫做发电机的转子主磁极。由主磁极产生的磁通，从转子N极出来，经过气隙、定子铁心、气隙，进入转子S极而构成回 图5：凸极式同步发电机磁路路，这条路径就是发电机的主磁路。由上述可知，要使发电机运行发电，转子励磁绕组必须要通以直流电，由于磁极是旋转的，如何才能将直流电供给磁极绕组，这就是我们下面要讨论的问题。l 励磁系统向同步发电机的励磁绕组供给励磁电流的装置，就叫做同步发电机的励磁系统。同步发电机的励磁方式按其励磁功率产生的方式分为自励式和他励式。自励式是利用整流器将发电机本身发出的交流电（或谐波绕组、附加绕组产生的交流电）经过整流后送入励磁绕组。他励式是发电机的励磁功率取自于另外的电源。l 无刷励磁方式无刷励磁方式就是在同步发电机同轴装有交流励磁机和整流器，转子上无需电刷，滑环和换向器等部件。无刷励磁方式原理图如图6无刷励磁方式具有结构紧凑，维护方便，对通讯干扰小等优点。l 三次谐波励磁方式A、原理：我们知道，通常的凸极同步发电机其磁密的空间波形并非正弦形。除基波外，存在一系列的高次谐波，其中三次谐波能量较大。三次谐波励磁发电 图6：无刷励磁方式原理图机就是把三次谐波的能量引出来，作为发电机的励磁电源。 （a） （b）图7：三次谐波励磁原理接线图（a）有刷发电机（b）无刷发电机 1定子主绕组2励磁绕组3三次谐波绕组 4整流器5励磁机磁极绕组6励磁机电枢绕组B、三次谐波绕组在定子槽中的布置必须满足两个条件： 绕组节距应为磁极的三分之一； 在每一对磁极极距的范围内，三次谐波线圈应对称布置。满足了这两个条件，就可以避免三次谐波绕组输出基波或其它高次谐波。C、三次谐波励磁方式的主要优点： 与主绕组无电的联系，是一个低压绕组。只用那么几圈谐波绕组和几只整流元件，甩掉了结构复杂、制造和维护都较麻烦的直流励磁机，运行可靠，通用性强，纵特别简单。 稳态和静态性能都较好。 配上电压调节器（AVR），电压调整率可3%，有的可以1%，适用于一些要求比较高的移动电站。D、主要缺点：发电机并联运行时，因外特性不一致等原因，出现中线电流大和负载分配不稳定等现象。目前这种现象通过外围控制系统已得到很好的解决。四、同步发电机的试验l 基本物理量的测量A、 绝缘电阻R热态=（兆欧）按国家标准GB1032规定，绕组额定电压在500伏以下的用500伏的兆欧表，额定电压在5003000伏的用1000伏的兆欧表，3000伏及以上的用2500伏兆欧表测量。从式中可看出，R热近似等于Vn/100兆欧。额定电压Vn=400伏的三相同步发电机，其绝缘电阻在热态时应不低于0.4兆欧。B、 绕组直流电阻的测量测量方法有两种： 电桥测量：用双臂电桥或单臂电桥。 伏安法：用电流表和电压表。欧姆定律计算。C、 电压、电流及功率的测量用电压表、电流表和瓦特表测量。仪表量程应在许可范围内，否则应加接互感器。l 同步发电机基本特性的测定同步发电机的试验应按照国家标准GB1029三相同步电机试验方法的规定进行。A、 空载特性测定同步电机的空载特性就是电机在额定转速时空载电枢电压与励磁电流的关系曲线。B、 三相稳态短路特性测定同步电机的三相稳态短路特性是电枢绕组三相短路时的稳态短路电流与励磁电流的曲线。C、 自励恒压发电机的电压调整性能试验 检查电压整定范围：5%Vn 稳态电压调整率测定：n=100% 冷热态电压变化测定：试验时，环境温度的变化应不大于10。 发电机的电压波形正弦性畸变率：理想的波形是正弦波，但实际上发电机的感应电势中含有三次及以上的高次谐波，因此发电机的电压波形产生正弦性畸变。通常要求电站在空载额定电压时，线电压波形正弦畸变率不大于10%。畸变率大，电机发热严重、温升高、绝缘老化，影响正常工作。 三相负载不平衡 负载不平衡将导致三相绕组供电流的不平衡，使线电压间产生相位差，同时使发电机发热和振动，对设备不利。 一般规定：三相发电机的任一相电流都不应超过额定值，各相电流不平衡度在不超过25%额定电流时，其线电压的最大值（或最小值）与三相线电压平均值之差不应超过三相线电压平均值5%。 直接起动空载鼠笼式异步电动机的能力发电机起动异步电动机时，由于起动电流很大以及异步电动机功率因数低的影响，使发电机端电压显著下降，这时发电机的励磁系统必须强行励磁。表3：发电机与被起动的电动机的功率配对表发电机额定功率P（Kw）被起动电动机的功率（Kw）40以下0.7P50、64、753090、10055150、20075l 小型同步发电机维修后的试验为了检查修理的质量，通常维修后的发电机应做下列试验： 各独立电气回路对机壳及其相互间绝缘电阻的测定； 绕组在实际冷却状态下直流电阻的测定； 发电机他励时，空载特性的测定； 发电机相序的检查； 发电机各独立电气回路对机壳及相互的绝缘介电强度的试验； 绕组匝间绝缘介电强度试验； 发电机他励时，三相稳态短路特性的测定。将上述所测得的数据与合格证上出厂试验数据进行比较，若数据相差不大，则该发电机可认为已修好合格。