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同步发电机

目录

同步发电机的简介

    作发电机运行的同步电机。是一种最常用的交流发电机。在现代电力工业中,它广泛用于水力发电、火力发电、核能发电以及柴油机发电。由于同步发电机一般采用直流励磁,当其单机独立运行时,通过调节励磁电流,能方便地调节发电机的电压。若并入电网运行,因电压由电网决定,不能改变,此时调节励磁电流的结果是调节了电机的功率因数和无功功率。
    同步发电机的定子、转子结构与同步电机相同,一般采用三相形式,只在某些小型同步发电机中电枢绕组采用单相。

高速同步发电机

    因大多数发电机与原动机同轴联动,火电厂都用高速汽轮机作原动机,所以汽轮发电机通常用高转速的2极电机,其转速达3000转/分(在电网频率为60赫时,为3600转/分)。核电站多用4极电机,转速为1500转/分(当电网频率为60赫时,为1800转/分)。为适应高速、高功率要求,高速同步发电机在结构上一是采用隐极式转子,二是设置专门的冷却系统。

隐极式转子

    外表呈圆柱形,在圆柱表面开槽以安放直流励磁绕组,并用金属槽楔固紧,使电机具有均匀的气隙。由于高速旋转时巨大的离心力,要求转子有很高的机械强度。隐极式转子一般由高强度合金钢整块锻成,槽形一般为开口形,以便安装励磁绕组。在每一个极距内约有1/3部分不开槽,形成大齿;其余部分的齿较窄,称做小齿。大齿中心即为转子磁极的中心。有时大齿也开一些较小的通风槽,但不嵌放绕组;有时还在嵌线槽底部铣出窄而浅的小槽作为通风槽。隐极式转子在转子本体轴向两端还装有金属的护环和中心环。护环是由高强度合金制成的厚壁圆筒,用以保护励磁绕组端部不至被巨大的离心力甩出;中心环用以防止绕组端部的轴向移动,并支撑护环。此外,为了把励磁电流通入励磁绕组,在电机轴上还装有集电环和电刷。

冷却系统

    由于电机中能量损耗和电机的体积成正比,它的量级与电机线度量级的三次方成比例,而电机散热面的量级只是电机线度量级的二次方。因此,当电机尺寸增大时(受材料限制,增大电机容量就得加大其尺寸),电机每单位表面上需要散发的热量就会增加,电机的温升将会提高。在高速汽轮发电机中,离心力将使转子表面和转子中心孔表面产生巨大的切向应力,转子直径越大,这种应力也越大。因此,在锻件材料允许的应力极限范围内,2极汽轮发电机的转子本体直径不能超过1250毫米。大型汽轮发电机要增大单机容量,只有靠增加转子本体的长度(即用细长的转子)和提高电磁负荷来解决。转子长度可达8米,已接近极限。要继续提高单机容量,只能是提高电机的电磁负荷。这使大型汽轮发电机的发热和冷却问题变得特别突出。对于50000千瓦以下的汽轮发电机,多采用闭路空气冷却系统,用电机内的风扇吹拂发热部件降温。对于容量为5~60万千瓦的发电机,广泛使用氢冷。氢气(纯度99%)的散热性能比空气好,用它来取代空气不仅散热效果好,而且可使电机的通风摩擦损耗大为降低,从而能显著提高发电机的效率。但是,采用氢冷必须有防爆和防漏措施,这使电机结构更为复杂,也增加了电极材料的消耗和成本。此外,还可采用液体介质冷却,例如水的相对冷却能力为空气的50倍,带走同样的热量,所需水的流量比空气小得多。因此,在线圈里采用一部分空心导线,导线中通水冷却,就可以大大降低电机温升,延缓绝缘老化,增长电机寿命。

低速同步发电机

    多数由较低速度的水轮机或柴油机驱动。电机磁极数由4极到60极,甚至更多。对应的转速为1500~100转/分及以下。由于转速较低,一般都采用对材料和制造工艺要求较低的凸极式转子。
    凸极式转子的每个磁极常由1-2毫米厚的钢板叠成,用铆钉装成整体,磁极上套有励磁绕组。励磁绕组通常用扁铜线绕制而成。磁极的极靴上还常装有阻尼绕组。它是一个由极靴阻尼槽中的裸铜条和焊在两端的铜环形成的一个短接回路。磁极固定在转子磁轭上,磁轭由铸钢铸成。凸极式转子可分为卧式和立式两类。大多数同步电动机、同步调相机和内燃机或冲击式水轮机拖动的发电机,都采用卧式结构;低速、大容量水轮发电机则采用立式结构。
    卧式同步电机的转子主要由主磁极、磁轭、励磁绕组、集电环和转轴等组成。其定子结构与异步电机相似。立式结构必须用推力轴承承担机组转动部分的重力和水向下的压力。大容量水轮发电机中,此力可高达四、五十兆牛(约相当于四、五千吨物体的重力),所以这种推力轴承的结构复杂,加工工艺和安装要求都很高。按照推力轴承的安放位置,立式水轮发电机分为悬吊式和伞式两种。悬吊式的推力轴承放在上机架的上部或中部,在转速较高、转子直径与铁心长度的比值较小时,机械上运行较稳定。伞式的推力轴承放在转子下部的下机架上或水轮机顶盖上。负重机架是尺寸较小的下机架,可节约大量钢材,并能降低从机座基础算起的发电机和厂房高度。
    同步发电机绝大多数是并联运行,并网发电的。各并联运行的同步发电机必须频率、电压的大小和相位都保持一致。否则,并联合闸的瞬间,各发电机之间会产生内部环流,引起扰动,严重时甚至会使发电机遭受破坏。但是,两台发电机在投入并联运行以前,一般说来它们的频率与电压的大小和相位是不会完全相同的。为了使同步发电机能投入并联运行,首先必须有一个同步并列的过程。同步并列的方法可分为准同步和自同步两种。同步发电机在投入并联运行以后,各机负载的分配决定于发电机的转速特性。通过调节原动机的调速器,改变发电机组的转速特性,即可改变各发电机的负载分配,控制各发电机的发电功率。而通过调节各发电机的励磁电流,可以改变各发电机无功功率分配和调节电网的电压。

永磁同步风力发电机

    永磁同步风力发电机由于机械损耗小、运行效率高、维护成本低等优点成为继双馈感应风电机组之后的又一重要风力发电机型受到广泛关注,并逐渐开始投入使用。永磁同步风力发电系统主要由风力机、永磁同步发动机、变频器和变压器组成。
    永磁同步风力发电的基本原理,就是利用风力带动风力机叶片旋转,拖动永磁同步发电机的转子旋转,实现发电。永磁同步风力发电系统和笼型变速恒频风力发电系统类似,只是所采用的发电机为永磁式发电机,转子为永磁式结构,不需外部提供励磁电源,提高了效率。它的变频恒速控制是在定子回路中实现的,把永磁同步发电机的变频的交流电通过变频器转变为电网同频的交流电,实现风力发电的并网,因此变频器的容量与系统的额定容量相同。
    在过去的几十年里,由于永磁材料性能和电力电子装置的改善,永磁同步发电机已变得越来越具吸引力了。采用永磁同步发电机的风力发电系统具有以下特点:
    1、永磁同步发电机系统不需要励磁装置,具有重量轻、效率高、功率因数高、可靠性好等优点;
    2、变速运行范围宽,即可超同步运行也可以亚同步运行;
    3、转子无励磁绕组,磁极结构简单、变频器容量小,可以做成多极电机;
    4、同步转速降低,使风轮机和永磁发电机可直接耦合,省去了风力发电系统中的齿轮增速箱,减小了发电机的维护工作并降低噪声,使直驱永磁风力发电机系统。
    适用场合:
    1、在电力设施匮乏、交通不便、缺乏常规燃料,但风力资源丰富的地区,可以解决部分用电问题,如为高速公路照明设备提供电源等;
    2、在单机容量比较小的风场,永磁同步发电系统能够高效并网发电;
    3、为农村、牧区、边防哨所、气象台站等偏远、负载较轻的用户,提供交流或直流电源。

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