同步发电机

同步发电机的保护
保护目的：发电机是重要设备，是 船舶安全航行的保障。
一般设有：外部短路保护、过载 保护、欠压保护和逆功率保护。
外部短路保护
外部短路?（不是发电机短路）
短路的原因：⑴.维护保养不周；⑵.绝缘老化；⑶.机 械损伤；⑷.误操作等。 保护原则：—— 有总体和具体之分。 ⑴.总体：“既要保护发电机，又要保证供电” ； ⑵.具体：“时间原则”和“电流原则”相结合。 考虑: 选择性（I1>I2>I3；t1>t2>t3）、快速性、可靠性 措施：—由过流脱扣器或综合保护装置实现(图12-13)。 ①.小电流，延时；—— 远端短路保护，避免大面积停 电。小电流是比近端短路小的短路电流，不是过载电流。为 了区分过载还是远端短路，所以要延时。 ②.大电流，瞬时；—— 近端短路保护，发电机应立即 跳闸（因为已经没有其它保护）。 整定值：⑴.小电流：3～5倍的发电机额定电流，延时 0.2 ～0.6s动作。 ⑵.大电流：5 ～10倍的额定电流，瞬时动作。
带阻尼绕组的凸极同步机转子
功能：传递原动机供给的机械能、支撑旋转的励磁 线圈、形成良好的磁通路径和转子散热通道，因此 对转子结构、材料和加工工艺要求较高。
转子铁心
• 既有良好导磁性能，又有足够机械强度和刚度，最 关键部件之一。 • 一般采用优质合金钢锻制，铁心上开有两组对称的 槽，槽与槽之间的部分称为齿，有两个齿特别宽称 为大齿，其余的叫小齿。小齿嵌放励磁线圈，大齿 形成磁极。 • 大型电机为了加强转子表面冷却，大齿区也开有一 些较小的槽并不安放线圈，只作通风用，这种槽称 为通风槽。
发电机的冷却方式
常用的冷却介质有空气、氢气和水。
冷却方式有：
空气冷却； 水-氢-氢，即定子绕组用水冷却，转子绕组采用氢 内冷，定子铁心为氢冷； 水-水-氢，即定子绕组和转子绕组用水冷却，定子 铁心为氢冷。
同步发电机的型号与额定值
1. 型号
• 同步电动机系列有TD、TDL等，TD表示同步电动 机，后面的字母指出其主要用途。 如：TDG表示高速同步电动机；TDL表示立式同步电 动机。同步补偿机为TT系列。
欠压保护
危害：—— 不能正常工作，电动机过电流。 保护：—— 已经并网的发电机：脱开；未并 网的发电机：不能并网。 措施（保护元件）：空气断路器的失压脱扣器 或综合保护装置中的晶体管低压继电器。 《钢质海船建造规范》规定： 1.带时限的发电机,电压低于额定值的70% ～ 80%时：延时1.5 ～3s动作跳闸； 2.不带时限发电机,电压低于额定值的40% ～ 70%时：瞬时动作跳闸。
三相同步发电机的基本工作原理
• 同步发电机基本工作原理：导 体切割磁力线感应电动势。
N
If
S
n
• 转子：转动的部分，转子上有 磁极和励磁绕组，产生磁场。
• 定子（又叫电枢）：固定的部 分，定子铁心上有齿和槽，槽 内设置有绕组，有三相定子绕 组，每相结构完全相同，它们 在空间上互差120°电角度对 称分布放置在定子铁心槽内。 • 气隙：定转子之间有气隙。
第2节 同步 发电机
• 同步发电机是将机械能转变为交流电能的设备。 同步电机指电机转子的转速n与旋转磁场转速n1相
同的交流电机。
简单 发电 机的 模型
同步电机的分类
• 按运行方式不同分为：发电机、电动机和调相机。 • 按结构形式不同分为：电枢旋转式（简称转枢式） 和磁极旋转式（简称转场式）。磁极旋转式按转 子结构不同又分为凸极式和隐极式。 • 按安装方式不同分为：卧式和立式。 • 按原动机类型不同分为：汽轮发电机、水轮发电机、 燃气轮发电机、柴油发电机、风力发电机、太阳能 发电机等等。 • 按冷却介质不同分为：空气冷却、氢气冷却、水冷 却等。
• 在转子励磁绕组中通以直流电流励磁，产 生恒定的磁场，当原动机拖动转子旋转时， 就建立起转子旋转磁场，旋转磁场的磁力 线切割定子绕组中的三相绕组，从而在三 相绕组中感应产生三相交变电动势。
定子绕组三相感应电势
eOA E m sin t
eOB E m sin( t 120 )
eOC E m sin t 240 ） （
定子外接负载，形成回路，有三相电流。
交流电势频率f的确定
60 n 转子转速， r / min f pn
p —磁极对数；f — 交流电频率；n — 转速
结论：同步发电机定子绕组感应电势的频率取决于它 的极对数p和转子的转速n。 同步发电机极对数一定时，转速与电枢电势的频率 有严格对应关系。 当电力系统频率f一定，发电机转速 n 60 f / p 为恒 定值，这是同步发电机的主要特点。
2.额定值 额定容量SN(VA、kVA、MVA等) 或额定功率PN (W、kW、MW等)：指电机输出功率的保证值。 发电机通过额定容量值可以确定电枢电流，通 过额定功率可以确定配套原动机的容量。 电动机的额定容量一般用kW数表示，补偿机则 用kVAR表示。 额定电压 UN(V、kV等)：指额定运行时定子输出 端的线电压。
• 大型两极发电机转子，当长度与直径的比值较大时， 为了减小倍频振动的影响，常在大齿部分沿轴向每 隔一定距离开有径向月牙槽，使大齿方向与小齿方 向的刚度尽可能接近。 • 有的电机在大齿开有槽，内装阻尼绕组，阻尼绕组 构成自行短接的半鼠笼结构，用来改善发电机的稳 定运行。
阻尼绕组
一种短路绕组。
由放在槽楔下的铜条和转子两 端铜环焊接成闭合回路。
结论：我国标准工频为50Hz，所以同步发电机的极 对数和转速成反比。
p
3000 n
•工频电源f = 50Hz，p = 2，则n = 1500rpm
同步发电机的冷却
• 发电机运行时，由于绕组中的电流和磁路中交变的 磁场会产生热量使发电机发热，温度升高，随着发 电机单机容量的增加，温升也越来越高。由于铁心 冲片的绝缘和线圈绝缘允许温度的限制，因此发电 机必须加以冷却。
作用：在同步发电机短路或不 对称运行时，利用其感应电流来 削弱负序旋转磁场作用；减少并 联运行时转子振荡的振幅，发电 机振荡时起阻尼作用，使振荡衰 减。
励磁绕组
由矩形绝缘扁铜线绕成同心式线圈，两线圈边分别 放在大齿两侧所开的槽内，所有线圈串联。
励磁绕组构成电机直流回路，通过电刷与外电路连 接。
各线圈匝间有绝缘，对地也有绝缘。
感应式接线图
动作值的调整是通过改变 电流线圈的匝数来实现。 延时的时限的调整通过调 整挡块的位置来实现。
铝盘的旋转力矩M∝UCB IC COSφ
发电机的并联运行
• 两台及以上同步发电机同时向同一电网负
载供电，称为同步发电机组的并联运行。
护环和中心环 • 发电机转子绕组的端部在高速旋转中将承受巨大的 离心力，并在通过励磁电流时产生热膨胀，造成径 向和轴向位移．护环用来套在转子绕组瑞部外面， 防止径向位移，而中心环则用来阻止轴向位移。 • 为了避免因护环偏心引起的振动以及不对称运行或 异步运行时因转子表面感应电流引起配合面上的电 灼伤，要求护环与转子本体、护环与中心环之间有 较紧密的配合。
（2）定子铁心
（3）定子绕组
也称电枢绕组，一般采用三相对称绕组。
三相定子绕组，每相结构完全相同，它们在空间上互 差120°电角度对称分布放置在定子铁心槽内
为便于绕组下线，定子槽采用矩形开口槽，定子绕组 放入槽中后，槽口用槽楔封住，槽楔常用绝缘材料(如 玻璃布板)做成。
2．转子
转子组成 转子铁芯 励磁绕组 阻尼绕组 紧固件 风扇
选择性（I1>I2>I3；t1>t2>t3）
过载保护
定义：发电机输出功率或电流超过其额定值。 保护原则：保护发电机不受损坏，尽量不中断供 电，且应避开短暂过载(有时限)。 措施：—— 由空气断路器的“过电流脱器”\“热 脱扣器” 或“自动分级卸载”等装置动作，实现保护。 自动分级卸载装置：卸次要负载（空调、风机）、 延时动作。船舶一般有一级卸载装置 《钢质海船建造规范》规定： 1.无自动分级卸载时：出现1.25～1.35倍额定电 流后，延时15～20s自动开关跳闸； 2.有自动分级卸载时：1)出现1.1∼1.2倍额定电 流后，延时5～10s自动分级卸载装置动作； 2)出现1.5倍额定电流后，延时10～20s自动开关跳闸。
⑵ 交流励磁机：旋转电枢式，为主发励磁
⑶ 旋转整流器：将励磁机的AC→DC
⑷ 永磁发电机（PMG）：旋转磁极式，为交
流励磁机励磁
1.定子
• 机座、端盖、定子铁心和定子绕组等。
1）机座和端盖
• 机座的作用：固定和支撑定子铁心及定子绕组等部件， 通过机座将整个定子安装、固定在基础上。 • 机座内部有冷却风道。对机座的要求，除了使安装、 运输方便外，还需要有足够的强度和刚度；正常和故 障时能承受可能发生的最大应力，保证不产生不允许 的变形。
逆功率保护 并联运行发电机从电网中吸收功率
逆功率原因：并联运行的发电机，若一台发电机的原动机
发生故障使转矩消失，则发电机进入电动机状态，拖动原动机 转动从电网吸收功率即逆功率；另外并车操作未能满足并车条 件也出现逆功率。
保护要求：—— 整定值：逆功率大小为额定功率的 8%～15%，延时1～10s动作跳闸。 措施（保护元件）：—— 通常采用“逆功率继电 器”作为保护元件(能反映有功功率的方向与大小)。 与主开关的失压脱扣器配合用。 逆功率继电器：—— 反映有功功率大小和方向。
额定电流IN (A、kA) ：指额定运行时定子的线电流。
额定功率因数cosN：额定运行时电机的功率因数。
额定频率fN：额定运行时电机电枢输出端电能的频 率，我国标准工业频率规定为50Hz。 额定转速nN ：额定运行时电机的转速，即同步转 速。
除上述额定值外，名牌上还列出一些其它运行数 据，如额定负载时的温升tN 、励磁容量PfN和励磁电压 UfN等。
• 端盖的作用:保护定子和转子的端部，使电机内形成 一个与外界隔绝的风路系统。 • 一般用钢板焊接结构，也可采用灰铸铁或硅铝合金 铸件，中等容量的电机端盖也有采用玻璃钢压制的。 • 有足够的刚度。 • 大型同步电机，由于端部漏磁通较大，所以固定端 盖的螺栓宜加以绝缘，以防止漏磁通引起的涡流流 过螺栓而使其发热。
3.其他部件
• 滑环与电刷：将直流电引入到转动的励磁绕组。
• 滑环或称集电环，一般用耐磨的锻钢制成，表面进行硬度处理， 加工完的滑环表面要求光洁。 • 发电机一般采用石墨或电化石墨电刷。虽然每种电刷以石墨粉 作为主要原料，但是含量和工艺的不同，在导电率、比重、硬 度、强度、伏安特性等方面有不同的性能。为使两滑环磨损均 匀，在运行中要定期改变滑环的极性。 • 电刷放在刷盒内，刷盒内有弹簧给电刷一个均匀的压力， 以 防止电刷正运行时发生振动，使其与滑环间保持有良好的滑动 接触。 • 风扇：电机内部通风冷却．一般装在转子两瑞，当发电机运行 时，风扇随转子而转动，使冷却气体流过线圈和铁心，带走热 量。 轴承 约束轴线位移和防止轴摆动，承受径向力。
一 同步发电机的构造 交流同步发电机：两种结构示意图
• 同步发电机类型：旋转磁极式
旋转电枢式
旋转磁极式（船用）
旋转电枢式
• 同步电机一般采用旋转磁极式结构，根据磁极形状 可分为隐极和凸极两种型式。
隐极
凸极
凸极同步电机气隙不均匀，适合于中速或低速旋转场合。 （船用柴油发电机采用） 隐极同步电机在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，适合于高速 旋转。
交流同步发电机：组成
• 定子：铁心 + 机座 + 电枢绕组 • 转子：转轴 + 磁极 + 励磁绕组 + 集电环 定、转子间隙：很小 • 端盖及轴承：上有电刷、风扇（风冷） • 集电环：将固定的直流励磁电流用电刷引入 到转子励磁绕组上（指旋转磁极式）
交流无刷同步发电机
• 组成： ⑴ 主发电机：旋转磁极式，为电网供电
（2）定子铁心
定子铁心由硅钢片叠成。各段叠片间有一定宽的通风槽， 以改善定子铁心散热。
定子外径较小时，采用圆形冲片，外径大于1m 时，采 用扇形冲片，目的是减少漏磁，防止涡流引起过热。 定子铁心两端用非磁性材料压板将其压紧，将整个铁心 固定在定Leabharlann Baidu机座上。 沿定子铁心内圆表面的槽内放置三相定子绕组。