发电机的原理和构造

5.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。
• 汽轮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。
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定子绕组下线定子绕组端部
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定子绕组端部接头
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定子端部
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汽轮发电机结构
2．转子
转子组成 ✓ 转子铁芯 ✓ 励磁绕组 ✓ 阻尼绕组 ✓ 紧固件 ✓ 风扇
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。
• 有的电机在大齿开有槽，内装阻尼绕组(damping windings)，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。
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转子铁心结构
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汽轮发电机结构
（2）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。
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• 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。
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转子绕组的通风口 护环 中心环 风扇
汽轮发电机转子外形
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转子线圈装配
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发电机转子装配
• 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，是切割磁场的 导体。
• 气隙：定转子之间有气隙。
动画
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三相同步发电机的基本工作原理
• 定子：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。
• 按冷却介质不同分为：空气冷却、氢气冷却、水冷 却等。
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同步电机与异步电机
同步电机的气隙较同容量的异步电机大。
异步电机励磁电流由电网供给，需从电网吸取感性 无功功率，若气隙大，则励磁电流大，电机的功率 因数低，因此在机械允许的条件下，气隙要尽量小 一些。
同步电机气隙磁场由转子电流和定子电流共同激励， 从运行稳定性考虑，气隙大，同步电抗小，短路比 大，运行稳定性高。但气隙大，转子用铜量增大， 制造成本增加。所以气隙大小的选择要综合考虑运 行性能和制造成本这两方面的要求。
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转子绕组的通风口 护环 中心环 风扇
汽轮发电机转子外形
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发 电 机 转 子
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（1）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。
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阻尼绕组
一种短路绕组，大型电机有。 由放在槽楔下的铜条和转子两端铜环焊接成闭合 回路。 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；发电机振 荡时起阻尼作用，使振荡衰减。
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汽轮发电机的冷却方式
冷却系统封闭，冷却介质循环使用。
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。
氢气密度仅为空气的1/4，导热性比空气好6倍，
冷却效果比空气好。
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汽轮发电机结构
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汽轮发电机结构
（1）机座和端盖
• 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。
定值，这是同步发电机的主要特点。
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三相同步发电机的基本工作原理
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
汽轮发电机转速较高，极对数较少，如转速 n=3000r/min，则极对数p=1。 水轮发电机转速较低，极对数较多，如转速 n=125r/min，则极对数p=24。
在火电厂，发电机用汽轮机作原动机，称为汽 轮发电机；在核电站是以核反应堆来代替火电站的 锅炉，原动机仍然是汽轮机；
在水电厂，发电机用水轮机作原动机，称为水 轮发电机；
有的地方用柴油机用作原动机，称为柴油发电 机。
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三相同步发电机的基本工作原理
N
If
n
S
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• 同步发电机基本工作原理：导 体切割磁力线感应电动势。
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（3）定子绕组
大型电机定子电流极大，绕组导线截面大。为减小导 体集肤效应带来的附加损耗，定子绕组常由多股截面 15平方毫米以下的扁铜线并绕而成，且沿槽长进行适 当的换位，使绕组的有效部分，有时甚至连同绕组的 端接部分，成为编织形。
汽轮发电机的电压较高，要求定子绕组有足够的绝缘 强度，一般采用 B 级或 F 级绝缘。
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隐极式同步发电机
用途：多用于汽轮发电机，一般为两极，转速为 3000r/min。
发电机 运 转行 速 效 体 率 积和 造价 发电机转 转 速子直 径 容量一定，电机
一般汽轮发电机转子长 度L和定子内径D之比为26.5。
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发电机结构与工作原理
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概述
同步电机：交流旋转电机。
用途：主要作发电机用，也可作电动机带 动具有恒速要求的机械，还可作调相机，向 电力系统发出无功功率，用于改善电力系统 的功率因数及调整电网电压。
现代发电厂中所发出的交流电能几乎全部
是同步发电机发出，尽管目前有其他发电型
式，如磁流体发电，太阳能发电等，但电力
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同步电机的类型
• 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。
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。
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（3）护环和中心环
• 汽轮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。
• 转子：有p对磁极，磁极上有直 流励磁绕组，当直流电流通过 电刷和滑环流入转子绕组后， 产生主磁通，主磁通由N极经气 隙，定子铁心，再经气隙进入S 极，构成主磁路。
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三相同步发电机的基本工作原理
定子绕组三相感应电势
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系统中仍是同步发电机占绝对优势。
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概述
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。
同步电机的转速：n=60f1/p f1 --电网频 率。
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三相同步发电机的基本工作原理
• 同步发电机(synchronous generator)是将机械 能转变为交流电能的设备。
（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。汽轮发电机机座一般采用钢 板焊接而成。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。
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汽轮发电机结构
（2）定子铁心
定子铁心由0.35mm、0.5mm或其它厚度的电工钢 片叠成。各段叠片间有宽约10mm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
在定子机座上。
沿定子铁心内圆表面的槽内
放置三相定子绕组。
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（2）定子铁心
2思020/考3/31：定子铁心为什么要用0.5mm的硅钢片叠装？20
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（3）定子绕组
也称电枢绕组，一般采用双层三相对称绕组。
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。
• 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。
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转子铁心
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（1）转子铁心
• 大型两极汽轮发电机转子，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。
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汽轮发电机结构
5பைடு நூலகம்其他部件
• 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。
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汽轮发电机结构
1.定子(stator)
• 机座(baseframe)、端盖(end closure)、定子铁心(stator core)和定子绕组(stator windings)等。
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汽轮发电机完工后的定子
大型汽轮发电机定子铁心槽
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发电机定子
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汽轮发电机结构
定子外接负载，形成回路，有三相电流。 机械能转化为电能
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三相同步发电机的基本工作原理
交流电势频率f的确定
当转子为1对磁极时，转子旋转一周，定子绕组 中感应电势变化一个周期；当同步发电机有p对极 时，转子旋转一周，感应电势交变p个周期。
当转子转速为每分n转时，交变电势频率为：
f pn 60
n转子转速r，/ min
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三相同步发电机的基本工作原理
交流电势频率f的确定
f pn 60
n转子转速r，/ min
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 n60f /p为恒