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第三章 发电机的运行 第一节 同步发电机的基本知识 一、同步发电机的工作原理 我们知道，导线切割磁力线能产生感应电动势，将导线连成闭合回路，就有电流流过，同步发电机就是利用电磁感应原理将机械能转变为电能的。 如图3-1所示，为同步发电机的工作原理示意图。在同步发电机的定子铁心内，对称地安放着A—X、B—Y、C—Z三相绕组。所谓对称三相绕组，就是每相绕组匝数相等，三相绕组的轴线在空间互差120°电角度。在同步发电机的转子上装有励磁绕组，当直流电通过励磁绕组时会产生主磁场，其磁通如图中虚线所示。磁极的形状决定了气隙磁密在空间基本上按正弦规律分布。所以，当原动机带动转子旋转时，就得到一个在空间按正弦规律分布的旋转磁场。定子三相绕组在空间互差120°电角度。因此，三相感应电动势在时间上也互差120°电角度，发电机发出的就是对称三相交流电。即： eA = Emsin( t eB = Emsin(( t–120°) （3-1） eC = Emsin(( t–240°) 图3-1 同步发电机工作原理图 感应电动势的频率取决于发电机的磁极对数p和转子转速n。当转子为一对磁极时，转子旋转一周，定子绕组中的感应电动势正好交变一次，即一个周期；当转子有p对磁极时，转子旋转一周，感应电动势就交变了p个周期。设转子的转速为n（r/min）则感应电动势每秒钟交变次，即感应电动势的频率为： f = (Hz) （3-2） 式（3-2）表明，当同步发电机的极对数p、转速n一定时，则定子绕组感应电动势的频率一定，即转速与频率保持严格不变的关系，这是同步发电机的基本特点之一。 我国电力系统的标准频率规定为50Hz，因此，当n=3000r/min时，发电机应为一对极；当n=1500r/min时，发电机应为两对极，依次类推。 当同步发电机的三相绕组与负载接通时，对称三相绕组中流过对称三相电流，并产生一个旋转磁场，这个旋转磁场的转速n1=60f/p，即定子旋转磁场的转速与发电机转子转速相同，亦就是同步，故称为同步发电机。 二、同步发电机的基本结构 从发电机的工作原理可知，发电机是由定子、转子两个基本部分组成的。如图3-2所示，为汽轮发电机的结构示意图。现分别叙述如下。 图3-2 汽轮发电机结构示意图 1．定子 定子由定子铁心、定子绕组（也叫电枢绕组）、机座、端盖及挡风装置等部件组成。 定子铁心是发电机磁路的一部分，同时也用来嵌放定子绕组。定子铁心的形状呈圆筒形，在内壁上均匀地分布着槽。为了减小铁心损耗，定子铁心一般采用0.5mm厚无方向性冷扎硅钢片叠装制成。如图3-3所示，沿轴向分成若干段，段与段之间留有1cm宽的径向风道。整个铁心用非磁性的端压板和抱紧螺杆压紧固定于机座上。 定子绕组是定子的电路部分，它是感应电动势、通过电流、实现机电能量转换的重要部件。定子绕组采用铜线制成，整个绕组对地绝缘。汽轮发电机多采用双层叠绕组。为了减小集肤效应引起的附加损耗，绕制定子绕组的导线由许多互相绝缘的多股线并绕而成，在绕组的直线部分还要换位，以减小因漏磁通而引起各股线间的电势差和涡流，如图3-4所示，为定子绕组在定子槽内布置示意图。 定子机座应有足够的强度和刚度，一般机座都是用钢板焊接而成，主要用于固定定子铁心，并和其它部件一起形成密闭的冷却系统。 图3-3 定子铁心拼装图 图3-4 定子绕组在定子槽内布置图 1—槽楔；2—波纹板；3—热弹性绝缘；4—上层空心绕组；5—下层实心绕组 2．转子 转子由转子铁心、转子绕组（也叫励磁绕组）、滑环、转轴等部件组成。对于汽轮发电机，因其转速高达3000r/min，因此转子要做得细一些，以减少转子圆周的线速度，避免转子部件由于高速旋转的离心作用而损坏。所以转子形状为隐极式，它的直径小，为一细长的圆柱体，如图3-5所示。 图3-5 发电机转子结构示意图 转子铁心既是发电机磁路的一部分，又是固定励磁绕组的部件，发电机的转子一般采用导磁性能好、机械强度高的合金钢锻成，并和轴锻成一个整体。沿转子铁心轴向，铁心表面三分之二的部分对称地铣有凹槽，槽的形状为辐射形排列。占转子表面三分之一的不开槽部分形成一个大齿，大齿的中心实际为磁极中心。转子铁心结构如图3-6所示。 图3-6 汽轮发电机转子铁心结构 1—大齿； 2—小齿； 3—月牙槽 励磁绕组由裸扁铜线绕成同心式绕组，嵌放在铁心槽中，所有绕组串联组成励磁绕组。直流励磁电流一般是通过电刷和集电环引入转子励磁绕组，形成转子的直流电路。励磁绕组各匝间相互绝缘，各匝和铁心间也有可靠的绝缘，如图3-7所示。 图3-7 励磁绕组布置示意图 1—槽楔；2—励磁绕组；3—匝间绝缘；4—云