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同步發電機

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同步發電機

發布日期:2019-03-15 作者: 點擊:

作發電機運行的同步電機。是一種很常用的交流發電機。在現代電力工業中,它廣泛用於水力發電、火力發電、核能發電以及柴油機發電。由於同步發電機一般采用直流勵磁,當其單機獨立運行時,通過調節勵磁電流,能方便地調節發電機的電壓。若並入電網運行,因電壓由電網決定,不能改變,此時調節勵磁電流的結果是調節了電機的功率因數和無功功率。定子矽鋼片

同步發電機的定子、轉子結構與同步電機相同,一般采用三相形式,隻在某些小型同步發電機中電樞繞組采用單相。

高速同步發電機:

因大多數發電機與原動機同軸聯動,火電廠都用高速汽輪機作原動機,所以汽輪發電機通常用高轉速的2極電機,其轉速達3000轉/分(在電網頻率為60赫時,為3600轉/分)。核電站多用4極電機,轉速為1500轉/分(當電網頻率為60赫時,為1800轉/分)。為適應高速、高功率要求,高速同步發電機在結構上一是采用隱極式轉子,二是設置專門的冷卻係統。

隱極式轉子:外表呈圓柱形,在圓柱表麵開槽以安放直流勵磁繞組,並用金屬槽楔固緊,使電機具有均勻的氣隙。由於高速旋轉時巨大的離心力,要求轉子有很高的機械強度。隱極式轉子一般由高強度合金鋼整塊鍛成,槽形一般為開口形,以便安裝勵磁繞組。在每一個極距內約有1/3部分不開槽,形成大齒;其餘部分的齒較窄,稱做小齒。大齒中心即為轉子磁極的中心。有時大齒也開一些較小的通風槽,但不嵌放繞組;有時還在嵌線槽底部銑出窄而淺的小槽作為通風槽。隱極式轉子在轉子本體軸向兩端還裝有金屬的護環和中心環。護環是由高強度合金製成的厚壁圓筒,用以保護勵磁繞組端部不至被巨大的離心力甩出;中心環用以防止繞組端部的軸向移動,並支撐護環。此外,為了把勵磁電流通入勵磁繞組,在電機軸上還裝有集電環和電刷。

冷卻係統:由於電機中能量損耗和電機的體積成正比,它的量級與電機線度量級的三次方成比例,而電機散熱麵的量級隻是電機線度量級的二次方。因此,當電機尺寸增大時(受材料限製,增大電機容量就得加大其尺寸),電機每單位表麵上需要散發的熱量就會增加,電機的溫升將會提高。在高速汽輪發電機中,離心力將使轉子表麵和轉子中心孔表麵產生巨大的切向應力,轉子直徑越大,這種應力也越大。因此,在鍛件材料允許的應力極限範圍內,2極汽輪發電機的轉子本體直徑不能超過1250毫米。大型汽輪發電機要增大單機容量,隻有靠增加轉子本體的長度(即用細長的轉子)和提高電磁負荷來解決。轉子長度可達8米,已接近極限。要繼續提高單機容量,隻能是提高電機的電磁負荷。這使大型汽輪發電機的發熱和冷卻問題變得特別突出。對於50000千瓦以下的汽輪發電機,多采用閉路空氣冷卻係統,用電機內的風扇吹拂發熱部件降溫。對於容量為5~60萬千瓦的發電機,廣泛使用氫冷。氫氣(純度99%)的散熱性能比空氣好,用它來取代空氣不僅散熱效果好,而且可使電機的通風摩擦損耗大為降低,從而能顯著提高發電機的效率。但是,采用氫冷必須有防爆和防漏措施,這使電機結構更為複雜,也增加了電極材料的消耗和成本。此外,還可采用液體介質冷卻,例如水的相對冷卻能力為空氣的50倍,帶走同樣的熱量,所需水的流量比空氣小得多。因此,在線圈裏采用一部分空心導線,導線中通水冷卻,就可以大大降低電機溫升,延緩絕緣老化,增長電機壽命。

低速同步發電機:

多數由較低速度的水輪機或柴油機驅動。電機磁極數由4極到60極,甚至更多。對應的轉速為1500~100轉/分及以下。由於轉速較低,一般都采用對材料和製造工藝要求較低的凸極式轉子。

凸極式轉子的每個磁極常由1~2毫米厚的鋼板疊成,用鉚釘裝成整體,磁極上套有勵磁繞組。勵磁繞組通常用扁銅線繞製而成。磁極的極靴上還常裝有阻尼繞組。它是一個由極靴阻尼槽中的裸銅條和焊在兩端的銅環形成的一個短接回路。磁極固定在轉子磁軛上,磁軛由鑄鋼鑄成。凸極式轉子可分為臥式和立式兩類。大多數同步電動機、同步調相機和內燃機或衝擊式水輪機拖動的發電機,都采用臥式結構;低速、大容量水輪發電機則采用立式結構。

臥式同步電機的轉子主要由主磁極、磁軛、勵磁繞組、集電環和轉軸等組成。其定子結構與異步電機相似。立式結構必須用推力軸承承擔機組轉動部分的重力和水向下的壓力。大容量水輪發電機中,此力可高達四、五十兆牛(約相當於四、五千噸物體的重力),所以這種推力軸承的結構複雜,加工工藝和安裝要求都很高。按照推力軸承的安放位置,立式水輪發電機分為懸吊式和傘式兩種。懸吊式的推力軸承放在上機架的上部或中部,在轉速較高、轉子直徑與鐵心長度的比值較小時,機械上運行較穩定。傘式的推力軸承放在轉子下部的下機架上或水輪機頂蓋上。負重機架是尺寸較小的下機架,可節約大量鋼材,並能降低從機座基礎算起的發電機和廠房高度。

同步發電機的並聯運行 同步發電機絕大多數是並聯運行,並網發電的。各並聯運行的同步發電機必須頻率、電壓的大小和相位都保持一致。否則,並聯合閘的瞬間,各發電機之間會產生內部環流,引起擾動,嚴重時甚至會使發電機遭受破壞。但是,兩台發電機在投入並聯運行以前,一般說來它們的頻率與電壓的大小和相位是不會完全相同的。為了使同步發電機能投入並聯運行,首先必須有一個同步並列的過程。同步並列的方法可分為準同步和自同步兩種。同步發電機在投入並聯運行以後,各機負載的分配決定於發電機的轉速特性。通過調節原動機的調速器,改變發電機組的轉速特性,即可改變各發電機的負載分配,控製各發電機的發電功率。而通過調節各發電機的勵磁電流,可以改變各發電機無功功率分配和調節電網的電壓。

永磁同步風力發電機:

永磁同步風力發電機由於機械損耗小、運行效率高、維護成本低等優點成為繼雙饋感應風電機組之後的又一重要風力發電機型受到廣泛關注,並逐漸開始投入使用。永磁同步風力發電係統基本結構如圖1所示,它主要由風力機、永磁同步發動機、變頻器和變壓器組成。

永磁同步風力發電的基本原理,就是利用風力帶動風力機葉片旋轉,拖動永磁同步發電機的轉子旋轉,實現發電。永磁同步風力發電係統和籠型變速恒頻風力發電係統類似,隻是所采用的發電機為永磁式發電機,轉子為永磁式結構,不需外部提供勵磁電源,提高了效率。它的變頻恒速控製是在定子回路中實現的,把永磁同步發電機的變頻的交流電通過變頻器轉變為電網同頻的交流電,實現風力發電的並網,因此變頻器的容量與係統的額定容量相同。

在過去的幾十年裏,由於永磁材料性能和電力電子裝置的改善,永磁同步發電機已變得越來越具吸引力了。采用永磁同步發電機的風力發電係統具有以下特點:

1、永磁同步發電機係統不需要勵磁裝置,具有重量輕、效率高、功率因數高、可靠性好等優點;

2、變速運行範圍寬,即可超同步運行也可以亞同步運行;

3、轉子無勵磁繞組,磁極結構簡單、變頻器容量小,可以做成多極電機;

4、同步轉速降低,使風輪機和永磁發電機可直接耦合,省去了風力發電係統中的齒輪增速箱,減小了發電機的維護工作並降低噪聲,使直驅永磁風力發電機係統。

適用場合:

1、在電力設施匱乏、交通不便、缺乏常規燃料,但風力資源豐富的地區,可以解決部分用電問題,如為高速公路照明設備提供電源等;

2、在單機容量比較小的風場,永磁同步發電係統能夠高效並網發電;

3、為農村、牧區、邊防哨所、氣象台站等偏遠、負載較輕的用戶,提供交流或直流電源。

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