第二章 水轮发电机运行与检修

第一节 同步发电机的基本结构和工作原理

一、同步发电机的类型

同步发电机按其原动机的不同，可分为汽轮发电机和水轮发电机两种。在火电厂中，用汽轮机作为发电机的原动机，转速高（常为1500～3000r/min）；在水力发电站中，用水轮机作为发电机的原动机，转速低（通常在1000r/min以下）。按发电机转子结构的不同，同步发电机可分为隐极式和凸极式两种，如图2-1所示。隐极式转子呈圆形，转速高，转子直径小，但长度长，汽轮发电机通常为隐极式。凸极式转子具有突出的磁极，发电机的励磁绕组绕在磁极上，转速低，常用于水轮发电机。按发电机与原动机的连接方式不同，同步发电机又有立式和卧式之分，汽轮发电机均为卧式的，水轮发电机两种型式都有；按冷却介质及冷却方式可分为：空气冷却、氢气冷却、水冷却和混合冷却方式等；按照发电机励磁方式来分，同步发电机可分为他励方式和自励方式；按发电机旋转部分划分，有旋转磁场式和旋转电枢式，以旋转磁场式发电机居多，其电枢绕组是定子的一部分，又叫定子绕组。

二、同步发电机的基本结构

同步发电机由定子（固定部分）和转子（转动部分）两部分组成。

1.定子

定子是同步发电机的电枢部分，用以产生三相交流电能。定子由定子铁芯、定子绕组、机座等组成。定子铁芯由内圆冲有嵌线槽的硅钢片叠装而成，定子绕组用绝缘扁铜线或漆包线绕制而成，并三相对称地嵌放在定子铁芯槽内，如图2-1、图2-2所示。定子三相绕组通常接成星形，机座是用来固定铁芯和承受荷重的。

2.转子

由上述，同步发电机的转子有两种结构型式，即凸极式和隐极式。

水轮发电机的转子是凸极式，凸极式转子由磁极铁芯、磁轭、励磁绕组、转子支架、转轴等主要部分组成。磁极是用1～1.5mm厚的钢板冲成磁极冲片后铆装成一个整体。在磁极铁芯上套有励磁绕组。励磁绕组是由扁铜线绕成，匝间垫有绝缘，励磁绕组与磁极本身之间隔有绝缘。各励磁绕组串联后接到滑环上。磁轭通常由整块钢板或用铸钢做成，它用来固定磁极，是磁路的一部分。

三、同步发电机的工作原理

1.电磁感应定律的应用

图2-2所示的是一台有一对磁极的同步发电机原理图，同步发电机定子槽中对称放置着三相绕组（互差120°电角度），将X、Y、Z连在一起，组成星形连接。转子和定子之间留有很小的空气隙，当励磁绕组中通入直流电流后建立了磁场，由于转子磁极采用了特殊的结构，使磁场的磁感应强度沿空气隙近似于按正弦规律分布。当转子由原动机拖动旋转时，这个按正弦规律的旋转磁场就依次切割定子三相对称绕组，而在定子绕组中感应出对称的三相正弦交变电动势，其瞬时值为

e_A=E_msinωt

e_B=E_msin（ωt-120°）

e_C=E_msin（ωt+120°）

三相电动势的波形和相量图如图2-3所示。

当合上发电机出口开关，带上负载后，发电机即向负载输出电能。

2.转子转速

感应电动势的频率f决定于发电机的磁极对数p和转子的转速n，转子为一对磁极时，转子旋转一周，定子绕组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p个周期，因此为保持一定的频率，发电机的转速必须符合下列关系

当定子三相对称绕组中有三相对称交流电流通过时，则在空间产生了一个旋转磁场，这个磁场的转速也由上式决定。由于同步发电机定子三相绕组是按转子磁极的对数来布置的，因此三相绕组所产生的旋转磁场的极对数和转子磁极对数一样。即定子旋转磁场的转速和转子转速相等，称为同步转速。同步发电机就是因此而得名的。