毕业设计论文
题目三相无刷同步发电机主发电机的电磁设计
的电磁设计
（院）系电气与信息工程系
专业电气工程及其自动化班级 000班学号 000 学生姓名
导师姓名
完成日期 200年6月1日
（论 文）任 务 书
———☆———
设计（论文）题目： 无刷同步发电机主发电机的设计
姓名 刘国军 系别 电气与信息工程系 专业电气工程及其自动化 班级 0002 学号 0001120315 指导老师 邓秋玲 教研室主任 石安乐
一、基本任务及要求：
1、基本技术要求：
1）基本数据：额定容量625=N S KVA 连接方式Y
额定电压 V U N 400= 额定转速
min /1000r n N =
相数 m=3 功率因数 8.00=?s c
94.0=η 绝缘等级 F
2) 性能要求：(1)线电压波形畸变率<5%；(2)动态性能优良；(3)有过电压保护。
2、本毕业设计课题主要完成以下设计内容：
（1） 主发电机的电磁设计方案； （2） 无刷励磁方案的设计；
（3） 主要零部件图（定子冲片、定子绕组、转子冲片、转子绕组、
电机总装图等）的绘制；
（4） 说明书。 二、进度安排及完成时间：
2月16日——3月6日：查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告
3月6日：抽查文献综述、开题报告撰写情况 3月7日——3月21日：毕业实习、撰写实习报告 3月22日——5月29日：毕业设计 4月底：毕业设计中期抽查
5月30日——6月15日：撰写毕业设计说明书（论文） 6月16日——6月20日：修改、装订毕业设计说明书（论文） 6月20日——6月26日：毕业设计答辩
前 言
随着工业技术的飞跃发展，能源危机在世界都变的越来越严重了，同时人们对节能、环保、高效都提出了很高的要求。而作为消耗70%左右电能的电机，对其节能和获得更高的 效率有着非常重要的现实的意义。
由于电能具有生产和变换比较的经济，传输分配比较的容易，使用和控制比较的方便等优点，因而成为现代最常用的一种能源。并且随着国民经济的发展，自动化程度越来越高，对电的需求量越来越大，同时对电的质量也提出了要求，无疑对同步发电机的性能也提出了要求。
同步发电机是一种交流发电机 ，它区别另外一种交流电机-异步发电机的一个重要的特征是它的转速与电流的频率之间有个严格的关系 ，即：P
f n 60=，
（P 为电机的极对数）。所以当同步电机的极对数和转速一定的时，其感应交流电动势的频率也是一定的。
在现代的电力工业无论是用火力发电还是水力、原子能或柴油机发电几乎全部采用同步发电机。同步电机还可以用做恒速的电动机，虽然其结构较异步机复杂些，但是它可以运行在1cos =?或者超前的功率因数下以改善电网的功率因数。同步发电机还可以用做调相机，实际是不接负载的空载电动机，向电网输送电感性或电容性的无功功率以提高电网运行的经济性及其电压的稳定性。
由于同步电机具有别的电机无法比拟的优点，目前世界各国均在研究、生产和应用。不管是从高速发展的电力工业以适应国民经济飞跃发展的需要还是从提高发电机的效率降低运行成本着眼，都要求增大发电机的容量
为了降低电枢电流，还使用一些电气配套设备易于制造，或省去发电机的升压设备，这就要把同步发电机的额定电压提高到20KV 以上，因此相应研究也在展开。
此外同步发电机的转子部件也需要承受很大的机械应力，这就需要研究有更高强度极限的转子部件，磁轭钢板等部件。提高电枢单位周长的安培导电数A 或气隙磁密B ，则可减少电机尺寸，降低电机成本。但由于磁通密度B 受电机材料的限制而无法提高，需要研制出饱和系数更高的材料。
本设计还有不足之处敬请各位老师、专家批评指正。
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目录
摘要 (Ⅰ)
Abstract (Ⅱ)
第1章我国电机制造工业的发展概况 (1)
第2章无刷同步发发电机励磁系统的研究 (3)
2.1 无刷同步发电机励磁系统概述 (3)
2.2 晶闸管无刷励磁系统 (3)
2.3 无刷励磁系统的分类 (5)
2.3.1 按交流励磁功率源来分 (5)
2.3.2 按旋转元件划分 (5)
2.4 无刷励磁系统的选择 (6)
2.5 旋转整流器励磁系统 (6)
2.5.1 旋转整流器的设计 (7)
2.5.2 旋转整流桥元件的选用 (7)
2.5.3 旋转整流器元件的安装方式 (8)
2.5.2 旋转整流器的保护措施 (8)
2.6励磁系统的发展趋势 (8)
第3章无刷同步发发电机结构和原理 (10)
3.1 结构模型 (10)
3.1.1 凸极式转子 (10)
3.1.2 隐极式转子 (11)
3.2磁极结构的选择 (11)
3.3 磁极形状的选择 (13)
3.4 无刷同步发电机的工作原理 (13)
第4章无刷励磁发电机的简单介绍 (15)
4.1 主发电机 (15)
4.1.1 较小的线电压波形畸变率 (15)
4.1.2 动态性能 (15)
4.1.3 维持短路电流的能力 (15)
4.1.4 加装全阻尼绕组 (15)
4.2交流励磁机 (16)
4.2.1 交流励磁机的设计要求 (16)
4.2.2 特殊的电压变比和电流变比 (16)
4.2.3 交流励磁机的电枢反应 (16)
4.3 旋转整流器的简述 (17)
4.4 交流励磁机和旋转整流器的安装 (18)
第5章方案总体设计 (19)
5.1 课题的目的和意义 (19)
5.2总体设计方案 (19)
5.3 无刷同步发电机主发电机的电磁设计 (21)
结束语 (38)
参考文献 (39)
致谢 (40)
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附录A定子冲片图 (41)
附录B定子绕组图 (42)
附录C转子冲片图 (43)
附录D转子绕组图 (44)
附录E总装图 (45)
湖南工程学院毕业设计论文
三相无刷同步发电机主发电机的电磁设计
摘要：交流励磁机的电枢绕组的负载是一个经过旋转整流器供电的大电感，加之由于励磁机的电枢绕组内电抗的存在，使旋转整流器换相时，电流不能突变，产生了换相角，这使交流励磁机的输出相电压、相电流波形发生了畸变，本设计的交流励磁机的计算主要解决了以下两个问题：（1）如何根据主发电机给定的直流励磁电压
U和直
BH
流励磁电流
I，计算出交流励磁机的输出交流相电势、相电流，及励磁机的容量P；
BH
（2）如何计算交流励磁机的电枢反应，功率因数
cos，及其所需的励磁磁势。
关键词：无刷；同步；电磁计算；旋转整流器电压
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Design OF Brushing The Synchronous Generator OF
Generator
Abstract：It is a great inductance of supplying power through rotating the rectifier to exchange the load of the armature winding of the exciter, because of armature existence of reactance in the winding of exciter , make rotatory rectifier at the phase of transfering to, electric current can change suddenly, produce change photo corner, this make output looks voltage , phase electric current wave form to exchange exciter distortion has taken place, the calculation of the exchange exciter originally designed has solved two following problems mainly: (1)What the voltage of direct current excitation given definitely according to the main generator and direct current excitation electric current, calculate out the output which is exchanged the exciter and exchange looks electric potential , looks electric current , and capacity P of the exciter; (2)How to calculate the armature which is exchanged the exciter to reflect, power factor, and necessary excitation magnetism tendency.
Have sense winding in harmony wave to start motor and control design of circuit Keyword ：Does not there is not scrubing ；Synchronism ；Electromagnetism calculation ；Revolvin
第1章我国电机制造工业的发展概况
20世纪40年代以前，由于我国工业起步较晚，电机制造工业极端落后。新中国成立后，随着工业的不断发展，电机工业才得以迅速发展，产品的品种、数量不断增加，技术水平逐步提高。50年代一仿制国外产品为主，60年代起即走上自行设计的道路；50年代初只能生产一般中小型电机，不久即能制造大型发电设备和特殊用途电机。下面对我国电机制造工业的发展概况作一简要介绍。
1.1 产品品种、规格不断增加，单机容量迅速增大，技术经济指标逐
步提高
在发电机发面，继第一台10MW空冷水轮发电机（1955年）、6MW空冷气轮发电机（1956年）和12MW双水内冷气轮发电机（1958）诞生，又制成100MW双水内冷和氢内冷、125MW 与200MW双水内冷、200MW水氢冷和300MW双水内冷与水氢冷气轮发电机，225MW空冷、300MW双水内冷与空冷水轮发电机和600MW水氢冷气轮发电机。国产气轮发电机在不长时间内，就从空冷、氢冷发展到双水内冷和水氢冷，从而掌握了大型气轮发电机，除全氢冷以外的各种主要冷却方式的技术。
在中小型电机方面，自从1953年进行第一次全国统一设计后，中小型电机的生产开始摆脱过去的混乱局面，走上统一和系列化的道路。据统计，到目前为止，我国生产的中小型电机系列，除一般电机或基本系列外，还有防爆、船用、潜水、单绕组多速、力矩、起重冶金、高起动转矩、辊道、电磁调速、热带型、屏蔽电机、磁阻式同步电动机及永磁电机等派生系列和专用系列。此外，还研制了中小型无槽直流电机、晶闸管供电直流电动机、潜油电机、钻探电机、谐波励磁同步发电机等多种新产品。从目前情况看来，一般或基本系列中小型电机已能满足国民经济各部门的需要，其技术经济指标也在逐步提高。
1.2积极采用新技术、新材料、新结构和新工艺
我国在发展电机时，十分注意新技术、新材料、新结构和新工艺的采用。
在采用新技术方面，首先是应用电子计算机来进行电机的电磁计算以及磁场、温度场计算和零部件机械计算。其他像感应电机的单绕组和三角型Y混合联结绕组，同步电机的无刷励磁、静止半导体励磁、谐波励磁和整块磁极，直流电动机的晶闸管供电和无槽电枢，以及双水内冷技术、直线电机等也都先后正式用于生产。
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在绝缘材料方面，目前我国生产的电机中，主要采用E、B两级（其中E级约占2/3左右），F、H级仅在少数要求较高或特殊用途的电机应用，但前者正积极地分别向B、F 级过渡。近年来，我国还在氢冷汽轮发电机上应用了液体塑料密封材料，以代替传统的橡胶皮条等固体密封材料，改善了密封性能。
在工艺水平和机械化、自动化程度方面，小型电机的机座与转ZHU加工、静电喷漆、总装实验等自动线均已正式采用；级进式冲模、大型压铸机、定子绕组自动下线机、插槽绝缘机、端部整形机、自动绕线机等新设备及真空压力浸渍、中型感应电机转子导条环氧粉末涂敖、机座射压造型等新工艺的应用，也都使工效大大提高，电机质量进一步改进。
1.3 标准化、系列化和通用化程度不断提高
1953年以后多次组织了电机产品的改型设计和新系列统一设计，使我国从发电设备、大型交直流电机一直到种类繁多的中小型电机，大多数都有了自己的系列。不但建立了若干产量大、使用面广的基本系列，还建立了应用场合比较特殊的派生系列和专用系列。在电机零部件和安装尺寸、机座号等的标准化、系列化、通用化方面也进行了大量工作，已形成自己的体系，还制订了电机专业的许多国家标准，这些标准正逐步接近国际电工委员会的标准。
1.4 积极开展电机理论、测试技术和新型发电方式的研究
近年来，我国对电机绕组、附加损耗、附加转矩、电机冷却、大型电机的端部磁场、电机测试技术以及超导电技术在电机的应用等方面开展了一系列研究，取得不少成果。此外，我国还对原子能、磁流体、地热、太阳能、风力和燃气轮机用于发电方面进行了一系列实验研究工作，已建成一座实验性的地热发电站及制成若干燃气轮发电机组。
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第2章无刷同步发电机励磁系统的研究
2.1无刷同步发电机励磁系统概述
从目前来看，励磁系统已成为交流同步发电机中最核心的部分，也是经典的同步发电机中最有发展前途的部分之一，励磁系统的好坏，直接影响到同步发电机的性能和运行质量。因此各国学者几十年来均致力于励磁系统的研究和改进。研究结果表明，当发电机的励磁电流大于8000A时，由于受滑环材质、冷却条件以及碳刷均流的影响，制造相应容量的滑环是困难的。为此，对于大型发电机采用无刷励磁系统是适宜的。从长远来看无刷励磁方式是同步发电机今后的发展方向。
励磁系统通常包含励磁机、手调励磁系统、自动励磁系统、灭磁装置等设备。作用是当电机正常运行时，供给维持一定的电压和一定的无功输出范围所需要的励磁电流：当电力系统发生短路或突然加负载、甩负载时，对电机强行励磁和减磁，以提高电力系统的运行稳定性：当电机内部发生短路时，对电极进行灭磁，以避免事故扩大。
一般来说，无刷励磁发电机由两台电机组成，即主发电机和交流励磁机。对于主发电机而言，由于采用交流励磁机和旋转整流器，实现了励磁无刷化。但对于交流励磁即来说，它也是一台三相交流发电机，它也需要励磁。根据交流励磁机的励磁特点，我们可以把无刷励磁同步发电机划分许多不同的励磁方式。
2.2 晶闸管无刷励磁系统
在无刷励磁系统中，将旋转的二极管整流器代以晶闸管整流元件，将会显著地提高励磁系统控制的快速性，但是在实现这一控制方式时，在技术上存在很大难点，因为在晶闸管无刷励磁系统中，需将处于静止侧的触发脉冲供给旋转的晶闸管整流元件，即要求在静止部分和旋转部分之间建立一个控制联系。英国派生斯公司所采用的方法是在无刷主励磁机的主轴上装一台极数与主励磁机相同的小型旋转电枢控制用励磁机，其电枢各相的末端接于旋转晶闸和整流器的控制极，从而提供了与主励磁机电枢电压波形同步的触发脉冲。控制励磁机的电压与主励磁机与主励磁机电压之间的相位移，决定于它们之间固定磁场系统之间的物理角。改变此角度即改变了晶闸管整流器的触发角。
实际上，控制励磁机在纵轴及横轴上均设有励磁绕组。这两个励磁绕组引入与自动控制成比例的控制电流，并使两绕组的合成磁通势为常数。改变两控制量的比例即可使其合成磁通势在空间位置发生变化，达到改变晶闸管整流器控制触发角的目的。这样，
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便可控制主励磁机的电压由正的电压最大值到负的电压最大值，而控制时间小于0.01S，和采用二极管的方案比较，采用晶闸管整流器的交流励磁机尺寸要大一些，因为此时交流励磁机是按恒定电压方式工作的。
根据上述原理设计的晶闸管无刷励磁系统应注意以下问题：
（1）通过晶闸管的正向电流上升率不超过规范值，否则会由于晶闸管元件局部发热而损坏。
（2）正向电压的上升率不得超过规定值，否则在元件的控制极上未加脉冲前亦有可能也会引起误触发导通。
（3）控制极电流必须同时迅速地加在全部应导通的并联晶闸管元件上。
（4）必须提出有效的方法，以保证输出电流在正向压降和导通特性不同的并联晶闸管元件之间均匀分配。
（5）必须防止整流器的逆变颠覆。如果整流器以接近于180°的控制角工作，就有可能发生某桥臂一直保持导通的故障情况。
（6）控制系统必须有抗干扰的能力。
英国派生斯公司曾根据上述原理研制了试验性晶闸管无刷励磁系统，以检验设计的正确性。原型500kV A交流励磁机在设计时，虽然其输出适用于60MW、3000r/min的汽轮发电机组，但是在整流环、电枢的直径、电流负载及晶闸管元件的选择上亦适用于660MW汽轮发电机组无刷励磁系统。
在晶闸管无刷励磁系统的触发方式上，派生斯公司还发展了旋转脉冲变压器触发方式，在转轴上进行脉冲放大是其设计的特点。
当汽轮发电机组采用晶闸管无刷励磁系统时，除可提高控制系统的快速性外，还可利用逆变进行灭磁这亦是此系统的主要优点之一。
前苏联在开发大型汽轮发电机的晶闸管无刷励磁系统方面也取得了举世瞩目的成就。在解决怎样由静止侧将触发脉冲信号传递到旋转晶闸管整流器侧的问题时，采用了简单、可靠的无触点控制系统，以装在与旋转晶闸管元件同一轴上的旋转脉冲变压器来传送控制脉冲。脉冲变压器定子和转子的磁路为环形，定转子间有一小气隙。变压器的一次和二次绕组相应地置于定子和转子槽中。基于以上研究，有可能生产一台用于300MW汽轮发电机原型晶闸管无刷励磁装置。
在原型上进行的研究表明，在脉冲变压器二次绕组控制脉冲前沿持续时间约为70μs的情况下，分别接于交流励磁机电枢绕组并联支路的晶闸管元件导通过程正常。在300～900μs内改变触发脉冲持续时间，对以汽发电机磁场绕组为负载的晶闸管励磁装
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置是足够的
2.3 无刷励磁系统的分类
2.3.1按交流励磁功率源来分
A 永磁发电机式无刷发电机
交流励磁机的励磁功率由永磁发电机供给。即整体来看也属于一种他励式发电机。此种励磁方式多用于航空无刷发电机或大型无刷同步发电机中。
B从主绕组中获得励磁功率源的基波励磁无刷发电机
该类无刷发电机又可以分为复励和无复励两种。有复励式除了采用主绕组电压源外，还利用电流互感器从主机获得复励分量，而且交流励磁机定子磁场线圈由两个独立绕组组成。一个绕组由主机源供电，另一个绕组由电源供电，两个磁场可接成复励也可以接成差动式的复合关系。，
有复励部分的交流无刷发电机动态性能好，但结构复杂。无复励式交流无刷发电机动态性能差，但线路简单。
C三次斜波励磁无刷系统
交流励磁机的励磁功率源由定子中的三次斜波辅助绕组供给。具有斜波励磁的优点，即这种励磁方式本身就具有较强的复励能力，故动态性能好，强励能力强，能直接起动较大容量的电机。同时在控制线路简单的情况下，可以获得很高的稳定电压调整率。D旋转相复励无刷发电机
旋转相复励无刷发电机的交流励磁机和前面所叙的交流励磁机的不一样，它是一种特殊的旋转复砾变压器。在这种交流励磁机的定子上配有电流绕组和经过电抗器移相绕组。转子部分配有相当于变压器副边的电枢绕组。这种励磁方式具有动态性能好，铁心尺寸比一般交流励磁机小，有较高的电压调整率等优点。但制造工艺复杂，体积大，自动建压比较困难。
2.3.2 按旋转元件划分
A 旋转二极管式的无刷励磁发电机
其旋转整流器由一般的旋转二极管组成，线路简单，但一般动态性能差。
B 旋转晶闸管式无刷发电机
- 5 -
- 6 - 其旋转整流器由旋转晶闸管组成。该励磁方式是70年代发展起来的新技术，是为
了克服二极管式无刷发电机动态性能反应慢的缺点而出现的。其动态性能指标达到了静止励磁的水平恢复时间为0.2
秒。但线路复杂，成本高。目前用于中型无刷发电机
2.4 励磁系统的选择
根据设计的要求，励磁系统必须有反应快，无电刷，能快速灭磁等特点，比较各种励磁系统的特点，最终我选择了用旋转整流器励磁系统 。该励磁系统具有反应速度快，有旋转机械，无电刷，能快速减磁和灭磁，独立运行性能高等特点，基本符合设计的要求。
2.5 旋转整流器（晶闸管）励磁系统
励磁旋转晶闸管式无刷发电机的特点是自动电压调节器（AVR ）与旋转晶闸管装于同一个轴上，直接对主励磁电流进行调节，故动态性能好，反应速度快。只有整定电位器在转子的外面，以便对电压进行整定。测量信号通过变压器由不动的定子部分传送给旋转的转子部分，从而调节AVR 的输出，以达到控制的方式。
2.5.1 旋转整流器的设计
旋转整流器是无刷发电机的重要部件，整流管的可靠性直接影响发电机的运行。 整流线路的选择，在主机参数不变的情况下选用半波或全波线路各有优缺点，应根据具体情况来决定。
（1） 三相全波线路功率因数较高，995.0cos =γ；三相半波线路功率因数低，
827.0cos ≈γ。另外，三相全波整流效率高，交流励磁机可设计的经济些。
- 7 - （2） 三相全波动态较好。
（3） 三相半波时，每个桥臂串接的整流器少，起励比较容易。但每个元件上承
受的反向电压比全波时高一倍。
（4） 三相全波要用6个旋转整流器，是半波线路的两倍。元件愈多，故障愈多，
故可靠性比半波时差，且结构复杂，连线多。
（5） 若充分利用旋转整流器位置，可采用双路并联的三相半波整流电路，其可
靠性可大为提高。
一般说来，对小容量的电机，为了追求结构紧凑，简单可靠，以选择三相半波整流线路为宜。对于较大容量电机或为了获得较好的动态性能，以选择三相全波整流线路较好。故本设计先用三相全波线路。
旋转整流管采用模块结构，它将一个桥臂做成一个模块，一个完整的整流桥由四个桥臂组成，其中三个桥臂组成三相整流桥，另一个桥臂是压敏电阻，对整流桥进行保护，每个桥臂用螺钉直接固定到转轴上。
2.5.2 旋转整流桥元件的选用
无刷电机的整流元件必须是能耐受强大的离心力，耐受机械振动的旋转元件。要求它有极高的可靠性，在承受机械应力的情况下能保持良好的电气性能。因此，旋转整流元件除了元件制造厂在出厂前应进行严格筛选外，电机制造厂在使用前，对其能否经受离心力、振动力以及热容量是否足够，也要经过超速、振动和温升试验的严格挑选。 元件的筛选、老化试验项目有：
（1） 长期静压试验； （2） 短时加压试验； （3） 旋转与振动试验。
上述试验还需分带电与不带电二种工况进行。
对旋转整流器元件的电气参数的选择，即要考虑稳定运行工况，也要考虑各种最恶劣的瞬时状态。例如，起动较大容量民步电动机或主发电机产生突然短路等工况。因此选用二极管时要有足够的裕度。一般二极管电流容量的选择可为每个桥臂流过的工作电流的三倍。
1）、旋转二极管的电流
A
I K I fN I d 37.4044367.05.2367.0=??==
- 8 - 安的整流管
电流为可选为额定励磁电流，因此，取为安全系数，40fN I 5.2I K ,4~2I K I K == 2）、旋转二极管的电压
V fN U RRM U 4.23477.106101.12101.12=???=???=
fN
U 为额定励磁电压
因此可选耐压比2347.4V 大的二极管
2.5.3 旋转整流元件的安装方式
转整流元件的安装与接线必须考虑旋转的要求。目前旋转整流元件的安装方式共有两种：一种是径向安装方式，它又分为受压应力旋和受拉应力二类；另一种为轴向安装方式，旋转二极管受剪应力。各种安装方式各有优缺点，受压应力方式比较合理，但结构比较复杂。受剪应力工作方式工作似较恶劣，但结构简单，容易维修。目前在一般小型无刷发电机中，采用轴向安装方式的较多，它结构紧凑，易于安放保护电路。本次设计选用轴向安装。
2.5.4 旋转整流器的保护措施
由于对运行中的旋转整流器的工作状态不易监视与检测，故必须对整流桥中的旋转二极管采取适当的保护措施。以确保整流桥的可靠性。通常保护措施有两类，一类为过流保护，可采用快速熔断器等元件进行保护。另一类为过压保护，多采取硅堆、非线性压敏电阻或线绕电阻等元件进行保护。但在中、小型无刷发电机中，为了结构上的简便和提高机械上的可靠性，通常对过流保护是适当增大整流元件的电流容量而不采用复杂的过流保护措施。至于过压保护，则通常只在直流侧并一个非线性压敏电阻，有时并一个线绕电阻。
线绕电阻的安装方法是采用康铜丝或镍铬电阻丝绕制在旋转整流器装置圆盘之外圆上的槽内，这种布置方式的优点是易于散热，具有良好的运行可靠性和机械平衡性。
一般认为，保护电阻的选择，应以电阻中流过的电流大于整流元件的漏电流为宜。据此，保护电阻的阻值均在数千欧以上。但从保护效果来看，保护电阻应越小越好。但这样一来，将会使励磁机的励磁功率增加很多，同时也将会影响到无刷发电机整机的动态性能。根据日本西芝电机公司的经验，保护电阻阻值宜于选择为主发电机磁场电阻的30～60倍。
本设计采用压敏电阻对整流管进行保护，压敏电阻的选择，可取为额定励磁电压的4～5倍，便可将过电压水平限制在额定励磁电压的4～5倍的范围内。
2.6 励磁系统发展趋势
数十年来，实际应用过的励磁方式有多种，每一种励磁方式的出现都与当时的技术
水平和生产需要密切相关。
早期发电机单机容量小，半导体技术还没有发展起来，所以绝大多数采用同轴直流
励磁机的励磁方式。随着发电机单机容量的增加，高速直流励磁机的容量受换向器换流
能力和离心力的限制，很难满足励磁功率大于500KW的要求，于是就出现了齿轮减速或
电动发电机组的低速直流励磁机方式和水银整流器励磁方式。
个别电厂为了解决高速大容量直流励磁机的稳定运行难题，创造了直流励磁机加发
电机定子电流复励的方式。国内最大容量的高速直流励磁机为550KW，配用于QFS型双
水内冷125MW等多种规格的发电机。
20世纪50年代至60年代，出现了大功率半导体整流元件，于是就创立了交流励磁
机－整流器励磁系统，取代大容量的直流励磁机。随着永磁材料不断进步，永磁式副励
磁机又取代了非永磁副励磁机。
目前交流励磁机－整流器励磁方式（含无刷励磁）广泛主用于100MW以上的汽轮
发电机组，直到目前最大的1450MW核电1500r/min核电发电机。
20世纪60年代中期，出现了大功率晶闸管元件，于是又创立了多种与晶闸管元件
有关的励磁方式，有交流励磁机或厂用电晶闸管励磁方式、并联自复励或串联自复励的
励磁方式、自并励静止励磁方式以及三次谐波励磁方式等。
当汽轮发电机的励磁电流达到数千安以上时，滑环和碳刷的矛盾比较突出，同时防
爆防火场合要求无火花，于是又开发了交流励磁机无刷励磁方式。
可见，励磁系统技术是跟随机械换向器整流－不可控整流－可控整流的发展而发展的，它们各有特点。
新型无刷励磁系统的原理接线图．它的副励磁机是永磁发电机，其磁极是旋转的，电枢是静止的，而交流励磁机正好相反．交流励磁机的电枢、可控硅整流元件、发电机的励磁绕组都在同一根轴上旋转，所以它们之间不需要任何滑环与电刷等接触元件，这就实现了无刷励磁. 同时，与原无刷励磁系统相比，新型励磁机转子上装有高速开关器件——IGBT三相桥，它的触发电路采用光电系统，即其触发电路为套在轴上旋转的光环(暂称为光转子)，励磁机定子上装有接成若干对极的励磁绕组和光环静止部分(暂称为光定子)，励磁机控制器在综合控制信号和同步发电机运行参数的基础上，将控制信息准确无误地传递到旋转着的IGBT桥上的触发电路，而且能实现逆变灭磁。
- 9 -
第3章无刷同步发电机的结构和原理
3.1 结构模型
同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。
转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。
除了转场式同步电机外,还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。图中用AX、BY、CZ三个在空间错开120电角度分布的线圈代表三相对称交流绕组。
同步电机的结构分为旋转电枢式和旋转磁极式两种，前者偶然用与小容量同步机中，后者是同步机的主要结构形式。在旋转磁极式中又分为隐极式和凸极式两种，前者的气隙是均匀的，后者的是不均匀的。隐极式结构的转子机械强度大并能更好的固定转子绕组，所以多用与高速同步电机，例如3000r/min 的汽轮发电机。凸极同步机多用与低速和中速的场合，例如水轮发电机或柴油发电机中。此次设计的发电机属于中小型发电机，从经济性考虑，采用凸极式。
3.1.1 凸极式转子
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- 11 - 凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈，如图15.3 所示。当励磁线圈中通过直流励磁电流后，每个磁极就出现一定的极性，相邻磁极交替为 N 极和 S 极。对水轮发电机来说，由于水轮机的转速较低，要发出工频电能，发电机的极数就比较多，做成凸极式结构工艺上较为简单。另外，中小型同步电机多半也做成凸极式。
3.1.2
隐极式转子
隐极式转子上没有凸出的磁极，如图15.2b 所示。沿着转子本体圆周表面上，开
有许多槽，这些槽中嵌放着励磁绕组。在转子表面约1/3部分没有开槽，构成所谓大齿，是磁极的中心区。励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也会出现 N 极和 S 极。在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可达170米/秒。为了减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨大离心力，大型汽轮发电机都做成细长的隐极式圆柱体转子。考虑到转子冷却和强度方面的要求，隐极式转子的结构和加工工艺较为复杂。
3.2 磁极结构的选择
小型三相同步发电机可以采用凸极和隐极两种结构，主要由个厂家的生产习惯和工艺的不同而决定的，这两种结构各有优缺点，其比较见表：
70年代末期发展了兼顾凸极和隐极结构优点的整体凸极叠片转子。这种结构磁极和磁轭为一体，整体冲出，叠装在轴上，在铁心上包绝缘。励磁绕组由绕线机直接绕到极身上，边绕边涮漆，然后烘干。这种设计、工艺和分离式凸极结构相比的特点见下表：
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在设计中采用整体凸极结构和绝缘材料的发展（采用F 级），为了提高励磁绕组的绝缘性能，改善励磁绕组的散热条件，使转子线圈工艺便于实现机械化。采用整体凸极叠片转子，已经成为电机的一种发展方向。
3.3 磁极形状的选择
为了获得接近正弦分布的气隙磁场，在凸极结构中一般采用最大气隙与最小气隙之
比为1
1111/D D
D D l D i i ef i m =δδ=δδ/m 1.5，极弧系数a=0.7-0.73，对于采用三次斜波励
磁发电机，为使空载和负载时斜波分量适当，一般采用最大气隙和最小气隙之比为
=δδ/m 1.2-1.3。对于30KW 以下的发电机，为了方便制造可以采用=δδ/m 1.0，即均匀
气隙
3.4 无刷同步发电机的工作原理
当原动机拖动主发电机旋转时，交流励磁机的电枢绕组首先将切割剩磁自励发出交流电，然后经旋转整流器变成直流电后进入主发电机转子绕组以励磁。这时主发电机的输出端有电压。励磁电源取自发电机输出端电压，称这种为自励恒压发电机。
一、名词解释 1．励磁系统 答：与同步发电机励磁回路电压建立、调整及在必要时使其电压消失的有关设备和电路。 2．发电机外特性 答：同步发电机的无功电流与端电压的关系特性。 3．励磁方式 答：供给同步发电机励磁电源的方式。 4．无刷励磁系统 答：励磁系统的整流器为旋转工作状态，取消了转子滑环后，无滑动接触元件的励磁系统。 5．励磁调节方式 答：调节同步发电机励磁电流的方式。 6．自并励励磁方式 答：励磁电源直接取自于发电机端电压的励磁方式。 7．励磁调节器的静态工作特性 答：励磁调节器输出的励磁电流（电压）与发电机端电压之间的关系特性。 8.发电机调节特性 答：发电机在不同电压值时，发电机励磁电流IE与无功负荷的关系特性。 9．调差系数 答：表示无功负荷电流从零变至额定值时，发电机端电压的相对变化。 10．正调差特性 答：发电机外特性下倾，当无功电流增大时，发电机的端电压随之降低的外特性。11．负调差特性 答：发电机外特性上翘，当无功电流增大时，发电机的端电压随之升高的外特性。12．无差特性 答：发电机外特性呈水平．当无功电流增大时，发电机的端电压不随之变化的外特性。
13．强励 答：电力系统短路故障母线电压降低时，为提高电力系统的稳定性，迅速将发电机励磁增加到最大值。 二、单项选择题 1．对单独运行的同步发电机，励磁调节的作用是( A ) A．保持机端电压恒定； B．调节发电机发出的无功功率； C．保持机端电压恒定和调节发电机发出的无功功率； D．调节发电机发出的有功电流。 2．对与系统并联运行的同步发电机，励磁调节的作用是( B ) A．保持机端电压恒定； B．调节发电机发出的无功功率； C．调节机端电压和发电机发出的无功功率； D．调节发电机发出的有功电流。 3．当同步发电机与无穷大系统并列运行时，若保持发电机输出的有功 PG = EGUG sinδ为常数，则调节励磁电流时，有( B )等于常数。 X d A．U G sinδ； B．E Gsinδ； C．1 X d ?sinδ； D．sinδ。 4．同步发电机励磁自动调节的作用不包括( C )。 A．电力系统正常运行时，维持发电机或系统的某点电压水平； B．合理分配机组间的无功负荷； C．合理分配机组间的有功负荷； D．提高系统的动态稳定。 5．并列运行的发电机装上自动励磁调节器后，能稳定分配机组间的( A )。A．无功负荷；
3、三相交流同步发电机 3.1同步发电机概况 同步发电机按其运行方式和功率转换方向可分为同步发电机、同步电动机和同步补偿机三大类型。 同步发电机是把机械能转换为交流电能的设备；同步电动机是把交流电转换为机械能的设备；同步补偿机则是专门用于调节电网的无功功率的装置，以改善电网的功率因数。 同步发电机的基本型式分为旋转电枢式和旋转磁极式两种类型。这两类同步发电机虽然结构上有所不同，但基本原理是相同的，即磁场与导线相对运动，切割磁力线，导线产生感应电势。 旋转电枢式发电机的磁场是固定的，而电极则由原动机拖动旋转，三相交流电流通过**和电刷的连接输送到负载，这类发电机的优点是铁芯硅钢片的利用率高，而且定子的机座可作磁轭，以节约钢材，其缺点是输出的容量受到限制，电压也不能太高，因此，用这类发电机供电已很少采用，通常采用无刷发电机作交流励磁机用。 旋转磁极式发电机的电枢是固定的，而磁极是旋转的，电枢绕组均匀分布在整个铁心槽内，按磁极的形状，又可分为凸极式和隐极式两种。 凸极式发电机有明显的磁极，在磁极铁芯上套有集中磁极绕组，电的气隙是不均匀的，极弧下气隙较小，而极间部分气隙较大. 阴极式发电机没有明显的磁极，磁极绕组分散嵌在转子铁芯槽内，由于转子制成圆柱形，因此气隙是均匀的。 3.2无刷同步发电机 3.2.1无刷同步发电机的基本结构 无刷同步发电机无论是凸极式还是隐极式可分为两大部分，即定子和转子，静止部分称为定子，包括机座、定子铁芯、定子绕组、端盖、轴承盖及交流励磁机的定子等；转动部分称为转子，包括转子铁芯、磁极绕组、转轴、轴承、风扇、交流励磁机的电枢及旋转整流器等。 3.2.2同步发电机的工作原理及工作特性 同步发电机所谓同步，就是说发电机的转子由发动机拖动旋转后，在定子和转子之间的气隙里产生一个旋转磁场，这个旋转磁场是发电机的主磁场，又称为转子磁场。当主磁场切割三相电枢绕组的线圈时，就会产生三相感应电势，接通负载后，在电枢绕组中流过感应电流，这个*变电流也会在发电机的气隙中产生一个旋转磁场，这个旋转磁场称为电枢磁场，又称为定子磁场。 主磁场被发动机拖动旋转时，它拉着电枢旋转，就像两块磁铁之间有相互吸引力一样，就是说，发电机的转子带动电枢磁场以同一转速旋转，二者之间保持同步，故称为同步发电机。电枢磁场的转速称为同步转速。 由于定子三相绕组在空间的位置是对称的，彼此相差120°电角度，因此，定子绕组切割磁力线时，将产生对称三相感应电势。 定子每相绕组感应电势的有效值为：
无刷交流同步发电机原理与构造 国民经济建设和人民生活时刻离不开电能，同步发电机由原动机驱动而旋转，把机械能转换成电能，向用电设备提供交流电源。 无刷同步发电机由于其无线电干扰小，无电刷，维护工作量少，运行可靠，性能优越，又便于实现无人值守，当今国内外己普遍推广应用。 第一节无刷同步发电机工作原理 一、电与磁的关系 （一）通电导体周围有磁场 在导体中通入电流之后，导体周围便产生磁场，而且沿导体全部长度上都存在着，该磁场的强弱决定于电流的大小，电流越大，磁场强度越强，磁场的方向按右手定则决定，如图8-1所示，将右手姆指伸直表示电流方向，将其余四指卷曲，这时四指所指的方向，就是磁场方向。 通电线圈 或螺线管周围 也产生磁场。 磁场的强度与
线圈匝数及电流大小成正比 , 磁场方向也以右手定则决定 , 如 图 8一2 所示 , 伸出右手姆指，其余四指卷曲，使四指的方向符 合线圈中电流方向 , 那么伸直的姆指所指的方向就是磁场方向。 发电机的磁场就是在磁极铁心外套上线图通以直流电而形成南、北磁极。当线圈断电后，磁极铁心仍有一定的磁性，俗 称“剩磁”，这是发电机自建电压的必不可少的条件。 （二）电磁感应 当导体(线)在磁场中运动或磁场在导体周围运动，两者互相切割时，在导体(线)中便感应电动势，这种现象称为电磁感 应。 感应电动势的方向与导体运动方向和磁场方向有关，可用“右手定则”来判定。伸右手于磁场内，手心对着N极,四指与 大姆指互相垂直，让大姆指指向导体运动方向，那么四指所指 方向就是感应电动势方向。发电机就是根据这个原理工作的。 如图8－3所示。 感应电动势的大小e与磁 感应强度B,导体切割磁力线的速度 v和导体长度l成正比。 e=B1v 要增大感应电动势，可采用下列办法： 1、增加被切割的磁力线数目，即增强磁场强度，磁场越强，感应电动势越大。
发电机原理及构造——发电机的励磁系统 众所周知，同步发电机要用直流电流励磁。在以往的他励式同步发电机中，其直流电流是有附设的直流励磁机供给。直流励磁机是一种带机械换向器的旋转电枢式交流发电机。其多相闭合电枢绕组切割定子磁场产生了多相交流电，由于机械换向器和电刷组成的整流系统的整流作用，在电刷上获得了直流电，再通过另一套电刷，滑块系统将获得的直流输送到同步发电机的转子，励磁绕组去励磁，因此直流励磁机的换向器原则上是一个整流器，显然可以用一组硅二节管取代，而功率半导体器件的发展提供了这个条件。将半导体元件与发电机的轴固结在一起转动，则可取消换向器、滑块等滑动接触部分、利用二极管换成直流电流。直流送给转子励磁、绕组励磁。这就是无刷系统。 下面我们以典型的几种不同发电机励磁系统，介绍它的工作原理。 一、相复励励磁原理 左图为常用的电抗移相相复励励磁系统线路图。由线形电抗器DK把电枢绕组抽头电压移相约90°、和电流互感器LH提供的电压几何叠加，经过桥式整流器ZL整流，供给发电机励磁绕组。负载时由电流互感器LH供给所需的复励电流，进行电流补偿，由线形电抗器DK 移相进行相位补偿。 二、三次谐波原理 左图为三次谐波原理图，对一般发电机来源，我们需要的是工频正弦波，称为基波，比基波高的正弦波都称为谐波、其中三次谐波的含量最大，在谐波发电机定子槽中，安放有主绕组和谐波励磁绕组（s1、s2），而这个绕组之间没有电的联系。谐波绕组将绕组中150HZ谐波感应出来，经过ZL桥式整流器整流，送到主发电机转子绕组LE中进行励磁。 三、可控硅直接励磁原理 由左图可以看出，可控硅直接励磁是采用可控硅整流器直接将发电机输出的任一相一部分能量，经整流后送入励磁绕组去的励磁方式，它是由自动电压调节器（A VR），控制可控硅的导通角来调节励磁电流大小而维持发电机端电压的稳定。 四、无刷励磁原理 无刷励磁主要用于西门子、斯坦福、利莱等无刷发电机。它是利用交流励磁机，其定子上的剩磁或永久磁铁（带永磁机）建立电压，该交流电压经旋转整流起整流后，送入主发电机的励磁绕组，使发电机建压。自动电压调节器（A VR）能根据输出电压的微小偏差迅速地减小或增加励磁电流，维持发电机的所设定电压近似不变。 中小型三相同步发电机的技术发展概况 一．概述 中小型同步发电机是中小型电机的主要产品之一，广泛应用于小型水电站、船舶电站、移动电站、固定电站、应急备用电站、正弦波试验电源、变频电源、计算机电源及新能源――风力发电、地热发电、潮汐发电、余热发电等。它对边（疆）老（区）贫（穷）地区实现电气化，提高该地区经济发展水平和人民的生活水平有着重要的作用，中小型发电机在船舶、现代电气化火车内燃机车等运输设备中也是一个关键设备。移动电站对国防设施、工程建设、海上石油平台、陆上电驱动石油钻机、野外勘探等也是不可缺少的关键装备之一。应急备用电站在突发事件中的防灾、救护保障人民的生命和财产的安全有着不可替代的作用。开发绿色能源、可再生能源、减少大气二氧化碳的含量，小水电、风力发电、地热发电和余热发电是重要的组成部分。 我国小型同步发电机的第一代产品是1956年电工局在上海组织的统一设计并于1957年完成的TSN、TSWN系列农用水轮发电机。第二代产品是在进行了大量试验研究和调查研究的基础上于1965年开始的T2系列小型三相同步发电机统一设计，该水平达到六十年代国际先进水平，为B级绝缘的有刷三相同步发电机。在这段时间还开发了ST系列有刷单相同
青田新机电器有限公司 三相同步发电机和交流同步发电机操作规程编号： 1、起动发电机前必须认真阅读有关发电机的基本知识及注意事项。 2、发电期间必须专人、专职看守跟踪一切发电情况并记录。 3、起动前的准备。 (一)、检查柴油机各部分是否正常，各附件连接是否可靠，并排除不正常的现象。 (二)、检查电机起动系统电路接线是否正确，蓄电平是否充足电。（针对本厂设备，检查2个12V电瓶充电时应调置24V电压，再按充电器上的挡位1-9个档位调节，每一个挡位充足时会自动归零在仪表上显示，这时候继续调节更高一个档位充电，直到最高挡位充足时为止。） （三）、检查机油箱或底缸内机油是否符合表尺要求（即看机油表尺位置，表尺上刻有静满、动满刻度）不满时加相同型号机油。 （四）、检查水箱或水池的水是否能供给正常发电用量（冷却用）。 （五）、检查喷油泵调速器内的机油是否达到正常标准，不够时及时加满。 （六）、对有明确要求在起动前必须加注润滑脂的部位，一定要用高压枪加注润滑脂。（七）、检查过滤器的过滤芯有无堵。 1）、看空气过滤芯有无灰尘，如有灰尘用毛刷清除，不能用水、油清洗。 2）、看机油过滤器内有无脏物堵塞。 3）、看柴油或汽油过滤器内有无脏物堵塞。
（八）、准备柴油或汽油好后连接在油泵上，松开油泵上的螺母用手动压油，直到有油为止（这时候应排放油泵里的空气，继续压油直到空气流出，同时伴有油流出来为止，再拧紧排放处的螺母。） （九）、依次松开各缸喷油器上的高压油管接头螺母，将调速手柄置于柴油机运转位置转动柴油机使各部高压油管内的空气排净。 （十）、检查发电机电刷磨损情况，随时更换新电刷。 （十一）、气缸气门芯上加机油润滑。 4、柴油机启动 （一）、将钥匙插入起入起动锁里，转到启动位置上，按紧启动按钮到启动为止。（二）、柴油机启动后，空载转动时间在5分钟（即可逐步增加转速到800-1000r/min，注：根据各台发电机的转速情况定）并进入部分负荷运转，这要注意观察仪表上的水温度、机油温度、机油压力最低不能,才能允许全负荷运转. （三）、特别是在低温起动后，转速的增加应尽可能缓慢，以确保轴承得到足够的润滑，并使油压稳定。 5、柴油机的正常使用 （一）、柴油机投入正常使用后，应经常注视所有仪表的指示值和观察整机运行的动态；要经常检查冷却系统和各部分润滑油的液面，如发现有不符规定要求的或出现漏油时，应即给补充或检查原因予以排除。
通常说的交流永磁同步伺服电机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制方式。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。最后明确一个概念，无刷直流电机的所谓“直流变频”实质上是通过逆变器进行的交流变频，从电机理论上讲，无刷直流电机与交流永磁同步伺服电机相似，应该归类为交流永磁同步伺服电机；但习惯上被归类为直流电机，因为从其控制和驱动电源以及控制对象的角度看，称之为“无刷直流电机”也算是合适的。 无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密，定子绕组多采用集中整距绕组，因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术，构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波， 逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。 本质上，无刷直流电动机也是一种永磁同步电动机，调速实际也属于变压变频调速范畴。通常说的永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制 策略。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。 最后纠正一个概念，“直流变频”实际上是交流变频，只不过控制对象通常称之为“无刷直流电机”。 仅对电机结构而言，二者确实相差不大，个人认为二者的区别主要在于： 1 概念上的区别。无刷直流电机指的是一个系统，准确地说应该叫“无刷直流电机系统”，它强调的是电机和控制器的一体化设计，是一个整体，相互的依存度非常高，电机和控制器不能独立地存在并独立工作，考核的也是他们整体的技术性能。而交流永磁同步电机指的是一台电机，强调的是电机本身就是一台独立的设备，它可以离开控制器或变频器而独立地存在独立地工作。 2 从设计和性能角度上看，“无刷直流电机系统”设计时主要考虑将普通的机械换向变为电子换向后如何还能保持机械换向电机的优点，考核的重点也是系统的直流电机特性，如调速特性等；而交流永磁同步电机设计主要着重电机本身的性能，特别是交流电机的性能，如电压的波形、电机的功率因数、效率功角特性等。 3 从反电势波形看，无刷直流电机多为方波，而交流永磁同步电机反电势波形多为正弦波。 4 从控制角度看无刷直流电机系统基本不用什么算法，只是依据转子位置考虑给那个绕组通电流即可，而交流永磁同步电机如果需要变频调速则需要一定的算法，需要考虑电枢电流的无功和有功等。 5 关于“那么三相无刷直流电机能不能使用三相正弦交流电呢如果可以，霍耳器件是否可以不用了” 从原理上讲，三相无刷直流电机使用三相正弦交流电是可以运行的，只不过是运行性能可能很差，如果三相无刷直流电机的反电势波形为方波，则使用三相正弦交流电时会产生很大的谐波损耗，温升很高。是否需要霍耳器件与使用什么电源（三相正弦交流电或方波脉冲电源）无关，而与电机的控制算法、控制策略及控制方式等因素有关，如果是用无位置传感
无刷励磁发电机的轴端头是一台交流发电机，其转子是发电绕组，发出的电流通过固定在发电机轴上的导线引导固定在轴上的硅整流管，整流后的直流直接进入转子绕组，其中没有整流刷这个东西，所以成为无刷励磁。 无刷励磁发电机的轴端头是一台交流发电机，其转子是发电绕组，发出的电流通过固定在发电机轴上的导线引导固定在轴上的硅整流管，整流后的直流直接进入转子绕组，其中没有整流刷这个东西，所以成为无刷励磁。曾经风靡过一段时间，但是由于整流管坏了就得停机，所以现在已经用的很少了，基本都采用自复励系统。 同步发电机励磁方式分为两大类：一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁系统；另一类是用硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统。现说明如下： 1.直流励磁机励磁 直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或他励接法。采用他励接法时，励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。 2.静止励磁器励磁 同一轴上有3台发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励（有时采用永磁发电机）。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机，而主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。 3.旋转整流器励磁 静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大容量的同步发电机，其励磁电流达到了数千安培，使得集电环严重过热。因此，在大容量的同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。用于这种励磁系统取消了集电环和集电装置，故又称为无刷励磁系统。
1．同步发电机运行实验指导书2．发电机励磁调节装置实验指导书3．静态稳定实验(提纲，供参考) 4．发电机保护实验提示 5． 广西大学电气工程学院
同步发电机运行实验指导书 目录 一、实验目的 二、实验装置及接线 三、实验内容 实验一发电机组的起动和同步电抗Xd测定 实验二发电机同期并网实验 实验三发电机的正常运行 实验四发电机的特殊运行方式 实验五发电机的起励实验 四、实验报告 五、参考资料 六、附录 1．不饱和Xd的求法 2．用简化矢量图求Eq和δ 3．同期表及同期电压矢量分析
一、实验目的 同步发电机是电力系统最重要又最复杂的电气设备，在电力系统运行中起着十分重要的作用。通过实验，使学生掌握和巩固同步发电机及其运行的基本概念和基本原理，培养学生的实践能力、分析能力和创新能力，加强工程实线训练，提高学生的综合素质。 二、实验装置及接线 实验在电力系统监控实验室进行，每套实验装置以4KW直流电动机与同轴的1.5KW同步发电机为被控对象，配置常规仪表测量控制屏（常规控制）和自动控制屏（微机监控）。可实现对发电机组的测量、控制、信号、保护、调节、并列等功能，本次同步发电机运行实验，仅采用常规控制方式。 直流电动机-同步发电机组的参数如下： 直流电动机： 型号Z2-42，凸极机 额定功率4KW 额定电压DC220V 额定电流22A 额定转速1500r/min 额定励磁电压DC220V 额定励磁电流0.81A 同步发电机 型号STC-1.5 额定功率 1.5KW 额定电压AC400V(星接) 额定电流 2.7A 额定功率因数0.8 空载励磁电流1A 额定励磁电流2A 同步发电机接线如图电-01所示。发电机通过接触器1KM、转换开关1QS、
直流无刷电机BLDCM与永磁同步电机PMSM的比较 直流无刷电机BLDCM Brushless Direct Current Motor 永磁同步电机(交流无刷电机) PMSM(BLACM) Permanent Magnet Synchronous Motor (Brushless Alternating Current Motor) 1 PMSM和BLDCM相同点和不同点 1.1 PMSM和BLDCM的相似之处 两者其实都是交流电机，起源不同但从结构上看，两者非常相似。 PMSM起源于饶线式同步电机，它用永磁体代替了绕线式同步电机的激磁绕组，它的一个显著特点是反电势波形是正弦波，与感应电机非常相似。在转子上有永磁体，定子上有三相绕组。BLDCM起源于永磁直流电机，它将永磁直流电机结构进行“里外翻”，取消了换相器和电刷，依靠电子换相电路进行换相。转子上有永磁体，定子上有三相绕组。 1.2 PMSM和BLDCM的不同之处 反电势不同，PMSM具有正弦波反电势，而BLDCM具有梯形波反电势。 定子绕组分布不同，PMSM采用短距分布绕组，有时也采用分数槽或正弦绕组，以进一步减小纹波转矩。而BLDCM采用整距集中绕组。 运行电流不同，为产生恒定电磁转矩，PMSM需要正弦波定子电流；BLDCM需要矩形波电流。PMSM和BLDCM反电势和定子电流波形如图1所示。 永磁体形状不同，PMSM永磁体形状呈抛物线形，在气隙中产生的磁密尽量呈正弦波分布；BLDCM永磁体形状呈瓦片形，在气隙中产生的磁密呈梯形波分布。 运行方式不同，PMSM采用三相同时工作，每相电流相差120°电角度，要求有位置传感器。BLDCM采用绕组两两导通，每相导通120°电角度，每60°电角度换相，只需要换相点位置检测。正是这些不同之处，使得在对PMSM和BLDCM的控制方法、控制策略和控制电路上有很大差别。 2 PMSM和BLDCM特性分析 2.1按照空间应用中最关心的特性：功率密度、转矩惯量比、齿槽转矩和转矩波动、反馈元
Voltage Diagrams of the Three-Phase Synchronous Generator on Balanced Load The voltage diagram is of very great importance for analyzing working conditions in a synchronous machine. It is possible to obtain from the voltage diagram the per cent variation of the synchronous generator voltage, the voltage increase with a drop in load and drop voltage for the transition from operation on no-load to operation on-load. The solution of these problems is of great importance: (1) for initial machine design when the necessary excitation current values are to be determined under various operating conditions and (2) when testing a finished machine to decide whether the machine conforms to given technical specifications. By using a voltage diagram, it is also possible to determine the operating conditions of a machine without actually applying the load, something which becomes especially difficult when the machine is of large rating. The voltage diagrams make it possible to obtain the fundamental performance characteristics of a machine by means of calculation. Finally, the voltage diagram allows to determine the power angle θ between the e. m. f. produced by the excitation field and the voltage across the terminals. Angle θplays a very important role in the analysis of the torque and power developed by a machine both in the steady-state and transient conditions. The vector difference between the e. m. f. E0due to the excitation flux and the terminal voltage V of a synchronous machine depends on the effect of the armature reaction and on the voltage drop in the active resistance and leakage inductive reactance of the armature winding. Since armature reaction depends to a very great extent on the type of the machine ( salient-pole or non-salient-pole ) , kind of load ( inductive, active or capacitive ) and on the degree of load symmetry ( balanced or unbalanced ) , all these factors must be duly considered when plotting a voltage diagram. It is necessary to bear in mind that all the e. m. f. s and voltages that participate as components in the voltage diagram should correspond to its fundamental frequency; therefore, all the e. m. f. s and voltages must preliminarily be resolved into harmonics and from each of them the fundamental wave must be taken separately. In the chapter where the armature reaction is considered an analysis was carried out which allowed to obtain the fundamental voltage wave produced by the armature field components revolving in step with the machine rotor. When a new machine is being commissioned, a vector diagram is plotted from the test data obtained from the experimental no-load and short-circuit
无刷同步发电机的工作原理和结构特点 摘要：介绍了无刷同步发电机的结构特点，并着重对旋转整流器进行了分析说明。 叙词无刷电机同步发电机旋转整流器 1 引言 由于电能具有生产和变换比较经济，传输和分配比较容易，使用和控制比较方便等优点，因而成为现代最常用的一种能源。并且随着国民经济的不断发展，自动化程度越来越高，对电的需求量越来越大，不仅要求用电数量，同时对用电质量也提出了要求，无疑对同步发电机的性能也提出了高要求。而励磁方式直接影响到发电机的性能、可靠性和技术要求，因此励磁方式的研究成了电机发展的一个重要课题。原来一直采用直流发电机来劢磁，即用直流发电机发出来的直流电，通过滑环和电刷引进同步发电机的转子绕组，但随着电机容量的不断增大，直流电机的换向已成为一大难题，并且需要碳刷和滑环，存在碳刷磨损和碳刷粉末玷污线圈绝缘和其它零部件问题。随着半导体技术的发展，推动了无刷电机的发展。 2 无刷同步发电机的结构特点 无刷同步发电机由主发电机(同步发电机)，交流励磁机，旋转整流器等主要部分组成，主发电机转子、励磁机电枢和旋转整流器都装在同一轴上一起旋转，励磁机磁极固定在定子内侧。主发电机结构大同小异，都是转场式的，有隐极和凸极两种，交流励磁机为转枢式的。同步发电机由有刷进化到无刷主要是有了交流励磁机和旋转整流器。 2．1 交流励磁机 交流励磁机实为交流发电机，电枢铁心用优质电工钢片冲制后，紧密迭压在电枢支架上，然后热套到轴上，电枢绕组端部用玻璃钢绑扎，以承受高速旋转下的离心力。磁极用特殊钢片组成，具有适当的磁积能，保证交流发电机能自立建压，为主发电机提供励磁电流。交流发电机—般依靠自己的剩磁建压，有时为了提高起励的可靠性，不仅在励磁回中采取起励措施，而且还在交流励磁机的定子磁极极靴安放小块永久磁铁加以励磁。为了提高励磁系统的反应速度，交流励磁机的频率一般比主发电机的高，可高达数百赫兹，故交流励磁机的极数比主发电机的多，但最好不成简单的整数倍。(例如，某电机的主发电机极数为6，励磁机的极数为16) 2．2 旋转整流器 旋转整流器由半导体旋转整流二极管、快速熔断器、过电压保护器等元件组成，快速熔断器作为过电流或短路保护串联于每个二极管支路，浪涌抑制器或压敏电阻并联于旋转整流装置的直流侧两端可以吸收瞬时过电压，作过电压保护。旋转整流器与主发电机转子也是同轴安装，整流电路(单相、三相)应与交流励磁
柴油发电机无刷励磁的结构特点、工作方式、工作原理 无刷励磁的结构特点、工作方式、工作原理。发电机励磁电流的调节过程△由副励磁机——可控硅——A VR 调节器——作为主励磁机定子励磁电流——来调节主励旋转电枢的输出电流——送至旋转整流盘——转子绕组 △静止的永励副励磁机的电枢送出400Hz的电源，通过励磁电压调节器中的三相全控桥式可控硅整流器形成可调的直流电源到交流励磁机的磁场绕组。 通过控制全控桥整流器的导通角来调节交流励磁机的磁场电流，从而达到调节发电机励磁电流的目的。 当DA VR故障时，由厂用电经工频手动励磁调节装置整流后提供。发电机励磁。 工作原理 发电机的励磁电流由交流励磁机经旋转整流盘整流后提供，交流励磁机的励磁电流则由永磁机经调节装置中的可控硅全控桥整流后提供，励磁电流的大小由自励磁调节装置进行自动或手动调节，以满足发电机运行工况的要求。 2.3 无刷励磁系统特点2. 3.1 励磁机与发电机同轴，电源独立，不受电力系统干扰 2.3.2 没有滑环和电刷，根除了碳粉污染，噪音低，维护简单 2.3.3 具备高起始、响应持久、能有效地提高电力系统稳定性 2.3.4 选扎整流盘设计合理、电流和电压余量大，运行可靠 2.3.5 采用双重数字A VR、功能齐全、故障追忆功能强 无刷励磁系统原理框图 整流盘及电路 整流盘采用双盘结构，一个正极盘，另一个负极盘。 整流盘与转轴间绝缘可靠、固定合理，能承受各种短路力矩的冲击而不产生位移。 电路接线是：励磁机电枢八个Y支路中心点通过短路环连接在一起形成公共中心点，八个“Y”支路的出线则分别接一个全波整流桥，它们在直流侧正极性和负极性分别在一起，而后送发电机转子，可称为多支路直流侧并联接线方式，着接线方式可确保各“Y”支路旋转整流管之间均良好。 每个“Y”支路每整流臂有二个整流管，一个电容器和一个保护电容器的小熔断器，它们组装为一体，称为整流组件。另外还有二个主熔断器，主熔断器的端面带有机械熔断器指示器，在电机运转时，当熔丝熔断后，这种指示器弹出，用同步频闪仪能观察到二极管和主熔断器的参数。 主熔断器：电流670A电压850V 二极管：R6LO—40型平板式元件电流400A 反向峰压2000V 见图（二） 2.4 数字式励磁电压调节器（DA VR）DA VR采用进口三菱公司的用于无刷励磁系统的全双通道数字式励磁电压调节装置MEC5230、DA VR按发电机机端和电网的工况自动地调整发电机的励磁，一旦发电机或励磁系统出现异常，可借助于多种限制功能单元，及时对异常工况限制或发出切机信号，使机组脱离电网并灭磁！ 2.4.1 DA VR主要性能：(a) 自动调节范围（恒电压模式） 发电机空载工况：10%~110%额定电压 发电机负载工况：95%~105%额定电压 (b) 手动调节范围（恒磁场电流模式） 发电机空载工况：10%~110%额定电压 发电机负载工况：允许达到110%发电机额定磁场电压（在额定负载和额定电压运行时） (c) 调压精度：＜±1% (d) 采样固期：20ms 2.4.2 DA VR工作原理：DA VR控制方式：DA VR提供二种控制方式：发电机恒机端电压控制和恒励磁机磁场电流控制。 (a) 发电机恒机端电压控制：这种方式与常规A VR自动工作方式一样，通过控制发电机的磁场电流使发电机的端电压与电压整定器（90k）的整定值相同，发电机端电压保持恒定值。
浅谈同步发电机的励磁系统 技术分类:电机与运动控制作者：赵宇发表时间：2006-11-10 1 概述 向同步发电机的转子励磁绕组供给励磁电流的整套装置叫做励磁系统。励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它的可靠性对于发电机的安全运行和电网的稳定有很大影响。发电机事故统计表明发电机事故中约1/3为励磁系统事故，这不但影响发电机组的正常运行而且也影响了电力系统的稳定，因此必须要提高励磁系统的可靠性，而根据实际情况选择正确的励磁方式是保证励磁系统可靠性的前提和关键。我国电力系统同步发电机的励磁系统主要有两大类，一类是直流励磁机励磁系统，另一类是半导体励磁系统。 2 直流励磁机励磁系统 直流励磁机励磁系统是采用直流发电机作为励磁电源，供给发电机转子回路的励磁电流。其中直流发电机称为直流励磁机。直流励磁机一般与发电机同轴，励磁电流通过换向器和电刷供给发电机转子励磁电流，形成有碳刷励磁。直流励磁机励磁系统又可分为自励式和它励式。自励与他励的区别是对主励磁机的励磁方式而言的，他励直流励磁机励磁系统比自励励磁机励磁系统多用了一台副励磁机，因此所用设备增多，占用空间大，投资大，但是提高了励磁机的电压增长速度，因而减小了励磁机的时间常数，他励直流励磁机励磁系统一般只用在水轮发电机组上。 图1 自励直流励磁机励磁系统原理接线图 上图中 LH——电流互感器 YH——电压互感器 F ——同步发电机 FLQ——同步发电机的励磁线圈 L——直流励磁机 LLQ——直流励磁机的励磁线圈 Rc——可调电阻
采用直流励磁机供电的励磁系统，在过去的十几年间，是同步发电机的主要励磁系统。目前大多数中小型同步发电机仍采用这种励磁系统。长期的运行经验证明，这种励磁系统的优点是：具有独立的不受外系统干扰的励磁电源，调节方便，设备投资及运行费用也比较少。缺点是：运行时整流子与电刷之间火花严重，事故多，性能差，运行维护困难，换向器和电刷的维护工作量大且检修励磁机时必须停主机，很不方便。近年来，随着电力生产的发展，同步发电机的容量愈来愈大，要求励磁功率也相应增大，而大容量的直流励磁机无论在换向问题或电机的结构上都受到限制。因此，直流励磁机励磁系统愈来愈不能满足要求。目前，在100MW及以上发电机上很少采用。 3 半导体励磁系统 半导体励磁系统是把交流电经过硅元件或可控硅整流后，作为供给同步发电机励磁电流的直流电源。半导体励磁系统分为静止式和旋转式两种。 3.1 静止式半导体励磁系统 静止式半导体励磁系统又分为自励式和它励式两种。 3.1.1自励式半导体励磁系统 自励式半导体励磁系统中发电机的励磁电源直接由发电机端电压获得，经过控制整流后，送至发电机转子回路，作为发电机的励磁电流，以维持发电机端电压恒定的励磁系统，是无励磁机的发电机自励系统。最简单的发电机自励系统是直接使用发电机的端电压作励磁电流的电源，由自动励磁调节器控制励磁电流的大小，称为自并励可控硅励磁系统，简称自并励系统。自并励系统中，除去转子本体极其滑环这些属于发电机的部件外，没有因供应励磁电流而采用的机械转动或机械接触类元件，所以又称为全静止式励磁系统。下图为无励磁机发电机自并励系统框图，其中发电机转子励磁电流电源由接于发电机机端的整流变压器ZB提供，经可控硅整流向发电机转子提供励磁电流，可控硅元件SCR由自动励磁调节器控制。系统起励时需要另加一个起励电源。 图2 无励磁机发电机自并励系统原理接线图
第五章第五节三相交流同步发电机
1、交流同步发电机转子的转速n与定子旋转磁场的转数0n的关系是______。 n> A．0n B．0 n < n= C．0n n≈ D．0n 2、称之为“电枢”的是______。 A．三相异步电动机的转子 B．直流发电机的定子 C．旋转磁极式三相同步发电机的定子 D．单相变压器的副边 3、下列哪种情形下同步发电机不存在电枢反应？______。 A．只带纯阻性负载 B．因故跳闸后 C．只带纯感性负载 D．只带纯容性负载 4、当同步发电机带上容性负载时，一般情况下，其电枢反应为______。A．兼有直轴增磁、交轴两种反应 B．只有直轴去磁反应 C．只有直轴增磁反应 D．兼有直轴去磁、直轴增磁两种反应
5、当同步发电机带上感性负载时，其电枢反应为______。 A．只有交轴反应 B．只有直轴去磁反应 C．只有直轴增磁反应 D．兼有交轴、直轴去磁两种反应 6、同步发电机分别带下列三种不同性质的三相对称负载运行：（1）cosΦ=1；（2）cosΦ=0.8滞后；（3）cosΦ=0.8超前，在输出电压和输出电流相同情况下，所需励磁电流______。 A．（1）最大 B．（2）最大 C．（3）最大 D．一样大 7、三相同步发电机空载运行时，其电枢电流______。 A．为0 B．最大 C．随电压变化 D．可以任意调节 8、自励发电机在起动后建立电压，是依靠发电机中的______。 A．电枢反应 B．剩磁
C．漏磁通 D．同步电抗 9、关于同步发电机的电枢反应的下列说法，正确的是______。 A．电枢反应是发电机固有的特性，与负载无关 B．由于电枢反应会引起发电机端电压变化，故当发电机端电压保持在额定值时，就没有电枢反应 C．只有当发电机带载后，才会有电枢反应 D．无论何种负载，电枢反应只会造成发电机端电压的降低 10、如图为三相同步发电机的空载特性曲线，E0为开路相电压，I f为励磁电流，一般选图中______点为其空载额定电压点。 A．A点 B．B点 C．C点 D．D点 11、同步发电机的额定容量一定，当所带负载的功率因数越低时，其提供的有功功率______。 A．小
第一章：励磁系统概述 第一节：同步发电机励磁系统介绍 它励可控硅励磁系统主要的优点是在发电站出口附近发生短路故障时，强励能力强，有利于提高系统的暂态稳定水平，在故障切除时间比较长、系统容量相对小的50、60年代这 一优点是很突出的。但是，随着电力系统装机容量的增大，快速保护的应用，故障切除时间的缩短，它励可控硅励磁系统的优势已不是很明显。自并励可控硅励磁系统的优点是结构简 单，元部件少，其励磁电源来自机端变压器，无旋转部件，运行可靠性高，维护工作量小。且由于变压器容量的变更比交流励磁机的变更更简单、容易，因而更经济，更容易满足不同 电力系统、不同电站的暂态稳定水平对励磁系统强励倍数的不同要求。 它励可控硅励磁系统的缺点是由于交流励磁机是非标准产品，难以标准化，即使是同容 量的发电机，尤其是水轮发电机，由于水头、转速的不同，强励倍数的不同，交流励磁机的容量、尺寸也不同，因此，价格较自并励可控硅励磁系统贵。另外它励可控硅励磁系统与自并励可控硅励磁系统相比较，元部件多，又有旋转部件，可靠性相对较低，运行维护量大。自并励可控硅励磁系统的缺点是它的励磁电源来自发电机端，受发电机机端电压变化的影响。当发电机机端电压下降时其强励能力下降，对电力系统的暂态稳定不利。不过随着电力 系统中快速保护的应用，故障切除时间的缩短，且自并励可控硅励磁系统可以通过变压器灵活地选择强励倍数，可以较好地满足电力系统暂态稳定水平的要求。 综合考虑技术和经济两方面因素，推荐在发电机组采用自并励快速励磁方式。为验证其正确性，通过稳定计算研究了满发时发电机组采用自并励励磁方式的稳定情况，计算结果表明，发电机组采用自并励励磁方式可满足系统稳定的要求，但必须同时加装电力系统稳定器(PSS)。 直流机励磁方式是采用直流发电机作为励磁电源，供给发电机转子回路的励磁电流。其中直流发电机称为直流励磁机，其优点是与无励磁机系统比较，厂用电率较低。缺点是直流 励磁机存在整流环，功率过大时制造有一定困难，100MW以上汽轮发电机组难以采用。直 流励磁机一般与发电机同轴，励磁电流通过换向器和电刷供给发电机转子磁电流，形成有碳刷励磁。直流机励磁方式又可分为自励式和它励式。专门用来给同步发电机转子回路供电的 直流发电机系统称为直流励磁机系统，
80KW三相同步无刷发电机特殊故障一例 毛塔项目部孙凤军 故障现象：启动发电机，测得V1—W1之间电压为380Vac,U1—V1之间电压为220VAC,U1—W1之间电压为220VAC，V1与零线之间电压为220VAC。 发电机已经多人检修过，同时还伴有“扫膛现象”;从新绕过转子励磁线圈、更换过轴承等皆未解决问题。 根据故障现象分析：若果转子有问题，V1—W1两相电压应该同时受到影响，其输出电压会同时发生相同的变化,不会正常；若果励磁放大板故障，三相电压 应该全部很低或基本不发电；怀疑问题应出在定子线圈上。 检修过程：1.利用数字万用表对所有线圈逐一检测，未发现异常。 2.详细询问知情人士，据说此发电机重新绕过定子线圈。 于是拆开该发电机，取出转子，检查发现转子线圈、励磁二极管等全部正常，检查定子绕组时，发现其中有两个线槽局部曾被“扫膛”时，转子与定子槽摩 擦过热导致绝缘纸烧蚀损毁，怀疑其中线圈可能短路，使该相线圈匝数减少导 致发电量过低。拆检后，未发现异常。从新复位。 3.仔细考虑良久，突然想到有否可能在重绕定子线圈时，维修人员会不会将 线圈的头尾引线出错了，导致此故障呢？根据测得V1—W1之间电压为 380Vac,U1—V1之间电压为220VAC，U1—W1之间电压为220VAC，V1与零线之间电压为220VAC；分析可知故障一定出在U相，于是将其完全安装完毕，将U相的绕组头尾引线掉换后试机，测得：V1—W1之间电压为380Vac，U2—V1之间电压为380VAC，U2—W1之间电压为380VAC，U2、V1、W1与零线之间 为220 VAC。一切正常。 至此故障排除！