同步發(fā)電機(jī)

作發(fā)電機(jī)運(yùn)行的同步電機(jī)。是一種最常用的交流發(fā)電機(jī)。在現(xiàn)代電力工業(yè)中，它廣泛用于水力發(fā)電、火力發(fā)電、核能發(fā)電以及柴油機(jī)發(fā)電。由于同步發(fā)電機(jī)一般采用直流勵(lì)磁，當(dāng)其單機(jī)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，能方便地調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電壓。若并入電網(wǎng)運(yùn)行，因電壓由電網(wǎng)決定，不能改變，此時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的結(jié)果是調(diào)節(jié)了電機(jī)的功率因數(shù)和無功功率。

同步發(fā)電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與同步電機(jī)相同，一般采用三相形式，只在某些小型同步發(fā)電機(jī)中電樞繞組采用單相。

高速同步發(fā)電機(jī)：

因大多數(shù)發(fā)電機(jī)與原動(dòng)機(jī)同軸聯(lián)動(dòng)，火電廠都用高速汽輪機(jī)作原動(dòng)機(jī)，所以汽輪發(fā)電機(jī)通常用高轉(zhuǎn)速的2極電機(jī)，其轉(zhuǎn)速達(dá)3000轉(zhuǎn)/分（在電網(wǎng)頻率為60赫時(shí)，為3600轉(zhuǎn)/分）。核電站多用4極電機(jī)，轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分（當(dāng)電網(wǎng)頻率為60赫時(shí)，為1800轉(zhuǎn)/分）。為適應(yīng)高速、高功率要求，高速同步發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上一是采用隱極式轉(zhuǎn)子，二是設(shè)置專門的冷卻系統(tǒng)。

隱極式轉(zhuǎn)子：外表呈圓柱形，在圓柱表面開槽以安放直流勵(lì)磁繞組，并用金屬槽楔固緊，使電機(jī)具有均勻的氣隙。由于高速旋轉(zhuǎn)時(shí)巨大的離心力，要求轉(zhuǎn)子有很高的機(jī)械強(qiáng)度。隱極式轉(zhuǎn)子一般由高強(qiáng)度合金鋼整塊鍛成，槽形一般為開口形，以便安裝勵(lì)磁繞組。在每一個(gè)極距內(nèi)約有1/3部分不開槽，形成大齒；其余部分的齒較窄，稱做小齒。大齒中心即為轉(zhuǎn)子磁極的中心。有時(shí)大齒也開一些較小的通風(fēng)槽，但不嵌放繞組；有時(shí)還在嵌線槽底部銑出窄而淺的小槽作為通風(fēng)槽。隱極式轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)子本體軸向兩端還裝有金屬的護(hù)環(huán)和中心環(huán)。護(hù)環(huán)是由高強(qiáng)度合金制成的厚壁圓筒，用以保護(hù)勵(lì)磁繞組端部不至被巨大的離心力甩出；中心環(huán)用以防止繞組端部的軸向移動(dòng)，并支撐護(hù)環(huán)。此外，為了把勵(lì)磁電流通入勵(lì)磁繞組，在電機(jī)軸上還裝有集電環(huán)和電刷。

冷卻系統(tǒng)：由于電機(jī)中能量損耗和電機(jī)的體積成正比，它的量級(jí)與電機(jī)線度量級(jí)的三次方成比例，而電機(jī)散熱面的量級(jí)只是電機(jī)線度量級(jí)的二次方。因此，當(dāng)電機(jī)尺寸增大時(shí)（受材料限制，增大電機(jī)容量就得加大其尺寸），電機(jī)每單位表面上需要散發(fā)的熱量就會(huì)增加，電機(jī)的溫升將會(huì)提高。在高速汽輪發(fā)電機(jī)中，離心力將使轉(zhuǎn)子表面和轉(zhuǎn)子中心孔表面產(chǎn)生巨大的切向應(yīng)力，轉(zhuǎn)子直徑越大，這種應(yīng)力也越大。因此，在鍛件材料允許的應(yīng)力極限范圍內(nèi)，2極汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子本體直徑不能超過1250毫米。大型汽輪發(fā)電機(jī)要增大單機(jī)容量，只有靠增加轉(zhuǎn)子本體的長度（即用細(xì)長的轉(zhuǎn)子）和提高電磁負(fù)荷來解決。轉(zhuǎn)子長度可達(dá)8米，已接近極限。要繼續(xù)提高單機(jī)容量，只能是提高電機(jī)的電磁負(fù)荷。這使大型汽輪發(fā)電機(jī)的發(fā)熱和冷卻問題變得特別突出。對(duì)于50000千瓦以下的汽輪發(fā)電機(jī)，多采用閉路空氣冷卻系統(tǒng)，用電機(jī)內(nèi)的風(fēng)扇吹拂發(fā)熱部件降溫。對(duì)于容量為5～60萬千瓦的發(fā)電機(jī)，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(jī)的通風(fēng)摩擦損耗大為降低，從而能顯著提高發(fā)電機(jī)的效率。但是，采用氫冷必須有防爆和防漏措施，這使電機(jī)結(jié)構(gòu)更為復(fù)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(zhì)冷卻，例如水的相對(duì)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，在線圈里采用一部分空心導(dǎo)線，導(dǎo)線中通水冷卻，就可以大大降低電機(jī)溫升，延緩絕緣老化，增長電機(jī)壽命。

低速同步發(fā)電機(jī)：

多數(shù)由較低速度的水輪機(jī)或柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)磁極數(shù)由4極到60極，甚至更多。對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為1500～100轉(zhuǎn)/分及以下。由于轉(zhuǎn)速較低，一般都采用對(duì)材料和制造工藝要求較低的凸極式轉(zhuǎn)子。

凸極式轉(zhuǎn)子的每個(gè)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(lì)磁繞組。勵(lì)磁繞組通常用扁銅線繞制而成。磁極的極靴上還常裝有阻尼繞組。它是一個(gè)由極靴阻尼槽中的裸銅條和焊在兩端的銅環(huán)形成的一個(gè)短接回路。磁極固定在轉(zhuǎn)子磁軛上，磁軛由鑄鋼鑄成。凸極式轉(zhuǎn)子可分為臥式和立式兩類。大多數(shù)同步電動(dòng)機(jī)、同步調(diào)相機(jī)和內(nèi)燃機(jī)或沖擊式水輪機(jī)拖動(dòng)的發(fā)電機(jī)，都采用臥式結(jié)構(gòu)；低速、大容量水輪發(fā)電機(jī)則采用立式結(jié)構(gòu)。

臥式同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子主要由主磁極、磁軛、勵(lì)磁繞組、集電環(huán)和轉(zhuǎn)軸等組成。其定子結(jié)構(gòu)與異步電機(jī)相似。立式結(jié)構(gòu)必須用推力軸承承擔(dān)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重力和水向下的壓力。大容量水輪發(fā)電機(jī)中，此力可高達(dá)四、五十兆牛（約相當(dāng)于四、五千噸物體的重力），所以這種推力軸承的結(jié)構(gòu)復(fù)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(fā)電機(jī)分為懸吊式和傘式兩種。懸吊式的推力軸承放在上機(jī)架的上部或中部，在轉(zhuǎn)速較高、轉(zhuǎn)子直徑與鐵心長度的比值較小時(shí)，機(jī)械上運(yùn)行較穩(wěn)定。傘式的推力軸承放在轉(zhuǎn)子下部的下機(jī)架上或水輪機(jī)頂蓋上。負(fù)重機(jī)架是尺寸較小的下機(jī)架，可節(jié)約大量鋼材，并能降低從機(jī)座基礎(chǔ)算起的發(fā)電機(jī)和廠房高度。

同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行 同步發(fā)電機(jī)絕大多數(shù)是并聯(lián)運(yùn)行，并網(wǎng)發(fā)電的。各并聯(lián)運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)必須頻率、電壓的大小和相位都保持一致。否則，并聯(lián)合閘的瞬間，各發(fā)電機(jī)之間會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部環(huán)流，引起擾動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)拱l(fā)電機(jī)遭受破壞。但是，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)在投入并聯(lián)運(yùn)行以前，一般說來它們的頻率與電壓的大小和相位是不會(huì)完全相同的。為了使同步發(fā)電機(jī)能投入并聯(lián)運(yùn)行，首先必須有一個(gè)同步并列的過程。同步并列的方法可分為準(zhǔn)同步和自同步兩種。同步發(fā)電機(jī)在投入并聯(lián)運(yùn)行以后，各機(jī)負(fù)載的分配決定于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性。通過調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的調(diào)速器，改變發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速特性，即可改變各發(fā)電機(jī)的負(fù)載分配，控制各發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率。而通過調(diào)節(jié)各發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，可以改變各發(fā)電機(jī)無功功率分配和調(diào)節(jié)電網(wǎng)的電壓。

永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)：

永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于機(jī)械損耗小、運(yùn)行效率高、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)成為繼雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組之后的又一重要風(fēng)力發(fā)電機(jī)型受到廣泛關(guān)注，并逐漸開始投入使用。永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)動(dòng)機(jī)、變頻器和變壓器組成。

永磁同步風(fēng)力發(fā)電的基本原理，就是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)，拖動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電。永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和籠型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)類似，只是所采用的發(fā)電機(jī)為永磁式發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子為永磁式結(jié)構(gòu)，不需外部提供勵(lì)磁電源，提高了效率。它的變頻恒速控制是在定子回路中實(shí)現(xiàn)的，把永磁同步發(fā)電機(jī)的變頻的交流電通過變頻器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)同頻的交流電，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)，因此變頻器的容量與系統(tǒng)的額定容量相同。

在過去的幾十年里，由于永磁材料性能和電力電子裝置的改善，永磁同步發(fā)電機(jī)已變得越來越具吸引力了。采用永磁同步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1、永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)不需要?jiǎng)?lì)磁裝置，具有重量輕、效率高、功率因數(shù)高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)；

2、變速運(yùn)行范圍寬，即可超同步運(yùn)行也可以亞同步運(yùn)行；

3、轉(zhuǎn)子無勵(lì)磁繞組，磁極結(jié)構(gòu)簡單、變頻器容量小，可以做成多極電機(jī)；

4、同步轉(zhuǎn)速降低，使風(fēng)輪機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)可直接耦合，省去了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的齒輪增速箱，減小了發(fā)電機(jī)的維護(hù)工作并降低噪聲，使直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。