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电励磁同步发电机概述
电励磁同步发电机实际就是通常所讲的同步发电机(原理相同,结构上略有
区别),风力发电系统中人们更关注永磁同步发电机,因此为区分,本节将传统
的同步发电机称为电励磁同步发电机,但为简洁起见,本章正文中在不致混淆的
情况下,仍简称同步发电机。
同步电机是一种广泛应用的交流电机。对旋转电机来说,同步电机的特点是
产生励磁磁场的转子的旋转速度n与定子多相电枢电流所产生的旋转磁场的旋
转速度n是相同的,故称同步电机。
1
同步电机主要作为发电机运行,世界上的电能绝大部分都由同步发电机发
出。火电厂的汽轮发电机、水电厂的水轮发电机、核电厂的汽轮发电机以及一些
风电场的风力发电机都是同步发电机。
直驱式风力发电机由风轮直接驱动,避免了齿轮箱及齿轮箱所引起的缺陷故
障,具有高可靠性,因而受到人们重视,并大量投入应用。但是由于永磁材料价
格急剧上涨以及国家对稀土的调控,直驱式永磁同步风力发电机的成本居高不
下,生产成本面临极大压力。近年来越来越多的风电研发者重新关注电励磁直驱
式同步风力发电机。与直驱式永磁同步发电机相比,电励磁同步发电机采用直流
电线圈可控励磁,可以对发电机电压进行调控,发电电能品质好,功率因数可调,
不仅能输出有功功率还能输出无功功率,功率因数可达到1,更主要的是可以避
免采用昂贵的稀土钕铁硼磁钢,达到节约成本的目的。
与直驱式永磁同步发电机相比,电励磁同步发电机的缺点在于电刷滑环以及
励磁线圈复杂,需要定期维护,与同功率同转速永磁电机相比较重,且效率稍低。
电励磁同步发电机中有些内容与永磁同步发电机相同或相似(如同步发电机
的功率方程和转矩方程、同步发电机的运行特性等),在第6章已进行分析,本
章不再重复。
一、电励磁同步电机的基本结构
同步电机有多种结构型式,它们的运行原理基本相同,最常用的型式是在定
子上放置电枢绕组,在转子上安装磁极,磁极上套有励磁绕组。定子部分一般由
定子铁芯和电枢绕组等组成,转子部分一般由转子铁芯、励磁绕组、集电环和转
轴等组成,有时在转子上还有阻尼绕组。
同步发电机通常按转子结构分为隐极式和凸极式两大类,图8-12是隐极式
与凸极式同步电机示意图。
另外,电力系统一般为三相系统,所以直接接入电网的同步电机的电枢绕组
都是三相绕组。后面分析时不作特别说明都是指三相电枢绕组。
(一)隐极同步发电机
隐极同步发电机的最主要特点是转子没有明显突出的磁极,适用于高速旋转
场合。
1.转子
从外形来看,隐极式转子没有明显凸出的磁极。但是在励磁绕组中通入直流
电流,转子的周围也会出现类似于永磁体N极和S极的磁场。
根据电机设计的原理,旋转电机的容量大约与转子直径的平方和电机的轴向
长度的乘积成正比。由于电机转速较高,转子直径增大到一定程度后产生的巨大
离心力会造成机械上的破坏等,所以其直径的增大存在一定的限制,一般容量增
大到一定程度后,转子的直径就不再增加。若要容量继续增大,只能增加转子的
长度。因此,大容量的隐极同步发电机的转子为一个细长的圆柱体。
图8-12同步电机结构示意图
转子铁芯除了要固定励磁绕组外,还要求导磁性能好,因此一般由高机械强
度和导磁性较好的合金钢锻造而成,并且和转轴做成一个整体。
转子铁芯上开槽,在槽内放置励磁绕组。沿着转子外圆,有一部分表面上开
的槽较多,那里的齿较窄,叫小齿。在另外的一部分没有开槽,形成了大齿。大
齿的中心线实际上就是磁极的中心。
励磁绕组获得励磁电流的方式称为励磁方式。目前采用的励磁方式有直流励
磁机励磁、静止整流器励磁和旋转整流器励磁等。前两种方式励磁绕组必须通过
装在转子上的集电环与定子上的电刷装置才能和外面直流电源构成回路。
2.定子
定子由导磁的铁芯和导电的绕组以及固定铁芯和绕组的一些部件组成,这些
部件有机座、铁芯压板和绕组支架等。
为了减少定子铁芯里的铁耗,定子铁芯由薄的硅钢片叠装而成。当定子铁芯
外径大于1m时,用扇形的硅钢片拼成一个整圆。在叠装时,把每层的接缝错开,
以减少铁芯的涡流损耗。
定子铁芯内圆开有槽,槽内放置定子绕组。定子槽形一般都做成开口槽,便
于嵌线。放在定子槽里的导体是靠槽楔来压紧固定,其端部用支架固定。
机座的作用是固定定子铁芯,因
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