同步發(fā)電機

作發(fā)電機運行的同步電機。是一種最常用的交流發(fā)電機。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)電以及柴油機發(fā)電。由于同步發(fā)電機一般采用直流勵磁，當其單機獨立運行時，通過調節(jié)勵磁電流，能方便地調節(jié)發(fā)電機的電壓。若并入電網運行，因電壓由電網決定，不能改變，此時調節(jié)勵磁電流的結果是調節(jié)了電機的功率因數(shù)和無功功率。

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

高速同步發(fā)電機：

因大多數(shù)發(fā)電機與原動機同軸聯(lián)動，火電廠都用高速汽輪機作原動機，所以汽輪發(fā)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(fā)電機在結構上一是采用隱極式轉子，二是設置專門的冷卻系統(tǒng)。

隱極式轉子：外表呈圓柱形，在圓柱表面開槽以安放直流勵磁繞組，并用金屬槽楔固緊，使電機具有均勻的氣隙。由于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；其余部分的齒較窄，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(huán)和中心環(huán)。護環(huán)是由高強度合金制成的厚壁圓筒，用以保護勵磁繞組端部不至被巨大的離心力甩出；中心環(huán)用以防止繞組端部的軸向移動，并支撐護環(huán)。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(huán)和電刷。

冷卻系統(tǒng)：由于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，而電機散熱面的量級只是電機線度量級的二次方。因此，當電機尺寸增大時（受材料限制，增大電機容量就得加大其尺寸），電機每單位表面上需要散發(fā)的熱量就會增加，電機的溫升將會提高。在高速汽輪發(fā)電機中，離心力將使轉子表面和轉子中心孔表面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范圍內，2極汽輪發(fā)電機的轉子本體直徑不能超過1250毫米。大型汽輪發(fā)電機要增大單機容量，只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(xù)提高單機容量，只能是提高電機的電磁負荷。這使大型汽輪發(fā)電機的發(fā)熱和冷卻問題變得特別突出。對于50000千瓦以下的汽輪發(fā)電機，多采用閉路空氣冷卻系統(tǒng)，用電機內的風扇吹拂發(fā)熱部件降溫。對于容量為5～60萬千瓦的發(fā)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(fā)電機的效率。但是，采用氫冷必須有防爆和防漏措施，這使電機結構更為復雜，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，在線圈里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(fā)電機：

多數(shù)由較低速度的水輪機或柴油機驅動。電機磁極數(shù)由4極到60極，甚至更多。對應的轉速為1500～100轉/分及以下。由于轉速較低，一般都采用對材料和制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制而成。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(huán)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(shù)同步電動機、同步調相機和內燃機或沖擊式水輪機拖動的發(fā)電機，都采用臥式結構；低速、大容量水輪發(fā)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(huán)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(fā)電機中，此力可高達四、五十兆牛（約相當于四、五千噸物體的重力），所以這種推力軸承的結構復雜，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(wěn)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(jié)約大量鋼材，并能降低從機座基礎算起的發(fā)電機和廠房高度。

同步發(fā)電機的并聯(lián)運行 同步發(fā)電機絕大多數(shù)是并聯(lián)運行，并網發(fā)電的。各并聯(lián)運行的同步發(fā)電機必須頻率、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)電機之間會產生內部環(huán)流，引起擾動，嚴重時甚至會使發(fā)電機遭受破壞。但是，兩臺發(fā)電機在投入并聯(lián)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(fā)電機能投入并聯(lián)運行，首先必須有一個同步并列的過程。同步并列的方法可分為準同步和自同步兩種。同步發(fā)電機在投入并聯(lián)運行以后，各機負載的分配決定于發(fā)電機的轉速特性。通過調節(jié)原動機的調速器，改變發(fā)電機組的轉速特性，即可改變各發(fā)電機的負載分配，控制各發(fā)電機的發(fā)電功率。而通過調節(jié)各發(fā)電機的勵磁電流，可以改變各發(fā)電機無功功率分配和調節(jié)電網的電壓。

永磁同步風力發(fā)電機：

永磁同步風力發(fā)電機由于機械損耗小、運行效率高、維護成本低等優(yōu)點成為繼雙饋感應風電機組之后的又一重要風力發(fā)電機型受到廣泛關注，并逐漸開始投入使用。永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)基本結構如圖1所示，它主要由風力機、永磁同步發(fā)動機、變頻器和變壓器組成。

永磁同步風力發(fā)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(fā)電機的轉子旋轉，實現(xiàn)發(fā)電。永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)和籠型變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)類似，只是所采用的發(fā)電機為永磁式發(fā)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。它的變頻恒速控制是在定子回路中實現(xiàn)的，把永磁同步發(fā)電機的變頻的交流電通過變頻器轉變?yōu)殡娋W同頻的交流電，實現(xiàn)風力發(fā)電的并網，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)電機已變得越來越具吸引力了。采用永磁同步發(fā)電機的風力發(fā)電系統(tǒng)具有以下特點：

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

2、變速運行范圍寬，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(fā)電機可直接耦合，省去了風力發(fā)電系統(tǒng)中的齒輪增速箱，減小了發(fā)電機的維護工作并降低噪聲，使直驅永磁風力發(fā)電機系統(tǒng)。