1、無刷同步發電機主發電機的設計摘 要：無刷同步發電機實際上是兩臺發電機構成的，一臺作為勵磁機，一臺才是主發電機。主發電機的勵磁繞組在轉子，電樞繞組在定子（將發出的電輸出）；勵磁機的電樞繞組在轉子，勵磁繞組在定子。主發電機的勵磁采用交流勵磁機勵磁的無刷勵磁方式，勵磁機產生的交流電進入旋轉整流裝置，經過旋轉整流器的整流后，最后輸入主發電機的轉子繞組內部進行勵磁，使得同步發電機的穩定性能大大增強。關鍵詞：無刷勵磁；同步發電機；旋轉整流器；交流勵磁機The design of the main generator in brushless synchronous generatorABSTRACT: T

2、he brushless synchronous generator is actually composed of two generators.One, as the exciter, one is the main generator. The main generators exciting winding in the rotor, and the armature winding in the stator (to output the generated electricity); the exciter armature winding in the rotor, exciti

3、ng winding in the stator. The main generators exciting used the brushless exciting by the exchange exciter. The AC which the exciter produces enters the Revolving rectifier, after passing through the Revolving rectifiers rectification, making the synchronous generators stability enhanced greatly. Ke

4、y words：Brushless exciting; Synchronous generator; Revolving rectifier; exchange exciter.第1章緒 論1.1 無刷同步發電機的介紹隨著工業技術的飛躍發展，能源危機在世界都變的越來越嚴重了。同時人們對節能、環保、高效都提出了很高的要求。而作為消耗70%左右電能的電機，對其節能和獲得更高的效率有著非常重要的現實的意義。由于電能具有生存和變換比較的經濟，傳輸分配比較的容易，使用和控制比較的方便等有點，因而成為現代最常用的一種能源。并且隨著國民經濟的發展，自動化程度越來越高，對電的需求越來越大，同時對電的質量也提出

5、了要求，無疑對同步發電機的性能也提出了要求。同步發電機是一種交流發電機，它區別另外一種交流電機異步發電機的一個重要的特征是它的轉速與電流的頻率之間有個嚴格的關系，即：（P為電機的極對數）。所以當同步電機的極對數和轉速一定的時候，其感應交流電動勢的頻率也是一定的。在現代的電力工業無論是用火力發電還是水力、原子能或柴油機發電幾乎全部采用同步發電機。同步電機還可以用做恒速的電動機，雖然其機構較異步機復雜些，但是它可以運行在或者超前的功率因數下以改善電網的功率因數。同步發電機還可以用做調相機，實際是不接受負載的空載電動機，向電網輸送電感性或電容性的無功功率以提高電網運行的經濟性及其電壓的穩定性。由于同

6、步電機具有別的電機無法比擬的優點，目前世界各國均在研究、生產和應用。不管是從高速發展的電力工業以適應國民經濟飛躍發展的需要還是從提高發電機的效率降低運行成本著眼，都要求增大發電機的容量。為了降低電樞電流，還使用一些電氣配套設備易于制造，或省去發電機的升壓設備，這就要把同步發電機的額定電壓提高到20KV以上，因此相應研究也在展開。此外同步發電機的轉子部件也需要承受很大的機械應力，這就需要研究有更高強度極限的轉子部件，磁軛鋼板等部件。提高電樞單位周長的安培導電數A或氣隙磁密B，則可減少電機尺寸，降低電機成本。但由于磁通密度B受電機材料的限制而無法提高，需要研制出飽和系數更高的材料。隨著半導體技術的

7、發展，進一步的推動了無刷電機的發展。無刷同步發電機以交流勵磁機、旋轉整流器取代了傳統同步發電機的電刷、滑環，簡化了維修和保養，提高了同步發電機的可靠性。這些都無疑都促進了無刷同步發電機的飛速發展和廣泛應用。然而，現在對發電機的可靠性要求日益提高的情況下，無刷同步發動機可靠性就顯得特別重要,我們就不得不對其進行深入的研究。1.2 無刷同步發電機發展及前景 進入八十年代末、九十年代初，隨著我國改革開放不斷發展，我國的電機行業的部分企業開始引進先進工業國的中小型同步發電機，有的按生產許可證方式進行技術引進，有的引進軟件技術（或生產技術），有的按合作生產方式引進國外的先進技術，其先后有德國西 門子公司

8、的IFC5和IFC6系列、德國AEG公司的DKBH系列、英國彼特普公司E系列、美國馬拉松公司的MP系列發電機、英國的斯坦福公司BC、HC系列等發電機，這些發電機的絕緣等級為F級或H級，采用隱極式或整體凸級結構，其技術經濟指標較先進，可靠性較高，其制造工藝水平較先進，這些產品的引進，對提高我國的中小型發電機水平和制造工藝水平有較大的促進作用。比如，無錫電機廠、汾西機械廠、柳州電機廠引進了德國西門子公司1FC5、1FC6系列無刷發電機，蘭州電機有限責任公司（以下簡稱蘭電）引進了德國AEG公司DKBH系列船用、陸用無刷發電機，福州發電設備廠引進了美國麥格乃泰克公司無刷發電機制造技術等等。近年無錫電機

9、廠又引進了西門子公司最近開發的1FC2系列無刷三相同步發電機，該電機為整園凸極沖片，克服了原西門子公司1FC5、1FC6隱極結構體積偏大，重量偏重的不足。90年代，無錫電機廠與新時代公司、上海革新電機廠與馬拉松公司合資辦了企業，使我國中小型三相同步發電機水平又有了進一步的提高，使國內三相同步發電機生產的主要企業產品達到了國際先進水平。蘭州電機廠在引進德國AEG公司DKBH系列基礎上，90年代中期，又開發了自己的新一代產品：TZHW系列（陸用）、TFXW-H系列（船用）無刷三相同步發電機，使其性能有了進一步的提高，更加適合國情、廠情，提高了市場競爭力。 中小型同步發電機是中小型電機的主要產品之一

10、，廣泛應用于小型水電站、船舶電站、移動電站、固定電站、應急備用電站、正弦波試驗電源、變頻電源、計算機電源及新能源風力發電、地熱發電、潮汐發電、余熱發電等。它對邊（疆）老（區）貧（窮）地區實現電氣化，提高該地區經濟發展水平和人民的生活水平有著重要的作用，中小型發電機在船舶、現代電氣化火車內燃機車等運輸設備中也是一個關鍵設備。移動電站對國防設施、工程建設、海上石油平臺、陸上電驅動石油鉆機、野外勘探等也是不可缺少的關鍵裝備之一。應急備用電站在突發事件中的防災、救護保障人民的生命和財產的安全有著不可替代的作用。開發綠色能源、可再生能源、減少大氣二氧化碳的含量，小水電、風力發電、地熱發電和余熱發電是重要

11、的組成部分。在將來，無刷同步發電機將會越來越重要，應用范圍也會越來越廣。1.3 無刷同步電機的特點同步發電機是把機械能轉換為交流電能的轉換設備。自備電站過去的油機發電機組同步發電機的勵磁，廣泛采用直流發電機提供勵磁電流來發電的。這種勵磁方式，由于應用直流發電機，存在交流電變為直流電通過整流子進行變換，而勵磁電流又通過同步發電機的銅環和炭刷向勵磁繞組提供，因此，對維護和保證安全運行方面都帶來了很多問題。為了改進這種勵磁方式。60年代主要發展了帶靜止硅整流器的自勵恒壓的同步發電機，這種發電機依然存在炭刷和滑環，仍需要經常維護，而且產生無線電磁干擾。為了從根本解決存在的問題，現代的同步發電機，通過改

12、進和發展，廣泛采用同軸交流無刷勵磁機和旋轉整流器的無刷同步發電機。無刷同步發電機有以下的主要特點：（1）無滑動的接觸部分、維護簡單、可靠性高、可長期連續運行而很少維護保養，特別略有適用于自動化電站；（2）沒有旋轉接觸的導電部分，不會產生火花，特別適用于有易燃氣體及多粉塵等惡劣環境條件下的運動場合，同時無滑環也適用于高溫度的環境下使用；（3）它的電壓波形好，畸變率小；（4）由于無刷發電機是由多級發電機組成，間接控制主發電機勵磁功率，因而控制勵磁功率很小，在主勵磁功率的1/301/50范圍內，發熱量低，因而故障率低，可靠高；（5）它雖為自勵磁系統，但具有它勵式同步發電機的特點，容易實現并聯運行。第

13、2章無刷同步發電機的工作原理及基本結構2.1 無刷同步發電機的工作原理 當原動機拖動主發電機旋轉時，交流勵磁機的電樞繞組首先將切割剩磁自勵發出交流電，然后經旋轉整流器變成直流電后進入主發電機轉子繞組以勵磁。這時主發電機的輸出端有電壓。勵磁電源取自發電機輸出端電壓，(見圖2.1)，稱這種為自勵恒壓發電機。只要調節交流勵磁機的勵磁電流，就可以改變主發電機的勵磁電流，從而控制主發電機的輸出端電壓，依靠連接于主發電機輸出端和交流勵磁機定子磁場繞組之間的自動電壓調節器就可以穩定主發電機的端電壓。 見無刷同步發電機接線原理圖2.1。 圖2.1具有可控硅電壓調節器的相復勵勵磁系統 A1電壓調節器 R1串聯電

14、阻器 C1-3電容器 T1-3單相電流互感器 G1主電機 T5壓降補償電流互感器 G勵磁機 T5整流變壓器 L1電抗器 V1靜止整流器 V2旋轉整流器 無刷勵磁是已被公認為最有發展前途的勵磁方式，隨著其勵磁系統性能的不斷改善必將得到長足的發展。2.2 同步發電機的基本結構無刷同步發電機由主發電機、交流勵磁機和旋轉整流裝置等主要部分組成。主發電機轉子、勵磁機電樞和旋轉整流裝置都裝在同一軸上一起旋轉，勵磁機磁極固定在定子內側。主發電機結構大同小異，都是轉場式的，按照結構型式，同步發電機可分為旋轉電樞式和旋轉磁極式兩類。前者的電樞裝設在轉子，主磁極裝設在定子上，這種結構在小容量同步發電機中得到一定的

15、應用，對于高壓、大容量的同步發電機，長期的制造和運行經驗表明，采用旋轉磁極式結構比較合理。靜止部分（1）定子 由鐵心、繞組、機座以及結構部件組成。定子鐵心及定子繞組是產生感應電動勢和電流的部分，亦稱電樞。機座 機座是發電機的整體支架，用來固定電樞并和前后端蓋一道支撐轉子。機座上一般有出線盒，或位于機座的后側面，或位于機座上部，出線盒內裝有出線板，以便于引出交流電源。位于機座上部的出線盒一般均裝有勵磁調節器。 定子繞組 定子繞組由線圈組成，線圈采用高強度聚脂漆包圓銅線繞制，并按一定規律連接，嵌入鐵心槽中。線圈采用導線的規格、線圈匝數、并聯路數等由設計確定繞線型有雙層疊繞、單層鏈式及單雙層式等。三

16、相繞組應對稱嵌放，彼此相互差120度電氣相位角。 定子鐵芯 定子鐵芯是發電機磁路的一部分，為了減小渦流損耗，鐵心用厚，兩面都涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成。鐵芯內圓上均勻分布著可嵌放有定子繞組的線槽。（2）交流勵磁機定子 交流勵磁機產生的交流電，經旋轉整流器整流后，供給同步發電機勵磁。為了避免勵磁機與旋轉磁極式發電機用電刷、滑環提供勵磁電流，因此，交流勵磁機的定子為磁極，而轉子為電樞。（3）端蓋 用于與機座配合并支撐轉子，因此，在端蓋的中心處應開有軸承室圓孔，以供安裝軸承。端蓋的端面有止口與機座配合，與柴油機專配發電機在軸伸出端的端蓋兩端面，均有端面止口，以保證轉子裝配后同軸度的要求。轉動部分發電

17、機的轉動部分稱為轉子。它由轉子鐵芯、勵磁繞組、電機軸、軸承、風扇、交流勵磁機電樞和旋轉整流器組成。（1）磁極繞組（2）轉子鐵芯 同步發電機的轉子鐵芯一般用1mm厚的低碳鋼板沖制的磁極沖片迭壓而成的。（3）交流勵磁機的電樞 無刷同步發電機是利用交流勵磁機產生的交流電，經旋轉整流器整流變為直流電，供交流發電機勵磁用。交流勵磁機電樞鐵芯用硅鋼片迭壓而成，然后嵌放三相交流繞組，并經絕緣處理形成電樞。（4）旋轉整流器 與交流勵磁機同軸旋轉的，發電機旋轉整流器一般裝在交流勵磁機外側，用螺釘固定在轉軸上，便于安裝和維修。2.3 同步發電機的兩種基本型式交流同步發電機的基本型式分為旋轉電樞式和旋轉磁場式兩種。

18、這兩種發電機在結構上雖然有所不同；但其基本原理卻是一樣的，即磁場與導體只要產生相對運動并切割磁力線，就能在導體中產生感應電動勢.在交流同步發電機中，鐵心及其在鐵心槽中用來產生感應電動勢并接通負載供給交流電流的繞組的總稱稱為電樞。由于它是交流同步發電機進行能量轉化和傳遞的樞紐，所以將它稱為電樞。旋轉電樞式旋轉電樞式交流同步發電機的磁場是固定不動的，其電樞為旋轉部分，三相交流電流是經滑環和電刷輸送出去。這種發電機雖然能提高硅鋼片的有效利用率，將定子機座作為磁軛以節省鋼材。但是它的容量難以做大，額定電壓也不高。因此，旋轉電樞式交流同步發電機已漸少生產，一般只用于容量很小的低壓小型同步發電機，或在生產

19、實踐中利用現有支流電機改為同步發電機時,才會采用這種旋轉電樞式的結構型式。此外，旋轉電樞式發電機在采用無刷勵磁方式的同步發電機中,被用作交流勵磁機。2.3.2 旋轉磁場式旋轉磁場式交流同步發電機的電樞固定不動，而磁場是不斷旋轉的。它的電樞繞組嵌放在定子鐵心槽內，并且隨槽分布在定子鐵心整個圓周上。因此，它有較多的空間位置來安放電樞繞組的線圈和絕緣。這種結構型式交流同步發電機的突出優點是：電樞繞組輸出的交流電流不必通過運動的滑環和電刷，而是直接由固定的電樞繞組引線電纜送往負載,所以其機械強度和絕緣條件都比較好，因而提高了電樞繞組的安全可靠性。旋轉磁場式交流同步發電機的磁極上繞有勵磁繞組，而產生發電

20、機轉子旋轉磁場的勵磁電流經電刷和滑環引入勵磁繞組。旋轉電樞式只適用于小容量同步電機中，對于高壓、大容量的同步電機，由于讓高壓和大電流從電刷和滑環的滑動接觸引出不很可靠，因此都采用旋轉磁場式。2.4 主要性能要求主發電機是一般的三相交流同步發電機，其設計的方法與普通的三相同步發電機完全一樣的。但是由于無刷勵磁原理上有一些特殊性以及科學的發展、技術的進步，對現代無刷同步發電機也提出了許多新的技術要求，從而使無刷發電機的設計有新的特點。2.4.1較小的線電壓波形畸變率各國電機標準大都規定中、小型電機的畸變率不大于10%。但是近年來，中、小型無刷發電機廣泛地用作為計算機隔離電源或應急用電源，因此，對發

21、電機電壓波形的正弦畸變率應小于5%。這對電極設計提出了更高的要求。這就必須在磁極形狀、氣隙尺寸和繞組選擇等方面予以注意。可以知道的是，高次諧波電勢對相電勢大小的影響很小，卻很大的影響電勢的波形。發電機電勢中如果存在高次諧波，就將使電勢波形變壞，產生很多不良影響，使發電機本身的附加損耗增加，效率下降，溫升增高，以及引起輸電線路的電感和電容產生諧振，產生過電壓。動態性能由于現代同步發電機許多供電負載，對發電機的動態性能有很高的要求。設計電機時，所得到的空載特性應與常規空載特性相接近。如果設計得太飽和將使勵磁繞組用銅太多，而且電壓調節也比較困難；如果飽和度太低，則負載變化時電壓變化較大，并且磁密偏低

22、表示硅鋼片的利用率較低，電機鐵心消耗材料較多。動態實驗 ，以 100KVA發電機為樣機 ，用起動大容量電動機作為突然增加負荷的方法進行。 本實驗屬于旋轉整流器式交流發電機自動電壓調整器采用 PI調節器進行綜合調節的動態實驗。綜合調節，即既按電壓偏差和電樞電流調節，同時也按電壓偏差和電流的一階微分調節。 通過給空載運行的發電機突然增加負載，可以得到下表中系統調節規律的動態特性數據，反映了自動電壓調整器的動態性能。表2.1無刷發電機動態特性實驗數據標么值最大值頻率偏差f()電壓偏差U()電壓恢復時間tH(s)電樞電流勵磁電流旋轉整流器式比例調節2.81.8-12-180.75旋轉整流器式綜合調節2

23、.71.5-2.0-50.05旋轉晶閘管式綜合調節0.91.25-1.2-30.03實驗數據顯示，采用旋轉晶閘管式和綜合調節，明顯比采用旋轉整流器式和比例調節，頻率、電壓偏差低，電壓恢復時間短。進一步實驗可證明這一點。應該指 出：大容量發電機的自動電壓調整器，完全可以用于小容量的發電機；也可以在小容量發電機上，測試大容量發電機的自動電壓調整器。區別在于取樣負荷電流的比率不同。維持短路電流的能力無刷勵磁發電機大多數都是作為無人管理的自動化電站電源，故應能可靠地使配電站系統的保護裝置動作，排除故障，提高自動化電站的可靠性。突然短路時，各繞組中都出現了很大的電流，而使銅耗很大，所產生的熱量使繞組溫升

24、增加，而且突然短路電流很大，會產生很大的電磁力和電磁轉距，所以在勵磁方式的選擇或勵磁系統設計中必須加以考慮。因此國內、外無刷發電機的技術要求中，均提出了應能維持3倍以上的額定短路電流，維持時間23秒的要求。過電壓保護無刷發電機為現代化電源，均帶有電子元器件的自動調節器和功率硅二極管，并要求具有能并聯運行的特性。采用阻尼套，可以改善電機的并聯運行性能，使并聯運行可靠，同時可作為電壓調節器及旋轉整流器的第一道可靠的過電壓保護屏障。根據分析，當電機短路時，開路相會產生過電壓。另外，發電機勵磁繞組在突加負載或負載短路的瞬變過程中也會產生過電壓，很多研究者指出，當電機有全阻尼繞組時，磁場繞組的過電壓約為

25、35倍額定勵磁電壓，而沒有阻尼繞組時過電壓可達到10倍以上。旋轉整流器的過電壓保護有兩種用途，換相引起的尖峰過電壓，此時由并聯在整流元件兩端的阻容元件吸收浪涌過電壓；主機非同期投入，由電網引起的外部過電壓作用于旋轉整流器兩端，一般采用在勵磁繞組并聯電阻的方法吸收此過電壓，此時，將增加勵磁機的容量。第3章 無刷同步發電機的勵磁系統勵磁系統是同步發電機的重要組成部分，其主要任務是向同步發電機的勵磁繞組提供一個可調的直流電流（電壓），控制機端電壓恒定，滿足發電機正常發電的需要，同時控制發電機組間的無功率的合理分配，保證同步發電機并列運行機制的穩定性，以滿足電力系統安全運行機制的需要。優良的勵磁系統不

26、僅可以保證發電機穩定和可靠性運行，而且可以有效的提高發電機及電力系統的經濟技術指標。3.1 勵磁系統的要求（1） 正常運行時，能按負荷電流和電壓的變化調節（自動或手動）勵磁電流，以維持電壓在穩定值水平，并能穩定地分配機組間的無功負荷。（2） 當發電機內部發生故障，例如電樞繞組出現匝間短路時，為避免事故繼續擴大,勵磁系統應能盡快地將發電機的勵磁電流減到盡可能小的程度，即滅磁。（3） 勵磁裝置本身應無失靈區，以利于提高系統靜態穩定，并且動作應迅速，工作要可靠，調節過程要穩定。（4） 為了保證勵磁繞組和整流器安全運行,對最大勵磁電流要有所限制,不得超過規定值。同時，考慮到發電機在欠勵情況下較易失步，

27、為此對勵磁電流的最小值也必須有所限制。3.2 勵磁系統的分類及選擇勵磁系統是同步發電機勵磁繞組的供電電源，按供電方式的不同，勵磁系統可以分為它勵和自勵系統兩大類，下面分別加以說明。自勵式勵磁系統這種系統中，勵磁繞組和電樞繞組由同一電源供電，即不用勵磁機而由同步發電機本身提供勵磁電流。有如下三種：僅由同步發電機本身線端的電壓取得能量的稱為自并勵系統；由發電機本身線端的電壓及電流兩者取得能量的稱為自復勵系統；由發電機輔助諧波繞組提供勵磁電源的則稱為諧波勵磁系統。為了提高電力系統的穩定性和輸電能力，國內外都采用串聯電容補償長距離輸電線路的電感，但補償度過高易發生同步發電機的自勵磁(自激)。為了改善配

28、電網的電壓水平和送電能力，也可采用串補方法，但補償度過高同樣會引起自勵磁。因此，自勵磁問題成為一個迫切需要解決的問題，受到廣泛重視。多年來，不少學者對自勵磁進行了較深入的研究。特征方程分析法根據同步電機的基本方程，用運算電抗導出自勵磁特征方程，求特征方程的根分析自勵磁。基于同步電機的方程是五階微分方程，其自勵磁特征方程是相當冗長和繁雜的，不便使用。頻率分析法從某同步發電機端求電網等值電阻和等值電抗的頻率特性，等值電抗為零時的頻率就是電機發生自勵磁的串聯諧振點。對于計及發電機控制系統的自勵磁分析，由于階數的提高，以上方法更顯得無能為力。計算機的出現和現代控制理論的發展為自勵磁研究提供了有力的工具

29、。狀態方程分析法(下稱狀態法)是一種新的分析方法。狀態法首先建立描述自勵磁的狀態方程，然后根據狀態方程的系數矩陣進行自勵磁分析。此法數學模型清晰，計算準確，使用方便。它勵式勵磁系統由同步發電機本身以外的電源供電的勵磁系統稱為它勵式勵磁系統，且勵磁繞組與電樞繞組不連接。這種系統中的勵磁電源是勵磁機，它既可以是與電機同軸的直流發電機，也可以是帶有整流設備的交流發電機。下面將介紹它勵式勵磁系統。帶副勵磁機的它勵勵磁機勵磁系統：它與同步發電機同軸的主勵磁機是一臺它勵直流電機，主勵磁機的勵磁由另一臺同軸的副勵磁機供給。帶自動勵磁調節器的同軸直流電機勵磁系統：它的勵磁調節電阻不再手動調節,它帶有自動的自動

30、勵磁調節器,具有更快的電壓上升速度。 隨著電力系統的單機容量和輸電距離的不斷增長，勵磁容量亦顯著加大。對于大容量發電機，特別是大容量的高速發電機，由于換向困難，直流勵磁機已難以滿足勵磁要求。為適應生產需要，隨著半導體技術的發展，出現了多種采用半導體整流器的勵磁系統，其中它勵式整流器勵磁系統機為大、中容量同步發電機所常用。3.2.3無刷勵磁裝置無刷勵磁裝置主要由勵磁變壓器、陽極開關、三相可控硅全控整流橋、滅磁裝置、檢測勵磁電壓 和勵磁 電流的儀表 、防止過電壓和過電流的保護元件及勵磁調節器 等組成。可控硅勵磁裝置主要為交流勵磁機定子繞組提供勵磁電流。該裝置輸入信號通過勵磁變壓器取 自于汽輪發電機

31、機端，并經過可控硅三相全控整流橋整流，將三相交流電勢轉換成直流電勢來實現。交流勵磁機勵磁電流的大小是通過勵磁調節器來實現的。勵磁調節器設置有 自動調節和手動調節 2種方式。手動調節作為自動調節的輔助方式，當自動調節運行發生故障時可轉換成為手動調節運行，但采用手動調節運行時應防止過電壓產生。此外勵磁控制回路中還設有交流勵磁機滅磁裝置。滅磁方式分為 2種，一種是機組故障停機，由系統保護自動(或手動)分斷陽極開關，使交流勵磁機勵磁繞組的磁場能經并接于勵磁繞組兩端的滅磁電阻、二極管而釋放；另一種是在正常停機時采用逆變滅勵的方式進行滅勵。把交流勵磁機做成旋轉電樞式的同步發電機，并把它安裝在主發電機的同一

32、轉軸上，然后把硅整流橋也固定在勵磁機的電樞上使其一起旋轉，這樣就組成了旋轉的交流整流勵磁系統。最大特點就是取消了滑環和碳刷，使整個勵磁系統沒有觸點，所以該系統又稱為無觸點勵磁或無刷勵磁系統。3.3設計注意事項3.3.1主發電機由于現代同步發電機有許多供電負載都是電子設備或配備有電子設備的裝置，故對同步發電機動態性能要求較高，在主機設計時必須適當選者擇主機的瞬時電抗值以減少主機的時間參數。一般Xd1在0.170.2之間，Xd2在0.1左右。無刷發電機大多數都作為無人管理的自動化電站電源，故應能可靠地使配電的保護裝置動作，排除故障，提高自動化電站運行的可靠性。國內、外無刷發電機的技術要求中，均提出

33、了應能維持3倍以上額定電流的短路電流，持續時間為2.53S的要求，在勵磁方式的選擇或勵磁系統的選擇設計中必須加以考慮。主發電機比較大，引起發熱比較厲害，則定子上需要有通風槽；發電機的容量比較大，其繞組要用截面積比較大電阻率比較小的扁銅線；且無刷發電機作為現代化電源，要求具有并聯運行的特性，固需要裝設阻尼繞組，以改善發電機的并聯運行性能，并使并聯運行趨于穩定。在整個電機的設計過程中，要保證電機的各項性能效率、溫升、電壓畸變率、損耗、轉矩、短路電流等指標要合乎要求。當有些指標不合乎要求時，要明白如何進行調整。如定子溫升過高，則：（1） 可降低1一般可加厚銅線；（2） 降低A；（3） 加大hs/bs

34、的比值；轉子溫升過高則可加大hm或be；最大轉矩不合格則可增加g，如還不行則可改變A/Bg的值等；通過以上的論證可得知該同步發電機具有符合設計要求的各種性能：（1） 定子繞組采用最佳短距和分布系數，采用斜槽結構，加之磁極形狀經過優化設計，電壓波形遠遠優于普通發電機，因而電壓波形完全合乎設計要求；（2） 瞬變電抗小，動態性能優良等；（3） 發電機為F級絕緣，實際上溫升低于B級溫升，故過載能力大，大多數情況下在1.3倍額定負載轉矩下長期過載運行也不會發生繞組過熱，絕緣壽命長，可靠性高。3.3.2交流勵磁機交流勵磁機是一個旋轉電樞式交流同步發電機，但由于它的工作特點和負載的特殊性，它與一般的同步發電

35、機不大一樣。對磁路設計來說，交流勵磁機輸出電壓隨主發電機負載及工作溫度變化而大幅度變化著，相應交流勵磁機的感應電勢也應是幅度變化。為滿足主發電機的最大強勵要求，相應于勵磁機額定工作狀態的磁路工作點處在線性部分，即交流了勵磁機的額定工作狀態時的磁密要取得低。由于叫勵磁機的電樞具有電感，換相時電流不能突變，產生了換相角，因此有其獨特的電壓變比和電流變比。通常采用較小的短路比和較高的頻率來改善無刷發電機的動態特性。為減小負載電壓將及改善換相狀況，將換相角控制在300500之間。另外交流勵磁機的極數最好不要為主機極數的整數倍。交流勵磁機在設計時應注意滿足勵磁系統對其提出的強勵、高反應速度及高可靠性的要

36、求，因而要有一些特殊考慮。（1） 為提高勵磁系統反應的快速性，交流勵磁機勵磁繞組的時間常數應盡量小。為此，交流勵磁機轉子鐵心一般采用迭片式結構，以增大轉子鐵心渦流電阻，減小磁路內渦流阻尼作用及轉子附加鐵損。（2） 為保證勵磁系統的2.0倍峰值電壓倍數的要求，通常勵磁機應設計得使其負載特性直到額定工況時仍保持線性，為此一般選取空載氣隙磁通密度B：要在0.4T左右電樞選用磁化特性較好的硅鋼片，且要將電樞磁通密度控制在該硅鋼片磁化曲線的直線區域。（3） 為滿足電壓增長速度一般要在2.0倍/S以上的要求和改善電壓突然增長的瞬變特性，提高電壓增長速度，對影響交流勵磁機飽和程度的電機參數一短路比應盡量選得

37、小一些，通常為0.5左右，同時還可以降低交流勵磁機的造價。（4） 為減小換相壓降，換相角最好選取在300400之間，這樣要求換相電抗在0.2左右。（5） 為減小交流勵磁機定子線棒內頻率較高的非正弦波電流產生的附加損耗和趨表效應，定子線圈采用多股扁導線換位編織線棒。（6） 為提高交流勵磁機定子繞組的可靠性，當主機轉子繞組過電壓時，勵磁機定子絕緣不受破壞，勵磁機定子繞組絕緣應與主發電機轉子絕緣等級相同。（7） 為了改善無刷發電機的動態特性，交流勵磁機設計時，必須注意盡量選用較小的短路比（大約為0.30.5左右）以提高勵磁機勵磁電流的瞬時靈敏度，縮短勵磁機的時間長數。較小的短路比，能使交流勵磁機設計

38、得經濟些，縮小體積，減輕重量。其次短路比小，Xd大，這樣，在旋轉整流器的整流管出現短路故障情況下，可使短路電流不致過大，對其他整流管就起到了保護作用。（8） 由于交流勵磁機的電樞繞組是一個經過旋轉整流器大電感，加之由于勵磁機的電樞繞組內電抗的存在，使旋轉整流器換相時，電流不能突變，產生了換相角，因此有獨特的電壓變比和電流變比，而且使交流勵磁機相電流波形與正弦波相差很大。所以，交流勵磁機的計算主要應解決以下兩個問題：如何根據主發電機給定的直流勵磁電壓和直流勵磁電流，計算出交流勵磁機的輸出交流相電勢、相電流、及勵磁機的容量；如何計算交流勵磁機的電樞反應、功率因數及所需的勵磁磁勢。（9） 此外，為了

39、改善無刷發電機的動態特性，應盡量選用較小的短路比，以提高勵磁機勵磁電流的瞬時靈敏度，縮短了勵磁機的時間常數，同時，選用較高的頻率也可以縮短勵磁機的時間常數。因此設計時必須注意以上所述的特殊性，除此以外，其設計的步驟和原則基本上和小型凸極同步發電機的設計相同。3.3.3旋轉整流器旋轉整流器是無刷發電機組交流勵磁機的重要組成部分，整流管的可靠性直接影響電流的整流效果，從而影響到發電機組的運行。旋轉整流器是電機故障率較高的部件。因為它工作在高溫、高速和有振動的場合，而且還有承受過電流過電壓沖擊的可能。電機受到外界干擾時，盡管由負載電流產生的定子旋轉磁場與轉子繞組間無相對運動。但隨著定子磁場幅值的突變

40、，在轉子繞組中便會感應出變壓器電勢；而當電機負載不對稱時，定子繞組中將會流過負序電流，這個負序電流將在轉子磁場繞組中感應出旋轉電勢；當發電機電壓與系統電壓之間的相位角為60。時合閘，會導致很高的轉子電壓，在非對稱短路或并網的誤操作過程中，上述旋轉電勢和變壓器電勢將可能于某一瞬間同時產生，這兩個瞬時電勢加上交流勵磁機電樞輸送給旋轉整流器的電勢、再和主發電機轉子磁場繞組中原有的電勢相疊加(注意轉子磁場繞組是感性元件)，共同作用于旋轉整流二極管。就可能使導通的二極管流過很大的正向電流，也可能使截止的二極管承受很高的反向電壓，將二極管損壞。在氣隙較小、阻尼不良或沒有阻尼的凸極同步發電機中，這一現象更為

41、突出。若交流勵磁機的極對數是主發電機的極對數的整數倍，當發電機三相對稱短路時，轉子線圈中的感應電流將流過正在導通的二極管，使二極管受損。據此，可以采用以下措施。（1） 在轉子磁極表面裝阻尼繞組以改善動態性能； （2） 交流勵磁機的極對數和主發電機的極對數不成整數倍； （3） 對旋轉二極管采取過壓和過流保護； （4） 選擇旋轉二極管的額定容量時留較大裕量； （5） 旋轉整流裝置在安裝方式、絕緣方式、振動、熱容量等方面須經過精心設計制造和嚴格的振動、超速、高溫等試驗，使其具有很高的可靠性，如整流橋輸出側裝壓敏電阻，以防發電機磁場繞組出現過電壓時損壞整流二極管。熔斷器作為過流或短路保護串聯于每個二極

42、管支路，萬一整流管出現故障，則與之串聯的快速熔斷器可保證使其自動斷開，從而防止勵磁機局部嚴重超載過熱。 第4章 電磁設計說明4.1初步確定各尺寸 確定效率一般說來效率只與電機的容量相關，相同容量的電機其效率總是差不多的，且容量越大效率越高，因此可參照已做過的相近容量電機初步確定。主要尺寸及及與電機容量間有以下關系：KVA（4.1）以上可知要確定、，就要先確定、A、B，下面分別說明：（1）的決定：對一臺電機來講可以在一個相當達到的范圍內變動，因此，需通過采用不同的幾個方案比較后才能決定。值大小與下列因素有關：經濟性：電機的有效材料消耗及損耗大小與有較大的關系。一般電機容量有效材料消耗量有下列比例

43、關系。定子銅 (4.2)定子鐵 (4.3)轉子銅 (4.4)轉子鐵(4.5)當增大時，（對一定容量電機一定減小）一方面A將有所增長，一方面減小，因此GCu1及GCu2式中刮號外部分值減小，當刮號內第二相卻增大，故當增加時，在小于一定值時GCu1及GCu2減小，當超過一定值時將增加，而鐵重GFe一般說來將隨增加而減少。當保持電密及磁密B相同時，銅及鐵耗大小將與銅及鐵重量成正比，因此銅及鐵損與的關系將與上所述相似的關系。單位容量機械損耗有以下比例關系： (4.6)故知：當增加時機械損耗將增加，見表4.1。表4.1 與機械損耗的關系容量/極D1l/GGGPPPPKW/P（MM）（噸）（噸）（噸）（k

44、w）（kw）（kw）（kw）（kw）4000/28325042502.150.98.886.50.9330.9881.991.460.652.839.849.237.737.422.340.595.795.22000/4143011800.741.622.482.90.5120.4570.4340.54820.625.22118.312.211.332.82295.295.7發熱：當增加（減小）時，通風條件變差，因此溫升將增高，大于2的電機溫升比較高，由此要特別注意通風的問題。結構：及選擇常常還受到結構上的限制。由于機械強度的限制，不能過大。一般說來，當接近60cm，各處機械應力已接近允許值，

45、當大于70cm時就需采用實心磁極結構。對于要求GD2大的電機則常選用較小的（較大的），以增加GD2。鐵芯長度有時要受到周極限長及地坑長等限制。（1）A、決定：A、值大小對電機參數、啟動性能、溫升、損耗、經濟等方面均有較大的影響。電機參數xe、xd、xq、xkd、xkq、rkd、rkq等基本上皆與A/成正比。當A/增加時，所有x及r均減小，電機起動電流 (4.7)當A/增加時，起動電流減小，反之則增加，而Mst、MB等，皆隨起動電流增加而增減少。最大轉矩，當/一定時xd=A/，故Mmax隨A/增加而減小。一般說來，對于相近的二臺電機，如果A/也相近的話，則所有參數及起動性能等也是相近的，因此在新

46、設計時，就可找一個相近的電機，根據其（A/）性能、參數為所設計的電機性能參考，利用上面介紹的規律就可初步確定所設計的電機的（A/）值了。A，值對電機發熱也有影響，當定子槽面積不變時，當電機用鐵量不變時，BT、BC，故當A、增加時電機發熱將增加。對較大的電機可取較大的值。主要時BT限制，故一般與關系不大。此外，當增加時hs/減小，因此為了維持Ist在一定水平下也需要增加A值。A，值大小影響電機的用銅量與用鐵量。 （4.8）當A、增加時，電機材料消耗就減小。（2）標準定子外徑：應采用標準定子外徑以利生產，因此 選擇一般不是任的。確定了定子標準外徑后，初步確定（）軛高hc確定軛高hc時，應注意以下各

47、點：（1） 軛磁密要合適。（2） 為了使齒部易壓緊，hs/bs應大于等于70%（3） 考慮通用沖片，使該沖片用于相臨極數時，Bc能通過。（4） 考慮材料充分利用，最好能使一大張硅鋼片正好沖完。在最后確定hc、hs后，就可以確定內徑D1及和A值，如不合適，可以適當調整。確定了后，就可以確定（鐵心長）了。4.2 性能調整當初步確定各尺寸后，就可按公式核算，核算后有些參數、性能、溫升等可能不和要求，需要進行調整，下面分別介紹之。轉子溫升如轉子溫升過高，則可加大hm或bm，但需注意線圈在極間不大，（一般應留以10mm間隙），一般加大hm效果較好，因為，而與be僅成一次方關系（）。但如hm已等于h2/3

48、，線圈極間也相而溫升仍高時，則在轉子中已無法解決高的問題了。此時需降低A及，因而需加大l或（但要注意性能仍要符合要求）或加大定子外徑。對勵磁機要求1（a）最大勵磁電壓Umax =1.8UBH（發電機）。（b）勵磁增長速度對一般電機應大于0.8UBH/秒。（c）最低勵磁電壓：對發電機為0.8iBminRB15（iBmin為欠激運行時最小勵磁電流）。定子溫升如定子溫升過高，一般可調整下列數據。（1）降低，一般可加厚銅線，銅線加厚引起槽高加深，軛高降低，有時為了保持BC在一定水平上，可以減少Di1。（2）降低A（因而需要加大l），在槽形不變時，及A皆降低，（比A成正比下降，A與A2成正比下降），但改

49、變A后，要影響性能。（3）加大hS/bS（需增大q值）。第5章 主發電機的電磁設計5.1額定數據及主要尺寸1 額定容量 SN = 500 (KVA)2 額定電壓 = 400 (V) 額定相電壓 (Y接法)3 額定頻率 f=50Hz4 額定轉速 5 極數 p=66 功率因數 cosH=0.87 相數 m=38額定效率 =88%9 額定電流 10 絕緣等級定子：F級轉子：F級11 定子內徑滿載電勢標幺值：KE=0.0108LnPN-0.013P+0.931=0.0108Ln500-0.013×6+0.931=0.92計算功率：3初選計算極弧系數為 氣隙磁場波形系數為 定子基波繞組系數為

50、由電機設計圖10-2取A=26000 A/m由電機設計表10-1取B=0.82 TnN=1000 r/min 由電機設計表10-3 按定子內外徑比為 Di1/D=0.75 則12 定子外徑 D1= Di1/( Di1/D)=58.71/0.75=78.28 cm13 定子鐵心總長度k2在中型電機中取1.581.95定子鐵心有效長度式中：為通風道數，初值選8為通風道損失寬度。 查交流電機設計手冊圖1-26可得14 極中心處最小氣隙15 最大氣隙 初取Rp=25.17, bp=27.31當時，波形最好，新系列16 極距17 定子槽數Q1當時，根據交流電機設計手冊數據參考初選，高斯參考相近電機：q=

51、4則，定子槽寬主要與及電壓有關，再新系列電機中為了減少銅線規格及工具，采用了標準槽寬。其適用范圍如下：<30cm=14.4mm>30cm=17.2mm初確定槽寬：18 每極每相槽數 電壓波形對發電機的值有要求，應保證3。當=3（或接近3的整數槽時）最好不用阻尼繞組，可得很好的波形，且線電壓畸變率小。19 每相串聯導體數式中：每槽導體數，對于雙層繞組；并聯路數。取并聯路數 a1=6 得每槽導體數 于是每圈匝數為4每相串聯匝數 定子電流初步估計:功電流：定子電流： 選定子電密= 計算導線并繞根數和每根導線截面積的乘積在附錄2中選 并繞根數=4：則導線截面積 Ac1=8.26 mm2選線

52、規 厚絕緣聚脂漆包扁線 20 繞組節距 槽21 定子電流密度式中S1=33.04 為并繞導線總截面積 S1=22 定子線負荷23 定子熱負荷24 繞組系數繞組分布系數 查交流電機設計手冊表1-4，得0.96繞組節距系數 查交流電機設計手冊表1-4，得1.025 每相有效串聯導體數26 實際極弧系數 一般取值 當P=4和6時式中Rp為極靴半徑：又極靴寬鉉長 = 初取 則= 則27 計算極弧系數=基波氣隙磁通密度/實際氣隙磁通密度 查交流電機設計手冊圖1-81得 =AB=1.25×0.852=1.065為磁場波形系數 查交流電機設計手冊圖1-82 =B·B=0.907×

53、;1.076=0.975.2空載計算28 每極磁通29 氣隙磁通密度30 定子槽形31 齒部磁通密度計算磁路用：（高斯） 計算鐵耗用：32 軛部磁通密度33 齒部每厘米長所需安匝根據查表Bc1查<<交流電機設計手冊>>表 1-20，1-21，1-2234 齒部安匝數35 軛部安匝數式中：為軛部磁通分布系數。根據查交流電機手冊表1-31得 =0.2636 氣隙系數其中開口槽 37 有效氣隙38 氣隙所需安匝數39 定子齒軛及氣隙所需匝數40 磁極尺寸 41 磁極鐵心計算 為整塊鋼板平壓板42 極靴漏磁距離計算43 極身漏磁計算由交流電機手冊P182頁查得 bm=

54、0.45=0.46×30.71=17.56hm=0.4=0.4×30.71 =12.284hp=0.11=0.11×30.71=3.3744 極靴平均高度45 極靴漏磁導46 極身漏磁導47 磁極總漏磁導48 磁極總漏磁系數49 每極總磁通（馬）50 磁極截面部分壓板的面積平壓板，計算1/2面積51 極身磁密（高斯）52 極身磁路每厘米長所需安匝數根據查表1-28可得，53 極身所需安匝數54 第二氣隙所需安匝數55 空載時每極總安匝數5.3滿載計算56 電樞反應磁勢57 漏磁計算系數58 直軸系數查交流電機手冊圖（1-83）59 橫軸系數查交流電機手冊圖（1-83）60 直