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。
    工作特性 表征同步發(fā)電機(jī)性能的主要是空載特性和負(fù)載運(yùn)行特性。這些特性是用戶選用發(fā)電機(jī)的重要依據(jù)。
    空載特性 　發(fā)電機(jī)不接負(fù)載時(shí)，電樞電流為零，稱為空載運(yùn)行。此時(shí)電機(jī)定子的三相繞組只有勵(lì)磁電流If感生出的空載電動(dòng)勢(shì)E0（三相對(duì)稱），其大小隨If的增大而增加。但是，由于電機(jī)磁路鐵心有飽和現(xiàn)象，所以兩者不成正比。反映空載電動(dòng)勢(shì)E0與勵(lì)磁電流If關(guān)系的曲線稱為同步發(fā)電機(jī)的空載特性。
    電樞反應(yīng) 　當(dāng)發(fā)電機(jī)接上對(duì)稱負(fù)載后，電樞繞組中的三相電流會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，稱電樞反應(yīng)磁場(chǎng)。其轉(zhuǎn)速正好與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相等，兩者同步旋轉(zhuǎn)。
    同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)均可近似地認(rèn)為都按正弦規(guī)律分布。它們之間的空間相位差取決于空載電動(dòng)勢(shì)E0與電樞電流I之間的時(shí)間相位差。電樞反應(yīng)磁場(chǎng)還與負(fù)載情況有關(guān)。當(dāng)發(fā)電機(jī)的負(fù)載為電感性時(shí)，電樞反應(yīng)磁場(chǎng)起去磁作用，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的電壓降低；當(dāng)負(fù)載呈電容性時(shí),電樞反應(yīng)磁場(chǎng)起助磁作用,會(huì)使發(fā)電機(jī)的輸出電壓升高。
    負(fù)載運(yùn)行特性 　主要指外特性和調(diào)整特性。外特性是當(dāng)轉(zhuǎn)速為額定值、勵(lì)磁電流和負(fù)載功率因數(shù)為常數(shù)時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓U與負(fù)載電流I之間的關(guān)系。調(diào)整特性是轉(zhuǎn)速和端電壓為額定值、負(fù)載功率因數(shù)為常數(shù)時(shí),勵(lì)磁電流If與負(fù)載電流I之間的關(guān)系，如圖3所示。圖2中還顯示出電阻性、電容性和電感性3種負(fù)載的情況。由于電樞反應(yīng)磁場(chǎng)影響的不同，三者的曲線也不一樣。在外特性中，從空載到額定負(fù)載時(shí)電壓的變化程度稱為電壓變化率△U，常用百分?jǐn)?shù)表示為 同步發(fā)電機(jī)的電壓變化率約為20～40％。一般工業(yè)和家用負(fù)載都要求電壓保持基本不變。為此，隨著負(fù)載電流的增大,必須相應(yīng)地調(diào)整勵(lì)磁電流。為 3種不同性質(zhì)負(fù)載下的調(diào)整特性。雖然調(diào)整特性的變化趨勢(shì)與外特性正好相反，對(duì)于感性和純電阻性負(fù)載，它是上升的，而在容性負(fù)載下，一般是下降的。
    結(jié)構(gòu)和分類 同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)按其轉(zhuǎn)速分為高速和低（中）速兩種。前者多用于火電廠和核電站；后者多與低速水輪機(jī)或柴油機(jī)聯(lián)動(dòng)。在結(jié)構(gòu)上，高速同步發(fā)電機(jī)多用隱極式轉(zhuǎn)子，低（中）速同步發(fā)電機(jī)多用凸極式轉(zhuǎn)子。
    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)。
   ①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。
   ②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(zhǎng)度（即用細(xì)長(zhǎng)的轉(zhuǎn)子）和提高電磁負(fù)荷來解決。目前,轉(zhuǎn)子長(zhǎng)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。為此，已研制出多種冷卻系統(tǒng)。 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(zhǎng)電機(jī)壽命。1956年,英國(guó)首創(chuàng)第一臺(tái)12000千瓦定子線圈水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)。1958年，中國(guó)由浙江大學(xué)、上海電機(jī)廠首先研制成第一臺(tái)定、轉(zhuǎn)子線圈都采用水內(nèi)冷的 12000千瓦雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)，為這種冷卻方式奠定了基礎(chǔ)。世界一些國(guó)家在大容量電機(jī)中也廣泛采用水內(nèi)冷技術(shù)，并制造出了幾十萬到一百多萬千瓦的巨型發(fā)電機(jī)。除了水冷外,液體冷卻介質(zhì)還可使用變壓器油，其相對(duì)導(dǎo)熱能力約為水的40％，絕緣性能好，可將發(fā)電機(jī)額定電壓提高到幾萬伏，從而節(jié)約了升壓變壓器的投資。近年來，還在研究用氟利昂作為冷卻介質(zhì)的蒸發(fā)冷卻技術(shù)。氟利昂絕緣好，很容易氣化，利用其氣化潛熱來冷卻電機(jī)，是一種有意義的探索方向。
    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(zhǎng)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。
    準(zhǔn)同步并列將已加勵(lì)磁的待投運(yùn)發(fā)電機(jī)通過調(diào)節(jié)其原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和改變?cè)摪l(fā)電機(jī)的勵(lì)磁，使其和運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)的頻率差不超過0.1～0.5％。在兩機(jī)電壓相位差不超過10°的瞬間進(jìn)行合閘并聯(lián)，兩者即可自動(dòng)牽入同步運(yùn)行。準(zhǔn)同步并列的操作可以手動(dòng)，也可以借自動(dòng)裝置完成。
    自同步并列把待投入并聯(lián)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)到接近電網(wǎng)的同步轉(zhuǎn)速，在未加勵(lì)磁的條件下就合閘并聯(lián)，然后再加入勵(lì)磁，依靠發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間出現(xiàn)的環(huán)流及相應(yīng)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩把發(fā)電機(jī)迅速牽入同步。采用自同步并列時(shí)，由于減少了調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電壓和選擇合閘瞬間所需的時(shí)間，所以并列的過程較快，特別適宜于電力系統(tǒng)事故情況下機(jī)組的緊急投入。但是此法在并列合閘瞬間的電流沖擊比較大，會(huì)使電網(wǎng)電壓短時(shí)下降，電機(jī)繞組端部承受較大的電磁力。
 

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