无刷交流同步发电机原理与构造Word下载.docx
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式中：
f——交流电频率Hz
n——转速r／min
p——发电机极对数
（二）三相交流电的产生
在发电机转子上均匀地安置有彼此相隔120°
电角度的三个相同线圈，当三个线圈在磁场中旋转时，就可以，在线围内感应三个彼此相隔120°
电角度的交变电动势eU、eV、eW。
正弦曲线和矢量图见8－6
三、交流发电机三相绕组的接法：
1、星形接法
将发电机三相绕组的三个尾端U2、V2、W2连接在一起，从三个绕组的首端U1、V1、W1引出三根导线与外电路相连，这种连接法叫星形按法，用字母Y表示。
三个尾端接在一起的一点称为中性点，用字母N表示，从N点引出的导线称中线，从三个首端引出的称相线俗称火线，这种供电方式称三相四线制。
星形接法发电机可以输出两种电压：
相线与中线之间的电压称相电压，任意两相线之间的电压称线电压。
线电压U线＝«
U相
I线=I相
星形按法是最广泛的接法，不管容量大小几乎都采用此按法。
通常的移动电站、柴油机组也大都用这种按法。
2、三角形按法
发电机三相绕组，依次将一相绕组的尾端和另一组绕组的首端连接，组成一封闭三角形，再从三个连接点引出三根导线与外电路连接，这种接法叫三角形接法用△表示。
相电压就是线电压，则U线=U相，而I线=«
I相，这种接法在发电机中很少采用。
四、三相交流电的功率：
一般情况下，发电机的三相负载是对称的，这时三相电路的总功率P,等于单相功率的三倍。
P单相=U相I相COS«
所以P三相=3U相I相COS«
式中«
为相电压与相电流的相位差角
当星形接法时，因V相＝«
U相，I线=I相
所以P三相＝«
V线I线COS«
=«
U线I线COS«
（W）
S=«
U线I线（VA）
三角形接法时,因U线=U相，而I相=«
I线
所以P三相＝3«
U线«
«
COS«
U线I线（VA）
因此在三相电路中,无论是星形按法或三角形按法,计算总功率的公式都是相同的。
现在电网供应的都是三相四线制，俗称Y按法（有中线），而负载是采用Y或接△法，应当慎重考虑，以免接错发生设备事故。
以负载的额定电压来决定负载是接相电压或线电压。
例如,现在的照明灯泡大都采用220V,显然只能接在相电压上,如果接线电压（380〉V,则灯泡即将爆炸。
由于负载要求三相对称（三相功率相等〉,所以很多灯泡就要按容量分开三相,使灯泡功率基本相等而后按Y形接法。
有的负载是380V,这时如果接在相电压上,则就不一定起作用,如接触器的闭合线圈有的要求380V,就一定要按在线电压上。
五、无刷同步发电机基本工作原理
TFW系列无刷发电机
电气原理图见图8一7。
基本工作原理:
发电机由原动机驱动旋转接近额定转速时,由于转子磁极铁心具有剩磁,嵌在定子槽中的副绕组S1S2感应的电势经单相全波整流器组Dl整流后输入交流励磁机励磁绕组F3F4建立交流励磁机磁场,使交流励磁机电枢绕组感应三相电势,该电势经旋转整流桥D2整流后输入主发电机励磁绕组F1F2,建立主发电机磁场,使发电机定子绕组感应电势,从而输出电能.
第二节无刷同步发电机构造
一、概述
中小型同步发电机的构造主要有二种型式
（一）旋转电枢式
磁极固定不动（不动部份称定子），电枢绕组（感应导体）在转子上转动，利用旋转整流器把交流电从转子上引出来，交流励磁机就是这种电机。
（二）旋转磁场式
磁极装在转子上转动,电枢绕组装于定子上不动,可直接用电缆引出交流电。
无刷发电机的本体就是这种型式电机。
此类电机又可以分为:
凸极式发电机：
有明显的磁极，在磁极铁心上套有集中磁极绕组。
隐极式发电机：
没有明显的磁极，磁极绕组分散嵌在转子（磁极）铁心槽内。
中小型发电机大都采用转场式。
不论凸极式还是隐极式发电机，其结构可分为两大部分，即静止部分，包括定子（机座、定子铁心、定子绕组），端盖，轴承盖（套），交流励磁机定子等；
转动部分又称转子，包括转轴、转子铁心（磁极铁心）、磁极绕组、轴承、风扇、励磁机电枢、旋转整流器等。
二、无刷同步发电机结构
TFW系列元刷发电机典型结构见图3-9（凸极式），图3-10（隐极式）
（一）静止部份
1.定子：
由机座、定子铁心、定子绕组所组成。
定子铁心及定子绕组是产生感应电势、电流的部分，亦称电枢。
（1）机座
机座是发电机的整体支架，用来固定电枢并和前后两端盖一道支承转子。
机座有铸铁铸造和钢板焊接两种，TFW系列多为铸铁结构，经机械加工而成。
机座内壁分布筋条用以固定电枢，两端面加工有止口及螺孔与端盖配合固定，机座下部铸有底脚，以便于电机固定在底架或基础上。
机座上一般有出线盒，或位于机座的右侧面（从轴伸端看）,或位于机座上部，出线盒装有接线板，以便引出交流电等。
位于机座上部的出线盒一般均装有励磁调节器。
TFE系列无刷发电机机座是钢板焊接结构，它是几块罩式钢板及端环、底脚焊接而成，具有造型新颖、省工省料、重量轻等特点。
（2）定子铁心
定子铁心是电机磁路的组成部分。
铁心采用厚的硅钢片迭压而成。
铁心开有均匀分布的槽，以嵌放线圈。
为了减少铁心的涡流损耗，硅钢片两面涂有绝缘漆。
TFW系列由于转子采用1mm低碳钢板做铁心，所以为了提高材料利用率，定子铁心常用扇形硅钢片来拼成一个整圆铁心，拼时把每层的接缝互相错开。
定子铁心有外压装和内压装两种：
外压装就是以扇形冲片拼成整圆，并迭压一定长度后经过一定压力，由压圈和扣片形成一个整体，再经嵌线、绝缘处理后压入于机座上。
内压装则是直接由扇形冲片迭压在已经加工的机座上，后再嵌线，并经绝缘处理。
较大容量的发电机铁心，为增加散热面积，常在沿轴向长度上留有数道通风沟。
TFE系列发电机由于定、转子均采用硅钢片冲制，所以其定子铁心是用整圆硅钢片迭压的,再与压圈一道用CO2气体保护焊接成一体。
这种结构具有材料利用率高、容易加工的特点。
（3）定子绕组
绕组由线圈组成，线圈采用高强度聚酯漆包圆铜线绕制，并按一定的方式连接，嵌入铁心槽中。
这是产生感应电势，流通交流电流的部分，是发电机的核心。
线圈采用的导线规格、线圈臣数、并联路数等由电磁设计确定。
绕组型式有双层迭绕、单层链式、单双层式等。
定子绕组嵌于铁心槽中，还必须有层间绝缘、相间绝缘和对地绝缘。
主绝缘材料多采用B级材料即D·
M·
D聚酯薄膜无纺布复合箔，F级绝缘采用N·
N。
线圈在铁心槽内受到交变电磁力及平行导线之间的电动力，可能使线圈移动或振动，因此绕组要紧固，不能松动。
一般可用玻璃布板做成槽模在槽内压紧线圈，同时在两端部用玻璃纤维带扎紧，再把整个电枢经绝缘处理，使电枢形成一个坚固的整体。
2.端盖
端盖与机座配合后用于支承转子，因此在端盖中心有轴承室圆孔，以便装轴承。
端盖的端面有止口与机座配合，与柴油机专配的发电机在轴伸端的端盖两端面，均有端面止口。
所有这些止口与轴承室的同轴度加工精度要求高，以便保证转子装配后的同轴度要求。
TFW系列发电机端盖用铸铁铸造。
TFE系列发电机端盖由钢板焊接而成。
轴承则装于轴承套内，安装方便。
3.交流励磁机定子
交流励磁机定子为磁场，TFW系列发电机励磁机定子铁心用1mm低碳钢板制成，具有若干磁极，而后套以激磁线圈，并用槽楔予以固定，然后定子进行浸烘绝缘处理。
TFE系列发电机的励磁机定子铁心则用硅钢片迭压而成，激磁线圈先在玻璃布板制成的框架上绕制，浸漆绝缘处理后套在励磁定子铁心上，用销钉予以固定。
这种系列无刷发电机励磁定子多有两套激磁绕组，即电压绕组和电流绕组，有电流复励作用，以改善整机调压性能和应付过载能力。
为了起励方便，在一小段励磁定子铁心里埋设三块永久磁钢。
为防止漏磁，其间用厚绝缘纸板与其余定子铁心进行磁绝缘。
励磁定子均用紧固螺钉或环键固定在后端盖的铸造筋条或焊接的支件上。
（二）转动部份（转子）
转子一般包括转轴、转子铁心（磁极铁心）、转子线圈（磁极绕组）、轴承、风扇、交流励磁机电枢、旋转整流器等。
1.转轴
转轴一般由45号钢加工而成。
通过轴伸上的联轴器与原动机对接。
它是将机械能变成电能的关键零件，因此要求具有一定的机械强度和刚度。
转轴根据各不同零部件的配合要求加工各部分的尺寸和精度，轴伸部分则按照国家标
TFW系列小容量发电机（50kw及以下）往往在轴上还热套有磁轭，用以装配磁极铁心和磁极绕组。
TFE系列无刷发电机转轴焊有驱动盘（单轴承）和风扇安装板,以便于安装柔性联接盘和冷却风扇。
2.转子铁心（磁极铁心）
TFW系列转子铁心（磁极铁心〉一般用1mm厚的低碳钢板冲制的磁极冲片迭压成的。
（1）分离凸极式
磁极冲片迭压紧后用铆钉和压板铆合在一起制成磁极铁心。
磁极铁心套上磁极线圈后，用磁极螺钉固定在磁扼上。
磁极螺钉也用45号钢制造。
（2）整体凸极式
TFE系列无刷发电机采用整体凸极式冲片，这种结构，磁极和磁轭为一体，用0.5mm硅钢片整片冲出，然后直接与端板、铆钉以及阻尼条、阻尼环焊成一个整体形成转子铁心。
整体凸极式结构有如下几个特点：
a.励磁线圈直接绕在极身上，散热好，机械强度高；
b.无第二气隙，减少了励磁安匝；
c.阻尼绕组布置方便；
d.斜极方便，可用斜极的办法来消除齿谐波。
（3）隐极式
把整圆的转子冲片直接压装在转轴上，两端具有端板和支撑转子线圈的支架，采用环键固定。
为了削弱发电机电压波形中的齿谐波分量，隐极式转子铁心做成斜糟。
同时，为提高并联运行性能和承受不平衡负载运行能力，在铁心齿部冲有阻尼孔，埋设阻尼绕组。
3.转子线圈〈磁极绕组）
转子线圈亦称磁极绕组。
（1）隐极式绕组
采用单层同心式绕组，一般用漆包圆铜线绕制。
在转子槽中安好绝缘后嵌入转子线圈，而后端部用玻璃纤维管与支架扎牢，再用无纺玻璃纤维带沿圆周捆扎，最后整体浸烘绝缘漆，成一坚固的整体。
（2）凸极式绕组
一般采用矩形截面的高强度聚酯漆包扁铜线绕制，亦有用聚醋漆包圆铜线绕制但其空间填充系数较差。
凸极式磁极绕组为集中式绕组，对分离式凸极结构发电机，在预先制好的铁板框架四周包好云母板、玻璃漆布等绝缘，上下放上玻璃布板衬垫，而后连续绕制线圈，再浸烘绝缘漆，最后直接套在磁极铁心上，再用磁极螺钉固定在磁轭上。
对整体凸极式而言，在预先铆焊好的整体转子上，在极身四周包好绝缘，而后整体用机械绕上线圈，最后经F级绝缘浸烘处理，形成一个坚固的磁极整体，最后用热套法套入转轴。
这种线圈结构散热条件好，绝缘和机械强度高，可靠性好。
综上所述：
整体凸极式加工工时少，可平行作业施工，工艺相对简便，材料费用相对较省；
隐极式金加工工时和电工工时相对较多，而且不能平行作业。
因此，整体凸极式转子具有诸多优点，是国内外电机行业的发展方向。
对较大容量的发电机，在两磁极线圈中间夹有线圈撑块，用以固定线圈，以防止线圈在离心力作用下向外隆起变形而损坏，撑块一般用非导磁材料，如铸铝或黄铜合金制成。
4.轴承
发电机一般是两支承式，在转轴两端装有轴承。
轴承外圈固定在两端盖的轴承室或轴承套内。
根据受力情况，轴伸端（即传动端）用滚柱轴承，非传动端用滚珠轴承。
轴承加有轴承润滑脂。
所有轴承两边都用轴承盖密封，润滑脂常用3号锂基脂。
轴承与转轴是过盈配合，轴承用热套法套入转轴。
轴承外圈与端盖（或轴承套）采用过渡配合。
为了减少振动和噪声，装配轴承切忌敲打,并注意保持清洁。
TFE系列发电机，在原动机可承载能力条件下，还有采用单轴承结构型式。
此时仅在非传动端装置一个轴承（自动调心）,这使电机节省了一个轴承，并使整机轴向长度缩短。
5.风扇
发电机运行时，由于各种损耗而发热，因此必须进行通风冷却。
中小型发电机采用在轴上装风扇进行冷却。
风扇采用离心式，为了提高效率，风扇常采用后倾式离心风扇。
风扇有铸铝和钢板焊接两种。
一般装在前端盖内，对专配柴油机组的也有装于前端盖外的，此时风扇装在电机轴伸上的半联轴器上。
发电机运行过程中，冷空气由后端盖和机座两侧进入电机内部，冷却电枢绕组、磁极绕组、定转子铁心等，而后通过前端盖的盖板窗孔把热风排出机外，使电机的温升控制在允许的范围内。
6.交流励磁机电枢
无刷同步发电机利用交流励磁机的电枢，经旋转整流器变成直流供给发电机磁场使用。
交流励磁机电枢铁心用硅钢片迭压而成，然后嵌以三相交流绕组，并经绝缘处理形成电枢。
TFW系列发电机交流励磁机电枢一般装在后端盖的外部，靠电枢支架固定在转轴上，这种结构使电机轴向长度加长；
而TFE系列交流励磁机电枢则装在后端盖内部，它直接套在转轴上，使整机轴向长度缩短、紧凑。
7.旋转整流器
TFW系列发电机的旋转整流器装置于交流励磁机外侧，用螺钉固定在转轴上，便于维修与安装。
旋转整流器有三相半波或三相全波两种。
三相半波有三个旋转硅二极管，三相全波有六个旋转整流管，装在一块公共的绝缘安装板上。
为安装方便起见，三相全波用的旋转整流管有正、反烧两种管型，即两种正负极刚好相反，这种接法可以减少彼此之间的连线，可靠性好。
为了保护旋转硅整流管在运行中偶然因过电压击穿而损坏，在旋转整流器上还并有压敏电阻，以吸收线路上可能的过电压。
TFE系列发电机的旋转整流器安装在后端盖内侧，它直接固定于励磁机电枢铁心伸出的螺栓上，布置紧凑。
第三节无刷发电机的使用和运行
一、发电机的主要技术指标
技术性能是衡量发电机质量水平的重要依据。
主要有以下项目：
（一）稳态电压调整率：
指从空载到额定负载，稳态电压的变化率。
其计算公式为：
«
式中:
U——额定电压或95%额定电压。
UI——从空载到额定负载的稳定电压。
（二）瞬态电压调整率
指当发电机为空载，转速与电压为额定值时，突加规定负载，然后突甩负载的整个过程中，瞬时电压变化率。
U——空载额定电压
Us——负载突变时的瞬时电压最大值和最小值（取三相平均值〉。
（三）效率
指发电机输出功率与输入功率比值的百分数。
——额定输出功率
——总损耗
（四）线电压波形正弦性畸变率
指线电压基波以外的各次谐波2电压平方和的均方根值与基波电压比值的百分数。
其计多公式为：
KU=«
×
100%
Ul————基波电压有效值
Un————n次谐波电压有效值
（五）温升
指发电机在额定工况下运行至热稳定时，各绕组温度升高值。
——热态稳定时绕组电阻
R1——冷态时绕组电阻
——热态稳定时冷却介质温度
——冷态时绕组温度
（六）噪声
指发电机空载时测得的A计数声功率级数值。
（七）振动
指发电机空载时测得的振动速度有效值。
二、发电机运行
（一）运行前准备工作
为确保发电机运行的可靠安全，运行前应进行机械与电气的检查。
1.用500V兆欧表测量发电机各绕组的绝缘电阻，在热态下应不低于0.4M«
，常温下不低于2MQ（注意测量时应断开励磁调节器、旋转整流器与电机各绕组的连接，以免击穿电子元件）。
当绝缘电阻低于上述规定值时，发电机必须进行干燥，可用热风法、短路法或其它方法来提高绝缘电阻，烘干温度不能使绕组温度超过100℃，以免烧坏。
2.检查发电机、励磁机、自动电压调节器等相互之间连接是否牢固、可靠、正确。
所有螺栓不应松动，电机内部不得有异物存在，并用不超过的干燥压缩空气吹净，用手或其它工具慢慢转动转子，应灵活，无碰擦等不良现象。
3.检查发电机机座上接地螺栓是否有效接地，接地线导线截面是否符合要求，并确保接地良好。
4.按发电机电气原理图，检查电气接线是否正确。
（二）开机
1.使输出空气开关处于断路状态。
2.启动原动机，增加转速至额定转速（注意加速过程不宜过长）
3.接通输出空气开关，并加上负载投入正常运行。
（三）负载时的试验调整
合上空气开关，分别保持功率因数为和（滞后）,逐渐增加负载至满载，再逐渐减少负载至空载，在此过程中，检查发电机的稳态电压调整率和满载励磁电流（功率因数=时），是否与铭牌相符，观察控制屏各指示仪表是否正常，发电机各部分是否存过热现象。
调试检查达到满意结果后，发电机即可投入正常运行。
（四）停机
1.降低发电机负载至零。
2.断开输出空气开关。
3.停止原动机。
第四节无刷同步发电机的常见故障及排除
一、发电机不能发电
（一）故障现象
发电机处于额定转速时，合闸交流励磁机定子部分励磁回路开关，并调节电位器至“电压升高”方向的最大值时，发电机发不出电压或电压极低。
（二）故障原因
1.长途运输的颠震或雷击，使发电机剩磁电压消失或小于正常剩磁电压值（U线<
10V，U相<
6V），尤其是主机定转子及交流励磁机定转子铁心冲片均为硅钢片材料的无刷发电机更容易失磁。
2.励磁主回路电气接触不良或断线。
比如接线头松脱，变阻器接线螺栓松动，引线断线，旋转整流桥直流侧断线或接点松脱。
3.交流励磁机发不出电压，使主发电机磁极绕组中无励磁电流。
4.磁极绕组断线或接地，使发电机无励磁电流或极小。
（三）处理方法
1.剩磁消失时，用蓄电池、干电池或整流直流电源给交流励磁机励磁绕组通电充磁。
2.用万用表查找励磁回路断线处并予以接通，用0号玻璃砂布清除各接触面氧化层，拧紧接线点的螺栓螺母。
3.励磁绕组的接地、断线,可用500V兆欧表检查绕组对地绝缘，找出接地点并予修复，用万用表找出断线处予以修复。
4.交流励磁机发不出电时，按上述各条检查或修复。
二、发电机电压太低
（一）故障现象：
以在额定转速下，磁场变阻器已调向“电压上升”的最大位置，柴油发电机空载时，电压整定不到倍额定电压，表明发电机电压太低，并联、并网或功率转移时会遇到困难。
1.原动机转速太低，使发电机定子绕组感应的电势太低。
2.定子绕组接线错误，感应电势低，甚至三相不平衡
3.励磁绕组接线错，至少有个别相邻磁极极性未接成N、S,严重削弱电机励磁磁场,使发电机感应电压低。
4.励磁绕组匝间短路，电机励磁磁势削弱，发电机感应电压低。
5.励磁机发出的电压太低。
料加速老化,缩短电机寿命
1.提高原动机转速。
2.按图纸规定更正定子接线。
3.对于励磁绕组接线错，可用目测法或用南北磁针来鉴别错误极性并更正接线。
4.对于励磁绕组匝间短路，首先测量单个绕组的交流阻抗，若相差一倍以上，则怀疑阻抗小的绕组有短路，应进一步对单个绕组进行短路试验。
5.对于励磁机电压太低，按上述各条进行检查和处理。
三、转子绕组过热
1.电机在高于额定电压情况下运行，为了按额定功率因数输出额定功率，励磁电流就会超过额定值，转子绕组就会过热。
2.电机在低功率因数下运行，若电机输出额定功率，励磁电流也要超过额定值。
3.电机在低于额定转速下运行，通风条件不良,影响电机散热,同时，在低转速下，要使电机输出额定电压，必须相应加大励磁电流，两者都可能导致转子线圈过热。
4.转子绕组匝间短路或接地。
5.转子绕组浸漆不透或绝缘漆过稀未能排除或填满绕组内部空气隙。
（三）处理方法：
1.电机在高电压运行时，应相应降低输出功率，尤其是无功功率，保持励磁电流不超过额定值。
2.在负载功率因数低于〈滞后〉，甚至作为调相机运行时，应以励磁电流不超过额定值为限。
3.应加大原动机输入,使发电机在额定转速下运行。
4.检查并排除转子绕组接地或臣间短路。
5.把转子绕组重新浸漆烘干,直至漆浸透并填满绕组缝隙为止。
四、轴承过热
（一）故障现象：
电机运行过程中，用温度计测量滚
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