【正文】 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)產(chǎn)生的巨大的離心力，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，稱作華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1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。為此，已研制出多種冷卻系統(tǒng)。（2）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，一般都采用對材料和制造工藝要求較低的凸極式轉(zhuǎn)子。①凸極式轉(zhuǎn)子的每個(gè)磁極常由 1～2 毫米厚的鋼板迭成，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)。 ② 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)的運(yùn)行方式 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)同步并聯(lián)的過程。同步并聯(lián)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。 （1） 準(zhǔn)同步并聯(lián)　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)速和改變該發(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 ～％。在兩機(jī)電壓相位差不超過 10176。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)同步并聯(lián)的操作可以手動(dòng)，也可以借自動(dòng)裝置完成。（2）自同步并聯(lián) 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。采用自同步并聯(lián)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)事故情況王艷蘋：三相同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行仿真及 GUI 設(shè)計(jì)2下機(jī)組的緊急投入。但是此法在并聯(lián)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。 國內(nèi)外中小型發(fā)電機(jī)發(fā)展?fàn)顩r 國外中小型發(fā)電機(jī)現(xiàn)狀國外中小型發(fā)電機(jī) F 級(jí)絕緣已被廣泛采用， H 級(jí)絕緣經(jīng)常使用或與 F 級(jí)混用，溫升按 F 級(jí)考核。近年來，美國和法國公司大力發(fā)展單軸承同步發(fā)電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)在于取消了電機(jī)與發(fā)電機(jī)間部件聯(lián)接件，從而縮小了機(jī)組的總體尺寸。這種發(fā)展的條件在于美國汽車工程師學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)將飛輪和飛輪殼標(biāo)準(zhǔn)化，新機(jī)床的出現(xiàn)與所達(dá)到的高加工精度和采用的高質(zhì)量材料，使單軸承電機(jī)能聯(lián)接。整體凸極迭片式轉(zhuǎn)子也是國外近年來發(fā)展的一種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，這種轉(zhuǎn)子的磁極與磁扼為一體，勵(lì)磁繞組用繞線機(jī)直接繞在極身上，然后整體浸漬，成為一個(gè)堅(jiān)固的轉(zhuǎn)子。這種轉(zhuǎn)子不僅其機(jī)械和絕緣強(qiáng)度提高了，而且由于繞組匝長縮短，節(jié)省了銅材。典型的有美國的 CATERPILLAR 公司和 MAGNETEK 公司生產(chǎn)的 SR4 等系列發(fā)電機(jī)。我國衛(wèi)星通信地面站、通信樞紐等重要部門的備用電源，均采用 SR4 系列發(fā)電機(jī)。由于電力電子技術(shù)的進(jìn)步，除小容量應(yīng)急發(fā)電機(jī)采用有刷勵(lì)磁以外，其它發(fā)電機(jī)勵(lì)磁都為無刷結(jié)構(gòu)的勵(lì)磁方式。無刷同步發(fā)電機(jī)其穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率已普遍達(dá)到士 %~士%，瞬態(tài)電壓調(diào)整率一般在 12%~20%以內(nèi)，響應(yīng)時(shí)間一般在以內(nèi)，普遍采用一種特殊形狀的高壓內(nèi)用全阻尼繞組，并有無功補(bǔ)償裝置。 國內(nèi)中小型電機(jī)現(xiàn)狀中小型同步發(fā)電機(jī)是中小型電機(jī)的主要產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用于小型水電站、船舶電站、移動(dòng)電站、固定電站、應(yīng)急備用電站、正弦波試驗(yàn)電源、變頻電源、計(jì)算機(jī)電源及新能源――風(fēng)力發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、潮汐發(fā)電、余熱發(fā)電等。它對邊（疆）老（區(qū)）貧（窮）地區(qū)實(shí)現(xiàn)電氣化，提高該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和人民的生活水平有著重要的作用，中小型發(fā)電機(jī)在船舶、現(xiàn)代電氣化火車內(nèi)燃機(jī)車等運(yùn)輸設(shè)備中也是一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備。移動(dòng)電站對國防設(shè)施、工程建設(shè)、海上石油平臺(tái)、陸上電驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)、野外勘探等也是不可缺少的關(guān)鍵裝備之一。應(yīng)急備用電站在突發(fā)事件中的防災(zāi)、救護(hù)保障人民的生命和財(cái)產(chǎn)的安全有著不可替代的作用。開發(fā)綠色能源、可再生能源、減少大氣二氧化碳的含量，小水電、風(fēng)力發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電和余熱發(fā)電是重要的組成部分。我國小型同步發(fā)電機(jī)的第一代產(chǎn)品是 1956 年電工局在上海組織的統(tǒng)一設(shè)計(jì)，并于1957 年完成的 TSN、TSWN 系列農(nóng)用水輪發(fā)電機(jī)。第二代產(chǎn)品是在進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究和調(diào)查研究的基礎(chǔ)上于 1965 年開始的 T2 系列小型三相同步發(fā)電機(jī)統(tǒng)一設(shè)計(jì)，該水平達(dá)到六十年代國際先進(jìn)水平，為 B 級(jí)絕緣的有刷三相同步發(fā)電機(jī)。在這段時(shí)間還開發(fā)了 ST系列有刷單相同步發(fā)電機(jī)，此系列電機(jī)出口量較大。1979 年開始進(jìn)行 TFW 系列三相無刷同步發(fā)電機(jī)和 TFDW 系列單相無刷同步發(fā)電機(jī)的統(tǒng)一設(shè)計(jì)，1982 年 10 月通過了樣機(jī)鑒定工作，并推廣生產(chǎn)，此兩系列主要性能指標(biāo)達(dá)到或接近當(dāng)時(shí)的國際先進(jìn)水平，此系列仍采用 B 級(jí)絕緣結(jié)構(gòu)。進(jìn)入八十年代末、九十年代初，隨著我國改革開放不斷發(fā)展，我國的電機(jī)行業(yè)的部分企業(yè)開始引進(jìn)先進(jìn)工業(yè)國的中小型同步發(fā)電機(jī)，有的按生產(chǎn)許可證方式進(jìn)行技術(shù)引進(jìn)，有的引進(jìn)軟件技術(shù)（或生產(chǎn)技術(shù)） ，有的按合作生產(chǎn)方式引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)，其先后有德國西 門子公司的 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(fā)電機(jī)、英國的斯坦福公司 BC、HC 系列等發(fā)電機(jī)，這些發(fā)電機(jī)的絕緣等級(jí)為 F 級(jí)或 H 級(jí)，采用隱極式或整體凸級(jí)結(jié)構(gòu)，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較先進(jìn)，可靠性較高，其制造工藝水平較先進(jìn)，這些產(chǎn)品的引進(jìn)，對提高我國的中小型發(fā)華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3電機(jī)水平和制造工藝水平有較大的促進(jìn)作用。比如，無錫電機(jī)廠、汾西機(jī)械廠、柳州電機(jī)廠引進(jìn)了德國西門子公司 1FC1FC6 系列無刷發(fā)電機(jī)，蘭州電機(jī)有限責(zé)任公司（以下簡稱蘭電）引進(jìn)了德國 AEG 公司 DKBH 系列船用、陸用無刷發(fā)電機(jī)，福州發(fā)電設(shè)備廠引進(jìn)了美國麥格乃泰克公司無刷發(fā)電機(jī)制造技術(shù)等等。近年無錫電機(jī)廠又引進(jìn)了西門子公司最近開發(fā)的 1FC2 系列無刷三相同步發(fā)電機(jī)，該電機(jī)為整園凸極沖片，克服了原西門子公司 1FC1FC6 隱極結(jié)構(gòu)體積偏大，重量偏重的不足。 90 年代，無錫電機(jī)廠與新時(shí)代公司、上海革新電機(jī)廠與馬拉松公司合資辦了企業(yè)，使我國中小型三相同步發(fā)電機(jī)水平又有了進(jìn)一步的提高，使國內(nèi)三相同步發(fā)電機(jī)生產(chǎn)的主要企業(yè)產(chǎn)品達(dá)到了國際先進(jìn)水平。蘭州電機(jī)廠在引進(jìn)德國 AEG 公司 DKBH 系列基礎(chǔ)上，90 年代中期，又開發(fā)了自己的新一代產(chǎn)品。 中小型同步發(fā)電機(jī)行業(yè)的技術(shù)發(fā)展展望同步發(fā)電機(jī)行業(yè)的技術(shù)發(fā)展展望如下：（1）低噪聲和低振動(dòng)的精密軸承；（2）導(dǎo)磁材料（如以冷代） ，導(dǎo)電材料及工程塑料和電子器件的應(yīng)用，是發(fā)電機(jī)向小型、輕量、節(jié)能、智能化方向發(fā)展；（3）推廣 F 級(jí)和 H 級(jí)絕緣，采用無刷溶劑滾浸，真空壓力浸漆工藝；（4）鋼板機(jī)殼制造技術(shù)及少切削無要削加工技術(shù)；（5）機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD） ；（6）體化技術(shù)。 滿足各行業(yè)的需求，應(yīng)改變同步電機(jī)品種規(guī)格少、派生及專用產(chǎn)品少的現(xiàn)象，同步發(fā)電機(jī)的開發(fā)和發(fā)展應(yīng)考慮到新能源開發(fā)、船舶、運(yùn)輸、石油化工等的發(fā)展需要以及技術(shù)發(fā)展的潮流。預(yù)計(jì)可以得到發(fā)展的中小型同步電機(jī)產(chǎn)品有：發(fā)展安裝結(jié)構(gòu)派生的單軸承發(fā)電機(jī)，防護(hù)結(jié)構(gòu)派生的 IP44 發(fā)電機(jī)，用途派生的多頻多壓發(fā)電機(jī)，發(fā)展專用、特殊用途的發(fā)電機(jī)系列（微型水力發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、正弦波試驗(yàn)電源發(fā)電機(jī)） ，軸帶發(fā)電機(jī)和變速恒頻發(fā)電機(jī)，高效率永磁同步電動(dòng)機(jī)，高壓中小同步發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)。無級(jí)調(diào)速中小同步電動(dòng)機(jī)、中頻發(fā)電機(jī)、油田鉆井電站發(fā)電機(jī)及海上石油平臺(tái)專用發(fā)電機(jī)等。 本論文的主要內(nèi)容本論文主要是針對三相同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性仿真問題進(jìn)行論述。首先介紹同步發(fā)電機(jī)的基本原理，得到其數(shù)學(xué)模型，同時(shí)了解一下其主要的工作特性。然后主要針對對稱運(yùn)行與不對稱運(yùn)行進(jìn)行分析。然后對三相同步發(fā)電機(jī)仿真的應(yīng)用方法進(jìn)行介紹與分析。該仿真主要用到了 GUI 設(shè)計(jì)與 Simulink 建模，以及針對不同的運(yùn)行狀態(tài)選擇不同的坐標(biāo)系統(tǒng)。最后對該仿真設(shè)計(jì)具體框圖，構(gòu)建的過程進(jìn)行介紹，最終得到框圖實(shí)形。針對所做的運(yùn)行特性仿真進(jìn)行實(shí)例分析，對比，得到相應(yīng)的結(jié)果。王艷蘋：三相同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行仿真及 GUI 設(shè)計(jì)4第二章 三相同步發(fā)電機(jī)的基本原理 三相同步電機(jī)的運(yùn)行原理同步發(fā)電機(jī)和其它類型的旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，由固定的定子和可以旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成。一般分為轉(zhuǎn)場式同步電機(jī)和轉(zhuǎn)樞式同步電機(jī)。最常用的是轉(zhuǎn)場式同步發(fā)電機(jī),其定子鐵心的內(nèi)圓均勻散布著定子槽，槽內(nèi)嵌放著按規(guī)律排列的三相對稱繞組。這種同步電機(jī)的定子又稱為電樞，定子鐵心和繞組又稱為電樞鐵心和電樞繞組。 轉(zhuǎn)子鐵心上裝有制成必定形狀的成對磁極，磁極上繞有勵(lì)磁繞組，通以直流電流時(shí)，將會(huì)在電機(jī)的氣隙中形成極性相間的散布磁場，稱為勵(lì)磁磁場(也稱主磁場、轉(zhuǎn)子磁場)。原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機(jī)輸入機(jī)械能），極性相間的勵(lì)磁磁場隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組（相當(dāng)于繞組的導(dǎo)體反向切割勵(lì)磁磁場）。由于電樞繞組與主磁場之間的相對切割活動(dòng)，電樞繞組中將會(huì)感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的三相對稱交變電勢。通過引出線，即可提供交流電源。所謂的同步就是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速等于定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。 同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型表示同步電機(jī)的電壓、電流、磁鏈等電磁量與轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等機(jī)械量之間相互關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。它是進(jìn)行同步電機(jī)及電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)。同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可以用圖 來描述。+++sRd??1L139。lkq139。kqR139。kqV239。kqV239。kq239。lLmqqV+qi 39。ki39。i（ a ） q 軸 電 路++sRd??1L+39。lkd39。kdR+39。kd39。fdV39。fd39。lfL39。fdi39。imddVdi( b ) d 軸 電 路 同步電機(jī)原理等效電路華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 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)。（1）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 E0（三相對稱） ，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 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。如圖 .O氣隙線CfNINU0 0()fEI?fI 圖 同步發(fā)電機(jī)空載特性當(dāng) If 較小時(shí)，F(xiàn) f 較小，磁路不飽和，E 0=f(If)呈直線（將其延長后的射線稱為氣隙線） 。If 增大時(shí)，磁路逐漸飽和，磁化曲線開始進(jìn)入飽和段。為了合理地利用材料，空載額定電壓 UN 一般設(shè)計(jì)在空載特性的彎曲處。 空載特性在