电气讲课--发电机.docx

技术讲课提纲同步发电机及其运行第一节 同步发电机的基本知识一、同步发电机的工作原理我们知道，导线切割磁力线能产生感应电动势，将导线连成闭合回路，就有电流流过，同步发电机就 是利用电磁感应原理将机械能转变为电能的如图3-1所示，为同步发电机的工作原理示意图 在同步发电机的定子铁芯内， 对称地安放着 A—X、B —Y、C— Z三相绕组所谓对称三相绕组，就是每相绕组匝数相等，三相绕组的轴线在空间互差 120在同步发电机的转子上装有励磁绕组，当直流电通过励磁绕组时会产生主磁场，其磁通如图中虚 线所示磁极的形状决定了气隙磁密在空间基本上按正弦规律分布所以，当原动机带动转子旋转时，就 得到一个在空间按正弦规律分布的旋转磁场定子三相绕组在空间互差 120°电角度因此，三相感应电动势在时间上也互差 120电角度，发电机发出的就是对称三相交流电即：eA = Emsin teB = Emsin( tT20° ) (3-1)ec = Emsin( tW40° )图3-1同步发电机工作原理图1 一定子铁芯；2一转子；3 —集电环感应电动势的频率取决于发电机的磁极对数p对磁极时，转子旋转一周，感应电动势p和转子转速n。

当转子为一对磁极时，转子旋转一周,定子绕组中的感应电动势正好交变一次，即一个周期；当转子有就交变了 p个周期设转子的转速为 n (r/min)则感应电动势每秒钟交变 史■次，即感应电动势的频率为:60f = pn(Hz) (3-2)60式(3-2)表明，当同步发电机的极对数 p、转速n 一定时，则定子绕组感应电动势的频率一定，即转速与频率保持严格不变的关系，这是同步发电机的基本特点之一我国电力系统的标准频率规定为 50Hz,因此，当n=3000r/min时，发电机应为一对极； 当n=1500r/min时，发电机应为两对极，依次类推当同步发电机的三相绕组与负载接通时，对称三相绕组中流过对称三相电流，并产生一个旋转磁场，这个旋转磁场的转速 m=60f/p,即定子旋转磁场的转速与发电机转子转速相同，亦就是同步，故称为同步 发电机二、同步发电机的基本结构从发电机的工作原理可知，同步发电机是由定子、转子两个基本部分组成的如图 3 2所示，为一台汽轮发电机的结构示意图现分别叙述如下1I2图3 - 2汽轮发电机结构示意图1—轴承座；2一出水支架；3一端盖；4一定子；5—转子；6—进水口定子由定子铁芯、定子绕组（也叫电枢绕组） 、绝缘引水管、机座、端盖、空冷器及挡风装置等部件组成。

定子铁芯是电机磁路的一部分，同时也嵌放定子绕组定子铁芯的形状呈圆筒形，在内壁上均匀地分 布着槽为了减小铁芯损耗，定子铁芯一般采用 0.35mm或0.5mm厚的硅钢片叠装制成当定子铁芯外径大于1m时，用扇形冲片（如图 3-3所示）拼成一个整圆，错缝叠装，沿轴向分成若干段，段与段之间留 有1cm宽的风道整个铁芯用非磁性的端压板和抱紧螺杆压紧固定于机座上定子绕组是定子的电路部分，它是感应电动势、通过电流、实现机电能量转换的重要部件定子绕组 用铜线或铝线制成汽轮发电机多采用双层叠绕组为了减小集肤效应引起的附加损耗，绕制定子绕组的 导线由许多互相绝缘的多股线并绕而成，在绕组的直线部分还要换位，以减小因漏磁通而引起各股线间的 电势差和涡流整个绕组对地绝缘定子机座应有足够的强度和刚度，一般机座都是用钢板焊接而成，主要用于固定定子铁芯，并和其它 部件一起形成密闭的冷却系统2.转子转子由转子铁芯、转子绕组（也叫励磁绕组） 、护环、滑环、风扇、转轴等部件组成 对于一对磁极的汽轮发电机，其转速达 3000r/min因此转子要做得细一些，以减少转子圆周的线速度，避免转子部件由于高速旋转的离心作用而损坏所以转子形状为隐极式，它的直径小，为一细长的圆柱体，如图 3-4所示。

转子铁芯既是电机磁路的一部分，又是固定励磁绕组的部件，大型汽轮发电机的转子一般采用导磁性 能好、机械强度高的合金钢锻成，并和轴锻成一个整体沿转子铁芯轴向，铁芯表面三分之二的部分对称 地铳有凹槽，槽的形状有两种，一种为辐射形排列，一种是平行排列，如图 3-5所示我国生产的电机都采用辐射形槽占转子表面三分之一的不开槽部分形成一个大齿，大齿的中心实际为磁极中心图3 - 4隐极机转子示意图（i> c b）图3-5汽轮发电机转子槽形（a）辐射排列；（b）平行排列励磁绕组由矩形的扁铜线绕成同心式绕组，嵌放在铁芯槽中，所有绕组串联组成励磁绕组 直流励磁电流一般是通过电刷和集电环引入转子励磁绕组，形成转子的直流电路 励磁绕组各匝间相互绝缘，各匝和铁芯间也有可靠的绝缘三、同步发电机的分类和型号1 .分类同步发电机按原动机不同，可分为两种主要类型一种是汽轮机作为原动机的汽轮发电机；另一种是 水轮机作为原动机的水轮发电机汽轮机是高速原动机，因此汽轮发电机一般是卧式的，转子多采用机械 强度较好的隐极式结构；而水轮机是低速的原动机，因此水轮发电机一般是立式的，转子多采用容易制造 的凸极式结构另外，同步发电机还可以按冷却介质和冷却方式不同，组合成水一氢一氢（定子绕组水内冷、转子绕 组氢内冷、铁芯氢冷），水一水一空（定子、转子绕组水内冷、铁芯空冷） ；水一水一氢（定子、转子绕组 水内冷、铁芯氢冷）等类型。

2 .型号大坝发电厂的汽轮发电机的型号为：QFS-300W和QFS2W00 2其型号的意义为：Q一汽轮，F—发电机，S一定子绕组水内冷、转子绕组 水内冷、铁芯空冷，300表示额定功率（单位是 MW）, 2表示极数，下标 2表示H型（改进型）四、同步发电机的额定参数1 .额定容量Sn或额定功率Pn额定容量是指发电机长期安全运行时，所能输出的最大视在功率，一般以千伏安（ kVA）或兆伏安（MVA）为单位；额定功率是指发电机正常运行时，所能输出的最大有功功率，一般以千瓦（ kW）或兆瓦（MW）为单位2 .额定电压Un额定电压是指发电机额定运行时，机端定子三相绕组的线电压，单位为伏（ V）或千伏（kV）3 .额定电流In额定电流是指发电机正常连续运行时，定子绕组允许通过的最大线电流，单位为安（ A）4 .额定功率因数COS n额定功率因数是指同步发电机的额定功率和额定容量的比值，铭牌上一般标有额定功率和 上述四基额定参数之间有如下基本关系：cos N 值PN Sn COS N . 3U N I N COS N(3-3)另外，在同步发电机的铭牌上还常列有： 额定效率刀ni (%)、额定频率fN (Hz)、额定转速nN (r/min)、额定励磁电压 Uln (V)、额定励磁电流Iln (A)和额定温升 n (C)等。

如表3-1所示为大坝发电厂发电机的主要技术参数第二节 同步发电机的运行特性同步发电机带对称负载运行时，主要有负载电流 I、功率因数cos 、端电压U和励磁电流Il等几个互相影响的变量，这些物理量每两个量之间的关系，称为同步发电机的运行特性一、空载特性同步发电机的空载特性，是指发电机转速等于额定转速 励磁电流Il的关系曲线，如图 3-6所示nN,定子绕组开路(1=0)时空载电动势E0与图3-6同步发电机的空载特性由图可见，空载特性曲线与发电机磁路的磁化曲线相同空载特性是发电机的基本特性之一，它表征 了发电机磁路的饱和情况，利用它可以求得同步发电机的参数，在实际生产中还可利用该曲线判断发电机 的一些故障情况例如，励磁绕组有无匝间短路故障，如果励磁绕组有匝间短路，在相同的励磁电流下， 励磁磁通势减小，空载电动势减小，曲线下降二、短路特性所谓短路特性，是指发电机在额定转速下，定子三相绕组短路时，定子稳态短路电流 I与励磁电流Il的关系曲线，即I=f(lL)如图3-7图3 - 7同步发电机短路特性曲线在做短路特性试验时，要先将发电机三相绕组的出线端短路然后，维持转速不变，增加励磁，读取 励磁电流及相应的定子电流值，直到定子电流 I达额定电流值时为止，在试验过程中，调整励磁电流时也不要往返调整。

短路试验测得的短路特性曲线，不但可以用来求取同步发电机的重要参数饱和的同步电抗与短路比 在电厂中，也常用它来判断励磁绕组有无匝间短路等故障显然，励磁绕组存在匝间短路时，因安匝数的 减少，短路特性曲线是会降低的三、负载特性负载特性是当转速、定子电流为额定值，功率因数 cos =常数时，发电机电压与励磁电流之间的关系曲线，即U=f (Il)如图3-8所示为不同功率因数时的负载特性曲线当cos 值不同，我们即可得到不同负荷种类的负载特性曲线图3 - 8同步发电机的负载特性曲线用负载特性曲线、空载特性曲线、短路特性，可以测定发电机的基本参数，是发电机设计、制造的主 要技术数据四、外特性同步发电机的外特性，是指发电机在额定转速下，保持励磁电流和功率因数不变时， 端电压U与负载电流I之间的关系曲线图 3 - 9所示为发电机带不同功率因数负载时的外特性曲线图3- 91一感性负载;同步发电机的外特性曲线2—电阻性负载；3一容性负载曲线1为感性负载时的外特性曲线， 它是随I增大而下降的曲线， 这是因为，当感性负载电流增加时，由于电枢磁场对转子磁场呈去磁作用，同时漏抗压降随之增大，所以端电压随之下降；曲线 2是纯电阻负载时的外特性曲线，这是一条略有下降的曲线，这是因为，当 cos =1时，负载电流I仍滞后于E0 ,其电 枢磁场也有去磁作用， 但去磁程度较小；曲线3是容性负载时的外特性曲线， 它是随I增大而上升的曲线，这是因为，容性负载电流增加时，电枢磁场对转子磁场呈助磁作用，电枢磁场的助磁作用随电流增加而增 强，感应电动势增大，所以端电压随之上升。

五、调整特性调整特性是指同步发电机在额定转速下，端电压和负载功率因数不变时，励磁电流与负载电流的关系 曲线，图3-10是同步发电机在不同功率因数时的调整特性曲线图3 - 10同步发电机的调整特性曲线1一感性负载；2—电阻性负载；3一容性负载图中曲线1和曲线2分别是感性负载和电阻性负载时的调整特性，可见为保持发电机端电压不变，随 着负载电流的增加，必须相应地增大励磁电流，以补偿负载电流所产生的电枢磁场的去磁作用因此这两 种情况下的调整特性曲线都是上升的而容性负载时，为了抵消电枢磁场的助磁作用，保证电压不变，随 负载的增加，需要相应的减小励磁电流，因此这种情况下的调整特性是下降的，如曲线 3所示六、功角特性功角特性是指同步发电机接在电网上稳态运行时，发电机的电磁功率与功角之间的关系所谓功角是 指发电机的空载电势 £0和端电压U之间的相位角由图 3- 11所示同步发电机的相量图可得：PG UI cosEoUsin(3-4)式中：Pg 发电机一相的电磁功率；U ——发电机的相电压；I ——发电机的相电流；E0——发电机的空载电势；Xd——发电机的同步电抗；——功率因数角；——功角式（3-4）表明，在发电机的端电压及励磁电流不变时，电磁功率以称 角为功角。

电磁功率随着功角的变化曲线，称为功角特性曲线如图Pg的大小决定于 角的大小所3 - 12所不'图3 - 11同步发电机的简化相量图图3 12同步发电机的功角特性曲线从功角特性曲线可知，同步发电机的电磁功率时，电磁功率Pg随着功角。