電廠發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)

電廠發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)一、工作原理交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)主要分為同步電機(jī)和異步電機(jī)。同步電機(jī)主要用作發(fā)電機(jī)，而異步電機(jī)主要用作電動(dòng)機(jī)。所謂同步電機(jī)即指電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速（恒定值），而異步電機(jī)即指電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同于同步轉(zhuǎn)速（非恒定值）。B A C。 。 #圖2—1同步發(fā)電機(jī)的工作原理發(fā)電機(jī)主要有定子和轉(zhuǎn)子兩部分，定、轉(zhuǎn)子之間有氣隙，原理如圖1—1所示。定子上有AX、BY、CZ三相繞組，它們?cè)诳臻g上彼此相差120°電角度，每相繞組的匝數(shù)相等。轉(zhuǎn)子磁極（主極）上裝有勵(lì)磁繞組，由直流勵(lì)磁，其磁通方向從轉(zhuǎn)子N極出來，經(jīng)過氣隙、定子鐵芯、氣隙，再進(jìn)入轉(zhuǎn)子S極而構(gòu)成回路，如圖中的虛線所示。用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，則磁力線將切割定子繞組的導(dǎo)體，由電磁感應(yīng)定律可知，在定子導(dǎo)體中就會(huì)感應(yīng)出交變的電勢(shì)，即e=Blvsin①t=Esin①tBm為正弦波磁密的最大值，l為磁力線切割導(dǎo)體的長(zhǎng)度，v為磁力線切割導(dǎo)體的線速度，3=2nf，f為電勢(shì)的頻率。由于發(fā)電機(jī)定子三相繞組在物理空間布置上相差120°，那么轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的磁力線勢(shì)必將先切割A(yù)相繞組，再切割B相，最后切割C相。因此，定子三相感應(yīng)電勢(shì)大小相等，在相位上彼此互差120°電角度。假設(shè)相電勢(shì)最大值為Em，A相電勢(shì)的初相角為零，則三相電勢(shì)的瞬時(shí)值為：

120*120'e-Esin?t120*120'Ame=Esin(①t—120P)圖2-2三相電勢(shì)曲線如果某發(fā)電機(jī)有p對(duì)極，轉(zhuǎn)子每分e=Emsin(wt圖2-2三相電勢(shì)曲線如果某發(fā)電機(jī)有p對(duì)極，轉(zhuǎn)子每分么感應(yīng)電勢(shì)將每秒交變姊n/血）次，鐘轉(zhuǎn)數(shù)為n,則轉(zhuǎn)子每秒鐘旋轉(zhuǎn)n/60么感應(yīng)電勢(shì)將每秒交變姊n/血）次，即頻率為f=Pn。由于汽輪發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)為1，所以n=3000r/min情況下，f=50Hz。二、定子繞組電機(jī)的定子繞組按槽內(nèi)層數(shù)分為單層繞組和隰需慫R您/T效部分雙層繞組；雙層繞組又分為疊繞組和波繞組；按域燃每極每相槽數(shù)是整數(shù)還是分?jǐn)?shù)分為整數(shù)槽繞組和職理景爨打分?jǐn)?shù)槽繞組。圖2-3雙層繞組圖對(duì)于大型汽輪發(fā)電機(jī)主要采用三相雙層繞組，并采用短距疊繞組，雙層繞組構(gòu)成如左圖。在每個(gè)槽內(nèi)有上下兩個(gè)線圈邊，線圈的一個(gè)邊嵌在某個(gè)槽的下層，則另一邊則嵌在相隔y】槽（節(jié)距：一個(gè)線圈的有效邊在定子鐵芯上跨的槽數(shù)）的上層。采用雙層繞組可以很方便地把繞組型式設(shè)計(jì)成短距繞組。短距繞組具有改善電勢(shì)波形和節(jié)約材料的優(yōu)點(diǎn)。三、高次諧波在實(shí)際的電機(jī)中，由于磁極磁場(chǎng)是不可能完全按正弦規(guī)律分布，因此，在定子繞組內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)也不完全是正弦波形，即除了正弦波形的基波外，還包含著一系列的諧波。諧波的次數(shù)越高，它的幅值越小，對(duì)電勢(shì)波形的影響越小。高次諧波的存在，對(duì)發(fā)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生許多不良的影響：1） 發(fā)電機(jī)本身的損耗增加，效率降低，溫升增高。2） 可能引起輸電線路的電感和電容產(chǎn)生諧振，產(chǎn)生過電壓。3） 對(duì)鄰近的通訊線路產(chǎn)生干擾。削弱諧波的常用方法如下：1）隱極汽輪發(fā)電機(jī)的氣隙是均勻的，因此只要把每極范圍內(nèi)安放的勵(lì)磁繞

組與極距之比設(shè)計(jì)在0.7?0.8范圍內(nèi)，就可使發(fā)電機(jī)磁極磁場(chǎng)的波形比較接近于正弦形。2） 采用Y形連接，由于3次諧波及其倍數(shù)奇次諧波是同大小、同相位的，采用這種接線可把這些諧波抵消掉。3） 采用短距繞組，可削弱5、7次諧波。4）采用分布繞組，即增大每極每相槽數(shù)q,可顯著削弱高次諧波電勢(shì)。但隨著q值的增大，電樞槽數(shù)增多，這將引起沖剪工作和絕緣材料的消耗量增加，使成本上升。所以，一般隱極汽輪發(fā)電機(jī)的q取6?12之間。四、磁場(chǎng)與磁勢(shì)四、磁場(chǎng)與磁勢(shì)交流發(fā)電機(jī)的磁通分為兩部分，一部分與定、轉(zhuǎn)子繞組同時(shí)交鏈，稱為氣隙磁通，是電機(jī)進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的媒介；另一部分僅與定子繞組或僅與轉(zhuǎn)子繞組相交鏈，稱為漏磁通。氣隙磁通的路徑是：從定子磁軛經(jīng)過定子齒、空氣隙到轉(zhuǎn)子，再經(jīng)過空氣隙、定子齒回到定子磁軛，形成閉合磁路。氣隙磁通可由定子磁勢(shì)建立，也可由轉(zhuǎn)子磁勢(shì)建立。當(dāng)發(fā)電機(jī)中的定、轉(zhuǎn)子繞組中都有電流時(shí)，則由定、轉(zhuǎn)子磁勢(shì)共同建立。1）同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行當(dāng)同步發(fā)電機(jī)被原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)到同步轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組中通入直流勵(lì)磁電流而定子繞組開路時(shí)，稱為空載運(yùn)行。

主磁通圖2—5凸極同步發(fā)電機(jī)的空載磁場(chǎng)空載磁路如圖2—5所示，此時(shí)定子電樞電流為零，電機(jī)氣隙中只有轉(zhuǎn)子電流（勵(lì)磁電流）If單獨(dú)產(chǎn)生的磁勢(shì)Ff和磁場(chǎng)，稱為勵(lì)磁磁勢(shì)和勵(lì)磁磁場(chǎng)。圖中既交鏈轉(zhuǎn)子又經(jīng)過氣隙交鏈定子的磁通稱為主磁通，即空載時(shí)的氣隙磁通（60）,或稱勵(lì)磁磁通。而只交鏈勵(lì)磁繞組而不與定子繞組相鏈磁通稱為漏磁通（6卡），fa它不參與電機(jī)之間的能量轉(zhuǎn)換過程。當(dāng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)時(shí)，主磁通切割定子繞組感應(yīng)出頻率為f=（pn/60）的三相基波電勢(shì)，其有效值為：E0=4.44fN1k渺0。這樣，改變勵(lì)磁電流If就可以改變主磁通6°，空載電勢(shì)E0值也將改變。從磁路計(jì)算公式可知，當(dāng)一臺(tái)電機(jī)的各段鐵芯和氣隙的尺寸以及鐵芯的材料決定后，它的磁性特性也就確定不變了。圖2—6同步發(fā)電機(jī)空載時(shí)的時(shí)一空矢量圖圖2—6為同步發(fā)電機(jī)空載時(shí)的時(shí)一空矢量圖，F(xiàn)f1為勵(lì)磁磁勢(shì)的基波，Bf1為氣隙磁通密度的基波，兩者同相位，其正波幅均處于轉(zhuǎn)子直軸正方向上，且與轉(zhuǎn)子一起以同步轉(zhuǎn)速（31=2nf）旋轉(zhuǎn)。由磁通密度波Bf1與定子任一相相交鏈的磁通量是一時(shí)間變量，用①0表示，由①0感應(yīng)于該相的電勢(shì)用E0表示，相量E0滯后于6090°。2）同步發(fā)電機(jī)對(duì)稱負(fù)載運(yùn)行當(dāng)定子接上對(duì)稱的負(fù)載后，這時(shí)在負(fù)載電流產(chǎn)生了第二個(gè)磁勢(shì)一一電樞磁勢(shì)。電樞磁勢(shì)與勵(lì)磁磁勢(shì)相互作用形成負(fù)載時(shí)氣隙中的合成磁勢(shì)并建立負(fù)載時(shí)的氣隙磁場(chǎng)，因此，所謂對(duì)稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)，即對(duì)稱負(fù)載時(shí)電樞磁勢(shì)的基波對(duì)主極磁場(chǎng)基波的影響。由對(duì)稱三相繞組中流過的三相對(duì)稱負(fù)載電流所產(chǎn)生的電樞磁勢(shì)的基波是一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，其轉(zhuǎn)速乃=耳，以f=Pn1代入則n=n1,即電樞磁勢(shì)基波的轉(zhuǎn)速與勵(lì)磁磁勢(shì)的轉(zhuǎn)速（電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速）一定相等，且兩者的轉(zhuǎn)向一致。由此可見，電樞磁勢(shì)基波與勵(lì)磁磁勢(shì)同轉(zhuǎn)速、同轉(zhuǎn)向，彼此在空間上始終保持相對(duì)靜止的關(guān)系。正是由于這種相對(duì)靜止，才使它們之間的相互關(guān)系保持不變，從而共同建立數(shù)值穩(wěn)定的氣隙磁場(chǎng)和產(chǎn)生平均電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)一電能量轉(zhuǎn)換。這種“定、轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相對(duì)靜止”是一切電磁感應(yīng)電機(jī)能夠正常運(yùn)行的基本條件。電樞反應(yīng)的性質(zhì)取決于電樞磁勢(shì)基波與勵(lì)磁磁勢(shì)的空間相對(duì)位置，主要是與勵(lì)磁磁勢(shì)E0和電樞電流I之間的相位差，即角度甲（E0與I的夾角）有關(guān)。i和E0同相（q=0）時(shí)的電樞反應(yīng)空聞先童? W圖2—7甲=0時(shí)的電樞反應(yīng)圖2—7為一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)的原理圖，圖中電樞繞組的每一相都用一個(gè)等效整距集中線圈來表示，并只考慮勵(lì)磁繞組和電樞繞組的基波，并且選取A相勵(lì)磁電勢(shì)達(dá)最大值時(shí)刻繪圖。勵(lì)磁磁勢(shì)Ff1（勵(lì)磁磁通60）位于轉(zhuǎn)子的d軸上，而由旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁磁場(chǎng)在定子三相繞組中感應(yīng)的電勢(shì)E0則位于滯后d軸90°電角度的q軸上，由三相電流合成的電樞磁勢(shì)的基波Fa也位于q軸上，它們和轉(zhuǎn)子一起以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。由此可見當(dāng)I和E0同相時(shí)，電樞磁勢(shì)Fa的軸線總是和轉(zhuǎn)子磁極軸線（d軸）相差90°電角度，而和轉(zhuǎn)子的交軸（q軸）相重合。因此這種電樞反應(yīng)稱為交軸電樞反應(yīng)，而把這時(shí)的電樞磁勢(shì)Fa稱為交軸電樞磁勢(shì)Faq。氣隙合成磁勢(shì)Fs是由Ff1和Fa矢量法相加合成的，而Bs是由Fs產(chǎn)生的氣隙磁通密度波?？梢娊惠S電樞反應(yīng)使合成磁場(chǎng)軸線位置從空載時(shí)的直軸處逆轉(zhuǎn)向后移了一個(gè)銳角，而幅值也有所增加。I滯后E0一個(gè)銳角甲時(shí)的電樞反應(yīng)相軸Fn(OO)圖相軸Fn(OO)圖2-80<甲<90°時(shí)的電樞反應(yīng)在一般情況下，0°<^<90°，也就是說電樞電流I滯后于勵(lì)磁電勢(shì)E0一個(gè)銳角中，這時(shí)電樞反應(yīng)如圖1-8所示。此時(shí)，A相的勵(lì)磁磁勢(shì)恰好達(dá)正最大值，以此作為時(shí)間的起點(diǎn)，即t=0。由于甲尹0,故t=0時(shí)A相電流未達(dá)正最大值，即電樞磁勢(shì)的軸線不在A相軸線（q軸）上，而是位于A相軸線后面中空間電角的位置，F(xiàn)a滯后勵(lì)磁磁勢(shì)（90°+甲）電角。可將此時(shí)的Fa分解為交軸和直軸兩個(gè)分量，即?? ?F=F+Faad aqFd=Fsin^F=Fco刈每一相的電流I分解為I=I+1dqI=Isin^I=Ico刈其中Iq與電勢(shì)E0同相位，F(xiàn)aq為交軸電樞磁勢(shì)，產(chǎn)生該磁勢(shì)的電流分量Iq稱為I的交軸分量；Fad為直軸電樞磁勢(shì)，產(chǎn)生該磁勢(shì)的電流分量Id稱為I的直軸分量。磁勢(shì)交軸分量Iq產(chǎn)生的電樞反應(yīng)對(duì)氣隙磁通起交磁作用，使氣隙的合成磁場(chǎng)逆轉(zhuǎn)向位移一個(gè)角度，而直軸分量Id產(chǎn)生的電樞反應(yīng)則對(duì)氣隙磁場(chǎng)起去磁的作用。3）隱極同步發(fā)電機(jī)的電勢(shì)方程式、同步電抗和矢量圖為簡(jiǎn)化，在此介紹不考慮飽和時(shí)的情況：可利用疊加原理分別求出Ff1和Fa單獨(dú)在定子每一相產(chǎn)生的磁通和電勢(shì)，再考慮到由電樞漏磁通磁場(chǎng)引起的每一相的漏磁通①。和漏電勢(shì)E。，得到下列關(guān)系：If（勵(lì)磁電流）一Ffi（勵(lì)磁磁勢(shì)基波）一④0（勵(lì)磁磁通）一E0（勵(lì)磁電勢(shì)）I（定子三相電流）一F（電樞磁勢(shì)基波）一④（電樞反應(yīng)磁通）一E（電樞反應(yīng)電勢(shì)）0a（定子漏磁通）一E。（定子漏電勢(shì)）根據(jù)基爾霍夫電路定律，可對(duì)電樞任一相得出電勢(shì)方程式：ZE=E0+E+E=U+IR式中，U為電樞一相繞組的端電壓，IRa為電樞一相繞組的電阻壓降。圖2-9同步發(fā)電機(jī)的時(shí)一空矢量圖Z7Z7Z7根據(jù)電磁感應(yīng)定律，氣、氣、氣分別滯后于產(chǎn)生它們的磁通^o、七、、90°相角。氣滯后于I90°相角，而Ea-1，因此 Ea—FXa式中Xa稱為電樞反應(yīng)電抗，相當(dāng)于激磁電抗。同樣，漏電勢(shì)Eb亦可寫為負(fù)漏抗壓降的形式，即E廣-jixbE=U+Ir+jlx+jlx=U+Ir+jlx0 a b a a t式中Xt稱為同步電機(jī)的同步電抗，它等于電樞反應(yīng)電抗和定子漏抗之和，即X=Xb+X同步電抗是表征對(duì)稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電樞旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和電樞漏磁場(chǎng)的一個(gè)綜合參數(shù)。五、同步發(fā)電機(jī)并列1） 并列操作一臺(tái)發(fā)電機(jī)組在未投入系統(tǒng)運(yùn)行之前，它的電壓并列點(diǎn)與系統(tǒng)電壓的狀態(tài)量（幅值、頻率、相角）往往不等，須對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行適當(dāng)操作使之符合并列條件后才允許開關(guān)合閘作并網(wǎng)運(yùn)行。同步發(fā)電機(jī)并列時(shí)應(yīng)遵循如下的原則：并列開關(guān)合閘時(shí)，沖擊電流應(yīng)盡可能小，其瞬時(shí)最大值一般不超過1?2倍的額定電流。發(fā)電機(jī)組并入電網(wǎng)，迅速進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)，其暫態(tài)過程要短，以減小對(duì)電力系統(tǒng)的擾動(dòng)?，F(xiàn)在的大型汽輪同步發(fā)電機(jī)的并列方法采用自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置進(jìn)行準(zhǔn)同期并列操作。2） 并列條件發(fā)電機(jī)的頻率和電網(wǎng)頻率，fii=fi;發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的電壓波形要相同；發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)電壓大小、相位要相同，即Eon-匕；發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的相序要相同。如果頻率不同，則在Eo[[和U之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將產(chǎn)生數(shù)值一直在變化的

環(huán)流，引起發(fā)電機(jī)內(nèi)的功率振蕩。如波形不同，則將在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)內(nèi)產(chǎn)生一高次諧波環(huán)流。如兩種電壓在大小和相位上不一致，則在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)間將產(chǎn)生一個(gè)環(huán)流，在極性相反的情況下誤投入合閘時(shí)，Ih的數(shù)值可以高達(dá)20?30In，這可能對(duì)定子繞組端部造成極大的損傷。3）并列原理圖2圖2—10發(fā)電機(jī)并列原理示意圖設(shè)并列開關(guān)DL兩側(cè)電壓分別為Ug和Ux°DL主觸頭閉合瞬間所出現(xiàn)的沖擊電流值以及進(jìn)入同步運(yùn)行的暫態(tài)過程，決定于合閘時(shí)的脈動(dòng)電壓Us和滑差角頻率3S。①脈動(dòng)電壓（us）US=，、;UX+Ug-2UUcos3s，從上式中可以看出在脈動(dòng)電壓US的脈動(dòng)波形中有準(zhǔn)同期并列所需的檢測(cè)的信息一一電壓幅值差、頻率差以及相角差隨時(shí)間的變化規(guī)律。因而可以利用它為自動(dòng)并列裝置提供并列的信息以及選擇合適的合閘信號(hào)發(fā)出時(shí)間。電壓幅值差：因?yàn)閁,min=ug-ux，通過usmin的測(cè)量，就可判別出ug和UX間的電壓幅值差是否超出允許值。頻率差：UG與UX間的頻率差就是脈動(dòng)電壓US的頻率fS。合閘相差0e的控制：為了使合閘瞬間是UG和UX兩相重合的瞬間，考慮到開關(guān)操作機(jī)構(gòu)和合閘回路控制電器的固有動(dòng)作時(shí)間，必須在兩電壓相量重合之前發(fā)出合閘信號(hào)，即取一提前量。②自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的組成原理為了使待并發(fā)電機(jī)組滿足并列條件，自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置設(shè)置了三個(gè)控制單元。頻差控制單元：它的任務(wù)是檢測(cè)