第2章 同步电机运行

中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/241共32页2.1水轮发电机的基本工作原理与结构2.2水轮发电机的参数及其额定值2.3水轮发电机的运行特性2.4水轮发电机组的试运行2.5水轮发电机组的运行操作同步电机是交流旋转电机的一种,因其转速恒等于同步速机时得名。同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和调相机。本章主要分析同步发电机的稳态运行原理和运行特性，简要分析同步电动机和调相机的运行状态。中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/242共32页第一节水轮发电机的基本工作原理与结构2.1.1同步电机的基本结构以汽轮发电机为例:定子铁心：硅钢片叠成。机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。电枢绕组：三相对称绕组——铜线制成定子(电枢)转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出励磁绕组：铜线制成滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动转子中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/243共32页机械端口转子定子绕组定子铁心电端口ABC返回中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/244共32页返回中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/245共32页1、汽轮发电机结构（1）定子铁心返回中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/246共32页返回中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/247共32页1、汽轮发电机结构返回中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/248共32页2、水轮发电机结构(1)立式水轮发电机(2)卧式水轮发电机中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/249共32页2、水轮发电机结构转子结构10000kW水轮机转子中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/2410共32页1.发电环节——各种电机引进600MW汽轮发电机中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/2411共32页国产300MW汽轮发电机中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/2412共32页国产200MW汽轮发电机定子中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/2413共32页国产200MW汽轮发电机定子铁心中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/2414共32页现场运行的水轮发电机中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/2415共32页2.1同步电机的基本工作原理与分类一、同步发电机的基本工作原理大小：0110444wE.fNk频率：60pnf励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动转子以转速旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势.n0E相序：由转子的转向决定。波形：由可知，波形取决于的空间分布。(x)eBlv(x)B中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/2416共32页U2U1W2V1W1V2NSn发电机的物理过程可用图示表示旋转示意图1旋转示意图2中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/2417共32页二、同步电机的分类按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。按原动机类别,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为2极，转速为3000转/分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/2418共32页第二节水轮发电机的参数及额定值对同步发电机额定值之间关系为：3NNNNNNPScosUIcos)(kVUN额定电压额定运行时加在三相定子绕组上的线电压。NNPS额定功率额定容量指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输出的额定视在功率或有功功率，单位是KVA或KW。电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是KW。调相机用KVA或Kvar表示。)(AIN额定电流在额定运行状态下三相定子绕组的线电流.fNfNNNNUInf额定励磁电压额定励磁电流额定转速额定效率额定频率额定功率因数Ncos中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/2419共32页第三节水轮发电机的运行特性一、空载特性定义：1000fnn,I,UEf(I)空载特性是发电机的基本特性之一。它一方面表征了磁路的饱和情况，另一方面把它和短路特性、零功率因数负载特性配合，可确定电机的基本参数、额定励磁电流和电压变化率等。实际生产中，它还可以检查三相电枢绕组的对称性、匝间短路、判断励磁绕组和定子铁心有无故障等。中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/2420共32页二、短路特性定义：10Sfnn,U,If(I)短路时的等效电路短路特性曲线短路特性与空载特性配合可以求出电机的同步电抗。中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/2421共32页三、外特性定义：1fnn,IC,cosC,Uf(I)外特性曲线当发电机带阻性和感性负载时，外特性是下降的，原因是电枢反应的去磁作用和电枢漏阻抗产生了电压降.带容性负载时且（发电机负载的容抗大于同步电抗）时，外特性是上升的，原因是电枢反应的助磁作用和容性电流在漏抗上的压降。中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/2422共32页四、调节特性定义：1fnn,UC,cosC,If(I)调整特性曲线在感性和阻性负载时，随着负载电流的增加，必须增加励磁电流，补偿电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降，保持端电压恒定；对容性负载，随着负载电流的增加，必须减小励磁电流。在功率因数一定情况下,根据调整特性曲线,可确定在负载变化范围内,维持电压不变所需的励磁电流的变化范围。运行人员可利用调整特性曲线,使系统中无功功率的分配更合理一些。中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/2423共32页第四节水轮发电机组的试运行电气人员对机组的电气部分做如下检查：1、发电机机坑、水轮机室、控制室、所有开关柜、出线柜、配电屏及一切配电装置内、人行过道处都应无人工作，无妨碍工作的杂物，无遗留工具。2、励磁装置完好，磁场调节电阻或电位器在电阻最大位置。3、机组一、二次接线完整，并接触良好。4、发电机主开关、母线隔离开关及灭磁开关都在分闸位置。中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/2424共32页5、配电盘（屏）、继电保护屏、直流屏上所有仪表、开关、继电器等应完整无缺。6、一切直流操作电源、信号电源符合规定的要求。7、一切临时线均应拆除。8、各注油设备的油位、油色应正常，并无渗漏油。9、各指示灯、信号灯指示正确无误。中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/2425共32页1.水轮发电机发组的空载运行同步发电机被原动机拖动到同步转速，励磁绕组中通入直流电流，定子绕组开路的运行称为空载运行。fIfF0ΦΦf0E电磁关系：0110444wE.fNk空载特性：空载电动势大小：0E00Nfnn,I,Ef(I)fI中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/2426共32页（1）凸极同步发电机的电动势方程和相量图2.水轮发电机的负载运行一、凸极同步发电机的电动势方程电磁关系：fIfF0ΦfΦ0EΦdIadFadΦadEqIaqFaqΦaqEEI不计磁路饱和时有下列关系addadaqqaqEjIXEjIXEjIX由于qdIII且令dadqaqXXXXXX则电动势平衡方程0addqqEUIRjIXjIXdqXX--直轴同步电抗--交轴同步电抗分别表征在对称负载下，单位直轴或交轴三相电流产生的总电枢磁场在电枢每一相绕组中感应的电动势。中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/2427共32页（2）隐极同步发电机的电动势方程、相量图和等效电路一、电动势方程电磁关系：fIfF0ΦfΦ0EΦaΦaEEIaF不计磁路饱和时有下列关系令taXXX电动势平衡方程0atEUIRjIXtX--同步电抗aaEjIXEjIX表征在对称负载下，单位三相电流产生的电枢总磁场在电枢每一相绕组中感应的电动势。中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/2428共32页二、等效电路和相量图等效电路相量图根据相量图可求出220atEUcosRIUsinXItaXIUsinarctanRIUcos中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/2429共32页当忽略电枢回路电阻时得到的等效电路称为简化等效电路,对应的相量图称为简化相量图思考题分别作出汽轮同步发电机带阻性、纯感性、纯容性、电感性、电容性负载时的简化相量图？并说明各种情况下电枢反应的性质？1.出线电压为400V的低压机组相序校对（1）灯泡发（2）相序表发中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/2430共32页第五节水轮发电机组的运行操作一、机组启动前的工作1、定子绕组的绝缘电阻测量2、转子绕组及励磁回路绝缘电阻测量3、发电机轴承绝缘电阻测量水轮发电机组大修后，运行前还必须注意项目的检查：1）各导轴承的油位、油色应符合要求2)电刷的长度足够，弹簧无退火现象3）各载流导体间的连接应牢固，绝缘无破损，裂缝及严重老化现象，绝缘件应洁净。4）配电装置的各载流部件均无发热、退火或严重灼痕。5）操作电源和厂用电源均处在正常状态，为检修调试而取下的各二次回路熔断器应复归、完整。中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/2431共32页6）所有电气设备、电气元件无破损、无异常现象7）各配电装置和输电线路应无人工作，无任何遗留杂物、工具，一切临时性的安全措施已拆除。二、机组的运行操作三、水轮发电机组运行中的监视1、发电机工作状态与电压的关系2、发电机工作状态与频率的关系3、发电机工作状态与功率因数的关系4、发电机电压、负荷、功率因数超限时的调整四、水轮发电机组运行中的检查中小水轮发电机运行主讲:黄恩相2020/2/2432共32页五、水轮发电机运行中的维护六、短路干燥法习题：1、一台同步发电机磁极对数为5对,求发电机同步转速n？2、一台同步发电机功率10MW，功率因素为0.8，求发电机的容量和无功功率？