发电机工作原理

定子温升限制线
0.95
2
0.90 0.85 0.80 Power Factor 0.75 0.70
0.8
0.60 0.6 0.50
0.60
转子温升限制线
0.50 0.40 0.30
0.40
3
0.30
0.4
1
0.20 0.2 ห้องสมุดไป่ตู้.20
0.10
6 5
0.10
无功功率
1.0 0.8 0.6 Reactive Power Underexcited
－ 磁拉力（转子承受，导轴承，上机架基础） － 快速灭磁有利于减小最大磁拉力
事故：失磁异步运行
定子磁场
N S N S S N N
Rotor 转子
定子磁场
N S N
－ 定子绕组短时电流（约10s） － 定子绕组过热，绝缘损坏 － 转子失步，阻尼绕组损坏
转子
S
空载运行
No 没有定子磁场 Stator Field
N S N
Rotor 转子
转矩的产生 – 带负荷运行时
• 带负荷运行时
– 定子电流产生磁场波以同步转速旋转 – 定子磁场干扰了原来的对称磁力线 – 不对称磁场分布也就产生了切向磁力 线和切向磁拉力 – 转矩产生了
定子磁场
N S N S S N N
负载运行
Rotor 转子
不同运行方式下的模型
• 运行方式
– 空载: 径向磁力线, 没有转矩 – 电动机运行: 定子磁场 “拉着” 转子磁场 (驱动转 矩) – 发电机运行: 转子磁场 “拉着”定子磁场 (制动转矩)
空载
• 失步
– 磁力线不能 “约束” 磁拉力
发电机运行
电动机运行
水轮发电机工作原理 水轮发电机电磁设计 水轮发电机通风冷却
N S N S N S S N
电流I
1
2
3
时间 t
定、转子合成磁场
• 定、转子磁场相互耦合形成了合成磁场 • 等效模型：
– 耦合磁体 – “齿轮
N S
定子磁场
S N N S S N
转子磁场
转矩的产生 – Maxwell 应力
• 磁力线形成的力（磁拉力） 依据计算公式：
B2 20
空载时 定子线圈内没有电流 磁力线和磁拉力沿径向对称分布 没有切向应力 没有转矩
U2 中性点 V2
UN
U V 机端 三相星形连接 U2 W U V W p
有功功率
视在功率
W2
P
u,i
S
V2 W2 三相三角形连接

Q
无功功率
P＝U I
5. 额定频率fN（Hz）：我国电网标准频率为50Hz fN 确定同步电机的极对数 p=60 fN / nN 6.飞逸转速nr（r/min）：按水轮机。
水轮发电机的运行
水轮发电机电磁设计
1. 额定容量：以视在功率SN（kVA）或有功功率PN（kW）表示； 2. 额定功率因数cosN： PN= SN cosN ，QN= SN sinN 一般发电机功率因数 0.8～0.9（滞后），贯流发电机0.9～0.95（滞后）。 3. 额定电压UN：指线电压（V或kV）。按国家标准，发电机标准电压：3.15kV， 6.3kV，10.5kV，13.8kV，15.75kV，18kV，20kV和24kV等。 4. 相数及相间连接：一般都采用三相星形连接（无三次谐波）
目录
水轮发电机工作原理 水轮发电机电磁设计 水轮发电机通风冷却
水轮发电机的运行
水轮发电机工作原理
三相交流凸极同步电机 定子线圈
•
定子铁芯
转子
定、转子 间空气隙 磁极铁芯 磁极线圈
定子
转子磁轭
磁轭冲片
磁极冲片
磁极线圈
阻尼绕组
磁极
转子产生磁场
• 转子： – 2p个磁极
– 磁路
N S N S N S S N
水轮发电机通风冷却
无风扇磁轭通风系统（空冷）
Cooling Water
带风扇的轴-径向通风系统（空冷）
Cooling Water
半水内冷系统
（定子绕组水内冷，转子绕 组、定子铁芯空气冷却）
全水内冷系统
（定子绕组、转子绕组、 定子铁芯全部水内冷）
Cooling Water
Cooling Water
Cooling Water
水轮发电机工作原理 水轮发电机电磁设计 水轮发电机通风冷却
水轮发电机的运行
水轮发电机的运行
功率特性曲线（功率圆图）
Maximum Output Limited by Maximum Field Current Armature Current Practical Stability Theoretical Stability Minimum Field Current Reluctance Power Rated Output Rated Voltage Rated Data 151800 kVA 13800 V
功率调节
有功功率：仅由水轮机调节 无功功率：由励磁电流调节
有功功率 功率增加
有功功率
0.95 1.0
Active Power
Undervoltage Rated voltage Overvoltage
0.95 pu 1.00 pu 1.05 pu
4
实际稳定极限限制线
0.90 0.85 0.80 0.75 0.70
• 转速和频率：
– 从定子侧看，磁 场的变化频率为 f – 那么每分钟机械转速 n 为
60 f n p
电压的产生
• 定子线圈
– 转子旋转时，从定子线圈 侧可以看到随时间变化的 磁场 – 感应电压（如图示的两个 线圈U1, U2 ）的频率为：
f
n f p
U1
磁极
定子线圈
U2
pn 60 : 机械转速 (转/分钟) : 电网频率 (Hz) : 磁极对数
12. 定、转子绕组及定子铁芯温升（K）：由绝缘结构的耐热等级决定。F级绝缘温度限制为155C。温升指绝缘温度 与冷却介质的温度（一般为40C ）差。 13.机坑直径尺寸（mm）限制 14.起吊设备能力（t）限制 15.运输尺寸重量（m3，t）限制
与电磁设计相关联的发电机振动问题
• 定子的100Hz频率的零节点振动：由电网电压不平衡产 生的负序电流造成。 • 定子的分数次谐波振动：发电机采用不恰当的分数槽绕 组和绕组接线。 • 发电机有功输出功率大幅波动：发电机固有频率（扭振 频率）与水轮机尾水脉振频率产生共振造成。对额定转 速为300r/min左右的水轮发电机组，在水轮机部分出力 （50～80％）下可能产生。
0.4
0.2
0.0
0.2
0.4
0.6 0.8 1.0 Reactive Power Overexcited
P.U.
Apparent Power 1 p.u. = 151800 kVA
失励圆
运行区域
无功功 率
事故：机端三相（或两相）突然短路
事故：半数磁极短路
G
－ 突然短路电流（定子绕组） － 短路扭矩（定子基础） － 线棒端部和铜环引线支架受力
U
1 2
时间 t
三相交流系统
• 定子线圈分成三个不同的相带 (U, V, W)
– 沿圆周分布
– 空间上相错 2/3 个极距 – 感应电压在时间上相差
120° 电角度
电压 U
U
V
W
1
2
3
时间 t
定子绕组的旋转磁场
• 定子绕组的电枢反应
– 电机并网时，也产生三相电流系统 (U,V,W) – 电流在时间上相差 120° 电角度 – 如同转子，定子产生一个旋转磁场，与电网频 率n =60 f / p 同步旋转
,额定转速nN（r/min）：按水轮机。由额定转速nN和额定频率
7.飞轮力矩GD2（tm2）：由电电力系统稳定性和水轮机调保计算确定。 8. 短路比 Kcc：由电力系统对发电机的静态稳定度要求提出。 9. 纵轴瞬变电抗X’d（标么值）：由电电力系统对发电机的动态稳定度要求提出。 10. 纵轴超瞬变电抗X”d （标么值）：限制发电机短路冲击电流倍数。 11. 额定效率N （%）或加权平均效率 （%）：