一、 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°电角度。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?t
eB = Emsin(?t–120°) eC = Emsin(?t–240°)
（3–1）
图3–1 同步发电机工作原理图 1—定子铁芯；2—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p对磁极时，转子旋转一周，感应电动势就交变了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
f =
pn次，即感应电动势的频率为： 60pn （3–2） (Hz)
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n1=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。
图3–2 汽轮发电机结构示意图
1—轴承座；2—出水支架；3—端盖；4—定子；5—转子；6—进水口
1．定子
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。
图3–3 定子扇形冲片
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铣有凹槽，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
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—氢—氢（定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、铁芯氢冷），水—水—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–300–2和QFS2–300–2。其型号的意义为：Q—汽轮，F—发电机，S—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Ⅱ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cos?N值。 上述四基额定参数之间有如下基本关系：
PN?SNco?sN?3UNINco?sN （3–3）
另外，在同步发电机的铭牌上还常列有：额定效率ηN（%）、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（℃）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
?和励磁电流?I、功率因数cos?、端电压U同步发电机带对称负载运行时，主要有负载电流?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nN，定子绕组开路（I=0）时空载电动势E0与励磁电流IL的关系曲线，如图3–6所示。
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（IL）。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3–9 同步发电机的外特性曲线 1—感性负载；2—电阻性负载；3—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
?，其电I仍滞后于E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?0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—感性负载；2—电阻性负载；3—容性负载