发电机功角概念.doc

功率平衡同步发电机的功率流程如图17.6所示。为自原动机向发电机的输入的机械功率，其中一部分提供轴与轴承间的摩擦、转动部分与空气的摩擦及通风设备的损耗，总计为机械损耗 ，另一部分供给定子铁心中的涡流和磁滞损耗，总计为铁心损耗,为通过电磁感应作用转变为定子绕组上的电功率，称为电磁功率 。如果是负载运行，定子绕组中还存在定子铜耗，就是发电机的输出功率。同步发电机的功率平衡方程式为(17-1)定子绕组的电阻一般较小，其铜耗可以忽略不计，则有 (17-2) 功角的概念 y为内功率因数角，d=y-j定义为功角。它表示发电机的励磁电势 和端电压之间相角差。功角d 对于研究同步电机的功率变化和运行的稳定性有重要意义。图17.7 画出了同步电机的时空相量图。图中忽略了定子绕组的漏磁电势，认为+，对应于转子磁势，对应于电枢磁势，所以可近似认为端电压由合成磁势=+所感应。 和之间的空间相角差即为和之间的时间相角差 。可见功角d在时间上表示端电压和励磁磁势之间的相位差，在空间上表现为合成磁场轴线与转子磁场轴线之间夹角。并网运行时，为电网电压，其大小和频率不变，对应的合成磁势总是以同步速度旋转，因此功角的大小只能由转子磁势的角速度决定。稳定运行时，和之间无相对运动，d具有固定的值。 功角特性 功角特性指的是电磁功率随功角d变化的关系曲线=f(d)的。凸极电机 令可以求出对应于最大电磁功率的功角,一般来说凸极电机的在4590之间。隐极电机 最大功率与额定功率的比值定义为同步发电机的过载能力。对隐极电机来说 有功功率的调节 功角特性=f(d)反映了同步发电机的电磁功率随着功角变化的情况。稳态运行时，同步发电机的转速由电网的频率决定，恒等于同步转速，即，发电机的电磁转矩 和电磁功率之间成正比关系： 电磁转矩与原动机提供的动力转矩相平衡其中为空载转矩因摩擦、风阻等引起的阻力转矩）。可见要改变发电机输送给电网的有功功率 ，就必须改变原动机提供的动力转矩，这一改变可以通过调节水轮机的进水量或汽轮机的汽门来达到。当功角处于0到范围内时，随着d的增大，亦增大，同步发电机在这一区间能够稳定运行。 而当d 时，随着d的增大，反而减小，电磁功率无法与输入的机械功率相平衡，发电机转速越来越大，发电机将失去同步，故在这一区间发电机不能稳定运行。同步发电机失去同步后，必须立即减小原动机输入的机械功率，否则将使转子达到极高的转速，以致离心力过大而损坏转子。另外，失步后，发电机的频率和电网频率不一致，定子绕组中将出现一个很大的电流而烧坏定子绕组。因此，保持同步是十分重要的。 综上所述：并联于电网的发电机所承担的有功功率可以通过调节原动机输入的机械功率来改变的。而且电机承担的有功功率的极限是。当0d时发电机可以稳定运行； d0,y90)，在励磁电流不变的情况下，随着电枢电流的增大，有两个因素导致端电压下降，其一是电枢反应的去磁作用的增强，其二是漏抗压降的增大，所以感性负载时，同步电机的外特性是下降的曲线。 对于j0,y90的容性负载，电枢反应表现为增磁作用，随着电枢电流的增大，端电压反而增大。图16-12 给出了各种情况下的外特性曲线。 发电机的端电压随着负载电流的改变而变,保持额定运行时的励磁电流和转速不变,将发电机的完全卸载,发电机的端电压将由变化为空载电势，电压变化的幅度可以用电压调整率来表示 (16-18) U是发电机的性能指标之一，按国家标准规定 应不大于40% 。 电势方程式负载以后，同步发电机的电枢绕组中存在以下电势： 由励磁磁通产生的励磁电势； 由电枢反应磁通产生的电枢反应电势； 由电枢绕组漏磁通产生的漏磁电势 。由于电枢绕组的电阻很小，如果忽略电阻压降，则每相感应电势总和即为发电机的端电压，用方程式表示为(16-7) 对于凸极电机来说,+=-j-j,其方程式可表示为=+j+j (16-8) 对于隐极电机来说，+=-j，其方程式可表示为=+j (16-9) 隐极发电机电势相量图在同步电机理论中，用电势相量图来进行分析是十分重要和方便的方法。在作相量图时，我们认为发电机的端电压，电枢电流，负载功率因数角以及同步电抗为已知量，最终可以根据方程式求得励磁电势。参看图16.7a，隐极电机相量图可按以下步骤作出： 在水平方向作出相量 ； 根据j角找出的方向并作出相量 ； 在的尾端，加上相量j，它超前于 90； 作出由的首端指向j 尾端的相量，该相量便是 。 凸极发电机电势相量图对于凸极电机来说，需要首先将分解为和，然后才能根据方程式(16-8)作出其电势相量图。由于与同方位，与正交，只要找出的方位，就可以方便地将分解为和。方程式(16-8)两边同时加上-j(-)，即： 上式左边的相量-j(-) 显然与处于同一方位，而右边的相量+j 可以很方便地求得，这样就找到了的方位。参看图16.7b，凸极电机的相量图可按下述步骤作出。 在水平方位作出相量，错开j角作出 ； 在的尾端，加上相量j ，它超前于90电角度，经过首端和j 尾端的直线就确定了 的方位，也即确定了q轴，与q轴正交的方位即为d轴； 将在正交分解为和； 根据方程式(16-8) 即可作出。 电势相量图很直观地显示了同步电机各个相量之间的数值关系和相位关系，对于分析和计算同步电机的许多问题有较大的帮助作用。 对于凸极电机来说，(16-10) 而对于隐极电机来说，有 (16-11)以上两式在分析同步电机问题经常用到。 负载后磁势分析空载时，同步电机中只有一个以同步转速旋转的励磁磁势 ，它在电枢绕组中感应出三相对称交流电势，称为励磁电势。当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组和负载一起构成闭合通路，通路中流过的是三相对称的交流电流 ，我们知道，当三相对称电流流过三相对称绕组时，将会形成一个以同步速度旋转的旋转磁势。由此可见，负载以后同步电机内部将会产生又一个旋转磁势 -电枢旋转磁势。因此，同步发电机接上三相对称负载以后，电机中除了随轴同转的转子磁势 (称为机械旋转磁势)外，又多了一个电枢旋转磁势(称为电气旋转磁势) 。 参看异步电机篇的介绍，不难证明这两个旋转磁势的转速均为同步速，而且转向一致，二者在空间处于相对静止状态，可以用矢量加法将其合成为一个合成磁势 。 气隙磁场可以看成是由合成磁势在电机的气隙中建立起来的磁场。 也是以同步转速旋转的旋转磁场。 可见同步发电机负载以后，电机内部的磁势和磁场将发生显著变化，这一变化主要由电枢磁势的出现所致。 电枢反应电枢磁势的存在，将使气隙磁场的大小和位置发生变化，我们把这一现象称为电枢反应。电枢反应会对电机性能产生重大影响。电枢反应的情况决定于空间相量 和之间的夹角，而这一夹角又和时间相量E0 和Ia 之间的相位差y相关连。y称为内功率因数角，其大小由负载的性质决定。时空相量图: 如图16.4 所示的瞬间，A相绕组中感应电势达到最大值，此时如果y=0 ，即A相电流和同相位，则亦达到最大值。由异步电机篇的介绍可知，电枢磁势(三相合成磁势)的轴线在此瞬间将和A相线圈的轴线重合。 一般情况下，(时间相量)滞后或超前于(时间相量)y 电角度时，(空间相量)的轴线位置也滞后或超前于A 相绕组的轴线y电角度。即和在时间上的相位差等于的轴线和A相绕组轴线的空间角度差。以上结论虽然是在一个特殊的瞬间(磁极轴线和A相绕组轴线正交时)得出的，由于和同速同步旋转，故在负载一定的情况下，和的空间相位差等于90+y 电角度。 为了分析方便，人们常将时间相量,U 和空间相量,画一起构成所谓的时空相量图(见图16.4)。在时空相量图中和Ff (处于磁极轴线方向，称为直轴，用d表示)重合， 滞后于 90电角度 (处于相邻一对磁极的中性线位置，称为交轴，用q 表示)，和 之间的相位差y由负载性质决定，和重合。 利用时空相量图(图16.5) ，可以方便地分析不同负载情况时同步发电机电枢反应的情况。 y=0或者180度此时和Ff之间的夹角为90度或者270度 ，即二者正交，转子磁势作用在直轴上，而电枢磁势作用在交轴上，电枢反应的结果使得合成磁势的轴线位置产生一定的偏移，幅值发生一定的变化。这种作用在交轴上的电枢反应称为交轴电枢反应，简称交磁作用。 y=90此时与之间的夹角为180度 ，即二者反相，转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相反，电枢反应为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小，这一电枢反应称为直轴去磁电枢反应。 y=-90此时与之间的夹角为0 ，即二者同相，转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相同，电枢反应为纯增磁作用，合成磁势的幅值加大，这一电枢反应称为直轴增磁电枢反应。 同步电抗和电枢反应电抗当三相对称电枢电流流过电枢绕组时，将产生旋转的电枢磁势，将在电机内部产生跨过气隙的电枢反应磁通和不通过气隙的漏磁通，和将分别在电枢各相绕组中感应出电枢反应电势 和漏磁电势。与电枢电流的大小成正比(不计饱和)，比例常数称为电枢反应电抗。考虑到相位关系后，每相电枢反应电势为： （16-3)电枢反应电抗的大小和电枢反应磁通所经过磁路的磁阻成反比，磁阻与电枢磁势轴线的位置有关。对于凸极电机而言，当和重合时，经过直轴气隙和铁心而闭合（这条磁路称为直轴磁路），如图16.6a 所示。此时由于直轴磁路中的气隙较短，磁阻较小，所以电枢反应电抗就较大。当和正交时，即和磁极的轴线垂直时， 经过交轴气隙和铁心而闭合（这条磁路称为交轴磁路），如图16.6b所示。此时由于交轴磁路中的气隙较长，磁阻较大，所以电枢反应电抗就较小。一般情况下，和之间的夹角由负载的性质决定，为 90+y，的流通路径介于直轴磁路和交轴磁路之间，电枢反应电抗的大小也就介于最大和最小之间。 由于和之间的夹角受制于内功率因数角(即负载的性质)，不同负载时，和之间的夹角不同，对应的也就不同，这给分析问题带来了诸多不便。为了解决这一问题，人们采用了正交分解法和叠加原理，将看成是其直轴分量和交轴分量的叠加，并认为单独激励直轴电枢反应磁通 ，其流通路径为直轴磁路，对应有一个固定的直轴电枢反应电抗 ,并在定子每相绕组中产生直轴电枢反应电势 ；单独激励交轴电枢反应磁通 ，其流通路径为交轴磁路，对应有一个固定的交轴电枢反应电抗，并在电枢每相绕组中产生交轴电枢反应电势。电枢绕组总的电枢反应电势可以写为 (16-4)考虑到漏磁通引起的漏抗电势=-j(为电枢绕组的漏电抗)后，电枢绕组中由电枢电流引起的总的感应电势为 (16-5)其中=+定义为直轴同步电抗，=Xaq+定义为交轴同步电抗。 对于隐极电机来说，由于电枢为圆柱体，忽略转子齿槽分布所引起的气隙些微不均匀后，可以认为隐极电机直轴磁路和交轴磁路的磁阻相等，直轴和交轴电枢反应电抗相等，即= ，结合=+，并代入式(16-5)可得 (16-6)式中,定义为隐极电机的同步电抗。 由定义可知，同步电抗包括两部分：电枢绕组的漏电抗和电枢反应电抗。在实用上，常将二者作为一个整体参数来处理，这样便于分析和测量。 一般情况下(y为任意角度时)参看图16.5c和d，可将分解为直轴分量 和交轴分量 ，产生直轴电枢磁势F ，与同相或反相，起增磁或者去磁作用；产生交轴电枢磁势，与正交，起交磁作用。国产同步电机型号 我国生产的汽轮发电机有QFQ、QFN、QFS等系列，前两个字母表示汽轮发电机；第三个字母表示冷却方式，Q表示氢外冷，N表示氢内冷，S表示双水内冷。我国生产的大型水轮发电机为TS系列，T表示同步，S表示水轮。举例来说：QFS-300-2 表示容量为300MW双水内冷2极汽轮发电机。TSS1264/160-48表示双水内冷水轮发电机，定子外径为1264厘米，铁心长为160厘米，极数为48。 此外同步电动机系列有TD、TDL等，TD表示同步电动机，后面的字母指出其主要用途。如TDG表示高速同步电动机；TDL表示立式同步电动机。同步补偿机为TT系列。 运行方式 同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。 作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。 同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。一、结构和原理 1、结构 同步发电机主要由定子、转子和其他部件组成。定子部分包括定子铁芯、定子绕组、机座；转子部分包括转子铁芯、励磁绕组和滑环(隐极式转子还有套箍、心环，凸极式转子有磁极、磁轭、转子支架)；其他部件包括电刷装置、端盖、轴承和风扇等。 2、工作原理 同步发电机是根据电磁感应原理工作的，它通过转子磁场和定子绕组的相对运动，将机械能转变为电能。当转子在外力带动下，转子磁场和定子导体作相对运动，即导体切割磁力线，因此在导体中产生感应电动势，其方向可根据右手定则判定。由于转子磁极的位置使导体以垂直方向切割磁力线，所以此时定子绕组中的感应电动势最大。当磁极转过90度后。磁极成水平位置，导体不切割磁力线，其感应电动势为零。转子再转90度，定时定子绕组又以垂直方向切割磁力线，使感应电动势达到最大值，但方向与前相反。当转子再转90度，感应电动势又变为零。这样转子转动一周，定子绕组的感应电动势也发生正、负变化。如果转子连续匀速旋转，在定子绕组中就感应出一个周期性不断变化的交变电动势。 二、故障诊断与排除方法 1、发电机过热 (1)发电机没有按规定的技术条件运行，如定子电压过高，铁损增大；负荷电流过大，定子绕组铜损增大；频率过低，使冷却风扇转速变慢，影响发电机散热；功率因数太低，使转子励磁电流增大，造成转子发热。应检查监视仪表的指示是否正常。如不正常，要进行必要的调节和处理，使发电机按照规定的技术条件运行。 (2)发电机的三相负荷电流不平衡，过载的一相绕组会过热；若三相电流之差超过额定电流的10%，即属于严重蛄相电流不平衡，三相电流不平衡会产生负序磁场，从而增加损耗，引起磁极绕组及套箍等部件发热。应调整三相负荷，使各相电流尽量保持平衡。 (3)风道被积尘堵塞，通风不良，造成发电机散热困难。应清除风道积尘、油垢、使风道畅通无阻。 (4)进风温度过高或进水温度过高，冷却器有堵塞现象。应降低进风或进水温度清除冷却器内的堵塞物。在故障未排除前，应限制发电机负荷，以降低发电机温度。 (5)轴承加润滑脂过多或过少，应按规定加润滑脂，通常为轴承室的1/21/3(转速低的取上限，转速高的取下限)，并以不超过轴承室的70%为宜。 (6)轴承磨损。若磨损不严重，使轴承局部过热；若磨损严重，有可能使定子和转子摩擦，造成定子和转子避部过热。应检查轴承有无噪音，若发现定子和转子摩擦，应立即停机进行检修或更换轴承。(7)定子铁芯绝缘损坏，引起片间短路，造成铁芯局部的涡流损失增加而发热，严重时会使定子绕组损坏。应立即停机进行检修。 (8)定子绕组的并联导线断裂，使其他导线的电流增大而发热。应立即停机进行检修。 2、发电机中性线对地有异常电压 (1)正常情况下，由于高次谐波影响或制造工艺等原因造成各磁极下的气隙不均、磁势不等而出现的很低电压，若电压在一至数伏，不会有危险，不必处理。 (2)发电机绕组有短路或对地绝缘不良，导致电设备及发电机性能变坏，容易发热，应及时检修，以免事故扩大。 (3)空载时中性线对地无电压，而有负荷时出现电压，是由于三相不平衡引起的，应调整三相负荷使其基本平衡。 3、发电机电流过大(1)负荷过大，应减轻负荷。 (2)输电线路发生相间短路或接地故障，应对线路进行检修，故障排除后即可恢复正常。 4、发电机端电压过高 (1)与电网并列的发电机电网电压过高，应降低并列的发电机的电压。 (2)励磁装置的故障引起过励磁，应及时检修励磁装置。 5、功率不足 由于励磁装置电压源复励补偿不足，不能提供电枢反应所需的励磁电流，使发电机端电压低于电网电压，送不出额定无功功率，应采取下列措施： (1)在发电机与励磁电抗器之间接入一台三相调压器，以提高发电机端电压，使励磁装置的磁势逐渐增大。 (2)改变励磁装置电压磁通势与发电机端电压的相位，使合成总磁通势增大，可在电抗器每相绕组两端并联数千欧、10W的电阻。 (3)减小变阻器的阻值，使发电机的励磁电流增大。 6、定子绕组绝缘击穿、短路 (1)定子绕组受潮。对于长期停用或经较长时间检修的发电机、投入运行前应测量绝缘电阻，不合格者不准投入运行。受潮发电机要进行烘干处理。 (2)绕组本身缺陷或检修工艺不当，造成绕组绝缘击穿或机械损伤。应按规定的绝缘等级选择绝缘材料，嵌装绕组及浸漆干燥等要严格按工艺要求进行。 (3)绕组过热。绝缘过热后会使绝缘性能降低，有时在高温下会很快造成绝缘击穿。应加强日常的巡视检查，防止发电机各部分发生过热而损坏绕组绝缘。 (4)绝缘老化。一般发电机运行1520年以上，其绕组绝缘老化，电气性能变化，甚至使绝缘击穿。要做好发电机的检修及预防性试验，若发现绝缘不合格，应及时更换有缺陷的绕组绝缘或更换绕组，以延长发电机的使用寿命。 (5)发电机内部进入金属异物，在检修发电机后切勿将金属物件、零件或工具遗落到定子膛中；绑紧转子的绑扎线、紧固端部零件，以不致发生由于离心力作用而松脱。 (6)过大电压击穿：1)线路遭受雷击，而防雷保护不完善。应完善防雷保护设施。2)误操作，如在空载时，将发电机电压升得过高。应严格按操作规程对发电机进行升压，防止误操作。3)发电机内部过电压，包括操作过电压、弧光接地过电压和谐振过电压等，应加强绕组绝缘预防性试验，及时发现和消除定子绕组绝缘中存在的缺陷。 7、定子铁芯松驰 由于制造装配不当，铁芯没有紧固好。如果是整个铁芯松驰，对于小型发电机，可用两块小于定子绕组端部内径的铁板，穿上双头螺栓，收紧铁芯。待恢复原形后，再将铁芯原来夹紧螺栓紧因。如果局部性铁芯松弛，可先在松弛片间涂刷硅钢片漆，再在松弛部分打入硬质绝缘材料即可。 8、铁芯片间短路 (1)铁芯叠片松弛，当发电机运转时铁芯产生振动而损坏绝缘；铁芯片个别地方绝缘受损伤或铁芯局部过热，使绝缘老化，就按原计划条中的方法进行处理。 (2)铁芯片边缘有毛刺或检修时受机械损伤。应用细锉刀除去毛刺，修整损伤处，清洁表面，再涂上一层硅钢片漆。 (3)有焊锡或铜粒短接铁芯，应刮除或凿除金属熔接焊点，处理好表面。 (4)绕组发生弧光短路，也可能造成铁芯短路，应将烧损部分用凿子清除后，处理好表面。 9、发电机失去剩磁，起动时不能发电 (1)停机后经常失去剩磁，是由于励磁机磁极所用的材料接近软钢，剩磁较少。当停机后励磁绕组没有电流时磁场就消失，应备有蓄电池，在发电前先进行充磁。 (2)发电机的磁极失去磁性，应在绕组中通入比额定电流