第3章柴油发电机组的基本结构与工作原理

第三章柴油发电机组的基本结构与工作原理第三章柴油发电机组的基本结构与工作原理柴油机交流同步发电机发电机励磁系统柴油机

略交流同步发电机电机与控制（基础专题）同步电机的基本结构同步发电机的原理空载和负载时同步发电机的磁场隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路凸极同步发电机的电压方程和相量图同步发电机的功率方程和转矩方程同步电机参数的测定同步发电机的运行特性同步发电机的基本结构结构模型左江24MW发电机转子在吊装三峡左岸水电站转子的安装同步发电机的结构模型转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。除了转场式同步电机外,还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。图中用AX、BY、CZ三个在空间错开120电角度分布的线圈代表三相对称交流绕组。同步电机同步电机的基本结构分类

旋转电枢式

旋转磁极式

隐极式（Salient-pole）

凸极式（Cylindrical-Rotor）

机械端口转子定子绕组定子铁心电端口ABC同步发电机的基本结构示意图同步电机的基本结构图（无刷）3同步电机的基本结构图（4）静止部分机座定子：定子铁芯、定子绕组端盖（交流励磁机定子）转子部分转子铁芯分凸极和隐极转子绕组转轴轴承风扇交流励磁机的电枢旋转整流器同步发电机的原理同步电机的运行方式同步发电机的工作原理同步电机的励磁方式额定值同步电机的运行方式发电机——把机械能转换为电能

电动机——把电能转换为机械能补偿机——没有有功功率的转换，只发出或吸收无功功率

同步电机运行状态，主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角δ，δ称为功率角

同步发电机的工作原理主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。感应电势有效值：每相感应电势的有效值为感应电势频率：感应电势的频率决定于同步电机的转速n和极对数p，即

交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。发电机原理1发电机原理2同步电机的励磁方式直流励磁机励磁——直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或他励接法。

整流器励磁————静止式旋转式额定容SN——指额定运行时电机的输辅出功率

额定电压UN——指额定运行时定子的线电压

额定电流IN——指额定运行时定子的线电流

额定功率因数——指额定运行时电机的功率因数额定频率fN——指额定运行时电枢的频率额定转速nN——指额定运行时电机的转速，即为同步转速

额定值

同步发电机电路画法

空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所建立的主极磁场。图表示一台四极电机空载时的磁通示意图。从图可见，主极磁通分成主磁通Φ0和漏磁通Φfσ两部分，前者通过气隙并与定子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁绕组相交链。主磁通所经过的主磁路包括空气隙电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭等五部分。空载和负载时同步发电机的磁场空载运行空载运行当转子以同步转速旋转时，主磁场将在气隙中形成一个旋转磁场，在定子绕组内感应出对称三相电动势（激磁电动势）

空载特性是同步电机的一条基本特性。如图所示对称负载时的电枢反应电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场就称为电枢反应。电枢反应的性质(增磁、去磁或交磁)取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。分析表明，此相对位置取决于激磁电动势E0和扭载电流I之间的相角差Ψ0(Ψ0称为内功率因数角)。下面分成两种情况来分析。与同相时a)定子绕组电动势、电流和磁动势的空间矢量图与同相时b)时间矢量图与同相时c)时-空统一矢量图与同相时d)气隙合成磁场与主磁场的相对位置结论1

与同相时电枢反应定子电流是有功电流（负载近似阻性负载），使气隙磁场轴线位置发生偏移，对发动机转子产生制动转矩。与不同相时

a)滞后于时的空间矢量图与不同相时

b)滞后时的时-空统一矢量图结论2

滞后时的电枢反应一般阻感性负载，电枢反应对发电机的转子产生制动转矩；有去磁作用，使发电机的端电压下降。要维持端电压不变，应增加励磁电流。特别地，当滞后900时，负载电流是感性无功电流，电枢磁场对转子不形成电磁转矩。电枢反应有去磁作用，使发电机的输出端电压下降，要维持端电压不变，应增加励磁电流。与不同相时

c)超前900时得时-空统一矢量图返回结论3

超前900时电枢反应负载电流是无功电流，电枢磁场对转子载流导体不形成电磁转矩，对发动机转子不会产生电磁制动作用。发电机输出容性无功功率。电枢反应有增磁作用，发电机的输出电压升高，要维持发电机的端电压，要减少励磁。同步发电机负载运行时物理量的关系：不考虑磁饱和时隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路在时间相位上，滞后于

以90°电角度，若不计定子铁耗,

与同相位，则将滞后于以90°电角度于是亦可写成负电抗压降的形式，即采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，电枢的电压方程为

因为电枢反应电动势Ea正比于电枢反应磁通Φa不计磁饱和时，Φa又正比于电枢磁动势Fa和电枢电流I，即可得式中，Xs称为隐极同步电机的同步电抗，Xs=Xa+Xσ，它是对称稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两个效应的一个综合参数。不计饱和时，Xs是一个常值。图6—15a和b表示与式(6—5)和式(6—7)相对应的相量图，图6—15c表示与式(6—7)相应的等效电路。从图6—15c可以看出，隐极同步发电机的等效电路由激磁电动势和同步阻抗Ra+jXs串联组成，其中E0表示主磁场的作用，Xs表示电枢反应和电枢漏磁场的作用。考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理不再适用。此时，应先求出作用在主磁路上的合成磁动势F，然后利用电机的磁化曲线

(空载曲线)求出负载时的气隙磁通及相应的气隙电动势。考虑磁饱和时再从气隙电动势减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，使得电枢的端电压，即相应的矢量图、相量图和F～E间的关系如图6—16a和6—16b所示。图6-16a中既有电动势相量，又有磁动势矢量。故称为电动势—磁动势图。或返回考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，就称为双反应理论。凸极同步电机的气隙是不均匀的，极面下气隙较小，两极之间气隙较大，故直轴下单位面积的气隙磁导λd(λd＝μ0／λd)要比交轴下单位面积的气隙磁导λq(λq＝μ0／λq)大很多，如图6—18a所示。当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时，由于λd较大，故在一定大小的磁动势下，直轴基波磁场的幅值Bad1相对较大。一、双反应理论凸极同步发电机的电压方程和相量图不考虑磁饱和时同步发电机负载运行时物理量的关系：凸极同步发电机的电压方程和相量图

从气隙电动势云减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，便得电枢的端电压。采用发电机惯例，电枢的电压方程为：，

6-9不计磁饱和时

和可以用相应的负电抗压降来表示6-10将式(6-10)代入式(6-9)，并考虑，可得

式中，Xd和Xq分别称为直轴同步电抗和交轴同步电抗，它们是表征对称稳态运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反应的一个综合参数。上式就是凸极同步发电机的电压方程。图6-19表示与上式相对应的相量图。引入虚拟电动势，使可得6-12由式6-12相量图如图6-20所示。由图6-20不难确定由式6-12可得凸极同步发电机的等效电路，如图6-21所示。直轴和交轴同步电抗的意义由于电抗与绕组匝数的平方和所经磁路的磁导成正比，所以如图6-22所示。对于凸极电机，由于直轴下的气隙较交轴下小，>，所以Xad>Xaq，因此在凸极同步电机中，Xd>Xq。对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故Xd≈Xq≈Xs

例题返回同步发电机的功率方程和转矩方程功率方程和电磁功率

功率方程

若转子励磁损耗由另外的直流电源供给，则发电机轴上输入的机械功率Pl扣除机械损耗和定子铁耗后，余下的功率将通过旋转磁场和电磁感应的作用，转换成定子的电功率，所以转换功率就是电磁功率Pe，即

再从电磁功率Pe中减去电枢铜耗可得电枢端点输出的电功率P2；即

电磁功率

电磁功率Pe为由图6—23可见故同步电机的电磁功率亦可写成上式的第一部分与感应电机的电磁功率表达式相同，第二部分则是同步电机常用的。对于隐极同步电机，由于EQ＝E0，故有转矩方程

把功率方程(6—14)除以同步角速度，可得转矩方程

式中，T1为原动机的驱动转矩,Te为电磁转矩,T0为空载转矩，分别为：(6—18)返回同步电机参数的测定用空载特性和短路特性确定Xd

空载特性可以用空载试验测出。试验时，电枢开路(空载)，用原动机把被试同步电机拖动到同步转速，改变励磁电流If，并记取相应的电枢端电压U0(空载时即等于E0，直到U0≈1.25UN左右，可得空载特性曲线。

短路特性可由三相稳态短路试验测得，试验线路如图6-24a所示。将被试同步电机的电枢端点三相短路，用原动机拖动被试电机到同步转速，调节励磁电流If使电枢电流I从零起一直增加到1.2IN左右，便可得到短路特性曲线，如图6—24b所示。

短路时，，故，，而

所以

因为短路试验时磁路为不饱和，所以这里的E0(每相值)应从气隙线上查出，如图6—25所示，求出的Xd值为不饱和值。

(6—19)(6—20)

Xd的饱和值与主磁路的饱和情况有关。主磁路的饱和程度取决于实际运行时作用在主磁路上的合成磁动势，因而取决于相应的气隙电动势；如果不计漏阻抗压降，则可近似认为取决于电枢的端电压，所以通常用对应于额定电压时的Xd值作为其饱和值。为此，从空载曲线上查出对应于额定端电压UN时的励磁电流If0，再从短路特性上查出与该励磁电流相应的短路电流，如图6—26所示，这样即可求出Xd(饱和)例题返回同步发电机的运行特性一、同步发电机的运行特性同步发电机的稳态运行特性包括外特性、调整特性和效率特性。

外特性——外特性表示发电机的转速为同步转速，且励磁电流和负载功率因数不变时，发电机的端电压与电枢电流之间的关系：即n＝nS，If=常值，cosφ=常值时，U=f(I)。

图6—30

表示带有不同功率因数的负载时，同步发电机的外特性。

调整特性——调整特性表示发电机的转速为同步转速、端电压为额定电压、负载的功率因数不变时，励磁电流与电枢电流之间的关系；即n＝nS，U=UNΦ，cosφ=常值时，If=f(I)。

图6—31表示带有不同功率因数的负载时，同步发电机的调整特性

效率特性——效率特性是指转速为同步转速、端电压为额定电压、功率因数为额定功率因数时，发电机的效率与输出功率的关系；即n＝nS，U=UNΦ，cosφ=cosφN时，η=f(P2)。

返回同步电机的空载磁路返回同步电机的空载特性返回双反应理论图6—18双反应理论双反应理论图6—18双反应理论返回双反应理论隐极同步发电机的向量图返回隐极同步发电机的向量（图b）返回隐极同步发电机的等效电路返回电动势-磁动势图返回由合成磁动势F确定气隙电动势E空载曲线返回凸极同步发电机的向量图返回角的确定返回凸极同步发电机的等效电路图返回凸极同步电机电枢反磁通及所经磁路及磁导返回直轴电枢磁导交轴电枢磁导从向量图导出返回短路实验接线图返回短路特性返回用空载和短路特性来确定返回

(饱和)的确定返回同步发电机的外特性cosΦ=0.8滞后cosΦ=1cosΦ=0.8超前返回图6—31同步发电机的调整特性cosΦ=0.8滞后cosΦ=1cosΦ=0.8超前返回旋转磁极式同步电机的类型NS+隐极式返回NSNS+凸极式返回带副励磁机的励磁系统GG副励磁机主励磁机同步发电机返回静止整流器励磁系统交流副励磁机交流主励磁机不可控整流起器电压调整器主发电机电压互感器电流互感器可控整流起器自励恒压器返回NNoNoNoNNSoSoSSSSo主极主极同步电机的三种运行状态发电机补偿机电动机返回例6—2

有一台25000kW、10.5kV(星形联结)、(滞后)的汽轮发电机，从其空载、短路试验中得到下列数据，试求同步电抗。从空载特性上查得：相电压kV时，If0＝155A；从短路特性上查得：I＝IN＝1718A时，Ifk＝280A；从气隙线上得查得：If＝280A时，kV解从气隙线上查出，If＝280A时，激磁电动势；在同一励磁电流下，由短路特性查出，短路电流I＝1718A；所以同步电抗为用标幺值计算时，，故从空载和短路特性可知，于是Xd(饱和)为

例6-1

一台凸极同步发电机，其直轴和交轴同步电抗的标幺值为，，电枢电阻略去不计，试计算该机在额定电压、额定电流、(滞后)时激磁电动势的标幺值(不计饱和)

解以端电压作为参考相量虚拟电动势为即δ角为19．44°，于是电枢电流的直轴、交轴分量和激磁电动势分别为发电机励磁系统⑴励磁系统的构成供给发电机励磁电流的电源及其附属设备称为励磁系统。它分为励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分。励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流；而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。概述励磁系统在电力系统中的作用为：根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值。控制并列运行各发电机间无功功率分配。提高发电机并列运行的静态稳定性。提高发电机并列运行的暂态稳定性。在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度。提高继电保护的灵敏度。根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。改善电力系统的运行条件。⑵励磁系统的作用发电机励磁控制系统的任务之一

—电压控制在发电机正常运行工况下，励磁系统应维持发电机端电压（或升压变压器高压侧电压）在给定水平。相关指标：调压精度：是指在自动励磁调节器投入运行，调差单元退出，电压给定值不进行人工调整的情况下，发电机负载从零变化到视在功率额定值以及环境温度、频率、电源电压波动等在规定的范围内变化时，所引起的发电机端电压的最大变化，常用发电机额定电压的百分数表示。发电机调压静差率：调压静压率定义为自动励磁调节器的调差单元退出，电压给定值不变，负载从额定视在功率减小到零时发电机端电压变化率，它可由下式计算：

发电机励磁控制系统的任务之二

—控制无功功率的分配当发电机并入电力系统运行时，它输出的有功决定于从原动机输入的功率，而发电机输出的无功则和励磁电流有关。在发电机并入无穷大电网运行的情况下，调节励磁电流将改变发电机输出的无功。实际运行中，发电机并联运行的母线不会是无穷大母线，这时改变励磁将会使发电机的端电压和输出无功都发生改变。但一般来说，发电机的端电压变化较小，而输出的无功却会有较大的变化。保证并联运行的发电机组间合理的无功分配，是励磁系统的重要功能。在研究并联运行发电机组间的无功分配问题时所涉及的主要概念之一是发电机端电压调差率。所谓发电机端电压调差率是指在自动励磁调节器调差单元投入，电压给定值固定，发电机功率因数为零的情况下，发电机的无功负载从零变化到额定值时，用发电机端电压百分数表示的发电机端电压变化率，通常由下式计算：发电机励磁控制系统的任务之三

—提高同步发电机并列运行的稳定性

暂态稳定是指电力系统在受到大扰动，例如高压输电网络中发生短路，或一台主要发电机被切除，此时系统将发生较强烈的振荡，一些同步发电机也可能失步。这种情况下的稳定问题，即在大干扰作用后系统能否在新的平衡状况下稳定工作，称为暂态稳定问题。扰动的另一种形式是负荷随机地发生小的变化，即所谓小干扰。同步发电机在小干扰下的稳定问题,称为静态稳定问题。

动态稳定则是指电力系统受干扰后（包括小干扰和大干扰），在考虑了各种自动控制装置的作用情况下，长时间的稳定性问题。（阻尼问题）励磁调节可有效地提高电力系统的静态稳定性，并在一定程度上改善暂态稳定性（提高强励顶值倍数），但可能引入负阻尼，引发低频振荡。发电机励磁控制系统的任务之四

—提高继电保护动作的灵敏度当系统处于低负荷运行状态时，发电机的励磁电流不大，若系统此时发生短路故障，其短路电流较小，且随时间衰减，以致带时限的继电保护不能正确工作。励磁自动控制系统就可以通过调节发电机励磁对发电机进行强励，不仅有利于提高电力系统稳定性外，还因加大了电力系统的短路电流而使继电保护的动作灵敏度得到提高。

发电机励磁控制系统的任务之五

—快速灭磁当发电机或升压变压器（采用单元式接线）内部故障时，为了降低故障所造成的损害，要求这时发电机能快速灭磁。此外，当机组甩负荷时，发电机机端电压会异常升高，对于水轮发电机尤其如此，当水轮发电机发生甩负荷时，由于机组惯性时间常数较大，发电机会产生较严重的过速，对采用同轴励磁机的发电机来说，它的端电压正比于转速的三次甚至四次方。因此，甩负荷可能造成发电机严重过压。为防止发电机机端电压过份升高危及定子绝缘的程度，也要求励磁系统有快速灭磁能力。

发电机励磁控制系统的任务之六

—改善电力系统的运行条件

前面已谈到，维持发电机端电压的恒定有利于维持电力系统的电压水平。当电力系统由于种种原因，出现短时低电压时，励磁自动控制系统可以发挥其调节功能，即大幅度地增加励磁以提高系统电压。从而可以改善电力系统的运行条件。

改善异步电动机的自起动条件为发电机异步运行创造条件

减少重负荷合闸时的电压下降

重负荷跳闸时，减少系统电压的上升

⑶对励磁系统的基本要求对励磁功率单元的要求对励磁调节器的要求对励磁系统的基本要求之一

—对励磁功率单元的要求

（1）要求励磁功率单元有足够的可靠性并具有一定的调节容量。在电力系统运行中，发电机依靠励磁电流的变化进行系统电压和本身无功功率的控制。因此，励磁功率单元应具备足够的调节容量，并留有一定的裕量，以适应电力系统中各种运行工况的要求。（2）具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度。前面已经提到，从改善电力系统运行条件和提高电力系统暂态稳定性来说，希望励磁功率单元具有较大的强励能力和快速的响应能力。因此，在励磁系统中励磁顶值电压和电压上升速度是两项重要的技术指标。

对励磁系统的基本要求之二

—对励磁调节器的要求

（1）系统正常运行时，励磁调节器应能反映发电机电压高低以维持发电机电压在给定水平，并有足够的电压调节范围。

（2）励磁调节器应能合理分配机组的无功功率，为此，励磁调节器应保证同步发电机端电压调差率可以在下列范围内进行调整：半导体型的为±10％；电磁型的为±5％。并能随系统的要求而改变。（3）对远距离输电的发电机组，为了能在人工稳定区域运行，要求励磁调节器没有失灵区。（4）励磁调节器应能迅速反应系统故障，具备强行励磁等控制功能以提高暂态稳定和改善系统运行条件。（5）具有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。（6）励磁调节器应具有高度的可靠性，并且运行稳定。这在电路设计、元件选择和装配工艺等方面应采取相应的措施。（7）励磁调节器应具有良好的静态特性和动态特性。（8）励磁调节器的时间常数应尽可能小，响应速度快。（9）励磁调节器应结构简单、检修方便，并应尽量做到系列化、标准化、通用化。

励磁系统的分类励磁系统的典型型式

①—直流励磁机励磁系统

1960年以前，同步发电机励磁系统的励磁功率单元，一般均采用同轴的直流发电机，称为直流励磁机．励磁控制单元则多采用机电型或电磁调节器．随着电力系统的发展与同步发电机单机容量的增大，这种励磁系统已不能适应现代电力系统和大容量机组的需要，直流励磁机的励磁功率和响应速度及励磁电压顶值不能满足要求。

励磁系统的典型型式

②—交流励磁机励磁系统1直流励磁的换向器是影响安全运行的薄弱环节，也是限制励磁机容量的主要因