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1、一、同步发电机原理及基本结构二、发电机启动与正常运行三、发电机异常运行,项目二 同步发电机运行,一、发电机工作原理及基本结构,1.交流电机的结构2.同步发电机类型3.同步发电机原理及结构4.同步发电机励磁系统,1.交流电机的结构,异步电动机,同步电动机,2.同步发电机原理,主磁场的产生：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即产生主磁场。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。感应电动势：原动机拖动转子旋转，主磁场随转轴一起旋转并依次切割定子各相绕组，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。,感应电动势的频率,频率与转速间有严
2、格不变的关系,=3000(r/min),p n,1 3000,2 1500,3 1000,50 60,1.同步发电机原理,2.同步电机的类型,按运行方式分,发电机 将机械能转换成电能输出,汽轮发电机 原动机为汽轮机,水轮发电机 原动机为水轮机,其他发电机 原子能、风力、柴油发电机等。,电动机 将电能转换成机械能输出,调相机 不带有功负荷的同步电动机，专门用来发出无功功率，又称为补偿机。,按转子结构形式分,隐极式高速电机，卧式用于汽轮发电机,凸极式低速电机，立式，用于水轮发电机。,隐极机转子,凸极机转子,2.同步电机的类型,定子：定子铁心+定子绕组,3.同步电机的结构,转子部分：主要包括转子铁心
3、和励磁绕组,3.同步电机的结构,3.同步电机的结构,3.同步电机的结构,什么是励磁？导体切割磁力线感生电动势e励磁就是提供一个磁场B,E=4.44fN,对于发电机来说，励磁就是产生磁通,4.同步发电机励磁系统,4.同步发电机励磁系统,励磁系统组成,励磁功率单元：一部分用于向发电机的磁场绕组提供直流电流，以建立直流磁场。励磁控制部分：用于在正常运行或发生事故时调节励磁电流，以满足运行的需要。包括励磁调节器、强行励磁、强行减磁和自动灭磁等。,4.同步发电机励磁系统,励磁系统任务,在正常情况下，供给发电机励磁电流，并根据发电机电压、负荷及功率因数的变化调整发电机的励磁电流，以维持发电机端电压为规定的
4、水平。合理分配并列运行发电机间的无功负荷。发电机电压急剧降低时，迅速加大励磁电流，以改善系统的运行条件，提高系统的稳定性和可靠性。,励磁方式,4.同步发电机励磁系统,励磁调节器,交流静止整流器励磁方式（三机同轴励磁）,中频副励磁机500Hz,主励磁机 100Hz,同步发电机50Hz,灭磁开关,TV,TA,4.同步发电机励磁系统,交流旋转整流器励磁方式（无刷励磁）,中频副励磁机500Hz,主励磁机 100Hz,同步发电机50Hz,励磁调节器,灭磁开关,4.同步发电机励磁系统,无刷励磁系统主要由主励磁机、副励磁机、旋转整流器、自动电压调节器（AVR）、灭磁开关与转子过电压保护装置等组成。,静止励磁
5、方式（自并励系统）,4.同步发电机励磁系统,在正常运行时，能按照负荷电流和电压的变化，自动地改变励磁电流，以维持电压在给定值水平，并能稳定分配机组间的无功负荷；,应有足够的功率输出，在电力系统发生事故，电压降低时，能迅速地将发电机的励磁加大到最大值，以实现强行励磁的作用；,4.同步发电机励磁系统,励磁调节器,励磁调节器主要作用,发电机通过闭合磁场断路器，然后闭合起励回路中的电源断路器，使发电机励磁。最初的励磁电流能使发电机的电压上升到额定电压的1530。,当达到额定电压的10的时候，整流单元就可以运行，并且参与建立发电机电压过程；当发电机电压超过额定电压的70时，起励回路断路器在电流为零的条件
6、下断开。然后整流器装置在自动电压调节器的控制下，提供磁场电流，从而精确的调节同步发电机的电压和无功功率。,励磁调节器,发电机起励,4.同步发电机励磁系统,发电机端出现故障，如短路、错误的同步或异步运行，会引起反向的感应磁场电流，该电流在转子回路中会产生过电压。,过电压保护采用跨接器电路，转子回路出现过电压时，与灭磁电阻器相连的晶闸管被触发，立即将灭磁电阻器并联连接到转子回路上，同时发出跳闸命令使磁场断路器立即断开。,4.同步发电机励磁系统,过电压保护,励磁调节器,正常停机时采用逆变灭磁，事故停机时跳开磁场断路器，投灭磁电阻灭磁。ABB的标准解决方案是交流灭磁，包括安装于整流桥交流侧的磁场断路器
7、、晶闸管跨接器、灭磁电阻以及脉冲截止回路等。,当收到来自发电机保护或者内部的励磁保护跳闸命令，在断开交流磁场断路器的同时截止脉冲并触发晶闸管跨接器以接通灭磁电阻。,励磁调节器,灭磁方式,4.同步发电机励磁系统,5.发电机冷却方式,发电机的发热部件:主要是定子绕组、定子铁芯（磁滞与涡流损耗）和转子绕组。必须采用高效的冷却措施，使这些部件所发出的热量散发除去，以使发电机各部分温度不超过允许值。,水-氢-氢冷却方式:即发电机定子绕组及引线是水内冷，发电机的转子绕组是氢内冷，转子本体及定子铁芯是氢气表面冷却。为此，发电机还设有定子水冷系统，发电机氢冷系统和为防止氢气从轴封漏出的密封油系统。,发电机定子
8、冷却水系统的主要作用：用以保证向线圈不间断的供水，使定子线圈得到冷却，使定子线圈温度保持在允许范围内。应监视进出水温、水压、流量和水的导电率等参数。系统还设有自动水温调节器，以调节定子线圈进水温度，使之保持基本稳定，另外，系统还设置了离子交换器，用以提高和保持冷却水的水质。,5.发电机冷却方式,系统的主要设备:定子冷却水箱、定子冷却水泵、定冷水冷却器、定子水滤网、离子交换器、导电度仪等及有关管道、流量控制开关、阀门组成。,5.发电机冷却方式,5.发电机冷却方式,发电机氢冷系统的功能:用于冷却发电机的定子铁芯和转子，并采用二氧化碳作为置换介质。发电机氢冷系统采用闭式氢气循环系统，热氢通过发电机的
9、氢气冷却器由冷却水冷却。运行经验表明，发电机通风损耗的大小取决于冷却介质的质量，质量越轻，损耗越小，氢气在气体中密度最小，有利于降低损耗；另外氢气的传热系数是空气的5倍，换热能力好；氢气的绝缘性能好，控制技术相对较为成熟。但是最大的缺点是一旦于空气混合后在一定比例内（4%74%）具有强烈的爆炸特性，所以发电机外壳都设计成防爆型，气体置换采用CO2作为中间介质。,5.发电机冷却方式,二、发电机启动与正常运行,1.同步发电机启动2.同步发电机运行参数3.同步发电机正常运行,同步并列方法,准同步并列:将待并发电机加励磁，转速升至接近同步转速，调整到符合并列条件时并入电网同步运行。,自同步并列:将待并
10、发电机转速升至接近同步转速时，并入电网运行，然后加励磁由系统拖入同步。,1.同步发电机启动,准同步并列理想条件,（1）待并发电机的电压与电网电压大小相等。（2）待并发电机的频率与电网频率相同。（3）待并发电机的电压与电网电压相位相同。（4）待并发电机的电压相序与电网电压相序相同。,1.同步发电机启动,2.同步发电机运行参数,发电机冷却方式,300MW同步发电机的主要技术参数,发电机额定参数,2.同步发电机运行参数,发电机额定参数,电压、电流、功率、功率因数、转速、励磁电流、励磁电压、长期允许温度、冷却介质温度等。,发电机在额定参数下可长期运行，也可以在各个运行参数不同于额定值时运行,发电机运行
11、规程的原则：在运行中不要发生电气损坏、机械故障和缩短寿命，即定子绕组、转子绕组、铁心温度都不超过允许值，各部分产生的应力都不超过允许限度。,2.同步发电机运行参数,冷却介质不同于额定值时对额定容量的影响,3.同步发电机正常运行,冷却介质温度不同于额定值,允许负荷变化,定子绕组和转子绕组温度不超过容许值,冷却介质温度低于额定值，发电机按转子电流允许增大的倍数提高出力,冷却介质温度高于额定值，发电机按定子电流限制来减少出力,端电压不同于额定值时发电机运行,3.同步发电机正常运行,发电机端电压在额定电压5%变化时，发电机保持额定出力不变。,端电压最高和最低限值为额定值的110%-90%,3.同步发电
12、机正常运行,频率和功率因数不同于额定值时发电机运行,发电机允许在不同于额定功率因数运行,定子电流不超过允许值,高于额定值,转子电流不超过允许值,低于额定值,满足稳定极限,进相运行,发电机并列于无穷大电网时，发电机的端电压U大小不变；励磁电流不变时，空载电动势E0大小不变，此时电磁功率只与功角有功。,功角特性反映了同步发电机的电磁功率随着功角变化的情况。,功角特性与静态稳定,3.同步发电机正常运行,隐极机功角特性曲线,3.同步发电机正常运行,功角特性与静态稳定,功角是转子磁极轴线和定子合成磁极轴线的空间夹角。,功角不仅决定发电机并联运行时的输出功率，而且说明转子运动的空间位置，把电磁变化关系和机
13、械运动紧密联系起来。,功角的物理含义,功角特性与静态稳定,3.同步发电机正常运行,指电网或原动机方面出现某些微小扰动时，同步发电机在干扰消失后，能否恢复到原来的稳定状态。,静态稳定分析（a点）,扰动消失后，由于PMP1，制动转矩驱动转矩，转子减速重新回到a 点,静态稳定,3.同步发电机正常运行,静态稳定分析（b点）,由于PMP1，制动转矩驱动转矩，转子加速；功角进一步增加，即使扰动消失，转子仍继续加速，最后导致发电机失步。,3.同步发电机正常运行,3.同步发电机正常运行,发电机容许运行范围取决于四个条件：原动机额定功率大于或等于发电机额定功率定子发热决定发电机额定容量转子发热决定发电机磁场和励
14、磁机的最大励磁电流进相运行时发电机有功输出受到静态稳定限制,发电机允许运行范围,发电机正常运行是指发电机允许长期连续运行的工作状态发电机的有功负荷、无功负荷、电压、电流等都在允许范围以内。,发电机的P-Q图（曲线）：表示其在各种功率因数下允许的有功功率输出P和允许的无功功率输出Q的关系曲线又称为发电机的安全运行极限,3.同步发电机正常运行,发电机允许运行范围,定子电流限制,原动机额定出力限制,静态稳定运行限制,转子电流限制,无功功率调节：调节励磁电流，改变无功输出性质和大小，有功输出不变。,有功功率调节：调节原动机的输出功率（改变汽门或水门大小）有功功率输出变化无功功率Q也变化。,同步发电机有
15、功和无功功率调整,3.同步发电机正常运行,有功功率与无功功率调节的影响,调节励磁电流，有功输出不变；调节励磁电流，改变无功输出性质和大小。调节励磁电流，改变功角，影响发电机运行稳定性。,保持原动机输入不变，调节励磁电流,保持励磁电流不变，调节原动机输入,调节原动机输入时，改变有功输出；有功输出变化时，功角发生变化，引起发电机输出无功大小和性质发生变化。,3.同步发电机正常运行,同步发电机三种励磁状态,当有功功率不变，励磁电流较大时，cos滞后，发电机发有功和感性无功，过励磁状态。,减少励磁电流，cos1，发电机发有功，正常励磁状态。,继续减少励磁电流，cos超前，发电机发有功和容性无功，欠励磁
16、状态。,3.同步发电机正常运行,三、发电机异常运行,1.同步发电机过负荷运行2.同步发电机异步运行3.同步发电机不对称运行4.同步发电机进相运行5.同步发电机过励磁运行,1.同步发电机过负荷运行,2.同步发电机异步运行,励磁系统故障,误切励磁开关而失去励磁,由于短路使发电机失步,发电机异步运行,发电机超出同步转速运行,发电机转子和定子旋转磁场出现相对运动,在转子绕组、阻尼绕组等感应出频差交流电流,发电机向系统输出有功,转速增大至制动异步转矩与旋转转矩相等,发电机异步运行,从系统吸收大量无功功率,发电机端电压及附近电压下降,所需无功功率与发电机电抗和转差率有关,汽轮发电机,有阻尼绕组的水轮发电机
17、,电抗大，转差率小,无阻尼绕组的水轮发电机,短时间（15-30min）的异步运行是容许的,转差率小，阻尼绕组有过热危险,容许几秒钟异步运行,转速增大，负荷减少为零,必须与系统断开,2.同步发电机异步运行,3.同步发电机不对称运行,负荷不对称（电气机车、电弧炉）,输电线路不对称（断线）,发电机不对称运行,定子绕组额外产生负序电流,转子过热,机械振动,转子发热严重,汽轮发电机,机械振动不大,转子发热小,机械振动较大,水轮发电机,3.同步发电机不对称运行,发电机不对称运行,长时间运行,短时间运行,长时间容许负荷决定于三条件,负荷最重相定子电流不超过发电机额定电流,转子最热点温度不超过容许温度,不对称
18、运行时的机械振动不超过容许范围,短时间容许负荷决定于短路中负序电流所引起的温升,4.同步发电机进相运行,进相运行,定子电流超前端电压,发电机欠励磁运行,向系统提供有功功率,向系统吸收无功功率,电磁参数对称,保持同步转速,1.发电机端部的漏磁较迟相运行时增大，会造成定子端部铁心和金属结构件的温度增高，甚至超过容许的温度限值。,2.进相运行的发电机与电力系统之间并列运行的稳定性较迟相运行时降低，可能在某一进相深度达到稳定极限而失步。,进相运行时的有功功率和无功功率是有限制的,特点,4.同步发电机进相运行,发电机端部的漏磁由定子绕组端部漏磁和转子绕组端部漏磁组成的合成磁通,迟相进相,端部合成磁通增大,铁心及端部构件上感应涡流增大,产生附加发热,功率因数的变化所致,当发电机由迟相运行转入进相运行时，随着功率因数的降低，发电机容许出力剧烈下降,5.同步发电机过励磁运行,发电机的电压与磁通和频率的乘积成正比,电压上升到一定范围,频率下降到一定范围,发电机的磁通剧烈上升，发电机铁心饱和,发电机进入过励磁状态,负荷甩开后电压升高,单独运行时励磁电流过大,测定空载饱和特性时,短时间过励磁容许范围决定于漏磁感应的循环电流及产生的局部过热,长时间过励磁的容许范围决定于定子铁损的增加和铁心过热,
