发电机工作原理
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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: 空载: 径向磁力线, 径向磁力线 没有转矩 – 电动机运行: 电动机运行: 拉着” 定子磁场 “拉着” 转子磁场 (驱动转 驱动转 矩)
空载
– 发电机运行: 发电机运行: 拉着”定子磁场 制动转矩 制动转矩) 转子磁场 “拉着 定子磁场 (制动转矩 拉着
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) 电机并网时， – 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 如同转子，定子产生一个旋转磁场， 率n =60 f / p 同步旋转
N S N S N
（定子绕组、转子绕组、 定子绕组、转子绕组、 定子铁芯全部水内冷） 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） 功率特性曲线（功率圆图）
转子
与电磁设计相关联的发电机振动问题
• 定子的 定子的100Hz频率的零节点振动：由电网电压不平衡产 频率的零节点振动： 频率的零节点振动 生的负序电流造成。 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 定子的分数次谐波振动： 组和绕组接线。 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 发电机有功输出功率大幅波动：发电机固有频率（ 频率）与水轮机尾水脉振频率产生共振造成。 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 左右的水轮发电机组， 速为 左右的水轮发电机组 ％）下可能产生 （50～80％）下可能产生。 ～ ％）下可能产生。
• 失步
– 磁力线不能 “约束” 磁拉力 约束”
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 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 N（kVA）或有功功率 N（kW）表示； 额定容量：以视在功率S ）或有功功率P ）表示； 2. 额定功率因数 额定功率因数cosϕN： PN= SN cosϕN ，QN= SN sinϕN 一般发电机功率因数 ϕ ϕ ϕ 0.8～0.9（滞后），贯流发电机 ～0.95（滞后）。 ），贯流发电机 ～ （滞后），贯流发电机0.9～ （滞后）。 3. 额定电压 N：指线电压（V或kV）。按国家标准，发电机标准电压：3.15kV， 额定电压U 指线电压（ 或 ）。按国家标准，发电机标准电压： ）。按国家标准 ， 6.3kV，10.5kV，13.8kV，15.75kV，18kV，20kV和24kV等。 ， ， ， ， ， 和 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） 相数及相间连接：一般都采用三相星形连接（无三次谐波）
水轮发电机通风冷却
无风扇磁轭通风系统（空冷） 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） 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 定子绕组水内冷， 定子铁芯空气冷却） 组、定子铁芯空气冷却）
全水内冷系统
,额定转速 （r/min）：按水轮机。由额定转速 和额定频率 额定转速nN（ ）：按水轮机 额定转速 ）：按水轮机。由额定转速nN和额定频率
7.飞轮力矩 飞轮力矩GD2（t⋅m2）：由电电力系统稳定性和水轮机调保计算确定。 ）：由电电力系统稳定性和水轮机调保计算确定 飞轮力矩 （ ⋅ ）：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。 ：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 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。 （标么值）：由电电力系统对发电机的动态稳定度要求提出。 ）：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 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。 标么值）：限制发电机短路冲击电流倍数。 ）：限制发电机短路冲击电流倍数 11. 额定效率ηN （%）或加权平均效率 额定效率η ） （%）： ）：
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： 转子： – 2p个磁极 个
– 磁路
N S N S N S S
B2 σ= 2µ0
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 磁力线和磁拉力沿径向对称分布 没有切向应力 没有转矩
S
空载运行
No Stator Field 没有定子磁场
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 – – –
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） 事故：机端三相（或两相）突然短路
事故： 事故：半数磁极短路
G
－ 突然短路电流（定子绕组） 突然短路电流（定子绕组） 短路扭矩（定子基础） － 短路扭矩（定子基础） － 线棒端部和铜环引线支架受力
• 转速和频率： 转速和频率：
– 从定子侧看，磁 从定子侧看， 场的变化频率为 f – 那么每分钟机械转速 n 为
60 f n= p
N
电压的产生
• 定子线圈
– 转子旋转时，从定子线圈 转子旋转时， 侧可以看到随时间变化的 磁场 – 感应电压（如图示的两个 感应电压（ 线圈U 的频率为： 线圈 1, U2 ）的频率为：
磁拉力（转子承受，导轴承，上机架基础） － 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： 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（ 10s） － 定子绕组短时电流（约10s） 定子绕组过热， － 定子绕组过热，绝缘损坏 转子失步， － 转子失步，阻尼绕组损坏
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 转子绕组及定子铁芯温升（ ）：由绝缘结构的耐热等级决定。 级绝缘温度限制为 ）：由绝缘结构的耐热等级决定 级绝缘温度限制为155°C。温升指绝缘温度 ° 。 与冷却介质的温度（一般为40°C ）差。 与冷却介质的温度（一般为 ° 13.机坑直径尺寸（mm）限制 机坑直径尺寸（ 机坑直径尺寸 ） 14.起吊设备能力（t）限制 起吊设备能力（ ） 起吊设备能力 15.运输尺寸重量（m3，t）限制 运输尺寸重量（ ， ） 运输尺寸重量
电流I
S
N S
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： 等效模型：
– 耦合磁体 – “齿轮 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） 磁力线形成的力（磁拉力） 依据计算公式： 依据计算公式：
6 Reluctance Power
功率调节
有功功率： 有功功率：仅由水轮机调节 无功功率： 无功功率：由励磁电流调节
Active Power
有功功率
4
Undervoltage Rated voltage Overvoltage
0.95 pu 1.00 pu 1.05 pu
实际稳定极限限制线
0.90 0.85 0.80 0.75 0.70
0.95
定子温升限制线
1.0
有功功率
0.90 0.85 0.80 0.75 Power Factor
0.95
2
功率增加
0.8
0.70
0.60 0.6 0.50
0.60
转子温升限制线
0.50 0.40
0.40
3
0.30
0.4 0.30
1
0.20 0.2 0.20
0.10
6 5
0.10
无功功率
1.0 0.8 0.6 Reactive Power Underexcited
f=
n f p
U1
磁极
定子线圈
U2
pn 60 : 机械转速 (转/分钟 分钟) 转 分钟 : 电网频率 (Hz) : 磁极对数
U
1 2
时间 t
Hale Waihona Puke Baidu 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 °
U2 中性点 V2 W2 三相星形连接 U2 V2 W2 三相三角形连接
UN
U V 机端 W U V W u,i p
有功功率
视在功率
S P ϕ Q
无功功率
P＝U
I
5. 额定频率 （Hz）：我国电网标准频率为 额定频率fN（ ）：我国电网标准频率为50Hz ）：我国电网标准频率为 fN 确定同步电机的极对数 p=60 fN / nN 6.飞逸转速 （r/min）：按水轮机。 飞逸转速nr（ ）：按水轮机 飞逸转速 ）：按水轮机。
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: 空载: 径向磁力线, 径向磁力线 没有转矩 – 电动机运行: 电动机运行: 拉着” 定子磁场 “拉着” 转子磁场 (驱动转 驱动转 矩)
空载
– 发电机运行: 发电机运行: 拉着”定子磁场 制动转矩 制动转矩) 转子磁场 “拉着 定子磁场 (制动转矩 拉着
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) 电机并网时， – 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 如同转子，定子产生一个旋转磁场， 率n =60 f / p 同步旋转
N S N S N
（定子绕组、转子绕组、 定子绕组、转子绕组、 定子铁芯全部水内冷） 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） 功率特性曲线（功率圆图）
转子
与电磁设计相关联的发电机振动问题
• 定子的 定子的100Hz频率的零节点振动：由电网电压不平衡产 频率的零节点振动： 频率的零节点振动 生的负序电流造成。 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 定子的分数次谐波振动： 组和绕组接线。 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 发电机有功输出功率大幅波动：发电机固有频率（ 频率）与水轮机尾水脉振频率产生共振造成。 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 左右的水轮发电机组， 速为 左右的水轮发电机组 ％）下可能产生 （50～80％）下可能产生。 ～ ％）下可能产生。
• 失步
– 磁力线不能 “约束” 磁拉力 约束”
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 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 N（kVA）或有功功率 N（kW）表示； 额定容量：以视在功率S ）或有功功率P ）表示； 2. 额定功率因数 额定功率因数cosϕN： PN= SN cosϕN ，QN= SN sinϕN 一般发电机功率因数 ϕ ϕ ϕ 0.8～0.9（滞后），贯流发电机 ～0.95（滞后）。 ），贯流发电机 ～ （滞后），贯流发电机0.9～ （滞后）。 3. 额定电压 N：指线电压（V或kV）。按国家标准，发电机标准电压：3.15kV， 额定电压U 指线电压（ 或 ）。按国家标准，发电机标准电压： ）。按国家标准 ， 6.3kV，10.5kV，13.8kV，15.75kV，18kV，20kV和24kV等。 ， ， ， ， ， 和 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） 相数及相间连接：一般都采用三相星形连接（无三次谐波）
水轮发电机通风冷却
无风扇磁轭通风系统（空冷） 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） 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 定子绕组水内冷， 定子铁芯空气冷却） 组、定子铁芯空气冷却）
全水内冷系统
,额定转速 （r/min）：按水轮机。由额定转速 和额定频率 额定转速nN（ ）：按水轮机 额定转速 ）：按水轮机。由额定转速nN和额定频率
7.飞轮力矩 飞轮力矩GD2（t⋅m2）：由电电力系统稳定性和水轮机调保计算确定。 ）：由电电力系统稳定性和水轮机调保计算确定 飞轮力矩 （ ⋅ ）：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。 ：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 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。 （标么值）：由电电力系统对发电机的动态稳定度要求提出。 ）：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 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。 标么值）：限制发电机短路冲击电流倍数。 ）：限制发电机短路冲击电流倍数 11. 额定效率ηN （%）或加权平均效率 额定效率η ） （%）： ）：
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： 转子： – 2p个磁极 个
– 磁路
N S N S N S S
B2 σ= 2µ0
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 磁力线和磁拉力沿径向对称分布 没有切向应力 没有转矩
S
空载运行
No Stator Field 没有定子磁场
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 – – –
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） 事故：机端三相（或两相）突然短路
事故： 事故：半数磁极短路
G
－ 突然短路电流（定子绕组） 突然短路电流（定子绕组） 短路扭矩（定子基础） － 短路扭矩（定子基础） － 线棒端部和铜环引线支架受力
• 转速和频率： 转速和频率：
– 从定子侧看，磁 从定子侧看， 场的变化频率为 f – 那么每分钟机械转速 n 为
60 f n= p
N
电压的产生
• 定子线圈
– 转子旋转时，从定子线圈 转子旋转时， 侧可以看到随时间变化的 磁场 – 感应电压（如图示的两个 感应电压（ 线圈U 的频率为： 线圈 1, U2 ）的频率为：
磁拉力（转子承受，导轴承，上机架基础） － 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： 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（ 10s） － 定子绕组短时电流（约10s） 定子绕组过热， － 定子绕组过热，绝缘损坏 转子失步， － 转子失步，阻尼绕组损坏
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 转子绕组及定子铁芯温升（ ）：由绝缘结构的耐热等级决定。 级绝缘温度限制为 ）：由绝缘结构的耐热等级决定 级绝缘温度限制为155°C。温升指绝缘温度 ° 。 与冷却介质的温度（一般为40°C ）差。 与冷却介质的温度（一般为 ° 13.机坑直径尺寸（mm）限制 机坑直径尺寸（ 机坑直径尺寸 ） 14.起吊设备能力（t）限制 起吊设备能力（ ） 起吊设备能力 15.运输尺寸重量（m3，t）限制 运输尺寸重量（ ， ） 运输尺寸重量
电流I
S
N S
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： 等效模型：
– 耦合磁体 – “齿轮 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） 磁力线形成的力（磁拉力） 依据计算公式： 依据计算公式：
6 Reluctance Power
功率调节
有功功率： 有功功率：仅由水轮机调节 无功功率： 无功功率：由励磁电流调节
Active Power
有功功率
4
Undervoltage Rated voltage Overvoltage
0.95 pu 1.00 pu 1.05 pu
实际稳定极限限制线
0.90 0.85 0.80 0.75 0.70
0.95
定子温升限制线
1.0
有功功率
0.90 0.85 0.80 0.75 Power Factor
0.95
2
功率增加
0.8
0.70
0.60 0.6 0.50
0.60
转子温升限制线
0.50 0.40
0.40
3
0.30
0.4 0.30
1
0.20 0.2 0.20
0.10
6 5
0.10
无功功率
1.0 0.8 0.6 Reactive Power Underexcited
f=
n f p
U1
磁极
定子线圈
U2
pn 60 : 机械转速 (转/分钟 分钟) 转 分钟 : 电网频率 (Hz) : 磁极对数
U
1 2
时间 t
Hale Waihona Puke Baidu 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 °
U2 中性点 V2 W2 三相星形连接 U2 V2 W2 三相三角形连接
UN
U V 机端 W U V W u,i p
有功功率
视在功率
S P ϕ Q
无功功率
P＝U
I
5. 额定频率 （Hz）：我国电网标准频率为 额定频率fN（ ）：我国电网标准频率为50Hz ）：我国电网标准频率为 fN 确定同步电机的极对数 p=60 fN / nN 6.飞逸转速 （r/min）：按水轮机。 飞逸转速nr（ ）：按水轮机 飞逸转速 ）：按水轮机。