发电机原理和结构
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49
4.6 三相短路特性试验
发电机短路特性试验目的是发电机在三相短路下运转时， 测量定子电流与转子电流关系的试验，它可以检查定子三相电 流的对称性，结合空载特性试验可以决定电机参数和主要特性。
50
4.7 空载特性试验
空载特性试验是发电机在空载和额定转速情况下，测得定 子电压和转子电流关系的试验其目的如下：
同步
P-磁极对数
定子
U1
V2
N
+ If
Uf －
W1
S
转子 励磁
W2 绕组
V1
励磁机→F0
原动机
U2
旋转的 F0 和Φ0
电枢三相 绕组中感应
E0
2.2 主要部件 (1) 定子（电枢）
定子铁心 —— 由硅钢片叠成 定子绕组 —— 对称三相绕组
机座和端盖等
(2) 转子 转子铁心 —— 由整块铸（锻）钢制成 励磁绕组 —— 工作时施加直流励磁
22
3.2 定子
制造中的外定子
23
3.2 定子
内定子（未嵌绕组）
24
3.2 定子
内定子(嵌绕组)
25
3.2 定子
26
3.2 定子
发电机端部（未穿转子）
汇水环
27
3.2 定子
发电机出线箱
28
3.3 转子
转子绕组示意图 N
S
60 f
S
n= p
N
29
3.3 转子
转子（未叠绕组）
30
3.3 转子
42
4.1 发电机安装交接试验
14 测录三相短路特性曲线； 15 测录空载特性曲线； 16 测量发电机定子开路时的灭磁时间常数和转子 过电压倍数； 17 测量发电机自动灭磁装置分闸后的定子残压； 18 测量相序； 19 测量轴电压； 20 定子绕组端部固有振动频率测试及模态分析； 21 定子绕组端部现包绝缘施加直流电压测量。
Ts FrBlir
• 电磁转矩是电机实现机电能量转换的重要物理量。
• 电动机：电磁转矩——驱动性质（电能——机械能） • 发电机：电磁转矩——制动性质（电能——机械能）
8
02同步发电机
章节主题,中黑20pt
9
2.1 同步发电机基本原理
●定子： 旋转磁场 ●转子： 直流磁极
●转子转速： 60 f n = n1 = p
U1
Pe = 3 UX1Es 0sin
= 3U1I1cos = 常数
E0" a
jXsI1"
03阳江发电机
章节主题,中黑20pt
20
3.1 阳江1号发电机参数
• 额定电压 UN ：线电压的额定值=24kV • 额定电流 IN ：线电流的额定值=29402A • 额定功率 PN ：输出功率额定值=1100MW
52
谢谢
谢谢观赏
41
4.1 发电机安装交接试验
8 发电机或励磁机的励磁回路连同所连接设备的绝 缘电阻，不包括发电机转子和励磁机电枢； 9 发电机或励磁机的励磁回路连同所连接设备的交 流耐压试验，不包括发电机转子和励磁机电枢； 10 发电机、励磁机的绝缘轴承和转子进水支座的绝 缘电阻； 11 埋入式测温计的检查； 12 灭磁电阻器、自同步电阻器的直流电阻； 13 转子绕组的交流阻抗和功率损耗（无刷励磁机组， 无测量条件时，可以不测量）；
43
4.2 定子直流耐压和泄露电流
在直流耐压试验过程中，可以从电压和电流的对应关系中观察绝 缘状态，在大多数情况下，可以在绝缘尚未击穿前就能发现或找出缺 陷，直流试验时，对发电机定子绕组绝缘是按照电阻分压的，因而能 较交流耐压更有效地发现端部缺陷和间隙性缺陷，另外击穿时绝缘的 损伤程度较小。
直流耐压试验的试验电压为3Un=72kV，各相泄漏电流值的差别不 应大于最小值的100%，当最大泄漏电流值在20μA以下，各相差值与出 厂试验值比较不应有明显差别
转子（大亚湾）
联轴器对轮 （与汽机转子连接） 护环
风扇
护环
联轴器对轮
（与励磁机转子连接）
风扇
励磁导电杆
前轴颈
铁芯
铝质槽楔
在槽楔上的通风孔
（被胶布临时覆盖）
通风槽 后轴颈
31
3.3 转子
转子引线
发电机端
励磁机转子
励磁机端
发电机转子
导电杆
导电杆
32
3.3 转子
穿转子
33
3.4 励磁系统
无刷励磁系统包括： 主励磁机（包括旋转整流盘、外罩、冷却器、底板、底架） 永磁机副励磁机 AVR系统
2.5 同步发电机与电网的并联运行
并网运行的条件
相序一致、频率相同、电压相等
如果条件不满足，电网与发电机之间产生大的冲击电流和在发电机轴 上产生大的冲击转矩。
2.6 同步发电机功率调节
电网容量很大、频率和电压基本不受负载与其他干扰的影响，即恒 频恒压的电网。发电机的频率和端电压受电网的约束，而与电网保持一 致。
1、测定发电机的有关特性参数，如电压变化率、纵轴同 步电抗、短路比、负载特性等。
2、利用三相电压表读数，判断三相电压的对称性。 3、结合空载试验进行定子绕组层间耐压试验 4、将测量结果进行比较可以作为分析转子是否有层间短 路的参考。
51
4.7 空载特性试验
发电机空载特性曲线就是发电机在空载额定转速下，定子 绕组电压与励磁电流的关系曲线
39
04发电机相关试验
章节主题,中黑20pt
40
4.1 发电机安装交接试验
中华人民共和国国家标准GBGB 50150－2006 <<电气装置安装工程电气设备交接试验标准>>
1 定子绕组的绝缘电阻和吸收比或极化指数； 2 定子绕组的直流电阻； 3 定子绕组直流耐压试验和泄漏电流 4 定子绕组交流耐压试验； 5 转子绕组的绝缘电阻； 6 转子绕组的直流电阻； 7 转子绕组交流耐压试验；
在冲 氢前或排氢后且含氢量3%以下时进行试验，严禁在置换过程中 进行。
45
4.3 定子交流耐压试验
46
4.4 定子铁损和温升
发电机定子铁芯是由硅钢片叠合组装而成的。由于制造和检 修可能存在的质量不良，或在运行中，由于热和机械力的作用， 可能引起片间绝缘损坏，造成短路，在短路区域形成局部过热， 威胁机组的安全运行。所以需进行定子铁芯的损耗试验，一测 定子铁芯单位质量的损耗，测量铁轭和齿的温度，检查各部温 升是否超过规定值，从而综合判断铁芯片间的绝缘是否良好。
直流电
副励磁机输出交流A电VR电压控制
整流
主励磁机输出交流电
旋转二极 管整流桥
主励磁机定子 发电机转子直流电
34
3.4 励磁系统
发电机无刷励磁系统： 主励磁机
旋转二极 管整流桥
9号轴瓦
风扇 永磁机
35
3.4 励磁系统
发电机无刷励磁系统：
主励磁机是旋转电枢式同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转 的硅整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流 由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统取消 了集电环和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。
发电机原理和结构
01.基本电磁定律 02.同步发电机原理 03.阳江发电机系统 04.发电机相关试验
2
01基本电磁定律
章节主题,中黑20pt
3
1.1 电磁感应定律
• 闭合回路中的磁通量随时间发生变化，该线圈中必然有感应电势产生，称 这种现象为电磁感应。
• 线圈中的感应电势将倾向于阻止线圈中磁链的变化。
凸极式
3~
隐极式
3~
+
N
×
－
S
+ －
·····
N S
× × × ×
×
2.4 主要分类
转子的不同 • 凸极式
320MW水轮发电机
三峡电站首台机组安装
14
2.4 主要分类
转子的不同 • 隐极式
15
2.4 三相同步电机的可逆运行
用一对等效磁极表示气隙合成磁场
N n1 n1
N n1 S n1
N n1 n1
44
4.3 定子交流耐压试验
交流耐压试验电压和工作电压的波形、频率一致，作用于绝缘内 部的电压分布及击穿性能能够适应发电机的工作状态，无论从劣化或 热击穿的观点来看，交流耐压试验对发电机主绝缘是比较可靠的检查 考验方法。
要求： a 交流耐压试验电压为：（2Un+1000V）*0.8; b 水内冷电机在通水情况下进行，水质应合格，氢冷电机必须
wenku.baidu.com
N
S
θ
电动机状态
S 理想空载状态
S
θ
发电机运行
2004年7月10日在一核2号机大修将近结束时，错误地合上了发电机输出的 负荷开关，外部电流倒送倒定子线圈，感应生成一个50Hz的旋转磁场，转子上 的合金铝槽楔（良导体）切割磁力线产生感应电动势，通过两端护环形成回路，
电流通过槽楔与护环发热接触点或接触面，结果损坏了护环和槽楔。整个转子 不得不运返法国重修。
有功功率调节
根据能量守恒，增大转子转矩，即增加汽轮机的蒸汽进
气量。
发电机等效电路
I1
R1 jXs
+
E0
U1
－
2.6 同步发电机功率调节
无功功率调节
b
正常励磁
a
电机呈电阻性，不输出无功； I1'
欠励磁
'
电机吸收电感性无功； 过励磁
电机输出电感性无功；
" I1
I1"
b
E0'
E0
jXsI1 jXsI1'
2.3 励磁方式
(1) 直流励磁机励磁 励磁绕组由小型直流发电机供电。
(2) 静止整流器励磁 交流电→整流→直流电
电刷 集电环
励磁绕组
(3) 旋转整流器励磁 交流励磁机→旋转整流桥→直流电→励磁绕组
2.4 主要分类
(1) 按能量转换的方式不同： 同步发动机、同步电动机。
(2) 按相数的不同: 三相、单相。 (3) 按转子结构的不同：
• 若磁场恒定，构成线圈的导体切割磁力线，使线圈交链的磁链随时间变化， 导体中的感应电动势——运动电动势。
eBlv
感应电动势的方向_右手定则
6
1.4 电磁力定律
• 载流导体在磁场中要受到力的作用——电磁力。
FBli
力的方向_右手定则
7
1.5 电磁转矩
• 在旋转电机中，作用在转子载流导体上的电磁力将使转子受到一个力矩 （等于力乘转子半径）——电磁转矩。
三相同步发电机：PN =√3 UNINcosN
• 额定转速 nN ：1500r/min • 额定频率 fN ：50Hz • 励磁电流 If ： 8199 A • 励磁电压 Uf ： 482 V • 冷却方式：水-氢-氢（GST和GRH）
21
3.2 定子
阳江核电站1、2号发电机采用内外定子机座结构，在内外机座间布置 有切向高强度弹簧钢板隔振装置，降低运行期间倍频震动，减轻对厂房和其 他设备的影响
36
3.4 励磁系统
无刷励磁机 • 容 量 5800 kW • 电 压 600 V • 电 流 9667 A • 转 速 1500 rpm • 整流组件总数 48
整流桥
主励磁机转子
永磁铁
37
3.4 励磁系统
副励磁机电枢绕组
旋转整流桥
38
3.5 发电机辅助监测系统
1、转子磁场接地监测系统 2、转子温度测算系统 3、轴电流轴电压在线监测系统 4、发电机局放在线监测系统 5、发电机端部振动在线监测系统 6、发电机匝间短路探测系统 6、发电机中性点接地系统
47
4.4 定子铁损和温升
要求磁通密度B在1T下持续试验时间为90min，齿的最高温 升不大于25K，齿的最大温差不大于15K，单位损耗不大于1.3 倍参考值
48
4.5 转子交流阻抗和功率损耗
测量发电机转子绕组的交流阻抗和功率损耗可以判断转子 绕组是否有匝间短路，转子绕组是一个铁芯电感线圈，当绕组 中有匝间短路时，交流阻抗的数值将减少功率损耗将明显增加。
edNd
dt
dt
其 中N
4
1.2 电动势和磁通相位关系
变压器和电机的绕组中，磁通的变化可以是磁通随时间脉动 或磁通不变，而线圈在转动。
msint
e e T N m co t E s m sit n 9 ) (0
E Em Nm
2
2
2fN m 4.44 fN m
5
1.3 运动电动势
4.6 三相短路特性试验
发电机短路特性试验目的是发电机在三相短路下运转时， 测量定子电流与转子电流关系的试验，它可以检查定子三相电 流的对称性，结合空载特性试验可以决定电机参数和主要特性。
50
4.7 空载特性试验
空载特性试验是发电机在空载和额定转速情况下，测得定 子电压和转子电流关系的试验其目的如下：
同步
P-磁极对数
定子
U1
V2
N
+ If
Uf －
W1
S
转子 励磁
W2 绕组
V1
励磁机→F0
原动机
U2
旋转的 F0 和Φ0
电枢三相 绕组中感应
E0
2.2 主要部件 (1) 定子（电枢）
定子铁心 —— 由硅钢片叠成 定子绕组 —— 对称三相绕组
机座和端盖等
(2) 转子 转子铁心 —— 由整块铸（锻）钢制成 励磁绕组 —— 工作时施加直流励磁
22
3.2 定子
制造中的外定子
23
3.2 定子
内定子（未嵌绕组）
24
3.2 定子
内定子(嵌绕组)
25
3.2 定子
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3.2 定子
发电机端部（未穿转子）
汇水环
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3.2 定子
发电机出线箱
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3.3 转子
转子绕组示意图 N
S
60 f
S
n= p
N
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3.3 转子
转子（未叠绕组）
30
3.3 转子
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4.1 发电机安装交接试验
14 测录三相短路特性曲线； 15 测录空载特性曲线； 16 测量发电机定子开路时的灭磁时间常数和转子 过电压倍数； 17 测量发电机自动灭磁装置分闸后的定子残压； 18 测量相序； 19 测量轴电压； 20 定子绕组端部固有振动频率测试及模态分析； 21 定子绕组端部现包绝缘施加直流电压测量。
Ts FrBlir
• 电磁转矩是电机实现机电能量转换的重要物理量。
• 电动机：电磁转矩——驱动性质（电能——机械能） • 发电机：电磁转矩——制动性质（电能——机械能）
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02同步发电机
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2.1 同步发电机基本原理
●定子： 旋转磁场 ●转子： 直流磁极
●转子转速： 60 f n = n1 = p
U1
Pe = 3 UX1Es 0sin
= 3U1I1cos = 常数
E0" a
jXsI1"
03阳江发电机
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3.1 阳江1号发电机参数
• 额定电压 UN ：线电压的额定值=24kV • 额定电流 IN ：线电流的额定值=29402A • 额定功率 PN ：输出功率额定值=1100MW
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4.1 发电机安装交接试验
8 发电机或励磁机的励磁回路连同所连接设备的绝 缘电阻，不包括发电机转子和励磁机电枢； 9 发电机或励磁机的励磁回路连同所连接设备的交 流耐压试验，不包括发电机转子和励磁机电枢； 10 发电机、励磁机的绝缘轴承和转子进水支座的绝 缘电阻； 11 埋入式测温计的检查； 12 灭磁电阻器、自同步电阻器的直流电阻； 13 转子绕组的交流阻抗和功率损耗（无刷励磁机组， 无测量条件时，可以不测量）；
43
4.2 定子直流耐压和泄露电流
在直流耐压试验过程中，可以从电压和电流的对应关系中观察绝 缘状态，在大多数情况下，可以在绝缘尚未击穿前就能发现或找出缺 陷，直流试验时，对发电机定子绕组绝缘是按照电阻分压的，因而能 较交流耐压更有效地发现端部缺陷和间隙性缺陷，另外击穿时绝缘的 损伤程度较小。
直流耐压试验的试验电压为3Un=72kV，各相泄漏电流值的差别不 应大于最小值的100%，当最大泄漏电流值在20μA以下，各相差值与出 厂试验值比较不应有明显差别
转子（大亚湾）
联轴器对轮 （与汽机转子连接） 护环
风扇
护环
联轴器对轮
（与励磁机转子连接）
风扇
励磁导电杆
前轴颈
铁芯
铝质槽楔
在槽楔上的通风孔
（被胶布临时覆盖）
通风槽 后轴颈
31
3.3 转子
转子引线
发电机端
励磁机转子
励磁机端
发电机转子
导电杆
导电杆
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3.3 转子
穿转子
33
3.4 励磁系统
无刷励磁系统包括： 主励磁机（包括旋转整流盘、外罩、冷却器、底板、底架） 永磁机副励磁机 AVR系统
2.5 同步发电机与电网的并联运行
并网运行的条件
相序一致、频率相同、电压相等
如果条件不满足，电网与发电机之间产生大的冲击电流和在发电机轴 上产生大的冲击转矩。
2.6 同步发电机功率调节
电网容量很大、频率和电压基本不受负载与其他干扰的影响，即恒 频恒压的电网。发电机的频率和端电压受电网的约束，而与电网保持一 致。
1、测定发电机的有关特性参数，如电压变化率、纵轴同 步电抗、短路比、负载特性等。
2、利用三相电压表读数，判断三相电压的对称性。 3、结合空载试验进行定子绕组层间耐压试验 4、将测量结果进行比较可以作为分析转子是否有层间短 路的参考。
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4.7 空载特性试验
发电机空载特性曲线就是发电机在空载额定转速下，定子 绕组电压与励磁电流的关系曲线
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04发电机相关试验
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4.1 发电机安装交接试验
中华人民共和国国家标准GBGB 50150－2006 <<电气装置安装工程电气设备交接试验标准>>
1 定子绕组的绝缘电阻和吸收比或极化指数； 2 定子绕组的直流电阻； 3 定子绕组直流耐压试验和泄漏电流 4 定子绕组交流耐压试验； 5 转子绕组的绝缘电阻； 6 转子绕组的直流电阻； 7 转子绕组交流耐压试验；
在冲 氢前或排氢后且含氢量3%以下时进行试验，严禁在置换过程中 进行。
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4.3 定子交流耐压试验
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4.4 定子铁损和温升
发电机定子铁芯是由硅钢片叠合组装而成的。由于制造和检 修可能存在的质量不良，或在运行中，由于热和机械力的作用， 可能引起片间绝缘损坏，造成短路，在短路区域形成局部过热， 威胁机组的安全运行。所以需进行定子铁芯的损耗试验，一测 定子铁芯单位质量的损耗，测量铁轭和齿的温度，检查各部温 升是否超过规定值，从而综合判断铁芯片间的绝缘是否良好。
直流电
副励磁机输出交流A电VR电压控制
整流
主励磁机输出交流电
旋转二极 管整流桥
主励磁机定子 发电机转子直流电
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3.4 励磁系统
发电机无刷励磁系统： 主励磁机
旋转二极 管整流桥
9号轴瓦
风扇 永磁机
35
3.4 励磁系统
发电机无刷励磁系统：
主励磁机是旋转电枢式同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转 的硅整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流 由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统取消 了集电环和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。
发电机原理和结构
01.基本电磁定律 02.同步发电机原理 03.阳江发电机系统 04.发电机相关试验
2
01基本电磁定律
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3
1.1 电磁感应定律
• 闭合回路中的磁通量随时间发生变化，该线圈中必然有感应电势产生，称 这种现象为电磁感应。
• 线圈中的感应电势将倾向于阻止线圈中磁链的变化。
凸极式
3~
隐极式
3~
+
N
×
－
S
+ －
·····
N S
× × × ×
×
2.4 主要分类
转子的不同 • 凸极式
320MW水轮发电机
三峡电站首台机组安装
14
2.4 主要分类
转子的不同 • 隐极式
15
2.4 三相同步电机的可逆运行
用一对等效磁极表示气隙合成磁场
N n1 n1
N n1 S n1
N n1 n1
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4.3 定子交流耐压试验
交流耐压试验电压和工作电压的波形、频率一致，作用于绝缘内 部的电压分布及击穿性能能够适应发电机的工作状态，无论从劣化或 热击穿的观点来看，交流耐压试验对发电机主绝缘是比较可靠的检查 考验方法。
要求： a 交流耐压试验电压为：（2Un+1000V）*0.8; b 水内冷电机在通水情况下进行，水质应合格，氢冷电机必须
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N
S
θ
电动机状态
S 理想空载状态
S
θ
发电机运行
2004年7月10日在一核2号机大修将近结束时，错误地合上了发电机输出的 负荷开关，外部电流倒送倒定子线圈，感应生成一个50Hz的旋转磁场，转子上 的合金铝槽楔（良导体）切割磁力线产生感应电动势，通过两端护环形成回路，
电流通过槽楔与护环发热接触点或接触面，结果损坏了护环和槽楔。整个转子 不得不运返法国重修。
有功功率调节
根据能量守恒，增大转子转矩，即增加汽轮机的蒸汽进
气量。
发电机等效电路
I1
R1 jXs
+
E0
U1
－
2.6 同步发电机功率调节
无功功率调节
b
正常励磁
a
电机呈电阻性，不输出无功； I1'
欠励磁
'
电机吸收电感性无功； 过励磁
电机输出电感性无功；
" I1
I1"
b
E0'
E0
jXsI1 jXsI1'
2.3 励磁方式
(1) 直流励磁机励磁 励磁绕组由小型直流发电机供电。
(2) 静止整流器励磁 交流电→整流→直流电
电刷 集电环
励磁绕组
(3) 旋转整流器励磁 交流励磁机→旋转整流桥→直流电→励磁绕组
2.4 主要分类
(1) 按能量转换的方式不同： 同步发动机、同步电动机。
(2) 按相数的不同: 三相、单相。 (3) 按转子结构的不同：
• 若磁场恒定，构成线圈的导体切割磁力线，使线圈交链的磁链随时间变化， 导体中的感应电动势——运动电动势。
eBlv
感应电动势的方向_右手定则
6
1.4 电磁力定律
• 载流导体在磁场中要受到力的作用——电磁力。
FBli
力的方向_右手定则
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1.5 电磁转矩
• 在旋转电机中，作用在转子载流导体上的电磁力将使转子受到一个力矩 （等于力乘转子半径）——电磁转矩。
三相同步发电机：PN =√3 UNINcosN
• 额定转速 nN ：1500r/min • 额定频率 fN ：50Hz • 励磁电流 If ： 8199 A • 励磁电压 Uf ： 482 V • 冷却方式：水-氢-氢（GST和GRH）
21
3.2 定子
阳江核电站1、2号发电机采用内外定子机座结构，在内外机座间布置 有切向高强度弹簧钢板隔振装置，降低运行期间倍频震动，减轻对厂房和其 他设备的影响
36
3.4 励磁系统
无刷励磁机 • 容 量 5800 kW • 电 压 600 V • 电 流 9667 A • 转 速 1500 rpm • 整流组件总数 48
整流桥
主励磁机转子
永磁铁
37
3.4 励磁系统
副励磁机电枢绕组
旋转整流桥
38
3.5 发电机辅助监测系统
1、转子磁场接地监测系统 2、转子温度测算系统 3、轴电流轴电压在线监测系统 4、发电机局放在线监测系统 5、发电机端部振动在线监测系统 6、发电机匝间短路探测系统 6、发电机中性点接地系统
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4.4 定子铁损和温升
要求磁通密度B在1T下持续试验时间为90min，齿的最高温 升不大于25K，齿的最大温差不大于15K，单位损耗不大于1.3 倍参考值
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4.5 转子交流阻抗和功率损耗
测量发电机转子绕组的交流阻抗和功率损耗可以判断转子 绕组是否有匝间短路，转子绕组是一个铁芯电感线圈，当绕组 中有匝间短路时，交流阻抗的数值将减少功率损耗将明显增加。
edNd
dt
dt
其 中N
4
1.2 电动势和磁通相位关系
变压器和电机的绕组中，磁通的变化可以是磁通随时间脉动 或磁通不变，而线圈在转动。
msint
e e T N m co t E s m sit n 9 ) (0
E Em Nm
2
2
2fN m 4.44 fN m
5
1.3 运动电动势