发电机工作原理

N
S
S
– 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 率n =60 f / p 同步旋转
N S
N S
N 电流I
123
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：
– 耦合磁体
– “齿轮
定子磁场
N
S
N
S
S
N
S
N
转子磁场
转矩的产生 – Maxwell 应力
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）
ance Power
有功功率
Undervoltage Rated voltage
er w
Overvoltage
o
P
4
ve
cti
定子温升限制线 A
实际稳定极限限制线0.95
? 磁力线形成的力（磁拉力） 依据计算公式：
B2 ??
2? 0
空载时 定子线Hale Waihona Puke Baidu内没有电流 磁力线和磁拉力沿径向对称分布 没有切向应力 ? 没有转矩
空载运行
No S没ta有to定r F子ie磁ld场
S
N
S
N
R转o子tor
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
磁极
U1 U2
U
1
2
定子线圈
时间 t
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
电压 U
U VW
123
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)
水轮发电机通风冷却
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）
Cooling Water
半水内冷系统
（定子绕组水内冷，转子绕 组、定子铁芯空气冷却）
Cooling Water
全水内冷系统
（定子绕组、转子绕组、 定子铁芯全部水内冷）
Cooling Water
线和切向磁拉力 – 转矩产生了
定子磁场
N
S
N
S
N
S
N
R转o子tor
负载运行
不同运行方式下的模型
? 运行方式
– 空载: 径向磁力线, 没有转矩
– 电动机运行: 定子磁场 “拉着” 转子磁场 (驱动转 矩)
空载
– 发电机运行: 转子磁场 “拉着”定子磁场 (制动转矩)
? 失步
– 磁力线不能 “约束” 磁拉力
0.2
0.10
1.0
0.8
0.6
Reactive Power Underexcited
失励圆
0.4
0.2
0.0
0.2
Apparent Power 1 p.u. = 151800 kVA
0.8～0.9（滞后），贯流发电机0.9～0.95（滞后）。 3. 额定电压UN：指线电压（V或kV）。按国家标准，发电机标准电压：3.15kV，
6.3kV，10.5kV，13.8kV ，15.75kV ，18kV ，20kV 和24kV 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）
11. 额定效率? N （%）或加权平均效率 （%）：
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155?C。温升指绝缘温度 与冷却介质的温度（一般为40?C ）差。
13.机坑直径尺寸（mm ）限制
14.起吊设备能力（t）限制
15.运输尺寸重量（m3，t）限制
电动机运行
发电机运行
?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SN（kVA ）或有功功率PN（kW）表示； 2. 额定功率因数cos ? N： PN= SN?cos ? N ，QN= SN?sin ? N 一般发电机功率因数
中性点
U2
V2
UN
W2 三相星形连接
U
V 机端 W
U2
U
V2
V
W2
W
三相三角形连接
p u,i
P＝U ?I
有功功率
P
视在功率
S
?
Q
无功功率
5. 额定频率fN（Hz）：我国电网标准频率为50Hz fN 确定同步电机的极对数 p=60 fN / nN
,额定转速nN（r/min ）：按水轮机。由额定转速nN和额定频率
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
?定子线圈
水轮发电机工作原理
三相交流凸极同步电机
定子铁芯
定、转子 间空气隙 磁极铁芯 磁极线圈
转子磁轭
转子 定子
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： – 2p个磁极
N S
– 磁路
与电磁设计相关联的发电机振动问题
? 定子的100Hz频率的零节点振动：由电网电压不平衡产 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 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 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 （50～80％）下可能产生。
0.95
0.90
1.0
2
0.90
0.85
0.85
0.80
0.80
0.95 pu 1.00 pu 1.05 pu
Power Factor
0.75
0.8 0.70
0.75 0.70
0.60
0.50
0.40 3
0.30
0.20
0.10
65
0.60
0.6
转子温升0.50 限制线
0.40 0.4
0.30
1 0.20
? 转速和频率：
N
– 从定子侧看，磁 场的变化频率为 f
– 那么每分钟机械转速 n S
为
N
n ? 60 f p
S N
S
电压的产生
? 定子线圈
– 转子旋转时，从定子线圈 侧可以看到随时间变化的 磁场
– 感应电压（如图示的两个 线圈U1, U2 ）的频率为：
f ? pn 60
n : 机械转速 (转/分钟) f : 电网频率 (Hz) p : 磁极对数
6.飞逸转速nr （r/min ）：按水轮机。
7.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。
8. 短路比 Kcc ：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。
10. 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。