汽轮发电机的工作原理

二、不计磁路饱和时汽轮发电机的电压方程及等值电路 1．磁路饱和的概念 发电机磁路饱和主要是定、转子铁芯的饱和，它将导致 发电机空载电动势与励磁电流为非线性的关系。

二、不计磁路饱和时汽轮发电机的电压方程及等值电路 2．发电机电压方程及等值电路

E0 U I (R jX d ) U IZd
（4） 极对数：和转子磁极的极对数相同。
励磁磁势和电枢磁势的区别
基 波 大 波 形 小 位 置 转 速 转 向
励 磁 正弦波 恒定，由 由转子位 由原动机的 励磁电流 置决定 转速决定 磁 势
决定
电 枢 正弦波 恒定，由 由电枢电 由电枢电流 电枢电流 流瞬时值 的频率大小 反 应 决定 决定 和相序决定 磁 势


6．发电机的功率损耗和效率
pmec P1
p0
pFe
pCuf
PM
pCu p 0
P2
p p
mec
pFe pCu pCuf p
P2 P2 100% 100% 96% ~ 98.5% P1 P2 p

四、同步发电机的并联运行
1．同步发电机投入并联的方法 准同期法：发电机并网前已经励磁，通过调节， 使发电机与系统电压差，频率，相角差均在允许 范围内并列的并列。自动准同期是正常并列应采 用的方法，而手动准同期常作为备用。 自同期法：先将励磁绕组经过一个电阻闭路（阻 值为励磁绕组电阻的5-10倍），在不给励磁的情 况下开机，将发电机的转速升到接近同步转速， 合上并列用断路器，再加励磁，利用发电机的自 整步作用，将发电机拉入同步。
2)
900（落后），cos 0 的情况
Fa 与 Ff 1 相差 1800 ， Fa对 Ff 1起去磁作用， 此时的 叫直轴去磁电枢反应磁动势。 Fa
直轴去磁电枢反应使合成磁 动势 F 比 Ff 1 减小，气隙 磁密比空载时减小，感应电 动势相应减小， F 与 Ff 1 同 相位，即 θ 00

同时，由隐极机的功角特性式还可看出，在U＝常数时， 同步电机可作为发电机运行，此时 δ>0 ，同步机向电网输 出有功功率；同步机也可作为电动机运行，此时 δ<0 ，同 步电机从电网吸收有功功率。


2、同步发电机的暂态稳定
暂态稳定：发电机突然加负载、切除负载等正 常操作运行时，或者在发生突然短路、电压突 变、发电机失去励磁电流等非正常运行，以及 遭受到大的或是一定数值参数变化或负载变化 时，电机是否还能保持同步运行的问题。（大 的扰动） 下面以系统发生短路为例，来分析系统的动态 稳定。

U A
As
Ag
S
Bs
U As

'' IA
G
U Ag

Cs
Bg
Cg
冲击电流：
U A I " , iim 2 1.9 I A " Z G ZS
" A
通常要求，冲击电流不超过发电机出口短路电流的5%-10%

2．用同步表准同期并列的方法
◆电压表PVl和PV2分别监视电网和待并发电机的电压，调节待并发 电机的励磁电流，可使发电机电压与电网电压相等。 ◆频率表PFl和PF2分别监视电网和待并发电机的频率，调节待并发 电机的原动机转速，可使发电机的频率与电网频率相等。 ◆待并发电机的电压相位与电网电压相位可由同步表 PS监视，同步 表指针向“快”的方向摆，表明待并发电机的频率高于电网频率， 反之亦然。

ra
+
A
A
E0 Ead Eaq E
O
Ik
If
-
ra
ra
A A
U0 E0 I k E0 UN
气隙线（短路不饱和）
h b
a
c
空载特性
U0 f ( I f )
1.25 I N IN Ik 0
短路特性
Ik f ( I f )
K
O
Ff I f
Ff 0 If0
Ff I fN If
3．负载特性 负载特性是指在n = ne，I = Ie =常数，cos 常数的条件 下，发电机的端电压U与励磁电流If之间的关系曲线。
A, j
E0
Faq

Fa
IA
Fad

d轴
Fad Fa sin F F cos aq a
Ff 1
q轴
结论： 电枢反应的性质（去磁、助磁或交磁）因负载性 质（感性、容性或阻性）和大小的不同而不同。

一般情况下发电机带感性负载，此时：
（1）电枢磁势的一部分产生横轴交磁电枢反应 （磁场畸变一个角度+略有去磁，横轴电枢电流在 电机内部产生电磁力矩.） （2）电枢磁势的另一部分产生纵轴去磁电枢反 应（磁场去磁，纵轴电枢电流使发电机的端电压 改变，但不产生力矩。）

f
P
P1
e ΔP a
b
e
k
k
k
d
c
P0
a
b
k
e
d
f
P3
E
c
PT P2
0
f
m k k k
k
c
k m
c
0 c

k 0
k
t
(a)运行点的变化轨迹
(b)过剩功率、转速、功角随时间的变化
发电机暂态稳定
f
P
P1
ΔP a e
b
h d
c
h h
t
e
P0
a
b
k
A－max A+ h
结论：
定子绕组的基波电枢磁动势和转子的基波励磁 磁动势，它们的转速、转向、极对数均相同，彼此 之间相对静止，因此两者的合成磁动势将是一个同 样转向、转速、极对数的旋转磁动势，由它们合成 在电机中产生气隙磁场。
谐波电枢磁动势和励磁磁动势没有固定作用， 不能合成恒定的磁动势。谐波励磁磁动势很小。
2、电枢反应 对称负载时，电枢磁势的基波对励磁磁势基波的 影响，称为电枢反应。这种影响使得气隙磁通的 大小及位置均发生变化.
并列在电网上运行的同步发电机，经常会受到来到电力 系统或原动机方面某些微小的扰动，导致发电机输入功率 微的扰动，同步发电机能否在这种瞬间扰动消除后，恢复 到原来的稳定运行状态，这就是同步发电机运行的静态稳 定问题。如果能恢复到原运行状态，则发电机处于“静态 稳定”状态；反之，则处在“静态不稳定”状态。 综上所述，从发电机功角特性曲线上可看出，当功角在 0°～90°范围内，电磁功率PM 将随着功角δ的增大而增 大,机组运行是稳定的；当功角在90°～180°范围内，电 磁功率Pm 将随着功角δ的增大而减小，机组运行是不稳定 的。
C相轴
x
Z
B
B相轴
设绕组电流正方向为“尾端进，首端出”，磁动势正方向 与电流符合右手螺旋定则，一相绕组均用整距集中绕组来表示.
• 三个角
内功率因数角 : 是 E 0 与 I 的时间相位角, 与电机参数及负载有关; 外功率因数角 : 是U 与 I 的时间相位角, 与负载有关; 功率角(功角) : 是 E 0 与U 的时间相位角三者关系 . :



• 四个轴
直轴（纵轴、d 轴） ：主磁极轴线位置。 交轴（横轴、q 轴） ：与直轴成 900 电角度的位置。 相轴： 每相绕组的轴线位置。 时轴: 时间相量在其上投影可得瞬时值
1） 0 ，cos =1的情况
0
j, A
E0
F
I


结论：
Ff 1
Fa
电枢反应磁动势 Fa 落后励磁磁动势 F f 1 900 空间电角度，叫做交轴电枢反应磁动势，交 轴电枢反应使合成磁动势 F 与励磁磁动势 F f 1 不在一个方向上，相差一个相角 θ 。
h
d
P3
PT
P2

c
0
c
b
0 c
h
0
c
（a）运行点的变化轨迹
（b）过剩功率、转速、功角随时间的变化
暂态稳定的丧失
六、隐极同步发电机安全运行极限 同步发电机的运行极限图（又称功率图或P-Q容量曲线， 对运行人员按允许负荷运行，保障机组安全有很大的帮助。


U0 E0 0 UN
气隙线
h b
a
c
空载特性
饱和区 过渡区
磁路的饱和系数 If0 K ＞1 I f
气隙 磁动势 总励磁 磁动势
铁芯 磁动势
线性区
通常取下降分支
O
Ff Ff 0 I f I f 0 空载特性(磁化曲线）
Ff If
2．短路特性 短路特性是指发电机在额定转速下，电枢绕组作三相稳 态短路实验时，短路电流Ik与励磁电流If之间的函数关系。 短路特性的测量方法：
(r/min)
（3） 转向：沿通电相序A、B、C的方向，它与转子转向相同
（4） 极对数：和转子极对数Ｐ相同，决定于绕组的节距 y1
2 ）转子励磁绕组通入直流产生基波励磁 磁动势 Ff 1
（1） 大小： Ff 1 1 k f N f if
2

(A)
（2） 转速：和转子转速一样为同步速； （3） 转向：和转子转向一致；

2．准同期并列的条件 并联投入时，应避免产生大的电流冲击和转轴受到突然 的扭矩。并联合闸必须满足四个条件： 1.待并发电机电压与系统电压大小相同，允许相差±5％ 的额定电压值。 2.待并发电机电压与系统电压相位相同，允许相角差控 制在10º以内。 3.待并发电机频率与系统频率相同，允许相差±0.05～ 0.1HZ以内。 4.待并发电机相序与系统相序相同。 如果条件不满足，待并发电机与系统间将有电压差（可 能还是变化的），从而出现冲击电流。
汽轮发电机的工作原理
汽轮发电机的技术参数 链接

PN 3U N I N cosN
一、对称负载时同步发电机的电枢反应 1、磁动势分析
1) 定子三相对称绕组中对称三相电流产生基波电
枢磁动势 Fa
（1） 大小： Fa 1.35 N1I1kdp1 (A)
p
60 f1 （2） 转速：n1 p

4．外特性 外特性表示发电机在额定转速下，励磁电流If为常数，功 率因数为常数的条件下，端电压U与负载电流I的函数关系。

5．调整特性 cos 常数时， 励磁 调整特性就是当n=ne时，U=常数， 电流If与负载电流I之间的关系曲线，

特性曲线的应用： （1）空载特性，仅用来判定空载励磁电压和电流与设计 说明书是否相符； （2）短路特性和空载特性并用，从而求得发电机的一些 重要参数,如同步电抗、短路比等； （3）外特性和调整特性，则反应出定子电压、负载电流 及励磁电流三者之间的一些变化曲势，从而帮助我们来分 析在运行中一些量的变化，会影响到哪些量的变化，最终 采取何种补救措施来维持机组的稳定。

3．准同步并列手段 手动准同步、自动准同步、半自动准同步
规程规定：发电机并列应以自动准同步并列方式为基本 操作方式，如自动准同步并列方式不良应改为手动准同步 并列方式。

五、同步发电机的功角特性和稳定

1、同步发电机的功角特性和静态稳定
3UE0 PM sin =PM .max sin Xd
准备知识
Fa ——空间基波电枢磁动势向量
F f 1 ——空间基波励磁磁动势向量
E0 ——空载时定子一相电动势
三个角，四个轴
n
内功率因数角
.
A轴
A相轴
q轴
时轴
E0A

.

功率角 外功率因数角
n
Y
x
交轴/横轴/q轴
C
IC
UA
I
. A
ψ
.
d轴
.
Ff
A
直轴/d轴
N
S
xX
E 0C
IB
.
E 0B
Ff 1
j +A
E0

Fa
F
I
4）
为落后的一个任意角
q轴
A, j

Fa
E0
F
IA

Ff 1
d轴
电枢反应磁动势 Fa 可以分解为两个分量：
A、沿直轴方向的分量 Fad 对 Ff 1 起去磁作用； B、沿交轴方向的分量 Faq 使合成磁动势 F 与 Ff 1 产生夹角 θ 。
Xd XS Xa Zd R jX d X d 同步电抗 Z d 同步阻抗
隐极发电机的相量图
已知发电机的端电压、负载电流和功率因数 c os 及参数 R、X c ，负载为感性。
Biblioteka BaidujIX c
E0
U
Ir

I
三、同步发电机的运行特性 1．空载特性 发电机空载时，在额定转速下，端电压与励磁电流之间 的函数关系称为空载特性。 空载特性曲线的测量： •（1） 励磁电流由零升至最大值 •（2） 励磁电流由最大值降为零 • 由于铁磁材料磁滞的原因空载电势略有不同，一般取 下降的空载特性曲线
F f 1 F
j +A E0

I
Fa
3)
900（超前），cos 0 的情况
Fa 与 Ff 1 相差 00 ， Fa对 Ff 1起助磁作用， 此时的 叫直轴助磁电枢反应磁动势。 Fa
直轴助磁电枢反应使合成磁 动势 F 比 Ff 1 增加，气隙 磁密比空载时增大，感应电 动势相应增大， F 与 Ff 1 同 相位，即 θ 00