第一讲 水轮发电机基本原理及运行特性

B B1
Φ
ψ = NΦ dψ
e
H1
H
dΦ e=− = −N dt dt
某线圈中的磁链发生变化时， 某线圈中的磁链发生变化时，将在该 线圈中产生一感应电势。 线圈中产生一感应电势。该感应电势 的数值，与磁链的变化率成正比； 的数值，与磁链的变化率成正比；该 感应电势的方向， 感应电势的方向，将倾向于产生一个 电流来阻止线圈中磁链的变化。 电流来阻止线圈中磁链的变化。
铁磁物质包括铁镍钴及其合金。 铁磁物质包括铁镍钴及其合金。同样的激励电流在铁磁介 质中产生的磁感应强度比在非磁性介质中产生的磁感应强 度大得多，磁场会显著增强。 度大得多，磁场会显著增强。 磁畴：天然的磁化小区。铁磁物质的磁化。 磁畴：天然的磁化小区。铁磁物质的磁化
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◆磁滞损耗pCz 磁滞损耗
※安培（A）： 安培（ ）： 真空中两根相距1m的无限长圆导线 截面积可忽略)， 的无限长圆导线(截面积可忽略 真空中两根相距 的无限长圆导线 截面积可忽略 ，通过一定 的恒定电流，若两导线每米的作用力为2*10-7牛顿，则这一恒定 牛顿， 的恒定电流，若两导线每米的作用力为 电流定义为1A。 电流定义为 。
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水轮发电机原理 及结构介绍
主讲:电机二室张 翀 主讲:
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本讲座主要内容： 本讲座主要内容：
◎水轮发电机基本原理及运行特性 ◎水轮发电机结构特点 ◎灯泡贯发电机结构简介
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第一讲 水轮发电机 基本原理及运行特性
☆电机的基本概念 ☆同步电机的基本原理 ☆发电机对称运行时的特性 ☆水电站简介
N
e v
S
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N
F = BIl
F
S
I
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※铁心损耗
◆电机中的损耗主要包括：铁心中的损耗（铁耗 电机中的损耗主要包括：铁心中的损耗（ ），铜线中的损耗 铜耗），机械损耗， 铜线中的损耗（ ），机械损耗 pFe=pCz+pWL ），铜线中的损耗（铜耗），机械损耗，杂散 损耗等。其中铁耗产生机理比较复杂。现简介如下。 损耗等。其中铁耗产生机理比较复杂。现简介如下。
主磁通
漏磁通
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材料的磁化曲线 B-H线 线
※如何产生电（电流或者电势） 如何产生电（电流或者电势）
•变化的磁场产生电势 变化的磁场产生电势 磁场本身时变（变压器原理） 磁场本身时变（变压器原理） 切割磁力线运动（发电机原理） 切割磁力线运动（发电机原理） •精确描述：法拉第定律 精确描述： 精确描述
1A 1m
2 × 10 N
−7
1A 1m
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※伏特（V 电压单位） 伏特（ 电压单位） 1A的电流通过一定长度的导线，产生 的电流通过一定长度的导线， 的功率消耗时， 的电流通过一定长度的导线 产生1W的功率消耗时，该 的功率消耗时 导线两端之间的电位差定义为1V 导线两端之间的电位差定义为 . ※法拉（F 电容单位） 法拉（ 电容单位） 电容器充1库仑电量 电容的两极板间能产生1V的电位差的 库仑电量， 电容器充 库仑电量，电容的两极板间能产生 的电位差的 电容值称为1F 电容值称为 ※欧姆（电阻单位） 欧姆（电阻单位） 导体两端加1V电位差 产生1A电流时 导体阻值为1欧姆 电位差， 电流时， 导体两端加 电位差，产生 电流时，导体阻值为 欧姆 ※韦伯（磁通量单位） 韦伯（磁通量单位） 在一匝线圈的电路中， 的电动势在1s钟内均匀地降为 在一匝线圈的电路中，将1V的电动势在 钟内均匀地降为 的电动势在 钟内均匀地降为0 时所产生的磁通量定义为1Wb 时所产生的磁通量定义为
pWL = C e ∆ f B V
2 2 2 m
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※磁化曲线，磁滞回线，硬磁材料，软磁材料 磁化曲线，磁滞回线，硬磁材= f (H
a
b
)
c
O
Hc f
H
O
B
H
Br
O
Hc
d
e
B
Br
H
Hc
O
H
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4.电磁量的单位（SI） 电磁量的单位（ ） 电磁量的单位
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一、电机的基本概念
1.电机的定义 电机的定义
电机是以电磁感应理论为原理， 电机是以电磁感应理论为原理，来实现能 量转换或信号传递的电气设备或机电元件
N n1 S n1
TT+ n1 S n1 N
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2.电机类型 电机类型
• 按原理分类：发电机／电动机／变压器 按原理分类：发电机／电动机／ • 按电流分类：直流电机／交流电机（同步／异 按电流分类：直流电机／交流电机（同步／ 变压器等） 步／变压器等） • 按运动方式、使用场合 按运动方式、使用场合……分类 分类 • 注：某台电机，结构上不作任何改变，即 某台电机，结构上不作任何改变， 可作为发电机使用，也可作为电动机使用， 可作为发电机使用，也可作为电动机使用，这 便是电机的可逆性原理。 便是电机的可逆性原理。
∫ Hdl = ∑ I
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※磁路的概念：
在电机和变压器中，常把线圈套装在铁心上。线圈通电时， 在电机和变压器中，常把线圈套装在铁心上。线圈通电时，线圈周围空间 包括铁心内外）将形成磁场。由于铁心的导磁性能比空气高出许多倍， （包括铁心内外）将形成磁场。由于铁心的导磁性能比空气高出许多倍， 所以大部分磁通将在铁心中通过，称为主磁通。围绕载流线圈、 所以大部分磁通将在铁心中通过，称为主磁通。围绕载流线圈、在部分铁 心和铁心周围的空间，还存在少量分散的磁通，称为漏磁通。 心和铁心周围的空间，还存在少量分散的磁通，称为漏磁通。其路径分别 构成主磁路和漏磁路。 构成主磁路和漏磁路。
※安/米（磁场强度的单位） 米 磁场强度的单位） 磁感应强度与介质磁导率的比值，定义为磁场强度。 磁感应强度与介质磁导率的比值，定义为磁场强度。
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二、同步电机的基本原理
※同步电机是一类非常重要的交流电机。与异步电 步电机是一类非常重要的交流电机。 机不同，同步电机主要用作发电机， 机不同，同步电机主要用作发电机，用来生产交 流电能。 流电能。现代电力网中的巨大的电能几乎全部由 同步发电机提供 同步电机有三种运行方式：发电机、电动机、 ※同步电机有三种运行方式：发电机、电动机、补 偿机 ※同步发电机与配套的原动机一起构成发电机机组
I1 I 2 I 3
※如何产生磁场
电流周围存在磁场（电磁场） 电流周围存在磁场（电磁场） 永久磁铁可以产生磁场。 永久磁铁可以产生磁场。 电机学中把获取磁场的方法称为励磁方式。 电机学中把获取磁场的方法称为励磁方式。 H 电流产生磁场规律的精确描述： 电流产生磁场规律的精确描述：安培全电流定律 在环绕着载流导体的任意一个磁通闭合回路中， 在环绕着载流导体的任意一个磁通闭合回路中，磁场强度沿着 该回路的线积分，等于该闭合回路所包围电流的总和。 该回路的线积分，等于该闭合回路所包围电流的总和。
n同 步
60 f 3000 = = p p
的工频时， ※注：50Hz的工频时，同步电机的转速永远是固定不变的这 的工频时 些固定值也称为同步转速， 同步。 些固定值也称为同步转速，即与定子旋转磁场的转速 n1 同步。 这也是同步电机名称的由来。 这也是同步电机名称的由来。 原动机拖动，则为同步发电机。 ※ 原动机拖动 ， 则为同步发电机 。 定子绕组磁势产生的气隙 圆形旋转磁场与转子励磁产生的磁场有相同的极对数， 圆形旋转磁场与转子励磁产生的磁场有相同的极对数 ，磁极相 互吸引， 互吸引，驱动转子旋转则为同步电动机
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1、同步电机(Synchronous Machines)原理简述 、同步电机 原理简述 1.1结构模型 结构模型
※定子上有三相对称交流绕（电枢 定子上有三相对称交流绕（ 绕组U1-U2、V1-V2、W1-W2）。 绕组 、 、 ）。 转子上有成对磁极、励磁绕组。 ※转子上有成对磁极、励磁绕组。 通以直流电流时， ※通以直流电流时，将会在电机的 气隙中形成磁场， 气隙中形成磁场，称为励磁磁场 (也称主磁场、转子磁场 。 也称主磁场、 也称主磁场 转子磁场)。 ※定、转子之间的气隙层的厚度和 形状对电机内部磁场的分布和同步 电机的性能有重大影响。 电机的性能有重大影响。 ※除了转场式同步电机外，还有转 除了转场式同步电机外， 枢式同步电机。 枢式同步电机。
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※特斯拉（磁通密度单位） 特斯拉（磁通密度单位） 垂直于磁感应线的1平方米面积上通过 平方米面积上通过1Wb的磁通量时，定 的磁通量时， 垂直于磁感应线的 平方米面积上通过 的磁通量时 义磁通密度为1T. 义磁通密度为 ※亨利（电感单位） 亨利（电感单位） 回路中流过1A电流时产生 电流时产生1Wb磁链的电感称为 磁链的电感称为1H 回路中流过 电流时产生 磁链的电感称为
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★当某一导体（线圈）在磁场中切割磁力线时，则在 当某一导体（线圈）在磁场中切割磁力线时， 导体中将会产生感应电势
e = Blv
方向：用右手手掌定则判断。 方向：用右手手掌定则判断。 ※如何产生力 •磁场对处于其中的电流具有力的作用。 磁场对处于其中的电流具有力的作用。 磁场对处于其中的电流具有力的作用 •精确描述：毕．萨．拉电磁力定律 精确描述： 精确描述 •特例：磁场与导体垂直的情况 特例： 特例
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1.2同步电机工作原理 同步电机工作原理
旋转； ※原动机拖动转子以 n (r/min)旋转； 旋转 ※电机内部有磁场存在；（励磁绕组通过滑环接通直流电励 电机内部有磁场存在；（励磁绕组通过滑环接通直流电励 ；（ 建立极性相间的励磁磁场，即主磁场； 磁，建立极性相间的励磁磁场，即主磁场；微型电机也有用 永久磁钢产生主磁场的。 永久磁钢产生主磁场的。） ※电枢导体被磁场切割切割感应电势，由于三相绕组对称故 电枢导体被磁场切割切割感应电势， 可发出三相交流电能。 可发出三相交流电能。
n pCz = C h f Bm V
◆涡流损耗pWL 涡流损耗
穿过铁磁物质的磁场交变时，铁心中将产生感应电势， 穿过铁磁物质的磁场交变时，铁心中将产生感应电势，并在铁 心中引起环流，这些环流围绕磁通作涡旋状流动，称为涡流。 心中引起环流，这些环流围绕磁通作涡旋状流动，称为涡流。 由此引起的损耗称为涡流损耗。 由此引起的损耗称为涡流损耗。
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2.电机的类型 续) 电机的类型(续 电机的类型
单相交流电机 鼠笼式 交流电机 三相交流电机 隐极式(汽轮发电机) 旋转电机 串励 并励 电机 直流电机 他励 复励 变压器 同步电机 凸极式(水轮发电机) 异步电机 绕线式
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3.电机理论基础 电机理论基础
※电磁感应原理简介
１００多年前， 人们从电磁现象出发， １００ 多年前，人们从电磁现象出发 ， 总结出系统的电磁理 多年前 一个最直接的产品就是电机。电磁感应理论是研究电场、 论 。 一个最直接的产品就是电机 。 电磁感应理论是研究电场 、 磁 机械运动之间关系的学问。 场、机械运动之间关系的学问。 电机中总是存在磁场／电流／作用力。 电机中总是存在磁场／电流／作用力。
铁磁物质处于交变磁场中时，材料被反复磁化，磁畴相互摩擦 铁磁物质处于交变磁场中时，材料被反复磁化，磁畴相互摩擦, 消耗能量，造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗。体积为V的铁 消耗能量，造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗。体积为 的铁 的磁场中时，磁滞损耗为(n=1.6~2.3)： 磁物质置于交变频率为 f 的磁场中时，磁滞损耗为 ：
E0 = 4.44N f Φ f kw1 pn同步 （这里的 n同步 属于同步机的转速） 感应电势频率: ※感应电势频率 f = 60
感应电势有效值: 感应电势有效值
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1.3同步转速 同步转速
应该是一个不变的值， ※交流电网的频率 f 应该是一个不变的值，这就要求发电机 的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz ，故 的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为 同步电机转子的转速为: 同步电机转子的转速为
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2 同步电机型式和结构
2.1概 述 概 ※特点
发电机 GS or. TF — 机 械 能 同步 电动机 MS or.TD — 交流电能 —— 功率因数补偿 调相机 同步电机的转速永远是固定不变的。 同步电机的转速永远是固定不变的。 交流电能 机 械 能
※发展方向
倾向于制造单机容量较大的GS； 倾向于制造单机容量较大的 ； 推广高、 尖技术。 推广高、精、尖技术。 容量增大后，损耗大了，发热量增加）； （1）通风冷却问题 （容量增大后，损耗大了，发热量增加）； ） （2）绝缘问题（电压升高了） ； ）绝缘问题（电压升高了） （3）机械强度问题（转速高了）。 ）机械强度问题（转速高了）。