同步發(fā)電機的基本工作原理

1.發(fā)電機主要構(gòu)成部分

2.發(fā)電機原理發(fā)電機工作原理發(fā)電機基本構(gòu)成和作用1.定子（定子鐵芯、定子繞組）2.轉(zhuǎn)子(2)勵磁繞組

勵磁繞組是由矩形的絕緣扁銅線繞成同心線圈，兩線圈邊分別放置在大齒兩側(cè)所開出的槽內(nèi)，所有線圈串聯(lián)組成勵磁繞組，構(gòu)成轉(zhuǎn)子的直流電路。勵磁繞組引出的兩個線端接在滑環(huán)上，并通過電刷與外電路直流電源相連接。注意:勵磁繞組的各線匝間需墊有絕緣材料，同時，線圈和鐵芯之間也需有可靠的“對地絕緣”。(3)緊固件

轉(zhuǎn)子緊固件包括護(hù)環(huán)和中心環(huán)。由于汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速高，繞組端部受到很大的離心力，所以必須采用護(hù)環(huán)和中心環(huán)來可靠地固定，如圖所示。護(hù)環(huán)把轉(zhuǎn)子勵磁繞組的端部套緊，以防繞組端部甩出。中心環(huán)用來支持護(hù)環(huán)和防止轉(zhuǎn)子繞組端部的軸向位移。為了減少端部漏磁場，護(hù)環(huán)采用非導(dǎo)磁合金鋼材料。作用：保護(hù)轉(zhuǎn)子繞組端部(4)滑環(huán)

直流電流通過截止的正負(fù)極性的電刷、兩互相絕緣且套在轉(zhuǎn)軸上隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的滑環(huán)引入轉(zhuǎn)子勵磁繞組。(5)風(fēng)扇

汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子細(xì)長，通風(fēng)冷卻比較困難，故轉(zhuǎn)子的兩端一般裝有軸流式或離心式風(fēng)扇，用以改善冷卻條件?；h(huán)風(fēng)扇(1)定子鐵芯

定子鐵芯是主磁路的一部分,嵌放定子繞組。一般由厚0.5mm或0.35mm的硅鋼片疊成，沿軸向疊成多段形式，每段疊片厚為30-60mm。各段疊片之間留有寬約10mm的通風(fēng)槽，以改善定子鐵芯的散熱條件，如圖所示。

為減少漏磁防止渦流引起過熱，在定子鐵芯的兩端用非磁性材料制成的壓板將其夾緊，整個鐵芯固定在定子機座上，如圖所示。沿定子鐵芯內(nèi)圓表面的槽內(nèi)放置三相定子繞組。定子鐵芯壓緊(a)無磁性壓板(b)定子鐵芯剖面

為了能承受住突然短路等過渡過程產(chǎn)生的巨大的電磁力而引起的端部變形，以及正常運行時不致于產(chǎn)生較大的振動，定子繞組端接部分需用線繩綁緊或壓板夾緊在非磁性鋼做成的端箍上，如圖所示。定子繞組端部同步發(fā)電機的基本工作原理

同步發(fā)電機基本原理工作是根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，即導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢工作的。因此，同步發(fā)電機應(yīng)有產(chǎn)生磁力線的磁場和切割該磁場的導(dǎo)體。

如圖所示，外部直流電源通過滑環(huán)向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁電流，并產(chǎn)生磁場；原動機拖動發(fā)電機轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n按圖示方向作恒向旋轉(zhuǎn)。

定子中三相繞組的導(dǎo)體依次切割磁力線，三相繞組便感應(yīng)產(chǎn)生各相大小相等、相位彼此相差1200的交流電動勢。若氣隙磁通密度按正弦波分布，則三相繞組感應(yīng)電動勢波形如圖所示，且相序為A→B→C。1.交變感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生每相感應(yīng)電勢有效值:

如圖所示，外部直流電源通過滑環(huán)向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁電流，并產(chǎn)生磁場；原動機拖動發(fā)電機轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n按圖示方向作恒向旋轉(zhuǎn)。

定子中三相繞組的導(dǎo)體依次切割磁力線，三相繞組便感應(yīng)產(chǎn)生各相大小相等、相位彼此相差1200的交流電動勢。若氣隙磁通密度按正弦波分布，則三相繞組感應(yīng)電動勢波形如圖所示，且相序為A→B→C。1.交變感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生每相感應(yīng)電勢有效值:定轉(zhuǎn)子受力分析和電磁力矩產(chǎn)生電磁力矩：發(fā)電機在原動機帶動下電樞繞組切割磁力線感應(yīng)電勢，發(fā)出電流；當(dāng)電流流過電樞繞組產(chǎn)生的磁場作用于轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子會受到磁場的作用產(chǎn)生電磁力，而形成電磁轉(zhuǎn)矩，這個轉(zhuǎn)矩與原動機轉(zhuǎn)矩方向反，大小與輸出電流成正比，原動機轉(zhuǎn)矩克服電磁轉(zhuǎn)矩使發(fā)電機保持恒速旋轉(zhuǎn)，這就把機械能轉(zhuǎn)換為電能輸送出去。機組加負(fù)荷發(fā)電機影響機理

當(dāng)開大汽門時,發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸上的主力矩增大,此時由于電功率還沒開始變,即阻力矩的大小沒有變,故轉(zhuǎn)子要加速,使轉(zhuǎn)子和定子間的夾角就拉開一些,根據(jù)電機本身的功角特性,功角一增大,電機的輸出功率就增大,也即多帶負(fù)荷.轉(zhuǎn)子會不會一個勁兒地加速呢正常時是不會的.因為電機多帶了負(fù)荷,阻力矩就增大,當(dāng)阻力矩大到和主力矩平衡時,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速就穩(wěn)定下來,此時,發(fā)電機的出力便升到一個新的數(shù)值.

2.感應(yīng)電勢的頻率

交流電動勢的頻率f可這樣確定:當(dāng)轉(zhuǎn)子為1對極時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，定子繞組中感應(yīng)電動勢變化一個周期；當(dāng)同步發(fā)電機具有p對極時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，感應(yīng)電動勢就交變p個周期；當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為每分鐘n轉(zhuǎn)時，則交變電動勢的頻率為:轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速(r/min)

由上式可知:同步發(fā)電機定子繞組感應(yīng)電動勢的頻率取決于它的極對數(shù)p和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，定子繞組感應(yīng)電勢E0的頻率越高。即n↑→f↑?？梢姡桨l(fā)電機極對數(shù)p一定時，轉(zhuǎn)速n與電樞電動勢的頻率f之間具有嚴(yán)格不變的關(guān)系。說明:

如果發(fā)電機作為電源單獨給負(fù)載供電，對電源頻率的要求并不十分嚴(yán)格，對原動機的轉(zhuǎn)速要求也不很嚴(yán)格。

同步發(fā)電機原理小結(jié):外部直流電源通過滑環(huán)向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁電流，并產(chǎn)生磁場；原動機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁極磁場切割三相定子繞組，感應(yīng)三相交流電。發(fā)電機失磁故障

發(fā)電機做為系統(tǒng)唯一的無功源，向系統(tǒng)提供無功，建立電壓。而發(fā)電機無功的來源于勵磁系統(tǒng)輸出的直流經(jīng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，建立轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場，這側(cè)磁場切割定子繞組產(chǎn)生定子電壓，并網(wǎng)后，因定子中產(chǎn)生電流，定子繞組又產(chǎn)生一個磁場，與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場相互作用，完成轉(zhuǎn)子上的機械能到電能的轉(zhuǎn)化。

發(fā)電機在運行中由于某種原因引起發(fā)電機勵磁電流大幅度減小，甚至失去外施勵磁電流，稱之為發(fā)電機“失磁”。造成發(fā)電機失磁的原因很多，通常是由于自動調(diào)節(jié)勵磁裝置故障、轉(zhuǎn)子繞組短路、勵磁回路因斷線而開路、滅磁開關(guān)誤跳閘使勵磁繞組經(jīng)滅磁電阻閉路等，這些故障都可能使發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路外施勵磁電流消失造成發(fā)電機失磁。失磁的種類

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)故障分為勵磁異常下降和完全失磁兩類。勵磁異常下降時，如果發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定儲備不足，則可能破壞發(fā)電機的靜態(tài)穩(wěn)定性。發(fā)電機完全失磁后不但不發(fā)出無功功率，還要從系統(tǒng)吸收無功功率，無功功率很快減小到零，然后向負(fù)變化到較大值；定子電壓下降，電流增大，有功功率減小。失步后發(fā)電機轉(zhuǎn)子本體上感應(yīng)出的滑差頻率的交變電流會引起轉(zhuǎn)子發(fā)熱及使機組發(fā)生振動，從而危及整個發(fā)電機的安全。失磁對系統(tǒng)危害1.發(fā)電機從電力系統(tǒng)吸收無功，引起系統(tǒng)電壓下降。如果電力系統(tǒng)無功儲備不足，將使臨近故障發(fā)電機組的系統(tǒng)某點電壓低于允許值，使電源與負(fù)荷間失去穩(wěn)定，甚至造成電力系統(tǒng)因電壓崩潰而瓦解。2.一臺發(fā)電機失磁電壓下降，電力系統(tǒng)中的其他發(fā)電機組在自動調(diào)整勵磁裝置作用下將增大無功輸出，從而可能使某些發(fā)電機組和線路過負(fù)荷，其后備保護(hù)可能發(fā)生誤動作，使故障范圍擴大。3.一臺發(fā)電機失磁后，由于有功功率的擺動，以及電力系統(tǒng)電壓的下降，可能導(dǎo)致相鄰正常發(fā)電機與電力系統(tǒng)之間或系統(tǒng)各回路之間發(fā)生振蕩，造成嚴(yán)重后果。發(fā)電機額定容量越大，低勵、失磁引起的無功缺額也越大。如果電力系統(tǒng)相對容量較小，則補償這一無功缺額的能力較差，由此而來的后果會更嚴(yán)重。對發(fā)電機本身的影響失磁對發(fā)電機的危害1.發(fā)動機定轉(zhuǎn)子之間出現(xiàn)轉(zhuǎn)差，在發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路中產(chǎn)生損耗超過一定值時，將使轉(zhuǎn)子過熱。特別是大型發(fā)電機組，其熱容量裕度較低，轉(zhuǎn)子易過熱。而流過轉(zhuǎn)子表面的差額電流，還將使轉(zhuǎn)子本體與槽楔、護(hù)環(huán)的接觸面上發(fā)生嚴(yán)重的局部過熱。2.進(jìn)入異步運行后，由機端觀測到的發(fā)電機等效電抗降低，從電力系統(tǒng)吸收無功功率增加。失磁前所帶的有功越大，轉(zhuǎn)差就越大，等效電抗就越小，從電力系統(tǒng)吸收無功就越大。因此，在重負(fù)荷下失磁發(fā)電機進(jìn)入異步運行后，如不立即采取措施，發(fā)動機將因過電流使定子繞組過熱。3.在高負(fù)荷下失磁后，轉(zhuǎn)差也可能發(fā)生周期性的變化，使發(fā)電機出現(xiàn)周期性的嚴(yán)重超速，直接威脅著發(fā)電機組的安全。4.發(fā)動機定子端部漏磁增加，將使發(fā)電機端部部件和邊段鐵芯過熱，這一情況通常是限制發(fā)電機失磁異步運行能力的主要條件。失磁時定子電流上升我們知道發(fā)電機工作的時候，它對外發(fā)出的機端電壓是由發(fā)電機的主磁場和發(fā)電機定子的電樞反映的合成磁場作用下產(chǎn)生的.發(fā)電機失磁的時候，也就是說它的轉(zhuǎn)子上的主磁場繞組失去了勵磁電流，此時發(fā)電機的工況就和發(fā)電機欠勵磁的工況一樣?，F(xiàn)在發(fā)電機失磁，也就是說磁通現(xiàn)在不夠，那發(fā)電機的運行工況就必須能夠補償缺少的（和額定勵磁時相比）那部分磁通要么從主磁通那部分來，要么從電樞反映的那部分磁通來，但現(xiàn)在是失磁，即主磁通無勵磁電流，不可能增大，那么現(xiàn)在就只能從增加超前的定子電流以增強其電樞反應(yīng)所產(chǎn)生的磁通，以來補償不足的部分，要增加電樞反應(yīng)的磁通，那自然就增大了電樞的電流（有電流才能激勵出磁場），所以說：在發(fā)電機欠勵磁的時候，其定子電流會升高。失磁后差頻電流產(chǎn)生機理在正常情況下，定子磁場與轉(zhuǎn)子同步（轉(zhuǎn)速、方向一致），當(dāng)發(fā)電機勵磁系統(tǒng)故障后，失去了勵磁電流，也就是平常所說的發(fā)電機失磁。發(fā)電機失磁后，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場消失，電磁力矩減少，而原動力矩不變，出現(xiàn)了過剩力矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加，轉(zhuǎn)子與定子的旋轉(zhuǎn)磁場有了相對速度，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)差，定子磁場以轉(zhuǎn)差速度切割轉(zhuǎn)子表面，使轉(zhuǎn)子表面感應(yīng)出電流來，這個電流與定子旋轉(zhuǎn)磁場作用就產(chǎn)生了一個力矩，稱為異步力矩，它的制動作用限制了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無限升高，轉(zhuǎn)速越高，異步力矩越大，從而降低了轉(zhuǎn)差，這時的發(fā)電機進(jìn)入了異步運行狀態(tài)。發(fā)電機從系統(tǒng)吸收無功，供定子、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁場，向系統(tǒng)輸送有功功率。

失磁后機組振蕩的原因大型發(fā)電機失磁易引起發(fā)電機振蕩，失磁前的有功功率越大，失磁后吸收的無功也越大，發(fā)電機