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同步發(fā)電機
轉(zhuǎn)子等轉(zhuǎn)速相同的交流發(fā)電機
同步發(fā)電機，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同的交流發(fā)電機。按結(jié)構(gòu)可分為旋轉(zhuǎn)電樞和旋轉(zhuǎn)磁場兩種。當它的磁極對數(shù)為p、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n時，輸出電流頻率f=np/60（赫茲）。
介紹
作發(fā)電機運行的同步電機是一種最常用的交流發(fā)電機。在現(xiàn)代電力工業(yè)中，它廣泛用于水力發(fā)電、火力發(fā)電、核能發(fā)電以及柴油機發(fā)電。由于同步發(fā)電機一般采用直流勵磁，當其單機獨立運行時，通過調(diào)節(jié)勵磁電流，能方便地調(diào)節(jié)發(fā)電機的電壓。若并入電網(wǎng)運行，因電壓由電網(wǎng)決定，不能改變，此時調(diào)節(jié)勵磁電流的結(jié)果是調(diào)節(jié)了電機的功率因數(shù)和無功功率。
同步發(fā)電機
表征同步發(fā)電機性能的主要是空載特性和負載運行特性。這些特性是用戶選用發(fā)電機的重要依據(jù)。
分類
空載特性
發(fā)電機不接負載時，電樞電流為零，稱為空載運行。此時電機定子的三相繞組只有勵磁電流 感生出的空載電動勢（三相對稱），其大小隨 的增大而增加。但是，由于電機磁路鐵心有飽和現(xiàn)象，所以兩者不成正比。反映空載電動勢 與勵磁電流 關(guān)系的曲線稱為同步發(fā)電機的空載特性。
同步發(fā)電機
電樞反應(yīng)
當發(fā)電機接上對稱負載后，電樞繞組中的三相電流會產(chǎn)生另一個旋轉(zhuǎn)磁場，稱電樞反應(yīng)磁場。其轉(zhuǎn)速正好與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相等，兩者同步旋轉(zhuǎn)。
運行特性
主要指外特性和調(diào)整特性。外特性是當轉(zhuǎn)速為額定值、勵磁電流和負載功率因數(shù)為常數(shù)時，發(fā)電機端電壓U與負載電流I之間的關(guān)系，如圖2所示。調(diào)整特性是轉(zhuǎn)速和端電壓為額定值、負載功率因數(shù)為常數(shù)時，勵磁電流If與負載電流I之間的關(guān)系，如圖3所示。圖2中還顯示出電阻性、電容性和電感性3種負載的情況。由于電樞反應(yīng)磁場影響的不同，三者的曲線也不一樣。在外特性中，從空載到額定負載時電壓的變化程度稱為電壓變化率△U，常用百分數(shù)表示。
額定值
在同步發(fā)電機的銘牌上，規(guī)定了同步發(fā)電機的主要技術(shù)數(shù)據(jù)和運行方式。這些數(shù)據(jù)，就是同步發(fā)電機的額定值，在使用中，應(yīng)當嚴格遵守。
同步電機的額定值主要有：
（1）額定容量SN（或額定功率PN）。對同步發(fā)電機來說，額定容量SN是是之處線端輸出的額定視在功率，一般以KVA（千伏安）或MVA（兆伏安）為單位；額定功率PN是指發(fā)電機輸出的額定有功功率，也就是說，在額定運行時（額定頻率、電壓、電流、功率因數(shù)），同步發(fā)電機所能發(fā)出的最大的有功功率。一般以KW（千瓦）或MW（兆瓦，即百萬瓦）為單位。對同步發(fā)電機，通過額定容量（SN）可以確定額定電流，通過額定功率（PN）可以確定配套的原動機的容量
（2）額定電壓UN：是指額定運行時發(fā)電機三相定子繞組的三相電壓值，單位為V(伏)或kV(千伏)。同步發(fā)電機在此值運行，繞組的升溫不會超過允許的范圍。同步發(fā)電機一般接成Y連接，同步電動機有Y連接或△連接。
（3）額定電流In：是指發(fā)電機在額定運行時，流過定子繞組的電流，單位為A（安）。
（4）額定效率ηN:是指電機在額定的運行時的效率。它是指發(fā)電機有功輸出功率和額有功輸入功率之比（%）。有功輸出功率等于輸入功率減去發(fā)電機總消耗。
（5）額定功率因數(shù)cosΦN：是指在額定運行情況下，發(fā)電機組的有功功率和額定容量的比值，即額定運行時，發(fā)電機組每個相定子電壓與電流之間的相位差的余值。 （cosΦN=PN/SN）一般發(fā)電機組的cosΦN=0.8
（6）額定頻率fn:是指額定運行情況下，交流電的頻率，單位為Hz（赫茲）。我國規(guī)定使用交流電的頻率為50Hz.
（7）額定轉(zhuǎn)速nN:是指發(fā)電機在額定運行時，每分鐘的轉(zhuǎn)速數(shù)，單位為r/min（轉(zhuǎn)/分）
結(jié)構(gòu)
同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)按其轉(zhuǎn)速分為高速和低（中）速兩種。
前者多用于火電廠和核電站；后者多與低速水輪機或柴油機聯(lián)動。在結(jié)構(gòu)上，高速同步發(fā)電機多用隱極式轉(zhuǎn)子，低（中）速同步發(fā)電機多用凸極式轉(zhuǎn)子。
工作原理
（1）主磁場的建立：勵磁繞組通以直流勵磁電流，建立極性相間的勵磁磁場，即建立起主磁場。
（3）切割運動：原動機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機輸入機械能），極性相間的勵磁磁場隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組（相當于繞組的導(dǎo)體反向切割勵磁磁場）。
（4）交變電勢的產(chǎn)生：由于電樞繞組與主磁場之間的相對切割運動，電樞繞組中將會感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的三相對稱交變電勢。通過引出線，即可提供交流電源。
（5）感應(yīng)電勢 有效值：每相感應(yīng)電勢的有效值.
（6）感應(yīng)電勢頻率：感應(yīng)電勢的頻率決定于同步電機的轉(zhuǎn)速n 和極對數(shù)p。
（7）交變性與對稱性：由于旋轉(zhuǎn)磁場極性相間，使得感應(yīng)電勢的極性交變；由于電樞繞組的對稱性，保證了感應(yīng)電勢的三相對稱性。
（8）同步轉(zhuǎn)速 從供電品質(zhì)考慮，由眾多同步發(fā)電機并聯(lián)構(gòu)成的交流電網(wǎng)的頻率應(yīng)該是一個不變的值，這就要求發(fā)電機的頻率應(yīng)該和電網(wǎng)的頻率一致。我國電網(wǎng)的頻率為50Hz。
故障處理
發(fā)電機過熱
（1）發(fā)電機沒有按規(guī)定的技術(shù)條件運行，如定子電壓過高，鐵損增大；負荷電流過大，定子繞組銅損增大；頻率過低，使冷卻風扇轉(zhuǎn)速變慢，影響發(fā)電機散熱；功率因數(shù)太低，使轉(zhuǎn)子勵磁電流增大，造成轉(zhuǎn)子發(fā)熱。應(yīng)檢查監(jiān)視儀表的指示是否正常。如不正常，要進行必要的調(diào)節(jié)和處理，使發(fā)電機按照規(guī)定的技術(shù)條件運行。
（2）發(fā)電機的三相負荷電流不平衡，過載的一相繞組會過熱；若三相電流之差超過額定電流的10%，即屬于嚴重三相電流不平衡，三相電流不平衡會產(chǎn)生負序磁場，從而增加損耗，引起磁極繞組及套箍等部件發(fā)熱。應(yīng)調(diào)整三相負荷，使各相電流盡量保持平衡。
（3）風道被積塵堵塞，通風不良，造成發(fā)電機散熱困難。應(yīng)清除風道積塵、油垢、使風道暢通無阻。
（4）進風溫度過高或進水溫度過高，冷卻器有堵塞現(xiàn)象。應(yīng)降低進風或進水溫度清除冷卻器內(nèi)的堵塞物。在故障未排除前，應(yīng)限制發(fā)電機負荷，以降低發(fā)電機溫度。
（6）軸承磨損。若磨損不嚴重，使軸承局部過熱；若磨損嚴重，有可能使定子和轉(zhuǎn)子摩擦，造成定子和轉(zhuǎn)子避部過熱。應(yīng)檢查軸承有無噪音，若發(fā)現(xiàn)定子和轉(zhuǎn)子摩擦，應(yīng)立即停機進行檢修或更換軸承。
（8）定子繞組的并聯(lián)導(dǎo)線斷裂，使其他導(dǎo)線的電流增大而發(fā)熱。應(yīng)立即停機進行檢修。
（1）正常情況下，由于高次諧波影響或制造工藝等原因造成各磁極下的氣隙不均、磁勢不等而出現(xiàn)的很低電壓，若電壓在一至數(shù)伏，不會有危險，不必處理。
（2）發(fā)電機繞組有短路或?qū)Φ亟^緣不良，導(dǎo)致電設(shè)備及發(fā)電機性能變壞，容易發(fā)熱，應(yīng)及時檢修，以免事故擴大。
電流過大
（1）負荷過大，應(yīng)減輕負荷
電壓過高
（1）與電網(wǎng)并列的發(fā)電機電網(wǎng)電壓過高，應(yīng)降低并列的發(fā)電機的電壓。
功率不足
由于勵磁裝置電壓源復(fù)勵補償不足，不能提供電樞反應(yīng)所需的勵磁電流，使發(fā)電機端電壓低于電網(wǎng)電壓，送不出額定無功功率，應(yīng)采取下列措施：
（3）減小變阻器的阻值，使發(fā)電機的勵磁電流增大。
（3）繞組過熱。絕緣過熱后會使絕緣性能降低，有時在高溫下會很快造成絕緣擊穿。應(yīng)加強日常的巡視檢查，防止發(fā)電機各部分發(fā)生過熱而損壞繞組絕緣。
（4）絕緣老化。一般發(fā)電機運行15~20年以上，其繞組絕緣老化，電氣性能變化，甚至使絕緣擊穿。要做好發(fā)電機的檢修及預(yù)防性試驗，若發(fā)現(xiàn)絕緣不合格，應(yīng)及時更換有缺陷的繞組絕緣或更換繞組，以延長發(fā)電機的使用壽命。
（5）發(fā)電機內(nèi)部進入金屬異物，在檢修發(fā)電機后切勿將金屬物件、零件或工具遺落到定子膛中；綁緊轉(zhuǎn)子的綁扎線、緊固端部零件，以不致發(fā)生由于離心力作用而松脫。
（6）過大電壓擊穿：1）線路遭受雷擊，而防雷保護不完善。應(yīng)完善防雷保護設(shè)施。2）誤操作，如在空載時，將發(fā)電機電壓升得過高。應(yīng)嚴格按操作規(guī)程對發(fā)電機進行升壓，防止誤操作。3）發(fā)電機內(nèi)部過電壓，包括操作過電壓、弧光接地過電壓和諧振過電壓等，應(yīng)加強繞組絕緣預(yù)防性試驗，及時發(fā)現(xiàn)和消除定子繞組絕緣中存在的缺陷。
定子鐵芯松弛
由于制造裝配不當，鐵芯沒有緊固好。如果是整個鐵芯松弛，對于小型發(fā)電機，可用兩塊小于定子繞組端部內(nèi)徑的鐵板，穿上雙頭螺栓，收緊鐵芯。待恢復(fù)原形后，再將鐵芯原來夾緊螺栓緊因。如果局部性鐵芯松弛，可先在松弛片間涂刷硅鋼片漆，再在松弛部分打入硬質(zhì)絕緣材料即可。
鐵芯片間短路
（1）鐵芯疊片松弛，當發(fā)電機運轉(zhuǎn)時鐵芯產(chǎn)生振動而損壞絕緣；鐵芯片個別地方絕緣受損傷或鐵芯局部過熱，使絕緣老化，就按原計劃條中的方法進行處理。
（4）繞組發(fā)生弧光短路，也可能造成鐵芯短路，應(yīng)將燒損部分用鑿子清除后，處理好表面。
自動勵磁裝置的勵磁電抗器溫度過高
（2）電抗器磁路的氣隙過大，應(yīng)調(diào)整磁路氣隙。
發(fā)電機起動后，電壓升不起來
（1）勵磁回路斷線，使電壓升不起來。應(yīng)檢查勵磁回路有無斷線，接觸是否良好。
（3）勵磁機的磁場線圈極性接反，應(yīng)將它的正、負連接線對換。
（4）在發(fā)電機檢修中做某些試驗時誤把磁場線圈通以反向直流電，導(dǎo)致剩磁消失或反向，應(yīng)重新進行充磁。
發(fā)電機振蕩失步
正常情況下，發(fā)電機發(fā)出的功率是和負荷功率相平衡的。當系統(tǒng)發(fā)生短路故障或發(fā)電機大幅度甩負荷時，發(fā)電機的功率就與用戶的負荷不相平衡。要想調(diào)整負荷使其平衡，由于轉(zhuǎn)子慣性和調(diào)速器延時需要一個過程，在此期間，發(fā)電機的穩(wěn)定運行將被破壞，使發(fā)電機產(chǎn)生振蕩。如果事故嚴重，甚至?xí)拱l(fā)電機與系統(tǒng)失去同步。發(fā)電機振蕩失步時，值班人員應(yīng)通過增加勵磁電流來創(chuàng)造恢復(fù)同步的條件；也可適當調(diào)整該機的負荷，以幫助恢復(fù)同步。
發(fā)電機振動
（1）轉(zhuǎn)子不圓或平衡未調(diào)整好，應(yīng)嚴格制造和安裝質(zhì)量或重新調(diào)整轉(zhuǎn)子的平衡。
（2）轉(zhuǎn)軸彎曲，可采用研磨法、加熱法及錘擊法等校正轉(zhuǎn)軸。
（3）聯(lián)軸節(jié)連接不正，應(yīng)重新高速聯(lián)軸節(jié)配合螺栓的夾緊力，必要時聯(lián)軸節(jié)端面需重新加工。
（4）結(jié)構(gòu)部件共振，可通過改變結(jié)構(gòu)部件的支持方法來改變它固有的頻率。
（6）供油量或油壓不足，應(yīng)加大噴嘴直徑升高油壓；加大供油口減小間隙。
（7）供油量過大或油壓過高，就減小噴嘴直徑，降低油壓，提高面積壓力，增大間隙。
（8）定子鐵芯裝配松動，應(yīng)重新裝壓鐵芯。
（9）軸承密封過緊，使轉(zhuǎn)軸局部過熱、彎曲。應(yīng)檢查和調(diào)整軸承密封，使其與軸有適當配合間隙。
（10）發(fā)電機通風系統(tǒng)不對稱，應(yīng)注意定子鐵芯兩端擋風板及轉(zhuǎn)子支架擋風板結(jié)構(gòu)布置和尺寸的選擇，使風路系統(tǒng)對稱，增強蓋板、擋風板的剛度并緊固牢靠。
同步特性
同步發(fā)電機的外特性一般指在內(nèi)電勢不變的情況下，負載電流變化時，發(fā)電機機端電壓變化的曲線，主要是測試發(fā)電機的縱軸同步電抗，也就是發(fā)電機的內(nèi)阻抗，是同步發(fā)電機帶負載能力的重要指標。但同步發(fā)電機多采用可控硅快速勵磁和阻尼繞組，其縱軸同步電抗多為暫態(tài)值，遠遠小于穩(wěn)態(tài)值。此外由于勵磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，外特性是可以人工制造出來，可以是正的或負的，正的外特性就是機端電壓隨負載電流增長而降低，負的就是機端電壓隨負載電流增長而提高，一般勵磁系統(tǒng)都可以在正負15%的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
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作者
