功率平衡同步發電機的功率流程如圖17.6所示。為自原動機向發電機的輸入的機械功率，其中一部分提供軸與軸承間的摩擦、轉動部分與空氣的摩擦及通風設備的損耗，總計為機械損耗 ，另一部分供給定子鐵心中的渦流和磁滯損耗，總計為鐵心損耗,為通過電磁感應作用轉變為定子繞組上的電功率，稱為電磁功率 。如果是負載運行，定子繞組中還存在定子銅耗，就是發電機的輸出功率。同步發電機的功率平衡方程式為(17-1)定子繞組的電阻一般較小，其銅耗可以忽略不計，則有 (17-2) 功角的概念 y為內功率因數角，d=y-j定義為功角。它表示發電機的勵磁電勢 和端電壓之間相角差。功角d 對于研究同步電機的功率變化和運行的穩定性有重要意義。圖17.7 畫出了同步電機的時空相量圖。圖中忽略了定子繞組的漏磁電勢，認為+，對應于轉子磁勢，對應于電樞磁勢，所以可近似認為端電壓由合成磁勢=+所感應。 和之間的空間相角差即為和之間的時間相角差 。可見功角d在時間上表示端電壓和勵磁磁勢之間的相位差，在空間上表現為合成磁場軸線與轉子磁場軸線之間夾角。并網運行時，為電網電壓，其大小和頻率不變，對應的合成磁勢總是以同步速度旋轉，因此功角的大小只能由轉子磁勢的角速度決定。穩定運行時，和之間無相對運動，d具有固定的值。 功角特性 功角特性指的是電磁功率隨功角d變化的關系曲線=f(d)的。凸極電機 令可以求出對應于最大電磁功率的功角,一般來說凸極電機的在4590之間。隱極電機 最大功率與額定功率的比值定義為同步發電機的過載能力。對隱極電機來說 有功功率的調節 功角特性=f(d)反映了同步發電機的電磁功率隨著功角變化的情況。穩態運行時，同步發電機的轉速由電網的頻率決定，恒等于同步轉速，即，發電機的電磁轉矩 和電磁功率之間成正比關系： 電磁轉矩與原動機提供的動力轉矩相平衡其中為空載轉矩因摩擦、風阻等引起的阻力轉矩）。可見要改變發電機輸送給電網的有功功率 ，就必須改變原動機提供的動力轉矩，這一改變可以通過調節水輪機的進水量或汽輪機的汽門來達到。當功角處于0到范圍內時，隨著d的增大，亦增大，同步發電機在這一區間能夠穩定運行。 而當d 時，隨著d的增大，反而減小，電磁功率無法與輸入的機械功率相平衡，發電機轉速越來越大，發電機將失去同步，故在這一區間發電機不能穩定運行。同步發電機失去同步后，必須立即減小原動機輸入的機械功率，否則將使轉子達到極高的轉速，以致離心力過大而損壞轉子。另外，失步后，發電機的頻率和電網頻率不一致，定子繞組中將出現一個很大的電流而燒壞定子繞組。因此，保持同步是十分重要的。 綜上所述：并聯于電網的發電機所承擔的有功功率可以通過調節原動機輸入的機械功率來改變的。而且電機承擔的有功功率的極限是。當0d時發電機可以穩定運行； d0,y90)，在勵磁電流不變的情況下，隨著電樞電流的增大，有兩個因素導致端電壓下降，其一是電樞反應的去磁作用的增強，其二是漏抗壓降的增大，所以感性負載時，同步電機的外特性是下降的曲線。 對于j0,y90的容性負載，電樞反應表現為增磁作用，隨著電樞電流的增大，端電壓反而增大。圖16-12 給出了各種情況下的外特性曲線。 發電機的端電壓隨著負載電流的改變而變,保持額定運行時的勵磁電流和轉速不變,將發電機的完全卸載,發電機的端電壓將由變化為空載電勢，電壓變化的幅度可以用電壓調整率來表示 (16-18) U是發電機的性能指標之一，按國家標準規定 應不大于40% 。 電勢方程式負載以后，同步發電機的電樞繞組中存在以下電勢： 由勵磁磁通產生的勵磁電勢； 由電樞反應磁通產生的電樞反應電勢； 由電樞繞組漏磁通產生的漏磁電勢 。由于電樞繞組的電阻很小，如果忽略電阻壓降，則每相感應電勢總和即為發電機的端電壓，用方程式表示為(16-7) 對于凸極電機來說,+=-j-j,其方程式可表示為=+j+j (16-8) 對于隱極電機來說，+=-j，其方程式可表示為=+j (16-9) 隱極發電機電勢相量圖在同步電機理論中，用電勢相量圖來進行分析是十分重要和方便的方法。在作相量圖時，我們認為發電機的端電壓，電樞電流，負載功率因數角以及同步電抗為已知量，最終可以根據方程式求得勵磁電勢。參看圖16.7a，隱極電機相量圖可按以下步驟作出： 在水平方向作出相量 ； 根據j角找出的方向并作出相量 ； 在的尾端，加上相量j，它超前于 90； 作出由的首端指向j 尾端的相量，該相量便是 。 凸極發電機電勢相量圖對于凸極電機來說，需要首先將分解為和，然后才能根據方程式(16-8)作出其電勢相量圖。由于與同方位，與正交，只要找出的方位，就可以方便地將分解為和。方程式(16-8)兩邊同時加上-j(-)，即： 上式左邊的相量-j(-) 顯然與處于同一方位，而右邊的相量+j 可以很方便地求得，這樣就找到了的方位。參看圖16.7b，凸極電機的相量圖可按下述步驟作出。 在水平方位作出相量，錯開j角作出 ； 在的尾端，加上相量j ，它超前于90電角度，經過首端和j 尾端的直線就確定了 的方位，也即確定了q軸，與q軸正交的方位即為d軸； 將在正交分解為和； 根據方程式(16-8) 即可作出。 電勢相量圖很直觀地顯示了同步電機各個相量之間的數值關系和相位關系，對于分析和計算同步電機的許多問題有較大的幫助作用。 對于凸極電機來說，(16-10) 而對于隱極電機來說，有 (16-11)以上兩式在分析同步電機問題經常用到。 負載后磁勢分析空載時，同步電機中只有一個以同步轉速旋轉的勵磁磁勢 ，它在電樞繞組中感應出三相對稱交流電勢，稱為勵磁電勢。當電樞繞組接上三相對稱負載后，電樞繞組和負載一起構成閉合通路，通路中流過的是三相對稱的交流電流 ，我們知道，當三相對稱電流流過三相對稱繞組時，將會形成一個以同步速度旋轉的旋轉磁勢。由此可見，負載以后同步電機內部將會產生又一個旋轉磁勢 -電樞旋轉磁勢。因此，同步發電機接上三相對稱負載以后，電機中除了隨軸同轉的轉子磁勢 (稱為機械旋轉磁勢)外，又多了一個電樞旋轉磁勢(稱為電氣旋轉磁勢) 。 參看異步電機篇的介紹，不難證明這兩個旋轉磁勢的轉速均為同步速，而且轉向一致，二者在空間處于相對靜止狀態，可以用矢量加法將其合成為一個合成磁勢 。 氣隙磁場可以看成是由合成磁勢在電機的氣隙中建立起來的磁場。 也是以同步轉速旋轉的旋轉磁場。 可見同步發電機負載以后，電機內部的磁勢和磁場將發生顯著變化，這一變化主要由電樞磁勢的出現所致。 電樞反應電樞磁勢的存在，將使氣隙磁場的大小和位置發生變化，我們把這一現象稱為電樞反應。電樞反應會對電機性能產生重大影響。電樞反應的情況決定于空間相量 和之間的夾角，而這一夾角又和時間相量E0 和Ia 之間的相位差y相關連。y稱為內功率因數角，其大小由負載的性質決定。時空相量圖: 如圖16.4 所示的瞬間，A相繞組中感應電勢達到最大值，此時如果y=0 ，即A相電流和同相位，則亦達到最大值。由異步電機篇的介紹可知，電樞磁勢(三相合成磁勢)的軸線在此瞬間將和A相線圈的軸線重合。 一般情況下，(時間相量)滯后或超前于(時間相量)y 電角度時，(空間相量)的軸線位置也滯后或超前于A 相繞組的軸線y電角度。即和在時間上的相位差等于的軸線和A相繞組軸線的空間角度差。以上結論雖然是在一個特殊的瞬間(磁極軸線和A相繞組軸線正交時)得出的，由于和同速同步旋轉，故在負載一定的情況下，和的空間相位差等于90+y 電角度。 為了分析方便，人們常將時間相量,U 和空間相量,畫一起構成所謂的時空相量圖(見圖16.4)。在時空相量圖中和Ff (處于磁極軸線方向，稱為直軸，用d表示)重合， 滯后于 90電角度 (處于相鄰一對磁極的中性線位置，稱為交軸，用q 表示)，和 之間的相位差y由負載性質決定，和重合。 利用時空相量圖(圖16.5) ，可以方便地分析不同負載情況時同步發電機電樞反應的情況。 y=0或者180度此時和Ff之間的夾角為90度或者270度 ，即二者正交，轉子磁勢作用在直軸上，而電樞磁勢作用在交軸上，電樞反應的結果使得合成磁勢的軸線位置產生一定的偏移，幅值發生一定的變化。這種作用在交軸上的電樞反應稱為交軸電樞反應，簡稱交磁作用。 y=90此時與之間的夾角為180度 ，即二者反相，轉子磁勢和電樞磁勢一同作用在直軸上，方向相反，電樞反應為純去磁作用，合成磁勢的幅值減小，這一電樞反應稱為直軸去磁電樞反應。 y=-90此時與之間的夾角為0 ，即二者同相，轉子磁勢和電樞磁勢一同作用在直軸上，方向相同，電樞反應為純增磁作用，合成磁勢的幅值加大，這一電樞反應稱為直軸增磁電樞反應。 同步電抗和電樞反應電抗當三相對稱電樞電流流過電樞繞組時，將產生旋轉的電樞磁勢，將在電機內部產生跨過氣隙的電樞反應磁通和不通過氣隙的漏磁通，和將分別在電樞各相繞組中感應出電樞反應電勢 和漏磁電勢。與電樞電流的大小成正比(不計飽和)，比例常數稱為電樞反應電抗。考慮到相位關系后，每相電樞反應電勢為： （16-3)電樞反應電抗的大小和電樞反應磁通所經過磁路的磁阻成反比，磁阻與電樞磁勢軸線的位置有關。對于凸極電機而言，當和重合時，經過直軸氣隙和鐵心而閉合（這條磁路稱為直軸磁路），如圖16.6a 所示。此時由于直軸磁路中的氣隙較短，磁阻較小，所以電樞反應電抗就較大。當和正交時，即和磁極的軸線垂直時， 經過交軸氣隙和鐵心而閉合（這條磁路稱為交軸磁路），如圖16.6b所示。此時由于交軸磁路中的氣隙較長，磁阻較大，所以電樞反應電抗就較小。一般情況下，和之間的夾角由負載的性質決定，為 90+y，的流通路徑介于直軸磁路和交軸磁路之間，電樞反應電抗的大小也就介于最大和最小之間。 由于和之間的夾角受制于內功率因數角(即負載的性質)，不同負載時，和之間的夾角不同，對應的也就不同，這給分析問題帶來了諸多不便。為了解決這一問題，人們采用了正交分解法和疊加原理，將看成是其直軸分量和交軸分量的疊加，并認為單獨激勵直軸電樞反應磁通 ，其流通路徑為直軸磁路，對應有一個固定的直軸電樞反應電抗 ,并在定子每相繞組中產生直軸電樞反應電勢 ；單獨激勵交軸電樞反應磁通 ，其流通路徑為交軸磁路，對應有一個固定的交軸電樞反應電抗，并在電樞每相繞組中產生交軸電樞反應電勢。電樞繞組總的電樞反應電勢可以寫為 (16-4)考慮到漏磁通引起的漏抗電勢=-j(為電樞繞組的漏電抗)后，電樞繞組中由電樞電流引起的總的感應電勢為 (16-5)其中=+定義為直軸同步電抗，=Xaq+定義為交軸同步電抗。 對于隱極電機來說，由于電樞為圓柱體，忽略轉子齒槽分布所引起的氣隙些微不均勻后，可以認為隱極電機直軸磁路和交軸磁路的磁阻相等，直軸和交軸電樞反應電抗相等，即= ，結合=+，并代入式(16-5)可得 (16-6)式中,定義為隱極電機的同步電抗。 由定義可知，同步電抗包括兩部分：電樞繞組的漏電抗和電樞反應電抗。在實用上，常將二者作為一個整體參數來處理，這樣便于分析和測量。 一般情況下(y為任意角度時)參看圖16.5c和d，可將分解為直軸分量 和交軸分量 ，產生直軸電樞磁勢F ，與同相或反相，起增磁或者去磁作用；產生交軸電樞磁勢，與正交，起交磁作用。國產同步電機型號 我國生產的汽輪發電機有QFQ、QFN、QFS等系列，前兩個字母表示汽輪發電機；第三個字母表示冷卻方式，Q表示氫外冷，N表示氫內冷，S表示雙水內冷。我國生產的大型水輪發電機為TS系列，T表示同步，S表示水輪。舉例來說：QFS-300-2 表示容量為300MW雙水內冷2極汽輪發電機。TSS1264/160-48表示雙水內冷水輪發電機，定子外徑為1264厘米，鐵心長為160厘米，極數為48。 此外同步電動機系列有TD、TDL等，TD表示同步電動機，后面的字母指出其主要用途。如TDG表示高速同步電動機；TDL表示立式同步電動機。同步補償機為TT系列。 運行方式 同步電機的主要運行方式有三種，即作為發電機、電動機和補償機運行。 作為發電機運行是同步電機最主要的運行方式，作為電動機運行是同步電機的另一種重要的運行方式。同步電動機的功率因數可以調節，在不要求調速的場合，應用大型同步電動機可以提高運行效率。近年來，小型同步電動機在變頻調速系統中開始得到較多地應用。 同步電機還可以接于電網作為同步補償機。這時電機不帶任何機械負載，靠調節轉子中的勵磁電流向電網發出所需的感性或者容性無功功率，以達到改善電網功率因數或者調節電網電壓的目的。一、結構和原理 1、結構 同步發電機主要由定子、轉子和其他部件組成。定子部分包括定子鐵芯、定子繞組、機座；轉子部分包括轉子鐵芯、勵磁繞組和滑環(隱極式轉子還有套箍、心環，凸極式轉子有磁極、磁軛、轉子支架)；其他部件包括電刷裝置、端蓋、軸承和風扇等。 2、工作原理 同步發電機是根據電磁感應原理工作的，它通過轉子磁場和定子繞組的相對運動，將機械能轉變為電能。當轉子在外力帶動下，轉子磁場和定子導體作相對運動，即導體切割磁力線，因此在導體中產生感應電動勢，其方向可根據右手定則判定。由于轉子磁極的位置使導體以垂直方向切割磁力線，所以此時定子繞組中的感應電動勢最大。當磁極轉過90度后。磁極成水平位置，導體不切割磁力線，其感應電動勢為零。轉子再轉90度，定時定子繞組又以垂直方向切割磁力線，使感應電動勢達到最大值，但方向與前相反。當轉子再轉90度，感應電動勢又變為零。這樣轉子轉動一周，定子繞組的感應電動勢也發生正、負變化。如果轉子連續勻速旋轉，在定子繞組中就感應出一個周期性不斷變化的交變電動勢。 二、故障診斷與排除方法 1、發電機過熱 (1)發電機沒有按規定的技術條件運行，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，使冷卻風扇轉速變慢，影響發電機散熱；功率因數太低，使轉子勵磁電流增大，造成轉子發熱。應檢查監視儀表的指示是否正常。如不正常，要進行必要的調節和處理，使發電機按照規定的技術條件運行。 (2)發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%，即屬于嚴重蛄相電流不平衡，三相電流不平衡會產生負序磁場，從而增加損耗，引起磁極繞組及套箍等部件發熱。應調整三相負荷，使各相電流盡量保持平衡。 (3)風道被積塵堵塞，通風不良，造成發電機散熱困難。應清除風道積塵、油垢、使風道暢通無阻。 (4)進風溫度過高或進水溫度過高，冷卻器有堵塞現象。應降低進風或進水溫度清除冷卻器內的堵塞物。在故障未排除前，應限制發電機負荷，以降低發電機溫度。 (5)軸承加潤滑脂過多或過少，應按規定加潤滑脂，通常為軸承室的1/21/3(轉速低的取上限，轉速高的取下限)，并以不超過軸承室的70%為宜。 (6)軸承磨損。若磨損不嚴重，使軸承局部過熱；若磨損嚴重，有可能使定子和轉子摩擦，造成定子和轉子避部過熱。應檢查軸承有無噪音，若發現定子和轉子摩擦，應立即停機進行檢修或更換軸承。(7)定子鐵芯絕緣損壞，引起片間短路，造成鐵芯局部的渦流損失增加而發熱，嚴重時會使定子繞組損壞。應立即停機進行檢修。 (8)定子繞組的并聯導線斷裂，使其他導線的電流增大而發熱。應立即停機進行檢修。 2、發電機中性線對地有異常電壓 (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、磁勢不等而出現的很低電壓，若電壓在一至數伏，不會有危險，不必處理。 (2)發電機繞組有短路或對地絕緣不良，導致電設備及發電機性能變壞，容易發熱，應及時檢修，以免事故擴大。 (3)空載時中性線對地無電壓，而有負荷時出現電壓，是由于三相不平衡引起的，應調整三相負荷使其基本平衡。 3、發電機電流過大(1)負荷過大，應減輕負荷。 (2)輸電線路發生相間短路或接地故障，應對線路進行檢修，故障排除后即可恢復正常。 4、發電機端電壓過高 (1)與電網并列的發電機電網電壓過高，應降低并列的發電機的電壓。 (2)勵磁裝置的故障引起過勵磁，應及時檢修勵磁裝置。 5、功率不足 由于勵磁裝置電壓源復勵補償不足，不能提供電樞反應所需的勵磁電流，使發電機端電壓低于電網電壓，送不出額定無功功率，應采取下列措施： (1)在發電機與勵磁電抗器之間接入一臺三相調壓器，以提高發電機端電壓，使勵磁裝置的磁勢逐漸增大。 (2)改變勵磁裝置電壓磁通勢與發電機端電壓的相位，使合成總磁通勢增大，可在電抗器每相繞組兩端并聯數千歐、10W的電阻。 (3)減小變阻器的阻值，使發電機的勵磁電流增大。 6、定子繞組絕緣擊穿、短路 (1)定子繞組受潮。對于長期停用或經較長時間檢修的發電機、投入運行前應測量絕緣電阻，不合格者不準投入運行。受潮發電機要進行烘干處理。 (2)繞組本身缺陷或檢修工藝不當，造成繞組絕緣擊穿或機械損傷。應按規定的絕緣等級選擇絕緣材料，嵌裝繞組及浸漆干燥等要嚴格按工藝要求進行。 (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。應加強日常的巡視檢查，防止發電機各部分發生過熱而損壞繞組絕緣。 (4)絕緣老化。一般發電機運行1520年以上，其繞組絕緣老化，電氣性能變化，甚至使絕緣擊穿。要做好發電機的檢修及預防性試驗，若發現絕緣不合格，應及時更換有缺陷的繞組絕緣或更換繞組，以延長發電機的使用壽命。 (5)發電機內部進入金屬異物，在檢修發電機后切勿將金屬物件、零件或工具遺落到定子膛中；綁緊轉子的綁扎線、緊固端部零件，以不致發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。應完善防雷保護設施。2)誤操作，如在空載時，將發電機電壓升得過高。應嚴格按操作規程對發電機進行升壓，防止誤操作。3)發電機內部過電壓，包括操作過電壓、弧光接地過電壓和諧振過電壓等，應加強繞組絕緣預防性試驗，及時發現和消除定子繞組絕緣中存在的缺陷。 7、定子鐵芯松馳 由于制造裝配不當，鐵芯沒有緊固好。如果是整個鐵芯松馳，對于小型發電機，可用兩塊小于定子繞組端部內徑的鐵板，穿上雙頭螺栓，收緊鐵芯。待恢復原形后，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絕緣材料即可。 8、鐵芯片間短路 (1)鐵芯疊片松弛，當發電機運轉時鐵芯產生振動而損壞絕緣；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。 (2)鐵芯片邊緣有毛刺或檢修時受機械損傷。應用細銼刀除去毛刺，修整損傷處，清潔表面，再涂上一層硅鋼片漆。 (3)有焊錫或銅粒短接鐵芯，應刮除或鑿除金屬熔接焊點，處理好表面。 (4)繞組發生弧光短路，也可能造成鐵芯短路，應將燒損部分用鑿子清除后，處理好表面。 9、發電機失去剩磁，起動時不能發電 (1)停機后經常失去剩磁，是由于勵磁機磁極所用的材料接近軟鋼，剩磁較少。當停機后勵磁繞組沒有電流時磁場就消失，應備有蓄電池，在發電前先進行充磁。 (2)發電機的磁極失去磁性，應在繞組中通入比額定電流