同步發(fā)電機(jī)（轉(zhuǎn)子等轉(zhuǎn)速相同的交流發(fā)電機(jī)）
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同步發(fā)電機(jī)
轉(zhuǎn)子等轉(zhuǎn)速相同的交流發(fā)電機(jī)
同步發(fā)電機(jī)，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速相同的交流發(fā)電機(jī)。按結(jié)構(gòu)可分為旋轉(zhuǎn)電樞和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)兩種。當(dāng)它的磁極對(duì)數(shù)為p、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n時(shí)，輸出電流頻率f=np/60（赫茲）。
介紹
作發(fā)電機(jī)運(yùn)行的同步電機(jī)是一種最常用的交流發(fā)電機(jī)。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(jī)發(fā)電。由于同步發(fā)電機(jī)一般采用直流勵(lì)磁，當(dāng)其單機(jī)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，能方便地調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電壓。若并入電網(wǎng)運(yùn)行，因電壓由電網(wǎng)決定，不能改變，此時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的結(jié)果是調(diào)節(jié)了電機(jī)的功率因數(shù)和無功功率。
同步發(fā)電機(jī)
表征同步發(fā)電機(jī)性能的主要是空載特性和負(fù)載運(yùn)行特性。這些特性是用戶選用發(fā)電機(jī)的重要依據(jù)。
分類
空載特性
發(fā)電機(jī)不接負(fù)載時(shí)，電樞電流為零，稱為空載運(yùn)行。此時(shí)電機(jī)定子的三相繞組只有勵(lì)磁電流 感生出的空載電動(dòng)勢(shì)（三相對(duì)稱），其大小隨 的增大而增加。但是，由于電機(jī)磁路鐵心有飽和現(xiàn)象，所以兩者不成正比。反映空載電動(dòng)勢(shì) 與勵(lì)磁電流 關(guān)系的曲線稱為同步發(fā)電機(jī)的空載特性。
同步發(fā)電機(jī)
電樞反應(yīng)
當(dāng)發(fā)電機(jī)接上對(duì)稱負(fù)載后，電樞繞組中的三相電流會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，稱電樞反應(yīng)磁場(chǎng)。其轉(zhuǎn)速正好與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相等，兩者同步旋轉(zhuǎn)。
運(yùn)行特性
主要指外特性和調(diào)整特性。外特性是當(dāng)轉(zhuǎn)速為額定值、勵(lì)磁電流和負(fù)載功率因數(shù)為常數(shù)時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓U與負(fù)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(fù)載功率因數(shù)為常數(shù)時(shí)，勵(lì)磁電流If與負(fù)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(fù)載的情況。由于電樞反應(yīng)磁場(chǎng)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(fù)載時(shí)電壓的變化程度稱為電壓變化率△U，常用百分?jǐn)?shù)表示。
額定值
在同步發(fā)電機(jī)的銘牌上，規(guī)定了同步發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)和運(yùn)行方式。這些數(shù)據(jù)，就是同步發(fā)電機(jī)的額定值，在使用中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵守。
同步電機(jī)的額定值主要有：
（1）額定容量SN（或額定功率PN）。對(duì)同步發(fā)電機(jī)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(jī)輸出的額定有功功率，也就是說，在額定運(yùn)行時(shí)（額定頻率、電壓、電流、功率因數(shù)），同步發(fā)電機(jī)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(duì)同步發(fā)電機(jī)，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(dòng)機(jī)的容量
（2）額定電壓UN：是指額定運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)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(jī)在此值運(yùn)行，繞組的升溫不會(huì)超過允許的范圍。同步發(fā)電機(jī)一般接成Y連接，同步電動(dòng)機(jī)有Y連接或△連接。
（3）額定電流In：是指發(fā)電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)，流過定子繞組的電流，單位為A（安）。
（4）額定效率ηN:是指電機(jī)在額定的運(yùn)行時(shí)的效率。它是指發(fā)電機(jī)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(jī)總消耗。
（5）額定功率因數(shù)cosΦN：是指在額定運(yùn)行情況下，發(fā)電機(jī)組的有功功率和額定容量的比值，即額定運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)組每個(gè)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(jī)組的cosΦN=0.8
（6）額定頻率fn:是指額定運(yùn)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(jī)在額定運(yùn)行時(shí)，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(jī)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(jī)或柴油機(jī)聯(lián)動(dòng)。在結(jié)構(gòu)上，高速同步發(fā)電機(jī)多用隱極式轉(zhuǎn)子，低（中）速同步發(fā)電機(jī)多用凸極式轉(zhuǎn)子。
工作原理
（1）主磁場(chǎng)的建立：勵(lì)磁繞組通以直流勵(lì)磁電流，建立極性相間的勵(lì)磁磁場(chǎng)，即建立起主磁場(chǎng)。
（3）切割運(yùn)動(dòng)：原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機(jī)輸入機(jī)械能），極性相間的勵(lì)磁磁場(chǎng)隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組（相當(dāng)于繞組的導(dǎo)體反向切割勵(lì)磁磁場(chǎng)）。
（4）交變電勢(shì)的產(chǎn)生：由于電樞繞組與主磁場(chǎng)之間的相對(duì)切割運(yùn)動(dòng)，電樞繞組中將會(huì)感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的三相對(duì)稱交變電勢(shì)。通過引出線，即可提供交流電源。
（5）感應(yīng)電勢(shì) 有效值：每相感應(yīng)電勢(shì)的有效值.
（6）感應(yīng)電勢(shì)頻率：感應(yīng)電勢(shì)的頻率決定于同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n 和極對(duì)數(shù)p。
（7）交變性與對(duì)稱性：由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)極性相間，使得感應(yīng)電勢(shì)的極性交變；由于電樞繞組的對(duì)稱性，保證了感應(yīng)電勢(shì)的三相對(duì)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(jī)并聯(lián)構(gòu)成的交流電網(wǎng)的頻率應(yīng)該是一個(gè)不變的值，這就要求發(fā)電機(jī)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(jī)過熱
（1）發(fā)電機(jī)沒有按規(guī)定的技術(shù)條件運(yùn)行，如定子電壓過高，鐵損增大；負(fù)荷電流過大，定子繞組銅損增大；頻率過低，使冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變慢，影響發(fā)電機(jī)散熱；功率因數(shù)太低，使轉(zhuǎn)子勵(lì)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(jìn)行必要的調(diào)節(jié)和處理，使發(fā)電機(jī)按照規(guī)定的技術(shù)條件運(yùn)行。
（2）發(fā)電機(jī)的三相負(fù)荷電流不平衡，過載的一相繞組會(huì)過熱；若三相電流之差超過額定電流的10%，即屬于嚴(yán)重三相電流不平衡，三相電流不平衡會(huì)產(chǎn)生負(fù)序磁場(chǎng)，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(fù)荷，使各相電流盡量保持平衡。
（3）風(fēng)道被積塵堵塞，通風(fēng)不良，造成發(fā)電機(jī)散熱困難。應(yīng)清除風(fēng)道積塵、油垢、使風(fēng)道暢通無阻。
（4）進(jìn)風(fēng)溫度過高或進(jìn)水溫度過高，冷卻器有堵塞現(xiàn)象。應(yīng)降低進(jìn)風(fēng)或進(jìn)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(jī)負(fù)荷，以降低發(fā)電機(jī)溫度。
（6）軸承磨損。若磨損不嚴(yán)重，使軸承局部過熱；若磨損嚴(yán)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(jī)進(jìn)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(jī)進(jìn)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(shì)不等而出現(xiàn)的很低電壓，若電壓在一至數(shù)伏，不會(huì)有危險(xiǎn)，不必處理。
（2）發(fā)電機(jī)繞組有短路或?qū)Φ亟^緣不良，導(dǎo)致電設(shè)備及發(fā)電機(jī)性能變壞，容易發(fā)熱，應(yīng)及時(shí)檢修，以免事故擴(kuò)大。
電流過大
（1）負(fù)荷過大，應(yīng)減輕負(fù)荷
電壓過高
（1）與電網(wǎng)并列的發(fā)電機(jī)電網(wǎng)電壓過高，應(yīng)降低并列的發(fā)電機(jī)的電壓。
功率不足
由于勵(lì)磁裝置電壓源復(fù)勵(lì)補(bǔ)償不足，不能提供電樞反應(yīng)所需的勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)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(jī)的勵(lì)磁電流增大。
（1）定子繞組受潮。對(duì)于長(zhǎng)期停用或經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間檢修的發(fā)電機(jī)、投入運(yùn)行前應(yīng)測(cè)量絕緣電阻，不合格者不準(zhǔn)投入運(yùn)行。受潮發(fā)電機(jī)要進(jìn)行烘干處理。
（2）繞組本身缺陷或檢修工藝不當(dāng)，造成繞組絕緣擊穿或機(jī)械損傷。應(yīng)按規(guī)定的絕緣等級(jí)選擇絕緣材料，嵌裝繞組及浸漆干燥等要嚴(yán)格按工藝要求進(jìn)行。
（3）繞組過熱。絕緣過熱后會(huì)使絕緣性能降低，有時(shí)在高溫下會(huì)很快造成絕緣擊穿。應(yīng)加強(qiáng)日常的巡視檢查，防止發(fā)電機(jī)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(jī)運(yùn)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(jī)的檢修及預(yù)防性試驗(yàn)，若發(fā)現(xiàn)絕緣不合格，應(yīng)及時(shí)更換有缺陷的繞組絕緣或更換繞組，以延長(zhǎng)發(fā)電機(jī)的使用壽命。
（5）發(fā)電機(jī)內(nèi)部進(jìn)入金屬異物，在檢修發(fā)電機(jī)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(hù)不完善。應(yīng)完善防雷保護(hù)設(shè)施。2）誤操作，如在空載時(shí)，將發(fā)電機(jī)電壓升得過高。應(yīng)嚴(yán)格按操作規(guī)程對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行升壓，防止誤操作。3）發(fā)電機(jī)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(qiáng)繞組絕緣預(yù)防性試驗(yàn)，及時(shí)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(dāng)，鐵芯沒有緊固好。如果是整個(gè)鐵芯松弛，對(duì)于小型發(fā)電機(jī)，可用兩塊小于定子繞組端部?jī)?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(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)鐵芯產(chǎn)生振動(dòng)而損壞絕緣；鐵芯片個(gè)別地方絕緣受損傷或鐵芯局部過熱，使絕緣老化，就按原計(jì)劃條中的方法進(jìn)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。
（1）停機(jī)后經(jīng)常失去剩磁，是由于勵(lì)磁機(jī)磁極所用的材料接近軟鋼，剩磁較少。當(dāng)停機(jī)后勵(lì)磁繞組沒有電流時(shí)磁場(chǎng)就消失，應(yīng)備有蓄電池，在發(fā)電前先進(jìn)行充磁。
自動(dòng)勵(lì)磁裝置的勵(lì)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(jī)起動(dòng)后，電壓升不起來
（1）勵(lì)磁回路斷線，使電壓升不起來。應(yīng)檢查勵(lì)磁回路有無斷線，接觸是否良好。
（3）勵(lì)磁機(jī)的磁場(chǎng)線圈極性接反，應(yīng)將它的正、負(fù)連接線對(duì)換。
（4）在發(fā)電機(jī)檢修中做某些試驗(yàn)時(shí)誤把磁場(chǎng)線圈通以反向直流電，導(dǎo)致剩磁消失或反向，應(yīng)重新進(jìn)行充磁。
發(fā)電機(jī)振蕩失步
正常情況下，發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率是和負(fù)荷功率相平衡的。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障或發(fā)電機(jī)大幅度甩負(fù)荷時(shí)，發(fā)電機(jī)的功率就與用戶的負(fù)荷不相平衡。要想調(diào)整負(fù)荷使其平衡，由于轉(zhuǎn)子慣性和調(diào)速器延時(shí)需要一個(gè)過程，在此期間，發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行將被破壞，使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生振蕩。如果事故嚴(yán)重，甚至?xí)拱l(fā)電機(jī)與系統(tǒng)失去同步。發(fā)電機(jī)振蕩失步時(shí)，值班人員應(yīng)通過增加勵(lì)磁電流來創(chuàng)造恢復(fù)同步的條件；也可適當(dāng)調(diào)整該機(jī)的負(fù)荷，以幫助恢復(fù)同步。
發(fā)電機(jī)振動(dòng)
（1）轉(zhuǎn)子不圓或平衡未調(diào)整好，應(yīng)嚴(yán)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(shí)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(dòng)，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(dāng)配合間隙。
（10）發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)不對(duì)稱，應(yīng)注意定子鐵芯兩端擋風(fēng)板及轉(zhuǎn)子支架擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)布置和尺寸的選擇，使風(fēng)路系統(tǒng)對(duì)稱，增強(qiáng)蓋板、擋風(fēng)板的剛度并緊固牢靠。
同步特性
同步發(fā)電機(jī)的外特性一般指在內(nèi)電勢(shì)不變的情況下，負(fù)載電流變化時(shí)，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓變化的曲線，主要是測(cè)試發(fā)電機(jī)的縱軸同步電抗，也就是發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻抗，是同步發(fā)電機(jī)帶負(fù)載能力的重要指標(biāo)。但同步發(fā)電機(jī)多采用可控硅快速勵(lì)磁和阻尼繞組，其縱軸同步電抗多為暫態(tài)值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于穩(wěn)態(tài)值。此外由于勵(lì)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(fù)的，正的外特性就是機(jī)端電壓隨負(fù)載電流增長(zhǎng)而降低，負(fù)的就是機(jī)端電壓隨負(fù)載電流增長(zhǎng)而提高，一般勵(lì)磁系統(tǒng)都可以在正負(fù)15%的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
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作者
