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1、三相交流凸极同步电机三相交流凸极同步电机 定子铁芯定子铁芯定子线圈定子线圈定、转子定、转子间空气隙间空气隙磁极铁芯磁极铁芯磁极线圈磁极线圈转子磁轭转子磁轭定子定子转子转子水轮发电机工作原理水轮发电机工作原理三相交流系统三相交流系统定子线圈分成三个不同的相带定子线圈分成三个不同的相带 (U, V, W) 沿圆周分布沿圆周分布 空间上相错空间上相错 2/3 个极距个极距 感应电压在时间上相差感应电压在时间上相差 120 电角度电角度电压 U时间 t123UVW定子绕组的旋转磁场定子绕组的旋转磁场定子绕组的电枢反应定子绕组的电枢反应电机并网时，也产生三相电流系统电机并网时，也产生三相电流系统 (U,
2、V,W) 电流在时间上相差电流在时间上相差 120 电角度电角度如同转子，定子产生一个旋转磁场，与电网频如同转子，定子产生一个旋转磁场，与电网频率率n =60 f / p 同步旋转同步旋转电流I时间 t123NNNNSSSSNNNNSSSS定、转子合成磁场定、转子合成磁场 定、转子磁场相互耦合形成了合成磁场定、转子磁场相互耦合形成了合成磁场 等效模型：等效模型： 耦合磁体耦合磁体 “齿轮齿轮NSNS定子磁场NSNS转子磁场转矩的产生转矩的产生 Maxwell 应力应力 磁力线形成的力（磁拉力）磁力线形成的力（磁拉力）依据计算公式：依据计算公式：022B空载时空载时定子线圈内没有电流定子线圈内没
3、有电流磁力线和磁力线和磁拉力沿径向对称分布磁拉力沿径向对称分布 没有切向应力没有切向应力 没有转矩没有转矩空载运行空载运行No Stator FieldNSNSRotor没有定子磁场NSNSRotorNSNS转子转矩的产生转矩的产生 带负荷运行时带负荷运行时 带负荷运行时带负荷运行时 定子电流产生磁场波以同步转速旋转定子电流产生磁场波以同步转速旋转 定子磁场干扰了原来的对称磁力线定子磁场干扰了原来的对称磁力线 不对称磁场分布也就产生了切向磁力不对称磁场分布也就产生了切向磁力线和切向磁拉力线和切向磁拉力 转矩产生了转矩产生了 负载运行负载运行NSN定子磁场NSNSRotorNSNS转子不同运行方
4、式下的模型不同运行方式下的模型 运行方式运行方式 空载空载: 径向磁力线径向磁力线, 没有转矩没有转矩 电动机运行电动机运行:定子磁场定子磁场 “拉着拉着” 转子磁场转子磁场 (驱动转驱动转矩矩) 发电机运行发电机运行:转子磁场转子磁场 “拉着拉着”定子磁场定子磁场 (制动转矩制动转矩) 失步失步 磁力线不能磁力线不能 “约束约束” 磁拉力磁拉力空载空载电动机运行电动机运行发电机运行发电机运行 l水轮发电机工作原理l水轮发电机电磁设计水轮发电机电磁设计l水轮发电机的运行l水轮发电机通风冷却水轮发电机电磁设计水轮发电机电磁设计1. 额定容量：以视在功率额定容量：以视在功率SN（kVA）或有功功率
5、）或有功功率PN（kW）表示；）表示；2. 额定功率因数额定功率因数cos N： PN= SN cos N ，QN= SN sin N 一般发电机功率因数一般发电机功率因数 0.80.9（滞后），贯流发电机（滞后），贯流发电机0.90.95（滞后）。（滞后）。3. 额定电压额定电压UN：指线电压（：指线电压（V或或kV）。按国家标准，发电机标准电压：）。按国家标准，发电机标准电压：3.15kV， 6.3kV，10.5kV，13.8kV，15.75kV，18kV，20kV和和24kV等。等。 4. 相数及相间连接：一般都采用三相星形连接（无三次谐波）相数及相间连接：一般都采用三相星形连接（无三次
6、谐波）PU IUVW三相星形连接三相星形连接UV三相三角形连接三相三角形连接W中性点中性点机端机端 UNU2V2W2U2V2W2SPQ有功功率有功功率无功功率无功功率视在功率视在功率p u,i 5. 额定频率额定频率fN（Hz）：我国电网标准频率为）：我国电网标准频率为50Hz ,额定转速额定转速nN（r/min）：按水轮机。由额定转速）：按水轮机。由额定转速nN和额定频率和额定频率fN 确定同步电机的极对数确定同步电机的极对数 p=60 fN / nN 6.飞逸转速飞逸转速nr（r/min）：按水轮机。）：按水轮机。7.飞轮力矩飞轮力矩GD2（t m2）：由电电力系统稳定性和水轮机调保计算确
7、定。）：由电电力系统稳定性和水轮机调保计算确定。8. 短路比短路比 Kcc：由电力系统对发电机的静态稳定度要求提出。：由电力系统对发电机的静态稳定度要求提出。9. 纵轴瞬变电抗纵轴瞬变电抗Xd（标么值）：由电电力系统对发电机的动态稳定度要求提出。（标么值）：由电电力系统对发电机的动态稳定度要求提出。10. 纵轴超瞬变电抗纵轴超瞬变电抗X”d （标么值）：限制发电机短路冲击电流倍数。（标么值）：限制发电机短路冲击电流倍数。11. 额定效率额定效率 N （%）或加权平均效率）或加权平均效率 （%）：）：12. 定、转子绕组及定子铁芯温升（定、转子绕组及定子铁芯温升（K）：由绝缘结构的耐热等级决定。
8、）：由绝缘结构的耐热等级决定。F级绝缘温度限制为级绝缘温度限制为155 C。温升指绝缘温度。温升指绝缘温度与冷却介质的温度（一般为与冷却介质的温度（一般为40 C ）差。）差。13.机坑直径尺寸（机坑直径尺寸（mm）限制）限制14.起吊设备能力（起吊设备能力（t）限制）限制15.运输尺寸重量（运输尺寸重量（m3，t）限制）限制与电磁设计相关联的发电机振动问题与电磁设计相关联的发电机振动问题 定子的定子的100Hz频率的零节点振动：由电网电压不平衡产频率的零节点振动：由电网电压不平衡产生的负序电流造成。生的负序电流造成。 定子的分数次谐波振动：发电机采用不恰当的分数槽绕定子的分数次谐波振动：发电
9、机采用不恰当的分数槽绕组和绕组接线。组和绕组接线。 发电机有功输出功率大幅波动：发电机固有频率（扭振发电机有功输出功率大幅波动：发电机固有频率（扭振频率）与水轮机尾水脉振频率产生共振造成。对额定转频率）与水轮机尾水脉振频率产生共振造成。对额定转速为速为300r/min左右的水轮发电机组，在水轮机部分出力左右的水轮发电机组，在水轮机部分出力（5080）下可能产生。）下可能产生。水轮发电机通风冷却水轮发电机通风冷却Cooling Water无风扇磁轭通风系统（空冷）无风扇磁轭通风系统（空冷）带风扇的带风扇的轴轴-径径向通风系统向通风系统（空冷）（空冷）Cooling Water 半水内冷系统半水内
10、冷系统（定子绕组水内冷，（定子绕组水内冷，转子绕转子绕组、定子铁芯空气冷却组、定子铁芯空气冷却）CoolingWaterCoolingWaterCoolingWater 全水内冷系统全水内冷系统（定子绕组、转子绕组、（定子绕组、转子绕组、定子铁芯全部水内冷）定子铁芯全部水内冷）l水轮发电机工作原理l水轮发电机电磁设计l水轮发电机的运行水轮发电机的运行l水轮发电机通风冷却水轮发电机的运行水轮发电机的运行功率特性曲线（功率圆图）功率特性曲线（功率圆图）转子温升限制线转子温升限制线0.100.100.200.200.300.300.400.400.500.500.600.600.700.700.75
11、0.750.800.800.850.850.900.900.950.950.20.20.20.40.40.40.60.60.60.80.80.81.01.01.00.0P.U.Reactive Power OverexcitedReactive Power UnderexcitedActive PowerPower FactorApparent Power 1 p.u. = 151800 kVAMaximum Output Limited by1 Maximum Field Current2 Armature Current3 Practical Stability4 Theoretical
12、Stability5 Minimum Field Current6 Reluctance PowerRated DataRated OutputkVARated VoltageV 151800 13800UndervoltageRated voltageOvervoltage0.95 pu1.00 pu1.05 pu621453无功功无功功率率有功功率有功功率失励圆失励圆励磁电流运行区域运行区域定子温升限制线定子温升限制线实际稳定极限限制线实际稳定极限限制线无功功率无功功率有功功率有功功率励磁电流励磁电流功率增加功率增加功率调节功率调节有功功率：仅由水轮机调节有功功率：仅由水轮机调节无功功率：
13、由励磁电流调节无功功率：由励磁电流调节事故：机端三相（或两相）突然短路事故：机端三相（或两相）突然短路G事故：半数磁极短路事故：半数磁极短路 突然短路电流（定子绕组）突然短路电流（定子绕组） 短路扭矩（定子基础）短路扭矩（定子基础） 线棒端部和铜环引线支架受力线棒端部和铜环引线支架受力 磁拉力（转子承受，导轴承，上机架基础）磁拉力（转子承受，导轴承，上机架基础） 快速灭磁有利于减小最大磁拉力快速灭磁有利于减小最大磁拉力事故：失磁异步运行事故：失磁异步运行 定子绕组短时电流（约定子绕组短时电流（约10s） 定子绕组过热，绝缘损坏定子绕组过热，绝缘损坏 转子失步，阻尼绕组损坏转子失步，阻尼绕组损坏NSN定子磁场NSNSRotorNSNS转子NSN定子磁场转子25 结束语结束语