同步發(fā)電機
江蘇中動(dòng)電力設備有限公司 / 2012-08-22
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(shí)，通過(guò)調節勵磁電流，能方便地調節發(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(shí)調節勵磁電流的結果是調節了電機的功率因數和無(wú)功功率。
同步發(fā)電機的定子、轉子結構與同步電機相同，一般采用三相形式，只在某些小型同步發(fā)電機中電樞繞組采用單相。
工作特性 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(hù)選用發(fā)電機的重要依據。
空載特性 發(fā)電機不接負載時(shí)，電樞電流為零，稱(chēng)為空載運行。此時(shí)電機定子的三相繞組只有勵磁電流If感生出的空載電動(dòng)勢E0（三相對稱(chēng)），其大小隨If的增大而增加。但是，由于電機磁路鐵心有飽和現象，所以?xún)烧卟怀烧?。反映空載電動(dòng)勢E0與勵磁電流If關(guān)系的曲線(xiàn)稱(chēng)為同步發(fā)電機的空載特性。
電樞反應 當發(fā)電機接上對稱(chēng)負載后，電樞繞組中的三相電流會(huì )產(chǎn)生另一個(gè)旋轉磁場(chǎng)，稱(chēng)電樞反應磁場(chǎng)。其轉速正好與轉子的轉速相等，兩者同步旋轉。
同步發(fā)電機的電樞反應磁場(chǎng)與轉子勵磁磁場(chǎng)均可近似地認為都按正弦規律分布。它們之間的空間相位差取決于空載電動(dòng)勢E0與電樞電流I之間的時(shí)間相位差。電樞反應磁場(chǎng)還與負載情況有關(guān)。當發(fā)電機的負載為電感性時(shí)，電樞反應磁場(chǎng)起去磁作用，會(huì )導致發(fā)電機的電壓降低；當負載呈電容性時(shí),電樞反應磁場(chǎng)起助磁作用,會(huì )使發(fā)電機的輸出電壓升高。
負載運行特性 主要指外特性和調整特性。外特性是當轉速為額定值、勵磁電流和負載功率因數為常數時(shí)，發(fā)電機端電壓U與負載電流I之間的關(guān)系。調整特性是轉速和端電壓為額定值、負載功率因數為常數時(shí),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。由于電樞反應磁場(chǎng)影響的不同，三者的曲線(xiàn)也不一樣。在外特性中，從空載到額定負載時(shí)電壓的變化程度稱(chēng)為電壓變化率△U，常用百分數表示為 同步發(fā)電機的電壓變化率約為20～40％。一般工業(yè)和家用負載都要求電壓保持基本不變。為此，隨著(zhù)負載電流的增大,必須相應地調整勵磁電流。為 3種不同性質(zhì)負載下的調整特性。雖然調整特性的變化趨勢與外特性正好相反，對于感性和純電阻性負載，它是上升的，而在容性負載下，一般是下降的。
結構和分類(lèi) 同步發(fā)電機的結構按其轉速分為高速和低（中）速兩種。前者多用于火電廠(chǎng)和核電站；后者多與低速水輪機或柴油機聯(lián)動(dòng)。在結構上，高速同步發(fā)電機多用隱極式轉子，低（中）速同步發(fā)電機多用凸極式轉子。
高速同步發(fā)電機 因大多數發(fā)電機與原動(dòng)機同軸聯(lián)動(dòng)，火電廠(chǎng)都用高速汽輪機作原動(dòng)機，所以汽輪發(fā)電機通常用高轉速的2極電機,其轉速達3000轉／分（在電網(wǎng)頻率為60赫時(shí)為3600轉／分）。核電站多用4極電機，轉速為1500轉／分（當電網(wǎng)頻率為60赫時(shí)，為1800轉／分）。為適應高速、高功率要求，高速同步發(fā)電機在結構上一是采用隱極式轉子，
二是設置專(zhuān)門(mén)的冷卻系統。
①隱極式轉子：外表呈圓柱形，在圓柱表面開(kāi)槽以安放直流勵磁繞組，并用金屬槽楔固緊，使電機具有均勻的氣隙。由于高速旋轉時(shí)巨大的離心力，要求轉子有很高的機械強度。隱極式轉子一般由高強度合金鋼整塊鍛成，槽形一般為開(kāi)口形，以便安裝勵磁繞組。在每一個(gè)極距內約有1/3部分不開(kāi)槽,形成大齒；其余部分的齒較窄，稱(chēng)做小齒。大齒中心即為轉子磁極的中心。有時(shí)大齒也開(kāi)一些較小的通風(fēng)槽，但不嵌放繞組；有時(shí)還在嵌線(xiàn)槽底部銑出窄而淺的小槽作為通風(fēng)槽。隱極式轉子在轉子本體軸向兩端還裝有金屬的護環(huán)和中心環(huán)。護環(huán)是由高強度合金制成的厚壁圓筒，用以保護勵磁繞組端部不至被巨大的離心力甩出；中心環(huán)用以防止繞組端部的軸向移動(dòng)，并支撐護環(huán)。此外，為了把勵磁電流通入勵磁繞組，在電機軸上還裝有集電環(huán)和電刷。
②冷卻系統：由于電機中能量損耗和電機的體積成正比，它的量級與電機線(xiàn)度量級的三次方成比例，而電機散熱面的量級只是電機線(xiàn)度量級的二次方。因此，當電機尺寸增大時(shí)（受材料限制，增大電機容量就得加大其尺寸），電機每單位表面上需要散發(fā)的熱量就會(huì )增加，電機的溫升將會(huì )提高。在高速汽輪發(fā)電機中，離心力將使轉子表面和轉子中心孔表面產(chǎn)生巨大的切向應力，轉子直徑越大，這種應力也越大。因此，在鍛件材料允許的應力極限范圍內,2極汽輪發(fā)電機的轉子本體直徑不能超過(guò)1250毫米。大型汽輪發(fā)電機要增大單機容量，只有靠增加轉子本體的長(cháng)度（即用細長(cháng)的轉子）和提高電磁負荷來(lái)解決。目前,轉子長(cháng)度可達8米，已接近極限。要繼續提高單機容量，只能是提高電機的電磁負荷。這使大型汽輪發(fā)電機的發(fā)熱和冷卻問(wèn)題變得特別突出。為此，已研制出多種冷卻系統。 對于50000千瓦以下的汽輪發(fā)電機，多采用閉路空氣冷卻系統，用電機內的風(fēng)扇吹拂發(fā)熱部件降溫。對于容量為5～60萬(wàn)千瓦的發(fā)電機,廣泛使用氫冷。氫氣（純度99％）的散熱性能比空氣好，用它來(lái)取代空氣不僅散熱效果好，而且可使電機的通風(fēng)摩擦損耗大為降低，從而能顯著(zhù)提高發(fā)電機的效率。但是，采用氫冷必須有防爆和防漏措施，這使電機結構更為復雜，也增加了電極材料的消耗和成本。此外，還可采用液體介質(zhì)冷卻,例如水的相對冷卻能力為空氣的50倍,帶走同樣的熱量，所需水的流量比空氣小得多。因此，在線(xiàn)圈里采用一部分空心導線(xiàn)，導線(xiàn)中通水冷卻，就可以大大降低電機溫升,延緩絕緣老化,增長(cháng)電機壽命。1956年,英國首創(chuàng )第一臺12000千瓦定子線(xiàn)圈水內冷汽輪發(fā)電機。1958年，中國由浙江大學(xué)、上海電機廠(chǎng)首先研制成第一臺定、轉子線(xiàn)圈都采用水內冷的 12000千瓦雙水內冷汽輪發(fā)電機，為這種冷卻方式奠定了基礎。世界一些國家在大容量電機中也廣泛采用水內冷技術(shù)，并制造出了幾十萬(wàn)到一百多萬(wàn)千瓦的巨型發(fā)電機。除了水冷外,液體冷卻介質(zhì)還可使用變壓器油，其相對導熱能力約為水的40％，絕緣性能好，可將發(fā)電機額定電壓提高到幾萬(wàn)伏，從而節約了升壓變壓器的投資。近年來(lái)，還在研究用氟利昂作為冷卻介質(zhì)的蒸發(fā)冷卻技術(shù)。氟利昂絕緣好，很容易氣化，利用其氣化潛熱來(lái)冷卻電機，是一種有意義的探索方向。
低速同步發(fā)電機多數由較低速度的水輪機或柴油機驅動(dòng)。電機磁極數由4極到60極,甚至更多。對應的轉速為1500～100轉／分及以下。由于轉速較低,一般都采用對材料和制造工藝要求較低的凸極式轉子。
凸極式轉子的每個(gè)磁極常由1～2毫米厚的鋼板疊成，用鉚釘裝成整體,磁極上套有勵磁繞組。勵磁繞組通常用扁銅線(xiàn)繞制而成。磁極的極靴上還常裝有阻尼繞組。它是一個(gè)由極靴阻尼槽中的裸銅條和焊在兩端的銅環(huán)形成的一個(gè)短接回路。磁極固定在轉子磁軛上，磁軛由鑄鋼鑄成。凸極式轉子可分為臥式和立式兩類(lèi)。大多數同步電動(dòng)機、同步調相機和內燃機或沖擊式水輪機拖動(dòng)的發(fā)電機，都采用臥式結構；低速、大容量水輪發(fā)電機則采用立式結構。
臥式同步電機的轉子主要由主磁極、磁軛、勵磁繞組、集電環(huán)和轉軸等組成。其定子結構與異步電機相似。立式結構必須用推力軸承承擔機組轉動(dòng)部分的重力和水向下的壓力。大容量水輪發(fā)電機中，此力可高達四、五十兆牛（約相當于四、五千噸物體的重力），所以這種推力軸承的結構復雜，加工工藝和安裝要求都很高。按照推力軸承的安放位置，立式水輪發(fā)電機分為懸吊式和傘式兩種。懸吊式的推力軸承放在上機架的上部或中部，在轉速較高、轉子直徑與鐵心長(cháng)度的比值較小時(shí)，機械上運行較穩定。傘式的推力軸承放在轉子下部的下機架上或水輪機頂蓋上。負重機架是尺寸較小的下機架，可節約大量鋼材，并能降低從機座基礎算起的發(fā)電機和廠(chǎng)房高度。
同步發(fā)電機的并聯(lián)運行 同步發(fā)電機絕大多數是并聯(lián)運行，并網(wǎng)發(fā)電的。各并聯(lián)運行的同步發(fā)電機必須頻率、電壓的大小和相位都保持一致。否則，并聯(lián)合閘的瞬間，各發(fā)電機之間會(huì )產(chǎn)生內部環(huán)流，引起擾動(dòng)，嚴重時(shí)甚至會(huì )使發(fā)電機遭受破壞。但是，兩臺發(fā)電機在投入并聯(lián)運行以前，一般說(shuō)來(lái)它們的頻率與電壓的大小和相位是不會(huì )完全相同的。為了使同步發(fā)電機能投入并聯(lián)運行，首先必須有一個(gè)同步并列的過(guò)程。同步并列的方法可分為準同步和自同步兩種。同步發(fā)電機在投入并聯(lián)運行以后，各機負載的分配決定于發(fā)電機的轉速特性。通過(guò)調節原動(dòng)機的調速器，改變發(fā)電機組的轉速特性，即可改變各發(fā)電機的負載分配，控制各發(fā)電機的發(fā)電功率。而通過(guò)調節各發(fā)電機的勵磁電流，可以改變各發(fā)電機無(wú)功功率分配和調節電網(wǎng)的電壓。
準同步并列將已加勵磁的待投運發(fā)電機通過(guò)調節其原動(dòng)機的轉速和改變該發(fā)電機的勵磁，使其和運行中的發(fā)電機的頻率差不超過(guò)0.1～0.5％。在兩機電壓相位差不超過(guò)10°的瞬間進(jìn)行合閘并聯(lián)，兩者即可自動(dòng)牽入同步運行。準同步并列的操作可以手動(dòng)，也可以借自動(dòng)裝置完成。
自同步并列把待投入并聯(lián)的發(fā)電機轉速調到接近電網(wǎng)的同步轉速，在未加勵磁的條件下就合閘并聯(lián)，然后再加入勵磁，依靠發(fā)電機和電網(wǎng)之間出現的環(huán)流及相應產(chǎn)生的電磁轉矩把發(fā)電機迅速牽入同步。采用自同步并列時(shí)，由于減少了調節發(fā)電機轉速、電壓和選擇合閘瞬間所需的時(shí)間，所以并列的過(guò)程較快，特別適宜于電力系統事故情況下機組的緊急投入。但是此法在并列合閘瞬間的電流沖擊比較大，會(huì )使電網(wǎng)電壓短時(shí)下降，電機繞組端部承受較大的電磁力。
