同步發(fā)電機
江蘇中動電力設備有限公司 / 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(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)電機的定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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。這些特性是用戶選用發(fā)電機的重要依據(jù)。
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If感生出的空載電動勢E0（三相對稱），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(xiàn)象，所以兩者不成正比。反映空載電動勢E0與勵磁電流If關系的曲線稱為同步發(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)。
同步發(fā)電機的電樞反應磁場與轉(zhuǎn)子勵磁磁場均可近似地認為都按正弦規(guī)律分布。它們之間的空間相位差取決于空載電動勢E0與電樞電流I之間的時間相位差。電樞反應磁場還與負載情況有關。當發(fā)電機的負載為電感性時，電樞反應磁場起去磁作用，會導致發(fā)電機的電壓降低；當負載呈電容性時,電樞反應磁場起助磁作用,會使發(fā)電機的輸出電壓升高。
負載運行特性 主要指外特性和調(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之間的關系。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，隨著負載電流的增大,必須相應地調(diào)整勵磁電流。為 3種不同性質(zhì)負載下的調(diào)整特性。雖然調(diào)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(jié)構(gòu)和分類 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。
高速同步發(fā)電機 因大多數(shù)發(fā)電機與原動機同軸聯(lián)動，火電廠都用高速汽輪機作原動機，所以汽輪發(fā)電機通常用高轉(zhuǎn)速的2極電機,其轉(zhuǎn)速達3000轉(zhuǎn)／分（在電網(wǎng)頻率為60赫時為3600轉(zhuǎn)／分）。核電站多用4極電機，轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)／分（當電網(wǎng)頻率為60赫時，為1800轉(zhuǎn)／分）。為適應高速、高功率要求，高速同步發(fā)電機在結(jié)構(gòu)上一是采用隱極式轉(zhuǎn)子，
二是設置專門的冷卻系統(tǒng)。
①隱極式轉(zhuǎn)子：外表呈圓柱形，在圓柱表面開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(zhuǎn)時巨大的離心力，要求轉(zhuǎn)子有很高的機械強度。隱極式轉(zhuǎn)子一般由高強度合金鋼整塊鍛成，槽形一般為開口形，以便安裝勵磁繞組。在每一個極距內(nèi)約有1/3部分不開槽,形成大齒；其余部分的齒較窄，稱做小齒。大齒中心即為轉(zhuǎn)子磁極的中心。有時大齒也開一些較小的通風槽，但不嵌放繞組；有時還在嵌線槽底部銑出窄而淺的小槽作為通風槽。隱極式轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)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，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(tǒng)：由于電機中能量損耗和電機的體積成正比，它的量級與電機線度量級的三次方成比例，而電機散熱面的量級只是電機線度量級的二次方。因此，當電機尺寸增大時（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)的熱量就會增加，電機的溫升將會提高。在高速汽輪發(fā)電機中，離心力將使轉(zhuǎn)子表面和轉(zhuǎn)子中心孔表面產(chǎn)生巨大的切向應力，轉(zhuǎn)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(nèi),2極汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子本體直徑不能超過1250毫米。大型汽輪發(fā)電機要增大單機容量，只有靠增加轉(zhuǎn)子本體的長度（即用細長的轉(zhuǎn)子）和提高電磁負荷來解決。目前,轉(zhuǎn)子長度可達8米，已接近極限。要繼續(xù)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)熱和冷卻問題變得特別突出。為此，已研制出多種冷卻系統(tǒng)。 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(tǒng)，用電機內(nèi)的風扇吹拂發(fā)熱部件降溫。對于容量為5～60萬千瓦的發(fā)電機,廣泛使用氫冷。氫氣（純度99％）的散熱性能比空氣好，用它來取代空氣不僅散熱效果好，而且可使電機的通風摩擦損耗大為降低，從而能顯著提高發(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(jié)構(gòu)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，在線圈里采用一部分空心導線，導線中通水冷卻，就可以大大降低電機溫升,延緩絕緣老化,增長電機壽命。1956年,英國首創(chuàng)第一臺12000千瓦定子線圈水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機。1958年，中國由浙江大學、上海電機廠首先研制成第一臺定、轉(zhuǎn)子線圈都采用水內(nèi)冷的 12000千瓦雙水內(nèi)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(nèi)冷技術，并制造出了幾十萬到一百多萬千瓦的巨型發(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伏，從而節(jié)約了升壓變壓器的投資。近年來，還在研究用氟利昂作為冷卻介質(zhì)的蒸發(fā)冷卻技術。氟利昂絕緣好，很容易氣化，利用其氣化潛熱來冷卻電機，是一種有意義的探索方向。
低速同步發(fā)電機多數(shù)由較低速度的水輪機或柴油機驅(qū)動。電機磁極數(shù)由4極到60極,甚至更多。對應的轉(zhuǎn)速為1500～100轉(zhuǎn)／分及以下。由于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子。
凸極式轉(zhuǎn)子的每個磁極常由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繞制而成。磁極的極靴上還常裝有阻尼繞組。它是一個由極靴阻尼槽中的裸銅條和焊在兩端的銅環(huán)形成的一個短接回路。磁極固定在轉(zhuǎn)子磁軛上，磁軛由鑄鋼鑄成。凸極式轉(zhuǎn)子可分為臥式和立式兩類。大多數(shù)同步電動機、同步調(diào)相機和內(nèi)燃機或沖擊式水輪機拖動的發(fā)電機，都采用臥式結(jié)構(gòu)；低速、大容量水輪發(fā)電機則采用立式結(jié)構(gòu)。
臥式同步電機的轉(zhuǎn)子主要由主磁極、磁軛、勵磁繞組、集電環(huán)和轉(zhuǎn)軸等組成。其定子結(jié)構(gòu)與異步電機相似。立式結(jié)構(gòu)必須用推力軸承承擔機組轉(zhuǎn)動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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速較高、轉(zhuǎn)子直徑與鐵心長度的比值較小時，機械上運行較穩(wěn)定。傘式的推力軸承放在轉(zhuǎn)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(jié)約大量鋼材，并能降低從機座基礎算起的發(fā)電機和廠房高度。
同步發(fā)電機的并聯(lián)運行 同步發(fā)電機絕大多數(shù)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)電機之間會產(chǎn)生內(nèi)部環(huán)流，引起擾動，嚴重時甚至會使發(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，一般說來它們的頻率與電壓的大小和相位是不會完全相同的。為了使同步發(fā)電機能投入并聯(lián)運行，首先必須有一個同步并列的過程。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(zhuǎn)速特性。通過調(diào)節(jié)原動機的調(diào)速器，改變發(fā)電機組的轉(zhuǎn)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。而通過調(diào)節(jié)各發(fā)電機的勵磁電流，可以改變各發(fā)電機無功功率分配和調(diào)節(jié)電網(wǎng)的電壓。
準同步并列將已加勵磁的待投運發(fā)電機通過調(diào)節(jié)其原動機的轉(zhuǎn)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0.1～0.5％。在兩機電壓相位差不超過10°的瞬間進行合閘并聯(lián)，兩者即可自動牽入同步運行。準同步并列的操作可以手動，也可以借自動裝置完成。
自同步并列把待投入并聯(lián)的發(fā)電機轉(zhuǎn)速調(diào)到接近電網(wǎng)的同步轉(zhuǎn)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(xiàn)的環(huán)流及相應產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩把發(fā)電機迅速牽入同步。采用自同步并列時，由于減少了調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速、電壓和選擇合閘瞬間所需的時間，所以并列的過程較快，特別適宜于電力系統(tǒng)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，會使電網(wǎng)電壓短時下降，電機繞組端部承受較大的電磁力。
