汽轮发电机的工作原理.ppt

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1、汽轮发电机的工作原理,汽轮发电机的技术参数 链接,一、对称负载时同步发电机的电枢反应1、磁动势分析,1) 定子三相对称绕组中对称三相电流产生基波电 枢磁动势,（1） 大小： (A),（2） 转速： (r/min),（3） 转向：沿通电相序A、B、C的方向，它与转子转向相同,（4） 极对数：和转子极对数相同，决定于绕组的节距,2）转子励磁绕组通入直流产生基波励磁磁动势,（4） 极对数：和转子磁极的极对数相同。,（1） 大小： (A),（2） 转速：和转子转速一样为同步速；,（3） 转向：和转子转向一致；,励磁磁势和电枢磁势的区别,定子绕组的基波电枢磁动势和转子的基波励磁磁动势，它们的转速、转向、

2、极对数均相同，彼此之间相对静止，因此两者的合成磁动势将是一个同样转向、转速、极对数的旋转磁动势，由它们合成在电机中产生气隙磁场。,谐波电枢磁动势和励磁磁动势没有固定作用，不能合成恒定的磁动势。谐波励磁磁动势很小。,结论：,2、电枢反应对称负载时，电枢磁势的基波对励磁磁势基波的影响，称为电枢反应。这种影响使得气隙磁通的大小及位置均发生变化.,准备知识,空间基波电枢磁动势向量 空间基波励磁磁动势向量 空载时定子一相电动势,三个角，四个轴,三个角四个轴,电枢反应磁动势 落后励磁磁动势 空间电角度，叫做交轴电枢反应磁动势，交轴电枢反应使合成磁动势 与励磁磁动势 不在一个方向上，相差一个相角 。,结论：

3、,1） ，cos =1的情况,2) （落后）， 的情况,与 相差 ， 对 起去磁作用，此时的 叫直轴去磁电枢反应磁动势。,直轴去磁电枢反应使合成磁动势 比 减小，气隙磁密比空载时减小，感应电动势相应减小， 与 同相位，即,+A,+A,3) （超前）， 的情况,与 相差 ， 对 起助磁作用，此时的 叫直轴助磁电枢反应磁动势。,直轴助磁电枢反应使合成磁动势 比 增加，气隙磁密比空载时增大，感应电动势相应增大， 与 同相位，即,4） 为落后的一个任意角,d轴,q轴,电枢反应磁动势 可以分解为两个分量：,A、沿直轴方向的分量 对 起去磁作用；,B、沿交轴方向的分量 使合成磁动势 与 产生夹角 。,d轴

4、,q轴,结论：电枢反应的性质（去磁、助磁或交磁）因负载性质（感性、容性或阻性）和大小的不同而不同。一般情况下发电机带感性负载，此时：（1）电枢磁势的一部分产生横轴交磁电枢反应（磁场畸变一个角度+略有去磁，横轴电枢电流在电机内部产生电磁力矩.）（2）电枢磁势的另一部分产生纵轴去磁电枢反应（磁场去磁，纵轴电枢电流使发电机的端电压改变，但不产生力矩。）,二、不计磁路饱和时汽轮发电机的电压方程及等值电路1磁路饱和的概念发电机磁路饱和主要是定、转子铁芯的饱和，它将导致发电机空载电动势与励磁电流为非线性的关系。,二、不计磁路饱和时汽轮发电机的电压方程及等值电路2发电机电压方程及等值电路,已知发电机的端电压

5、、负载电流和功率因数 及参数 ，负载为感性。,隐极发电机的相量图,三、同步发电机的运行特性1空载特性发电机空载时，在额定转速下，端电压与励磁电流之间的函数关系称为空载特性。空载特性曲线的测量： （1） 励磁电流由零升至最大值（2） 励磁电流由最大值降为零 由于铁磁材料磁滞的原因空载电势略有不同，一般取下降的空载特性曲线,铁芯磁动势,气隙磁动势,气隙线,空载特性,线性区,过渡区,饱和区,总励磁磁动势,空载特性(磁化曲线）,磁路的饱和系数,通常取下降分支,2短路特性 短路特性是指发电机在额定转速下，电枢绕组作三相稳态短路实验时，短路电流Ik与励磁电流If之间的函数关系。短路特性的测量方法：,+,-

6、,气隙线（短路不饱和）,空载特性,短路特性,3负载特性负载特性是指在n = ne，I = Ie =常数， 的条件下，发电机的端电压U与励磁电流If之间的关系曲线。,4外特性外特性表示发电机在额定转速下，励磁电流If为常数，功率因数为常数的条件下，端电压U与负载电流I的函数关系。,5调整特性调整特性就是当n=ne时，U=常数， 常数时， 励磁电流If与负载电流I之间的关系曲线，,特性曲线的应用：（1）空载特性，仅用来判定空载励磁电压和电流与设计说明书是否相符；（2）短路特性和空载特性并用，从而求得发电机的一些重要参数,如同步电抗、短路比等；（3）外特性和调整特性，则反应出定子电压、负载电流及励磁

7、电流三者之间的一些变化曲势，从而帮助我们来分析在运行中一些量的变化，会影响到哪些量的变化，最终采取何种补救措施来维持机组的稳定。,6发电机的功率损耗和效率,四、同步发电机的并联运行,1同步发电机投入并联的方法准同期法：发电机并网前已经励磁，通过调节，使发电机与系统电压差，频率，相角差均在允许范围内并列的并列。自动准同期是正常并列应采用的方法，而手动准同期常作为备用。自同期法：先将励磁绕组经过一个电阻闭路（阻值为励磁绕组电阻的5-10倍），在不给励磁的情况下开机，将发电机的转速升到接近同步转速，合上并列用断路器，再加励磁，利用发电机的自整步作用，将发电机拉入同步。,2准同期并列的条件并联投入时，

8、应避免产生大的电流冲击和转轴受到突然的扭矩。并联合闸必须满足四个条件：1.待并发电机电压与系统电压大小相同，允许相差5的额定电压值。 2.待并发电机电压与系统电压相位相同，允许相角差控制在10以内。3.待并发电机频率与系统频率相同，允许相差0.050.1HZ以内。 4.待并发电机相序与系统相序相同。如果条件不满足，待并发电机与系统间将有电压差（可能还是变化的），从而出现冲击电流。,冲击电流：,通常要求，冲击电流不超过发电机出口短路电流的5%-10%,2用同步表准同期并列的方法,电压表PVl和PV2分别监视电网和待并发电机的电压，调节待并发电机的励磁电流，可使发电机电压与电网电压相等。频率表PF

9、l和PF2分别监视电网和待并发电机的频率，调节待并发电机的原动机转速，可使发电机的频率与电网频率相等。待并发电机的电压相位与电网电压相位可由同步表PS监视，同步表指针向“快”的方向摆，表明待并发电机的频率高于电网频率，反之亦然。,3准同步并列手段 手动准同步、自动准同步、半自动准同步 规程规定：发电机并列应以自动准同步并列方式为基本操作方式，如自动准同步并列方式不良应改为手动准同步并列方式。,五、同步发电机的功角特性和稳定,1、同步发电机的功角特性和静态稳定,并列在电网上运行的同步发电机，经常会受到来到电力系统或原动机方面某些微小的扰动，导致发电机输入功率微的扰动，同步发电机能否在这种瞬间扰动

10、消除后，恢复到原来的稳定运行状态，这就是同步发电机运行的静态稳定问题。如果能恢复到原运行状态，则发电机处于“静态稳定”状态；反之，则处在“静态不稳定”状态。综上所述，从发电机功角特性曲线上可看出，当功角在090范围内，电磁功率PM 将随着功角的增大而增大,机组运行是稳定的；当功角在90180范围内，电磁功率Pm 将随着功角的增大而减小，机组运行是不稳定的。,同时，由隐极机的功角特性式还可看出，在U常数时，同步电机可作为发电机运行，此时0，同步机向电网输出有功功率；同步机也可作为电动机运行，此时0，同步电机从电网吸收有功功率。,2、同步发电机的暂态稳定暂态稳定：发电机突然加负载、切除负载等正常操

11、作运行时，或者在发生突然短路、电压突变、发电机失去励磁电流等非正常运行，以及遭受到大的或是一定数值参数变化或负载变化时，电机是否还能保持同步运行的问题。（大的扰动）下面以系统发生短路为例，来分析系统的动态稳定。,发电机暂态稳定,b,h,六、隐极同步发电机安全运行极限 同步发电机的运行极限图（又称功率图或P-Q容量曲线，对运行人员按允许负荷运行，保障机组安全有很大的帮助。,图上未画出汽轮机极限功率输出线,七、同步发电机并列运行的调整 1、有功功率的调整根据有功功率静态特性，改变功率角可改变发电机的有功功率，这可以通过改变汽轮机的输出来实现，但有功率极限的限制。,2、无功功功率的调整电力系统的负载

12、中包括有功功率和无功功率，发电机并列在电网中运行时，若只向系统发送有功功率，不发无功功率，就不能满足电力系统对无功功率的要求，轻则电网电压降低，重则电网电压瓦解或崩溃。无功功率静态特性：,（1）不改变原动机的输出功率，仅改变发电机励磁电流。例如：励磁电流增大，电动势E0也增大；但由于原动机输出未改变，所以发电机输出的有功功率不变，因而功率角有所减小，故Q增加了。,励磁电流增大,（2）不改变发电机励磁电流，仅原动机的输出功率改变。例如：由于不改变发电机励磁电流，发电机电动势相应不改变，当原动机的输出功率增大时，功率角也增大，所以发电机输出的有功功率增加了，但Q却略有减少。,由此可见，调节无功功率

13、，对有功功率不会产生影响，这是符合能量守恒的。但调节无功功率将改变功率极限值和功角的大小，从而影响静态稳定度；调节有功功率时，由于功角大小发生变化，无功功率也随之改变。另外单机运行时，调节励磁电流可改变发电机的电压。,（3）同步发电机的V形曲线,进相,迟相,八、同步发电机的进相运行 1、进相运行的概念及应用减小励磁电流，使发电机电动势减小，功率因数角变为超前的，发电机向系统输送有功功率，但同时吸收无功功率，这种运行状态称为进相运行。进相运行的目的：当夜间或节假日时，线路所产生的无功功率过剩，使系统的电压升高，有时超过允许范围，这时，发电机采用进相运行，吸收过剩的无功功率。,实际上同步电机，可以

14、具有四种运转状态：,2、进相运行注意事项进相运行时，会有三个不亮影响：（1）系统的静态稳定性会下降；（2）发电机端部漏磁引起定子过热（3）发电机端电压下降因此应采取相应的措施：如为了保持一定的稳定储备，使定绕组端部不至于过热，随着进相运行的深入，应限制机组的出力，见下图；改进发电机的结构；注意在常用支路发生短路故障恢复供电时，是否影响重要电动机的自启动。,九、同步发电机的不对称运行 1、不对称运行的概念电力系统的不对称运行是指组成电力系统的电气元件三相对称状态遭到破坏时的运行状态，如三相负荷不对称、三相阻抗不对称等。而非全相运行是属于不对称运行的特殊情况，即输电线或其它电气设备断开一相或两相运

15、行。发电机的不对称运行一般是在电力系统不对称运行时发生的。不对称运行将导致电压和电流对称性的破坏，出现负序电流，甚至零序电流。,正序分量,负序分量,零序分量,合成,2、负序电流对发电机的危害（1）造成定子绕组过热负序电流，与正序电流叠加使定子绕组电流可能超过额定值，而使该相绕组发热超过允许值。 （2）引起转子表面发热负序磁场以2n1 的转速切割转子，会在转子铁芯表面，槽契、励磁绕组以及转子的其它金属构件中感应出双倍于定子电流频率的电流。该电流除在励磁绕组中引起附加损耗外，还会在转子表面及金属构件中引起损耗，可能引起转子局部过热，将槽契与小齿的某些接触处或护环与齿的搭接处烧伤。,（3）引起发电机

16、振动负序电流产生的负序磁场以2 n1的速度相对于转子旋转，它与正序磁场相互作用，将在转子轴上产生两倍定子电流频率的脉动转矩。这个转矩将使机组产生振动和噪音。根据上面分析可知，产生这些不良影响的原因是存在负序电流产生的负序磁场。要减小这些不良影响，一是要减小负序电流，二是要削弱负序磁场。A、在转子上装阻尼绕组可显著地削弱负序磁场。B、通常在设计、运行中采用下述方法来减小负序电流。,（1）减小输电线路的长度，如增设线路中间开关站，这对远距离超高压输电线路是可行和必要的。 （2）增加并联变压器的台数和线路回路数，水电厂的主接线经常采用发电机变压器单元接线，如并联运行可减小负序电流。 （3）增加变压器

17、中性点的接地点的数量。 （4）选择大容量的变压器，实行中性点接地。 （5）发电机侧接入附加阻抗。对于YN，d11接线的变压器，在YN侧一相断线（如A相）时，为了减小负序电流，可在d侧发电机负荷最重的B相接入附加阻抗。 （6）调节变压器分接头法。,3、发电机不对称负荷的容许范围 同步发电机不对称负荷容许范围的确定主要决定于下面三个条件：（1）负荷最重相的定子电流，不应超过发电机的额定电流。（2）转子任何一点温度，不应超过转子绝缘材料等级和金属材料的容许温度。（3）机械振动不超过允许的范围。通常规定：A、在额定负荷下连续运行时，汽轮发电机三相电流之差，不得超过10，或负序电流不超过额定电流的6，同

18、时任何一相电流不得大于额定值。B、发电机短时间容许的不平衡电流值，应满足,十、同步发电机的失磁运行1、失磁运行的概念是指同步发电机失去励磁后，仍带有一定的有功功率，以稍低于同步转速的状态与电网继续并联运行的一种运行方式。2、失磁的原因（1）励磁回路开路，如灭磁开关被误碰跳闸，晶闸管元件损坏等；（2）励磁回路短路；（3）励磁调节系统故障。,3、失磁的物理过程,在异步状态下，发电机从系统吸收无功，供定子和转子产生磁场，向系统送出有功（通常应减少），如果发电机在很小的转差下就能产生很大的异步力矩，那么失磁状态下还能带较大的负荷，甚至所带负荷不变，这种状态要注意两点：一是定子电流不能超过额定值；二是转

19、子部分温度不能超过允许值。,4、发电机失磁的危害A、对发电机的危害，主要表现在以下几个方面：（1）由于出现转差，在转子表面将感应出差频电流，使转子发热，（2）失磁发电机转入异步运行后，由系统向发电机送入的无功功率增大，失磁前带的有功功率越大，由系统送来的无功也越大，因此在重负荷下失磁，由于定子绕组过电流，将使发电机定子过热。（3）异步运行中，发电机的转矩有所变化，因而有功功率要发生严重的周期性变化，使发电机转子和机座受到异常的机械力冲击，使机组的安全受到威胁。（4）失磁运行时，定子端部漏磁增大，使端部的部件和边段铁芯过热。（5）转子绕组过电压：如灭磁开关误跳闸瞬间产生过电压。,B、发电机失磁后

20、，对系统的影响如下：（1）失磁后的发电机，将从电力系统吸取相当于额定容量的无功功率，引起电力系统的电压下降，如果电力系统无功功率储备容量不足，将使邻近失磁发电机的部分系统电压低于允许值，威胁负载及各电源之间的稳定运行，甚至导致系统的电压崩溃而瓦解。（2）一台发电机失磁引起系统的电压下降，将使邻近的发电机励磁调节器动作而增大其无功输出，从而将引起这些发电机、变压器和线路过电流，导致大面积停电，扩大故障的波及范围。一般汽轮发电机在一定的条件下，可以无励磁运行一段时间（一般不大于0.5h），以便消除故障，恢复励磁。,同步发电机允许失磁运行的时间和功率，受到如下条件的限制： （1）定子和转子发热的限制

21、； （2）机组振动的限制； （3）电力系统无功功率的限制。因为失磁运行的发电机从送出无功功率转换为吸收无功功率，这样在系统无功功率不足时，将造成系统电压大幅度下降。,5、发电机失磁的现象,6、发电机失磁后的处理,十一、发电机振荡1、发电机振荡的概念当机组负载功率突然变化后，发电机的功角不能立即在新的工作点稳定运行，而是围绕着新的功角左右多次周期性的往复摆动后，才能稳定下来，这种周期性的往复摆动，称为同步发电机的振荡。同步振荡：由于存在阻尼作用，振荡振幅将逐渐衰减，最后转子磁极在新的平衡状态下与气隙磁场同步稳定运行。非同步振荡:功角的摆动越来越大，直至脱出稳定范围，使发电机失步。发电机受到较大的干扰后，经过短暂的振荡能恢复并保持稳定的同步运行，称之为同步发电机的暂态稳定，否则为暂态不稳定。,2、振荡现象在振荡时，随着功角 的往复摆动发电机的定子电流、电压、功率以及转矩将发生周期性的变化，而不再是恒值。3、发电机振荡后的处理发电机发生振荡后，应视当前运行时，有、无功功率的大小，可适当降低有功功率，增加无功功率，使振荡的发电机拖入同步。,