同步發電機
江蘇中動電力設備有限公司 / 2012-08-22
作
發電機運行的同步電機。是一種最常用的交流
發電機。在現代電力工業中，它廣泛用于水力發電、火力發電、核能發電以及柴油機發電。由于同步發電機一般采用直流勵磁，當其單機獨立運行時，通過調節勵磁電流，能方便地調節發電機的電壓。若并入電網運行，因電壓由電網決定，不能改變，此時調節勵磁電流的結果是調節了電機的功率因數和無功功率。
同步發電機的定子、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電機中電樞繞組采用單相。
工作特性 表征同步發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電機的重要依據。
空載特性 發電機不接負載時，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電機的空載特性。
電樞反應 當發電機接上對稱負載后，電樞繞組中的三相電流會產生另一個旋轉磁場，稱電樞反應磁場。其轉速正好與轉子的轉速相等，兩者同步旋轉。
同步發電機的電樞反應磁場與轉子勵磁磁場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，發電機端電壓U與負載電流I之間的關系。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,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，常用百分數表示為 同步發電機的電壓變化率約為20～40％。一般工業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,必須相應地調整勵磁電流。為 3種不同性質負載下的調整特性。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 同步發電機的結構按其轉速分為高速和低（中）速兩種。前者多用于火電廠和核電站；后者多與低速水輪機或柴油機聯動。在結構上，高速同步發電機多用隱極式轉子，低（中）速同步發電機多用凸極式轉子。
高速同步發電機 因大多數發電機與原動機同軸聯動，火電廠都用高速汽輪機作原動機，所以汽輪發電機通常用高轉速的2極電機,其轉速達3000轉／分（在電網頻率為60赫時為3600轉／分）。核電站多用4極電機，轉速為1500轉／分（當電網頻率為60赫時，為1800轉／分）。為適應高速、高功率要求，高速同步發電機在結構上一是采用隱極式轉子，
二是設置專門的冷卻系統。
①隱極式轉子：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。由于高速旋轉時巨大的離心力，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，槽形一般為開口形，以便安裝勵磁繞組。在每一個極距內約有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。隱極式轉子在轉子本體軸向兩端還裝有金屬的護環和中心環。護環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；中心環用以防止繞組端部的軸向移動，并支撐護環。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的熱量就會增加，電機的溫升將會提高。在高速汽輪發電機中，離心力將使轉子表面和轉子中心孔表面產生巨大的切向應力，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極汽輪發電機的轉子本體直徑不能超過1250毫米。大型汽輪發電機要增大單機容量，只有靠增加轉子本體的長度（即用細長的轉子）和提高電磁負荷來解決。目前,轉子長度可達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。這使大型汽輪發電機的發熱和冷卻問題變得特別突出。為此，已研制出多種冷卻系統。 對于50000千瓦以下的汽輪發電機，多采用閉路空氣冷卻系統，用電機內的風扇吹拂發熱部件降溫。對于容量為5～60萬千瓦的發電機,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,英國首創第一臺12000千瓦定子線圈水內冷汽輪發電機。1958年，中國由浙江大學、上海電機廠首先研制成第一臺定、轉子線圈都采用水內冷的 12000千瓦雙水內冷汽輪發電機，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，并制造出了幾十萬到一百多萬千瓦的巨型發電機。除了水冷外,液體冷卻介質還可使用變壓器油，其相對導熱能力約為水的40％，絕緣性能好，可將發電機額定電壓提高到幾萬伏，從而節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的蒸發冷卻技術。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。
低速同步發電機多數由較低速度的水輪機或柴油機驅動。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形成的一個短接回路。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。大多數同步電動機、同步調相機和內燃機或沖擊式水輪機拖動的發電機，都采用臥式結構；低速、大容量水輪發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部分的重力和水向下的壓力。大容量水輪發電機中，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、轉子直徑與鐵心長度的比值較小時，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電機和廠房高度。
同步發電機的并聯運行 同步發電機絕大多數是并聯運行，并網發電的。各并聯運行的同步發電機必須頻率、電壓的大小和相位都保持一致。否則，并聯合閘的瞬間，各發電機之間會產生內部環流，引起擾動，嚴重時甚至會使發電機遭受破壞。但是，兩臺發電機在投入并聯運行以前，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。為了使同步發電機能投入并聯運行，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。同步發電機在投入并聯運行以后，各機負載的分配決定于發電機的轉速特性。通過調節原動機的調速器，改變發電機組的轉速特性，即可改變各發電機的負載分配，控制各發電機的發電功率。而通過調節各發電機的勵磁電流，可以改變各發電機無功功率分配和調節電網的電壓。
準同步并列將已加勵磁的待投運發電機通過調節其原動機的轉速和改變該發電機的勵磁，使其和運行中的發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，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的發電機轉速調到接近電網的同步轉速，在未加勵磁的條件下就合閘并聯，然后再加入勵磁，依靠發電機和電網之間出現的環流及相應產生的電磁轉矩把發電機迅速牽入同步。采用自同步并列時，由于減少了調節發電機轉速、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，會使電網電壓短時下降，電機繞組端部承受較大的電磁力。
