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同步發電機
鎖定
同步發電機介紹
同步發電機結構模型
同步發電機分類
旋轉磁極式
（大多數同步發電機）：磁極在轉子上，電樞繞組在定子上。轉子又分為：
負載運行特性
2.凸極：低速電機（水輪機）、集中繞組。
旋轉電樞式
（小容量或特殊用途，如同步電機交流勵磁機）：磁極在定子上，電樞繞組在轉子上
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同步發電機空載特性
同步發電機結構圖
同步發電機電樞反應
當發電機接上對稱負載後，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
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同步發電機運行特性
原理圖
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，隨着負載電流的增大,必須相應地調整勵磁電流。雖然調整特性的變化趨勢與外特性正好相反，對於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
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同步發電機額定值
在同步發電機的銘牌上，規定了同步發電機的主要技術數據和運行方式。這些數據，就是同步發電機的額定值，在使用中，應當嚴格遵守。
空載特性
（1）額定容量SN（或額定功率PN）。對同步發電機來説，額定容量SN是是之處線端輸出的額定視在功率，一般以KVA（千伏安）或MVA（兆伏安）為單位；額定功率PN是指發電機輸出的額定有功功率，也就是説，在額定運行時（額定頻率、電壓、電流、功率因數），同步發電機所能發出的最大的有功功率。一般以KW（千瓦）或MW（兆瓦，即百萬瓦）為單位。對同步發電機，通過額定容量（SN）可以確定額定電流，通過額定功率（PN）可以確定配套的原動機的容量
（2） 額定電壓UN：是指額定運行時發電機三相定子繞組的三相電壓值，單位為V(伏)或kV(千伏)。同步發電機在此值運行，繞組的升温不會超過允許的範圍。同步發電機一般接成Y連接，同步電動機有Y連接或△連接。
（3）額定電流In：是指發電機在額定運行時，流過定子繞組的電流，單位為A（安）。
（4）額定效率ηN:是指電機在額定的運行時的效率。它是指發電機有功輸出功率和額有功輸入功率之比（%）。有功輸出功率等於輸入功率減去發電機總消耗。
（5）額定功率因數cosΦN：是指在額定運行情況下，發電機組的有功功率和額定容量的比值，即額定運行時，發電機組每個相定子電壓與電流之間的相位差的餘值。 （cosΦN=PN/SN） 一般發電機組的cosΦN=0.8
（6）額定頻率fn:是指額定運行情況下，交流電的頻率，單位為Hz（赫茲）。我國規定使用交流電的頻率為50Hz.
（7）額定轉速nN:是指發電機在額定運行時，每分鐘的轉速數，單位為r/min（轉/分）
（8）額定勵磁電壓UfN：是指發電機在運行時，所需要的勵磁電壓，單位為V（伏）
同步發電機結構
同步發電機的結構
同步發電機工作原理
（2）載流導體：三相對稱的電樞繞組充當功率繞組，成為感應電勢或者感應電流的載體。
（3）切割運動：原動機拖動轉子旋轉（給電機輸入機械能），極性相間的勵磁磁場隨軸一起旋轉並順次切割定子各相繞組（相當於繞組的導體反向切割勵磁磁場）。
（5）感應電勢 有效值：每相感應電勢的有效值.
（6）感應電勢頻率： 感應電勢的頻率決定於同步電機的轉速n 和極對數p。
（7）交變性與對稱性：由於旋轉磁場極性相間，使得感應電勢的極性交變；由於電樞繞組的對稱性，保證了感應電勢的三相對稱性。
同步發電機故障處理
發電機過熱
（1）發電機沒有按規定的技術條件運行，如定子電壓過高，鐵損增大；負荷電流過大，定子繞組銅損增大；頻率過低，使冷卻風扇轉速變慢，影響發電機散熱；功率因數太低，使轉子勵磁電流增大，造成轉子發熱。應檢查監視儀表的指示是否正常。如不正常，要進行必要的調節和處理，使發電機按照規定的技術條件運行。
（2）發電機的三相負荷電流不平衡，過載的一相繞組會過熱；若三相電流之差超過額定電流的10%，即屬於嚴重三相電流不平衡，三相電流不平衡會產生負序磁場，從而增加損耗，引起磁極繞組及套箍等部件發熱。應調整三相負荷，使各相電流盡量保持平衡。
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（3）風道被積塵堵塞，通風不良，造成發電機散熱困難。應清除風道積塵、油垢、使風道暢通無阻。
（4）進風温度過高或進水温度過高，冷卻器有堵塞現象。應降低進風或進水温度清除冷卻器內的堵塞物。在故障未排除前，應限制發電機負荷，以降低發電機温度。
（5）軸承加潤滑脂過多或過少，應按規定加潤滑脂，通常為軸承室的1/2~1/3（轉速低的取上限，轉速高的取下限），並以不超過軸承室的70%為宜。
（6）軸承磨損。若磨損不嚴重，使軸承局部過熱；若磨損嚴重，有可能使定子和轉子摩擦，造成定子和轉子避部過熱。應檢查軸承有無噪音，若發現定子和轉子摩擦，應立即停機進行檢修或更換軸承。
（7）定子鐵芯絕緣損壞，引起片間短路，造成鐵芯局部的渦流損失增加而發熱，嚴重時會使定子繞組損壞。應立即停機進行檢修。
發電機中性線對地有異常電壓
（1）正常情況下，由於高次諧波影響或製造工藝等原因造成各磁極下的氣隙不均、磁勢不等而出現的很低電壓，若電壓在一至數伏，不會有危險，不必處理。
（2）發電機繞組有短路或對地絕緣不良，導致電設備及發電機性能變壞，容易發熱，應及時檢修，以免事故擴大。
電流過大
（1）負荷過大，應減輕負荷
（2）輸電線路發生相間短路或接地故障，應對線路進行檢修，故障排除後即可恢復正常。
電壓過高
（1）與電網並列的發電機電網電壓過高，應降低並列的發電機的電壓。
功率不足
由於勵磁裝置電壓源復勵補償不足，不能提供電樞反應所需的勵磁電流，使發電機端電壓低於電網電壓，送不出額定無功功率，應採取下列措施：
（1）在發電機與勵磁電抗器之間接入一台三相調壓器，以提高發電機端電壓，使勵磁裝置的磁勢逐漸增大。
（2）改變勵磁裝置電壓磁通勢與發電機端電壓的相位，使合成總磁通勢增大，可在電抗器每相繞組兩端並聯數千歐、10W的電阻。
定子繞組絕緣擊穿、短路
定子繞組
（2）繞組本身缺陷或檢修工藝不當，造成繞組絕緣擊穿或機械損傷。應按規定的絕緣等級選擇絕緣材料，嵌裝繞組及浸漆乾燥等要嚴格按工藝要求進行。
（4）絕緣老化。一般發電機運行15~20年以上，其繞組絕緣老化，電氣性能變化，甚至使絕緣擊穿。要做好發電機的檢修及預防性試驗，若發現絕緣不合格，應及時更換有缺陷的繞組絕緣或更換繞組，以延長髮電機的使用壽命。
（5）發電機內部進入金屬異物，在檢修發電機後切勿將金屬物件、零件或工具遺落到定子膛中；綁緊轉子的綁紮線、緊固端部零件，以不致發生由於離心力作用而鬆脱。
（6）過大電壓擊穿：1）線路遭受雷擊，而防雷保護不完善。應完善防雷保護設施。2）誤操作，如在空載時，將發電機電壓升得過高。應嚴格按操作規程對發電機進行升壓，防止誤操作。3）發電機內部過電壓，包括操作過電壓、弧光接地過電壓和諧振過電壓等，應加強繞組絕緣預防性試驗，及時發現和消除定子繞組絕緣中存在的缺陷。
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定子鐵芯鬆弛
由於製造裝配不當，鐵芯沒有緊固好。如果是整個鐵芯鬆弛，對於小型發電機，可用兩塊小於定子繞組端部內徑的鐵板，穿上雙頭螺栓，收緊鐵芯。待恢復原形後，再將鐵芯原來夾緊螺栓緊因。如果局部性鐵芯鬆弛，可先在鬆弛片間塗刷硅鋼片漆，再在鬆弛部分打入硬質絕緣材料即可
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鐵芯片間短路
（1）鐵芯疊片鬆弛，當發電機運轉時鐵芯產生振動而損壞絕緣；鐵芯片個別地方絕緣受損傷或鐵芯局部過熱，使絕緣老化，就按原計劃條中的方法進行處理。
（2）鐵芯片邊緣有毛刺或檢修時受機械損傷。應用細銼刀除去毛刺，修整損傷處，清潔表面，再塗上一層硅鋼片漆。
（3）有焊錫或銅粒短接鐵芯，應刮除或鑿除金屬熔接焊點，處理好表面。
（4）繞組發生弧光短路，也可能造成鐵芯短路，應將燒損部分用鑿子清除後，處理好表面。
發電機失去剩磁，起動時不能發電
（1）停機後經常失去剩磁，是由於勵磁機磁極所用的材料接近軟鋼，剩磁較少。當停機後勵磁繞組沒有電流時磁場就消失，應備有蓄電池，在發電前先進行充磁。
自動勵磁裝置的勵磁電抗器温度過高
（1）電抗器線圈局部短路，應檢修電抗器。
（2）電抗器磁路的氣隙過大，應調整磁路氣隙。
發電機起動後，電壓升不起來
（1）勵磁迴路斷線，使電壓升不起來。應檢查勵磁迴路有無斷線，接觸是否良好。
（2）剩磁消失，如果勵磁機電壓表無指示説明剩磁消失，應對勵磁機充磁。
（3）勵磁機的磁場線圈極性接反，應將它的正、負連接線對換。
發電機振盪失步
正常情況下，發電機發出的功率是和負荷功率相平衡的。當系統發生短路故障或發電機大幅度甩負荷時，發電機的功率就與用户的負荷不相平衡。要想調整負荷使其平衡，由於轉子慣性和調速器延時需要一個過程，在此期間，發電機的穩定運行將被破壞，使發電機產生振盪。如果事故嚴重，甚至會使發電機與系統失去同步。發電機振盪失步時，值班人員應通過增加勵磁電流來創造恢復同步的條件；也可適當調整該機的負荷，以幫助恢復同步。
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發電機振動
（1）轉子不圓或平衡未調整好，應嚴格製造和安裝質量或重新調整轉子的平衡。
發電機振動
（4）結構部件共振，可通過改變結構部件的支持方法來改變它固有的頻率。
（5）勵磁繞組層間短路，應檢修勵磁繞組，並進行絕緣處理。
（6）供油量或油壓不足，應加大噴嘴直徑升高油壓；加大供油口減小間隙。
（7）供油量過大或油壓過高，就減小噴嘴直徑，降低油壓，提高面積壓力，增大間隙。
（8）定子鐵芯裝配鬆動，應重新裝壓鐵芯。
（9）軸承密封過緊，使轉軸局部過熱、彎曲。應檢查和調整軸承密封，使其與軸有適當配合間隙。
同步發電機同步特性
絕緣配合
絕緣配合：電氣一次系統的電壓防護水平，在發生雷擊、操作過電壓的情況下，常規的變壓器、發電機、線路的絕緣水平是不足以對抗的，需要避雷器、電容等的元件進行保護，避雷器動作值、動作時延和主設備的元件絕緣耐壓能力尤其是衝擊耐壓能力之間的配合，就稱為絕緣配合，要求是避雷器必須趕在主設備絕緣破壞之前動作，在有多個絕緣水平不等的元件時，還必須為不同的元件配備不同的絕緣保護元件，這些保護元件的配合也是個大問題
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- 參考資料
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- 1. 樊俊. 同步發電機半導體勵磁原理及應用-第2版[M]. 水利電力出版社, 1991.
- 2. 嚴登俊, 劉瑞芳, 胡敏強. 發電機運行特性的數值計算方法[J]. 電力系統及其自動化學報, 2003, 15(2):1-4.
- 3. 韋鯤, 金辛海. 表面式永磁同步電機初始轉子位置估計技術[J]. 中國電機工程學報, 2006, 26(22):104-109.
- 4. 王建設. 凸極同步電機空載特性的有限元分析[J]. 電機與控制學報, 1985(2):22-35.
- 5. 何山, 王維慶, 吳小豔,等. 永磁同步發電機電樞反應去磁效應的分析[J]. 防爆電機, 2005, 40(2):8-10.
- 6. 吳軼羣. 同步發電機靜止勵磁裝置的故障分析與處理[J]. 電力建設, 2004, 32(9):73-75.
