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1、海南昌江核电厂高级运行教材第十章第十章发电机及电气系统的运行发电机及电气系统的运行10.10. 发电机和励磁电压调节发电机和励磁电压调节10.110.1有关发电机的基本原理有关发电机的基本原理图图 10.1.110.1.1 发电机原理示意图发电机原理示意图图 10.1.1 是同步发电机的示意图，以 A1A2,B1B2,C1C2 代表定子的 A,B,C 三相绕组。三相绕组沿定子铁芯内圆各相间隔 120电角度（电角度是机械角度乘以极对数）安放。R1R2 代表转子绕组。当直流电通入转子绕组后，由转子电流激起磁场，其极性如图NS 所示，0为转子磁极产生的磁通。当发电机转子被原动机（汽轮机或水轮机）带动
2、旋转之后，这个磁场是旋转的，其转向如箭头 N 所示，则定子绕组切割磁通就会感应出电势。电势的大小与转子的转速以及磁通密度的大小有关，由于在设计和制造发电机时有意安排尽量使磁通密度的大小沿磁极极面的周向分布接近正弦波形，所以每根导体中感应出来的电势的大小，也随着时间按正弦波规律变化。转子不停地旋转，磁场的磁力线被三相定子绕组切割，于是就在三相绕组中感应出三相交流电来，如图 10.1.2 所示。n。F11C定子电势、电流方向 转子12B21FR1N2S1B F2C2RFAA2海南昌江核电厂高级运行教材图图 10.1.210.1.2 三相电势波形三相电势波形三个相感应电势达到最大值的先后顺序是 AB
3、C,称为相序。三个相的电势到达最大值在时间上的先后差别就是三相交流电的相位差。根据右手定则可确定出感应电势的方向是自 A1 进去从 A2 出来（见图 10.1）,此时若在外部加纯有功负载，则电流方向与电势方向相同。这个电流在转子磁场里受到力的作用，力的方向用左手定则来确定，对 A1 来讲是向右，对 A2 来讲是向左，如图中 F1 所示。这样形成一个力矩，将使定子按顺时针方向旋转，但是定子是不能转动的，于是根据作用力与反作用力的原理，相当于转子被加上一个反力矩，如图中 F2 所示。这个反力矩将使转子作逆时针方向转动，因此发电机正常运行时原动机的主力矩克服阻力矩处于平衡状态而保持转速不变，把机械能
4、转化为电功率。当有功电流流过定子绕组后，定子绕组也产生一个磁场。所以发电机运行时，在气隙里有两个磁场，一个是转子绕组流过励磁电流产生的转子磁场，一个是定子三相绕组流过对称的三相交流电流时合成产生的定子磁场，它们都是旋转的，所以叫旋转磁场。当定子磁场和转子以相同的方向，相同的转速旋转时就叫同步。定子旋转磁场的转速和发出来的交流电的频率保持严格不变的关系，可以用下面的式子来表示：n=60f/p(n:转速 ,f:频率,p:极对数)式中 60 系频率 HZ与转速 r/min 的单位换算值。我国的交流电的频率是50HZ（工频） ，对于只有一对磁极的汽轮机来说转速应该是 3000r/min.如果把发电机定
5、子三相绕组和负载联接成回路，如图 10.1.3 所示，则三相交流电在回路中的流动情况是时刻都在变化的，如图 10.1.4 所示。若假定发电机的电流离开其中性点 O 时为负，指向中性点 O 时为正，那么在 t1 瞬时发电机的电流方向便如图中所标的箭头所示，即 B 相为负向外流，A 相和 C 相都为正向里流。wf。120。120120CCBA。mE海南昌江核电厂高级运行教材图图 10.1.310.1.3 发电机的电流分布发电机的电流分布图图10.1.4 三三相交相交流流电流电流的的时间时间变变化的化的波波型型10.210.2发发电机电机的接线的接线发电机的电势随时间变化的波形决定于气隙里磁通密度沿
6、空间分布的形状。在实际的电机结构中是不可能使磁通密度沿空间的分布完全做到按正弦分布的，只能说是尽量接近正弦波。由于任何一个非正弦波形总可以分解成许多幅值大小不同，频率不一样的正弦波形，因此可以认为非正弦波是由一个波值最大，其频率与被分解的非正弦波的频率相同的基波和其他幅值比基波小，频率比基波高的高次谐波组成。磁通中有高次谐波，电势中也就有高次谐波。图 10.1.5 表示一个矩形波形被分解后的情况，从中可以看出，三次谐波占主要成分。0CBA负载发电机i7t6t5t4t3t2tt10tCiBiAi0-+t7593海南昌江核电厂高级运行教材图图 10.1.510.1.5 矩形波分解为基波和高次谐波矩
7、形波分解为基波和高次谐波 图图 10.1.610.1.6 三角形接线的三次谐波电势三角形接线的三次谐波电势在三相发电机绕组中，三个相基波电势相位差为 120，三个相的三次谐波之间的相位就各差 3120=360，这说明三相绕组中三次谐波电势具有同相性。如果把发电机接成三角形接线，如图 10.1.6 所示，则三个三次谐波是相加的，三次谐波电流就能通过。这个电流会产生额外损耗并使发电机的绕组发热，这是不希望的。而采用星形接线就可以消除这个弊病，如图 10.1.7 所示。在星形接线中，因为三次谐波电势都同时指向中性点或背离中性点，电流构不成回路，在相电势中的三次谐波电势在线电势中互相抵消了。所以发电机
8、一般都接成星形接线。i3E. C3E. C3B3E.BACC3E.B3E. A3ECBA海南昌江核电厂高级运行教材图图 10.1.710.1.7 星形接线的三次谐波电势星形接线的三次谐波电势10.310.3发电机的功率发电机的功率在交流电能的发、输、用过程中，用于转换成非电磁形式（如光，热，机械）的那部分能量叫有功，转换的有效功率叫有功功率。用于电路内电，磁交换的那部分能量叫无功，与之对应的功率叫无功功率。在交流电路中，电能的输送情况比较复杂。第一是因为电压，电流都是在不断的变化的，所以每个瞬间的电功率也是变化的，即向负载输送的能量是不均匀的；第二是不仅有能量的消耗过程，还有能量的交换过程。电
9、力系统中的负载尽管多种多样，但从电路的观点来看，不外乎分为阻性，感性和容性三种。阻性负载的特点是当加上电源后其电压和电流方向相同。如图 10.8(a)所示，电压与电流的方向始终是相同的，在半个周期内全为正，在另半个周期内全为负，它的功率始终是正值，这说明功率是由电源输送给负载而被消耗掉了。uiuiuiuitpuiu.i.puiuiuiiutupiu.i.p平均功率uiiutwpiuu.i.p+0-0-+-0(c)(b)(a)图图 10.1.810.1.8 电压、电流及功率波形电压、电流及功率波形(a)阻性负载；(b) 感性负载； (c) 容性负载u电压（瞬时值） ；i电流（瞬时值） ；p功率（
10、瞬时值）海南昌江核电厂高级运行教材感性负载的特点是电感可以储藏能量，这就构成了能够与电源交换能量的条件。当电流通过感性负载时，在线圈的周围就会建立起交变磁场，而这个交变磁场又会在自己的电路里感应起电势，这个电势称为自感电势，也称反电势。它在电路中对电流变化起阻尼作用，当电流增加时，它的方向和电流的方向相反，力图阻止电流增加；当电流减少时，它的方向又和电流相同，力图阻止电流减少。这样就使负载两端的电压和电流变得不同相而使电流落后于电压 90 相角。这就产生一个情况，即当电流和电压的方向一致时，电源把电能输送给负载转换为磁场能量贮藏在电感中；而当电流和电压方向相反时，电感所储藏的磁场能量便会变换为
11、电能而送还给电源。如图 10.1.8（b）所示，在一个周期内，电源将能量送出两次，收回两次，负载并没有把能量消耗掉。图 10.1.8(c)所示是容性负载的电压，电流，功率波形图，它和感性负载在性质上是相似的，它也是个能够储藏和释放出能量的负载，在交流电路中也能与电源进行能量交换，而不消耗能量，而且它的电压和电流的相角差也是 90。但容性负载和感性负载的不同点是容性负载有两个极板，充电时极板间产生电场，把能量储存在电场中，此外容性负载的电压是落后电流 90 相角，因此它储存和释放能量的时间正好和感性负载储存和释放能量的时间相反，而且在一个周期中能量也是送两次，回两次，能量仅被用来进行交换而没有被
12、负载消耗掉。综上所述，电力系统在运行时，电源要供应两部分能量：一部分是用于做功时被消耗掉的有功能量，另一部分是用于交换的无功能量。在一般交流电路里输送的电功率，既有有功成分又有无功成分。因此，其电压有效值（U）与电流有效值（I）的乘积是有功功率和无功功率的合成量，叫做视在功率，用 S 来表示。其单位是伏安（VA） 。SUI电路里每单位时间内消耗掉的电能为有功功率，它等于视在功率乘以功率因数，cos是电压与电流间的相角。有功功率用 P 来表示，其单位为瓦（W） 。coscosUIUIPP在交流电路内作为衡量能量交换规模的是无功功率。无功功率等于视在功率乘以，用 Q 表示，其单位为伏安（VA） 。
13、过去曾用乏（Var）为单位，现国家标准未推sin荐。sinUIQ 视在功率，有功功率，无功功率三者之间的关系可用功率三角形来表示（见图 10.9）,根据这个三角形，可得 S2=P2+Q2。电势、电流方向定子转子 。sQPS海南昌江核电厂高级运行教材图图 10.10. 1.91.9 功率三角形功率三角形 图图 10.10. 1.101.10 阻性负载电枢反应阻性负载电枢反应同步发电机都是三相的，三相功率具体计算如下：P3U相.I相cosPU线.I线cos3QU线.I线sin3SU线.I线310.410.4发电机的调节发电机的调节（1） 有功的调节在发电机发电原理（图 10.1.1）中，已经讲到汽
14、轮发电机在正常运行时汽轮机的主力矩与阻力矩的平衡.这个阻力矩的大小和有功电流大小有关,有功电流越大,阻力矩也越大,因此要保持转子转速不变,汽轮机输出的主力矩就要增大,这就需要调大进汽量。此外，当有电流流过定子后，定子绕组也产生一个磁场，如图 10.1.10 所示。为定s子磁场产生的磁通，这个磁场对原来转子磁场要产生影响，通常把这种影响称为电枢反应。交轴电枢反应使得转子极面的一半磁场增强，一半磁场减弱，使合成磁场的磁极有点偏斜。并且由于铁芯饱和关系使减弱的多些、增强的少些，气隙的总磁通要减少一些，端电压也要下降些，但总的来看其影响不大。实际上存在于定子上的磁场是一个合成磁场，它包括转子磁通、定子
15、电枢反应磁通以及定子电流产生的只围绕着定子绕组本身的漏磁通。如果把这个定子合成磁场用一个磁级表示出来，便如图 10.1.11 所示，并将它简称定子磁极。定子磁极与转子磁极之间由磁力线联系着，两个磁极的中心线之间的夹角为。同步发电机输出的有功功率 P 和这个角有关，对于隐极式同步发电机来说，它们之间的关系近似可用下述公式表示：式中 电磁功率（是由转子通过电磁感应传递给定子的功率，和输出功率仅差定子dcP线圈的铜损，我们这里分析时就把它近似地当作输出功率来看待） ；相数；m相电压；U发电机的感应电势； 0E发电机的同步电抗（即发电机定子绕组正常运行时的电抗） ；dx定子磁极中心线和转子磁极中心线的
16、夹角，也是端电压 U 和感应电势间的0E夹角。如果把这个公式中的与的关系画成曲线，便如图 10.12 所示。这是dcP一条正弦曲线，它有最大值。出现在等于 90 度时。因为这个角度能反映电机输出功率的大小，所以称它为功角，图 10.12 中的曲线便称为功角特征曲线。dmxUEmp0sin0ddcxUEmpp海南昌江核电厂高级运行教材图图 10.1.1110.1.11 发电机工作状态的定、转子磁极关系发电机工作状态的定、转子磁极关系 图图 10.1.1210.1.12 功角特性功角特性从功角特征曲线上看，若汽轮机输入的功率为 P1，发电机忽略损耗后输出的电磁功率也是 P1，相应的功角是，工作点为。当开大汽门时，汽轮机输入的功率便由 P1 升高11到 P2。因为在此瞬间输出的电磁功率没有改变，就出
