同步发电及结构原理、运行维护及试验一、水轮机发电机的工作原理、结构、基本参数及相关知识1、工作原理同步发电机就是利用电磁感应原理将机械能转变为电能的；定子和转子是构成发电机的最基本部分；转子上为励磁绕组；在励磁绕组通电后，会形成磁场，转子在原动机的拖动下旋转，该磁场跟着旋转，旋转的磁场不断切割定子的电枢绕组，所以定子绕组就感应出电势，在定子绕组接通后，就形成回路，从而将机械能转变为电能即所谓发电2、同步发电机基本结构导线放在空心圆筒形铁芯槽里，铁芯是固定不动的，称为定子磁力线由磁极产生，磁极是转动的，称为转子定子和转子是构成发电机的最基本部分为了得到三相交流电，沿定子铁芯内圆，每相隔l20分别安放着三相绕组A—x、B—Y、C—z，转子上有励磁绕组(也称转子绕组) R—L 同步发电机示意图1一定子铁芯；2--转子；3一滑环；4一电刷；5一磁力线通过电刷和滑环的滑动接触，将励磁系统产生的直流电引入转子励磁绕组，产生恒稳的磁场当转子被原动机带动旋转后，定子绕组(也称电枢绕组)不断切割磁力线，就在其中感应出电动势来 感应电动势的方向由右手定则确定。
由于导线有时切割N极，有时切割S极，因而感应出的是交流电动势3、同步的概念当发电机带上负荷以后，三相定子绕组中的定子电流(电枢电流)，将合成产生一个旋转磁场该磁场与转子以同速度、同方向旋转，这就叫“同步”转速与频率间有严格的关系，即：f=pn/604、水轮发电机的型号水轮发电机的型号，是其类型和特点的简明标志 其表示法为： 我国水轮发电机型号部分由汉语拼音组成，表示符号为： SF一立式空冷水轮发电机； SFS一立式水内冷水轮发电机； sFW．一卧式水轮发电机； SFD一水轮发电一电动机；SFG一贯式水轮发电机4、水轮发电机的基本参数①额定电流In水轮发电机正常的连续运行的最大工作线电流，其单位是A或kA②.额定电压Un水轮发电机长期工作的最高线电压，单位为kv③额定容量Sn水轮发电机长期安全运行的最大允许输出视在功率，表达式为Sn=√3SnIn，单位通常用kVA、MVA如果用有功功率表示，即用额定线电流的有功分量与电压所做的功表示，其表达式为P=√3UnIncosφ单位通常用MW表示 ④额定功率因数cosφ额定有功功率与额定视在功率的比值其表达式为cosφ=Pn／Sn ⑤额定转速Nn水轮发电机的主轴旋转次数，单位为r／min。
Nn=60f／p⑥飞逸转速Nf水轮发电机组在最高水头下带满载负荷运行时，突然甩去负荷，又逢调速系统失灵，导水机构位于最大开度下，机组可能达到的最高转速，称为机组的飞逸转速⑦转动惯量J所谓水轮发电机的转动惯量，是指转子刚体内各质点的质量与其到旋转轴距离平方的乘积之总和⑧效率η水轮发电机的效率为发电机向电网输送的有功功率与输入到发电机的水轮机轴功率之比5、水轮发电机的损耗水轮发电机的损耗可分为电磁损耗和机械损耗两大类电磁损耗一般分为基本损耗和附加损耗两类基本损耗主要包括铜损耗、铁损耗及励磁损耗附加损耗包括附加铜损耗和附加铁损耗，机械损耗主要包括发电机的通风损耗、风摩损耗、滑环损耗以及轴承损耗等附加损耗亦称杂散损耗，在总损耗中所占比例很小，所以是次要损耗而水轮发电机的主要损耗通常由铜损耗、铁损耗、风损耗及推力轴承损耗所构成⑴铁损耗 铁损耗是指发电机定子铁芯在交变主磁通的作用下而产生的涡流损耗和磁分子阻力的摩擦所引起的磁滞损耗铁损耗的大小主要取决于磁通密度的平方和频率⑵铜损耗 铜损耗是指发电机的负荷电流通过定子绕组所产生的电阻损耗铜损耗在数值上主要取决于发电机负荷电流的平方，其次还与铁芯的尺寸以及额定电压等因素有关。
⑶励磁损耗 励磁损耗是指转子的励磁电流通过磁极绕组时的电阻损耗以及电刷与滑环的接触损耗励磁损耗在数值上主要与励磁电流的平方有关 ⑷通风损耗 所谓通风损耗是指水轮发电机通风冷却系统中风道和风洞中的损耗，而风摩损耗是指转子表面以及风扇克服空气阻力摩擦的能量损耗 ⑸轴承损耗 水轮发电机的轴承损耗，主要包括推力轴承的摩擦损耗和油槽中的油流扰动损耗以及导轴承的摩擦损耗 水轮发电机的效率为发电机向电网输送的有功功率与输入到发电机的水轮机轴功率之比也可以表示为，由1减去发电机的总损耗占发电机输入功率的百分数它的表达式为 式中 P——发电机向电网输送的有功功率，kW； pi——输入到发电机的水轮机轴出力，kW； ∑△p——水轮发电机的总损耗，kW 水轮发电机的效率高，说明它的内部损耗少；效率低，说明它的内部损耗多一般在机组转速相同的条件下，其效率将随着发电机容量的增大而提高；在机组容量相同的条件下，高速水轮发电机的效率要高于低速水轮发电机的效率6、水轮发电机的类型水轮发电机组的布置方式，水轮发电机有立式装置、卧式装置和斜式装置三种。
立式装置的水轮发电机，按其推力轴承的装设位置不同，分为悬式和伞式两大类悬式水轮发电机的推力轴承位于上部机架上；在转子上方，通过推力头将机组整个旋转部分的重量悬挂起来，由此而得名伞式水轮发电机的推力轴承，装在转子下方的下部机架上或者装在位于水轮机顶盖上推力支架上伞式水轮发电机又可分为半伞式和全伞式）所谓半伞式水轮发电机，装有上部导轴承而不装下部导轴承，即有上无下；所谓全伞式水轮发电机装有下导而没有上导，即有下无上乌江渡发电厂水轮发电机属半伞式7、水轮发电机基本结构组成：水轮发电机主要由定子、转子、推力轴承、下机架、上机架、上导轴承、制动和除尘系统、通风冷却系统、防油雾和消防系统组成定子和转子是发电机产生电磁作用的主要部件，其它部件仅起支持或辅助作用半伞式水轮发电机1一受油器；2一上导轴承；3一上机架；4--上端轴；5一中心体；6一推力轴承； 7_油冷却器；8一支臂；9一水轮机主轴；l0一水轮机顶盖支架；11一制动器； 12一磁轭；l3一磁极：l4一铁芯；l5-绕组；16一机座；l7一空气冷却器⑴、定子 定子是水轮发电机的固定部件之一它主要由机座、铁芯，绕组、上下齿压板、端箍支架、端箍、基础板及引出线等部件组成。
①．定子机座 定子机座俗称定子外壳主要作用是承受定子自重；承受上部机架以及装置在机架上的其他部件的重力；承受电磁扭矩和不平衡磁拉力；承受绕组短路时的切向剪力；定子机座必须具有足够的强度，防止定子变形和振动 ②．定子铁芯 定子铁芯是水轮发电机磁路的主要通道由于定子铁芯中存在着交变磁通，才在定子绕组中感应出交变电流，因此，把定子铁芯称为磁电交换元件，在铁芯齿槽中固定定子绕组发电机运行时，铁芯要受到机械力、热应力及电磁力的综合作用定子铁芯一般由O.35/0.5mm的扇形硅钢片叠压而成③．定子绕组定子绕组的作用是，当交变磁场切割绕组时，便在绕组中产生交变电动势和交变电流，从而完成水能一机械能一电能的最终转换⑵、转子转子是水轮发电机的旋转部件，位于定子里面，与定子之间保持一定的空气间隙转子通过主轴与下面的水轮机连接它的作用是产生磁场并通过与定子的相互作用，将水轮机产生的机械能转换成电能，由定子绕组输出①.主轴 a.主轴的作用视不同机组类型稍有区别，可概括为以下几点：1)起中间连接作用，下部与水轮机主轴相连，上部与励磁机轴或与端轴相连2)承受机组在各种工况下的转矩。
3)立式装置的机组，发电机主轴承受由于推力负荷引起的拉应力4)承受单边磁拉力和转动部分的机械不平衡力5)如果发电机主轴与转子轮毂采用热套结构，还要承受径向配合力等b.主轴的结构型式主轴有一根轴和分段轴两种型式 1)一根轴结构有两种情况，一种是发电机自身共一根轴；另一种是整个机组共一根轴(无下机架的二导伞式机组)2)所谓分段轴结构，通常由上端轴、转子支架中心体和下端轴三部分组成②.转子支架(1)转子支架是连接主轴和磁轭的中间部件，并起到固定磁轭和传递转矩的作用2)磁轭 磁轭也叫轮环它的作用是产生转动惯量和固定磁极，同时也是磁路的一部分磁轭在运转时承受扭矩和磁极与磁轭本身离心力的作用③．磁极磁极是产生磁场的部件磁极由磁极铁芯、励磁绕组、阻尼绕组与极靴压板等组成⑶、机架 ①.机架的类型与作用机架是水轮发电机不可缺少的重要部件之一按所安放的位置不同，分为装在发电机定子上部的为上机架，下部的为下机架；按照机架的承载情况，分为负荷机架和非负荷机架；按照机架的支臂结构型式可分为辐射型、井字型和桥型等负荷机架亦称为荷重机架，即由装置推力轴承而得名其作用是承受机组的全部推力负荷和装在机架上的其他荷重以及机架的自重；非负荷机架亦称为非荷重机架，即由不承受机组的主要轴向力而得名。
它的主要作用是装置导轴承并承受水轮发电机的径向力及其自重，还要承受由于不同机组型式所决定的不同轴向力；伞式水轮发电机的非负荷机架要承担励磁机、受油器以及盖板等的重量 ⑷、推力轴承 推力轴承是一种承受整个水轮发电机组转动部分的重量以及水轮发电机的轴向水推力的滑动轴承按液体润滑理论，在镜板与推力瓦之间由于镜板的旋转运动，会建立起厚度为0．1mm左右的油膜，形成良好的润滑条件，同时经推力轴承将这些力传递给水轮发电机的荷重机架它是水轮发电机组最重要的组成部件之一，其工作性能的好坏，将直接关系到机组的安全和稳定运行推力轴承的类型: 类型主要按推力轴承的支撑结构型式来分，若按推力轴承油的循环冷却及推力瓦的冷却方式来分类，有多种方式①.按推力轴承的支撑结构划分，目前主要有刚性支柱式、液压支柱式、平衡块支柱式三种②.油循环冷却方式的种类 推力轴承是一种稀油润滑的滑动轴承，其油循环方式十分重要，它不仅起润滑作用，还起着带走推力瓦面摩擦损耗所产生的热量的作用常见的推力轴承油循环方式有内循环和外循环两种方式所谓内循环，就是将油冷却器和推力轴承装在同一个油槽内，借推力头与镜板旋转的粘滞泵作用和冷热油的对流作用形成循环油路。
所谓外循环，就是将油冷却器装于推力油槽的外部，用管路及有关装置与推力油槽相连，形成油循环回路外循环方式分为外加泵外循环和镜板泵外循环两种③. 推力瓦直接冷却 为了提高推力瓦的冷却效果，减少其热变形，提高推力瓦的承载能力，出现了直接冷却的水冷瓦水冷瓦又有钻孔式、铸管式和排管式三种推力轴承结构 推力轴承有许多型式，但其主要组成部分基本相同，即:由推力轴承主要由推力头、镜板、推力瓦、轴承座、油槽和冷油器组成推力头是发电机承受轴向负荷和传递转矩的结构部件，有足够的强度和刚度镜板为固定在推力头下面的转动部件，它使推力负荷传递到推力瓦上，是推力轴承的关键部件之一镜板有较高的精度和光洁度，决不允许镜板有伤痕、硬点和灰尘，否则容易造成推力瓦的磨损和烧瓦事故同时，镜板还应有很高的刚度，防止运行时产生有害的波浪变形 推力轴瓦是推力轴承中的静止部件，是推力轴承的主要部件之一，一般做成扇形钨金瓦推力瓦上都开有温度计孔，用于安装温度计，便于运行人员监视轴瓦温度和温度升高报警跳。