同步发电机（转子等转速相同的交流发电机）

介绍

作发电机运行的同步电机是一种最常用的交流发电机。在现代电力工业中，它广泛用于水力发电、火力发电、核能发电以及柴油机发电。由于同步发电机一般采用直流励磁，当其单机独立运行时，通过调节励磁电流，能方便地调节发电机的电压。若并入电网运行，因电压由电网决定，不能改变，此时调节励磁电流的结果是调节了电机的功率因数和无功功率。

同步发电机

同步发电机的定子、转子结构与同步电机相同，一般采用三相形式，只在某些小型同步发电机中电枢绕组采用单相。

表征同步发电机性能的主要是空载特性和负载运行特性。这些特性是用户选用发电机的重要依据。

分类

旋转磁极式

（大多数同步发电机）：磁极在转子上，电枢绕组在定子上。转子又分为：

1.隐极：高速电机（汽轮机）、分布绕组；

2.凸极：低速电机（水轮机）、集中绕组。

旋转电枢式

（小容量或特殊用途，如同步电机交流励磁机）：磁极在定子上，电枢绕组在转子上。

空载特性

发电机不接负载时，电枢电流为零，称为空载运行。此时电机定子的三相绕组只有励磁电流 感生出的空载电动势（三相对称），其大小随 的增大而增加。但是，由于电机磁路铁心有饱和现象，所以两者不成正比。反映空载电动势 与励磁电流 关系的曲线称为同步发电机的空载特性。

同步发电机

电枢反应

当发电机接上对称负载后，电枢绕组中的三相电流会产生另一个旋转磁场，称电枢反应磁场。其转速正好与转子的转速相等，两者同步旋转。

运行特性

主要指外特性和调整特性。外特性是当转速为额定值、励磁电流和负载功率因数为常数时，发电机端电压U与负载电流I之间的关系，如图2所示。调整特性是转速和端电压为额定值、负载功率因数为常数时，励磁电流If与负载电流I之间的关系，如图3所示。图2中还显示出电阻性、电容性和电感性3种负载的情况。由于电枢反应磁场影响的不同，三者的曲线也不一样。在外特性中，从空载到额定负载时电压的变化程度称为电压变化率△U，常用百分数表示。

同步发电机的电压变化率约为20～40%。一般工业和家用负载都要求电压保持基本不变。为此，随着负载电流的增大，必须相应地调整励磁电流。图3所示为 3种不同性质负载下的调整特性。虽然调整特性的变化趋势与外特性正好相反，对于感性和纯电阻性负载，它是上升的，而在容性负载下，一般是下降的。

额定值

在同步发电机的铭牌上，规定了同步发电机的主要技术数据和运行方式。这些数据，就是同步发电机的额定值，在使用中，应当严格遵守。

同步电机的额定值主要有：

（1）额定容量SN（或额定功率PN）。对同步发电机来说，额定容量SN是是之处线端输出的额定视在功率，一般以KVA（千伏安）或MVA（兆伏安）为单位；额定功率PN是指发电机输出的额定有功功率，也就是说，在额定运行时（额定频率、电压、电流、功率因数），同步发电机所能发出的最大的有功功率。一般以KW（千瓦）或MW（兆瓦，即百万瓦）为单位。对同步发电机，通过额定容量（SN）可以确定额定电流，通过额定功率（PN）可以确定配套的原动机的容量

（2）额定电压UN：是指额定运行时发电机三相定子绕组的三相电压值，单位为V(伏)或kV(千伏)。同步发电机在此值运行，绕组的升温不会超过允许的范围。同步发电机一般接成Y连接，同步电动机有Y连接或△连接。

（3）额定电流In：是指发电机在额定运行时，流过定子绕组的电流，单位为A（安）。

（4）额定效率ηN:是指电机在额定的运行时的效率。它是指发电机有功输出功率和额有功输入功率之比（%）。有功输出功率等于输入功率减去发电机总消耗。

（5）额定功率因数cosΦN：是指在额定运行情况下，发电机组的有功功率和额定容量的比值，即额定运行时，发电机组每个相定子电压与电流之间的相位差的余值。 （cosΦN=PN/SN）一般发电机组的cosΦN=0.8

（6）额定频率fn:是指额定运行情况下，交流电的频率，单位为Hz（赫兹）。我国规定使用交流电的频率为50Hz.

（7）额定转速nN:是指发电机在额定运行时，每分钟的转速数，单位为r/min（转/分）

（8）额定励磁电压UfN：是指发电机在运行时，所需要的励磁电压，单位为V（伏）

（9）额定励磁电流IfN:是指发电机在额定运行时。流过励磁绕组的电流，单位为A（安）

结构

同步发电机的结构按其转速分为高速和低（中）速两种。

前者多用于火电厂和核电站；后者多与低速水轮机或柴油机联动。在结构上，高速同步发电机多用隐极式转子，低（中）速同步发电机多用凸极式转子。

工作原理

（1）主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。

（2）载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。

（3）切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。

（4）交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。

（5）感应电势 有效值：每相感应电势的有效值.

（6）感应电势频率：感应电势的频率决定于同步电机的转速n 和极对数p。

（7）交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。

（8）同步转速 从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz。

故障处理

发电机过热

（1）发电机没有按规定的技术条件运行，如定子电压过高，铁损增大；负荷电流过大，定子绕组铜损增大；频率过低，使冷却风扇转速变慢，影响发电机散热；功率因数太低，使转子励磁电流增大，造成转子发热。应检查监视仪表的指示是否正常。如不正常，要进行必要的调节和处理，使发电机按照规定的技术条件运行。

（2）发电机的三相负荷电流不平衡，过载的一相绕组会过热；若三相电流之差超过额定电流的10%，即属于严重三相电流不平衡，三相电流不平衡会产生负序磁场，从而增加损耗，引起磁极绕组及套箍等部件发热。应调整三相负荷，使各相电流尽量保持平衡。

（3）风道被积尘堵塞，通风不良，造成发电机散热困难。应清除风道积尘、油垢、使风道畅通无阻。

（4）进风温度过高或进水温度过高，冷却器有堵塞现象。应降低进风或进水温度清除冷却器内的堵塞物。在故障未排除前，应限制发电机负荷，以降低发电机温度。

（5）轴承加润滑脂过多或过少，应按规定加润滑脂，通常为轴承室的1/2~1/3（转速低的取上限，转速高的取下限），并以不超过轴承室的70%为宜。

（6）轴承磨损。若磨损不严重，使轴承局部过热；若磨损严重，有可能使定子和转子摩擦，造成定子和转子避部过热。应检查轴承有无噪音，若发现定子和转子摩擦，应立即停机进行检修或更换轴承。

（7）定子铁芯绝缘损坏，引起片间短路，造成铁芯局部的涡流损失增加而发热，严重时会使定子绕组损坏。应立即停机进行检修。

（8）定子绕组的并联导线断裂，使其他导线的电流增大而发热。应立即停机进行检修。

发电机

对地有异常电压

（1）正常情况下，由于高次谐波影响或制造工艺等原因造成各磁极下的气隙不均、磁势不等而出现的很低电压，若电压在一至数伏，不会有危险，不必处理。

（2）发电机绕组有短路或对地绝缘不良，导致电设备及发电机性能变坏，容易发热，应及时检修，以免事故扩大。

（3）空载时中性线对地无电压，而有负荷时出现电压，是由于三相不平衡引起的，应调整三相负荷使其基本平衡。

电流过大

（1）负荷过大，应减轻负荷

（2）输电线路发生相间短路或接地故障，应对线路进行检修，故障排除后即可恢复正常。

电压过高

（1）与电网并列的发电机电网电压过高，应降低并列的发电机的电压。

（2）励磁装置的故障引起过励磁，应及时检修励磁装置。

功率不足

由于励磁装置电压源复励补偿不足，不能提供电枢反应所需的励磁电流，使发电机端电压低于电网电压，送不出额定无功功率，应采取下列措施：

（1）在发电机与励磁电抗器之间接入一台三相调压器，以提高发电机端电压，使励磁装置的磁势逐渐增大。

（2）改变励磁装置电压磁通势与发电机端电压的相位，使合成总磁通势增大，可在电抗器每相绕组两端并联数千欧、10W的电阻。

（3）减小变阻器的阻值，使发电机的励磁电流增大。

定子绕组

、短路

（1）定子绕组受潮。对于长期停用或经较长时间检修的发电机、投入运行前应测量绝缘电阻，不合格者不准投入运行。受潮发电机要进行烘干处理。

（2）绕组本身缺陷或检修工艺不当，造成绕组绝缘击穿或机械损伤。应按规定的绝缘等级选择绝缘材料，嵌装绕组及浸漆干燥等要严格按工艺要求进行。

（3）绕组过热。绝缘过热后会使绝缘性能降低，有时在高温下会很快造成绝缘击穿。应加强日常的巡视检查，防止发电机各部分发生过热而损坏绕组绝缘。

（4）绝缘老化。一般发电机运行15~20年以上，其绕组绝缘老化，电气性能变化，甚至使绝缘击穿。要做好发电机的检修及预防性试验，若发现绝缘不合格，应及时更换有缺陷的绕组绝缘或更换绕组，以延长发电机的使用寿命。

（5）发电机内部进入金属异物，在检修发电机后切勿将金属物件、零件或工具遗落到定子膛中；绑紧转子的绑扎线、紧固端部零件，以不致发生由于离心力作用而松脱。

（6）过大电压击穿：1）线路遭受雷击，而防雷保护不完善。应完善防雷保护设施。2）误操作，如在空载时，将发电机电压升得过高。应严格按操作规程对发电机进行升压，防止误操作。3）发电机内部过电压，包括操作过电压、弧光接地过电压和谐振过电压等，应加强绕组绝缘预防性试验，及时发现和消除定子绕组绝缘中存在的缺陷。

定子铁芯松弛

由于制造装配不当，铁芯没有紧固好。如果是整个铁芯松弛，对于小型发电机，可用两块小于定子绕组端部内径的铁板，穿上双头螺栓，收紧铁芯。待恢复原形后，再将铁芯原来夹紧螺栓紧因。如果局部性铁芯松弛，可先在松弛片间涂刷硅钢片漆，再在松弛部分打入硬质绝缘材料即可。

铁芯片间短路

（1）铁芯叠片松弛，当发电机运转时铁芯产生振动而损坏绝缘；铁芯片个别地方绝缘受损伤或铁芯局部过热，使绝缘老化，就按原计划条中的方法进行处理。

（2）铁芯片边缘有毛刺或检修时受机械损伤。应用细锉刀除去毛刺，修整损伤处，清洁表面，再涂上一层硅钢片漆。

（3）有焊锡或铜粒短接铁芯，应刮除或凿除金属熔接焊点，处理好表面。

（4）绕组发生弧光短路，也可能造成铁芯短路，应将烧损部分用凿子清除后，处理好表面。

发电机失去剩磁，起动时不能发电

（1）停机后经常失去剩磁，是由于励磁机磁极所用的材料接近软钢，剩磁较少。当停机后励磁绕组没有电流时磁场就消失，应备有蓄电池，在发电前先进行充磁。

（2）发电机的磁极失去磁性，应在绕组中通入比额定电流大的直流电流（时间很短）进行充磁，即能恢复足够的剩磁。

自动励磁装置的励磁电抗器温度过高

（1）电抗器线圈局部短路，应检修电抗器。

（2）电抗器磁路的气隙过大，应调整磁路气隙。

发电机起动后，电压升不起来

（1）励磁回路断线，使电压升不起来。应检查励磁回路有无断线，接触是否良好。

（2）剩磁消失，如果励磁机电压表无指示说明剩磁消失，应对励磁机充磁。

（3）励磁机的磁场线圈极性接反，应将它的正、负连接线对换。

（4）在发电机检修中做某些试验时误把磁场线圈通以反向直流电，导致剩磁消失或反向，应重新进行充磁。

发电机振荡失步

正常情况下，发电机发出的功率是和负荷功率相平衡的。当系统发生短路故障或发电机大幅度甩负荷时，发电机的功率就与用户的负荷不相平衡。要想调整负荷使其平衡，由于转子惯性和调速器延时需要一个过程，在此期间，发电机的稳定运行将被破坏，使发电机产生振荡。如果事故严重，甚至会使发电机与系统失去同步。发电机振荡失步时，值班人员应通过增加励磁电流来创造恢复同步的条件；也可适当调整该机的负荷，以帮助恢复同步。

发电机振动

（1）转子不圆或平衡未调整好，应严格制造和安装质量或重新调整转子的平衡。

（2）转轴弯曲，可采用研磨法、加热法及锤击法等校正转轴。

（3）联轴节连接不正，应重新高速联轴节配合螺栓的夹紧力，必要时联轴节端面需重新加工。

（4）结构部件共振，可通过改变结构部件的支持方法来改变它固有的频率。

（5）励磁绕组层间短路，应检修励磁绕组，并进行绝缘处理。

（6）供油量或油压不足，应加大喷嘴直径升高油压；加大供油口减小间隙。

（7）供油量过大或油压过高，就减小喷嘴直径，降低油压，提高面积压力，增大间隙。

（8）定子铁芯装配松动，应重新装压铁芯。

（9）轴承密封过紧，使转轴局部过热、弯曲。应检查和调整轴承密封，使其与轴有适当配合间隙。

（10）发电机通风系统不对称，应注意定子铁芯两端挡风板及转子支架挡风板结构布置和尺寸的选择，使风路系统对称，增强盖板、挡风板的刚度并紧固牢靠。

同步特性

同步发电机的外特性一般指在内电势不变的情况下，负载电流变化时，发电机机端电压变化的曲线，主要是测试发电机的纵轴同步电抗，也就是发电机的内阻抗，是同步发电机带负载能力的重要指标。但同步发电机多采用可控硅快速励磁和阻尼绕组，其纵轴同步电抗多为暂态值，远远小于稳态值。此外由于励磁系统的调节作用，外特性是可以人工制造出来，可以是正的或负的，正的外特性就是机端电压随负载电流增长而降低，负的就是机端电压随负载电流增长而提高，一般励磁系统都可以在正负15%的范围内调节。

绝缘配合：电气一次系统的电压防护水平，在发生雷击、操作过电压的情况下，常规的变压器、发电机、线路的绝缘水平是不足以对抗的，需要避雷器、电容等的元件进行保护，避雷器动作值、动作时延和主设备的元件绝缘耐压能力尤其是冲击耐压能力之间的配合，就称为绝缘配合，要求是避雷器必须赶在主设备绝缘破坏之前动作，在有多个绝缘水平不等的元件时，还必须为不同的元件配备不同的绝缘保护元件，这些保护元件的配合也是个大问题。