发电机资料.doc

发电机的资料一篇又一篇，总是学得快忘得也快。还是留在网上吧，以备查看。
仍然是翻译的国外文献资料，而且也不大全，草草翻译的，质量也就是那么回事，反正自己能看懂就行啦。括号里面的内容是自己加上去的。插图都在照片库里。
同步电机
本文主要讨论同步凸极式发电机，如无特殊说明，文中“发电机”就是指同步凸极式发电机。
1. 同步发电机与同步电动机的共同点
1.1 工作原理大致相同
1.2 不同点：1）定子电流方向；2）功率流向
1.3 石油天然气工业中所使用的同步发电机与电动机们结构都差不多。只是由于安装方式和所处环境不同在外观上可能有所区别。
1.4 同步发电机一般不设置于危险环境，偶尔会有同步电动机适用于危险环境中。在危险环境中一般使用感应式电动机。
1.5 同步发电机的转子有“凸极式”和“隐极式”两种，而同步电动机一般都是“凸极式”。4极以上同步电机一般使用“凸极式”。
1.6 二极同步发电机一般使用隐极式转子，使用蒸汽轮机或燃气轮机带动，转速一般为3600转（60Hz）和3000转（50Hz），功率一般在30兆瓦以上。
1.7 冷却方式和轴承通常都差不多。
2. 发电机的工作原理
2.1 定子，也称为“电枢”，由三相交流绕组组成。转子，也称为“磁场”，是直流励磁或磁场绕组。磁场绕组与轴同速旋转，产生发电机的主磁通。
2.2 转子和定子之间最基本的磁作用是切向拉力。在发电机中，转子磁极带动定子磁场围绕着它旋转。电动机中，定子磁极拉动转子磁场围绕着它旋转。这种相互作用好似拉伸弹簧一样，功率越大，拉力越大，定、转子磁场轴之间的位置相差越远。
2.3 当发电机没有连接负载，以额定转速运行时，在铁心里穿过气隙存在着额定旋转磁通。这个磁通切割定子绕组并感应出额定的电动势，并从定子绕组的终端处产生额定的电压。
2.4 当发电机连接三相负载时，定子电枢开始有电流流动，产生定子磁通并反作用于气隙中的转子磁通，气隙中的磁通量随之减少，导致定子终端产生电压降。此电压降可以通过加大励磁电流从而增强磁场强度来补偿。这种定子电枢中电流对气隙磁通的反作用称为“电枢反应”，从而引出同步电抗或称之为“导出电抗”的概念，将在第4节中继续进行详述。而稳态和瞬态的电枢反应可以参见附录7（没有附录。。。。。），并在下文中进行简单描述。
2.4.1 稳态电枢反应
    在不考虑气隙中旋转磁场存在谐波的情况下（实际上难免会存在谐波成分，尤其是凸极式发电机，但是在本节所考虑的问题中，忽略它是可以被接受的），由旋转磁场绕组所产生的磁通量在转子磁极附近穿过气隙呈正弦分布。
    如果定子绕组（可以看作是由很多匝线圈串联而成的电路）没有连接负载时，绕组终端的开路感应电动势相当于所有线匝的开路感应电动势之和。闭合负载的开关将产生一个稳态的电流流过定子绕组，每一匝线圈都产生磁通而他们的总磁通反作用于转子磁通，从而气隙中的磁通将会减少。由气隙磁通产生的感应电动势使电流通过绕组的漏电抗和绝缘电阻流动。由此种绕组阻抗造成的电压降相对于气隙电压来讲比较小。气隙电压减去此电压降就是负载运行发电机的端电压。综上所述，气隙磁通的减弱称为电枢反应，使负载运行时的气隙磁通将比空载运行时小很多。要恢复气隙中的磁通和端电压需要加强磁场电流，这也是自动调压器的一个必要的功能。
    当转子磁极的极轴与定子线圈的极轴方向一致时，从磁路上来看定子的反抗为最小。此时电枢反应所对应的电抗称为“直轴同步电抗Xsd”，如果将定子绕组的“漏磁电抗Xa”从Xsd中减掉，则得出“直轴电抗Xd”。
    同样的，当转子极轴与定子线圈的轴成某一个角度，使气隙最宽的部分面对定子线圈的轴，则磁抗为最大值。此时的电枢反应所对应的电抗称为“交轴同步电抗（积分轴同步电抗）Xsq”。减去Xa得到“交轴电抗（积分轴电抗）Xq”。
2.4.2 瞬态电枢反应
    假设发电机正在稳态带载工作。如果定子电流的峰-峰值或RMS（均方根）值发生变化，则它对应的磁动势将会试图通过电枢反应改变气隙磁通。这种相对缓慢的变化将有可能会使磁通穿入转子。这将会在磁场绕组里感应出电动势，并在由磁场绕组和励磁机组成的电路中产生瞬态电流。此感应电流的产生是根据变压器原理，定子电流的增大的瞬间将会相对应地增大磁场电流。这种电枢反应同样会导致气隙磁通减少，从而产生机端电压降。这种电枢反应也同样等效于相对应的电抗。
    当转子极轴与定子线圈轴一致，此时的电抗值为最大，称为“直轴瞬态电抗X'd”。
    当转子极轴与定子线圈轴成某一角度时，则磁场中没有感应电流而磁抗依然很大，所以在这种情况下“交轴瞬态电抗X'd”与Xd近似相等。隐极式两极高速发电机转子由于转子各处的直径几乎相等，所以转子周围的气隙几乎是恒定不变的，所以这种情况下X'd与X'd也是近似相等的。
2.4.3 次瞬态电枢反应
    我们再次假设发电机正在稳态带载运行。当定子绕组中的电流急剧变化时，比如在定子电路中发生短路的情况。此时急剧增加的定子磁通将会穿过转子磁极的表面。大多石油工业发电机都装有“阻尼棒”用于减降低在主保护动作的过程中所造成的转子转速振动。阻尼棒由铜或铜合金制成，纵向安装在转子磁极表面。他的工作原理和鼠笼感应式电机相同，在转子转速发生瞬态变化时起作用。当过量的磁通切割磁极表面时，由于变压器原理将会在阻尼棒和磁极顶端感应出电流。这种感应电流将建立反向磁通，以维持原有的与定子相联系的磁通。
    在这种瞬态情况下，或者更准确一些称为次瞬态情况，过量的磁通将被限制在包括气隙和磁极表面的空间之内。这时高磁抗将会弥补过低的电枢电抗值。
    有些发电机的阻尼棒在发电机某一端被连接成环形，可以在交轴时提供阻尼动作。实际上是在交轴时提供一系列以空气为芯的短路环，可以阻止磁通进入他们内部区域。
    与瞬态电抗相对应，次瞬态的电抗称为“直轴次瞬态电抗X"d”和“交轴次瞬态电抗X"q”。
2.5 电压与电流矢量图（从图中可以很容易地看到各种电抗与电压电流之间的关系）
    画出电压与电流矢量图涉及到以下几点：
    1）机端电压V是参考矢量，作为水平轴。
    2）电动势E和转子极轴同向。
    3）定子电流分解成两部分，直轴部分方向称为为“direct或d-轴”，交轴部分方向称为“quadrature或q-轴”
    作为发电机，电动势E逆时针方向超前端电压V。
    由于存在电流，发电机中每一个电抗和电阻都分别对应一个压降。对于发电机来说，下面的稳态和动态的电流和电压可以在矢量图上表示如下：
    1） E     磁场电流If产生的感应电动势
    2） V     机端电压
    3） Vd    V的直轴（d-axis）分量
    4） Vq    V的交轴（q-axis）分量
    5） I     定子电流
    6） Id    I的直轴（d-axis）分量
    7） Iq    I的交轴（q-axis）分量
    8)  IRa   由定子或电枢产生的电压降
    9） IdRa  IRa的直轴（d-axis）分量
    10）IqRa  IRa的交轴（q-axis）分量
    11）IdXd  由直轴（d-axis）同步电抗产生的电压降
    12）IdX'd 由直轴（d-axis）瞬态电抗产生的电压降
    13）IdX"d 由直轴（d-axis）次瞬态电抗产生的电压降
    14）IdXq  由交轴（q-axis）同步电抗产生的电压降
    15）IdX'q 由交轴（q-axis）瞬态电抗产生的电压降
    16）IdX"q 由交轴（q-axis）次瞬态电抗产生的电压降
    17）E'    瞬态阻抗下的感应电动势
    18）E"    次瞬态阻抗下的感应电动势
    更多关于两个极轴的解释可以参见附录1、2、3和第17章（是关于UPS的，以后有时间会多翻译一些）的相关内容。

    图1.1是以15兆瓦发电机工作在满载情况下，功率因数0.8为例。使用以下pu（per-unit）数据：（所有的图请在我的空间里找^^）
    E=2.098，V=1.0，Vd=0.423，Vq=0.906，I=1.0，Id=0.882，Iq=0.472；
    Ra=0.002，Xd=2.5，Xq=0.9，X'd=0.18，X'q=Xq，X"d=0.1，X"a=0.15。
3. 计算：
    所有的阻抗值都可以用一些标准化的公式由实际绕组的阻抗值计算出，
    式中：Xa=电枢漏磁电抗，Xmd=直轴互感电抗，Xf=磁场漏磁电抗，Xkd=阻尼电抗，Xmq=交轴互感电抗；一般由制造厂家给出。
    由于互耦电抗比其他电抗要大得多，所以其倒数在计算中经常被忽略。
    直轴：Xd  = Xa + Xmd
          X'd = Xa +（Xmd*Xf）/（Xmd + Xf）；约= Xa + Xf 
          X"d = Xa +（Xmd*Xf*Xkd）/(Xmd*Xf + Xmd*Xkd + Xf*Xkd)；约= Xa +（Xf*Xkd）/（Xf + Xkd）
    交轴：Xq  = Xa + Xmq 
          X"q = Xa +（Xmq*Xkd）/（Xmq + Xkd）；约= Xa + Xkd
    当然：这些公式变换一下，就可以在发电机的选择过程中使用（变换过程略，均为简单的数学变换）。业主一般会要求一定限制的X'd和X"d因为需要限制故障电流和电压降，从而发电机的设计者将面对寻找发电机合适的外形尺寸来满足业主要求的Xmd，Xf和Xkd。业主们一般不经常考虑交轴参数。至于Xa，应尽可能的小。
    如果不想计算，有两个图可以进行速查（图1.2和1.3）。
3.1 通过改变物理尺寸改变发电机的Xmd，Xa，Xf和Xkd：
    由于特定的发电机的转子长度、直径和定子铁心的深度半径已经给定，所以我们只考虑其他因素。
3.1.1 气隙的半径长度对互感电抗Xmd的大小有重大影响。
    大的气隙能增大磁阻的路径并降低互感电抗，同时也便于定转子表面的散热。但不幸的是，气隙过大会需要更多的转子绕组匝数以得到充分的励磁。这就加大了转子的体积，更加增大了定子的直径，从而使机器变得更重更贵。随着机器的额定功率增大，同步电抗也越大。见第8节相关内容。
    所以：Xmd与转子直径，转子长度成正比；与气隙半径距离成反比。
3.1.2 降低电枢漏磁电抗需要减少定子每相的槽数，提高每槽中导体的利用效率。
    高压电机常使用双层埋槽。电枢漏磁电抗受定子埋槽的尺寸影响很大：
    所以：Xa与埋槽长度，深度成正比；与埋槽宽度成反比。
3.1.3 磁场漏磁电抗与极轭的外形有关
    Xf与极轭的周长成正比，与极轭半径长度成反比
    所以较小漏磁电抗的磁场极轭应该较长，且截面积较小。此外，转子整个直径越大，漏磁电抗越小。
3.1.4 阻尼棒或绕组的工作原理和感应式电机类似。而且，需要足够牢固以承受对抗瞬态干涉轴速度的巨大扭力。
    为了使阻尼体在同步转速周围能够有足够的瞬间扭力来提供足够的滑转率，阻尼体需要有低电阻高电抗的特点。一般使用高电导率的铜条埋装在磁极表面，为漏磁磁通提供低的磁阻路径。
    Xkd与埋槽的长度和深度成正比，与宽度成反比。
    增加Xkd意味着显著增加转子的整体直径