第一节 发电机的构造与工作原理及许可工作范围

一、构造

发电机是小型水电站的主要设备之一，它由定子、转子、端盖、励磁装置等部件组成。

（1）定子（固定部分）。定子部分由机座、定子铁芯、定子绕组、测温装置、接线盒等组成。定子铁芯由0.35～0.5mm厚的硅钢片造成，并压紧固定在机座内。定子铁芯槽内嵌有由许多绝缘铜或铝线绕制成的线圈，每个线圈的头尾按规定将它们连接成三相定子绕组，并将其引到接线盒上供安装接线使用。

（2）转子（转动部分）。转子部分由转子铁芯、磁极、励磁线圈、大轴、轴承、滑环、风扇等组成。

转子铁芯是一块整体的圆形钢，套在大轴上，在圆周装上几个凸出的磁极，磁极由1.5～2.5mm的钢板冲片制成（也有整块铸钢做成的）。磁极上套有励磁线圈，经串联后，引至相互绝缘的集电环上。集电环一般用铜或钢制成，它分别与装在端部炭刷架上的两组炭刷相接触，以便把直流电流送到励磁绕组。风扇起发电机散热作用。

（3）端盖。端盖由前后端盖、轴承盖、电刷装置等组成。前后端盖装于发电机定子两端，起支承转子的作用。轴承盖能使轴承润滑油保持清洁以及防止漏油。

（4）励磁装置。发电机转子的励磁绕组所需要的直流电流，是由本装置供给的。

二、原理

“电生磁，磁生电”，这是一个客观的规律，发电机发电就是这一客观规律的利用。

如图3-1所示，A—X表示定子A相绕组（线圈），B—Y表示定子B相绕组，C—Z表示定子C相绕组。A、B、C和X、Y、Z分别为定子绕组的头和尾。R—L表示发电机转子绕组（线圈）。发电机的三相绕组是在发电机定子铁芯内互为相隔120°电角度而放置的。

发电机转子由原动机（水轮机）拖动旋转后，在发电机转子线圈上加上一个直流电（经炭刷、集电环接入），转子就会形成一个磁场，这就是电生磁的规律。由于转子是不停地旋转的，所以这个磁场又成了旋转磁场，它与静止的定子绕组产生了相对运动，这样，定子绕组A、B、C就不断地切割磁力线，因此在定子绕组中便感应出了电势，这就是磁生电的规律。

发电机定子绕组感应电势的数值由下式决定

式中 E——相电势的有效值；

f——频率，Hz；

W——每相匝数；

K——绕组系数；

φ——每极磁通。

上式表明，感应电势的大小与转子的转速及磁力线的疏密即磁通密度的大小有关。转子转速越高，通过磁场绕组的电流越大，定子绕组的感应电势越大，反之，感应电势越小。

转子磁场轴线处磁力线最密，哪相绕组对着轴线时，该相定子绕组的感应电势就最大。如图3-1所示，在发电机转子旋转过程中，A相绕组的感应电势为最大，其次是B相，最后是C相。因此，感应电势的大小随时间而产生周期性的变化。同时，对任何一相绕组来说，有时N极对着它，有时又是S极对着它。所以，感应电势的方向始终是来回变化的，其方向可用右手定则确定。

由于转子的不停转动，磁场的磁力线被定子绕组的A相、B相、C相相继循环切割，于是便在同步发电机中感应出一个三相交流电。

同步发电机在运行时，有两个磁场，一是转子绕组通过直流电流产生的转子磁场；二是定子三相绕组通过对称的三相交流电流时合成的定子磁场，它们旋转的方向、速度均相同。定子旋转磁场的速度与其频率有着严格不变的关系，用下式表示

式中 n——转速，r/min；

f——频率，Hz；

P——磁极对数。

三、许可运行范围

（一）励磁电流、励磁电压

铭牌上的励磁电流、励磁电压是发电机在额定出力下运行时，发电机转子磁场绕组所需要的最大值。

励磁电流和励磁电压是供给发电机转子产生磁场用的，它与磁场变阻器的电阻成反比。励磁电流越大，励磁电压越高，转子的磁场就越强，在额定转速下，发电机定子绕组的端电压也越高。

励磁电流、电压的大小，是允许随负载与功率因数的变化而相应变化的，但是，最高值不得超过铭牌规定的额定值。如减小励磁电流、励磁电压时，则应监视功率因数的变化情况，防止发电机进相（超前）运行。

（二）电压

铭牌上的额定电压，是发电机在规定的各项技术数据下运行时连续工作的最高电压，它是供电质量的标准之一，过高和过低不仅对用户不利，而且对电网和发电机本身也不利。

电压高了会使发电机转子线圈、定子铁芯的温度升高，并会促使绝缘老化，甚至造成绝缘击穿，烧坏发电机，相反，电压低了，不仅降低机组运行的稳定性，在并列运行时往往还可能引起脱步，另外，电压低了还会极大地降低电能质量，使电动机的力矩减少，电流增大，影响机械出力，容易因过载发热而烧坏电机。

发电机的电压高低和运行网络的电压高低以及系统的无功分配与平衡程度有关。因此，在监视、调节电压时，必须兼顾有关的仪表指示，合理使用变压器分接开关，使其在端电压允许值内。发电机运行电压的允许变动范围在额定电压的±5%，而功率在额定值时，其容量不变，发电机连续运行电压的最大允许变动范围不得超过额定值的±10%，如果单机运行或发电机母线有直配线路时，则运行电压尚应满足用户的要求，这时定子电流的大小，以转子电流不超过额定值为限。

（三）频率

频率也叫周波，它是在单位时间（s）内，发电机感应电势的方向及大小变化的次数。目前，国产发电机的频率都为50Hz。

运行中发电机的频率不能过高，也不能太低，否则，都会对用户和机组本身带来不利。

周波低了，就是转子低速，造成发电机冷却条件变差，由于发电机电压与其频率、磁通成正比，所以要想保持电压不变就需要增大励磁，这样会使机组出力降低，同时周波低了，还会减小电动机力矩，降低运转速度，影响用户的安全生产，降低产品质量和工作效率。

周波高了，会影响转子的机械性能，如不作及时调整，并会产生飞车等事故。

水轮发电机的频率最大允许变动范围，不得超过±0.5Hz（即49.5～50.5Hz）。在事故状态下，其变动范围在短时期内，可允许适当增减。

（四）功率因数

功率因数亦称力率，是发电机有功功率与视在功率的比值，可用式（3-3）表示

式中 P——有功功率，kW；

S——视在功率，kVA。

功率因数高，表示发电机有功分量大，反之，有功分量小。国产发电机的功率因数为0.8。

运行中，发电机功率因数的变化是较大的，它取决于不同性质的负载，无功负荷（感性负载）大时，功率因数低，反之，有功负荷（容性负载、阻性负载）大时，功率因数高。当前者占主要负载时，发电机的出力就要相应下降；后一种负载占多数时，发电机的出力可相应提高。因此，运行发电机的功率因数，因看其负荷的性质略微增减，不得随意提高或者降低功率因数，以保持系统动力的稳定性。

功率因数在0.8～1.0范围内运行，可以保证发电机的额定出力。一般应在滞后（迟相）0.8运行为宜，不得超过0.95。有自动励磁调整器的发电机，必要时功率因数可以在1.0运行，并允许短时间的超前（进相）0.95～1.0范围内运行。

（五）电流

铭牌上的额定电流是指发电机在规定的各技术数据下运行时，能允许连续工作的线电流。

发电机三相定子电流，一般就在额定值下运行，并能尽量保证三相基本对称，否则，将会使发电机的转子磁场失去平衡，造成严重振动。同时，还会引起发电机转子的发热，发电机任何两相间定子电流的平衡度不得超过额定值的20%，但是其中任何一相不得超过额定值，当负载电流显著低于额定值时，其两相电流之差略可提高。但是，发电机的温度不得超出允许值。

发电机的允许电流与冷却气体温度及发电机的额定冷却气体温度有关，如果发电机没有测温装置或尚未进行温升试验，同时，当冷却气体温度与其发电机的额定值有出入时，发电机的三相定子电流的允许值应按以下原则确定：

（1）额定冷却气体温度为35℃的发电机，室温在35～40℃的范围内每增1℃，定子电流的允许值应较额定值降低1%，室温在40～45℃范围内每增加1℃，定子电流的允许值应较额定值降低1.5%；室温在45～50℃范围内每增加1℃，定子电流的允许值应较额定值降低2%，当室温超过50℃时每增1℃，则定子电流的允许值应较额定值降低3%。

（2）额定冷却气体湿度为40℃的发电机，室温在40～45℃范围内每增1℃，定子电流的允许值应较额定值降低1.5%。在45～50℃范围内每增1℃，较定额值降低2%，超过50℃时，每增1℃，则应较额定值降低3%。

（3）当冷却气体温度低于额定值时，则室温每降低1℃，允许定子电流较额定值增加0.5%，同是，转子电流也允许相应地增加（有功功率不变，力率降低）。

小型水电站的发电机额定冷却气体温度一般均为35℃，如果发电机没有处理超出力的措施时，一般不得任意过负荷运行。当运行系统突然出现严重故障（如部分发电机事故跳闸），使电力系统失去稳定运行状态时，允许发电机短时间过负荷运行，发电机允许过负荷的范围时间可参照表3-1。

发电机过负荷超出了允许范围时，应按事故处理。

（六）功率（容量）

功率是指发电机在铭牌规定的各技术参数下运行时，能连续发出的有功功率。

发电机的功率和功率因数关系十分密切。当负载电流不变时，功率因数越高，功率就越大；相反，功率因数越低，则功率就越小。因此，发电机的功率在负载功率因数变动的情况下，允许相应变动，当运行系统的阻性负载占多数，其功率因数高于额定值，即cosφ＞0.8时，发电机的有功功率可以超出额定值，但是，发电机的转子电流和三相定子电流均在许可范围内，发电机的温度也不得超过其允许值。

（七）温度

发电机的温度主要指定子线圈、定子铁芯和转子的温度。限制发电机允许温度的因素，主要是包缠着线圈（线棒）的绝缘材料，同一绝缘材料的发电机，还与本身的铜损、铁损、电压及电流的不平衡度等有密切关系，它和通过线圈电流大小的平方及其电阻成正比，发电机温度越高，运行时间越长，绝缘老化越快，寿命就越短。

不同的绝缘材料，其耐热能力也不一样，根据耐热能力，绝缘材料可分下列几个等级。

Y级：耐热能力为90℃，如未处理过的有机材料棉、纱、白布带等。

A级：耐热能力为105℃，如浸渍处理过的有机材料纸、木块等以及沥青。

E级：耐热能力为120℃，如聚乙烯类绝缘。

B级：耐热能力为130℃，如云母带、B级胶、虫胶。

F级：耐热能力为155℃，如聚酯绝缘漆。

H级：耐热能力为180℃，如硅有机绝缘。

C级：耐热能力为180℃以上，如天然云母、玻璃、瓷料。

水轮发电机中通常采用的是B级绝缘，其次是A级绝缘。因此，发电机运行的允许温度不得超出其绝缘等级所规定的耐热能力。在一般情况下，定子线圈温度不得超过105～120℃，转子线圈温度不得高于105～130℃，定子铁芯温度不应高于线圈的温度。

发电机各部的元件温升，可参照表3-2。

（八）电刷冒火

发电机在额定出力运行时，发电机的滑环与励磁机的整流子上应无火花或只允许有少量的火花，否则，会严重烧坏整流子或滑环，并能造成励磁系统的短路或接地，影响发电机的正常运行和系统的稳定性。

发电机电刷冒火的允许范围参照表3-3。