发电机原理

第四节同步发电机原理

电厂中主要的电气设备包括发电机、电动机、变压器、断路器等，在第三节介绍了变压器这种静止电机的基本原理，其中包括变压器电磁转换过程和等效电路，同时建立了电路、磁路、有功功率、无功功率的基本概念。本节主要介绍旋转电机中的同步发电机。本节分成三部分，发电机的空载运行、发电机的负载运行、发电机的突然三相短路，由简到繁，逐步了解发电机的特性。

4.1 基本工作原理

4.1.1 同步发电机

我们知道变压器的能量转换是电能-磁场-电能的过程，发电机是将机械能转化为电能，如何实现能量转化的，磁场又起到怎样的作用，先从发电机的结构说起。同步发电机主要由定子、转子两部分组成，定子和转子之间是空气隙，定子是圆筒形铁心，在靠近铁心内表面的槽内嵌着导体，这些导体按照一定的规律连接起来，叫定子绕组，

也称为电枢绕组。定子中间是可以旋转的转子，

转子上装有主磁极，磁极铁心中放着一个线圈，

把这些线圈连接起来称为励磁绕组，给励磁绕

组通入直流电流，端部磁极就表现出一定的极

性，用N、S表示，如图4-1示，这是发电机的图4-1 发电机简易模型

的横剖面图，实际上电机的定子铁心、定子绕组、主磁极在轴方向上都有一定的长度。

在转子绕组中通入直流，产生恒定磁场，发电机转子由汽轮机或者水轮机拖动旋转，恒定磁场变成旋转磁场（通常称为气隙磁场）。转子旋转磁场切割定子绕组，在定子内产生感应电动势。由于转子磁场在气隙中按正弦分布，而转子以恒定速度旋转，从而使定子绕组中感应电动势按正弦规律分布变化，发电机并网运行，定子绕组中出现感应电流，向系统输出电能。

4.1.2 异步电动机

异步电动机从电机结构上同步发电机几乎一样，只是相反的物理过

程，从电能转化成机械能。在定子绕组中通过三相交流电，产生一个旋转磁场，产生的电磁力带动转子转动。转子转速是否能够达到旋转磁场的转速呢？如果两者转速相同，转子上的导体与旋转磁场之间就没有相对运动了，这样一来，转子上的导体便没有感应电动势，也就是没有了电流，也就没有了转矩，可见转子转速要比旋转磁场低一些，就有了“异步”。

4.2 同步发电机的空载运行

4.2.1 同步发电机空载运行时的磁场

发电机中原动机拖动主磁极以恒定转速

n相对与定子逆时针方向旋

1

转。在图中转子的表面建立直角坐标系，如图4-2，纵坐标代表气隙磁通b的大小，横坐标表示磁极表面各点距坐标原点的距离，用角度α衡密度

δ

量。整个坐标系随着转子一道旋转，先看看气隙里磁通密度沿α方向的分布情况。

图4-2 坐标建立图4-3 气隙磁通密度分布波形

转子磁极上有N匝构成励磁绕组，当励磁绕组中通过直流电流i时，会产生磁动势F，（直流电周围也能产生磁场吗？交流电周围产生怎样的磁场？静止的电荷产生静电场，典型的例子是单位正电荷或者负电荷，或者一定距离的正负电荷之间的电场。运动的电荷会产生磁场，即电流产生磁场，恒定的直流电会产生稳定的磁场，判断直流电的周围的磁场方向，可用右手定则，右手握拳，伸出大拇指，大拇指方向指向电流的方向，则其他四指的方向就是磁力线的方向。交流电是变化的电流，产生的是变化的磁场。）磁动势的大小可用Ni

F=表示，磁动势在磁极范围内是不变的。

由于主磁极表面与定子铁心间的气隙较小，表现的磁阻较小，气隙里感应线较密，相邻两个主磁极之间气隙长度较大，表现的磁阻较大，气隙中的

磁感应线较稀疏，可用曲线标示发电机中气隙里磁通密度δb 分布情况，如图4-3，实际上就是一个在气隙空间按周期性变化的非正弦波形，近似为矩形波。可用傅里叶分解把周期性的非正弦量分解成多个正弦量，然后考虑各个正弦量的作用，由δb 波形的特点，分解出来的波形中没有直流分量、偶次谐波，只有齐次的各正弦项。

4.2.2 定子绕组感应电动势波形

励磁绕组产生的磁通在气隙中是按矩形波分布的，矩形波可以分解为基波磁通、三次谐波磁通、五次谐波磁通等，先分析基波磁通在定子导体A 里的感应电动势。根据电磁感应定律知道，导体切割基波磁感应线所产生基波感应电动势大小表示为：lv b e 11δ=

1δb 是导体所在处的基波磁通密度；l 是导体的长度；v 是导体的线速度

图4-2示，A 导体处于两个主磁极之间，磁密度（磁通量）正好为0，过了时间t ，t ωα=，该处的基波气隙磁通密度：

t B B b m m ωαδδδsin sin 111==

于是导体A 中感应的基波电动势瞬时值为：

t E t lv B lv b e m m A ωωδδsin sin 1111===

可见，导体中感应电动势的基波电动势随时间变化的波形，决定于磁通密度的分布波形，导体中基波感应电动势随时间变化的规律如图：

图4-4 导体A 的基波感应电动势 图4-5 导体B 的基波感应电动势 同理可分析导体B 的基波感应电动势情况，B 与A 相差0α，也就t=0时刻，导体B 在坐标轴上的位置是0αα=，导体B 所处的气隙磁通密度011sin αδδm B b =；当时间过了t 秒，t t =时刻，导体B 在坐标轴上的位置变

为0αωα+=t ，如图7-4，B 处的气隙磁通密度：)sin(011αωδδ+=t B b m 因此，导体中基波电动势瞬时值为：

)sin(2)sin(00111αωαωδδ+=+==t E t lv b lv b e m B

从以上的分析导体A 和导体B 的基波感应电动势，我们可得到结论：空间位置相差0α电角度的两个导体，器基波感应电动势在时间相位上也相差0α角度，顺转子转动方向看，导体的空间位置是超前者，感应电动势在时间按相位上是滞后的。

4.2.3 三相感应电动势的产生

我们知道电力系统采用的都是三相正弦交流电，它是如何产生的，或者说发电机为什么能够发出三相对称正弦交流电。所谓三相正弦交流电，是三相的最大值彼此一样大，在时间相位上，A 相最大值超前B 相最大值120，B 相超前C 相120，如图示，

图4-6 物理连接图 图4-7三相对称绕组产生的三相对称基波电动势 图4-8 向量图

如图4-6，空间位置上B 相绕组放在A 相绕组前面120°，C 相放在B 相前120°，N 极是先经过A 相绕组，再转到B 相绕组，最后转到C 相绕组，所以就构成了A 、B 、C 相次序，这就是产生了三相交流正弦电压原理。

4.2.4 隐极发电机

上述说的都是凸极发电机，而我们现场用

的是隐极汽轮发电机，凸极式转子有明显的凸

出磁极，气隙为不均匀，隐极式做成圆柱形，

气隙均匀，一般汽轮机发电机采用隐极式（从

转子机械强度和妥善固定励磁绕组考虑），水轮