同步发电机基本工作原理及运行特性

同步发电机基本工作原理及运行特性

一、基本工作原理及结构

同步发电机是利用电磁感应原理，将机械能转变为电能的装置。所谓电磁感应就是导体切割磁力线的能产生感应电势，将导体连接成闭合回路，就有电流通过的现象。导体镶嵌在铁芯的槽里，铁芯是固定不动的称为定于（静子）。磁极是转动的，称为转子。它是由励磁绕组和铁芯组成的。励磁绕组通过滑环与外部励磁回路相连，定子和转子是发电机的基本组成部分。

那么，三相交流电是如何产生的呢？

直流电通入转子绕组后，就产生了稳恒的磁场，沿定于铁芯内圆，每相隔120度，分别安放三相绕组A－X、B－Y、C－Z。当转子被汽轮机拖动以3000r/min旋转时，定子绕组便切割磁力线，产生感应电势，感应电势的方向可由右手定则来确定。由于转子产生的磁场是旋转磁场，所以定子绕组切割磁力线的方向不断变化，在其中感应的电势方向就不断变化，因而形成交变电势即交流电势。

交流电势的额定频率为f，它决定于发电机的极对数P和转速n，其计算公式

为:f=np/60HZ，我国规定交流电的频率为50HZ。即：p=1，n=3000r/min

交流电势的相位关系：转子以3000r/min的转速不停地旋转A、B、C三相绕组先后切割转子磁场的磁力线，所以三相绕组中电势的相位是不同的，因为定子绕组在安放时，空间角度相差120°相序为A－B－C。

何为同步呢？当发电机并列带负荷后，三相绕组中的定子电流（电枢电流）将合成一个旋转磁场，交流磁场与转子同速度，同方向旋转，这就是同步。

二、同步发电机的运行特性

同步发电机的运行特性，一般是指发电机的空载特性、短路特性、负载特性、外特性和调整特性等五种。其中，外特性和调整特性是主要的运行特性，根据这些特性，运行人员可以判断发电机的运行状态是否正常，以便及时调整，保证高质量安全发电。而空载特性、短路特性、负载特性则是检验发电机基本性能的特性，用于测量，计算发电机的各项基本参数。

1、外特性

所谓外特性，就是励磁电流、转速、功率因数为常数的条件下，负荷变化时发电机端电压U的变化曲线。

外特性可以用来分析发电机运行中的电压流动情况，并以此对自动励磁调节器的调压范围提出要求。发电机电压波动情况可以由电压变化率来描述。所谓电压变化率，就是发电机从空载到额定负载，端电压变化对额定电压的百分数。汽轮发电机的电压变化率一般在30%~48%的范围。

何为电枢反应呢？同步电机在空载时，气隙里仅存在转子磁场（主磁场）。当定子绕组流过对称的三相电流时，其所建立的电枢磁势将产生磁场，故有负载时，气隙里的磁场是由转子的励磁磁势和电枢磁势共同作用产生的。电枢磁势必然对主磁场有影响。这种对称负载时电枢磁势的基波对主磁场基波的影响，称为电枢反应。

电枢反应的性质（去磁、助磁或交磁），因负载性质（感性、容性或阻性）和大小的不同而不同。

2、空载运行

同步发电机的空载特性是一个很重要的特性，它直接影响着电机的其它特性，通过开路实验还可以发现励磁系统的故障。暂态短路特性和零功率因数特性也都属于同步电机的重要特性，和空载特性配合，可以求出同步发电机的暂态参数及确定出补偿电枢的励磁电流。

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If感生出的空载电动势E0（三相对称），其大小随If增大而增加。但是，由于电机磁路铁芯有饱和现象，故两者不成正比。反映E0与If关系的曲线称为同步发电机的空载特性。当原动机带动发电机在同步转速下运行,励磁绕组通过适当的励磁电流,电枢绕组不带任何负载时的运行情况，称为空载运行。空载运行是同步发电机最简单的运行方式，其气隙磁场由转子磁势单独建立，分析较为简单。

当空载运行时,励磁电势随励磁电流变化的关系称为同步发电机的空载特性。励磁电势的大小(有效值) 与转子每极磁通成正比，而励磁电流的大小又和作用于同步电机磁路上的励磁磁势正比例变化，所以空载特性与电机磁路的磁化曲线具有类似的变化规律。

当励磁电流较小时，由于磁通较小，电机磁路没有饱和，空载特性呈直线（将其延长后的射线称为气隙线）。随着励磁电流的增大，磁路逐渐饱和，磁化曲线开始进入饱和段。为了合理地利用材料，空载额定电压一般设计在空载特性的弯曲处。

发电机的空载特性试验，也是发电机的基本试验项目。发电机空载特性是指发电机在额定转速下，定子绕组中电流为零时，绕组端电压Uo和转子激磁电流IL之间的关系曲线。发电机的空载特性试验就是实测这条特性曲线。从0到 1.3倍额定电压，一般取10～12点。

空载特性在同步发电机理论中有着重要作用：将设计好的电机的空载特性与计算数据相比较，如果两者接近，说明电机设计合理，反之，则说明该电机的磁路过于饱和或者材料没有充分利用。空载特性结合短路特性可以求取同步电机的参数。发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性以及励磁系统的故障。

3、短路特性

同步发电机运行于同步转速时，将电枢绕组三相的端点持续短路然后加上励磁电流，称为短路运行。这时端电压U =0 ，如果改变励磁电流，则电枢短路电流的有效值也改变。短路特性就是指二者之间的关系：=f() 。

短路运行时，和励磁电势之间的相位差仅受同步电抗和绕组本身电阻的制约，在忽略绕组电阻时，将滞后于90电角度，交轴分量=0 ，其电枢反应表现为纯去磁作用。

去磁作用减少了电机中的磁通，磁路处于不饱和状态，励磁电势和励磁电流之间在数量上呈线性关系。由于短路电流=-j/，所以和励磁电流在数量也呈线性关系，短路特性就是一条通过原点的直线。

可见，稳态短路时，电机中的电枢反应为纯去磁作用，电机的磁通和感应电势较小，短路电流也不会过大，所以三相稳态短路运行没有危险。

对凸极式电机来说，短路时交轴电枢磁势=0 ，故分析方法同隐极电机，只需将

用代替，将用来代替即可。