同步發電機的運行及計算

徐晗 肖雨廷

摘要：隨著國家經濟發展水平和人們生活水平的日益提高，生產和生活用電量日益增加，所需的電能供應也隨之增加。繼而人們對產生電能的關鍵器件—發電機越來越關注。但大多數人們只是大概的了解發電機長什么樣子，很少人知道它的具體構造和運行特性。文章從同步發電機的工作原理入手，較詳細的介紹了有關同步發電機運行的各種特性和參數的計算方法。

關鍵詞：同步發電機；運行特性；參數計算

同步發電機由定子和轉子兩大部分組成，兩者之間是氣隙。發電機轉子是旋轉的，轉子勵磁繞組線圈的兩端分別與兩個彼此絕緣的滑環連接，外界通過壓在滑環上的電刷將直流電傳送給勵磁繞組，當勵磁繞組通電后，產生磁場（有N極、S極）。當轉子在原動機的拖動下旋轉時，旋轉磁場依次切割定子三項對稱繞組，從而產生感應電動勢，當輸出端接入負荷，發電機就會向負載供電。總的來說，同步發電機在磁場中完成機電能量轉換，是一種將機械能轉化為電能的機械裝置。

1同步發電機的分類

1.1按轉子結構特點分類

1.1.1隱極同步發電機。隱極同步發電機轉子為細長的圓柱體，從外表看沒有突出的磁極，故稱為隱極。其特點為在不考慮齒槽效應時，氣隙均勻，適合于高速旋轉，多用于汽輪機。

1.1.2凸極同步發電機。凸極發電機轉子由磁極、磁軛、阻尼繞組、轉軸和轉子支架構成，氣隙不均勻，適合于中速或低速旋轉，多用于水輪機。

1.2按電機安裝特點分類

立式電機、臥式電機。

1.3按勵磁方式分類

電勵磁式及永磁式電機。

1.4按通風方式分類

開啟式、防護式及封閉式電機。

1.5按電機負載分類

均勻負載、交變負載及沖擊負載電機。

2同步發電機的運行特性

同步發電機在轉速n1，功率因素cosφ保持不變的條件下，定子端電壓U，負載電流I，勵磁電流If三變量中保持一個量為常數，其他兩個量之間的函數關系即為同步發電機的運行特性。

其主要包括空載特性、短路特性、零功率因素負載特性、負載運行特性、電壓調整特性與調整特性等。

2.1空載特性

保持同步轉速n1不變，定子繞組開路，空載電動勢E0與勵磁電流If的函數關系E0=f（If）即為同步發電機空載特性。

2.2短路特性

短路特性是指電樞三相繞組出線端短接，同步轉速n1保持不變，電樞繞組短路電流IK與勵磁電流If的函數關系。其中IK=f（If），兩者為線性關系。

2.3零功率因數負載特性

零功率因數負載特性就是cosφ=0時的負載特性。該特性曲線與空載特性曲線形狀相似，并通過曲線可以求出電樞繞組漏電抗。

2.4負載特性

電樞反應的不同性質與與內功率因數角ψ（相電動勢E與相電流I的夾角）的大小有關。以隱極發電機為例。

ψ=0°電樞反應為交軸電樞反應

ψ=90°電樞反應為直軸去磁作用

ψ=-90°電樞反應為直軸助磁作用

ψ>0°任意角電樞反應既有直軸電樞分量，又有交軸電樞分量。

2.5電壓調整特性

同步發電機電壓調整特性也成為外特性，是指同步轉速n1、勵磁電流If和負載功率因素cosφ不變，改變負載電流I，端電壓U的變化曲線。它反映了負載性質不同時，端電壓隨負載變化而變化的情況。

帶cosφ=1純電阻負載時，端電壓隨負載增大降落較少；帶cosφ=0.8的電感性負載時，端電壓隨負載增大降落較多；帶cosφ=0.8的電容性負載時，端電壓隨負載增加而升高。

2.6調整特性

它反映的是負載電流變化時，為維持端電壓不變，勵磁電流的變化曲線。其特征與電壓調整特性相對應。

3同步發電機參數計算（以隱極為例）

3.1磁動勢計算

3.1.1轉子勵磁繞組基波磁動勢幅值

Ff1=kfNf If

其中kf為勵磁磁動勢波形因數；Nf為勵磁繞組匝數；If為勵磁電流。

3.1.2定子三相繞組基波電樞磁動勢幅值

F1=1.35kdp1

其中N1為定子繞組每項串聯匝數；P為極對數；kdp1為基波繞組系數；I為定子電流。

3.2電動勢計算

3.2.1電樞反應電動勢Ea 可用下式計算

Ea=-jIXa

式中I為電樞電流；Xa為每相繞組電樞反應電抗。

3.2.2空載電動勢

E0=U+IZs

式中Zs為同步電機每項繞組同步電抗。

3.3電抗計算

3.3.1同步電抗測定

Xs=

其中E0為空載電動勢；IK為短路電流。

3.3.2保梯電抗計算

保梯電抗在一定條件下可看做為電樞繞組漏電抗

Xδ=

式中Eδ為一相繞組中感應的氣隙電動勢。

3. 4有功功率計算

同步發電機有功功率為

Pem=msinθ

其中Xs為同步電抗；θ為同步發電機功角。

3. 5過載能力計算

最大電磁轉矩超出額定電磁轉矩一的比列即為過載能力

km==

式中θN為發電機額定運行時的功角。

4同步發電機 的并聯合閘

理想并聯合閘的條件：

發電機頻率與電網頻率相同；發電機電壓幅值與電網電壓幅值相同；發電機電壓相序與電網電壓相序相同；發電機電壓相位與電網電壓相位相同。

判別合閘條件是否滿足的兩個基本方法：暗燈法和燈光旋轉法。

5結語

同步發電機是我們日常生活中常用的機械裝置，現代社會中使用的交流電能，幾乎全由同步發電機產生。因此掌握同步發電機的運行特性及參數計算，對每個電氣技術人員來說都十分重要。

參考文獻

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