同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行及計(jì)算

徐晗 肖雨廷

摘要：隨著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和人們生活水平的日益提高，生產(chǎn)和生活用電量日益增加，所需的電能供應(yīng)也隨之增加。繼而人們對產(chǎn)生電能的關(guān)鍵器件—發(fā)電機(jī)越來越關(guān)注。但大多數(shù)人們只是大概的了解發(fā)電機(jī)長什么樣子，很少人知道它的具體構(gòu)造和運(yùn)行特性。文章從同步發(fā)電機(jī)的工作原理入手，較詳細(xì)的介紹了有關(guān)同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行的各種特性和參數(shù)的計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：同步發(fā)電機(jī)；運(yùn)行特性；參數(shù)計(jì)算

同步發(fā)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，兩者之間是氣隙。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組線圈的兩端分別與兩個(gè)彼此絕緣的滑環(huán)連接，外界通過壓在滑環(huán)上的電刷將直流電傳送給勵(lì)磁繞組，當(dāng)勵(lì)磁繞組通電后，產(chǎn)生磁場（有N極、S極）。當(dāng)轉(zhuǎn)子在原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)下旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場依次切割定子三項(xiàng)對稱繞組，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，當(dāng)輸出端接入負(fù)荷，發(fā)電機(jī)就會(huì)向負(fù)載供電。總的來說，同步發(fā)電機(jī)在磁場中完成機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，是一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)械裝置。

1同步發(fā)電機(jī)的分類

1.1按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類

1.1.1隱極同步發(fā)電機(jī)。隱極同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為細(xì)長的圓柱體，從外表看沒有突出的磁極，故稱為隱極。其特點(diǎn)為在不考慮齒槽效應(yīng)時(shí)，氣隙均勻，適合于高速旋轉(zhuǎn)，多用于汽輪機(jī)。

1.1.2凸極同步發(fā)電機(jī)。凸極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由磁極、磁軛、阻尼繞組、轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子支架構(gòu)成，氣隙不均勻，適合于中速或低速旋轉(zhuǎn)，多用于水輪機(jī)。

1.2按電機(jī)安裝特點(diǎn)分類

立式電機(jī)、臥式電機(jī)。

1.3按勵(lì)磁方式分類

電勵(lì)磁式及永磁式電機(jī)。

1.4按通風(fēng)方式分類

開啟式、防護(hù)式及封閉式電機(jī)。

1.5按電機(jī)負(fù)載分類

均勻負(fù)載、交變負(fù)載及沖擊負(fù)載電機(jī)。

2同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性

同步發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速n1，功率因素cosφ保持不變的條件下，定子端電壓U，負(fù)載電流I，勵(lì)磁電流If三變量中保持一個(gè)量為常數(shù)，其他兩個(gè)量之間的函數(shù)關(guān)系即為同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性。

其主要包括空載特性、短路特性、零功率因素負(fù)載特性、負(fù)載運(yùn)行特性、電壓調(diào)整特性與調(diào)整特性等。

2.1空載特性

保持同步轉(zhuǎn)速n1不變，定子繞組開路，空載電動(dòng)勢E0與勵(lì)磁電流If的函數(shù)關(guān)系E0=f（If）即為同步發(fā)電機(jī)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(zhuǎn)速n1保持不變，電樞繞組短路電流IK與勵(lì)磁電流If的函數(shù)關(guān)系。其中IK=f（If），兩者為線性關(guān)系。

2.3零功率因數(shù)負(fù)載特性

零功率因數(shù)負(fù)載特性就是cosφ=0時(shí)的負(fù)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(fù)載特性

電樞反應(yīng)的不同性質(zhì)與與內(nèi)功率因數(shù)角ψ（相電動(dòng)勢E與相電流I的夾角）的大小有關(guān)。以隱極發(fā)電機(jī)為例。

ψ=0°電樞反應(yīng)為交軸電樞反應(yīng)

ψ=90°電樞反應(yīng)為直軸去磁作用

ψ=-90°電樞反應(yīng)為直軸助磁作用

ψ>0°任意角電樞反應(yīng)既有直軸電樞分量，又有交軸電樞分量。

2.5電壓調(diào)整特性

同步發(fā)電機(jī)電壓調(diào)整特性也成為外特性，是指同步轉(zhuǎn)速n1、勵(lì)磁電流If和負(fù)載功率因素cosφ不變，改變負(fù)載電流I，端電壓U的變化曲線。它反映了負(fù)載性質(zhì)不同時(shí)，端電壓隨負(fù)載變化而變化的情況。

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

2.6調(diào)整特性

它反映的是負(fù)載電流變化時(shí)，為維持端電壓不變，勵(lì)磁電流的變化曲線。其特征與電壓調(diào)整特性相對應(yīng)。

3同步發(fā)電機(jī)參數(shù)計(jì)算（以隱極為例）

3.1磁動(dòng)勢計(jì)算

3.1.1轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組基波磁動(dòng)勢幅值

Ff1=kfNf If

其中kf為勵(lì)磁磁動(dòng)勢波形因數(shù)；Nf為勵(lì)磁繞組匝數(shù)；If為勵(lì)磁電流。

3.1.2定子三相繞組基波電樞磁動(dòng)勢幅值

F1=1.35kdp1

其中N1為定子繞組每項(xiàng)串聯(lián)匝數(shù)；P為極對數(shù)；kdp1為基波繞組系數(shù)；I為定子電流。

3.2電動(dòng)勢計(jì)算

3.2.1電樞反應(yīng)電動(dòng)勢Ea 可用下式計(jì)算

Ea=-jIXa

式中I為電樞電流；Xa為每相繞組電樞反應(yīng)電抗。

3.2.2空載電動(dòng)勢

E0=U+IZs

式中Zs為同步電機(jī)每項(xiàng)繞組同步電抗。

3.3電抗計(jì)算

3.3.1同步電抗測定

Xs=

其中E0為空載電動(dòng)勢；IK為短路電流。

3.3.2保梯電抗計(jì)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(yīng)的氣隙電動(dòng)勢。

3. 4有功功率計(jì)算

同步發(fā)電機(jī)有功功率為

Pem=msinθ

其中Xs為同步電抗；θ為同步發(fā)電機(jī)功角。

3. 5過載能力計(jì)算

最大電磁轉(zhuǎn)矩超出額定電磁轉(zhuǎn)矩一的比列即為過載能力

km==

式中θN為發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的功角。

4同步發(fā)電機(jī) 的并聯(lián)合閘

理想并聯(lián)合閘的條件：

發(fā)電機(jī)頻率與電網(wǎng)頻率相同；發(fā)電機(jī)電壓幅值與電網(wǎng)電壓幅值相同；發(fā)電機(jī)電壓相序與電網(wǎng)電壓相序相同；發(fā)電機(jī)電壓相位與電網(wǎng)電壓相位相同。

判別合閘條件是否滿足的兩個(gè)基本方法：暗燈法和燈光旋轉(zhuǎn)法。

5結(jié)語

同步發(fā)電機(jī)是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫臋C(jī)械裝置，現(xiàn)代社會(huì)中使用的交流電能，幾乎全由同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生。因此掌握同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性及參數(shù)計(jì)算，對每個(gè)電氣技術(shù)人員來說都十分重要。

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