电机学讲义(汤蕴璆)第六章-同步电机的基本结构和运行状态.docx

图6-1旋转磁极式同步电机的类型a）隐极式b）凸极式6.1同步电机的根本结构和运行状态一、同步电机的根本结构按照结构型式，同步电机可以分为旋转电枢式和旋转磁极式两类。旋转电枢式一电枢装设在转子上，主磁极装设在定子上。这种结构在小容量同步电机中得到一定的应用。旋转磁极式一主磁极装设在转子上，电枢装设在定子上。对于高压、大容量的同步电机，通常采用旋转磁极式结构。由于励磁局部的容量和电压常较电枢小得多，电刷和集电环的负载就大为减轻，工作条件得以改善。目前，旋转磁极式结构已成为中、大型同步电机的根本结构型式。在旋转磁极式电机中，按照主极的形状，又可分成隐极式和凸极式，如图6-1所示。隐极式一转于做成圆柱形，气隙为均匀；凸极式一转子有明显的凸出的磁极，气隙为不均匀。对于高速的同步电机（3000rmin）从转子机械强度和妥善地固定励磁绕组考虑，采用励磁绕组分布于转子外表槽内的隐极式结构较为可靠.对于低速电机（100Or/min及以下），转子的离心力较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构较为合理。大型同步发电机通常采用汽相机或水轮机作为原动机来拖动，前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。由于汽轮机是一种高速原动机，所以汽轮发电机一般采用隐极式结构。水轮机那么是一种低速原动机，所以水轮发电机一般都是凸极式结构。同步电动机、由内燃机拖动的同步发电机以及同步补偿机.大多做成凸极式，少数两极的高速同步电动机亦有做成隐极式的。隐极同步电机以汽轮发电机为例来说明隐极同步电机的结构。现代的汽轮发电机般都是两极的，同步转速为3000r/min（对50Hz的电机）。由于转速高，所以汽轮发电机的直径较小，长度较长.汽轮发电机均为卧式结构，图6-2表示一台汽轮发电机的外形图。汽轮发电机的定子由定子铁心、定于绕组、机座、端盖等部件组成。定子铁心一般用厚o.5mm的DR360硅钢片叠成，每叠厚度为3-6cm,叠与叠之间留有宽0.8lcm的通风槽。整个铁心用非磁性压板压紧.固定在机座上。大容量汽轮发电机的转子周速可达I70-180mso由于周速高，转子受到极大的机械应力，因此转子一般都用整块具有良好导磁性的高强度合金钢锻成.沿转子外表约2/3局部铳有轴向凹槽，励磁绕组就嵌放在这些槽里；不开槽的局部组成一个“大齿”，嵌线局部和大齿一起构成了主磁极（图6-la）o为把励磁绕组可靠地固定在转子上，转子槽楔采用非磁性的金属槽楔,端部套上用高强度非磁性钢段成的护环。图6-3表示一台嵌完线的汽轮发电机的转子。由于汽轮发电机的机身比拟细长,转子和电机中部的通风比拟困难.所以良好的通风、冷却系统城对汽轮发电机非常重要。凸同电凸极同步电机通常分为卧式（横式）和立式两种结构。绝大局部同步电动机、同步补偿机和用内燃机或冲击式水轮机拖动的同步发电机都采用卧式结构。低速、大容量的水轮发电机和大型水泵电动机那么采用立式结构。卧式同步电机的定子结构与感应电机根本相同，定子亦由机座、铁心和定子绕组55等部件组成；转子那么由主磁极、磁物、励磁绕组、集电环和转轴等部件组成。图64表示一台已经装配好的凸极同步电动机的转子。大型水轮发电机通常都是立式结构。由于它的转速低、极数多，要求转动惯量大。故其特点是直径大、长度短。在立式水轮发电机中，整个机组转动局部的重量以及作用在水轮机转子上的水推力均由推力轴承支撑，并通过机架传递到地基上,如图65所示。图66表示一台大型水轮发电机的分瓣定子。图6-6大型水轮发电机的分瓣定子绕组结构相似，它由插入主极极靴槽中的铜条和两端的端环焊成一个闭合绕组。在同步发电机中，阻尼绕组起抑制转子转速振荡的作用；在同步电动机和补偿机中，主要作为起动绕组用。二、同步电机的运行状态当同步电机的定子（电枢）绕组中通过对称的三相电流时.定子将产生一个以同步转速推移的旋转磁场。稳态情况下,转子转速亦是同步转速，于是定子旋转磁场恒与直流励磁的转矩.进行能量转换。同步电机有三种运机、电动机和补偿机。发电机把机械能电动机把电能转换为机械能，补偿机中率的转换，专门发出或吸收无功功率、功率因数。分析说明，同步电机运行于哪一种状于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹功率角。假设转子主磁场超前于定子合成磁场，于上将受到一个与其旋转方向相反的制磁转矩，如图6-7a所示。为使转子能持续旋转.转子必须从原动机输入驱动子输入机械功率，定子绕组向电网或负率，电机作发电机运行。假设转子主磁场与定子合成磁场的轴线那么电磁转矩为零，如图67b所示。没有有功功率的转换，电机处于补偿机表征定子合成磁场的等效磁极图6-8同步电机的三种运行状态a）发电机b）补偿机c）电动机子主极磁场保持相对静止，它们之间相互作用并产生电磁转行状态：发电转换为电能，没有有功功调节电网的态.主要取决角3,3称为>0,此时转动性质的电以同步转速转矩。此时转载输出电功重合，=0,此时电机内状态或空载除励磁绕组外，同步电机的转子上还常装有阻尼绕组。阻尼绕组与笼型感应电机转子的笼形状态。假设转子主磁场滞后于定子合成磁场，<0,那么转子上将受到个与其转向相同的驱动性质的电磁转矩，如图67C所示。此时定子从电网吸收电功率，转子可拖动负载而输出机械功率，电机作为电动机运行。三、同步电机的励磁方式供应同步电机励磁的装置，称为励磁系统。下面对它作一简介。直流励磁机励磁直流励磁机通常与同步发电机同轴，井采用并励或他励接法。他励时，励磁机的励磁由另一台与主励磁机同轴的副励磁机供应，如图68所示。为使同步发电机的输出电压保持恒定，常在励磁电路中加进一个反映负载大小的自动调节系统，使发电机的负载电流增加时，励碰电流相应地增大.这样的系统称为复式励磁系统。整流器励磁整流器励磁又分为静止式和旋转式两种。图69表示静止整流器励磁系统的原理图。田中主励磁机是一台与同步发电机同轴连接的三相100HZ发电机，其交流输出经静止三相桥式不可控整流器整流后，通过集电环接到主发电机的励磁绕组，供应其直流励磁；主励磁机的励磁由交流副励磁机发出的交流电经静止可控整流器整流后供应。副励磁机是一台中频三相同步发电机(有时采用永磁发电机)，它也与主发电机同轴连接。副励磁机的励磁，开始时由图6-9静止整流器励磁系统供应，待电压建起后再转为自励。根据主发电机端电压的偏差和负载大小，通过电压调整器对主励磁机的励磁进行调节，即可实现对主发电机励磁的自动调节。由于取消了直流励磁机，这种励磁系统维护方便，励磁容量得以提高，因而在大容量汽轮发电机中获得广泛的应用。当励磁电流超过2000A时，为防止集电环的过热，可采用取消集电环的旋转整流器励磁系统。此系统的主励磁机是与主发电机同轴连接的旋转电枢式三相同步发电机，电枢的交流输出经与主轴一起旋转的不可控整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组，供应其励磁。因为主励磁机的电枢，整流装置与主发电机的励磁绕组三者为同轴旋转，不再需要集电环和电刷装置，所以这种系统又称为无刷励磁系统.无刷励磁系统运行比拟可靠，这种系统大多用于大、中容量的汽轮发电机、补偿机以及在防燃、防爆等特殊环境中工作的同步电动机。在小型同步发电机中，还经常采用具有结构简单和具有自励恒压等特点的三次谐波励磁、电抗移相励磁等励磁方式。四、额定值同步电机的额定值有(1)额定容Sn(或额定功率PN)指额定运行时电机的输辅出功率。同步发电机的额定容量既可用视在功率表示，亦可用有功功率表示；同步电动机的额定功率是指轴上输出的机械功率；补偿机那么用无功功率表示。(2)额定电压UN指额定运行时定子的线电压。(3)额定电流IN指额定运行时定子的线电流。(4)额定功率因数cos指额定运行时电机的功率因数。(5)额定频率fN指额定运行时电枢的频率。我国标准工频规定为50Hz。(6)额定转速nN指额定运行时电机的转速，对同步电机而言，即为同步转速。除上述额定值以外，铭牌上还常常列出一些其他的运行数据，例如额定负载时的温升6>n,额定励磁电流和电压In、UfN等。6.2空载和负载时同步发电机的磁场一、空载运行用原动机施动同步发电机到同步转速，励磁绕组通入直流励磁电流，电枢绕组开路(或电枢电流为零)的情况，称为同步发电机的空载运行。空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所建立的主极磁场。图610表示一台四极电机空载时的磁通示意图。从图可见，主极磁通分成主磁通。和漏磁通r0两局部，前者通过气隙并与定子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁绕组相交链。主磁通所经过的主磁路包括空气隙、电枢齿、电枢挽、磁极极身和转子聊等五局部。当转子以同步转速旋转时，主磁场将在气隙中形成一个旋转磁场，它“切割”对称的三相定子绕组后，就会在定子绕组内感应出一组频率为f的对称三相电动势，称为激磁电动势，瓦A=EON0°,瓦a=%N-120°,EOA=EONl20°(6_1)忽略高次谐波时，激磁电动势(相电动势)的有效值Eo=4.44fNkv0，其中0为每极的主磁通量。这样,改变直流励磁电流If,便可得到不同的主磁通oo和相应的激磁电动势Eo,从而得到空载特性Eo=f(If),如图611所示。空载特性是同步电机的条根本特性。图6-10同步电机的空载磁路(2p=4)图6-11同步电机的空载特性空载曲线的下部是一条直线，与下部相切的直线称为气隙线。随着o的增大，铁心逐渐饱和，空载曲线就逐渐弯曲。二、对称负载时的电枢反响同步发电机带上对称负载后，电枢绕组中将流过对称三相电流，此时电枢绕组就会产生电枢磁动势及相应的电枢磁场，其基波与转子同向、同速旋转。负载时，气隙内的磁场由电枢磁动势和主极磁动势共同作用产生，电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场就称为电枢反响。电枢反响的性质(增磁、去磁或交磁)取决于电枢磁动势和.主磁场在空间的相对位置。分析说明，此相对位置取决于激磁电动势EO和扭载电流I之间的相角差o(4>o称为内功率因数角)。下面分成两种情况来分析。i与它。同相时.图612a表示一台两极同步发电机的示意图。为简明计，图中电枢绕组每相用一个集中线圈来表示，E。和i的正方向规定为从绕组首端流出，从尾端流入.在图612a所示瞬间，主极轴线与电枢A相绕组的轴线正交，A相链过的主磁通为零；因为电动势滞后于感生它的磁通90°,故A相激磁电动势E。八图6T2%=00时同步发电机的电枢反应a）定子统组内的电动势、电流和磁动势的空间矢量图b）时间相图c）时-空饶一矢量图d）气隙合成磁场与主磁场的相对位置的瞬时值到达正的最大值，其方向如图中所示（从X入，从A出）；B、C两相的激磁电动势Eos,和EoC分别滞后于EOA以120°和240°,如图612b所示。设电枢电流i与激磁电动势E。同相位，即内功率因数角+o=0°,那么在图示瞬间，A相电流亦将到达正的最大值，B相和C相电流分别滞后于A相电流以120°和240°,如图612b中所示。从第四章中得知，在对称三相绕组中通以对称三相电流时，假设某相电流到达最大值，那么在同一瞬间，三相基波合成磁动势的幅值将与该相绕相的轴线重合。因此在图6-12a所示瞬间，基波电枢磁动势F41,的轴线应与A相绕组轴线和转子交轴重合。由于FlI与转子均以同步转速旋转，所以在其他瞬间，Fa的轴线恒与转于交轴重合。由此可见，0=0o时，Fa是一个交轴磁动势。即(6-2)Fa(TO=(T)=Faq交轴电枢磁动势所产生的电枢反响称为交轴电枢反响。由于交轴电枢反响，使气隙合成磁场B与主磁场BO在空间形成一定的相角差，如图6-2d所示。对于同步发电机，当o=00时，主磁场将超前于气隙合成磁场，于是主极上将受到一个制动性质的电磁转矩。所以交轴电枢磁动势与产生电磁转矩及能量转换直接相关。从图62a和b可见，用电角度表示时，主磁场BO与电枢磁动势Fa之间的空间相位关系，恰好与链过A相的主磁通中。A与A相电流ia之间的时间相位关系相一致，且图a的空间矢量与图b的时间相量均为同步旋转。于是,假设把图b中的时间参考轴与图a中A相绕组的轴线取为重合（例如均取为水平），就可以把图a和图b合并，得到一个时空统一矢量图，如图C所示。由于三相电动势和电流均为对称，所以在统一矢量图中，仅画出A相一相的激磁电动势、电流和与之匝链的主磁通，并把下标A.省略，写成Eo、I和。在统一矢量图中，Fr既代表主极基波磁动势的空间矢量，亦表示时间相量小。的相位：既代表A相电流相量，又表示电枢磁动势Fa的空间相位。j与Eo不同相时下面进一步分析i与E。不同相时的情况。在图613a所示瞬间，A相绕组的激磁电动势E。到达正的最大值。假设电枢电流滞后于激磁电动势某一相角+o(90°>o>00),那么A相电流在经过t=W)/3这段时间后才到达其正的最大值；换言之，在t=°3秒后，电枢磁动势的幅值才与A相绕组轴线重合。所以在图613a所示瞬间，电枢磁动势Fa应在距离A相轴线o电角度处，即Fa滞后于主极磁动势Ff以90°+o电角度。由于Fa与Ff同向、同速旋转，所以它们之间的相对位置将始终保持不变。不难看出，此时Fa可以分成两个分量，一为交轴电枢磁动势Faq另一为直轴电枢磁动势Fad,即Fa=Faq+Faq(63)其中Fad=FaSino,Faq=FaCoSo(64)交轴电枢磁动势所产生的交轴电枢反响，其作用已在前面说明。直轴电枢磁动势所产生的直轴电枢反响，7d÷k三甘作田TiT头1土磁加HT头郴)磁2r11W.缶的H名而克URaAIQk知介木嘛毛山Vd同步发电机，假设电枢电流i滞后于激磁电动势也。，那么直轴电枢反响是去磁性；假设i超前于E。，直轴电枢反响将是增磁性。直轴电枢反响对同步电机的运行性能影响很大。假设同步发电机单独供电给一组负载，那么负载以后，去磁或增磁性的直轴电枢反响将使气隙内的合成磁通减少或增加，从而使发电机的端电压产生变动。如果发电机接在电网上，从6.8节可知，其无功功率和功率因数是超前还是滞后与直轴电枢反响的性质密切相关。图6-14隐极同步发电机负载时的磁场分布图6-13%=00时同步发电机的电枢反应a)1滞后于武时的空间矢量图b)i滞后时的时-空就一矢图c)1超前五。时的时空统一矢重用图6-14表示负载时隐极同步发电机内的磁场分布图。6.3隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路上面分析了负载时同步发电机内部的磁场。在此根底上，即可导出隐极同步发电机的电压方程，并画出相应的相量图和等效电路。一、不考虑磁饱和时同步发电机负载运行时，除了主极磁动势Fr之外，还有电枢磁动势Fa。如果不计磁饱和(即认为磁路为线性)，那么可应用叠加原理，把.Ff和Fa的作用分别单独考虑，再把它们的效果叠加起来。设Ff和Fa各自产生主磁通和电枢磁通,并在定子绕组山咸由中相应的激磁中邦执E。和电枢反响电动势Ej把Eo,和Ea相量相加，可得电枢相绕组的合成电动势E(亦称为气隙电动势)。上述关系可表示为：再把气隙电动势也减去电枢绕组的电阻压降iRa和漏抗压降ji°(XG为电枢绕组的漏电抗)，便得电枢绕组的端电压0。采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，电枢的电压方程为Eo+Ea-I(Ra+jX)=U(-5)因为电枢反响电动势Ea正比于电枢反响磁通a不计磁饱和时，a又正比于电枢磁动势Fa和电枢电流因此Ea正比于I;在时间相位上，E“滞后于中”以90°电角度，假设不计定子铁耗,那么E将滞后于i以90°电角度。于是Ea亦可写成负电抗压降的形式，即“与i同相位,&=TiXa(6-6)式中，Xa是与电枢反响磁通相应的电抗，称为电枢反响电抗。将式(66)代人式(65),经过整理，可得它°=U+iRtl+jixtr+jix0=u+IRa+jixs(6_7)式中，XS称为隐极同步电机的同步电抗，XS=Xa+Xo,它是对称稳态运行时表征电枢反响和电枢漏磁这两个效应的一个综合参数。不计饱和时，XS是一个常值。图615a和b表示与式(65)和式(67)相对应的相量图，图615c表示与式(67)相应的等效电路。从图615C可以看出，隐极同步发电机的等效电路由激磁电动势E。和同步阻抗R11+jXs串联组成，其中EO表示主磁场的作用，Xs表示电枢反响和电枢漏磁场的作用。图6-15隐极同步发电机的相量图和等效电路a)和b)相，用c)等效电路二、考虑磁饱和时考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理不再适用。此时，应先求出作用在主磁路上的合成磁动势F,然后利用电机的磁化曲线（空载曲线）求出负载时的气隙磁通布及相应的气隙电动势E,即再从气隙电动势应减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，使得电枢的端电压0,即E=U+i(Rfl+jX)(-8)图6-16考虑磁饱和时电极同步发电机的相量图a）电动势-磁动势图b）由合成磁动势F一定气原电动势E相应的矢量图、相量图和FE间的关系如图6-16a和b所示。图6-16a中既有电动势相量，又有磁动势矢量.故称为电动势一磁动势图。这里有一点需要注意，通常的磁化曲线习惯上用励磁磁动势Ff的幅值（对隐极电机，励磁磁动势为一-梯形波，如图617所示）或励磁电流值作为横坐标，而电枢磁动势Fa的幅值那么是基波的幅值，因此在Ff和Fa矢量相加时，需要把基波电枢磁动势FH乘上换算系数1.以换算为等效梯形波的作用。ka的意义为，产生同样大小的基波气隙磁场时，一安匝的电枢磁动势相当于多少安匝的梯形波主极磁动势。通常图6-17汽轮发电机主极磁动势的分布kaO.93l.O30考虑饱和效应的另一种方法是，通过运行点将磁化曲线线性化，并找出相应的同步电抗饱和值XSOtI和）。引，把问题化作线性问题来处理。6.4凸极同步发电机的电压方程和相量图凸极同步电机的气隙沿电枢圆周是不均匀的，因此在定量分析电枢反响的作用时，需要应用双反响理论。一、双反响理论凸极同步电机的气隙是不均匀的，极面下气隙较小，两极之间气隙较大，故直轴下单位面积的气隙磁导入d（入d=Uod）要比交轴下单位面积的气隙磁导q（Aq=°/q）大很多，如图618a所示。当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时，由于入d较大，故在一定大小的磁动势下，直轴基波磁场的幅值Badl相对较大。当同样大小的磁动势作用在交轴上时，由于入q较小，在极间区域，交轴电枢磁场出现明显下凹，相对来讲，基波幅值Baql将显著减小，如图618C中所示。一般情况下，假设电枢磁动势既不在直轴、亦不在交轴而是在空间任意位置处，可把电枢磁动势分解成直轴和交轴两个分量（如图6-18b）,再用对应的直轴磁导和交轴磁导分别算出直轴和交轴电枢反响，最后把它们的效果叠加起来。这种考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反响分成直轴和交轴电枢反响分别来处理的方法,就称为双反响理论。实践证明，不计磁饱和时，这种方法的效果是令人满意的。在凸极电机中，直轴电枢磁动势Fad和交轴电枢磁动势Faq,换算到励磁磁动势时，分别应乘以直轴和交轴换算系数1.d和二、凸极同步发电机的电压方程和相量图不计磁饱和时，根据双反响理论，把电枢磁动势Fa分解成直轴和交轴磁动势Fad、Faq,分别求出其所产生的直轴、交轴电枢磁通“，八四和电枢绕组中相应的电动势自“八,再与主磁通“。所产生的激磁电动势应。相量相加，便得一相绕组的合成电动势色(通常称为气隙电动势)。上述关系可表示如下：再从气隙电动势云减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，便得电枢的端电压U.采用发电机惯例，电枢的电压方程为&+4/+£叫一1«+j。)=U(-9)与隐极电机相类似，由于Ead和Eaq分别正比于相应的泡、叫，不计磁饱和时，“/和四又分别正比于Fad、Faq,而Fad、F叫又正比于电枢电流的直轴和交轴分量Id、Iq于是可得EadOC，EadOC1d这里Iad=ISino,Iaq=ICOSo;在时间相位上，不计定于铁耗时，Ead和总政分别滞后于"、"以90°电角度，所以应“d和E即可以用相应的负电抗压降来表示，*ad=-jidXad,'aq=-jiqX,tq(6_)式中，Xad称为直轴电枢反响电抗；Xaq称为交轴电枢反响电抗。将式(610)代入式(69),并考虑到i="+iq,可得E0=17+¾÷jix+jidxad+jiqxaq= U+iRei+j"(x0+xQ+jig(x+Xaq)= u+iRa+jidxd+qxq(61)式中,Xd和Xq分别称为直轴同步电抗和交轴同步电抗,“它们是表征对称稳态运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反响的一个综合参数C式(611)就是凸极同步发电机的电压方程。图619表示与式(611)相对应的相量图。负载电流i、功率因数角cos。以及电机的参数(、要画出图619所示相量图，除需给定端电压U、Xd和Xg之外，必须先把电枢电流分解成直轴和交轴两个分量，为此须先确定°角。引入虚拟电动势£q,使&2=及一j,d(XdXq),可得Eq=(U+IRa+jidxd+jiqXq)Tid(XXq)=U+/图6T9凸极同步发电机的相量图(612)因为相量)与瓦相垂直，故/'d(X"-X。)必与2。同相位，因此%与巨。亦是同相位，如图6-20所示。将端电压U沿着i和垂直于i的方向分成USin。甲和UC两个分量，由图6.20不难确定Usi11e+/Xq-arctan-Ucos+IRa(613)引入虚拟电动势与后，由式(612)可得凸极同步发电机的等效电路，如图621所示。此电路在计算凸极同步电机的运行问题时常常用到。三、直轴和交轴同步电抗的意义由于电抗与绕组匝数的平方和所经磁路的磁导成正比，所以XdOCM2a*X-NjAq式中，Nl为电枢每相的串联匝数；A和Ag为稳态运行时直轴和交轴的电枢等效磁导。A"=A"+A*A,"A”+A其中Aad和A”为直轴和交轴电枢反响磁通所经磁路的磁导，AC为电枢漏磁通所经磁路的磁导；如图6-22所示。对于凸极电机，由于直轴下的气隙较交轴下小，A'h>A",所以ad>aq,因此在凸极同步电机中，Xd>Xqo对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故XdkXqkXSO例61一台凸极同步发电机，其直轴和交轴同步电抗的标幺值为X；=1.°,Xq二°6,电枢电阻略去不计，试计算该机在额定电压、额定电流、cos0=O8(滞后)时激磁电动势的标幺值(不计饱和)。解以端电压作为参考相量虚拟电动势EQ为即6角为19.44°,于是电枢电流的直轴、交轴分量和激磁电动势分别为6.5 同步发电机的功率方程和转矩方程一、功率方程和电磁功率功率方程假设转子励磁损耗由另外的直流电源供应，那么发电机轴上输入的机械功率Pl扣除机械损耗PC和定子铁耗PFe后，余下的功率将通过旋转磁场和电磁感应的作用，转换成定子的电功率，所以转换功率就是电磁功率Pe,即P=Pa+PFe+P,(6-14)再从电磁功率Pe中减去电枢铜耗PC加可得电枢端点输出的电功率P2;即Pe=Pcua÷P2(615)式中，PQla=疝R。,P2="7UCOSe,m为定子相数。式(6-14)和式(6-15)就是同步发电机的功率方程.电磁功率从式(615)可知，电磁功率Pe为由图6-23可见UcOSe+=ECoSW=EOCOSW故同步电机的电磁功率亦可写成Pe=正1COS=mEQIcos(616)图6-23从相=图导出Ecos=C7cos9H-Za式中，夕是巨与/的夹角。上式的第一局部与感应电机的电磁功率表达式相同，第二局部那么是同步电机常用的。对于隐极同步电机，由于EQ=E0，故有Pe=InEGleasy/。(6_17)式(6-16)说明，要进行能量转换，电枢电流中必须要有交轴分量Iqo在6.2节中已经说明，在发电机中，交轴电枢反响使主极磁场超前于气隙合成磁场，使主极上受到一个制动性质的电磁转矩；在旋转过程中，原动机的驱动转矩克服制动的电磁转矩而作功，同时通过电磁感应在电枢绕组内产生电动势并向电网送出有功电流，使机械能转换为电能。在图619中，激磁电动势耳与端电压U之间的夹角称为功率角。不难看出，Iq愈大，交轴电枢反响愈强，功率角5就愈大；6愈大，在一定的范围内，电磁转矩和电磁功率亦愈大。二、转矩方程把功率方程（614）除以同步角速度C-可得转矩方程T="+1（618）（二旦=7式中，刀为原动机的驱动转矩，Qs；PC为电磁转矩，cS；”为发电机的空载转矩，PD÷PFe6.6 同步电机参数的测定为了计算同步电机的稳态性能，除需知道电机的工况（端电压、电枢电流和功率因数等），还应给出同步电机的参数。下面说明稳态参数的实验确定法。一、用空载特性和短路特性确定Xd空载特性可以用空载试验测出。试验时，电枢开路（空载），用原动机把被试同步电机拖动到同步转速，改变励磁电流If,并记取相应的电枢端电压Uo（空载时即等于Eo,直到Uo1.25Un左右，可得空载特性曲线Eo=短路特性可由三相稳态短路试验测得，试验线路如图l-24a所示。将被试同步电机的电枢端点三相短路,用原动机拖动被试电机到同步转速，调节励磁电流If使电枢电流I从零起一直增加到1.2IN左右，便可得到短路特性曲线/=如图6-24b所示。图624三相短路试睑和短路特性a）短路试腕接线图b）短路特性短路时，端电压U=O,短路电流仪受电机本身阻抗的限制。通常电枢电阻远小于同步电抗，因此短路电流可认为是纯感性，此时电枢磁动势接近于纯去磁性的直轴磁动势，因而电机的磁路处于不饱和状态,故短路特性是一条直线，如图624b所示。短路时，90°,故乙"°,而(619)E0=u+iRa+jidxd+jiqxqjixd所以Xd./（620）因为短路试验时磁路为不饱和，所以这里的E0（每相值）应从气隙线上查出，如图625所示，求出的Xd值为不饱和值。图6-25用空载和短路特性来确定XdXd的饱和值与主磁路的饱和情况有关。主磁路的饱和程度取决于实际运行时作用在主磁路上的合成磁动势，因而取决于相应的气隙电动势；如果不计漏阻抗压降，那么可近似认为取决于电枢的端电压，所以通常用对应于额定电压时的Xd值作为其饱和值。为此，从空载曲线上查出对应于额定端电压UN时的励磁电流阮，再从短路特性上查出与该励磁电流相应的短路电流如图626所示，这样即可求出XtlW卜X%(6-21)人d（饱和）r式中，SW为额定相电压。对于隐极同步电机，Xd就是同步电抗Xs。例62有一台25（M）OkW、10.5kV（星形联结）、=85（滞后）的汽轮发电机，从其空载、短路试验中得到以下数据，试求同步电抗。从空载特性上查得：相电压U=Io56kV时，If0=155A;从短路特性上查得：I=In=1718A时，Ifk=280A;从气隙线上得查得：Ir=280A时，t=22.43ky0解从气隙线上查出，If=280A时，激磁电动势4=22400/回=12930；在同一励磁电流下，由短路特性查出，短路电流I=1718A;所以同步电抗为E；=-=2.1331,故用标幺值计算时，UNG105从空载和短路特性可知，"o'1卡="In=I',于是Xd（饱砌为6.7 同步发电机的运行特性一、同步发电机的运行特性同步发电机的稳态运行特性包括外特性、调整特性和效率特性，从这些特性中可以确定发电机的电压调整率、额定励磁电流和额定效率，这些都是标志同步发电机性能的根本数据。图6-30同步发电机的外特性外特性外特性表示发电机的转速为同步转速，且励磁电流和负载功率因数不变时，发电机的端电压与电枢电流之间的关系：即n=ns,1尸常值，cos=常值时，U=f（I）o图6-30表示带有不同功率因数的负载时，同步发电机的外特性。从图可见，在感性负载和纯电阻负载时，外特性是下降的，这是由于电枢反响的去磁作用和漏阻抗压降所引起。在容性负载且内功率因数角为超前时，由于电枢反响的增磁作用和容性电流的漏抗电压上升，外特性亦可能是上升的。从外特性可以求出发电机的电压调整率。调节发电机的励磁电流，使电枢电流为额定电流、功率因数为额定功率因数、端电压为额定电压，此励磁电流ItN称为发电机的额定励磁电流。然后保持励磁电流为人，转速为同步转速，卸去负载（I=0),此时端电压升高的百分值即为同步发电机的电压调整率，用AU表示，即w=X100%UNGSpi(625)凸极同步发电机的AU通常在18%30%以内；隐极同步发电机由于电枢反响较强,Au通常在30%48%这一范围内。调整特性调整特性表示发电机的转速为同步转速、端电压为额定电压、负载的功率因数不变时，励磁电流与电枢电流之间的关系；即n=ns,U=UN,cos=常值时，I*f(D°图631表示带有不同功率因数的负载时，同步发电机的调整特性。由图可见，在感性负载和纯电阻负载时，为补偿电枢电流所产生的去磁性电枢反响和漏阻抗压降，随着电枢电流的增加，必须相应地增加励磁电流，此时调整特性是上升的。在容性负载时，调整特性亦可能是下降的。从调整特性可以确定额定励磁电流IfN(图631)。效率特性效率特性是指转速为同步转速、端电压为额定电压、功率因数为额定功率因数时，发电机的效率与输出功率的关系；即n=ns,U=UN,cos(p=cos<pN时，Tl=HP2)。同步电机的根本损耗包括电枢的根本铁耗PFC、电枢根本铜耗pcu、励磁损耗PCUf和机械损耗PC。电枢根本铁耗是指主磁通在电枢铁心齿部和枕部中交变所引起的损耗。电枢根本铜耗是换算到基准工作温度时，电枢绕组的直流电阻损耗。励磁损耗包括励磁绕组的根本铜耗、变阻器内的损耗、电刷的电损耗以及励磁设备的全部损耗。机械损耗包括轴承、电刷的摩擦损耗和通风损耗。杂散损耗包括电枢漏磁通在电枢绕组和其它金属结构部件中所引起的涡流损耗，高次谐波磁场掠过主极外表所引起的外表损耗等。总损耗Z求出后，效率即可确定，7=1-×100%I/2+P(626)现代空气冷却的大型水轮发电机，额定效率大致在96%98.5%这一范围内；空冷汽轮发电机的额定效率大致在94%97.8%这一范围内；氢冷时，额定效率约可增高0.8%。图632是国产300MW双水内冷水轮发电机的效率特性。