发电机功角概念辅导讲义

功率平衡▴发机的功率流程如图17.6示。为自原动机发电机的输入机械功率其中一部提供轴与轴承间的摩擦、转动部分与空的摩擦及风设备的耗，总计为机械损耗，另一部分供定子铁心的涡流和滞损耗，总计为铁心损耗,

为通过电磁应作用转为定子绕上的电功率为磁功率如果是负载行定绕组中还存定子铜耗

，＝式为

－

就是发电机输出功率步发电机的率平衡方程(17-1)定子绕组的阻一般较，其铜耗以忽略不计，则有(17-2)功角的概念▴率因数角，发电机的磁电势

和端电压

之间相角差功角对于研究步电机的功率变化和行的稳定有重要意。▴17.7画出同步电机时空相量中忽略了定子绕组的漏磁电为

≈+，对应于转磁势

，

对应于电枢磁

以可近似认端电压

由合成磁势

=+

所感应。

和

之间的空间角差即为

和

之间的时间相角差。▴功间上表端电压和磁磁势之间的相位差，在空间上表为合成磁轴线与转磁场轴线之间夹角。并网运行时，

为电网电压其大小和率不变，应的合成磁势

总是以同步速旋转，因功角的大只能由转子磁势

的角速度决定定运行时，

和

之间无相对动固定的值1功角特性▴特指的是电磁功率系曲线=f(▴电

随功角的关令

可以求出对于最大电功率

的功角

,一般来说凸极机的

在4590之。▴电▴功与额定功率的比值定义为同步发电的过载能力对隐极电来说有功功率的节▴特=f(了同步电机的电功率随着功角变化的情况。稳态运时，同步电机的转由电网的频率决定，等于同步速，即，电机的电磁转矩

和电磁功率

之间成正比系：

电磁转矩与动机提供的动转矩相平

其中

为空载转矩摩擦、风等引起的力转矩）。▴要变发电机输送给电网的有功功率，就必须变原动机供的动力矩，这一改变可以通过调节水轮机进水量或汽机的汽门达到。▴角于0到

范围内时，着大，

亦增大，同发电机在一区间能稳定运行。而当

时，随着大，

反而减小，磁功率无与输入的械功率相平衡，发电机转速越来越，发电机失去同步故在这一区间发机不能稳运行。▴发机失去同步后，必须立即减小原动输入的机功率，否将使转子达到极高的转速，以致离心力过大而损坏转子另外，失后，发电的频率和电网频率不一致，定子绕中将出现个很大的流而烧坏子绕组。因此，保持同是十分重的。▴综上述：并联电网的发机所承担有功功率可以通过调节原动机输入机械功率改变的。且电机承的有功功率极限是。0<

时发电机可稳定运行

发电机不能定运行。▴注，当发电机的励磁电流不变时化也将功功率的化。无功率随着有功功率的增加而减少，甚2至可能导致功功率改符号，这应当避免的。因此如果只要求改变电机所承的有功功时，应该调节发电机有功功率的时适当调发电机的功功率。无功功率的节▴电上运行的负载类型很多多数负载了消耗有功率外还消耗电感性无功功率，如接在网上运行异步电机变压器、电抗器等。所以电网除了应有功功外，还要应大量滞后的无功功。▴电网供给的全无功功率般由并网发电机分担。▴电网电压和频不会因为台发电机行情况的改变而改变，即并网发电的电压和频率将维持数。▴如果持原动机拖动转矩变即不调节原动的汽门、门或水门)，那么发机输出的有功功亦将保持变。▴17.11给出了功功率不变而空载电势化时，隐发电机的势相量图矢端必须落直线AB和CD上。

和

的①如果在某励磁电流

时，

正好与

平行，此时功功率为,发电机输的全部是有功功率，电机正常励磁。②如果增加磁电流到

1

，则

将沿直线AB移到

1

，

将沿直线CD下移

1

，1

滞后于

，发电机处过励态输出功中除了有功功率外，还有滞后性的功功率；③如将励磁流减少到

2

则

沿BA左移

2

，

沿DC上到

2

，

2

超前于，发电机处于欠励态，发电机输功率中除了有功功率外，还有超前性的无功率。V形线▴过调节磁电流可以达到调节同发电机无功率的目当从某欠励状态开始增加励磁流时机出的超前无功功率开始减少电流中无功分量开始减少达到正常励状态时，功功率变零，电枢电流中的无功分量也变为，此时；果继续增3加励磁电流发电机将出滞后性无功功率，电枢电流中的无功分量开始增加▴电枢流随励磁流变化的系表现为个V形曲线。形线是一簇曲，每一条V形曲线对应定的有功率。V形曲线都有一个低点，对cos的情况。将所有的最低点连接起来将得到与cos对应的曲线，线左边为励状态，率因数超前，右边为过励状态，功率数滞后（图17.12）。形线可以利用图17.11所示电势相量图及发电机参数大小来计求得，亦直接通过载试验求得。4短路特性▴发机运行于同步转速时电枢绕组三的端点持续路然后加励磁电流为短路行这时端电压U=0，如果变励磁电

，则电枢短电流的有效关系：=f(

也改变。短特性就是二者之间)。▴运时，

和励磁电势

之间的相位仅受同步电

和绕组本身阻的制约忽略绕组电阻时，

将滞后于

90电度轴分量=0，其电枢反应现为纯去作用。▴去磁用减少了机中的磁，磁路处不饱和状态，励电势和励电流之间数量上呈线性关系。由于短电流=-j/，所

和励磁电流在数量也呈性关系，路特性就一条通过原点的直线。▴可见稳态短路，电机中电枢反应纯去磁作用机的磁通感应电势小短路电流也不会过大，所以相稳态短运行没有险。▴图16.8给出隐极同电机稳态短路运行的等效电路和量图凸极式机来说路时交电枢磁势=0析法同隐极机需将

用代替，将

用

来代替即可5利用短路特和空载特求取同步电抗▴设励电流为，每相载电势为，如果把电枢端点路，测得相短路电为去电枢电阻，同步电上的压降(参看图16.8(a))。

，显然在略即为▴此系可以得到测定同步电抗的简单方：①原动带动同步发电机在同步速下运转测取其开路短路特性②测取数据在同一坐标纸上绘成曲线作出气隙线③选取一固的

对应短路电流

和对应于气隙线的电势

，则同步电可按下式得或

=/(16-12)▴上方法求得的是不饱和同步电抗实际运行中磁路是有点饱取步电抗饱和值的近似方法为空载曲线得对应于定电压

的励磁电流，再从短特性求得应于，则

的短路电流或

的饱和值=/(16-13)▴电的交轴同步电抗可以利用经验公式得≈0.65(16-14)6零功率因数载特性▴机负载特性是指当负载电流=常数率因数cos数条件下压U与励磁电

的关系。其中cos时一条负载特性称为零功率因数特性。▴的负载为纯电感负载，即度，从相量图图16.10)以看出，,j,方位，其相加减可简为代数加，即(16-15)

处于同一▴知载特性(）和步电抗(或)的情况下由式16-15)可以作出同步机的零功率因数特性线，见图16.11。之通过测取载特性和零功率因特性就可求得同步抗过进一步的处理，还可求得定子抗。7同步电抗和抗的测定▴电在==

时的零功率数特性曲上取出对于

的励磁电流，再在空载特曲线上取对应于值，即(参图16.11)=(-)/

的空载电势(16-16)

，由式16-15)就求得同步电抗的饱和▴漏U=0时，应于零功因数特性的励磁电流

=OC，该电流分为两部分，OB段用来产电势漏抗势

以平衡定子抗压降AB=

段来产电枢电势

以平衡电枢反电抗压降

，可见△ABC的BC边表纯去磁电枢反应磁势，AB边表定子漏抗。由BC和均和电电流

成正比。所当

一定时，△ABC是固的，此角形称为同步电的特性三形。只要得特性三角形，我们就可以很方便求得定子抗，即=AB/(16-17)▴三形的作法:对于一定电枢电流

，由于△ABC是固定的所以在空载性曲线上移动△ABC的顶点A时，C的轨即为零功因数特性如果我们零功率因数特性曲线上向上平移△ABC的顶点C到额电压

时，将得到A'B'C'并且O'C'=OC,O'A'//OA，由此可得到特性角形的作：①在额电压

处作一水平交零功率数曲线于C'，截O'C'=OCO'作OA的平行交空载特性线于A'A'A'B'⊥O'C'于B'A'B'C'即为特性三形图16-11)。外特性和电调整率▴性指：n=n1,

=常数,cos数的条下发电机作机运行时端电U随负电流而变化的关,即U=f()曲线。▴性线的走向和负载的性质有关于感性负载)，在励磁流不变的情下，随着电枢电流的大有两个因素导致电压下降其是电枢反应的磁作用的强，其二漏抗压降的增大，所以感性负时步电机外特性是降的曲线。对于的性负载，枢反应表现为增磁作用，随着电枢电的增大，电压反而大。图16-12给8出了各种情下的外特曲线。▴机端电压随着负载电流的改变而变,持额定运行时励磁电流

和转速

不变,将发电机的完全卸载发电机端电压将

变化为空载势，电压变化幅度可以电压调整率来表(16-18)△U是发电的性能指之一，按家标准规定应不大于40%。电势方程式▵以，同步发电机的电枢绕组中存在以电势：由励磁磁通生的励磁势；由电枢反应通产生的枢反应电；由电枢绕组磁通产生漏磁电势。由于电枢绕的电阻很，如果忽电阻压降，则每相感应电势总和即发电机的电压，用程式表示(16-7)▵凸电机来说,=+j+j

+=-j-j,其方程式可表为(16-8)▵隐电机来说，

+

=-j，方程式可表示为=+j(16-9)隐极发电机势相量图▵步机理论中，用电势相量图来进行分是十分重和方便的法。在作相量图时，我们认为发电机的端电抗为已知，最终可根据方程求得励磁电势。▵图16.7a隐极电相量图可以下步骤作出：①水平向作出相量

；②据角找出

的方向并作相量；9③

的尾端，加相量j

，它超前于90°④出由

的首端指向j

尾端的相量该相量便

。凸极发电机势相量图▵凸电机来说，需要首先将

分解为

和，然后能根据方式(16-8)作其电相量图。由于

与▵式(16-8)两同时上-(

-)

，即：上式左边的量-j(

显然与

处于同一方，而右边相量

+j

可以很方便求得，①水平位作出相量

，错开角作出

；②

的尾端，加相量j

，它超前于

90°电角度经过

首端和j

尾端的直线确定了③

在正交分解

和；④据方式(16-8)即可出。▵相图很直观地显示了同步电机各个相之间的数关系和相关系，对于分析和计算同步电机的许多问(16-10)而对于隐极机来说，(16-11)以上两式在析同步电问题经常到。10负载后磁势析★

空载时，同电机中只一个以同转速旋转的励磁磁势，它在电绕组中感出三相对交流电势★

当电枢绕组上三相对负载后，枢绕组和负载一起构成闭合通路，路中流过是三相对的交流电绕组时，将形成一个同步速度转的旋转磁势。★

由此可见，载以后同电机内部会产生又一个旋转磁势

--电枢旋转磁势因此，同发电机接上三子磁势

(为机械旋磁势外，又了一个电枢旋转磁势

(称为电气旋转势)。★

参看异步电篇的介绍不难证明两个旋转磁势的转速均为同步速，且转向一，二者在间处于相合成磁势

。★

气隙磁场

可以看成是合成磁势

在电机的气中建立起的磁场。也是以步转速旋转的旋转磁场。势和磁场将生显著变，这一变主要由电枢磁势的出现所致。电枢反应▲电枢磁势存在，将气隙磁场大小和位置发生变化，我们把这一象称为电反应。电反应会对机性▲电枢反应情况决定空间相量

和

之间的夹角而这一夹又和时间量E和之间相位差相11时空相量图如图16.4所示的瞬，A相绕组感应电势

达到最大值此时如果，即A相电流

和

同相位，则

亦达到最大。▲由异步电篇的介绍知磁势三相合成势)线重合。

的轴线在此间将和A相线圈轴▲一般况下，(时间相量滞后或超于

(时间量电角度时，

(空间相量的轴线位置也后或超前A相绕的轴线度。即

和

在时间上的位差等于

的轴线和A相绕轴线的空间角度差。▲以上结论然是在一特殊的瞬(极轴线和相组轴线正交时)得出，由于

和同速同步旋，故在负一定的情下，

和

的空间相位等于90+电角度。▲为了分析便，人们将时间相

,

,

,U和空相量

,

,

画一起构成谓的时空相图图16.4)。在时空相量图中

和Ff(处于磁轴线方向，称为直轴，d表示)重合，

滞后于

90°电角度(处于相一对磁极的性线位置称为交轴用q表示，和

之间的相位负载性质定，

和

重合。利用空相量图(图16.5)，可以方便地分析不负载情况同步发电电枢反应的情况。或者度此时

与

之间的夹角此时和之间的夹角为90度或270度，即二者正，转子

为180度，即二者反，转

此时

与

之磁势作用在轴上，而枢磁势作在交轴上，电枢反应的结果使得合成磁势轴线位置生一定的移，幅值发生一定的变化。这种作用在交上的电枢应称为交电枢反应，简称交磁作用。

子磁势和电磁势一同用轴上方向相同，在直轴上方向相反电枢反直轴增磁电反应应为纯去磁用成磁的幅值减小一电枢反称为直轴去磁电反应

。12同步电抗和枢反应电当三相对称枢电流流电枢绕组，将产生旋转的电枢磁势

，

将在电机内产生跨过隙的电枢应磁通

和不通过气的漏磁通

，

和

将分别在电各相绕组感应出电反应电势

和漏磁电势。

与电枢电流

的大小成正不计饱)，比例常称

为电枢反应抗。考虑相位关系，每相电枢反应电势为电枢反应电的大小和枢反应磁

（16-3)所经过磁路磁阻成反磁阻与电枢磁势

轴线的位置关于凸极电机而，当

和

重合时，

经过直轴气和铁心而合（这条路称为直轴磁路），如图16.6a所示。此时由直轴磁路的气隙较，磁阻较小，所以电枢反应电抗就大。当

和

正交时，即

和磁极的轴线垂直时

经过交轴气和铁心而合（这条路称为交轴磁路），如图16.6b所示。此时由交轴磁路的气隙较长阻较大以电枢应电抗就较小般况下，

和

之间的夹角负载的性决定90+，的流通路径于直轴磁和交轴磁之间，电枢反应电抗的大小也就介最大和最之间。由于

和

之间的夹角受于内功率数角(即负载的质)，不同负时，

和

之间的夹角同，对应

也就不同，给分析问题来了诸多便为了解决一问题人们用了正交分解法和叠加理将

看成是其直分量和交轴分量

的叠加，并为

单独激励直电枢反应通

，其流通路为直轴磁，对应有个固定的直轴电枢反电抗,在定子相绕组中产生直轴电枢反应电势；单独激交轴电枢应磁通，其流通路径交轴磁路对应有一固定的交轴电枢反应电抗

，并在电枢相绕组中生交轴电反应电势。电枢绕组的电枢反电势

可以写为(16-4)考虑到漏磁

引起的漏抗势=-j

(

为电枢绕组漏电抗)，电枢组中由电枢流引起的总的感应电为13(16-5)其中=+

定义为直轴步电抗，

=Xaq+

定义为交轴步电抗。对于隐极电机来说由于电枢为圆体，忽略子齿槽分所引起的气隙些微不均匀后，可以为隐极电直轴磁路交轴磁路磁阻相等，直轴和轴电枢反电抗相等即==，结合=+，代入式(16-5)可得(16-6)式中,

定义为隐极机的同步抗。由定可知，同电抗包括部分：电绕组的漏电抗和电枢反应电抗。在实用，常将二作为一个体参数来处理，这样便于分析和测。当原动机带发电机在步转速下行,励绕组通过当的励磁流,电枢绕不带任何载时的运情况，称为空载运行。载运行是步发电机简单的运行方式，其气隙磁场由转磁势单独立，分析为简单。14空载气隙磁▴凸发电机来说，由于定转子间的气隙整个电枢周分布不匀，极面下气隙较小，而极间气隙较大，极面下的磁较小，而间磁阻很，而且在同一个极面下，在一个极范围内气径向磁通度的分布似于平顶的帽形。靴以外的隙磁通密减少很快，相邻两极中线上的磁通度为零。隙磁密可用付立叶波分析的方法分解空间基波一系列谐图16.1a画出基波波形通将极靴的弧半径做小于定子内圆半径，而且两弧的圆心重合(称为偏心隙)，从而形极弧中心处气隙最小沿极弧中线两侧方气隙逐渐增大，这样以使得气磁通密度分布较接近正弦波形。▴电的励磁绕组嵌埋于转子槽内转子周气隙可为是均匀磁磁势空间的分布为一个阶梯形，受齿槽的影,气隙磁密现出波动变。用谐波析法可求其基波分，如图16.1(b)所示。合地选择大齿的宽度可以气隙磁密分布接近弦波。在本书以后的分析中，如无殊说明，考虑磁通度的基波量。▴电的波形和大小与气隙磁密的分布形及幅值大紧密相关设计和造电机时采取适当的施，以获得尽可接近正弦布的气隙密，从而得到品质较高的感应电势在本课程后的分析，我们仅虑感应电势的基波量。空载特性▴载行时,励磁电势随磁电流变化关系称同步发电的空载特磁电势大小(效值)与子每极磁通正比而励磁流的大又和作用于同步电机磁路上的励磁势正比例变化以空载性与电机磁路的磁化曲具有类似变化规律如图16.2所示。▴可，当励磁电流较小时，由于磁通较，电机磁没有饱和空载特性呈直线（将其延长后的射线称为气隙线）。着励磁电的增大，路逐渐饱和，磁化曲线开始进入饱段。为了理地利用料，空载定电压一般设计在载特性的曲处，如中的c。▴特可以通过计算或试验得到试验测的方法与流发电机似同电机的空载特性也常用标么值表示，空载电以额定电为基值，时的励磁电(为额定励磁电流)励磁电流基值。用么值表示的空载特性具有典性，不论机容量的小，电压的高低，其空载特性彼此常接近。▴特在同步发电机理论中有着重要作用①设计的电机的空载特性与表16-1中数据相比较如果两者接近，明电机设合理，反，则说明该电机的磁路过于饱和或材料没有分利用。空载特性合短路特性在后面绍)可以求同步电机参数发厂通过测取空载特性来断三相绕的对称性及励磁系统的故障。额定值同步电机的定值有：☆额定容量(VA,kVA,MVA等或额定功PN(W,kW,MW等：指电机出功率的证值。发机通过额定容量值可确定电枢流，通过定功率可以确定配套原动机的容量电动机的定容量一用kW数示，补机则用表。☆额定电压☆额定电流

(V,kV)：指定运行时子输出端线电压。(A)：指定运行定子的线流。☆额定功率数

：额定运行电机的功因数。15☆额定频率

：额定运行电机电枢出端电能频率，我国标准工业频率规定为50Hz。☆额定转速

：额定运行电机的转即同步速。

除上述额定外，同步机名牌上常列出一些其它的运行数，例如额负载时的升

、励磁容量

和励磁电压

等。凸极式转子凸极式转子有明显凸的成对磁和励磁线圈，如图所示当磁线圈中过直流励电流后，个磁极就出现一的极性，邻磁极交为N极和极。对水轮发电机来说由于水轮的转速较，要发出工频电能，发电机极数就比多，做成极式结构工艺上较为简单。另外，小型同步机多半也成凸极式水轮发电机水轮发电机特点是：数多，直大，轴向长度短，整个转子在外形与汽轮发机大不相。大多数轮发电机为立式水轮发电的直径很，定子铁心由扇形电工钢片拼装叠。为了散的需要，子铁心中有径向通风沟。转磁极由厚为1～2mm的钢片叠；磁极两有磁极压，用来压紧磁极冲片和固定磁极绕。有些发电机磁极的靴上开有些槽，槽放上铜条，并用端环将所有铜条连一起构成尼绕组，作用是用拟制短路电流和减电机振荡在电动机作为起动绕组用。磁极与磁极轭部用T形或尾形连接如图15.4所示。隐极式转子隐极式转子没有凸出磁极，如15.2b示。着转子本体圆周表面上开有许多，这些槽嵌放着励磁绕组。在转表面约1/3部分没开槽，构所谓大齿是磁极的心区。励磁绕组通入励磁电流后，转子圆周也会出现极和S极。在大量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高最大可达170米秒。为了小转子本体及转子的各部件承受的巨离心力，大型汽轮发电机都做成细的隐极式柱体转子考虑到转冷却和强度方面的求，隐极转子的结和加工工艺较为复杂。16汽轮发电机定子大体上异步电机同，定子心由0.35mm,0.5mm或它厚度的工钢片叠成。定子外径较小时，采圆形冲片，当定外径大于1m时采用扇形冲片。定子铁心固定在机座上，机座由钢板焊而成，它须有足够的强度和刚度同时还必满足通风散热的需要。汽轮发电机的电压较，要求定绕组有足的绝缘强，一般采用B级或F级绝缘为了减少速旋转引起的离心力一般用隐极式转其形常做成个细长的圆柱体。转子铁心表圆周上铣许多槽，磁绕组嵌放在这些槽内。磁绕组同心式绕，以铜线制，并用导磁的槽楔将绕组固在槽内励磁方式简获得励磁电的方法称励磁方式目前采用的励磁方式分为两大类：类是用直发电机作励磁电源直流励磁机励磁统；另一是用硅整装置将交流转化成直流后供给励磁整流器励系统。现明如下：1直流励磁机磁直流励磁机通常同步发电机同轴，采用并励或者他接法。采他励接法，励磁机励磁电流由另台被称为励磁机的轴的直流发电机供给。如图所示。2静止整流器磁同一轴上有三台流发电机，即主发电机、交流主励机和交流励磁机。励磁机的磁电流开始时外部直流源提供，电压建立起来后再转为自励(有时采用磁发电机)。副磁机的输出流经过静止晶闸管流器整流供给主励机，而主励磁机的交流输出电流经静止的三桥式硅整器整流后给主发电机的励磁组。(见图15.6）3旋转整流器磁静止整流器的直输出必须经过电刷和集电环才能输到旋转的磁绕组，于大容量同步发电机，励磁电流到数千安，使得集电环严重过热。因此，在容量的同发电机中常采用不要电刷和集电环的转整流器磁系统，图15.7示。励磁机是旋转电枢式三同步发电，旋转