同步电机的基本理论和运行特性

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。

同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性有（空载特性、短路特性、负载特性）合称电机基本特性、（外特性和调整特性）主要是运行特性等五种。

外特性和调整特性是主要的运行特性，根据这些特性，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。

空载特性、短路特性和负载特性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一、发电机的空载特性（Eo与IL关系）所谓发电机空载运行是指发电机以额定转速运转，定子不带负荷时的运行。

此时，空载电势Eo与励磁电流IL之间的关系叫做空载特性。

当发电机处于空载运行状态，其端电压U就等于电势Eo,因此，端电压U与励磁电流的关系曲线就是空载特性。

如图所示空载特性曲线E0=f(I),做空载特性试验时，应维持发电机转速不变，逐渐增加励磁电流，直至端电压等于额定电压的130%时为止。

在增加励磁电流的过程中，读取励磁电流值及与其对应的端电压值，便可以得到空载特性的上升分支。

接着减小励磁电流，按上面方法读取数值；便得到下降分支，如图2-1-2（a）所示。

由于两曲线的平均，如图中虚线所示。

空载特性曲线是发电机的一条最基本的特曲线。

可用来求发电机的电压变化率、不饱和的同步电抗值等参数。

二、发电机的短路特性（定子绕组的稳态电流I与励磁电流Ii的关系曲线）所谓发电机的短路特性，系指发电机在额定转速下，定子绕组短路时，定子绕组的稳态电流I与励磁电流Ii的关系曲线。

如图2-1-3所示。

短路试验测得的短路特性曲线，不但可以用来求取同步发电机的重要参数饱和的同步电抗与短路比外，在发电厂中，常用它来判断励磁绕组有无匝间短路等故障。

显然，励磁绕组存在匝间短路时，因安匝数的减少，短路特性曲线是会降低的。

三、发电机的外特性（负荷与端电压）所谓发电机的外特性，就是指励磁电流、转速、功率因数为常数的条件下，变更定子负荷电流时，端电压U的变化曲线，即U=f(I)曲线。

在滞后的功率因数情况下cos(θ),当定子电流增加时，电压降落较大，就是由于此时电枢反应是去磁的。

同步电机的三种运行状态及特点
同步电机是一种电动机，具有与交流电源同步运行的特性。

同步电机的运行状态可以分为三种：同步运行状态、失步运行状态和过励磁运行状态。

同步运行状态是指电机的转速与交流电源的频率相等，这时电机的转速和电源频率之间的比值就是同步速度。

同步电机运行时转矩稳定，性能稳定可靠，但是启动时需要外部助力。

失步运行状态是指电机的转速低于同步速度，这时电机的转矩会减小，性能不稳定。

失步运行常常发生在电机负载过重或者启动阻力较大的情况下。

过励磁运行状态是指电机的励磁电流超过额定值，会导致电机过热甚至烧毁。

过励磁运行常常发生在电机负载突然减小或者电源电压波动较大的情况下。

综上所述，同步电机的三种运行状态各具特点，需要根据不同的使用情况进行选择和控制，以保证电机的正常工作和安全运行。

- 1 -。

《同步电机的基本理论和运行特性》练习题一、填空题1.在同步电机中，只有存在电枢反应才能实现机电能量转换。

2.同步电机的功角δ有双重含义，在时间上是指和之间的夹角；空间上是指和之间的夹角。

3.凸极同步电机转子励磁匝数增加，则x q 和x d 将；凸极同步电机气隙增加，则xq和x d 将。

（增大、不变、减小）二、选择题1.同步发电机的额定功率指（）。

A 转轴上输入的机械功率；B 转轴上输出的机械功率；C 电枢端口输入的电功率；D 电枢端口输出的电功率。

2.同步发电机稳态运行时，若所带负载为感性cosθ= 0.8 ，则其电枢反应的性质为（）。

A 交轴电枢反应；B 直轴去磁电枢反应；C 直轴去磁与交轴电枢反应；D 直轴增磁与交轴电枢反应。

3.同步发电机稳定短路电流不很大的原因是（）。

A 漏阻抗较大；B 短路电流产生去磁作用较强；C 电枢反应产生增磁作用；D 同步电抗较大。

4.对称负载运行时，凸极同步发电机阻抗大小顺序排列为（）。

A xσ >x ad >x d >x aq >x q ；BC x q >x aq >x d >x ad >xσ；D xad>xd>xaq>xq>xσ；xd>xad>xq>xaq>xσ。

5.同步补偿机的作用是（）。

A 补偿电网电力不足；B 改善电网功率因数；C 作为用户的备用电源；D 作为同步发电机的励磁电源。

三、判断题1. 负载运行的凸极同步发电机，励磁绕组突然断线，则电磁功率为零。

（）2. 同步发电机的功率因数总是滞后的。

（）3. 同步发电机电枢反应的性质取决于负载的性质。

（）4. 同步发电机的短路特性曲线与其空载特性曲线相似。

（）5. 同步发电机的稳态短路电流很大。

（）6. 利用空载特性和短路特性可以测定同步发电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗。

（）7. 凸极同步电机中直轴电枢反应电抗大于交轴电枢反应电抗。

同步发电机的运行特性同步发电机对称稳态运行时，保持转速为额定转速，端电压、电枢电流和励磁电流的变化关系。

一、空载特性1. 定义电枢绕组开路(空载)，保持转子转速为额定转速，电枢端电压U0(空载时即激磁电动势E0)随励磁电流If的变化曲线。

.2. 空载特性曲线见图6-113. 原因：交流绕组电动势公式。

4. 作用：判断同步发电机定子铁心的性能与故障。

二、短路特性1.定义：电枢绕组三相短接(短路，端电压U=0)，保持转子转速为额定转速，电枢电流I随励磁电流If的变化曲线。

2.短路特性曲线：见图6-243.原因：忽略电枢绕组的电阻Ra ，可认为短路电流为纯感性，即，则即此时，电枢反应的性质为直轴去磁的电枢反应，使气隙磁场不饱和，即。

所以，。

4.作用：配合空载特性求xd见图6-25，求xd 不饱和值，见图6-26，求xd 的饱和值，三、外特性及电压变化率1.定义保持转子转速为额定转速，且励磁电流 If 和负载功率因数cosφ不变，发电机端电压U随负载电流I的变化曲线，即U=f (I ) 。

2.外特性曲线见图6-30，负载功率因数不同，外特性曲线不同3.原因感性负载(cosφ =0.8滞后)和纯电阻负载时，外特性曲线是下降的。

这是由于电枢反应去磁作用和漏阻抗压降所引起的。

容性负载(cosφ=0.8超前)时，外特性曲线可能上升。

这是由于电枢反应助磁作用抵消漏阻抗压降使端电压下降的影响使端电压上升。

4.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，此时的励磁电流为额定励磁电流IfN。

保持励磁电流为IfN，转子转速为额定转速，卸去负载(即I=0)，此时端电压的升高的百分值即为电压调整率，用Δu表示，即Δu= 100%同步电机的电压调整率较大，汽轮发电机通常在(30~48)%，水轮发电机通常在(18~30)%;而变压器的仅有(5~8)%。

四、整特性1.定义保持转子转速为额定转速，发电机端电压为额定电压和负载功率因数cosφ不变，励磁电流If随负载电流I的变化曲线，即If = f(I)。