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1同步发电机

1.1同步发电机工作原理

       同步发电机定子铁芯的内圆均匀分布着定子槽，槽内按一定规律嵌放着对称的三相绕组U1-U2、V1-V2、W1-W2，如图1所示。

图1 同步发电机的结构原理图

工作原理：

       转子铁芯上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组。励磁绕组上通直流电时，会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场。

       当原动机拖动转子以恒定速度旋转时，励磁磁场随转轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组。定子电枢绕组中将会感应出大小和方向周期性变化的三相对称正弦感应电动势。各相电动势大小相等，相位各差120°。

1.2同步发电机的数学模型

       凸极同步发电机可以等效成一个内电势是EQ，内阻为（Ra+jXq）的交流电源，因此可得图2所示凸极同步发电机的等效电路。

图2 凸极同步发电机等效电路

       由凸极同步发电机等效电路可得，电枢铜耗PCua为：

       电机的输出电功率P2的表达式为：

其中，m为定子相数；U为定子绕组（发电机）端电压；Ia为电枢电流；Ra为电枢绕组电阻；φ为负载功率因数角[1]。

1.3同步发电机功率方程

       同步发电机的输入功率是原动机的机械功率P1，机械功率P1减去空载损耗p0（空载损耗机械摩擦和风阻引起的机械损耗pΩ，定子铁芯中的涡流和磁滞损耗pFe，以及杂散损耗p∆三部分组成，即p0=pΩ+pFe+p∆），得到定、转子磁场相互作用转换为电能的功率，即电磁功率Pe：

       电磁功率Pe中再减去电枢铜耗PCua可得发电机输出的电功率P2：

       同步发电机功率流程图如图3所示[1]。

图3 同步发电机功率流程图

1.4同步发电机的电磁功率与功角特性

       气隙内的合成磁场由主极磁动势和电枢磁动势共同作用产生。同步发电机空载运行时，电枢电流为0，无电枢磁动势，主极磁动势就是合成磁动势。同步发电机负载运行时，随着电枢磁动势的产生，使气隙中的磁动势从空载时的主极磁动势变为负载时的合成磁动势。电枢磁动势使气隙中的磁场大小和位置发生变化，这种现象称为电枢反应。同步发电机产生电枢反应时，空载电动势E0和电枢电流Ia之间的夹角为Ψ0，则此时dq轴的电流分别为：

图4 Ia滞后于E0Ψ0相位时相量-矢量图

       由凸极同步发电机等效电路，可得内功率因数角的表达式：

其中，Ψ0为内功率因数角，为空载电动势E0和电枢电流Ia之间的夹角（E0超前时为正），感性负载Ψ0为正，容性负载Ψ0为负；U为定子绕组（发电机）端电压；φ为负载功率因数角；Ia为电枢电流；Xq为交（q）轴同步电抗，凸极d轴和q轴同步电抗不同。

       由dq轴的电流分量和内功率因数角可得图5所示相量图。

图5 凸极同步发单机相量图

       由于电枢绕组电阻很小，可忽略不计，即电枢铜耗PCua可忽略不计，则电磁功率Pe近似等于输出功率P2，用由等效电路得到的输出功率表达式表示即为：

       由图5所示的相量图可知φ=Ψ0-d，故有：

       由图5可得：

       将直轴电流Id和交轴电流Iq的表达式代入电磁功率Pe的表达式可得：

       第一项为基本电磁功率，第二项为附加电磁功率，基本电磁功率远大于附加电磁功率。隐极式只有第一项，凸极式两项都有。

       由电磁功率Pe的表达式可知，当励磁电动势E0和端电压U保持不变时，电磁功率Pe的大小取决于功角d[1]。

1.5同步发电机并联运行时的功率调节

1.5.1有功功率的调节

       根据能量守恒原理，要调节发电机输出的有功功率就必须改变原动机的输入功率。对水轮发电机可以调节水轮机的水门以改变输入的进水量，对汽轮发电机可以调节汽轮机的汽门来改变输入的蒸汽量。输入能量的变化将使发电机的输入转矩(驱动转矩)T1发生相应的变化，并进一步使输出有功功率发生变化。

（1）有功调频用户侧用电量增加，发电机提供频率支撑

       当用户侧用电量增加时负载端的电压和电流需求都会增加，由于电力系统的电压通常保持稳定（在允许的波动范围内），因此电流的增加成为满足负载需求的主要方式。发电机为了维持输出电压的稳定，并满足负载增加的电流需求，会自动增加其输出电流。因此发电机内部的电磁场会增强，以产生更大的感应电动势。电磁场的增强会导致转子在磁场中受到的电磁力增大，使转子上的扭矩增大，这会导致原动机（如水轮机）的转矩增大，进而使发电机的转速降低，而同步电机的转速为：

       因此，同步电机转速减小后，其频率也会减小。