同步发电机工作原理

电能主要是在图13-122所示的同步发电机中产生的。同步发电机是交流发电机，在发电厂中，因励磁能量经过集电环输送给显极转子，相对于在定子绕组里产生的能量少，所以首先采用隐极式发电机。

（1）结构 转子带有经集电环供给直流电流的励磁绕组。由于转子磁场不发生变化，所以大都是由实心的叠式的钢制成。如图13-123a所示，对于低转数的转子有凸出的磁极，所以把这种转子称为显极转子。对于高转数的转子，则多半仅为两极并采用图13-123b所示的隐极转子。

励磁电流即可从电网经过整流器引入，也可以由图13-124所示的与同步发电机同轴联结的并励发电机产生。对此，永磁的辅助发电机激励一个交流的主励磁极，其能量经过整流并直接输送到发电机励磁绕组的转子轴上。

图13-122 同步发电机（6极）

图13-123 同步发电机转子类型

a）显极转子 b）隐极转子（涡轮发电机转子）

图13-124 自激用励磁机组

定子是由硅钢片叠压而成，并在其槽中嵌有三相交流绕组，并与转子有相同极数。

（2）工作原理与运行特性 同步发电机的转子由原动机驱动。励磁绕组中的直流电流对转子产生一个恒定磁场。旋转转子便为定子提供一个旋转磁场，于是在三相定子绕组中感应出相位差为120°的三相交流电动势，可以从定子中取出交流电流。

发电机所感应出的电压的高低与励磁电流及转速有关。由于频率大都是规定的，如图13-125a所示，所以其电压只取决于显极转子的转速。如图13-125b所示，电压是通过励磁电流进行调整的。当磁极铁心饱和时，空载特性曲线平缓；当励磁电流为零时，由于转子铁心有剩磁，所以产生一个感应电压。在高电压发电机中，这一电压可能超过100V。

同步发电机产生的电压随转子转速及励磁电流的增加而提高，其频率取决于转子转速。

图13-125 同步发电机的特性曲线

同步发电机带负载后，定子绕组中便有电流流过，此电流在定子绕组中由于自感而产生一个电压降。如图13-126所示，从绕组的有效电阻可看出，一个带负载的同步发电机与同一个与负载无关的发电机，只是串联了一个感应线圈。

（3）同步发电机的并联运行 当发电机的电压瞬时值与电网相同时，则同步发电机可以与其他同步发电机或电网并联。(www.xing528.com)

图13-126 同步发电机简化等效图

发电机并联运行的先决条件是同相序、同频率及同电压有效值。

发电机的相序通常是在安装发电机时，根据发电机规定的方向来确定，从而保证了相同的相序。其余条件，是用并联的同步装置来检验。电压相同性和频率相同性由电压表和频率计来指示。相同性可由3个白炽灯来确定。在发电厂中，同步发电机并联有自动同步装置。

被驱动的越强，则同步发电机输送给电网的功率就越多。稳定电网，即具有恒定频率的电网，显极转子在大负载时保持其超前旋转磁场的较大转子起动时的转速，如图13-127所示。

发电机发出的有效功率随着其机械驱动功率的增加而提高。

同步发电机把其励磁电流增加到超过用于空载运行所需要的值时，电压U₀便提高。由于电压U₀与U_bL的差必须等于电网电压U，所以电压U_bL也要随之变化。由于电流I与U_bL有一个90°的相位差，所以也要变化其位置。目前所产生的电流如图13-128所示是滞后电压U的。发电机产生的感应无功功率在电网中的作用如同一个电容器。

图13-127 同步发电机的转子起动角

图13-128 同步发电机的矢量图

a）正常激励 b）过激励

为减少同步发电机的励磁，则降低电压U₀。随着U_bL的改变，电流I又处在超前电压U的位置。为此，如图13-129所示，发电机向电网提供一个电感无功功率。在励磁后U₀与网电压U之间所出现的相位差与显极的转子起动角U相符。

同步发电机过励磁运行时，是用感性用电器来补偿电网中无功功率的需求。

因此，供电企业是通过励磁使发电机的运行与电网的需要量相匹配。同步发电机也可以作为无功功率发电机来使用。

图13-129 同步发电机的控制特性曲线