同步发电机的主要性能特点

1.同步发电机的空载特性

同步发电机的转子励磁绕组通入直流励磁电流I_f后，在发电机气隙内便产生一个磁场。当原动机拖动转子以同步转速n₁旋转时，这个磁场也就以同步转速旋转。我们称它为转子旋转磁场。嵌放在定子上的三相对称电枢绕组与转子旋转磁场互相切割后，则产生三相对称的交流电动势、和转子旋转磁场在空间为正弦分布，每相电动势为正弦规律变化。和异步电动机类似，每相定子电动势的大小为

E₀=4.44fNK_N1Φ_f=KΦ_f（7-5）

式中 ——相电动势的频率；

Φ_f——转子每极磁通；

K=4.44fK_N，N——由同步电机的结构及转速所确定的常数。

同步发电机在不外接负载时，称为空载状态。此时气隙内仅转子旋转磁场，Φ_f又称空载磁通。电枢产生的电动势E₀也称为空载电动势。如果改变励磁电流I_f，考虑到发电机铁心的磁化特性，Φ_f随I_f按磁化规律变化。所以定子空载电动势E₀=f（I_f）也将相似于磁化曲线的规律变化。空载时的同步发电机，输出端相电压U₀等于E₀，故空载相电压U₀=f（I_f）也按E₀=f（I_f）规律变化。我们将U₀=f（I_f）称为同步发电机空载特性。曲线如图7-4所示。

从空载特性曲线中可以看出，同步发电机在原动机的带动下，当其转速一定后，其输出空载端电压要取决于励磁电流I_f。考虑到发电机铁心材料的磁化特点，实际发电机的输出额定电压U_N及其相应的励磁电流值均选在曲线的弯曲处，我们称此处的励磁电流I_f0为正常值。

图7-4 同步发电机的空载特性

2.同步发电机的电枢反应及其外特性

当发电机带有负载运行时，定子三相电枢绕组就有三相对称的负载电流输出。这将在发电机气隙内又产生一个旋转磁场，并以同步转速旋转。我们称它为定子旋转磁场——电枢磁场。这两个磁场以相同的转速，相同的转向旋转着，彼此没有相对运动。此时，转子磁场和定子电枢磁场之间构成了负载气隙的合成磁场。定子电枢磁场在气隙中将使气隙磁场的大小及位置均发生变化，这种影响称为电枢反应。

由于转子每极磁通Φ_f在定子绕组中感应的电动势E₀落后于，而电枢产生的每极磁通与之间的相对位置归结为研究E₀与I间的相位角。电枢反应的性质及后果主要取决与E₀与I之间的夹角和I的大小，即主要取决与同步发电机所带负载的性质和大小。

当同步发电机所带的负载是纯电阻性质的，其定子绕组输出的是有功电流。此时E₀和I之间夹角为零，即同相位。那么，发电机内定子产生的电枢磁通比转子每极磁通在空间始终滞后90°，如图7-5所示。这使得气隙合成磁通也就滞后于转子每极磁通一个角度δ₀同时，气隙合成磁通的大小也有一定的变化。实践表明，发电机输出的有功电流越大，δ角就越大，故称δ角为发电机的功率角。当δ=90°时，发电机输出的有功电流及功率为最大值。而δ角不允许超过90°。否则，转子磁场和气隙合成磁场不会同步旋转，这种情况叫电机的失步故障。同步发电机运行中不能让失步情况出现。(www.xing528.com)

图7-5 发电机输出有功电流时的电枢反应

当同步电机的定子绕组输出滞后性的电感电流时（即电机带电感性负载），定子产生的电枢磁通和转子磁通恰好方向相反，也就是它们在空间的相位差正好是180°。这种情况使气隙合成磁场减弱，每极气隙合成磁通减小。这种电枢反应是属去磁性质的。其结果使发电机产生的电动势及输出的端电压因气隙磁场减弱而下降。而且，随发电机输出电流的增大，端电压下降越严重。

当同步发电机的定子绕组输出超前性的电容电流时（即电机带电容性负载），定子产生的电枢磁通和转子磁通恰好方向相同，也就是它们在空间是同相位。这种情况使气隙合成磁场增强，磁通增大。这种电枢反应属于增磁性质的。其结果使发电机的输出端电压升高。

以上即是同步发电机带负载运行时，发电机内电枢反应的各种影响。

在同步发电机的转速为同步转速，转子励磁电流及定子所带负载的性质（即负载的功率因数）不变的情况下，它的输出电压与输出负载电流的变化关系U=f（I）称为同步发电机的外特性，如图7-6a所示。

图7-6 同步发电机的外特性及电压调整率

a）外特性曲线 b）由外特性求ΔU

当发电机所带负载为电感性或电阻性的时候，cosφ≥0，由于电枢反应的去磁作用及定子绕组的电阻和漏磁电抗所引起压降，发电机输出的端电压随负载电流的增大而下降，如图中曲线1（电感性）和2（电阻性）所示。而当电机所带的负载是电容性的时候，cosφ<0，电枢反应的增磁作用是主要的。因而发电机输出的端电压随负载电流的增大而上升，如图中曲线3（电容性）所示。

为了反映同步发电机的端电压随负载电流变化情况，实际中又用同步发电机的电压调整率来表征。在额定条件下，同步发电机的空载电动势E₀和额定输出电压的差与额定电压的比值称为电压调整率，用ΔU表示。

发电机带电感性负载时，ΔU为正值；当带电电容性负载时，ΔU为负值。ΔU是同步发电机的一个重要技术指标。一般发电机要求ΔU在18%～48%以内。如果发电机的电压调整率过高，当发电机卸去电感性负载后，或带上电容性负载时，会因电压过高使绕组绝缘击穿。