《電機原理與維修》課件第8章

第8章同步發(fā)電機的運行原理及運行特性8.1同步發(fā)電機的空載運行8.2對稱負載時的電樞反應(yīng)8.3同步發(fā)電機的電動勢方程式和相量圖8.4同步發(fā)電機的運行特性8.5同步發(fā)電機的損耗和效率習(xí)題

8.1同步發(fā)電機的空載運行用原動機拖動同步發(fā)電機到同步轉(zhuǎn)速，勵磁繞組通入直流勵磁電流，電樞繞組開路(或電樞電流為零)的運行狀態(tài)，稱為同步發(fā)電機的空載運行?？蛰d運行時，同步發(fā)電機內(nèi)僅有由勵磁電流所建立的主極磁場。圖8-1表示一臺四極發(fā)電機空載時的磁通示意圖。從圖可見，主極磁通分成主磁通和主極漏磁通兩部分，前者通過氣隙并與定子繞組相交鏈,后者不通過氣隙，僅與勵磁繞組相交鏈。主磁通所經(jīng)過的主磁路包括空氣隙、電樞齒、電樞軛、磁極極身和轉(zhuǎn)子軛等五部分。圖8-1發(fā)電機空載時的磁通示意圖定子三相繞組切割主磁通而感應(yīng)出頻率為f的一組對稱三相交流電動勢，其基波分量的有效值為E0=4.44fN1kw1Φ0

(8-1)式中:N1為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；Φ0為每極基波磁通，單位為Wb；kw1為基波電動勢的繞組因數(shù)；E0為電動勢的基波分量有效值，單位為V。這樣，改變轉(zhuǎn)子的勵磁電流If，就可以相應(yīng)地改變主磁通和空載電動勢E0。曲線E0=f(If)稱為發(fā)電機的空載特性,如圖8-2的曲線1所示。圖8-2同步發(fā)電機的空載特性曲線由于E0∝Φ0，If∝Ff，因此改變坐標(biāo)后空載特性曲線也就可以表示為發(fā)電機的磁化曲線=f(Ff)。這就說明了兩個特性曲線具有本質(zhì)上的內(nèi)在聯(lián)系，任何一臺發(fā)電機的空載特性曲線實際上也反映了它的磁化曲線。當(dāng)主磁通較小時，磁路處于不飽和狀態(tài)，此時鐵芯部分所消耗的磁壓降與氣隙所需磁壓降相比較，可略去不計，因此可認為絕大部分磁動勢消耗于氣隙中，由于Φ∝Ff，因此空載曲線(磁化曲線)下部是一條直線。把它延長后所得直線(圖8-2曲線2)稱為氣隙線。隨著Φ0的增大，鐵芯逐漸飽和，它所消耗的磁壓降不可忽略，此時空載曲線就逐漸變彎曲。為了充分利用材料，在設(shè)計發(fā)電機時，通常把發(fā)電機的額定電壓點設(shè)計在磁化曲線的彎曲處，如圖8-2曲線1上的a點，此時的磁動勢稱為額定空載磁動勢Ff0。線段表示消耗在鐵芯部分的磁動勢。線段表示消耗在氣隙部分的磁動勢Fs0。Ff0與Fs0的比值反映了發(fā)電機磁路的飽和程度，用Kμ表示，稱為飽和系數(shù)。通常，同步發(fā)電機的飽和系數(shù)Kμ值約為1.1～1.25左右。8.2對稱負載時的電樞反應(yīng)8.2.1電樞反應(yīng)的概念同步發(fā)電機有負載時，除了勵磁磁動勢外，由于定子繞組中有電流流過，因此定子繞組將在氣隙中產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁動勢——電樞磁動勢，所以，有負載時在同步發(fā)電機的氣隙中同時作用著兩個磁動勢，這兩個磁動勢以相同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)著，彼此沒有相對運動。此時主極的勵磁磁動勢與電樞磁動勢相互作用形成負載時氣隙中的合成磁動勢并建立負載時的氣隙磁場。這時盡管勵磁電流未變，但氣隙磁場已不同于原來的勵磁磁場，此時感應(yīng)電動勢已不再是E0了。

由分析可知對于感性負載，此電動勢將明顯低于E0，再計入電樞繞組中的電阻和漏電抗壓降后，就使發(fā)電機端電壓U更加低于E0。這里應(yīng)強調(diào)指出，對稱負載時U低于E0的兩個影響因素中起決定作用的是電樞磁動勢的影響。電樞磁動勢的基波在氣隙中所產(chǎn)生的磁場就稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)的性質(zhì)(增磁、去磁或交磁)取決于電樞磁動勢基波與勵磁磁動勢基波的空間相對位置。8.2.2不同內(nèi)功率因數(shù)角時的電樞反應(yīng)由于主磁通與勵磁磁動勢Ff同相，主磁通在定子繞組中感應(yīng)的電動勢滯后于90°，而電樞磁動勢Fa與負載電流同相，所以研究Ff與Fa間的空間相對位置可以歸結(jié)為研究與間的相位差(稱為內(nèi)功率因數(shù)角)。電樞反應(yīng)的性質(zhì)主要取決于與之間的相位差，亦即主要取決于負載的性質(zhì)。下面就角的幾種情況，分別討論電樞反應(yīng)的性質(zhì)。

1.和同相(ψ＝0°)時的電樞反應(yīng)當(dāng)ψ=0°時，見圖8-3，其中圖(a)是一臺同步發(fā)電機原理圖。圖中所示瞬間，A相繞組的軸線與主磁極的交軸(q軸)重合，此時A相繞組導(dǎo)體切割主磁通最多，故A相繞組勵磁電動勢為最大值，其方向按右手定則確定。因為ψ=0°，所以此瞬間A相繞組中的電流也達到最大值。這時三相勵磁電動勢和電樞電流的相量關(guān)系如圖(b)所示。由交流旋轉(zhuǎn)磁場原理可知，定子三相合成磁動勢的幅值總是位于電流為最大值的一相繞組軸線上，可見電樞磁動勢Fa滯后勵磁磁動勢Ff90°。這種電樞磁動勢稱為交軸電樞磁動勢，用Faq表示，相應(yīng)的電樞反應(yīng)稱為交軸電樞反應(yīng),由圖(c)可見。對主磁場而言，交軸電樞反應(yīng)在前極尖將起去磁作用，在后極尖則起增磁作用。對于氣隙磁場交軸電樞反應(yīng)將使合成磁場的軸線位置從空載時的直軸處逆轉(zhuǎn)向后移了一個銳角δ，且幅值也有所增加，但因磁路的飽和現(xiàn)象，交軸電樞反應(yīng)有去磁作用。圖8-3ψ=0°時的電樞反應(yīng)

2.滯后90°(ψ=90°)時的電樞反應(yīng)當(dāng)ψ=90°時，定子各相電流的分布如圖8-4(a)、(b)所示。此時A相勵磁電動勢雖為最大值,但電樞電流卻為零。要滯后90°，A相電流方達到最大值。此時轉(zhuǎn)子的相對位置將如圖(c)、(d)所示，也就是說A相電流達到最大值時，轉(zhuǎn)子已向前轉(zhuǎn)過90°，電樞磁動勢的幅值恰好位于勵磁磁動勢的軸線上，但方向相反。此時的電樞磁動勢稱為直軸電樞磁動勢，用Ead表示，相應(yīng)的電樞反應(yīng)稱為直軸電樞反應(yīng)?？梢?，ψ=90°時直軸電樞反應(yīng)的性質(zhì)是純粹去磁的。圖8-4ψ=90°時的電樞反應(yīng)

3.超前90°(ψ=-90°)時的電樞反應(yīng)當(dāng)ψ=-90°時，定子各相電流的分布如圖8-5(a)所示。此時A相勵磁電動勢雖為最大值，但電樞電流仍為零。A相電流在超前90°時達到最大值。此時轉(zhuǎn)子的相對位置將如圖8-5(c)、(d)所示，也就是說當(dāng)A相電流達到最大值時，轉(zhuǎn)子磁場的空間位置滯后ψ=0°時的轉(zhuǎn)子磁場的位置90°。這時電樞磁動勢的幅值又位于勵磁磁動勢的軸線上，但兩者方向相同，其電樞反應(yīng)的性質(zhì)是純粹增磁的，同樣也稱為直軸電樞反應(yīng)。圖8-5ψ=-90°時的電樞反應(yīng)

4.一般情況下的電樞反應(yīng)在一般情況下，0°<ψ<90°，也就是說電樞電流滯后于勵磁電動勢一個銳角ψ，這時的電樞反應(yīng)如圖8-6所示。由圖8-6可見，在圖示瞬間，A相的勵磁電動勢恰好達到最大值，但由于電樞電流滯后勵磁電動勢E0ψ角，因此A相電流必須過了一段時間，等轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過ψ空間電角度時((圖8-6(c)所示位置)才達到最大值，電樞磁動勢Fa的幅值才位于A相繞組的轉(zhuǎn)向位置上，此時電樞磁動勢Fa滯后勵磁磁動勢Ff(90°+ψ)空間電角度。這時的電樞反應(yīng)既非交磁性質(zhì)也非純?nèi)ゴ判再|(zhì)，而是兼有兩種性質(zhì)。因此可將此時電樞磁動勢Fa分解成直軸和交軸兩個分量，即

(8-2)圖8-60°<ψ<90°時的電樞反應(yīng)

Faq起交磁作用，F(xiàn)ad起去磁作用。此時的電樞反應(yīng)也可以這樣說明，如將每一相的電樞電流都分解為和兩個分量，即

(8-3)其中與勵磁電動勢同相位，它們(指三相的該分量，即

)產(chǎn)生式(8-2)中的交軸電樞磁動勢Faq，因此把分量叫做的交軸分量，而滯后勵磁電動勢90°，它們產(chǎn)生式(8-2)中直軸電樞磁動勢Fad，因此把分量叫做的直軸分量。這時交軸分量產(chǎn)生的電樞反應(yīng)與ψ=0°時(圖8-3)一樣，對氣隙磁通起交磁作用，使氣隙合成磁場逆轉(zhuǎn)向位移一個角度，而直軸分量產(chǎn)生的電樞反應(yīng)則與ψ=90°時(圖8-4)一樣，對氣隙磁場起去磁作用。綜上所述，電樞反應(yīng)是同步發(fā)電機負載運行時的重要物理現(xiàn)象，它不僅是引起有負載時端電壓變化的主要原因，而且也是發(fā)電機實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的樞紐。考慮電樞反應(yīng)的作用，有負載時電樞繞組中的感應(yīng)電動勢將由氣隙合成磁場建立。氣隙電動勢減去定子漏阻抗壓降，便得到端電壓。通常發(fā)電機的負載為感性負載，電樞反應(yīng)含有去磁作用，使氣隙磁場削弱，相應(yīng)的氣隙電動勢將小于勵磁電動勢。因此隨著負載的增加，必須增大勵磁電流。8.3同步發(fā)電機的電動勢方程式和相量圖8.3.1隱極同步發(fā)電機的電動勢方程式和相量圖

1.不考慮磁飽和時同步發(fā)電機負載運行時，除了主極磁動勢Ff之外，還有電樞磁動勢Fa。如果不計磁飽和(即認為磁路為線性)，則可應(yīng)用疊加原理，把Ff和Fa的作用分別單獨考慮，再把它們的效果疊加起來。設(shè)Ff和Fa各自產(chǎn)生主磁通和電樞磁通，并在定子繞組內(nèi)感應(yīng)出相應(yīng)的勵磁電動勢和電樞反應(yīng)電動勢，把和相量相加，可得電樞一相繞組的合成電動勢(亦稱為氣隙電動勢)。上述關(guān)系可表示為再把氣隙電動勢減去電樞繞組的電阻壓降和漏抗壓降(xs為電樞繞組的漏電抗)，便得電樞繞組的端電壓。采用發(fā)電機慣例，以輸出電流作為電樞電流的正方向時，電樞的電壓方程為(8-4)因為電樞反應(yīng)電動勢Ea正比于電樞反應(yīng)磁通Φa，不計磁飽和時，Φa又正比于電樞磁動勢Fa和電樞電流I，即Ea∝Φa∝Fa∝I因此Ea正比于I；在時間相位上，滯后于90°電角度，若不計定子鐵耗，與同相位，則將滯后于90°電角度。于是亦可寫成負電抗壓降的形式，即

(8-5)式中：xa是與電樞反應(yīng)磁通相應(yīng)的電抗，稱為電樞反應(yīng)電抗。將式(8-5)代入式(8-4)，經(jīng)過整理，可得

(8-6)式中：x稱為隱極同步發(fā)電機的同步電抗，x=xs+xa；它是對稱穩(wěn)態(tài)運行時表征電樞反應(yīng)和電樞漏磁這兩個效應(yīng)的一個綜合參數(shù)。不計飽和時，x是一個常值。圖8-7(a)和(b)表示與式(8-4)和式(8-6)相對應(yīng)的相量圖，圖同步發(fā)電機的等效電路由勵磁電動勢和同步阻抗ra+jx串聯(lián)組成，其中E0表示主磁場的作用，x表示電樞反應(yīng)和電樞漏磁場的作用。圖8-7隱極同步發(fā)電機的相量圖和等效電路(a)、(b)相量圖；(c)等效電路

2.考慮磁飽和時考慮磁飽和時由于磁路的非線性，疊加原理不再適用。此時，應(yīng)先求出作用在主磁路上的合成磁動勢F，然后利用電機的磁化曲線(空載曲線)求出負載時的氣隙磁通及相應(yīng)的氣隙電動勢，即

再從氣隙電動勢減去電樞繞組的電阻和漏抗壓降，便得電樞的端電壓，即或

(8-7)相應(yīng)的相量圖和F與E間的關(guān)系如圖8-8(a)和(b)所示。圖8-8(a)中既有電動勢相量,又有磁動勢矢量,故稱為電動勢—磁動勢圖。圖8-8考慮磁飽和時隱極同步發(fā)電機的相量圖(a)電動勢—磁動勢圖；(b)由合成磁動勢F確定氣隙電動勢E這里有一點需要注意，通常的磁化曲線習(xí)慣上用勵磁磁動勢Ff的幅值(對隱極電機，勵磁磁動勢為一梯形波，如圖8-9所示)或勵磁電流值作為橫坐標(biāo)，而電樞磁動勢Fa的幅值則是基波的幅值，因此在Ff和Fa矢量相加時，需要把基波電樞磁動勢Fa乘上換算系數(shù)ka，以換算為等效梯形波的作用。ka的意義為，產(chǎn)生同樣大小的基波氣隙磁場時，一安匝的電樞磁動勢相當(dāng)于多少安匝的梯形波主極磁動勢。通常ka≈0.93～1.03。考慮飽和效應(yīng)的另一種方法是，通過運行點將磁化曲線線性化，并找出相應(yīng)的同步電抗飽和值x(飽和)，把問題化作線性問題來處理。圖8-9汽輪發(fā)電機主極磁動勢的分布8.3.2凸極同步發(fā)電機的電動勢方程式和相量圖當(dāng)凸極同步發(fā)電機負載運行時，氣隙中將存在著兩種旋轉(zhuǎn)磁場，即電樞磁場和勵磁磁場。在不計飽和的情況下，空載特性是一條直線，因此可以利用雙反應(yīng)理論和疊加原理進行分析，即把電樞磁場分解為直軸和交軸電樞磁場，它們和勵磁磁場互相獨立地存在于同一磁路中，這些磁場各自在定子繞組中感應(yīng)出電動勢，這些電動勢的總和便是每相繞組的氣隙合成電動勢,減去定子漏阻抗壓降后，便得到發(fā)電機的端電壓。這一電磁關(guān)系可用下面的關(guān)系式表達勵磁磁動勢直軸電樞反應(yīng)磁動勢交軸電樞反應(yīng)磁動勢按照電機中各電磁量正方向的習(xí)慣規(guī)定，根據(jù)基爾霍夫第二定律，可寫出電樞回路的電動勢方程式為

(8-8)式中:E0為勵磁磁動勢(或稱空載電動勢)，它由主磁通Φ1產(chǎn)生，Ead及Eaq為直軸電樞反應(yīng)電動勢和交軸電樞反應(yīng)電動勢，它們分別由直軸電樞反應(yīng)磁通Φad和交軸電樞反應(yīng)磁通Φaq產(chǎn)生。由于不計飽和，因此Φad與Φaq正比于Fad及Faq，又分別正比于電流Id及Iq，即

(8-9)

滯后于90°，滯后于90°，因而可以寫成

(8-10)式中:xad和xaq為直軸電樞反應(yīng)電抗和交軸電樞反應(yīng)電抗。電樞磁動勢不僅產(chǎn)生電樞反應(yīng)磁通，還產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子無關(guān)的漏磁通Φs，感應(yīng)漏磁通電動勢為

(8-11)則式(8-8)可以改寫為

(8-12)由于,因此

(8-13)將式(8-13)代入式(8-12)中得

(8-14)式中:xd為直軸同步電抗；xq為交軸同步電抗，一般xd>xq。如果同步發(fā)電機帶感性負載，發(fā)電機的端電壓U、負載電流I和功率因數(shù)cosφ及參數(shù)ra、xd、xq均為已知，并假定已知ψ，則按照式(8-14)可以畫出凸極同步發(fā)電機的相量圖，如圖8-10所示。作圖過程如下：先畫出電壓及電流，作直線超前于電流一個ψ角，則表示的方向。然后將電流分解為直軸分量和交軸分量，滯后于90°，與同相。電阻壓降與電流同相，交軸同步電抗壓降及直軸同步電抗壓降分別超前電流和90°，將及相量相加，即得勵磁電動勢。圖8-10不計飽和時凸極同步發(fā)電機的相量圖(ψ>0)圖8-10實際上很難直接畫出，這是因為和之間的相位差ψ角是無法測定的，這樣就無法把電流分解成直軸和交軸分量，整個相量圖就作不出來。為解決這一困難，可先對圖8-10進行分析。在圖8-10中的相量圖上，過M點作垂直于相量的線段與交于Q點。在直角△MNQ中，和分別與相量和互相垂直，得知令表示一電動勢，則

(8-15)根據(jù)式(8-15)只要已知和xq，則可求出電動勢。因為Eq

和同相，由此可以確定ψ角為

(8-16)求出了內(nèi)功率因數(shù)角ψ，便可以把電流分解為直軸分量和交軸分量。然后按照式(8-14)即可作出相量圖如圖8-10所示。由圖8-10可見，與的關(guān)系為

(8-17)

【例8-1】有一臺凸極式同步發(fā)電機，定子繞組為Y形接法，額定電壓UN＝10.5kV，IN=165A，cosφN＝0.8(滯后)，已知xd=36.7Ω,xq=22Ω，定子繞組電阻ra可忽略不計，試求額定負載下運行時的ψ、Id、Iq、E0各為多少？(不計飽和影響)

解

(1)求xd、xq的標(biāo)么值及ψ角。

(2)求Id、Iq、E0。8.4同步發(fā)電機的運行特性8.4.1空載特性空載特性是在發(fā)電機的轉(zhuǎn)速保持同步轉(zhuǎn)速(n=ns)、電樞開路(I=0)的情況下，空載電壓(U0=E0)與勵磁電流If的關(guān)系曲線U0=f(If)。空載特性(曲線見圖8-2)是發(fā)電機的基本特性之一。它一方面表征了發(fā)電機磁路的飽和情況，另一方面把它和短路特性、零功率因數(shù)負載特性配合在一起，可以確定發(fā)電機的基本參數(shù)、額定勵磁電流和電壓調(diào)整率等?？蛰d特性可以用空載試驗測出。試驗時，電樞開路(空載)，用原動機把被試驗的同步發(fā)電機拖動到同步轉(zhuǎn)速，改變勵磁電流If，并記取相應(yīng)的電樞端電壓U0(空載時即等于E0)，直到U0≈1.25UN左右，可得空載特性曲線E0=f(If)。8.4.2短路特性和短路比

1.短路特性短路特性是指發(fā)電機在同步轉(zhuǎn)速下，電樞繞組端點三相短接時，電樞短路電流Ik與勵磁電流If的關(guān)系曲線,即n=ns，U=0時，Ik=f(If)。短路特性可由三相穩(wěn)態(tài)短路試驗測得。圖8-11(a)為短路試驗的接線圖。試驗時，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速保持為同步轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)勵磁電流If，使電樞的短路電流從零開始，一直到1.25IN左右為止，記取對應(yīng)的短路電流Ik和勵磁電流If，即可得到短路特性曲線，如圖8-11(b)所示。圖8-11三相短路試驗和短路特性(a)短路試驗接線圖；(b)短路特性短路時，發(fā)電機的端電壓U=0，限制短路電流的僅是發(fā)電機的內(nèi)部阻抗。由于一般同步發(fā)電機的電樞電阻ra遠小于同步電抗，因此短路電流可認為是純感性的，即ψ≈90°。這時的電樞電流幾乎全部為直軸電流，它所產(chǎn)生的電樞磁動勢基本上是一個純?nèi)ゴ抛饔玫闹陛S磁動勢，即Fa=Fad，F(xiàn)aq=0，此時電樞繞組的電抗為直軸同步電抗xd，如圖8-12所示。由式(8-14)知

(8-18)短路時由于電樞反應(yīng)的去磁作用，發(fā)電機中合成氣隙磁動勢數(shù)值很小，致使磁路處于不飽和狀態(tài)，因此短路特性為一直線，見圖8-11(b)，即

(8-19)圖8-12同步發(fā)電機穩(wěn)態(tài)短路時的等值電路和相量圖(a)等值電路；(b)相量圖

2.短路比

(1)短路比的定義。所謂短路比，即是同步發(fā)電機空載時使其空載電壓為額定電壓(U0=UN)所需的勵磁電流If0與短路時讓短路電流為額定電流(Ik=IN)所需的勵磁電流之比值。用kc表示短路比，則有

(8-20)如果勵磁電流為If0時使同步發(fā)電機對稱短路，得其穩(wěn)態(tài)短路電流為Ik，如圖8-13所示，因為短路特性為直線，故式(8-20)又可表示為

(8-21)因此短路比又可定義為：同步發(fā)電機在空載電壓U0=UN的情況下發(fā)生三相對稱短路，其穩(wěn)態(tài)短路電流的標(biāo)么值。

(2)短路比的電抗表示法。如圖8-13中畫出了某同步發(fā)電機的空載特性、短路特性和空載特性上的氣隙線，以及各勵磁電流和短路電流之值。如果令為假設(shè)電機磁路不飽和時為產(chǎn)生空載電壓U0=UN時所需的勵磁電流，也就是根據(jù)氣隙線當(dāng)U0=UN時的勵磁電流，則飽和系數(shù)為，因而短路比又可表示為表示當(dāng)電機磁路不飽和時，勵磁電流Ifk所感生的空載電動勢之值。圖8-13短路特性和不飽和值同步電抗根據(jù)短路時的電壓關(guān)系式，在Ik=IN時則有或

,因是不飽和情況下之值，故與之相應(yīng)，此時的xs與xd也稱為同步電抗的不飽和值或直軸同步電抗的不飽和值，代入(8-21)式后可得

(8-22)式中,為不飽和直軸同步電抗的標(biāo)么值。式(8-22)表明，短路比kc等于xd值的標(biāo)么值的倒數(shù)乘以飽和系數(shù)kμ。短路比kc是影響同步發(fā)電機技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)好壞的一個重要參數(shù)。

kc的大小對同步發(fā)電機有如下影響：

(1)影響發(fā)電機的尺寸和造型。kc大，即小，氣隙就大，在電樞繞組中就會產(chǎn)生一定的勵磁電動勢，則勵磁繞組的安匝數(shù)將增加，導(dǎo)致發(fā)電機用銅量、尺寸和造價都要增加。

(2)影響發(fā)電機運行性能的好壞。kc大，即小，發(fā)電機具有較大的過載能力、運行的穩(wěn)定性較高；小，負載電流在形成的壓降較小，引起發(fā)電機端電壓波動的幅度較小，但短路時短路電流則較大。通常隱極同步發(fā)電機的kc≈0.5～0.7，凸極同步發(fā)電機的kc≈1.0～1.4。8.4.3同步發(fā)電機的外特性和電壓變化率

1.外特性外特性是指發(fā)電機的轉(zhuǎn)速保持同步轉(zhuǎn)速，勵磁電流和負載功率因數(shù)不變時，端電壓與負載電流的關(guān)系曲線，即n=ns，If=常值，cosφ=常值時，U=f(I)關(guān)系曲線。圖8-14表示不同功率因數(shù)時同步發(fā)電機的外特性。在帶感性負載cosφ=0.8(滯后)和純電阻負載cosφ=1時，外特性都是下降的。因為這兩種情況下均為90°>ψ>0°，隨著負載電流I的增大，電樞反應(yīng)的去磁作用增強和定子繞組漏阻抗壓降增大，致使發(fā)電機端電壓下降。而在容性負載cosφ=0.8(超前)時，由于ψ<0°，電樞反應(yīng)是增磁的作用，因此端電壓U隨負載電流I的增大反而升高，外特性則是上升的。圖8-14同步發(fā)電機的外特性

2.電壓變化率從外特性曲線上可求出發(fā)電機的電壓調(diào)整率ΔU*(見圖8-15)。調(diào)節(jié)勵磁電流，使額定負載時(I=IN,cosφ=cosφN)發(fā)電機的端電壓為額定電壓UN，此時的勵磁電流稱為額定勵磁電流IfN。然后保持勵磁和轉(zhuǎn)速不變，卸去負載，此時端電壓升高的標(biāo)么值就稱為同步發(fā)電機的電壓調(diào)整率，用ΔU*表示，即

(8-23)電壓調(diào)整率是表征同步發(fā)電機運行性能的重要數(shù)據(jù)之一。近代同步發(fā)電機大多數(shù)均配有快速自動調(diào)壓裝置，因而對ΔU*的要求已放寬，但為防止卸載時電壓劇烈上升，以致?lián)舸├@組絕緣，所以ΔU*應(yīng)小于50％。一般凸極發(fā)電機的ΔU*大體在18％～30％以內(nèi)。汽輪發(fā)電機由于電樞反應(yīng)較大,故ΔU*也較大,大體在30％～48％范圍內(nèi)(均為cosφN=0.8滯后)。圖8-15從外特性求電壓調(diào)整率ΔU*8.4.4同步發(fā)電機的調(diào)整特性當(dāng)發(fā)電機的負載發(fā)生變化時，為保持端電壓不變，必須同時調(diào)節(jié)勵磁電流。保持發(fā)電機的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，當(dāng)其端電壓和功率因數(shù)不變時，負載電流變化時其勵磁電流的調(diào)整特性曲線就稱為發(fā)電機的調(diào)整特性，即n=ns，U=常值，cosφ=常值時，If=f(I)。圖8-16表示不同負載性質(zhì)時同步發(fā)電機的調(diào)整特性。在感性和純電阻性負載時，為了克服負載電流所產(chǎn)生的去磁電樞反應(yīng)和阻抗壓降，隨著負載的增加，要保持端電壓為一常值,勵磁電流必須相應(yīng)地增大。因此這兩種情況下的調(diào)整特性都是上升的。而在容性負載時，隨著負載的增加，必須相應(yīng)地減小勵磁電流,以維持端電壓恒定,則曲線是下降的。圖8-16同步發(fā)電機的調(diào)整特性8.5同步發(fā)電機的損耗和效率8.5.1損耗的種類同步發(fā)電機的基本損耗包括電樞的基本鐵耗pFe、基本銅耗pCua、勵磁損耗pCuf、機械損耗pΩ和雜散損耗。電樞基本鐵耗是指主磁通在電樞鐵芯齒部和軛部中交變所引起的損耗。基本銅耗是換算到基準(zhǔn)工作溫度時，電樞繞組的直流電阻損耗。勵磁損耗包括勵磁繞組的基本銅耗、變阻器內(nèi)的損耗、電刷的電損耗以及勵磁設(shè)備的全部損耗。機械損耗包括軸承、電刷的摩擦損耗和通風(fēng)損耗。雜散損耗包括電樞漏磁通在電樞繞組和其它金屬結(jié)構(gòu)部件中所引起的渦流損耗，高次諧波磁場掠過主極表面所引起的表面損耗等。8.5.2效率效率特性是指轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、端電壓為額定電壓、功率因數(shù)為額定功率因數(shù)時，發(fā)電機的效率與輸出功率的關(guān)系；即n=ns，U=UN，cosφ=cosφN時，η=f(p2)。總損耗p求出后，效率即可確定，

(8-24)現(xiàn)代空氣冷卻的大型水輪發(fā)電機，額定效率大致在96%～98.5%范圍內(nèi)；空氣冷卻汽輪發(fā)電機的額定效率大致在94%～97.8%范圍內(nèi)；氫冷時，額定效率約可增高0.8%。圖8-17是國產(chǎn)300MW雙水內(nèi)冷水輪發(fā)電機的效率特性。圖8-17300MW雙水內(nèi)冷水輪發(fā)電機的效率特性習(xí)題

8-1何謂同步發(fā)電機的電樞反應(yīng)?電樞反應(yīng)的性質(zhì)主要取決于什么?交軸和直軸電樞反應(yīng)對同步發(fā)電機的運行有何影響？試分析討論同步發(fā)電機電樞反應(yīng)為純?nèi)ゴ抛饔谩⒓冊龃抛饔?、去磁兼交磁、增磁兼交磁、純交磁等五種情況。

8-2凸極同步發(fā)電機負載運行時，若ψ0既不等于0°又不等于90°，問電樞磁場的基波與電樞磁動勢的基波在空間是否同相，為什么(不計磁飽和)？

8-3試述交軸和直軸同步電抗的意義。為什么同步電抗的數(shù)值一般較大，不可能做得很小?試分析下面幾種情況對同步電抗有何影響?(1)電樞繞組匝數(shù)增加。(2)鐵芯飽和程度提高。(3)氣隙加大。(4)勵磁繞組匝數(shù)增加。

8-4