华东交通大学毕业设计（论文）
第二章 三相同步发电机的基本原理
2.1 三相同步电机的运行原理
同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可以旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。
最常用的是转场式同步发电机,其定子铁心的内圆均匀散布着定子槽，槽内嵌放着按规律排列的三相对称绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。
转子铁心上装有制成必定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的散布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。
由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割活动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。所谓的同步就是转子的转速等于定子旋转磁场的转速。 2.1.1同步电机的数学模型
同步电机的数学模型表示同步电机的电压、电流、磁链等电磁量与转矩、转速等机械量之间相互关系的数学表达式。它是进行同步电机及电力系统动态分析的基础。
同步电机的数学模型可以用图2.1来描述。
+Rkq1'+VqRs?R?d+iqLlkq1V'kq1'-L1i'L'Lmqlkq2kq1-R'i'k（a）q轴电路kq2-+V'kq2q2-
+Rkd'+VdRs?R?d-+Llkd'V'kdL1i'kdL'Lmd-lfdR'i'idfd-+fdV'fd(b) d轴电路-
2.1 同步电机原理等效电路
5
王艳苹：三相同步发电机运行仿真及GUI设计
2.1.2 工作特性
表征同步发电机性能的主要是空载特性和负载运行特性。这些特性是用户选用发电机的重要依据。
（1）空载特性
发电机不接负载时，电枢电流为零，称为空载运行。此时电机定子的三相绕组只有励磁电流If感生出的空载电动势E0（三相对称），其大小随If的增大而增加。但是，由于电机磁路铁心有饱和现象，所以两者不成正比。反映空载电动势E0与励磁电流If关系的曲线称为同步发电机的空载特性。如图2.2.
E0UN气隙线CE0?f(If)OIfIfN
图2.2 同步发电机空载特性
当If较小时，Ff较小，磁路不饱和，E0=f(If)呈直线（将其延长后的射线称为气隙线）。If增大时，磁路逐渐饱和，磁化曲线开始进入饱和段。为了合理地利用材料，空载额定电压UN一般设计在空载特性的弯曲处。
空载特性在同步发电机理论中有着重要作用： ① 判断电机设计是否合理。 ②空载特性结合短路特性(在后面介绍 )可以求取同步电抗的不饱和值。 ③通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性以及励磁系统的故障。 （2）负载运行特性
负载运行特性主要指外特性和调整特性。外特性是当转速为额定值、励磁电流和负载功率因子为常数时，发电机端电压U与负载电流I之间的关系，调整特性是转速和端电压为额定值、负载功率因子为常数时,励磁电流If与负载电流I之间的关系。在外特性中，从空载到额定负载时电压的变化程度称为电压变化率U，常用百分数表示为20～40％。一般工业和家用负载都要求电压保持基本不变。为此，随着负载电流的增大，必须相应地调整励磁电流。虽然调整特性的变化趋势与外特性正好相反，对于感性和纯电阻性负载，它是上升的，而在容性负载下，一般是下降的。当发电机接上对称负载后，电枢绕组中的三相电流会产生另一个旋转磁场，称电枢反应磁场。其转速正好与转子的转速相等，两者同步旋转。同步发电机的电枢反应磁场与转子励磁磁场均可近似地认为都按正弦规律分布，它们之间的空间相位差取决于空载电动势E0与电枢电流I之间的时间相位差。电枢反应磁场还与负载情况有关。当发电机的负载为电感性时，电枢反应磁场起去磁作用，会导致发电机的电压降低；当负载呈电容性时，电枢反应磁场起助磁作用,会使发电机的输出电压升高。
6
华东交通大学毕业设计（论文）
2.2 同步发电机的对称运行
同步发电机的对称运行从同步电机的电势方程式和相量图来分析。 一、电势方程式
负载后，发电机电枢绕组中存在的电势：
?产生的E?； ① 由Ff0?产生的E?； ② 由Faa?产生的E?； ③ 由Fss④ 电枢电阻很小，其压降可以忽略。 ??E??E??U?。 发电机每相的电势方程为：E0as??E???jX??；E??U??jXI??jXI? 。 对凸极电机来说： EI?jXqIasddq0ddqq??E???jX???U??jX?对隐极电机来说：EI；EI 。 assa0sa二、电势相量图
同步电机理论中，用电势相量图来进行分析是十分重要和方便的方法。作相量图时，
?U?。 Ia的夹角为负载功率因子角j，Xs为已知量，根据方程式求得E与?0（1）隐极电机相量图画法（如图2.3）
?； ① 在水平方向做出相量UIa； ② 根据j角作出相量??的尾端,加上相量jX?I，它超前?Ia90°③ 在U； sa?。 ?的首端指向jX?I尾端的相量,该相量便是E④ 作出由Usa0?E0CA?jXsI?a?U?I?a?B 图2.3 隐极电机向量图
(2)凸极电机相量图画法（如图2.4）
?错开j角作?Ia； ① 在水平方位作出相量U?方位?的尾端加上相量jX??首端和jX?Ia90°EII② 在U超前于?经过U0qa，qa尾端的直线为
(q轴)；
Iq； Ia分解为?Id和?③ 将?
7
王艳苹：三相同步发电机运行仿真及GUI设计
??U??jX??。 ⑤ 根据方程EI?jXd?Id作出E00qq相量图很直观地显示了同步电机各个相量之间的数值关系和相位关系，对于分析和计算同步电机的许多问题有较大的帮助作用。
?CE0?Iq?jXqIq?jXqIaqA???Id??Ia?UdB
图2.4 凸极电机向量图
2.3同步发电机的不对称运行
2.3.1 概述
一、研究的必要性
实际中，由于电网中负载的不断变动以及大型的单相负载，使三相电压和电流任何时候不可能绝对地对称，例如冶金工厂单相电炉或电气铁道要求供给容量较大的单相负载输电线由于某些原因发生碰线而引起不对称短路等，这些情况都造成负载不对称，使发电机在不对称负载下运行，因此有必要对发电机的不对称运行加以研究。
二、同步发电机不对称运行带来的危害
同步发电机在不对称负载下运行时，电枢电流和端电压都将出现不对称现象，使接到电网上的变压器和电动机运行情况变坏，效率降低，同时也对发电机本身以及电网带来一些不良后果，因此对同步发电机不对称负载的程度有一定限制。
三、分析同步发电机不对称运行的基本方法－对称分量法
分析同步发电机不对称运行的基本方法是对称分量法，即将发电机不对称的三相电压、电流分解为正序、负序和零序分量，然后分别研究各相序电流所产生的效果，再将它们迭加起来，就得到实际的不对称相电流和相电压。实践证明，就基波而言，不计饱和时，所得结果基本上是正确的。
四、采用对称分量法分析不对称问题的基本步骤 (1）先列出不对称情况的边界条件；
(2）用对称分量法求出各序电流、各序电压间的特定约束关系；
(3）按照特定的约束关系，把各序等效电路连成一条统一的等效电路；
(4）从统一的等效电路解出各序电流和电压，最后再把正序、负序和零序分量迭加，求得各相的电流和电压。
2.3.2 同步发电机的不对称分析实例
1、单相对中点短路
8
华东交通大学毕业设计（论文）
规定正方向如图2.5所示。
?Ik1A
??IU AA
?UB ?IC ??UCIBCB
图2.5单相中点短路简图 ?I?A?I?第一步：列出边界条件：
?k1?I?B?I?C?0 ??U?A?0第二步：利用对称分量法求出各序电流分量。
?I??A??1??2??I??A??I?I???1??A???2????1?A??I??1?k1????I?B???I?A???I?k1? ??I?03?1A????111????I?C?3???I?A?3 ???I?k1??第三步：根据上两式作出同步发电机单相对中点短路的等效电路。（如图2.6）
x1 I??A ～E??AU??
A
x2 I??AU??Ax0 I?0AU?0 A
2.6 单相中点短路的等效电路
第四步：根据等效电路求出各序电流，然后求出短路电。
I???0AE??A?I?A?I?E??A?jx??jA 1?jx2?jx0(x1?x2?x0) I??3E??Ak1?3I?A??j(x 1?x2?x0) 2-1）
2-2）
2-3）
2-4）
9
（ （
（ （