内蒙古工业大学本科毕业论文
同步发电机的实验研究本科毕业论文
引 言
由于电能适宜于生产、集中管理、远距离传输、灵活分配及自动控制，因而电能成为现代最常用的一种能源。电机是以电磁感应和电磁力定律为基本工作原理进行电能的传递或机电能量转换的机械，在工业、农业、国防、交通运输和家用电器中有着广泛的应用，对国民经济有着重要的作用。
电机是电力系统中的重要组成部分，它的运行状态直接影响系统的工作；而电机原理和特性又是进行电机设计和控制的理论依据。实验是电机学的重要环节，通过实验掌握运行操作与测试等基本技能，才能加深电机运行性能和理论分析的认识。
电机按功能主要分为四种电机：发电机；电动机；变压器、变频机、交流机和移相机；控制电机。从基本原理上看，发电机和电动机是电机的两种运行方式，它们本身是可逆的，这种特性称为电机的可逆性。
作发电机运行的同步电机。是一种最常用的交流发电机。在现代电力工业中，它广泛用于水力发电、火力发电、核能发电以及柴油机发电。由于同步发电机一般采用直流励磁，当其单机独立运行时，通过调节励磁电流，能方便地调节发电机的电压。若并入电网运行，因电压由电网决定，不能改变，此时调节励磁电流的结果是调节了电机的功率因数和无功功率。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。
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第一章同步电机的原理与特性
1.1同步发电机的基本工作原理和主要结构
1.1.1同步发电机的基本工作原理
图1.1同步电机工作原理示意图
同步电机是交流旋转电机的一种，因其转速恒等于同步速机时得名。同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和调相机。图中静止的部分称为定子，旋转的部分称为转子。在一般同步发电机中，放置的部分是磁极，以恒定不变的转速在旋转。转子上有绕组，绕组中通以直流电流以后便可激励一磁场。定子上有许多槽，槽中安置导体，其目的是为了在其中感应电动势。根据右手定则可知：当导体被N极磁场切割时，它的感应电动势方向为流出纸面（图1.1中导体A）；当导体为S极磁场切割时，它的感应电动势方向为流入纸面。转子旋转时，导体交替为N极和S极磁场所切割，因此每根导体中的感应电动势方向是交变的。
在图1.1中磁通首先切割A相导体，当转子转过120°及240°后，磁通依次切割B相导体和C相导体。因此，A相的感应电动势便超前B相感应电动势120°，B相的感应电动势又超前C相感应电动势120°，于是得到如图1.2所示的相量关系。三相电动势的大小相等，相位互差120°，这就是三相同步发电机的简单工作原理。
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图1.2电动势相量图
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EC
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?1.1.2 同步电机的主要结构
定子
同步电机的定子有时也称为电枢，是由定子的铁芯、电枢三相绕组、机座和端盖等部件组成。同步电机的定子铁芯是由硅钢片冲制后叠装而成。
转子
同步电机的转子有两种结构型式，即凸极式和隐极式。
1.1.3 同步电机的额定值
1.额定电压UN 额定电压是指在正常运行时，按制造厂的规定，定子三相绕组上的线电压，单位为V或kV。
2. 额定电流IN 额定电流是指在正常运行时，按制造厂的规定，流过定子绕组的线电流，单位为A
3. 额定功率PN 额定功率是指在正常运行时，电机的输出功率，单位为kW，对于发电机而言，是指输出的电功率；对于电动机而言，是指输出的机械功率。它们与额定电压和额定电流之有如下关系：
发电机PN?3UNINcos?N?10?3 电动机PN?3UNIN?Ncos?N?10?3
4.相数m 同步电机的相数一般为m=3
5.额定频率fN 我国规定额定工业频率fN=50Hz
6.额定转速nN 即为电机的同步转速，在一定极数及频率时是定值，即
60fNgnN?
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1.2同步发电机的运行原理与特性
1.2.1同步发电机的电枢反应
在同步发电机的转子上装有直流电励磁的磁极。正常运行时，转子以同步转速旋转，因此，当励磁绕组通入直流电以后，在气隙中将出现一个以同步转速旋转的、直流励磁的旋转磁场，称之为机械旋转磁场。
转子所产生的磁场以同步转速旋转，它切割定子绕组而在其中感应出三相对称电动势。接上负载后，便有三相电流流过定子上的三相绕组。当三相对称电流通过三相对称绕组时，也产生一个旋转磁动势。这个磁动势是由交流电激励而产生的，称之为交流励磁的旋转磁动势，或电气旋转磁动势。
下面进一步分析定、转子磁动势间的转速关系。如果转子转速为n r/min，则转
pn子磁动势的转速也是n r/min，从而定子电流频率为( f? ),由定子电流产生的
60定子旋转磁动势的转速便为
60f60pnn1???n
pp60它与转子转速相等。因此，转子磁动势与定子磁动势以相同的速率旋转，两者之间没有相对运动。由于定子磁动势的转速就等于转子的转速，因此，定子磁场不会切割转子绕组，在转子绕组中便没有感应电动势。
同步电机在空载时，定子电流为零，气隙中仅存在转子磁动势。负载以后，除转子磁动势外，定子三相电流也产生电枢磁动势。同步电机在负载时,随着电枢磁动势的产生，使气隙中的磁动势从空载时的磁动势变为负载时的合成磁动势。因此，电枢磁动势的存在，将使气隙中磁场的大小及位置发生变化，这种现象称为电枢反应。
电枢反应会对电机性能产生重大影响，下面以同步发电机为例研究电枢反应的性质。
?和负载电流I?之间的夹角?，即取决于电枢反应的性质主取决于空载电动势E00负载的性质。下面从3种极限情况出发进行研究：
?和E?同相位，即??0?； 1. Ia0?滞后E?90?电角度，即??90?； 2. Ia0?超前E?90?电角度，即???90?； 3. Ia0?和E?同相位（??0?）时的电枢反应 一．Ia0?和E?同相位时的相量图，?滞后主磁通??90?电角度。图1.3所示为I图1.4中Ea00f此时两个线圈边正好位于磁极中心之下，切割着最大的磁通密度，所以感应电动势也
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?和E?同相位，因此，电流也为最大值。由于现在所研究的是??0?时的情况，即Ia0在此瞬间达到最大值。从前面的分析可知，当某相绕组中的电流达到最大值时，电枢
?就与A相绕组中心线相重合。因此，当??0?时，电枢磁动势的轴线就旋转磁动势Fa和该绕组的中心线相结合，在所研究的瞬间，A相电流达到最大值，所以电枢磁动势
?90?。由于电枢磁动势与转子都以同步转速旋转，因此，可以?滞后于转子磁动势FFaf判断出这一瞬间定、转子磁动势的相对位置后，它们的相对位置将一直维持不变。因此??0?时，两磁动势的轴线在空间永远正交。习惯上称转子磁极轴线为直轴，以符号d表示；称N，S极之间的中线为交轴，以符号q表示。当??0?时，电枢旋转磁
?相?与F动势作用在q轴上，称为交轴电枢磁动势。从图1.3可以看出，电枢磁动势Faf?,显然，由于交轴电枢磁动势的存在，将使合成磁动加后才是气隙中的合成磁动势F?势的轴线位置产生一定的位移，幅值发生一定的变化。
图1.3 ?? F?? Fa? E0I?a
? Ff??0?
?f?0?时的电枢反应
?滞后E?90?电角度（??90?）时的电枢反应 二．Ia0?滞后E?90?电角度时的相量图。图中E?滞后于主磁通??90?电图1.4所示为Ia00f?滞后于?180?电角度。当线圈边位于磁极中心之下，为最大磁通密度角度，所以Ifa所切割时，绕组中感应电动势达到最大值。但由于现在所研究的是??90?时的情况，
?滞后E?90?电角度，因此,电流要比电动势晚90?才能达到最大值，亦即要即电流Ia0等主磁极的位置向前转过90?电角度（相当于半个极距）时，绕组中的电流才能达到最大值，此时，A相绕组电流达到最大值，于是电枢旋转磁动势的轴线便于该绕组中心线相重合。因此，从图1.4可以看出：当??90?时，电枢磁动势与主磁极轴线（即直轴）相重合，并产生去磁作用。此时的电枢磁动势就称为直轴去磁电枢磁动势。
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