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曹帅;张清枝
【摘 要】To study the stability and active power of the synchronous generator, this paper deduces the electromotive force balance equation of its armature reaction by use of its time&space vector diagram. Based on this, through the result of the operation characteristics experiment of DDSZ–1 salient pole synchronous generator connected to the three-phase symmetrical load, it analyzes the influence of its rotor magnetic circuit structure on operation stability, and draws the conclusion that the smaller the rotor air-gap is the poorer its stability of parallel operation, vice versa. Finally, with synchronous generator power angle of time and space vector diagram, its electromagnetic power calculation formula and the influence of the rotor air-gap on active power are deduced, i.e. increasing the rotor air-gap to each space direction proportionally can increase its active power.%为研究同步发电机的稳定性和有功功率，利用凸极同步发电机的时空矢量图推导出其电枢反应的电动势平衡方程。在此基础上，通过DDSZ-1型凸极同步发电机接入三相对称负载的运行特
性的实验结果，分析研究其转子磁路的结构对运行稳定性的影响，得出如果转子气隙较小则并联运行时发电机的稳定度较差，反之则稳定性较好的结论。最后利用同步发电机功角时空矢量图，推导出其电磁功率计算公式，并得出转子气隙对有功功率的影响，即在空间范围内各方向等比例增大转子气隙可以增加电机输出的有功功率。
【期刊名称】《电力系统保护与控制》
【年(卷),期】2015(000)015
【总页数】5页(P91-95)
【关键词】时空矢量图;同步电抗;功角;稳定性;有功功率
【作 者】曹帅;张清枝
【作者单位】郑州大学电气工程学院，河南 郑州 450001;新乡学院机电工程学院，河南 新乡 453003
【正文语种】中 文
【中图分类】TM341
同步电机作为交流电机的一种，可以用作发电机、电动机或调相机。在作为发电机使用时，由于其具有转速恒定不变、运行效率高等优点，得到了广泛应用。随着电力工业的迅速发展，电力系统的规模日益庞大和复杂，同步电机的静态稳定性和输出有功功率的问题越来越受到重视。近年来，国内外学者对此开展了一系列研究，并取得了若干重要成果[1-4]。
在现代工业生产中，同步发电机输出的有功功率和稳定性一直是电机生产当中普遍关注的问题，在诸多改善发电机稳定性、提高有效功率的措施中，通过改变转子磁路结构来改变气隙磁场的大小是最为有效、最为简便易行的方法之一[5-8]。
目前，转子的类型主要有笼型转子、绕线型转子、ALA磁阻转子、凸极转子和凸极加笼条转子等结构。其中凸极加笼条转子是在凸极转子基础上，加上短路笼条，依靠磁场的不对称性来产生椭圆形旋转磁动势，来完成转子磁极数的转换。本文通过DDSZ-1型凸极同步电机的空载试验[9-10]、短路试验以及静态稳定性测试的研究分析，说明了转子磁路结构对同步发电机有功功率和静态稳定性的影响关系。
同步发电机根据气隙磁场的分布情况分为凸极式(气隙磁场分布不均匀)和隐极式(气隙磁场分布均匀)两种，由于隐极同步发电机的直轴同步电抗与交轴同步电抗相等，因此隐极式同步发电机可以看作是凸极同步发电机的一种特例[11-12]。下面以凸极式同步发电机的电枢反应[13-14]进行分析。
同步发电机接三相对称负载，工作在线性区(磁路不饱和)时，由于定子三相对称，电流产生的圆形旋转磁动势基波与转子同步旋转，故与励磁电流产生的磁动势相对静止。均作用在气隙磁场中，因此气隙磁场的磁动势等于励磁电流产生的磁动势与定子三相电流产生的磁动势的线性叠加，即。令励磁磁动势所在的轴线为d轴，其产生的感应电动势所在的轴线为q轴，可作时空统一矢量图如图1所示。
图1中：为励磁电流产生的磁通；为漏磁场的漏磁通；分别为定子三相电流产生的直轴、交轴磁通分量；为产生的感应电动势；为产生的感应电动势；为气隙磁场的感应电动势；为漏磁通的感应电动势；为发电机端口输出的电压；为定子三相电流；为其直轴、交轴分量；y为的夹角，称为内功率因数角；q为的夹角，称为功角；j为的夹角，称为功率因数角。
由凸极同步发电机的时空矢量图不难看出：
用等效的电感La、Ls上的电压降来代替对应的电动势，可得
为了研究同步发电机的气隙大小与运行的稳定性的关系，现使用DDSZ-1型设备，进行永磁凸极同步发电机的空载和短路试验，设备具体名称如表1所示。
实验接线如图2所示，校正直流测功机。MG按他励方式联接，用作电动机拖动三相同步发电机GS旋转，GS的定子绕组为Y形接法(UN=220 V，IN=0.45 A)。Rf1用D44上的1800W串联电阻，Rf2用D41上225串并联电阻，Rst用D44上的180W串联电阻，开关S1、S2选用D51挂箱。
先接通直流励磁电源开关，再启动电枢电源开关，启动MG。调节MG的电枢串联电阻Rst、励磁调节电阻Rf1使同步发电机达到额定转速1 500 r/min，并保持恒定。通入励磁电流并不断增加，测得该凸极同步发电机的电压与励磁电流的大小如表2所示。将Rf2调至最大值，电机转速保持1 500 r/min不变，断开GS的励磁电源，将GS输出三端点短接，再接通励磁电源，改变励磁电流值的大小，得到该凸极同步发电机短路电流与励磁电流的大小如表2所示。
根据实验数据可绘制DDSZ-1型同步电机的空载短路运行特性图如图3所示。
由图3可知，当空载电压达到额定U0=UN=220 V时，励磁电流If0=0.83 A。当If=If0= 0.83 A时，Ik0=0.49 A 。故，此即电机的短路比。
短路比是指同步发电机在空载额定电压所对应的励磁电流If0下三相稳态短路时的短路电流Ik0与额定电流IN之比。一般而言，短路比越大，电机的静态稳定性越好。由实验数据可知，该同步发电机的静态稳定性较好。
将同步发电机定子三相电流的比值转到其对应励磁电流的比值，结合该同步发电机的空载特性和短路特性可以得出短路比的另一种表达式：
式中，Km为饱和系数，不变。
实际电机的电枢电阻Ra很小，往往忽略不计，稳态短路时，，所以。同步发电机稳态短路时，电枢电流只有d轴分量，没有q轴分量，因此定子三相电流额定稳态短路励磁电流所对应的空载感应电动势为张默女友童谣图片
可得，稳态短路时直轴同步电抗的标幺值：
结合式(1)，可得
在同步发电机中，气隙
游戏王gx游戏式中：为真空磁导率；A为磁通正面穿过的截面积；Λm为磁导，与交流电抗的大小成反比，与短路比成正比。
由此可以得出，气隙大小对同步发电机的影响。当气隙较小时，短路比小，负载变化时发电机的电压调整率较大，并联运行时发电机的稳定度较差；当气隙较大时，短路比大，电压调整率小，稳定性较好，不过由于气隙较大，因此建立相同的磁通所需要的导线匝数多，发电机体积大，且耗材大。
母亲节暖心文案同步发电机在原动机的拖动、对称负载下稳态运行时，其输出功率为原动机输入的机械功率减去机械损耗、铁耗、附加损耗和铜耗后的功率。其时空矢量如图4所示。
在时空矢量图中，为的夹角，也近似等于的夹角。
发电机端口输出的电功率等于电磁功率扣除电枢绕组铜耗，所以
由几何关系得
将式(3)代入式(2)得
由此可以看出，电磁功率的大小与功角和直轴、交轴同步电抗有关。当气隙增大时，对应的漏磁抗减小，对应的如上图虚线所示，则功角比原来增大；当气隙在空间等比例增大时，直轴、交轴同步电抗均减小。结合输出功率的计算表达式可得，在空间范围内各方向等比例增大气隙，输出的有功功率增大。
通过对DDSZ-1型凸极同步发电机在接入三相对称负载的运行特性的实验结果分析，可以得到，当同步电机转子结构较大时，同步电机的运行稳定性较好，输出有功功率大。在工业生产中，为确保永磁同步发电机工作的稳定性，应使电机做的尽可能地大些。然而，转子的半径越大，耗材相应越多，成本也与之俱增。 因此，实际生产中应综合考虑性能和成本，做到有效的平衡。
黄景瑜简介和资料大全曹 帅(1995-)，男，本科，研究方向为电力系统自动化；E-mail:*****************
张清枝(1970-)，女，通信作者，硕士，副教授，主要从事电力电子技术及其自动化的研究。
【相关文献】
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