电机学课件—5-3讲解.ppt

5.3 同步发电机的运行特性 1.空载特性、短路特性、负载特性（曲线） 2.测定同步电抗、漏抗，计算短路比 3.外特性与调整特性 4.电压变化率分析 一、同步电机的特性分析基础 • 对称运行：指电机转速为额定值且保持恒定，并供给三 相对称负载时的一种稳态运行方式 • 主要变量：端电压U、电枢电流I、激磁电流If和功率因 数cosθ • 特性： (1)空载特性： I=0 (2)短路特性： U＝0 (3)负载特性： I＝const、cosθ=const (4)外特性： If＝const、cosθ＝const (5)调整特性： U＝const、cosθ=const 主要参数：同步电抗xs、xd、xq及漏抗xσ 区别不同的条件、 参数间关系 标幺值计算时的基值 • 定子侧 电压基值——额定相电压 电流基值——额定相电流 容量功率基值——电压基值*电流基值 阻抗基值——电压基值/电流基值 • 转子侧 转子电流基值——空载电势为额定相电压时的激 磁电流 1.同步发电机的空载特性 • 当空载运行时（电枢绕组开路，I=0）,空载电动势E0随 转子励磁电流If变化的关系 。

• 空载特性与电机磁路的磁化曲线具有类似的变化规律 E0Φ0 If  Ff •当励磁电流较小时，由于磁通较小 ，电机磁路没有饱和，空载特性呈 直线（将其延长后的射线称为（气 隙线）磁势主要消耗在气隙上磁势主要消耗在气隙上 •随着励磁电流的增大，磁路逐渐饱 和，磁化曲线开始进入饱和段 向下弯曲） •铁磁饱和后，需磁势迅速增大，横 向距离bcbc为铁磁部分的磁压 •为了合理地利用材料，空载额定电 压一般设计在空载特性的弯曲处， 如图中的c点 ba 饱和系数： E0*=1时的总磁势与气隙磁势之比， 一般在1.1-1.25间 意义：空载磁路饱和后，由励磁磁势所建立的磁通和感应电 势都降低到未饱和时的1/k 空载特性的实验测定 • 调节可变电阻，使激 磁电流逐步上升，每 次记下If和E0的读数 • 作同步电机的空载特 性 • 由于存在剩磁，规定 用下降曲线来表示空 载特性 • 从1.3UN对应的激磁 逐步减小 剩磁电动势 空载特性的工程应用 • ① 将设计好的电机的空载特性与常规空载特性相比较 ，如果两者接近，说明电机设计合理，反之，则说明 该电机的磁路过于饱和或者材料没有充分利用 如太饱和，将使励磁绕组用铜过多，且电压调节 困难 如饱和度太低，则负载变化时电压变化较大，且 铁心利用率较低，铁心耗材较多 • ②结合短路特性可以求取同步电机的参数。

• ③发电厂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 必须掌握（*） 2.同步发电机的短路特性 • 发电机三相稳态短路试验时，电枢短路电流Ik 与激磁电流If间的关系曲线 忽略绕组电阻ra (c) 短路运行时，Ik 滞后于E0 90o电角度， y =90o，交 轴分量Ikq =0 ，电枢反应为纯去磁作用 影响： 电机磁路处于 不饱和状态 短路特性曲线 • 去磁作用减少了电机中的磁 通，磁路处于不饱和状态 • 电枢磁势Fa正比于电枢电流 I=Ik • 短路特性是一直线 Ik If 0 U=0 稳态短路时，电枢反应为纯去磁作用 ，电机的磁通和感应电势较小，短 路电流不大，三相稳态短路运 行没有危险 短路特性的测定——短路试验 • 先将三相电枢绕组在出线端处短接，再起 动原动机将发电机带到同步转速，通入不 同数值的激磁电流If，读取每次相应的短路 电流Ik，即得同步发电机的短路特性 同步发电机的特性三角形 零功率因数特性（2） ：cosθ =0的负载特性 •纯感性负载，纯去磁作用的 电枢反应 Faq=0,Fad=Fa 合成磁势 端电压 3.负载特性曲线 端电压与激磁电流间的曲线 U＝f(If) I=const，cosθ=const 矢量（相量）关系变成了代数关系 重点：空载特性与零功率因数曲线 • mn对应于去磁磁势 kadFad的激磁电流 on：合成磁势 om=mn+om：激磁磁 势Ff an：E——合成电势 ab：Ixσ bn=cm：U=E-Ixσ c点：对应(U,If)为零功 率因数特性曲线上一 点 电抗三角形abc 如电枢电流保持不变， 三角形大小不变 高ab= Ixσ，底边bc=mn均 正比于电枢电流 c点轨迹即为零功率因数 曲线 负载时实际激磁 零功率因数曲线求取 两点试验实验法 当电机较大时，将电机并联 于电网，有功调节为零，调 节励磁使发出无功电流达到 IN，即为e点. 短路点e点——（I=IN,U=0） 调节发电机励磁电流，使三相稳定短 路电流为额定值 额定电压点c点——（ I=IN,U=UN ）调 节发电机处于过激，电枢电流为额定 值，输出有功功率为0（零功率因数 ），激磁电流和额定电压决定c点 二、同步发电机的参数及测定 • 同步电抗：饱和与不饱和值 • xd和xq的转差法测定 • 短路比 • 漏抗和保梯电抗 1.同步电抗的实验测定 • 不饱和同步电抗 短路时不计饱和 凸极电机的交轴同步电抗可以利用经验公式求得 饱和同步电抗 • 在纯感性负载时 •磁路饱和决定于空气隙中的合 成磁场，忽略漏阻抗压降，则 决定于端电压。

•不同的端电压时，xs不同 •当磁路不饱和时，同步电抗电 压为c’a’，比ca大不饱和同 步电抗的数值比饱和同步电抗 的数值大 2.转差率试验，测定xd、xq • 同步电机由原动机带动，转速接近于同步转速 ，转子激磁绕组开路（不加激磁），在定子端 子上外施—对称三相电压为了避免转子被牵 入同步，外施电压约为额定电压的1/4左右， 且使其相序能保证电枢旋转磁场的转向与转子 的转向—致 • 调节原动机转速，使约有1％一2％的转差此 时，定子旋转磁场的轴线交替地与转子直轴和 交轴重合 当定子旋转磁场与转子直轴重合时，定子的电抗为xd，此 时电抗最大，定子电流最小，线路压降最小，端电压为最 大 当定子旋转磁场与转子交轴重合时，定子的电抗为xq，此 时电抗最小，定子电流最大，线路压降最大，端电压为最 小 计算 为不饱和值 应用： 正常运行时，电机磁路饱和，d轴气隙小而磁导大，磁路饱和而使xd减 小，分析时应用xd饱和值；短路时，由于电枢反应的去磁作用，使电 机磁路处于不饱和状态，xd用不饱和值 q轴：磁路气隙较长，磁导小，磁路不饱和，xq取不饱和值 1 外施电压低，定子电枢磁场较小 2 无激磁电流，没有转子励磁磁场 3.短路比kK • 在空载时使空载电势有额定值时的激磁电流If0 与在短路时使短路电流有额定值时的激磁电流 Ifk之比 IN 在激磁电流为If0时的短路 电流标幺值 3.短路比kK 分析：短路比略大于不饱和同步电抗的倒数 短路比大，则同步电抗小，负载变化时发电机的电压变化就小 ，并联运行时发电机的稳定度较高；设计上，电机气隙较大， 转子的额定激磁磁势和用铜量增大。

短路比小，同步电抗大，负载变化时发电机的电压变化就大— —电压调整率大，发电机的稳定度较差 工程上： 随着单机容量的增大，为了提高材料利用率，随机组容量增大 短路比降低 由于采用自动励磁调节装置，大大提高了运行稳定性，降低短 路比可以提高电机经济指标 4.漏抗的测定 • 电抗三角形法 bc等效于电枢反 应的励磁电流 抽出转子法测漏抗 • 抽出电机转子，定子绕组外施三相对称电压，使输入电流 达到额定值（U=15%UN） • 电压方程 忽略定子绕组电阻，则： • 特点： 实测值大于实际值——转子空间也归入了漏磁路，使总磁 阻减小，表现漏抗增大 可采用探测线圈修正 保梯电抗xp • 在三相稳态短路时，纵边为 INxσ——短路三角形 • 随着电压增加，三角形纵边 将增大，对应于U=UN，边长 为INxP——保梯(potier)三角 形 • 汽轮发电机，极间漏磁通较 小，xp近似等于xσ • 凸极发电机，xp=(1.1-1.3) xσ 零功率因数试验时，磁极漏磁 较大，磁极饱和程度较空载时 高，为此必须加大激磁 曲线2：由特征三角形及空载 特性作出 当考虑转子漏磁影响后，特 性三角形纵边并非恒定不变 。

三、同步发电机的稳态运行特性 • 外特性 • 电压变化率 • 调整特性 • 效率特性 • 磁势法求电压变化率和额定励磁电流 1. 发电机的外特性 • n=n1, I f =const，cos=const，单机运行，发电机端电压U随 负载电流 I的变化关系——与负载的性质有关 影响因数： 1. 电枢反应 2. 漏抗压降 当容性负载且内功率因数超前时 ，电枢反映是助磁作用，特性可 以呈上升形状 在容性负载时，需适 当降低励磁，呈欠激 运行 在感性负载下需供给较大励 磁，称为过激运行 不同功率因数下，I=IN时均有U=UN 2.发电机的调整特性 • n=n1, U =const，cos=const，作单机运行，负载电流 I与励磁电流If的关系 • 物理意义：维持端电压不变，励磁电流需随负载电流 的大小变化进行调节 在感性负载时，随负载增 大，需增加励磁以抵消电 枢反应的去磁作用 在容性负载时，随负载增 大，需减小励磁以平衡电 枢反应的助磁影响 3.效率特性 n=nN，U=UN，cos= cosN，效率与输出功率P2的关系 测量方法：直接负载法，损耗分析法 损耗分析： 1. 基本损耗：电枢铁耗，电枢铜耗，励磁损耗，机械损 耗 2. 杂散损耗：漏磁引起的涡流损耗，谐波引起的转子表 面损耗等 额定效率范围： 1 水轮发电机（空气冷却）：96%-98.5% 2 汽轮发电机（空气冷却）：94%-97.8% 四、电压变化率 额定工作点： 额定电压、额定 负载（额定电流 与功率因数） 保持转速与励磁不变，如负载减小， 则电枢反应的去磁作用也减小，端电 压将升高——电压变化 1. 电压调整率 • 保持额定运行时的励磁电流和转速不变，发电 机的额定运行时的端电压为UN，空载时端电压 为空载电势 E0 ，电压调整率表示 △U是发电机的性能指标之一，按国家标准规定应 不大于50% 通过采用快速励磁调节器，可以自动改变激磁电流 使发电机端电压保持不变 2. 电势法求△U% • 从等效电路根据相量图分析 U I θ Ira jIxs E0 ψ E0 应用同步电抗的饱和值 3. 磁势法求△U% • 考虑了磁路的饱和情况，直接反应电枢磁 势Fa的作用 • 用保梯电抗xp代替漏抗，反映负载时转子漏 磁的变化 已知额定负载时U=UN，I=IN，cosθ=conθN 已知电机参数ra，xp，Kad，Kaq U、I If 2 短路特性 1 空载特性 UN IN θN I’f0 a I’f0 Ifa Ifk -Ifa IfN IfN E0 △U E Eσ Ifa电枢反应相当的激磁电流 额定激磁电流 思考题 1.为什么感性负载特性（零功率因数特性）和空载特性有 相同的形状？ 感性负载时，电枢反应为纯去磁作用，磁势间的 关系以及电势间的关系为纯代数关系，即： 思考题 2.为什么同步电机空气隙比容量相当的异步 电机大？ 同步电机空气隙大，同步电抗小，短路比大 ，电机运行稳定性高。

但电机尺寸大，成 本高； 异步电机的励磁由电网供给，如采用较大的 气隙，则激磁电流增大 思考题 3.比较变压器、异步电机的激磁电抗与同步电机的 同步电抗 变压器： 异步电机： 同步电机： 同步电抗包括两个部分，（1）对应于定子绕组的漏 磁通xσ ，（2）对应与定子电流产生的空气隙旋转 磁场xa非主气隙合成磁场的作用 对应于-E1，即主磁通 作业 • 思考题 10 11 • 习题 6 。