同步发电机的运行特性

1、 同步发电机在转速保持恒定、负载功率因同步发电机在转速保持恒定、负载功率因 数不变的条件下，有三个主要变量：定子端电数不变的条件下，有三个主要变量：定子端电 压压U U、负载电流、负载电流I I、 励磁电流励磁电流i if f。三个量之中保。三个量之中保 持一个量为常数，求其它两个量之间的函数关持一个量为常数，求其它两个量之间的函数关 系就是同步发电机的运行特性。系就是同步发电机的运行特性。 3、 负载特性：当I I=const,Cos=const时, U Uf(i if f) 五种基本特性：五种基本特性： 1、 空载特性：当I I=0时，E E0 0 (U U0 0) f(i if f) 2

2、、 短路特性：当U U=0时， I Ik kf(i if f) 4、 外 特 性：当i if f= const,Cos=const时， U Uf(I I) 5、 调整特性：当U U= const,Cos= const时, i if ff(I I) 6.3.1 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性 一、同步发电机空载特性曲线的测定一、同步发电机空载特性曲线的测定 同步发电机达到同步转速后，加入励磁电流，改变同步发电机达到同步转速后，加入励磁电流，改变 励磁电流，空载电势也随之改变。励磁电流，空载电势也随之改变。 1 1、 励磁电流由零升至最大值励磁电流由零升至最大值 2 2、 励磁电流由最大

3、值降为零励磁电流由最大值降为零 由于铁磁材料磁滞的原因由于铁磁材料磁滞的原因, , 空载电势略有不空载电势略有不 同，一般取下降的空载特性曲线。同，一般取下降的空载特性曲线。 If U0=E0 i if0 f0 图图6.28 6.28 空载特性的实验测定及空载特性的实验测定及校正校正 1 2 图图6.29 三根空载特性曲线三根空载特性曲线 E0 =f (Ff ) 二、二、 同步发电机的短路特性同步发电机的短路特性 当U U=0、保持n=nN时， I Ik kf(I If f) 1、短路时（、短路时（U=0）电动势方程电动势方程 隐极机隐极机： 凸极机凸极机： 即即 . = =E E0 0+E+

4、Ead ad +E +Eaq aq =U+IR =U+IRa a . . +jIXjIX . . E . . . . E = =E E0 0+E +Ea a =U+ =U+I IK R Ra a+jI+jIK X X . . . E = =U+IRU+IRa a+jIX+jIX . . jIjIK X X . . 2 2、短路特性曲线、短路特性曲线 已知已知 、当当Ra=0时时 不饱和）( 0 dd aqqadda XI j XI jXI jXI jRIUE tktkak0 XI jXI jRIUE 隐极机：隐极机： 凸极机：凸极机： 90900 0, ,电枢磁势基电枢磁势基 本上为本上为纯直

5、轴去磁纯直轴去磁， F Fa a=F=Fad ad, ,F Faqaq=0 =0. . 0 . U F =Ff Fad （数值上）（数值上） 又因磁路不饱和，又因磁路不饱和，F I IK Fad I IK 故：有故：有Ff I IK 即即If I IK 短路特性为一条过原点的直线 短路特性为一条过原点的直线。 . . . E = =U+IRU+IRa a+jIX+jIX . . jIjIK X X . . 稳态短路时，电机中的稳态短路时，电机中的电枢反应为纯去磁作用电枢反应为纯去磁作用， 电机的磁通和感应电势较小，电机的磁通和感应电势较小，短路电流也不会过短路电流也不会过 大，所以大，所以三相

6、稳态短路运行没有危险三相稳态短路运行没有危险。 I N I O fk I f I 短路特性 图图6.30 短路特性短路特性 . . E . = =E E0 0+E+Ead ad +E +Eaq aq =U+IR =U+IRa a . . +jIjIkX X . . E . . I . . E0 Ff Fad . . Ead Fad F 图图6.31 6.31 稳态短稳态短 路时路时-空矢量空矢量 3、稳态短路时、稳态短路时-空矢量图空矢量图 0 . U 三角形三角形ABC为同步为同步 发电机的特性三角发电机的特性三角 形。形。 =Fad =I INX X Ff （ If ） E O C A E

7、0 =f (If ) B E F Fad E 图图6.326.32特性三角形特性三角形 - - AB - - AC 4、特性三角形（短路三角形）、特性三角形（短路三角形） . . E . = =E E0 0+E+Ead ad +E +Eaq aq =U+IR =U+IRa a . . +jIjIkX X 数值小数值小,对应的磁通也小对应的磁通也小,电机磁路电机磁路不饱和不饱和 思考：思考： 同步发电机定子绕组的出线端短路后，电枢同步发电机定子绕组的出线端短路后，电枢 电流电流 I 随励磁电流随励磁电流 If 变化，两者为什么成正比变化，两者为什么成正比 关系？关系？ 隐极机隐极机：短路时：短路

8、时 故故 Xt=E0 /IK 短路时磁路不饱和，故在同一短路时磁路不饱和，故在同一Ff ( If )下，由下，由 空载特性中的空载特性中的气隙线气隙线E0=f (Ff )求得求得E0 ，由短，由短 路特性求得路特性求得IK，由，由Xt=E0 /IK得得不饱和同步电不饱和同步电 抗抗Xt 。 5、不饱和同步电抗的求取、不饱和同步电抗的求取 （利用（利用图图6.29短路特性、空载特性求取）短路特性、空载特性求取） tktkak0 XI jXI jRIUE 不饱和）不饱和）(XI j XI jXI jXI jRIUE dd aqqadda0 凸极机凸极机：短路时：短路时 X Xd不饱和 不饱和=E0

9、 /IK X Xd*不饱和 不饱和= X Xd不饱和不饱和/Z b =(E0 IN ) / ( IKUN ) =E0 * /IK * 在同一在同一Ff ( If )下，由空载特性中的下，由空载特性中的气隙线气隙线E0 =f (Ff )求得求得E0 ，由短路特性求得，由短路特性求得IK，由，由X Xd不饱和 不饱和 =E0 /IK得不饱和同步电抗得不饱和同步电抗X Xd 。 根据经验公式根据经验公式 X Xq 0.65X Xd可求可求X Xq。 。 定义：定义：当发电机空载运行时，空载电动势等于额当发电机空载运行时，空载电动势等于额 定电压时，所加的励磁电流定电压时，所加的励磁电流 If0 ，保

10、持此，保持此If0不变，不变， 在稳态短路时所对应的短路电流为在稳态短路时所对应的短路电流为IK0 ， IK0与发电与发电 机额定电流机额定电流IN 之比，称为之比，称为短路比短路比 ，用，用kc表示。表示。 kc = IK0 / IN = If0 (U0 =UN) / IfK (IK =IN) = (If0 / If0 )* * (If0 / IfK) =k UN / E0 = k / X Xd*不饱和 不饱和 6、短路比、短路比 (图图6.29中黑线所示）中黑线所示） If E E0 E E0 气隙线气隙线 IK UN If0 IK0 IN IfKIf0 图图6.29 由空载短路特性确定由

11、空载短路特性确定同步电抗同步电抗和和kc If0 -产生产生空载空载 额定电压所需的额定电压所需的 励磁电流励磁电流 If0 -产生产生气隙气隙 线线上空载额定电上空载额定电 压所需的压所需的励磁电励磁电 流流 IfK -产生产生额定额定 短路电流短路电流所需的所需的 励磁电流励磁电流 k -电机主磁路电机主磁路 的饱和系数的饱和系数 kc分析分析： kc小，负载变化时，发电机电压变化较小，负载变化时，发电机电压变化较 大，并联运行时稳定性较差，但电机造价便宜。大，并联运行时稳定性较差，但电机造价便宜。 若：增大电机气隙若：增大电机气隙, ,Xd kc 此时，电机静态稳定性好，过载能力强，但要

12、增大此时，电机静态稳定性好，过载能力强，但要增大 励磁磁动势，转子用铜量增大，励磁磁动势，转子用铜量增大，造价高。造价高。 汽轮发电机：汽轮发电机： kc =0.41 水轮发电机：水轮发电机：kc =0.81.8 1、定义、定义 发电机的负载特性是指当负载电流发电机的负载特性是指当负载电流=常数，常数， 功率因数功率因数cos =常数的条件下，端电压常数的条件下，端电压U与励与励 磁电流的关系磁电流的关系 。其中当。其中当cos =0时一条负载特时一条负载特 性称为零功率因数特性。性称为零功率因数特性。 三、零功率因数特性三、零功率因数特性 2、相量图、相量图 cos =0 的负载为纯电感负载

13、，的负载为纯电感负载， Ra远小于远小于 回路电抗，故回路电抗，故 =900，零功率因数负载时的电枢，零功率因数负载时的电枢 磁动势也是磁动势也是纯去磁作用的直轴磁动势纯去磁作用的直轴磁动势。 . . =U+IR=U+IRa a+jIXjIX . . E . . =U+j=U+jIXIX . . I I滞后于滞后于U90U900 0 . . I . . E0 Ff Fad Fad F . . U jIXjIX . . . . E Fad = Fa 图图6.316.31零功率因数负载时时零功率因数负载时时-空矢量图空矢量图 画出相量图见图画出相量图见图6.316.31 可以看出，可以看出， 与与

14、U U处处 于同一方位，其相量加减于同一方位，其相量加减 可简化为代数加减，即可简化为代数加减，即 j jIXIX . . E =U+ IXIX F =Ff- - Fa 3 3、零功率因数特性与空载特性之间存在一个特性三零功率因数特性与空载特性之间存在一个特性三 角形（见图角形（见图6.31） 图图6.31 6.31 零功率因数负载特性的分析零功率因数负载特性的分析 三角形三角形EAF也为也为 同步发电机的特同步发电机的特 性三角形。性三角形。 = UN =IX =IX = =I If0 f0 = =I If f = =I Ifa fa : :克服漏阻抗克服漏阻抗 压降压降IXIX 所需励磁所

15、需励磁 电流电流 - - OB - - EA - - BC - - BF - - AF - - AC F Ff f(I(If f ) ) U A B E E E0=f (If ) O K C F UN I Ifa fa 在测定零功率因数负载特性时，在测定零功率因数负载特性时，I I保持不保持不 变，故特性三角形大小不变。变，故特性三角形大小不变。 若若X X 已知，已知， 对应于一固定对应于一固定I I的去磁作用的等效励磁磁动的去磁作用的等效励磁磁动 势力势力I Ifa fa，该三角形唯一确定，将左上角顶点 ，该三角形唯一确定，将左上角顶点 沿空载特性移动时，其右下角顶点的轨迹即沿空载特性移动

16、时，其右下角顶点的轨迹即 为所求的零功率因数负载特性。为所求的零功率因数负载特性。 若零功率因数负载特性是若零功率因数负载特性是实测实测( (设设I=II=IN N) )的，如图的，如图 6.356.35中虚线所示，此时特性三角形为中虚线所示，此时特性三角形为A“ B” C “ ， 大于大于 ，计算的，计算的电抗将大于漏抗电抗将大于漏抗X X ，称为，称为保梯电抗保梯电抗 X XP P，X XP P= = /I IN N 实测零功率因数负载特性实测零功率因数负载特性3 3与理想零功率因数负载与理想零功率因数负载 特性特性2 2不同是由于转子漏磁影响。若测零功率因数负不同是由于转子漏磁影响。若测

17、零功率因数负 载特性时电压低，载特性时电压低，磁路不饱和磁路不饱和，则仍为曲线，则仍为曲线2 2，此时，此时 作特性三角形可求作特性三角形可求X X 。 4 4、保梯电抗、保梯电抗 - - BC BC _ _ BC _ _ 图图6.35 由空载和零功率因数特性求特性三角形由空载和零功率因数特性求特性三角形 F Ff f(I(If f ) ) U C E0=f (If) O A UN B O B A C B A CO 1 2 3 Ifa I INX X I=0I=0 I=II=IN 三相稳定短路时，特性三角形纵边长为三相稳定短路时，特性三角形纵边长为IXIX ， 横边长为横边长为Ifad=Ifa

18、，称为短路三角形。随电压升高，称为短路三角形。随电压升高， 纵边逐渐增长，横边逐渐变小，对应于纵边逐渐增长，横边逐渐变小，对应于U=UU=UN时所时所 得特性三角形纵边长为得特性三角形纵边长为IXIXp，称，称保梯三角形保梯三角形。 凸极机：凸极机： X Xp=(1.05=(1.051.1)1.1)X X 隐极机：隐极机： X Xp=(1.1=(1.11.3)1.3)X X 1、外特性、外特性 n=nN, If =常数常数,cos =常数条件下，同常数条件下，同 步发电机单机运行时步发电机单机运行时,端电压端电压U随负载电随负载电 流而变化的关系曲线流而变化的关系曲线U=f(I) 。 四、外特

19、性和电压调整率四、外特性和电压调整率 感性负载及纯电阻负载：电枢反应去磁感性负载及纯电阻负载：电枢反应去磁 感性负载感性负载( 0, 90 0，cos 滞后滞后)，励磁电，励磁电 流流If不变时，随着电枢电流不变时，随着电枢电流I的增大，有两个因的增大，有两个因 素导致端电压下降：素导致端电压下降： 电枢反应的去磁电枢反应的去磁 EU ；漏抗压降；漏抗压降IRa的增大。故感性负载的增大。故感性负载 同步电机的外特性是下降的曲线。同步电机的外特性是下降的曲线。 2、外特性曲线形状与负载的性质有关。、外特性曲线形状与负载的性质有关。 容性负载容性负载对于对于(j 0,y90，cos j超前超前)，

20、电，电 枢反应为增磁作用，电枢电流枢反应为增磁作用，电枢电流I增大，端电增大，端电 压压U反而增大。反而增大。 图图6-32 给出了各种情况下的外特性曲线。给出了各种情况下的外特性曲线。 纯电阻负载纯电阻负载:电枢反应去磁电枢反应去磁,外特性是下降外特性是下降 曲线曲线. 3、为使不同、为使不同cos 下，下，I=IN时均有时均有U=UN，则，则 感性负载下所需励磁电流感性负载下所需励磁电流If大大-过励状态过励状态 容性负载下所需励磁电流容性负载下所需励磁电流If小小-欠励状态欠励状态 纯电阻负载纯电阻负载cos 11下所需励磁电流下所需励磁电流If-正正 常励磁状态。常励磁状态。 I U

21、N I O N U cos=0.8滞后滞后 cos=1 cos=0.8超前超前 图图6-32 同步发电机的外特性同步发电机的外特性 例例6-1 一台凸极同步发电机，其直轴和交轴同步电一台凸极同步发电机，其直轴和交轴同步电 抗的标幺值为抗的标幺值为 ， ，电枢电阻略去不，电枢电阻略去不 计，试计算该机在额定电压、额定电流、计，试计算该机在额定电压、额定电流、 (滞后滞后) 时激磁电动势的标幺值时激磁电动势的标幺值 (不计饱和不计饱和) n解解 以端电压作为参考相量以端电压作为参考相量 虚拟电动势为虚拟电动势为 0* 01U 0* 87.361 I 8 . 0cos * 0 E 0 . 1 * d X6 . 0 * q X 00* 44.19442. 187.366 . 01jXI jUE qQ n即即角为角为1944，于是，于是 n电枢电流的直轴、交轴分量和激磁电动势分别为电枢电流的直轴、交轴分量和激磁电动势分别为 000 0 31.5687.3644.19